CN116265724A - 发动机的排气后处理系统中的还原剂泵的预后警报策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了操作发动机排气后处理系统的方法，包括：接收还原剂泵的流体压力数据，确定泵操作状态，以及基于确定泵操作状态将泵健康参数与预后泵故障标准进行比较。操作发动机排气后处理系统进一步包括基于泵健康参数与预后泵故障标准之间的差异输出泵健康警报。还公开了相关的控制逻辑。

Description

发动机的排气后处理系统中的还原剂泵的预后警报策略
技术领域
本发明总体上涉及监测发动机的排气后处理系统中的泵运行，并且更具体地涉及预测地检测泵性能退化或故障。
背景技术
排气后处理系统在内燃发动机领域是公知的。发动机操作燃烧空气燃料的混合物以在发动机的燃烧气缸中产生快速的压力和温度升高，产生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物和各种有机和无机物质的排放物。排气后处理系统采用各种机构来减少这些排放物中的某些排放物，以防止它们排放到大气中。一种已知的用于还原氮氧化物或“NOx”的排气后处理装置被称为选择性催化还原装置或“SCR”。SCR装置已在全世界成功使用多年。
为了操作SCR装置，需要将还原剂喷射到来自发动机的排气流中。这种还原剂通常被称为柴油排放流体或DEF，并且通常在发动机或相关机器上的流体箱中携带。排气后处理系统中与DEF的喷射相关的部件通常包括流体连接到排气系统中的排气管道的一个或多个泵和一个或多个喷射器。为了实现注入的DEF的充分雾化，注入压力通常为至少几千磅每平方英寸。DEF本身往往是相对腐蚀性的流体。与相对高的注射压力相结合，这种系统的操作环境和对部件的要求往往相当苛刻。DEF泵、喷射器或其他设备的故障或性能退化可能会导致计划外且昂贵的机器的停机服务或维修。美国专利申请公开号US20140331645A1涉及一种用于喷射器故障修复的系统和方法，并公开了这些系统之一的典型示例。本领域为改进和开发替代策略提供了充足的空间。
发明内容
在一个方面，一种操作发动机的排气后处理系统的方法包括接收发动机的排气后处理系统中的还原剂泵的流体压力数据，以及确定还原剂泵的第一泵操作状态或第二泵操作状态中的一个。该方法还包括基于确定还原剂泵的第一泵操作状态或第二泵操作状态中的一个，将由流体压力数据指示的泵健康参数与第一预后泵故障标准或第二预后泵故障标准中的一个进行比较。所述方法进一步包含基于所述泵健康参数与所述第一预后泵故障标准或所述第二预后泵故障标准中的相应一者之间的差异而输出泵健康警报。
在另一方面，排气后处理系统包括还原剂泵、流体压力传感器和还原剂泵控制单元。还原剂泵控制单元构造成从流体压力传感器接收还原剂泵的流体压力数据，并确定还原剂泵的第一泵操作状态或第二泵操作状态中的一个。还原剂泵控制单元还构造成基于还原剂泵的第一泵操作状态或第二泵操作状态中的所确定的一个来将由流体压力数据指示的泵健康参数与第一预后泵故障标准或第二预后泵故障标准中的一个进行比较。还原剂泵控制单元还构造成基于泵健康参数与第一预后泵故障标准和第二预后泵故障标准中的相应一个之间的差异来输出泵健康警报。
在又一方面，一种用于机器中的排气后处理系统的控制系统包括还原剂泵控制单元。还原剂泵控制单元构造成接收表示泵健康参数的还原剂泵的流体压力数据，并确定还原剂泵操作状态。还原剂泵控制单元还构造成将泵健康参数与取决于所确定的还原剂泵操作状态的预后泵故障标准进行比较，并基于泵健康参数与预后泵故障标准之间的差异输出泵健康警报。
附图说明
图1是根据一个实施例的机器的侧视图；
图2是根据一个实施例的排气系统的图示；
图3是根据一个实施例的还原剂泵控制单元的功能框图；并且
图4是示出根据一个实施例的示例方法和逻辑流程的流程图。
具体实施方式
参见图1，示出了根据一个实施例的机器10。机器10包括支撑在地面接合轮16上的框架12。在具有倾卸床14和驾驶室18的矿用卡车的背景下示出了机器10。在其它实施例中，机器10可以是不同的非公路机器，例如履带式拖拉机、挖掘机、装载机，或各种其它非公路或公路上的机器。机器10也可以是固定机器，例如发电机组、泵、压缩机或其它机器。应当理解，本发明的机械实现基本上不受限制，并且矿用卡车的图示仅是许多可能的示例应用之一。
机器10还包括具有发动机22的内燃发动机系统20。发动机22可以是以合适的压缩点火液体燃料(例如柴油馏分燃料)运行的直喷式压缩/点火发动机。例如，可以操作发动机22以机械地驱动地面接合轮16或操作为电驱动马达提供动力的发电机。发动机系统20还包括具有后处理系统26的排气系统24。后处理系统26可包括还原剂箱28，该还原剂箱28存储车载体积的液体还原剂，例如市售的柴油排放流体或DEF。本文对“DEF”的描述和讨论不应被理解为需要任何特定类型的还原剂。后处理系统26还可以包括例如直接安装在箱28上的泵子组件30，并且包括一个或多个还原剂泵。DEF流体的进料可以从泵子组件30泵送到一个或多个DEF喷射器34。DEF喷射器34可以被电致动和电子控制以将DEF喷射到来自发动机22的排气流中，用于操作本领域技术人员熟悉的选择性催化还原或SCR装置。如将从以下描述中进一步显而易见的，后处理系统26可以唯一地操作以预测地检测预期的泵故障或性能退化。
现在还参见图2，更详细地示出了排气系统24和后处理系统26的附加特征。排气系统24包括其中具有SCR催化器38的排气管道36。SCR催化器38可用于处理来自发动机22的排气，以便以通常常规的方式还原氮氧化物或NOx。图2中还示出了泵子组件30中的总共四个DEF泵40，以及总共四个DEF喷射器34。DEF喷射器34可以流体连接到排气管道36以在SCR催化器装置38上游的位置处注入DEF。在一些实施例中，DEF喷射器34可以围绕排气管道36定位在不同的纵向(上游到下游)位置和/或不同的圆周位置。在一种实现方式中，每个DEF泵40同时操作，以便根据机器10的操作状态以周期性间隔或根据需要将DEF喷射到排气流中。例如，当发动机22在额定负载下操作时，DEF泵40可相对更频繁地操作，而如果机器10和发动机22空转，则DEF泵40可相对较不频繁地操作或根本不操作，这取决于本领域中充分表征的用于SCR操作的还原剂输送的需要。每当DEF泵40操作时，它们通常将在压力建立或积聚状态下操作，以将泵出口压力增加到期望的注射压力。当达到期望的喷射压力时，可以操作DEF喷射器34以将DEF喷射到排气流中。在一些实施例中，压力建立状态可以理解为包括泵起动状态的第一泵操作状态。当已经达到注射压力时，DEF泵40的操作可以理解为计量和控制状态，包括在一些实施例中的给料状态。
如上所述，泵故障或性能退化在排气后处理系统中可能具有不期望的后果。可能存在多种故障模式，其中观察到的第一故障模式与第一泵操作状态(例如压力建立状态)相关，并且观察到的第二故障模式与第二泵操作状态或计量和控制状态相关。在一些情况下，在第一泵操作状态中的泵故障或性能退化可以是较慢的故障模式，其中观察到泵操作中的变化或偏差，例如比期望的更长的起动持续时间。此外，在一些情况下，与第二泵操作状态相关联的故障或性能退化可以是更快的故障模式。由于一个或多个还原剂泵40可能不能在期望的定时以期望的喷射压力输送DEF，因此花费太长的时间来灌注会不期望地影响后处理系统26的性能。与计量和控制状态相关的故障或性能退化可能意味着泵即使被起动也可能根本不能输送所需的DEF注射压力。如上所述，本发明认识到了这些不同的故障模式，并且提出了使得能够预测地检测DEF泵的预期的或可能的故障或性能的解决方案，使得可以进行检查或维修。
为此，后处理系统26还包括控制系统49。控制系统49可包括还原剂泵控制单元50或ECM。ECM50可包括可编程逻辑控制器52和计算机可读存储器54。可编程逻辑控制器52(下文称为还原剂泵控制单元52)包括任何合适的处理器，例如微处理器或微控制器。存储器54包括任何合适的计算机可读存储器，例如RAM、ROM、SDRAM、EEPROM、FLASH等，并且存储计算机可执行指令，当由还原剂泵控制单元52执行时，所述计算机可执行指令执行本文所述的功能。控制系统49还包括多个流体压力传感器42，每个流体压力传感器42与DEF泵40中的一个相关联并且通常驻留在DEF泵40中的一个上。
在一种实施方式中，每个流体压力传感器42产生相应的一个还原剂泵40的流体压力数据。流体压力数据可以包括泵出口压力。因此，每个流体压力传感器42可以包括泵出口压力传感器。根据本发明的目的，可以在后处理系统26中的其它位置处，例如在DEF喷射器34处感测流体压力。控制系统49还包括警报装置58，例如灯、声音装置或另一警报装置，其能够响应于由ECM50产生的警报信号而操作以改变其状态，通常以人类操作者或监督控制器可察觉的方式，如本文进一步讨论的。控制系统49还包括机器传感器56，其可监测表示机器10的机器状态的参数。例如，机器传感器56可包括发动机速度传感器、燃料供给传感器、气流传感器或可指示发动机系统20的操作状态的一些其它合适的传感器或传感器组。发动机系统20的运行状态可以包括非操作状态、怠速操作状态、额定负载操作状态或其他状态。
还原剂泵控制单元52有时可与ECM50互换，其可构造成从相关的流体压力传感器42接收每个还原剂泵40的流体压力数据。还原剂泵控制单元52可进一步构造成确定一个或多个还原剂泵40的第一泵操作状态或第二泵操作状态中的一个。还原剂泵控制单元52还构造成基于还原剂泵40的第一泵操作状态或第二泵操作状态中的所确定的一个来将由流体压力数据指示的泵健康参数与第一预后泵故障标准或第二预后泵故障标准中的一个进行比较。可以回想到，第一泵操作状态可以是包括泵起动状态的压力建立状态。第二泵操作状态可以是计量和控制状态。在一些实施例中，计量和控制状态可以进一步理解为包括DEF状态的定量给料。泵健康参数可以包括观察到的压力建立持续时间或准备时间，并且第一预后泵故障标准可以包括预期的压力建立持续时间。因此，将泵健康参数与预后泵故障标准进行比较可以包括将观察到的压力建立持续时间与预期的压力建立持续时间进行比较。泵健康参数还可以包括观察到的泵出口压力大小，并且第二预后泵故障标准可以包括预期的泵出口压力大小。以此方式，取决于所确定的泵操作状态，还原剂泵控制单元52可应用适当的标准来确定泵故障或性能退化是否已发生或被预期。还原剂泵控制单元可进一步构造成基于泵健康参数与第一预后泵故障标准和第二预后泵故障标准中的相应一个之间的差异来输出泵健康警报。在一些实施例中，主题差异可以是算术差异。换言之，还原剂泵控制单元52可计算到目标压力的实测压力建立持续时间与预期持续时间之间的算术差，或实测出口压力量值与预期出口压力量值之间的算术差。输出的泵健康警报可以是到警报装置58的控制信号。将回想到，还原剂泵40可同时操作。因此，如果泵中的任何一个看起来在关于起动时间或出口压力的规范之外操作，则可以产生警报，该警报向操作者或监督控制器发出信号以服务后处理系统26。如从以下描述中还将进一步显而易见的，还原剂泵控制单元52可构造成基于所确定的当前泵操作状态执行不同的逻辑路径。还参考图3，示出了ECM50的图，其示出了在60处输入的机器数据和在62处输入的流体压力数据。利用机器数据，ECM50可确定包括发动机系统20和后处理系统26的机器10的当前操作状态，如本文所述。使用指示泵健康参数的流体压力数据，ECM50可以确定预测泵健康警报是否合理，并且适当地输出这样的警报64，如在此进一步讨论的。
工业实用性
现在还参考图4，示出了说明根据本发明的示例方法和逻辑流程的流程图100。在框110处，从附接到机器10的提供操作信息(机器数据)的部件的传感器获取数据，如本文所述。机器数据可包括但不限于通常与机器的状态或活动相关联的数据，或与诸如发动机系统或后处理系统的机器的系统相关联的数据。框110可包括从所有还原剂泵获取指示本文所述的泵健康参数的流体压力数据以及与预测评估泵健康相关的任何其它数据。从框110，流程图100前进到框120以选择所需的数据通道，包括每个泵处的DEF泵压力(例如泵出口压力)和每个泵处的DEF泵状态。如本文所讨论的，选择所需的数据通道可以包括区分激发和给料状态。选择所需的数据通道还可以包括区别于可能在泵送/剂量循环之后发生的泵净化状态，或区别于预后性泵健康诊断不适当或较差的其他泵操作状态或机器状态。
从框120，流程图100前进到框130，以将方法应用于所获得的所需数据频率。在一种实现方式中，框130包括已经获取的下采样数据，以便每秒获得泵出口压力的一个样本或某个其他时间间隔。流程图100从方框130前进到方框140，转换采集的数据以确定DEF泵状态，以匹配DEF泵处于预充状态或计量和控制状态。在框140处，可以获取适合于当前泵操作状态的数据，例如仅用于灌注或仅用于配量。框140还可以理解为基于还原剂泵是处于启动状态还是处于计量和控制状态来触发不同的逻辑路径。换言之，还原剂泵控制单元52还构造成基于还原剂泵的第一操作状态或第二操作状态中的所确定的一个来执行第一逻辑路径或第二逻辑路径中的一个。流程图100可以从框140前进到第一逻辑路径180或第二逻辑路径150。相应的逻辑路径180和150可以是单独的算法或相同算法的一部分，例如其子例程。逻辑路径150能够相对于一种故障或性能退化模式评估一个或多个还原剂泵，并且逻辑路径180能够相对于另一种故障或性能退化模式评估一个或多个还原剂泵。
如果执行逻辑路径180，则在框190处，还原剂泵控制单元52可确定DEF泵是否处于压力积聚或压力建立状态，例如启动状态，并证实压力积聚状态的持续时间。换言之，在框190处，还原剂泵控制单元52将观察到的压力建立持续时间的第一泵健康参数与预期的压力建立持续时间的第一预后泵故障标准进行比较。逻辑路径180可以从框190前进到框200，以确定DEF泵压力积聚状态是否持续一段设定的时间，标记可能发生故障或出现故障的DEF泵的事件。因此，框200可以包括基于第一泵健康参数与所应用的第一预后泵故障标准之间的差异来输出泵健康警报。
如果执行逻辑路径150，则在框160处，还原剂控制单元52确定计量控制状态下的DEF泵是否证明DEF泵压力。换句话说，在框160，将泵出口压力大小的第二泵健康参数与预期泵出口压力大小的第二预后泵故障标准进行比较。流程图100从框160前进到框170，以确定DEF泵是否下降到设定阈值以下，并且如果条件持续设定的时间段，则标记可能发生故障或出现故障的DEF泵的事件。因此，框170还可包括基于第二泵健康参数与第二预后泵故障标准之间的差异来输出泵健康警报。在任一逻辑路径的情况下，所应用的泵健康参数和预后泵故障标准可取决于所确定的还原剂泵操作状态。
本说明书仅用于说明目的，并且不应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，在不脱离本发明的完整和公平的范围和精神的情况下，可以对当前公开的实施例进行各种修改。通过阅读附图和所附权利要求书，其它方面、特征和优点将变得显而易见。如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可与“一个或多个”互换使用。在仅打算一个项目的情况下，使用术语“一个”或类似语言。此外，如在此使用的，术语“具有”、“具有”、“具有”等旨在是开放式术语。这里使用的术语“第一”和“第二”仅是为了描述的方便，并不旨在要求或建议结构或操作的任何特定的顺序或布置。此外，短语“基于”和类似短语旨在表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。

Claims (10)

1.一种操作发动机的排气后处理系统的方法，包括：
接收发动机的排气后处理系统中的还原剂泵的流体压力数据；
确定所述还原剂泵的第一泵操作状态或第二泵操作状态中的一个；
基于所述确定所述还原剂泵的第一泵操作状态或第二泵操作状态中的一个，将由所述流体压力数据表示的泵健康参数与第一预后泵故障标准或第二预后泵故障标准中的一个进行比较；以及
基于所述泵健康参数与所述第一预后泵故障标准和所述第二预后泵故障标准中的所述相应一者之间的差异来输出泵健康警报。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述接收泵压力数据包括从泵出口压力传感器接收压力数据；并且
确定第一泵操作状态或第二泵操作状态中的一个包括确定所述还原剂泵的压力建立状态或计量和控制状态中的一个。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
所述压力建立状态包括泵起动状态；并且
所述泵健康参数包括观察到的压力建立持续时间，并且所述第一预后泵故障标准包括预期的压力建立持续时间。
4.根据权利要求2所述的方法，其中：
所述计量和控制状态包括定量给料状态；并且
所述泵健康参数包括观察到的泵出口压力大小，并且所述第二预后泵故障标准包括预期的泵出口压力大小。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述还原剂泵是所述排气后处理系统中的多个还原剂泵中的一个，并且所述方法还包括将由所述多个还原剂泵中的每一个的流体压力数据表示的泵健康参数与所述第一预后泵故障标准或所述第二预后泵故障标准中的一个进行比较，以及基于所述相应泵健康参数中的任一者与相应第一预后泵故障标准或第二预后泵故障标准之间的差异来输出所述泵健康警报。
6.一种排气后处理系统，包括：
还原剂泵；
流体压力传感器；
还原剂泵控制单元，所述还原剂泵控制单元构造成：
从所述流体压力传感器接收所述还原剂泵的流体压力数据；
确定所述还原剂泵的第一泵操作状态或第二泵操作状态中的一个；
基于所述还原剂泵的第一泵操作状态或第二泵操作状态中的所确定的一个，将由所述流体压力数据指示的泵健康参数与第一预后泵故障标准或第二预后泵故障标准中的一个进行比较；以及
基于所述泵健康参数与所述第一预后泵故障标准和所述第二预后泵故障标准中的所述相应一者之间的差异输出泵健康警报。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述流体压力传感器包括泵出口压力传感器；
其中，所述第一操作状态包括压力建立状态，所述泵健康参数包括观察到的压力建立持续时间，并且所述第一预后泵故障标准包括预期的压力建立持续时间；
其中，所述第二操作状态包括计量和控制状态，所述泵健康参数包括观察到的泵出口压力大小，并且所述第二预后泵故障标准包括预期的泵出口压力大小；并且
其中，所述还原剂泵是多个还原剂泵中的一个，并且还包括多个还原剂喷射器，每个所述还原剂喷射器流体地连接到所述多个还原剂泵中的一个。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其中，所述还原剂泵控制单元还构造成基于所述确定的所述还原剂泵的第一操作状态或第二操作状态中的一个来执行第一逻辑路径或第二逻辑路径中的一个。
9.一种用于机器中的排气后处理系统的控制系统，包括：
还原剂泵控制单元，所述还原剂泵控制单元构造成：
接收指示泵健康参数的还原剂泵的流体压力数据；
确定还原剂泵操作状态；
将由所述流体压力数据指示的泵健康参数与取决于所述确定的泵操作状态的预后泵故障标准进行比较；以及
基于所述泵健康参数和所述预后泵故障标准之间的差异输出泵健康警报。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其中，所述还原剂泵控制单元还构造成：
在所述还原剂泵处于压力建立操作状态的情况下执行将所述泵健康参数与所述预后泵故障标准进行比较的第一逻辑路径；以及
执行将第二泵健康参数与第二预后泵故障标准进行比较的第二逻辑路径，其中所述还原剂泵处于计量和控制操作状态：
其中，所述第一泵健康参数是观察到的压力建立持续时间，并且所述第一预后泵故障标准是预期的压力建立持续时间；
其中，所述第二泵健康参数是观察到的泵出口压力大小，并且所述第二预后泵故障标准是预期的泵出口压力大小；以及
所述控制系统还包括警报装置，所述警报装置构造成响应于所述泵健康警报而操作。
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