CN115217600A - 用于执行废气催化器的车载诊断的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于执行在车辆的内燃机的废气后处理系统中的废气催化器的车载诊断的方法。在此，废气后处理系统包括废气催化器和布置在废气催化器下游的至少一个NOx传感器。首先，在起动内燃机后，在其中废气催化器具有处于其起燃温度之下的温度，通过以NOx传感器测量废气中的NOx浓度来确定氮氧化物的第一次在起动后起始的转化的开始。对此紧接着，确定参数，其表征第一次起始的转化的开始。将确定的参数与该参数的期望值比较且根据该比较确定废气催化器取决于比较的状态。

Description

用于执行废气催化器的车载诊断的方法
技术领域
本发明涉及一种用于执行在车辆的内燃机的废气后处理系统中的废气催化器的车载诊断的方法。本发明此外涉及一种设立用于执行废气催化器的车载诊断的车辆。
背景技术
当前和未来变得越来越严厉的废气法规对发动机原始排放提出了较高要求且要求内燃发动机的高效率废气后处理(ANB)。在此，根据进一步下降的消耗的要求和鉴于许可的氮氧化物排放的废气规格的进一步严厉是针对发动机开发商的挑战。在汽油发动机(Ottomotor,奥托发动机)中，废气清洁以已知的方式经由三元催化器以及前置或后置于三元催化器的另外的催化器进行。在柴油发动机中，当前的废气后处理系统得到应用，其具有氧化催化器、用于选择性催化还原氮氧化物的催化器(SCR催化器)以及用于分离炭黑颗粒的颗粒过滤器和若有可能另外的催化器。共同的特征因此是废气催化器，其包括催化覆层，借助于其减少了有害物质排放(HC、CO和NOx)。
废气催化器具有提高确定的反应的速度的性质，而在此本身不消耗。通过合适选择催化器材料或催化器覆层可实现，在存在氧气的情况下针对CO和HC的氧化反应在相对低的温度中结束且在废气中存在减少的组分(CO、H2、HC)的情况下氮氧化物NOx的还原反应结束。
为此此外作为催化器材料Pt、Pd和Rh已经得到证实。为了实现高转化率，贵金属分散在带有较大表面积的载体氧化物上。该载体氧化物通常是带有复杂孔结构的无机材料(例如，氧化铝)，其作为水溶液(涂层)安装到由陶瓷或金属构成的蜂窝状的单体(基底)上。
废气催化器首先通过发动机废气加热。废气催化器为了转化有害物质组分(HC、CO、NOx)需要最低温度，其称为起燃温度。经常采取措施，以便缩短直到开始催化器(起燃)的阶段。加热时间的缩短可通过优化发动机侧的催化器加热措施如延迟点火、发动机转速提高、凸轮轴调整、λ曲线、以及必要时通过二次空气供应来实现。此外存在主动的催化器加热措施，对此包括所谓的E-Kat(可电加热催化器)。其可明显缩短开始时间。
有害物质排放的第一次起始的转化的开始的准确确定、换而言之废气催化器在其加热阶段期间的起燃的确定当前不可明确地确定。在借助于λ探子的情况下借助于废气催化器的氧气存储容量(英文：oxygen storage capacity,OSC)仅实现间接的确定。这然而一方面缓慢且另一方面不准确。准确的确定然而确保如下优点，执行鉴于废气催化器的状态(例如老化或污染(Vergiftung,有时也称为中毒))的评价以及实现用于缩短废气催化器的加热时间的措施的改善的符合需要的控制和调节。
DE 10 2017 214 444 A1涉及一种用于运行废气后处理装置的方法，其此外包括三元催化器以及布置在下游的NOx传感器。在运行期间，通过传感器进行NOx排放的连续测量。如果NOx排放提高，因为三元催化器由于较低的催化器温度失去其效率，则执行其它措施、例如催化器的延迟点火和/或电气加热。
DE 10 2019 006 426 A1包括一种用于监控催化器的NOx还原能力的布置在催化器下游的NOx传感器。在600℃或更高的废气温度中的稀化的运行期间，在存在于催化器下游的空气燃料比达到阈值的时间点，发动机转移到浓运行状态。当在浓运行状态中存在于下游的空气燃料比到达阈值时，发动机又转移到稀化运行状态中。诊断元件将在浓运行状态中的NOx浓度与诊断阈值比较，以便因此诊断催化器的NOx还原能力的劣化度。
DE 10 2017 218 327 A1描述了一种用于运行燃烧发动机的方法。在燃烧发动机的废气系中存在带有λ调节的三元催化器，后置于其的是带有集成的λ探子的NOx传感器。通过以带有集成的λ探子的NOx传感器组合测量λ值和NH3值，确定在三元催化器上游的λ理论值。
发明内容
本发明此时基于如下任务，提供用于执行在车辆的内燃机的废气后处理系统中的废气催化器的车载诊断的方法和相应的车辆，通过其可实现废气催化器的状态的确定。
该任务通过一种用于执行车辆的内燃机的废气后处理系统中的废气催化器的车载诊断的方法和一种带有内燃机和废气后处理系统的车辆来解决，其中，所述废气后处理系统包括所述废气催化器和布置在所述废气催化器下游的至少一个NOx传感器，其特征在于，所述车辆设立成实施用于执行所述废气催化器的车载诊断的方法。
根据本发明，提供了一种用于执行在车辆的内燃机的废气后处理系统中的废气催化器的车载诊断的方法。在此，废气后处理系统包括废气催化器和布置在废气催化器下游的至少一个NOx传感器。首先，在起动内燃机后，在其中废气催化器具有处于其起燃温度之下的温度，通过以NOx传感器测量在废气中的NOx浓度确定氮氧化物的第一次在起动后起始的转化的开始。紧接于此确定如下参数，其表征第一次起始的转化的开始。确定的参数与该参数的期望值比较且根据该比较取决于比较确定了废气催化器的状态。
NOx传感器优选地包括传感器单元和控制单元。控制单元构造成提供测量值，以便将其然后传递到发动机控制器处。NOx传感器由废气环流，从而可测量氮气和氧气浓度。经获取的测量信号传递到车载诊断处。车载诊断通常持久地且在车辆运行期间监控发动机以及废气后处理的排放相关的元件。
该方法包括冷内燃机的起动过程，其中在起动过程中废气催化器的温度处于其起燃温度之下。通过废气催化器以热废气的运行和因此引起的加载，废气催化器通过热传导被供应以能量，从而因此提高其温度，直到其最后处于起燃温度之上。加热通过起始的催化器活动自身来支持，即通过放热的、在催化器中进行的转化反应。
“起燃温度”理解为催化器温度，在其中流入的有害物质、在此氮氧化物NOx的50%催化地转换。起燃温度的具体高度取决于单独的催化器覆层。
NOx传感器在该情况中用于通过测量氮氧化物浓度或其改变来确定氮氧化物的转化是否开始，也就是说NOx转换成氮气。由此可确定是否达到起燃温度且进行废气的有害物质排放的转化。
根据优选的实施方案，进行氮氧化物通过催化器的第一次在起动后起始的转化的开始的确定，其方式为，在催化器下游以NOx传感器测量的NOx浓度与在催化器上游存在的NOx浓度、即流入到催化器中的NOx量相比较。后者可以另外的前置于废气催化器的NOx传感器测量或优选地取决于内燃机的运行点模型化。模型化通常借助于综合特性曲线进行，综合特性曲线呈现发动机取决于其运行点(负荷，转速)的NOx原始排放。
此外，借助于表征第一次起始的转换的开始的所确定的参数通过与该参数的期望值比较取决于比较能够确定废气催化器的状态。
由此可首先基本上确定，废气催化器是能够使用还是损坏。转化能力的证明根据本发明不必再间接借助于废气催化器的氧气存储能力(OSC)在λ探子的辅助下进行，而是此时直接且基本上更准确地进行。此外，根据本发明可实现起始的转化的准确的起动点的准确得多的确定。该评估优选地随着内燃机的每个起动过程进行，在其中废气催化器的温度处于其起燃温度之下且由于运行达到或超过起燃温度。由此可省略传统的耗费的λ调整。此外，可发生对废气催化器的老化状态的预测。同样关于废气催化器的可能的污染状态可通过该方法进行评估。废气催化器和其覆层经受极其侵略性的条件，通过位于废气中的有害物质以及高温和温差引起。针对废气催化器的基本的危险包括热过载和污染。热尤其通过快速热变换应力，不仅催化器载体而且覆层可被损坏。在高且快地变换的废气温度的情况中，载体材料可失去其强度。此外，烧结过程可在涂层和覆层的区域中产生，从而激活的催化的表面减少。除了热过载以外，催化覆层也可通过有害物质失活。这样的物质是Pb、Hg和Cd。其引进化学连接且由此形成不可逆的非活跃的合金。同样，SO2和P可由催化层吸收且阻止进一步的反应。该机制部分可逆且可通过热退化。通过由根据本发明的方法引起的状态确定可如此一方面导入合适的措施，以便再生催化层。另一方面，可确定除了可逆损坏以外出现另外的不可逆损坏，其必要时使得其它措施或甚至催化器的更换变得必需。
对于组件可得到使用或是该方法的对象的合适的催化器通常是所有部件，其具有催化覆层。这可例如是纯废气催化器，例如三元催化器、氧化催化器、NOx存储催化器或SCR催化器。此外，考虑催化覆层的颗粒过滤器(尤其在第一位置中)，即如下颗粒过滤器，其装备有之前提到的催化器覆层。在装备有三元催化覆层的颗粒过滤器的情况中同样谈及四元催化器。
在本发明的优选的设计方案中设置成，表征第一次起始的转化的开始的参数是在起动过程和第一次起始的转化之间经过的时间或时间等价物。行驶行为(和因此发动机转速、负荷等)对于废气催化器的加热的动力学具有显著影响，与之相应地这可对第一次起始的转化的开始和参数的期望值产生影响。因此，一方面可实现时间作为参数的应用，其在内燃机的起动和第一次起始的转化的开始之间测量。其期望值可示例性地经由以综合特性曲线的形式的模型来确定，该模型取决于运行方式提供关于时间的期望值的信息。在此发动机转速和负荷可为可变的，根据其可确定刚好相关联的期望值。特别优选地，参数是时间等价物，由此有利地简化了期望值的确定，因为对于时间等价物而言对于行驶行为和类似物的信息经常已经是固有的。通过使用时间或时间等价物可除了预测废气催化器的通常功能性以外同样进行中间状态的评估。取决于参数的测量值与参数的期望值的偏差，可确定废气催化器的当前状态和效率。有缺陷的或损坏的废气催化器鉴于时间或时间等价物随着转化延迟地开始或完全停止该转化。
在本发明的另外的优选的设计方案中设置成，时间等价物是集成的(累积的)废气质量流、集成的(累积的)废气组分(NOx、HC、CO…)量、输入到催化器中的集成的(累积的)能量量、通过内燃机消耗的燃料量或经过的行驶距离。由此不同的合适的可行性方案供使用，其考虑车辆的行驶行为或运行方式，其影响多少热量输入到废气催化器中用于其加热，以便实现废气催化器的还更准确的状态确定。集成的质量流例如以如下方式结合到行驶行为中，即，取决于发动机转速和负荷燃料供应改变。由此可在不同的行驶方式中时间上彼此区分废气催化器的第一次起始的转化的起动点。通过考虑经过时间在发动机起动和转化开始之间集成的质量流，然而固有地观察行驶行为且确保在发动机起动和转化的起动点之间的持续时间的可对照性。集成的质量流可简单地且以高准确度计算或模型化，尤其经由发动机运行点(负荷、转速)或气缸填充。备选地，然而还有用于测量质量流的若干可行性方案供使用。同样，集成的废气组分、输入的能量量或经过的行驶距离是有利的时间等价物，其同样可以已知的方法计算或测量。
在根据本发明的方法的另一有利的实施方案中，参数是在开始氮氧化物的第一次起始的转化时废气催化器或在废气催化器下游的废气的温度。通过确定温度作为参数且与期望值比较，可预测废气催化器的状态或中间状态。如此例如污染状态作用于废气催化器的催化覆层且以如下后果影响其：延迟的、在较高的催化器或废气温度中才起始的转化。通过观察和比较作为参数的温度，其和其它状态可被获取且识别出。
对于废气催化器的状态的还更准确的且更全面的评价，优选地时间或时间等价物和废气催化器或废气的温度可彼此组合地使用。
优选地，废气催化器或在废气催化器下游的废气的温度经由模型计算。因为λ探子和NOx传感装置以及关于内燃机和其空气和燃料供应的控制的知识供使用，可结合另外的构件特定的参数、如例如热导率生成用于废气催化器或废气催化器下游的废气的取决于车辆的运行行为的关于温度发展的非常准确的模型。这可然后用于确定在起始废气催化器的第一次转化的情形中的温度。
根据本发明的另一优选的设计方案，废气催化器或在废气催化器下游的废气的温度通过温度传感器测量。这也可通过确定NOx传感器的热阻来进行。由此可执行非常准确的温度确定。
优选地，参数的期望值取决于内燃机的运行点来确定。如已经提及的，实际的行驶行为和因此运行方式影响待测量的参数和同样其期望值。因此，对于关于废气催化器的状态的定性和定量高价值预测而言，考虑内燃机的运行点是有利的。这可示例性地通过使用综合特性曲线进行。综合特性曲线可在此为取决于内燃机的发动机转速和负荷的期望值。备选的综合特性曲线可同样得到使用。综合特性曲线可为二维或多维的且由此同样包含特性曲线。
作为确定的参数与该参数的期望值的比较的评估的结果，确定催化器的状态。催化器状态优选地通过车辆的车载电脑和/或控制器确定。当在确定的参数和期望值之间的差处于预确定的阈值之上时，损坏的或强烈老化的催化器被确定且通过车辆的车载电脑和/或控制器生成误差信号。如此可实现不同的警告级别且同样核算一定的误差公差。
本发明的另一优选的设计方案涉及一种车辆，其是混合动力车辆。该方法然后在由电动机运行变换到内燃机运行后在再起动内燃机后被执行。在除了内燃机以外包括电动机作为牵引马达且通过减少的有害物质排放出众的混合动力车辆中，对于变换的电动机和内燃机运行而言特别有利的是，监控废气催化器的状态。在以电动机的方式实现的距离后在内燃机未运行期间可得到催化器冷却到其起燃温度下。在(再)起动内燃机后，根据本发明的方法适用于获取第一次起始的转化和由此确定的催化器状态。
有利地，废气催化器的确定的状态用于控制和/或调节废气催化器措施。通过以根据本发明的方法确定状态可确定，是否应实施且实施哪些废气催化器措施。在此此外可执行发动机侧的催化器加热措施如延迟点火、发动机转速提高、凸轮轴调节或λ调节。此外，存在发动机外的催化器加热措施，对此包括电气加热可电气加热的催化器(所谓的E-Kat)或二次空气供应。整个有害物质排放的显著份额来源于如下阶段，在其中废气后处理系统还未激活，即在起动内燃机之后的阶段。通过使用确定的状态可理想地预先计划且优化地执行提及的措施，从而开始时间且在此确定的有害物质可被减少。在此，催化器状态的知识同样允许该措施的符合需要的匹配。只要例如确定之前损坏的或轻微老化的催化器，其起燃温度相对于新的催化器移位至较高的温度，则可提高加热措施的密集度和/或持续时间。
只要未另外详细地阐述，本发明的不同的在本申请文件中提到的实施形式可有利地彼此组合。
附图说明
本发明随后在实施例中根据从属的附图来阐释。其中：
图1示出了根据本发明的废气后处理系统的系统构建；
图2示出了根据本发明的设计方案的用于执行废气催化器的车载诊断的方法的流程图。
具体实施方式
本发明随后根据本发明的例如其在车辆中的应用的实施方案来实施。该方法然而绝不限于该应用情况。
在图1中示出了根据本发明的实施方案的废气后处理系统1，其后置于在其它方面未进一步呈现的车辆的内燃机2。在内燃机2下游布置有废气催化器，其在该示例中设计为三元催化器3。
后置于其的是NOx传感器4，其突出到废气管路中，由此NOx传感器4通过废气6(通过箭头呈现)环流且测量NOx浓度或其改变。同样在三元催化器3下游布置有流量测量器8，其构造用于测量废气质量流6。
此外，废气后处理系统1包括温度传感器7。其位于三元催化器3下游且测量从三元催化器3逸出的废气的温度。用于测量废气温度的另一可行性方案在于通过确定其热阻使用NOx传感器4。备选地，温度传感器7也可直接布置在三元催化器3处或中，以便测量催化器温度。
此外，车辆包括车载电脑5。它此外用于准备和评估如下信号：其此外源自NOx传感器4、流量测量器8和温度传感器7。
此外，示出的实施例的废气后处理系统4包括电气催化器加热装置9，其紧邻三元催化器3布置且构造成加热三元催化器3。
随后，根据图2阐释例如根据图1的车辆的根据本发明的方法。
该方法在块10中开始，在其处内燃机2起动。在起动内燃机2前或在起动内燃机2的时间点时，三元催化器3具有处于其起燃温度之下的温度。该温度通过温度传感器7获取。备选地，催化器温度被模型化。在较长的发动机静止后，在此例如可设想，催化器温度相应于周围环境温度。
根据该实施方案，除了温度作为参数之外，尤其同样时间等价物用作待测量的参数。在该情况中，时间等价物是集成的废气质量流。相应地，直接在起动内燃机2后在块11中实现该时间等价物的测量，换而言之，废气质量流的测量借助于流量测量器8和其与前进的时间的集成来进行。备选地，当前的废气质量流综合特性曲线上取决于内燃机2的运行点被模型化和集成。
在块12中，废气6中的氮氧化物和其改变的测量借助于NOx传感器4进行。同时，流入到催化器3中的NOx浓度、即内燃机2的NOx原始排放被确定。这优选地通过NOx原始排放的综合特性曲线支持的模型化取决于内燃机2的运行点来进行。
在块13中，通过车载电脑5检查，由NOx传感器4获取的NOx浓度是否偏离于流入到催化器3中的NOx浓度。如果不存在偏离，通过催化器3的转化还未起始且该方法返回至块12，在其处重新测量在催化器3下游的NOx浓度且确定内燃机2的当前NOx原始排放，以便然后重复在块13中的询问。
相反，如果识别出由NOx传感器4获取的NOx浓度与流入到催化器3中的NOx浓度的偏离，则在三元催化器3中开始位于废气6中的有害物质、尤其氮氧化物的转化。在该情况中，在块14中进行该第一次在起动内燃机2之后起始的转化的确定。
车载电脑5根据温度传感器7的信号确定当前在废气6中且因此在三元催化器3中存在的温度。同样，其结束废气质量流6的集成的流量测量(块15)。由此，通过集成的废气质量流6存在合适的时间等价物，利用其可表征和比较第一次起始的转化的开始。
根据综合特性曲线，车载电脑5确定针对像新的一样的未损坏的废气催化器的起表征作用的参数的期望值。通过行驶方式或运行方式，其自起动内燃机2和开始第一次起始的转化起进行，根据综合特性曲线可确定期望值，其针对该特定情况针对像新的一样的废气催化器可被期望。在块16中，车载电脑5然后将通过针对三元催化器3的测量确定的参数与该参数的由综合特性曲线确定的期望值比较。因为在该示例中集成的废气质量流用作时间等价物(例如在质量的度量中)，期望值同样是集成的废气质量流，其对于像新的一样的三元催化器在发动机起动和转化开始之间可被期望。补充地，三元催化器3在第一次起始的转化期间具有的测量的温度一起影响比较。同样针对三元催化器3的温度(自该温度起转化理论上在像新的一样的三元催化器3中可被期望)的期望值，可在此从综合特性曲线确定。
在块17中，催化器3的状态的确定取决于该比较来进行。这经由在一个或多个测量的参数和一个或多个其期望值之间的偏差的评价来进行。可限定阈值，其考虑一定的公差和波动。通过组合两个参数(时间等价物和温度)，可特别准确地评价三元催化器3的状态。这可在使用来自温度参数和时间等价物参数的平均值的情况下进行，其中取平均值可通过两个参数的不同的权重来转换。
为了有效地运行三元催化器3且尽可能将有害物质排放保持较低，确定的催化器状态可此外用于实施和调节废气催化器措施。示例性地，按照根据本发明的实施方案，E-Kat得到应用。车载电脑5为此控制催化器加热装置9。通过使用确定的状态，催化器加热装置9理想地预先计划且优化地被执行，从而可降低开始时间和在此确定的有害物质，一旦例如确定下降的效率，其然而可通过催化器加热装置补偿。
参考符号列表
1 废气后处理系统
2 内燃机
3 三元催化器
4 NOx传感器
5 车载电脑
6 废气/废气质量流
7 温度传感器
8 流量测量器
9 催化器加热装置。

Claims (10)

1.一种用于执行车辆的内燃机(2)的废气后处理系统(1)中的废气催化器(3)的车载诊断的方法，其中，所述废气后处理系统(1)包括所述废气催化器(3)和布置在所述废气催化器(3)下游的至少一个NOx传感器(4)，包括如下步骤：
在起动所述内燃机(2)后，在其中所述废气催化器(3)具有处于其起燃温度之下的温度，通过以所述NOx传感器(4)测量在所述废气(6)中的NOx浓度来确定氮氧化物的第一次在所述起动后起始的转化的开始，
确定表征第一次起始的转化的开始的参数，
将确定的参数与该参数的期望值相比较，且
取决于所述比较确定所述废气催化器(3)的状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参数是在所述起动过程和第一次起始的转化之间经过的时间或时间等价物。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述时间等价物是集成的废气质量流、集成的废气组分量、输入的能量量、消耗的燃料量或经过的行驶距离。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述参数是在氮氧化物的第一次起始的转化的开始时所述废气催化器(3)的温度或在所述废气催化器(3)下游的所述废气(6)的温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述废气催化器(3)或在所述废气催化器(3)下游的所述废气(6)的温度经由模型计算或通过温度传感器(7)测量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述期望值由取决于所述内燃机(2)的运行点的综合特性曲线来确定。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当在所确定的参数和所述期望值之间的差处于预确定的阈值之上时，在车载电脑(5)和/或控制器中生成误差信号。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述车辆是混合动力车辆且其中所述方法在由电动机运行变换到内燃机运行后在起动所述内燃机(2)后被执行。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述废气催化器(3)的确定的状态用于控制和/或调节废气催化器措施。
10.一种带有内燃机(2)和废气后处理系统(1)的车辆，其中，所述废气后处理系统(1)包括所述废气催化器(3)和布置在所述废气催化器(3)下游的至少一个NOx传感器(4)，其特征在于，所述车辆设立成实施根据权利要求1至9中任一项所述的用于执行所述废气催化器(3)的车载诊断的方法。
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