ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, В ЧАСТНОСТИ, В СИСТЕМЕ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G01L19/04 

Изобретение относится к датчику давления для измерения давления, в частности, в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения.

Для уменьшения содержания вредных веществ в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания в соответствии с законодательными нормами необходимы дорогостоящие и сложные системы выпуска отработавших газов, содержащие, в частности, различные катализаторы и/или сажевые фильтры. Для управления функциями и/или для функционального контроля таких систем выпуска отработавших газов необходимы сами по себе известные измерения давления посредством датчиков давления и/или измерения перепадов давлений посредством датчиков перепада давлений.

Например, предписан контроль установленного дизельного сажевого фильтра в установке нейтрализации отработавших газов на предмет повреждения или блокирования (заполненных фильтров). Для этого в качестве индикатора поврежденного или заполненного фильтра регистрируется перепад давлений между местом измерения перед дизельным сажевым фильтром и местом измерения позади дизельного сажевого фильтра. Однако дизельные сажевые фильтры, используемые в настоящее время, оказывают лишь очень незначительное сопротивление потоку, способствующее незначительному расходу топлива. Следствием этого является то, что возникающий перепад давлений в случае незаполненного дизельного сажевого фильтра по сравнению с демонтированным, или поврежденным дизельным сажевым фильтром составляет лишь несколько гПа. В конкретном незаполненном дизельном сажевом фильтре, например, в режиме работы двигателя, перепад давлений составляет 12 гПа, а в той же рабочей точке в поврежденном дизельном сажевом фильтре перепад давлений составляет 7-8 гПа, что соответствует разнице в 4-5 гПа. Однако датчики давлений, установленные в соответствии с актуальным уровнем техники, имеют все же недостаточную точность, в результате чего невозможно обеспечить безошибочное обнаружение поврежденного фильтра.

Таким образом, для контроля и/или для функций управления в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания необходимы высокоточные измерения давления/перепада давлений.

В документе DE 102008002579 А1 описывается микроэлектромеханический сенсорный элемент для использования в окружающей среде, содержащей частицы. Функция датчика осуществляется мембраной, которая нагревается с помощью нагревательного средства до температуры выше температуры окружающей среды и поддерживает ее на этом температурном уровне с целью предотвращения отложения частиц и осаждения веществ на мембране.

В документе DE 202010003133 U1 описывается используемый в горячей окружающей среде датчик давления, охлаждаемый посредством охлаждающей жидкости, и возможность обеспечения его работоспособности. За счет целенаправленного выбора расстояния между корпусом и модулем датчика обеспечивается возможность целенаправленного, стабильного распределения охлаждения на датчике.

Поэтому задачей изобретения является создание высокоточного датчика давления, при необходимости в виде датчика перепада давлений, в частности, высокоточного датчика давления в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

Эта задача решается с помощью признаков п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Согласно п. 1 формулы изобретения датчик давления содержит корпус датчика по меньшей мере с одной установленной в нем ячейкой для измерения давления с соответствующей электроникой датчика, причем по меньшей мере одна ячейка для измерения давления соединена с трубопроводом для измерительной среды, в частности, с измерительным трубопроводом для отработавших газов в качестве трубопровода для измерительной среды. Согласно изобретению для датчика давления с целью повышения точности измерения предусмотрено терморегулирующее устройство.

В частности, при относительно небольшом диапазоне измерения давления влияние температуры на сигнал давления велико и отрицательно сказывается на достижимой точности. Благодаря терморегулирующему устройству для датчика давления создается и поддерживается постоянный температурный уровень, так что температурные воздействия, при которых возникают температурные градиенты, в значительной степени сокращаются и обеспечивается возможность высокоточного измерения давления/перепада давлений, в частности, в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

При этом терморегулирующее устройство должно работать за счет нагрева и/или охлаждения таким образом, чтобы датчик давления удерживался в диапазоне температур, в котором он имеет определенно заданную, в частности, свою максимальную, точность измерений, или соответственно для которого рассчитана определенно заданная, в частности, максимальная, точность измерения.

Терморегулирующее устройство может быть образовано в особенно предпочтительном варианте осуществления благодаря тому, что терморегулирующая жидкость пропускается через корпус датчика, причем температура корпуса датчика за счет регулируемого нагрева и/или охлаждения, предпочтительно, электрического нагрева и/или охлаждения терморегулирующей жидкости, и/или за счет регулирования объемного потока терморегулирующей жидкости, удерживается на постоянном температурном уровне. В результате желательным образом на постоянном уровне поддерживается также температура компонентов датчика давления, в частности, ячейки для измерения давления и электроники датчика, так что сокращаются негативные температурные воздействия на точность измерения.

В принципе в зависимости от случая применения используется любая подходящая терморегулирующая текучая среда. Целесообразно, например, в качестве применяемой в автомобиле терморегулирующей текучей среды использовать текучую среду, уже имеющуюся в транспортном средстве. Смотря по обстоятельствам, это могут быть охлаждающая жидкость двигателя, отводимая из контура системы охлаждения двигателя, или топливо, или моторное масло. В частности, может быть использована также текучая среда, содержащая мочевину, которая в ходе способа селективного восстановления подводится по тракту для отработавших газов системы выпуска отработавших газов, и поэтому в системе выпуска отработавших газов проходят трубопроводы для текучей среды. Таким образом, эта текучая среда может просто пропускаться через корпус датчика, а затем подводиться к инжекционному соплу.

В порядке альтернативы или дополнения к нагреву/охлаждению с помощью текучей среды на корпусе датчика или внутри него может быть предусмотрен по меньшей мере один теплообменник нагревательной и/или охлаждающей установки, предпочтительно, электрической нагревательной и/или охлаждающей установки, с помощью которой температура в корпусе датчика путем регулирования поддерживается на постоянном температурном уровне.

Дальнейшее повышение точности измерения может быть достигнуто за счет того, что измеряемая среда, в частности, отработавший газ в качестве измеряемой среды, терморегулировалась в области ячейки для измерения давления на постоянном температурном уровне.

Кроме того, электроника управления может быть установлена на некотором расстоянии от ячейки для измерения давления. В этом случае на электронику управления с ячейки для измерения давления в зависимости от давления подается напряжение, при необходимости предварительно преобразованное электроникой управления для выдачи сигнала измерения давления в цифровой форме. В особенно предпочтительном варианте выполнения датчика давления электроника датчика выполнена в виде специально применяемой полупроводниковой интегральной схемы (ASIC), однако в принципе она может быть образована и с помощью других сопоставимых элементов, например, микроконтроллера.

Электроника датчика, предпочтительно, выполненная в виде полупроводниковой интегральной схемы (ASIC), должна иметь стандартные программы для температурной компенсации измеренного значения давления и к тому же с помощью наружного элемента для измерения температуры регистрировать температуру своего собственного чипа или при необходимости температуру в своей непосредственной близости. Благодаря минимизации расстояния между ячейкой для измерения давления и соответствующей электроникой датчика возможный температурный градиент соответствующим образом минимизируется, а точность измерения повышается.

Кроме того, электронике датчика должна предоставляться в распоряжение температура, зарегистрированная в точке измерения температуры на ячейке для измерения температуры со стороны, отвернутой от среды. Регистрируемый таким образом температурный градиент между электроникой датчика и ячейкой для измерения давления может быть использован для повышения точности измерения для температурной компенсации.

Кроме того, для дальнейшего повышения точности на электронику датчика, предпочтительно, выполненную в виде полупроводниковой интегральной схемы (ASIC), с учетом среды можно подавать значение температуры измеряемой среды, зарегистрированное во второй точке измерения температуры на ячейке для измерения давления со стороны, обращенной к среде. Таким образом, при температурной компенсации можно учитывать разницу температур между температурами на отвернутой от среды и на обращенной к среде сторонами ячейки для измерения давления.

Температурные компенсации для повышения точности, возможные с помощью вышеприведенных измерений температуры, возможны благодаря соответствующим вычислительным операциям и/или установленным характеристикам.

Для измерения относительного или абсолютного давлений используется ячейка для измерения давления с подсоединенным трубопроводом для отработавших газов и соответствующей электроникой датчика в корпусе датчика. Альтернативно или дополнительно для измерения перепада давлений между двумя измерительными трубопроводами для отработавших газов соответствующим образом используются одна или две ячейки для измерения давления с соответствующими электрониками датчиков, в частности, полупроводниковые интегральные схемы (ASIC), в корпусе датчика. Один единственный корпус датчика имеет то преимущество, что температура должна компенсироваться только в одном месте.

В качестве другой меры поддержания постоянного температурного уровня предлагается наносить внутри корпуса датчика термопасты и/или изготавливать корпус датчика из теплопроводного материала датчика.

Вышеописанный датчик давления с помощью измерительных трубопроводов для отработавших газов с целью измерения относительного давления/перепада давлений может быть подсоединен над катализатором окисления и дизельным сажевым фильтром, в частности, для контроля дизельного сажевого фильтра на предмет повреждения и/или блокировки. Тем самым реализуется точность измерения, необходимая для этого.

Преимущества, достигаемые с помощью других независимых п. 12 и 13, соответствуют преимуществам, приведенным ранее в связи с оценкой датчика давления, так что в этом отношении делается отсылка на вышеприведенные варианты осуществления изобретения.

Ниже изобретение поясняется со ссылкой на чертежи, на которых схематически показано:

фиг. 1 - система выпуска отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания автомобиля промышленного назначения, а

фиг. 2 - датчик перепада давлений, используемый в системе выпуска отработавших газов согласно фиг. 1.

На фиг. 1 схематически изображена система выпуска отработавших газов в виде установки 1 нейтрализации отработавших газов, в которую подается отработавший газ дизельного двигателя внутреннего сгорания (стрелка 2), последовательно протекающий через катализатор 3 окисления и дизельный сажевый фильтр 4. После добавки 5 восстановителя для селективного каталитического восстановления SCR (СКВ - селективное каталитическое восстановление, SCR) отработавший газ устремляется дальше через катализатор 6 селективного каталитического восстановления SCR, а также при необходимости через дополнительные устройства нейтрализации и измерения, а затем выходит (стрелка 7). От тракта 8 для отработавших газов перед катализатором 3 окисления отходят измерительный трубопровод 9 для отработавших газов, а также другой измерительный трубопровод 10 для отработавших газов и ведут к (схематически изображенному) комбинированному датчику 11 давления/перепада давлений для измерения перепада давлений над катализатором 3 окисления и над последовательно подсоединенным к нему дизельному сажевому фильтру 4. После дизельного сажевого фильтра 4 от тракта 8 для отработавших газов к датчику 11 давления/перепада давлений отходит очередной измерительный трубопровод 12 для отработавших газов и там, как и измерительный трубопровод 10 для отработавших газов, подсоединяется к элементу (ΔР) датчика перепада давлений. Этот перепад давлений регистрируется как индикатор для контроля, в частности, дизельного сажевого фильтра 4 на предмет повреждения и/или блокировки (заполнения фильтра). Этот датчик 1 давления/перепада давлений имеет корпус 13 датчика, который для повышения точности измерения оснащен терморегулирующим устройством 14. В конкретно изображенном примере выполнения корпус 13 датчика для установления постоянного температурного уровня обтекается охлаждающим средством, ответвляемым от контура охлаждения двигателя внутреннего сгорания (подвод охлаждающего средства - стрелка 15, выход охлаждающего средства - стрелка 16).

На фиг. 2 датчик 11 давления/перепада давлений схематически изображен более детально. На данной фиг. показаны также подвод охлаждающего средства (стрелка 15) и выход охлаждающего средства (стрелка 16) для протекания охлаждающего средства через корпус 1 датчика. В данном случае охлаждающее средство в виде текучей среды 17 с помощью электронагревателя 18 и/или регулятора 19 объемного потока направляется при постоянном температурном уровне через корпус 13 датчика.

Для измерения перепада ΔР₂₁ давлений измерительный трубопровод 10 для отработавших газов подсоединен к ячейке DZ1 для измерения давления, а измерительный трубопровод 12 для отработавших газов - к ячейке DZ2 для измерения давления. Зависящий от давления сигнал напряжения, сгенерированный ячейкой DZ1 для измерения давления, в изображенном варианте осуществления подается в полупроводниковую интегральные схемы ASIC1 (ASIC - интегральная схема специального назначения). Зависящий от давления сигнал напряжения ячейки DZ2 для измерения давления подается, соответственно, в полупроводниковую интегральную схему ASIC2. Ячейки DZ1 и DZ2 для измерения давления, а также подсоединенные полупроводниковые интегральные схемы ASIS1 и ASIC2 установлены в терморегулируемом корпусе 13 датчика.

Для регистрации перепада ΔР₂₁ давлений с помощью ячейки DZ1 для измерения давления измеряется давление Р1 в измерительном трубопроводе 10 для отработавших газов, а с помощью ячейки DZ2 измеряется давление Р2 в измерительном трубопроводе 12 для отработавших газов, и соответствующий сигнал измерения напряжения подается в полупроводниковую интегральную схему ASIC1 или ASIC2.

Для высокоточных измерений давления в (уже термоотрегулированной) полупроводниковой интегральной схеме ASIC1 и ASIC2 (при необходимости также с другими последовательно подключенными электронными компонентами) осуществляются температурные компенсации.

Для этого определяются и учитываются следующие температуры и тем самым температурные градиенты.

В полупроводниковых интегральных схемах ASIC1 и ASIC2 регистрируются соответственно имеющие там место температуры Т1 и Т2 (конкретные элементы для измерения температуры, установленные в полупроводниковых интегральных схемах ASIC1 и ASIC2, а также в ячейках DZ1 и DZ2 для измерения давления или встроенные в них, для наглядности не показаны).

Кроме того, на ячейке DZ1 для измерения давления с обращенной к среде стороне, то есть в области, смежной с трубопроводом 10 для измерительной среды, регистрируется температура Т3, а в другой точке измерения, на отвернутой от среды стороне, регистрируется температура Т5. Эти температуры Т3, Т5 подаются также в полупроводниковую интегральную схему ASISC1, благодаря чему для температурной компенсации предоставляются в распоряжение разности ΔТ₁₅ и ΔТ₃₅ температур. Соответствующим образом в другой ветви измерения давления с измерительным трубопроводом 12 для отработавших газов на ячейке DZ2 для измерения давления регистрируются температура Т4 на обращенной к среде стороне и температура Т6 на отвернутой от среды стороне, и передаются в полупроводниковую интегральную схему ASIC2, так что и там в распоряжение предоставляются разности ΔТ₂₆ и ΔТ₄₆ температур. Таким образом, аналогично появляется также разность ΔТ₃₄ температур, которая должна учитываться полупроводниковой интегральной схемой ASIC2 вместе с полупроводниковой интегральной схемой ASIC2. Очевидно, что выравнивание зарегистрированных температур по желательному возможно более постоянному температурному уровню осуществляется за счет того, что расстояния х, у, z между отдельными компонентами датчика выдерживаются по возможности малыми и конструктивно минимизированы.

Измеренные сигналы давления полупроводниковых интегральных схем ASIC1 и ASIC2 подаются в другую полупроводниковую интегральную схему ASIC3, в которой образуется разность и для дальнейшей обработки выдается высокоточный измеренный сигнал перепада давлений.

ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ

1 - Система выпуска отработавших газов

2 - Стрелка (подача)

3 - Катализатор окисления

4 - Дизельный сажевый фильтр

5 - Добавки восстановителя селективного каталитического восстановления (SCR - selective catalytic reduction)

6 - Катализатор селективного каталитического восстановления SCR (selective catalytic reduction)

7 - Стрелка

8 - Ветвь для отработавших газов

9 - Измерительный трубопровод для отработавших газов

10 - Измерительный выпускной газопровод трубопровод для отработавших газов

11 - Датчик давления/перепада давлений

12 - Измерительный трубопровод отработавших газов

13 - Корпус датчика

14 - Терморегулирующее устройство

15 - Стрелка (подача охлаждающего средства)

16 - Стрелка (выход охлаждающего средства)

17 - Текучая среда

18 - Электронагреватель

19 - Регулятор объемного потока.

Изобретение относится к датчику давления для измерения давления, в частности, в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, причем датчик (11) давления содержит корпус (13) датчика по меньшей мере с одной установленной в нем ячейкой (DZ) для измерения давления с соответствующей электроникой (ASIC) датчика, и по меньшей мере одна ячейка (DZ) для измерения давления соединена с трубопроводом (9; 10; 12) для измерительной среды, в частности, с измерительным трубопроводом для отработавших газов в качестве трубопровода для измерительной среды. Согласно изобретению для датчика (11) с целью повышения точности измерения предусмотрено терморегулирующее устройство (14). Терморегулирующее устройство (14) образовано за счет того, что терморегулирующая текучая среда (17) направляется через корпус (13) датчика, причем температура в корпусе (13) датчика удерживается на постоянном температурном уровне посредством регулируемого нагрева, предпочтительно, с помощью электрического нагрева (18) и/или посредством регулирования объемного потока терморегулирующей текучей среды (17). Технический результат – создание высокоточного датчика давления в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгораний. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Датчик давления для измерения давления, в частности, в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, причем датчик (11) давления содержит корпус (13) датчика по меньшей мере с одной установленной в нем ячейкой (DZ) измерения давления с соответствующей электроникой датчика, и по меньшей мере одна ячейка (DZ) для измерения давления соединена с трубопроводом (9; 10; 12) для измерительной среды, в частности, с измерительным трубопроводом для отработавших газов, причем для датчика (11) давления для повышения точности измерения предусмотрено терморегулирующее устройство (14), отличающийся тем, что терморегулирующее устройство (14) образовано за счет того, что терморегулирующая текучая среда (17) направляется через корпус (13) датчика, причем температура в корпусе (13) датчика удерживается на постоянном температурном уровне посредством регулируемого нагрева, предпочтительно, с помощью электрического нагрева (18) и/или посредством регулирования объемного потока терморегулирующей текучей среды (17).

2. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что датчик (11) давления с терморегулирующим устройством (14) благодаря обогреву и/или охлаждению удерживается в таком температурном диапазоне, в котором датчик (11) давления имеет определенно заданную, в частности, максимальную точность измерения или для которого рассчитана определенно заданная, в частности, максимальная, точность измерения.

3. Датчик давления по п. 1 или 2, отличающийся тем, что температура в корпусе (13) датчика удерживается на постоянном температурном уровне посредством охлаждения терморегулирующей текучей среды (17).

4. Датчик давления по п. 3, отличающийся тем, что терморегулирующее устройство образовано за счет того, что терморегулирующая текучая среда (17) направляется через корпус (13) датчика, причем в качестве терморегулирующей текучей среды (17) используется текучая среда, имеющаяся в транспортном средстве с двигателем внутреннего сгорания, в частности средство охлаждения двигателя, отводимое из контура системы охлаждения двигателя, или топливо, или моторное масло, или текучая среда, содержащая мочевину, причем в последнем случае текучая среда, содержащая мочевину, подвергается процессу селективного восстановления в тракте для отработавших газов системы (1) выпуска отработавших газов, для чего она, предпочтительно, после протекания через корпус (13) датчика, подается в инжекционное сопло или в бак.

5. Датчик давления по п. 3, отличающийся тем, что на корпусе (13) датчика или внутри него предусмотрен по меньшей мере один теплообменник нагревательной и/или охлаждающей установки, предпочтительно электрической нагревательной и/или охлаждающей установки, с помощью которой регулируемая температура в корпусе (13) датчика удерживается на постоянном температурном уровне.

6. Датчик давления по п. 1 или 2, отличающийся тем, что измеряемая среда, предпочтительно, температура отработавшего газа в качестве измеряемой среды, поддерживается в области ячейки (DZ) для измерения давления на постоянном температурном уровне.

7. Датчик давления по п. 1 или 2, отличающийся тем, что электроника датчика (11) давления выполнена в виде специально применяемой полупроводниковой интегральной схемы (ASIC).

8. Датчик давления по п. 1 или 2, отличающийся тем, что электроника датчика расположена на некотором расстоянии, предпочтительно, на минимальном расстоянии, от ячейки (DZ) для измерения давления, причем на электронику датчика с ячейки (DZ) для измерения давления подается зависимое от давления напряжение, преобразованное для выдачи в виде сигнала измерения давления.

9. Датчик давления по п. 8, отличающийся тем, что электроника датчика, предпочтительно, полупроводниковая интегральная схема (ASIC), содержит стандартные программы для температурной компенсации измеренного значения давления и для этого с помощью наружного элемента измерения температуры регистрирует температуру (T1, Т2) своего собственного чипа или температуру в своей непосредственной близости, и

при этом электронике датчика, предпочтительно, полупроводниковой интегральной схеме (ASIC), предоставляется в распоряжение температура (Т5, Т6), зарегистрированная на отвернутой от среды стороне в точке измерения температуры на ячейке (DZ) для измерения давления, причем, предпочтительно, предусмотрено, что для дальнейшего повышения точности измерения на электронику датчика, в частности на полупроводниковую интегральную схему (ASIC), подается значение (Т3, Т4) температуры измеряемой среды, зарегистрированное на обращенной к среде стороне во второй точке измерения температуры на ячейке для измерения давления.

10. Датчик давления по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в корпусе (13) датчика для измерения относительного или абсолютного давления используется элемент для измерения давления с подсоединенным измерительным трубопроводом (9) для отработавших газов и с соответствующей электроникой датчика, в частности с полупроводниковой интегральной схемой (ASIC), и при этом в порядке альтернативы или дополнения к измерению перепада давлений газа между двумя измерительными трубопроводами (10, 12) для отработавших газов они подсоединены в корпусе (13) датчика к двум соответствующим ячейкам (DZ1 и DZ2) для измерения давления с соответствующей электроникой датчика, в частности с соответствующими полупроводниковыми интегральными схемами ASIC (ASIC1 и ASIC2).

11. Датчик давления по п. 1 или 2, отличающийся тем, что внутри корпуса (13) датчика нанесена по меньшей мере одна термопаста и/или что корпус (13) датчика по меньшей мере локально изготовлен из теплопроводного материала корпуса.

12. Датчик давления по п. 1 или 2, отличающийся тем, что датчик давления (13) посредством измерительных трубопроводов (9, 10, 12) для отработавших газов подсоединен к системе (1) для выпуска отработавших газов для измерения относительного давления/перепада давлений над катализатором (3) окисления и дизельным сажевым фильтром (4), в частности для контроля дизельного сажевого фильтра (4), предпочтительно, на предмет повреждения и/или блокировки.

13. Система выпуска отработавших газов для транспортного средства с датчиком (11) давления по любому из пп. 1-12.

14. Транспортное средство, в частности, автомобиль промышленного назначения, с датчиком (11) давления по любому из пп. 1-12.

15. Способ приведения в действие датчика давления, в частности, в системе выпуска отработавших газов транспортного средства с датчиком (11) давления по любому из пп. 1-12.