一种柴油机颗粒捕集器碳加载量检测装置及检测方法与流程

本发明涉及一种碳加载量检测装置及检测方法，特别涉及一种柴油机颗粒捕集器碳加载量检测装置及检测方法。

背景技术：

当前，随着我国汽车保有量不断提高，汽车尾气排放标准越来越严格。由于柴油机节约燃料、使用寿命长等优点，现代汽车由汽油机驱动转为由柴油机驱动的趋势越来越明显，目前柴油机的发展已经成为汽车行业的重要发展方向。柴油机尾气主要包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、碳烟(PM)等。其中，柴油机排放出的碳烟需要利用柴油机颗粒捕集器(DPF)才能清除。柴油机DPF是一种安装在柴油机发动机排放系统中的过滤器，由用碳化硅制作的蜂窝状的陶瓷载体组成，当废气流过DPF载体时，废气中的颗粒就可以被截留，该装置可以减少发动机产生的碳烟达90％以上。

在柴油机DPF工作一段时间后，被截留的碳烟颗粒逐渐增多，会引起柴油机背压升高，导致柴油机性能下降。为了防止DPF被堵塞而影响柴油机排气，就需要定期对微粒捕集器捕集到的颗粒物进行处理，即DPF的再生。

因此，在柴油机颗粒捕集系统中，DPF内催化剂状态的检测对该系统的控制起到了关键的作用。催化剂状态中的碳加载量(Soot loading)就是一个很重要的参数。

目前，对于DPF碳加载量的测量方法分为：计算法和经验法以及综合法。

计算法是利用相关数学或物理公式进行计算得到DPF碳加载量的方法。

通过获取PM排出量与PM自然再生量的差值得到碳加载量。或将碳积累量的增量部分分为由总流阻的变化引起的积碳量变化、由灰分质量引起的积碳量变化和由废气体积流量引起的积碳量变化三部分，利用相关公式进行计算，即可得到碳积累量。

经验法对碳加载量的判断主要通过确定DPF两端的压差值、排气管内的废气流量、DPF的温度等参数与碳加载量的关系形成的曲线或MAP图，而后查图表来确定实时的碳加载量。

具体实施过程可以通过查阅压差值与碳加载量的对应表得出DPF碳加载量估计值并通过气流温度等参数修正来提高精度；利用发动机万有特性曲线标定发动机DPF碳加载量；基于DPF两端的压差、以及排气管内的废气流量(DPF的温度)标定灰分量MAP图；利用空载状态方程确定标准压差与碳累积量的标准压差标定曲线等。

综合法，即综合经验方法和计算方法，通过这两种方法同时对DPF碳加载量进行检测，并利用这两种数据相互校准，得到更为精确的DPF碳加载量数据。

如建立DPF压差模型得到第一碳加载量，再通过对PM排出量和再生量计算第二碳加载量，保留准确度较高的碳载量数据。或通过行驶工况和加载碳颗粒速度的MAP图，获得第二碳载量，将这两种方式结合对碳载量进行综合判断。

在以上基于压差、废气流量、PM排出量及再生量等方法以及它们的综合方法得到碳加载量的过程中需要使用大量的传感器，成本较高，其精确程度往往取决于传感器精度和计算模型的准确度，在某些工况下存在较大的误差，在特殊的极端情况下不能准确估算DPF内的碳加载量，直接影响DPF再生时刻。

若利用光学法及电磁方法则可以通过较低的成本精确地获得DPF内部碳加载量。如利用PM颗粒对光的散射作用也可以对DPF碳加载量进行检测。或通过射频技术对DPF碳加载量进行检测。

利用柴油机DPF的碳加载量不同，其谐振频率不同的原理，能够直接测出DPF中的碳加载量大小而不用依赖于其他传感器的数据。采用这一方法测得的电磁特性变化情况是将DPF内陶瓷蜂窝过滤体、涂层及一些其他金属催化剂等作为一个整体而测得，具有速度快、测量精度更高、抗干扰能力强、操作简单、结果准确等优点，而且发动机的机械噪声对射频传播、接收无影响。

在专利“一种基于射频技术检测碳累积量实现DPF准确再生的方法及设备”一文中(申请号：201610309409.0)，提出了一种基于RF谐振频率和碳累积量的对应关系实时进行DPF过滤体中碳累积量的测量的方法。该系统对于谐振频率的检测是通过放在DPF上、下游的RF发生器、RF接收器，辐射射频信号、接收DPF透射的射频信号完成的。在装置的选择上和在DPF与天线位置关系上，该发明采用的是在DPF上、下游分别放置射频发射、接收两种装置，结构比较复杂；该发明采用在对射频信号的处理过程中，该发明采用对透射的射频信号进行傅里叶变换得到能量谱曲线最大值点的方法完成对谐振频率的标定。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的DPF碳加载量的检测装置及检测方法中存在的诸多问题，而提供的一种柴油机颗粒捕集器碳加载量检测装置及检测方法。

本发明提供的柴油机颗粒捕集器碳加载量检测装置包括有检测线圈、电源模块、控制器模块、射频放大模块和数据采集模块，其中检测线圈与DPF载体的过滤层平行放置并置于DPF载体底部的DPF载体封装层和DPF载体本体之间，检测线圈周期性地发射出从一个频率到另一个频率的射频，射频在DPF载体内部经过反射以后再次被原来的检测线圈接收，检测线圈还与数据采集模块、射频放大模块相连接，数据采集模块和射频放大模块均与控制器模块相连接并由控制器模块控制工作，电源模块与数据采集模块、射频放大模块和控制器模块均相连并对它们提供电力。

数据采集模块主要由线圈、通讯芯片和存储芯片组成，用于接收反射回来的射频信号，并将接收到的射频信号送往控制器模块中的主控芯片进行计算分析以便进行下一步的控制。

射频放大模块主要由射频发生器、功率放大器和线圈组成，射频放大模块由控制器模块中的主控芯片控制工作，用于产生向DPF载体发射的不同频率的射频信号，射频发生器依靠电源供电，将直流的电能转为电磁能，在其内部激发电磁振荡，从而在相应的时间段内产生相应频率的射频信号，并传输给放置在DPF载体底部的检测线圈，通过检测线圈将射频信号辐射出去。

控制器模块主要由主控芯片、通讯芯片以及数个接口组成，用于射频信号控制、信号处理、碳加载量估计以及ECU设备通讯，主控芯片发出驱动信号，控制射频放大模块，由数据采集模块采集到反射回的射频信号，并发送回控制器模块，控制器模块接收后计算比较得出DPF载体内部目前的碳加载量，控制器模块设置的接口与发动机中的ECU设备相连并通讯。

检测线圈、电源模块、控制器模块、射频放大模块、数据采集模块和ECU设备均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本发明提供的柴油机颗粒捕集器碳加载量检测方法，其步骤如下：

步骤一、记录当DPF载体在同一碳加载量、不同频率下，采集DPF载体在同一端口发射出的射频信号引起的电压幅值a1和接收到的反射射频信号引起的电压幅值b1；

步骤二、检测线圈将接收到的射频信号输送给数据采集模块，数据采集模块将数据通过通讯单元发送给控制器模块中的主控芯片进行计算，如下式所示：

其中，由于检测线圈只放置于DPF载体的底部，当a₂＝0时，

|S₁₁|为回波损耗，单位为dB，|S₁₁|会随着谐振腔内部参数的变化而改变，描述了能量在谐振腔内传递的情况，从而反映出DPF载体内部碳加载量的变化情况；

步骤三、在同一DPF碳加载量状态下，得到频率为500MHz到2500MHz，步长100KHz的不同频率下的|S₁₁|，当|S₁₁|取最小值时其对应的频率即为谐振腔发生谐振时的频率，由于|S₁₁|与谐振频率有一一对应的关系，采用|S₁₁|来标定谐振频率，在同一碳加载量下，当|S₁₁|达到最小值时计算此时的谐振频率，当DPF载体内碳加载量不同时，|S₁₁|取得最小值时对应的谐振腔谐振频率不同，因而每一个谐振频率的数值对应于DPF载体内部不同的碳加载量状态；

步骤四、在500MHz到2500MHz，步长100KHz的不同频率下，建立不同碳加载量与谐振频率之间的对应关系，并形成数据库并写入主控芯片；

步骤五、将上述装置装入柴油机后处理系统中，当发动机开始工作以后，射频放大模块产生扫频信号，主控芯片接收采集到的射频信号数据，经过计算后得到一个扫频周期内最小的回波损失|S₁₁|数值并计算出产生最小的回波损失|S₁₁|数值这一时刻的谐振频率，将其与数据库内的谐振频率数据进行匹配，得出实时的碳加载量，完成对DPF碳加载量的在线检测；

步骤六、当DPF载体内部载碳量达到预设值时，控制器模块向发动机中的ECU设备发送再生信号，在发动机ECU设备的控制下完成对DPF载体的再生。

本发明的工作原理：

在装置的选择上，本发明只在DPF载体一处安置用于发射和接收射频信号的检测线圈，通过对DPF载体反射的射频信号来检测谐振频率，因而可以将发射和接收信号的电路集成放置于一处，简化检测装置结构、容易操作。在DPF载体与检测线圈的位置关系上，将检测线圈与DPF载体过滤层平行放置并置于DPF载体底部，即DPF载体封装层和DPF载体之间。由于DPF载体封装为金属材料，将检测线圈布置于金属材料和DPF载体之间能保证检测线圈不受外界干扰影响，提高测量精度。若将检测线圈布置在气流方向上则无法设置屏蔽层，同时废气中的碳烟颗粒会堆积在位于DPF上游的线圈上，影响测量精度。在对射频信号进行处理时，采用的是检测线圈发射射频信号同时接收反射回的射频信号，经过计算得到回波损耗|S₁₁|参数，并找到其极小值对应谐振频率的方法完成对谐振频率的标定。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种柴油机颗粒捕集器碳加载量检测装置及检测方法是利用射频技术将DPF载体工作过程中捕获碳烟颗粒的过程转化为可以观测的数值量。通过对回波损耗|S₁₁|在不同载碳量下最小值的记录，计算出当|S₁₁|取得最小值时对应的频率，即为此时DPF载体的谐振频率，建立DPF载体谐振频率与碳加载量的检测数据库。将实时的DPF载体内部射频信号发送回控制器模块的主控芯片得到回波损耗数值|S₁₁|，计算得到一个扫频周期内|S₁₁|取得最小值时对应的谐振频率，并将计算得到的谐振频率与数据库中谐振频率数值进行比较，得到实时的DPF载体内部碳加载量，完成对DPF载体内部催化剂状态的检测，以便于对DPF载体进行再生。

利用射频检测的方法完成对DPF载体内部碳加载量的检测是一种非接触式的检测方法，对工作中的DPF载体干扰小，同时具有检测装置简单、速度快、精度高、工作可靠等优点。

附图说明

图1为本发明所述装置结构示意图。

图2为本发明所述检测线圈安装位置示意图。

图3为|S₁₁|检测频谱示意图。

1、检测线圈 2、电源模块 3、控制器模块 4、射频放大模块

5、数据采集模块 6、DPF载体 7、封装层 8、ECU设备。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3所示：

本发明提供的柴油机颗粒捕集器碳加载量检测装置包括有检测线圈1、电源模块2、控制器模块3、射频放大模块4和数据采集模块5，其中检测线圈1与DPF载体6的过滤层平行放置并置于DPF载体6底部的DPF载体6的封装层7和DPF载体6的本体之间，检测线圈1周期性地发射出从一个频率到另一个频率的射频，射频在DPF载体6内部经过反射以后再次被原来的检测线圈1接收，检测线圈1还与数据采集模块5、射频放大模块4相连接，数据采集模块5和射频放大模块4均与控制器模块3相连接并由控制器模块3控制工作，电源模块2与数据采集模块5、射频放大模块4和控制器模块3均相连并对它们提供电力。

数据采集模块5主要由线圈、通讯芯片和存储芯片组成，用于接收反射回来的射频信号，并将接收到的射频信号送往控制器模块3中的主控芯片进行计算分析以便进行下一步的控制。

射频放大模块4主要由射频发生器、功率放大器和线圈组成，射频放大模块4由控制器模块3中的主控芯片控制工作，用于产生向DPF载体6发射的不同频率的射频信号，射频发生器依靠电源供电，将直流的电能转为电磁能，在其内部激发电磁振荡，从而在相应的时间段内产生相应频率的射频信号，传输给放置在DPF载体6底部的检测线圈1，通过检测线圈1将射频信号辐射出去。

控制器模块3主要由主控芯片、通讯芯片以及数个接口组成，用于射频信号控制、信号处理、碳加载量估计以及ECU设备8通讯，主控芯片发出驱动信号，控制射频放大模块4，由数据采集模块5采集到反射回的射频信号，并发送回控制器模块3，控制器模块3接收后计算比较得出DPF载体6内部目前的碳加载量，控制器模块3还设置有接口与发动机中的ECU设备8相连并通讯。

检测线圈1、电源模块2、控制器模块3、射频放大模块4、数据采集模块5和ECU设备8均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本发明提供的柴油机颗粒捕集器碳加载量检测方法，其步骤如下：

步骤一、记录当DPF载体6在同一碳加载量、不同频率下，采集DPF载体6在同一端口发射出的射频信号引起的电压幅值a1和接收到的反射射频信号引起的电压幅值b1；

步骤二、检测线圈1将接收到的射频信号输送给数据采集模块5，数据采集模块5将数据通过通讯单元发送给控制器模块3中的主控芯片进行计算，如下式所示：

其中，由于检测线圈1只放置于DPF载体6的底部，当a₂＝0时，

|S₁₁|为回波损耗，单位为dB，|S₁₁|会随着谐振腔内部参数的变化而改变，描述了能量在谐振腔内传递的情况，从而反映出DPF载体6内部碳加载量的变化情况；

步骤三、在同一DPF载体6碳加载量状态下，得到频率为500MHz到2500MHz，步长100KHz的不同频率下的|S₁₁|，当|S₁₁|取最小值时其对应的频率即为谐振腔发生谐振时的频率，由于|S₁₁|与谐振频率有一一对应的关系，采用|S₁₁|来标定谐振频率，在同一碳加载量下，当|S₁₁|达到最小值时计算此时的谐振频率，当DPF载体6内碳加载量不同时，|S₁₁|取得最小值时对应的谐振腔谐振频率不同，因而每一个谐振频率的数值对应于DPF载体6内部不同的碳加载量状态；

步骤四、在500MHz到2500MHz，步长100KHz的不同频率下，建立不同碳加载量与谐振频率之间的对应关系，并形成数据库并写入主控芯片；

步骤五、将上述装置装入柴油机后处理系统中，当发动机开始工作以后，射频放大模块产生扫频信号，主控芯片接收采集到的射频信号数据，经过计算后得到一个扫频周期内最小的回波损失|S₁₁|数值并计算出产生最小的回波损失|S₁₁|数值这一时刻的谐振频率，将其与数据库内的谐振频率数据进行匹配，得出实时的碳加载量，完成对DPF载体6碳加载量的在线检测；

步骤六、当DPF载体6内部载碳量达到预设值时，控制器模块3向发动机中的ECU设备8发送再生信号，在发动机ECU设备8的控制下完成对DPF载体6的再生。