CN102644501A - 用于确定废气催化净化器的转换能力的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及评估内燃机冷启动时碳氢化合物催化器的转换能力的方法，该内燃机具有在流向上安装在催化器之后的废气传感器，这里废气传感器的输出信号将传送至控制单元。此外本发明还涉及实现该方法的装置。根据本发明，将利用废气传感器确定废气中碳氢化合物的含量，当废气中碳氢化合物的含量减少了预设的值时则推断出催化器开始工作。与催化器串联的废气传感器通常被用于确定通过催化器后的废气中的氧气含量。根据发明该传感器也可以对碳氢化合物进行测量，或者在这个位置额外布置了用于测量碳氢化合物的废气传感器。通过直接确定催化器的转换能力可以缩短专为冷启动而设计的催化器加热阶段，减少与之有关的能量消耗和对催化器可能造成的热伤害。

Description

用于确定废气催化净化器的转换能力的方法和装置
技术领域
本发明涉及到一种用于评估内燃机冷启动时碳氢化合物催化器的转换能力的方法，该内燃机具有一个在流向上安装在催化器之后的废气传感器，这里废气传感器的输出信号传送至一个控制单元。
此外本发明还涉及一种用于实现该方法的装置。
背景技术
为了减少汽油内燃机的排放通常会使用三元催化器。催化器的转换能力主要取决于它的温度。因此为了满足法律规定，在冷启动时将对催化器进行额外的加热使之可以迅速开始工作。旧催化器的催化效率可能已经降低，为了可以同样满足废气排放限制，将对其加热至一定温度，使旧催化器也能够正常开始催化反应。因此加热过程必须比新催化器更长，从而使催化器达到的温度比实际所需要的更高。这可能导致催化器面向内燃机的一侧由于高温以及温差迅速老化。催化器由于中毒或者高温造成的老化通常发生在排气方向从面向内燃机的一侧直至后方。因此要对一个已老化的催化器进行特殊的加热措施，从而不仅使其前部得到加热，催化器的大部分都将得到加热。这里缩短一个新催化器的催化剂预热时间可以延长其使用寿命，也可以减少废气排放和内燃机的燃油消耗。
碳氢化合物催化器的转换能力根据现有技术在工作温度下由它储存氧气的能力间接得到评价。储氧能力因此被用于评估催化器老化的程度。这种方法在催化器的前面和后面各布置了一个氧传感器。输送进内燃机的混合气体因此将由浓到稀变化，以使氧气储存在催化器中。借助氧传感器的输出信号以及对废气量的了解可以确定催化器的储氧能力。这种测试通常在部分负荷状态下，因此是催化器的工作温度下进行。
从DE4112478C2中可以得知一种用于评估催化器老化程度的方法，该催化器对一个经过λ调节的内燃机的废气进行处理，在这种方法中对布置在催化器前面和后面的λ值进行测量，以分析当催化器前面的λ值规则振荡时是否由浓到稀变化，或者相反的催化器后面的λ值有一个相应的变化过程，如果确实如此，则将确定通过催化器的气流量，并计算气流量和催化器前的λ值的乘积的时间积分，以及气流量和催化器后的λ值的乘积的时间积分，同时利用两个积分的差或者两个积分的差与其中一个积分的比来衡量催化器的老化程度。在这种方法中最有特点的是λ值的强迫振动，其频率是预先设定的。
当前方法和装置的缺点是，碳氢化合物催化器的转换能力通过其储氧能力间接得到评价，并且只有当处于工作温度时才能进行，在刚刚冷启动后的时间内尚不能进行。此外还存在的缺点是，不能区分均匀老化的催化器和只在面对内燃机的区域内老化的催化器。
发明内容
因此本发明的任务是，提供一种在冷启动时就可以识别碳氢化合物催化器的转换能力的方法。
此外本发明的另一个任务是，提供一种相应的装置。
本发明关于方法的任务将通过以下方法得到解决，即利用废气传感器确定废气中碳氢化合物的含量，当废气中碳氢化合物的含量减少了一个预设的值时则推断出催化器开始转换。与催化器串联的废气传感器通常被用于确定催化器后的废气中的氧气含量。根据发明其也可以附加地对碳氢化合物敏感，或者在这个位置额外布置了一个对于碳氢化合物敏感的废气传感器。催化器可能在全长上是均匀老化的，也可能例如由于在面对内燃机的前部区域内温度过高而造成不均匀老化。尽管在这两种情况下当内燃机冷启动后开始进行转化随时间过程不同，用于评价转换能力的储氧能力可能是一样的。在一个前部已经老化的催化器上在开始转化之前必须对催化器的更大的区域进行加热。因此其与一个新的或者均匀老化的催化器相比开始转化有一个延时。因此有利的是，根据发明确定废气中碳氢化合物的含量并从中推断出催化器的转换能力。
当为了使催化器达到就绪而进行的催化器加热手段结束时，只要判断出催化器开始进行转化，则在一个具有很好转换能力的催化器上就可以不再需要继续加热，而继续加热就意味着额外的能量消耗，减少了催化器的热负载(这会导致进一步的老化)。
通过从内燃机启动到催化器开始转化所经历的时间或者从在从内燃机启动到开始转化引入催化器内的热量中得到一个用于诊断催化器的标准，可以实现对催化器的转换能力进行实际的评估。尤其是一个前部已老化的催化器可足够地被加热并且区别于一个均匀老化的催化器。这里对转换能力的评估可以仅仅基于碳氢化合物的排放实现或者也可以与对催化器的储氧能力的评估的结合实现。
本发明关于装置的任务将通过以下方式得到解决，即废气传感器被设计成碳氢化合物传感器，在控制单元中基于废气传感器的输出信号设计了一个用于评估转换能力的电路或者程序。通过根据发明对废气传感器进行设计可以直接确定催化器的转换能力，而可避免通过储氧能力进行间接确定。这里在废气的气流方向上接在催化器后的废气传感器可以是对氧和碳氢化合物组合敏感的传感器或者是额外的一个对碳氢化合物敏感的传感器。
附图说明
接下来将通过一个在图形中展示的结构示例进一步阐述本发明。图形展示了：
图1一个排气管中具有催化器的内燃机的示意图
图2冷启动时碳氢化合物排放过程的第一个时间图
图3冷启动时废气传感器的输出信号和碳氢化合物排放过程的第二个时间图
具体实施方式
图1展示了一个具有一个进气管11和一个布置在排气管12中的催化器14的内燃机10。在废气的气流方向上在催化器14前设计了一个氧气传感器13，在催化器14后设计了一个废气传感器16。废气传感器16的输出信号取决于废气中碳氢化合物的含量，并且和氧传感器13的输出信号一样被传送至一个控制单元15。当内燃机10工作时氧传感器13作为λ传感器用于监测输送进内燃机的空燃比。当内燃机10冷启动时通常在催化器加热阶段将调节富含氧气的混合气体，从而尽可能快的使催化器14达到工作温度并开始转化废气中不希望出现的成分。当转化已经开始时，接下来发生的放热反应会继续加热催化器直至它在全长上都达到工作温度。根据现有技术将催化器的这个加热阶段设计的如此长，使已经老化的催化器14也开始转化。因此可能出现的是，一个新的催化器(更早的开始转化)被加热至比不一定需要的温度更高，从而使催化的涂层——特别是在面向内燃机的区域内——严重的老化。当利用废气传感器16探测到废气中的碳氢化合物的含量降低了时，则根据本发明推断出已经开始转化，从而停止催化器的加热阶段。由此可以避免催化器14的严重老化，同时可以最小化内燃机冷启动时的能量消耗和二氧化碳的产生。
图2展示了第一时间图20，图中对于催化器14的三种不同老化程度的，在冷启动时在内燃机10的催化器14后面积聚的碳氢化合物排放，沿一条第一时间轴25和一条信号轴21示出。第一数量信号22表示当对催化器14具有很好的转换能力时冷启动后积聚的碳氢化合物排放量随时间变化的过程。碳氢化合物的总量首先上升，这是因为催化器14还处于冷状态。但是加热很快就起作用，从而开始转化，仅还有少量的碳氢化合物离开催化器，因此第一数量信号22(仅表示排出的碳氢化合物的总量)仅仅有少许的上升。第二数量信号23表示当催化器14在其全长上均匀老化时，排出的碳氢化合物总量的变化过程。催化器的老化导致转化推迟开始，从而使第二数量信号23比第一数量信号22上升的更多。
第三数量信号24表示当催化器14在面对内燃机的区域内严重老化，但是催化器的储氧能力总体上与所观察的第二种情况一样高时，排出的碳氢化合物总量随时间变化的过程。一个这样的催化器按照现有技术的评估方法，对其转换能力准确地与在第二种情况中所观察的催化器完全一样地分级。在第二种情况下催化器的加热过程导致了从催化器的面对内燃机的部分开始，并在那里开始转化的加热。但是在第三神情况下的前部的老化导致在那里并不会开始转化。只有当催化器的位于更下游的部分中有足够高的温度时才会开始转化。因此在延长的加热阶段中第三数量信号24继续上升并且超过第二数量信号23。
图3中表示了第二时间图30，它展示了一个对碳氢化合物敏感的废气传感器16的输出信号以及催化器14后的碳氢化合物排放随时间变化的过程，这里信号沿着一个第二时间轴37和一个信号轴31变化。当催化器14是全新的且具有很好的转换能力的状态时，第一碳氢化合物排放32首先上升，在达到一个最大值后由于催化器14开始转化而快速的下降。第一传感器信号33，即废气传感器的输出信号中也反映这种关系。第一传感器信号33首先增大到一个最大值，然后迅速下降。由于第一碳氢化合物排放32和第一传感器信号33之间的关系不是线性的，信号的下降具有不同的形式。
当催化器14已经老化时，在内燃机启动之后产出现了第二碳氢化合物排放35，它随着达到催化器14的工作温度而下降之前维持在一个较高的水平上的时间比第一碳氢化合物排放32更长。在第二传感器信号36中也反映这种关系，它维持在一个较高水平上的时间比第一传感器信号33更长。由第一传感器信号33的第一信号下降34和第二传感器信号36的第二信号下降38都可以推断出催化器14开始进行转化。在两种情况下都可以基于这个信息结束催化器的加热过程。当催化器14是新的时可以最小化其热负荷，同时防止由于温度过高而可能引起的老化。从第一传感器信号33和第二传感器信号36随时间变化的过程，特别是由从内燃机启动直至由第一信号下降34和第二信号下降38表示的转化开始的持续时间中可以推导出催化器14老化状态的值。

Claims (4)

1.用于评估内燃机(10)冷启动时用于碳氢化合物的催化器(14)的转换能力的方法，该内燃机(10)具有在流向上安装在催化器(14)之后的废气传感器(16)，废气传感器(14)的输出信号传送至控制单元(15)，其特征在于，利用废气传感器(16)确定废气中碳氢化合物的含量，并且当废气中碳氢化合物的含量减少预设的值时则推断催化器(14)开始进行转换。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，只要识别出催化器(14)开始转换，则停止为了达到催化器(14)工作就绪而采取的用于加热催化器(14)的措施。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，由在内燃机启动到催化器(14)开始转化之间所经历的时间或者从在内燃机启动到开始转化之间向催化器(14)中引入的热量值中形成用于诊断催化器(14)的标准。
4.用于评估对内燃机(10)排出的废气进行清洁的催化器(14)的转换能力的装置，具有在流向上安装在催化器(14)之后的废气传感器(16)，为了分析废气传感器(14)的输出信号设有控制单元(15)，其特征在于，废气传感器(16)被设计成碳氢化合物传感器，且在控制单元(15)中基于废气传感器(16)的输出信号设有用于评估催化器(14)的转换能力的电路或者程序。
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