CN105484885A - 用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法 - Google Patents

用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法 Download PDF

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Abstract

用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法，包括如下步骤：在压缩天然气发动机中以小于1的空气燃烧当量比燃烧燃料的稀燃步骤；算出用于净化发动机的排气的氧化催化剂的活性度的活性度算出步骤；根据算出的氧化催化剂的活性度及发动机的运行状态而判断是否需要进行再生，以恢复氧化催化剂的活性度的再生判断步骤；及在上述再生判断步骤中判断为氧化催化剂的活性度为预设的基准值以下，发动机的运行状态为预设的每分钟转速以下的情况下，将空气燃烧当量比增加到1.10至1.20而使燃料燃烧的催化剂再生步骤。

Description

用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法
技术领域
本发明涉及用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法。更具体地，涉及用于维持对从压缩天然气发动机排出的排气进行净化的氧化催化剂的性能的发动机控制方法。
背景技术
在稀燃环境(Lean-burn)中工作的压缩天然气发动机中，为了净化占排气中的大部分比例的甲烷而使用混合有钯和白金的氧化催化剂(OxidationCatalyst)。
但是，在钯的情况下，如果在催化剂上吸附了氧气，则不能发挥正常的催化剂功能，因此在稀燃环境中运行的情况下，因过量的氧气而导致上述氧化催化剂的性能下降的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在以稀燃状态工作的压缩天然气发动机中用于维持排气净化用氧化催化剂的性能的发动机控制方法。
为了达到上述的本发明的目的，在根据本发明的例示的实施例的用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法中，在压缩天然气发动机中以小于1的空气燃烧当量比燃烧燃料。算出用于净化上述发动机的排气的氧化催化剂的活性度。根据上述算出的氧化催化剂的活性度及上述发动机的运行状态而判断是否需要进行再生，以恢复上述氧化催化剂的活性度。并且，在上述再生判断步骤中判断为上述氧化催化剂的活性度为预设的基准值以下，上述发动机的运行状态为预设的每分钟转速以下的情况下，将上述空气燃烧当量比增加到1.10至1.20而使燃料燃烧。
在例示的实施例中，上述活性度算出步骤包括如下步骤：测量上述氧化催化剂前端及后端的温度差的步骤；测量上述氧化催化剂的甲烷转换效率的步骤；测量车辆的运行距离的步骤；测量车辆的运行时间的步骤；及测量车辆的燃料消耗量的步骤等。
在例示的实施例中，当上述氧化催化剂前端及后端的温度差小于30℃时，上述活性度算出步骤判断为上述氧化催化剂被非活性化。
在例示的实施例中，上述催化剂再生步骤包括在上述氧化催化剂前端的温度为300℃至500℃的状态下，将上述发动机的空气燃烧当量比增加到1.10至1.20而燃烧燃料的步骤。
在例示的实施例中，在上述再生判断步骤中，在上述发动机的每分钟转速为1000rpm以下的情况下，判断为需要进行上述氧化催化剂的再生。
在例示的实施例中，在上述再生判断步骤中，在上述发动机为空转(Idle)的运行状态的情况下，判断为需要进行上述氧化催化剂的再生。
在例示的实施例中，上述催化剂再生步骤持续预设的时间。
在例示的实施例中，用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法还包括：在上述氧化催化剂前端的温度为500℃以上的情况下，结束上述催化剂再生步骤的步骤。
在例示的实施例中，用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法还包括：向驾驶者通知上述催化剂再生步骤处于执行中的步骤。
发明效果
根据例示的实施例中的发动机控制方法，通过将吸附在排气净化用氧化催化剂表面的氧气还原，从而能够使非活性化的氧化催化剂再生。由此，能够将以稀燃状态工作的压缩天然气发动机的氧化催化剂性能维持在一定级别以上。
但是，本发明的效果不限于上述所提到的效果，在不脱离本发明的思想及领域的范围内可获得各种效果。
附图说明
图1是表示调节供给到氧化催化剂的氧气的量而使氧化催化剂再生的过程的曲线图。
图2是表示例示的实施例的用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法的顺序图。
图3是表示根据空气燃烧当量比而变化的从排气管排出的甲烷的浓度变化的曲线图。
图4是表示根据空气燃烧当量比而变化的从发动机排出的排气的浓度变化的曲线图。
图5是表示根据空气燃烧当量比及再生模式运行时间而变化的从排气管排出的甲烷的浓度变化的曲线图。
具体实施方式
在正文所公开的本发明的实施例中，对特定结构及功能的说明仅用于对本发明的实施例进行例示性的说明，本发明的实施例可以各种形态实施，不应仅限于正文中所说明的实施例。
本发明可进行各种变更，并可以各种形态实施，在附图中对特定实施例进行图示，并在正文中进行详细说明。但是，这并不是为了将本发明限定为特定的公开形态，在本发明的思想及技术范围内的所有变更、均等物及替代物均应包括在本发明中。
第一、第二等用语用来对各种构成要件进行说明，而上述用语对上述构成要件不具有限定作用。上述用语用来将一个构成要件与其他构成要件区别开。例如，在不脱离本发明的权利范围的情况下，可将第一构成要件命名为第二构成要件，类似地也可将第二构成要件命名为第一构成要件。
记载为某一构成要件与其他构成要件“连结”或“连接”的情况下，应理解为既可能是与其他构成要件直接连结或连接，也可能是中间存在其他构成要件。相反地，在记载为某一构成要件与其他构成要件“直接连结”或“直接连接”的情况下，应理解为中间不存在其他构成要件。对于表示构成要件之间的关系其他表述，即“～之间”与“就～之间”或“与～相邻”与“与～直接相邻”等，也应做同样的解释。
在本申请中所使用的用语仅用于对特定实施例进行说明，不会对本发明进行限定。单数的表述在文中未明确标注为其他意思的情况下，包括复数的表述。本申请中，“包括”或“具备”等用语用来指定例示的特征、数字、步骤、工作、构成要件、部件或它们的组合的存在，而并不是用来预先排除一个或一个以上的特征或数字、步骤、工作、构成要件、部件或它们的组合的存在或附加的可能性。
在没用另行定义的情况下，在此所使用的包括技术用语或科学用语在内的所有用语均具备本领域技术人员一般所理解的意思。对于一般所使用的词典中所定义的用语，应解释为与相关文章中的意思一致的意思，在本申请中未明确定义的情况下，不应解释为奇怪或过度形态的意思。
下面，参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。对于附图上的相同的构成要件使用相同的符号，并对于相同的符号省略重复的说明。
稀燃(Lean-burn)作为在送入气缸的混合气中提高空气所占的比例而降低燃料的比例来提高油耗性能的燃烧方式，不能实现理想的完全燃烧，因此需要更加关注排气的净化。
在压缩天然气(CompressedNaturalGas)发动机的情况下，甲烷(CH4)在排气中占大部分的比例，为了有效地净化甲烷，可使用在陶瓷载体载入铝、氧化铈及氧化锆等支承物质及贵金属催化剂活性物质的氧化催化剂(OxidationCatalyst)。
但是，作为排气中含有大量水分(H20)及氧气(O2)的稀燃的特性，相对反应较慢的甲烷难以氧化，导致氧化催化剂的性能下降。另外，作为氧化催化剂，可使用耐高温的白金(Pt)及钯(Pd)等的贵金属，而在钯的情况下，会发生排气中的氧气被吸附在氧化催化剂表面而导致氧化催化剂的性能下降的自毒化(O2Self-poisoning)现象。因此，为了将氧化催化剂维持为活性状态，需要去除吸附在氧化催化剂表面的氧气。
图1是表示调节供给到氧化催化剂的氧气的量而使氧化催化剂再生的过程的曲线图。
参照图1，通过还原活性下降的氧化催化剂表面的氧气，从而能够恢复氧化催化剂的活性。
具体地，当对于非活性化的氧化催化剂中断氧气的供给而仅注入甲烷时，氧化催化剂的甲烷转换效率从60％最高恢复到96％。在该情况下，可通过下面的数学式1来计算上述甲烷转换效率。
【数学式1】
即，甲烷转换效率作为表示通过氧化催化剂而去除了多少甲烷的指标，可表示氧化催化剂的性能。
与此不同地，还可根据氧化催化剂前端及后端的温度差而计算上述甲烷转换效率。氧化催化剂能够将甲烷氧化而变换为二氧化碳及水，而这样的氧化反应为发生热的发热反应，因此氧化催化剂的温度会上升。例如，当氧化40ppm的甲烷时，氧化催化剂的温度上升1℃。因此，可通过测量氧化催化剂前端及后端的温度差而计算在氧化催化剂中被氧化的甲烷的量，并据此能够计算出氧化催化剂的甲烷转换效率。
再参照图1，在中断氧气的供给的状态下，供给的甲烷与吸附于氧化催化剂表面的氧气反应。通过去除氧化催化剂表面的氧气，从而增加上述氧化催化剂的活性部位，与中断氧气之前相比，上述氧化催化剂的甲烷转换效率得到增加。但是，如果继续供给甲烷，则导致参与氧化反应的氧气不足，甲烷转换效率会下降。
在中断氧气供给的期间，一氧化碳(CO)的浓度继续增加，这是因为，由于氧气的不足，所供给的甲烷不能完全被氧化为二氧化碳。
之后，当又重新供给氧气时，上述氧化催化剂通过氧化反应而将甲烷转换成二氧化碳及水。此时，随着去除吸附于上述氧化催化剂表面的氧气，上述氧化催化剂的活性部位得到增加，因此与中断氧气前相比，甲烷转换效率增加。增加的一氧化碳与氧气反应而氧化为二氧化碳。
通过这样的实验，在稀燃中提供一定时间的富燃(Rich-burn)环境而摸索了恢复氧化催化剂的活性的过程。富燃状态是指在送入气缸的混合气中降低空气所占的比例而提高燃料的比例的方式，图1的氧气中断过程对应相对供给更少的空气的富燃状态，而又重新供给氧气的过程则对应稀燃状态。即，使以稀燃状态运行的压缩天然气发动机以富燃状态运行一定时间，从而去除吸附于上述氧化催化剂表面的氧气而恢复上述氧化催化剂的活性。
图2是表示例示的实施例的用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法的顺序图。图3是表示根据空气燃烧当量比而变化的从排气管排出的甲烷的浓度变化的曲线图。图4是表示根据空气燃烧当量比而变化的从发动机排出的排气的浓度变化的曲线图。图5是表示根据空气燃烧当量比及再生模式运行时间而变化的从排气管排出的甲烷的浓度变化的曲线图。
参照图2至图5，首先，在压缩天然气发动机中使燃料进行稀燃(S100)。例如，将在发动机中燃烧的混合气的空气燃烧当量比设为1以下，从而使上述发动机以稀燃状态运行。
空气燃烧当量比(EquivalenceRatio)是指理论空燃比对实际空燃比之比。即，如果空气燃烧当量比大于1，则表示燃料浓厚，空气稀薄(Rich-burn)，与此相反地，如果空气燃烧当量比小于1，则表示燃料稀薄，空气供给过量(Lean-burn)。
接着，算出氧化催化剂的活性度(S110)。
在例示的实施例中，如果上述氧化催化剂前端及后端的温度差小于预设的温度，则判断为上述氧化催化剂被非活性化。例如，电子控制单元(ElectronicControlUnit，ECU)从分别设于上述氧化催化剂前端及后端的温度传感器接收上述氧化催化剂的温度信息，当上述氧化催化剂前端及后端的温度差小于30℃时，判断为上述氧化催化剂被非活性化。
在该情况下，上述氧化催化剂前端是指从发动机排出的排气流入上述氧化催化剂的部分，上述氧化催化剂后端是指通过了上述氧化催化剂的排气排出到排气管的部分。
氧化催化剂将从发动机排出的排气氧化为对人体无害的二氧化碳和水。由于这样的变换过程是发热反应，因此在氧化催化剂被活性化的状态下，通过上述氧化反应，氧化催化剂后端的温度高于前端的温度。即，如果氧化催化剂前端及后端的温度差大，则表示在氧化催化剂中圆滑地进行氧化反应，反之，如果上述温度差小，则表示氧化催化剂中的氧化反应不够圆滑。因此，通过监视上述氧化催化剂前端及后端的温度差，由此能够判断上述氧化催化剂的活性与否。
在例示的实施例中，如果氧化催化剂的甲烷转换效率为预设的效率以下，则判断为上述氧化催化剂被非活性化。例如，电子控制单元从分别设于上述氧化催化剂的前端及后端的温度传感器接收上述氧化催化剂的温度信息而计算上述氧化催化剂的甲烷转换效率，在上述计算的效率为预设的效率以下的情况下，判断为上述氧化催化剂被非活性化。
与此不同地，与上述氧化催化剂的非活性化与否无关地，可按照每一定周期执行催化剂再生模式。例如，上述电子控制单元监视车辆的运行距离、运行时间及燃料消耗量等，按照每个预设的周期自动执行用于恢复氧化催化剂的活性的催化剂再生模式。
接着，判断是否需要进行再生，以恢复上述氧化催化剂的活性度(S120)。
在例示的实施例中，在上述再生判断步骤中，根据通过上述活性度算出步骤而算出的上述氧化催化剂的活性度而判断是否需要上述氧化催化剂的再生。例如，测量上述氧化催化剂的甲烷转换效率而算出上述氧化催化剂的活性度，当判断为上述氧化催化剂被非活性化，则判断为需要进行上述氧化催化剂的再生。
在例示的实施例中，在上述再生判断步骤中，在上述发动机为空转(Idle)状态或每分钟转速为1000rpm以下的情况下，判断为需要进行上述氧化催化剂的再生。
可通过使燃料进行富燃来执行上述氧化催化剂的再生过程。但是，在上述富燃中，由于供给比用于完全燃烧的理论上的燃料量更多的燃料，因此增加作用于发动机的负荷，使发动机勉强运行。因此，为了确保发动机的安全性，可控制为只有在发动机为空转状态或发动机每分钟转速为1000rpm以下的状态下才执行上述再生模式。
接着，在判断为需要进行氧化催化剂的再生的情况下，增加空气燃烧当量比，使上述发动机以富燃状态运行，从而进行上述氧化催化剂的再生(S130)。
例如，在上述氧化催化剂的活性度为预设的基准值以下，上述发动机的每分钟转速为预设的转速以下的情况下，判断为需要进行上述氧化催化剂的再生，通过增加空气燃烧当量比而进行上述氧化催化剂的再生。
在例示的实施例中，使上述氧化催化剂再生的步骤包括将空气燃烧当量比增加到1.10至1.20，使上述发动机以富燃状态运行的步骤。
图3以曲线图的方式表示如下结果：在发动机空转(Idle)的状态下增加空气燃烧当量比而使发动机以富燃状态运行60秒，然后将空气燃烧当量比重新恢复成稀燃状态(0.85)，并在1125rpm的发动机转速及50％的发动机负荷率的条件下，对通过排气管而排出的甲烷的浓度进行检测而得到的结果。如图3图示，通过实施将空气燃烧当量比增加到1.10至1.20的再生模式，可确认通过排气管而排出的甲烷的量显著下降，这表示通过上述再生模式，上述氧化催化剂的活性得到恢复。
具体地，随着使发动机以稀燃状态(空气燃烧当量比为0.85)继续运行，通过排气管而排出的甲烷浓度被上升到75ppmC级别。此时的总烃(TotalHydrocarbon，THC)排出量为0.749g/kW.h，超过国内压缩天然气发动机的总烃规定值0.6g/kW.h。此时，总烃包括甲烷系及非甲烷系碳化氢。
这样，通过对非活性化的上述氧化催化剂执行再生模式，能够恢复上述氧化催化剂的活性。例如，当将空气燃烧当量比增加到1.10而使发动机以富燃状态运行时，能够将通过排气管而排出的甲烷的浓度降低到相比执行再生模式之前减少了21.3％之后的59ppmC级别。此时，总烃排出量为0.583g/kW.h，能够满足上述国内规定值。当将空气燃烧当量比增加到1.15而使发动机以富燃状态运行之后，能够将通过排气管而排出的甲烷的浓度降低到相比执行再生模式之前减少了16.0％之后的62ppmC级别。此时，总烃排出量为0.570g/kW.h，通过上述再生模式而能够满足上述国内规定值。
图4以曲线图的方式表示如下结果：在稀燃状态(空气燃烧当量比为0.85)下增加空气燃烧当量比的同时对从发动机排出的排气的浓度进行检测而得到的结果。电子控制单元向发动机输出与所需空气燃烧当量比对应的信号值，实际上在发动机中燃烧具备追踪空气燃烧当量比的混合气。通过上述燃烧，从发动机排出甲烷等的排气。
参照图4，当空气燃烧当量比超过1.20时，从发动机排出的总烃浓度急剧增加。所排出的碳化氢的大部分为甲烷，由此可知过量供给的燃料未能完全燃烧而直接被排出。上述甲烷在上述氧化催化剂中产生发热反应而提高上述氧化催化剂的温度，由此可能导致上述氧化催化剂被破坏等的问题。
参照图5，在将空气燃烧当量比增加到1.10，使发动机运行60秒的情况下，能够恢复最多的上述氧化催化剂的活性。
具体地，将空气燃烧当量比增加到1.10而运行10秒，然后又将空气燃烧当量比降低到0.85而使发动机以1125rpm的发动机速度及以25％的发动机负荷率状态运行，由此对通过排气管而排出的甲烷的量进行测量。另外，将发动机负荷率增加到50％，将发动机速度也增加到1426rpm，并测量在各自状态下所排出的甲烷的量。以相同的方法，将增加了空气燃烧当量比的再生模式的运行时间分别增加到30秒及60秒而测量甲烷排出量，并将空气燃烧当量比增加到1.13，以此反复进行相同的实验。
通过上述的实验可知，当将空气燃烧当量比增加到1.10，并使发动机以富燃状态运行60秒时，甲烷排出量最少。特别是，在发动机速度为1125rpm及发动机负荷率为50％的运行条件下，与不再生上述氧化催化剂的情况相比，可将甲烷排出量最多减少72％。
在例示的实施例中，根据上述发动机控制方法，可在上述氧化催化剂前端的温度为300℃至500℃的状态下，使上述发动机以富燃状态运行。
如果发动机以富燃状态运行，则燃料会不完全燃烧，排气中的一氧化碳(CO)及碳化氢(HC)的量会增加。上述增加的一氧化碳及碳化氢在上述氧化催化剂中产生发热反应而进行氧化，因此能够提高上述氧化催化剂的温度。因此，当在上述氧化催化剂的温度已较高的状态下使发动机以富燃状态运行时，根据增加的一氧化碳及碳化氢而导致上述氧化催化剂的温度过高，由此导致上述氧化催化剂被破坏等的问题。因此，上述发动机控制方法可控制为仅在上述氧化催化剂的温度在一定范围内时执行上述再生模式。
在例示的实施例中，上述发动机控制方法还包括向驾驶者通知上述再生模式处于执行中的步骤。例如，当进入上述再生模式而增加了空气燃烧当量比时，上述电子控制单元通过使设置于运行室内部的警告灯、蜂鸣器(buzzer)或显示装置等进行工作而通知驾驶者。
接着，判断再生模式结束与否(S140)。
在例示的实施例中，判断上述再生模式结束与否的步骤包括测量上述氧化催化剂的甲烷转换效率的步骤。例如，上述电子控制单元从分别设于上述氧化催化剂的前端及后端的温度传感器接收上述氧化催化剂的温度信息而计算上述氧化催化剂的甲烷转换效率，在上述计算效率为所预设的效率以上的情况下，判断为上述氧化催化剂被活性化，结束上述再生模式。
在例示的实施例中，在上述氧化催化剂前端的温度为500℃以上的情况下，判断上述再生模式结束与否的步骤结束上述再生模式。
例如，上述电子控制单元从安装于上述氧化催化剂前端的温度传感器接收从发动机排出的排气的温度信息，当上述排气的温度上升到500℃以上时，为了保护上述氧化催化剂而结束上述再生模式。
在例示的实施例中，上述判断再生模式结束与否的步骤包括在上述再生模式的运行时间为预设的时间以上的情况下结束上述再生模式的步骤。例如，在上述氧化催化剂的活性恢复最多的时间即60秒期间，使上述发动机以富燃状态运行，当运行时间超过60秒时，结束上述再生模式。
最后，重新降低空气燃烧当量比而结束再生模式(S150)。
当满足上述再生模式结束条件时，上述电子控制单元降低空气燃烧当量比而结束上述再生模式。例如，上述电子控制单元在上述设定的时间期间增加空气燃烧当量比而执行再生模式，之后将空气燃烧当量比重新降低到0.85，使上述发动机以稀燃状态运行。
如上述，根据用于维持上述氧化催化剂性能的发动机控制方法，通过增加空气燃烧当量比而再生非活性化的氧化催化剂。特别是，将空气燃烧当量比增加到1.10而使上述发动机以富燃状态运行60秒，从而能够将上述氧化催化剂的活性恢复效果最大化。
以上，参照本发明的实施例进行了说明，本领域技术人员应该明白在不脱离下述权利要求书所记载的本发明的思想及领域的范围内，可对本发明进行各种修改及变更。

Claims (9)

1.一种用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法，包括如下步骤：
在压缩天然气发动机中以小于1的空气燃烧当量比燃烧燃料的稀燃步骤；
算出用于对上述发动机的排气进行净化的氧化催化剂的活性度的活性度算出步骤；
再生判断步骤，根据上述算出的氧化催化剂的活性度及上述发动机的运行状态而判断是否需要进行再生，以恢复上述氧化催化剂的活性度；及
催化剂再生步骤，在上述再生判断步骤中判断为上述氧化催化剂的活性度为预设的基准值以下，上述发动机的运行状态为预设的每分钟转速以下的情况下，将上述空气燃烧当量比增加到1.10至1.20而使燃料进行燃烧。
2.根据权利要求1所述的用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法，其特征在于，
上述活性度算出步骤包括如下步骤中的至少一个步骤：测量上述氧化催化剂的前端及后端的温度差；测量上述氧化催化剂的甲烷转换效率；测量车辆的运行距离；测量车辆的运行时间；及测量车辆的燃料消耗量。
3.根据权利要求2所述的用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法，其特征在于，
在上述活性度算出步骤中，当上述氧化催化剂的前端及后端的温度差小于30℃时，判断为上述氧化催化剂被非活性化。
4.根据权利要求1所述的用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法，其特征在于，
上述催化剂再生步骤包括如下的步骤：在上述氧化催化剂的前端的温度为300℃至500℃的状态下，将上述发动机的空气燃烧当量比增加到1.10至1.20而燃烧燃料。
5.根据权利要求1所述的用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法，其特征在于，
在上述再生判断步骤中，在上述发动机的每分钟转速为1000rpm以下的情况下，判断为需要进行上述氧化催化剂的再生。
6.根据权利要求5所述的用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法，其特征在于，
在上述再生判断步骤中，在上述发动机为空转的运行状态的情况下，判断为需要进行上述氧化催化剂的再生。
7.根据权利要求1所述的用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法，其特征在于，
上述催化剂再生步骤持续预设的时间。
8.根据权利要求1所述的用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法，其特征在于，
该发动机控制方法还包括如下的步骤：在上述氧化催化剂的前端的温度为500℃以上的情况下，结束上述催化剂再生步骤。
9.根据权利要求1所述的用于维持氧化催化剂性能的发动机控制方法，其特征在于，
该发动机控制方法还包括如下的步骤：向驾驶者通知上述催化剂再生步骤处于执行中。
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