CN104956217A - 用于超声波测量液体的填充水平的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于使用超声波传感器(2)测量储箱(1)——例如容纳用于选择性催化还原***的尿素溶液的储箱——中的液体添加剂(4)的填充水平的方法。在该方法中，首先执行的是测量超声波信号从超声波传感器(2)到液体添加剂(4)的液面(3)的第一传播时间。其次通过借助于至少一个超声波脉冲来清洗液体添加剂(4)的至少一个参考面(5)。然后测量超声波信号从超声波传感器(2)到所述至少一个参考面(5)的至少一个第二传播时间从而确定尿素溶液的音速，该音速可能由于溶液降解或污染而改变。最后，从第一传播时间与第二传播时间计算出填充水平。

Description

用于超声波测量液体的填充水平的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量储箱中液体添加剂的填充水平的方法。储箱中的液体添加剂可以例如设置成在机动车辆中使用。

背景技术

废气净化装置广泛用于例如汽车领域，其中燃烧发动机的废气借助于液体添加剂被净化。举例来说，已知选择性催化还原方法[SCR方法；SCR＝selective catalytic reduction]，其中，还原剂被作为液体添加剂添加至废气，废气中的氮氧化合物借助于还原剂还原。尿素/水溶液通常用作SCR方法的还原剂；其可以作为液体添加剂储存和供给并且随后在添加至废气之前和/或在废气中转化成氨。实际的还原反应随后在氨和废气中的氮氧化合物之间发生。尿素/水溶液向氨的转化由于废气热而以热方式在废气中发生和/或例如由水解催化剂支持而以水解方式发生。转化可以在废气中或在废气-外部转化器中发生。含有32.5％的尿素含量的尿素/水溶液可在商标名AdBlue下作为用于SCR方法的液体添加剂获得。

填充水平传感器通常设置在储箱上以监测机动车储箱内的可用还原剂的量。在这种情况下，使用超声波传感器也是已知的；这些超声波传感器可借助于测量超声波信号在液体添加剂中的传播时间来确定填充水平。传播时间通常从储箱底部的超声波发射器向上到储箱的液面然后返回箱底部的超声波接收器来测量。为此，由超声波发射器发射的超声波信号在液面被反射。液面的距离可以基于超声波信号在液体添加剂中的传播速度从所述传播时间确定。

超声波在储箱中的传播速度通常取决于液体添加剂的成分。该成分可以随着质量和浓度的变化而变化。因此在超声波传感器的情况下通常进行附加的参考测量。在该参考测量过程中确定超声波信号从超声波传感器到参考面并返回超声波传感器的传播时间。在这种情况下，从超声波传感器到参考面的路径长度精确地已知。此外，该路径完全充满液体添加剂。因此，路径整体地位于液面以下。超声波信号沿着路径的传播时间测量允许精确地确定超声波信号在添加剂液体的中的传播速度。所建立的超声波信号的传播速度因此可以用于校正或校准液面和超声波传感器之间的距离测量。

已经发现，特别是在尿素/水溶液作为液体添加剂的情况下，参考面上或参考面处的杂质和/或气体聚集会对超声波测量造成问题。参考面上的杂质可以对到参考面的传播时间测量产生重大的不利影响，因为超声波信号被参考面处的杂质以不受控的方式反射和发散。因此情况可以是清晰的超声波信号不再在参考面处反射，不能再精确测量传播时间。

发明内容

以此为出发点，本发明的目的是解决或至少缓解有关现有技术的所述技术问题。具体地，本发明说明了一种用于测量储箱中液体添加剂的填充水平的特别有利的方法。

这些目的可以通过根据权利要求1所述的特征的方法来实现。本方法的进一步有利的实施例在表示为从属权利要求的权利要求中说明。权利要求中所单独限定的特征可以通过技术上有意义的方式而相互结合，并且可以通过说明书中的解说性事实来加以补充，其中强调了本发明的进一步的实施例变型。

一种用于使用超声波传感器测量储箱中液体添加剂的填充水平/填充高度的方法，包括至少以下步骤：

a)测量超声波信号从超声波传感器到液体添加剂的液面的第一传播时间；

b)借助于至少一个超声波脉冲清洁液体添加剂中的至少一个参考面；

c)测量超声波信号从超声波传感器到所述至少一个参考面的至少一个第二传播时间；和

d)根据本发明，从所述第一传播时间和第二传播时间计算出填充水平。

液体添加剂优选是尿素/水溶液，如上所述。储箱优选地设置用于在机动车中使用，用于储存液体添加剂并将其供给到废气处理装置。超声波传感器优选地布置在储箱底部区域并且优选地包括超声波发射单元和超声波接收单元。超声波发射单元配置成发射超声波信号。超声波接收单元配置成接收所反射的信号，其返回到所发射的超声波信号。超声波发射单元和超声波接收单元优选共同集成在(单个)超声波传感器中。超声波发射单元优选地对准，使其发射的超声波信号从下面垂直于储箱中的液面。储箱中的液面对应于储箱中液体添加剂的特定填充量的情况下因重力造成的在储箱中出现的液体表面。液面是储箱中的液体添加剂与存在于液体添加剂上方的气体(特别是空气)之间的界面。

当在步骤a)中测量第一传播时间时，超声波信号的传播时间沿着从超声波传感器到液面并返回到超声波传感器的一条直线确定。为此，用于测量的超声波信号优选由超声波发射单元发射，并由超声波接收单元接收。

在步骤b)清洁参考面过程中使用超声波脉冲，而不是超声波信号。超声波脉冲本身与超声波信号并无不同。区别仅在于在超声波脉冲的情况下没有超声波接收单元接收响应信号的事实。步骤b)中的超声波脉冲优选配置成使得参考面上的杂质可以被该超声波脉冲去除或溶解。举例来说，可以为此适当选择超声波脉冲的下列参数中的至少一个(并且可以在该方面还与用于测量的超声波信号区分开)：

-超声脉冲的频率；

-超声脉冲的持续时间；和

-超声脉冲的振幅。

在液体添加剂中，超声波像纵向波一样传播。纵向波沿传播方向振荡。超声波脉冲的频率和振幅是指该纵向波的频率和振幅。振幅可以通过震荡过程中发生的最大压力的形式或者振荡过程中发生的液体添加剂的最大移动和/或位移的形式来指定。超声波脉冲的持续时间优选地通过从开始发射超声波脉冲直到结束发射超声波脉冲的时间段来确定。

举例来说，参考面上的杂质可以是气态的气泡和/或固体沉积物。气态气泡可包含空气和/或氨。氨可以从尿素/水溶液中析出，特别是在高温下。这个过程也称为“脱气(outgassing)”。举例来说，沉积物可以由结晶的尿素构成，该结晶尿素从尿素/水溶液中沉淀出来。

一旦所述参考面在步骤b)被清洁之后，对发射到参考面的超声波信号的第二传播时间进行第二测量，该传播时间在从超声波传感器到参考面并返回超声波传感器的直线路径上确定。

随后在步骤d)中根据第一传播时间和第二传播时间计算出填充水平。在该计算中，超声波信号在液体添加剂中的传播速度通过借助于第二传播时间和已知的超声波传感器与参考面之间的距离来初始确定。液面和超声波传感器之间的距离由第一传播时间借助于该传播速度来建立。填充水平进而可从该距离计算得出。还可以将液面和超声波传感器之间的距离直接用作填充水平的代表值。逐步解释的所述计算可以用计算程序的形式储存在控制仪中。

超声波脉冲是用于为超声波传感器清洁参考面的特别有效且快速的选择。超声波脉冲可用于溶解或移除参考面上的结晶沉积物和气泡两者。超声波脉冲能量通过液体添加剂特别良好地传播，并且可以通过瞄准的方式施用到参考面上，以便溶解参考面上的杂质。超声波脉冲特别好地适合有效去除附着在参考面上的氨气泡。这种氨气泡会由于储箱中的液体添加剂的部分转化而出现。

用于清洁参考面的方法步骤b)不必在每一次借助于超声波信号测量的过程中都发生。举例来说，可以仅在每十次测量时进行步骤b)。这可以节省超声波脉冲所需的能量。情况也可能是这样，前述步骤d)可能确定在预定第一传播时间间隔期间内所述第一传播时间未到达超声波接收单元和/或被反射/接收的响应信号不在预定的第一响应信号强度范围。如果确定发生这两种情况之一，则(立即和/或在所述方法的下一个循环期间)进行步骤b)。此时，可以使用步骤d)定期检查是否有必要清洁参考面和仅在该情况下执行方法步骤b)。

此外，方法步骤a)至d)优选以循环方式反复地重复进行。步骤a)至d)的顺序不是固定的。顺序也可以不同。举例来说，所述清洁步骤b)可以在传播时间测量(步骤a)和c))两者之前首先发生。

所述方法特别有利的是，所述至少一个超声波脉冲具有比超声波信号更高的能量。超声波脉冲中含有的能量是(用于测量的)超声波信号中含有的能力的优选至少五倍，特别优选甚至至少二十倍。

具体地，超声波脉冲或超声波信号的能量取决于超声波脉冲或超声波信号的频率、振幅和持续时间。超声波脉冲的高能量带来对参考面的良好并且彻底的清洁。同时，用于超声波信号的能量可通过借助于超声波脉冲定期清洁而减少，因为如果参考面定期地彻底清洁，即使在超声波信号能量较低的情况下，仍然可以精确测量传播时间。

由于对超声波脉冲的响应信号不应被监测，并由于没有借助于超声波脉冲的传播时间测量，有利的是，当发射超声波脉冲时，超声波传感器的超声波接收单元被去激励。这可避免超声波接收单元被超声波脉冲损坏。举例来说，这种损坏可能发生，因为超声波脉冲非常强以至于不能被接收单元处理。

该方法还有利的是，超声脉冲与超声波信号由同一超声波传感器发射。

因此，超声波传感器的超声波发射单元优选也用于发射超声波脉冲。

所述方法的该实施例变型使其可以执行该方法而不需要填充水平传感器的附加部件。但是，超声波传感器的超声波发射单元则需要具有足够的尺寸以发射适合用于清洁参考面的超声波脉冲。

该方法还有利的是，步骤b)中的超声波脉冲由单独的超声波清洁仪器产生。

超声波清洁仪器只需要一个用于发射超声波脉冲的超声波发射单元。不需要超声波接收单元，因为(如上文所述)超声波脉冲不再被监测。

该超声波清洁仪器可以任选地设置成累积方式，例如，由超声波传感器和超声波清洁仪器执行步骤b)的不同特性。举例来说，可以在步骤b)中常规地发生使用来自超声波传感器的超声波脉冲对参考面进行轻微清洁，以及在发现参考面严重脏污的情况下发生使用超声波清洁仪器的超声波脉冲进行更彻底的清洁。举例来说，这种严重脏污可以通过使用步骤d)发现，如上文已经解释的。

使用与超声波传感器分开的超声波清洁仪器发射超声波脉冲有利的是，超声波清洁仪器可以独立于超声波传感器来确定尺寸和设计，以使能够具有特别良好且有效的清洁过程。举例来说，可能的情况是超声波传感器不能用于产生能够良好清洁参考面的足够强的超声波脉冲。还可以特别有利地为了清洁来布置超声波清洁仪器。举例来说，这可以通过将超声波清洁仪器布置在参考面的紧邻的附近来进行。

所述方法还有利的是，提供至少两个参考面并且在步骤e)中借助于发射到不同参考面的不同的第二传播时间来确定下列参数中的至少一个：

-液体添加剂的质量/品质；和

-液体添加剂中的尿素浓度。

超声波信号在液体添加剂中的传播速度至少部分地取决于液体添加剂的质量或在液体添加剂是尿素/水溶液的情况下液体添加剂中的尿素浓度。使用在储箱中到达不同参考面的不同传播时间，可以通过比较所述不同传播时间来测量质量和/或浓度。这对于将储箱中的填充水平测量与质量和浓度的测量连接起来是特别有效的选择。

还可以设置不同的参考面以使生产公差降到最低或得到改善。举例来说，精确地维持两个参考面之间的距离要比精确地维持超声波传感器与参考面之间的距离更简单。这在超声波传感器布置在储箱外侧并且不直接处于液体添加剂中时尤其适用。这种情况下，可以通过比较到达两个参考面的两个传播时间测量值而忽略关于距离的不准确性。因此到达两个参考面的两个传播时间测量值还可以在步骤c)中进行，并且这两个传播时间测量值可以随后在步骤d)中用于计算填充水平。

该方法更加有利的是，至少两个超声波脉冲在步骤b)中被发射用于清洁至少一个参考面。

优选甚至多于三个，或例如甚至多于十个超声波脉冲被发射用于清洁参考面。再次，参考面上的杂质被每一个超声波脉冲进一步溶解。因此可以使用多个超声波脉冲进行特别有效和简单的清洁，在该过程中可能甚至比仅使用单个长超声波脉冲时所需的用于清洁的能量输入更低。超声波脉冲可以优选以脉冲方式相继发生。

该方法进一步有利的是，在参考面已经被清洁之后，在步骤b)中使用来自超声波传感器的超声波信号进行测试测量以便检查清洁是否成功，以及如果清洁不成功则发射另一个超声波脉冲以用于清洁参考面。

举例来说，测试测量可以凭借测量超声波信号到参考面的传播时间和随后对该传播时间测量进行真实性检查来实施。如果传播时间测量得出处于真实范围的传播时间，则假定参考面已完全清洁。如果传播时间测量得出不真实的传播时间，例如该传播时间与预期传播时间的偏差超过10％，超过20％或甚至超过50％，或者其中没有记录到超声波信号在参考面反射的(可用的)响应信号，则假定参考面仍未充分清洁。在这种情况下，发射另一个超声波脉冲。还可以评估测试测量中响应信号的强度，以便评估清洁程度。举例来说，如果该响应信号比预期响应信号弱超过10％、超过20％或甚至超过50％，则假定参考面仍未充分清洁。

这个过程可以经常执行，直到测试测量得出参考面已充分清洁的结果。但是，也可以设定循环数量的上限，在上限之后不再发射用于清洁的超声波脉冲。举例来说，可以在多于五次或多于十次测试测量之后假定借助超声波传感器清洁参考面是行不通的。该过程则可以被中止。由于在这种情况下储箱中的液体添加剂的填充水平也不能再被灵敏地监测，那么可以向控制仪发送错误信号，所述错误信号在随车诊断范围内被评估。

更有利的是，超声波脉冲具有介于20kHz[千赫]和2MHz[兆赫]之间的频率。超声波脉冲的频率优选位于20kHz和40kHz之间。使用这样的超声波脉冲可以进行特别有效的清洁。

该方法还有利的是，超声波脉冲具有介于10毫秒和20秒之间的持续时间。对于这些长度的超声波脉冲可以假定实现了参考面的充分清洁。

进一步有利的是，超声波脉冲造成至少100巴的峰值压力出现在至少一个参考面处。峰值压力优选甚至大于1000巴或甚至大于10000巴。在峰值压力期间，这样的高压可以例如通过适当选择超声波脉冲的频率和振幅而获得。

这些峰值压力在超声波冲击参考面时发生。这些峰值压力具有非常短的持续时间。峰值压力的持续时间取决于超声波脉冲的超声波的频率。一个(单独的)峰值压力通常发生在一次振荡过程中。举例来说，在频率为20kHz的情况下峰值压力的持续时间小于0.05毫秒。峰值压力由液体添加剂在超声波脉冲期间的高频纵向运动(在超声波脉冲的传播方向上)引起。虽然峰值压力相当短，但峰值压力能够溶解甚至非常坚实的沉积物或非常牢固地附着在参考面上的气泡。峰值压力在沉积物或气泡上产生显著的作用力。

此外，说明了安装在储箱中用于液体添加剂的输送单元，该输送单元具有至少一个超声波传感器和电子模块，其中所述方法可以借助于该输送单元执行。换句话说，这表示，具体地，输送设备适合于并配置成用于执行所述方法。

所述输送单元优选具有壳体，该壳体可以***储箱底部的开口。所述输送单元以流体密封的方式使箱底部的所述开口密封。超声波传感器布置在输送单元的壳体中，并且在其安装在储箱中的情况下对齐，使其朝向储箱中的液面对准。输送单元还具有吸入点，液体添加剂可以在该吸入点处从储箱移除。此外，输送单元具有管路连接部，一条管路可以连接至该管路连接部，液体添加剂可以通过该管路被引导离开输送单元。优选地还在输送单元中提供用于输送液体添加剂的泵。输送单元中的电子模块优选地直接连接至超声波传感器并控制或监测借助于超声波传感器的填充水平测量。电子模块还可以配置成根据所述方法执行参考面的清洁。电子模块也可以具有控制单元，至少一个超声波传感器借助于该控制单元运行，其中也可以设置用于捕捉和评估响应信号的评估单元。

此外，本发明提供了一种具有燃烧发动机和用于净化燃烧发动机的废气的废气处理装置的机动车，所述废气处理装置具有SCR催化转化器，可以借助于该催化转化器进行选择性催化还原。液体添加剂可通过添加装置供给到废气处理装置。液体添加剂从储箱沿着供给管路借助于上述输送单元供给至添加装置。机动车优选具有控制仪，该控制仪监测用添加装置的供给和用输送单元的输送。该控制仪还可以配置成启动或监测上述方法的执行。在此，控制仪可具有控制单元，至少一个超声波传感器借助于该控制单元运行，其中还可以提供用于捕获和评估响应信号的评估单元。

附图说明

本发明和技术领域将在下面参照附图更详细地解释。附图示出了特别优选的实施例；然而，本发明不限于此。尤其是，应注意的是，附图和所示的部分仅是示意性的。具体地：

图1示出了用于所述方法的输送单元的第一实施例变型；

图2示出了用于所述方法的输送单元的第二实施例变型；

图3示出了所述方法的流程图；和

图4示出了具有用于所述方法的输送单元的机动车。

具体实施方式

图1和2示出了用于所述方法的输送单元7的两个不同的实施例变型，首先在此一并解释。两个输送单元7都具有壳体13并且都安装在储箱1的箱底部8中，其中液体添加剂4储存在储箱1中。液体添加剂4的液面3在罐1中由于重力而升高。液体添加剂4示出于液面3的下方。气体或尤其是空气处于液面3的上方。输送单元7在吸入点10从储箱1去除液体添加剂4，并使用泵11将其输送至管路连接部12，一条通向添加装置的管路可以连接在该管路连接部12上。各输送单元7分别具有一个超声波传感器2，该超声波传感器2可以连接至电子模块9。超声波传感器2配置成沿着第一路径14向液面3发射超声波信号。该超声波信号随后在液面3被反射并沿着第一路径14返回传播到超声波传感器2。超声波传感器2还配置成沿着第二路径15向参考面5发射超声波信号。该超声波信号也在参考面5被反射并随后返回传播到超声波传感器2。

在根据图1的实施例变型中，超声波脉冲同样由超声波传感器2产生。因此，超声波传感器2借助于至少一个超声波脉冲清洁参考面5。

在根据图2的实施例变型中，提供附加的超声波清洁仪器6，用于清洁参考面5的超声波脉冲借助于该超声波清洁仪器发射。

在根据图2的实施例变型中，还提供了两个参考面5，在它们之间存在第三路径16。该第三路径16可以用于独立于第二路径15的长度来测量超声波信号在液体添加剂4中的速度。这使得可以减小与超声波传感器位置有关的生产公差。此外，不同的传播时间测量值还可用于确定液体添加剂4的质量和/或浓度。

图3示出了所述方法的流程图。由图中可见方法步骤a)、b)、c)和d)，以及可选的用于测量液体添加剂的质量或浓度的方法步骤e)。同样指出的是，该方法以循环方式反复地重复。可以看到，测试步骤24紧接步骤b)，也可以被认为是方法步骤b)的一部分。如果测试步骤24中的测试得出的是参考面还未被清洁，可以重复方法步骤b)。还可以看到旁路25，根据该旁路25，方法步骤b)可以被绕过。为了节省能量，方法步骤b)不必在所述方法的每一次重复中都执行。

图4示出了机动车17，该机动车具有燃烧发动机20和废气处理装置19，所述废气处理装置19具有用于净化燃烧发动机20的废气的SCR催化转化器18。液体添加剂可以借助于添加装置21供给至废气处理装置19。添加装置21借助于输送单元7从储箱1经由供给管路22供给液体添加剂。机动车17附加地具有控制仪23，借助于该控制仪可以监测添加装置21的运行和输送单元7的运行，并且控制仪23还可以配置成启动或执行所述方法。

为了谨慎起见，参考以下事实：附图中的特征的组合不是强制性的(假设该参考并未明确于此)，而是一个附图的子部分也可以与其他附图的子部分组合。这尤其适用于超声波传感器和/或超声波清洁仪器和/或参考面的数量、位置、取向、类型。

本文所述的方法使得能够特别有效地清洁用于液体添加剂的储箱中的超声波传感器的参考面，因而使得能够借助于超声波传感器获得液体添加剂的填充水平的特别精确的测量值。

附图标记列表

1 储箱

2 超声波传感器

3 液面

4 液体添加剂

5 参考面

6 超声波清洁仪器

7 输送单元

8 箱底部

9 电子模块

10 吸入点

11 泵

12 管路连接部

13 壳体

14 第一路径

15 第二路径

16 第三路径

17 机动车

18SCR 催化转化器

19 废气处理装置

20 燃烧发动机

21 添加装置

22 供给管路

23 控制仪

24 测试步骤

25旁路

Claims (11)

1.一种用于使用超声波传感器(2)测量储箱(1)中的液体添加剂(4)的填充水平的方法，该方法包括至少下列步骤：

a)测量超声波信号从所述超声波传感器(2)到液体添加剂(4)的液面(3)的第一传播时间；

b)借助于至少一个超声波脉冲清洁位于液体添加剂(4)中的至少一个参考面(5)；

c)测量超声波信号从所述超声波传感器(2)到所述至少一个参考面(5)的至少一个第二传播时间；和

d)由第一传播时间和第二传播时间计算所述填充水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个超声波脉冲比所述超声波信号具有更高的能量。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中，所述超声波脉冲与所述超声波信号由相同的超声波传感器(2)发射。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤b)中的超声波脉冲由单独的超声波清洁仪器(6)产生。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，提供至少两个参考面(5)并且在一步骤e)中借助于发射到不同参考面的不同的第二传播时间来确定下列参数中的至少一者：

-液体添加剂(4)的质量；和

-液体添加剂(4)中的尿素浓度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤b)中至少两个超声波脉冲被发射用于清洁所述至少一个参考面(5)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在参考面(5)已经被清洁之后，在步骤b)中使用来自超声波传感器(2)的超声波信号执行测试测量以便检查清洁是否成功，以及如果清洁不成功则发射另一个超声波脉冲以用于清洁参考面(5)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，超声波脉冲的频率介于20千赫和2兆赫之间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，超声波脉冲的持续时间介于10毫秒和20秒之间。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述至少一个参考面(5)处，超声波脉冲形成至少100巴的峰值压力。

11.一种用于安装在用于液体添加剂的储箱(1)中的输送单元(7)，所述输送单元具有至少一个超声波传感器(2)和电子模块(9)，其中，借助于所述输送单元能够执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。