CN109154550A - 用于监测发动机排气成分的射频***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于监测发动机排气排放成分的射频***和方法。所述***包括：壳体，所述壳体包含排放成分；一个或多个射频传感器，所述射频传感器延伸至所述壳体中并发射和接收射频信号；以及控制单元，所述控制单元用于基于所述射频信号的一个或多个参数的变化来控制所述射频信号并监测所述排放成分的变化。在一个实施方案中，控制单元测量所述射频信号的一个或多个参数的变化率，用于监测所述排放成分的变化率，包括例如排放速率、累积速率和/或排放成分的耗尽速率。

Description

用于监测发动机排气成分的射频***和方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2015年6月8日提交的美国专利申请序列号14/733,525以及于2015年6月8日提交的美国专利申请序列号14/733,486的提交日期的优先权和权益，并且是所述两件申请的部分接续申请，所述申请的完整公开内容以引用方式明确地并入本文。
本专利申请要求于2016年4月11日提交的美国临时专利申请序号62/320,707的优先权和权益，所述申请的完整公开内容以引用方式并入本文。
政府赞助
本发明是在政府的支持下根据国家科学基金会(National ScienceFoundation)授予的基金号IIP 1330313进行的。政府拥有本发明的某些权利。
发明领域
本发明涉及一种用于监测内燃机或其它过程中的发动机废气排放成分的射频***和方法，所述过程产生如颗粒物质、气体或液体成分的排放成分。
发明背景
目前使用各种装置和方法来监测如汽油、柴油、天然气的内燃机或其他类型的内燃机的排气中的排放成分，所述各种装置和方法利用各种排放后处理装置，例如排气颗粒过滤器，例如柴油颗粒过滤器(DPF)和汽油颗粒过滤器(GPF)，以减少颗粒物质排放，或利用各种催化剂、捕集器和洗涤器以减少气体排放，例如选择性催化还原***(SCR)、NOX捕集阱、烃捕集器、氨逃逸催化剂、氧化催化剂、三效催化剂等。
已经采用间接方法(利用预测模型或所谓的虚拟传感器)来间接估计发动机排放。这些间接方法存在许多缺点，包括例如这些模型通常在给定一组特定边界条件或***输入的情况下进行开发和校准这一事实，所述***输入包括但不限于发动机特性和操作参数、燃料和润滑剂类型、老化因素、安全裕度，以及需要调谐至可能并不普遍适用于所有发动机或***的一组特定的输入条件，因此需要针对每个最终用途应用进行一些自定义的***输入。
依赖于这些已知操作条件来精确估计发动机排放(例如排气中排放物的组成、数量、速率或浓度)的虚拟传感器，无法根据定义在预测模型的能力之外的条件或异常操作下适当地运行。
此外，当发动机老化并且部件磨损或损坏时发动机发生的变化，或催化剂老化或变得有毒时催化剂发生的变化，都无法利用预测模型来动态捕获。通常，使用安全系数或劣化因子来补偿这些变化，由此使得总体性能有所折衷，所述折衷在新发动机的情况下通常过于保守，以便满足***使用寿命要求。预测模型方法也缺乏任何反馈机制来直接确定***性能是否已降低超出假设的安全裕度。此外，针对特定发动机和应用的预测模型的开发、校准和调谐耗时且昂贵。
在颗粒过滤器的情况下，还使用压力或差压传感器，但是它们缺乏分辨率和响应。特别地，排气背压或颗粒过滤器差压的测量受到各种噪声因素的影响，包括排气流速、温度、颗粒物质分布、过滤器特性(滞后效应)等。压力测量也不能直接测量排气中的颗粒物质，并且缺乏检测过滤器上颗粒物质累积的分辨率，这是估计发动机PM排放速率所必需的。此外，压力测量不是可靠的整体操作条件，例如在低流量(空转)、发动机关闭、再生期间或过度瞬态事件期间。因此，这种方法并不提供连续测量。
压力传感器的使用通常还需要显著的平均或滤波，以减少噪声对测量的影响。所述信号平均或滤波会显著增加传感器的响应时间，从而导致其不适用于任何类型的有意义的反馈控制应用。
还使用烟灰传感器来测量排气中烟灰颗粒的浓度。然而，烟灰传感器具有较小的测量范围，因此导致传感器很快就被高水平的发动机烟灰排放所淹没。此外，烟灰传感器经设计用于测量废气流中极低浓度的烟灰(在颗粒过滤器之后)，并且不适用于测量高水平的发动机的颗粒物质排放。此外，烟灰传感器仅监测一部分废气流，因此不能直接测量废气中的总烟灰水平，而是仅提供靠近传感器(或流经传感器外壳)的废气中的水平。随着传感器的老化，烟灰传感器的准确性也受排气流速、传感元件在排气管中的位置(因为它只采样一小部分流量)、温度、颗粒形态和成分，以及沉积物(灰分、催化剂/修补基面涂层颗粒)累积的影响。
还使用累积型烟灰传感器。然而，这些传感器并不提供连续监测，而是从测量状态循环至再生状态。再生状态通常需要附加的能量输入以烧除传感元件上累积的任何烟灰。传感器还需要冷凝液保护，这导致它们不能在例如最需要它们的冷启动等某些条件下运行。累积型烟灰传感器还不直接监测排气流中的烟灰颗粒数量或质量，而是直接监测一定量的材料累积在传感元件上的时间，从而仅提供排气中烟灰水平的间接指示。烟灰传感器还具有耐久性差、污染物(例如灰分)累积以及热冲击(排气或冷凝中的水)等问题，这限制了传感器在其使用寿命期间的寿命和准确性。由于传感器操作的间歇性质，其包括再生事件、后跟充分累积以产生可测量响应所需的时间段，这些传感器也不提供连续测量。
还使用了许多不同类型的气体传感器，例如，NOx传感器、氧传感器、氨传感器和其他相关传感器，这些传感器也具有上述许多缺陷。这些传感器中的许多使用电化学电池进行测量。这些类型的传感元件易碎，并且可能在现场遭受多种故障模式。特别地，众所周知，许多气体传感器遭受对其他废气成分的交叉敏感性，由于局部气体速度或传感元件附近的流速的变化引起的误差、以及温度相关的影响等。这些传感器还仅采样一部分排气流而不是完整气流。由于燃料、润滑剂或环境中的污染物，这些传感器也可能会变得有毒。在另一个实施例中，传感器在某些条件下使用时可能会损坏。这些传感器中的许多传感器还需要例如来自加热器的大量能量输入才能操作，并且可能不能在所有操作条件下运行，例如在一个实施例中的空燃比的变化的条件下，或在另一个实施例中的冷启动条件下。
本发明使用基于排气成分与排放后处理***的相互作用的射频测量，提供发动机排气成分水平的直接、准确和快速响应测量，并直接解决上述缺陷。
本发明还通过仅使用天线发射或接收射频信号以远程探测或监测自身用作传感器的后处理***(过滤器或催化剂)，为排气***提供了更简单和更稳健的接口。
发明概要
本发明涉及一种用于监测发动机排气排放成分的射频***，包括：壳体，所述壳体包含排放成分；一个或多个射频传感器，所述射频传感器延伸至壳体中并发射和接收射频信号；以及控制单元，所述控制单元用于基于射频信号的一个或多个参数的变化来控制射频信号并监测排放成分的变化。
在一个实施方案中，射频信号跨越射频信号范围，并且控制单元测量射频信号范围的预定义区域中的射频信号的一个或多个参数的变化。
在一个实施方案中，控制单元测量与壳体中的一个或多个预定义空间区域相对应的一个或多个预定义射频信号范围中的射频信号的一个或多个参数的变化。
在一个实施方案中，控制单元测量射频信号的幅值或幅度的变化和/或射频信号的相位的变化。
在一个实施方案中，通过测量一个或多个预定义射频信号范围内的射频信号的幅值和/或相位的变化来监测一个或多个排放成分。
在一个实施方案中，控制单元测量射频信号的一个或多个参数的变化率，以监测排放成分的变化率。
在一个实施方案中，改变发射至一个或多个射频传感器的功率以改善射频信号。
在一个实施方案中，控制单元监测排放成分的排放速率、累积速率和/或消耗速率。
本发明还涉及一种用于监测射频***中的排放成分的方法，所述射频***包括：外壳，所述外壳含有排放成分；一个或多个射频传感器，所述射频传感器延伸至外壳中并发射和接收射频信号；控制单元，所述方法包括基于射频信号的一个或多个参数的变化来控制射频信号并监测排放成分的变化的步骤。
在一个实施方案中，射频信号跨越射频信号范围，并且还包括测量射频信号范围的预定义区域中的射频信号的一个或多个参数的变化的步骤。
在一个实施方案中，测量与壳体中的一个或多个预定义空间区域相对应的一个或多个预定义射频信号范围中的射频信号的一个或多个参数的变化的步骤。
在一个实施方案中，预定义空间区域对应于对被测量的射频信号的参数敏感的预定义空间区域。
在一个实施方案中，预定义空间区域对应于表现出对于被测量的射频信号的参数的有利行为的预定义空间区域。
在一个实施方案中，在一个或多个预定义的窄射频信号范围内对射频信号的一个或多个参数进行采样以缩短测量响应时间的步骤。
在一个实施方案中，一个或多个预定义的窄射频信号范围对应于射频信号的一个或多个预定义的谐振模式。
在一个实施方案中，测量射频信号的幅值或幅度的变化和/或射频信号的相位的变化的步骤。
在一个实施方案中，通过测量一个或多个预定射频信号范围内的射频信号的幅值和/或相位的变化来监测一个或多个排放成分。
在一个实施方案中，所述方法还包括测量射频信号的一个或多个参数的变化率以监测排放成分的变化率的步骤。
在一个实施方案中，所述方法还包括将排放成分的变化率与排放成分的变化率的预期值进行比较的步骤。
在一个实施方案中，所述方法还包括监测排放成分的排放速率、累积速率和/或消耗速率的步骤。
本发明的其他优点和特征根据本发明的优选实施方案的以下详述、附图和随附权利要求书将显而易见。
附图说明
本发明的这些和其他特征可以通过以下对附图的描述来最好地理解，所述附图如下：
图1是包含至少一个根据本发明的射频传感器的车辆排气后处理组件的简化示意侧视图；
图2是由根据本发明的射频***监测的车辆发动机和排气***的简化示意侧视图；
图3是表示根据本发明的用于监测废气排放的一种基于射频传感器的方法的曲线图；
图4A是表示在给定频率范围内与滤波器或催化剂相互作用的排放成分对射频响应的幅值/幅度的影响的曲线图；
图4B是表示在给定频率范围内与滤波器或催化剂相互作用的排放成分对射频响应的相位的影响的图表；
图5A是表示颗粒过滤器或催化剂中测量的排放成分累积或存储随时间变化的曲线图；
图5B是表示颗粒过滤器或催化剂中测量的排放成分累积或存储随时间变化的导数的图表；
图6A是表示颗粒过滤器或催化剂中测量的排放成分累积或存储随时间变化的另一图表；和
图6B是表示颗粒过滤器或催化剂中的排放成分随时间的变化率的图表。
具体实施方式
本发明涉及一种基于射频的***和方法，用于监测发动机排气排放成分以及基于所监测的排放提供反馈控制能力。
出于本公开的目的，术语排放成分是指任何固体、液体或气相排放，无论是直接来自上游过程(例如燃烧)，如在颗粒物质成分的情况下，还是通过使用添加剂或加料引入至排气***的排放成分，诸如，在一个实施例中的碳氢化合物或尿素加料。
术语颗粒物质(PM)与烟灰可互换使用，并且是指可包含碳、烃、硫酸盐、灰分或其他材料的颗粒物质排放成分。然而，本发明通常广泛适用于监测排放成分的速率，在这种情况下，颗粒物质可以更广泛地定义为包括所有类型的固体或液体颗粒或气溶胶，并且排放成分还包括任何其他类型的气体或液相排放。
在特定实施方案中，诸如汽油颗粒过滤器(GPF)或柴油颗粒过滤器(DPF)的颗粒过滤器可针对任何数量的公路或越野应用而安装在柴油或汽油发动机上。
在另一个实施方案中，可以安装催化剂，例如三效催化剂(TWC)、氧化催化剂、选择性催化还原***(SCR)、NOx捕集器或LNT、氨逃逸催化剂、烃捕集器或任何其他类似的催化剂。应用可包括客车、卡车、公共汽车、建筑设备、农业设备、发电机、船舶、机车等。在另一个实施例中，过滤器可以是安装在任何合适应用上的任何类型的合适过滤器或催化剂。
图1描绘了排放后处理组件或***102，在一个实施例中，其是可以包含或不包含附加催化剂的柴油或汽油颗粒过滤器组件，所述催化剂例如三效催化剂、氧化催化剂、选择性催化还原***等。
在另一个实施例中，***102是催化剂，例如三效催化剂、氧化催化剂、选择性催化还原催化剂、NOx捕集器等，并且不包含任何类型的过滤器。
在又一个实施例中，***102包含涂覆至过滤器的一种或多种催化剂涂层，例如过滤器上的氧化催化剂，涂覆至过滤器的SCR催化剂，或涂覆至过滤器的TWC催化剂，或涂覆至过滤器的任何其他催化剂，从而形成所谓的多功能过滤器。
组件102可包括入口部分104、第一模块或壳体106、第二模块或壳体108，以及出口部分110。入口导管114连接至入口部分104，而出口导管116连接至出口部分110。入口和出口导管114或116分别延伸至入口和出口部分104或110中。入口和出口部分104和110以及模块106和108经由互连件112连接，所述互连件112包括例如凸缘、夹具等。
元件118和120分别包含在模块或壳体106和108内。虽然示出了两个元件和模块，但是具有仅一个元件和模块或多于一个元件和模块、或单个模块内包含多个元件的多种构型是可能的。在一个实施方案中，元件118和120是催化剂、过滤器、薄膜或其某种组合。
在一个实施例中，元件118是氧化催化剂、SCR催化剂、LNT或三效催化剂，而元件120是汽油或柴油颗粒过滤器。挡板、通道、混合板或管等附加元件122包含在一个或多个部分或模块内。在一个实施方案中，元件122是挡板或流量分配板。在另一个实施方案中，元件122是射频屏幕或网件。当元件122是射频屏幕或网件时，它可以位于组件102和模块106的上游(如图1所示)，组件102和模块108的下游，或者两个模块106与108之间。
后处理组件102还包括延伸至模块或壳体106或108或者入口或出口部分104或110内部的附加结构、探针、传感器或其他元件124、126、128、130、132或134。在一个实施方案中，附加结构124、126、128包括温度传感器，并且附加结构128或132包括氧传感器、NOx传感器、烟灰传感器、氨传感器、压力传感器等。
探针134是射频测量探针，例如杆状天线、环形天线或波导，包括稳健且非常适合于恶劣环境应用的介电波导、发射器和谐振器。探针134被配置为发射和接收足以在组件102内或在任何频率范围内产生一个或多个谐振模式的射频信号。可以使用一个或多个探针134。探针134可位于组件102中的若干位置，例如，元件118的上游、元件120的下游、元件118与120之间，或甚至元件118或120的内部。当多个探针134位于组件102中时，它们可以位于相同或不同的元件118和120中，并且适于监测元件118和/或120中发生的过程，和/或在组件102定义的体积或组件102的区域内发生的过程。
在另一个实施方案中，探针134是多功能传感器，例如包括组合的射频探针/传感器和温度传感器。探针134还可以包含多个集成传感器，例如温度传感器、压力传感器、化学传感器和/或颗粒传感器。
腔组件102的射频响应受模块106和108、入口和出口部分104和110，以及内导电元件、探针、传感器等122、124、126、128、130、132，以及互连件112的几何形状的影响。
互连件112保持组件102的结构稳定性、密封组件102以防止泄漏，并在模块106与108之间提供良好的电接触。夹具或其他分流元件可用于在模块106与108之间提供良好的电接触。元件118和120的类型以及它们分别在模块106和108内的位置也可能影响射频测量。探针134的几何形状、位置和安装以及包括附接电缆(未示出)的射频控制单元的操作也可能影响测量。
网件122与组件102电接触，并且可以放置在组件102内的不同位置，以便针对组件102的特定区域屏蔽或包含射频信号。在一个实施方案中，网件122可以放置在元件118与120之间，或者放置在元件120与出口部分110之间，以便仅将射频信号隔离至探针过滤器或催化剂元件120。网件122可以是标准挡板、混合器或流量分配板，以便用于多种目的。
网件122或其他合适的导电元件可用于优先控制或影响组件102内的电场分布，例如用于抑制或增强所选择的谐振模式。网件122或其他合适的导电元件可以是固定的或可变的。在一个实施例中，网件122或其他导电元件可用于增强在元件118或120上发生的谐振模式。在另一个实施例中，网件122或其他导电元件可用于抑制谐振模式或仅针对腔120内的某些区域包含场，以便减小外部变量或噪声源对测量的影响。网件或导电元件可用于多于一个目的。在一个实施例中，除了优先影响射频信号之外，网件或导电元件还用作挡板、混合器或流量分配装置。
射频探针134用于监测组件102的射频响应。射频响应可由射频信号幅值和/或相位组成。用于测量的频率范围可以是任何频率范围，并且可以或可以不导致在腔102内建立谐振。
在一个实施例中，频率范围可以包括多个谐振模式，每个模式对应于腔102内的高电场强度的特定空间或局部区域。对腔102中的材料累积的射频响应对在电场最强的区域中累积的材料最敏感。在一个实施例中，多个谐振模式可用于监测过滤器或催化剂的局部负载状态。在另一个实施例中，可以使用多个谐振模式来确保对完整过滤器或催化剂体积进行采样，以便确定过滤器负载的总变化或总体变化。这样一来，射频传感***监测完整排气流及其与过滤器或催化剂的相互作用。
图2示出了包括例如由射频***监测的发动机和排气***的设备。所述设备可以是任何类型的设备，诸如化学设备、食品加工设备、动力设备、精炼厂、酿酒厂，或任何类型的设备或过程。所述设备或反应器可以是流动反应器，或者可以是分批反应器。机器202，例如一个实施例中的发动机或另一个实施例中的设备，具有出口连接，例如连接至各种部件和传感器的导管206。机器202产生输出流，例如排气流，或引导通过导管206的任何其他流。在一个实施方案中，导管206连接至第一模块208和第二模块210。在一个实施方案中，模块208和210可以是腔，诸如谐振腔，或在另一个实施方案中，可以是波导。
在一个特定实施方案中，模块208可以是颗粒过滤器组件，如图1中所示的组件102，所述组件102包含例如催化剂元件212的多个元件，所述催化剂元件例如三效催化剂(TWC)、氧化催化剂(OC)、选择性催化还原催化剂(SCR)、稀燃NOx捕集器(LNT)或任何类型的催化剂元件，以及过滤元件214，例如颗粒过滤器。
在一个实施方案中，模块210是含有催化剂元件216的催化剂外壳，例如SCR、LNT、TWC、氨存储器、烃捕集器、洗涤器或任何其他类型的催化剂。
在另一个实施方案中，可以不存在模块208或210，并且在另一个实施方案中，可以存在两个以上的模块208和210。模块208和210中的每一个可以包含一个或多个元件，例如在一个实施例中为催化剂、过滤器或膜，或者在另一个实施例中不包含内部元件。
导管206包含一个或多个内部元件218，例如过滤器、催化剂、混合器、扩散器或其他元件。元件218可位于导管206内的任何位置。射频探针或传感器220、222、224和226，例如杆状天线、环形天线、波导、介电谐振器，或用于发射和/或接收射频信号的任何其他合适的探针或传感器，安装并延伸至导管206以及模块208和210中。
附加导管232连接至机器202，包括例如进气管道、燃料管线、油管、冷却剂管线或其他类似的管道。管道232可以向设备或机器202供应入口流。导管232包含涡轮机械230，包括例如涡轮增压器或增压器。废气再循环(EGR)回路234形成排气管道206与入口管道232之间的流体路径。EGR回路234包含阀236或用于调节排气流的其他合适的流量控制机构或致动器。EGR回路234可以是高压或低压、内部或外部回路，并且可以被冷却。入口导管232包含用于调节进气流量的节流阀或阀228。
如果机器202呈发动机形式，那么机器202可以包含一个或多个汽缸。燃料可通过燃料输送***238供应至机器202的气缸，所述燃料输送***238可包括燃料供应罐、泵和喷射器(未示出)。燃料供应***238由控制单元204机械地或电子地控制。
虽然图2描绘了机器202具有一个入口导管232和一个出口导管206，机器202可包含多个入口和出口导管或不包含入口和出口导管。导管232和206中的每一个可包括用于连接的网络、通道和导管(未示出)，例如，由不同尺寸和几何形状的互连导管组成的管或管道***或网络。诸如多个模块208、210或218的附加模块可以或可以不存在于入口或出口导管中。
诸如加料器240的排放成分加料或注入装置存在于机器202中。在一个实施方案中，加料器240是用于注入烃的烃加料器，以用于启动颗粒过滤器208的再生。在另一个实施方案中，燃料喷射***238用于执行相同的功能。在另一个实施方案中，加料器240可以是尿素加料器或气态氨注入器，以用于向SCR催化剂供应尿素或氨。加料器240可以沿排气管道定位在任何位置。在模块210是SCR催化剂的一个实施例中，加料器240可以是位于模块201上游但在模块208下游的导管206中的尿素加料器。在另一个实施例中，加料器240可以是位于颗粒过滤器上游的烃加料器。
射频探针220、222、224和226连接至发动机控制单元204。单个或多个控制单元204可用于检测和控制所有射频探针。可以使用未示出的附加传感器，例如温度传感器、压力传感器、气体成分传感器(NOx、PM、氧气、氨)或任何其他类型的传感器。这些辅助传感器可连接至控制单元204或另外的控制单元，例如也未示出的发动机、设备或过程控制单元，所述单元可与控制单元204通信。
控制单元204包括处理单元和计算机可读存储介质242，其包含指令、算法、数据、查找表以及控制所连接的传感器和机器所需的任何其他信息。控制单元204还包括连接244和246，所述连接244和246包括通信连接，例如以太网、USB、模拟、CAN、串行或某种其他类型的连接、无线或电源连接。连接246可连接至设备控制单元、连接至车辆中的发动机控制单元(ECU)，或者向操作员发信号通知控制单元的状态和潜在问题。
控制单元204包括用于发射射频信号的硬件或电子设备，例如振荡器或合成器，以及用于检测射频信号的检测器，例如二极管或功率检测器或任何其他类型的检测器。控制单元204还可包含混合器、分路器、定向耦合器、开关以及用于控制、调制、发射和监测射频信号的其他部件。在另一实施例中，控制单元204可以是网络分析器或频谱分析器。
控制单元204被配置为通过任何射频探针220、222、224和226发射、接收和控制射频信号。每个探针可被独立地控制以诸如在包括发射、反射以及发射或反射的多端口网络中发射、接收或发射和接收射频信号。
控制单元204还被配置为基于射频信号的一个或多个参数的变化来监测一个或多个排放成分的变化，如下面更详细地讨论的。
控制单元204还可被配置为基于射频测量，并且更具体地基于射频信号的一个或多个参数的变化，来修改发动机、机器或排放后处理***的操作。对***操作的修改的实施例包括触发故障条件或发动机操作的变化，例如加油、气流、增压压力或任何其他过程控制参数。
射频信号可以跨越频率范围以建立一个或多个谐振模式，或者可以跨越不包括谐振模式的频率范围，或者可以是单个频率或多个离散频率。各个模块208、210和导管206可以用作微波谐振腔或波导，或者可以包含可用于对被监测设备的有限区域进行采样的谐振器(例如介电谐振器)。
射频信号，包括谐振曲线、绝对幅度、相对幅度(即，由探针发射的功率归一化)、相位、谐振频移、频移或其某些导数，包括局部或绝对最大值或最小值、谐振或远离谐振(例如陷波)处的频移、相移、平均值、品质因数、求和、面积、峰宽或其他参数，可以与***的状态相关，并且由控制单元204用于监测***负载状态的变化。
在***102和控制单元204的一种操作方法中，如图3所示，射频信号可以跨越足以产生一个或多个谐振模式的宽频率范围。在另一个实施方案中，可以仅对宽频率范围的某些区域进行采样，例如通常在图3中被指定为区域(A)、(B)、(C)和(D)的区域。可以基于以下标准中的一个或多个来预定义和选择感兴趣的区域：通过仅采样某些频率范围而不是监测完整的谐振曲线来缩短测量时间(更快的响应)；仅监测特定频带，其可对应于腔内的不同空间位置；仅包括对被测量的特定参数(污染物质/排放成分类型)敏感的频率区域；仅监测对于感兴趣的参数表现出有利行为(例如单调行为)的频带。
尽管描述了使用宽频率范围，但是范围不需要很宽。在某些情况下，也可以使用窄频率范围或甚至单个离散频率。可以在具有或不具有加权或偏置功能的情况下，使用多个频率范围或单个频率进行单次测量，以便改善测量特性。
在另一个实施方案中，可以使用一个或多个窄频率范围来缩短传感器响应时间。窄频率范围的使用使得能够在特定频带之间跳跃，从而提高测量速度。窄频带可以对应于特定的谐振模式。增加测量响应时间的其他方法包括降低完整频率范围或减少在完整频率范围内采样的点数。
在一个实施方案中，在特定谐振模式或反谐振模式(谷值)处或附近以高分辨率进行测量。期望缩短进行测量所需的时间，以便实现更快的传感器响应。
在另一个实施方案中，仅在特定时刻对谐振曲线的一部分进行采样，例如图3中的区域(A)和(B)，并且在随后的时间点采样更宽范围的谐振曲线或完整曲线。
在另一个实施方案中，可以改变由一个或多个发射元件所发射的功率，以改善可用于测量的信号。功率输出的这种变化将由操作条件限定。可以通过使用可变功率输出合成器或振荡器，或通过添加放大器或衰减器或一些其他操纵所发射功率的装置来改变功率输出。
射频响应的特征可在于射频信号的幅值和/或相位的变化、信号频率的变化或从射频信号相位、幅度或频率导出或计算的任何参数。
如图4A所示，相对于没有排放成分累积的干净过滤器或催化剂，颗粒过滤器或存储器中的排放成分累积或排放成分与催化剂的相互作用对给定频率范围内的幅值/幅度响应的影响分别由两个谐振状态/曲线(A)和(B)表示。谐振状态(A)和(B)的变化取决于污染物材料的介电性质以及与其相互作用或移位的材料或介质。图4A中所示的谐振状态的变化可以是幅度或频率。
在一个实施例中，如在诸如烟灰或氨的排放成分的情况下，分别在颗粒过滤器或催化剂上累积烟灰或氨可导致谐振信号的幅度/幅值的减小或谐振信号的频率的变化。在另一个实施例中，如在诸如灰分的排放成分的情况下，灰分在颗粒过滤器上的累积可能不会影响幅度，但仅可能会导致频移。在又一个实施例中，氧气在三效催化剂上的累积或存储可产生相反的行为，从而导致当存在氧气时幅度增加，而针对氧气贫化状态幅度减小。因此，特定的谐振响应将取决于排气或排放成分材料的性质及其与过滤器或催化剂的相互作用。
如图4B中所示，排气成分在过滤器或催化剂上的累积也可导致射频信号的相位的偏移，如图4B中的不同曲线(A)和(B)所示。监测的相位可以是绝对的或相对的。除了监测幅度/幅值之外或者代替监测幅度/幅值，使用控制单元204来监测相位的一个优点在于，幅值信号可能在高颗粒过滤器或催化剂负载水平下饱和，或者由于***老化或中毒而饱和，而相位测量提供了更宽的工作范围，因为相移可能不会受到相同的饱和限制。
在一个实施例中，可在可被预定义以测量一种污染物质/排放成分的一个频率范围监测RF信号的相位和/或幅值/幅度，同时可在可被预定义以测量另一种污染物质或废气成分物质的另一个频率范围内监测RF信号的相位和/或幅值/幅度。
在特定实施例中，可以使用RF信号的幅度来监测一种类型的污染物材料或排气/排放成分，而可以通过RF信号的相位来监测第二类型的污染物质或排气/排放成分。
在另一特定实施例中，可以通过RF信号的幅值或相位的频率偏移来监测污染物材料或排气/排放成分。
在另一特定实施例中，RF信号幅值的不同频率区域可用于监测一个或多个排放成分，其中RF信号幅值的第一频率区域用于监测一个排放成分，而RF信号幅值的第二频率区域用于监测第二排放成分的。
在又一个特定实施例中，RF信号相位的不同频率区域可用于监测一个或多个排放成分，其中RF信号相位的第一频率区域用于监测一个排放成分，而RF信号相位的第二频率范围用于监测第二排放成分。
在又一个特定实施例中，可以使用不同的RF信号特性来监测相同频率区域中的多于一个排放成分，例如通过监测频率(移位)的变化、幅值的变化或RF信号的相位变化。
在又一个实施例中，所监测的污染物质/排放成分可以是固态、液态或气态成分。在另一个实施例中，频率、幅度或相位测量或由其导出的参数可以与催化剂、过滤器或腔的状态相关，例如老化状态、状况、健康状况或功能。
可以应用利用幅值/幅度测量、相位测量或两者的测量方法来确定颗粒过滤器中的排放成分/颗粒物质水平，以及监测累积在过滤器上或离开过滤器的颗粒物质(通过逃逸过滤器或通过氧化)的比率。所监测的射频参数(例如幅度、频率或相位)或从其导出的参数可以在任何频率范围上。
类似地，可以应用利用幅值测量、相位测量或两者的测量方法来确定催化剂的存储状态，以及监测通过解吸、消耗、氧化或其他一些手段从催化剂中除去的一个或多个排气成分的比率。可以直接利用幅值和/或相位信号，或者可以计算其某些导数参数，例如平均值、最大值、最小值、品质因数(Q)、频移、相移、积分或时间导数，并将其用于确定废气排放参数，例如发动机排放速率、过滤器或催化剂累积水平、排气流中加料或添加排气成分(如碳氢化合物或尿素)的速率，或从过滤器中损失的颗粒物质或催化剂消耗或损失的其他气体或液体物质的量。
可以基于两个或更多个射频信号测量值或者在几个射频信号测量值上的平均值来计算射频信号的变化率。可以采用基于当前射频信号测量和历史射频信号信息的其他计算。
图5A和5B提供了射频信号的变化率监测的实施例，其中图5A描绘了总颗粒过滤器或催化剂负载水平的变化率，而图5B描绘了三种不同操作方案(A)、(B)和(C)的相应变化率导数。方案(A)和(C)显示颗粒过滤器或催化剂中较低水平的排气成分累积，而方案(B)显示相对高水平的排气成分累积。
在一个示例性实施方案中，可以计算过滤器颗粒物质负载水平或催化剂存储水平的变化，并除以两个或更多个射频信号测量之间的时间(或相对时间的一些指示)。所得到的过滤器负载水平或催化剂负载状态的变化率可以与一个实施例中发动机烟灰排放，另一个实施例中碳氢化合物或尿素的加料率，或者另一个实施例中氧气、NOx、氨或催化剂上的一些其他废气成分的存储率相关。
这样一来，射频信号的变化可用于通过监测过滤器上颗粒物质累积的变化来直接监测发动机烟灰排放水平，或者在另一个实施例中，通过监测氨在SCR催化剂上的累积或存储来监测或控制尿素的加料率。
在又一个实施例中，其他固体、液体或气相排放的发动机排放速率可基于这些物质的存储的时间变化率或这些物质从催化剂或过滤器的损失的确定而由控制单元204类似地监控或控制。在一个实施例中，射频信号的变化可以与发动机烟灰排放速率相关，其中颗粒过滤器用作由射频信号探测或监测的累积发动机排放烟灰传感器。
在另一个实施例中，射频信号的变化可以与气态物质或排气成分的发动机排放速率相关，其中催化剂用作由射频装置探测或监测的发动机排放气体传感器。因此，所述方法利用过滤器或催化剂作为传感元件，并且能够监测总体或大部分的发动机排放速率或排气成分水平。
在又一个实施例中，通过将监测的变化率与预期的变化率进行比较，可以使用所监测的特定排气成分的变化率来诊断***的运行。在一个实施例中，可以通过将监测的烟灰氧化速率或特定排气物质的氧化速率与预期的氧化速率进行比较来诊断氧化催化剂的操作。低于预期的氧化速率可能表明催化剂功能或活性的损失。类似地，在另一个实施例中，可以监测催化剂存储容量或吸收速率，例如针对三效催化剂上的氧存储、SCR催化剂上的氨存储、LNT上的NOx存储、或烃捕集器上的碳氢化合物存储。低于预期的存储速率也可指示催化剂活性的损失，并且用于诊断或检测老化、中毒或有缺陷的催化剂。
监测多个谐振进一步提供催化剂存储状态或催化剂过程的局部变化率的指示。在一个实施例中，催化剂上局部(空间)存储位置的变化可指示局部催化剂官能度的损失。在一个实施例中，当催化剂老化或中毒时，存储的排气物质在催化剂上的位置可能会从集中在催化剂前部偏移向催化剂的后部。监测局部存储水平的这种偏移提供了关于催化剂健康的附加信息，并且可以用于诊断催化剂或过滤器操作。在另一个实施例中，局部存储水平的偏移可以是径向的，并且在中心和周边之间存在差异。
在另一个实施例中，控制单元204可以使用排气成分的存储速率来诊断诸如发动机排放的上游过程。催化剂或过滤器上的高水平或存储率可指示高发动机排放，例如高烟灰排放或某些气体物质(例如，NOx、碳氢化合物、一氧化碳或其他气体物质)的高排放。
在一个实施例中，通过在NOx捕集器上监测的高NOx存储速率、或SCR催化剂上的高氨消耗速率、或在催化的颗粒过滤器上的高烟灰氧化率所确定的高发动机NOx排放速率，可以用于检测或诊断导致高NOx排放的发动机状况或故障，例如，故障排气再循环(EGR)***、不当燃烧条件等。以类似的方式，通过颗粒过滤器上的高烟灰累积率所检测到的高发动机排出烟灰排放速率可用于诊断导致高烟灰排放的发动机故障或异常，例如，喷射***问题、燃烧不良、缺乏气流、EGR故障等。
在另一个实施例中，诊断的上游过程无需与发动机直接相关，而是可以与辅助***相关，例如，碳氢化合物加料***或尿素加料***。在一个实施例中，控制单元204通过RF监测的SCR催化剂上的氨存储速率与预期的氨存储速率的比较，可以用于确定尿素或气态氨喷射***是否正常运行，或者是否正在使用正确的质量或尿素。类似地，可以通过将颗粒过滤器上的烟灰氧化的RF监测速率与命令的烃加料水平和预期的烟灰氧化速率进行比较来监测烃加料***的功能。在另一个实施例中，可以使用相同的比较来确定催化剂的健康状况。
可以利用来自模型或模拟的预期值、来自其他传感器的测量值、存储的值(例如在查找表中)，或任何其他合适的手段来进行对催化剂或过滤器上的RF测量量的监测变化率的比较。可以在已知的操作条件下、在正常的***操作(例如，应用的典型驱动周期或工作循环特性)下进行比较，或者通过命令已知的***变化或脉冲并监测***响应来进行侵入式测试。
来自过滤器或催化剂的监测状态或健康状况的反馈也可用于启动诸如警报的动作或触发故障代码。在另一个实施例中，所述动作可用于补偿过滤器或催化剂***的性能降低。在一个实施例中，所述动作可以是减少特定排气成分的排放。在另一个实施例中，所述动作可以是增加或减少尿素加料或碳氢化合物加料，或增加***的温度。可以采用任何数量的动作来基于RF监测的性能进一步诊断或控制或改善过滤器或催化剂的性能。
测量的时间响应定义***的时间分辨率。在跨越高达1GHz并包括超过一千个测量点的宽频率范围内容易实现小于一秒的响应时间。减小测量点的频率范围或数量可以用于进一步缩短测量响应时间。在另一个实施例中，通过使用信号平均或修改信号功率输出，例如通过使用放大器或可变增益，可以改善信噪比。在又一实施例中，可以通过修改操作的频率范围来改善信噪比。
在另一个实施例中，过滤器负载水平的变化率可以与颗粒过滤器上的烟灰氧化速率相关，例如通过过滤器再生，并且在另一个实施例中，过滤器负载的变化率可以与颗粒物质从过滤器中(例如从失效的过滤器中)逸出的速率相关。
在另一个实施例中，可以从不同的谐振模式计算不同的参数，并且在又一个实施例中，可以监测一个或多个谐振模式或谐振模式导出的参数的变化率，其可以来自或可以不来自相同的模式。
在另一个实施方案中，可以使用发动机操作参数或操作历史的知识来改进或改善射频信号测量。在特定实施方案中，颗粒过滤器上的烟灰氧化速率的估计，例如来自烟灰氧化模型或基于排气温度的简单查找表，可用于校正发动机烟灰排放水平的基于射频的估计。在一个实施例中，估计在特定时间段内被氧化的烟灰量可被添加至颗粒过滤器烟灰水平变化的基于射频的测量，从而考虑被动或主动烟灰氧化过程。在另一个实施例中，射频测量可仅在低排气温度条件下进行，例如低于300℃或低NOx:PM比率的条件下，其中颗粒过滤器上的被动烟灰氧化可以忽略不计。
在又一个实施例中，例如在汽油发动机中可能是这种情况，测量可在不适合烟灰氧化的条件下进行，例如一个实施例中的贫氧条件下。
类似地，可以监测其他气态排气成分的消耗速率，例如在一个实施例中通过监测SCR催化剂上的氨消耗来减少NOx排放，或者在另一个实施例中通过三效催化剂上监测的存储氧气的减少来氧化一氧化碳或碳氢化合物。在另一个实施例中，射频测量可仅在有利于测量的条件下进行，或者允许更精确地测量被监测参数的条件下进行。存在许多这样的条件。在一个实施例中，在氨氧化可忽略不计或排气条件不利于氧化的情况下，SCR催化剂上监测的氨存储或消耗速率可以在低排气温度下进行。测量也可在有利于某些过程并抑制其他过程的稀空燃比或浓空燃比、或在低排气湿度、水或湿气/冷凝水平下进行。在另一实施例中，可以采用对信号中的一个或多个噪声因子的校正，诸如基于***状态的知识或特定噪声因子的存在/不存在来应用测量值中的已知偏移或偏差。
图6A和6B描绘了(i)参考排放成分的变化率，(ii)参考三种操作方案(A)、(B)和(C)，使用射频监测的颗粒过滤器烟灰水平或催化剂存储或负载水平的变化，其中方案(A)对应于特定排放成分的高水平，(B)对应于过滤器或催化剂上的排放成分的累积或存储速率等于消耗、氧化或排放成分的损失的平衡条件，以及(C)对应于排放成分损失、消耗或氧化速率超过累积速率的情况。图6A还描绘了在对过滤器上的烟灰氧化或催化剂的气体氧化或损失进行校正之后的射频响应，由指定的曲线(A*)、(B*)和(C*)表示。
实施这种方法以考虑烟灰氧化或者特定的废气或排放成分物质的氧化或消耗，例如在一个实施例中为氨，或在另一个实施例中为氧气，因此能够精确测量发动机烟灰排放或气体物质排放，或基于所测量的颗粒过滤器烟灰负载水平或催化剂存储水平的变化，或者即使对于过滤器中的总烟灰水平或催化剂上的气体物质不变或减少的情况，也可以进行测量。
在另一个实施方案中，来自排气***中的压力传感器或温度传感器的测量可以进一步用于校正射频信号，并且在另一个实施方案中，可以使用来自诸如烟灰、NOx或氨的气体传感器或氧传感器的测量来校正射频测量。在另一个实施例中，模型或模拟的结果或存储的值可用于校正信号。
在一个实施例中，排气温度和NOx或氧浓度的测量可用于推断烟灰氧化速率，并且在另一个实施例中，可用于校正滤波器上RF传感器测量的烟灰累积或RF测量的发动机烟灰排放水平。在另一个实施例中，可以推断SCR催化剂上的氨氧化速率或三效催化剂上的氧消耗速率。在另一实施例中，可以基于模型或查找表等进行校正。在又一个实施例中，来自现有排气传感器或模型(虚拟传感器)的测量可用于确定烟灰氧化可忽略不计或存储在催化剂上的气体物质氧化可忽略不计的条件，并且条件有利于过滤器上的烟灰累积速率或催化剂上的气体物质存储率的高精度RF测量。
在另一个实施方案中，基于射频信号的发动机排气成分的测量可以进一步用作发动机排放模型或排气物质氧化模型的合理性检查。在特定实施方案中，射频测量可用于提高发动机排放模型的准确性，所述模型用于与来自下游传感器(例如用于车载诊断应用的烟灰传感器或氨传感器或NOx传感器)的测量进行比较。
可以在正常发动机操作的过程中监测发动机排放成分水平。异常高或低水平的发动机排放成分可用于诊断发动机或部件故障或异常，例如故障喷油器、加料***故障、使用不当流体、低或高EGR率、进气或涡轮增压器问题、高油耗、控制***问题、排气泄漏、后处理***的问题等。
在另一个实施例中，可以主动地操纵发动机操作参数以产生已知水平的发动机排放成分，可以通过图4、5和6中所示的射频信号的变化来检测和监测颗粒过滤器或其催化剂上的累积。在一个实施例中，可以修改发动机加油、进气、EGR、增压、喷射正时、尿素、氨或碳氢化合物加料或类似参数以引起发动机排放成分的变化。在这种侵入式测试期间或之后监测颗粒过滤器上的烟灰累积速率或催化剂上的气体排放存储速率，提供信息以供诊断过滤器或发动机状态。这种侵入式测试的类型、持续时间和频率可以是固定的，或者也可以根据具体情况而变化。在一个特定实施方案中，这种侵入式测试可用于OBD目的。在另一个实施方案中，根据射频信号确定的发动机排放的测量可用于修改或控制发动机操作，例如在一个实施例中的加油或喷射正时，或在另一个实施例中的EGR率或进气气流，或者在另一个实施例中的尿素、氨或烃的加料。
在另一个实施例中，由射频信号的变化所测量的发动机排放速率可用于监测或诊断发动机燃烧过程，或者为发动机燃烧过程或发动机操作提供反馈控制回路。可被监测或诊断的发动机参数包括进气流量、燃料喷射、喷射正时、增压或涡轮机械操作、EGR***、致动器、其他传感器和控制***，以及其他参数。
还可以控制来自发动机的排放成分，以改善颗粒过滤器或催化剂的性能。例如，在完全再生之后，可以调整发动机烟灰排放以调节过滤器，例如，在过滤器的表面上建立滤饼层。监测过滤器以用于控制排放。此外，可以设定发动机操作以调节烟灰特性，例如，通过使烟灰具有最适合形成滤饼层的性质并防止孔隙过滤，或在另一个实施例中通过产生具有或多或少有利于氧化的性质的烟灰。在一个实施例中，可以控制颗粒的大小。在另一个实施例中，可以控制颗粒物质组合物以包括可溶有机部分。一旦通过射频传感调节、测量过滤器，发动机操作就恢复正常。
类似地，还可以控制来自发动机的成分排放以改善催化剂的性能。在一个实施例中，SCR催化剂的性能可以通过脱硫事件或再生以除去累积的硫来改善，其可以基于催化剂性能的射频信号测量来触发。可以通过射频信号的变化来直接检测硫累积的增加，或者通过基于局部或总体氨存储水平或氨存储水平的变化率的预定加料事件之后氨存储的减少或氨存储的速率来检测。在另一个实施例中，可以通过将氨库存管理到基于RF测量而确定的特定水平来调节SCR催化剂。其他实施例包括调节空燃比，以在三效催化剂上实现特定量的氧存储。在又一个实施例中，可以修改发动机排放以优先影响催化剂过程，例如烟灰氧化(例如通过增加NOx或氧)或另一个实施例中的周期性富或稀偏移，例如用于被动氨生成。在特定实施例中，RF测量可用于控制无源SCR***或所谓的烃SCR***的氨生成。
在又一个实施方案中，可以利用关于发动机操作参数的信息来校正、改进或优化射频测量。在特定实施例中，发动机信息包括发动机速度、加油、扭矩、EGR率、进气流量和类似参数。
基于特定谐振模式或频率范围的响应，可以基于过滤器负载水平或催化剂存储水平的总体聚合变化或过滤器负载或催化剂存储的局部变化来确定发动机排放的RF测量。
可以在不脱离本发明的新颖特征的精神和范围的情况下实现上述实施方案的许多变化和修改。应当理解，意图或应该推断对于本文所述的用于监测发动机排放的射频***和方法没有限制。当然，意图是通过所附权利要求覆盖落入权利要求书的范围内的所有这类修改。

Claims (20)

1.一种用于监测发动机排气排放成分的射频***，包括：
外壳，所述外壳包含所述排放成分；
一个或多个射频传感器，所述射频传感器延伸至所述外壳中并发射和接收射频信号；和
控制单元，所述控制单元用于根据所述射频信号的一个或多个参数的变化来控制所述射频信号并监测所述排放成分的变化。
2.如权利要求1所述的射频***，其中，所述射频信号跨越射频信号范围，并且所述控制单元测量所述射频信号范围的预定义区域中的所述射频信号的一个或多个参数的变化。
3.如权利要求1所述的射频***，其中，所述控制单元测量与所述壳体中的一个或多个预定义空间区域相对应的一个或多个预定义射频信号范围中的所述射频信号的一个或多个参数的变化。
4.如权利要求1所述的射频***，其中，所述控制单元测量所述射频信号的幅值或振幅的变化和/或所述射频信号的相位的变化。
5.如权利要求4所述的射频***，其中通过测量一个或多个预定射频信号范围内的射频信号的幅值和/或相位的变化来监测一个或多个排放成分。
6.如权利要求1所述的射频***，其中，所述控制单元测量所述射频信号的一个或多个参数的变化率，以监测所述排放成分的变化率。
7.如权利要求1所述的射频***，其中，改变发射至所述一个或多个射频传感器的功率，以改善所述射频信号。
8.如权利要求6所述的射频***，其中，所述控制单元监测所述排放成分的排放速率、累积速率和/或消耗速率。
9.一种用于监测射频***中的排放成分的方法，所述射频***包括；外壳，所述外壳包含排放成分；一个或多个射频传感器，所述射频传感器延伸至所述外壳中并发射和接收射频信号；控制单元，所述方法包括基于所述射频信号的一个或多个参数的变化来控制所述射频信号和监测所述排放成分的变化的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述射频信号跨越射频信号范围，并且还包括在所述射频信号范围的预定义区域中测量所述射频信号的一个或多个参数的变化的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：在对应于所述壳体中的一个或多个预定义空间区域的一个或多个预定义射频信号范围内测量所述射频信号的一个或多个参数的变化。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述预定义空间区域对应于对被测量的所述射频信号的所述参数敏感的预定义空间区域。
13.如权利要11所述的方法，其中，所述预定义空间区域对应于表现出对于被测量的所述射频信号的所述参数的有利行为的预定义空间区域。
14.如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：在一个或多个预定义的窄射频信号范围内对所述射频信号的一个或多个参数进行采样，以缩短测量响应时间。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述一个或多个预定义的窄射频信号范围对应于所述射频信号的一个或多个预定义的谐振模式。
16.如权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：测量所述射频信号的幅值或幅度的变化和/或射频信号的相位的变化。
17.如权利要求16所述的方法，其中通过测量一个或多个预定义射频信号范围中的所述射频信号的幅值和/或相位的变化来监测一个或多个排放成分。
18.如权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：测量所述射频信号的一个或多个参数的变化率，以监测所述排放成分的变化率。
19.如权利要求9所述的方法，还包括将所述排放成分的变化率与所述排放成分的变化率的预期值进行比较的步骤。
20.如权利要求10所述的方法，还包括监测所述排放成分的排放速率、累积速率和/或耗尽速率的步骤。
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