CN102282344A - 温度传感器、硫成分检测器和用于内燃发动机的排气净化系统 - Google Patents
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Abstract
温度传感器(10)包括温度检测装置,和涂布在温度检测装置的表面上的催化剂和吸附剂中的至少一种。催化剂和吸附剂中的至少一种在温度检测装置上对气体中的反应物的放热反应进行催化。温度检测装置检测因放热反应而上升的温度。催化剂和吸附剂中的至少一种的对放热反应的催化效率因硫中毒而降低。温度传感器(10)配置在排气净化系统(30)的上游。因此,如果由温度传感器检测出的温度低于规定温度,则判定为温度传感器经受硫中毒。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度传感器、硫成分检测器和用于内燃发动机的排气净化系统。
背景技术
在包括NOx储存-还原催化剂的用于内燃发动机的排气净化系统中,排气中的硫成分储存在NOx储存-还原催化剂中,且由此降低NOx储存-还原催化剂的NOx净化效率。
当NOx储存-还原催化剂的NOx净化效率因硫中毒而降低时,在浓空燃比气氛中加热NOx储存-还原催化剂以使催化剂再生。但是,这导致由催化再生引起的NOx储存-还原催化剂的热老化,和降低的燃料效率。
鉴于上面所述,如图4所示,在NOx储存-还原催化剂30的上游配置硫捕集装置20,其在NOx储存-还原催化剂30上游的位置捕集排气中的硫,以便防止NOx储存-还原催化剂30的硫中毒。因此,可防止由催化再生引起的NOx储存-还原催化剂30的热老化,和燃料效率的降低。图4中的箭头A表示排气的流动方向。
但是,当累积在硫捕集催化剂或硫吸附剂中的硫的量超过硫捕集装置20中的阈值容量时,硫成分通过硫捕集装置20。然后,硫捕集装置20下游的NOx储存-还原催化剂30经受硫中毒。因此,硫捕集催化剂或硫吸附剂需要被更换。更具体地,图4中构型的前提条件是NOx储存-还原催化剂30不包括催化再生装置。因此,在NOx储存-还原催化剂30变得经受硫中毒之前,必须推定硫捕集装置20的降低的效率,且相应地,必须更换硫捕集催化剂或硫吸附剂。在相关技术中,由NOx储存-还原催化剂30的降低的效率来推定通过硫捕集装置20的硫成分的量,且相应地更换硫捕集催化剂或硫吸附剂。但是,在相关技术中,在NOx储存-还原催化剂30的效率降低之前无法检测出通过硫捕集装置20的微量的硫成分。
传统上,基于NOx储存-还原催化剂30的降低的性能来推定流入NOx储存-还原催化剂30的硫成分的量,且不提供用于检测NOx储存-还原催化剂30本身的硫中毒的装置。在这种情况下,如图5的曲线C所示,NOx储存-还原催化剂30的硫中毒通常在催化剂的上游侧开始。这样,在整个NOx储存-还原催化剂30的性能降低之前,能从NOx储存-还原催化剂30的前端面的物理特性(例如,温度)的变化来预测NOx储存-还原催化剂30的劣化。同时,如图5的曲线D所示,根据在其中排气的温度低、排气的量大等的内燃发动机的运转条件,整个NOx储存-还原催化剂30可在纵向上变得经受硫中毒。曲线B表示硫中毒的可检测水平。如上所述,NOx储存-还原催化剂30的经受硫中毒的部分根据运转条件而改变。因此,通过诸如测量NOx储存-还原催化剂30的一部分的温度等手段来检测硫中毒由于其不精确性通常是无效的。
日本专利申请No.2000-45753公报(JP-A-2000-45753)记载了一种用于内燃发动机的排气净化系统,包括:吸附排气中的硫成分的NOx吸附剂;和设置在NOx吸附剂的上游以判定NOx吸附剂的由NOx吸附剂的硫中毒引起的NOx吸附能力的降低的SOx传感器。
在JP-A-2000-45753记载的排气净化系统中,SOx传感器基于各自都包括SOx还原催化剂如铂的电极之间的电位差实时检测排气中的SOx的浓度。然后,基于所检测出的值,SOx传感器计算被推定为要由NOx吸附剂吸附的SOx的累积量。
在JP-A-2000-45753中记载了在燃料中包含数百ppm的硫成分。但是,燃料中的硫成分的量已随着燃料特性的改善而减少,并且如今,在燃料中只包含少于十ppm的硫成分,且由此非常稀少。因此,难以基于各自都包括SOx还原催化剂如铂的电极之间的电位差实时检测所通过的排气中的硫成分。因此,JP-A-2000-45753中记载的SOx传感器不再实用。
发明内容
本发明提供了一种对气体中的反应物的放热反应进行催化以检测温度的温度传感器,和即使排气中的硫成分浓度低也能利用该温度传感器精确地检测排气中的硫成分的装置。本发明还提供了一种利用所述用于检测硫成分的装置的用于内燃发动机的排气净化系统。
按照本发明的第一方面的温度传感器包括温度检测装置,和涂布在所述温度检测装置的表面上的催化剂和吸附剂中的至少一种。所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种对气体中的反应物的放热反应进行催化。所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种在所述温度检测装置上对气体中的反应物的放热反应进行催化。然后,所述温度检测装置检测因所述放热反应而上升的温度。
在按照上述方面的温度传感器中,温度检测装置的温度检测部分涂覆有催化剂和吸附剂中的至少一种,且气体中的反应物的放热反应在温度检测装置上被催化。温度检测装置检测因放热反应而上升的温度。这样,按照上述方面的温度传感器与简单地检测物体的温度的传统的温度传感器不同。本发明基于这样的新颖构思而作出,即,在温度检测装置上对放热反应进行催化以便检测因放热反应而上升的温度。
在按照第一方面的温度传感器中,所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种可以是这样的催化剂或吸附剂,该催化剂或吸附剂的对所述气体中的所述反应物的所述放热反应的催化效率因硫中毒而降低。
当温度传感器的催化剂或吸附剂发生硫中毒、由此降低催化剂或吸附剂的催化活性时,气体中的反应物的放热反应在温度检测装置上不再被促发(开始)。鉴于上面所述,按照上述方面的温度传感器具有即使在气体中仅包含微量的硫成分时也能以高精度检测气体中的硫成分的SOx传感器。传统的SOx传感器实时地测量各自都包括SOx还原催化剂如铂的电极之间的电位差,并且不能检测出低于10ppm的微量的SOx。由于涂布在温度检测装置的表面上的催化剂或吸附剂储存SOx,所以在本发明中能以高精度检测低于10ppm的SOx浓度,作为所通过的SOx的累积量。
在按照第一方面的温度传感器中,涂布在所述温度传感器中的所述温度检测装置的所述表面上的所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种可以是这样的载体,在该载体中由碱金属或碱土金属载持有氧化铝或氧化锆,并且该载体还载持有钯。
在按照上述方面的温度传感器中,采用其活性因硫中毒而显著降低的催化剂种类作为催化剂。采用也易受硫中毒的碱性载体作为载体。具有氧储存能力(OSC)的材料如二氧化铈和镨不应当被用于温度传感器。因此,温度传感器仅以显著提高的灵敏度检测在NOx还原期间的发热。
在按照第一方面的温度传感器中,所述气体是来自内燃发动机的排气。涂布在所述温度检测装置的所述表面上的所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种在所述内燃发动机以稀空燃比运转时储存所述排气中的氧或氮氧化物,并且在所述内燃发动机以浓空燃比运转时将氧或氮氧化物释放到所述排气中。所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种利用所释放的氧或氮氧化物在所述温度检测装置上促发所述排气中的所述反应物的所述放热反应。然后,所述温度检测装置检测因所述放热反应而上升的温度。所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种的氧或氮氧化物储存能力和对所述放热反应的催化效率因硫中毒而降低。
按照上述方面的温度传感器具有即使在含硫燃料燃烧之后产生的排气中仅存在微量的硫成分也能以高精度检测硫成分的SOx传感器。具有OSC的材料如二氧化铈和镨被用作涂布在温度检测装置的表面上的催化剂或吸附剂。催化剂或吸附剂利用所储存的氧对排气中的反应物的放热反应进行催化。或者,可利用将氧储存为NOx的材料如碱金属、碱土金属或稀土元素作为催化剂或吸附剂。催化剂或吸附剂利用所储存的NOx对排气中的反应物的放热反应进行催化。然后,由于OSC和NOx储存能力因硫中毒而降低,所以即使在排气中仅存在微量的硫成分,也能提供精确地检测硫成分浓度的SOx传感器。
按照第一方面的温度传感器可经历前处理。在所述前处理中,首先使所述温度传感器经受硫中毒,且然后净化清除掉由涂布在所述温度检测装置的所述表面上的所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种吸附的硫成分。
按照上述方面的温度传感器的灵敏度随着所通过的硫成分的量增加而降低。一旦温度传感器的硫中毒的程度达到阈值程度,便执行对由涂布在温度检测装置的表面上的催化剂和吸附剂中的至少一种吸附的硫成分的净化清除。但是,在温度传感器中存在即使采用净化清除处理也不能从硫中毒恢复并永久地受硫污染的区域。这样,当温度传感器被安装在真实的机器中时,温度传感器可在安装之前经历前处理。在前处理中,首先使温度传感器经受硫中毒,然后执行对由催化剂和吸附剂中的至少一种吸附的硫成分的净化清除处理。
按照第一方面的温度传感器还可包括具有氧泵送功能的泵单元,和加热器。
当在被用于真实的机器中的温度传感器中执行净化清除处理时,需要通过将燃料喷射到排气中和使排气中的氧燃烧而获得浓空燃比和高温的排气。但是,需要大量的燃料以使排气的总量处于浓空燃比和高温。鉴于上面所述,按照上述方面的温度传感器还可包括具有氧泵送功能的泵单元,和加热器。在这样的构型中,当泵单元从在温度传感器附近流动的排气中去除氧时,温度传感器附近的气氛的空燃比变浓。这样,温度传感器中的净化清除处理可通过用加热器对温度传感器加热而容易地执行。因此,不需要将燃料喷射到排气中或使排气的总量处于浓空燃比和高温。因此,净化清除处理可非常经济地执行。
按照第一方面的温度传感器,当所述温度传感器配置在NOx储存-还原催化剂的下游以测量所述NOx储存-还原催化剂在催化再生运转期间的硫释放量时,所述温度传感器的灵敏度可被修正为适合于浓空燃比的灵敏度。
按照上述方面的温度传感器配置在NOx储存-还原催化剂的下游,且由此能测量NOx储存-还原催化剂在催化再生运转期间的硫释放量。在这种情况下,当NOx储存-还原催化剂在催化再生运转期间处于浓空燃比气氛中时,温度传感器的催化剂或吸附剂也处于再生气氛中。因此,与通常运转期间的硫的捕集量相比,温度传感器中的硫的捕集量降低。这样,在测量NOx储存-还原催化剂在催化再生运转期间的硫释放量时,浓空燃比气氛中的温度传感器的灵敏度被预先获得。然后,通过生成利用所获得的温度传感器的灵敏度的灵敏度图谱等,能修正温度传感器的灵敏度。
在按照本发明的第二方面的硫成分检测器中,按照第一方面的温度传感器配置在所述气体的流路内,检测因所述放热反应而上升的温度T1,将所述温度T1与所述气体中不存在硫成分时因所述放热反应而上升的温度T0进行比较,并且如果所述温度T1低于所述温度T0,则判定为在所述流路内的所述气体中存在硫成分。
按照上述方面的硫成分检测器利用按照第一方面的温度传感器来精确地检测在流路内流动的气体中是否存在硫成分。更具体地,如果按照第一方面的温度传感器的催化剂或吸附剂经受硫中毒且由此降低其活性,则在温度检测装置上不能再促发气体中的反应物的放热反应。所检测出的温度T1变得低于在硫中毒之前获得的温度T0。因此,通过利用温度之间的差异,硫成分检测器检测出在流路内流动的气体中存在硫成分。
在按照第二方面的硫成分检测器中,所述温度传感器可配置在内燃发动机的排气管中的上游;如果所述温度T0和所述温度T1之间的温度差dT1由于由所述硫成分检测器指示的温度T1的下降而变得等于或大于规定值,则可利用净化清除处理对由涂布在所述温度检测装置上的所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种吸附的硫成分进行处理;并且如果从所吸附的硫成分已被净化清除之后至下一次净化清除处理之前的燃料消耗量降低到低于规定的燃料消耗量,则可判定为所使用的燃料包含高浓度的硫成分。
在按照第二方面的硫成分检测器中,所述温度传感器可配置在内燃发动机的排气管中的上游;如果所述温度T0和所述温度T1之间的温度差dT1由于由所述硫成分检测器指示的温度T1的下降而变得等于或大于规定值,则可利用净化清除处理对由涂布在所述温度检测装置上的所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种吸附的硫成分进行处理;并且如果从所吸附的硫成分已被净化清除之后至下一次净化清除处理之前的时间间隔由于硫中毒的程度升高而缩短到短于规定的时间间隔,则可判定为所使用的燃料包含高浓度的硫成分。
按照上述方面的硫成分检测器配置在内燃发动机的排气管中的上游,并被用于判定所使用的燃料是否包含高浓度的硫成分。有利的是,利用该判定结果来进一步判定用于内燃发动机的排气净化系统的劣化不是由排气净化系统本身而是由燃料特性的劣化引起的。更具体地,如果燃料包含高浓度的硫成分,则排气中的硫成分也高。因此,涂布在温度检测装置的表面上并经受硫中毒的催化剂或吸附剂的净化清除处理的周期缩短。基于上面所述,硫成分检测器被提供为判定所使用的燃料是否包含高浓度的硫成分。
按照第二方面的硫成分检测器还可包括具有规定的热容量的部件。所述温度传感器可配置在所述内燃发动机的排气通路内,并且所述具有规定的热容量的部件可配置在所述温度传感器的上游,从而由所述内燃发动机中的燃烧引起的排气温度上升被所述温度传感器检测出的时间被延迟。因此,所述硫成分检测器可分开检测由所述内燃发动机中的燃烧引起的排气温度上升和由所述温度传感器中的所述放热反应引起的温度上升。
如果不按照上述方面那样在硫成分检测器的上游设置具有热容量的部件如硫捕集装置,则内燃发动机的紧下游位置处的排气温度上升与由温度传感器中的放热反应引起的温度上升重叠。这样,按照上述方面的硫成分检测器将温度上升彼此分开,从而温度传感器仅检测由放热反应引起的温度上升。因此,按照第二方面的硫成分检测器的检测精度得以改善。
在按照本发明的第三方面的硫成分检测器中,按照权利要求6的温度传感器配置在NOx储存-还原催化剂的下游;
氧由所述氧泵送功能在所述温度传感器附近被释放;并且
在所述温度传感器附近的气氛变为稀空燃比气氛之后,所述NOx储存-还原催化剂在催化再生运转期间的硫释放量被测量。
按照上述方面的硫成分检测器利用按照第一方面的温度传感器。按照第一方面的温度传感器中的泵单元的氧泵送功能被启动,以朝温度传感器输送氧。然后,氧在温度传感器附近被释放,以仅将温度传感器的附近保持在稀空燃比气氛中。因此,能测量由NOx储存-还原催化剂在催化再生运转期间释放的硫的量而不降低温度传感器的灵敏度。
按照本发明的第四方面的用于内燃发动机的排气净化系统包括:配置在所述排气净化系统的上游以储存存在于排气中的硫成分的硫捕集装置;并且按照权利要求8的硫成分检测器设置在所述硫捕集装置的下游且在所述排气净化系统的上游。如果所述硫捕集装置储存所述排气中的硫成分的性能降低,且由此包含硫成分的所述排气流入所述排气净化系统中,则所述硫成分检测器判定为在流入所述排气净化系统中的排气中存在硫成分。
按照上述方面的用于内燃发动机的排气净化系统包括位于排气净化系统的上游的硫捕集装置。当硫捕集装置经受硫中毒且由此降低其储存排气中的硫成分的性能时,包含硫成分的排气流入硫捕集装置下游的排气净化系统中。在这种情况下,按照第二方面的硫成分检测器检测出通过硫捕集装置的微量的硫成分。
按照本发明的第五方面的用于内燃发动机的排气净化系统包括:配置在所述排气净化系统的上游并储存存在于排气中的硫成分的硫捕集装置;硫成分检测器,其中:按照权利要求4的温度传感器配置在所述硫捕集装置的下游且在所述排气净化系统的上游;因所述温度传感器中的反应物的放热反应而上升的温度T1被检测;然后,所检测出的温度T1与在所述排气中不存在硫成分的情况下因所述放热反应而上升的温度T0进行比较;并且其中,如果所述温度T1低于所述温度T0,则判定为在所述排气中存在硫成分;和设置在所述温度传感器的上游的氧消耗装置。当所述内燃发动机以浓空燃比运转时,所述氧消耗装置消耗残留在所述排气中的氧。
按照上述方面的用于内燃发动机的排气净化系统在NOx储存-还原催化剂执行NOx净化时立刻向储存NOx的NOx储存-还原催化剂提供浓空燃比气氛。换句话说,执行浓峰操作(rich spike)以减少储存在NOx储存-还原催化剂中的NOx。此时,涂布在温度检测装置的表面上的催化剂或吸附剂释放以稀空燃比储存的氧。结果,包含在浓峰操作中的反应物或还原剂的放热反应在温度检测装置上被促发。然后,通过将由硫成分检测器指示的温度T0与在硫中毒之后由硫成分检测器指示的温度T1进行比较,可判定为在排气中包含硫成分。在这种情况下,由于处于浓空燃比运转条件下的排气包含微量的氧,所以还原剂的放热反应利用排气中的氧被促发。因此,检测硫成分存在的精度降低。为了防止检测硫成分的精度降低,在硫成分检测器的上游设置氧消耗装置,以消耗存在于处于浓空燃比运转条件下的排气中的氧。因此,温度传感器上的放热反应仅利用由涂布在温度检测装置的表面上的催化剂或吸附剂释放的氧。因此,能以改善的精度检测在流入排气净化系统中的排气中是否存在硫成分。
按照本发明的第六方面的用于内燃发动机的排气净化系统包括:设置在所述排气净化系统的上游以储存存在于排气中的硫成分的硫捕集装置;和硫成分检测器,其中:按照权利要求4的温度传感器配置在所述硫捕集装置的下游且在所述排气净化系统的上游;因所述温度传感器中的反应物的放热反应而上升的温度T1被检测;并且然后,所检测出的温度T1与在所述排气中不存在硫成分的情况下因所述放热反应而上升的温度T0进行比较;并且其中,如果所述温度T1低于所述温度T0,则判定为在所述排气中存在硫成分,其中:如果所述内燃发动机以浓空燃比运转,则所述排气中氧的残留量由所述内燃发动机的运转条件被推定;取决于所述氧的残留量并由所述硫成分检测器指示的温度上升dTox被推定。当从由所述硫成分检测器指示的温度T1减去所述温度上升dTox所获得的温度T1’低于所述温度T0时,判定为在流入所述排气净化系统中的排气中存在硫成分。
与按照第五方面的排气净化系统一样,按照上述方面的用于内燃发动机的排气净化系统利用按照第一方面的温度传感器来判定在排气中是否存在硫成分。在这种情况下,为了防止由用包含在处于浓空燃比运转条件下的排气中的氧促发的还原剂的放热反应引起的硫成分检测精度的降低,通过计算来修正取决于包含在处于浓空燃比运转条件下的排气中的氧的发热量。更具体地,硫成分检测器包括一运转图谱,排气中氧的残留量从该运转图谱根据发动机的运转条件而获得。由硫成分检测器基于氧的残留量确定的温度上升dTox由运转图谱获得。然后,由硫成分检测器检测出的温度T1被修正。如上所述,仅取决于由涂布在温度检测装置的表面上的催化剂或吸附剂释放的氧的发热的温度T1’被计算。由于温度T1’低于温度T0,所以能以更高的精度判定在流入排气净化系统中的排气中存在硫成分。
按照本发明的第七方面的用于内燃发动机的排气净化系统包括:设置在所述排气净化系统的上游以储存存在于排气中的硫成分的硫捕集装置;和硫成分检测器,其中:按照权利要求4的温度传感器配置在所述硫捕集装置的下游且在所述排气净化系统的上游;因所述温度传感器中的反应物的放热反应而上升的温度T1被检测;并且然后,所检测出的温度T1与在所述排气中不存在硫成分的情况下因所述放热反应而上升的温度T0进行比较;并且其中,如果所述温度T1低于所述温度T0,则判定为在所述排气中存在硫成分。如果所述内燃发动机以浓空燃比运转,则所述排气中氧的残留量由所述内燃发动机的运转条件被推定。取决于所述氧的残留量的发热值Q1被推定;总的发热值Q2由所述硫成分检测器的检测值被计算;所述发热值Q1从所述发热值Q2被减去;并且如果所得出的Q1和Q2之差等于或低于规定值,则判定为在流入所述排气净化系统中的排气中存在硫成分。
本发明提供了一种促发气体中的反应物的放热反应以检测温度的温度传感器,和用于利用该温度传感器精确地检测排气中的少量硫成分的装置。本发明还提供了一种利用所述用于检测硫成分的装置的用于内燃发动机的排气净化系统。
附图说明
从下面参照附图对示例性实施例的描述中将更清楚地看到本发明的前述和/或其它的目的、特征和优点,在附图中相似的附图标记用于表示相似的要素,并且其中:
图1是其中按照本发明实施例的温度传感器作为硫成分检测器被应用于用于内燃发动机的排气净化系统的示意图;
图2是按照本发明实施例的温度传感器的示意图;
图3是说明在图2所示的温度传感器被用作硫成分检测器时硫成分的检测的图示;
图4是描绘按照相关技术的用于内燃发动机的排气净化系统的视图;
图5是描绘按照相关技术的用于内燃发动机的排气净化系统的视图;
图6是描绘按照本发明实施例的由作为硫成分检测器的温度传感器检测出的温度的变化的曲线图;
图7是示出当采用在稀空燃比下储存氧或NOx而在浓空燃比下释放氧或NOx的催化剂(或吸附剂)时按照本发明实施例的温度传感器的输出的原理的图示;
图8是描绘考虑到残留的氧由硫成分检测器作出的关于所通过的硫的判定的流程图,该硫成分检测器利用了按照本发明的温度传感器;
图9是示出按照本发明实施例的用于内燃发动机中的排气的温度传感器的示意性构型的视图;
图10是描绘在采用按照本发明实施例的温度传感器时温度传感器的其它形式的输出的视图;
图11是示出在对按照本发明实施例的温度传感器选择了最适当的材料时硫成分检测器的温度变化的曲线图;
图12是描绘在对温度传感器选择了最适当的材料时按照本发明实施例的温度传感器的灵敏度提高的原因的曲线图;
图13是描绘利用了按照本发明实施例的温度传感器的区域的曲线图;
图14描绘了按照本发明实施例的温度传感器的有效利用;
图15是描绘按照本发明实施例的温度传感器被应用于内燃发动机中的排气的示意性构型的图示;
图16是描绘按照本发明实施例的温度传感器被应用于内燃发动机中的排气的示意性构型的图示;
图17是描绘按照本发明实施例的温度传感器被应用于内燃发动机中的排气的示意性构型的视图;以及
图18是描绘按照本发明实施例的温度传感器被应用于内燃发动机中的排气的示意性构型的图示。
具体实施方式
在下文中将参照附图对本发明的实施例进行描述。在附图中,相同或相似的部件用相同的附图标记表示。
图2示出按照本发明实施例的温度传感器10。温度传感器10包括温度检测装置1和涂布在温度检测装置1的表面上的催化剂(或吸附剂)2。催化剂(或吸附剂)2对气体中的反应物如碳氢化合物和一氧化碳的放热反应进行催化。催化剂(或吸附剂)2在温度检测装置1上对气体中的反应物的放热反应进行催化。因放热反应而上升的温度由温度检测装置1检测。催化剂可以是诸如为氧化铝、氧化锆和二氧化铈的载体,或者诸如为由碱土金属载持的氧化铝、氧化锆、二氧化铈的载体,其中载体载持有具有氧化活性的活性物质,例如铂、钯、铑、金和银。催化剂优选地是易于发生硫中毒并由活性因硫中毒而显著降低的钯或银载持的碱性载体。
当所述气体是来自内燃发动机的排气时,采用在稀空燃比气氛下吸附氧或NOx并在浓空燃比气氛下释放氧或NOx的催化剂(或吸附剂)作为催化剂(或吸附剂)2。反应物的放热反应用由催化剂(或吸附剂)2释放的氧或NOx促发。然后,因放热反应引起的温度上升由温度检测装置1检测。在这种情况下,催化剂(或吸附剂)2可以是具有氧储存能力(OSC)的载体,例如二氧化铈和镨,或者载持有碱金属、碱土金属或稀土元素的材料,其在稀空燃比气氛下吸附氧或NOx并在浓空燃比气氛下释放氧或NOx。
图3是描绘用图2中的温度传感器10对气体中的硫成分的浓度进行检测的图示。具体地,在涂布于温度传感器10中的温度检测装置1的表面上的催化剂(或吸附剂)2经受硫中毒之前,气体中的反应物的放热反应在温度检测装置1上被促发,并且由温度检测装置1检测出的温度显著上升。但是,在催化剂(或吸附剂)2经受硫中毒之后,气体中的反应物的放热反应在温度检测装置1上减弱并最后终止。这样,因放热反应引起的温度上升显著减小。能由所检测出的温度之差检测出气体中硫成分的增加。在该实施例中,通过将所流过气体的硫成分捕集在催化剂(或吸附剂)2中来检测所通过的硫的累积量。这样,能通过累积包含在气体中的少于10ppm的极少量的硫成分来精确地检测稀少的硫成分。
图1示出通过将图2中的温度传感器10应用于用于内燃发动机的排气净化系统而基于上述检测原理检测排气中的硫成分的硫成分检测器。更具体地,温度传感器10配置在硫捕集催化剂20的下游且在NOx储存-还原催化剂30的上游。温度传感器10以高精度检测通过硫捕集催化剂20的微量的硫成分,并且还检测在NOx储存-还原催化剂30的性能降低之前所通过的微量的硫成分。
图4和5示出在相关技术中传统的用于内燃发动机的排气净化系统的问题,这些问题已在背景技术部分中进行了描述。
图6是对比在涂布于温度传感器10中的温度检测装置1的表面上的催化剂(或吸附剂)2经受硫中毒之前和之后由温度传感器10检测出的温度的变化的曲线图。更具体地,在硫中毒之前和之后由温度传感器10检测出的温度的第一峰值显著改变。这些温度之间的差与已在图3的原理图中描绘的温度之间的差相同,并被检测为图6所示的温度差。这样,能判定在排气中是否存在硫成分。更具体地,温度传感器10配置在气体的流路内,温度传感器10检测因反应物的放热反应而上升的温度T1,并将温度T1与在气体中不包含硫成分时因放热反应而上升的温度T0进行比较。当温度T1低于温度T0时,判定为在流路内的气体中存在硫成分。在图6中后来出现的峰值表示排气的温度因内燃发动机中的浓空燃混合物的燃烧而上升。由于位于温度传感器10上游的硫捕集装置20具有高的热容量,所以硫捕集装置20在排气使硫捕集装置20的温度上升之后升高通过温度传感器10的排气的温度。出于该原因,后来的温度峰值出现得晚。
如上所述,涂布在温度检测装置1的表面上的催化剂(或吸附剂)2可以是在稀空燃比气氛下储存氧或NOx并在浓空燃比气氛下释放氧或NOx的催化剂(或吸附剂)。但是,在这种情况下,氧残留在处于浓空燃比运转状态下的排气中,且由此,反应物的放热反应在温度检测装置1上用残留的氧促发。因此,由温度传感器10检测出的温度包括通过残留氧的燃烧产生的热量和通过氧或NOx从催化剂(或吸附剂)2的释放产生的热量。因此,判定在排气中是否包含硫成分的精度可能降低。上述关系在图7中示出。
为了解决上述问题,在硫成分检测器(温度传感器10)的上游配置氧消耗装置(未示出),以便在内燃发动机以浓空燃比运转时消耗处于浓空燃比运转状态下的排气中的任何残留的氧。因此,由温度传感器10检测出的温度t仅表示由从催化剂(或吸附剂)2释放的氧或NOx产生的热量。因此,能改善检测流入排气净化系统中的排气的硫成分的精度。
这样的氧消耗装置可以是诸如为氧化铝、氧化锆、二氧化铈和二氧化钛的载体,或者作为由氧化铝、氧化锆、二氧化铈和二氧化钛中的至少两种组成的复合物的载体,其载持有具有氧化活性的活性物质,例如铂、钯、铑、金、银和铁。
通过使处于浓空燃比运转状态下的排气中的残留氧燃烧所产生的热量也可以被计算。硫成分检测器包括基于所检测出的温度判定在流入排气净化系统中的排气中是否存在硫成分的控制单元。控制单元包括示出内燃发动机的运转条件和排气中氧的残留量之间的关系的运转图谱。控制单元在图8所示的步骤100中利用运转图谱计算排气中氧的残留量,并在步骤200中基于所计算出的氧的残留量计算(推定)发热值Q1。然后,在步骤300中从检测的温度传感器计算总的发热值Q2。在步骤400中,从Q2减去Q1。如果结果等于或低于特定值,则在步骤500中判定为有硫成分通过。代替发热值,也可利用温度的变化来判定硫成分是否通过。在这种情况下,由运转条件(运转图谱)推定处于浓空燃比运转条件下的排气中氧的残留量。基于所述氧的残留量推定由温度传感器10指示的温度上升dTox。然后,通过从由温度传感器10检测出的温度T1减去温度上升dTox而获得温度T1’。如果温度T1’低于温度T0,则判定为有硫成分通过。
在本发明的另一个实施例中,例如,温度传感器10配置在内燃发动机的排气管中的上游,并且在燃料中的硫浓度高时判定为高硫浓度。首先,在涂布于温度传感器10中的温度检测装置1的表面上的催化剂(或吸附剂)2经受硫中毒之前由温度传感器10指示的温度T0和所检测出的温度T1之间的温度差dT1被计算。如果温度T1因硫中毒而下降并且温度差dT1变得等于或大于规定值,则对由涂布在温度检测装置1的表面上的催化剂(或吸附剂)2吸附的硫成分上执行净化清除处理。接下来,当净化清除处理由于硫中毒的增强而被频繁地执行时,判定为燃料中的硫浓度高。对硫成分的净化清除处理可通过将催化剂(或吸附剂)2加热到高温来执行。此时,优选地,在浓空燃比气氛中将催化剂(或吸附剂)2加热到高温。在这种情况下,净化清除处理之间的时间间隔与规定的时间间隔相比缩短。这样,判定为所使用的燃料包含高浓度的硫成分。同时,作为利用时间间隔来判定的替换,如图9所示,当净化清除处理的每个循环所消耗的燃料消耗量Qf1的降低降到低于规定的燃料消耗量Qf0时,判定为所使用的燃料中的硫成分的浓度高。
如果在按照本发明实施例的硫成分检测器被用于内燃发动机中的排气时在温度传感器10的上游配置有具有预定热容量的部件,则如图6所示,能将由催化剂(或吸附剂)2上的放热反应得到的温度峰值与由内燃发动机中的燃烧得到的排气温度峰值分开。这对于检测由放热反应得到的温度峰值是有利的。换句话说,如果不在温度传感器10的上游设置具有大的热容量的部件如硫捕集装置,则如图10(左侧的图)所示,由催化剂(或吸附剂)2上的放热反应得到的温度峰值和由内燃发动机中的燃烧得到的排气温度峰值在由温度传感器10检测出的温度方面重叠。这样,难以确定催化剂(或吸附剂)2上的放热反应的温度峰值E。但是,如果在温度传感器10的上游配置具有规定的热容量的部件,则两个温度峰值可分开,如图10所示(右侧的图)。这样,易于确定由催化剂(或吸附剂)2上的放热反应得到的温度峰值E。因此,即使在温度传感器10的上游未配置硫捕集装置的实施例中,也优选地在温度传感器10的上游配置具有规定的热容量的部件。
如果本发明的实施例还采用具有因硫中毒而显著降低的活性的活性物质作为催化剂,和也易受硫中毒的碱性载体,同时排除具有氧储存能力(OSC)的材料如二氧化铈和镨,以便仅在NOx还原期间检测温度,则能显著提高温度传感器10的灵敏度。例如,当采用由碱金属或碱土金属载持并且还载持有钯的载体如氧化铝和氧化锆时,可显著提高传感器的灵敏度。图11示出如上所述灵敏度提高的温度传感器10在浓峰操作期间的工作状态的示例。与图6相比,图11示出初期的温度上升大,而在硫中毒之后的温度上升小。因此,温度之间的大的差异表明灵敏度显著提高。
图12示出如上所述的灵敏度的显著提高。其灵敏度因上述材料的组合而提高的温度传感器10可被用在具有高的NOx还原和低的硫释放的区域内。因此,由NOx还原引起的温度上升大,而硫中毒之后的温度上升由于非常易受硫中毒而小。由于温度之间的差异大,所以可显著提高灵敏度。
温度传感器10的灵敏度随着所通过的硫成分的量增大而降低。一旦温度传感器10经受硫中毒的程度达到指定程度,便对由涂布在温度检测装置1的表面上的催化剂(或吸附剂)2吸附的硫成分执行净化清除处理。但是,在温度传感器10中存在不能通过净化清除处理从硫中毒恢复并永久经受硫中毒的区域。图13是表示温度传感器10的这种性质的曲线图。如图13所示,在温度传感器10中存在永久硫中毒区域。因此,当在真实的机器中安装和使用温度传感器10时,还优选地,温度传感器10在被安装到真实的机器中之前经历前处理。在前处理期间,使温度传感器10经受硫中毒,然后对由催化剂(或吸附剂)2吸附的硫成分执行净化清除处理。
当在被用于真实的机器中的温度传感器10中执行净化清除处理时,需要通过将燃料喷射到排气中和使排气中的氧燃烧而获得浓空燃比和将排气加热到高温。但是,需要大量的燃料以使排气的总量处于浓空燃比和高温。因此,在本发明的另一个实施例中,如图14所示,温度传感器10还包括具有氧泵送功能的泵单元15,和加热器16。在上述构型中,当在泵单元15上施加直流电压(未示出)时,泵单元15去除在温度传感器10附近流动的排气中的氧。结果,温度传感器10附近的气氛变为浓空燃比气氛。这样,温度传感器10的净化清除处理可通过用加热器16加热温度传感器10而容易地执行。因此,不需要将燃料喷射到排气中或使排气的总量处于浓空燃比和高温。净化清除处理可非常经济地执行。
在另一个实施例中,未设置图1所示的硫捕集催化剂20,而是设置了NOx储存-还原催化剂30的催化再生装置。在该实施例中,温度传感器10配置在NOx储存-还原催化剂30的上游,以推定NOx储存-还原催化剂30经受的硫中毒的程度。更具体地,温度传感器10以预定的间隔如预定的时间间隔或在特定量的燃料被消耗之后检测所通过的硫量,然后累积硫成分的量,以便计算已通过NOx储存-还原催化剂30的硫量。因此,温度传感器10可检测NOx储存-还原催化剂30经受的硫中毒的程度。
图15示出与图9所示的实施例不同的另一个实施例,其中温度传感器10检测燃料或发动机油中的硫浓度。在图15中,例如,温度传感器10配置在内燃发动机的排气管的上游,并检测在每个燃料加注周期或发动机油的每个更换周期在排气中所通过的硫成分的量。如图15所示,燃料加注周期和发动机油的更换周期彼此不同。因此,通过记录在每个燃料加注周期和发动机油的每个更换周期中所通过的硫成分的量的变化,能判定排气中的硫成分是归因于燃料还是发动机油。此外,能利用在上一个燃料加注周期中获得的排气中的硫量和在当前的燃料加注周期中获得的排气中的硫量精确地计算燃料中的硫浓度。也能利用在上一个发动机油更换周期中获得的排气中的硫量和在当前的发动机油更换周期中获得的排气中的硫量精确地计算发动机油中的硫浓度。
在又一个实施例中,在装备有柴油颗粒过滤器(DPF)的系统中,温度传感器10配置在DPF的上游。如果采用具有高的硫含量的燃料或发动机油,则温度传感器10监测被捕集在DPF中的硫成分的量,以防止从DPF产生硫烟气。温度传感器还控制DPF,使得DPF在DPF中捕集的硫的量超过指定量之前再生。
在装备有NOx储存-还原催化剂的系统中,能根据燃料和发动机油中的硫浓度使NOx储存-还原催化剂的再生运转间隔最优化。更具体地,燃料和发动机油中的硫浓度、NOx储存-还原催化剂的再生运转期间浓峰操作的空燃比、和催化再生运转的间隔之间的关系在图16中示出。该关系被嵌入为用于催化再生运转的控制系统的运转图谱。因此,能以最优的运转间隔执行催化再生运转。
在又一个实施例中,如图17所示,温度传感器10配置在NOx储存-还原催化剂的下游,从而能测量在催化再生运转期间由NOx储存-还原催化剂释放的硫的量。在这种情况下,当NOx储存-还原催化剂在催化再生运转期间处于浓空燃比气氛下时,温度传感器10的催化剂(或吸附剂)2也处于再生气氛中。因此,被捕集在温度传感器10中的硫的量与在通常运转期间相比降低。因此,在图17的布置中,当在催化再生运转期间测量由NOx储存-还原催化剂释放的硫的量时,需要修正温度传感器10的灵敏度。在这种情况下,预先获得浓空燃比气氛中的温度传感器10的灵敏度以生成灵敏度图谱等。然后,灵敏度图谱例如被包括在温度传感器10的温度检测系统中,并被用于修正温度传感器10的灵敏度。
另外,在这种情况下,温度传感器10包括上述的氧泵送功能。氧泵送功能通过使施加在泵单元15上的电压的极性反转而沿相反的方向起作用,以朝温度传感器10输送氧。这样,氧在温度传感器10附近被释放。因此,能通过仅将温度传感器10附近的气氛维持为浓空燃比气氛而测量在催化再生运转期间NOx储存-还原催化剂的硫释放量,以防止温度传感器10的灵敏度降低。
温度传感器10的劣化不仅通过硫中毒发生。如果温度传感器10被持续使用,则即使对由涂布在温度检测装置1的表面上的催化剂(或吸附剂)2吸附的硫成分周期性地进行净化清除,也无法恢复最初的灵敏度。更具体地,如图18所示,温度传感器10的使用初期的灵敏度曲线被表达为曲线F。灵敏度在硫成分被净化清除之后恢复到P1。但是,如果温度传感器10被持续使用,则即使硫成分被规律地净化清除,灵敏度曲线也会朝曲线G移动。灵敏度最终仅恢复到P2,即使在硫成分被净化清除之后。因此,一旦净化清除处理之后温度传感器10的灵敏度降低到一阈值,便判定为温度传感器10劣化,且优选地用新的温度传感器替换温度传感器10。
在这种情况下,如果在净化清除处理之后确定劣化的温度传感器10的灵敏度,则能推定整个灵敏度曲线中的降低的灵敏度。因此,在另一个实施例中,预先提供表示温度传感器10的灵敏度降低的图谱。这样,优选地,通过获得温度传感器10在净化清除处理之后的灵敏度来修正整个灵敏度曲线中的灵敏度。
虽然已参照本发明的示例性实施例描述了本发明,但应当理解,本发明不限于所述的实施例或构造。相反,本发明意图涵盖各种变型和等同布置。此外,虽然以各种组合和构型示出了示例性实施例的各种要素,但是包括更多、更少或仅单个要素的其它组合和构型也在本发明的精神和范围内。
Claims (16)
1.一种温度传感器,其特征在于包括:
温度检测装置;和
涂布在所述温度检测装置的表面上的催化剂和吸附剂中的至少一种,其中
所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种在所述温度检测装置上对气体中所包含的反应物的放热反应进行催化,并且
所述温度检测装置检测因所述放热反应而上升的温度。
2.根据权利要求1所述的温度传感器,其中,所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种是这样的催化剂或吸附剂,该催化剂或吸附剂的对所述气体中的所述反应物的所述放热反应的催化效率因硫中毒而降低。
3.根据权利要求1或2所述的温度传感器,其中,涂布在所述温度传感器中的所述温度检测装置的所述表面上的所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种是这样的载体,在该载体中由碱金属或碱土金属载持有氧化铝或氧化锆,并且该载体还载持有钯。
4.根据权利要求2所述的温度传感器,其中:
所述气体是来自内燃发动机的排气;
涂布在所述温度检测装置的所述表面上的所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种在所述内燃发动机以稀空燃比运转时储存所述排气中的氧或氮氧化物,并且在所述内燃发动机以浓空燃比运转时将氧或氮氧化物释放到所述排气中;
所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种利用所释放的氧或氮氧化物在所述温度检测装置上对所述排气中的所述反应物的所述放热反应进行催化,并且所述温度检测装置检测因所述放热反应而上升的温度;并且
所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种的氧或氮氧化物储存能力和对所述放热反应的催化效率因硫中毒而降低。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的温度传感器,其中:
所述温度传感器经历前处理,在所述前处理中,使所述温度传感器经受硫中毒,且然后净化清除掉由涂布在所述温度检测装置的所述表面上的所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种吸附的硫成分。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的温度传感器,还包括:
具有氧泵送功能的泵单元;和
加热器。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的温度传感器,其中
当所述温度传感器配置在NOx储存-还原催化剂的下游以测量所述NOx储存-还原催化剂在催化再生运转期间的硫释放量时,所述温度传感器的灵敏度被修正为适合于浓空燃比的灵敏度。
8.一种硫成分检测器,其特征在于:
根据权利要求2至4中任一项所述的温度传感器配置在所述气体的流路内以检测因所述放热反应而上升的温度(T1);
所述温度(T1)与所述气体中不存在硫成分时因所述放热反应而上升的温度(T0)进行比较;并且
如果所述温度(T1)低于所述温度(T0),则判定为在所述流路内的所述气体中存在硫成分。
9.根据权利要求8所述的硫成分检测器,其中:
所述温度传感器配置在内燃发动机的排气管中的上游;
如果所述温度(T0)和所述温度(T1)之间的温度差(dT1)由于由所述硫成分检测器指示的温度(T1)的下降而变得等于或大于规定值,则利用净化清除处理对由涂布在所述温度检测装置上的所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种吸附的硫成分进行处理;并且
如果从所吸附的硫成分已被净化清除之后至下一次净化清除处理之前的燃料消耗量降低到低于规定的燃料消耗量,则判定为所使用的燃料包含高浓度的硫成分。
10.根据权利要求8所述的硫成分检测器,其中:
所述温度传感器配置在内燃发动机的排气管中的上游;
如果所述温度(T0)和所述温度(T1)之间的温度差(dT1)由于由所述硫成分检测器指示的温度(T1)的下降而变得等于或大于规定值,则利用净化清除处理对由涂布在所述温度检测装置上的所述催化剂和所述吸附剂中的至少一种吸附的硫成分进行处理;并且
如果从所吸附的硫成分已被净化清除之后至下一次净化清除处理之前的时间间隔由于硫中毒的程度升高而缩短到短于规定的时间间隔,则判定为所使用的燃料包含高浓度的硫成分。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的硫成分检测器,还包括:具有规定的热容量的部件,
其中:
所述温度传感器配置在所述内燃发动机的排气通路内;
所述具有规定的热容量的部件配置在所述温度传感器的上游;
由所述内燃发动机中的燃烧引起的排气温度上升到达所述温度传感器的时间被延迟;并且
由所述内燃发动机中的燃烧引起的排气温度上升和由所述温度传感器中的所述放热反应引起的温度上升被分开检测。
12.一种硫成分检测器,其特征在于:
根据权利要求6所述的温度传感器配置在NOx储存-还原催化剂的下游;
氧由所述氧泵送功能在所述温度传感器附近被释放;并且
在所述温度传感器附近的气氛变为稀空燃比气氛之后,所述NOx储存-还原催化剂在催化再生运转期间的硫释放量被测量。
13.一种用于内燃发动机的排气净化系统,其特征在于包括:
配置在所述排气净化系统的上游以储存存在于排气中的硫成分的硫捕集装置;并且
根据权利要求8所述的硫成分检测器设置在所述硫捕集装置的下游且在所述排气净化系统的上游,
其中,如果所述硫捕集装置储存所述排气中的硫成分的性能降低,且由此包含硫成分的所述排气流入所述排气净化系统中,则所述硫成分检测器判定为在流入所述排气净化系统中的排气中存在硫成分。
14.一种用于内燃发动机的排气净化系统,其特征在于包括:
配置在所述排气净化系统的上游并储存存在于排气中的硫成分的硫捕集装置;
硫成分检测器,其中:
根据权利要求4所述的温度传感器配置在所述硫捕集装置的下游且在所述排气净化系统的上游;
因所述温度传感器中的反应物的放热反应而上升的温度(T1)被检测;
然后,所检测出的温度(T1)与在所述排气中不存在硫成分的情况下因所述放热反应而上升的温度(T0)进行比较;并且其中,如果所述温度(T1)低于所述温度(T0),则判定为在所述排气中存在硫成分;和
设置在所述温度传感器的上游的氧消耗装置,
其中,当所述内燃发动机以浓空燃比运转时,所述氧消耗装置消耗残留在所述排气中的氧。
15.一种用于内燃发动机的排气净化系统,其特征在于包括:
设置在所述排气净化系统的上游以储存存在于排气中的硫成分的硫捕集装置;和
硫成分检测器,其中:
根据权利要求4所述的温度传感器配置在所述硫捕集装置的下游且在所述排气净化系统的上游;
因所述温度传感器中的反应物的放热反应而上升的温度(T1)被检测;并且
然后,所检测出的温度(T1)与在所述排气中不存在硫成分的情况下因所述放热反应而上升的温度(T0)进行比较;并且其中,如果所述温度(T1)低于所述温度(T0),则判定为在所述排气中存在硫成分,
其中:
如果所述内燃发动机以浓空燃比运转,则所述排气中氧的残留量由所述内燃发动机的运转条件被推定;
取决于所述氧的残留量并由所述硫成分检测器指示的温度上升(dTox)被推定;并且
如果从由所述硫成分检测器指示的温度(T1)减去所述温度上升(dTox)所获得的温度(T1’)低于所述温度(T0),则判定为在流入所述排气净化系统中的排气中存在硫成分。
16.一种用于内燃发动机的排气净化系统,其特征在于包括:
设置在所述排气净化系统的上游以储存存在于排气中的硫成分的硫捕集装置;和
硫成分检测器,其中:
根据权利要求4所述的温度传感器配置在所述硫捕集装置的下游且在所述排气净化系统的上游;
因所述温度传感器中的反应物的放热反应而上升的温度(T1)被检测;并且
然后,所检测出的温度(T1)与在所述排气中不存在硫成分的情况下因所述放热反应而上升的温度(T0)进行比较;并且其中,如果所述温度(T1)低于所述温度(T0),则判定为在所述排气中存在硫成分,
其中:
如果所述内燃发动机以浓空燃比运转,则所述排气中氧的残留量由所述内燃发动机的运转条件被推定;
取决于所述氧的残留量的发热值(Q1)被推定;
总的发热值(Q2)由所述硫成分检测器的检测值被计算;
所述发热值(Q1)从所述发热值(Q2)被减去;并且
如果所得出的(Q1)和(Q2)之差等于或低于规定值,则判定为在流入所述排气净化系统中的排气中存在硫成分。
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