柴油机排气流体过滤器渗透性检测策略以及使用这种策略的机器的制造方法
【专利摘要】用于柴油发动机(15)的排气后处理系统(16)的还原剂给料系统(20)，包括还原剂箱(21)，该还原剂箱(21)具有通过套筒式过滤器与出口体积(26)分开的入口体积(25)。由电子控制器(23)使用将流体液位传感器数据与期望数据进行比较的过滤器状态算法(55)来检测过滤器渗透性状况。当还原剂给料速率超过流体可以从入口体积(25)移动通过套筒式过滤器至出口体积(26)的速率时，可以指示过滤器渗透性状况。过滤器渗透性状况最终可能导致系统故障。
【专利说明】
柴油机排气流体过滤器渗透性检测策略以及使用这种策略的机器
技术领域
[0001]本发明总体涉及检测用于柴油发动机的排气后处理的还原剂投料系统中的过滤器渗透性退化，更具体地涉及一种检测还原剂箱中的套筒式过滤器(sock filter)的退化的渗透性的策略。
【背景技术】
[0002]现在，使用柴油发动机用于动力的许多机器包括排气后处理系统。这些排气后处理系统的一个目的是降低排气尾管处氮氧化合物的存在。通常，这通过向选择性催化还原(SCR)催化剂的上游的排气管喷射入还原剂(例如尿素)而实现，其中氮氧化合物被转化为氮和其它更易接受的化合物。用于这个过程的还原剂或尿素通过由机器承载的箱供给。当箱需要再填充时，灰尘和碎肩可连同还原剂一起进入箱。在越野机器(其必须在充满灰尘和碎肩环境中运行)的情况下，灰尘和碎肩进入还原剂箱的风险可能增加数倍。
[0003]在采用还原剂给料系统后不久，出现了用于检测可能阻止系统正常运行的故障的诊断策略。例如，还原剂给料喷射器需要一定的最小流体压力以便正常运行。此外，还原剂喷射器的喷嘴出口必须保持打开且不堵塞。美国专利申请公开2012/0286063教导了一种尿素喷射器诊断策略，其部分地通过监测还原剂给料喷射器的输送管线压力来检测系统故障。
[0004]规章和其它考虑常常需要尽快检修故障的还原剂给料系统，以便维持合规的后处理系统。因此，当检测到还原剂系统故障时，常常必须将机器脱机以便立即检修，造成工作时间的意外损失和昂贵的修理，以及生产力的暂时损失，这在涉及许多机器的较大工程的其它地方可具有级联效应。如果可以在早期检测到表明即将到来的故障的现象，就可以将检修安排在方便的时间，而不是在故障发生之后等待和响应，这样可以避免这些代价高的停工期。
[0005]本发明针对上述问题中的一个或多个。
【发明内容】
[0006]在一个方面中，发动机安装在底盘上并且包括排气后处理系统。排气后处理系统包括还原剂给料系统，该还原剂给料系统具有带有与电子控制器连通的流体液位传感器的还原剂箱。还原剂箱包括将入口体积与出口体积分开的过滤器。流体液位传感器设置在出口体积中。箱包括通向入口体积的入口和通向出口体积的出口。电子控制器包括过滤器状态算法，其被配置成至少部分地基于来自流体液位传感器的数据来检测过滤器渗透性状况。
[0007]在另一方面中，运行机器的方法包括运行支撑在机器的底盘上的发动机。将来自发动机的排气移动通过排气管。使还原剂绕流体回路循环，从还原剂箱的出口体积，通过栗并且进入返回通向出口体积中的回流管线。将还原剂给料进发动机的排气管中。将还原剂从还原剂箱的入口体积移动通过过滤器到出口体积。从设置在出口体积中的流体液位传感器向电子控制器传送箱液位数据。将箱液位数据与期望数据进行比较。响应于箱液位传感器数据与期望数据相差大于预定阈值，将过滤器渗透性状况记入日志。
【附图说明】
[0008]图1是根据本发明的一个方面的机器的侧视图；
[0009]图2是根据本发明的发动机和排气后处理系统的示意图；
[0010]图3是根据本发明的还原剂箱集管和套筒式过滤器的分解图；
[0011]图4是根据本发明的示出过滤器渗透性状况的还原剂箱的示意图；以及
[0012]图5是根据本发明包括过滤器状态算法的还原剂给料算法的逻辑流程图。
【具体实施方式】
[0013]首先参照图1和图2，机器10包括安装在底盘11上的发动机15。发动机包括排气后处理系统16。在所示实施例中，机器10示出为移动式挖掘装载机越野机器，其中底盘11由运输工具12支撑。但是，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的情况下，根据本发明的机器还可是固定的，使得发动机支撑在固定底盘上，或者底盘可以是航海船的船体架。机器10包括操作员站13，该操作员站13包括本领域公知类型的各种系统状态显示器。但是，本领域技术人员将理解，本发明系统状况信息的其它版本可以传送到远程位置，例如在固定发电机的情况下。
[0014]排气后处理系统16包括还原剂给料系统20，还原剂给料系统20包括具有与电子控制器23连通的流体液位传感器22的还原剂箱21。如本发明中所使用的，“电子控制器”意指可以或可以不以本领域已知的方式彼此连通的一个或多个电子控制器。当发动机15运行时，还原剂给料系统20将还原剂(例如尿素)喷射进排气管17中，以便促进在SCR催化剂38下的氮氧化合物还原反应。电子控制器23可以被配置成控制喷射器34的还原剂给料速率，以便匹配排出气流中的氮氧化合物含量，从而避免尾管处(其中排气后处理系统将处理后发动机排气排放到大气)的氨逃逸或者氮氧化合物逃逸中的任一种。
[0015]还原剂箱21包括将入口体积25与出口体积26分开的过滤器24。流体液位传感器22(其可以为浮子传感器)设置在出口体积26中。箱21还包括通向入口体积25的入口 27以及通向出口体积26的出口 28。出于例示性目的，到还原剂箱21的入口 27示出为在机器10的外表面上，并且用作根据需要通过其将箱21重新填充有还原剂的装置。当入口 27打开用于再填充时，碎肩和灰尘有进入入口体积25的机会，尤其是在野外机器的情况下(其中机器10和还原剂再填充位置(未示出)都暴露于碎肩和灰尘并常常覆盖有碎肩和灰尘)。过滤器24被包含以防止进入入口容器25的灰尘和碎肩进入出口体积26。在所示实施例中，过滤器24示出为套筒式过滤器，但以可根据特定还原剂箱的机构采用其它配置。例如，在不脱离本发明的意图范围的情况下，还原剂箱可以被配置成通过可包括壁过滤器的垂直壁简单地将入口体积与出口体积分开。
[0016]在典型的运行过程中，在发动机15起动后，电子控制器23将激活还原剂栗31以开始使还原剂在流体回路30内循环。流体回路30包括出口 28、栗31和通向出口体积26中的回流管线32。第二过滤器33设置在流体回路30中。栗31可驱使还原剂流体在到达喷射器34或经由回流管线32返回至出口体积26之前，首先通过位于出口体积26中的网式过滤器39，流过出口 28，并且然后通过过滤器33。因此，当未从喷射器34喷射还原剂时，由栗31从出口体积26栗送的所有还原剂经由回流管线32返回用于再循环。然而，当还原剂给料是活跃的且通过喷射器34将还原剂给料进排气管17中时，少于所有离开出口体积26的还原剂经由回流管线32返回。当这种情况发生时，入口体积25中的还原剂流过套筒式过滤器24进入出口体积26，以便将入口体积25中的还原剂37的流体液位与出口体积26中的还原剂的流体液位维持相等。如本领域已知的，可提供过滤器33以防止穿过套筒式过滤器24和网式过滤器39的任意细小颗粒物可能堵塞喷射器34的喷嘴出口。被示为流体限制的压力调节器40用于帮助维持流体回路30中的喷射压力水平。电子控制器23可以经由压力传感器35监测压力和流体回路30。尽管不是必需的，但是栗31可以具有可变输出能力(例如，可变速度)。这样允许电子控制器23与栗31控制连通，以响应于由压力传感器35传送的系统压力来增大或减小栗送速率。电子控制器23还包括过滤器状态算法，该算法被配置成至少部分地基于从流体液位传感器22传送至电子控制器23的数据来检测过滤器24的过滤器渗透性状况。
[0017]现在另外参照图3，还原剂箱21可以包括具有环形表面(其容纳套筒式过滤器24的开口端)的集管29。尽管其它策略可能落入本发明的范围内，但在所例示的实施例中，套筒式过滤器24通过适合的夹具36附接至集管29。当还原剂给料系统20循环运行经过多次清空和再填充还原剂37时，进入入口体积25的灰尘和碎肩最终将开始降低套筒式过滤器24的渗透性。当渗透性充分地降低时，喷射器34处的给料速率可能超过某一速率，在该速率下，还原剂可从入口体积25流出，通过过滤器24并进入出口体积26。例如，在图4中，示出了存在有过滤器渗透性状况的实例情况。因此，当存在过滤器渗透性状况时，还原剂给料系统20可以继续完全地运行而不会有任何性能降低。在现有技术的系统中，这种系统渗透性状况将不会被检测到且会被忽略。本发明富于洞察力地认识到，如果能够在还原剂系统完全地运行的同时检测出过滤器渗透性状况，则可以在过滤器渗透性状况变得严重到出现实际系统故障之前，在方便的时间安排还原剂系统20的维护以更换过滤器24。
[0018]如果电子控制器23和栗31不能够将系统压力维持在一定的最小喷射压力之上，则将产生系统故障并且可能禁用还原剂给料系统。本领域技术人员熟知其它故障模式(例如，喷射器被堵塞)。突发的系统故障可能需要将机器10关机以在计划外时间进行立即维护(且维护是昂贵的)，扰乱了现场管理且破坏了生产率。虽然还原剂给料系统可以基于特定的定期维护日程(该日程考虑或不考虑机器10所运行的环境)，但是根据本发明的对过滤器渗透性状况的检测可以在还原剂系统20保持完全运行的同时提供对即将到来的系统故障的早期警告。因此，电子控制器23可以包括还原剂系统故障算法，该算法被配置成响应于还原剂系统20的流体回路30中的压力下降至小于喷射器34的正常运行所需的给料压力阈值而将还原剂系统故障记入日志。该还原剂系统故障算法可以被配置成响应于还原剂系统故障而禁用还原剂系统20。相比之下，电子控制器23可以被配置成响应于过滤器渗透性状况而维持还原剂系统20运行。
[0019]根据本发明的过滤器状态算法可以被配置成确定由浮子传感器22传送的箱液位数据的时间变化率。过滤器状态算法可以被配置成在将还原剂37从喷射器34给料进发动机15的排气管17中时，响应于箱液位数据的时间变化率大于期望时间变化率而将过滤器渗透性状况记入日志。一般而言，电子控制器23应当知道还原剂给料速率，并且可以响应于该给料速率估计箱液位应当降到的速率。然而，如果存在过滤器渗透性状况，则响应于该给料速率出口体积26中的流体液位可能下降得比箱液位下降的更快。例如在图4中示出该状况。当这种情况发生时，检测到过滤器渗透性状况，并且可以以合适的方式来警告操作员，使得改变套筒式过滤器24可以被添加至机器10的下次定期检修日程，以便避免计划外的关机时间并且潜在地主动防止未来系统故障。
[0020]本发明还设想了另一种检测过滤器渗透性状况的机会。例如，当发动机改变为一状态时(例如关闭例程)，当还原剂给料停止时，过滤器状态算法还可以被配置成在还原剂给料已停止并且入口 27关闭之后，响应于箱液位数据的增加大于期望增加阈值而将过滤器渗透性状况记入日志。在发动机关机(导致过量的还原剂返回至出口体积26)期间，当流体回路30中的还原剂从还原剂系统20中排空时，指示了这种情况，但是过滤器渗透性状况防止出口体积26中暂时更高的流体液位以相反的方向穿过过滤器24，以与入口体积25中的流体液位相平衡。再者，当按照这种方式检测到过滤器渗透性状况时，可以用传统的方式来通知或警告操作员，并且可以由操作员将套筒式过滤器更换添加至机器10的下次检修日程，或者可以由电子控制器23按照已知方式自动完成。
[0021]工业实用性
[0022]本发明发现在任何包括具有还原剂给料系统的发动机的机器中的潜在应用。本发明发现可应用于必须运行在充满碎肩和灰尘的环境中的机器，这种环境增加了污染物发现它们进入还原剂箱的方式的可能性。最后，本发明发现可应用于任何还原剂给料系统，在该系统中箱的入口体积通过耐用的过滤器构件与出口体积分开。
[0023]现在另外参照图5，为根据本发明的包括系统故障算法56和过滤器状态算法55二者的还原剂给料算法50的实例性逻辑流程图。本领域技术人员将理解，还原剂给料算法50可以结合机器10的定期运行来执行。在椭圆框60处，发动机15起动并且继续以传统的方式运行，使得来自发动机15的排气移动通过排气管17。在框61处，电子控制器23激活还原剂栗31。这导致还原剂37绕流体回路30循环，从还原剂箱21的出口体积26，通过栗31，并且进入返回通向出口体积26中的回流管线32。由于发动机15继续运行，在框62处，后处理系统16被加热至适当的处理温度。在询问63处，电子控制器23回答后处理系统16是否被加热至适当的运行温度的问题。如果没有，则逻辑将返回至框62处并继续加热后处理系统。如果是肯定的，则逻辑可前进至框64，在这里电子控制器23利用本发明范围之外的其它逻辑来确定期望的给料速率。例如，如之前讨论的，该逻辑可以尝试设置给料速率以匹配来自发动机15的氮氧化合物的生产率。接下来在框65处，通过压力传感器35来测量还原剂给料系统压力。在框66处，将来自流体液位传感器22的还原剂箱液位数据传送至电子控制器23。在询问67处，该逻辑确定系统压力是否对于喷射器34的正常运行太低。在正常运行过程中，在系统压力可能渐进地下降时，电子控制器23可以通过渐进地增加栗31的速度来响应。然而，最终，栗31的速率将达到其最大允许速率。当栗31不再能够维持适当的系统压力时，询问67将返回“是”，并且逻辑将在框81处将系统故障记入日志。接下来，在框82处，可以警告操作员，并且在框83处，可以禁用还原剂给料系统。本领域技术人员将理解，根据实际系统的系统故障算法56实质上可能是更复杂的，并且允许渐进地使发动机15减载，诱使操作员在还原剂给料系统完全禁用并且发动机15完全减载之前寻求检修，以便迫使操作员寻求检修机器10。如果发生系统故障，则逻辑在椭圆框84处结束。
[0024]如果询问67返回“否”，则逻辑前进至框68处，并且还原剂被给料进发动机15的排气管17中。这将导致还原剂从入口体积25移动通过过滤器24进入出口体积26中，以便补偿给料过的还原剂。在框69处，逻辑确定源自浮子传感器22的箱液位数据的时间变化率。在询问70处，逻辑询问出口体积26中的箱液位是否下降得比期望的更快。例如，如果给料速率超过了流体能够穿过过滤器介质24的速率，则出口体积26中的液位将比入口体积25中的液位下降得更快，导致在图4中示意性地示出的过滤器渗透性状况。如果是这样，则逻辑前进至框71，在这里将过滤器渗透性状况记入日志。接下来在框72处，将该状况警告至操作员。在框73处，可以将改变套筒式过滤器24添加到机器10的下次检修日程。因此，过滤器状态算法55响应于箱液位数据与期望数据相差大于一定预定阈值而将过滤器渗透率状况记入日志，该预定阈值避免由于诸如机器突然移动等的原因可能另外产生的错误检测。过滤器状态算法55可以将箱液位数据和期望数据进行比较。尽管本发明通过检查箱液位数据的时间变化率来教导过滤器渗透性状况的检测，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的情况下，可以使用适当定时的快照数据，而无需确定时间变化率。
[0025]在询问70之后，无论是否检测到过滤器渗透性状况，逻辑都可以前进至询问74处，以便确定是否已引发发动机关机。本领域技术人员将理解，在许多现代机器中，发动机关机可能构成持续几秒到几分钟的过程，以便在实际使发动机停机之前适当地关闭所有发动机子系统。如果询问74返回“否”，则如在图5中所示，逻辑返回至框64处，以再次确定给料速率并且重复进行确定、测量和询问。如果询问74返回“是”，则在框75处，由于发动机的部分关机而停止还原剂给料(例如当发动机在完全停机之前处于空转状况时)。在询问76处，过滤器状态算法询问出口体积26中的箱液位是否由于来自流体回路30的还原剂的排放而增加太多。逻辑的该方面表明，在正常的发动机关机过程中，当还原剂给料已停止时，过滤器状态算法23知道流体回路30的流体体积以及流体将返回至箱21的速率。如果出口体积26中的流体液位增加太多，则询问将移动至框77处，并且将过滤器渗透性状况记入日志，因为该情况表明由于过滤器24中的渗透性降低，流体难以从出口体积26移动至入口体积25中。在框78处，可以警告操作员，并且在框79处，可以将改变套筒式过滤器添加到机器10的下次检修日程。如果询问76返回“否”，则逻辑前进至椭圆框80以结束，指示适当的发动机关机。
[0026]还原剂系统故障算法56的缩减版本包括在还原剂给料算法50中，以从系统状况中对比系统故障。换句话说，如果忽略不管，则系统故障将最终导致禁用还原剂给料系统20。然而，过滤器渗透性状况的检测可被不同地处理，因为电子控制器可以响应于过滤器渗透性状况维持还原剂给料系统运行。在所示实施例中，标识了网式过滤器39和细微颗粒过滤器33，以便将那些已知系统过滤器与本发明添加的套筒式过滤器和过滤器状态算法进行对比。因此，栗31栗送还原剂通过过滤器33，但是重力可以负责还原剂流体在入口体积25与出口体积26之间移动通过套筒式过滤器24。本领域技术人员将理解，箱液位数据的期望时间变化率可以基于正常系统运行期间命令的已知给料速率以及对箱21中的流体表面面积的了解。
[0027]通过检测过滤器渗透性状况，可以向操作员警告即将到来的故障，同时仍然能够维持系统完全运行和机器生产率。该早期警告允许还原剂系统检修被添加到先前安排的检修日程，使得避免意外的故障及其带来的成本和项目中断。因此，本发明的教导可以用于在否则不可避免的故障(可能需要禁用还原剂系统以及相联接的机器10脱机)之前积极规划还原剂给料系统20的适当检修。根据本发明，可以通过从箱21拆卸集管29、松开夹具36并且然后滑动不带集管29的套筒式过滤器24来完成套筒式过滤器的更换。然后可以按照相反的方式来更换新的套筒式过滤器24。在执行这个过程的同时，技术人员可利用机会来检查和/或检修还原剂给料系统20的其它方面，以努力维持机器10的生产力并且避免不合时宜的还原剂系统故障。
[0028]本说明书仅用于例示性目的，而不应当解释为以任何方式缩小本发明的宽度。因此，本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的全部合理范围和精神的情况下对当前公开的实施例作出各种修改。其它方面、特征和优点将在对所附附图和所附权利要求进行审查时变得显而易见。
【主权项】
1.一种机器(10)，其包括: 发动机(15)，其安装在底盘(11)上并且包括排气后处理系统(16); 所述排气后处理系统(16)包括还原剂给料系统(20)，所述还原剂给料系统(20)包括还原剂箱(21)，所述还原剂箱(21)具有与电子控制器(23)连通的流体液位传感器(22); 所述还原剂箱(21)包括将入口体积(25)与出口体积(26)分开的过滤器(24)，以及设置在所述出口体积(26)中的所述流体液位传感器(22)，并且所述还原剂箱(21)包括通向所述入口体积(2 5)的入口( 2 7)和通向所述出口体积(2 6)的出口( 2 8);并且 所述电子控制器(23)包括过滤器状态算法(55)，所述过滤器状态算法(55)被配置成至少部分地基于来自所述流体液位传感器(22)的数据来检测过滤器渗透性状况。2.根据权利要求1所述的机器(10)，其中，所述流体液位传感器(22)为浮子传感器;并且 所述过滤器(24)为套筒式过滤器;并且 所述还原剂箱(21)的集管(29)和所述套筒式过滤器限定了所述出口体积(26)。3.根据权利要求2所述的机器(10)，其中，所述电子控制器(23)包括还原剂系统故障算法(56)，所述还原剂系统故障算法(56)被配置成响应于所述还原剂系统(20)的流体回路(30)中的压力小于给料压力阈值而将还原剂系统故障记入日志;并且 其中，所述系统故障算法(56)被配置成响应于还原剂系统故障而禁用所述还原剂系统(20);并且 所述电子控制器(23)被配置成响应于所述过滤器渗透性状况来维持所述还原剂系统(20)运行。4.根据权利要求3所述的机器(10)，其中，所述流体回路(30)包括所述出口(28)、栗以及回流管线，所述回流管线通向所述出口体积(26)中； 第二过滤器(24)，其设置在所述流体回路(30)中； 所述过滤器状态算法(55)被配置成确定所述箱液位数据的时间变化率;并且 所述过滤器状态算法(55)被配置成响应于当还原剂被从所述还原剂系统(20)给料进入到所述发动机(15)的排气管(17)时所述箱液位数据的时间变化率比期望时间变化率大而将过滤器渗透性状况记入日志。5.根据权利要求4所述的机器(10)，其中，所述过滤器状态算法(55)被配置成响应于在还原剂给料已停止并且所述入口(27)被关闭之后所述箱液位数据的增加比期望增加阈值大而将过滤器渗透性状况记入日志。6.一种操作机器(10)的方法，包括如下步骤: 运行支撑在所述机器(10)的底盘(11)上的发动机(15); 将来自所述发动机(15)的排气移动通过排气管(17); 使还原剂绕流体回路(30)循环，从还原剂箱(21)的出口体积(26)，通过栗(31)并且进入回流管线(32)，所述回流管线(32)返回通向所述出口体积(26)中； 将还原剂给料到所述发动机(15)的排气管(17)中； 将还原剂从所述入口体积(25)移动通过过滤器(24)到所述出口体积(26); 从设置在所述出口体积(26)中的流体液位传感器(22)向电子控制器(23)传送箱液位数据； 将所述箱液位数据与期望数据进行比较；以及 响应于所述箱液位数据与所述期望数据相差大于预定阈值而将过滤器渗透性状况记入日志。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述循环步骤包括将所述还原剂栗送通过流体地设置在所述流体回路(30)中的第二过滤器(24)。8.根据权利要求7所述的方法，包括如下步骤:测量所述流体回路(30)中的所述还原剂的系统压力； 响应于所述系统压力低于给料压力阈值而将还原剂系统故障记入日志； 响应于所述过滤器渗透性状况而维持所述还原剂给料系统(20)运行；以及 响应于所述还原剂系统故障而禁用所述还原剂给料系统(20)。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述比较步骤包括将所述箱液位数据的时间变化率与期望时间变化率进行比较； 确定给料速率；以及 至少部分地基于所述给料速率确定所述期望时间变化率。10.根据权利要求9所述的方法，包括停止将还原剂给料进所述排气管(17)中；所述比较步骤包括在所述给料已停止之后检测所述箱液位数据的增加是否大于期望增加阈值； 停止将还原剂给料进所述排气管(17)中； 所述记入日志步骤包括在所述给料已停止之后检测所述箱液位数据的增加是否大于期望增加阈值； 响应于所述过滤器渗透性状况而更换所述套筒式过滤器；以及 响应于所述过滤器渗透性状况而向所述机器(10)的先前维护日程添加套筒式过滤器更换。
【文档编号】F01N3/20GK105940197SQ201580006695
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年2月3日
【发明人】J·W·赫金斯
【申请人】卡特彼勒公司