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CN105697112A - 用于监测氧化催化装置的方法 - Google Patents

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CN105697112A CN201510922576.8A CN201510922576A CN105697112A CN 105697112 A CN105697112 A CN 105697112A CN 201510922576 A CN201510922576 A CN 201510922576A CN 105697112 A CN105697112 A CN 105697112A
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Abstract

本发明涉及一种用于监测配置在车辆的内燃发动机的排气管线中的氧化催化装置或DOC的方法，处于DOC的入口温度(2)和出口温度(3)的预定范围中，包括：分阶段(5、6)向DOC的入口中相继喷射预定燃料量；在每次喷射燃料量之后记录DOC的出口温度(3)；对于DOC的出口温度(3)开始降低的给定阶段记录总喷射量；确定所监测DOC的特性；然后使该特性与类似DOC的已经提前建立的测试特性进行比较，以便确定所监测DOC的不应被超过的阈值劣化。

Description

用于监测氧化催化装置的方法
技术领域
本发明涉及用于监测配置在车辆的内燃发动机的排气管线中的氧化催化装置的方法，所述方法在内燃发动机运行期间启动。
背景技术
氧化催化装置，也被称为DOC装置或DOC(其代表“柴油氧化催化器”)，是一种置于柴油发动机车辆的排气管线中的装置，其尽可能靠近发动机，使得它尽快达到其150℃-200℃的操作温度，并且其使用排气中的数种成分的氧气来执行氧化，特别是经由以下三个氧化反应：
·一氧化碳(CO)的氧化，
·碳氢化合物(HC)的氧化，
·柴油微粒(SOF)的有机成分的氧化。
排气管线中的氧化催化装置总体上承担至少三种主要功能，其为：
1.将CO和HC转变为二氧化碳(CO2)和水(H2O)，
2.进行所定时长的放热反应，以便在适当情况下重新生成位于排气管线中的DOC装置下游的微粒过滤器，和
3.使一氧化氮(NO)尽可能多地氧化，以将之转变成二氧化氮(NO2)，以便使在适当情况下在排气管线中位于下游的SCR(选择性催化还原)类型的装置更有效。
许多国家的法律要求需要监测DOC装置在其使用过程中的功能，特别是将一氧化碳(CO)和/或碳氢化合物转变成二氧化碳(CO2)和水(H2O)的功能。
文献EP2216522A1公开了一种用于监测置于内燃发动机的排气管线中的氧化催化转化器的方法，在该方法中，对催化转化器的诊断涉及测试周期，在此期间，基于通过向催化转化器中后期喷射给定燃料量所产生的临时放热反应来确定氧化催化转化器转变碳氢化合物(HC)的能力。然后将所获得的放热反应与预期的修正放热反应模型进行比较，以便建立对氧化催化转化器的诊断，作为OBD(其代表车载诊断)的一部分。
这种方法具有的主要缺点是，其效率取决于模型的精度以及模型中所使用的参数的分散性(spread)，特别是所喷射的燃料量、气体的流量、催化剂，从而导致温度估值自身的分散。
本发明提出了一种用于监测氧化催化装置的方法的替代方案，旨在建立作为氧化催化转化器与其劣化有关的诊断，作为OBD(车载诊断)过程的一部分。
更具体地，本发明涉及一种用于监测配置在车辆的内燃发动机的排气管线中的氧化催化装置的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
·在内燃发动机处于氧化催化装置的入口温度和出口温度的预定范围中运行期间启动所述监测方法，
·在入口温度的所述预定范围内，分阶段在所述氧化催化装置的入口处相继喷射预定的燃料量，对于每个阶段喷射一个预定燃料量，所述预定燃料量大于前一阶段中喷射的量，
·在每个阶段喷射了每个预定燃料量之后记录所述氧化催化装置的出口温度，
·记录对于氧化催化装置的出口温度开始降低的给定阶段所喷射的总量，该事件确定被监测的所述氧化催化装置的特性，
·然后将所监测氧化催化装置的所述确定特性与类似氧化催化装置的已经提前建立的测试特性进行比较，以便确定所监测氧化催化装置的不应被超过的阈值劣化，然后按如下方式建立诊断结果：
-如果所述确定特性认为所监测的所述氧化催化装置超过了不应被超过的所述劣化阈值，则将氧化催化装置的故障诊断结果反映在车辆中，并且
-如果所述确定特性认为所监测的所述氧化催化装置低于或处于不应被超过的所述劣化阈值，则做出氧化催化装置是正常的诊断结果。
本发明的方法提出了在相应阶段多次喷射燃料之后随着放热反应的进行而监测温度的降低，从而监测操作点，方法是使它与源自在类似的但是老化了的氧化催化装置上进行的测试的操作点进行比较。作为结果，误差裕度相对较小，基准采自实验事实而不是模型，并且旨在进行诊断的比较变得简单。当累计放热反应的温度降低时，其意味着所监测和测试的催化装置不再能够转变相应的喷射燃料量，然后全部所需的是使该燃料量与在类似的但是已经以受控方式老化了的催化装置中导致温度降低的量进行比较，以便例如发现其自身处于可接受的劣化极限，其仍然有必要根据需要通过简单测试来限定，例如根据是否符合特定法规，以便能够诊断被监测和测试的装置是否仍然可被认为是有效的。本文所谓的类似氧化催化装置是指这样一种催化装置，其为相同的型号，并且具有起初与在任何使用之前即全新时的被监测和测试的催化装置相同的特性。可通过建模或通过使用温度传感器进行测量，来以已知方式确定被监测的催化装置的入口温度。假如符合催化装置的入口温度，则可使用催化装置的出口温度的模型，在发动机以稳定排气流量或以任何发动机操作模式进行操作的情况下执行本发明的方法。两个方案可一起使用。催化装置的出口温度的模型将使得能够使用来自催化装置的出口处的测量温度的简单差异，来区分由于车辆加速导致排气流量上升而引起的催化装置的出口温度降低的现象与由于本发明的方法而引起的催化装置的出口温度降低的现象。催化装置的出口温度的这种模型由发动机控制单元已知，并且可基于测量气体向发动机中的入口流量的流量计、扭矩需求指示器或燃料喷射系统。此外，通过发动机控制单元在内燃发动机中监测和知晓排气流量的稳定性。
根据一个有利特征，所述测试特性确定向类似氧化催化装置中喷射的总测试燃料量，其对应于所监测氧化催化装置的不应被超过的所述阈值劣化。
根据一个有利特征，根据确定特性与测试特性之间的量化差异来建立所监测氧化催化装置的诊断劣化的尺度，以便能在车辆中提供所监测氧化催化装置的劣化量度。
该特征允许车辆的所有者或其使用者被提供与车辆DOC系统的必需维修的紧迫性(视情况而定)有关的信息，并且给予他在车辆的氧化催化系统上完成工件的时间。
根据一个有利特征，通过将所述测试量分割成多个分割量来获得向排气管线中喷射的预定燃料量，所述分割量的值根据劣化诊断的所需精度而定。
该特征使得能够限定出本发明的监测方法的精度或分辨率，其对应于测试量的所述基本分割量。
根据一个有利特征，在每个阶段中，使前一阶段喷射的总燃料量递增一个所述基本分割量。
根据该特征，对于第一阶段喷射的燃料量可以例如等于所述基本分割量，对于紧随第一阶段的第二阶段喷射的燃料量可以例如等于基本分割量的两倍，以此类推，在每个阶段向对于前一阶段喷射的燃料量增加一个基本分割量。
根据一个有利特征，在车辆的电子控制单元中实施对应于所监测氧化催化装置的不应被超过的劣化阈值的向类似氧化催化装置中喷射的所述总测试燃料量。
根据一个有利特征，建立向类似氧化催化装置中喷射的所述总测试燃料量涉及以下步骤：
·使类似氧化催化装置老化至劣化极限，其基准是所寻求的，以便在所述比较步骤中建立所监测氧化催化装置的不应被超过的所述阈值劣化，
·然后记录在该劣化极限时向所述类似氧化催化装置中喷射的总燃料量，超过所述劣化极限时对于催化装置入口温度的给定范围而言氧化催化装置的出口温度将降低，并且所述劣化极限限定出所述总测试燃料量。
起初与被监测和测试的氧化催化装置相同的氧化催化装置的所寻求老化例如通过运行相同的车辆或者以发动机测试台或在烘箱中达给定时间和给定温度来实现。以受控方式如此获得的老化可以例如表示在操作条件的极限时转换HC的操作，其满足特定排放标准。例如通过在每个阶段相继喷射预定燃料量来获得总测试燃料量。因此，经由总测试燃料量来获得所监测装置的测试特性。
根据一个有利特征，本发明的方法以侵入方式启动。
本文所谓的侵入方式是指强制启动特定方法，其旨在通过例如在所监测氧化催化装置的入口温度的预定范围中在后期喷射中分阶段喷射燃料量来测试所监测的氧化催化装置。例如，可在微粒过滤器的再生开始时以侵入方式启动本发明的方法。后期喷射是指例如在燃烧结束时或排气开始时喷射燃料，以便如此喷射的燃料不会在燃烧室中燃烧。
根据一个有利特征，在所述氧化催化装置的出口处记录的并且开始降低的所述温度为150℃-350℃。
本发明还涉及一种用于监测配置在车辆的内燃发动机的排气管线中的氧化催化装置的劣化的装置，其包括氧化催化装置、用于分阶段向排气管线中相继喷射预定燃料量的器件、用于测量所述氧化催化装置的出口处的温度的器件、用于确定所述氧化催化装置的入口温度的器件，其特征在于，它包括用于实施本发明的方法的步骤的器件。
附图说明
其它特征和优点将在阅读以下伴随附图描述的本发明的方法和装置的示例性实施例后变得显而易见，其中的示例是通过非限制性的说明给出的，并且附图中：
-图1是示出了本发明的监测氧化催化装置的劣化的方法的示例性实施例的图，
-图2是示出了测试特性的一个示例的氧化催化装置的状态图。
具体实施方式
图1所示的方法是根据本发明的用于监测的方法，其应用于同样以已知方式配置在车辆的内燃发动机的排气管线中的已知类型的氧化催化装置，所述车辆的内燃发动机例如为涡轮增压柴油发动机，所述涡轮增压柴油发动机从发动机起从上游到下游包括：涡轮增压器的涡轮、氧化催化装置或DOC、微粒过滤器或DPF(柴油微粒过滤器)以及选择性催化还原或SCR装置，或者最后两个的顺序交换一下。在没有涡轮的情况下，氧化催化装置或DOC有利地直接位于发动机的下游。
图1示出了表示本发明的监测方法的参数如何发展。横轴表示以秒为单位的时间t，而纵轴表示三个尺度的参数，即以摄氏度建模或测量的氧化催化装置或DOC的入口温度、其以摄氏度单位的必定会被测的量出口温度、以及以毫克每喷射(mg/st或毫克/喷射)为单位的每阶段喷射的燃料量。
曲线1示出了每阶段向正被监测的处于运行中的氧化催化装置或DOC的入口中喷射的燃料量如何变化，曲线2示出了正被监测的处于运行中的氧化催化装置或DOC的入口温度的演变，曲线3示出了正被监测的处于运行中的氧化催化装置或DOC的出口温度的演变，而曲线4示出了全新时的类似于正被监测的但是用作本例的基准的氧化催化装置或DOC的出口温度的演变。
经由图1示出的监测方法包括以下步骤：
·在氧化催化装置的入口温度和出口温度处于预定范围中的内燃发动机的操作期间启动监测方法，出口温度与入口温度为同一量级，例如入口温度约为200℃而出口温度约为220℃，如时间t=25s时的曲线2和3所示，即等待例如25秒之后以便入口温度和出口温度稳定；
·在入口温度的所述预定范围中，即在本例中在时间t=25s时约为200℃，向氧化催化装置的入口喷射第一预定燃料量，该量例如等于1毫克/喷射，即一次向一个气缸中喷射1mg，其限定出第一阶段5；该第一预定燃料量例如是在发动机循环的后期喷射阶段从发动机的喷射器喷出的，以免在燃烧室中燃烧，例如在压缩冲程上的上死点(TDC)之后的120°-260°，例如在TDC之后大致150°；
·然后记录已经喷射了该第一预定燃料量之后的氧化催化装置的出口处的温度，如曲线3所示，该出口温度被监测所需的时长，以在DOC中实现完全放热反应；图1中的曲线3示出了由放热反应引起的该出口温度的升高，其与曲线4相比被认为是正常的，所述曲线4从实验上示出了类似的但是全新的DOC的相同演变；
·然后，仍然在入口温度的预定范围中，即在本例中在时间t=125s时为200℃，在记录到DOC的出口温度没有降低的情况下，向氧化催化装置的入口中喷射第二预定燃料量，该量大于第一预定燃料量，在本例中等于2毫克/喷射，其限定出第二阶段6；该第二预定燃料量类似第一预定燃料量例如是在发动机循环的后期喷射阶段中从发动机的喷射器喷出的，以免在燃烧室中燃烧；
·再次记录已经喷射了该第二预定燃料量之后的氧化催化装置的出口温度，如曲线3所示，该出口温度被监测所需时长，以在DOC中实现相应的完全放热反应；图1中的曲线3示出了在喷射第二燃料量稍后该出口温度从约240℃的温度降低，该降低是由于不存在“通常”预期的放热反应或者是由于部分或完全没有反应而引起的，因此其与曲线4相比必须被认为是异常的，所述曲线4从实验上并且只对于本说明书示出了类似的但是全新的DOC的正常演变，并且表明了对于这种喷射燃料量，DOC的出口温度根据正常的放热反应应该升高；
·因此记录氧化催化装置的出口温度开始降低的该第二阶段中的总喷射量，该事件确定所监测氧化催化装置的特性；
·然后将所监测氧化催化装置的该确定特性与类似氧化催化装置的已经提前建立的测试特性(未示出)进行比较，以便确定所监测氧化催化装置的不应被超过的阈值劣化，然后按如下方式建立诊断结果：
-如果确定特性认为所监测氧化催化装置超过了不应被超过的劣化阈值，则将氧化催化装置的故障诊断结果反映在车辆中，例如OBD系统上，并且
-如果确定特性认为所监测氧化催化装置低于或处于不应被超过的劣化阈值，则做出氧化催化装置是正常的诊断结果。
有利地可以以侵入方式(intrusively)启动上述方法，例如在微粒过滤器的再生开始时，例如在发动机循环的后期喷射阶段中在200℃左右的催化装置入口温度时。在所述监测方法正被执行时，发动机控制单元将以已知方式允许排气流量的稳定性得到监测，使得监测方法在排气处于稳定状态的情况下进行，大约为这样一个值，其大致恒定在例如由校准确定的正负15%的范围内。当排气处于非稳定状态时，可以替代地启动监测方法，前提是DOC的入口温度符合以上所说明的，使用催化装置的出口温度的本领域技术人员公知的模型，该模型将允许所寻求的温度降低被监测到，根据的是所述监测方法，并且考虑由所述模型给出的出口温度来根据所述监测方法估算DOC出口温度，其使用催化装置的出口处的温度传感器来完成。
在图1的示例中，测试特性确定向类似氧化催化装置中喷射的总测试燃料量，其对应于所监测氧化催化装置的不应被超过的阈值劣化。该测试量在图1的示例中为1-2毫克/喷射，因为DOC的出口温度在1毫克/喷射时升高，而在2毫克/喷射时降低。
优选地，在氧化催化装置的出口处记录的温度(曲线3)在它开始降低时为150℃-350℃，以使温度降低现象更明显。具体地，在高DOC入口温度时，DOC的出口处所寻求的温度降低现象不太明显或并不存在。例如，对于300℃左右的高DOC入口温度而言，DOC更有效，因此将有必要喷射更多的燃料量，以便能够在出口温度中看到任何折曲(kink)。这意味着为了启动本发明的方法，DOC入口温度优选为150℃-250℃。DOC起动温度根据所使用材料的质量和数量而变化。
有利地，可根据确定特性与测试特性之间的量化差异来建立所监测氧化催化装置的诊断劣化的尺度，以便能在车辆中提供所监测氧化催化装置的劣化量度。
其可以在于，在必要时降低从一阶段到另一阶段的所喷射燃料量的增量，以便调整诊断的精度。
优选地，通过将测试燃料量分割成多个分割量来获得向排气管线中喷射的预定燃料量，所述分割量的值根据劣化诊断的所需精度而定。
在图1的示例中，在每个阶段中，使前一阶段喷射的总燃料量递增一个基本分割量，其在本例中等于1毫克/喷射。测试燃料量可以为1mg-10mg每次喷射和每个气缸，并且更加常见为5-7mg每次喷射。在各阶段之间，有必要观察最小时间周期，其中在适当情况下旨在进行放热反应，其持续例如30秒。
有利地在车辆的电子控制单元(例如发动机控制单元)中实施对应于所监测氧化催化装置的不应被超过的阈值劣化的向类似氧化催化装置中喷射的该总测试燃料量，使得该单元能快速地进行比较步骤。
现在将借助于图2来描述用于初步建立向与所监测和测试的氧化催化装置类似的氧化催化装置中喷射的总测试燃料量的示例方法，该方法包括以下步骤：
·使类似氧化催化装置老化至劣化极限，其基准是所寻求的，以便借助于图1在上述方法的比较步骤中建立所监测氧化催化装置的不应被超过的阈值劣化，
·然后记录在该劣化极限时向类似氧化催化装置中喷射的总燃料量，超过所述劣化极限时氧化催化装置的出口温度将降低，并且所述劣化极限限定出总测试燃料量。
图2示出了氧化催化装置或DOC在其整个寿命内相对于DOC的出口处的多种未燃烧碳氢化合物排放而言的特性的数个曲线9、10、11和12。每个曲线表示氧化催化装置的一个给定状态。横轴为单位为km的所覆盖距离的尺度，例如在NEDC周期中持续1200秒或者在WLTC周期中持续1800秒，而纵轴为氧化催化装置或DOC之后的根据其所考虑状态而存在的碳氢化合物量的尺度。第一层级7限定出在所考虑DOC的出口处存在的碳氢化合物排放的最大容许量，或同意排放阈值，例如90毫克每公里(在欧6标准的背景中从“THC+NOx和NOx”阈值推导出)。第二层级8(高于第一层级7)限定出所考虑DOC的出口处的碳氢化合物排放阈值，其不再被容许，并且需要立即干预警报或在仪表盘上点亮MIL(故障指示灯)，这也被称为OBD阈值，例如为320毫克每公里，对应于NMHC阈值(欧6标准背景中的“非甲烷碳氢化合物”阈值)。
在图2中，曲线9表示所考虑DOC装置在全新时的特性。曲线10表示已老化但仍可运行的所考虑DOC装置的特性。曲线11表示已老化至稍低于OBD阈值的所考虑DOC装置的特性。曲线12表示已老化超过OBD阈值并且必须启动MIL的所考虑DOC装置的特性。
DOC的老化层级取决于时间和温度。这些人为老化可通过例如使DOC穿过烘箱达给定时长和给定温度来获得，所述给定时长和给定温度是可变的，以便获得不同的老化层级。
在本发明的背景中并且根据以上在图2中给出的背景，DOC装置的测试特性可在OBD阈值层级(如果采取该基准层级的话)处执行，并且在该老化阶段对于DOC的给定入口温度，测量向其中喷射的燃料量，超过它时会观察到DOC出口温度的降低。例如，以这种方式确定了如此老化的DOC装置在5毫克/喷射时表现出温度折曲。该燃料量构成如上所述的监测方法的总测试燃料量。基本分割量可以设定为例如1毫克/喷射。可以根据待反映在车辆中的信息选择所监测DOC装置的另一测试特性，例如排放阈值的特性。
可以看出的是，测试特性由测试燃料量的单个值表示，其构成可靠的、简单的基准，其占据例如发动机控制单元中的很少内存空间。
本发明的方法也可应用于具有三路催化转化器的稀薄燃烧(富裕度<1)汽油直接喷射发动机。
本发明的用于监测配置在车辆的内燃发动机的排气管线中的氧化催化装置或DOC的劣化的一个示例装置以已知方式包括：氧化催化装置或DOC；分阶段向排气管线中相继喷射预定燃料量的器件，例如就位于发动机中用于向气缸中喷射燃料以生成发动机扭矩的系统，以已知方式包括发动机控制单元或ECU；测量氧化催化装置的出口温度的器件，例如通常已经就位于装配有DOC装置的车辆中的温度传感器；用于确定氧化催化装置的入口温度的器件，所述入口温度经由温度传感器获得或通过对该温度建模而获得；用于在车辆中反映DOC装置的诊断结果的器件，例如用于在OBD系统中记录信息的装置。该装置进一步包括用于实施上述方法的步骤的呈在发动机控制单元中执行的软件形式的器件。

Claims (10)

1.一种用于监测配置在车辆的内燃发动机的排气管线中的氧化催化装置的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
·在内燃发动机处于氧化催化装置的入口温度(2)和出口温度(3)的预定范围中运行期间启动所述监测方法，
·在入口温度的所述预定范围内，分阶段(5、6)在所述氧化催化装置的入口处相继喷射预定的燃料量，对于每个阶段喷射一个预定燃料量，所述预定燃料量大于前一阶段中喷射的量，
·在每个阶段喷射了每个预定燃料量之后记录所述氧化催化装置的出口温度(3)，
·记录对于氧化催化装置的出口温度开始降低的给定阶段所喷射的总量，该事件确定被监测的所述氧化催化装置的特性，
·然后将所监测氧化催化装置的所述确定特性与类似氧化催化装置的已经提前建立的测试特性进行比较，以便确定所监测氧化催化装置的不应被超过的阈值劣化，然后按如下方式建立诊断结果：
-如果所述确定特性认为所监测的所述氧化催化装置超过了不应被超过的所述劣化阈值，则将氧化催化装置的故障诊断结果反映在车辆中，并且
-如果所述确定特性认为所监测的所述氧化催化装置低于或处于不应被超过的所述劣化阈值，则做出氧化催化装置是正常的诊断结果。
2.如权利要求1所述的监测方法，其中，所述测试特性确定向类似氧化催化装置中喷射的总测试燃料量，其对应于所监测氧化催化装置的不应被超过的所述阈值劣化。
3.如权利要求1和2中任一项所述的监测方法，其中，根据确定特性与测试特性之间的量化差异来建立所监测氧化催化装置的诊断劣化的尺度，以便能在车辆中提供所监测氧化催化装置的劣化量度。
4.如权利要求2和3中任一项所述的监测方法，其中，通过将所述测试燃料量分割成多个分割量来获得向排气管线中喷射的预定燃料量，所述分割量的值根据劣化诊断的所需精度而定。
5.如权利要求4所述的监测方法，其中，在每个阶段中，使前一阶段喷射的总燃料量递增一个所述基本分割量。
6.如权利要求2-5中任一项所述的监测方法，其中，在车辆的电子控制单元中实施对应于所监测氧化催化装置的不应被超过的劣化阈值的向类似氧化催化装置中喷射的所述总测试燃料量。
7.如权利要求2-6中任一项所述的监测方法，其中，初步建立向类似氧化催化装置中喷射的所述总测试燃料量涉及以下步骤：
·使类似氧化催化装置老化至劣化极限，其基准是所寻求的，以便在所述比较步骤中建立所监测氧化催化装置的不应被超过的所述阈值劣化，
·然后记录在该劣化极限时向所述类似氧化催化装置中喷射的总燃料量，超过所述劣化极限时氧化催化装置的出口温度将降低，并且所述劣化极限限定出所述总测试燃料量。
8.如权利要求1-7中任一项所述的监测方法，其特征在于，它以侵入方式启动。
9.如权利要求1-8中任一项所述的监测方法，其中，在所述氧化催化装置的出口处记录的并且开始降低的所述温度为150℃-350℃。
10.一种用于监测配置在车辆的内燃发动机的排气管线中的氧化催化装置的劣化的装置，包括氧化催化装置、用于分阶段向排气管线中相继喷射预定燃料量的器件、用于测量所述氧化催化装置的出口处的温度的器件、用于确定所述氧化催化装置的入口温度的器件，其特征在于，它包括用于实施如权利要求1-9中任一项所述的方法的步骤的器件。
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