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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität aus der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 61/756,172, eingereicht am 24. Januar 2013, deren Inhalte durch Bezugnahme hierin einbezogen sind.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Fluidfilter, die in Verbindung mit verschiedenen Arten von Motorsystemen verwendet werden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Systeme und Verfahren für die Überwachung des Zustands solcher Fluidfilter.
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HINTERGRUND
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US-Patent Nr. 7,922,914 , das in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin einbezogen ist, offenbart Verfahren und Systeme für die Messung des Druckabfalls durch einen Filter im Strömungsweg und anschließende Verwendung des gemessenen Druckabfalls möglicherweise in einem normalisierten Zustand und in Verbindung mit der Uhrzeit und/oder anderen Daten vom System, um Eigenschaften des Fluids, des Filters und/oder einem Bauteil zu schätzen, das mit dem gefilterten Fluid versorgt wird. Solche Eigenschaften könnten einen Betriebszustand des Filters, die restliche Nutzungsdauer des Filters, die relative Kontaminantenkonzentration in dem Fluid und/oder die restliche Nutzungsdauer eines Bauteils umfassen, das mit dem gefilterten Fluid versorgt wird.
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US-Patentanmeldung Nr. US 2011/0307160 A1, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin einbezogen ist, offenbart Systeme, Verfahren und Algorithmen für die Überwachung und Anzeige der Filterlebensdauer. Die offenbarten Systeme, Verfahren und Algorithmen können für die Überwachung und Anzeige der Nutzungsdauer eines Filters in einem Verbrennungsmotor verwendet werden.
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Filter haben ein endliches Wartungsintervall, dessen Länge durch die Natur und die Menge der Kontaminanten bestimmt wird, die in dem Fluid vorhanden sind, sowie durch die Nutzungsbedingungen. Wartungs-(oder Filterwechsel-)Intervalle werden normalerweise in Bezug auf die gefahrene Strecke oder die Zeitdauer angegeben, bevor der Filter ausgetauscht oder gewartet werden soll. Die allgemeine Praxis, die Strecke oder Zeit zu verwenden, um Wartungsintervalle festzulegen, ist eine Näherung. In manchen Fällen können Wartungsintervalle auf Basis des Druckabfalls des Filters festgelegt werden, was aber normalerweise aufgrund der Kosten der Hinzufügung zusätzlicher Sensoren nicht erfolgt.
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Je nach Anwendung kann ein Filter den abschließenden Druckabfall früher oder später als das angegebene Wartungsintervall erreichen. Filter verstopfen manchmal vor dem angegebenen Wartungsintervall, insbesondere, wenn der Motor in extrem harten oder schmutzigen Bedingungen eingesetzt wird. Dies wurde durch Forschung und Experimente erkannt und liegt daran, dass Filterwartungsintervalle auf Basis der erwarteten Bedingungen festgelegt werden und nicht der Bedingungen, die der Filter tatsächlich erlebt.
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KURZDARSTELLUNG
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Diese Kurzdarstellung soll eine Auswahl von Konzepten vorstellen, die in der detaillierten Beschreibung weiter unten näher erörtert werden. Diese Kurzdarstellung soll keine wichtigen oder unerlässlichen Merkmale der Erfindung identifizieren und ist auch nicht dafür gedacht, als Hilfe bei der Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu dienen.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass es wünschenswert ist, vorhandene Bordsensoren in einem Motorsystem, insbesondere Kraftstoff- und Schmierölsensoren, als Zustandssensoren zu nutzen, die den Zustand des Filters bestimmen und sich an Änderungen des Zustands anpassen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass es wünschenswert ist, diese Funktion bereitzustellen, ohne dass zusätzliche Sensoren zum System hinzugefügt werden müssen, sodass die Kosten und Komplexität verringert werden. Der Zustand eines Filters kann sich auf die restliche Nutzungsdauer des Filters und/oder den Status des Filters beziehen, d. h. ob der Filter eine erhebliche restliche Nutzungsdauer hat, gewartet werden sollte oder seine Nutzungsdauer erreicht oder überschritten hat.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass, da vorzeitiges Verstopfen des Filters zu einer Verschlechterung der Motorleistung, beschleunigtem Verschleiß und/oder erhöhten Servicekosten führen kann, es wünschenswert ist, genauere Mittel zu haben, um zu bestimmen, wann ein Filter ersetzt werden muss, oder zumindest sicherzustellen, dass der Filter nicht über seine Nutzungsdauer hinaus verwendet wird. Dazu sollten die Auswirkungen des Arbeitszyklus, der Anwendung und Filter- und motorspezifische Faktoren berücksichtigt werden. Eine Vorab-Ankündigung, wann ein Filter sich dem Ende seiner Nutzungsdauer nähert, ermöglicht es dem Motorbetreiber und/oder Servicepersonal, Serviceaktivitäten und Produktionsanforderungen zu koordinieren und so die Kosten zu verringern und die Produktivität zu steigern. Wie hierin weiter oben erwähnt, ist es des Weiteren wünschenswert, dass dies erreicht wird, ohne zusätzliche Sensoren zum herkömmlichen System hinzuzufügen.
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Die vorliegende Offenbarung stellt einen virtuellen Sensor bereit, der den Zustand eines Kraftstoff- oder Schmierölfilters mithilfe der Motorlaufzeit, des Drehmoments und der Drehzahldaten bestimmt. Ein Motordrehzahlsensor und andere geeignete Motorsensoren liefern funktionell eine Eingabe für einen Steuerkreis, z. B. ein Motorsteuermodul (Engine Control Module, ECM). Das ECM nutzt die Daten, um das Motordrehmoment zu bestimmen. Drehmoment-, Drehzahl- und Zeitdaten werden dann von einem Algorithmus verwendet, um den Zustand des Filters zu bestimmen, und das ECM liefert eine Ausgabe zu einem Display oder einem Steuergerät, um den Bediener oder Servicepersonal zu informieren oder eine geeignete Reaktion zu initiieren. Die Offenbarung liefert optionale einstellbare Parameter im Algorithmus, deren Werte von der Betriebsumgebung, dem Motor und den Filtereigenschaften abhängen, die manuell oder automatisch geändert werden können, um die Genauigkeit der Berechnung zu verbessern.
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Diese und weitere Merkmale werden gemeinsam mit deren Aufbau und Funktionsweise aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich, wenn sie zusammen mit den begleitenden Figuren betrachtet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines virtuellen Filterzustandssensors gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen.
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2 ist eine exemplarische grafische Darstellung eines Vergleichs von Motordrehmoment und -drehzahl, die das Motordrehmoment im Vergleich zur Motordrehzahl sowohl bei maximaler Last als auch bei 70% der maximalen Last zeigt.
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3 ist eine schematische Darstellung eines Systems für die Implementierung verschiedener, hierin beschriebener Ausführungsformen.
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4 ist ein Ablaufdiagramm, das einen beispielhaften Prozess zeigt, durch den verschiedene, hierin enthaltene Ausführungsformen implementiert werden können.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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In der vorliegenden Beschreibung wurden gewisse Begriffe aus Gründen der Kürze, Klarheit und des Verständnisses verwendet. Es sollen daraus keine unnötigen Beschränkungen gefolgert werden, die über die Anforderung des Standes der Technik hinausgehen, da solche Begriffe nur der Beschreibung dienen und dazu gedacht sind, im breiten Sinne ausgelegt zu werden. Die hierin beschriebenen verschiedenen Geräte, Verfahren und Systeme können allein oder in Kombination mit anderen Geräten, Verfahren und Systemen verwendet werden. Es sind verschiedene Äquivalente, Alternativen und Modifizierungen möglich.
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Der virtuelle Filterzustandssensor, der schematisch in dargestellt ist, schätzt den Zustand der Kraftstoff- und/oder Schmierölfilter des Motors ein. Er erhält, u. a. möglichen Dingen, Motorlaufzeit-, Motordrehmoment- und Motordrehzahldaten. Die Motordrehzahl kann direkt mithilfe von Bordsensoren gemessen werden. In modernen Dieselmotoren wird die Motordrehzahl normalerweise kontinuierlich durch das ECM aus gemessenen Eingaben berechnet, z. B. Motordrehzahl, Ansaugkrümmerdruck und Drosselklappenposition. Die Sensoren, die für die Durchführung der Berechnung nötig sind, sind normalerweise bereits an Bord des Motors vorhanden. Zeit-, Drehmoment- und Drehzahldaten werden funktionell übertragen oder sonst als Eingaben dem ECM oder einer anderen Steuerung zur Verfügung gestellt. Es sollte selbstverständlich sein, dass, wenn hierin auf ein ECM Bezug genommen wird, die verbundene Struktur, Funktionsweise und Merkmale gleichermaßen für andere Arten von Steuerungen oder Steuereinheiten gelten können.
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1 zeigt eine Reihe von Funktionen, die sich normalerweise im ECM befinden. Daten von anderen Sensoren, z. B. Temperatur-, Druck- und/oder Kraftstoffqualitätssensoren, können ebenfalls für das ECM bereitgestellt sein und verwendet werden, um die Genauigkeit des virtuellen Filterzustandssensors zu verbessern. Das ECM verwendet einen Algorithmus, um den Zustand des Filters auf Basis der Zeit, des Drehmoments, der Drehzahl und anderer optionaler Daten zu berechnen. Einstellbare Parameter können optional in das ECM eingegeben werden, um den Algorithmus zu verfeinern und Anpassungen bei Unterschieden zwischen Motoren und Filtern sowie lokalen Bedingungen wie Kraftstoffqualität und Umgebungsbedingungen vorzunehmen. Diese einstellbaren Parameter können die Genauigkeit der Berechnung verbessern. Die einstellbaren Parameter sind normalerweise im ECM neuer Motoren einprogrammiert. Ihre Werte können modifiziert oder angepasst werden, sobald Informationen bezüglich des beabsichtigten Gebrauchs oder des endgültigen Ziels des Motors verfügbar sind. Die einstellbaren Parameter können außerdem für vorhandene Motoren neu angepasst werden, um den Sensor für lokale Bedingungen feineinzustellen. Das Ergebnis der Filterberechnung wird funktionell zu einem Ausgabegerät übertragen, z. B. einer visuelle Anzeige, einem farbigen Licht, einem Fehler- oder anderem informativem Code, einer digitalen Anzeige, einem geeigneten Datenerfassungs- und/oder -verarbeitungsgerät wie einem Computer, einem ECM oder einer Steuerung (Steuerkreis), wobei entsprechende Maßnahmen auf Basis dieser Informationen ergriffen werden können.
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Der virtuelle Filterzustandssensor, 1, funktioniert wie folgt. Sensoren, einschl. solcher, die die Motordrehzahl 105 messen, sowie zusätzliche Sensoren 110, die vom Motor benötigt werden, um das Motordrehmoment zu berechnen sowie als Mittel für die Überwachung der Motorlaufzeit 115, werden bereitgestellt und übertragen Daten an das ECM. Alternativ kann das Motordrehmoment direkt gemessen werden, zum Beispiel durch einen Oberflächenwellensensor (Surface Acoustic Wave, SAW) an der Nockenwelle. Das ECM berechnet das Motordrehmoment (130), wie dies normalerweise in modernen Dieselmotoren erfolgt. Ein Algorithmus 145, der sich im ECM befindet, empfängt die Motordrehmomentdaten 130, Motordrehzahldaten 125 und Zeitdaten 135 periodisch oder auf fast kontinuierlicher Basis und verwendet die verschiedenen Daten, um die Auswirkung der aktuellen Bedingungen auf die Filterlebensdauer zu bestimmen. Der Algorithmus 145 kann bei der Bestimmung des Filterzustands 155 auch von verschiedenen einstellbaren Parametern 150 abhängen. Der Algorithmus 145 kann außerdem das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein eines Filters (dargestellt bei 140) auf Basis eines Sensors für geeignete Filter 120 berücksichtigen. Zusammengefasst liefern die Ergebnisse im Zeitverlauf während eines Filterwartungsintervalls eine kontinuierliche oder periodisch aktualisierte Schätzung des aktuellen Zustands des Filters (155). Das ECM erzeugt ein Signal, das dem Zustand des Filters entspricht, das zu einem Ausgabegerät 160 gesendet wird, z. B. einer Anzeige oder einem anderen Gerät, um eine geeignete Reaktion zu veranlassen oder zu initiieren. In der durch 1 dargestellten Ausführungsform befinden sich der Mechanismus für die Berechnung/Bestimmung der Motorlaufzeit 115, die Motordrehmomentberechnung 130, die Zeitberechnung 135, der Algorithmus 145 und die Berechnung des Filterzustands 155 auf dem ECM.
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Bordsensoren wie Motordrehzahlsensoren befinden sich an modernen Dieselmotoren und können verwendet werden, um die Motorleistung und -funktion zu steuern und zu optimieren. Aus diesen können andere wichtige Parameter wie Motordrehmoment berechnet werden. Der virtuelle Sensor empfängt Motordrehmoment-, Motordrehzahl- und Motorlaufzeitdaten. Somit können alle Sensoren, die für die Berechnung des Motordrehmoments erforderlich sind, sowie die Motordrehzahlsensoren genutzt werden. Das Mittel für die Messung oder Berechnung des Drehmoments ist in Fachkreisen allgemein bekannt, da moderne Dieselmotoren diese Fähigkeit normalerweise besitzen. Zusätzliche Sensoren oder Mittel, um Fluiddurchflussrate, Druck, Temperatur, Flüssigkeitsqualität und andere Parameter zu bestimmen, können optional verwendet werden, um die Genauigkeit der Berechnung und Zuverlässigkeit des virtuellen Filterzustandssensors zu verbessern. Die Bordsensoren liefern Eingaben für das ECM, um die Berechnung des Motordrehmoments und die Bestimmung des Filterzustands zu ermöglichen. Gemessene Werte wie Druck und Temperatur werden in Bezug auf den Ort des jeweiligen Sensors berücksichtigt. Zum Beispiel können Verteilerrohrdruck und Einspritzrückleitungstemperatur berücksichtigt werden.
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Die hierin erörterten Bordsensoren können sich an verschiedenen Stellen am Motor befinden. Beispielhaft kann der Kraftstoffdruck am Akkumulator (Verteilerrohr) an verschiedenen Dieselmotoren gemessen werden. Der Kraftstoffdruck kann auch an anderen Stellen am Motor gemessen werden, zum Beispiel u. a. am Kraftstoffeinlass, am Filtereinlass, am Filterauslass, am ECM-Kühlerauslass, am Niederdruckpumpeneinlass, am Niederdruckpumpenausgang, am Hochdruckkraftstoffpumpeneingang und an der Motorkraftstoffrückleitung. In besonderen Implementierungen können Sensoren auch verwendet werden, um Motoreigenschaften wie Temperatur(en) am Kraftstoffeinlass, am ECM-Kühlerauslass, am Hochdruckkraftstoffpumpeneingang, am Hochdruckkraftstoffpumpenausgang, an der Akkumulatorkraftstoffrückleitung, an der Motorkraftstoffrückleitung und an der Einspritzrückleitung zu messen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass viele der obigen Sensoren in verschiedenen Implementierungen möglicherweise nicht vorhanden sind.
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Sensoren könnten auch verwendet werden, um verschiedene Eigenschaften des Schmierölsystems zu messen. Diese Sensoren können zum Beispiel die Ölkühlereintrittstemperatur, die Ölkühleraustrittstemperatur, die Ölwannentemperatur, den Ölkühlereingangssdruck, den Ölkühlerausgangsdruck, den Ölfiltereingangsdruck, den Ölfilterausgangsdruck, den Blockeingangsdruck, die Ölgalerietemperatur und den Pumpenausgangsdruck messen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass viele der obigen Sensoren in verschiedenen Implementierungen möglicherweise nicht vorhanden sind.
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Da die Genauigkeit der Filterzustandsberechnung teilweise von den Eigenschaften des Filters abhängt, kann das System optional einen Sensor beinhalten, der bestimmt, ob ein geeigneter Filter eingebaut wurde oder nicht. Beispiele solcher Sensoren sind beschrieben in
US 6,533,926 ,
US 6,537,444 ,
US 6,711,524 und
US 2011/0220560 , die durch Bezugnahme hierin einbezogen sind. Mit dieser Option besitzt der Motor einen Sensor, der eine Eigenschaft, ein Kennzeichen oder eine Signatur, wie einen Speicherchip, Oberflächenwellenchip, elektrischen Widerstand, magnetische oder andere Eigenschaft erkennen kann, die in geeigneten Filtern eindeutig vorhanden ist. Des Weiteren kann der Sensor dem ECM eine Ausgabe bereitstellen, die den Filter als geeignet (oder nicht) identifiziert. In einigen Ausführungsformen kann der Sensor nicht nur bestimmen, ob es sich bei dem Filter um einen Originalfilter handelt, sondern auch den Typ des eingebauten Filters. Je nachdem, ob ein geeigneter Filter eingebaut ist oder nicht, können einstellbare Parameter vom Algorithmus ausgewählt werden, die für die Umstände geeignet sind.
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Moderne Motoren haben normalerweise ein elektronisches Steuermodul, ECM. Das ECM ist ein Bordcomputer und/oder eine Steuerung (Steuerkreis), das Eingaben von Motorsensoren entgegen nimmt und Algorithmen und Nachschlagetabellen verwendet, um Motorprozesse und -funktionen zu steuern, Drehmoment zu berechnen, Bedingungen zu melden und sonstige geeignete Maßnahmen zu ergreifen. Das ECM kann einen Steuerkreis mit ein oder mehreren Steuermodulen oder -bereichen umfassen, die jeweils einen Speicher und einen Prozessor für das Senden und Empfangen von Steuersignalen und für die Kommunikation mit Peripheriegeräten haben, zum Beispiel zusätzliche Steuerkreise, Sensoren, Eingabegeräte und Ausgabegeräte. Das ECM ist an ein computerlesbares Medium angeschlossen, das flüchtigen und nicht flüchtigen Speicher beinhaltet, in dem computerlesbarer Code gespeichert ist. Der Prozessor greift auf den computerlesbaren Code zu und das computerlesbare Medium führt nach Ausführung des Codes die hierin beschriebenen Funktionen aus. Es ist außerdem selbstverständlich, dass, auch wenn das computerlesbare Medium vom Prozessor getrennt sein kann, das computerlesbare Medium auch Teil des Prozessors oder mit dem Prozessor fest verbunden sein kann, wobei in noch weiteren Ausführungsformen das computerlesbare Medium als eine Vielzahl von computerlesbaren Medien für den Zugriff durch den Prozessor implementiert sein kann. In den Steuerkreis können verschiedene Betriebsmodi programmiert sein, wie hierin weiter unten erörtert. Die Programmierungs- und Steuervorgänge des Steuerkreises sind hierin in Bezug auf nicht einschränkende Beispiele und Algorithmen beschrieben. Einige der Beispiele/Algorithmen beinhalten spezifische Abfolgen von Schritten für die Erreichung bestimmter Systemsteuerfunktionen. Die Konfiguration des Steuerkreises und aller verbundenen Steuerkreismodule und/oder -bereiche kann sich von dem, was dargestellt und beschrieben ist, erheblich unterscheiden. Der Umfang dieser Offenbarung soll nicht durch die wörtliche Reihenfolge und den Inhalt der hierin beschriebenen Schritte gebunden sein und daher sollen nicht erhebliche Unterschiede und/oder Änderungen in den Umfang der Offenlegung fallen. Im Allgemeinen umfasst der Steuerkreis einen programmierbaren Prozessor und einen Speicher für das Speichern von Informationen. Der Steuerkreis kann auch für das Senden und Empfangen von Signalen mit den angegebenen Peripheriegeräten über kabelgebundene und/oder drahtlose Verbindungen verbunden sein.
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Gemäß dieser Offenbarung kann das ECM einen Speicher und eine Programmierung haben, die einen Algorithmus und/oder eine Nachschlagetabelle enthält, die die zusätzliche Funktion der Bestimmung des Zustands des Kraftstoff- und/oder Schmierölfilters bereitstellt. Der Algorithmus kann dies auf eine Vielzahl von Arten tun. Er kann zum Beispiel eine Filterlebensdauerabbildung (später beschrieben) haben, um den inkrementellen Anteil der Lebensdauer des Filters zu bestimmen, der unter aktuellen Bedingungen läuft vom Motor verbraucht wird. Durch Summierung der inkrementellen Anteile über den Zeitraum, in dem der Filter eingebaut war, und das Vergleichen der Summe mit der erwarteten Lebensdauer des Filters unter bekannten Bedingungen, können der Zustand des Filters und seine restliche Nutzungsdauer geschätzt werden. In anderen Ausführungsformen kann der zeitgewichtete durchschnittliche Arbeitszyklus des Motors auf Basis von Drehmoment- und Drehzahldaten über das entsprechende Zeitintervall mit einer Filterlebensdauerabbildung verglichen werden, um den Zustand des Filters zu schätzen und/oder mit dem erwarteten Filterwartungsintervall zu vergleichen, um seine restliche Nutzungsdauer zu bestimmen. Wenn ein optionaler Sensor für die Erkennung geeigneter Filter verwendet wird, kann der Algorithmus entscheiden, einen Satz einstellbarer Parameter für geeignete Filter und einen anderen Satz (oder überhaupt keine Filterzustandsinformationen bereitzustellen) zu verwenden, wenn ein ungeeigneter Filter verwendet wird.
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3 ist eine schematische Darstellung eines Systems für die Implementierung verschiedener, hierin beschriebener Ausführungsformen. Wie in 3 dargestellt, ist ein Motor 300 kommunikativ mit einem Motorsteuermodul 305 oder einer ähnlichen Steuereinheit verbunden. Das Motorsteuermodul 305 ist außerdem kommunikativ mit einer Vielzahl von Sensoren verbunden, von denen jeder einzelne verwendet wird, um Daten für das elektronische Steuermodul 305 zur Manipulation und Einbeziehung in einen Algorithmus zu liefern, um den Zustand des Filters zu bestimmen. Die Vielzahl der Sensoren kann u. a. einen Motordrehzahlsensor 310, einen Ansaugkrümmerdrucksensor 315, ein Drosselklappenpositionssensor 320, ein Motordrucksensor 325, ein Kraftstoffqualitätssensor 330, ein Filtererkennungssensor 335, ein Filterzustandssensor 340 und ein Sensor für „geeignete Filter” 345 umfassen. Einige oder alle dieser Sensoren können außerdem direkt oder indirekt mit dem Motor 300 verbunden sein. Das Motorsteuermodul 305 ist elektrisch und/oder kommunikativ mit einem Ausgabegerät 350 verbunden, über das die festgestellten Filterzustandsinformationen ausgegeben werden.
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Die Erfinder haben beobachtet, dass die Filterlebensdauer für Motorschmieröl und Kraftstofffilter eine Funktion der Motorbetriebsbedingungen ist. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Filterlebensdauer durch schwere oder starke Nutzung sowohl für Schmieröl- als auch für Kraftstofffilter verkürzt wird. Im Gegensatz zu Schmieröl wird Kraftstoff verbrannt. Somit würde man erwarten, dass die Kraftstofffilterlebensdauer von Kontaminanten im zugeführten Kraftstoff und im geringeren Maß durch die Motorbetriebsbedingungen gesteuert wird. Trotzdem haben die Daten überraschenderweise gezeigt, dass die Kraftstofffilterlebensdauer durch schwere oder starke Nutzung verkürzt wird. Schmieröl wird andererseits unbegrenzt wieder in Umlauf gebracht, bis es ausgetauscht wird. Die restliche Motoröllebensdauer, aber nicht die Ölfilterlebensdauer, wurde aus einer Kenntnis der Temperatur, der Kraftstoffzufuhrrate, der Motordrehzahl und der Last (siehe
GB2345342B ) bestimmt, die hierin durch Bezugnahme einbezogen ist.
US 6,253,601 , das hierin durch Bezugnahme einbezogen ist, beschreibt ein System und ein Verfahren zur Bestimmung, wann das Öl auf Basis von Motorparametern wie Motortemperatur, Kraftstoffzufuhrrate, Motordrehzahl und Motorlast ausgetauscht werden sollte. Für die Schätzung des Zustands des Öls sind andere Verfahren vorhanden, jedoch nicht für die Bestimmung des Zustands des Öl-(oder Kraftstoff-)Filters. Der Zustand des Ölfilters ist eine Funktion der entfernten festen und halbfesten Kontaminanten. Somit beeinflussen, auch wenn der Zustand des Filters mit dem Zustand des Öls verbunden sein kann, andere Faktoren die Filterlebensdauer ebenfalls.
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Arbeitszyklus ist ein Begriff, der verwendet wird, um den Schweregrad der Motorbetriebsbedingungen zu beschreiben, und er kann auf verschiedene Weise unter Verwendung der Eingabe von den Motorsensoren definiert werden. Eine Möglichkeit, Arbeitszyklus zu definieren, ist als Überwindung einer Last mithilfe einer grafischen Darstellung von Motordrehmoment im Vergleich zur -drehzahl, wie in 2 dargestellt. In der Figur ist die schattierte Region durch Linien begrenzt, die die maximale Last und 70% der Last als Funktion der Geschwindigkeit darstellen. Diese Region kann als schwerer oder hoch beanspruchter Arbeitszyklus für den Motor definiert werden. Die Beziehung zwischen Motordrehmoment und -drehzahl und Filterlebensdauer kann mittels Motortests unter kontrollierten Bedingungen mithilfe eines Motorprüfstands abgebildet werden. Mithilfe der Filterlebensdauerabbildung kann die Auswirkung auf die Filterlebensdauer der spezifischen Drehmoment- und Drehzahlbedingungen in Bezug auf Referenzbedingungen bestimmt werden, die dem normalen Filterwartungsintervall für den Motor entsprechen. Diese Informationen können entsprechend auf kontinuierlicher oder periodischer Basis verwendet werden, um den Zustand des Filters zu schätzen.
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Es gibt andere Mittel, eine Filterlebensdauerabbildung zu erstellen oder Motorbetriebsbedingungen quantitativ zu modellieren und sie mit der Filterlebensdauer in Verbindung zu setzen. Der Arbeitszyklus kann zum Beispiel als Verhältnis der zeitgewichteten durchschnittlich produzierten Leistung zur Motornennleistung definiert werden, dem Prozentsatz der Zeit, in der der Motor mit Nennleistung betrieben wird (oder einem Bruchteil der Nennleistung), dem Prozentsatz der Zeit, der Kilometer (miles) oder des Kraftstoffes, der bei unterschiedlichen Drehzahlen verbraucht wird, Drehmoment- oder Verteilerrohrdrücke oder eine Kombination aus zwei oder mehr der vorher aufgeführten Definitionen. Jede davon kann verwendet werden, um eine Filterlebensdauerabbildung zu definieren, oder in einem Algorithmus verwendet werden, um Motorbetriebsbedingungen mit der Filterlebensdauer in Bezug zu setzen.
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Die vorliegende Offenbarung kann außerdem optionale einstellbare Parameter nutzen, um die Genauigkeit der Berechnung zu verbessern. Die Werte für die einstellbaren Parameter werden normalerweise während eines Wartungsintervalls konstant gehalten und hängen von der Art des Motors und Filters, der lokalen Kraftstoff- und Motorölqualität und den lokalen und Umgebungsfaktoren ab. Normalerweise sind ein (1) bis sechs (6) einstellbare Parameter erforderlich, jedoch können für komplexe Algorithmen und Modelle mehr erforderlich sein. Einstellbare Parameter können zum Beispiel erforderlich sein, um die Eigenschaften von Motor, Filter und Flüssigkeit zu berücksichtigen. Normalerweise werden Standardwerte für die einstellbaren Parameter in das ECM für die Verwendung durch den Algorithmus auf Basis der antizipierten normalen Bedingungen für den Motor und die Anwendung programmiert. Diese Werte können bei Bedarf manuell, elektronisch oder sonst vor oder nach Verwendung des Motors geändert werden, wenn erwartet wird, dass sich die Bedingungen von den Standardeinstellungen unterscheiden. Zum Beispiel können verschiedene Werte für die einstellbaren Parameter für Motoren in Stadtbusanwendungen in Nordamerika verwendet werden, im Gegensatz zu solchen, die Lieferungen in Asien durchführen. Wenn ein optionaler Sensor für geeignete Filter verwendet wird, kann ein Satz an Werten verwendet werden, wenn der Einbau eines geeigneten Filters bestätigt wird. Ein weiterer Satz an Werten kann verwendet werden, wenn ein ungeeigneter Filter eingebaut ist, um eine konservativere Schätzung des Filterzustands zu liefern und den Motor zu schützen. Alternativ kann der Algorithmus überhaupt keinen Filterzustand berechnen und angeben, wenn ein ungeeigneter Filter verwendet wird. Die Werte für diese Parameter können außerdem später, zum Beispiel durch Servicepersonal, auf Basis der Erfahrung und des Verlaufs vor Ort neu angepasst werden, um die Genauigkeit der Berechnung zu verbessern. Normalerweise werden die einstellbaren Parameter manuell eingegeben, jedoch können ein oder mehrere automatisch bereitgestellt werden, wenn geeignete Sensoren vorhanden sind, elektronisch oder durch andere Mittel.
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Ein Algorithmus, der sich im ECM befindet, kann verwendet werden, um den Zustand des Filters zu berechnen. Es gibt verschiedene Formen von Algorithmen, die die Berechnung durchführen können. Diese unterscheiden sich in Bezug auf Datenanforderungen, einstellbare Parameter und Genauigkeit der Ergebnisse. Alle benötigen Drehmoment-, Motordrehzahl- und Zeitdaten. Die folgende Gleichung ist ein Beispiel dafür:
wobei R die restliche Nutzungsdauer des Filters ist; E das normale Wartungsintervall des Filters; t die Motorlaufzeit, während der der Filter tatsächlich verwendet wurde; A, B und C sind einstellbare Parameter; und X und Y sind Variablen, deren Werte aus Drehmoment- und Drehzahldaten bestimmt werden. Die Werte für A und C hängen von der Art des Motors und Filters ab. Der Wert für B hängt von der antizipierten Kraftstoffqualität ab. Die Werte für X und Y werden aus Motordrehmoment- und -drehzahldaten zu einem bestimmten Zeitpunkt auf Basis der Filterlebensdauerabbildung oder mathematischer Modellierung der Beziehung zwischen den Eingabedaten und diesen Variablen erhalten.
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Der virtuelle Filterzustandssensor, wie beschrieben, kann entweder für den Kraftstofffilter oder den Schmierölfilter verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann das System den Zustand und/oder die restliche Lebensdauer sowohl des Kraftstoff- als auch des Schmierölfilters angeben. In der letzteren Ausführungsform wären keine zusätzlichen Sensoren erforderlich. Stattdessen wären nur ein zweiter Algorithmus und Mittel für die Ausgabe der Ergebnisse erforderlich.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der virtuelle Filterzustandssensor außerdem ein elektronisches Mittel für die Erkennung des Vorhandenseins und des Einbaus eines geeigneten Filters am Motor beinhalten, um die Genauigkeit der Berechnung sicherzustellen. Werte für ein oder mehrere der einstellbaren Parameter werden vom Typ des eingebauten Filters beeinflusst. Wenn ein elektronisches Mittel zur Erkennung geeigneter Filter verfügbar ist, um dem Algorithmus Daten zu liefern, könnte der Algorithmus bestätigen, dass der richtige Filter verwendet wird, bevor er die Filterzustandsausgaben liefert. Wenn ein ungeeigneter Filter eingebaut ist, würde der Filterzustand berechnet oder, alternativ, einstellbare Parameter würden verwendet werden, die den Zustand des Filters konservativ berechnen, und motivieren so zur Verwendung geeigneter Filter.
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Ein virtueller Filtersensor dient der Bestimmung des Zustands der Kraftstoff- und/oder Schmierölfilter auf Basis von Motordrehmoment-, -drehzahl- und -laufzeitdaten und dies erfordert keine direkte Messung der Filtereinschränkung (oder des Druckabfalls) oder der Durchflussrate durch den Filter. Der virtuelle Sensor könnte in Verbindung mit einem Mittel für die Bestimmung des Druckabfalls verwendet werden, um seine Zuverlässigkeit weiter zu verbessern, dies würde jedoch als eine im Grunde unabhängige und sekundäre Messung des Filterzustands verwendet. Der virtuelle Sensor verwendet Daten von typischen Motorsensoren oder -werten, die aus diesen Sensoren vom ECM berechnet werden. Die vorliegend beschriebenen Systeme können für die Eingabe von Werten für einstellbare Parameter sorgen, die mit den Eigenschaften des Motors, des Filters und der zu filternden Flüssigkeit verbunden sind, und optional in Bezug auf Anwendungs- und lokalen Bedingungen, um die Genauigkeit der Ergebnisse zu verbessern. Vorhandene Filterzustandssensoren, auch als Filterlebensdauer-, Filterverstopfungs- und Filterserviceindikatoren bekannt, bestimmen Filterzustände normalerweise auf Basis der Druckabfalldaten oder möglicherweise auf Basis des gefilterten Fluidvolumens. Es ist bekannt, dass es Ölqualitätssensoren gibt, die die Schmierölqualität mithilfe eines Bordsensors vorhersagen, aber nicht den Zustand des Filters. Da Kraftstoff verbrannt statt vollständig wieder in Umlauf gebracht wird, widerspricht es der Intuition, dass Motorbedingungen, die mit dem Arbeitszyklus verbunden sind, die Filterlebensdauer beeinflussen, dies wurde jedoch in der Tat durch Prüfzellen und Feldversuchsüberwachung bestätigt. Des Weiteren werden dieselben Eingabeparameter sowohl für Schmieröl- als auch für Kraftstofffilterzustandssensoren verwendet, daher sind minimale zusätzliche Anforderungen und keine zusätzlichen echten Sensoren erforderlich, um einen Motor mit beiden Arten virtueller Sensoren bereitzustellen. Und schließlich kann das vorliegend beschriebene System optional einen Sensor für „geeignete Filter” verwenden, um sicherzustellen, dass geeignete einstellbare Parameter durch den Algorithmus verwendet werden.
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4 ist ein Ablaufdiagramm, das einen beispielhaften Prozess zeigt, durch den verschiedene, hierin enthaltene Ausführungsformen implementiert werden können. Bei 400 in 4 werden Eingabeinformationen von einer Vielzahl von Sensoren in Verbindung mit dem Betrieb des Motors einer Steuereinheit wie einem ECM bereitgestellt. Bei 410 wird mindestens ein Teil der Eingabeinformationen verwendet, um eine Vielzahl von Eingabevariablen zu bestimmen, wobei die Vielzahl der Eingabevariablen eine Vielzahl von Motorbetriebsbedingungen darstellt. Wie vorher erörtert, umfassen die Motorbetriebsbedingungen, die dargestellt werden können, u. a. Motorlaufzeit, Motordrehmoment und Motordrehzahl. Beispielhaft kann eine Variable, die das Motordrehmoment darstellt, auf Eingabeinformationen in Verbindung mit mindestens einem der Werte für Ansaugkrümmerdruck, Drosselklappenposition und Motordrehzahl basieren. Bei 420 wird ein Algorithmus, der die Vielzahl der Eingabevariablen beinhaltet, verarbeitet, was zu einer Bestimmung des Zustands des Filters führt. Wie vorher erörtert, kann der Algorithmus auch direkt oder indirekt direkte Eingabeinformationen sowie andere Informationen berücksichtigen, zum Beispiel u. a. Arbeitszyklus, ob ein geeigneter Filter eingebaut wurde, Motorbetriebsumgebung, Motoreigenschaften, Filtereigenschaften, Betreibererfahrung, Motortemperatur und Kraftstoffqualität. Bei 430 werden Informationen bezüglich des Zustands des Filters an einen Benutzer, z. B. einen Fahrzeugbetreiber oder Servicetechniker, ausgegeben.
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In der vorstehenden Beschreibung wurden gewisse Begriffe aus Gründen der Kürze, Klarheit und des Verständnisses verwendet. Es sollen daraus keine unnötigen Beschränkungen gefolgert werden, die über die Anforderung des Standes der Technik hinausgehen, da solche Begriffe der Beschreibung dienen und dazu beabsichtigt sind, im breiten Sinne ausgelegt zu werden. Die hierin beschriebenen verschiedenen Konfigurationen, Systeme und Verfahrensschritte können allein oder in Kombination mit anderen Konfigurationen, Systemen und Verfahrensschritten verwendet werden. Es ist zu erwarten, dass im Umfang der angehängten Ansprüche verschiedene Äquivalente, Alternativen und Modifizierungen möglich sind. Jede Einschränkung in den angehängten Ansprüchen ist nur dann gemäß 35 U.S.C. § 112, sechster Abschnitt, auszulegen, wenn die Begriffe „Mittel für” oder „Schritt für” in der entsprechenden Einschränkung ausdrücklich aufgelistet sind.
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Dabei ist zu beachten, dass der hier zur Beschreibung verschiedener Ausführungsformen verwendete Begriff „beispielhaft” mögliche Beispiele, Darstellungen und/oder Veranschaulichungen möglicher Ausführungsformen angibt (und dass ein solcher Begriff nicht implizieren soll, dass solche Ausführungsformen unbedingt außergewöhnliche oder herausragende Beispiele sind).
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Es ist unbedingt zu beachten, dass die Konstruktion und Anordnung der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung dienen. Obwohl in dieser Offenbarung nur einige Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, wird der Fachmann, der diese Offenbarung studiert, ohne Weiteres verstehen, dass zahlreiche Modifikationen (z. B. in Größen, Abmessungen, Strukturen, Formen und Proportionen der verschiedenen Elemente, Parameterwerte, Montageanordnungen, Materialverwendung, Farben, Ausrichtungen usw.) möglich sind, ohne substantiell von den neuen Lehren und Vorteilen des hierin beschriebenen Gegenstands abzuweichen. Die Reihenfolge oder Abfolge von jeglichen Prozess- oder Verfahrensschritten kann gemäß alternativen Ausführungsformen variiert oder neu geordnet sein. Es können weitere Substitutionen, Modifikationen, Änderungen und Auslassungen an der Konstruktion, den Betriebsbedingungen und der Anordnung der verschiedenen Ausführungsbeispiele vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
