DE102015113013A1 - A diagnostic system for exhaust system components - Google Patents

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Darrell Scott SAPP
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Johnson Matthey PLC
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Abstract

Beschrieben wird ein Diagnosesystem für ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors. Das Diagnosesystem umfasst eine Katalysatorkomponente und einen Marker, der einen physikalischen Übergang oberhalb einer Übergangstemperatur des Markers durchläuft. Ein Verfahren zur Bestimmung, ob eine Katalysatorkomponente in einem Abgassystem für einen Verbrennungsmotor einer desaktivierenden Temperatur ausgesetzt war, ist ebenfalls beschrieben.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnosesystem für ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Verbrennungsmotoren produzieren Abgase, die eine Vielzahl von Schadstoffen, einschließlich Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid, Stickstoffoxiden („NOx“), Schwefeloxiden und partikelförmigem Material enthalten. Die zunehmend strengere nationale und regionale Gesetzgebung hat die Menge der Schadstoffe abgesenkt, die aus solchen Diesel- oder Benzinmotoren emittiert werden können. Abgassysteme, die verschiedene Katalysatorkomponenten enthalten, wurden zum Erreichen dieser niedrigen Emissionsniveaus entwickelt.
  • Die Katalysatorkomponenten bewirken eine Verringerung der in die Atmosphäre freigesetzten Schadstoffmenge durch chemisches Verändern der Abgaszusammensetzung, die von den Motoren produziert wird. Beispielsweise übt eine „Drei-Wege-Katalysator“-(TWC)-Komponente drei Hauptfunktionen aus: (1) eine Oxidation von CO im Abgas zur Bildung von CO2; (2) eine Oxidation von nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen unter Bildung von CO2 und H2O; und (3) eine Reduktion von NOx zu N2. Die Katalysatorkomponenten arbeiten typischerweise mit maximaler Wirksamkeit, wenn die Temperatur des Katalysators in einem bestimmten spezifizierten Bereich beibehalten wird. Ein fortgesetzter Betrieb der Katalysatorkomponente bei einer Temperatur, die höher ist als der spezifizierte Temperaturbereich, führt typischerweise zum Abbau des Katalysatormaterials. Dieser Abbau führt zu einer verringerten Leistung oder einem Versagen des Katalysators.
  • Da es andere mögliche Erklärungen für eine verringerte Leistung oder ein Versagen (beispielsweise eine Katalysatorvergiftung u.dgl.) gibt, ist es wichtig, ein Mittel zur Bestimmung, ob der Katalysator übermäßig hohen Temperaturen ausgesetzt war, zu entwickeln.
  • Wir haben ein neues Diagnosesystem ermittelt, das in der Lage ist, nachzuweisen, ob eine Katalysatorkomponente einer hohen Alterungstemperatur ausgesetzt war, die eine Desaktivierung und ein mögliches Versagen verursachen kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist ein Diagnosesystem für ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors. Das Diagnosesystem umfasst eine Katalysatorkomponente und einen Marker, der oberhalb seiner Übergangstemperatur einen physikalischen Übergang durchläuft. Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Bestimmung, ob eine Katalysatorkomponente in einem Abgassystem für einen Verbrennungsmotor einer desaktivierenden Temperatur ausgesetzt war. Das Verfahren umfasst ein visuelles Prüfen eines Markers, der sich in enger Nähe zu der Katalysatorkomponente befindet, und ein Bestimmen, ob der Marker einen physikalischen Übergang durchlaufen hat, der das Einwirken einer Temperatur oberhalb einer Übergangstemperatur des Markers erkennen lässt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Das Diagnosesystem der Erfindung umfasst eine Katalysatorkomponente. Diese Katalysatorkomponenten sind auf dem einschlägigen Fachgebiet wohl bekannt. Die Katalysatorkomponenten sind typischerweise mit Katalysator beschichtete Substrate, die eine auf ein Substrat aufgetragene Katalysatorbeschichtung umfassen. Vorzugsweise umfasst die Katalysatorkomponente eine Hülle oder ein Gehäuse, die bzw. das das mit Katalysator beschichtete Substrat beherbergt.
  • Das Substrat ist vorzugsweise ein keramisches Substrat oder ein metallisches Substrat. Das keramische Substrat kann aus einem beliebigen geeigneten feuerfesten Material, z.B. Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titanoxid, Ceroxid, Zirconiumoxid, Magnesiumoxid, Zeolithen, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Zirconiumsilicaten, Magnesiumsilicaten, Alumosilicaten und Metalloalumosilicaten (wie Cordierit und Spudomen) oder einem Gemisch oder Mischoxid von beliebigen zwei oder mehr hiervon hergestellt sein. Cordierit, ein Magnesiumalumosilicat, und Siliciumcarbid sind besonders bevorzugt.
  • Das metallische Substrat kann aus einem beliebigen geeigneten Metall und insbesondere aus hitzebeständigen Metallen und Metalllegierungen, wie Titan und nicht rostendem Stahl, sowie ferritischen Legierungen, die Eisen, Nickel, Chrom und/oder Aluminium zusätzlich zu anderen Spurenmetallen enthalten, hergestellt sein.
  • Das Substrat kann in Abhängigkeit von der Anwendung ein Filtersubstrat oder ein Durchflusssubstrat sein. Wenn das Substrat ein Durchflusssubstrat ist, ist es vorzugsweise ein Wabenmonolith. Das Substrat ist typischerweise so gestaltet, dass es eine Reihe von Kanälen bereitstellt, durch die das Fahrzeugabgas geführt wird. Die Oberfläche der Kanäle ist mit der Katalysatorbeschichtung beladen.
  • Drei-Wege-Katalysatoren (TWCs) werden typischerweise in Benzinmotoren unter stöchiometrischen Bedingungen verwendet, um NOx zu N2, Kohlenstoffmonoxid zu CO2 und Kohlenwasserstoffe zu CO2 und H2O an einer einzigen Vorrichtung umzuwandeln. Der TWC umfasst vorzugsweise eine Kombination von zwei oder mehr Platingruppenmetallen (PGMs), im Allgemeinen Pt/Rh, Pd/Rh oder Pt/Pd/Rh. Die PGMs und beliebige verwendete Katalysatorpromotoren, z.B. eine Verbindung auf Bariumbasis, sind typischerweise durch eine oder beide aus einer Sauerstoffspeicherkomponente (OSC), z.B. einem Ce-Zr-Misch- oder Verbundoxid, und einem eine hohe Oberfläche aufweisenden anorganischen Oxid, z.B. Aluminiumoxid, geträgert.
  • Dieseloxidationskatalysatoren (DOCs) sind zur Oxidation von CO zu CO2 und von Gasphasen-Kohlenwasserstoffen (HC) und einer organischen Fraktion von Dieselpartikeln (lösliche organische Fraktion) zu CO2 und H2O konzipiert. Typische DOC-Komponenten umfassen Platin und optional ferner Palladium auf einem eine hohe Oberfläche aufweisenden anorganischen Oxidträger, wie Aluminiumoxid, Siliciumdioxid-Aluminiumoxid und einem Zeolith.
  • Ein katalysiertes Rußfilter (CSF) ist ein Filtersubstrat, das mit einem Katalysator von ähnlicher Zusammensetzung und Funktion wie ein DOC beschichtet ist. Es kann auch die Verbrennung von Dieselpartikeln unterstützen. Typische CSF-Katalysatorkomponenten umfassen Platin, Palladium und ein eine hohe Oberfläche aufweisendes anorganisches Oxid.
  • Selektive katalytische Reduktions(SCR)-Katalysatoren sind Katalysatoren, die durch Reaktion mit Stickstoffverbindungen (wie Ammoniak oder Harnstoff) oder Kohlenwasserstoffen (Mager-NOx-Reduktion) NOx zu N2 reduzieren. Ein typischer SCR-Katalysator besteht aus einem Vanadiumoxid-Titanoxid-Katalysator, einem Vanadiumoxid-Wolframoxid-Titanoxid-Katalysator oder einem Metall/Zeolith-Katalysator, wie Eisen/Beta-Zeolith, Kupfer/Beta-Zeolith, Kupfer/SSZ-13, Kupfer/SAPO-34, Fe/ZSM-5 oder Kupfer/ZSM-5. Der SCR-Katalysator ist typischerweise auf ein Durchflusssubstrat aufgetragen.
  • Filter für eine selektive katalytische Reduktion (SCRF) sind Einzelsubstratvorrichtungen, die die Wirkungsweise eines SCR und eines Partikelfilters kombinieren. Sie werden zur Reduktion von NOx- und Partikelemissionen aus Verbrennungsmotoren verwendet. Ein SCRF wird gebildet, wenn der SCR-Katalysator auf ein Filtersubstrat aufgetragen wird.
  • Mager-NOx-Fallen (oder NOx-Adsorberkatalysatoren) sind Katalysatoren, die NOx unter mageren Abgasbedingungen adsorbieren, das adsorbierte NOx unter fetten Bedingungen freisetzen und das freigesetzte NOx unter Bildung von N2 reduzieren. NOx-Fallen umfassen typischerweise eine NOx-Speicherkomponente, (z.B. Ba, Ca, Sr, Mg, K, Na, Li, Cs, La, Y, Pr und Nd), eine Oxidationskomponente (vorzugsweise Pt) und eine Reduktionskomponente (vorzugsweise Rh). Diese Komponenten sind auf einem oder mehreren anorganischen Oxidträgern enthalten.
  • Die verschiedenen Katalysatorsysteme können zu dem Substrat durch beliebige bekannte Mittel zugegeben werden. Beispielsweise kann ein Drei-Wege-Katalysator, ein Verbundoxid oder ein PGM enthaltender Verbundoxidkatalysator auf das Substrat in Form eines Washcoats, einer porösen, eine hohe Oberfläche aufweisenden Schicht, die an die Oberfläche des Substrats gebunden ist, appliziert und gebunden werden. Der Washcoat wird typischerweise aus einer Aufschlämmung auf Wasserbasis auf das Substrat appliziert, anschließend getrocknet und bei hoher Temperatur calciniert. Wenn lediglich das Verbundoxid auf das Substrat gewashcoatet wird, kann das PGM-Metall auf die getrocknete Washcoat-Trägerschicht geladen werden (durch Imprägnierung, Ionenaustausch u.dgl.) und anschließend getrocknet und calciniert werden, um das mit Katalysator beschichtete Substrat herzustellen.
  • Das Diagnosesystem der Erfindung umfasst einen Marker, der einen physikalischen Übergang durchläuft, nachdem er einer Übergangstemperatur ausgesetzt wurde. Die Übergangstemperatur ist diejenige Temperatur, bei der der Marker einen physikalischen Übergang durchläuft, und ist vorzugsweise dessen Schmelzpunkt. Vorzugsweise ist der Marker ein keramisches Material, das ein oder mehrere Verbindungen umfasst, die aus Borverbindungen, Titanverbindungen, Zinkverbindungen, Natriumverbindungen, Siliciumverbindungen, Kaliumverbindungen, Calciumverbindungen, Aluminiumverbindungen, Chromverbindungen, Cobaltverbindungen, Eisenverbindungen, Nickelverbindungen, Kupferverbindungen, Manganverbindungen, Vanadiumverbindungen und Magnesiumverbindungen ausgewählt sind. Stärker bevorzugt ist das keramische Material ein Metallcarbonat, wie ein Nickelcarbonat (wie z.B. NiCO3), ein Cobaltcarbonat (wie z.B. CoCO3), ein Chromcarbonat (wie z.B. CrCO3), ein Mangancarbonat, wie z.B. (Mn(CO3)2 oder Mn2(CO3)3) oder Gemische hiervon.
  • Alternativ kann der Marker ein oder mehrere Mischmetalloxide umfassen, die Magnesium, Calcium, Natrium, Vanadium, Molybdän, Nickel, Cobalt und Lanthan umfassen. Stärker bevorzugt sind die Mischmetalloxide Mg3(VO4)2, Ni2(VO4)2, Na3(VO4) oder Gemische hiervon. Der Schmelzpunkt von Mg3(VO4)2 beträgt 1210 °C, der Schmelzpunkt von Ni2(VO4)2 beträgt > 900 °C und der Schmelzpunkt von Na3(VO4) beträgt 850 °C.
  • Vorzugsweise umfasst der Marker eine Reihe von Markern. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Marker aus einer Reihe von Streifen aus keramischen Glasuren, die bei verschiedenen Temperaturen farbiges Glas bilden. Beispielsweise kann jeder Streifen aus einer individuellen Glasur bestehen, die bei einer spezifischen Temperatur (~600 °C, ~815 °C und 1200 °C) schmilzt. Oder der Marker kann vorzugsweise aus einer Reihe von Mischmetalloxidstreifen bestehen, die bei definierten Temperaturen schmelzen. Beispielsweise können die Streifen aus weißen oder grauweißen Mischmetalloxiden bestehen, die schmelzen und oberhalb ihrer Schmelztemperatur farbig werden. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass die Marker aus Metallcarbonaten bestehen können, die sich bei definierten Temperaturen zersetzen und die Farben verändern.
  • Das Diagnosesystem der Erfindung wird vorzugsweise dazu verwendet, die mögliche thermische Verschlechterung einer in dem Abgassystem befindlichen Katalysatorkomponente nachzuweisen. Bei Verwendung zum Nachweis der thermischen Verschlechterung der Katalysatorkomponente befindet sich der Marker vorzugsweise in enger Nähe zu der Katalysatorkomponente, so dass der Marker den gleichen Temperaturen wie die Katalysatorkomponente ausgesetzt ist. Vorzugsweise befindet sich der Marker innerhalb von 12 Zoll (30,5 cm), stärker bevorzugt innerhalb von 6 Zoll (15,25 cm) und am stärksten bevorzugt in oder auf der Katalysatorkomponente selbst.
  • Beispielsweise kann sich der Marker auf dem Substrat des mit Katalysator beschichteten Substrats befinden. Beispielsweise kann sich der Marker in einem Kanal der Katalysatorkomponente befinden. Stärker bevorzugt befindet sich der Marker auf der Hülle oder dem Gehäuse der Katalysatorkomponente. Durch Anbringen des Markers auf der Außenseite einer Katalysatorkomponente (d.h. auf der Haut der Hülle oder des Gehäuses oder auf der Auslassfläche der Katalysatorkomponente) ist dieser leicht zu sehen, ohne dass die Hülle/ das Gehäuse des Abgassystems geöffnet werden muss. Des Weiteren kann der Marker auf oder nahe dem Auslass der Katalysatorkomponente angebracht sein.
  • Das Diagnosesystem der Erfindung umfasst ferner vorzugsweise ein Abgasrohr. Das Abgasrohr befördert typischerweise Abgas aus dem Motor über die Katalysatorkomponente in die Atmosphäre, derart, dass das Abgas mit der Katalysatorkomponente in Berührung gebracht wird, bevor es in die Atmosphäre austritt. Wenn das Diagnosesystem auch ein Abgasrohr umfasst, kann der Marker auch auf der Innenseite oder der Außenseite des Abgasrohrs des Abgassystems angebracht sein. Beispielsweise kann sich der Marker auf einer gesonderten, in dem Abgasrohr befindlichen Sonde befinden. Er kann sich auch auf einer gesonderten Sonde in enger Nähe zu der Katalysatorkomponente, vorzugsweise innerhalb von 12 Zoll (30,5 cm) und stärker bevorzugt innerhalb von 6 Zoll (15,25 cm) zu der Katalysatorkomponente befinden. Bei einer Anordnung in enger Nähe zu der Katalysatorkomponente befindet sich die gesonderte Sonde vorzugsweise stromab der Katalysatorkomponente, so dass das Abgas zuerst mit der Katalysatorkomponente in Berührung gelangt, bevor es mit der gesonderten Sonde in Berührung gelangt.
  • Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Diagnose einer Katalysatorkomponente in einem Abgassystem für einen Verbrennungsmotor. Das Verfahren umfasst die visuelle Prüfung des (der) Marker(s), der (die) sich in enger Nähe zu der Katalysatorkomponente befindet (befinden), und die Bestimmung, ob der (die) Marker einen physikalischen Übergang durchlaufen hat (haben), der die Einwirkung einer Temperatur oberhalb einer Übergangstemperatur des Markers (der Marker) erkennen lässt. Beispielsweise kann der Marker die Farbe von weiß (oder grauweiß) nach farbig aufgrund der Zersetzung eines Mischmetalloxid- oder Metallcarbonatmarkers wechseln.
  • Das nachfolgende Beispiel veranschaulicht lediglich die Erfindung. Fachleute auf dem einschlägigen Fachgebiet werden zahlreiche Varianten erkennen, die unter den Geist der Erfindung und den Umfang der Patentansprüche fallen.
  • BEISPIEL DER ERFINDUNG
  • Ein Diagnosesystem kann durch Beschichten einer Drei-Wege-Katalysator(TWC)-Komponente mit einem keramischen Marker hergestellt werden. Die TWC-Komponente umfasst eine Hülle (ein metallisches Gehäuse), die bzw. das ein mit einer TWC-Zusammensetzung gewashcoatetes Durchfluss-Cordieritsubstrat beherbergt. Der keramische Marker kann auf die Hülle durch Applizieren eines Streifens aus einem oder mehreren Mischmetalloxiden (z.B. Mg3(VO4)2 mit einem Schmelzpunkt von 1210 °C, Ni2(VO4)2 mit einem Schmelzpunkt > 900 °C und Na3(VO4) mit einem Schmelzpunkt von 850 °C) aufgetragen werden. Das die TWC-Komponente und den keramischen Marker umfassende Diagnosesystem kann anschließend in ein Abgassystem eines Testfahrzeugs platziert werden, indem das Diagnosesystem mit dem Abgasrohr des Abgassystems verbunden wird.
  • Das Diagnosesystem kann durch Betrieb des Testfahrzeugs unter normalen Betriebsbedingungen über einen verlängerten Zeitraum getestet werden. Nach dem Testzeitraum können die keramischen Marker im Hinblick auf eine Farbveränderung visuell überprüft werden, um zu bestimmen, ob der TWC Hochtemperaturdesaktivierungstemperaturen ausgesetzt war. Beispielsweise lässt eine Verfärbung des keramischen Na3(VO4)-Markers erkennen, dass der TWC einer Temperatur oberhalb von 850 °C ausgesetzt war. Eine Verfärbung des keramischen Mg3(VO4)2-Markers lässt erkennen, dass der TWC einer Temperatur oberhalb von 1210 °C ausgesetzt war.

Claims (15)

  1. Diagnosesystem für ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors, wobei das Diagnosesystem eine Katalysatorkomponente und einen Marker, der einen physikalischen Übergang oberhalb einer Übergangstemperatur des Markers durchläuft, umfasst.
  2. Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei der Marker ein keramisches Material ist, das eine oder mehrere Verbindungen umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Borverbindungen, Titanverbindungen, Zinkverbindungen, Natriumverbindungen, Siliciumverbindungen, Kaliumverbindungen, Calciumverbindungen, Aluminumverbindungen, Chromverbindungen, Cobaltverbindungen, Eisenverbindungen, Nickelverbindungen, Kupferverbindungen, Manganverbindungen, Vanadiumverbindungen, Magnesiumverbindungen und Gemischen hiervon besteht.
  3. Diagnosesystem nach Anspruch 2, wobei das keramische Material ein Metallcarbonat ist, dass aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Nickelcarbonat, einem Cobaltcarbonat, einem Chromcarbonat, einem Magnesiumcarbonat und Gemischen hiervon besteht.
  4. Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei der Marker ein oder mehrere Mischmetalloxid(e) umfasst, die ein Metall umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Magnesium, Calcium, Natrium, Vanadium, Molybdän, Nickel, Cobalt, Lanthan und Gemischen hiervon besteht.
  5. Diagnosesystem nach Anspruch 4, wobei das eine oder die mehreren Mischmetalloxid(e) aus der Gruppe ausgewählt ist (sind), die aus Mg3(VO4)2, Ni2(VO4)2, Na3(VO4) und Gemischen hiervon besteht.
  6. Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Katalysatorkomponente aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Drei-Wege-Katalysator, einem Dieseloxidationskatalysator, einer Mager-NOx-Falle, einem SCR-Katalysator, einem katalysierten Rußfilter (CSF) und einer SCR-Beschichtung besteht.
  7. Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Katalysatorkomponente eine auf ein Substrat aufgetragene Katalysatorbeschichtung umfasst.
  8. Diagnosesystem nach Anspruch 7, wobei die Katalysatorkomponente eine Hülle oder ein Gehäuse umfasst, die bzw. das das mit dem Katalysator beschichtete Substrat beherbergt.
  9. Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich der Marker innerhalb von 12 Zoll zu der Katalysatorkomponente befindet.
  10. Diagnosesystem nach Anspruch 8, wobei sich der Marker auf der Hülle oder dem Gehäuse der Katalysatorkomponente befindet.
  11. Diagnosesystem nach Anspruch 8, wobei sich der Marker auf dem Substrat des mit Katalysator beschichteten Substrats befindet.
  12. Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich der Marker an oder nahe einem Auslass der Katalysatorkomponente befindet.
  13. Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das ferner ein Abgasrohr umfasst, wobei sich der Marker auf der Innenseite oder der Außenseite des Abgasrohrs befindet.
  14. Diagnosesystem nach Anspruch 13, wobei sich der Marker auf einer gesonderten Sonde in dem Abgasrohr befindet.
  15. Verfahren zur Bestimmung, ob eine Katalysatorkomponente in einem Abgassystem für einen Verbrennungsmotor einer desaktivierenden Temperatur ausgesetzt war, wobei das Verfahren die folgenden Stufen umfasst: (a) visuelles Prüfen eines Markers, der sich in enger Nähe zu der Katalysatorkomponente befindet; und (b) Bestimmen, ob die Marker einen physikalischen Übergang durchlaufen haben, der das Einwirken einer Temperatur oberhalb einer Übergangstemperatur des Markers erkennen lässt.
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