WO2005026710A1 - 尿素溶液の尿素濃度識別装置 - Google Patents

尿素溶液の尿素濃度識別装置 Download PDF

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Shinichi Inoue
Akiko Kubota
Takayuki Takahata
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Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd.
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    • Y10T436/171538—Urea or blood urea nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a system for purifying exhaust gas that also discharges power, such as an internal combustion engine of an automobile, and a urea solution sprayed onto an exhaust gas purifying catalyst to decompose nitrogen oxides (NOx).
  • the present invention relates to an apparatus for identifying a urea concentration in a liquid.
  • One of such measures is to use an exhaust gas purifying catalyst device.
  • a three-way catalyst for purifying exhaust gas is placed in the exhaust system, where CO, HC, NOx, etc. are decomposed by oxidation reduction to make them harmless.
  • An aqueous urea solution is sprayed on the catalyst immediately upstream of the catalytic converter in the exhaust system to maintain the NOx decomposition in the catalytic converter continuously.
  • This urea aqueous solution needs to be in a specific urea concentration range in order to enhance the effect of NOx decomposition, and it is said that a urea concentration of 32.5% is particularly optimal.
  • the urea solution is stored in a urea solution tank mounted on an automobile, and the concentration may change over time, and the concentration distribution may be locally uneven in the tank. There is also.
  • the urea solution supplied to the spray nozzle via the supply pipe by the tank force pump generally also collects the outlet force near the bottom of the tank. It is important to increase efficiency.
  • NOx sensors are arranged on the upstream and downstream sides of the catalytic converter, respectively, and based on the difference in NOx concentration detected by these sensors, whether the NOx decomposition was optimally performed or not was determined. Has been determined.
  • this approach actually reduces NOx Therefore, it is not possible to identify the urea concentration not only before urea solution spraying but also at the beginning of spraying. Also, the NOx sensor used in such a method could not be said to have sufficient sensitivity to achieve injection of a urea solution of good concentration.
  • Patent Document 1 a heating element is caused to generate heat by energization, and the heat is used to heat a temperature sensing element, and the heat transfer from the heating element to the temperature sensing element is thermally affected by the discriminated fluid.
  • a fluid identification method for determining the type of the fluid to be identified based on an electrical output corresponding to the electrical resistance of the temperature sensing element, which periodically supplies current to the heating element is disclosed.
  • the energization of the heating element is performed periodically (that is, performed in multiple pulses), so that it takes time for identification, and the fluid can be identified instantaneously. It is difficult.
  • This method is also applicable to the identification of the urea concentration of urea solution as described above, for example, the ability to identify fluids based on representative values for substances with very different properties such as water, air, and oil. It is difficult to perform accurate and quick identification.
  • Patent Document 1 JP-A-11-153561 (in particular, paragraphs [0042]-[0049])
  • an object of the present invention is to provide a urea solution identification device capable of accurately and quickly identifying the urea concentration of a urea solution.
  • a device for identifying the urea concentration of a urea solution contained in a tank comprising: a concentration identification sensor unit; the concentration identification sensor unit attached to one end; and an opening of the tank at the other end.
  • a mounting portion for mounting to the vehicle is provided, and a supporting portion is provided.
  • the concentration identification sensor unit includes an indirectly heated concentration detecting unit including a heating element and a temperature sensing element, and a liquid temperature detecting unit that measures the temperature of the urea solution.
  • Each of the liquid temperature detectors includes a heat transfer member for the concentration detector and a heat transfer member for the liquid temperature detector for heat exchange with the urea solution.
  • a cover member is provided to form a urea solution introduction passage open at both ends so as to surround the heat transfer member for the concentration detection section and the heat transfer member for the liquid temperature detection section,
  • a single pulse voltage is applied to the heating element of the indirectly heated concentration detecting section to cause the heating element to generate heat, and includes a temperature sensing element of the indirectly heated concentration detecting section and the liquid temperature detecting section.
  • a urea concentration discrimination device for a urea solution wherein the discrimination calculation unit discriminates the urea concentration based on an output of the concentration detection circuit.
  • the discrimination calculation unit calculates the urea concentration based on a concentration-corresponding voltage value corresponding to a difference between an initial temperature and a peak temperature of the thermosensitive element when the heating element generates heat. Perform identification.
  • the voltage is obtained by sampling the initial voltage before the start of the single pulse application to the heating element as a voltage value corresponding to the initial temperature of the temperature sensing element a predetermined number of times and averaging it.
  • the average initial voltage value obtained by sampling the peak voltage before the end of the single pulse application to the heating element as a voltage value corresponding to the peak temperature of the temperature sensing element a predetermined number of times and averaging the averaged initial voltage value.
  • a peak voltage value is used, and a difference between the average peak voltage value and the average initial voltage value is used as the concentration corresponding voltage value.
  • a liquid temperature corresponding output value corresponding to the liquid temperature of the urea solution is input from the liquid temperature detection unit to the discrimination calculation unit.
  • the solution temperature-corresponding output value and the concentration obtained for the urea solution to be identified is identified based on the corresponding voltage value.
  • the identification calculation unit includes a microcomputer.
  • a circuit board constituting the density detection circuit is disposed at the other end of the support section, and the density identification sensor section and the circuit board are provided on the support section. Are electrically connected to each other.
  • the microcomputer is provided on the circuit board.
  • the urea concentration of the urea solution contained in the tank is identified. Therefore, the concentration identification sensor section is disposed in the tank, and the urea concentration identification can be performed stably and with good accuracy with little influence from external environmental conditions.
  • a single pulse voltage is applied to the heating element of the indirectly heated concentration detection section to cause the heating element to generate heat, and the identification calculation section performs the operation based on the output of the concentration detection circuit. Since the urea concentration is identified, the urea concentration of the urea solution can be identified accurately and quickly. In particular, the urea concentration is identified based on the concentration-corresponding voltage value corresponding to the difference between the initial temperature and the peak temperature of the thermosensitive element when the heating element generates heat. For example, the average peak voltage value and the average initial voltage are used as the concentration-corresponding voltage values. By using the difference from the value, stable, accurate and quick identification becomes possible.
  • a cover member forming a urea solution introduction passage open at both ends is provided so as to surround the heat transfer member for the concentration detection unit and the heat transfer member for the liquid temperature detection unit. Therefore, it is possible to improve the accuracy of concentration discrimination such that forced flow based on external factors does not easily occur in the urea solution around the heat transfer member.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing an embodiment of the urea concentration identification device according to the present invention
  • FIG. 2 is a partially omitted cross-sectional view
  • FIG. is there
  • an opening 102 is provided at an upper portion of a urea solution tank 100 for decomposing NOx which constitutes an exhaust gas purification system mounted on an automobile.
  • a urea concentration discriminating device 104 according to the present invention is attached to the section.
  • the tank 100 is provided with an inlet pipe 106 for injecting the urea solution and an outlet pipe 108 for taking out the urea solution.
  • the outlet pipe 108 is connected to the tank at a height near the bottom of the tank 100, and is connected to a urea solution atomizer (not shown) via a urea solution supply pump 110! RU
  • the urea solution is sprayed on the catalyst device by the urea solution sprayer disposed immediately before the exhaust gas purification catalyst device.
  • the urea concentration identification device includes a concentration identification sensor unit 2 and a support unit 4.
  • the density identification sensor 2 is attached to one end (lower end) of the support 4, and the At the other end (upper end), a mounting portion 4a for mounting to the tank opening 102 is provided.
  • the concentration identification sensor unit 2 includes an indirectly heated concentration detection unit 21 including a heating element and a temperature sensing element, and a liquid temperature detection unit 22 for measuring the temperature of the urea solution.
  • the indirectly heated concentration detecting section 21 and the liquid temperature detecting section 22 are arranged at a certain distance in the vertical direction.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the indirectly heated concentration detecting section 21 and the liquid temperature detecting section 22, and
  • FIG. 5 is a cross-sectional view thereof.
  • the indirectly heated concentration detecting section 21 and the liquid temperature detecting section 22 are integrated by a mold resin 23.
  • the indirectly heated concentration detection unit 21 is a thin film chip 21a including a heating element and a temperature sensing element, and a concentration detection unit joined by the thin film chip and the bonding material 21b. It has a metal fin 21c as a heat transfer member, and external electrode terminals 21e which are electrically connected to electrodes of a heating element and a temperature sensing element of a thin film chip by bonding wires 21d, respectively.
  • the liquid temperature detecting section 22 has the same configuration, and has metal fins 22c and external electrode terminals 22e as heat transfer members for the liquid temperature detecting section.
  • FIG. 6 shows an exploded perspective view of the thin-film chip 21a of the indirectly heated concentration detector 21.
  • the thin film chip 2 la has, for example, a substrate 21al made of Al O, a temperature sensing element 21a2 made of Pt, and also a SiO force.
  • heating element 21a4 also having TaSiO force
  • heating element electrode 21a5 also having N
  • a protective film 21a6 that also has an SiO force and an electrode pad 21a7 made of TiZAu
  • the temperature sensing element 21a2 is formed in a meandering pattern (not shown). Note that the thin film chip 22a of the liquid temperature detecting section 22 has the same structure, but only the temperature sensing element 22a2 works without operating the heating element.
  • the concentration identification sensor unit 2 has a base 2a attached to the lower end of the support unit 4, and the O-ring 2b is attached to the base when attaching the base. It can be intervened.
  • the mold resin 23 of the indirectly heated concentration detection unit 21 and the liquid temperature detection unit 22 is attached to the side surface of the base 2a via an O-ring 2c.
  • the base 2a is provided with a cover member 2d so as to surround the fins 21c for the concentration detecting section and the fins 22c for the liquid temperature detecting section.
  • a urea solution introduction passage 24 is formed, which extends vertically through the fins 21c for the concentration detecting section and the fins 22c for the liquid temperature detecting section and is open at both upper and lower ends. It is.
  • a circuit board 6 constituting a concentration detection circuit described later is arranged, and a cover member 8 is attached so as to cover the circuit board.
  • the supporting portion 4 accommodates a wiring 10 for electrically connecting the indirectly heated concentration detecting portion 21 and the liquid temperature detecting portion 22 of the concentration identification sensor portion 2 to the circuit board 6.
  • the circuit board 6 is equipped with a microcomputer (microcomputer) that constitutes an identification operation unit described later.
  • a wiring 14 for communication between the circuit board 6 and the outside is provided via a connector 12 provided on the lid member 8.
  • the discrimination calculation unit may be disposed outside the circuit board 6 instead of on the circuit board 6. In this case, the circuit board 6 and the discrimination calculation unit are connected via the wiring 14.
  • the base 2a and the cover member 2d, the support part 4 and the lid member 8 of the above-described concentration identification sensor unit 2 are made of a slip-resistant and corrosion-resistant material such as stainless steel.
  • FIG. 7 shows a configuration of a circuit for density identification in the present embodiment.
  • a bridge circuit 68 is formed by the temperature sensing element 21a2 of the indirectly heated concentration detecting section 21, the temperature sensing element 22a2 of the liquid temperature detecting section 22, and the two resistors 64 and 66.
  • the output of the bridge circuit 68 is input to the differential amplifier 70, and the output of the differential amplifier (also referred to as the concentration detection circuit output or the sensor output) is connected to a microcomputer constituting an identification operation unit via an AZD converter (not shown). (Microcomputer) Input to 72.
  • AZD converter not shown
  • a liquid temperature corresponding output value corresponding to the liquid temperature of the urea solution is input to the microcomputer 72 from the temperature sensing element 22a2 of the liquid temperature detecting unit 22 via the liquid temperature detecting amplifier 71.
  • the microcomputer 72 outputs a heater control signal for controlling the opening and closing of the switch 74 located on the current supply path to the heating element 21a4 of the indirectly heated concentration detecting section 21.
  • the urea solution introduction path 24 formed by the cover member 2d of the concentration identification sensor unit 2 is also filled with the urea solution US.
  • the urea solution US in the tank 100 including the urea solution introduction passage 24 does not substantially flow.
  • a predetermined height for example, For example, a single pulse voltage P of 10 V
  • the output voltage (sensor output) Q of the differential amplifier 70 gradually increases during the application of the voltage to the heating element 21a4, and gradually increases after the voltage application to the heating element 21a4, as shown in FIG. Decrease.
  • the microcomputer 72 samples the sensor output a predetermined number of times (for example, 256 times) for a predetermined time (for example, 1 second) before the start of voltage application to the heating element 21a4, and The calculation for obtaining the average value is performed to obtain the average initial voltage value VI.
  • This average initial voltage value VI corresponds to the initial temperature of the temperature sensing element 21a2.
  • the sensor output is sampled for a predetermined number of times (for example, 256 times) for a predetermined time (for example, 1 second) before the voltage application to the heat generating body 21a4 is stopped, and an average value thereof is obtained.
  • Calculation is performed to obtain the average peak voltage value V2.
  • This average peak voltage value V2 corresponds to the peak temperature of the thermosensitive body 21a2.
  • a calibration curve indicating the relationship between the temperature and the concentration-corresponding voltage value V0 is obtained in advance for some urea aqueous solutions (reference urea solutions) with known urea concentrations.
  • the quantity curve is stored in the storage means of the microcomputer 72.
  • Fig. 9 shows an example of a calibration curve. In this example, calibration curves have been created for reference urea solutions with urea concentrations of 0%, 20% and 40%.
  • the liquid temperature detection unit 22 When measuring the concentration of the urea solution to be measured using this calibration curve, the liquid temperature detection unit 22 The liquid temperature corresponding output value T input from the temperature sensing element 22a2 via the liquid temperature detection amplifier 71 is also used. An example of the output value T corresponding to the liquid temperature is shown in FIG. Such a calibration curve is also stored in the storage means of the microcomputer 72.
  • FIG. 11 shows an example of the relationship between the concentration corresponding voltage value V0 obtained with urea solutions having different temperatures and urea concentrations and the actual concentration.
  • the signal indicating the density value obtained in this way is output to an output buffer circuit 76 shown in FIG. 7 via a DZA converter (not shown), and the force is also output as an analog output to the engine of the automobile (not shown). It is output to the main computer (ECU) that controls the combustion of the fuel.
  • FIG. 12 shows an example of the relationship between the analog output voltage value VO ′ corresponding to the density and the actual density. It can be seen that the difference due to temperature in this relationship is small and sufficiently practicable.
  • FIG. 13 shows an example of the relationship between the analog output voltage value T ′ corresponding to the liquid temperature and the actual temperature. The analog output voltage value T corresponding to the liquid temperature is also output to the main computer (ECU).
  • the signals indicating the concentration value and the liquid temperature value can be taken out as digital outputs as required, and can be input to a device that performs display, alarm, and other operations.
  • the urea concentration of the urea solution described above is determined using the principle of t, which has a correlation between the kinematic viscosity of the urea solution and the sensor output using natural convection.
  • t which has a correlation between the kinematic viscosity of the urea solution and the sensor output using natural convection.
  • the urea solution around the fins 21c for the concentration detecting section and the fins 22c for the liquid temperature detecting section be hardly subjected to forced flow based on external factors as much as possible.
  • a cover member 2d particularly one that forms a vertical urea solution introduction path. Note that the cover member 2d also functions as a protection member for preventing contact of foreign matter.
  • the concentration of the urea solution used in the exhaust gas purification system is optimally 32.5%, and for example, 25% -40% or 30% -35% is defined as an appropriate range. If an identification result outside the appropriate range is obtained, a warning can be issued. Further, when the urea in the tank decreases and the urea solution disappears in the urea solution introduction passage 24, the above-mentioned concentration discrimination is performed when the concentration of the urea solution is within the appropriate range. Concentration-dependent voltage values that are extremely far apart can be obtained, and in this case, a necessary warning can be issued.
  • a warning is issued when it is detected that the temperature has dropped to a temperature close to the temperature at which the urea solution freezes (about -13 ° C). Can be issued to emit a sound.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing an embodiment of a urea concentration identification device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a partially omitted cross-sectional view of the urea concentration identification device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a view showing a state in which the urea concentration identification device of FIG. 1 is attached to a tank.
  • FIG. 4 is an enlarged view of an indirectly heated concentration detection section and a liquid temperature detection section.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the indirectly heated concentration detector of FIG. 4.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a thin film chip of the indirectly heated concentration detector.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a circuit for density identification.
  • FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a single pulse voltage P applied to a heating element and a sensor output Q.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a calibration curve.
  • FIG. 10 is a view showing an example of a liquid temperature corresponding output value T.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a relationship between a concentration corresponding voltage value V0 and an actual concentration.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a relationship between an analog output voltage value V0 ′ corresponding to a density and an actual density.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a relationship between an analog output voltage value T ′ corresponding to a liquid temperature and an actual temperature.

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Abstract

　濃度識別センサー部２と、これを下端部に取り付け且つ上端部に尿素溶液タンク開口部への取り付け部４ａが設けられている支持部４とを備える。濃度識別センサー部２はそれぞれ尿素溶液との熱交換のための金属フィン２１ｃ，２２ｃを備えた傍熱型濃度検知部及び液温検知部を有する。濃度識別センサー部２には、金属フィン２１ｃ，２２ｃを囲むように両端開放の尿素溶液導入路を形成するカバー部材２ｄが付設されている。傍熱型濃度検知部の発熱体に対して単一パルス電圧を印加して発熱させ、傍熱型濃度検知部の感温体と液温検知部とを含む濃度検知回路の出力に基づき識別演算部において尿素濃度の識別を行う。

Description

明 細 書
尿素溶液の尿素濃度識別装置
技術分野
[0001] 本発明は、自動車の内燃エンジンなど力も排出される排ガスを浄ィ匕するシステムに ぉ ヽて窒素酸化物 (NOx)の分解のために排ガス浄ィ匕触媒に対し噴霧される尿素溶 液中の尿素濃度を識別する装置に関するものである。
背景技術
[0002] 自動車の内燃エンジンではガソリンや軽油などの化石燃料が燃焼される。これに伴 つて発生する排ガス中には、水や二酸化炭素などと共に、未燃焼の一酸化炭素 (C O)及び炭化水素 (HC)や、硫黄酸化物（SOx)や、窒素酸化物 (NOx)等の環境汚 染物質が含まれる。近年、特に環境保護及び生活環境の汚染防止のため、これら自 動車の排ガスを浄ィ匕すべく各種の対策が講じられて 、る。
[0003] このような対策の 1つとして、排ガス浄化触媒装置の使用が挙げられる。これは、排 気系の途中に排ガス浄化用三元触媒を配置し、ここで、 CO、 HC、 NOx等を酸化還 元により分解して、無害化を図るものである。触媒装置での NOxの分解を継続的に 維持するために、排気系の触媒装置のすぐ上流側力 触媒に対して尿素水溶液が 噴霧される。この尿素水溶液は、 NOx分解の効果を高めるためには特定の尿素濃 度範囲にあることが必要とされ、特に尿素濃度 32. 5%が最適であるとされている。
[0004] 尿素溶液は、自動車に積載される尿素溶液タンクに収容されるのである力 経時的 に濃度変化が生ずることがあり、また、タンク内において局所的に濃度分布の不均一 が発生することもある。タンク力 ポンプにより供給管を介して噴霧ノズルへと供給さ れる尿素溶液は、一般にタンクの底部に近い出口力も採取されるので、この領域のも のが所要の尿素濃度であることが触媒装置の効率を高めるためには重要である。
[0005] しかるに、従来は、尿素溶液中の尿素濃度の直接的測定はなされていない。また、 排気系にお 、て、触媒装置の上流側と下流側とにそれぞれ NOxセンサーを配置し、 これらセンサーで検知される NOx濃度の差異に基づき NOxの分解が最適に行われ た力否かを判別することがなされている。しかし、この手法は、実際に NOxを低減し た効果を測定するものであるので、尿素溶液噴霧の前にはもちろんのこと噴霧当初 においても、尿素濃度の識別を行うことはできない。また、このような方法で使用され る NOxセンサーは、良好な濃度の尿素溶液の噴射を実現するためには感度が十分 とは云えなかった。
[0006] ところで、特許文献 1には、通電により発熱体を発熱させ、この発熱により感温体を 加熱し、発熱体から感温体への熱伝達に対し被識別流体により熱的影響を与え、感 温体の電気抵抗に対応する電気的出力に基づき、被識別流体の種類を判別する流 体識別方法であって、発熱体への通電を周期的に行う方法が開示されている。
[0007] し力しながら、この流体識別方法では、発熱体への通電を周期的に行う（即ち多パ ルスで行う）ので、識別に時間を要することになり、瞬時に流体を識別することは困難 である。又、この方法は、たとえば水と空気と油などの性状のかなり異なる物質に対し て、代表値によって流体識別を行うことが可能である力 上記の様な尿素溶液の尿 素濃度の識別に適用して正確で迅速な識別を行うことは困難である。
特許文献 1 :特開平 11-153561号公報 (特に、段落 [0042]— [0049]) 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 本発明は、以上のような現状に鑑みて、尿素溶液の尿素濃度を正確にしかも迅速 に識別することの可能な尿素溶液の識別装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0009] 本発明によれば、
タンク内に収容された尿素溶液の尿素濃度を識別する装置であって、 濃度識別センサー部と、一方の端部に前記濃度識別センサー部が取り付けられ且 つ他方の端部に前記タンクの開口部へ取り付けるための取り付け部が設けられて 、 る支持部とを備えており、
前記濃度識別センサー部は発熱体及び感温体を含んでなる傍熱型濃度検知部と 尿素溶液の温度を測定する液温検知部とを有しており、前記傍熱型濃度検知部及 び液温検知部はそれぞれ前記尿素溶液との熱交換のための濃度検知部用熱伝達 部材及び液温検知部用熱伝達部材を備えており、前記濃度識別センサー部には前 記濃度検知部用熱伝達部材及び液温検知部用熱伝達部材を囲むように両端開放 の尿素溶液導入路を形成するカバー部材が付設されており、
前記傍熱型濃度検知部の発熱体に対して単一パルス電圧を印加して前記発熱体 を発熱させ、前記傍熱型濃度検知部の感温体と前記液温検知部とを含んでなる濃 度検知回路の出力に基づき識別演算部において前記尿素濃度の識別を行うことを 特徴とする、尿素溶液の尿素濃度識別装置、
が提供される。
[0010] 本発明の一態様においては、前記識別演算部は、前記発熱体の発熱の際の前記 感温体の初期温度とピーク温度との差に対応する濃度対応電圧値により前記尿素 濃度の識別を行う。本発明の一態様においては、前記感温体の初期温度に対応す る電圧値として前記発熱体に対する前記単一パルス印加の開始前の初期電圧を所 定回数サンプリングして平均することで得られた平均初期電圧値を用い、前記感温 体のピーク温度に対応する電圧値として前記発熱体に対する前記単一パルス印加 の終了前のピーク電圧を所定回数サンプリングして平均することで得られた平均ピー ク電圧値を用い、前記濃度対応電圧値として前記平均ピーク電圧値と前記平均初期 電圧値との差を用いる。
[0011] 本発明の一態様においては、前記識別演算部には前記液温検知部から前記尿素 溶液の液温に対応する液温対応出力値が入力され、前記識別演算部では、既知の 複数の尿素濃度の参照尿素溶液について作成され液温に対する濃度対応電圧値 の関係を示す検量線を用いて、識別対象の尿素溶液につ!、て得られた前記液温対 応出力値と前記濃度対応電圧値とに基づき、前記尿素濃度の識別を行う。
[0012] 本発明の一態様においては、前記識別演算部はマイクロコンピュータを含んでなる
。本発明の一態様においては、前記支持部の前記他方の端部には前記濃度検知回 路を構成する回路基板が配置されており、前記支持部には前記濃度識別センサー 部と前記回路基板とを電気的に接続する配線が収納されている。本発明の一態様に おいては、前記マイクロコンピュータは前記回路基板上に配置されている。
発明の効果
[0013] 本発明によれば、タンク内に収容された尿素溶液に対して尿素濃度の識別を行う ので、濃度識別センサー部がタンク内に配置され、外部環境条件から受ける影響が 少なく安定して良好な精度の尿素濃度識別を行うことができる。
[0014] また、本発明によれば、傍熱型濃度検知部の発熱体に対して単一パルス電圧を印 加して前記発熱体を発熱させて濃度検知回路の出力に基づき識別演算部において 尿素濃度の識別を行うので、尿素溶液の尿素濃度を正確にしかも迅速に識別するこ とが可能である。特に、発熱体の発熱の際の感温体の初期温度とピーク温度との差 に対応する濃度対応電圧値により尿素濃度の識別を行い、たとえば濃度対応電圧 値として平均ピーク電圧値と平均初期電圧値との差を用いることにより、安定して正 確且つ迅速な識別が可能となる。
[0015] さらに、本発明によれば、濃度検知部用熱伝達部材及び液温検知部用熱伝達部 材を囲むように両端開放の尿素溶液導入路を形成するカバー部材を付設して ヽるの で、熱伝達部材の周囲の尿素溶液に外的要因に基づく強制流動が生じにくぐ以上 のような濃度識別の精度を向上させることができる。
発明を実施するための最良の形態
[0016] 以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
[0017] 図 1は本発明による尿素濃度識別装置の一実施形態を示す分解斜視図であり、図 2はその一部省略断面図であり、図 3はそのタンクへの取り付け状態を示す図である
[0018] 図 3に示されているように、たとえば自動車に搭載された排ガス浄ィ匕システムを構成 する NOx分解用の尿素溶液タンク 100の上部には開口部 102が設けられており、該 開口部に本発明による尿素濃度識別装置 104が取り付けられている。タンク 100に は、尿素溶液が注入される入口配管 106及び尿素溶液が取り出される出口配管 108 が設けられている。出口配管 108は、タンク 100の底部に近い高さ位置にてタンクに 接続されており、尿素溶液供給ポンプ 110を介して不図示の尿素溶液噴霧器に接 続されて！、る。排気系にお ヽて排ガス浄ィ匕用触媒装置の直前に配置された上記尿 素溶液噴霧器により触媒装置に対する尿素溶液の噴霧が行われる。
[0019] 尿素濃度識別装置は、濃度識別センサー部 2と支持部 4とを備えて ヽる。支持部 4 の一方の端部（下端部）に濃度識別センサー部 2が取り付けられており、支持部 4の 他方の端部（上端部）にはタンク開口部 102へ取り付けるための取り付け部 4aが設け られている。
[0020] 濃度識別センサー部 2は、発熱体及び感温体を含んでなる傍熱型濃度検知部 21 と尿素溶液の温度を測定する液温検知部 22とを有する。傍熱型濃度検知部 21と液 温検知部 22とは、上下方向に一定距離隔てて配置されている。図 4に傍熱型濃度検 知部 21及び液温検知部 22の部分を拡大して示し、図 5にその断面図を示す。
[0021] 図示されているように、これら傍熱型濃度検知部 21と液温検知部 22とは、モールド 榭脂 23によって一体ィ匕されている。図 5に示されているように、傍熱型濃度検知部 2 1は、発熱体及び感温体を含んでなる薄膜チップ 21a、該薄膜チップと接合材 21bに より接合された濃度検知部用熱伝達部材としての金属製フィン 21c、及び薄膜チップ の発熱体の電極及び感温体の電極とそれぞれボンディングワイヤー 21dにより電気 的に接続されている外部電極端子 21eを有する。液温検知部 22も同様な構成を有 しており、液温検知部用熱伝達部材としての金属製フィン 22c及び外部電極端子 22 eを有する。
[0022] 図 6に傍熱型濃度検知部 21の薄膜チップ 21aの分解斜視図を示す。薄膜チップ 2 laは、たとえば Al Oからなる基板 21alと、 Ptからなる感温体 21a2と、 SiO力もなる
2 3 2 層間絶縁膜 21a3と、 TaSiO力もなる発熱体 21a4及び N もなる発熱体電極 21a5
2
と、 SiO力もなる保護膜 21a6と、 TiZAuからなる電極パッド 21a7とを、順に適宜積
2
層したものからなる。感温体 21a2は、図示はされていないが蛇行パターン状に形成 されている。尚、液温検知部 22の薄膜チップ 22aも同様な構造であるが、発熱体を 作用させずに感温体 22a2のみを作用させる。
[0023] 図 1及び図 2に示されているように、濃度識別センサー部 2は支持部 4の下端部に 取り付けられる基体 2aを有しており、この基体の取り付けに際しては O—リング 2bが介 在せしめられる。基体 2aの側面には O—リング 2cを介して上記傍熱型濃度検知部 21 及び液温検知部 22のモールド榭脂 23が取り付けられている。基体 2aには、濃度検 知部用フィン 21c及び液温検知部用フィン 22cを囲むようにカバー部材 2dが付設さ れている。このカバー部材により、濃度検知部用フィン 21c及び液温検知部用フィン 22cを順次通って上下方向に延びた上下両端開放の尿素溶液導入路 24が形成さ れる。尚、カバー部材 2dを基体 2aに取り付けることでモールド榭脂 23のフランジ部 が基体 2aの方へと押圧され、これによりモールド榭脂 23が基体 2aに対して固定され ている。
[0024] 支持部 4の上端部には、後述する濃度検知回路を構成する回路基板 6が配置され ており、該回路基板を覆って蓋部材 8が取り付けられている。図 2に示されているよう に、支持部 4には、濃度識別センサー部 2の傍熱型濃度検知部 21及び液温検知部 22と回路基板 6とを電気的に接続する配線 10が収納されている。回路基板 6には、 後述する識別演算部を構成するマイクロコンピュータ (マイコン)が搭載されている。 蓋部材 8に設けられたコネクタ 12を介して、回路基板 6と外部との通信のための配線 14が設けられている。識別演算部を、回路基板 6上ではなしに、外部に配置すること もでき、この場合には配線 14を介して回路基板 6と識別演算部とが接続される。
[0025] 以上の濃度識別センサー部 2の基体 2a及びカバー部材 2d、支持部 4及び蓋部材 8は、 、ずれも耐腐食性材料たとえばステンレススチール力もなる。
[0026] 図 7に、本実施形態における濃度識別ための回路の構成を示す。上記の傍熱型濃 度検知部 21の感温体 21a2、液温検知部 22の感温体 22a2、及び 2つの抵抗体 64 , 66によりブリッジ回路 68が形成されている。このブリッジ回路 68の出力が差動増幅 器 70に入力され、該差動増幅器の出力 (濃度検知回路出力またはセンサー出力とも いう）が不図示の AZD変換器を介して識別演算部を構成するマイコン (マイクロコン ピュータ） 72に入力される。また、マイコン 72には液温検知部 22の感温体 22a2から 液温検知増幅器 71を経て尿素溶液の液温に対応する液温対応出力値が入力され る。一方、マイコン 72からは傍熱型濃度検知部 21の発熱体 21a4への通電経路に位 置するスィッチ 74に対してその開閉を制御するヒーター制御信号が出力される。
[0027] 以下、本実施形態における濃度識別動作につき説明する。
[0028] タンク 100内に尿素溶液 USが収容されると、濃度識別センサー部 2のカバー部材 2dにより形成される尿素溶液導入路 24内にも尿素溶液 USが満たされる。尿素溶液 導入路 24内を含めてタンク 100内の尿素溶液 USは実質上流動しない。
[0029] マイコン 72からスィッチ 74に対して出力されるヒーター制御信号により、該スィッチ 74を所定時間（たとえば 4秒間）閉じることで、発熱体 21a4に対して所定高さ (たとえ ば 10V)の単一パルス電圧 Pを印加して該発熱体を発熱させる。この時の差動増幅 器 70の出力電圧 (センサー出力） Qは、図 8に示されるように、発熱体 21a4への電圧 印加中は次第に増加し、発熱体 21a4への電圧印加終了後は次第に減少する。
[0030] マイコン 72では、図 8に示されているように、発熱体 21a4への電圧印加の開始前 の所定時間（たとえば 1秒間）センサー出力を所定回数 (たとえば 256回）サンプリン グし、その平均値を得る演算を行って平均初期電圧値 VIを得る。この平均初期電圧 値 VIは、感温体 21a2の初期温度に対応する。また、図 8に示されているように、発 熱体 21a4への電圧印加の停止前の所定時間（たとえば 1秒間）センサー出力を所 定回数 (たとえば 256回）サンプリングし、その平均値をとる演算を行って平均ピーク 電圧値 V2を得る。この平均ピーク電圧値 V2は、感温体 21a2のピーク温度に対応す る。そして、平均初期電圧値 VIと平均ピーク電圧値 V2との差 V0 (=V2-V1)を濃 度対応電圧値として得る。
[0031] 一方、このような方法で、尿素濃度既知の幾つかの尿素水溶液 (参照尿素溶液）に ついて、温度と濃度対応電圧値 V0との関係を示す検量線を予め得ておき、この検 量線をマイコン 72の記憶手段に記憶しておく。検量線の例を図 9に示す。この例で は、尿素濃度 0%、 20%及び 40%の参照尿素溶液について、検量線が作成されて いる。
[0032] 図 9に示されているように、濃度対応電圧値 V0は温度に依存するので、この検量 線を用いて測定対象の尿素溶液の濃度を測定する際には、液温検知部 22の感温 体 22a2から液温検知増幅器 71を介して入力される液温対応出力値 Tをも用いる。 液温対応出力値 Tの一例を図 10に示す。このような検量線をもマイコン 72の記憶手 段に記憶しておく。また、互いに異なる温度及び尿素濃度の尿素溶液で得られた濃 度対応電圧値 V0と実際の濃度との関係の一例を図 11に示す。
[0033] 図 9の検量線において、測定対象の尿素溶液について得た液温対応出力値丁から 図 10の検量線を用いて得た温度値 tに対応する各検量線の濃度対応電圧値 V0 (0 % ;t) , V0 (20% ;t) , V0 (40% ;t)を得る。そして、測定対象の尿素溶液について 得た濃度対応電圧値 VO (X； t)が尿素濃度何％に該当するかを、各検量線の濃度 対応電圧値 V0 (0% ;t) , V0 (20% ;t) , VO (40% ;t)の少なくとも 2つ（たとえば V0 ( 20% ;t) , VO (40% ;t) )を用いた比例演算を行って、決定する。以上のようにして尿 素濃度の識別を正確に且つ迅速に（瞬時に)行うことができる。尚、図 9の検量線とし て温度の代わりに液温対応出力値 Tを用いたものを採用することで、図 10の検量線 の記憶を省略することもできる。
[0034] このようにして得られた濃度値を示す信号が不図示の DZA変 を介して、図 7 に示される出力バッファ回路 76へと出力され、ここ力もアナログ出力として不図示の 自動車のエンジンの燃焼制御などを行うメインコンピュータ (ECU)へと出力される。 図 12に、この濃度対応のアナログ出力電圧値 VO'と実際の濃度との関係の一例を 示す。この関係における温度による差異は小さぐ十分に実用可能であることが分か る。また、図 13に、液温対応のアナログ出力電圧値 T'と実際の温度との関係の一例 を示す。この液温対応のアナログ出力電圧値 T，も上記メインコンピュータ (ECU)へ と出力される。一方、濃度値及び液温値を示す信号は、必要に応じてデジタル出力 として取り出して、表示、警報その他の動作を行う機器へと入力することができる。
[0035] なお、以上の尿素溶液の尿素濃度識別は、自然対流を利用して尿素溶液の動粘 度とセンサー出力とが相関関係を有する t 、う原理を利用して 、る。このような濃度 識別の精度を高めるためには、濃度検知部用フィン 21c及び液温検知部用フィン 22 cの周囲の尿素溶液にできるだけ外的要因に基づく強制流動が生じにくくするのが 好ましぐこの点力もカバー部材 2dとくに上下方向の尿素溶液導入路を形成するよう にしたものの使用は好ましい。尚、カバー部材 2dは、異物の接触を防止する保護部 材としても機能する。
[0036] 上記のように、排ガス浄ィ匕システムにおいて使用される尿素溶液の濃度は 32. 5% が最適とされており、たとえば 25%— 40%または 30%— 35%を適正範囲として定め 、この適正範囲を外れた識別結果が得られた場合には、警告を発するようにすること ができる。また、タンク内の尿素が減少して、尿素溶液導入路 24内に尿素溶液がなく なった場合には、以上のような濃度識別の際に、上記尿素溶液の濃度適正範囲の場 合とは著しくかけ離れた濃度対応電圧値が得られ、この場合にも所要の警告を発す るようにすることができる。同様に、タンク内に誤って尿素溶液とは動粘度とセンサー 出力との相関関係の異なる液体 (たとえば、食塩水、冷却液など）を入れた場合には 、以上のような濃度識別の際に、その液体の液温と同一の液温の尿素溶液の濃度適 正範囲の場合とは異なる濃度対応電圧値が得られ、この場合にも所要の警告を発す るよう〖こすることがでさる。
[0037] 更に、液温検知部 22から入力される液温対応出力値 Tに基づき、尿素溶液が凍結 する温度 (- 13°C程度)の近くまで温度低下したことが検知された場合に警告を発す るよう〖こすることがでさる。
図面の簡単な説明
[0038] [図 1]本発明による尿素濃度識別装置の一実施形態を示す分解斜視図である。
[図 2]図 1の尿素濃度識別装置の一部省略断面図である。
[図 3]図 1の尿素濃度識別装置のタンクへの取り付け状態を示す図である。
[図 4]傍熱型濃度検知部及び液温検知部の部分の拡大図である。
[図 5]図 4の傍熱型濃度検知部の断面図である。
[図 6]傍熱型濃度検知部の薄膜チップの分解斜視図である。
[図 7]濃度識別ための回路の構成図である。
[図 8]発熱体に印加される単一パルス電圧 Pとセンサー出力 Qとの関係を示す図であ る。
[図 9]検量線の例を示す図である。
[図 10]液温対応出力値 Tの一例を示す図である。
[図 11]濃度対応電圧値 V0と実際の濃度との関係の一例を示す図である。
[図 12]濃度対応のアナログ出力電圧値 V0'と実際の濃度との関係の一例を示す図 である。
[図 13]液温対応のアナログ出力電圧値 T'と実際の温度との関係の一例を示す図で ある。
符号の説明
[0039] 2 濃度識別センサー部
2a 基体
2b, 2c O—リング
2d カバー部材 1 傍熱型濃度検知部2 液温検知部
3 モールド樹脂
4 尿素溶液導入路1a 薄膜チップ
1b 接合材
1c, 22c 金属製フィン Id ボンディングワイヤー1e, 22e 外部電極端子1al 基板
1a2, 22a2 感温体1a3 層間絶縁膜
1a4 発熱体
1a5 発熱体電極
1a6 保護膜
1a7 電極パッド 支持部
a 取り付け部
回路基板
蓋部材
0, 14 配線
2 コネクタ
4, 66 抵抗体
8 ブリッジ回路
0 差動増幅器
1 液温検知増幅器
2 マイコン（マイクロコンビ.4 スィッチ 76 出力バッファ回路
100 尿素溶液タンク
102 開口部
104 尿素濃度識別装置
106 入口配管
108 出口配管
110 尿素溶液供給ポンプ s 尿素溶液

Claims

請求の範囲
[1] タンク内に収容された尿素溶液の尿素濃度を識別する装置であって、
濃度識別センサー部と、一方の端部に前記濃度識別センサー部が取り付けられ且 つ他方の端部に前記タンクの開口部へ取り付けるための取り付け部が設けられて 、 る支持部とを備えており、
前記濃度識別センサー部は発熱体及び感温体を含んでなる傍熱型濃度検知部と 尿素溶液の温度を測定する液温検知部とを有しており、前記傍熱型濃度検知部及 び液温検知部はそれぞれ前記尿素溶液との熱交換のための濃度検知部用熱伝達 部材及び液温検知部用熱伝達部材を備えており、前記濃度識別センサー部には前 記濃度検知部用熱伝達部材及び液温検知部用熱伝達部材を囲むように両端開放 の尿素溶液導入路を形成するカバー部材が付設されており、
前記傍熱型濃度検知部の発熱体に対して単一パルス電圧を印加して前記発熱体 を発熱させ、前記傍熱型濃度検知部の感温体と前記液温検知部とを含んでなる濃 度検知回路の出力に基づき識別演算部において前記尿素濃度の識別を行うことを 特徴とする、尿素溶液の尿素濃度識別装置。
[2] 前記識別演算部は、前記発熱体の発熱の際の前記感温体の初期温度とピーク温度 との差に対応する濃度対応電圧値により前記尿素濃度の識別を行うことを特徴とす る、請求項 1に記載の尿素溶液の尿素濃度識別装置。
[3] 前記感温体の初期温度に対応する電圧値として前記発熱体に対する前記単一パル ス印加の開始前の初期電圧を所定回数サンプリングして平均することで得られた平 均初期電圧値を用い、前記感温体のピーク温度に対応する電圧値として前記発熱 体に対する前記単一パルス印加の終了前のピーク電圧を所定回数サンプリングして 平均することで得られた平均ピーク電圧値を用い、前記濃度対応電圧値として前記 平均ピーク電圧値と前記平均初期電圧値との差を用いることを特徴とする、請求項 2 に記載の尿素溶液の尿素濃度識別装置。
[4] 前記識別演算部には前記液温検知部から前記尿素溶液の液温に対応する液温対 応出力値が入力され、前記識別演算部では、既知の複数の尿素濃度の参照尿素溶 液につ!ヽて作成され液温に対する濃度対応電圧値の関係を示す検量線を用いて、 識別対象の尿素溶液について得られた前記液温対応出力値と前記濃度対応電圧 値とに基づき、前記尿素濃度の識別を行うことを特徴とする、請求項 2に記載の尿素 溶液の尿素濃度識別装置。
[5] 前記識別演算部はマイクロコンピュータを含んでなることを特徴とする、請求項 1に記 載の尿素溶液の尿素濃度識別装置。
[6] 前記支持部の前記他方の端部には前記濃度検知回路を構成する回路基板が配置 されており、前記支持部には前記濃度識別センサー部と前記回路基板とを電気的に 接続する配線が収納されて ヽることを特徴とする、請求項 1に記載の尿素溶液の尿 素濃度識別装置。
[7] 前記マイクロコンピュータは前記回路基板上に配置されていることを特徴とする、請 求項 5に記載の尿素溶液の尿素濃度識別装置。
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