CN102317586B - 用于监测内燃机排气管线中的氧化催化剂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了用于监测内燃机排气管线中的氧化催化剂的方法，其中，催化剂诊断事件包括试验循环，在试验循环期间，氧化催化剂的转换性能基于燃料后喷射产生的放热量确定。诊断事件可仅在氧化催化剂的温度位于预定温度范围内时启动。

Description

用于监测内燃机排气管线中的氧化催化剂的方法
技术领域
本发明总体上涉及车载诊断，且更具体地涉及用于监测内燃机排气管线中的氧化催化剂的性能的方法。
背景技术
现在，催化转换器是机动车辆的排气系统上的常规特征以净化发动机排气。在例如柴油发动机中，最常用的催化转换器是柴油氧化催化剂（DOC），通常与柴油颗粒过滤器（DPF）相连。其主要功能是将排气流中的烃（HC）转化为水（H2O）和二氧化碳（CO2）。这些转换器通常达到90％的效率，实际上消除了柴油气味且有助于减少可见的颗粒（碳烟）。
催化转换器（尤其是机动车辆上）的需要随着许多国家日益严格的环境保护规定而增加。而且，在即将到来的欧V和VI规定中，DOC的车载诊断对于大数量的车辆来说变成强制性的。这种诊断包括确定催化剂的性能（即，转换效率），以检测催化剂是否仍然能够根据规定净化排气或者其是否过老/被损坏且应当更换。
实际上，经过长时间，换句话说在机动车辆发动机的情况下经过100000 km量级的平均里程或者1000小时量级的平均操作时间，催化转换器转换污染物的性能稳定地下降。该过程称为“老化”且其由歧管物理和化学环境因素引起，无论如何小心地处理催化转换器，这都是不可避免的。老化过程很大程度上取决于催化转换器在其典型操作中所暴露的应变。可能改变催化转换器的转换效率的另一个现象是“中毒”，例如，在使用劣质燃料时。
由于催化转换器的这种依使用而定的老化，实际上不可能做出关于催化转换器耐用性的总体预测。此外，使用时间长度或里程（在此之后催化转换器将必须更换）的总体指导（如果有的话）将必须特别严格，以便防止继续使用无效催化转换器。但是这将明显意味着为了防止起见更换仍明显可用的催化转换器。
因而，该情况的补救是监测每个催化转换器的功能性能，其在长时间内执行且是可靠的。
在柴油发动机中，DOC的车载诊断通常基于由后喷射（即，在排气冲程期间喷射燃料）产生的放热量。后喷射增加了排气流中未燃HC的量，其将在DOC中转换为水和CO2。该转换涉及放热氧化反应，其产生与DOC前浓度（即，进入DOC的HC量）直接关联的热量。如本领域技术人员已知的，该放热量生成用于柴油颗粒过滤器（DPF）的再生中，以增加排气温度以便燃烧积聚碳烟。
因此，柴油发动机中的DOC诊断通常在DPF的再生模式期间执行，这意味着具有后喷射的燃烧模式。典型转换效率诊断包括通过将DOC前和后的排气温度进行比较来监测DOC的放热量，因而检查后喷射实际上是否引起DOC下游的排气增加。在DPF再生模式期间执行诊断还确保DOC处于相对高的温度，因为为了启动转换，需要DOC的最小温度。
发明内容
本发明的目的是提供一种监测氧化催化剂的替代方法，其允许催化剂转换效率的可靠长期监测。
本发明基于以下观察：在催化转换器的高温范围中（在再生事件期间通常如此）执行催化转换器的诊断时，存在错误评估的风险。其原因是因为（高度）老化的催化转换器在高温范围内仍具有良好的效率且在排放试验循环的较低温度范围内效率低。因而，具有高DOC温度和/或发动机排出排气高温的再生事件不能用于安全地诊断DOC。
这些缺陷通过根据本发明的方法克服。
本发明涉及用于监测内燃机排气管线中的氧化催化剂的方法，其中，催化剂诊断事件包括试验循环，在试验循环期间，氧化催化剂的转换性能基于燃料后喷射产生的放热量确定。根据本发明的重要方面，诊断事件可仅在氧化催化剂的温度位于预定温度范围内时启动。
此外，试验循环包括后喷射事件和放热量监测时段，在后喷射事件之后，放热量监测时段持续，直到氧化催化剂中存储的基本上所有热量已经排空。
预定温度范围有利地被选择以能够区分新或略微老化的催化剂和老化催化剂，因而应当覆盖预期高度老化催化剂的转换效率将明显低于较新的起作用的催化剂（即，令人满意地操作）的转换效率的温度范围。
于是，当转换效率下降低于转换效率报警阈值时，可触发报警信号。
在一个实施例中，预定温度范围被选择以与具有给定老化的参考氧化催化剂的转换效率的过渡区域相对应。换句话说，预定温度范围优选地被选择以与具有选定老化的参考氧化催化剂的转换效率小于100％且更优选地具有明显低于老化较少的起作用的氧化催化剂的转换效率的温度范围相对应。将理解的是，参考氧化催化剂在不同温度下的转换效率值通过试验标定和确定。
更优选地，预定温度范围的温度上限与老化参考氧化催化剂的不超过90％的转换效率相对应。
在优选实施例中，预定温度范围被选择使得其温度下限和上限分别与老化参考氧化催化剂的大约40％至80％的转换效率相对应，更优选地40％至60％。
优选地，预定温度范围的温度下限的进一步标准是其应当至少与起作用的氧化催化剂（具有给定老化）的预定转换效率相对应，优选至少50％。
将理解的是，本发明的诊断事件有利地在发动机未以DPF再生模式操作时执行。
为了增加诊断事件的准确性，在氧化催化剂的温度离开预定温度范围的情况下取消诊断事件。如果在后喷射事件期间发生，这尤其如此。
而且，为了提高准确性，氧化催化剂温度可以借助于多切片模型监测，且可仅仅在所有所述切片的相应温度都位于预定温度范围内时触发和/或执行诊断事件。
此外，在诊断循环期间，发动机参数可以有利地设定以使得除了后喷射之外发动机排出的排气中的HC量最小化。
根据一个实施例，通过在后喷射之后给定时间段内监测离开氧化催化剂的排气温度来确定测量放热量。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明，在附图中：
图1是示出了老化对催化剂效率的影响的曲线图；
图2是示出了测量DOC排出的排气温度（Tout）和没有后喷射的情况下模型排气温度（Tout-mod）的曲线图。
具体实施方式
现在将参考应用于柴油氧化催化剂（DOC）领域的优选实施例阐述本发明。
如本领域技术人员已知的，在柴油机动车辆的排气系统中现在通常可见DOC。DOC通常设置在柴油颗粒过滤器（DPF）的上游，用于辅助其再生。实际上，为了消除在DPF中收集的碳烟颗粒，常规方法是通过以调节燃烧模式操作发动机而增加排气温度，包括（1）分离和延迟燃料喷射；和（2）执行后喷射以增加排气中未燃HC量。未燃HC经历DOC放热氧化反应且转化为水和二氧化碳。
如上所述，期望监测DOC的转换性能。常规DOC诊断在DPF再生事件期间执行且基于由后喷射引起的DOC放热影响。虽然在再生事件期间执行DOC诊断事件确保DOC温度高于启动催化剂材料所需的最小温度，但是存在错误评估的风险。
该问题可以从图1更好地理解，图1示出了老化对DOC的影响，HC转换效率相对于DOC温度绘制。可以看出，老化催化转换器在高温范围（例如，对于许多DOC通常高于300℃）内仍可以具有良好的效率。然而，高度老化的催化剂在较低温度（例如，低于250℃）下明显具有较差或不可接受的转换效率。
为了确保催化转换器（即，DOC）的可靠长期监测，本发明方法提出在较低或适度温度下执行DOC诊断事件，在该温度下，实际上可以评估DOC的老化状态而不是简单地其是否破裂。在图1所示的老化行为的情况下，根据本发明可以形成诊断事件的温度窗是例如150至200℃。
因而，诊断事件优选在发动机正常操作（正常燃烧模式，例如稀燃）而不是处于DPF再生模式时执行，DPF再生模式引起高温排气且因而使DOC处于高温范围。
DOC温度优选根据多切片模型监测，即，DOC实际上分成多个切片且算法用于基于DOC的一个或多个温度测量值确定每个切片的温度。
在本发明方法中，氧化催化剂诊断事件因而在DOC处于预定温度窗时执行，如上所述。对于给定型号和类型的催化剂，该温度窗将通常基于试验测试、模拟、强制老化试验等标定。
诊断事件包括以下试验循环。在已经检查DOC温度处于指定窗内且发动机未以DPF再生模式或其它浓燃烧模式操作时，执行计量燃料量的后喷射。如本文使用的，术语“后喷射”指的是在没有发生燃烧或发生很少的燃烧的时间时将燃料喷射到气缸内或者排气管道中DOC之前。缸内后喷射可通常朝做功冲程结束时执行（或更晚）。然而，与通常在DPF再生模式中执行的后喷射相比，在后喷射脉冲中喷射的燃料量相对更少。实际上，目的不是使DOC实际上处于高温范围，而是监测后喷射的结果和检查其是否导致预期放热量。因而，通常少量的后燃料（例如，若干克）被喷射以在DOC中产生临时放热。
一执行后喷射，由DOC产生的热量就积聚（考虑实施试验循环的算法）。这优选通过测量DOC出口（或其下游）处的排气温度进行。当存储在DOC中的所有热量已经排空到排气中时，热量积聚停止且与后燃料应当产生的理论热量进行比较。然后，转换效率计算为积聚热量与后燃料应当产生的理论热量的比率。
为了评估放热量，我们考虑离开DOC的排气的瞬时总热能对应于进入DOC的排气的热能和由与喷射燃料量有关的放热量引起的热能的总和，然而由表示瞬变的项校正，即考虑DOC的热惯性。DOC的该瞬时热能平衡可以表示如下：
Figure 2010800067571150138DEST_PATH_IMAGE001
       (1)
其中，
T in 表示DOC入口处的排气温度；
T out 表示DOC出口处的排气温度；
η是DOC转换效率；
M表示排气质量流量；
Cp表示排气的热容量；
q f 表示通过后燃料喷射引入排气的燃料量；
Q DOC_stored 是存储在DOC材料中的热能；
H是燃料热值。
当在一定时间段t内积分时，关系式（1）等价于：
Figure 242077DEST_PATH_IMAGE002
        (2)
其中T out-mod  表示“惰性”DOC的模型DOC排出排气温度，即，在没有执行后喷射且因而通常没有放热时。可注意到，在该数学方法中，T out-mod  等价于稳定后的T in ；q f ·H对应于理论放热量。
该积分的原理在图2中示出，其中，测量排气温度Tout和没有后喷射的情况下模型排气温度Tout-mod相对于时间绘制。积分与后喷射脉冲一起开始且被执行直到DOC中积聚的所有热量被排出为止。
因而，在本发明方法中，试验循环借助于少量后喷射脉冲/事件开始，且包括放热量监测时段，在放热量监测时段期间，放热量被监测且持续直到由于后喷射存储在催化剂中的基本上所有热量被排空为止。优选地，放热量监测时段随后喷射事件而开始且在后喷射事件之后继续，直到排空所有热量。通常，监测催化剂中的热量意味着测量DOC出口的排气温度（Tout），且热量积聚（积分）以便确定由后喷射事件实际上产生的热量（即，放热量）。监测时段结束和从而由于放热引起的热量排出可以通过将DOC出口的排气温度Tout与模型DOC排出的排气温度Tout-mod进行比较来确定。当差Tout-Tout-mod下降低于预定阈值时，可以推断热量已经排空且监测可以停止。换句话说，在Tout和Tout-mod大致相等时，监测时段结束。
可选地，可以通过标定计时期满来指示放热量监测时段结束。这种计时可以具有已知（根据试验/测试）大于排空放热量（由已知后燃料喷射引起）所需的时间的持续时间。
本领域技术人员将清楚，图2所示的后喷射事件在直接喷射到排气管线中时可以是连续脉冲，但是在喷射到气缸中时将与多个附加燃料量相对应。
为了示例性目的，且不应理解为限制性的，考虑到在1至20s时段期间喷射1至15g后燃料量适合于进行当前用于机动车辆中的大多数类型氧化催化剂的本发明诊断。借助于这种后喷射燃料，预期放热量监测时段将持续1和10分钟之间。
为了提供效率的准确结果，进入DOC的准确燃料量（q f ）必须是已知的，因而被精确地计量。为了提高准确性，所喷射的后燃料优选使用例如可标定校正因子针对发动机排出的温度和排气流量进行校正。
同样，为了避免由于发动机排出的HC量（不是由后喷射引入）引起的噪音，配备有允许将排气的一部分再循环回到进气歧管的EGR（排气再循环）阀的汽车的EGR率在诊断事件期间优选减少为预定值。同样，对于诊断事件的持续时间，可能影响发动机排出的HC浓度的任何其它参数（例如，燃烧室中的涡流）优选设定为使得发动机排出的HC最小化的预定值。
仍需要注意的是，常用氧化催化剂技术基于沸石，其在低温（通常<250℃）下具有明显的HC存储效果。为了避免在诊断事件之前DOC中HC的未知积聚，在DOC已经在低于预定温度阈值的情况下运行超过预定时间段时，防止诊断事件开始。如果发动机已经怠速运行片刻，这通常可能如此。随后在观察到DOC温度已经增加高于温度阈值时，可开始诊断事件，假定满足其它所需条件。
此外，为了可靠的DOC性能监测，如果DOC温度离开诊断温度窗，优选取消诊断事件。具体地，如果DOC温度在执行试验循环的后喷射事件期间离开诊断温度窗。在这方面，可注意到，由于后喷射相对短，因而DOC温度离开诊断温度窗的概率低。
还应当理解的是，由于在试验循环中仅使用短的后喷射事件（因而与在再生模式中通常后喷射的燃料量相比燃料量少），因而所产生的放热量通常不会使得DOC过热，即致使其温度在诊断窗之外。
现在更具体地参考诊断温度窗的选择，想法是在这样的DOC温度窗内进行诊断，其中，老化（即，高度老化）催化剂不能评估为老化较少的催化剂。实践中，这意味着基于用作参考的高度老化催化剂（参考氧化催化剂）确定诊断温度窗的极限。窗的上限应当被选择与参考催化剂的低于100％（优选低于90％）的转换效率相对应。在图1的示例中，这意味着时间窗上限为200℃。如前文所述，下限可以是150℃，这是允许转换的温度，但是非常低。选择下限的附加标准可以是温度对于起作用的氧化催化剂（例如，图1的略微老化的催化剂）来说足以达到起燃点，即，50％的转换效率（在本文的情况下是150℃）。
在可选优选实施例中，诊断温度窗可以被选择与参考高度老化催化剂的40％至60％范围内的转换效率相对应。将此应用于图1，可以从高度老化催化剂（参考）的曲线推出，相应诊断温度窗是170℃至185℃。可以看出，该温度范围与该参考（高度老化）催化剂的转换效率的陡过渡区域相对应。其明显远离略微老化催化剂的转换效率曲线。
仍参考图1的示例，如果在该预定诊断温度窗（170-185℃）中所确定的转换效率低于40％，那么推断氧化催化剂需要更换且产生报警信号。
本发明方法可以在内燃机的ECU中容易地实施且不需要附加的特定设备（对于大多数发动机/车辆）。

Claims (17)

1.一种用于监测内燃机排气管线中的氧化催化剂的方法，其中，催化剂诊断事件包括试验循环，在试验循环期间，所述氧化催化剂的转换性能基于燃料后喷射产生的放热量确定，
其中
所述诊断事件能够仅在所述氧化催化剂的温度位于预定温度范围内时启动，
其特征在于，所述试验循环包括后喷射事件和放热量监测时段，在所述后喷射事件之后，放热量监测时段持续，直到所述氧化催化剂中存储的所有热量已经排空。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述放热量通过测量在所述放热量监测时段期间离开所述氧化催化剂的排气温度来评估。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述氧化催化剂具有出口，且其中，当催化剂出口的排气温度（Tout）和模型催化剂排出的排气温度（Tout-mod）相等时，所述放热量监测时段结束。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，当催化剂出口的排气温度（Tout）与模型催化剂排出的排气温度（Tout-mod）之间的差下降低于预定阈值时，所述放热量监测时段结束。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，在标定计时期满时，所述放热量监测时段结束。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的方法，其中，所述预定温度范围被选择以与具有给定老化的参考氧化催化剂的转换效率的过渡区域相对应。
7.根据权利要求1至5中任何一项所述的方法，其中，所述预定温度范围被选择，使得温度上限与老化参考氧化催化剂的不超过90％的转换效率相对应。
8.根据权利要求1至5中任何一项所述的方法，其中，所述预定温度范围被选择，使得温度下限和上限分别与老化参考氧化催化剂的40％和80％的转换效率相对应。
9.根据权利要求1至5中任何一项所述的方法，其中，所述预定温度范围具有温度下限和上限，所述温度下限和上限被选择以分别与老化参考氧化催化剂的40％和60％的转换效率相对应。
10.根据权利要求1至5中任何一项所述的方法，其中，所述预定温度范围的温度下限被选择以至少与起作用的参考氧化催化剂的预定转换效率相对应。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述预定转换效率为至少50％。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述诊断事件在发动机未以DPF再生模式操作时执行。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述氧化催化剂的温度离开所述预定温度范围的情况下，取消所述诊断事件。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，在执行所述后喷射事件期间，在所述氧化催化剂的温度离开所述预定温度范围的情况下，取消所述诊断事件。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，氧化催化剂温度借助于多切片模型监测，且仅仅在所有所述切片的相应温度都位于所述预定温度范围内时能够触发和/或执行所述诊断事件。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述诊断循环期间，发动机参数被设定以使得除了后喷射之外发动机排出的排气中的HC量最小化。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，当转换效率下降低于转换效率报警阈值时，触发报警信号。
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