一种用于运行带有SCR催化器及在上游起氧化催化作用的排气净化部件的排气净化系统的方法 |
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| 申请号 | CN200980137757.2 | 申请日 | 2009-09-04 | 公开(公告)号 | CN102165157B | 公开(公告)日 | 2014-11-05 |
| 申请人 | 戴姆勒股份公司; | 发明人 | A·马斯纳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于运行机动车 发动机 (1)的排气 净化 系统(28)的方法，其中在所述发动机的排气管路(2)中、在SCR催化器(5)的上游布置有起 氧 化催化作用的排气净化部件(3)。该方法包括：通过在起氧化催化作用的排气净化部件(3)上游排气中存在的 碳 氢化合物的份额与同时存在的SCR催化器(5)的氮氧化物转化之间的相关性来确定起氧化催化作用的排气净化部件(3)的老化状态。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于运行机动车发动机(1)的排气净化系统的方法，其中在所述发动机的排气管路(2)中、在SCR催化器(5)的上游布置有起氧化催化作用的排气净化部件(3)，其中，通过在起氧化催化作用的排气净化部件(3)上游排气中存在的碳氢化合物的份额与同时存在的SCR催化器(5)的氮氧化物转化之间的相关性来确定所述起氧化催化作用的排气净化部件(3)的老化状态，所述的SCR催化器(5)的氮氧化物转化是由供应给排气的尿素溶液释放出的氨对氮氧化物的还原引起的， |
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| 说明书全文 | 一种用于运行带有SCR催化器及在上游起氧化催化作用的排气净化部件的排气净化系统的方法 技术领域[0001] 本发明涉及一种用于运行机动车发动机的排气净化系统的方法，在该发动机的排气管路中布置有起氧化催化（转化）作用（具有氧化催化活性）的排气净化部件，该排气净化部件布置在SCR催化（转化）器的上游，其中，确定所述起氧化催化作用的排气净化部件的老化状态。 背景技术[0002] 在具有发动机的机动车的排气净化系统中使用起氧化催化作用的排气净化部件，是降低有害排放的一种常用措施。在此，特别是在下游连接有其他排气净化部件的情况下，了解起氧化催化作用的排气净化部件的老化状态是很重要的。在因老化导致起氧化催化作用的排气净化部件的催化净化能力下降时，可以对排气净化系统的运行进行相应调整或者指示出该部件需要更换。 [0003] 从DE 197 32 167 A1已知一种用于确定起氧化催化作用的排气净化部件的老化状态的方法，其中确定排气净化部件的排气净化特性并将其与一基准特性相比较。特别地，当在上升段中出现不允许地偏离基准特性的情况时，即诊断为老化。 发明内容[0005] 本发明的目的在于，给出一种用于运行带有起氧化催化作用的排气净化部件和连接在下游的SCR催化器的排气净化系统的方法，其中，可在设备复杂性较低的情况下确定起氧化催化作用的排气净化部件的老化状态。 [0006] 根据本发明方法的突出特点在于，通过在起氧化催化作用的排气净化部件上游排气中存在的碳氢化合物的份额与同时存在的SCR催化器的氮氧化物转化之间的相关性，来确定起氧化催化作用的排气净化部件的老化状态。 [0007] 本发明利用了如下的惊人的发现：SCR催化器所能实现的从氮氧化物（NOx）到氮（N2）的转化至少在特定工作条件下与在上游连接的起氧化催化作用的排气净化部件的老化程度相关。其原因在于起氧化催化作用的排气净化部件具有通过氧化可被氧化的排气成分，如一氧化氮（NO），氢（H2），一氧化碳（CO）和/或碳氢化合物（HC）来改变排气成分的能力。排气成分的改变，特别是通过起氧化催化作用的排气净化部件引起的二氧化氮（NO2）份额的提高，又对SCR催化器所能实现的NOx转化产生反作用。然而，改变排气成分的能力随着起氧化催化作用的排气净化部件的老化而降低。根据本发明，HC被作为测试物质，该测试物质用于检测起氧化催化作用的排气净化部件改变排气成分、进而对SCR催化器的NOx转化能力进行影响的能力，通过在起氧化催化作用的排气净化部件上游排气中存在的HC份额与同时存在的SCR催化器的NOx转化之间的相关性来确定起氧化催化作用的排气净化部件的老化状态。 [0008] 一般地，“起氧化催化作用的排气净化部件”应理解成任一种至少支持对NO的氧化的、用于排气净化的部件。起氧化催化作用的排气净化部件例如可以是氧化催化器、或带有起氧化催化作用的覆层的颗粒过滤器、或上述部件的组合。“SCR催化器”通常理解为能够特别是利用氨（NH3）作为选择性还原剂将氧化条件下的NOx催化还原的催化器。它一般特别是含铁沸石式SCR催化器。 [0009] 在本发明方法的设计方案中，在起氧化催化作用的排气净化部件的上游设定排气中不同的碳氢化合物份额，将与低于一能规定的NOx转化相关的HC份额作为确定老化状态的基础。通过改变HC份额可以更准确地确定，在起氧化催化作用的排气净化部件上游的HC份额是否影响以及在何种程度上影响排气成分——特别是起氧化催化作用的排气净化部件下游的NO2含量——的变化，以及所述HC份额在何种程度上影响SCR催化器的NOx转化。通过NOx转化和HC含量的相关性，可由此推断出老化状态。在此优选与一基准值进行比较，该基准值事先由经验确定并且例如以老化特征曲线的方式提供。HC可能是排气中未燃烧的或部分燃烧的燃料成分，也可能是例如通过发动机后喷射和/或通过由外部引起的二次燃料喷射而被引入排气中。可以确定，尤其是HC含量的值——在该值下低于SCR催化器的一般存在的最大NOx转化——可以作为起氧化催化作用的排气净化部件的老化程度的可靠量度，因此特别可靠地表征该老化程度。 [0010] 在本发明方法的另一种设计方案中，对排气中不同的HC份额的设定在如下的运行点（运行工况）处进行，在该运行点处所述起氧化催化作用的排气净化部件的温度如下：在该温度下由所述起氧化催化作用的排气净化部件在新鲜状态下进行的从NO到NO2的催化氧化至少接近最大。优选运行点的特征在于温度约为200℃至250℃，排气的体积流量（空间速度）约为50000升/小时，排气中氧含量为2%至15%。因老化导致的起氧化催化作用的排气净化部件的HC转化的降低加强了一般存在的、由HC引起的对NO2形成的抑制，其特别是在如下的运行点处很显著，在该运行点处未老化的起氧化催化作用的排气净化部件的NO2形成接近最大。而在NO2形成减少时，布置在下游的SCR催化器的NOx转化一般也降低。因此，利用本发明的方法，可通过HC含量和NOx转化的相关性特别可靠地确定起氧化催化作用的排气净化部件的老化状态。 [0011] 在本发明的另一设计方案中，对排气中不同的HC份额的设定在如下的运行点处进行：在该运行点处SCR催化器温度在180℃至350℃的范围内。在此温度范围内，SCR催化器的NOx转化能力与排气的NO2含量或者NO2与NOx之比相对较强地相关，另一方面，起氧化催化作用的排气净化部件与老化程度相关并且与排气的HC含量相关地能够或多或少有效地将NO氧化为NO2。因此，在180℃至350℃的范围内、特别是在约200℃时，对于常规SCR催化器能通过HC含量和NOx转化之间的相关性特别可靠地确定老化状态。就SCR催化器而言，优选的运行点中排气体积流量约为50000升/小时。 [0012] 在本发明方法的另一设计方案中，根据所述确定的老化状态，使用于运行排气净化系统的特征曲线族适应于通过起氧化催化作用的排气净化部件引起的从NO到NO2的氧化。NO2形成的特征曲线族一般用于为SCR催化器的NOx转化建模或用于对为转化NOx而添加到SCR催化器的还原剂进行基于模型的计量。如果在排气管路中设有颗粒过滤器，优选根据排气中存在的NO2浓度来为该颗粒过滤器的炭黑负载状态建模。基于此确定强制热再生的时间点。通过使存在的特征曲线族或特征曲线与依赖于运行状态的NO2形成相关地匹配或适配于起氧化催化作用的排气净化部件的老化，能够在排气净化系统运行期间优化确定上述的和可能更多的运行变量。通过这种方式，避免了由起氧化催化作用的排气净化部件的老化引起的排气净化系统的净化作用的过度退化，以及由于频繁地强制再生颗粒过滤器引起的不希望的燃料消耗。附图说明 [0013] 本发明的有利实施方式在附图中示出并在下文进行阐述。在此，在不脱离本发明范围的情况下，前述和下文还将说明的特征不仅能以分别描述的组合应用，而且能以其他组合应用或独立地应用。 [0014] 图1示出一机动车发动机的示意性框图，该发动机具有一排气净化系统，该排气净化系统具有SCR催化器和设置在上游的起氧化催化作用的排气净化部件。 [0015] 图2示出用于说明老化度与排气中NO2和NOx的浓度比的相关性的图解，所述排气出现在起氧化催化作用的排气净化系统的出口侧， [0016] 图3示出用于说明SCR催化器的NOx转化与进口侧排气中NO2和NOx的浓度比的一般的相关性的图解， [0017] 图4以不同的老化状态示出用于说明一般存在于起氧化催化作用的排气净化部件的出口侧的NO2和NOx的浓度比与在起氧化催化作用的排气净化部件的进口侧的HC含量的相关性的图解， [0018] 图5针对图1所示的排气净化系统示出用于说明SCR催化器的NOx转化与在起氧化催化作用的排气净化部件上游的HC含量的一般相关性的图解，所述净化部件连接在上游，以及， [0019] 图6示意性地示出一老化特征曲线，该特征曲线由图2和图3所示的图解中的相关性得到。 具体实施方式[0020] 图1示例性地示出一机动车（未示出）的发动机1的示意性框图，发动机1带有相关的排气净化系统28。发动机1的优选形式是压缩空气燃烧式内燃机，以下简称为压燃式发动机。从压燃式发动机1排出的排气被一排气管路2接收，接着流经一氧化催化器3，一颗粒过滤器4和一NOx还原催化器5，所述排气一般含有或多或少的氧。作为优选方案，在NOx还原催化器5的下游连接一第二氧化催化器（未示出），作为所谓的阻挡催化器（Sperrkatalysator）用以对经NOx还原催化器5逃逸的还原剂进行氧化。氧化催化器3和颗粒过滤器4可以彼此紧密相邻地布置在同一壳体内。优选方案是，将氧化催化器3、颗粒过滤器4、NOx还原催化器5和可能存在的阻挡催化器都布置在同一个壳体内，同时利用该壳体形成消声器。颗粒过滤器4优选具有催化剂覆层，该催化剂覆层可促进炭黑燃烧和/或NO的氧化。就此而言，独立地或以整体单元的形式将氧化催化器3和颗粒过滤器4视为在本发明意义上的起氧化催化作用的排气净化部件。 [0021] 为了加热氧化催化器3或排气，可在排气管路2中布置一加热装置26，该加热装置26处于氧化催化器3的进口侧，如图所示。加热装置26的形式可以是电气加热元件，也可以是供热的重整器（Reformer）或预燃器。也可以设计成一燃料喷射装置，该装置当在下游的氧化催化器3上进行氧化时对排气进行加热。特别是在通过燃烧炭黑强制再生颗粒过滤器4时考虑对排气进行加热。为了确定这种再生的必要性，颗粒过滤器4配有一压差传感器22，该压差传感器22传递一可评估颗粒负载的信号。另外设有一排气涡轮增压器6，该排气涡轮增压器6的涡轮由排气流驱动，该排气涡轮增压器6的压缩机通过一进气管路11将经进气管路7吸入的空气输入压燃式发动机1。排气涡轮增压器6的优选形式是所谓的VTG增压器，该VTG增压器的涡轮叶片能被可变地设定。 [0022] 在进气管路11中设置一节流阀12用以调节输入压燃式发动机1的空气量。在进气管路7中设有空气滤清器8和一空气流量计9用以净化进气和测量进气量。设置在进气管路中的增压空气冷却器10用于冷却经压缩的进气。此外，设有可通过排气再循环阀调节的排气再循环系统（未示出），利用所述排气再循环系统可将能够预先设定的再循环排气量引入进气中。 [0023] 在NOx还原催化器5的上游设有带计量单元27的给料点，该给料点用于为排气提供还原剂。计量单元27从一容器（未示出）供给还原剂。在下文中假设所述还原剂为尿素水溶液，该尿素水溶液由计量单元27以计量方式输入排气。在热排气中，通过热解和/或水解释放出NH3，所述NH3选择性地还原排气中所含的NOx。因此，NOx还原催化器5的形式为传统的基于V2O5/WO3的SCR催化器或为带沸石涂层的载体式SCR催化器。但对于计量供给其它还原剂的情况，也可以独立/自由地或者以结合的方式有利地应用本发明。 [0024] 为了控制排气净化系统28和压燃式发动机1的运行，设有一控制单元（图1中未示出）。控制单元取得关于压燃式发动机1和排气净化系统28的运行状态变量的信息。关于发动机运行变量的信息可例如涉及输出扭矩或转速。控制单元优选包括计算单元、存储单元以及输入输出单元。因此，控制单元能够执行复杂的信号处理程序，获知压燃式发动机1和排气净化系统28的运行情况并对其进行控制或调节。为此所需的特征曲线族优选存储在存储单元中，其中也可以对特征曲线族进行适应性匹配。所述特征曲线族主要涉及排气的决定性的状态变量例如质量流量、未经处理的排放和温度与压燃式发动机1的运行状态变量的相关性，所述运行状态变量例如有负荷、转速、空气比例（空燃比）等等。另外还设有关于氧化催化器3、颗粒过滤器4和SCR催化器5的决定性状态变量的特征曲线族。 [0025] 对于SCR催化器5，这些特征曲线族特别是涉及NOx转化或者说NOx转化效率以及NH3存储能力与对其有决定性影响的变量、尤其是排气中NO2和NOx的浓度比的相关性。对于氧化催化器3，尤其是与其老化程度相关地设有涉及其转化能力和/或启动温度与温度和流量的相关性的特征曲线或特征曲线族。对于颗粒过滤器4，所提供的特征曲线和特征曲线族涉及颗粒过滤器4的颗粒负载与排气压力或压力损失的相关性，所提供的特征曲线族涉及通过排气所含的NO2对累积的炭黑颗粒的氧化。 [0026] 对压燃式发动机1、排气净化系统28及相关单元的运行状态的检测优选至少部分地利用合适的传感器来进行。例如图1示出用于（测量）涡轮增压器6的压缩机前的压力和涡轮前的压力的压力传感器13和15，以及分别用于（测量）以下位置的温度的温度传感器14、16、18、19、21、23和24：增压空气冷却器10后、涡轮前、氧化催化器3前、颗粒过滤器4前和颗粒过滤器后、以及SCR催化器5前和SCR催化器后。也可设有其他传感器，特别是用于对排气成分进行检测的传感器。例如可设有氧传感器（λ传感器）17和用于（测量）排气中氮氧化物含量和/或NH3含量的传感器20和25。传感器的信号由控制单元处理，使得总是能够提供主要的状态变量并在必要时将压燃式发动机的运行点改变成，实现排气净化系统28的优化运行。优选地，对氧化催化器3、颗粒过滤器4和SCR催化器5的行为/特性进行计算建模，所述建模引用前述的特征曲线或特征曲线族，其中优选在特别是因老化引起变化时对其进行适应性调整。在此，利用所设的传感器对所述行为进行连续的监测。 [0027] 为了说明根据本发明的方法，下文中首先参考图2和图3。 [0028] 图2用一图解示意性地示出在颗粒过滤器4的出口侧排气中NO2和NOx的浓度比与氧化催化器3的老化状态和/或与颗粒过滤器4的起氧化催化作用的涂层的老化状态的一般的相关性。在此，NOx应如常规那样理解成氮氧化物NO和NO2的总和。从图中可见，排气中NO2/NOx的浓度比随着老化的加剧而下降。这一点是由于老化引起的能力、特别是氧化催化器3对排气中存在的NO进行氧化的能力的降低。在这方面应指出，压燃式发动机排放的NOx最初几乎完全是NO。图2的图解所示的相关性一般在200℃至350℃的范围内、尤其是200℃左右的较低排气温度下、在约50000升/小时以上的排气体积流量下特别明显。老化优选以老化因子的形式给出或以其他方式标准化，例如通过与CO或HC的氧化起始温度的相关性进行标准化。 [0029] 另一方面，在颗粒过滤器4的出口侧排气中、因而在SCR催化器5的进口侧的排气中存在的排气中NO2/NOx浓度比一般对SCR催化器5的NOx转化能力有影响。在图3的图解中示意性地示出这种关系。从图中可见，从很低的NO2/NOx浓度比开始，NOx转化起初随着NO2/NOx浓度比的增大而增多，当NO2/NOx浓度比进一步增大时NOx转化保持大致恒定并且最大。在此假定SCR催化器5在还原剂输入方面优化地、至少是几乎无空隙地（schlupffrei）运行。特征性地，从约0.5的NO2/NOx浓度比起，NO2成分的增加便不再使NOx转化明显提高。图3的图解所示的相关性一般在180℃至350℃范围内、尤其是200℃左右的较低排气温度下、在约50000升/小时以上的排气体积流量下特别明显。 [0030] 基于所述的关系，在运行排气净化系统28时特别是在SCR催化器5的温度低于约350℃时力求约0.5的NO2/NOx浓度比，以实现尽可能高的NOx转化。当NO2/NOx浓度比明显更高时，某些情况下存在NO2转化不完全的危险。 [0031] 但起氧化催化作用的排气净化部件，即氧化催化器3和/或颗粒过滤器4具备的提高NO2/NOx浓度比的能力不仅如图2的图解所示那样，随老化度的增加而下降。排气中的HC成分同样具有抑制作用，这一点参照图4进行解释。图4用一图解示意性地示出，针对氧化催化器3和/或颗粒过滤器4的起氧化催化作用的涂层的不同老化状态，在颗粒过滤器4出口侧排气中的NO2/NOx浓度比与在氧化催化器3上游的排气中的HC份额的一般的相关性。从图中可见，NO2/NOx浓度比随着HC份额的增加而降低。由于附加地给出与老化状态的相关性，随着老化的加剧，相应的特征曲线依次位于下方。举例来说，当氧化催化器3的老化程度加重时，在排气中的HC含量更低时就达到了0.5的NO2/NOx浓度比限值。相反地示出，氧化催化器3的老化程度较轻时HC的容限相应地更高。 [0032] 在考虑图3和图4所示关系的情况下得出与氧化催化器3或颗粒过滤器4的起氧化催化作用的涂层的老化状态相关的、SCR催化器5的NOx转化与在氧化催化器3上游的排气中存在的HC含量的相关性。这些关系在图5的图解中示意性地示出。相应的特征曲线以典型的曲线示出，当排气的HC份额较低时，NOx转化大致恒定且为最大值。一般地，随着HC份额的上升，在一与氧化催化器3和/或颗粒过滤器4的起氧化催化作用的涂层的老化相关的点50，51，52处，在其他条件不变的情况下确定出NOx转化的下降。特征性地，尤其是在180℃至350℃范围内的优选较低的排气温度下、在约50000升/小时以上的排气体积流量下，所述特征曲线具有转折部，所述转折部形成或多或少的尖部并且例如可利用合适的NOx传感器系统检测。 [0033] 利用此前凭经验确定的对比特征曲线，可使相应转折点50、51、52关于相关HC含量的位置与氧化催化器3和/或颗粒过滤器4的起氧化催化作用的涂层的特定老化状态相关联。在图6中示意性地用图解示出相应的老化特征曲线。所示的老化特征曲线表征，任意定义的老化因子AF与在根据图5的NOx转化曲线的相应转折点50、51、52处存在的、氧*化催化器3的进口侧排气中HC份额HC 的相关性。 [0034] 在实际执行上文中就其主要步骤进行示意性解释的方法时，优选启动一检查例程，该检查例程优选如下地进行。在压燃式发动机1常规工作时，优选借助基于模型的控制或调节向SCR催化器5供应氨或尿素溶液，使得NOx转化最大同时使氨逃逸保持在能规定的限值内。如果确定了具有能规定的运行变量的运行点，则使在氧化催化器3进口侧的排气的HC含量以步进方式、以能规定的时间间隔增加能规定的量直到一能规定的最大量。这一点优选通过激活稍后的向压燃式发动机1的燃烧室中的燃料后喷射来实现，或通过激活用于向排气管路2中二次喷射燃料的装置来实现。利用可由控制单元确定的排气流量，确定排气中的相应HC份额。在优选运行点处触发或激活检查例程的启动，该优选运行点例如具有如下特征：氧化催化器3或SCR催化器5的平均排气体积流量为约50000升/小时，以及氧化催化器3和/或颗粒过滤器4或SCR催化器5的温度为约250℃或约200℃。 [0035] 针对每一个如所述规定地设定的、在氧化催化器3的进口侧排气中的HC份额，确定SCR催化器5的相关NOx转化。优选地，控制单元为此评估氮氧化物传感器25的信号以及通过测量手段获得的或由特征曲线给出的SCR催化器5上游的氮氧化物含量。HC份额和相关的NOx转化已在上文利用图5的图解进行解释，被绘制成特征曲线并存储起来。接收到特征曲线后，检查例程终止并返回不具有后喷射或二次喷射的常规发动机运行状态。 [0036] 在与降到低于一能规定的NOx转化相关的HC份额方面，对已确定的NOx转化关于*经调节的HC份额的特征曲线进行分析。优选确定一特征值HC，该特征值给出排气中设定的最大HC份额同时比所述确定的最大NOx转化低一能规定的（很小的）量。一种有利的替代或附加的评估例程包括对特征曲线的计算导数，即确定特征曲线的斜率。在此，根据图5的特征曲线的转折行为通过一阶跃而在外观上更明显，这一点改善了评估的可靠性和准确* 性。作为特征值HC，在此情况下规定降到低于特征曲线斜率的一能规定的值或出现一阶跃。 [0037] 如果确定出在必要时关于静态可靠性检查的特征值HC*，则使该特征值HC*与氧化催化器3和/或颗粒过滤器4的起氧化催化作用的涂层的形式为老化因子AF的老化状态相关。为此优选与根据图6的事先存储的特征曲线进行比较。 [0038] 在所述类型的机动车的运行持续过程中，通过以反复方式执行检查例程，就能获知到逐时老化过程。根据已确定的老化状态或已确定的老化过程，可以对压燃式发动机1或排气净化系统28的运行进行干涉，使之调整到与老化状态相适应。 [0039] 例如存储了针对特征曲线族的调整，以便于排气净化系统28的运行，该特征曲线族反应了从NO到NO2的氧化过程与所确定的老化状态的关系，所述老化状态受各个起氧化催化作用的排气净化部件的影响。这又实现了对还原剂的计量进行调整，所述还原剂用于SCR催化器5对NOx的还原，所述的调整方式为调整供应量和老化时NO2供应的释放温度。另外也可使一定量已供应的，由于老化而导致发生还原的NO2流入SCR催化器5的转换NOx的转化模块，和/或流入颗粒过滤器4的炭黑承载模块。由此可以最优的方式确定，颗粒过滤器强制再生的时间间隔是否可能需要缩短。随着确定HC或二次燃料供应的释放温度，对燃料或HC氧化的起始温度也可供调整，所述燃料或HC由于已确定的老化而导致发生还原，所述二次燃料供应用于颗粒过滤器的强制再生。 |
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