与用于声学质检和液位感测的感应室关联的车辆尿素储箱

摘要

本发明涉及一种用于测量车辆尿素储箱的尿素溶液或来自于该储箱的尿素溶液的品质的设备(2)，该设备具有：-室(24)，-至少一个被布置为用于在室中竖直地发出超声波的超声收发器(32)，以及，-在室中在收发器上方延伸的偏向器(34)。该室具有用于给室充装尿素溶液以使得溶液在室中的液位至少达到偏向器的入口(33)。

说明书

本发明涉及车辆排放气体的污染的减少，还涉及为此而使用的尿素储箱以及其它。

车辆和卡车排放的法规要求减少将氮氧化物No_x释放到大气中。一种已知的用于实现该目的的方式在于使用SCR(“SelectiveCatalyticReduction”，选择性催化还原)方法，该SCR方法允许通过将还原剂(一般为氨)注入排放管线中来还原氮氧化物。使用尿素溶液来产生氨并且在车辆上将其存储在储箱中。

必须检查该储箱中尿素溶液的液位和品质。实际上，测量尿素的浓度允许确定是否存在任何污染物。所要求的浓度测量范围为0％到40％的尿素与水的比例。标称浓度为32.5％。而且，应该对常见车辆流体进行辨别，以确定是否发生不良充装。通常高于总可用体积的5％的污染必须被检测到。故意篡改系统以回避使用经认证的尿素流体也必须被检测到。

已经研发了例如基于尿素液体中的超声速度(声学共振装置)的品质传感器(参见例如US2008/0280371)。实际上，由于声音在尿素溶液中的速度随着溶液分子量的改变而改变，因此该速度能够被用于测量浓度。该分子量的改变按比例地影响声速。

超声流体品质传感器的主要缺点在于传感器的传感部件和用于反射传感器的超声波的参考靶之间的间距必须填充有流体。通常如果使用独立传感部件，该间距必须至少为25mm。如果单个传感部件在测量储箱液位和流体品质(参考测量)，该距离必须延长到至少50mm，以获得准确的测量并区分多个被返回的声波。

理想地，应一直进行浓度测量至储箱中的流体完全清空。然而，对于某些应用，允许在储箱底部存在10至15mm的不可测量区域，这是由于现有技术需要该区域以允许品质测量。这意味着在流体液位下降到参考靶(25至50mm)以下时无法对流体品质进行竖直测量，因此导致在储箱底部的不可测量的流体体积非常大。因此，大部分供应商选择的解决方案在于在储箱底部水平地进行参考测量。但这对于系统成本、复杂性和集成性而言并不理想。

由此，本发明的一个目的在于改善溶液品质的测量。特别地，一个目的在于：即使在溶液在储箱中的液位低时，也能不改变系统成本、复杂性和集成性地测量溶液的品质。

为此，本发明提供一种用于测量车辆尿素储箱的尿素溶液或来自于该储箱的尿素溶液的品质的设备，该设备具有：

-室；

-至少一个超声收发器，被布置为用于在室中竖直地发出超声波，以及

-在室中在收发器上方延伸的偏向器，

其中该室具有入口，该入口用于给室充装尿素溶液以使得溶液在室中的液位至少达到该偏向器。

由此，即使在储箱中的溶液的量少时，也能够用溶液将室充装至偏向器的位置。更确切地说，测量能够一直继续，直至储箱中有足够的溶液将室充装到偏向器的位置。这在储箱完全清空时无法继续进行，因为没有溶液可用于充装室。此外，该竖直测量在成本、复杂性和集成性方面是优选的。

优选地，入口延伸到比偏向器更低处。

优选地，室在室的顶部处是打开的。

由此，位于室中的溶液能够自由地流出室，例如流入储箱中以重新充装储箱。并且例如，如果储箱中有足够的溶液，储箱的溶液就能够流入室中。

在一个实施例中，设备具有壁，室形成于壁的凹进去的凹处中。

由此，室使得不需要增大储箱的体积或减小其容量。

在一个实施例中，收发器被布置为用于测量溶液的液位和除液位以外还测量溶液的品质。

由此，仅使用一个收发器进行了两种测量。

在另一实施例中，设备包括被布置为测量溶液的液位的第二超声收发器。

优选地，设备具有如下所述的装置：该装置被布置为用于给室充装尿素溶液以使得室中的溶液的液位至少达到偏向器。

有利地，设备包括供给管线和返回管线，该供给管线用于传送来自设备的尿素溶液，该返回管线用于将该溶液从供给管线传送到室。

有利地，设备包括止回阀，该止回阀位于溶液到入口的路径上并被布置为用于仅允许溶液流入室。

由此，室的溶液不通过入口流出，尤其是在储箱或供给管线的泵在反向模式下工作时。

设备可以包括以下部件中的至少一个：加热器、泵、过滤器、阀门以及温度探测器。

本发明还提供了一种车辆尿素储箱与根据本发明的设备的组合，其中该设备被布置为与该储箱流体连通。

优选地，室在储箱内延伸。

但在其他实施例中，室可以在储箱外延伸。

有利地，室在室的底部是打开的，以允许溶液从室流到设备或储箱。

由此，用于测量的溶液能够回流到储箱中，以被用于处理排放气体。该开口例如可以由仅允许流速较低的溶液的口径经测定的开孔构成。

优选地，室具有内底面，该内底面的最低点比储箱或设备的主室的内底面的最低点延伸得更高。

由此，在室中使用的大部分溶液可以回到例如储箱。

在一个实施例中，设备包括用于将尿素溶液从储箱传送到位于储箱外的供给管线的装置。

由此，设备可以位于储箱内，并且是将溶液传送到供给管线的模块的一部分。

在另一实施例中，储箱包括位于设备外的用于将尿素溶液从储箱传送到位于储箱外的供给管线的装置。

由此，设备仍然可以位于储箱内，但不是将溶液传送到供给管线的储箱模块的一部分。

在又一实施例中，该组合还可以包括被布置在储箱外的用于接收来自于储箱的尿素溶液的管线，其中设备位于储箱外并被布置为用于测量该管线的尿素溶液的品质。

这次，设备位于储箱外，并且在比如供给管线的管线上进行测量。

本发明还提供一种车辆尿素储箱，该储箱具有：

-主室；

-第二室，其被布置为使得该第二室中的尿素溶液的液位能够高于主室中的溶液的液位；

-至少一个超声收发器，被布置为用于在第二室中竖直地发出超声波；以及

-在第二室中在收发器上方延伸的偏向器，

其中第二室具有入口，该入口用于给第二室充装尿素溶液以使得第二室中的溶液的液位至少达到偏向器。

优选地，储箱具有如下所述的装置：该装置被布置为用于给第二室充装尿素溶液以使得第二室中的溶液的液位至少达到偏向器。

有利地，储箱具有供给管线和返回管线，该供给管线用于传送来自储箱的尿素溶液，该返回管线用于将该溶液从供给管线传送到第二室。

本发明还提供了一种用于测量车辆尿素储箱中的尿素溶液或者来自该储箱的溶液的品质的方法，其包括以下步骤：

-通过室的入口给室充装来自于储箱的尿素溶液，使得室中的溶液的液位至少达到在室中延伸的偏向器，以及

-由超声收发器在室中竖直地发送超声波直至偏向器，以测量品质。

优选地，供给管线将尿素溶液从储箱传送到排放气体管线，并且该充装步骤包括通过返回管线将溶液从供给管线传送到室。

现在将参照附图来描述作为非限制性示例的本发明的实施例，在附图中：

-图1为根据本发明的一个实施例的设备的透视图；

-图2至图4为相同设备的去掉某些部分的透视图；

-图5和图6示出了本发明的替代实施例；以及

-图7为根据本发明的另一实施例的设备的平面视图。

图1至图4示出了根据本发明的一个实施例的设备。

由模块2构成的设备旨在在车辆尿素储箱4中使用。该车辆具有产生排放气体的柴油热发动机，该排放气体需要进行处理以减少将氮氧化物NO_x释放到大气中。这通过使用SCR方法来实现，该SCR方法包括注入尿素，在排放管线中由于高排放气体温度尿素转化为氨。氨在排放管线中被用作还原剂。尿素溶液被用于以已知方式(在此不再赘述)来产生该氨。储箱包含尿素水溶液，例如溶液(溶于水中的在重量上占32.5％的尿素，对应于ISO22241标准的技术规格)。

储箱4具有旨在充装尿素溶液的主室22，模块2在该主室中延伸。

模块具有未示出的用于加热溶液的加热器。模块包括未示出的用于感应溶液温度的温度探测器。模块属于例如在WO2007/141312中公开的类型，该申请的公开内容通过引用被结合于本申请中。

模块还具有在图4中示出的装置6，该装置6用于从储箱传送溶液并将尿素从设备输送到安装在排放管上的注射装置。模块的基部具有构成储箱的最低点的出口31，装置6通过该出口31将尿素从储箱中提取出来。装置6包括构成供给嘴的起始部分或向上部分的管道，其中该供给嘴与用于供应尿素溶液以处理排放气体的输送线路连接。供给管线7包括用于该尿素传送的泵。车辆还具有返回管线9，该返回管线具有与供给管线的一部分连通的向上的端部和与设备连通的向下的端部，如下文所述。实际上，有时，泵故意计量供应过量(流量)的液体，这些液体的多余部分通过使用配备有经校准的阀门的返回管线而被返回到储箱。模块可以包括用于过滤进入供给管线的溶液的过滤器和位于供给管线上的阀门。这些部件都没有示出。

可以在WO2008/155303中找到关于供给管线和返回管线的更详细的解释，该申请的公开内容通过引用被结合于本申请中。

模块具有基部8和主圆柱形凸壁10，该基部具有盘形的整体形状，该主圆柱形凸壁在与基部和壁共有的轴线14垂直的平面中具有大致圆形的截面。该轴线应是竖直的。基部构成模块的底部。该壁具有开口16，这些开口16用于允许溶液从储箱主室流到由壁10构成的室17内和从该室流出回到主室22。

模块被接纳于在储箱的底部18中形成的圆形开口中，使得基部与该底部相接。

壁10在局部具有圆柱形凹处，该圆柱形凹处在垂直于轴线14的平面中显示出凹进去的弯曲截面。凹处接纳与轴线14平行的竖直平矩形分隔器26。分隔器的平面垂直于径向于轴线的方向。分隔器从基部8延伸，并在到达壁10的顶部边缘28之前被中断。例如，分隔器覆盖壁10的高度的75％。

分隔器将该凹处分为两个不同的室24、25，室25在轴线14和室25之间延伸。室24由壁10和分隔器25构成，并且仅在顶部打开。室25由分隔器和壁10构成，但在其面对储箱并与分隔器相对而置的这侧打开。两个室都具有圆柱形形状。当然，可以赋予室24、25其它配置。

基部8包括用于至少一个超声收发器32的壳30。在该示例中，模块具有单个收发器。该壳由室24、25的底部构成，以使得壳和收发器与这两个室对齐。收发器被布置为用于在平行于轴线14的方向上竖直地发出超声波，以使得该波穿过这两个室的底部并沿着这两个室的高度传播。模块具有未示出的控制装置，用于控制模块、尤其是控制收发器。

模块包括偏向器34，其形式为从壁10的外表面向着分隔器突出到室24中并在垂直于轴线14的平面中延伸的刚性平板片。偏向器34不接触分隔器26，使得两者之间存在间距。此外，偏向器34位于比分隔器26的顶部低的高度处。偏向器可能需要向下延伸到室的基部，以防止在冰冻状态期间由结冰膨胀造成的损坏。

返回管线9例如包括管36，该管具有与入口开口33连通的端部，该入口开口33形成在壁10中在室24的底部附近处。然而，该管可以具有其他任何的密封流体连通路径的形状。该入口位于比偏向器低的位置处。装置6被布置为用于通过该入口将尿素溶液泵送到室24中，以使得溶液在该室中的液位达到偏向器并优选地超过该偏向器。

模块如下所述地工作。

供给管线7通过出口31从储箱中周期性地取出尿素溶液并将其注入用于处理排放气体的装置中，以产生被注入排放管线中的氨。

返回管线9通过管36将尿素溶液从供给管线泵送到室24中，使得该室中的溶液液位上升并达到偏向器34的高度。更准确地说，室充装端口接收来自于返回端口27(该返回端口为从供给嘴到止回阀40的内部通道)的流体并通过室充装端口将其输送到室。

由此，在室24中，流体被暂时地保持在位于偏向器所在高度的上方的液位。

收发器32将超声波竖直地发送到室24和25中，室24和25都构成感应室。

室24充装有液位高达偏向器上方的溶液。偏向器构成参考靶。在该室中，波被偏向器向下竖直地反射到接收该波的收发器。于是控制装置能够以本身已知的方式确定除溶液液位以外的溶液品质，例如溶液中的尿素浓度。实际上，偏向器提供了用于进行参考测量的已知距离。

在室25中，波被溶液与空气接触的表面向下竖直地反射到接收该波的收发器。于是控制装置能够确定室25中的溶液液位，即在室25中的溶液柱的高度。实际上，传感器测量声波的总传播时间，该总传播时间取决于流体的物理性质(密度)。总传播时间被用于推导流体液位。由于该室在一侧向储箱打开，储箱中的溶液的液位由此也能够被确定。

在该实施例中，使用了单个收发器来进行液位和品质的测量，这是通过测量来自所提供的单个波的如下所述的两个分开的返回声波来进行的：来自在室25的顶部处的流体与空气的分界面的第一返回声波，其指示流体液位；以及来自在室24的顶部处的偏向器的第二返回声波，其指示流体品质。但是，如有需要，可以具有用于各个测量(液位和品质)的各自的传感部件。实际上，在一个不那么优化的变型中，可以与储箱液位传感器分开地在感应容器下方装配另一超声品质传感器。这不是优选的方案，但在某些特定情况中可能是有意义的。

由此，本发明使用已有的流体返回线路来确保存在用于进行竖直参考测量的流体。本发明使用模块的壁来产生留住并包含流体的感应容器24。输送模块的返回流体线路直达感应容器24的底部，这将允许容器保持充满，直至储箱中的所有流体都被耗尽(被输送到注入装置)。本发明使得即使储箱液位低于参考靶也能进行品质测量。

由于测量在流体储箱中竖直地进行，这使得在储箱的底部上的所需的封装空间最小化。

与现有技术相比，该方案以更低的成本改善了准确度。实际上，独立的超声传感器可以是焊接到储箱底部并需要贯穿孔的热板。而且，本发明获得了对将被输送到发动机的流体的精确测量。其它品质传感器在远离输送模块中的流体提取点处进行测量，可能无法精确地确定被输送的流体的品质。本发明降低了成本并改善了系统的鲁棒性。

本发明还在每种温度状态下都能工作，即使是在冬天或冰冻状态下。唯一的限制在于供给泵必须使用加热过的溶液来工作并且返回线路必须注入加热后的溶液。

室24的顶部是打开的，使得流体能够向上流出顶部，由此例如大约每1至2分钟流体会再次装满容器。感应室24在泵运行的所有时间都是充满的。

模块可以由热塑性材料制成。分隔器可被直接模制到由基部8构成的凸缘当中，或者可以在模制后与偏向器组合并组装到该凸缘。优选地，偏向器由不锈钢制成。偏向器可以由塑料制成并被模制在模块的侧壁中或附接到模块的侧壁。偏向器还可以附接到分隔器。

可以在室24的底部增加轻微的受控泄漏，其形式例如为如图4中所示的在壁10中的小出口37，其将允许在泵和返回流停止之后流体向下排放到模块室17中。这在以下情况下是有利的：室24的内底面的最低点延伸得比模块的主室的内底面的最低点31更高。由此，主室中的溶液的最低位置低于室24中的溶液的最低位置。

优选地，在溶液从返回管线到室24的路径上设置止回阀40，其被布置为用于仅允许溶液从这些装置流到室，相反方向的流动是不可能的。由此，流体在经过止回阀之后进入由室24构成的感应容器。止回阀阻止感应容器在泵在反向模式下工作时(例如在系统清洗期间)排空。

在图5中示出的另一实施例中，根据本发明(并具有用于进行关于尿素溶液的测量的偏向器和测量室)的设备102不同于并且远离模块或设备111，该模块或设备111进行尿素溶液从储箱到供给管线7的传送并接收来自于返回管线9和止回阀40的尿素溶液。模块111可以包括加热器、泵、过滤器、阀门以及温度探测器，而测量设备102则可以不包括这些装置中的任何一个，在该情况下其唯一的功能在于进行上述测量。一个优点在于设备102和模块111可以分别制造并组装到储箱上。在该情况下，与模块111相反地，设备102也可以至少部分地在储箱外延伸。

在另一替代实施例中，由室24构成的感应容器可以是供给管线7的一部分并远离壁10和储箱。该版本对于不具备返回管线的系统会有意义。在图6中示出了该版本的一个示例。除了测量设备202位于储箱4外部并与其相距一定距离以外，该实施例具有图5的实施例的所有特征。该测量设备位于供给管线7上，使得利用供给管线的尿素溶液来进行测量。该尿素溶液之前已经被位于储箱内的模块211从储箱传送到供给管线当中。在一个变型中，测量设备202可以位于返回管线9上。

图7示出了模块的一个替代构造的顶视图，在该替代构造中，止回阀40直接连接到感应容器。这消除了对于流体返回通道的需求。这次，品质测量室24位于直接围绕止回阀40的出口(返回开孔)的位置处。该室具有两个壁。第一壁41是平的并实现模块2的内部与储箱的其余部分之间的分隔。另一壁42是弯曲的并将室与模块2的内部分隔。

超声传感器32位于室24外部，其部分地位于室24下方并且部分地位于模块外部的下方。偏向器34被安装在使品质测量室与储箱开放区域分开的壁41上。偏向器延伸到该室中。该偏向器可以可行地位于品质测量室内部的另一壁上。这里，与之前的位置相反地，品质测量室被重新布置为直接围绕止回阀。

由此，感应器被布置为使得一个回音会被流体/空气分界面反射以用于测量流体液位，而另一回音则会被用于偏向器反射以确定流体类型。

替代地，可以具有两个分别的超声传感器(1-品质室，1-向储箱开放的区域)。

当然，能够对本发明进行大量修改。

测量室可以具有不同的形状，只要其被布置为即使储箱中的流体液位下降到品质参考高度以下也包含达到品质参考高度的流体。