[发明专利]确定柴油机排气流体的质量和/或深度的系统和方法

说明书

相关申请

本申请要求于2010年11月11日提交的在先提交的共同未决的美国临时专利申请No.61/412,667的权益，其全部内容通过引用于此结合。

背景技术

本发明涉及用于确定基于水的流体的质量或浓度和/或罐内流体的深度的系统和方法。具体地，本发明涉及用于确定包含在罐内的柴油机排气流体（DEF）的质量和浓度和/或罐内DEF的深度的系统和方法。

DEF被用来减少柴油发动机的排气中的氮氧化物（NOx）气体。DEF是作为雾状物注入到排气中的、32.5%汽车级UREA和纯净水的混合物。雾状物和排气混合并且将排气中的NOx离解成氮、水以及二氧化碳。当诸如柴油燃料、水、乙二醇等的污染物和DEF混合时，DEF减少排气中的NOx的能力被削弱和/或可能对NOx还原系统产生不可逆损害。

DEF被存储在车辆的罐中并且以对正被燃烧的柴油燃料成约1:50的比率被注入到排气中。确定罐中DEF的液面以便当有需要添加额外的DEF时向用户提供指示。

发明内容

本发明使用浸入压电超声换能器来检测罐中DEF的液面（例如，以向操作员提供剩余DEF量的指示），并且确定DEF是否已经被污染（包括确定污染物的类型和量）。DEF溶液内UREA的浓度水平也被测量。可以向DEF控制系统提供DEF流体质量的指示，使用户能够视需要采取补救措施。

在一个实施例中，本发明提供了包括罐、控制器、换能器以及温度传感器的系统。温度传感器感测罐中流体的温度。控制器使用所感测的温度来得到通过流体行进的超声信号的依赖于温度的声速。控制器生成用于换能器的第一命令信号。作为响应，换能器生成朝向固定表面的超声声波并且接收被该固定表面反射的超声声波的回波。控制器确定在通过换能器发射超声声波与通过换能器接收回波之间的经过时间。控制器还基于该经过时间和所感测的流体的温度来确定罐中的流体中任何污染物的浓度和存在。

控制器还通过调制所发射的超声声波的振幅来提高所接收到的超声回波的质量。控制器通过改变施加到换能器的命令信号的电压脉冲的振幅和/或数目来调制超声声波。优选地，换能器在谐振下被驱动，其中电压脉冲系列的频率与换能器的依赖于温度的频率特性相匹配。控制器可以使用包括基于温度的信息的查找表来生成该命令信号。

控制器还确定超声回波是否是有效的。当回波在预定时间窗口内被接收到时，超声回波被确定为有效。当表示回波的信号的振幅在预定范围内时，回波被进一步确定为有效。当表示回波的信号的持续时间在预定范围内时，回波被进一步确定为有效。控制器生成预期经过时间窗口、预期回波振幅范围以及预期回波持续时间范围中的至少一个。

控制器能够记录给定超声发射的多个回波反射以增加所记录的时间测量的分辨率。此外，来自温度传感器的信息可以通过耦合到控制器的通信模块而被分配到其它设备和其它位置。

在另一实施例中，本发明提供了包括罐、控制器、换能器以及温度传感器的系统。温度传感器感测罐中流体的温度，并且将该温度的指示提供给控制器。控制器使用所感测的温度来得到通过流体行进的超声信号的依赖于温度的声速。控制器生成用于换能器的第一命令信号，检测来自换能器的第一回波信号，并且确定换能器在近场时间内是否接收到该第一回波信号。如果该第一回波信号在近场时间内被接收到，则控制器检测具有预定范围内的幅度的第二回波信号。如果该第二回波信号在预定时间量内未被检测到，则控制器忽略第一回波信号，并且生成不同于第一命令信号的第二命令信号。控制器修改第二命令信号直到第二回波信号被检测到为止。控制器将第一回波信号或在第一回波信号与第二回波信号之间的差转换为表示到目标的距离的值或罐中流体量的体积表示。为了确保控制器能够区分真实的回波信号和二次回波反射，控制器被编程为测量通过紧跟触发命令之后连续地监测换能器的输出来测量换能器的回响时间（ring time）。当输出信号持续预定的时间段为高时，控制器认为回响时间结束。控制器被编程为补偿能够影响回响时间和其它测量变量的温度改变，并且在进行每个测量之前确定换能器的回响时间。控制器将近场时间设置在回响时间的约二又三分之一倍。

控制器还生成具有多个驱动脉冲的命令信号，该多个驱动脉冲调制所发射的超声声波的振幅以优化所接收到的超声回波的质量。优选地，换能器以一系列脉冲在谐振下被驱动，使得脉冲的频率与换能器的依赖于温度的频率特性相匹配。控制器可以利用具有基于温度的数据的查找表来生成所述命令信号。