JP2017520772A - タンク内の充填レベルを求める方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、超音波充填レベルセンサ（３）とこの超音波充填レベルセンサ（３）から送信された超音波を反射する少なくとも２つの基準面（１，２）とを用いて、液体用タンク（４）の充填レベル（１７）を求める方法に関し、ここで、第１の基準面（１）が第２の基準面（２）の下方に位置している。方法ステップａ）では、超音波充填レベルセンサから第１の基準面（１）までの第１の測定区間（５）において液体中での超音波の第１の伝搬速度（９）が求められる。方法ステップｂ）では、第１の基準面（１）から第２の基準面（２）までの第２の測定区間（６）において液体中での超音波の第２の伝搬速度（１０）が求められる。方法ステップｃ）では、超音波充填レベルセンサ（３）からタンク（４）内の液体の液体面（７）への超音波の走行時間（８）が測定される。方法ステップｄ）では、少なくとも１つの選択基準（１１，１２，１３）に依存して、第１の伝搬速度（９）又は第２の伝搬速度（１０）が選択される。ついで、方法ステップｅ）では、ステップｃ）で測定された走行時間（８）とステップｄ）で選択された伝搬速度（９，１０）とを用いて、充填レベル（１７）が計算される。

Description

本発明は、液体用タンク内の充填レベルを求める方法に関する。この方法は、特に、自動車の、排気ガス浄化のための液体状添加剤を貯蔵するタンク内の充填レベルを求めるために使用可能である。

排気ガス浄化のために液体状添加剤を添加する形式の排気ガス処理装置を備えた自動車は広汎に使用されている。特に多く見られるのは、選択触媒還元プロセス（ＳＣＲプロセス；Selective Catalytic Reduction）が行われる排気ガス処理装置である。こうしたプロセスでは、排気ガス中の窒素酸化物が、アンモニアによって、窒素及び水及びＣＯ_２などの無害な物質へ還元される。アンモニアは通常は自動車内に直接には貯蔵されないが、液体状添加剤の形態でタンクに貯蔵できる。ここで、排気ガス浄化のためのこのような液体状添加剤は、排気ガス系外では専用に設けられる反応器において、又は、排気ガス系内では排気ガス処理装置内部で、アンモニアへ変換される。特に、しばしば、液体状添加剤として尿素水溶液が用いられる。３２．５重量％の尿素含量を有する尿素水溶液を、販売名AdBlue（登録商標）として入手可能である。

ここで、液体状添加剤のタンク内の充填レベルに関する情報を取得する必要があることがしばしばである。充填レベルに関する情報は、タンクを充填する適切な時点を求めるために用いられる。また、タンクが動作中に完全に空乏することを防止できる。

液体状添加剤のタンク内の充填レベルを求めるために、超音波充填レベルセンサが既に提案されている。超音波充填レベルセンサは、通常、超音波送信ユニットと超音波受信ユニットとを有する。超音波送信ユニットが超音波を送信すると、この超音波がタンク内の液体表面で反射され、そこから超音波充填レベルセンサへ戻り、この超音波充填レベルセンサの超音波受信ユニットで受信される。タンク内の液体での超音波の伝搬速度は、既知であるか、又は、基準測定によって求められる。超音波が超音波充填レベルセンサから液体面に到り、超音波充填レベルセンサへ戻ってくるまでの走行時間と、液体中の超音波の伝搬速度とから、タンク内の充填レベルが計算される。

超音波充填レベルセンサの利点は、可動部分が存在しないということである。また、超音波充填レベルセンサにより、タンク内の充填レベルが種々に異なる場合にも同じセンサ形式でタンク内の充填レベルを測定できる。タンク内に生じうる充填レベルの差は、超音波受信ユニットで受信された超音波を評価する評価ユニットに格納するだけでよい。超音波送信ユニットから送信され、例えば液体表面で反射されて戻り、超音波受信ユニットで受信される超音波を、以下では、超音波受信ユニットもしくは超音波充填レベルセンサで受信される信号又は応答信号とも称する。

タンクで用いられる超音波充填レベルセンサについては２つの異なる装置が公知である。公知の第１の装置によれば、超音波は上側からタンク内の液体面へ送信され、そこで反射されて上方の超音波充填レベルセンサへ戻る。公知の第２の装置では、超音波は、タンク底部の超音波充填レベルセンサから液体を通ってタンク内の液体面へ向けて送信され、この液体面で反射されてタンク底部の超音波充填レベルセンサへ戻る。

また、上述したように、液体中の超音波の伝搬速度を求めるために基準測定を行うこともできる。基準測定のために液体中の既知の測定区間に沿った超音波の走行時間を求めることが知られている。測定区間は、例えば、超音波が反射される少なくとも１つの基準面を有するように構成可能である。好ましくは、各基準面の位置又は２つの基準面間の距離は、正確に既知である。当該基準面までの超音波の走行時間に基づいて、又は、複数の（例えば２つの）基準面までの超音波の走行時間差に基づいて、液体中の超音波の走行速度を求めることができる。

こうした基準測定を行う際に問題となるのは、少なくとも１つの基準面を通るように設定された測定区間が完全に液体内に位置していなければならないということである。これは、特に、タンク内の液体の充填状態及び充填レベルが変化した場合に問題となる。したがって、超音波の走行速度を求めるための測定区間が水平に好ましくはタンク底部付近に位置するよう、基準面を配置することが知られている。これにより、きわめて低い充填レベルであっても走行時間測定を行えることが保証される。ただし、測定区間を水平に配置するにはタンク底部に比較的大きな構造空間が必要となるという欠点がある。

ここから出発して、本発明の課題は、上述した技術的問題を解決又は少なくとも軽減することである。特に、超音波センサを用いて、液体用タンク内の充填レベルを求めるとりわけ有利な方法を提案する。

この課題は、請求項１の特徴を有する方法により解決される。本発明のさらに有利な実施形態は、各従属請求項に記載されている。各請求項に個々に挙げられている特徴は、技術的に有意な任意の手段で相互に組み合わせ可能であり、明細書で説明した各事項を補完しうるものであって、方法の実施形態のさらなるバリエーションが示される。

本発明は、超音波充填レベルセンサとこの超音波充填レベルセンサから送信された超音波を反射する少なくとも２つの基準面とを用いて、タンク内の充填レベルを求める方法に関する。ここで、第１の基準面は第２の基準面の下方に位置している。当該方法は、ａ）超音波充填レベルセンサから第１の基準面までの第１の測定区間において液体中での超音波の第１の伝搬速度を求めるステップと、ｂ）第１の基準面から第２の基準面までの第２の測定区間において液体中での超音波の第２の伝搬速度を求めるステップと、ｃ）超音波充填レベルセンサからタンク内の液体の液体面までの超音波の走行時間を測定するステップと、ｄ）少なくとも１つの選択基準に依存して、第１の伝搬速度又は第２の伝搬速度を選択するステップと、ｅ）ステップｃ）で測定された走行時間とステップｄ）で選択された伝搬速度とを用いて、充填レベルを計算するステップとを含む。

超音波センサは、好ましくは、タンク底部又はタンク底部の近傍に配置される。超音波充填レベルセンサは、好ましくは垂直方向上方へ配向されるので、超音波は超音波充填レベルセンサから垂直方向上方へ送信される。第１の基準面及び第２の基準面は、好ましくは、垂直方向で、超音波充填レベルセンサの上方に位置する。超音波充填レベルセンサは、好ましくは、超音波を送信する送信ユニットと超音波を受信する受信ユニットとを有し、ここで、受信ユニットは、送信ユニットから送信されて任意の構造（基準面、タンク内の液体面など）で反射された超音波を受信するように構成される。

方法ステップａ），ｂ），ｃ）は、好ましくは、少なくとも部分的に共に（同時に）行われる。特に好ましくは、超音波充填レベルセンサは超音波の形態の信号を送信する。続いて、超音波充填レベルセンサは、送信された超音波から生じる３つの反射応答信号を受信する。第１の信号は、第１の基準面での反射として識別される。当該信号により、ステップａ）が実行される。第１の測定区間の長さは既知であり、超音波の送信から第１の応答信号の受信までの時間間隔に基づいて、第１の伝搬速度を計算できる。第２の応答信号は、第２の基準面での超音波の反射として識別される。第１の応答信号及び第２の応答信号は、第２の伝搬速度を求めるためにステップｂ）で用いられる。第１の応答信号の受信時点と第２の応答信号の受信時点との差、及び、第２の測定区間の（既知の）長さにより、第２の伝搬速度を計算できる。第３の応答信号は、ステップｃ）を実行して、充填レベルセンサからタンク内の液体の液体面までの超音波の走行時間を求めるために用いられる。当該走行時間は、超音波の送信から第３の応答信号の受信までの時間間隔に基づいて得られる。

場合により、ステップａ），ステップｂ）及びステップｃ）を別様に（共通して又は別の順序で）行うことができる。ステップａ），ステップｂ）及びステップｃ）についてのここでの説明は、単に例示にすぎないものと理解されたい。

ステップｄ）での少なくとも１つの選択基準に基づいて第１の伝搬速度又は第２の伝搬速度を選択することにより、第２の（上方の）基準面がタンク内の液体中に位置せず、タンク内の液体面が第１の基準面と第２の基準面の間に位置する場合にも、タンク内の（実際の）充填レベルを求めることができる。特に、選択基準は、タンク内の液体面が第２の基準面より下方に位置する場合に、充填レベルが第１の伝搬速度によって求められるように、定義される。これより高い充填レベル（第２の基準面を上回る充填レベル）では、充填レベルを求めるために第２の伝搬速度が選択される。第２の伝搬速度は、第１の伝搬速度に対して、速度を格段に正確に求めることができるという利点を有する。これは、第１の基準面から第２の基準面までの距離のほうが、超音波充填レベルセンサから第１の基準面までの距離よりも格段に正確に求められることに依っている。このことは、特に、第１の基準面及び第２の基準面を（共通の）キャリブレーション部材に配置することで達成される。これに対して、超音波センサは基準面とは別の要素であるので、超音波充填レベルセンサから第１の基準面までの距離の許容差は、２つの基準面間の距離の許容差よりも不確実である。第１の伝搬速度は、第２の伝搬速度に比べて、充填レベルが第２の基準面を下回る場合にもこの充填レベルを求めることができるという利点を有する。

ここで説明している方法によれば、タンク内の低い充填レベルを確実に求めることができ、同時に、超音波充填レベルセンサのタンク内での垂直配置を保証することができる。これにより、タンク底部での充填レベルセンサの必要スペースが大幅に低減される。例えば、基準面を有する、垂直配置される超音波充填レベルセンサを、タンク底部の小さな開口部に実装できる。これに対して、水平配置される基準面を有する超音波充填レベルセンサは、複雑な実装、及び／又は、直径が少なくとも測定区間の長さと同程度の、タンク底部の開口部を要する。

当該方法では、超音波充填レベルセンサをタンク外に配置し、この超音波充填レベルセンサの超音波が結合層を通過して、その後タンク内の液体に入射するように構成すると、特に有利である。この場合、結合層はタンク壁（特にタンク壁の一部）を含み、結合層内の超音波の走行時間がステップａ）で補正係数によって考慮される。

超音波充填レベルセンサは、好ましくは、タンク室外の、液体とは反対側のタンク壁面に配置される。好ましくは、結合層は、タンク壁に加え、超音波充填レベルセンサをタンク壁へ超音波が導通されるように結合する伝達手段を含む。当該伝達手段は、例えばタンク壁と超音波センサとの間に配置される導電性ペースト又は導電性フィリングを含むことができる。結合層内では、超音波は、通常のごとく、タンク内の液体中の伝搬速度とは異なる伝搬速度を有する。結合層の構造は既知であるので、超音波の速度を結合層で計算可能であり、ステップａ）で補正係数として考慮可能である。当該補正係数は、好ましくは、時間次元である。好ましくは、超音波が結合層を通過するのに要する時間が実験によって求められ、補正係数の形態で、ここで説明している方法を実行する制御装置に格納される。

また、当該方法では、伝搬速度をステップｄ）で選択する際に、先行の方法反復においてどちらの伝搬速度が選択されたかを考慮すると、有利である。

ここで説明している方法は、通常（自動車の動作中）、液体の充填レベルに関するその時点の情報をつねに形成できるようにするために、再帰的に反復される。当該方法での使用のために求められるパラメータ（特に選択された伝搬速度）は、そのつど自動車の制御装置に格納される。したがって、方法反復の際には、先行の方法反復において求められたパラメータにアクセスすることができる。先行の方法反復において選択された伝搬速度に関する情報は、ステップｃ）で、少なくとも１つの選択基準に加えて、伝搬速度の選択に用いられる。例えば、定められた条件が発生した場合、選択された伝搬速度を切り替える手段をステップｄ）で不活性化できる。選択された伝搬速度を切り替えるとは、ここでは、当該方法が実行される際に、先行の方法反復で選択されたのとは異なる（第１の又は第２の）伝搬速度が選択されることを意味する。例えば、基本的には、第１の伝搬速度の選択から第２の伝搬速度の選択への交番（戻り）を阻止できる。このことは、第１の伝搬速度がいったん選択されると、当該方法を、続いて第１の伝搬速度へ向かう方法反復へジャンプバックさせることができなくなることを意味する。付加的な条件が満足された場合に、第２の伝搬速度の選択への（戻し）切り替えが再び可能となる。

例えば、タンク内の充填レベルが第２の基準面を下回って低下したという少なくとも１つの選択基準が識別されたことにより、ステップｄ）で第１の伝搬速度が選択されることが考えられる。このことが起こったのが１回目であれば、第１の伝搬速度の選択がメモリに格納される。この場合、好ましくは、タンクの再充填が行われないかぎり、第１の伝搬速度が選択されたままとなる。少なくとも１つの選択基準として第２の伝搬速度への戻し切り替えがもともと設定されていたとしても、第１の伝搬速度の選択が維持される。

当該方法では、第１の選択基準として、ステップｅ）において、計算された充填レベルが使用されると、さらに有利である。ここでは、充填レベルがその限界値を下回る場合に第１の伝搬速度が選択され、充填レベルがその限界値を上回る場合に第２の伝搬速度が選択される。

充填レベル限界値は、好ましくは、充填レベルが充填レベル限界値を上回る場合にも２つの基準面が（確実に）液体内に位置するように配置され、これにより、２つの基準面間の第２の測定区間での第２の伝搬速度の計算が問題なく可能となる。したがって、充填レベル限界値は、好ましくは、第２の基準面の高さ又は第２の基準面のごく僅か上方に定められる。充填レベルが充填レベル限界値を下回る場合、充填レベルの計算は好ましくは第２の伝搬速度を用いて行われ、これにより、充填レベルがさらに低下しても充填レベル測定に影響しない。

また有利には、当該方法では、ステップｄ）での第２の選択基準として、第１の伝搬速度と第２の伝搬速度との比較が行われ、第１の伝搬速度と第２の伝搬速度との速度差が限界値を上回る場合、第１の伝搬速度が選択される。

さらに、上述したように、第１の伝搬速度及び第２の伝搬速度及び走行時間がそれぞれ３つの応答信号に基づいて求められ、これらの応答信号が送信された超音波に対する応答として順次に超音波充填レベルセンサの受信ユニットに入ってくる。液体面が第２の基準面を下回って低下すると、超音波の全てが液体面で既に反射されてしまうため、第２の基準面では超音波が反射されない。よって、第２の基準面が超音波充填レベルセンサにとって不可視となる。そうではなく、第１の基準面の後方の液体面が送信された超音波に対して第２の応答信号を形成するので、この液体面が第２の基準面と見なされる。したがって、充填レベルが第２の基準面を下回って低下する場合、充填レベルセンサで検出された走行時間、すなわち、第１の基準面に対応する応答信号から超音波センサによって第２の基準面に対応すると解釈された第２の応答信号までの走行時間が短くなる。これにより、充填レベルが第２の基準面を下回る場合、ステップｂ）で求められた第２の伝搬速度とステップａ）で求められた第１の伝搬速度との間に差が生じる。ステップａ），ｂ）での速度測定の不正確性のために、充填レベルが第２の基準面を上回っても、２つの伝搬速度間の速度差が発生しうる。しかし、当該速度差は、比較的小さい。好ましくは、第２の基準面を下回る充填レベルの低下に基づく速度差のみが検出されるように、限界値が定義される。

液体面が第２の基準面を下回って低下した場合、ステップｃ）に対する適合化手段が規則的に必要となる。特に、送信された超音波に対する第３の応答信号を、走行時間の計算に使用することはもはや不可能である。むしろ、第２の応答信号を液体面までの走行時間の測定に使用するべきである。なぜなら、液体面が第２の基準面より下方に位置する場合、液体面での超音波の反射が典型的には第２の応答信号として超音波充填レベルセンサで受信されるからである。

第１の選択基準及び第２の選択基準は、第１の伝搬速度から第２の伝搬速度への切り替えを行うために、好ましくは双方とも用いられる。特に好ましくは、２つの選択基準によって、ステップｄ）での伝搬速度のこうした切り替えが実際に行われるよう、切り替えを設定しなければならない。

第１の伝搬速度から第２の伝搬速度への（戻し）切り替えに対して、好ましくは、付加的に、以下に説明するさらなる（第３の）選択基準によって相応の切り替えを設定する必要がある。

特に有利には、当該方法では、ステップｄ）での第３の選択基準として、ステップｃ）で測定された走行時間が検査され、ここで、測定された走行時間が第２の基準面までの走行時間の２倍に相当する時間間隔の外にあり、かつ、先行の方法反復で第１の伝搬速度が選択されている場合には、第２の伝搬速度は選択されない。

上述したように、第１の伝搬速度及び第２の伝搬速度及び走行時間を求めるために、それぞれ、超音波充填レベルセンサから送信された超音波に対する３つの応答信号を利用することができる。第２の選択基準に関連して、液体面が第２の基準面より下方に位置するケースでは、液体面が第２の応答信号を形成して超音波を完全に反射してしまうため、第２の基準面が場合により超音波センサにとって不可視となりうることも説明した。にもかかわらず、こうしたケースで、誤って液体面と解釈されうる第３の応答信号も生じる。当該第３の応答信号は、タンク内での超音波の複数回の反射によって形成される。まず液体面で、ついでタンク底部で、続いて再び液体面で反射されて超音波充填レベルセンサに戻る超音波によって特に強い応答信号が形成されることがわかっている。このように、第３の応答信号の超音波は、超音波充填レベルセンサから液体面までの経路を２回でなく４回走行する。このため、第２の応答信号の（第２の基準面からの）走行時間の２倍の走行時間が得られる。当該時間間隔は、第２の基準面までの走行時間の２倍に相当する、液体面までの走行時間が識別されるように、又は、第３の応答信号が識別されるように定められる。当該時間間隔は、好ましくは、上述した２倍の走行時間を５％から１０％までの許容差でカバーし、これにより、測定の不確定性も考慮される。充填レベルが第２の伝搬速度に基づいて計算され、その際に第３の応答信号が誤って液体面までの走行時間として解釈されかねない場合には、ステップｅ）において、タンク内の実際の充填レベルの２倍に相当するように計算された充填レベルが生じうる。当該方法での誤った結果を確実に回避するために、第３の選択基準によって相応のケースが補償される。

第３の選択基準は、第１の伝搬速度から第２の伝搬速度への切り替えが行われる場合にのみ用いられる。したがって、第３の選択基準は、付加的な制御基準と称することもできる。

また当該方法では、有利には、ステップｅ）で充填レベルを計算する際に、
ｉ）選択された伝搬速度に基づいて、充填レベルを計算するサブステップと、
ｉｉ）第２の伝搬速度によって求められた充填レベルが第２の基準面の高さの２倍に相当するか否かを検査するサブステップと、
ｉｉｉ）所定の時間間隔で、超音波充填レベルセンサの第２の基準面での第２の応答信号の変動を求めるサブステップと、
ｉｖ）第２の応答信号の変動量が設定された限界値を上回るか否かを検査するサブステップと、
ｖ）サブステップｉｉ）及びｉｖ）が満足された場合、サブステップｉ）で計算された充填レベルを第２の基準面（２）の高さに補正するサブステップと
が適用される。

サブステップｉｉｉ）で使用される超音波充填レベルセンサの第２の応答信号は、好ましくは、第２の基準面に対応し、これに対して、第１の応答信号は第１の基準面に、第３の応答信号はタンク内の液体面に対応する。

上述したように、液体面又は充填レベルが第２の基準面の高さにある場合、状況によって、第３の応答信号が液体面での超音波の反射の２倍に相当することがある。こうした状況を発生させる可能性が、サブステップｉｉ）で識別される。ただし、サブステップｉｉ）に基づいても、充填レベルが実際に第２の基準面の高さにある場合にはこれらの状況を区別することができない。当該区別はサブステップｉｉｉ），ｉｖ）によって可能となる。サブステップｉｉｉ）での第２の応答信号の変動は、充填レベルが第２の基準面の高さにあるとき、タンク内での液体の振動及び／又は液はね運動によって起きる。これは、第２の基準面が液はね運動時に少なくとも短時間だけ液体面を上回る位置に来ることで、液体面が第２の応答信号を生じさせたことに依っている。これは、充填レベルが第２の基準面の高さの２倍に相当する場合には発生しえない。この場合、第２の基準面はつねに確実に完全に液体を覆うので、相応に第２の応答信号は一定となる。つまり、第２の応答信号の変動を所定の時間間隔で監視し、観察された変動（場合により時間平均された変動）を比較することにより、充填レベルが実際に第２の基準面の２倍の高さに対応するか、又は、液体表面での超音波の２重の反射が行われたか（サブステップｉｉｉ），ｉｖ））を区別できる。

また有利には、当該方法では、ステップｄ）において、第１の伝搬速度から第２の伝搬速度への切り替えを、スタティックモードが生じている場合にのみ行う。

スタティックモードとは、当該方法を実行する自動車が（一時的に）不活性化されたか又は不活性化していることにより特徴づけられる。スタティックモードの対立概念は、自動車が（連続的に）作動されていたか又は作動しているダイナミックモードである。スタティックモードとダイナミックモードとの区別はモード検査において行うことができる。スタティックモードが生じている場合、タンクが再充填された可能性がある。なぜなら、自動車が（少なくとも短時間）不活性化されるか又は静止状態となると、タンクの再充填が規則的に要求されうるからである。つまり、スタティックモードが存在する場合、（基本的には）タンク内の充填レベルが増大している可能性が生じる。したがって、第２の伝搬速度への戻し切り替えは（好ましくは）スタティックモードが存在しているか又は少なくとも生じた場合にのみ可能である。自動車の運転中のダイナミックモードでは、第２の基準面の上方の値への液体面の上昇がタンク内での液体の液はね又はタンクの傾きその他に起因するものであるということを基礎としている。よって、この場合の第２の伝搬速度への戻し切り替えは有意でない。

スタティックモードとダイナミックモードとの区別は、特に、ステップｅ）のサブステップｉ）からサブステップｖ）に関連させると有意である。サブステップｉｉｉ），ｉｖ）において評価される変動は、スタティックモードでは第２の基準面の高さの充填レベルと第２の基準面の高さの２倍の充填レベルとの区別に必要な充分な液はね運動及び／又は液体面の振動が発生しないため、通常はダイナミックモードでしか発生しえない。したがって、サブステップｉ）からサブステップｖ）はダイナミックモードにおいてしか適用できず、スタティックモードに対しては適合化する必要がある。この場合、状況によっては、スタティックモードにおいて、メモリに格納された充填レベル情報へのアクセスを行わなければならない。

さらに有利には、当該方法では、ステップｄ）で使用された少なくとも１つの選択基準の入力信号がローパスフィルタでフィルタリングされる。

少なくとも１つの選択基準の入力信号は、例えば、ステップｅ）で計算された、第１の選択基準及び第３の選択基準での充填レベル、又は、第２の選択基準での速度差である。フィルタリングすべき入力信号は、例えば、超音波の走行時間であってもよい。ローパスフィルタは、選択基準のうち短期間で変動する変化量をフィルタリング除去する特性を有する。当該ローパスフィルタにより、例えば、タンク内の液体の液はね運動が少なくとも１つの選択基準に影響することを防止できる。

さらに有利には、当該方法では、ステップｄ）で使用される少なくとも１つの選択基準の入力信号がヒステリシスによってフィルタリングされる。

入力信号をヒステリシスによってフィルタリングすることにより、選択された伝搬速度の迅速な切り替えを有効に防止できる。

ここでもう一度説明しておきたいのは、動作液体用のタンクを備えた自動車が、タンク内の充填レベルを求める超音波充填レベルセンサと、この超音波充填レベルセンサから送信される超音波を反射させる少なくとも２つの基準面と、充填レベル測定のために上述した方法を実行するように構成された少なくとも１つの制御装置とを有し、ここで、第１の基準面は第２の基準面の下方に位置しているということである。

上述した方法に関連して説明した特段の利点及び特徴的構成は、この場合にも同様に、（装置としての）自動車及び超音波充填レベルセンサに適用可能である。

制御装置は、液体状添加剤を調製及び供給する装置内の超音波充填レベルセンサに対応する制御装置とすることができる。当該制御装置は、自動車制御装置のなかの、上述した方法の実行のためにソフトウェアを格納した要素であってよい。

本発明及びその技術環境を以下に図に即して詳細に説明する。図には特に好ましい実施形態が示されているが、これらは本発明を限定しない。特に、図及び図中に示されている寸法比は概略的なものにすぎないことに注意されたい。

ここで説明する超音波充填レベルセンサを備えたタンクを示す図である。 基準面をなす要素を示す図である。 超音波充填レベルセンサの基準面をなす要素の配置を示す図である。 超音波充填レベルセンサから送信された超音波及びその反射を示すグラフである。 ここで説明する方法を示すフローチャートである。 ここで説明する方法を示す論理回路図である。 第１の選択基準を示す図である。 第２の選択基準を示す図である。 第３の選択基準を示す図である。 ａからｄは、それぞれ異なる条件のもとでの超音波充填レベルセンサの応答信号を示すグラフである。 ここで説明する方法にしたがって動作可能な超音波充填レベルセンサ及びタンクを有する自動車を示す図である。

図１にはタンク４が示されており、このタンク４のタンク底部の領域で、取り出しユニット２７がタンク壁１５に組み込まれている。取り出しユニット２７により、タンク４から液体が取り出され、例えば（ここには図示されていない）排気ガス処理装置へ供給される。取り出しユニット２７のケーシングは、少なくともその一部がタンク壁１５を形成している。取り出しユニット２７には、超音波充填レベルセンサ３が配置されている。超音波充填レベルセンサ３の上方には、第１の基準面１及び第２の基準面２が位置している。タンク内の液体は液体面７を形成しており、この液体面７まで液体がタンク４内で（上方へ向かって）延在している。

図２には、第１の基準面１及び第２の基準面２を形成するためにタンク内に組み込み可能なキャリブレーション部材２９が示されている。したがって、キャリブレーション部材２９は好ましくは金属から、第１の基準面１と第２の基準面２との距離及び位置の許容差を厳密に遵守するために形成される。キャリブレーション部材２９は好ましくは載置面２８を有し、この載置面２８は、超音波充填レベルセンサの近傍で（タンク壁１５に）接してよく、キャリブレーション部材２９の正確な位置を設定する。好ましくは、キャリブレーション部材２９はさらに、キャリブレーション部材２９の載置面２８が正確に設定された位置でタンク壁１５に接するように調整するばねセクション３０を有する。これにより、超音波充填レベルセンサ３に対する第１の基準面１の相対位置及び相対配向が正確に設定される。

図３では、キャリブレーション部材２９をタンク４のタンク壁１５にどのように配置できるかが見て取れる。キャリブレーション部材２９は、好ましくは、少なくとも１つのねじ３２でタンク壁１５に固定されている。ばねセクション３０により、キャリブレーション部材２９の載置面２８はタンク壁１５の設定位置に堅く押しつけられる。キャリブレーション部材２９の反対側では、超音波充填レベルセンサ３が、タンク壁１５に配置されて、ここでも同様に少なくとも１つのねじ３２によって固定されている。超音波充填レベルセンサ３とキャリブレーション部材２９とを位置決めすることにより、超音波充填レベルセンサから第１の基準面１までの第１の測定区間５と、第２の基準面２から第１の基準面１までの第２の測定区間６とが定められる。

図４には、超音波充填レベルセンサから送信され、タンク内の構造体（例えば第１の基準面１又は第２の基準面２）で反射された超音波又は応答信号の種々の走行時間８が示されている。理解しやすくするために、図４の一部には構造特徴（例えば超音波充填レベルセンサ３）が示されており、残りの部分はグラフの形態で構成されている。図４の左下方に超音波充填レベルセンサ３が示されている。図４ではさらに、タンク壁１５、第１の基準面１、第２の基準面２、及び、超音波充填レベルセンサ３からタンク壁１５へ超音波を伝達する伝達手段３１が見て取れる。伝達手段３１は例えば伝達ペースト又は伝達フィリングであってよく、タンク壁１５とともに結合層１４を形成し、この結合層１４を通って超音波充填レベルセンサ３からここでは図示されていないタンクへ超音波が導通される。超音波充填レベルセンサ３から第１の基準面１までが第１の測定区間５として定められる。第１の基準面１から第２の基準面２までが第２の測定区間６として定められる。また図４には、ここでは図示されていないタンクとここから得られるタンク内の充填レベル１７とが示されている。超音波充填レベルセンサ３から液体面７へ到り、超音波充填レベルセンサ（３）へ戻る超音波の走行時間８は図４（ｉ）で標示されている。第２の基準面２での超音波の反射に基づく走行時間８は（ｉｉ）で標示されている。第１の基準面１から得られた走行時間８は（ｉｉｉ）で示されている。（ｉｉｉ）で標示された走行時間８は、走行時間（ｉｖ）と走行時間（ｖ）とに分割できる。これら２つの走行時間８は、合わせると（ｉｉｉ）の走行時間８となる。この場合、（ｖ）で標示されている走行時間８は結合層１４を通過する時間であり、（ｉｖ）で標示されている走行時間８はタンク壁１５から第１の基準面１へ達するまでの液体を通過する時間である。（ｖｉ）で標示されているのは、超音波充填レベルセンサ３から、第２の基準面２の高さの２倍の高さにある（仮想の）液体面までの、（仮想の）走行時間８である。（ｖｉ）で標示されている走行時間８は、通常は当該高さの液体面によっては生じず、液体面とタンク底部とでの超音波の２回の反射によって生じる。このように、（ｖｉ）では、実際には存在していない、超音波充填レベルセンサで受信した応答信号の誤った解釈によって識別された仮想のレベルが示される。（ｖｉ）で標示される走行時間８の領域では、時間間隔２１が定義される。ここでは、当該時間間隔２１の領域にある走行時間８が、第３の選択基準において、第２の伝搬速度への戻し切り替えを行うべきか否かを判別するために考慮される。

図５には、上述した方法のフローチャートが示されている。方法ステップａ），ｂ），ｃ），ｄ），ｅ）が示されている。方法ステップａ）では、第１の伝搬速度を求めるために、第１の基準面までの走行時間８と、結合層に対する上述した補正係数１６と、第１の測定区間５とが考慮される。もちろん、この場合に、別のパラメータ及び／又は信号を考慮することもできる。ステップｂ）では、第２の伝搬速度１０を求めるために、相応の走行時間８と第２の測定区間６とが考慮される。この場合も、別のパラメータの考慮が可能である。ステップｃ）では、液体面７に対応する走行時間８が求められる。ステップｄ）では、第１の伝搬速度９又は第２の伝搬速度１０の選択が行われる。選択された伝搬速度９又は１０は、液体面７までの走行時間８とともに、ステップｅ）において、充填レベル１７を計算するために用いられる。

図６には、第１の伝搬速度９又は第２の伝搬速度１０を選択するための個々の選択基準１１，１２，１３の結合を説明する論理回路図が示されている。伝搬速度９，１０の選択は選択モジュール３８で行われる。第１の伝搬速度９を選択するには、第１の選択基準１１と第２の選択基準１２との双方が相応の選択を示す必要がある。このために、２つの選択基準１１，１２は、第１の基準結合器３４でＡＮＤ結合により相互に結合される。当該第１の基準結合器３４の出力は、さらに積分器３６でフィルタリングされる。積分器３６により、選択モジュール３８で相応の設定が行われるまで、設定された最小時間間隔にわたって第１の基準結合器３４が第１の伝搬速度９への切り替えを設定することが保証される。第２の伝搬速度１０を選択するには、第１の選択基準１１及び第２の選択基準１２並びに付加的な第３の選択基準１３によって第２の伝搬速度１０の選択を設定する必要がある。このために、３つの選択基準１１，１２，１３は、第２の基準結合器３５において、相互にＮＡＮＤ結合の形式で充足される。当該ＮＡＮＤ結合は、第２の伝搬速度１０の選択のために３つの選択基準１１，１２，１３のいずれも、第１の伝搬速度９の選択の設定を許容しないことを意味する。第２の基準結合器３５の出力も積分器３６でフィルタリングされ、これにより、第２の伝搬速度１０の選択が少なくとも最小時間間隔に対して設定される。第２の基準結合器３５の出力は、選択モジュール３８に達する前に、付加的に切り替えモジュール３９を通過する。切り替えモジュール３９により、モード検査３３がダイナミックモード２３を検出した場合に、第２の伝搬速度１０の選択を阻止できる。切り替えモジュール３９は、スタティックモード２２が存在する場合にのみ、第２の伝搬速度１０の選択を許可する。それ以外の場合には、選択モジュール３８の相応の入力は不活性化部３７に接続される。

図７には、第１の選択基準１１のフローチャートが示されている。充填レベル１７が入力信号として使用されることが見て取れる。充填レベル１７は、ローパスフィルタ２４及びヒステリシス２５によってフィルタリングされ、ついで積分器３６によって処理される。積分器３６により、ステップｄ）での伝搬速度の切り替えを生じさせるには、第１の選択基準が設定された時間範囲にわたって満足されなければならないということを保証できる。続いて、フィルタリングされた充填レベルを表す入力信号が、充填レベル限界値と比較される。

図８には、第２の選択基準１２が示されている。ここでは、第１の伝搬速度９と第２の伝搬速度１０とが速度比較器４６によって比較される。ここから生じる信号は、まず、ローパスフィルタ２４によってフィルタリングされる。続いて、当該信号に不鮮鋭性ロジック４７が適用される。不鮮鋭性ロジック４７によって、持続的に生じる小さな速度差を増幅する。このようにすることで、不鮮鋭性ロジック４７により、液体面の低下に起因して生じた速度差を良好に識別できるようになる。不鮮鋭性ロジック４７の後方で、当該信号にヒステリシス２５が適用される。続いて、より長い時間範囲にわたってのみ生じる第１の伝搬速度９と第２の伝搬速度１０との差を検出するために、積分器３６が適用される。

図９には、上述した方法の第３の選択基準が示されている。この選択基準では、充填レベル１７が考慮される。当該充填レベル１７は、まず、充填レベル比較器４８において、第２の基準面に相応する充填レベルと比較される。続いて、当該充填レベルが第２の基準面の２倍の高さに相当するか否かを識別可能なディジタルシミュレーション機能部４９が適用される。ディジタルシミュレーション機能部４９の出力信号にはローパスフィルタ２４及びヒステリシス２５と積分器３６とが適用される。

図１０のａからｄを用いて、タンク内の充填レベルがちょうど第２の基準面又はその２倍の高さに相当する場合に生じる問題を説明する。これらの充填レベルは双方とも、所定の条件のもとにある超音波充填レベルセンサでは区別できない。ただし、超音波充填レベルセンサの応答信号を所定の手法で分析することにより、これら２つの充填レベルを区別することができる。図１０のａ，ｂには、時間の軸５０及び信号の軸５１により、第１の応答信号５４と第２の応答信号５２と第３の応答信号５３とがそれぞれ示されている。なお、上述したように、第１の応答信号５４は通常第１の基準面に対応し、第２の応答信号５２は第２の基準面に対応し、第３の応答信号５３は充填レベルに相当するタンク内の液体表面に対応する。

図１０のａ，ｂには、充填レベルがちょうど第２の基準面の高さにある場合に生じる各応答信号５４，５２，５３が示されている。図１０のａには、自動車が絶対的に静止しており、タンク内の液体の振動及び／又は液はね運動が発生しない場合に生じる、（上述の説明ではスタティックモードとも称した）静的条件が示されている。図１０のｂには、自動車が運動しており、タンク内の振動及び／又は液はねが発生する場合に生じる、（上述の説明ではダイナミックモードとも称した）動的条件が示されている。まず、第１の基準面に対する第１の応答信号５４は、図１０のａの静的条件においても図１０のｂの動的条件においても一定であり、そもそも動的条件が生じたとしても最小の変動しか有さないことがわかる。このことは、第１の基準面がダイナミックモードに関係なくつねに充填レベルの下方に位置することによっている。ただし、第２の応答信号５２と第３の応答信号５３とは、ダイナミックモードにあるか又はスタティックモードにあるかで異なってくる。スタティックモード（図１０のａ）では、第２の応答信号５２はほぼ一定であり、第３の応答信号５３が数回の短時間の差を有する。なお上述したように、第３の応答信号５３は、充填レベルが第２の基準面の高さに相当する場合、超音波が液体面とタンク底部とで２回反射されることによって生じる。タンク内の振動及び／又は液はね運動が最小であっても、液体面は第２の基準面を短時間だけ上回る。この場合、液体面での超音波の単純な反射が第３の応答信号５３と解釈され、第３の応答信号５３が短時間だけ低下する。ただし、最小の振動及び／又は液はね運動が確実かつ均等に発生するということを基礎にはできないので、この効果の信頼性はスタティックモードにおいても高くない。ダイナミックモード（図１０のｂ）では規則的に振動及び／又は液はね運動が発生する。これにより、液体面は規則的に第２の基準面の上方及び下方に位置することになる。こうして、第２の応答信号５２及び第３の応答信号５３の双方が強く変動するという効果が生じる。

図１０のｃ，ｄには、充填レベルがちょうど第２の基準面の２倍の高さにある場合の各応答信号５４，５２，５３が示されている。図１０のｃには図１０のａに対応する静的条件が示されており、図１０のｄには図１０のｂに対応する動的条件が示されている。静的条件のもとでも動的条件のもとでも、第２の応答信号５２の変動は生じないことが見て取れる。このことは、第２の基準面が振動及び液はね運動に関係なくつねに充填レベルの下方に位置することによっている。動的条件（図１０のｄ）のもとでは、第３の応答信号（５３）の規則的な変動が発生する。

この点に関して、第２の応答信号５２を時間評価することにより、充填レベルが第２の基準面の２倍の高さに相当するか、又は、充填レベルが第２の基準面の高さに相当するかを区別できる。第２の応答信号５２の時間評価に際して第２の応答信号の変動が検出された場合、当該充填レベルを第２の基準面に相当するものとし、第３の応答信号５３を充填レベルに関する情報として評価してはならない。時間評価に際して第２の応答信号５２の変動が検出されなかった場合には、第３の応答信号５３を実際の充填レベルに相当するものとし、相応に評価することができる。

図１１には、内燃機関４１とこの内燃機関４１の排気ガスを浄化するための排気ガス処理装置４３を備えた自動車２６が示されている。排気ガス処理装置４３には、選択触媒還元プロセスを利用して内燃機関４１の排気ガスを浄化可能なＳＣＲ触媒４４が配置されている。このために、排気ガス処理装置４３には、インジェクタ４２を介して、排気ガス浄化のための液体状添加剤を供給可能である。排気ガス浄化のための液体状添加剤は、タンク４から取り出しユニット２７及び管路４５を介して供給される。取り出しユニット２７は、上述した方法を実行するように構成された超音波充填レベルセンサ３を有する。相応の方法は、制御装置４０に格納されている。

Claims (11)

1. 超音波充填レベルセンサ（３）と該超音波充填レベルセンサ（３）から送信された超音波を反射する少なくとも２つの基準面（１，２）とを用いて、液体用タンク（４）の充填レベル（１７）を求める方法であって、
   第１の基準面（１）が第２の基準面（２）の下方に位置しており、
   前記方法は、
   ａ）前記超音波充填レベルセンサから前記第１の基準面（１）までの第１の測定区間（５）において液体中での超音波の第１の伝搬速度（９）を求めるステップと、
   ｂ）前記第１の基準面（１）から前記第２の基準面（２）までの第２の測定区間（６）において液体中での超音波の第２の伝搬速度（１０）を求めるステップと、
   ｃ）前記超音波充填レベルセンサ（３）から前記タンク（４）内の液体の液体面（７）への超音波の走行時間（８）を測定するステップと、
   ｄ）少なくとも１つの選択基準（１１，１２，１３）に依存して、前記第１の伝搬速度（９）又は前記第２の伝搬速度（１０）を選択するステップと、
   ｅ）前記ステップｃ）で測定された走行時間（８）と前記ステップｄ）で選択された伝搬速度（９，１０）とを用いて、充填レベル（１７）を計算するステップと
   を含む、方法。
2. 前記超音波充填レベルセンサ（３）の超音波が前記タンク（４）内の液体へ入射する前に、タンク壁（１５）を含む結合層（１４）を通るように、前記超音波充填レベルセンサ（３）を前記タンク（４）外に配置し、
   前記結合層（１４）での前記超音波の走行時間（８）を、前記ステップａ）において補正係数（１６）によって考慮する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記方法を再帰的に反復し、
   前記ステップｄ）で前記伝搬速度（９，１０）を選択する際に、先行の方法反復においてどちらの伝搬速度（９，１０）が選択されたかを考慮する、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 第１の選択基準（１１）として、前記ステップｅ）において、計算された充填レベル（１７）を使用し、
   充填レベル（１７）が所定の充填レベル限界値（１８）を下回る場合には前記第１の伝搬速度（９）を選択し、
   充填レベル（１７）が所定の充填レベル限界値（１８）を上回る場合には前記第２の伝搬速度（１０）を選択する、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 第２の選択基準（１２）として、前記ステップｄ）において、前記第１の伝搬速度（９）と前記第２の伝搬速度（１０）との比較を行い、
   前記第１の伝搬速度（９）と前記第２の伝搬速度（１０）との速度差（１９）が所定の限界値（２０）を上回った場合に、前記第１の伝搬速度（９）を選択する、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 第３の選択基準（１３）として、前記ステップｄ）において、前記ステップｃ）で測定された走行時間（８）を検査し、
   該測定された走行時間（８）が、前記第２の基準面（２）までの走行時間（８）の２倍に相当しかつ先行の方法反復において前記第１の伝搬速度（９）が選択された時間間隔（２１）の外にある場合には、前記第２の伝搬速度（１０）を選択しない、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 前記ステップｅ）で充填レベル（１７）を計算する際に、
   ｉ）選択された伝搬速度（９，１０）に基づいて、充填レベル（１７）を計算するサブステップと、
   ｉｉ）前記第２の伝搬速度（１０）によって求められた充填レベル（１７）が前記第２の基準面（２）の高さの２倍に相当するか否かを検査するサブステップと、
   ｉｉｉ）所定の時間間隔で、前記超音波充填レベルセンサ（３）の前記第２の基準面（２）での第２の応答信号（５２）の変動を求めるサブステップと、
   ｉｖ）前記第２の応答信号（５２）の変動量が設定された限界値を上回るか否かを検査するサブステップと、
   ｖ）前記サブステップｉｉ）及びｉｖ）が満足された場合、前記サブステップｉ）で計算された充填レベル（１７）を前記第２の基準面（２）の高さに補正するサブステップと
   を適用する、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 前記ステップｄ）において、スタティックモード（２２）が存在する場合にのみ、前記第１の伝搬速度（９）から前記第２の伝搬速度（１０）への切り替えを行う、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 前記ステップｄ）で用いられた少なくとも１つの選択基準（１１，１２，１３）の入力信号を、ローパスフィルタ（２４）によってフィルタリングする、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 前記ステップｄ）で用いられた少なくとも１つの選択基準（１１，１２，１３）の入力信号を、ヒステリシス（２５）によってフィルタリングする、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。
11. 動作液体用のタンク（４）を備えた自動車（２６）であって、
    前記タンク（４）の充填レベル（１７）を求めるための超音波充填レベルセンサ（３）と、
    該超音波充填レベルセンサ（３）から送信される超音波を反射する少なくとも２つの基準面（１，２）と
    を有し、ここで、第１の基準面（１）は第２の基準面（２）の下方に位置しており、
    さらに、充填レベル検出のために、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法を実行するように構成された少なくとも１つの制御装置（４０）と
    を有する、自動車（２６）。

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