CN1419629A - 催化器的运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用来运行安装在内燃机(1)排气管内的催化器(12)的方法，其中通过输入促使催化器(12)再生的还原剂来影响催化器(12)之前的废气的化学成分，并借助于安装在催化器(12)后面的废气传感器(14)测量废气的化学成分，并计算出在开始影响催化器(12)之前废气的化学成分到测出催化器(12)之后化学成分的变化之间的时间延迟。为了能够安全和可靠地确定催化器(12)的再生阶段(32，33)的结束，建议，计算废气传感器(14)输出信号(31)的梯度。

Description

催化器的运行方法
发明领域
本发明涉及一种运行一安装在内燃机排气管内的催化器的方法。其中通过输入促使催化器再生的还原剂来影响在催化器前的废气的化学成分。废气的化学成分借助于一安装在催化器后面的废气传感器测量。在开始影响催化器之前的废气的化学成分和测量催化器后面的化学成分的变化之间的时间延迟被计算出来。
此外本发明涉及一种用于第一安装在内燃机排气管内的催化器的内燃机的控制器。控制器通过输入促使催化器再生的还原剂来影响在催化器前的废气的化学成分。控制器计算在开始影响催化器之前的废气化学成分和通过废气传感器测量催化器后面的化学成分的变化之间的时间延迟。
其次本发明还涉及一种用于这种控制器的控制元件，特别是只读存储器或闪电存储器。
最后本发明涉及一种带有安装在内燃机排气管内的催化器的内燃机。此内燃机具有一控制器和一安装在催化器后面的废气传感器。控制器通过在催化器前输入促使催化器再生的还原剂影响废气的化学成分。废器传感器测量催化器后面的废气的化学成分。控制器计算出在开始影响催化器之前的废气的化学成分和测量催化器之后的化学成分的变化之间的时间延迟。
背景技术
在内燃机的贫油燃料空气混合物(λ＞1)的运行区内普通的三元催化器不再能满足对于氮氧化物转化的要求。这里采用NOx存储催化器，它储存在内燃机贫油运行时产生的氮氧化物。通过内燃机在富油区(λ＜1)内的运行储存的硝酸盐被释放出来并还原成氮气。与此相关的NOx存储催化器的运用例如由EP0560991B1已经是公知的了。
法律规定要求设置一关于有害物质排放的汽车部件，如催化器，的在线诊断装置。与此有关的例如可由DE2444334中已知，利用一安装在催化器前面和后面的对氧化敏感的废气探测器的输出信号，以评判三元催化器。这种已知方法以一种有工作能力的三元催化器的氧气储存能力为基础，与此相关地，DE2444334公布了燃料一空气混合比从λ＝0.95(富油的，富含燃料的混合物；缺氧)转变成λ＝1.05(贫油的，缺燃料的混合物；氧气过剥)的技术。安装在催化器前的废气传感器几乎毫不迟延地对燃料一空气混合物成分的变化作出反应。由于在λ＝0.95时废气内缺氧起先催化器的氧气存储位置没有占满。在转变成贫油运行后(氧气过剩)催化器前氧气存储位置渐渐被占有。因此在混合物成分转变后在催化器后面起先继续处于缺氧状态。在经过与催化器的储氧能力有关的时间间隔后在催化器后面也出现氧气过剩，这触发后面的废气传感器信号的改变。两个废气传感器的反应之间的时间延迟，即相位偏移，随着催化器储氧能力的减弱变小，因此储氧能力的判定可以用来诊断催化器。
这种已知方法不能毫无困难地转移到除了具有存储氧气的能力外还具有存储氮氧化物(NOx)的能力的催化器上。这种类型的催化器在其氧气存储能力已经耗尽并且设置在催化器后面的废气传感器显示氧气过剩时还能储存氮氧化物。因此在NOx存储催化器中两个废气传感器的反映之间的时间延迟在混合物成分从富油变成贫油混合物后不再供给超过其NOx存储能力的废气。
汽油直喷式的内燃机具备减少二氧化碳(CO2)排放的优点。因为这种内燃机大多用贫油燃料空气混合物工作，它们配备氮氧化物(NOx)存储催化器，它储存在贫油混合物阶段形成的NOx排放，并且它通过内燃机用富油混合物运行被储存的氮氧化物再生。因为汽油直喷式内燃机也在λ＝1时运行，NOx存储催化器通常也具有氧气存储能力。为了储存氧气可以例如采用普通的三元催化器。
因为催化器对氮氧化物的存储能力是有限的，催化器必须不时地再生。再生开始和结束的时刻对于在催化器后面排入外界的排放量十分重要。在内燃机的贫油运行期间NOx存储催化器充满氮氧化物，三元催化器充满氧气。再生阶段的开始通过一NOx存储模块确定。该模块调整存入NOx存储催化器内的氮氧化物数量，因此也调整其NOx装载状态。如果调制量超过一预先规定的阈值，那么便引入再生阶段(内燃机用富油混合物运行)。
事实表明，在内燃机用富油混合物运行时在氧气存储器完全排空以前NOx存储催化器首先被排空。如果再生到氧气存储器被完全排空，那么由此形成高的碳氧化合物排放量，因为富油混合物不再通过氧气存储器缓冲。由于这个原因这一点十分重要，即催化器仅仅再生到NOx存储器被排空，但是氧气存储器应该还没有排空。这呈现一种碳氢化合物最佳的再生。
由DE19801625A1已知，当安装在催化器后面的废气传感器的输出信号，特别是输出电压超过一可预先规定的阈值时再生阶段便结束。这样便从以下情况出发，即NOx存储器完全地，但氧气存储器还没有被完全地排空。但是这种已知方法有这样的缺点，废气传感器的输出信号存在一定的波动，因此可能在不同的时刻超过规定的阈值。输出信号波动的原因是废气传感器的制造误差和温度波动。
发明概述
因此本发明的目的是，使催化器再生阶段的结束能够尽可能安全和可靠地确定。
为了实现这个目的，本发明从开头所述类型的方法出发建议，计算出废气传感器输出信号的梯度。
也就是说，按照本发明，不把通过废气传感器的输出信号超过一阈值，而是把输出信号的斜率当作再生阶段终止的标准。由此再生阶段的终止可以更安全和可靠地，和尤其是与废气传感器的制造误差和温度波动无关地确定。用按本发明的方法可以确保内燃机排放量始终特别少地运行。
在普通的三元催化器时和在较现代化的带或不带氧气存储能力的NOx存储催化器时一样可以应用按本发明的方法。在三元催化器时，用按本发明的方法，排空的氧存储器可以通过计算废气传感器输出信号梯度的特征性变化检测出来。在NOx-存储催化器时可以确定NOx再生阶段的终止。如果NOx存储催化器也具有氧气存储能力，为此可确定氧气存储器再生阶段的终止。
按照本发明一种优良的改进结构建议，当废气传感器的输出信号的梯度超过一预先规定的第一边界值时，有能力用来储存氮氧化物的催化器才被看作再生的。在再生阶段开始时给废气输送还原剂。为此内燃机可以例如用富油燃料空气混合物(λ≤1)运行。通过形成富油混合物在催化器前的废气内产生过量的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)。在形成富油混合物时执行以下流程：碳氢化合物和一氧化碳使储存的氮氧化物还原。以氮氧化物的形式结合和储存的氧气和储存在催化器内的其余氧气一起被释放出来，使得起先在催化器后面继续保持氧气过剩。从而使安装在催化器后面的废气传感器的输出信号首先保持在与氧气过量相应的水平上。一旦储存在催化器内的氮氧化物再生，在催化器后面的废气中的氧化成分减少，废气传感器的输出信号相应地上升。如果输出信号的上升达到一定的斜率，也就是说如果输出信号的梯度超过第一边界值，那么催化器被看作已经再生。
作为另一种选择，按照本发明，另一种优良的改进结构建议，当废气传感器的输出信号的梯度起先超过一预先规定的第一边界值，然后低于一预先规定的第二边界值时，有能力储存氮氧化物的催化器便被看作已经再生。安装在催化器后面的废气传感器的输出信号在氮氧化物的再生阶段即将结束时比较陡地上升，以便在氧气再生阶段期间保持在比较恒定的水平上。也就是说按照这种可供选择的改进结构输出信号首先急剧上升(输出信号梯度超过第一边界值)，然后过渡到基本上恒定的水平(输出信号的梯度超过第二边界值)。
按照本发明另一种优良的改进结构建议，当废气传感器的输出信号的梯度超过一预先规定的第三边界值时，有能力储存氧气的催化器便被看作已经再生。在氧气再生阶段即将结束时安装在催化器后面的废气传感器的信出信号再次从基本上恒定的水平比较急剧地上升。这是因为在氧气再生阶段即将结束时催化器后面缺少氧气。测出输出信号的这种比较急剧的上升(输出信号的梯度超过第三边界值)，并把它看作氧气再生阶段结束的标志。
如果催化器除了能储存氧气外还能储存氮氧化物，可以通过计算输出信号的梯度首先确定氮氧化物再生阶段的结束，然后确定氧气再生阶段的结束。在只能储存氧气的催化器中取消氮氧化物再生阶段的诊断。但是即使在这种纯粹的氧气存储器中本发明的方法也提供决定性的优点，因为通过计算输出信号的梯度可以非常安全和可靠地识别氧气再生阶段的结束。
作为另一种选择，按本发明的另一种优良的改进结构建议，当废气传感器输出信号的梯度起先超过一规定的第三边界值，然后低于一规定的第四边界值时，有能力储存氧气的催化器便被看作已经再生。安装在催化器后面的废气传感器的输出信号在氧气再生阶段即将结束时较陡地开高，以便在到达一最大值后重新较陡地下降。按照这种可供选择的结构这种检测出这种较陡地增加到最大值(输出信号梯度超过第三边界值)的转变。在转变到最大值时输出信号的斜率减小。如果输出信号的斜率低于第四边界值，这被看作是氧气再生阶段结束的标志。
给废气输送还原剂可以用不同的方法进行。按照本发明一种优选的实施形式建议，为了给废气输送还原剂，内燃机以富油燃料空气混合物运行。最好以碳氢化合物(HC)和/或一氧化碳作为还原剂输送给废气。
作为另一种选择，按照本发明，另一种优选的实施形式建议，将尿素作为还原剂输送给废气。这时运用尿素中的氨气将氮氧化物还原成氧气和氮气。氮气可以通过水解作用从尿素溶液中获取。
按本发明的方法以一种控制元件的形式实现具有特别重要的意义，这种控制元件用于特别是汽车内燃机的控制器。其中在控制元件上储存一可在计算机上、特别是微处理器上运行的程序，并适合于实施按本发明的方法。也就是使在这种情况下本发明通过储存在控制元件上的程序实现，因此这种配备了程序的控制元件和程序适合于实现上述方法，一样也是本发明的一种表现形式。作为控制元件特别是可以采用电子存储介质，例如只读存储器或闪电存储器。
其次，从开头所述类型的控制器出发，为了实现本发明的目的，建议控制器具有用来计算废气传感器输出信号梯度的装置。
最后从开头所述类型的内燃机出发，为了实现本发明的目的而建议，内燃机具有用来计算废气传感器输出信号梯度的装置。
按照本发明一种优良的改进结构建议，废气传感器做成一种氧气敏感的传感器。这种废气传感器测量包含在废气中的氧气份量并输出一相应的输出电压作为输出信号。这种传感器例如是由现有技术已知的入传感器。废气传感器最好做成两点传感器。
按照本发明一种优选的实施形式建议，催化器具有储存氧气的能力，这种催化器例如是普通的三元催化器，可由现有技术所公知的那样。此外建议，催化器两者择一或附加地具有储存氧气的能力以外，还具有储存氮氧化物的能力。
本发明的其它特征、应用可能性和优点由对于在附图中表示的本发明的实施例的以下描述中得到。这里所叙述的或表示的所有特征本身或其任意的组合都构成本发明的内容，而与其是否归结在权利要求书或其相互引用无关，也与其在说明和附图中的具体结构或图示的无关。
附图简介
图1按本发明的一种优选的实施形式的内燃机的示意方块图；和
图2在实施本发明的方法期间不同信号的分布曲线。
具体实施例之描述
图1中表示汽车的一直喷式内燃机1，其中活塞2可在气缸3内往复运动。气缸3设有一燃烧室4，它主要由活塞2，进气阀5和排气阀6围成。吸入管7与进气阀连接，排气管8与排气阀6连接。
在进气阀5和排气阀6的范围内一燃料喷油咀9和一火花塞10伸入燃烧室4内。燃料可通过喷油咀9喷入燃烧室4内，在燃烧室4内的燃料可以用花火塞10点燃。
在吸入管7内安装一可旋转的节流阀11，通过它可给吸入管7输送空气，输入空气的量取决于节流阀11的角度位置。在排气管8内安装一催化器12，它净化由燃料的燃烧产生的废气。催化器12是一氮氧化物(NOx)存储催化器12′，它与一作为氧气存储器的三元催化器12″连接。
控制器18输入输入信号19，它们表示内燃机1的借助于传感器测量的运行参数。控制器18产生输出信号20，用这个信号可以通过促动器或执行器影响内燃机的运行状态。控制器18主要用来控制或调节内燃机1的运行参数。为此控制器18设有一微处理器，它在存储介质，特别是闪电存储器内，储存一适合于实现所述控制和/或调节的程序。
在第一种运行方式，即所谓内燃机1的均匀运行中，节流阀11根据所希望的扭矩部分打开或关闭。燃料在由活塞2引起的吸气阶段期间由喷油咀9喷入燃烧室4。通过与此同时经节流阀11吸入的空气使喷入的燃料产生涡旋，从而在燃料室4内基本上均匀地分布。然后燃料空气混合物在压缩阶段被压缩，以便然后由火花塞10点燃。活塞2通过点燃的燃料的膨胀被推动。在均匀运行时形成的扭矩主要取决于节流阀11的位置。为了减少有害物质排放燃料空气混合物尽可能调整到λ＝1。
在第二种运行方式，即所谓的内燃机1的分层运行时，节流阀11开得更大。在由活塞2引起的压缩阶段期间燃料由喷油咀9喷入燃烧室4，而且地点在火花塞10的周围附近，时间在点火时刻前适当的间隔时。然而借助于火花塞10使燃料点燃，使活塞2在从现在起随后的工作阶段内通过点燃的燃料的膨胀被推动。在分层运行时所形成的扭矩完全取决于喷入的燃料的数量。分层运行主要用于内燃机1的空运转运行和部分载荷运行。在分层运行时通常λ＞1。
在分层运行期间存储催化器12′装载氮氧化物，三元催化器12″装载氧气。在再生阶段存储催化器12′和三元催化器12″重新卸荷，使它们在下一次分层运行时可以重新吸收氮氧化物和氧气。在再生阶段期间在催化器12之前将还原剂输入废气内。作为还原剂例如可以采用碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)或尿素。碳氢化合物和一氧化碳在废气中通过形成富油混合物(内燃机在均匀运行状态下运行)产生。尿素可以由一贮存容器有控制地给废气定量供应。在催化器12的再生阶段运行以下流程：还原剂将储存的氮氧化物还原成氮气和氧气。这些物质流出催化器12，因此在再生阶段期间在催化器后面出现氧气过剩。
在排气管8内催化器12之前设置一第一废气传感器13，在催化器12之后设置一第二废气传感器14。作为安装在催化器12后面的废气传感器14可以采用常用的氧气敏感的λ探头或碳氢化合物传感器。后面的传感器14可以做成两点传感器。
在转换到缺氧状态(内燃机1用富油混合物运行)后，于催化器12前在再生阶段开始时安装在催化器12之前的废气传感器13实际上毫不迟延地作出反应。由于在分层运行时出现的在废气内的氧气过剩起初催化器12的氧气存储位置几乎全部被占满。在转换到缺氧状态后，催化器12前在再生阶段开始时氧气存储位置渐渐释放氧气，并从催化器12内排出氧气。因此在转换到再生阶段后于催化器12之后，起先继续氧气过剩。于一取决于催化器12的氧气储存能力的时间间隔以后，在催化器12之后也出现缺氧，这促使后面的废气传感器14的输出信号的改变。
当不管是氮氧化物存储催化器12′的氮氧化物存储位置还是三元催化器内的氧气存储位置都是空的时，催化器12之后才出现缺氧。如果催化器12例如由于内燃机1以贫油混合物运行(λ＞1)起初装满氧气和氮氧化物，然后为了催化器12的再生通过形成富油混合物(λ＜1)在废气内产生碳氢化合物和一氧化碳，那么运行以下流程：碳氢化合物和一氧化碳使储存的氮氧化物还原成氮气和氧气。以氮氧化物的形式结合和储存的氧气与储存在催化器12内的其余氧气一起被释放，因此起初在催化器12之后继续保持氧气过剩。
在图2中借助于催化器12之前相应的λ值30的分布曲线示意表示催化器12之前燃料空气混合物的成分。在图2中同样表示了后面的废气传感器14的输出信号u的曲线，并用图形标记31表示。在在图2中所示的信号曲线的开头内燃机1以贫油混合物成分(λ～2.5)运行。上面已经说明，这时催化器12之后出现氧气过剩、层面的废气传感器14的输出信号约为0伏。大约在t＝579秒的时刻在燃料空气混合物中提高燃料份量，内燃机1以富油混合物运行，在催化器12之前λ值30下降到约0.75的数值。起初后面的废气传感器14的输出信号31保持一低的数值。
只有在储存在氮氧化物存储催化器12′内的氮氧化物还原成氮气，也就是说只有在氮氧化物存储催化器12′的再生阶段终止后，催化器12后面废气中的氧气份量才减少。这造成废气传感器14的输出信号从约0伏明显可见地上升到基本上恒定的约0.7伏的水平。在图2中氮氧化物存储器12′的再生阶段用图形标记32表示。
按照本发明，当废气传感器14的输出信号31的梯度超过一预先规定的边界值，也就是说当输出信号的斜率达到一规定值时，确认氮氧化物存储催化器12′的再生阶段32已经结束。作为另一种选择当废气传感器14的输出信号31的梯度起先超过一预先规定的第一边界值，然后低于一规定的从第二边界值，也就是说输出信号的斜率重新下降到一定的数值以下时，便可确认再生阶段32已经结束。按照这种可供选择的结构形式输出信号31的曲线从比较陡的上升转变成一基本上恒定的水平在氧气一再生阶段33期间被检测出来(输出信号31的曲线的拐点)。
在氧气再生阶段33即将结束时在催化器12之后废气内的氧气份量继续下降，这导致废气传感器14的输出信号进一步上升。为了检测氧气再生阶段33的结束测出输出信号的这种上升。特别是当废气传感器14的输出信号31的梯度超过一规定第三边界值，也就是说当输出信号31的曲线超过规定的斜率时便认定氧气再生阶段的结束。或者当废气传感器14的输出信号31的梯度起先超过一规定的第三边界值，然后重新低于一规定的第四边界值时便可以认定氧气再生阶段33的结束。
用按本发明的方法可以安全和可靠地，尤其是与由于制造误差或温度波动造成的废气传感器14的输出信号31波动无关地测出在氮氧化物存储催化器12′内氮氧化物再生阶段的结束和在三元催化器内氧气再生阶段33的结束。在一既有储存氧气又有储存氮氧化物能力的催化器12中可以通过计算输出信号31的梯度首先测出氮氧化物再生阶段32的结束，然后测出氧气再生阶段33的结束。

Claims (15)

1.用来运行一安装在内燃机(1)排气管内的催化器(12)的方法，其中通过输入促使催化器(12)再生的还原剂来影响催化器(12)之前的废气的化学成分，并借助于一安装在催化器(12)之后的废气传感器(14)测出废气的化学成分，并计算出在开始影响催化器(12)前的废气的化学成分到测出的催化器(12)后面的化学成分的改变之间的时间延迟，其特征为：计算出废气传感器(14)输出信号(31)的梯度。
2.按权利要求1所述的方法，其特征为：当废气传感器(14)的输出信号(31)的梯度超过一预先规定的第一边界值时，有储存氮氧化物(NOx)能力的催化器(12′)便被看作已经再生。
3.按权利要求1所述的方法，其特征为：当废气传感器(14)的输出信号(31)的梯度起先超过一预先规定的第一边界值，然后低于一预先规定的第二边界值时，有储存氮氧化物(NOx)能力的催化器(12′)便被看作已经再生。
4.按权利要求1至3的任一项所述的方法，其特征为：当废气传感器(14)的输出信号(31)的梯度超过一预先规定的第三边界值时，有储存氧气能力的催化器(12″)被认定已经再生。
5.按权利要求1至3的任一项所述的方法，其特征为：当废气传感器(14)的输出信号(31)的梯度起先超过一预先规定的第三边界值，然后低于一预先规定的第四边界值时，有氧气储存能力的催化器(12″)便被确认已经再生。
6.按权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征为：为了给废气输送还原剂，内燃机(1)用富油的燃料/空气混合物运行。
7.按权利要求6所述的方法，其特征为：作为还原剂给废气输送碳氢化合物(HC)和/或一氧化碳(CO)。
8.按权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征为：给废气输送尿素作为还原剂。
9.用于特别是汽车的内燃机(1)的控制器(18)的控制元件，特别是只读存储器或闪电存储器，它上面储存一可在计算机，特别是微处理器上运行的程序，此程序适合于用来实现按上述权利要求的任一项所述的方法。
10.用于具有一安装在内燃机(1)的排气管中的催化器(12)的内燃机(1)的控制器(18)，其中控制器通过输入促使催化器(12)再生的还原剂来影响催化器(12)之前的废气的化学成分，并且控制器(18)计算出在开始影响催化器(12)之前废气的化学成分到通过废气传感器(14)测出催化器(12)之后化学成分的变化之间的时间延迟，其特征为：控制器(18)具有用来计算废气传感器(14)的输出信号(31)的梯度的装置。
11.具有一安装在内燃机(1)排气管内的催化器(12)的内燃机(1)，其中内燃机(1)具有一控制器(18)和一安装在催化器(12)后面的废气传感器(14)，其中控制器(18)通过输入促使催化器(12)再生的还原剂来影响催化器(12)之前的废气的化学成分，废气传感器(14)测出催化器(12)之后废气的化学成分，并且控制器(18)计算出在开始影响催化器(12)之前废气的化学成分到测出催化器(12)之后化学成分的变化之间的时间延迟，其特征为：内燃机(1)具有用来计算废气传感器(14)的输出信号(31)的梯度的装置。
12.按权利要求11所述的内燃机，其特征为：废气传感器(14)做成一氧气敏感的传感器。
13.按权利要求11或12所述的内燃机，其特征为：废气传感器(14)做成两点传感器。
14.按权利要求11至13的任一项所述的内燃机(1)，其特征为：催化器(12″)具有储存氧气的能力。
15.按权利要求11至14之任一项所述的内燃机(1)，其特征为：催化器(12′)具有储存氮氧化物(NOx)的能力。
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