CN1231659C - 检测废气净化催化剂适用性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在发动机工作过程中，检测用于净化内燃机中的废气的催化剂的适用性的方法，其中催化剂有一氧化碳的一个点燃温度和转化率r_co，该方法的特征在于，内燃机上安装了一套包含发动机电子设备和机载诊断系统电子设备的电子控制系统，而且为评估催化剂的剩余催化活性，而确定在发动机特定的工作点上废气的当前催化剂出口温度T_E与新鲜催化剂的一氧化碳的点燃温度T_{co，50%，fresh}之间的温度差ΔT和估计一氧化碳的转化率，ΔT＝T_E-T_{co，50%，fresh}其中当在某个工作点温度差ΔT超过极限值ΔT_L，而且同时一氧化碳转化率r_co低于一氧化碳转化率极限值r_co，L时，将这种情况作为催化剂故障记录在机载诊断系统电子设备中。

Description

检测废气净化催化剂适用性的方法

技术领域

本发明涉及一种检测用于内燃机废气净化的催化剂的适用性的方法。该方法特别适用于监控柴油氧化催化剂。根据本发明，催化剂的适用性通过测量一氧化碳的转化和温度来监控。该过程也适用于监控HC-DeNOx和尿素-SCR过程的催化剂和NOx吸附剂催化剂的适用性。

背景技术

对于汽油发动机机动车，在车辆行驶时，有必要通过机载诊断系统(OBD系统)来监控废气体系的所有与废气相关的元件的作用。废气系统的一个或以上元件出现故障通过警示灯点亮来指示。在安装有用于废气后处理的催化排气净化器的车辆中，也必须由OBD系统监控排气净化器的适用性。

将来，对于柴油发动机车辆也有必要安装一套OBD系统。除了废气及废气系统的循环以外，OBD系统还将包括对柴油粒子过滤器，尤其是柴油氧化催化剂的监控。在汽油发动机车辆中，可采用一套间接OBD方法来监控三向催化剂，在该方法中，要对催化剂的储氧能力进行测定和估量。该方法不能用在柴油发动机上，因为这些发动机工作时总是要求氧过量，也就是一种贫油空燃混合物。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供一种检测废气净化催化剂的适用性的方法，该方法也适用于检测柴油发动机的氧化催化剂的作用，而且还可直接通过测量一氧化碳(CO)的转化确定出催化剂活性。

本发明的所述方法中催化剂有一氧化碳的一个点燃温度和转化率r_co，该方法的特征在于，内燃机上安装了一套包含发动机电子设备和机载诊断系统电子设备的电子控制系统，而且为评估催化剂的剩余催化活性，而确定在发动机特定的工作点上废气的当前催化剂出口温度T_E与新鲜催化剂的一氧化碳的点燃温度T_{co，50％，fresh}之间的温度差ΔT和估计一氧化碳的转化率，

ΔT＝T_E-T_{co，50％，fresh}

其中当在某个工作点温度差ΔT超过极限值ΔT_L，而且同时一氧化碳转化率r_CO低于一氧化碳转化率极限值r_co，L时，将这种情况作为催化剂故障记录在机载诊断系统电子设备中。

在本发明中，一氧化碳氧化的点燃温度理解为一氧化碳正好转化50％的温度T_co，50％。

根据本发明，在一定的工作时间后，直接评估仍存在的催化活性。其特征参数是一氧化碳的转化率r_co、废气的当前催化剂出口温度T_E和CO新鲜催化剂的点燃温度T_{co，50％，fresh}，它是速度和载荷的函数，可预先存储在OBD电子设备中。

一氧化碳的转化率通过下列关系估算

$r_{\mathrm{CO}}=1-\frac{c_{\mathrm{CO},2}}{c_{\mathrm{CO},1}}---\left(2\right)$

其中C_co，2是在催化剂之后测定的废气中一氧化碳的浓度，C_co，1是在催化剂之前测定的废气中一氧化碳的浓度。

换句话说，根据下列关系也可估算出一氧化碳的转化率

$r_{\mathrm{CO}}=1-\frac{c_{\mathrm{CO},2}}{c_{\mathrm{CO},\mathrm{engine}}}---\left(3\right)$

其中C_co，2是在催化剂之后测定的废气中一氧化碳的浓度，C_co，engine是以映象的形式存储在OBD电子设备中的发动机当前工作点的一氧化碳的浓度。

借助于CO传感器，两种情况下都可测量一氧化碳的浓度。

附图说明

现在，借助图1到图6将更详细地解释本发明。图中

图1表示的是含在柴油发动机废气中的碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NO_x)和一氧化碳(CO)的新鲜催化剂的污染物转化率对温度的依赖关系；

图2表示的是含在柴油发动机废气中的碳氢化合物(HC)，氮氧化物(NO_x)和一氧化碳(CO)的老化催化剂的污染物转化率对温度的依赖关系；

图3表示的是在一个MVEG-A/2行车周期中，CO排放量是一氧化碳的催化剂的点燃温度的函数；

图4表示的是在一个MVEG-A/2行车周期中，HC排放量是碳氢化合物的催化剂的点燃温度的函数；

图5表示的是实施根据本发明的方法时的废气净化系统的结构图；

图6表示的是根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

催化剂的污染物转化率在达到最大值之前取决于它的温度。此处的催化剂对于三种主要的气体污染物CO、HC(碳氢化合物)和NO_x(氮氧化物)的每一种，表现出不同的污染物转化的温度历程。一种新鲜的柴油氧化催化剂作用的CO、HC和NO_x的转化率作为一个示例表示在图1中，其中它们的转化率是催化剂之前的废气温度的函数。

对于一氧化碳和碳氢化合物的转化率分别在所讨论的点燃温度T_{CO，50 ％}和T_HC，50％附近的一个窄温度范围内迅速增加，然后接近最大转化率。在柴油氧化催化剂情况下，氮氧化物在低温转化率接近零。它在碳氢化合物点燃温度T_CH，50％区域达到最大值，在高催化剂温度时又回落接近零。

随着催化剂使用时间增加，由于热过载和催化剂中毒，比如通过废气中硫化物、磷化物和重金属氧化物引起的中毒，催化剂的活性降低，这些化合物或来源于使用的燃料和润滑剂，或由于发动机的摩擦而产生。催化剂的老化通过它自身点燃温度逐渐升高表现出来，同时通过高温时的最大转化率下降而伴随额外的持续的损坏。由于持续工作导致老化的柴油催化剂的转化率曲线作为一个示例表示在图2中。

CO氧化被证明对柴油氧化催化剂的老化效应特别关键(图2)。因此通过CO氧化活性对催化剂进行估量特别适合柴油氧化催化剂，因为目前(柴油氧化催化剂)和未来的柴油废气后处理系统(HC-DeNOx，Nox吸附剂，尿素-SCR)将最大限度地以作为催化活性材料的铂为基础。铂催化剂的活性在任何情况下都极大地取决于铂的粒子尺寸。催化剂老化后活性的降低是由于催化活性铂粒子尺寸的增加和伴随催化活性表面积的减少。CO氧化是准确记录这些变化的反应。如果选定的方程(1)中的温度差ΔT足够大可排除误诊，那么一氧化碳氧化活性的降低和由此产生的一氧化碳的点燃温度T_CO，50％的升高就是一种确定柴油催化剂活性的普遍手段。

选择CO而不选择HC作为车辆上诊断的污染物指示剂，其优势在于清楚地限定在发动机所有工作点都是相同的化合物。HC是一种混合物，其组成取决于发动机的工作点。因此它通过测量的准确记录比CO更复杂。CO作为污染物指示剂而不是HC，它的另一个优势在于欧洲排放立法对排放极限值的不同限定。对CO、NOx和微粒有分别的极限值，HC的极限值只对HC和NOx的总量进行限定。HC的排放能被容许，因此HC排放取决于当前NOx的排放。因此选择HC作为唯一的污染物指示剂是不利的。

催化剂之后的废气中一氧化碳的浓度C_CO，2根据本发明通过安装在排气净化器之后的废气导线束中的一氧化碳传感器来确定。

催化剂之前的废气中一氧化碳的浓度C_CO，1也能用一氧化碳传感器直接测量，或从预先以映象的形式存储在OBD电子设备中的发动机的每一个工作点的值得到。为此预先测出所使用的发动机类型的发动机所有工作点的纯排放，然后作为浓度值存储在OBD电子设备中，该浓度为速度和载荷的函数。从OBD电子设备的存储器中获得的浓度值，它们与发动机中的纯排放值一致，这些值在下文中标记为c_co，engin。这样根据方程(3)就可计算出这种情况下的污染物转化率。

在车辆行驶过程中，发动机工作的数据，也就是在测量和计算过程中存在的工作点，陆续从发动机电子设备传输到OBD电子设备。

根据本发明，要估计催化剂的状态，就要通过温度传感器测出催化剂之后的当前废气温度T_E和测定出对应温度下一氧化碳的转化率r_co。根据方程(3)，从以映象的形式存储在OBD电子设备中的c_co，2和数据c_co，engin确定r_co，此处具有优势，除了有利的成本外，还有两个浓度值的测定，这种方法没必要得到不同尺寸的两个传感器信号的商。而且，如果使用两个传感器，那么催化剂之前的传感器不断地暴露在与催化剂之后的传感器不同的气氛中，这将导致传感器的不同老化，当计算转化率时，这必须考虑。

在催化剂之后测定温度是为了保证在动态行车中测量的废气温度与真实的催化剂温度一致。由于在冷启动过程中热惰性和载荷的快速变化，在催化剂之前测量温度这就不能保证测到废气的温度。

对于催化剂的估量，决定性重要的温度不是绝对水平，而是在当前催化剂出口温度和新鲜催化剂的CO点燃温度T_{CO，50％，fresh}存在温度差ΔT，ΔT＝T_E-T_{CO，50％，fresh}。点燃温度T_{CO，50％，fresh}是所有污染物浓度的函数，也就是发动机的纯排放和催化剂排气净化器中的 空速。发动机中纯排放量和排气净化器的空速是载荷和速度的函数。因此，将发动机的所有工作点的点燃温度T_{CO，50％，fresh}作为载荷和速度的函数以映象的形式存储在OBD电子设备中。

如果下列条件同时满足，将存在催化剂故障。

I ΔT为正并且大于用以规定讨论中的发动机和催化剂类型的温度差的极限值ΔT_L’，也就是说当前废气温度T_E高于在新鲜催化剂的CO的点燃温度之上的极限值T_{CO，50％，fresh}

          T_E＞T_{CO，50％，fresh}+ΔT_L            (4)

II  一氧化碳的转化率低于用以规定发动机和催化剂类型的转化率的极限值r_CO，L

        r_CO＜r_CO，L                   (5)转化率极限r_CO，L可以是比如50％。

然而，单个故障记录还不足以认定催化剂产生永久损坏。由于替换催化剂对于车主来说与成本相连系，因此，必须尽可能避免将催化剂过早划入严重损坏之列。

因此如果发现发动机的几个工作点都有故障，催化剂则只好列入永久损坏。含有一系列不连续工作点的发动机的工作数据的映象照例永久存储在发动机的控制系统中。不是所有的这些工作点都同等适用于估量催化剂的适用性。这样，比如高废气温度的工作点就不适合，因为即使受损坏的催化剂在高废气温度仍能很好地进行一氧化碳的转化。因此，只有一部分特别关键的可能工作点优选地用于估量催化剂。选择的用以估量催化剂的工作点数量以下标记为n_s。将选定的工作点的映象存储在OBD电子设备中，它含有新鲜催化剂的一氧化碳的特定的点燃温度T_{CO，50％，fresh}。

如果对一个选定的特定的工作点数量n_M发现一次故障，催化剂则被认为严重受损。发现有一次故障的工作点及其数量可存储，并且几个行车周期可进行加和。只有当故障工作点的数量n_m被超过时，才给出替换催化剂的信号。

如果规定在预先设定的一定时间间隔Δt_m内，有催化剂故障的工作点数量n_M必须发生时，就可能获得进一步防止过早将催化剂划入受损之列的防护措施。

除了发动机和催化剂类型外，有一次催化剂故障的工作点的许可数量n_m，选定的操作点数量n_s及其位置、时间间隔Δt_M和参数ΔT_L和r_co，L的大小都取决于OBD立法规定。根据本发明，可以不规定参数ΔT_L和r_co，L为常数值，但是要将它们以映象的形式作为载荷和速度的函数存入OBD电子设备。

在一个限定的行车周期(MVEG-A/2)中测定的典型的车辆一氧化碳排放量作为一个示例表示在图3中，其中排放量是在连续行驶过程中的不同老化阶段测定的柴油氧化催化剂的CO点燃温度T_CO，50％的函数。在排放立法中，明确规定了在一个行驶周期中的最大排放量。在欧洲，从2005年(EUI V标准)，在MVEG-A/2行车周期中CO的最大许可排放量是0.5g/km。由于催化剂的老化，催化剂的点燃温度T_CO，50％上升，与此相关的行车周期中排放量增加。总计行驶40,000km路程后，EUI V极限值就不再满足如图3所示的示例。现在就可选择温度差ΔT的极限值ΔT_L，这样根据上面的条件，当超过法定排放极限值时，就可认为催化剂严重受损。换句话说，也可使用立法者规定的OBD极限值，而不用排放极限值。

作为一个示例表示在图3中的曲线因催化剂的设计、行驶行为、车辆类型和发动机类型不同而不同。通过改变温度差ΔT的极限值ΔT_L，此处描述的OBD方法可与所有车辆类型，发动机类型和立法规定相匹配。

图4表示的是与图3相对应的在相同测试条件下，在同一车辆上记录的相同老化过程中的碳氢化合物排放行为的曲线。由于在欧洲立法中，CH排放物没有固定的极限值，但是有两个极限值，一为NOx和HC排放量的总量极限值，一为NOx排放物的极限值，这两个极限值的差别作为HC排放的极限线画在图4中。图4表明在连续行车过程中，老化的催化剂的HC点燃温度T_HC，50％升高与CO点燃温度T_{CO，50％，fresh}的升高程度不同。而且，HC点燃温度T_HC，50％的升高与一氧化碳排放量增加的程度没有关系。这样，比如，甚至当车辆连续行驶40,000公里，也不会超过HC+NOx和NOx本身的极限值之差。因此，根据本发明，选择CO作为污染物指示剂来检验催化剂。

如果在时间间隔Δt_m内，在规定的工作点上面的条件1和条件2都满足了，而且如果催化剂被认为严重受损，就可向驾驶员发出一个催化剂受损的故障报警信号。另外，可将故障诊断，也就是故障发生的时间和相关发动机的工作点存储在OBD电子设备中。在超过Δt_m的一段更长的时间间隔里或者比n_m少的工作点数量情况下，条件1和条件2各自同时满足，也就是如果不存在严重的损坏，这种情况也可存储在OBD电子设备中，以为了以后的车间诊断，而不向驾驶员发出故障信号。

图5旨在进一步阐述本发明。它表示的是实施提出的方法的方框图。参考号(1)标记为燃料通过注射机系统(2)引入的柴油发动机。燃料注入量通过合适的传感器(3)测量，传输到发动机电子设备(4)，该设备有一个数据库(I/O)，一个处理器(CPU)和一个存储器(RAM)。发动机电子设备还通过一个合适的传感器系统(5)不断接收有关当前发动机速度的信息，以至于通过对照存储在发动机电子设备中的发动机映象，由注入的燃料量和发动机的速度计算出载荷。将由载荷和速度构成的工作点信息传输到OBD电子设备(6)，该设备也有一个数据库(I/O)，一个处理器(CPU)和一个存储器(RAM)。发动机的废气通过废气管线(7)输送到废气净化排气净化器(8)，在其中放置了合适的催化剂。参考号(9)和(10)标记为一氧化碳的传感器，它的浓度在催化剂之前和催化剂之后测量以确定转化率，根据本方法的实施方案，优选传感器(9)。(11)标记为安置在废气 导线束中的紧邻传感器(10)空间附近的温度探测器。CO传感器(9)和(10)，它的信号以及温度探测器(11)的信号传输到OBD电子设备(6)。OBD电子设备通过进一步传感器和信号线(12)接收发动机、燃料系统和废气系统的所有其它与废气相关的元件的信息。借助于上述测量值和标准，OBD电子设备就可确定催化剂是否仍有足够催化活性或是否严重受损而必须替换。故障诊断存储在OBD电子设备的存储器中，严重的催化剂受损通过报警灯(13)来指示。

图6通过示例用流程图阐述了根据本发明对催化剂有多么严重的损坏才能由本方法检测出来。在专利的权利要求书中，该方法也可能有进一步的衍变体。

参考号(100)标记为该方法的起始点，它通过存储在OBD电子设备中的工作程序来监控和控制。在步骤(102)中，将测量时间t和存储的有一次催化剂故障的工作点数量n首先设为零。在步骤(103)中，启动时间测量，之后在步骤(104)中，从载荷和速度方面记录当前发动机的工作点(OP)。在步骤(105)中，从选定以估量催化剂和存储在OBD电子设备中的工作点OPs(OP∈Ops？)的数量方面，试验当前工作点是否是一个要素。如果不是这样，该过程继续进行记录一个新的工作点(104)。否则，在步骤(106)中，试验当前工作点OP是否已经属于目前存储的有一次催化剂故障或与这些工作点不同的OP_M数。如果对此工作点发现曾经已有一次故障，该过程继续进行步骤(104)。否则，在步骤(107)中，对在催化排气净化器之后的当前废气温度T_E进行测量。在步骤(108)中，试验当前废气温度T_E是否比新鲜催化剂的CO点燃温度T_{CO，50％，fresh}和温度差极限值ΔT_L加合高。如果不高，该过程继续进行，在步骤(104)中记录一个新的工作点。否则，在步骤(109)中，测定一氧化碳的浓度。在步骤(110)中，确定CO的转化率r_CO，并且试验它是否比转化率极限r_CO，L低。如果低，该过程继续进行，在步骤(104)中记录一个新的工作点。否则，在步骤(111)中将当前工作点存储在OBD电子设备中，也就是说，将工作点加到先前已发现有一次催化剂故障的工作点OP_M(OP_M＝OP_M+OP)数量上。

存储的有故障的工作点的数量n一个一个地继续增加。在步骤(112)中，试验从步骤(103)以来就已经测量的时间是否比时间间隔ΔT_M短。如果超过时间间隔，该过程继续步骤(102)，也就是计时和重新设定存储有故障的工作点。另一方面，如果还没超过时间间隔，则在步骤(113)中，试验有故障的工作点数量是否已经达到许可数n_M。如果没达到，该过程继续进行，在步骤(104)中继续记录工作点。如果超过工作点的许可数，在步骤(114)中，将此工作点数作为对催化剂有严重损坏存储在OBD电子设备中，在步骤(115)中，发出一个故障信号。

Claims (6)

1、一种在发动机工作过程中，检测用于净化内燃机中的废气的催化剂的适用性的方法，其中催化剂有一氧化碳的一个点燃温度和转化率r_co，该方法的特征在于，内燃机上安装了一套包含发动机电子设备和机载诊断系统电子设备的电子控制系统，而且为评估催化剂的剩余催化活性，而确定在发动机特定的工作点上废气的当前催化剂出口温度T_E与新鲜催化剂的一氧化碳的点燃温度T_{co，50％，fresh}之间的温度差ΔT和估计一氧化碳的转化率，

                    ΔT＝T_E-T_{co，50％，fresh}

其中当在某个工作点温度差ΔT超过极限值ΔT_L，而且同时一氧化碳转化率r_CO低于一氧化碳转化率极限值r_co，L时，将这种情况作为催化剂故障记录在机载诊断系统电子设备中。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于一氧化碳的转化率通过下列关系确定，

$r_{\mathrm{CO}}=1-\frac{c_{\mathrm{CO},2}}{c_{\mathrm{CO},1}}$

其中C_co，2是在催化剂之后测定的废气中一氧化碳的浓度，C_co，1是在催化剂之前测定的废气中一氧化碳的浓度。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于一氧化碳的转化率通过下列关系确定，

$r_{\mathrm{CO}}=1-\frac{c_{\mathrm{CO},2}}{c_{\mathrm{CO},\mathrm{engine}}}$

其中C_co，2是在催化剂之后测定的废气中一氧化碳的浓度，C_co，engine是以映象的形式存储在机载诊断系统电子设备中的发动机当前工作点的一氧化碳的浓度。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于如果发现有故障的工作点数超过预先设定的有催化剂故障的许可工作点数n_M，催化剂则被认为严重受损。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于如果发现在预先设定的一个时间间隔ΔT_M内，有故障的工作点数超过同样预先设定的有催化剂故障的许可工作点数，催化剂被认为严重受损。

6、如权利要求4或5所述的方法，其特征在于如果催化剂则被认为严重受损，则发出一个替换该催化剂的信号。

Images