[发明专利]用于探测过滤器中烟灰和粉尘浓度的方法及系统

说明书

技术领域

本发明主要涉及用于探测及测量在微粒捕捉器，如陶瓷柴油机微粒过滤器中的烟灰和粉尘负载的射频(“RF”)传感器、系统和方法。

技术背景

为了符合必须严格遵守的废气排放规则，某些发动机制造商安装了部分地包括微粒捕捉器(“过滤器”)的废气后处理系统。这些过滤器收集烟灰--碳微粒和浓缩有机材料的混合物，以及主要由少量发动机润滑油燃烧产生的所有无机微粒(“粉尘”)。持续监测过滤器中收集的烟灰的浓度以在需要过滤器更新和清洁时向发动机控制者发出信号。为了减少发动机的废气余压并保护过滤器免受损坏，过滤器的更新是必需的。

过滤器的更新策略涉及必须小心处理以避免对过滤器的热损坏的某种烟灰氧化处理。特别地，碳微粒包含最高的热容量，并且，作为结果，碳微粒在更新处理过程中在过滤器内释放最高能量。因此，在开始过滤器更新处理之前必需精确估算过滤器内碳微粒的浓度。

到目前为止，一种估算聚集在过滤器内的烟灰的累积的主要方法是测量从过滤器一边到另一边的压降。由于影响发动机废气流速的大量发动机工作参数以及由此从过滤器一边到另一边的压降，压降和烟灰浓度的任何相互关系可能不能精确确定微粒捕捉器的负载。烟灰对气流产生的阻力也是碳微粒与浓缩有机物浓度之比的函数，浓缩有机材料通常被称作可溶有机组分(“SOF”)，这很难(如果不是不能的话)由压降测量确定。同样地，某些发动机制造商已经发现通过从过滤器一边到另一边的压降难于区分积累在过滤器中的烟灰和粉尘。

除此之外，本申请披露了一种使用基于射频的测量方法直接测量过滤器内碳微粒浓度的系统。在过滤器更新之后，该方法还可以用于测量过滤器内粉尘的增加。

对于本领域技术人员来说，射频信号穿过非磁介质的传输受其合成介电常数的影响是公知的。实部被称作介电常数，且虚部被称作损耗因子。介电常数影响RF信号的空间速率，并且损耗因子实质上是将RF能量转换为热量所的阻抗部分。介质的介电常数是其原子结构和密度的函数，并且可以随着温度和RF频率变化。材料介电常数的差异形成基于RF测量方法的基础。

由如堇青石或氧化铝等材料制成的陶瓷过滤器可大量透过RF能量。也就是说，后述的这些陶瓷材料具有非常低的损耗因子。相反，碳微粒具有相当高的损耗因子，从而是RF能量的良好吸收体。碳微粒的积累有效改变了陶瓷过滤器的介电常数。Frank Walton的美国专利No.5,497,099(“’099”)公开了可以通过探测陶瓷过滤器介质的有效介电常数的变化监测沉积在柴油发动机过滤器介质上的烟灰水平。

如’099中进一步公开的，一种包括并行的发射和接收天线的天线系统与圆柱金属过滤器腔的中心轴平行地插入，并且在天线和过滤器轴的径向感应耦合。这些天线可以插入过滤器的反相端或者位于过滤器的同一端内。可以容易地证明测量空间被金属过滤器外壳的金属壁在轴向方向限定在天线重叠的区域以及径向方向。每个天线可以由一个或多个金属元件构成。在某些应用中，天线可以增加一个以上的元件以提高天线系统的宽带频率发射和接收特性。一个调制的RF源发送信号至分流器。分流器将信号施加在发射天线(20)和探测器。该探测器产生代表发射至发射天线(20)之前的信号功率的参考输出信号。

进一步参照’099，提供第二探测器，该第二探测器电连接至接收天线，并产生代表透射穿过过滤器介质的功率的输出信号。第一和第二探测器输出信号施加到产生输出信号的比较器，该输出信号与发射和接收信号的信号强度之差成正比。因此，反过来，穿过过滤器的传输损耗，代表由过滤器内烟灰聚积导致的有效损耗因子的变化。也就是当过滤器中存在很少或没有烟灰聚积时，信号强度仅有很小的传输损耗。随着烟灰聚积的增加，发射和接收之间的信号强度之差增加。比较器可以被设计为提供可变输出，该可变输出为过滤器介质内烟灰聚积的函数，或者指示已达到某预定烟灰水平，或者二者皆是。

’099还公开了设置电源以在一定频率范围内发射RF能量，该频率范围优选为高至倍频的频段，即2比1频率范围内。该信号在优选带宽内求平均。

但是，’099没有区分碳微粒和SOF的相对浓度。高水平的SOF影响RF传感器系统精确估算过滤器内碳微粒浓度的能力。’099中公开的系统没有提供足够的RF测量参数以区分碳微粒和SOF的可变浓度。’099中公开的系统也没有提供估算过滤器介质内粉尘聚积的方法。