CN102439278A - 用于净化具有催化转化器的内燃机的排气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于净化具有催化转化器的内燃机的排气的方法，所述催化转化器包括氧储存成分。本发明尤其涉及在发动机已经在稀薄条件下操作了较短的时间段或较长的时间段之后的用于调节过的化学计量操作的氧储存成分的最佳填充度的恢复。

Description

用于净化具有催化转化器的内燃机的排气的方法
技术领域
本发明涉及一种用于净化具有催化转化器的内燃机的排气的方法，所述催化转化器包括氧储存成分。本发明尤其涉及在发动机已经在稀薄条件下操作之后的氧储存成分的最佳填充度的恢复，用于发动机的调节过(受到λ(lambda)控制的)的化学计量操作。
背景技术
为了净化这些发动机的排气，使用所谓的三元催化转化器，所述三元催化转化器同时从排气去除一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx)。
空燃比λ(λ)经常用于说明供给到发动机的空气/燃料混合物的组分。所述空燃比是关于化学计量条件的规格化的空气/燃料比。空气/燃料比说明了每千克燃料下有多少千克空气被供给到内燃机。用于化学计量燃烧的空气/燃料比对于普通的发动机燃料而言是14.7。此时，空燃比λ是1。低于14.7的空气/燃料比，或者低于1的空燃比，称为浓的，并且高于14.7的空气/燃料比，或者高于1的空燃比，称为稀的。
如果在内燃机中没有发生用于排气的某些成分的储存效应，则排气的空燃比与供给到发动机的空气/燃料混合物的空燃比对应。为了获得三种污染物全部的较高的转化程度，空燃比λ必须设定在λ＝1周围非常窄的范围内(化学计量条件)。其中三种污染物全部至少80％被转化的、λ＝1周围的区间经常称为λ窗。
为了补偿排气中的氧含量的波动，三元催化转化器包括氧储存成分(OSC)，所述氧储存成分在稀排气条件(λ＞1)下储存氧，并且在浓排气条件(λ＜1)下放出氧，由此将排气的化学计量设定到λ＝1。允许其氧化状态改变的复合物适于作为催化转化器中的氧储存成分。优选地使用氧化铈，氧化铈可以表达为Ce2O3和CeO2。为了使氧化铈稳定，氧化铈例如作为与氧化锆混合的氧化物使用。
在下文中，将应当理解，氧储存成分的储存容量意思是被每克氧储存成分可以吸收的氧质量。因此，填充度指的是实际储存的氧质量与储存容量的比。储存容量可以使用本领域的技术人员已知的多种方法经实验确定。
调节空燃比的目的是防止氧储存物完全填充或者基本清空(empty)。在氧储存物完全填充的情况下，出现较稀的排气的转折点(breakthrough)，并且因此放出氮氧化物。在氧储存物基本上清空的情况下，出现较浓的排气的转折点，也就是说，放出一氧化碳和碳氢化合物。
布置在沿着排气流动方向的催化转化器上游的氧探针(λ探针)(催化器前(pre-cat)探针)的信号用于调节空燃比。借助所述探针，供给到发动机的空气/燃料混合物被调节成使得排气在进入催化转化器之前具有化学计量组分。在本发明的上下文中，所述调节称为λ调节。除了催化器前探针以外，氧探针通常被包含在催化转化器下游的传递管系(drive train)中。λ调节的目标化学计量可以借助所述催化器前探针被重新调整。这称为催化后调节。催化后调节尤其用于监测和调整催化转化器的氧储存物的填充度。
这些探针产生作为排气的氧含量的函数的电压。因此，传统地使用两点的λ探针，所述两点的λ探针也称为阶跃变化的λ探针。在稀排气条件下，所述λ探针具有约0.2V的电压，在过渡到浓排气时，该电压在非常窄的λ区间内从0.2V跳跃到超过0.7V。这里，催化后调节构造成产生约0.65V的探针电压。该点位于探针特征曲线的最陡的分支上，并且与约50％的氧储存物的最佳填充度对应。这样，可以容易地检测和校正排气的化学计量的上偏差和下偏差。
火花点火式发动机主要借助具有化学计量组分的空气/燃料混合物操作。然而，如果发动机不再输出动力，则燃料供给被传统地切断。如果出现该所谓的超速断油(overrun fuel cutoff)，则仅空气被供给到发动机，使得排气组分与周围空气对应。
在超速断油期间，催化转化器的氧储存成分使氧完全饱和，或者用氧填充。在超速断油期间，不可能进行催化后调节。例如由于λ调节的调节误差，除了超速断油以外，也会在其它驱动状态中发生氧储存物完全填充。
在超速断油结束之后，调节过的化学计量操作应当尽可能快地重新开始。然而，为此，首先必须使氧储存物的填充度恢复到约50％的最佳值。因此，在超速断油之后，发动机传统地在浓空气/燃料混合物下短暂操作。所述在浓空气/燃料混合物下的短暂操作也称为浓脉冲。仅当氧储存物的填充度已经恢复到约50％时，正规的催化后调节才恢复。或者，也已知的是，催化后调节将在超速断油结束之后直接被重新激活。两种方法的缺点是，花费较长的时间来设定用于λ调节的最佳条件。在所述时间段内会出现不期望的排放物。
DE 10 2004 038 482B3涉及在发动机的过渡操作状态之后，例如在超速断油之后，设定氧储存物的填充度。如果发生超速断油，则氧储存物应当被快速地清空到约50％的最佳填充度值。因此，设定浓空气/燃料比λ＜1，并且继而将浓空气/燃料比以最佳速度调回到1。
DE 10 2004 019 831A1防止在限定的、预定的λ值已经供给到催化转化器的情况下借助该催化转化器质量流在超速断油期间的排气催化转化器的不期望的氧装载。
DE 10 2006 044 458A1同样涉及在超速断油之后的燃料喷射。这里，在超速断油结束之后的第一燃料喷射期间，燃料脉冲宽度被设定成使得燃料供给量相对于进气量显著地增大，并且点火时间被设定成第一延迟点火时间。在随后的第二燃料喷射期间，燃料脉冲宽度被设定具有较小的燃料增大宽度，并且点火时间被设定成第二延迟点火时间，所述第二延迟点火时间比第一延迟点火时间延迟到较小的程度。
本发明已经观察到，在已知的方法中，超速断油之后的浓脉冲导致临时排放出一氧化碳和氢。所述排放物持续了约100秒，并且在最大限度的所述排放物处具有10ppm至500ppm的一氧化碳浓度，由此超速断油之后的催化后调节被中断并且被推迟。
发明内容
因此，本发明的目的是说明了一种可以使从超速断油到调节过的化学计量操作的过渡加速的方法。
通过主要的权利要求中定义的方法实现本发明的目的。在次要的权利要求中要求优选的实施例。
该方法涉及具有催化转化器的内燃机的排气的净化，所述催化转化器包括由氧储存成分构成的氧储存物，所述发动机配备有发动机电子控制器并且在其操作持续时间的较大部分时间上在调节过的化学计量空气/燃料混合物下操作，还根据驱动状态出现临时稀燃操作(leanoperating)阶段。
所述方法的特征在于，在稀空气/燃料混合物下发动机的与氧储备的基本填充相关联的临时稀燃操作阶段之后，并且在调节过的发动机操作重新开始之前，氧储存物的填充度通过给发动机供给跟随有稀脉冲的浓脉冲而恢复到用于化学计量操作的最佳水平，借助稀脉冲供给到催化转化器的氧化成分的量少于用于完全补偿借助浓脉冲供给的浓排气成分的量所需要的氧化成分的量。
本发明基于以下观察内容，即：如果在超速断油之后是较短的浓脉冲，随后才是较短的稀脉冲，则在超速断油之后，可以非常快速地恢复用于空气/燃料比的化学计量调节的氧储存物的最佳填充度。这里，借助供给到发动机的空气/燃料比的对应控制而产生浓脉冲和稀脉冲。优选地，这通过用于预先确定对应的序时λ曲线的催化器前λ探针而发生。在λ曲线已经终止并且氧储存物已经达到最佳填充度之后，所述最佳填充度可以通过约0.6伏特至0.7伏特，优选地0.65伏特的催化后的信号电压所识别出，则具有催化器前调节和催化后调节的正规λ调节才重新开始。
本发明人已经发现，氧储存物在排气中的氧化(填充)或者还原(清空)构成平衡过程。来自期刊“Applied Catalysis B：Environmental”的本发明人的标题为“Is Oxygen Storage in ThreeWay Catalysts an Eq uilibrium Controlled Process？”的文章已经被接受发表。
在稳态操作中，氧储存物的平衡状态总是通过排气的氧化成分和还原成分设定，换言之，在平衡状态中，借助一氧化碳、氢或碳氢化合物对氧储存物的还原确切地补偿对应的借助二氧化碳和水对氧储存物的氧化。
所述平衡性能的重要结果在于，可得到的最大氧储备清空程度取决于排气的化学计量。例如，储备在λ＝0.95时比在λ＝0.99时更加完全还原(清空)。
所述平衡性能的另一个结果在于，完全清空的氧储存物还再次被适度的浓排气部分地氧化，直到通过适度的浓排气设定新的平衡状态为止。这里，氧储备借助与水或二氧化碳起反应而形成一氧化碳和氢成分。所述状况在以下情况下出现，即：根据现有技术，在超速断油之后，仅借助浓脉冲再次将氧储存物清空。借助所述单个浓脉冲，氧储存物被显著地还原(被彻底地清空)。如果在浓脉冲之后，所述被彻底清空的氧储存物作用于化学计量的或略浓的排气上，则在10秒至几百秒的时间段内产生一氧化碳和氢。所述一氧化碳和氢释放的典型浓度是约10ppm至500ppm。如果浓脉冲没有突然结束，而是缓慢地恢复到化学计量值，则所述污染物释放可以略微减少。然而，这样增加了超速断油结束和调节过的操作重新开始之间的时间段，具有其它污染物排放的风险。
在对所述处理进行更加精确的分析中，还必须考虑到沿着催化转化器的氧储存物的氧化和还原分布。浓脉冲首先冲击在催化转化器的进口端面上。即使浓脉冲的尺寸设计成使得浓脉冲仅将催化转化器的整个氧储存物部分地清空，然而也在催化转化器的前部分中将氧储存物彻底清空，并且因此由于该脉冲，发生一氧化碳和氢的延迟释放。在所述处理中，催化转化器的后部分仅被部分地清空。在最有利的情况下，从催化转化器的前部分释放的一氧化碳和氢可以将催化转化器的后部分清空到期望的程度。然而，在该情况下，由于一氧化碳和氢释放缓慢，所以一氧化碳和氢释放经过了10秒至100秒，直到氧储存物已经在催化转化器的整个长度上完全清空并且催化转化器下游的排气的化学计量与稳态值对应为止。
根据现有技术操作的车辆中的上述一氧化碳和氢排放物对重新开始的催化后调节的稳定性具有不利影响。对于催化后调节而言，使用布置在催化转化器下游的探针。由于在催化转化器中产生的一氧化碳和氢排放物，催化后调节被总浓排气误导。催化后调节企图通过将供给到发动机的空气/燃料混合物设定成较稀的空气/燃料混合物而补偿浓偏移量。由于所述变稀，与调节的实际目的相反，氧储存物再次用氧填充。在填充的状态中，如果排气出现最轻微的稀的偏差，则出现氮氧化物的转折点。所提及的现象的结果是，其经常证明难以切换到超速断油之后的催化后调节的校正操作。用于解决所述问题的一种解决方案是，在超速断油之后在一段时间内不进行催化后调节。然而，所述解决方案不是最佳的，这是因为催化转化器继而在较长的时间段上以未调节的方式操作。
在氧储存物基本还原之后的所述一氧化碳和二氧化碳排放物不但在超速断油之后具有不利影响，而且在正常操作期间，尤其在动态操作阶段中出现短暂的调节误差，所述调节误差导致氧储备完全填充。当储备被基本填充并且同时排气的化学计量短暂地偏离到稀范围内时，出现通过催化后探针所记录的稀转折点。如在引言中所述，催化后探针的信号用于重新调整λ调节的目标化学计量。在该情况下，催化后调节导致供给到发动机的空气/燃料混合物再次变浓。所述变浓具有与超速断油之后的浓脉冲类似的效果：首先氧储存物被非常彻底地清空。所述彻底清空产生上述的一氧化碳和氢排放物。在供给到发动机的空气/燃料混合物变稀的情况下，催化后调节与此起反应，这样可以产生更新的稀转折点，催化后探针电压降落。催化后探针电压的降落启动所述一氧化碳和氢排放物的处理，变稀以及从最初开始的稀转折。从而出现具有周期性的稀转折点和对应的氮氧化物排放物的排气化学计量的周期性振荡。所述振荡性能对于控制发动机而言是公知的。为了阻止振荡，调节的响应时间必须通过调整调节参数而增大。所述解决方案当然不是最佳的，这是因为由于减小了调节速度，可以仅用不必要的加长的响应时间来补偿在驱动操作中不可避免地出现的λ偏离。
根据本发明，减少了甚至完全排除了所阐述的传统方法的问题，即，在稀燃操作阶段结束之后，氧储存物的填充度借助至少一个浓脉冲和一个稀脉冲恢复到用于随后的催化后调节的最佳水平。
这里，优选的是，浓排气成分的量大于设定用于化学计量操作的最佳填充度所需要的量，但是小于将完全清空氧储备的储存容量所需要的浓排气成分的量。
因此，根据本发明，首先，使用浓脉冲，所述浓脉冲能够在其整个长度上清空催化转化器。这里，氧储备的前部分被彻底地清空。所述前部分中的彻底清空借助较小的稀脉冲而终止。而且为了填充先前彻底清空的区域的后部分，稀脉冲将不可避免地将催化转化器的进口处的较小区域再次填充到最佳填充度以上。这样可以借助又一个浓脉冲补偿，所述又一个浓脉冲选择成使得由该浓脉冲所提供的浓成分的量小于完全补偿前面的稀脉冲所需要的量。
第一个浓脉冲中的还原剂的量必须大于等效的氧量，所述等效的氧量必须在从完全氧化的状态过渡到化学计量操作状态中时从催化转化器提取。因而，催化转化器首先被彻底清空。然而，第一个浓脉冲中的还原剂量优选地选择成小于等效的氧量，所述等效的氧量可以借助稳态的浓燃操作模式从催化转化器提取。
脉冲序列优选地构造成根据发动机的操作状态和催化转化器的时效状态，以便在脉冲序列结束之后，储备装载分布与也将在所述工作点处在催化转化器的调节过的操作期间设定的分布对应。最佳脉冲序列可以通过以下方式识别出，即：在脉冲序列结束之后，催化后探针的电压以稳定的方式呈现出催化后调节的设定点值。浓脉冲和稀脉冲的幅度和/或持续时间可用作用于所述最优化的有影响的变量。幅度和/或持续时间可以优化为排气的空间速度和温度和/或催化转化器的时效状态的函数。
倘若浓脉冲和稀脉冲的序列不足以用于使填充度完全恢复到最佳值，则发动机可以在第一个浓脉冲和稀脉冲之后被供给其它的浓脉冲和稀脉冲，借助相应的浓脉冲所供给的浓成分的量大于可以借助随后的稀脉冲的氧化成分补偿的浓成分的量。最佳数量的连续稀脉冲/浓脉冲可以在预备测试中根据超速断油之后的操作条件而确定。
所述方法优选地用于化学计量操作的内燃机的排气净化，在所述内燃机中如果不再需要发动机动力，则发生超速断油。在该情况下，超速断油形成临时稀燃操作阶段。然而，临时稀燃操作阶段也可以由化学计量操作的不期望的调节波动而导致。
本发明的另一个使用领域是稀燃操作的内燃机的排气净化，所述稀燃操作的内燃机部分为化学计量操作并且部分为稀燃操作。对于城市交通中的较低的功率要求而言，发动机为稀燃操作，以便节约燃料。如果需要较高的功率水平，则发动机必须被切换到化学计量操作。因而，此处情况是催化转化器中的氧储存物在稀燃操作模式下以与超速断油的情况确切相同的方式被完全填充。切换到化学计量操作，则产生与在超速断油之后遇到的那些问题相同的问题。
因为催化后探针指示稀排气，所以优选地检测到由于调节误差所导致的不期望的临时稀燃操作阶段。因此，可以使用阶跃变化探针。如果其信号电压落入预定的阈值以下，则存在有根据本发明的临时稀燃操作阶段。阈值可以被选择作为排气的温度和空间速度的函数、排气化学计量的函数和催化转化器的时效状态的函数。所述阈值优选地存储在发动机控制器的表格中。
由于热时效，排气净化催化转化器的氧储存成分持续地损失储存容量。该方法能够确定仍然剩余的储存容量。布置在排气段中的催化转化器下游的氧探针的输出信号可以用于该目的。如果在从临时稀燃操作阶段跳跃到调节过的化学计量操作之后信号电压处于期望的电压以下，则催化转化器的剩余的氧储存容量低于假定的氧储存容量。这样，因而能够从超速断油之后在化学计量操作模式中的信号电压确定剩余的氧储存容量。如果剩余的氧储存容量落入预定值以下，则可以激活对应的警报信号。
剩余的氧储存容量的确定能够使借助浓脉冲和稀脉冲供给到催化转化器的浓成分和稀成分的量适用于剩余的氧储存容量，并且由此最优化从超速断油到调节过的化学计量操作的过渡。这优选地通过以下过程而发生，即：通过与剩余的氧储存容量对应的因素减小浓脉冲和稀脉冲的幅度。所述因素可以作为剩余的氧储存容量的函数被存储在发动机控制器的表格中。
有利的是在发动机控制器中存储用于氧储存容量的平均值，可以借助校正因素从所述平均值计算用于不同的发动机工作点的氧储存容量。
附图说明
将基于以下附图更加详细地解释本发明，其中：
图1：示出在浓脉冲之后在化学计量操作模式中的一氧化碳/氢的释放；
图2：示出对于超速断油之后的两种不同的浓脉冲而言，在超速断油之后的传统的λ曲线，以及所得到的催化转化器下游的λ探针的电压曲线；和
图3：示出在超速断油之后的根据本发明的λ曲线，以及所得到的催化转化器下游的λ探针的电压曲线。
具体实施方式
图1示出超速断油之后的一氧化碳和氢排放物，并且化学计量操作借助单个浓脉冲恢复。对于所述测量而言，在模型气体系统中测试传统的三元催化转化器。
上面的图表示出作为时间函数的空燃比λ的曲线(λ曲线)。在第一个10秒内，模拟具有1.1的λ值的超速断油。在超速断油结束之后，所测试的三元催化转化器的氧储存物借助单个浓脉冲被清空到用于λ＝1的化学计量操作的填充度。下面两个的图表示出在每种情况下测量到的催化转化器下游的氢和一氧化碳浓度的曲线。在浓脉冲之后的时间延迟之后，氢和一氧化碳通过催化转化器释放。所述两种污染物排放物持续了多于40秒的时间。
图2示出在氧储备完全填充的情况下，对于超速断油之后的传统的λ曲线的模拟计算的结果。对于具有0.9的λ值的两个不同长度的浓脉冲来执行计算。上面的图表中示出催化转化器上游的λ曲线。下面的图表示出计算出的催化后探针的信号电压。
催化后探针的信号电压在约0.1V处开始并且指示具有较高的氧成分的非常稀的排气(稀燃操作阶段)。氧储存物实质上具有100％的填充度。为了将氧储备清空，排气在催化转化器上游短暂地变浓。
对于仅0.1秒的浓脉冲的持续时间(虚线曲线)而言，经过了约17秒来将催化后探针的信号电压升高到0.65V。对于仅1.4秒的浓脉冲的持续时间而言，仅在约3.5秒之后已经达到0.65V的信号电压。然而，对于两种情况而言，催化后探针记录了排气的化学计量朝向浓值的进一步移动。在40秒之后，探针电压保持在约0.75V处。该显著的浓值移动由上述一氧化碳和氢排放物所导致。
图3示出对于根据本发明的λ曲线的模拟计算的结果。在该示例中，为了清空氧储备，催化转化器上游的排气具有总持续时间约20秒的两对浓脉冲和稀脉冲。在该图表中，催化后探针的信号电压达到期望的0.65V，并且已经在约4秒之后保持在该电压水平下。因而，仅借助一对浓脉冲/稀脉冲，已经在所述较短的时间之后，氧储存物在其整个长度上平均达到最佳填充水平。然而，由于上述填充水平的轴向分布，需要又一对浓脉冲/稀脉冲以在催化转化器的整个长度上最佳地设定填充度。在时间零处，在先前的稀燃操作阶段结束之后，催化后调节保持不起作用，直到在约20秒处最终的一对浓脉冲/稀脉冲结束为止。仅在此之后催化后调节才恢复。

Claims (13)

1.一种用于净化具有催化转化器的内燃机的排气的方法，所述催化转化器包括由氧储存成分构成的氧储存物，所述发动机配备有发动机电子控制器并且在其操作持续时间的较大部分时间上在调节过的化学计量空气/燃料混合物下操作，还根据驱动状态出现临时稀燃操作阶段，其特征在于，
在与所述氧储备的基本填充相关联的所述发动机的临时稀燃操作阶段之后，并且在调节过的所述发动机操作重新开始之前，所述氧储存物的填充度通过给所述发动机供给跟随有稀脉冲的浓脉冲而恢复到用于化学计量操作的最佳水平，借助所述稀脉冲供给到所述催化转化器的氧化成分的量少于用于完全补偿借助所述浓脉冲供给的浓排气成分的量所需要的氧化成分的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
借助所述浓脉冲供给的所述浓排气成分的量大于设定所述用于化学计量操作的最佳填充度所需要的浓排气成分的量，但是小于将完全清空所述氧储备的储存容量所需要的浓排气成分的量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
在第一个浓脉冲和稀脉冲之后，所述发动机被供给其它的浓脉冲和稀脉冲，借助相应的浓脉冲所供给的浓成分的量大于能够借助随后的稀脉冲的氧化成分补偿的浓成分的量。
4.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于，
所述浓脉冲和稀脉冲具有幅度和持续时间，并且所述幅度和/或持续时间能够作为所述排气的空间速度和温度和/或所述催化转化器的时效状态的函数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
通过与所述催化转化器的时效状态对应的因素减小所述浓脉冲和稀脉冲的幅度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述临时稀燃操作阶段是超速断油。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
根据所述驱动状态，所述临时稀燃操作阶段是既有化学计量操作也有稀燃操作的内燃机的稀燃操作阶段。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述临时稀燃操作阶段由所述化学计量操作的调节波动而导致。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
因为当布置在所述催化转化器下游的氧探针的信号电压落在阈值以下时所述氧探针指示稀排气，所以能检测到所述临时稀燃操作阶段。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述阈值被选择作为所述排气的空间速度和温度的函数、所述排气化学计量的函数和所述催化转化器的时效状态的函数。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述催化转化器下游的排气段中布置有氧探针，并且所述氧探针实际上在从所述临时稀燃操作阶段跳跃到调节过的化学计量操作之后达到的信号电压用于由此确定所述氧储存物的剩余的氧储存容量。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，
如果所述剩余的氧储存容量已经落在预定值以下，则激活信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
借助所述浓脉冲和稀脉冲供给到所述催化转化器的浓成分和稀成分的量适合于所述剩余的氧储存容量。
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