DE102005055661A1

DE102005055661A1 - Abgasbehandlungsvorrichtungsüberwachungssystem

Info

Publication number: DE102005055661A1
Application number: DE102005055661A
Authority: DE
Inventors: George Dunlap Lin
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2006-07-13
Also published as: US20060137331A1; JP2006189052A; US7624572B2

Abstract

Ein Abgassystem ist vorgesehen, welches einen Abgaspfad hat, der konfiguriert ist, um einen Abgasstrom weg von einem Motor zu leiten. Das System kann auch eine Abgasbehandlungsvorrichtung in dem Abgaspfad aufweisen, die konfiguriert ist, um auf eine oder mehrere Substanzen in dem Abgasstrom zu wirken. Weiterhin kann das System mindestens eine Temperaturabfühlvorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße zu liefern, die eine Temperatur an einer oder mehreren Stellen an einem Arbeitsmaterial der Abgasbehandlungsvorrichtung anzeigt. Zusätzlich kann das System eine Steuervorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um eine Temperaturkarte des Arbeitsmaterials der Abgasbehandlungsvorrichtung zu erzeugen und Abweichungen von einer erwarteten Temperaturkarte zu bestimmen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung ist auf ein Abgasbehandlungsvorrichtungsüberwachungssystem gerichtet, und insbesondere auf ein Abgasbehandlungsvorrichtungsüberwachungssystem, das konfiguriert ist, um einen Zustand der Abgasbehandlungsvorrichtung basierend auf Temperaturinformationen zu bestimmen.
Hintergrund
Motoren, die Dieselmotoren, Benzinmotoren, Erdgasmotoren und andere in der Technik bekannte Motoren aufweisen, können eine komplexe Mischung von Luftverunreinigungen ausstoßen. Die Luftverunreinigungen können sowohl aus gasförmigem als auch aus festem Material zusammengesetzt sein, beispielsweise aus Partikelstoffen. Partikelstoffe können Asche und unverbrannte Kohlenstoffpartikel aufweisen, die Ruß genannt werden.
Aufgrund vermehrter Rücksicht auf die Umwelt sind Abgasemissionsstandards immer strenger geworden. Die Menge der Partikel und der gasförmigen Verunreinigungen, die aus einem Motor ausgestoßen werden, können abhängig von der Art, der Größe und/oder der Klasse des Motors geregelt sein. Um diese Emissionsstandards zu erfüllen haben Motorhersteller Verbesserungen bei verschiedenen unterschiedlichen Motortechnologien verfolgt, wie beispielsweise bei der Brennstoffeinspritzung, beim Motormanagement und der Lufteinleitung, um einige zu nennen. Zusätzlich haben Motorhersteller Vorrichtungen zur Behandlung von Motorabgasen entwickelt, nachdem diese den Motor verlassen.
Motorhersteller haben Abgasbehandlungsvorrichtungen eingesetzt, die Partikelfallen genannt werden, um die Partikelstoffe aus dem Abgasfluss eines Motors zu entfernen. Eine Partikelfalle ist ein Filter, der ausgelegt ist, um Partikelstoffe einzufangen. Die Anwendung der Partikelfalle für verlängerte Zeitperioden kann jedoch ermöglichen, dass sich Partikelstoffe im Filter aufbauen, was bewirkt, dass die Funktionsfähigkeit des Filters und/oder die Motorleistung abnehmen.
Ein Verfahren, um die Leistung einer Partikelfalle wiederherzustellen, kann sein, eine Regeneration einzurichten. Die Regeneration eines Partikelfallenfiltersystems kann erreicht werden durch Vergrößerung der Temperatur des Filters und der eingefangen Partikelstoffe über die Verbrennungstemperatur der Partikelstoffe, wodurch die gesammelten Partikelstoffe weggebrannt werden und das Filtersystem regeneriert wird. Motorhersteller haben auch katalytische Materialien (Katalysatoren) eingesetzt, um chemisch Abgase zu reinigen. Katalysatorbasierte Behandlungsvorrichtungen können Katalysatoren aufweisen, die die Entfernung von ausgewählten Verunreinigungen aus einem Abgasstrom begünstigen, und zwar durch Oxidieren und/oder Reduzieren von speziellen gasförmigen Verbundstoffen im Abgas. Diese können NO_x, Kohlenmonoxid (CO) oder irgendwelche anderen gasförmigen Verbundstoffe aufweisen, die aus dem Abgasstrom entfernt werden sollen. Eine katalysatorbasierte Behandlungsvorrichtung, wie beispielsweise eine NO_x Adsorptionsvorrichtung kann auch regeneriert werden durch einfaches Laufenlassen des Motors mit einer fetten Luft-Brennstoff-Mischung.
Die Temperatur kann ein wichtiger Faktor mit Bezug auf sowohl Partikelfallen als auch katalysatorbasierte Behandlungsvorrichtungen sein. Insbesondere kann übermäßige Wärme von verschiedenen Quellen in einem Abgassystem Leistungsverluste und/oder mechanisches Versagen von Partikelfallen und katalysatorbasierten Behandlungsvorrichtungen bewirken. Diese Wärmequellen können das Abgas aufweisen, welches zu den Abgasbehandlungsvorrichtungen geliefert wird, die Regeneration von Vorrichtungen und exotherme Reaktionen. Es können auch manche Abgasbehandlungsvorrichtungen nicht mit ihrer vollen Leistungsfähigkeit bei Temperaturen arbeiten, die zu niedrig sind. Beispielsweise kann eine Regeneration am besten über einer speziellen Temperatur erreicht werden. Zusätzlich können chemische Reaktionen, die in katalysatorbasierten Behandlungsvorrichtungen stattfinden, auch am wirksamsten über einer speziellen Temperatur auftreten.
Abnorme Betriebstemperaturen können Probleme mit Abgasbehandlungsvorrichtungen anzeigen. Beispielsweise können strukturelle und/oder mechanische Versagensfälle einer Abgasbehandlungsvorrichtung die Flusspfade von Abgasen verändern, was Steigerungen oder Verringerungen des Flusses durch spezielle Abschnitte einer Abgasbehandlungsvorrichtung zur Folge hat. Steigerungen oder Verringerungen des Flusses können entsprechende Steigerungen oder Verringerungen der Betriebstemperatur und/oder der Veränderungsrate der Betriebstemperatur in diesen speziellen Abschnitten zur Folge haben.

Durch Überwachung der Temperatur der Abgasbehandlungssystemkomponenten kann die Abgasbehandlung gesteuert werden, um zu verhindern, dass die Komponenten zerstörerisch hohen Temperaturen unterworfen werden und/oder um die Betriebstemperaturen innerhalb eines erwünschten Bereichs zu halten. Systeme sind vorgeschlagen worden, um den Schaden zu verringern, der durch Wärme in den Abgasbehandlungssystemkomponenten verursacht wird. Beispielsweise offenbart das US-Patent 6 622 480, ausgegeben am 23. September 2003 an Tashiro u. A. ("das'480-Patent") ein Abgasbehandlungssystem, welches einen katalytischen Partikelfilter aufweist. Das '480-Patent offenbart weiter eine Rückkoppelungsregelung (closed-loop) der Regeneration des Partikelfilters basierend auf Abgastemperaturen, die direkt stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters gemessen werden, und zwar in einem Versuch, den Schaden an den Komponenten zu minimieren, der aus übermäßiger Wärme resultieren kann.

Während das System des '480-Patentes die gesamte Temperatur des Partikelfilters überwachen kann, hat das System des '480-Patentes verschiedene Nachteile. Beispielsweise überwacht es nicht Abweichungen der Temperatur an lokalen Stellen des Partikelfilters. Lokale Temperaturabweichungen können lokales strukturelles Versagen in einer Abgasbehandlungsvorrichtung anzeigen, was möglicherweise einen beträchtlichen Leistungsverlust und/oder einen viel weiter gehenden Schaden an der Abgasbehandlungsvorrichtung oder an anderen Komponenten des Motors oder des Abgassystems zur Folge haben könnte.

Das offenbarte Abgasbehandlungsvorrichtungsüberwachungssystem ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Abgassystem mit einem Abgaspfad gerichtet, der konfiguriert ist, um einen Abgasstrom weg von einem Motor zu leiten. Das System kann auch eine Abgasbehandlungsvorrichtung in dem Abgaspfad aufweisen und konfiguriert sein, um auf eine oder mehrere Substanzen in dem Abgasstrom zu wirken. Weiterhin kann das System mindestens eine Temperaturabfühlvorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße zu liefern, die eine Temperatur an einer oder mehreren Stellen eines Arbeitsmaterials der Abgasbehandlungsvorrichtung anzeigt. Zusätzlich kann das System eine Steuervorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um eine Temperaturkarte des Arbeitsmaterials der Abgasbehandlungsvorrichtung zu erzeugen, und um Abweichungen von einer erwarteten Temperaturkarte zu bestimmen.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Überwachung einer Abgasbehandlungsvorrichtung gerichtet. Das Verfahren kann aufweisen, einen Abgasstrom von einem Motor zu der Abgasbehandlungsvorrichtung zu leiten. Das Verfahren kann auch aufweisen, eine Temperaturkarte eines Arbeitsmaterials der Abgasbehandlungsvorrichtung zu erzeugen und Abweichungen von einer erwarteten Temperaturkarte zu bestimmen.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf eine Ar beitsmaschine gerichtet, die eine Bedienerstation, einen Rahmen, mindestens eine Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung und einen Verbrennungsmotor hat. Die Arbeitsmaschine kann auch einen Abgaspfad aufweisen, der konfiguriert ist, um einen Abgasstrom weg von dem Verbrennungsmotor zu leiten, und eine Abgasbehandlungsvorrichtung in dem Abgaspfad, die konfiguriert ist, um auf eine oder mehrere Substanzen in dem Abgasstrom zu wirken. Zusätzlich kann die Arbeitsmaschine mindestens eine Temperaturabfühlvorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße zu liefern, die eine Temperatur an einer oder an mehreren Stellen eines Arbeitsmaterials der Abgasbehandlungsvorrichtung anzeigt. Weiterhin kann die Arbeitsmaschine eine Steuervorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um eine Temperaturkarte des Arbeitsmaterials der Abgasbehandlungsvorrichtung zu erzeugen, und um Abweichungen von einer erwartenden Temperaturkarte zu bestimmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine diagrammartige Darstellung einer Arbeitsmaschine gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
2 ist eine diagrammartige Darstellung eines Abgasbehandlungsvorrichtungsüberwachungssystems gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
3 sieht eine beispielhafte Kurvendarstellung der Temperatur gegenüber der Zeit gemäß einem offenbarten Ausführungsbeispiel vor.
4A ist eine diagrammartige Querschnittsdarstellung einer Abgasbehandlungsvorrichtung, die entlang 4-4 in 2 aufgenommen wurde, und zwar gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
4B ist eine diagrammartige Querschnittsdarstellung einer weiteren Abgasbehandlungsvorrichtung, die entlang 4-4 in 2 aufgenommen wurde, und zwar gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
4C ist eine diagrammartige Darstellung eines Aufnahmetemperaturkartenbildes gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
4D ist eine diagrammartige Darstellung eines Aufnahmebildes einer Histogramm-Erweiterung einer Temperaturkarte gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
Detaillierte Beschreibung
Es wird nun im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen. Wo immer es möglich ist, werden die gleichen Bezugszeichen in den gesamten Zeichnungen verwendet, um sich auf die selben oder auf die gleichen Teile zu beziehen.
1 veranschaulicht eine Arbeitsmaschine 10. Die Arbeitsmaschine 10 kann eine Bedienerstation 12 aufweisen. Die Arbeitsmaschine 10 kann weiter eine oder mehrere Traktions- bzw. Antriebsvorrichtungen 13, einen Motor 14 und ein Abgassystem 16 aufweisen.
Obwohl die Arbeitsmaschine 10 als ein Lastwagen gezeigt ist, könnte die Arbeitsmaschine 10 irgendeine Art einer Maschine sein, die einen Abgas erzeugenden Motor hat. Entsprechend können die Antriebsvorrichtungen 13 irgendeine Art von Antriebsvorrichtungen sein, wie beispielsweise Räder, wie in 1 gezeigt, Raupen, Riemen oder irgendwelche Kombinationen davon.
Der Motor 14 kann irgendeine Bauart eines Motors sein, die einen Abgasstrom erzeugt. Beispielsweise kann der Motor 14 ein Verbrennungsmotor sein, wie beispielsweise ein Benzinmotor, ein Dieselmotor, ein Erdgasmotor oder irgendein anderer Abgas erzeugender Motor.
2 veranschaulicht ein Abgasbehandlungsvorrichtungsüberwachungssystem 18. Das System 18 kann den Motor 14 aufweisen. Das System 18 kann weiter einen Abgaspfad aufweisen, der eine Auslassleitung bzw. Abgasleitung 20 aufweisen kann, die konfiguriert ist, um einen Abgasstrom von Abgasen, die vom Motor 14 erzeugt wurden, zu einer Abgasbehandlungsvorrichtung 22 zu leiten. Stromabwärts von der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 können die Abgase in die Atmosphäre durch einen Auslass 24 der Auslassleitung 20 entlüftet werden. Das System 18 kann auch eine oder mehrere Temperaturabfühlvorrichtungen 26 aufweisen. Informationen von den Temperaturabfühlvorrichtungen 26 können von einer Steuervorrichtung 28 überwacht werden. Die Steuervorrichtung 28 kann auch konfiguriert sein, um die Informationen zu verarbeiten und/oder auf einer Anzeige 30 auszugeben. Die Steuervorrichtung 28 kann weiter konfiguriert sein, um die Informationen an eine oder mehrere externe (nicht gezeigte) Datenspeicher- und/oder Datenverarbeitungsvorrichtungen auszugeben.
Die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 kann irgendeine Art einer Vorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um auf eine oder mehrere Substanzen in dem Abgasstrom zu wirken, der vom Motor 14 erzeugt wird. Die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 kann mindestens ein Arbeitsmaterial bzw. wirksames Material aufweisen, das konfiguriert ist, um mechanisch und/oder chemisch auf einen oder mehrere Bestandteile des Abgasstroms zu wirken. Das Arbeitsmaterial kann irgendein Material, eine Struktur oder eine Komponente der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 aufweisen, die bezüglich der Temperatur überwacht bzw. dokumentiert werden kann.
Die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 kann eine Partikelfalle aufweisen, die konfiguriert ist, um Partikelstoffe aus dem Abgasstrom zu filtern. Ein mögliches Arbeitsmaterial für eine Partikelfalle kann einen Filter oder ein Filtermaterial aufweisen (beispielsweise ein Metallgitter, wie in 4A gezeigt), um Partikelstoffe einzufangen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 eine katalysatorbasierte Behandlungsvorrichtung aufweisen. Für eine katalysatorbasierte Behandlungsvorrichtung kann das Arbeitsmaterial eines oder meh rere katalytisch beschichtete oder katalytisch imprägnierte Trägermaterialien aufweisen (beispielsweise Cordierit, Aluminiumoxid, Ceolit usw.), um chemisch einen oder mehrere gasförmige Verbundstoffe in dem Abgasstrom des Motors 14 zu verändern. Eine Katalysatorträgerstruktur kann irgendeine Struktur aufweisen, die einen Oberflächenbereich vorsieht, auf dem ein Katalysatormaterial getragen werden kann. Weiterhin kann die Trägerstruktur selbst katalytische Eigenschaften haben.
Das Arbeitsmaterial für eine katalysatorbasierte Behandlungsvorrichtung kann beispielsweise eine Reihe von langgestreckten rohrförmigen Durchlässen aufweisen, die in einer Honeycomb- bzw. Wabenstruktur angeordnet sind (siehe 4B). Abgase können durch die rohrförmigen Durchlässe fließen, und katalytisches Material an den Wänden der Durchlässe kann chemisch einen oder mehrere Stoffe in dem Abgasstrom verändern. Beispielsweise kann eine katalysatorbasierte Behandlungsvorrichtung einen oder mehrere katalytische Materialien aufweisen, die geeignet sind, um unerwünschte Verbundstoffe (beispielsweise Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO_x), Kohlenwasserstoffe (HC) usw.) in akzeptablere bzw. unschädliche Verbundstoffe umzuwandeln (beispielsweise Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N₂), Wasser (H₂O) usw.).
Das System 18 kann mehr als eine Abgasbehandlungsvorrichtung 22 aufweisen. Weiterhin kann das System 18 mehr als eine Abgasbehandlungsvorrichtung der gleichen Art aufweisen (beispielsweise mehrere Partikelfallen), oder kann unterschiedliche Arten von Abgasbehandlungsvorrichtungen aufweisen. Beispielsweise kann das System 18 eine oder mehrere Partikelfallen und eine oder mehrere katalysatorbasierte Behandlungsvorrichtungen aufweisen. Weiterhin können zwei Arten von Abgasbehandlungsvorrichtungen in einer Einheit kombiniert werden, wie beispielsweise eine katalytische Partikelfalle.
Das System 18 kann auch eine Regenerationsvorrichtung 32 aufweisen, die konfiguriert ist, um die Leistung der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 auf recht zu erhalten oder wieder herzustellen. Die Ansammlung von Abgasstrombestandteilen in der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 kann eine Verringerung der Motorleistung und/oder einen möglichen Schaden an der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 und/oder an anderen Komponenten des Systems 18 zur Folge haben. Beispielsweise kann die Regenerationsvorrichtung 32 konfiguriert sein, um Ruß abzubrennen, der sich in einer Partikelfalle angesammelt hat. Die Regenerationsvorrichtung 32 kann irgendeine Bauart einer Vorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um die Temperatur der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 anzuheben, wie beispielsweise Brenner, elektrische Heizungselemente usw..
Zusätzlich zu der Regenerationsvorrichtung 32 oder an Stelle dieser kann der Motor 14 konfiguriert sein, um die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 zu regenerieren. Beispielsweise kann durch Betrieb mit einer fetten Luft-Brennstoff-Mischung der Motor 14 die Regeneration von gewissen Arten von Abgasbehandlungsvorrichtungen begünstigen. NO_x-Adsorptionsvorrichtungen können beispielsweise in solcher Weise regeneriert werden. Anstatt einfach Verbundstoffe in dem Abgasstrom umzuwandeln, wenn sie durchlaufen, wandeln NO_x-Adsorptionsvorrichtungen NO_x in einen anderen Verbundstoff um, der innerhalb der Adsorptionsvorrichtung gespeichert werden kann. Da es eine begrenzte Kapazität zur Speicherung von solchen Verbundstoffen gibt, sollten die Verbundstoffe periodisch freigegeben werden, um die Wirksamkeit der NO_x-Adsorptionsvorrichtung aufrecht zu erhalten. Wenn man den Motor 14 für eine kurze Zeitperiode fett laufen lässt, erzeugt dieses gesteigerte Mengen von Stoffen wie beispielsweise HC und CO in höheren Konzentrationen. Diese Stoffe können mit den gespeicherten Verbundstoffen in der NO_x-Adsorptionsvorrichtung reagieren, um Verbundstoffe zu erzeugen, wie beispielsweise N2 und CO₂, die aus der NO_x-Adsorptionsvorrichtung ausgestoßen werden können.
Die Temperaturabfühlvorrichtungen 26 können konfiguriert sein, um Temperaturen eines Arbeitsmaterials in einem oder mehreren Teilen der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 zu bestimmen. Die Temperaturabfühlvorrichtungen 26 können an irgendeiner geeigneten Stelle gelegen sein. Beispielsweise können die Temperaturabfühlvorrichtungen 26 innerhalb der Abgasleitung 20 nahe bei der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 oder benachbart dazu liegen. Alternativ oder zusätzlich können die Temperaturabfühlvorrichtungen 26 an der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 angebracht sein oder darin liegen.
In einem Ausführungsbeispiel können die Temperaturabfühlvorrichtungen 26 einen stromaufwärts liegenden Temperatursensor 34 aufweisen, der konfiguriert sein kann, um ein Temperaturprofil eines Oberflächenbereiches von Arbeitsmaterial an einem Einlassende 36 der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 zu bestimmen. Das heißt, der stromaufwärts liegende Temperatursensor 34 kann konfiguriert sein, um die Temperaturen von verschiedenen Teilen des Oberflächenbereiches des Arbeitsmaterials zu bestimmen. Die Temperaturabfühlvorrichtungen 26 können auch einen stromabwärts liegenden Temperatursensor 38 aufweisen, der konfiguriert sein kann, um ein Temperaturprofil eines Oberflächenbereiches des Arbeitsmaterials an einem Auslassende 40 der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 zu bestimmen.
Die Temperaturabfühlvorrichtungen 26 können einen oder mehrere Infrarot-Temperatursensoren aufweisen. Beispielsweise können die Temperaturabfühlvorrichtungen 26 irgendeine Infrarot-Sensoranordnung aufweisen. Eine solche Infrarot-Sensoranordnung kann mehrere Infrarot-Sensoreinheiten aufweisen, die jeweils konfiguriert sind, um eine Temperatur eines bestimmten Abschnittes des Arbeitsmaterialoberflächenbereiches zu bestimmen. Mit diesen mehreren Sensoreinheiten können Variationen der Temperatur unter den Abschnitten des Arbeitsmaterialobertlächenbereiches detektiert werden.
Die Temperaturmessungen aus den bestimmten Abschnitten können eine Temperaturkarte bzw. ein Temperaturverlauf des Oberflächenbereiches aufbauen. Die Temperaturkarte kann irgendeinen Satz von Temperaturmessungsdaten aufweisen. Beispielsweise kann die Temperaturkarte einen oder mehrere Temperaturmessungswerte aufweisen, die mit der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 assoziiert sind.
Die Steuervorrichtung 28 kann konfiguriert sein, um die Temperaturkartendaten zu verarbeiten. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 28 konfiguriert sein, um die Temperaturmessungen zu kompilieren bzw. zusammenzustellen, die von den Temperaturabfühlvorrichtungen 26 aufgenommen wurden. Die Steuervorrichtung 28 kann auch konfiguriert sein, um eine Temperaturkarte eines Teils des Arbeitsmaterialoberflächenbereiches zu erzeugen. Zusätzlich kann die Steuervorrichtung 28 konfiguriert sein, die erzeugte Temperaturkarte mit einer vorbestimmten oder erwarteten Temperaturkarte zu vergleichen, die in dem Speicher gespeichert ist, um Abweichungen von der erwarteten Temperaturkarte zu bestimmen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 28 bestimmen, ob irgendwelche Temperaturen, die von den Temperaturabfühlvorrichtungen 26 gemessen werden, von einer erwarteten Temperatur abweichen, oder ob sie aus einem erwarteten Bereich von Temperaturen herausfallen. Solche Abweichungen können abnorme Betriebsbedingungen anzeigen, die aufgrund von Fehlfunktionen oder Versagensfällen von einer oder von mehreren Komponenten der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 und/oder anderen Komponenten des Systems 18 auftreten könnten.
Zusätzlich kann die Steuervorrichtung 28 konfiguriert sein, die Temperaturkarte des Einlassendes 36 mit jener des Auslassendes 40 zu vergleichen. Die Steuervorrichtung 28 kann konfiguriert sein, um eine Flussverteilung durch die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 basierend auf diesem Vergleich zu bestimmen. Die Steuervorrichtung 28 kann auch konfiguriert sein, die bestimmte Flussverteilung mit einer erwarteten Flussverteilung zu vergleichen. Irgendwelche Abweichungen von der erwarteten Flussverteilung können einen oder mehrere Probleme mit der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 anzeigen.
Weiterhin kann die Steuervorrichtung 28 konfiguriert sein, die Temperaturkarte zu verbessern, um Temperaturvariationen leichter unterscheidbar zu machen (beispielsweise für das unbewehrte menschliche Auge oder durch eine maschinelle Interpretation). Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 28 konfiguriert sein, um eine Histogramm-Erweiterung der Temperaturkarte zu erzeugen, um klarer Variationen der Temperatur und/oder Abweichungen von erwarteten Temperaturen in der gesamten Karte zu definieren oder in anderer Weise darzustellen. Eine Histogramm-Erweiterung kann die Variationen der Temperatur verstärken, indem sie die Temperaturmessungen über eine breitere Skala ausbreitet. Wenn beispielsweise die Temperaturabfühlvorrichtungen 26 Temperaturen messen, die von 1 Grad bis 10 Grad reichen, kann eine Histogramm-Erweiterung die Temperaturen auf einer Skala von 1 bis 40 Einheiten darstellen. Daher kann eine Temperatur von zwei Grad durch den Wert 8 dargestellt werden, und eine Temperatur von drei Grad kann durch den Wert 12 dargestellt werden. Somit kann eine Temperaturdifferenz von einem Grad auf einer Differenz von vier Einheiten auf der ausgedehnten Skala vergrößert werden. Eine Maschine, die Abweichungen von einem erwarteten Temperaturbereich bestimmen kann, kann die verstärkte Differenz leichter erkennen (beispielsweise mit weniger Datenverarbeitung). Weiterhin kann eine Histogramm-Erweiterung es dem menschlichen Auge ermöglichen, leichter Temperaturvariationen in einer angezeigten Temperaturkarte zu unterscheiden, wie genauer unten besprochen wird.
Die Steuervorrichtung 28 kann auch konfiguriert sein, um eine Karte einer Temperaturveränderungsrate des Arbeitsmaterials zu erzeugen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 28 bei einem Kaltstart des Motors 14 die Temperaturen des Arbeitsmaterials überwachen, wenn sich das System auf die normale Betriebstemperatur aufheizt. Die Steuervorrichtung 28 kann eine Reihe von gespeicherten Temperaturkarten vergleichen, die über eine Zeitperiode erzeugt wurden. Die Steuervorrichtung 28 kann die Temperaturveränderungsratenkarte basierend auf diesem Vergleich erzeugen. Die Steuervorrichtung 28 kann weiter konfiguriert sein, um Abweichungen von einem erwarteten Bereich der Temperaturveränderung zu bestimmen. Die Bereiche, wo das Arbeitsmaterial versagt hat, können eventuell nicht die Temperatur mit der gleichen Rate verändern, wie normalerweise erwartet.
3 ist eine Kurvendarstellung, die Arbeitsmaterialtemperaturen veran schaulicht, die über eine Zeitperiode gemessen wurden. Eine Linie 42 stellt eine mögliche erwartete Temperatursteigerung mit der Zeit dar. Eine Linie 44 stellt eine mögliche Temperatursteigerung dar, die schneller als erwartet auftritt. Dies kann einen möglichen Riss im Arbeitsmaterial anzeigen, der einen abnorm hohe Fluss in einem speziellen Abschnitt des Arbeitsmaterials verursachen kann. Der gesteigerte Fluss kann eine Steigerung der Wärmemenge bewirken, die auf das Arbeitsmaterial von den Abgasen übertragen wird und/oder eine Steigerung der Rate, mit der die Wärme übertragen wird. Eine Linie 46 stellt eine mögliche Temperatursteigerung dar, die langsamer als erwartet auftritt. Dies kann eine mögliche Verschmelzung oder eine andere Art einer Blockade des Arbeitsmaterials anzeigen, was eine Verringerung des Flusses in einem speziellen Abschnitt des Arbeitsmaterials verursacht. Die Verringerung des Flusses kann eine Verringerung der Wärmemenge zur Folge haben, die übertragen wird und/oder eine Verringerung der Rate, mit der die Wärme auf das Arbeitsmaterial von den Abgasen übertragen wird. Zusätzlich kann die Steuervorrichtung 28 konfiguriert sein, um Temperaturkartendaten an die Anzeige 30 auszugeben, um die Temperaturkarten anzuzeigen. Die Anzeige 30 kann an irgendeiner geeigneten Stelle an der Arbeitsmaschine 10 gelegen sein, wie beispielsweise in der Bedienerstation 12. Die Anzeige 30 kann irgendeine Art einer Anzeige sein, die Bildschirmanzeigen mit einschließt, wie beispielsweise Kathodenstrahlröhren (CRT = cathode ray tube), Flüssigkristallanzeigen (LCD), Plasmabildschirme usw.. Zusätzlich, um eine sichtbare Rückmeldung bezüglich der Betriebstemperaturen der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 zu liefern, kann die Anzeige 30 auch andere Informationen bezüglich des Systems 18 oder irgendeiner anderen Vorrichtung und/oder irgendeinem anderen damit assoziierten System liefern.
Die Anzeige 30 kann konfiguriert sein, um ein Bild von mindestens einer Temperaturkarte und/oder einer Histogramm-Erweiterung der Temperaturkarte anzuzeigen. Die 4A und 4B veranschaulichen Querschnittsansichten von beispielhaften Arbeitsmaterialen. 4C und 4D veranschaulichen Bilder einer Temperaturkarte und einer Histogramm-Erweiterung der Temperaturkarte entsprechend den beispielhaften Materialien, die in den 4A und 4B gezeigt sind.
4A veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer speziellen Abgasbehandlungsvorrichtung 22 der Fallenbauart. Innerhalb eines äußeren Gehäuses 48 kann die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 ein Filtergitter-Arbeitsmaterial 50 aufweisen. Das Filtergitter-Arbeitsmaterial 50 kann eine Blockade 52 aufweisen, wo beispielsweise das Filtergitter-Arbeitsmaterial 50 geschmolzen ist und zusammengeschmolzen ist, oder wo Partikelstoffe sich angesammelt haben. Das Filtergitter-Arbeitsmaterial 50 kann auch einen beschädigten oder defekten Bereich haben, wie beispielsweise einen Riss 53.
4B veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer katalysatorbasierten Abgasbehandlungsvorrichtung 22. Innerhalb des äußeren Gehäuses 48 kann die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 ein Waben-Arbeitsmaterial 54 aufweisen. Das Waben-Arbeitsmaterial 54 kann ein Loch 56 aufweisen, wo beispielsweise das Waben-Arbeitsmaterial 54 versagt hat. Das Waben-Arbeitsmaterial 54 kann auch einen Riss 57 aufweisen.
Die Anzeige 30 kann die Temperaturkarte des Filtergitter-Arbeitsmaterials 50 oder des Waben-Arbeitsmaterials 54 als ein Pixel-Temperaturkartenbild 58 anzeigen, die von 4C veranschaulicht, wobei jedes Pixel einer Temperatur entspricht, die von einer der Sensoreinheiten der Temperaturabfühlvorrichtungen 26 gemessen wurde. Die Farbe von jedem Pixel kann einer speziellen Temperatur entsprechen. Beispielsweise können wärmere und kühlere Temperaturen durch Schattierungen von rot bzw. blau oder mit verschiedenen Schattierungen von grau dargestellt werden. Weiterhin kann das Bild eine einfachere Darstellung bilden, wobei nur zwei oder drei Farben verwendet werden. Eine Farbe kann verwendet werden, um Temperaturen innerhalb eines erwarteten Bereiches darzustellen. Eine zweite Farbe kann verwendet werden, um Temperaturen über dem erwarteten Bereich darzustellen. Eine dritte Farbe kann verwendet werden, um Temperaturen unter dem erwarteten Bereich darzustellen. 4C veranschaulicht ein solches Bild, wobei der Hauptteil des Bildes weiß ist, und wobei ausgewählte Pixel in einem Bereich 60 und in einem anderen Bereich 61 schwarz sind, was eine mögliche Abweichung von der erwarteten Temperatur anzeigt.
Die einzeln angeordneten schwarzen Pixel können jedoch nicht eine definitive Anzeige dafür vorsehen, ob das Arbeitsmaterial unerwartet hohe oder niedrige Temperaturen erfährt. Die Temperaturkarte und/oder das Bild 58 können jedoch beispielsweise mit einer Histogramm-Erweiterung verbessert werden. 4D veranschaulicht ein Histogramm-Erweiterungsbild 62 der in 3C gezeigten Temperaturkarte. Im Bild 62 können der Bereich 60 und der Bereich 61 offensichtlichere Konzentrationen von abweichenden Temperaturen zeigen. Dies kann klarer anzeigen, dass ein mögliches Problem in einem Teil des Filtergitter-Arbeitsmaterials 50 existiert, der dem Bereich 60 entspricht, oder in einem Teil des Waben-Arbeitsmaterials 54, der einem Bereich 60 oder einem Bereich 61 entspricht.
Es sei bemerkt, dass zur vereinfachten Besprechung die gleichen Bilder (d. h. die 4C und 4D) als mögliche Bilder entsprechend entweder einer Blockade, wie in 4A gezeigt, oder entsprechend einem Loch oder Riss besprochen worden sind, wie in 4B gezeigt. Die Bilder könnten jedoch die abweichenden Temperaturen mit abweichenden Farben darstellen, und zwar abhängig davon, ob die Temperatur über oder unter der erwarteten Temperatur ist. Weil Löcher vergrößerte Temperaturen zur Folge haben können, und weil Blockaden verringerte Temperaturen zur Folge haben können, könnten die Bilder, die für diese zwei Arten von Versagensfällen erzeugt werden, mit unterschiedlichen Farben dargestellt werden, um es einem Beobachter zu ermöglichen, zu unterscheiden.
Die Anzeige 30 kann auch konfiguriert sein, um Bilder von Temperaturveränderungsratenkarten anzuzeigen. Das heißt, jedes Pixel von jedem Bild kann eine Farbe anzeigen, die mit einer Temperaturveränderungsrate assoziiert ist und nicht mit einer Temperaturmessung.
Zusätzlich zu Anzeige der Temperaturmessungen können Temperaturdaten von dem System 18 aufgezeichnet werden und in einer Speichervorrichtung gespeichert werden. Zu einem späteren Zeitpunkt können diese Daten von der Steuervorrichtung 28 verwendet werden und/oder von der Anzeige 30 angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich können diese Daten zusammen mit anderen Informationen zu einer Vorrichtung außerhalb der Arbeitsmaschine geliefert werden, und zwar zur Analyse oder Durchsicht durch irgendeinen interessierten Personenkreis, wie beispielsweise Eigentümer, Mieter, Kunden und/oder Servicetechniker. Beispielsweise können diese Informationen heruntergeladen werden (beispielsweise mit einem Laptop oder einem persönlichen digitalen Assistenten bzw. PDA), oder können an eine Verarbeitungseinrichtung als ein Funksignal, über Satellit oder über irgendeine andere Art einer Datenverbindung gesandt werden.
In Ausführungsbeispielen, die eine Regeneration einsetzen, kann die Steuervorrichtung 28 konfiguriert werden, um den Betrieb der Regenerationsvorrichtung 32 (oder des Motors 14) basierend auf der bestimmten Temperaturkarte oder Temperaturveränderungsratenkarte zu steuern. Beispielsweise kann der Regenerationsprozess heruntergeregelt werden oder abgeschaltet werden, wenn bestimmt wird, dass die Temperatur und/oder die Temperaturveränderungsrate höher als eine vorbestimmte Grenze ist oder sich dieser nähert. In ähnlicher Weise kann der Regenerationsprozess heruntergeregelt oder heraufgeregelt werden, wenn bestimmt wird, dass eine Temperatur und/oder eine Temperaturveränderungsrate langsamer als erwartet ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Das offenbarte System kann geeignet sein, um die Abgasemissionen zur Steuerung für Motoren zu verbessern. Das System 18 kann für irgendeine Anwendung eines Motors verwendet werden. Solche Anwendungen können beispielsweise stationäre Maschinen aufweisen, wie Leistungserzeugungseinrichtungen, oder mobile Maschinen, wie beispielsweise Fahrzeuge. Das offenbarte System kann für irgendeine Art eines Fahrzeugs verwendet wei den, wie beispielsweise für Automobile, für Arbeitsmaschinen (was jene für eine Anwendung auf der Straße genauso wie jene für eine Anwendung im Gelände mit einschließt) und für andere schwere Maschinen.
Die Temperaturkarten, die von dem System 18 bestimmt werden, können nützlich bei der Detektion von mechanischen Versagensfällen der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 auf einer frühen Stufe sein. Durch frühes Detektieren dieser Versagensfälle kann eine Instandhaltung an dem System 18 ausgeführt werden, um die fehlerhafte Komponente zu reparieren oder zu ersetzen, bevor sie und/oder das System 18 einen signifikanten Leistungsverlust oder ein katastrophales Versagen erfahren. Wenn beispielsweise eine kleinere Blockadestelle in der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 auftritt, kann die Leistung des Systems 18 nicht signifikant beeinflusst werden. Wenn jedoch die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 nicht während dieser frühen Stufe des Versagens repariert oder ersetzt wird, kann die Blockade die Flussverteilung über die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 verändern. Die Blockade kann, während sie eine Verringerung des Flusses an der Stelle verursacht, an der sie liegt, eine kompensierende Steigerung des Flusses in anderen Bereichen der Abgasbehandlungsvorrichtung verursachen. Diese Steigerungen des Flusses können erhöhte Temperaturen zur Folge haben, was zusätzlich Schaden verursachen kann, wie beispielsweise mehrere Blockaden. Schließlich können die Blockaden schwerwiegend genug werden, um nicht nur eine erneute Verteilung des Flusses sondern eine Einschränkung des Flusses zu verursachen. Eine Einschränkung des Flusses kann einen Rückdruck in der Abgasleitung 20 verursachen, was einen Verlust der Leistung und einen möglichen Schaden am Motor 14 und/oder an anderen Komponenten des Systems 18 zur Folge haben kann. Zusätzlich können die Blockaden den Oberflächenbereich des Arbeitsmaterials verringern, der dem Abgasstrom ausgesetzt ist, was die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 weniger effektiv bezüglich ihres Zweckes machen könnte, auf einen oder mehrere der Bestandteile des Abgasstroms zu wirken.
Das System 18 kann die Detektion von Versagenssfällen auf einer frühen Stufe durch Detektion von Temperaturveränderungen erleichtern, die von Versagensfällen herrühren. Wenn eine Temperaturmessung eine Betriebstemperatur oder eine Temperatursteigerungsrate anzeigt, die höher als erwartet ist, kann dies einen Abgasfluss durch diesen Abschnitt der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 anzeigen, der höher als normal ist, was möglicherweise einen Riss oder eine vergrößerte Öffnung in dem Arbeitsmaterial zur Folge hat. Wenn eine Temperaturmessung eine niedrigere Betriebstemperatur anzeigt, als erwartet, kann dies einen Abgasfluss durch diesen Abschnitt der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 anzeigen, der niedriger als erwartet ist, was möglicherweise von einem Zusammenschmelzen oder einer Blockade im Arbeitsmaterial herrührt. Diese Arten von mechanischen Versagensfällen können auf einer frühen Stufe detektiert werden und repariert werden, bevor größere Teile des Arbeitsmaterials versagen.
Die Temperaturkarten können auch dabei nützlich sein, zu bestimmen, ob die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 in einem erwarteten und/oder optimalen Temperaturbereich arbeitet. Wenn beispielsweise die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 unter dem erwarteten Temperaturbereich arbeitet, kann sie nicht mit ihrem vollen Potential arbeiten. Beispielsweise kann die chemische Reaktion, die von den katalysatorbasierten Behandlungsvorrichtungen begünstigt wird, effektiver bei höheren Temperaturen auftreten. Am anderen Ende des Spektrums kann, wenn die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 über dem erwarteten Temperaturbereich arbeitet, dies auch eine verringerte Leistung und/oder ein mögliches Versagen zur Folge haben. Wenn beispielsweise eine katalysatorbasierte Behandlungsvorrichtung über einer gewissen Temperatur arbeitet, kann die chemische Reaktion nicht so wirkungsvoll auftreten. Weiterhin können erhöhte Temperaturen strukturelle Versagensfälle verursachen, wie beispielsweise eine Rissbildung und/oder das Schmelzen von Arbeitsmaterialen.
Die Temperaturdaten, die vom System 18 gemessen werden, können für irgendeinen anderen Zweck verwendet werden, wie beispielsweise für eine Diagnose und/oder für eine Problemlösung des Systems 18, für Vorhersa gen, für die Steuerung der Regeneration und/oder des Motorbetriebs oder für irgendeinen anderen geeigneten Zweck. Das System 18 kann auch nützlich zum Testen auf Emissionen oder für die Inspektion sein, oder für die Entwicklung des Motors und/oder des Abgassystems.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Abgasbehandlungsvorrichtungsüberwachungssystem vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden dem Fachmann durch eine Betrachtung der Beschreibung und durch eine praktische Ausführung der hier offenbarten Erfindung offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Claims

Abgassystem (16), welches Folgendes aufweist: einen Abgaspfad, der konfiguriert ist, um einen Abgasstrom weg von einem Motor (14) zu leiten; eine Abgasbehandlungsvorrichtung (22) in dem Abgaspfad, die konfiguriert ist, um auf eine oder mehrere Substanzen in dem Abgasstrom zu wirken; mindestens eine Temperaturabfühlvorrichtung (26), die konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße zu liefern, die eine Temperatur an einer oder an mehreren Stellen an einem Arbeitsmaterial der Abgasbehandlungsvorrichtung anzeigt; und eine Steuervorrichtung (28), die konfiguriert ist, um eine Temperaturkarte des Arbeitsmaterial zu (50/54) der Abgasbehandlungsvorrichtung zu erzeugen, und Abweichungen von einer erwarteten Temperaturkarte zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Temperaturabfühlvorrichtung mindestens eine Infrarot-Temperatursensoranordnung aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um eine Temperaturveränderungsratenkarte der Abgasbehandlungsvorrichtung zu erzeugen und Abweichungen von einer erwarteten Temperaturveränderungsrate zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist, um eine Temperaturkarte mit einer Histogramm-Erweiterung zu verbessern.
System nach Anspruch 1, wobei die Abgasbehandlungsvorrichtung eine Partikelfalle aufweist.
System nach Anspruch 1, welches weiter eine Regenerationsvorrichtung (32) aufweist, die konfiguriert ist, um die Abgasbehandlungsvorrichtung aufzuheizen, wobei die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist, um den Betrieb der Regenerationsvorrichtung basierend auf der erzeugten Temperaturkarte zu steuern.
System nach Anspruch 1, wobei die Abgasbehandlungsvorrichtung eine katalysatorbasierte Behandlungsvorrichtung aufweist.
Verfahren zur Überwachung einer Abgasbehandlungsvorrichtung (22), welches Folgendes aufweist: Leiten eines Abgasstroms von einem Motors (14) zu einer Abgasbehandlungsvorrichtung; Erzeugen einer Temperaturkarte eines Arbeitsmaterials (50/54) der Abgasbehandlungsvorrichtung; und Bestimmen von Abweichungen von einer erwarteten Temperaturkarte.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Erzeugen einer Temperaturkarte aufweist, infrarote Strahlung zu überwachen, die von einer oder von mehreren Stellen an dem Arbeitsmaterial ausgesandt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, welches weiter aufweist, den Betrieb einer Regenerationsvorrichtung (32), die mit der Abgasbehandlungsvorrichtung assoziiert ist, basierend auf der erzeugten Temperaturkarte zu steuern.