CN105683517B - 用于诊断氮氧化物捕集器的方法及相关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于诊断(200)与内燃发动机(4)相关联的氮氧化物捕集器的方法，所述捕集器适用于在由将该发动机转换成富混合物运行模式所引起的对该捕集器进行再生(120，130)的步骤过程中通过与还原剂的反应来分解存储在其内部的氮氧化物，所述方法包括：确定在再生步骤过程中所消耗的还原剂的重量的步骤；将所述重量与故障阈值进行对比的步骤，低于该故障阈值则该捕集器被确定为有故障；以及发射指示该捕集器的故障状态的信号的步骤，其特征在于，还原剂的重量是以该发动机(4)的第二运行富余度值(R2)的、出于诊断目的实施的特殊再生步骤(130)的过程中确定的，该第二运行富余度值高于该捕集器的普通的再生步骤(120)的第一运行富余度值(R1)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于诊断氮氧化物捕集器运行状态的方法。本发明还涉及一种能够实施这样一种方法的诊断装置。本发明发现在装配有与氮氧化物捕集器相关联的柴油发动机的机动车辆中呈车载诊断形式的有利应用。
背景技术
许多现代内燃发动机、尤其是用于机动车辆的柴油发动机装配有氮氧化物(NOx)捕集器以便符合限制由这些车辆释放的污染废气排放物的法律标准。
氮氧化物捕集器总体上被定位在车辆的排气管线中并且以两种不同的模式不连续地运行。
在发动机的常规稀薄混合运行过程中，捕集器以多个不同催化剂存储室捕获由发动机排出的NOx分子中的一些分子，其余的分子在穿过捕集器后被排放到大气中。来自发动机的被捕集器捕获的NOx分子的百分比被称为存储效率。
当存储在捕集器中的NOx的质量达到根据最大存储容量来预先缺定的阈值时，将发动机运行受控地转换至富混合物运行(即，以相对于理论配比量缺乏氧气地运行)允许了使捕集器再生。
再生阶段在于净化在运行的存储阶段过程中累积了NOx的捕集器。在运行的这个富混合物阶段过程中，来自发动机的还原剂(未燃烧的碳氢化合物HC和一氧化碳CO)穿过捕集器并且将NOx的分子还原为氮气N2和二氧化碳CO2的分子。
在净化阶段过程中，富余度被设定成总体上几乎不高于1的平均值、更具体地是包括在1.03与1.05之间的值(例如1.04)。
这样一种富余度值代表了在再生持续期间与所消耗的燃料量之间的良好妥协。此外，对于为什么总体上避免更进一步地增加混合物的富余度存在两个主要原因。
首先，使得富余总体上在于将无助于燃烧的一定量的燃料喷射到发动机的气缸中。此燃料的大部分被从发动机排气中移除到捕集器，其在此还原氮的氧化物，但是此燃料的剩余部分(并且富余度越高这个量将越高)显著地通过吹过活塞环而进入发动机油。在油中的燃料逐渐稀释使油的润滑性能降级，意味着必须更加频繁地更换发动机油。
并且其次，已经注意到的是，以更高的平均富余度(例如1.10)执行再生可能导致还原剂与在燃料中存在的并且存储在捕集器中的硫相组合来在某些高温条件下形成有恶臭味的硫化氢分子H2S的风险。
在老化的作用和可能的例如热或机械冲击的偶然事件下，由于在捕集器中可用于存储NOx分子的催化剂室的数量下降，氮氧化物捕集器的存储效率降低。
为了确保机动车辆进入大气中的废气排放物总是满足法律要求，已知的实际做法是使用车载诊断来监测其氮氧化物捕集器的运行状态，即，测试其存储效率。
存在许多针对检测氮氧化物捕集器的运行状态的已知方法。
具体地，公开文件FR 2 940 356-B1披露了一种诊断方法，其中，确定了等于在氮氧化物捕集器的富模式再生过程中使用的还原剂的质量的诊断标准并且将其与阈值进行对比。
所消耗的还原剂的质量等于在进入捕集器的还原剂的质量流速减去离开捕集器的还原剂的质量流速之间的差值关于时间的积分。进入的还原剂的流速可以计算为排气的流速乘以进入捕集器的气体的富余度值(这是例如通过被安装在捕集器上游的氧传感器来测量的)的乘积。同样，离开的还原剂的流速可以计算为排气的流速乘以离开捕集器的气体的富余度值(例如通过被安装在捕集器下游的另一个氧传感器来测量的)的乘积。
如附图1和附图2示出的，这样一种方法允许正确地检测已经损耗了其全部存储效率的捕集器并且允许将处于良好工作状态的捕集器与有缺陷的捕集器清楚地区别开。
在这些图的每一个图中，横坐标轴线代表执行氮氧化物捕集器再生的时间t，并且纵坐标轴线代表进入或离开捕集器的排气的富余度。呈实线的曲线1代表由放置在捕集器上游的氧传感器测量的富余度值，并且呈点划线的曲线2代表由放置在捕集器下游的氧传感器测量的富余度值。
对于恒定的排气流速而言，在净化过程中消耗的还原剂的质量(这是公开文件FR2 940 356-B1的主题)是由位于两条进行的富余度曲线之间的、在再生开始的瞬间与再生结束的瞬间之间的阴影区域3来呈现的。
当气体的富余度被增加至高于1.04的值时开始再生，并且在捕集器中的氮氧化物的存余完全还原的瞬间结束，这意思是说在其可以明确集器内不再有任何还原剂消耗的时候结束。换言之，在捕集器的出口处的气体的富余度等于在捕集器的入口处的气体的富余度(在这个实例中为1.04)时停止再生。然后发动机运行被转换回到稀薄混合运行，这在图1和图2中由在富余度中突然下降至低于0.9的值来体现。
在图1中的阴影区域3代表在处于良好工作状态的捕集器(例如具有70％效率的捕集器)的再生阶段过程中消耗的还原剂的量。在图2中的阴影区域代表在完全降级的捕集器(例如具有0％效率的捕集器)的再生阶段过程中消耗的还原剂的量。
尽管缺乏测量可重复性并且有与不同发动机部分上的制造公差和再生所产生的运行条件相关联的一定扩散，但已经发现的是，由零效率的捕集器消耗的还原剂的量永远低于具有良好(70％)效率的捕集器所消耗的还原剂的量。因此诊断在重复进行再生和还原剂的流速的计算时是可靠的。
相比之下，随着OBD标准不断增加的严肃性，变得有必要将处于良好工作中(例如具有70％效率)的捕集器与具有不完全为零的效率的捕集器(例如仍具有12％剩余效率的捕集器)区别开。
与在图1和图2中一样，在图3中的阴影区域代表如在具有12％剩余效率的捕集器的净化过程中测量的所消耗的还原剂的量。可以从这个图中看出的是，还原剂的量非常接近于在图1中呈现的量。由于测量的可重复性并且由于在部件和在运行条件方面的扩散，不总是可能在这两种捕集器之间做出区分。换言之，该方法含有对未检出(失效捕集器被声明为良好)和误检出(良好捕集器被声明为失效)的统计风险。
发明内容
为克服已知诊断方法的缺少精确度的和对错误诊断的风险提出本发明，在本发明中，是由在捕集器再生阶段过程中消耗的还原剂的质量来确定诊断标准。
为此本发明提出了一种用于诊断与内燃发动机相关联的氮氧化物捕集器的方法，所述捕集器能够在一个捕集器再生步骤的过程中通过与还原剂的反应来分解被存储在其内的氮氧化物，该捕集器再生步骤是通过将该发动机的运行模式转换至富混合物方式来引起的，所述方法包括：
-确定在再生步骤过程中所消耗的还原剂质量的一个步骤；
-将所述质量与一个失效阈值进行对比的一个步骤，低于该失效阈值则该捕集器被确定为已经失效；以及，
-发射指示该捕集器的失效状态的信号的一个步骤，
所述方法的特征在于，还原剂的质量是在一个特殊的捕集器再生步骤的过程中确定的，该特殊的捕集器再生步骤是出于诊断目的以一个第二发动机运行富余度值执行的，该第二发动机运行富余度值高于一个第一富余度值，是以该第一富余度值执行一个普通的捕集器再生步骤。
有利地，该第二富余度值基本上等于1.10，该第一富余度值被包括在1.03与1.05之间。
附图说明
通过阅读本发明的非限定性的实施例并参照附图，本发明的进一步的特征和优点将变得清楚，在附图中：
-图4展示了用于诊断氮氧化物捕集器的装置；
-图5是根据本发明用于诊断氮氧化物捕集器的方法的步骤的流程图；并且，
-图6和图7是对应地针对具有70％效率的捕集器和具有12％效率的捕集器的、根据本发明的诊断标准的图示。
具体实施方式
图4描绘了配备有根据本发明的诊断装置的内燃发动机4(例如机动车辆柴油发动机)。发动机4由进气歧管5供以空气并且由安装在共轨燃料喷射系统7上的多个喷射器6供以燃料(例如柴油)。
发动机4装备有用于排放燃烧气体的回路，该回路包括排气歧管8、排气管9、用于处理发动机4的污染排放物的装置10和排气消声器11，流速计12被安装在该排气消声器上，排气经由该排气消声器来排出到大气中。
该发动机可以具有增压类型和/或可以与至少一个排气再循环回路相关联，而不因此脱离本发明的范围。
用于处理污染排放物的装置10采用基本上圆柱形形状的金属壳的形式，该基本上圆柱形形状以其呈两个连接椎体的两个末端终止，这两个连接椎体各自与排气管9和排气消声器11连接。
这个金属外壳含有氮氧化物捕集器13。以非限制性的方式，该金属外壳还可以包括用于处理排气的另一个装置14(例如微粒过滤器14或氧化催化转换器14)，该装置在这个实例中被定位在捕集器13下游(在如由在图4中描绘的箭头为特征的排气循环的方向上)。
当发动机以稀薄混合物运行时，氮氧化物捕集器13存储来自发动机1的NOx排放物中的一些。周期性地，当触发发动机4的富混合物运行阶段(被称为再生阶段或净化阶段)时，捕集器13在还原剂(即由发动机4排出的未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的分子)的作用下将NOx还原成氮气N2和二氧化碳CO2的分子。
氮氧化物捕集器13与对应地在捕集器13的入口和出口处确定来自发动机4的排气的富余度的器件相关联，这些器件例如对应地是定位在捕集器13上游的排气管9上的上游氧传感器15和定位在捕集器13下游的排气消声器11上的下游氧传感器16。
电子计算机17通过连接件18连接至发动机4、经由连接件19连接至上游氧传感器15并且经由连接件20连接至下游氧传感器16。计算机17还包括车载诊断装置21和发动机控制器件22，该发动机控制器件明显能够触发以下各项：
-当存储在捕集器13中的氮氧化物的质量达到阈值而无需执行捕集器诊断时，通过将发动机4的运行模式转换成相对低的第一富余度值R1的富混合物来对氮氧化物捕集器13进行普通再生；
-当存储在捕集器13中的氮氧化物的质量达到阈值并且需要执行诊断时，通过将发动机4运行模式转换成以相对高的第二富余度值R2的富混合物来出于诊断目的而对捕集器13进行特殊再生；并且
-通过将发动机4的运行模式转换成稀薄混合物运行而使得发动机4在正常模式下的运行，该模式是氮氧化物存储模式。
第二富余度值R2高于第一富余度值R1。有利地，第一富余度值R1被包括在1.03与1.05之间，并且第二富余度值R2基本上等于1.10。
为了确定是否需要执行诊断，也就是说以哪个富余度值R1、R2来启动再生，计算机17可以例如确定车辆自从上次诊断后已经行驶的距离并且将其与阈值进行对比。如果所述距离高于阈值，则计算机17迫使捕集器13以第二富余度阈值R2再生。
诊断装置21包括：
-确定捕集器13的上游排气Qam中所含还原剂(一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物)的质量流速的器件23；
-确定捕集器13的下游排气Qav中所含还原剂的质量流速的器件24；
-估算捕集器的部分再生的持续时间Δt的器件25，该持续时间是在该持续时间后下游传感器16测量到的富余度达到低于第二富余度值R2的第三富余度值R3的持续时间；
-估算在所述部分再生过程中消耗的还原剂的质量Mred的器件26；
-确定氮氧化物捕集器13的失效状态的器件27。
确定在捕集器13上游测量到的还原剂的质量流速Qam的器件23以其输入连接以下各项：
-通过连接件19连接至上游氧传感器15；并且
-通过连接件28连接至发动机控制器件22。
它还以其输入端通过未描绘的连接件连接至流速计12。在输出端处，它经由连接件29连接至估算在该部分再生过程中所消耗还原剂的质量Mred的器件26。
确定在捕集器13下游测量到的还原剂的质量流速Qam的器件24以其输入端连接以下各项：
-通过连接件20连接至下游氧传感器16；并且
-通过连接件30连接至发动机控制器件22。
它还以其输入端通过未描绘的连接件连接至流速计12。在输出端处，它通过连接件31连接至控制器件22并且通过连接件32连接至估算还原剂质量Mred的器件26。
估算部分再生阶段的持续时间Δt的器件25以输入端通过连接件33连接至发动机控制器件22。在输出端处，它通过连接件34连接至估算所消耗还原剂质量Mred的器件26。
在输出端处，估算还原剂质量Mred的器件26通过连接件35连接至确定氮氧化物捕集器13失效状态的器件27，该确定氮氧化物捕集器失效状态的器件的输出端通过连接件36连接至计算机17的能够使用该诊断结果的其他的元件(在图4中未描绘)，例如使得车辆仪表板上的指示灯点亮的器件。
根据本发明，控制器件22能够在氮氧化物的质量达到阈值并且需要执行诊断时出于诊断目的命令捕集器13进行特殊再生。更确切地，它命令发动机从低于理论配比富余度的富余度(例如低于0.9的富余度)来富混合物运行模式转换至第二富余度值R2(例如1.10)。
因此由下游富余度传感器16测量的富余度Qav也从低于理论配比富余度的这个富余度开始增加，并且在捕集器13仍然仅部分再生的持续时间Δt之后，所述富余度Rav达到低于第二富余度值R2的第三富余度值R3并且这表明捕集器13下游的排气的富余度转换至富混合物。有利地，第三富余度值基本上等于1.04。
在再生开始时，计算机17发射信号，该信号触发对在捕集器的部分再生过程中在捕集器13上游和下游的还原剂的质量流速Qam、Qav加以计算。这些流速是对应地通过以下方程来计算的：
(方程1) Qam＝Qech＊Ram
(方程2) Qav＝Qech＊Rav
其中：
-Qech表示如由流速计12测量的排气的流速；
-Ram表示如由上游氧传感器15测量到的捕集器13上游的排气的富余度；并且
-Rav表示如由下游氧传感器16测量到的捕集器13下游的排气的富余度。
这个信号还用于触发在估算器件26中还原剂的质量流速Qam、Qav关于时间的积分。在捕集器13中消耗的还原剂的质量Mred是由以下方程获得的：
(方程3) Mred＝∫Δt(Qam-Qav)＊dt
其中，Δt表示其中计算积分的部分再生的持续时间。
当由下游传感器16测量的富余度Rav达到第三富余度值R3时，控制器件22停止在估算还原剂质量的器件26中发射暂时积分信号。
捕集器13的特殊再生于是继续直到排完氮氧化物的存量为止，即，直到由下游传感器16测量到的富余度Rav变得与由上游传感器15测量到的富余度Ram相同为止。
图5是根据本发明用于诊断氮氧化物捕集器13的方法的步骤的流程图。
当发动机4以稀薄混合物运行时，发动机控制方法100监测NOx在氮氧化物捕集器13中的累积。当捕集器13达到预定存储值(可以接近于其最大存储容量)时，控制方法100触发测试捕集器13的第一步骤110，该第一步骤在于检查是否需要启动对捕集器13的诊断。
例如，计算机17可以确定车辆自从上次诊断后行驶的距离并且将这个距离与阈值进行对比。如果所述距离低于阈值，则计算机17确定不需要执行诊断，并且方法朝通过将发动机4的运行模式转换至成相对低的第一富余度值R1(例如被包括在1.03与1.05之间)的富混合物来对氮氧化物捕集器13进行普通再生的步骤120而继续。
如果所述距离不低于阈值，则方法朝出于诊断目的通过将发动机4的运行模式转换成相对高的第二富余度值R2(例如基本上等于1.10)的富混合物来对捕集器进行特殊再生的步骤130而继续。
这个特殊再生步骤130包括使得捕集器13部分再生一个代表将捕集器13下游的气体富余度转换成富混合物的持续时间Δt的阶段。有利地，这种转换对应于由下游传感器16测量到的富余度达到基本上等于1.04的第三富余度值R3的瞬间。
然后可以触发诊断氮氧化物捕集器13的实际方法200。这个方法200开始于确定根据方程1获得的捕集器13上游的还原剂质量流速Qam的步骤210，同时还有确定使用方程2获得的捕集器13下游的还原剂质量流速Qav的步骤220。
这些流速是贯穿特殊再生130的部分再生阶段来确定的。诊断方法200继续确定在部分再生阶段过程中使用的还原剂质量Mred的步骤230。这个质量是通过将在捕集器13的上游与下游的还原剂流速Qam、Qav之间的差值在接收到开始再生阶段130的信号的瞬间与接收到这个信号停止的瞬间之间关于时间积分来获得的(根据方程3)。
方法200继续以第二部分再生阶段过程中所使用的还原剂质量Mred与失效阈值S比对的步骤240，低于该失效阈值则氮氧化物捕集器13被确定为已经失效。可以在发动机试验台上使用统计测试来确定失效阈值S。
方法200以步骤250结束，在该步骤中，状态信号被发射至控制发动机1的方法100。这个信号可以采取两个状态，即，失效状态和非失效状态。当该状态是失效状态时，可以例如通过点亮指示灯来给驾驶者反馈警报。
图6和图7以与图1、图2和图3类似的方式展示了：在如上文中解释的控制阶段100的过程中、更具体地在特殊再生阶段130过程中，进入和离开氮氧化物捕集器13的气体的富余度是怎样随时间发展的。呈实线的曲线1代表由上游氧传感器15测量到的富余度，并且呈点划线的曲线2代表由下游氧传感器16测量到的富余度。
图6描绘了处于良好工作状态的捕集器13(例如具有70％效率的捕集器)的表现。特殊再生130在此基本上在瞬间t＝2540.5s与t＝2547.5s之间运行。部分再生阶段在瞬间t＝2546s处结束，即，在被包括在5秒至6秒之间的持续时间之后结束。阴影区域3代表在部分再生阶段过程中消耗的还原剂质量Mred。
图7描绘了降级的捕集器13(例如具有12％效率的捕集器)的表现。部分再生阶段在此基本上在瞬间t＝2944s与t＝2945s之间运行，即，具有1秒以下的持续时间。在此可以看出的是，代表在部分再生阶段过程中消耗的还原剂质量Mred的阴影区域3显然地小于图6中的阴影区域。
确切地，当以相对高的富余度值R2在捕集器上进行特殊再生时，大量的还原剂被突然供给至捕集器13。处于良好工作状态的捕集器设法将这种量的还原剂保持在其内来还原氮氧化物，使得捕集器下游的排气的富余度相对缓慢地转换至富混合物。
在呈不良工作状态的捕集器的情况下，还原剂的流入太快。大比例的还原剂穿过捕集器13而没有被保持在其中，致使捕集器下游的富余度几乎瞬间地转换成富混合物。实际上仅有供应至捕集器的还原剂的一小部分还原了存储在其中的氮氧化物。
因此，与以相对低的富余度R1执行的普通再生120不同，以相对高的富余度R2执行的特殊再生130有可能在处于良好工作状态的捕集器与有缺陷的捕集器之间产生清楚的区分。
Claims (8)
1.一种用于诊断与内燃发动机(4)相关联的氮氧化物捕集器(13)的方法(200)，所述捕集器(13)能够在一个捕集器(13)再生步骤(120，130)的过程中通过与还原剂的反应来分解被存储在其内的氮氧化物，该捕集器再生步骤是通过将该发动机(4)的运行模式转换至富混合物方式来引起的，所述方法包括：
-确定在一个再生步骤过程中消耗的还原剂质量(Mred)的一个步骤(230)；
-将所述质量(Mred)与一个失效阈值(S)进行对比的一个步骤(240)，低于该失效阈值则该捕集器(13)被确定为已经失效；以及
-发射指示该捕集器(13)的失效状态的信号的一个步骤(250)，
其特征在于，
还原剂的质量(Mred)是在一个特殊的捕集器(13)再生步骤(130)的过程中确定的，该特殊的捕集器再生步骤是出于诊断目的以一个第二富余度值(R2)执行的，该第二富余度值(R2)高于一个第一富余度值(R1)，是以该第一富余度值执行一个普通的捕集器(13)再生步骤(120)的。
2.如权利要求1所述的方法(200)，其中，该第二富余度值(R2)基本上等于1.10，并且其中，该第一富余度值(R1)被包括在1.03与1.05之间。
3.如权利要求1和2之一所述的方法(200)，其中，还原剂的质量是在该特殊的捕集器(13)再生步骤(130)的一个部分再生阶段的持续时间(Δt)期间计算的。
4.如权利要求3所述的方法(200)，其中，该部分再生阶段的持续时间(Δt)在将该发动机(4)的运行转换至该第二富余度值(R2)时开始并且在离开该捕集器(13)的发动机(4)排气的富余度达到一个第三富余度值(R3)时结束。
5.如权利要求4所述的方法，其中，该第三富余度值(R3)低于该第二富余度值(R2)。
6.如权利要求5所述的方法，其中，该第三富余度值(R3)基本上等于1.04。
7.如权利要求3所述的方法(200)，其中，还原剂的质量(Mred)被计算为：在该部分再生阶段的持续时间(Δt)的期间，在该捕集器(13)上游的还原剂的质量流速(Qam)与该捕集器(13)下游的还原剂的质量流速(Qav)之间的差值相对于时间的积分。
8.一种用于诊断氮氧化物捕集器(13)的装置(17)，该氮氧化物捕集器用于处理一个发动机(4)的污染排放物，该装置用于实施如以上权利要求中任一项所述的方法(200)，该装置包括：
-确定该捕集器(13)上游的还原剂的质量流速(Qam)的一个第一器件(23)，该捕集器(13)上游的还原剂的质量流速(Qam)是在一个再生步骤过程中测量的，该第一器件(23)连接位于该捕集器(13)上游的一个氧传感器(15)；
-确定该捕集器(13)下游的还原剂的质量流速(Qav)的一个第二器件(24)，该捕集器(13)下游的还原剂的质量流速(Qav)是在一个再生步骤过程中测量的，该第二器件(24)连接位于该捕集器(13)下游的一个氧传感器(16)；
-确定在一个再生步骤过程中所消耗的还原剂质量(Mred)的一个第三器件(26)，该第三器件(26)连接确定该捕集器(13)上游的还原剂的质量流速(Qam)的该第一器件(23)并且连接确定该捕集器(13)下游的还原剂的质量流速(Qav)的该第二器件(24)；
-基于所述还原剂质量(Mred)来确定该捕集器(13)的失效状态的一个第四器件(27)；
其特征在于，
所述装置(17)进一步包括一个发动机控制器件(22)，该发动机控制器件能够将该发动机(4)的运行模式转换成以针对普通捕集器再生的一个第一富余度值(R1)的富混合物、或者切换成以出于诊断目的而执行的对该捕集器的特殊再生的一个第二富余度值(R2)的富混合物，该第二富余度值高于该第一富余度值。
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