CN106794409A - 过滤器滞留物分析和诊断 - Google Patents
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Abstract
公开了一种过滤器滞留物分析系统和方法，其提供信息以诊断产生滞留物或所述滞留物已从中通过的系统的当前和历史状态。本公开描述了对滞留物特征的分析，所述特征可包括用于监测或诊断系统或子系统的状态、健康或工作史的滞留物的组成、量、分布及物理或化学性质。所述分析广泛适用于范围从发动机和排气系统到生产装置和设备的各种各样的系统和方法。
Description
本申请要求2014年10月20日提交的美国临时专利申请序列号62/065,761的优先权，所述美国临时专利申请的公开内容据此通过引用整体并入。
背景技术
对过滤器中收集的物质的去除和分析提供了用于确定或诊断与过滤器一起使用的系统的历史或工作状态的重要信息。
说明过滤器滞留物分析的广泛适用性的实例包括用于商业和工业工艺和应用中的过滤器。对过滤器上收集的物质的分析及与已知标准品或参考物质的比较提供了关于产生滞留物的系统的状态的信息。以这种方式，可以获得信息以了解在过滤器使用期间产生滞留物的系统的工作史或工作变化。
一个特定的实例包括微粒过滤器，如柴油微粒过滤器或汽油微粒过滤器，但是可以使用任何过滤器或滞留物收集介质或系统。在安装于发动机或产生滞留物的其它系统(装置或工艺)的排气装置中的微粒过滤器的情况下，过滤器捕获并收集由该系统产生的滞留物。虽然有效捕获滞留物，但过滤器的使用也有一些缺点。
第一，过滤器可掩盖或隐藏发动机、装置或工艺失灵或故障的迹象。例如，渗漏的流体、气体或由发动机、装置或工艺产生的另外的工作人员直接可见的其它排放物或流出物，也可收集在过滤器上。在排气微粒过滤器的情况下，发动机失灵的迹象如离开排气管的蓝色、黑色或白色的烟不再可见，因为烟或蒸汽被捕获在过滤器上。
第二，由于系统失灵而产生的滞留物如颗粒、液体或并非过滤器预期的其它组分的积聚，也可引起对过滤器的损坏。在一个实例中，发动机油渗漏、冷却剂渗漏或不当燃烧可导致冷却剂、油、燃料或高水平的烟尘在排气微粒过滤器上的积聚，除发动机、工艺或装置外，这还可对过滤器性能和使用寿命产生不利影响。
在许多情况下，定期拆下过滤器进行清洁或检修，以便可以重新使用过滤器，而不是更换。在许多情况下，过滤器清洁或检修涉及从过滤器中去除滞留物。常用的过滤器清洁方法涉及使用强制通风以将滞留物吹出过滤器、基于液体的清洁或洗涤方法、热清洁、利用振动、及其它相关方式。大多数过滤器清洁系统和工艺使从过滤器去除的滞留物进一步聚集并收集在批量收集系统中，如储液罐、集尘系统等。使用这些传统的批量清洁工艺也有几个缺点。
第一，在集料收集系统(如集尘系统或储液罐)中收集从过滤器去除或清除的批量滞留物不允许滞留物被唯一地识别或与从中将其去除的过滤器联系起来。因此，由于所有滞留物在批量收集系统中从不同来源混合在一起，对滞留物的任何后续分析将不能对过滤器状态或产生滞留物的发动机/设备进行任何有用的诊断。
第二，破坏、改变或以任何其它方式影响或改变滞留物性质，例如其特征或物理或化学性质的清洁方法，进一步妨碍对发动机、设备、装置、工艺或滞留物所来源的过滤器的状态的任何有意义的分析和诊断。
因此，需要这样的滞留物去除或收集系统，其将允许从特定过滤器去除的滞留物与从中将其去除的过滤器唯一地联系起来或进行识别。注意在一些情况下，可能不需要从过滤器中去除滞留物，而是拆下含有供分析的滞留物的过滤器的一小部分，或者直接对过滤器上的滞留物进行分析，而无需去除滞留物或改变过滤器。另外，非常希望在分析之前避免或最小化对滞留物的任何变化。
因此，需要一种收集和分析滞留物的改进方法，其将对广泛的应用和使用领域具有相当大的实用性。
发明内容
公开了一种过滤器滞留物分析系统和方法，其提供信息以诊断产生滞留物或所述滞留物已从中通过的系统的当前和历史状态。本公开描述了对滞留物特征的分析，所述特征可包括用于监测或诊断系统或子系统的状态、健康或工作史的滞留物的组成、量、分布及物理或化学性质。所述分析广泛适用于范围从发动机和排气系统到生产装置和设备的各种各样的系统和方法。
附图说明
图1表示含有滞留物的微粒过滤器的通道。图1是根据一个实施方案，含有滞留物的蜂窝陶瓷微粒过滤器的两个通道的横截面视图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于去除并分析过滤器中收集的物质(滞留物)的系统以及物质去除、分析和解释结果的方法。本公开中描述的滞留物分析系统和方法，使得从单个过滤器直接收集滞留物及对滞留物的分析成为可能，以提供用于诊断产生滞留物的发动机、装置、工艺或系统的当前状态或既往史的信息。
图1描绘在含有滞留物104的微粒过滤器中的双通道102通道的剖视图。可在过滤器中或从过滤器中去除之后分析滞留物104，以获得用于诊断过滤器102或与过滤器102连接或连通的任何系统或设备的工作状况或历史的信息。
对从过滤器中去除或含在过滤器102中的滞留物物质的分析可包括以下参数中的一种或多种：
1.滞留物的量：如收集在过滤器介质或滞留物收集系统内部或上面的固体、液体或气相组分的量。在一个实例中，可量化收集在过滤器上的烟尘或灰分的量或被过滤器吸入的液相组分或甚至吸附在过滤器或催化器上或吸附/吸入到固体滞留物中的气相组分的量。在一个实例中，过滤器上收集的高于或低于某一阈值的物质的量可以是故障或错误状态的迹象。
2.物质的类型：如一种或一种以上类型的物质或物类的组成。
3.空间分布：如滞留物或滞留物组分在过滤器上的位置。
4.滞留物的物理或化学性质：如其化学组成(某些化合物或元素的鉴定)、或化学状态(如氧化或还原状态)、极性、pH或其它化学性质、晶体结构、相、粒度、孔隙率、密度、颜色或任何其它相关的物理或化学性质。
上述列表说明了几大类可以监测或分析的参数，但并不详尽。还可以监测或分析许多其它参数。
下面描述了进行分析和解释或从分析得出结论所涉及的一般步骤：
1.第一个任选步骤是从过滤器中取出一份或多份滞留物样品，从一个或多个过滤器位置取出滞留物。
2.第二个步骤以下组成：对从过滤器中取出的或仍含在过滤器中的滞留物进行直接分析。
3.后续步骤涉及将滞留物分析结果与参考进行比较及基于比较使一个或多个结论或诊断公式化。
以上所列步骤可能不完全需要，并且本领域的技术人员肯定会意识到，在不脱离本发明的意图和范围的情况下，可以按另一顺序进行所述步骤。
在某些实施方案中，增加的步骤之后是执行校正措施。
现将参考具体应用和实施方案描述本发明，其是安装在内燃机的排气装置中的微粒过滤器，所述内燃机可以是柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机或任何其它发动机如涡轮发动机或往复活塞式发动机等。
在微粒过滤器的情况下，过滤器积聚可能由进入发动机的输入物如燃料、润滑剂、冷却剂或进气流中的物质产生的滞留物，以及源于发动机部件本身(如磨损碎屑)的滞留物，及源于排气系统(如排气管道和排气系统中在过滤器上游的任何部件，如其它催化器或过滤器)的滞留物。
过滤器中收集的滞留物通常可分类为烟尘和灰分，但可以是任何物质，包括固体、液体或气体。在一个实施方案中，可将过滤器从排气系统拆下并进行去除一些或所有滞留物的过程。该过程可涉及通过施加一次或多次振动或碰撞以驱逐和去除滞留物，施加强制通风或一些其它气体以从过滤器上吹掉滞留物，或液体清洁或洗涤方式，加热或再生，或任何其它方式以去除滞留物。在另一个实施方案中，可从过滤器的特定区域去除滞留物，例如通过物理抽取、刮、拭、擦、施加真空或抽吸，或任何其它方式以从过滤器获得滞留物样品。不管去除方式如何，但必须收集去除的滞留物以唯一地识别其所来源的过滤器。
在一些情况下，去除滞留物以便记录和隔离其在捕集器或过滤器中的轴向位置，尤其是当滞留物积聚时间与其在过滤器中的位置有关时。在一个实例中，当滞留物转移并在过滤器的后部积聚或累积时，这种方法将提供关于装置或发动机历史的有用信息。
滞留物收集方式包括使用样品袋、过滤器、小瓶、罐、拭子、涂抹器、管式抽取或取样装置，或收集滞留物的任何其它方式。
在另一个实施方案中，无需从过滤器中去除滞留物，而可以在过滤器介质上直接分析。
在微粒过滤器的情况下，滞留物分析可包括分析用于诊断发动机、车辆、过滤器或设备的状态或状况的滞留物的量、组成、特征和性质。在一个实例中，可使用电感耦合等离子体(ICP)、能量色散x射线分析(EDX)、x射线荧光(XRF)、傅里叶变换红外线(FTIR)分析、拉曼光谱法(Raman spectroscopy)、质谱法、火花光学发射光谱法(OES)或LIBS(激光诱导击穿光谱法)、中子活化分析(NAA)或提供关于滞留物中存在的元素或化学化合物的信息的任何其它技术进行滞留物的元素或组成分析。可将分析结果与滞留物中发现的物质或成分的已知来源的参考做比较。在另一个实施方案中，可以不使用参考。结果的解释可来自于经验或现有专有技术，或者与另一个实例中的已知物质、标准或参考数据的比较。
滞留物与参考或其它数据的比较可通过控制器，例如处理单元结合存储元件来进行。处理单元可接收来自上述任一系统的分析，并进行比较。在某些实施方案中，参考值存储在存储元件中。
在微粒过滤器的情况下，参考可包括除发动机或排气系统本身中存在的元素和化合物外，还有燃料、润滑油或冷却剂中存在的化学化合物或元素，以及发动机或设备的工作环境中存在的化合物或元素的知识。
在一个实例中，发动机润滑剂可含添加剂，如钙、锌、硼、镁、硫、磷、钼及任何其它类型的添加剂元素。对过滤器中的这些物质的检测可反过来与发动机油消耗相关联以诊断异常油耗，如过滤器中高水平的这些元素，或甚至在另一个实例中，如来自涡轮增压器或阀门密封的液态油渗漏。
进一步地，常常在发动机部件如轴承、活塞、汽缸壁、衬垫、阀门和其它部件中发现的金属元素，包括铁、铝、锡、铅、铬、钛、铜等，在过滤器中也可发现。对过滤器中的这些物质或相关物质的检测可用于诊断部件故障如轴承磨损(在一个实例中)或过度生锈或腐蚀(在另一个实例中)的早期迹象。
在过滤器中收集的滞留物中也可检测到催化器元素如贵金属，包括铂、钯、铑、钒、铜、铁等以及涂层组分包括二氧化铈、氧化铝和甚至基底组分。对这些元素的检测可用于诊断过滤器上游的催化器或其它排放控制部件的状态或检测其障碍迹象。
在过滤器中也可检测到燃料来源的元素，包括硫或钠或钾，正如在替代燃料或生物燃料，或燃料添加剂组分包括铂和铁的情况下一样，并且可用于诊断与发动机一起使用的燃料或燃料添加剂的质量和/或组成。类似地，在过滤器中也可检测到冷却剂来源的元素，包括硅，以诊断冷却剂渗漏的迹象。
在过滤器中也可检测到环境来源，如周围灰尘、污垢、盐雾(氯化钠)、矿物质和由发动机或设备正在其中工作的环境产生的其它物质并且可用于诊断发动机或设备的进气过滤系统的状态。
分析不需要仅限于化学或组成分析，而且限于滞留物的视觉分析或检查以及滞留物性质的表征，无论是固体，液体还是气体形式。例如，可以容易地观察到过滤器上的液态油、燃料或冷却剂或湿点，并提供发动机或设备失灵的指示。也可以使用高水平的烟尘或灰分来指示发动机工作或燃烧异常，或发动机或相关子系统的故障或故障迹象。在另一个实例中，滞留物的化学或物理性质，组成或结构，例如晶体结构可以是滞留物或过滤器先前温变史的指示。
分析可以包括分离滞留物组分或去除某些组分，例如通过氧化或诱导组分的优先变化，例如通过有意的化学反应。在一个实例中，反应可以通过施加酸、微波、加热等进行。在一个实例中，反应可以包括以供进行ICP的样品制备或消化。在另一个实例中，分析可以包括例如通过加热或化学反应对滞留物的分解和对反应产物或流出物的分析以确定滞留物组成或性质，例如一个实例中为硫含量。在另一个实例中，可以使用热分析技术，例如热重分析或TGA。
在另一个实例中，分析可以包括历史趋势分析，以跟踪和评估随时间推移过滤器中滞留物的量和/或性质和特征，如组成。在另一个实施方案中，分析可以包括将各个数据点或历史数据点的集合在一个实例中与参考进行比较，或者在另一个实例中与来自更大样品群体的平均值进行比较。可能应用或可能不应用统计分析或趋势分析，并且可能需要或可能不需要与参考进行比较。
在另一个实例中，可通过以下步骤确定未知滞留物成分的来源：
1.从进入发动机、工艺、装置或系统的输入物，如燃料、油、冷却剂和任何其它系统输入物收集样品。
2.从发动机或设备正在其中工作的周围环境中收集样品。
3.收集样品或确定各种部件和包括发动机、装置、工艺、设备或系统的系统的组成。
4.从可以与过滤器连通的任何附加部件收集样品。
5.分析来自步骤1-4的样品项的特征如组成和化学或物理性质。
6.将过滤器滞留物分析的结果与步骤5中的样品分析的结果进行比较并通过比较的方式确定未知滞留物成分的来源。
7.确定步骤6中鉴定的未知滞留物成分是否是可接受的(是否需要附加校正措施)。
以这种方式，可以鉴定构成滞留物的成分的来源，以便确定发动机、设备、过滤器、工艺、装置或系统是否以可接受的方式工作，或者未知滞留物成分是否是可能需要解决的潜在问题的指示。
在这些实施方案的每一个中，诊断之后可以是校正措施。这种校正措施可包括：修理或更换滤油器、垫圈或密封件；修理或更换轴承、活塞、阀门或其它部件；修理或更换催化器或其它排放控制部件；修复冷却剂渗漏；更换或修理进气过滤系统。
在去除或收集过滤器滞留物或用于与过滤器滞留物进行比较的任何样品时，应注意避免污染、搅乱或以任何其它方式无意中改变滞留物或样品。这种注意可能需要使用细致的取样和处理程序，以及工具或设备。
滞留物取样和分析系统可以包括含有滞留物的过滤器、滞留物去除和收集系统和滞留物分析系统，例如分析滞留物的物理或化学性质的仪器。在一个实例中，过滤器可以是蜂窝陶瓷微粒过滤器，并且滞留物去除系统可以是振动清洁系统，并且滞留物收集系统可以是集料器或灰仓，并且分析仪器可以是ICP分析仪。在另一个实例中，诸如吸管或空心管等抽取工具可以用于从过滤器收集和去除滞留物。在另一个实例中，滞留物去除系统可以是气动清洁系统。在又一实例中，不需要从过滤器中去除滞留物。
可以在不需要从过滤器去除滞留物的情况下进行滞留物的原位分析。例如，通过使用激光系统通过开口通道(不需要过滤器壁的照明)进行的LIBS分析可以提供关于滞留物的元素组成的原位信息，并通过相同的开口通道进行观察。类似地，可以使用火花OES，通过适当的电极在通道内产生放电(火花)。还可以使用非光学技术，例如NAA和CT扫描。在另一个实例中，可以使用XRF。
本领域技术人员一定会意识到，上述步骤可以在不脱离本发明的意图和范围的情况下按另一顺序进行。
虽然已经示出和描述了本发明的具体实施方案，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的情况下，可以在其更广泛方面进行各种变化和修改。其意图是上述描述中所含的和附图中示出的所有内容应被解释为说明性的而不是限制性意义。
Claims (19)
1.一种诊断与过滤器连通的系统的方法，其包括：
收集所述过滤器中的滞留物；
分析所述过滤器中的所述滞留物以确定以下至少一项：滞留物的量、所述滞留物中的物质的类型、所述滞留物的空间分布和所述滞留物的物理或化学性质；并且
基于所述分析进行关于所述系统的诊断。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括分析所述系统中的部件的物理或化学性质，并且将所述部件的所述物理或化学性质与所述滞留物的所述物理或化学性质进行比较以诊断所述系统。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述部件包括发动机润滑剂，并且对所述滞留物中的所述发动机润滑剂的物理或化学性质的检测指示所述润滑剂的异常消耗或渗漏。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述润滑剂的化学性质包括存在添加剂。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述添加剂选自钙、锌、硼、镁、硫、磷、钼。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述部件包括发动机部件，并且对所述滞留物中的所述发动机部件的物理或化学性质的检测指示所述发动机部件故障或腐蚀。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述发动机部件是轴承、汽缸壁、衬垫、阀门和活塞中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述物理或化学性质包括存在金属元素。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述金属元素包括铁、铝、锡、铅、铬、钛和铜中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述发动机部件包括催化器或排放控制部件，并且其中所述物理或化学性质包括存在铂、钯、铑、钒、铜、铁、二氧化铈和氧化铝。
11.根据权利要求1所述的方法，其还包括在所述分析之前从所述过滤器中去除所述滞留物。
12.根据权利要求1所述的方法，其还包括将所述部件的所述物理或化学性质与所述滞留物的所述物理或化学性质与环境来源进行比较以诊断进气过滤系统。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述分析包括以下至少一项：分离滞留物组分；去除滞留物组分；氧化；施加酸、微波或热；及热分析。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述分析随时间推移而进行并且产生历史趋势。
15.根据权利要求1所述的方法，其还包括基于所述诊断执行校正措施。
16.一种诊断系统，其包括：
用于捕获滞留物的过滤器；
滞留物去除和收集系统；及
用于滞留物分析的系统。
17.根据权利要求16所述的系统，其中使用电感耦合等离子体(ICP)、能量色散x射线分析(EDX)、x射线荧光(XRF)、傅里叶变换红外线(FTIR)分析、拉曼光谱法、质谱法、火花光学发射光谱法(OES)、LIBS(激光诱导击穿光谱法)、中子活化分析(NAA)或提供关于所述滞留物中存在的元素或化学化合物的信息的任何其它技术进行所述滞留物分析。
18.根据权利要求16所述的系统，其中用于所述滞留物去除和收集系统的收集方式选自样品袋、过滤器、小瓶、罐、拭子、涂抹器、管式抽取、集料器、灰仓或取样装置。
19.根据权利要求16所述的系统，其中用于所述滞留物去除和收集系统的去除方式选自振动清洁系统、抽取工具和气动清洁系统。
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