CN109690030A - 用于探测热回收系统中未密封位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于探测机动车的内燃机(1)的热回收系统(12；12a)中的未密封位置的方法。热回收系统(12)具有至少一种工作介质、具体是可燃的工作介质和工作介质回路(13；3a)，该工作介质回路具有至少一个蒸发器(14；14a)、泵(15；15a)和至少一个膨胀机(16；16a)，其中，内燃机(1)的废气流经蒸发器(14；14a)。本发明的目的是使得能够尽可能简单地、较早且可靠地探测在热回收系统(12)的蒸发器(14、14a)中的泄漏。该目的这样实现：至少一个NH3传感器(20；20a)在废气流动路径(2)中布置在蒸发器(14；14a)下游，并且由NH3传感器(20；20a)对在废气流动路径(2)中的废气进行测量。优选地在执行合理性检查之后，出现至少一个异常高的NH3测量值意味着蒸发器(14；14a)的泄漏。

Description

用于探测热回收系统中未密封位置的方法
本发明涉及用于探测机动车的内燃机的热回收系统中的泄漏点的方法，其中，该热回收系统具有至少一种工作介质和工作介质回路，具体是可燃的工作介质，该工作介质回路具有至少一个蒸发器、泵和至少一个膨胀机，其中，内燃机的废气流经该蒸发器。此外，本发明涉及具有热回收系统的内燃机，该热回收系统具有至少一种、具体是可燃的工作介质和工作介质回路，该工作介质回路带有至少一个蒸发器、泵和至少一个膨胀机，其中，该蒸发器在内燃机的废气流动路径中布置在SCR催化转化器下游，用于执行该方法。
当用可燃介质结合内燃机和蒸发器、具体是EGR蒸发器(EGR蒸发器：EGR＝废气循环，Exhaust Gas Recirculation)操作用于热回收的系统时，对系统中的泄漏的探测是具有高优先级。热回收系统中的泄漏可能导致以下危急场景，主要是：
·工作介质排出进入环境中——当使用诸如乙醇之类的可燃工作介质时导致火灾隐患。
·可燃工作介质进入内燃机——如果例如工作介质通过EGR蒸发器进入燃烧室中，则导致损坏。
·由于不足的工作介质液面高度引起的系统部件过热——会例如如果工作介质质量流量过低则导致废气蒸发器过热。
例如已知以下方法用于探测热回收系统中的泄漏。
·借助液面高度传感器监测膨胀箱中工作介质的液面高度。如果液面高度过低，则表明了泄漏。
·通过对不工作的冷的系统加压并且然后观察压力梯度，进行泄漏测试。过快的压降表明泄漏。
·测量热回收系统的绝缘部的导电性。传导性的改变是泄漏的标志。
例如，US 6,526,358 B1描述了一种用于探测流体回路中的泄漏和堵塞的方法，其中对压力、温度和流速进行测量并在回路中多个点处进行关联。
JP 2010-156314 A公开了用于内燃机的热回收系统，其中，O2传感器布置在热回收系统的冷却剂回路中用于泄漏探测。
已知的方法具有这样的缺点：它们仅能在车辆不工作时执行和/或需要诸如附加的传感器之类的装置。
本发明的目的是以尽可能简单的方法较早且可靠地探测热回收系统的蒸发器中的泄漏。
根据本发明，该目的这样实现：将至少一个NH3传感器在废气流动路径中布置在蒸发器下游并借助该NH3传感器对废气进行测量，优选地在内燃机正常运行中进行测量，其中，如果至少一个异常高的NH3测量值发生了、优选地是在已经进行了合理性检查之后，则得出蒸发器泄漏的结论。在SCR催化转化器中已经是标准的NH3传感器因此放置在热回收系统的蒸发器的可能的泄漏下游的流动路径中的一点处。泄漏理解为是密封性方面的缺陷，其中工作介质从蒸发器不受控地逸出。
对热回收系统的密封性作出评估的先决条件是NH3传感器响应于从蒸发器逸出的工作介质。为了实现它，选择化学物质为工作介质，或将NH3传感器对其作出反应的化学物质添加到工作介质，其中，NH3传感器优选地对于该物质是交叉敏感的。一般地，交叉敏感性通常理解为传感器对于待测量的量以外的量的敏感性，其可能导致测量结果的恶化。在目前的情况中，NH3传感器的交叉敏感性意味着其对于除了氨之外的化学物质是敏感的。例如，已知NH3传感器具有对于NOx、尤其是NO2的交叉敏感性。
出人意料地，NH3传感器也能够显示为对于诸如乙醇之类的其它化学物质清楚地交叉敏感，乙醇通常用作工作介质。本发明例如在发明的优选实施例变型中利用了NH3传感器不仅对氨作出反应而且对乙醇作出反应的事实。因此，如果探测到异常高的NH3测量值，则可以推断热回收系统的泄漏。在本上下文中，异常意味着探测到的NH3测量值高于瞬时工作点会允许的值。为了验证或证伪它，有利地关于所确定的NH3测量值执行合理性(可信度)检查。如果蒸发器位于SCR催化剂下游，则合理性检查包括增大的NH3读数是否可以归因于含NH3的添加剂的喷射。
内燃机的废气管线中的SCR催化转化器(SCR＝Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原)用于减少燃烧期间产生的氮氧化合物。例如，需要NH3用于反应，将NH3以含水尿素溶液的形式添加到SCR催化剂上游的废气。反应产物是H2O(水)和N2(氮气)。为了控制尿素溶液的确切剂量，至少一个NH3传感器通常安装在SCR催化转化器下游的废气管线中。在本发明的上下文中，该NH3传感器不是像通常那样紧接在SCR催化剂之后或紧接在可能在SCR催化剂下游的阻氨催化剂(ASC)之后布置，而是在废热回收系统的蒸发器下游布置在SCR催化剂或阻氨催化剂(ammonia barrier catalyst)之后。所述阻氨催化剂用于减少或除去SCR存储催化剂8下游的、可选地过量的NH3，其中，氨被氧化成N2和H2O。
为了能够排除废气后处理对增大的NH3测量值的影响，如果发生了异常高的测量值，则必须在内燃机的正常发动机运行中执行合理性检查，根据有利的实施例变型，这是通过减少或停止在SCR存储催化剂上游喷射的含NH3添加剂的喷射量、优选地使用闭合控制回路，并且在限定的第一等待时间过去之后，检查测得的NH3浓度是否有发生显著减少，并且如果进一步确定了异常高的NH3测量值，则可以得出结论：蒸发器泄漏。
作为发动机运行中的泄漏调查的替代方案或附加于该泄漏调查，根据本发明的有利的实施例也可规定，在内燃机的发动机制动(Schubbetrieb，惯性行驶)运行中，在SCR存储催化转化器上游的含NH3添加剂的喷射减少或停止，并且调查在限定的第二等待时间过去之后测得的NH3浓度是否发生显著减小，并且如果进一步确定了异常高的NH3测量值，则得出结论蒸发器泄漏。
例如，第一和/或第二等待时间应该为至少30至60秒，从而实现反应平衡状态。
替代于或附加于在废气管线中处于SCR催化转化器下游的蒸发器，废热回收系统的(另一)蒸发器可布置在废气再循环管线中。在此，在大多数情况下，如果探测到异常升高的NH3读数，则可以排除蒸发器泄漏以外的原因。
假定在第二蒸发器的泄漏点逸出的工作介质回路的工作介质不会在燃烧室内或在废气后处理系统中进入化学反应中，该后处理系统的最终产品不再能被NH3传感器探测到，通过在第一蒸发器下游的废气管线中的第一NH3传感器也可例如在发动机制动运行中探测到第二蒸发器的泄漏。为了排除该风险，可以在本发明的进一步改进中规定，第二NH3传感器布置在废气再循环管线中第二蒸发器下游，通过该第二NH3传感器可以直接探测到第二蒸发器的泄漏。
例如，如果NH3读数在10ppm以上，则存在异常高的NH3读数。
如果毫无疑问的是蒸发器泄漏了，则可以发送相应的警告信号给驾驶员并且/或者以错误代码表示的对应条目记入在车载诊断系统中。
下文中使用附图中示出的非限制性实施例详细描述本发明，其中：
图1a示意性示出第一实施例变型中的根据本发明的内燃机；
图1b示意性示出第二实施例变型中的根据本发明的内燃机；
图2和图3示出无泄漏的热回收系统的载荷和NH3测量值的时间曲线；以及
图4和图5示出在应用本发明时泄漏的热回收系统的载荷和NH3测量值的时间曲线。
图1a和图1b各自示出具有废气流动路径2的内燃机1，所述废气流动路径由废气管线3和废气再循环管线4形成。废气再循环管线4用于内燃机1的进气系统23与排气系统22之间的外部废气再循环。
废气后处理装置5布置在废气管线3中，该废气后处理装置在实施例示例中具有柴油氧化催化转化器6、柴油微粒过滤器7、SCR催化转化器8和阻隔催化转化器9。含NH3的添加剂可在SCR催化剂8上游经由喷射装置10馈入。混合器11用于对废气流中的喷射的添加剂进行混合并蒸发。
设有具有用于工作介质、例如乙醇的闭合工作介质回路13的热回收系统12用于回收废气废热，该热回收系统具有至少一个第一蒸发器14、泵15和至少一个膨胀机16。附图标记17表示冷凝器。为了在外侧对第一蒸发器14进行旁通(绕过第一蒸发器)，设有旁通管线18，所述旁通管线从第一蒸发器14上游的废气管线3分叉并且在第一蒸发器14下游流回到废气管线3中。附图标记19表示控制元件，所述控制元件例如由转换(阀)片(Umschaltklappe)形成，用于在通过第一蒸发器14与通过旁通管线18的流动路径之间对废气流动进行切换。
可选地，可在废气再循环管线4中设有第二蒸发器14a，所述第二蒸发器可在第一蒸发器14上游或下游集成到热回收系统12的工作介质回路13中。在图1a中示出的第一实施例变型中，第二蒸发器14a在第一蒸发器14下游集成到工作介质回路13中。替代地，第二蒸发器14a也可布置在热回收系统12的第二工作介质回路13a中，所述第二工作介质回路包括第二泵15a、第二膨胀机16a和第二冷凝器17a，如图1b所示。
在第一蒸发器14下游，NH3传感器20布置在废气管线3中。另一NH3传感器20a可在废气再循环管线4中位于第二蒸发器20a下游。NH3传感器20、20a连接到控制和/或评估单元21。
NH3传感器20、20a各自具有对于工作介质、在该情况下是对于乙醇或对于工作介质的(某种)成分的交叉敏感性。这意味着，NH3传感器不仅从实际包含在废气中的氨探测NH3测量值，而且从触发交叉敏感性的物质探测NH3测量值。如果在蒸发器14或14a的区域中存在泄漏，则其反映在NH3传感器20或20a的输出增大的NH3测量值中。
如果在内燃机1的正常发动机运行期间发生异常高的第一NH3传感器20的NH3测量值，则该NH3测量值经受合理性检查，通过由在SCR存储催化剂8上游的喷射装置10、例如使用闭合控制回路来减小或停止含NH3的添加剂的喷射量，并且调查在限定的第一等待时间(例如30至60秒)过去之后，测得的NH3浓度是否发生显著减小。如果继续探测到异常高的NH3读数，则可以得出结论在第一蒸发器14处发生泄漏。
作为对发动机运行的替代，根据本发明的用于探测热回收系统12中的未密封位置的方法也可在发动机制动运行(拖走运行)期间或在从发动机运行切换到发动机制动运行时执行。在内燃机1的发动机制动运行期间，在SCR存储催化剂8上游的含NH3的添加剂的喷射停止，并且调查在限定的例如30至60秒的第二等待时间之后，测得的NH3浓度中是否发生显著减小。如果不存在NH3测量值的显著减小，则可以得出结论第一蒸发器14处有泄漏。如果不能排除可能从第二蒸发器14a逸出的工作介质在内燃机1中或在后处理系统5中被消除或化学改性，则有利的是在废气再循环管线4中、紧接着在第二蒸发器14a下游使用第二NH3传感器20a，经由所述第二NH3传感器可以直接探测第二蒸发器14a的泄漏。
图2和图3示出在内燃机1切换到发动机制动运行期间、无泄漏的热回收系统12的载荷L和NH3测量值的时间曲线。通常在发动机制动运行期间挺迟NH3添加剂的喷射。可以清楚地看出，第一NH3传感器20的测得的NH3测量值急剧下降，因此不存在泄漏。
另一方面，图4和图5示出如果第一蒸发器14中存在泄漏时到发动机制动运行的切换。在该情况下，NH3测量值没有减小。相反，由于未改变的泄漏和在发动机制动运行中通过废气路径的更低的气体通过量，甚至可能存在NH3测量值的增大，如虚线所示。在该情况下，蒸发器14的泄漏可以清楚地识别，并且对应的泄漏警告可以发送给驾驶员。
本发明的主要优点是它不需要使用过度复杂的泄漏探测器。理想地，已经作为标准配装在废气管线中的(虽然是在废气流动路径2中处于蒸发器下游的位点处)NH3传感器14可用于执行可靠的泄漏测试。

Claims (11)

1.一种用于探测机动车的内燃机(1)的热回收系统(12)中的泄漏点的方法，其中，所述热回收系统(12；12a)包括至少一种、特别是可燃的工作介质和工作介质回路(13；13a)，所述工作介质回路具有至少一个蒸发器(14；14a)、泵(15；15a)和至少一个膨胀机(16；16a)，其中，所述内燃机(1)的废气流经所述蒸发器(14；14a)，其特征在于，至少一个NH3传感器(20；20a)在废气流动路径(2)中布置在所述蒸发器(14；14a)下游，并且由所述NH3传感器(20；20a)对所述废气流动路径(2)中的废气进行测量，其中，在至少一个异常高的NH3测量值出现之后、优选地在执行合理性检查之后，得出结论：所述蒸发器(14；14a)发生泄漏。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，化学物质用作工作介质，所述NH3传感器(20；20a)对所述化学物质作出反应、优选地所述NH3传感器(20；20a)对所述化学物质有交叉敏感性。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当探测到异常高的NH3测量值时，在所述内燃机(1)的发动机运行中进行合理性检查，通过优选地使用闭合控制环来减少或停止在SCR存储催化转化器(8)上游的含NH3的添加剂的喷射量，并且检查在限定的第一等待时间过去之后测得的NH3浓度是否发生显著减少，并且如果仍然探测到异常高的NH3测量值，则得出结论：所述蒸发器(14)发生泄漏。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述内燃机(1)的发动机制动运行期间，减少或停止在SCR存储催化转化器(8)上游的含NH3的添加剂的喷射，并且检查在限定的第二等待期过去之后，测得的NH3浓度是否发生显著减小，并且如果仍然探测到异常高的NH3测量值，则得出结论：所述蒸发器(14)发生泄漏。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，当平均NH3测量值在10ppm以上时，确定异常高的NH3测量值。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，第一和/或第二等待时间是至少30至60秒。
7.如权利要求1至6所述的方法，其特征在于，当探测到所述蒸发器(14；14a)的泄漏时，输出对应的警告信号。
8.一种内燃机，具有热回收系统(12)，所述热回收系统具有至少一种、特别是可燃的工作介质和工作介质回路(13)，所述介质工作回路带有至少一个蒸发器(14、14a)、泵(15)和至少一个膨胀机(16)，其中，所述蒸发器(14；14a)布置在所述内燃机(1)的废气流动路径(2)中，用于执行如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个NH3传感器(20；20a)布置在所述至少一个蒸发器(14；14a)下游，所述至少一个蒸发器布置在所述废气流动路径(2)中，并且借助所述NH3传感器(20；20a)能在所述内燃机(1)的所述废气流动路径(2)中对废气进行测量，其中，所述NH3传感器(20；20a)连接到电子控制和/或评估单元(21)。
9.如权利要求8所述的内燃机(1)，其特征在于，第一蒸发器(14)在所述内燃机(1)的形成所述废气流动路径(2)的废气管线(3)中布置在SCR催化转化器(8)下游，其中，第一NH3传感器(20)布置在所述废气管线(3)中、第一蒸发器(14)下游，并且其中优选地用于NH3的阻隔催化剂(9)布置在SCR催化转化器(8)与所述第一蒸发器(14)之间。
10.如权利要求9所述的内燃机(1)，其特征在于，所述第一蒸发器(14)能被旁通管线(18)绕过，所述旁通管线在所述第一蒸发器(14)上游从所述废气管线(3)分叉，并且在所述第一蒸发器(14)下游再次进入所述废气管线(3)，其中，优选地，所述第一NH3传感器(20)布置在通入所述废气管线(3)中的所述旁通管线(18)的孔口下游。
11.如权利要求8至10中任一项所述的内燃机(1)，其特征在于，第二蒸发器(14a)布置在所述内燃机(1)的形成所述废气流动路径(2)的废气返回管线(4)中，其中优选地，第二NH3传感器(20a)布置在所述废气返回管线(4)中、所述第二蒸发器(14a)下游。
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