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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft die Leistungsbewertung katalysatorhaltiger Reaktoren und Systeme, die zur Behandlung des Abgasstroms von einem Dieselmotor oder einem mager verbrennenden Benzinmotor eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Insbesondere betrifft diese Erfindung die Bewertung der Leistung eines platinhaltigen oder platin- und palladiumhaltigen Dieseloxidationskatalysators (manchmal als ”DOC” bezeichnet), die der dazu verwendet wird, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen in dem Abgasstrom zu oxidieren und einiges des Stickoxids (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) umzuwandeln. Bezüge auf Dieseloxidationskatalysatoren in diesem Text sind dazu bestimmt, wenn anwendbar, ähnliche Oxidationskatalysatoren einzuschließen, die dazu verwendet werden, das Abgas eines mager verbrennenden Benzinmotors zu behandeln.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Viele Fahrzeuge werden durch mehrzylindrige Hubkolben-Dieselmotoren betrieben, die einen Kohlenwasserstoff-Kraftstoff (oder ein Biodiesel-Kraftstoffgemisch) verwenden, der/das bei Mischung mit Luft während hoher Kompression des Luft/Kraftstoff-Gemisches in jedem Zylinder gezündet wird. Im Betrieb von Dieselmotoren (und mager verbrennenden Benzinmotoren) liegt das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff (z. B. 17:1 oder größer) gut oberhalb des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses. Ein Turbolader kann dazu verwendet werden, Luft in den Ansaugkrümmer des Motors zu liefern, und Kraftstoffeinspritzeinrichtungen werden dazu verwendet, gesteuerte Mengen von Kraftstoff an jeden Zylinder zu liefern. Viele Parameter des Motorbetriebs werden unter Verwendung eines computerbasierten Motorsteuermoduls gesteuert. Das Ergebnis einer derartig gut regulierten Lieferung von Kraftstoff und überschüssiger Luft an jeden Zylinder besteht darin, dass ein effizienter Gebrauch des Kraftstoffs erzielt wird. Jedoch enthält der Abgasstrom kombiniert mit dem Abgas der jeweiligen Zylinder in dem Abgaskrümmer des Motors signifikante Mengen von Kohlenmonoxid (CO), unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Gemischen aus Stickoxiden, hauptsächlich NO mit einigem NO2, gemeinsam NOx) und kleinen Partikeln an Kohlenstoff zusätzlich zu Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasser.
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Behördliche Regulierungen in den Vereinigten Staaten und anderen Ländern ordnen eine Behandlung der Abgasströme von Dieselmotoren an Fahrzeugen an, um die Menge von sowohl CO, HC, NOx als auch Dieselpartikeln (Kohlenstoffpartikel in Mikrometergröße) zu reduzieren, bevor das Abgas von dem Auspuff des Fahrzeugs ausgetragen wird. Somit besteht ein Bedarf, geeignete Reaktoren in dem Strom der Abgasströmung zur Umwandlung dieser Abgasbestandteile in Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser zu konstruieren und zu platzieren, bevor das behandelte Abgas von dem Abgassystem ausgetragen wird. Es werden verschiedene katalysierte Oxidationsreaktoren und katalysierte Reduktionsreaktoren für eine derartige Abgasbehandlung vorgeschlagen, und es existiert ein entsprechender Bedarf, den Betrieb derartiger katalysierter Reaktoren an jedem Fahrzeug zu bewerten, um zu bestimmen, ob sie wie erforderlich funktionieren. Es besteht ein spezifischer behördlich angeordneter Bedarf, zu bestimmen, ob ein über platinhaltiges Metall katalysierter DOC funktioniert, um einiges Stickoxid, NO, geeignet zu Stickstoffdioxid, NO2, umzuwandeln (zu oxidieren), so dass die Abgaszusammensetzung auf einen Reaktor für selektive katalytische Reaktion beim Umwandeln von NOx zu N2 und Wasser anspricht. Die Umwandlung von einigem NO zu NO2 ist wichtig, um NOx von dem Abgasstrom zu entfernen.
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Die Druckschrift
US 2011/0 126 517 A1 offenbart ein Verfahren zur Bewertung der Oxidationsleistung eines Oxidationskatalysators. Die Differenz zwischen der Abgaseinlasstemperatur und der Abgasauslasstemperatur des Oxidationskatalysators wird bei einer geringen Abgasseinlasstemperatur und bei einer hohen Abgaseinlasstemperatur bestimmt. Die so bestimmten Differenzen werden als Maß für die Oxidationsfähigkeit des Oxidationskatalysators ausgewertet. Neben Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid werden von dem Oxidationskatalysator auch andere Stoffe aufoxidiert. Die Druckschrift
US 2011/0 126 517 A1 verfolgt das Ziel, eine abfallende Oxidationsleistung für Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu detektieren.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 046 433 A1 betrifft ein Verfahren zur Bewertung einer Stickoxid-Oxidationsleistung eines Dieseloxidationskatalysators. Der Dieseloxidationskatalysator kann bei niedrigen Temperaturen Kohlenwasserstoffe speichern. Diese Fähigkeit zur Speicherung von Kohlenwasserstoffen wird als Indikator für die zu überwachende Stickoxid-Oxidationsleistung verwendet. Die Fähigkeit zur Speicherung von Kohlenwasserstoffen wird dabei durch Auswertung der Exothermie ermittelt, welche stattfindet, wenn nach erreichter Light-Off-Temperatur des Oxidationskatalysators die eingespeicherten Kohlenwasserstoffe wieder freigegeben werden und auf dem Katalysator oxidieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das Diagnoseverfahren dieser Erfindung kann in Verbindung mit einem Abgasbehandlungssystem für einen Dieselmotor verwendet werden, wenn das Behandlungssystem eine Kombination aus einem Dieseloxidationskatalysator (DOC), der Platin und Palladium als Metall umfasst; einer Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR); und einem System zur Filtration von Dieselkohlenstoffpartikeln, zur temporären Speicherung der gefilterten Partikel und zum periodischen Verbrennen der gespeicherten Partikel aufweist, jeweils bevor das Abgas von dem Abgassystem ausgetragen wird. Das den Abgaskrümmer eines erwärmten Dieselmotors verlassende Abgas besitzt typischerweise eine Temperatur bis zu etwa 200°C, jedoch variiert die Temperatur während verschiedener Stufen oder Moden des Motorbetriebs (oder kann variiert werden). Das heiße sauerstoffhaltige Abgas wird typischerweise durch Abschnitte von Rohren oder Leitungen aus rostfreiem Stahl sukzessive zu und von den jeweiligen Abgasbehandlungsvorrichtungen geleitet, bevor das behandelte Abgas von dem Fahrzeug ausgetragen wird.
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Der DOC ist oftmals aus einem stranggepressten Cordieritmonolith mit allgemein zylindrischem oder elliptischem Querschnitt mit etwa 400 Kanälen pro Quadratzoll Querschnitt geformt, der sich von einem Abgaseinlass zu einem Auslass des monolithischen Durchströmkörpers erstreckt. Die Wände der Kanäle des keramischen Durchströmmonolithen tragen washcoatbeschichtete Filme aus Aluminiumoxidpartikeln, die als Träger für kleinere Partikel aus Platin (oder Platin mit einigem Palladium) dienen, die als der Katalysator für den DOC dienen. Der mit Katalysatorwashcoat beschichtete Monolith ist typischerweise in einem Behälter aus rostfreiem Stahl eingeschlossen, der den Abgasstrom von dem Abgaskrümmer des Dieselmotors aufnimmt, diesen durch die Kanäle des katalysierten Monolithen lenkt und das behandelte Gas in eine Unterbodenleitung zur anschließenden stromabwärtigen Behandlung freigibt. Der DOC ist derart bemessen und zusammengesetzt, um ein Durchströmen des Abgases durch die katalysierten Kanäle des DOC zu ermöglichen, um eine wesentliche Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, eine wesentliche Oxidation nicht verbrannter Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser und eine Oxidation eines Anteils des Stickoxids, NO, zu Stickstoffdioxid, NO2, in dem Abgasstrom zu erhalten, wenn jeder Anteil durch den Reaktor strömt. Während die katalysierte Umwandlung von einigem NO zu NO2 den NOx-Gehalt nicht reduziert, unterstützt der erhöhte NO2-Gehalt eine stromabwärtige katalysierte Reduktion von NOx zu Stickstoff in einem Reaktor für selektive Reduktion (SCR) oder in einem Mager-NOx-Fänger (LNT).
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Es ist ein geeigneter Temperatursensor an dem Einlass und Auslass des DOC vorgesehen. NOx-Sensoren können ebenfalls an dem DOC-Einlass und SCR-Auslass vorgesehen sein, jedoch messen NOx-Sensoren nicht die NOx-Umwandlung zu NO2 und unterscheiden somit nicht zwischen NO und NO2. Diese Temperatursensoren sind mit einem computerbasierten Steuersystem verbunden, das zur Regulierung der Behandlung der aufeinander folgenden Behandlungsvorrichtungen für den Dieselabgasstrom ausgelegt und konstruiert ist. Dieses Abgasbehandlungssteuersystem ist geeignet mit dem Steuersystem für die Regulierung des Betriebs des Dieselmotors verschaltet. Die Regulierung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und vieler anderer Motorbetriebsparameter beeinflussen direkt die Zusammensetzung und Temperatur des Abgases und sind beim Betrieb der Oxidations-, Reduktions- und Partikelentfernungssysteme zur Behandlung des Abgases wichtig.
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Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Diagnose der Leistungsfähigkeit eines Dieseloxidationskatalysators unter Verwendung von Platin (oder Gemischen aus Platin mit Palladium in einem Atomverhältnis von etwa 5–10 Atomen Pt pro Atom Pd) als den Oxidationskatalysator vor. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden die DOC-Einlass- und Auslasstemperaturen unter gewählten Motorbetriebsbedingungen erfasst und verglichen. Anfangs wird der Dieselmotor betrieben, um eine Abgastemperatur an dem Einlass des DOC zu erzeugen, die höher als normal ist. Wenn eine normale Einlasstemperatur beispielsweise etwa 200°C sein kann, wird der Dieselmotor momentan betrieben, um eine Abgastemperatur an dem DOC-Einlass zu erzeugen, die beträchtlich höher, beispielsweise fünfzig Grad Celsius höher ist. Diese hohe Temperaturauslenkung kann durch Regulieren des Motors erreicht werden, um in einem temporären kraftstoffreichen Modus zu arbeiten, um so eine Abgastemperatur an dem DOC-Einlass von beispielsweise etwa 250°C zu erzeugen. Die höhere Abgastemperatur kann beispielsweise zur Entfernung von Kohlenstoffpartikeln von einem stromabwärtigen Dieselpartikelfilter verwendet werden. Jedoch wird wichtigerweise die erhöhte Abgastemperatur in dieser Erfindung bei der Diagnose des Betriebs des DOC-Reaktors verwendet. Während des momentanen Betriebs des Motors bei der höheren Temperatur werden die DOC-Einlass- und DOC-Auslasstemperaturen erfasst und gespeichert. Im Normalbetrieb des platinhaltigen DOC ist, wenn die platinhaltigen Partikel aktiv sind, die Auslasstemperatur des DOC mehrere Grade höher, zwanzig Grad Celsius höher oder mehr als die Einlasstemperatur. Diese Temperaturzunahme ist grundsätzlich auf die exotherme Oxidation von Kohlenmonoxid und nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen über die Oberfläche der DOC-Katalysatorelemente zurückzuführen.
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Bald nach der Motorbetriebsauslenkung zur Erzeugung einer relativ hohen Abgastemperatur an dem DOC-Einlass wird der normale Motorbetrieb wieder hergestellt, um einen Einlass mit geringerer normalerer DOC-Temperatur von beispielsweise etwa 200°C zu erzeugen. Die Absicht besteht darin, eine DOC-Einlasstemperatur zu haben, die signifikant geringer (z. B. vierzig bis fünfzig Grad Celsius geringer) als die hohe Temperaturablesung in dieser Diagnosetestabfolge ist. Wiederum werden die DOC-Einlass- und -Auslasstemperaturen erfasst und gespeichert.
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Die Erfinder haben hier erkannt, dass die Oxidationen von CO und HC über Platin stark exotherm sind, während die Oxidation von NO zu NO2 dies nicht ist. Und die Erfinder haben Testdaten zusammengestellt, die diesen ermöglichen, die kombinierte Verwendung relativ hoher und normaler Abgastemperaturen an dem DOC-Einlass als eine Basis zur Bestimmung zu entwickeln, ob der DOC effektiv NO zu NO2 in seiner Reaktion umwandelt, die selbst keine beobachtbare Temperaturänderung erzeugt, wenn das Abgas in dem DOC behandelt wird.
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Der vollständige Diagnoseprozess ist vollständiger in den nachfolgenden Abschnitten dieser Beschreibung beschrieben. Jedoch wird zusammenfassend, wenn die DOC-Auslasstemperatur nicht größer als die DOC-Einlasstemperatur bei der höheren Abgastemperatur ist, der DOC für jede der CO-, HC- und NO-Oxidationsreaktionen als ausgefallen betrachtet. Wenn das ΔT bei der hohen Einlasstemperatur größer als Null ist, jedoch bei der niedrigeren Einlasstemperatur gleich Null ist, wird darauf geschlossen, dass der DOC nur in Bezug auf eine NO-Oxidation in dem gewählten Bereich von Einlasstemperaturen ausgefallen ist, jedoch die CO- und HC-Oxidationsreaktionen akzeptabel funktionieren.
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Dieser Diagnoseprozess wird zu gewählten oder gesetzten (vorbestimmten) Perioden des Motorbetriebs während der Lebensdauer des Motors und des Abgassystems wiederholt.
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Ein anderer Aspekt dieser Offenbarung und Erfindung liegt in der Alterung und dem Test von Kandidaten-Platin-Palladium-Katalysatorproben, um Abgastestparameter zum Testen der Proben und der Bewertung ihrer anhaltenden Kapazität, eine geeignete Oxidation von NO zu NO2 zu erzeugen, herzustellen.
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Andere Aufgaben und Vorteile werden aus einer detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich, die in dieser Beschreibung folgen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Graph einer proportionalen Umwandlung (von 0 bis 1) von NO zu NO2 (Achse 10) gegenüber der Einlasstemperatur (°C) (Achse 12), der in Tests mit einem frischen platinhaltigen DOC-Reaktor und mit drei zunehmend gealterten platinhaltigen DOC-Reaktoren erhalten ist. In 1 und in den folgenden 2 und 3 dient die durchgezogene Linie für einen frischen Platinkatalysator (10 Pt:1 Pd). Die Strich-Punkt-Punkt-Datenlinie ist ein über Gasbrenner gealterter (24 Stunden) Platin-Palladium-Katalysator mit 3% Sauerstoff bei 1000°C. Die lang gestrichelte Datenlinie ist ein über Gasbrenner gealterter (24 Stunden) Platin-Palladium-Katalysator mit 8% Sauerstoff bei 1000°C. Die kurz gestrichelte Datenlinie ist für einen über Gasbrenner gealterten (24 Stunden) Platin-Palladium-Katalysator mit 8% Sauerstoff bei 1050°C.
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2 ist ein Graph einer proportionalen Umwandlung (von 0 bis 1) von CO zu CO2 (Achse 10) gegenüber der Einlasstemperatur (°C) (Achse 12), der in Tests mit einem frischen platinhaltigen (10 Pt:1 Pd) DOC-Reaktor und mit drei zunehmend über Gasbrenner abgasgealterten Platin-Palladium-DOC-Reaktoren erhalten ist. Die Datenlinien für den frischen Platin-Palladium-Katalysator und für die drei über Gasbrenner gealterten Pt-Pd-Katalysatoren sind, wie jeweils in 1 angegeben.
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3 ist ein Graph einer proportionalen Umwandlung (von 0 bis 1) eines Gemischs aus Propylen und Propan (2:1) zu Kohlendioxid und Wasser (Achse 10) gegenüber der Einlasstemperatur (°C) (Achse 12), der in Tests mit einem frischen Platin-Palladium-DOC-Reaktor und mit drei zunehmend über Gasbrenner gealterten Platin-Palladium-DOC-Reaktoren erhalten ist. Die Datenlinien für den frischen Platin-Palladium-Katalysator und für die drei per Gasbrenner gealterten Pt-Pd-Katalysatoren sind, wie jeweils in 1 angegeben. Die Datenlinien für den frischen Platin-Palladium-Katalysator und für die drei über Gasbrenner gealterten Pt-Pd-Katalysatoren sind, wie jeweils in 1 angegeben ist.
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4 ist ein Graph von Tout – Tin (ΔT in °C) (Achse 14) gegenüber der Einlasstemperatur (°C) (Achse 12) für die jeweiligen Tests neuer und gealterter DOC-Reaktoren. Die mit 20 bezeichnete Datenlinie ist für einen frischen Platin-Palladium-Katalysator (10 Pt:1 Pd). Die mit 22 bezeichnete Datenlinie ist ein über Gasbrenner gealterter (24 Stunden) Platin-Palladium-Katalysator mit 3% Sauerstoff bei 1000°C. Die mit 24 bezeichnete Datenlinie ist ein über Gasbrenner gealterter (24 Stunden) Platin-Palladium-Katalysator mit 8% Sauerstoff bei 1000°C. Die mit 26 bezeichnete Datenlinie ist ein über Gasbrenner gealterter (24 Stunden) Platin-Palladium-Katalysator mit 8% Sauerstoff bei 1050°C.
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5 ist ein Flussdiagramm eines Diagnoseverfahrens zur Bewertung der Leistungsfähigkeit platinhaltiger DOC-Reaktoren.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es ist beabsichtigt, dass die Ausführungsformen der Diagnoseerfindung dieser Erfindung in Verbindung mit einem Dieselmotor und einem Abgassystem ausgeführt werden, wobei das Abgassystem in einer Abgasströmungsabfolge einen platinkatalysierten DOC, eine Einspritzeinrichtung für Dieselabgasfluid (beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung), einen Reaktor für selektive katalytische Reduktion (SCR) und einen Dieselpartikelfilter aufweist, der eine Regeneration erfordert, und zwar alles, bevor das Abgas an die Atmosphäre freigesetzt wird.
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Es wurde eine Serie von Tests geplant und durchgeführt, um die Fähigkeit der platinhaltigen Katalysatoren, wie in einem Dieseloxidationswandler verwendet, bei der Umwandlung von NO zu NO2, der Umwandlung von CO zu CO2 und der Umwandlung eines jeweiligen repräsentativen Gemisches von Kohlenstoff mit geringem Molekulargewicht zu Kohlendioxid und Wasser zu messen. Der platinhaltige Katalysator bestand aus Platinmetall (34 g/ft3) und Palladiummetall (3 g/ft3), das auf Aluminiumoxidträgerpartikeln abgeschieden war. Das auf Aluminiumoxid geträgerte platinhaltige Katalysatormaterial wurde als ein Washcoatmaterial auf die Wände der Kanäle aufgetragen, die in stranggepressten und kalzinierten Cordieritmonolithkörpern geformt waren. Die Cordieritkörper waren rund mit einem Durchmesser von 0,75 Zoll und einer Länge von 0,9 Zoll. Dieses platinhaltige Katalysatormaterial wurde in Luft und 10% Feuchte für 96 Stunden bei 600°C bei der Vorbereitung für seinen Gebrauch gealtert und kann als ein frisches DOC-Katalysatormaterial betrachtet werden.
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Es war gewünscht, Proben von Aluminiumoxidpartikelgestützten platinhaltigen Katalysatoren vorzubereiten, die gealtert wurden; Proben, die sauerstoffhaltigen Atmosphären bei Temperaturen oberhalb Dieselabgastemperaturen und oberhalb normalen DOC-Betriebstemperaturen ausgesetzt worden sind. Abgasströme von einem Gasbrenner, die jeweils volumenbezogen 10% CO2, 10% Wasser, 3% oder 8% O2 (wie folgt) und als Reststickstoff umfassten, wurden dazu verwendet, Proben von Platin-Palladium-DOC-Katalysatorproben zu altern, die an Cordieritmonolithen hergestellt wurden, wie in dem obigen Absatz beschrieben ist. Gruppen derselben wurden durch Verwendung eines beschleunigten Alterungsverfahrens (Perioden von 24 Stunden in dem heißen Gasbrenner Abgasstrom) gealtert. Sätze von Platin-Palladium-Katalysatorproben wurden jeweils in 3% O2 bei 1000°C, in 8% O2 bei 1000°C, in 8% O2 bei 1050°C und in 8% O2 bei 1100°C erhitzt. Diese Praxis der Alterung der platinbasierten Katalysatorproben unter Verwendung eines über Gasbrenner erzeugten, dieselsimulierten Abgases mit Sauerstoff in dem Abgas erwiesen sich bei der Entwicklung eines Diagnoseprozesses für den platinhaltigen DOC-Reaktor als nützlich. Frische Platin-Palladium-Katalysatoren und derartige gealterte platinhaltige Katalysatorproben wurden dann in einem synthetischen Gasstrom getestet, der für einen Dieselmotorabgas repräsentativ war, um deren Wirksamkeit bei der Umwandlung von NO zu NO2, bei der Umwandlung von CO zu CO2, bei der Umwandlung eines Gemisches von Propylen und Propan (Molverhältnis von 2:1, wie für nicht verbranntes HC repräsentativ ist) zu CO2 und H2O und deren Korrelation zu messen.
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Bei der Bewertung der Leistungsfähigkeit eines frischen platinhaltigen DOC-Katalysators und verschiedener gealterter platinhaltiger Katalysatoren wurden die Gasströme, die volumenbezogen aus 200 ppm NO, 500 ppm CO, 1000 ppm (auf C1-Basis) des 2:1 C3H6:C3H8-Gemisches, 8% CO2, 10% O2, 5% H2O und dem Rest Stickstoff bestanden, bei Temperaturen, die allmählich von 100°C auf 350°C zunahmen (2°C/min), durch die Kanäle des jeweiligen Platin/Palladiums an Aluminiumoxidwashcoatbeschichteten stranggepressten Cordieritmonolithen bei GHSV von 30.000 h–1 geführt. Die Einlasstemperaturen und die Auslasstemperaturen der frischen und gealterten Katalysatormonolithen wurden über jeden Test erfasst und aufgezeichnet. Die gemessenen Komponenten in dem Abgas waren NO/NO2/HC/CO/CO2/H2O.
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Die 1–3 sind Graphen des Prozentsatzes der Umwandlung (von 0, ohne Umwandlung, bis 1, vollständige Umwandlung) (Achse 10 in jedem Graph) der jeweiligen Bestandteile über die Einlasstemperaturbereiche (Achse 12 in jedem Graph), wie von 100°C bis 350°C festgelegt ist, für den frischen platinhaltigen DOC-Katalysator und drei der gealterten platinhaltigen DOC-Katalysatoren. Die Umwandlungsdaten für die frischen Pt-Pd-Proben sind als durchgezogene Linien in den Figuren dargestellt. Die Strich-Punkt-Punkt-Datenlinie ist für den über Gasbrenner gealterten (24 Stunden) Platin-Palladium-Katalysator mit 3% Sauerstoff bei 1000°C. Die lang gestrichelte Datenlinie ist für einen über Gasbrenner gealterten (24 Stunden) Platin-Palladium-Katalysator mit 8% Sauerstoff bei 1000°C. Die kurz gestrichelte Datenlinie ist für einen über Gasbrenner gealterten (24 Stunden) Platin-Palladium-Katalysator mit 8% Sauerstoff bei 1050°C. Die Pt-Pd-Katalysatorprobe, die in 8% Sauerstoff bei 1100°C gealtert wurde, war in dem Ausmaß verschlechtert, dass sie nicht dazu verwendet werden konnte, irgendwelche der Bestandteile in dem simulierten Abgas zu oxidieren. 4 ist ein Graph der Auslasstemperatur minus der Einlasstemperatur, d. h. dem ΔT exotherm (°C) (Achse 14) gegenüber der Einlasstemperatur (°C) (Achse 12) für die frische und die drei gealterten Proben (Datenkurven jeweils mit 20, 22, 24 und 26 bezeichnet). Die Exotherme wird ausschließlich aus der Oxidation von HC und CO, und nicht aus der Oxidation von NO erzeugt.
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Wie erwartet, wird in den jeweiligen Graphen gesehen, dass der frische platinhaltige DOC-Katalysator (durchgezogene Datenlinie) eine zunehmende Umwandlung von NO zu NO2 (1) erreichte, als die Einlasstemperatur von etwa 140°C auf etwa 275°C zunahm, wo er einen Umwandlungsprozentsatz von etwa 0,61 erreichte. Als die Einlasstemperatur von 275°C auf 350°C erhöht wurde, fiel der Umwandlungsprozentsatz auf etwa 0,5. Die Umwandlung von NO zu NO2 ist ein reversibler Prozess im thermodynamischen Gleichgewicht, das in einem geringeren NO2-Gehalt bei höheren Temperaturen ihrer Gemische resultiert. Allgemein wird beobachtet, dass die NO2-Bildung beginnt, sobald die HC-Umwandlung größer als etwa 90% ist.
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Die gealterten platinhaltigen DOC-Katalysatoren erforderten höhere Einlasstemperaturen, um eine geringere Umwandlung von NO zu NO2 zu erreichen. In den 1–3 sind Daten für die platinkatalysierte DOC-Probe, die in 3% O2 bei 1000°C gealtert wurde, als die Strich-Punkt-Punkt-Datenlinien dargestellt. Die Daten für die DOC-Probe, die in 8% O2 bei 1000°C gealtert wurde, ist als die lang gestrichelten Datenlinien dargestellt. Die Daten für die DOC-Probe, die in 8% O2 bei 1050°C gealtert wurde, ist als die kurz gestrichelten Datenlinien dargestellt. Wie in 1 zu sehen ist, verlor die Probe, die bei 1050°C gealtert wurde, den größten Teil ihrer Leistungsfähigkeit zur Oxidation von NO. Jedoch kann derselbe gealterte Pt-Pd-Katalysator dennoch HC und CO zu CO2 umwandeln und eine Exotherme erzeugen.
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Die frische platinhaltige DOC-Probe unterstützte eine vollständige Umwandlung von CO und C3H6 bei relativ geringen Temperaturen, typischerweise Dieselabgastemperaturen von etwa 125°C bis 225°C. Die Pt-Proben, die bei 1000°C gealtert wurden, und die Probe, die bei 1050°C gealtert wurde, zeigten eine Fähigkeit zu CO- und HC-Umwandlungen: jedoch zeigte der bei 1050°C gealterte Katalysator eine Umwandlung von NO zu NO2 unterhalb 10%, während der gealterte Katalysator dennoch eine Exotherme aus der Oxidation von CO und HC erzeugte, und es wird herausgefunden, dass geringe HC- und CO-Umwandlungen zu einer geringen Exotherme führen und nicht reagierte HC und CO jegliches geformte NO2 zurück zu NO reduzieren.
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Auf Grundlage von Studien und beobachteten Ergebnissen, wie in den obigen Umwandlungstests und Einlass- und Auslasstemperaturdaten beschrieben ist, wird herausgefunden, dass die ΔT-Daten den Umwandlungsdaten entsprechen und während eines regulierten Dieselmotorbetriebs verwendet werden können, um die Leistungsfähigkeit eines platinhaltigen DOC-Katalysators für die NO2-Produktion während des fortlaufenden Motorbetriebs zu bewerten und zu diagnostizieren. Die Testergebnisse zeigen, dass es möglich ist, diese Diagnosevorgehensweise zu verwenden, um jede der drei Funktionen des DOC zu überwachen.
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Es wird Bezug auf 5, ein Flussdiagramm, genommen, um ein geeignetes Verfahren zur Verwendung von Einlass- und Auslasstemperaturen für einen platinhaltigen DOC in dem Abgassystem eines Fahrzeugdieselmotors zu zeigen, um ein effizientes und zuverlässiges Verfahren zur Bewertung seiner gegenwärtigen Kapazität bereitzustellen, um NO zu NO2 umzuwandeln, wenn er auch dazu dient, CO und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffbestandteile umzuwandeln. Das Verfahren kann dazu verwendet werden, die vorliegende Kapazität des DOC zur Umwandlung von CO und HC separat zu betrachten. Sogar obwohl das Abgassystem NOx-Sensoren an dem Einlass und Auslass des DOC verwenden kann, reflektieren diese Sensoren allein nicht direkt die Umwandlung von NO zu NO2 in dem DOC.
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In dem Verfahren von 5 startet die Diagnosevorgehensweise mit den Motor- und/oder computerbasierten Abgassteuermodulen, die beginnen, Werte für die Einlasstemperatur (TDOCin) und Auslasstemperaturen (TDOCout) des vorliegenden Betriebs des DOC zu erfassen und zu speichern. In 5 werden diese Daten in dem Dateneingangskasten 30 eingegeben. Zu diesem Zeitpunkt betreibt das Dieselmotorsteuersystem den Motor, um ein vorbestimmtes Abgas mit relativ hoher Temperatur zu erzeugen, so dass das Abgas relativ heiß (z. B. etwa 250°C) ist, wenn es in den DOC-Reaktor eintritt. Ein Wert für das ΔT (exotherm), das durch den DOC-Reaktorbetrieb erzeugt wird, wird von dem TDOCin-Wert und TDOcout-Wert bei der gewählten relativ hohen Temperatur (Abfragekasten 32) berechnet. Wenn der Wert von ΔT Null oder nahezu Null ist (Abfrage bei 32-1 mit Ja oder ”1” beantwortet) fällt der DOC aus, sowohl seine HC- als auch CO-Umwandlungsfunktionen und seine NO-Umwandlungsfunktion auszuführen. Diese Schlussfolgerung eines vollständigen Ausfalls des DOC in Bezug auf jede seiner HC-, CO- und NO-Umwandlungsfunktionen ist in dem Schlussfolgerungskasten 34 angegeben. Keine der Oxidationsreaktionen verlaufen, wie erforderlich ist. Das computerbasierte Steuersystem stellt eine Mitteilung (wie an einem Bildschirm einer Instrumententafel oder dergleichen) dem Fahrzeugbediener über den Ausfall des DOC des Fahrzeugs bereit.
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Wenn der Wert von ΔT bei dieser relativ hohen Abgastemperatur nicht Null ist (d. h. ΔT ist größer als Null) (d. h. die Antwort in Abfragekasten 32 ist bei 32-0 ”Nein” oder ”Null” wird zugelassen, dass eine geeignete Zeit (z. B. eine Periode von Minuten) verstreichen kann, bis die Temperatur des Abgases an dem DOC-Einlass auf eine geringere (und wahrscheinlich normalere) Temperatur abgefallen ist. Beispielsweise wird bewirkt oder zugelassen, dass die Einlasstemperatur etwa fünfzig Grad Celsius auf etwa 200°C abfallen kann. Die DOC-Einlass- und Auslasstemperaturen werden wiederum erfasst (von Datenkasten 30) und gespeichert und ein Wert von ΔT bei dieser geringeren Abgastemperatur bestimmt (Abfragekasten 36). Wenn der Wert von ΔT nicht Null (größer als Null, bei 36-0 als ”Nein” oder ”0” dargestellt) bei dieser geringeren Abgastemperatur ist, wird der DOC-Reaktor als erfolgreich arbeitend betrachtet und es ist keine Mitteilung erforderlich. Diese Schlussfolgerung spiegelt sich in dem Schlussfolgerungskasten 38 wider und eine derartige Mitteilung kann in dem Fahrzeugabgasregulierungssystem und dem Fahrzeugbediener verfügbar gemacht werden. Wenn jedoch der Wert von ΔT nun Null ist (bei 36-1 ”Ja” oder ”1”) wird die NO-Umwandlungsfunktion des DOC-Reaktors als ausfallend betrachtet (Ergebnis in Schlussfolgerungskasten 40 angegeben), und eine derartige Mitteilung wird dem Fahrzeugbediener ausgegeben. Die CO- und HC-Oxidationsfunktionen werden als akzeptabel betrachtet.
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Es ist zu sehen, dass diese NO-Umwandlungsbewertung auch als eine Bewertung der HC-Umwandlung und der CO-Umwandlung dient. Der Prozess verlässt sich auf Werte von ΔT für die DOC-Exotherme, die bei einer relativ hohen DOC-Abgaseinlasstemperatur und signifikant geringerer DOC-Einlasstemperatur erhalten werden. Diese Anforderung basiert auf Betriebsdaten, wie oben beschrieben ist, die die Tatsache reflektieren, dass sowohl exotherme als auch nicht exotherme Reaktionen in einem funktionierenden DOC stattfinden. Einlasswerte von 250°C und 200°C werden als bevorzugt betrachtet, jedoch können andere hohe und niedrige Werte gewählt werden und es kann eine geeignete Temperaturdifferenz verwendet werden. Beispielsweise kann bei der Herstellung eines Testgebiets geeignet hoher und niedriger DOC-Einlasstemperaturen Bestandteilumwandlungstests mit repräsentativen Abgaszusammensetzungen (wie oben in dieser Beschreibung beschrieben ist) an selektiv gealterten Proben eines Kandidaten-Pt-Katalysators oder -Pt-Pd-Katalysators durchgeführt werden. Umwandlungsdaten und ΔT-Daten werden aufgenommen, ähnlich denen, die in den 1–4 dieser Beschreibung dargestellt sind. Die ΔT-Daten ähnlich denen, die in 4 dargestellt sind, sehen eine Basis zur Auswahl von Testtemperaturen für einen DOC vor. Die in 4 dargestellten Daten schlagen vor, dass eine höhere DOC-Einlasstemperatur von 250°C für Proben des gewählten und gealterten Pt/Pd-Katalysators geeignet ist, wie auch eine Temperatur von etwa 200°C für die geringere Einlasstesttemperatur.
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Derartige Tests können an jedem Kandidaten eines platinbasierten Katalysators durchgeführt werden, der zur Verwendung in einem DOC-Wandler für ein Dieselabgassystem qualifiziert ist. Mit anderen Worten wird die oben beschriebene Testvorgehensweise (oder eine geeignete ähnliche Vorgehensweise) entworfen, um gealterte platinbasierte Katalysatoren für den Zweck der Auswahl einer relativ hohen DOC-Einlassabgastemperatur und einer relativ geringen DOC-Einlassabgastemperatur für eine Motor- und Abgaskatalysatorkombination zu testen.
