本發(fā)明涉及一種碳加載量檢測裝置及檢測方法，特別涉及一種柴油機顆粒捕集器碳加載量檢測裝置及檢測方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，隨著我國汽車保有量不斷提高，汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格。由于柴油機節(jié)約燃料、使用壽命長等優(yōu)點，現(xiàn)代汽車由汽油機驅(qū)動轉(zhuǎn)為由柴油機驅(qū)動的趨勢越來越明顯，目前柴油機的發(fā)展已經(jīng)成為汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向。柴油機尾氣主要包括一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化合物(NOx)、碳煙(PM)等。其中，柴油機排放出的碳煙需要利用柴油機顆粒捕集器(DPF)才能清除。柴油機DPF是一種安裝在柴油機發(fā)動機排放系統(tǒng)中的過濾器，由用碳化硅制作的蜂窩狀的陶瓷載體組成，當(dāng)廢氣流過DPF載體時，廢氣中的顆粒就可以被截留，該裝置可以減少發(fā)動機產(chǎn)生的碳煙達90％以上。

在柴油機DPF工作一段時間后，被截留的碳煙顆粒逐漸增多，會引起柴油機背壓升高，導(dǎo)致柴油機性能下降。為了防止DPF被堵塞而影響柴油機排氣，就需要定期對微粒捕集器捕集到的顆粒物進行處理，即DPF的再生。

因此，在柴油機顆粒捕集系統(tǒng)中，DPF內(nèi)催化劑狀態(tài)的檢測對該系統(tǒng)的控制起到了關(guān)鍵的作用。催化劑狀態(tài)中的碳加載量(Soot loading)就是一個很重要的參數(shù)。

目前，對于DPF碳加載量的測量方法分為：計算法和經(jīng)驗法以及綜合法。

計算法是利用相關(guān)數(shù)學(xué)或物理公式進行計算得到DPF碳加載量的方法。

通過獲取PM排出量與PM自然再生量的差值得到碳加載量。或?qū)⑻挤e累量的增量部分分為由總流阻的變化引起的積碳量變化、由灰分質(zhì)量引起的積碳量變化和由廢氣體積流量引起的積碳量變化三部分，利用相關(guān)公式進行計算，即可得到碳積累量。

經(jīng)驗法對碳加載量的判斷主要通過確定DPF兩端的壓差值、排氣管內(nèi)的廢氣流量、DPF的溫度等參數(shù)與碳加載量的關(guān)系形成的曲線或MAP圖，而后查圖表來確定實時的碳加載量。

具體實施過程可以通過查閱壓差值與碳加載量的對應(yīng)表得出DPF碳加載量估計值并通過氣流溫度等參數(shù)修正來提高精度；利用發(fā)動機萬有特性曲線標(biāo)定發(fā)動機DPF碳加載量；基于DPF兩端的壓差、以及排氣管內(nèi)的廢氣流量(DPF的溫度)標(biāo)定灰分量MAP圖；利用空載狀態(tài)方程確定標(biāo)準(zhǔn)壓差與碳累積量的標(biāo)準(zhǔn)壓差標(biāo)定曲線等。

綜合法，即綜合經(jīng)驗方法和計算方法，通過這兩種方法同時對DPF碳加載量進行檢測，并利用這兩種數(shù)據(jù)相互校準(zhǔn)，得到更為精確的DPF碳加載量數(shù)據(jù)。

如建立DPF壓差模型得到第一碳加載量，再通過對PM排出量和再生量計算第二碳加載量，保留準(zhǔn)確度較高的碳載量數(shù)據(jù)?；蛲ㄟ^行駛工況和加載碳顆粒速度的MAP圖，獲得第二碳載量，將這兩種方式結(jié)合對碳載量進行綜合判斷。

在以上基于壓差、廢氣流量、PM排出量及再生量等方法以及它們的綜合方法得到碳加載量的過程中需要使用大量的傳感器，成本較高，其精確程度往往取決于傳感器精度和計算模型的準(zhǔn)確度，在某些工況下存在較大的誤差，在特殊的極端情況下不能準(zhǔn)確估算DPF內(nèi)的碳加載量，直接影響DPF再生時刻。

若利用光學(xué)法及電磁方法則可以通過較低的成本精確地獲得DPF內(nèi)部碳加載量。如利用PM顆粒對光的散射作用也可以對DPF碳加載量進行檢測?；蛲ㄟ^射頻技術(shù)對DPF碳加載量進行檢測。

利用柴油機DPF的碳加載量不同，其諧振頻率不同的原理，能夠直接測出DPF中的碳加載量大小而不用依賴于其他傳感器的數(shù)據(jù)。采用這一方法測得的電磁特性變化情況是將DPF內(nèi)陶瓷蜂窩過濾體、涂層及一些其他金屬催化劑等作為一個整體而測得，具有速度快、測量精度更高、抗干擾能力強、操作簡單、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點，而且發(fā)動機的機械噪聲對射頻傳播、接收無影響。

在專利“一種基于射頻技術(shù)檢測碳累積量實現(xiàn)DPF準(zhǔn)確再生的方法及設(shè)備”一文中(申請?zhí)枺?01610309409.0)，提出了一種基于RF諧振頻率和碳累積量的對應(yīng)關(guān)系實時進行DPF過濾體中碳累積量的測量的方法。該系統(tǒng)對于諧振頻率的檢測是通過放在DPF上、下游的RF發(fā)生器、RF接收器，輻射射頻信號、接收DPF透射的射頻信號完成的。在裝置的選擇上和在DPF與天線位置關(guān)系上，該發(fā)明采用的是在DPF上、下游分別放置射頻發(fā)射、接收兩種裝置，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；該發(fā)明采用在對射頻信號的處理過程中，該發(fā)明采用對透射的射頻信號進行傅里葉變換得到能量譜曲線最大值點的方法完成對諧振頻率的標(biāo)定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的DPF碳加載量的檢測裝置及檢測方法中存在的諸多問題，而提供的一種柴油機顆粒捕集器碳加載量檢測裝置及檢測方法。

本發(fā)明提供的柴油機顆粒捕集器碳加載量檢測裝置包括有檢測線圈、電源模塊、控制器模塊、射頻放大模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，其中檢測線圈與DPF載體的過濾層平行放置并置于DPF載體底部的DPF載體封裝層和DPF載體本體之間，檢測線圈周期性地發(fā)射出從一個頻率到另一個頻率的射頻，射頻在DPF載體內(nèi)部經(jīng)過反射以后再次被原來的檢測線圈接收，檢測線圈還與數(shù)據(jù)采集模塊、射頻放大模塊相連接，數(shù)據(jù)采集模塊和射頻放大模塊均與控制器模塊相連接并由控制器模塊控制工作，電源模塊與數(shù)據(jù)采集模塊、射頻放大模塊和控制器模塊均相連并對它們提供電力。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由線圈、通訊芯片和存儲芯片組成，用于接收反射回來的射頻信號，并將接收到的射頻信號送往控制器模塊中的主控芯片進行計算分析以便進行下一步的控制。

射頻放大模塊主要由射頻發(fā)生器、功率放大器和線圈組成，射頻放大模塊由控制器模塊中的主控芯片控制工作，用于產(chǎn)生向DPF載體發(fā)射的不同頻率的射頻信號，射頻發(fā)生器依靠電源供電，將直流的電能轉(zhuǎn)為電磁能，在其內(nèi)部激發(fā)電磁振蕩，從而在相應(yīng)的時間段內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的射頻信號，并傳輸給放置在DPF載體底部的檢測線圈，通過檢測線圈將射頻信號輻射出去。

控制器模塊主要由主控芯片、通訊芯片以及數(shù)個接口組成，用于射頻信號控制、信號處理、碳加載量估計以及ECU設(shè)備通訊，主控芯片發(fā)出驅(qū)動信號，控制射頻放大模塊，由數(shù)據(jù)采集模塊采集到反射回的射頻信號，并發(fā)送回控制器模塊，控制器模塊接收后計算比較得出DPF載體內(nèi)部目前的碳加載量，控制器模塊設(shè)置的接口與發(fā)動機中的ECU設(shè)備相連并通訊。

檢測線圈、電源模塊、控制器模塊、射頻放大模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和ECU設(shè)備均為現(xiàn)有設(shè)備的組裝，因此，具體型號和規(guī)格沒有進一步進行贅述。

本發(fā)明提供的柴油機顆粒捕集器碳加載量檢測方法，其步驟如下：

步驟一、記錄當(dāng)DPF載體在同一碳加載量、不同頻率下，采集DPF載體在同一端口發(fā)射出的射頻信號引起的電壓幅值a1和接收到的反射射頻信號引起的電壓幅值b1；

步驟二、檢測線圈將接收到的射頻信號輸送給數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)通過通訊單元發(fā)送給控制器模塊中的主控芯片進行計算，如下式所示：

其中，由于檢測線圈只放置于DPF載體的底部，當(dāng)a₂＝0時，

|S₁₁|為回波損耗，單位為dB，|S₁₁|會隨著諧振腔內(nèi)部參數(shù)的變化而改變，描述了能量在諧振腔內(nèi)傳遞的情況，從而反映出DPF載體內(nèi)部碳加載量的變化情況；

步驟三、在同一DPF碳加載量狀態(tài)下，得到頻率為500MHz到2500MHz，步長100KHz的不同頻率下的|S₁₁|，當(dāng)|S₁₁|取最小值時其對應(yīng)的頻率即為諧振腔發(fā)生諧振時的頻率，由于|S₁₁|與諧振頻率有一一對應(yīng)的關(guān)系，采用|S₁₁|來標(biāo)定諧振頻率，在同一碳加載量下，當(dāng)|S₁₁|達到最小值時計算此時的諧振頻率，當(dāng)DPF載體內(nèi)碳加載量不同時，|S₁₁|取得最小值時對應(yīng)的諧振腔諧振頻率不同，因而每一個諧振頻率的數(shù)值對應(yīng)于DPF載體內(nèi)部不同的碳加載量狀態(tài)；

步驟四、在500MHz到2500MHz，步長100KHz的不同頻率下，建立不同碳加載量與諧振頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，并形成數(shù)據(jù)庫并寫入主控芯片；

步驟五、將上述裝置裝入柴油機后處理系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)動機開始工作以后，射頻放大模塊產(chǎn)生掃頻信號，主控芯片接收采集到的射頻信號數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算后得到一個掃頻周期內(nèi)最小的回波損失|S₁₁|數(shù)值并計算出產(chǎn)生最小的回波損失|S₁₁|數(shù)值這一時刻的諧振頻率，將其與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的諧振頻率數(shù)據(jù)進行匹配，得出實時的碳加載量，完成對DPF碳加載量的在線檢測；

步驟六、當(dāng)DPF載體內(nèi)部載碳量達到預(yù)設(shè)值時，控制器模塊向發(fā)動機中的ECU設(shè)備發(fā)送再生信號，在發(fā)動機ECU設(shè)備的控制下完成對DPF載體的再生。

本發(fā)明的工作原理：

在裝置的選擇上，本發(fā)明只在DPF載體一處安置用于發(fā)射和接收射頻信號的檢測線圈，通過對DPF載體反射的射頻信號來檢測諧振頻率，因而可以將發(fā)射和接收信號的電路集成放置于一處，簡化檢測裝置結(jié)構(gòu)、容易操作。在DPF載體與檢測線圈的位置關(guān)系上，將檢測線圈與DPF載體過濾層平行放置并置于DPF載體底部，即DPF載體封裝層和DPF載體之間。由于DPF載體封裝為金屬材料，將檢測線圈布置于金屬材料和DPF載體之間能保證檢測線圈不受外界干擾影響，提高測量精度。若將檢測線圈布置在氣流方向上則無法設(shè)置屏蔽層，同時廢氣中的碳煙顆粒會堆積在位于DPF上游的線圈上，影響測量精度。在對射頻信號進行處理時，采用的是檢測線圈發(fā)射射頻信號同時接收反射回的射頻信號，經(jīng)過計算得到回波損耗|S₁₁|參數(shù)，并找到其極小值對應(yīng)諧振頻率的方法完成對諧振頻率的標(biāo)定。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提供的一種柴油機顆粒捕集器碳加載量檢測裝置及檢測方法是利用射頻技術(shù)將DPF載體工作過程中捕獲碳煙顆粒的過程轉(zhuǎn)化為可以觀測的數(shù)值量。通過對回波損耗|S₁₁|在不同載碳量下最小值的記錄，計算出當(dāng)|S₁₁|取得最小值時對應(yīng)的頻率，即為此時DPF載體的諧振頻率，建立DPF載體諧振頻率與碳加載量的檢測數(shù)據(jù)庫。將實時的DPF載體內(nèi)部射頻信號發(fā)送回控制器模塊的主控芯片得到回波損耗數(shù)值|S₁₁|，計算得到一個掃頻周期內(nèi)|S₁₁|取得最小值時對應(yīng)的諧振頻率，并將計算得到的諧振頻率與數(shù)據(jù)庫中諧振頻率數(shù)值進行比較，得到實時的DPF載體內(nèi)部碳加載量，完成對DPF載體內(nèi)部催化劑狀態(tài)的檢測，以便于對DPF載體進行再生。

利用射頻檢測的方法完成對DPF載體內(nèi)部碳加載量的檢測是一種非接觸式的檢測方法，對工作中的DPF載體干擾小，同時具有檢測裝置簡單、速度快、精度高、工作可靠等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述檢測線圈安裝位置示意圖。

圖3為|S₁₁|檢測頻譜示意圖。

1、檢測線圈 2、電源模塊 3、控制器模塊 4、射頻放大模塊

5、數(shù)據(jù)采集模塊 6、DPF載體 7、封裝層 8、ECU設(shè)備。

具體實施方式

請參閱圖1、圖2和圖3所示：

本發(fā)明提供的柴油機顆粒捕集器碳加載量檢測裝置包括有檢測線圈1、電源模塊2、控制器模塊3、射頻放大模塊4和數(shù)據(jù)采集模塊5，其中檢測線圈1與DPF載體6的過濾層平行放置并置于DPF載體6底部的DPF載體6的封裝層7和DPF載體6的本體之間，檢測線圈1周期性地發(fā)射出從一個頻率到另一個頻率的射頻，射頻在DPF載體6內(nèi)部經(jīng)過反射以后再次被原來的檢測線圈1接收，檢測線圈1還與數(shù)據(jù)采集模塊5、射頻放大模塊4相連接，數(shù)據(jù)采集模塊5和射頻放大模塊4均與控制器模塊3相連接并由控制器模塊3控制工作，電源模塊2與數(shù)據(jù)采集模塊5、射頻放大模塊4和控制器模塊3均相連并對它們提供電力。

數(shù)據(jù)采集模塊5主要由線圈、通訊芯片和存儲芯片組成，用于接收反射回來的射頻信號，并將接收到的射頻信號送往控制器模塊3中的主控芯片進行計算分析以便進行下一步的控制。

射頻放大模塊4主要由射頻發(fā)生器、功率放大器和線圈組成，射頻放大模塊4由控制器模塊3中的主控芯片控制工作，用于產(chǎn)生向DPF載體6發(fā)射的不同頻率的射頻信號，射頻發(fā)生器依靠電源供電，將直流的電能轉(zhuǎn)為電磁能，在其內(nèi)部激發(fā)電磁振蕩，從而在相應(yīng)的時間段內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的射頻信號，傳輸給放置在DPF載體6底部的檢測線圈1，通過檢測線圈1將射頻信號輻射出去。

控制器模塊3主要由主控芯片、通訊芯片以及數(shù)個接口組成，用于射頻信號控制、信號處理、碳加載量估計以及ECU設(shè)備8通訊，主控芯片發(fā)出驅(qū)動信號，控制射頻放大模塊4，由數(shù)據(jù)采集模塊5采集到反射回的射頻信號，并發(fā)送回控制器模塊3，控制器模塊3接收后計算比較得出DPF載體6內(nèi)部目前的碳加載量，控制器模塊3還設(shè)置有接口與發(fā)動機中的ECU設(shè)備8相連并通訊。

檢測線圈1、電源模塊2、控制器模塊3、射頻放大模塊4、數(shù)據(jù)采集模塊5和ECU設(shè)備8均為現(xiàn)有設(shè)備的組裝，因此，具體型號和規(guī)格沒有進一步進行贅述。

本發(fā)明提供的柴油機顆粒捕集器碳加載量檢測方法，其步驟如下：

步驟一、記錄當(dāng)DPF載體6在同一碳加載量、不同頻率下，采集DPF載體6在同一端口發(fā)射出的射頻信號引起的電壓幅值a1和接收到的反射射頻信號引起的電壓幅值b1；

步驟二、檢測線圈1將接收到的射頻信號輸送給數(shù)據(jù)采集模塊5，數(shù)據(jù)采集模塊5將數(shù)據(jù)通過通訊單元發(fā)送給控制器模塊3中的主控芯片進行計算，如下式所示：

其中，由于檢測線圈1只放置于DPF載體6的底部，當(dāng)a₂＝0時，

|S₁₁|為回波損耗，單位為dB，|S₁₁|會隨著諧振腔內(nèi)部參數(shù)的變化而改變，描述了能量在諧振腔內(nèi)傳遞的情況，從而反映出DPF載體6內(nèi)部碳加載量的變化情況；

步驟三、在同一DPF載體6碳加載量狀態(tài)下，得到頻率為500MHz到2500MHz，步長100KHz的不同頻率下的|S₁₁|，當(dāng)|S₁₁|取最小值時其對應(yīng)的頻率即為諧振腔發(fā)生諧振時的頻率，由于|S₁₁|與諧振頻率有一一對應(yīng)的關(guān)系，采用|S₁₁|來標(biāo)定諧振頻率，在同一碳加載量下，當(dāng)|S₁₁|達到最小值時計算此時的諧振頻率，當(dāng)DPF載體6內(nèi)碳加載量不同時，|S₁₁|取得最小值時對應(yīng)的諧振腔諧振頻率不同，因而每一個諧振頻率的數(shù)值對應(yīng)于DPF載體6內(nèi)部不同的碳加載量狀態(tài)；

步驟四、在500MHz到2500MHz，步長100KHz的不同頻率下，建立不同碳加載量與諧振頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，并形成數(shù)據(jù)庫并寫入主控芯片；

步驟五、將上述裝置裝入柴油機后處理系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)動機開始工作以后，射頻放大模塊產(chǎn)生掃頻信號，主控芯片接收采集到的射頻信號數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算后得到一個掃頻周期內(nèi)最小的回波損失|S₁₁|數(shù)值并計算出產(chǎn)生最小的回波損失|S₁₁|數(shù)值這一時刻的諧振頻率，將其與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的諧振頻率數(shù)據(jù)進行匹配，得出實時的碳加載量，完成對DPF載體6碳加載量的在線檢測；

步驟六、當(dāng)DPF載體6內(nèi)部載碳量達到預(yù)設(shè)值時，控制器模塊3向發(fā)動機中的ECU設(shè)備8發(fā)送再生信號，在發(fā)動機ECU設(shè)備8的控制下完成對DPF載體6的再生。