CN1110622C - NOx存储催化转换器的监测方法和实施此方法的废气净化装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于监测置于稀薄燃烧的内燃机(12)之后的NOx存储效率的方法，由NOx存储催化转换器(14)之前和之后的NOx废气浓度求出并与一个予先规定的极限值相比较。为实施这种方法必须遵守予先规定的工作条件，例如λ值＞1并使催化转换器温度保持在200-600℃之间。适合于实施此方法的按本发明的废气净化装置包括有一个NOx存储催化转换器(14)，在其前面接有一个λ-传感器(16)，后面接一个λ传感器(18)用于确定废气中的含氧量，以便保证只是在稀薄燃烧时才检验催化转换器。前置的传感器(20)和后置传感器(22)用于测量催化转换器前或者说催化转换器后面的NOx废气浓度，由此确定所想要的NOx存储效率。然而在催化转换器(14)之前的NOx废气浓度也是经过模型化处理进行计算的。废气净化装置也可以包括有一个前面接入和/或后面接入的温度传感器用于测定催化转换器的温度。

Description

NOx存储催化转换器的监测方法和实施此方法的废气净化装置
本发明涉及一种用于监测置于稀薄燃烧的内燃机之后的NOx存储催化转换器的方法和用于实施此方法的废气净化装置。
NOx存储催化转换器由一种通常为三通涂膜组成，它围绕一个NOx存储部件而扩大。这种存储催化转换器通过生成硝酸盐使稀薄燃烧工况时废气中所含有的氮氧化物存储起来并在浓混合废气里还原的条件下在催化转换器断续地进行再生时使它们转变成无害的氮气，此时使氮氧化物有目的地排空并基本上回复其对氮氧化物的完全的吸收能力，这种吸收能力随着在稀混合气体状态里氮氧化物浓度的增加而连续不断地降低。
相反，当存储催化转换器受到热损伤或者毒化时NOx吸收能力或存储效率相应较小，这在稀薄燃烧时就反映在存储催化转换器之后的快速上升的NOx浓度上，或者说NOx质量上，因而不再保证规律的正常废气净化了。
因此用于检验催化转换器的正常功能的监测方法或者诊断方法对于NOx存储催化转换器的实际使用具有重要意义。过去通常的催化转换器诊断方法是用λ传感器测定催化转换器的氧存储能力并与催化转换器能力和排放特性交叉作用，因而不适合于稀薄燃烧方法。在λ＞1的工作方式时，这种方式对于将来的稀混合气方案来说表示了由排放所规定的工作范围，此时由于废气中的永久性剩余氧气就不再从氧气传感器输出具有足够分辨率的可利用的信号。
GB-A-2315569公布了一种使具有低氮化物排放物的内燃机，尤其是柴油发动机运行的方法和一种装置。在这内燃机之后接入一个NOx催化转换器，其作用能力则借助于一个前置入的或者说后置入的NOx传感器通过测量流入和流出此催化转换器的废气里的NOx浓度来进行监控。如果在一个适合于有效催化作用的氮氧化物还原的温度范围之内的NOx催化转换器的作用能力不足，这温度范围的遵守情况用一个催化转换器温度传感器来监测，那么就自动指示出一个警示信号。此处并未考虑为重新建立其能力的而对NOx催化转换器的还原。
JP-A-07166851公布了一种内燃机的排放控制装置，它有一个后置入的NOx存储器，其作用能力同样借助于一个前置入的或者说后置入的NOx传感器通过测量流入和流出此存储器的废气里的NOx浓度来进行监控。必要时也可以只使用一个后置入的NOx传感器来监测。当功能不足时就使NOx存储器自动的还原。文件中并未规定对可能出现的催化转换器失效的识别以及发出信号。
US-A-5881686公布了使具有一个后置NOx存储催化转换器的柴油发动机工作运和的一种方法的一种装置。此时在NOx存储催化转换器后面的NOx废气浓度用一个后置的NOx传感器来测量并将其与一个予定的NOx极限值相比较，当超过此值时就自动地进行NOx存储催化转换器的NOx还原。文件中并未规定对可能出现的催化转换器失效的识别以及发生信号。
US-A-5426934公布了一种用于带有后置NOx-催化转换器的稀混合气工作的内燃机的废气净化装置，在这催化转换器之前或者说之后各接入一个NOx传感器用以测定流入和流出催化转换器的废气的NOx浓度。此外在催化转换器之前还接入一个λ-传感器用于测定氧含量。这些传感器与一个相应的分析处理装置连接用于检测和分析处理传感器信号并以所测得的NOx浓度确定的催化转换器的有效性。
因而本发明的任务是提出一种用于监测或诊断接在稀薄燃烧的内燃机之后的NOx存储催化转换器的方法，用这种方法可以可靠而快速地识别催化转换器缺陷或者催化转换器的毒化以及由此引起的催化转换器活性或者存储效率的降低，因而总是保证了催化转换器的正常功能。该任务还在于提出一种包括一个NOx存储催化转换器的用于实施此方法的废气净化装置。
该项任务的第一部分按照本发明是由一种按权利要求1所述的方法来解决的，其中从附属的权利要求中可见具体的实施形式。
对于按本发明的方法来说，在NOx存储催化转换器之前和之后测定NOx废气浓度并换算成NOx物料流量。由这些值求出真正重要的NOx存储效率，并与一个指示出存储催化转换器不再具有充足的功能或者已经失效的极限值相比较。
因为催化转换器活性或者存储效率的降低不仅是由于催化转换器可能受损或者催化转换器失效，例如也可以归结为氮氧化物吸附浓度太高以及/或者可逆的硫中毒，因而当超过这极限值时首先就进行NOx还原以及/或者脱硫酸盐并重新测定其存储效率。只有当又一次超过了予定的极限值时才由一个不可逆的催化转换器损伤出发，指示出这种损伤。
在检验催化转换器之前和期间要检验予先规定的工况的遵守情况，例如催化转换器吸附浓度、催化转换器温度和λ值必须满足这些工况，而且这些条件以及其它条件保证了使催化转换器的检验只是在稀薄燃烧的废气条件下和在一个温度范围内进行，在这种情况下存储入NOx的催化转换器是有活性的。因而催化转换器温度最好必须处于一个予先规定的温度范围内，尤其是在200和600℃之间，该温度范围取决于各自所应用的催化转换器系统，而且尤其取决于催化转换器涂膜。此外催化转换器的NOx吸附浓度必须在予先规定的一个极限值之下，该极限值最好对应于一个完全还原了的催化转换器。除此之外，在存储催化转换器之前和/或之后的λ-值必须大于1，其中最好通过发动机控制的状态位显示出遵守稀薄燃烧的情况。
若不遵守这些条件那就不进行催化转换器监测或者停止或者至少中断已经开始的监测。
当开始这监测方法时最好起动一个时间功能或者一个计时器，它们与一个予先规定的监测时间或者诊断时间进行比较。在达到此时间之后将所求出的存储效率存储起来，此时最好对已存储的值进行计算并在达到一个予先规定的数之后对已存储的值求平均。然后将这样求得的平均值最后与上述的极限值相比较。
为了补偿存储效率与催化转换器吸附浓度和吸附速度的相关性，此处就把所测得的在NOx存储催化转换器之后的废气浓度或者说由此所规定的NOx物料流量根据这个值的大小进行评定或加权平均。
存储效率最好还要用在监测时间内所规定的平均的催化转换器温度加权平均，该温度是由布置在存储催化转换器之前和之后的温度传感器确定的，或者通过模型化处理在一个配属的控制装置里计算得出的。
另一种优选的方法就是将多种不同温度时的NOx存储效率规定为催化转换器平均温度的函数，并存储在一个特征曲线或者一个特征曲线族里面，由这些特征曲线的特性变化就可以方便地识别这些催化转换器的老化、中毒或者失效并可靠地进行诊断。特征曲线族的特性变化可包括在规定温度时存储效率的下降、在一个规定的温度范围内存储效率的下降平均值的变化或者在达到一个规定的效率时催化转换器温度的变化。
流入NOx存储催化转换器和/或从其中流出的废气的λ-值和NOx废气浓度最好用一个前置式或者说后置式的多功能传感器来测定，该传感器包括有一个对NOx敏感的和一个对氧敏感的测量装置。
实施本方法的按本发明所述的废气净化装置包括一个NOx存储催化转换器，在此催化转换器之前或者说之后各置入一个λ-传感器用以测定在流入催化转换器的废气里或者说流出催化转换器的废气里的含氧比例。另外在NOx存储催化转换器之前或者说之后接入了一个NOx传感器用以测定流入废气或者说流出废气里的NOx废气浓度。对此补充，但也可以是另一种可选的方案是，在流入废气里的NOx废气浓度也可以用一种配属的模型化装置来确定，因而也可以取消该前置NOx传感器。按本发明的废气净化装置还包括有一个分析处理装置用于分析处理传感器的信号，还有一个控制装置用于控制上面所述的按照本发明所述的监测方法或者诊断方法。
这种废气净化装置的优选的实施形式例如包括有一个前置的和/或一个后置的温度传感器，或者至少有一个具有一种集成了对NOx敏感的和对氧敏感的测量装置的多功能传感器。
所应用的传感器有利地适应于零点漂移和特征曲线的偏置。
另外按本发明的废气净化装置还包括一个评估处理装置和/或控制装置用于对传感器信号进行分析处理并且/或者用于控制上面所述的诊断方法。
按本发明的方法以及用于实施该方法的本发明的废气净化装置的其它特点和优点不仅可见所附属的权利要求所述-就其本身和/或组合一而且可见以下对优选的实施例结合附图的说明。附图所示为：
图1a表示了按本发明的方法的一个流程图的第一半；
图1b表示了按照图1a所示流程图的所属的第二半；
图2详细表示了图1a中方块ETANOX，在这方块里确定存储效率；
图3示意表示了与催化转换器平均温度相关的对NOx存储效率的分析处理/加权平均；
图4分别表示了一种新的、一种老化的和一种被硫毒化了的NOx存储催化转换器的NOx存储效率与催化转换器温度的关系的原理性举例；以及
图5示意表示了一种按本发明的废气净化装置。
对于在图1a和1b中所示的按本发明所述的方法，用于监测一个后置于稀薄燃烧的内燃机的NOx存储催化转换器(SK)，在方块BED_DIAGNOSE里首先检验予先规定的工况的遵守情况，这些工况以及其它就保证了使随后的催化转换器检验在稀的废气条件下进行。尤其在此处要检验，在NOx存储催化转换器之前和NOx存储催化转换器之后的λ-值是否大于1，以及稀薄燃烧工况是否通过电机控制的状态位指示出来。但也可能一个用于控制此方法的给定的λ-值就已经足够了。
此外，催化转换器温度T_kat必须在一个予先规定的温度范围之内，TKATMIN＜T_kat＜TKATMAX，在此范围内用于NOx存储的催化转换器是有活性的。这个温度范围与各自所应用的催化转换器系统有关，尤其与催化转换器涂膜有关。比较典型的是该温度范围在200和600℃之间。
实施这种检验所必要的温度值和λ-值则按照以下根据图5详细说明的种类和方式通过相应的传感器来测定。
此外存储催化转换器的NOx吸附浓度必须低于一个予先规定的浓度极限值，从理论上说该极限值对应于一个完全还原了的催化转换器。
另外还要检验，随后根据图5同样还要详细说明的用于测定存储效率而投入使用的这个或这些NOx传感器是否适应于零点漂移和特征曲线偏置。
若满足此条件，则在NOx存储效率ETANOX的方块ETANOX里按照以下根据图2更详细叙述的种类和方式由换算成NOx物料流量的在NOx存储催化转换器之前和之后的NOx废气浓度来确定存储效率。同时起动一个时间功能或者一个计时器T_DIAG，它同时计下监测时间和诊断时间。若在一个可用的适合时间间隔内已经提出了诊断用的释放条件，那么在方块ETANOX里的存储效率的计算就停止并且将这诊断结果存储在方块ETANOX_ERGEB里。
若不遵守此条件那么根本就不起动此方法，而其中T_DIAG和ETANOX则设定等于零。
为了保证正常的催化转换器诊断，也要在实施此方法期间连续不断地检验在方块BED_DIAGNOSE里所指出的条件的遵守情况。若不遵守这些条件那么就予先中止监测方法或诊断方法或者至少中断进行。
这样所求得的诊断结果的数就在方块ANZ-ERGEB里计数并与一个予先规定的数相比较。若未超过这予先规定的数那么重新进行一次诊断，而否则的话就对所存储的诊断结果ETANOX_ERGEB求平均值。这样所得出的平均的催化转换器效率ETANOX_MITTEL与一个予先规定的极限值NOxMAX相比较，该极限值对应于从一个失效的催化转换器至一个具有充足功能的催化转换器的过渡。若所求出的平均的催化转换器效率ETANOX-MITTEL位于予先规定的极限值NOxMAX之上，那么催化转换器就是正常的，而否则的活催化转换器就有可能失效了。
然而，由于催化转换器的活性也只是由于氮氧化物吸附浓度太高以及/或者由于一种可逆的中毒，例如由于硫，而可能受到损害，因而首先设置一个故障先决条件，并首先至少开始脱硫酸盐以及/或者NOx还原。接着重复上面所述的诊断算法并重新确定催化转换器效率。若重新又低于予先规定的极限值NOxMAX时则就从一个失效的催化转换器出发，因而指示出了催化转换器的失效。
存储效率ETANOX的真正的计算是在图1a里已经提到的方块ETANOX里进行，该方块在图2里还要再次详细表示。如果上面所说明的用于实施对催化转换器监测或者完成对催化转换器的诊断的许可性先决条件或者释放条件满足了的话，那么就在那里把NOx存储催化转换器之前和之后MNOVK或者说MNONK由NOx废气浓度所测定的NOx物料流量各自集成放置在监测间隔周期或者诊断间隔周期T_DIAG里。此处在NOx存储催化转换器后面的NOx物料流量MNONK被计数评定，它与存储浓度或者存储器充满状况和吸附速度RG有关，并在实施集成之前进行相应的加权，因为这些参数对于存储率有很大影响并因此相应地对NOx存储催化转换器之后的NOx排放产生强烈的影响。从这样所得到的NOx存储催化转换器之前和之后的NOx物料流量，NOx质量就在经过时间间隔T_DIAG之后计算所涉及的时间间隔内的NOx存储效率。如图4可见，因为对于各种不同的恶化状态，如由于催化转换器受温度老化或者由于催化转换器被硫中毒而引起其活性恶化，NOx存储活性的可区别性在很大程度上取决于温度，因而这样所求得的存储效率接着还要用监测或诊断时间内T_DIAG平均求得的催化转换器温度TKAT_mit加权用以求出按上面结合图1a，1b所述的种类和方式最终应用于催化转换器诊断的真正的存储效率ETANOX，因而平均的催化转换器温度TKAT_mit按照本发明就被一起包含在对存储效率的评估里了。
另外一种考虑间接的催化转换器温度TKAT_mit对NOx存储效率ETANOX的影响的方法就是建立一NOx存储效率的特征曲线或者曲线族作为催化转换器平均温度TKAT_mit的函数，从曲线的特性变化就可以识别并可靠地诊断出催化转换器的老化、失效或者中毒。
如图3简明所示，此处例如通过“截取”对于各种不同的催化转换器温度所求得的NOx存储效率在各个不同的存储单元里来建立特征曲线族，这些存储单元分别对应于某一种平均的催化转换器温度。这种“截取”此处可以是一种简单的转换、一种平均、或者也可以是一种适配。(例如当存储单元里的值大于实际值时用存储单元的增量，或者当存储单元里的值小于实际值时用存储单元的减量)
因而，在一定的具有各种不同的引起各种不同高低催化转换器温度的工作状态的发动机运行时间之后，在一个配属的分析处理装置或电机控制装置的存储器里就出现了一条特征曲线或者一组特征曲线族，它包含了存储效率与催化转换器温度之间的相互关系。如图4可见，NOx存储催化转换器的NOx存储能力通常首先随催化转换器温度的增加而明显增加，然后经过一个设计得比较宽的最大值并紧接着又迅速降低，其中因存储催化转换器的实际工作状态对于曲线的变化有很大影响。因而对于一种老化了的或者中了毒的NOx存储催化转换器来说其曲线的特征相对于新的状态就发生了变化，这可以例如在后来的曲线起始处，在较低的曲线最大值处，和在催化转换器温度较高时NOx存储能力的提前损失时注意到，因而由最小允许的催化转换器的NOx存储能力所规定的工作范围就相应变得较小。其它的特征变化例如也可以是在规定温度时存储效率的降低、在某个温度范围内存储效率降低的平均值的相应变化或者是催化转换器温度的变化，此时达到了某一个效率。这些特征由分析处理装置或者发动机控制装置来确定，并与予先规定的故障极限值进行比较，当超过该极限值时就发出催化转换器失效的信号，或者确定出过高的硫吸附浓度以及/或者NOx吸附浓度，或者确定出催化转换器已经老化。
图5简明表示了一种适用于实施所述方法的按本发明的废气净化装置，该装置布置在稀薄燃烧的内燃机12的排气管路10里。废气净化装置包括有一个NOx存储催化转换器14，它将稀薄燃烧时由内燃机12所放出的氮氧化物存储起来并且当断续地进行催化转换器还原时由于短时间地调定到浓燃烧工况使其作为无害的氮放出。
在NOx存储催化转换器14之前或者说之后各接入一个λ-传感器16或18，它们在整个工作范围内连续地测量在流入催化转换器14或者说流出催化转换器14的废气里的空气比例，并因而测得相应的λ-值。
除此之外在NOx存储催化转换器14之前或者说之后也各接入一个NOx传感器20或者22，它们测量在NOx存储催化转换器14之前或者说之后的氮氧化物的废气浓度。NOx传感器20和22适应于零点漂移和特征曲线偏置。
所必须的有关流入催化转换器14的废气中氮氧化物浓度或者说NOx物料流量的信息当然也可以应用特征曲线族通过模型化(转速、喷入量)来进行计算，因而前置的用于实施本发明方法的NOx传感器20就不一定必要了，而且对于其它的本发明实施形式来说也可以取消，在这些实施形式中有一个相应的模型化装置取代了这种传感器。
此外后置的NOx传感器22和后置的λ-传感器18也可以集成在一个多功能传感器里，这种传感器即能够测量NOx浓度，也能够测量氧浓度或者说在NOx存储催化转换器14之后的空气比例。相应的也适合于置于NOx存储催化转换器14之前的传感器16和20。
在NOx存储催化转换器14之前或者说之后也分别接入一个(未示出)温度传感器，由其平均测量值确定所需的催化转换器温度T_kat。
传感器信号经过一个(未示出)分析处理装置的导线(同样未示出)引入，在这分析处理装置里这些用于实施该方法所必须的信息，例如催化转换器温度T_kat和在催化转换器之前和之后的NOx物料流量(MNOVK或者MNONK)，就从测量结果求得，并引入给一个(同样未示出)控制装置以控制上面所述的按本发明的方法。分析处理装置和控制装置可以集成在一个配属于内燃机(12)的(未示出)发动机控制装置里。

Claims (19)

1.用于监测一种后置于稀薄燃烧的内燃机(12)的NOx存储催化转换器(14)的方法，其方法步骤如下：
a)测定NOx存储催化转换器之前和之后的NOx废气浓度；
b)从所求出的NOx废气浓度确定NOx存储效率；
c)将所求得的NOx存储效率与一个予先规定的第一极限值NOxMAX相比较，并在超过此极限值时；
d)至少实施一种NOx还原或者脱硫酸盐；重新按方法步骤a)至b)确定NOx存储效率；
将这重新求得的NOx存储效率与第一极限值NOxMAX比较；并
再一次超过此极限值时：指示催化转换器失效。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，与实施一种Nox还原的同时实施脱硫酸盐。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，NOx存储催化转换器(14)中的NOx吸附浓度低于予定的第二极限值。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，NOx存储催化转换器(14)完全还原。
5.按权利要求2至4中任意一项所述的方法，其特征在于，催化转换器温度T_kat位于一个予定的温度范围内TKATMIN＜T_kat＜TKATMAX。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于，温度范围为200-600摄氏度。
7.按权利要求2所述的方法，其特征在于，在NOx存储催化转换器(14)之前以及/或者之后的λ-值＞1。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，稀薄燃烧通过一个为发动机配置的控制装置来指示。
9.按权利要求2所述的方法，其特征在于，方法开始时起动一个时间功能T_DIAG并使所求得的NOx存储效率ETANOX_ERGEB在到达予定的诊断时间时就被存储起来。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，对存储起来的存储效率ETANOX_ERGEB进行计数并在到达一个予定数之后对所存值求平均，并使这样求得的平均值ETANOX_MITTEL与第一极限值NOxMAX相比较。
11.按权利要求9所述的方法，其特征在于，所求得的存储效率用诊断时间T_DIAG里所测定的催化转换器平均温度TKAT_mif加权平均。
12.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在NOx存储催化转换器(14)之后的NOx废气浓度或者NOx物料流量MNONK与存储催化转换器(14)的充满状况有关并给吸附速度RG加权平均。
13.按权利要求5所述的方法，其特征在于，催化转换器平均温度TIKAT_mit由布置在NOx-存储催化转换器(14)之前和之后的温度传感器来测定，或者也可以由相关的发动机控制装置里的信息来计算。
14.按权利要求7所述的方法，其特征在于，λ-值和流入NOx存储催化转换器(14)和/或从其流出的废气的NOx废气浓度由一个前置或者后置于NOx存储催化转换器的多功能传感器来测定，该传感器包括有一个对NOx敏感的和一个对氧敏感的测量装置。
15.用于稀薄燃烧的内燃机(12)的废气净化装置，它具有：
·一个NOx存储催化转换器(14)；
·一个前置于NOx存储催化转换器(14)的λ-传感器(16)；
·一个前置于NOx存储催化转换器(14)的NOx传感器(20)
或者一个模型化装置用于确定流入NOx存储催化转换器(14)里的废气的NOx浓度；
·一个后置于NOx存储催化转换器(14)的NOx传感器(22)；
·还有一个用于传感器信号的分析处理装置；
其特征在于，
·一个后置于NOx存储催化转换器(14)的λ-传感器(16)；和
·一个控制装置，其用于按前述权利要求之一所述的方法进行控制。
16.按权利要求15所述的废气净化装置，其特征在于，在NOx存储催化转换器(14)之前和/或之后也接入了一个温度传感器。
17.按权利要求15所述的废气净化装置，其特征在于，前置和/或后置的传感器(16，20或者18，22)分别集成在一个多功能传感器里，这种传感器至少包括有一个对NOx敏感的和一个对氧敏感的测量装置。
18.按权利要求15所述的废气净化装置，其特征在于，这些传感器(16-22)适应于零点漂移和特征曲线偏置。
19.按照权利要求15～18中之一所述的废气净化装置，其特征在于，设有一个前置于NOx存储催化转换(14)的NOx传感器和一个用于确定流入NOx催化转换器的废气的NOx浓度的模型化装置。
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