CN105673169B - 一种用于监测发动机排气***中三元催化器的方法及装置 - Google Patents

一种用于监测发动机排气***中三元催化器的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于监测发动机排气***中三元催化器的方法以及装置。其中，所述方法包括：根据发动机的运行参数调节所述三元催化器进口端的过量空气系数；检测安装于所述三元催化器出口端的传感器的输出电压的跃变时间；将所述跃变时间与预设的标定时间进行比较，得到比较结果；以及根据所述比较结果判断所述三元催化器是否被移除或所述三元催化器是否老化，从而实现所述三元催化器的监测。本发明通过主动调节三元催化器进口端的过量空气系数，并检测安装于三元催化器出口端的传感器的输出电压的跃变时间，能够在线实时监测三元催化器。

Description

一种用于监测发动机排气***中三元催化器的方法及装置
技术领域
本发明涉及三元催化器领域，具体地，涉及一种用于监测发动机排气***中三元催化器的方法以及装置。
背景技术
三元催化器(Three-Way-Catalyst)是安装在汽车排气***中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。当高温的汽车尾气通过机外净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx这三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应。其中，CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水(H2O)和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。这三种有害气体变成无害气体，使得汽车尾气得以净化。由于这种催化器可同时将废气中的三种主要有害物质转化为无害物质，故称三元。在具体的应用中，由于三元催化器可同时净化排气中的三个主要污染物CO、HC和NOx，且在理论空燃比附近转换效率最高，因此，理论空燃比+三元催化器的路线被广泛推广以满足日益严格的排放法规要求。
然而，如果发动机排气***中的三元催化器老化或被移除，则汽车尾气排放会大大超限。目前尚没有诊断三元催化器转换效率或/和被移除的控制策略。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于监测发动机排气***中三元催化器的方法以及装置。其中，所述方法通过主动调节三元催化器进口端的过量空气系数，并检测安装于三元催化器出口端的传感器的输出电压的跃变时间，能够在线实时监测三元催化器。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于监测发动机排气***中三元催化器的方法。所述方法包括：根据发动机的运行参数调节所述三元催化器进口端的过量空气系数；检测安装于所述三元催化器出口端的传感器的输出电压的跃变时间；将所述跃变时间与预设的标定时间进行比较，得到比较结果；以及根据所述比较结果判断所述三元催化器是否被移除或所述三元催化器是否老化，从而实现所述三元催化器的监测。
其中，所述传感器为开关型氧传感器。
其中，所述方法具体包括：根据所述发动机的运行参数增大所述三元催化器进口端的过量空气系数，使得所述发动机的燃烧混合气为稀混合气；检测所述传感器的输出电压变为第一电压的第一跃变时间；在所述第一跃变时间大于预设的标定时间的情况下，判断所述三元催化器未被移除，且未老化。
其中，在所述第一跃变时间小于或等于预设的标定时间的情况下，所述方法还包括：使得所述三元催化器进口端的过量空气系数在预设时间段内保持不变，以使得所述三元催化器吸收氧气至饱和状态；根据所述发动机的运行参数减小所述三元催化器进口端的过量空气系数，使得所述发动机的燃烧混合气为浓混合气；检测所述传感器的输出电压变为第二电压的第二跃变时间；在所述第二跃变时间小于或等于预设的标定时间的情况下，判断所述三元催化器被移除。
其中，在所述第二跃变时间大于预设的标定时间的情况下，所述方法还包括：根据所述第二跃变时间和由所述发动机的运行参数得到的废气质量流量查表得到所述三元催化器的转换效率；在所述转换效率小于或等于预设的效率阈值的情况下，判断所述三元催化器老化，在所述转换效率大于预设的效率阈值的情况下，判断所述三元催化器未老化。
相应地，本发明还提供一种用于监测发动机排气***中三元催化器的装置。所述装置包括：调节单元，用于根据发动机的运行参数调节所述三元催化器进口端的过量空气系数；检测单元，用于检测安装于所述三元催化器出口端的传感器的输出电压的跃变时间；比较单元，用于将所述跃变时间与预设的标定时间进行比较，得到比较结果；以及判断单元，用于根据所述比较结果判断所述三元催化器是否被移除或所述三元催化器是否老化，从而实现所述三元催化器的监测。
其中，所述传感器为开关型氧传感器。
其中，所述调节单元，还用于根据所述发动机的运行参数增大所述三元催化器进口端的过量空气系数，使得所述发动机的燃烧混合气为稀混合气；所述检测单元，还用于检测所述传感器的输出电压变为第一电压的第一跃变时间；所述判断单元，用于在所述第一跃变时间大于预设的标定时间的情况下，判断所述三元催化器未被移除，且未老化。
其中，所述调节单元，还用于使得所述三元催化器进口端的过量空气系数在预设时间段内保持不变，以使得所述三元催化器吸收氧气至饱和状态，并根据所述发动机的运行参数减小所述三元催化器进口端的过量空气系数，使得所述发动机的燃烧混合气为浓混合气；所述检测单元，还用于检测所述传感器的输出电压变为第二电压的第二跃变时间；所述判断单元，还用于在所述第二跃变时间小于或等于预设的标定时间的情况下，判断所述三元催化器被移除。
其中，所述装置还包括：查找单元，用于根据所述第二跃变时间和由所述发动机的运行参数得到的废气质量流量查表得到所述三元催化器的转换效率，所述判断单元，还用于在所述转换效率小于或等于预设的效率阈值的情况下，判断所述三元催化器老化，在所述转换效率大于预设的效率阈值的情况下，判断所述三元催化器未老化。
通过上述技术方案，根据发动机的运行参数调节三元催化器进口端的过量空气系数；检测安装于三元催化器出口端的传感器的输出电压的跃变时间；将跃变时间与预设的标定时间进行比较，得到比较结果；以及根据比较结果判断三元催化器是否被移除或三元催化器是否老化，从而实现三元催化器的监测，能够在线实时监测三元催化器，节约了成本，并且可靠性满足实际使用需求。
附图说明
图1是本发明提供的用于监测发动机排气***中三元催化器的方法的流程图；
图2是本发明提供的用于监测发动机排气***中三元催化器的方法的具体流程图；
图3是三元催化器及进口端和出口端的氧传感器的安装位置示意图；
图4是本发明提供的用于监测发动机排气***中三元催化器的装置的结构示意图。
附图标记说明
10 进口端氧传感器 20 三元催化器 30 出口端氧传感器
40 调节单元 50 检测单元 60 比较单元 70 判断单元
80 查找单元
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是本发明提供的用于监测发动机排气***中三元催化器的方法的流程图。如图1所示，本发明提供的用于监测发动机排气***中三元催化器的方法包括：在步骤S101中，根据发动机的运行参数调节所述三元催化器进口端的过量空气系数。接着，在步骤S102中，检测安装于所述三元催化器出口端的传感器的输出电压的跃变时间。紧接着，在步骤S103中，将所述跃变时间与预设的标定时间进行比较，得到比较结果。最后，在步骤S104中，根据所述比较结果判断所述三元催化器是否被移除或所述三元催化器是否老化，从而实现所述三元催化器的监测。藉此，能够在线实时监测三元催化器，节约了成本，并且可靠性满足实际使用需求。
图2是本发明提供的用于监测发动机排气***中三元催化器的方法的具体流程图。如图2所示，在应用本发明提供的方法之前，需要判断是否满足监测三元催化器的条件。其中，所述条件包括达到监测时间间隔，发动机转速和废气质量流量在一定的范围内并保持一段时间，排温、环境温度以及环境压力在正常的范围内，氧闭环，无相关传感器错误等等。在判断满足监测三元催化器的条件下，根据所述发动机的运行参数增大所述三元催化器进口端的过量空气系数，使得所述发动机的燃烧混合气为稀混合气。其中，过量空气系数等于1时，所述发动机的燃烧混合气为理论混合气(此时燃料与空气中的氧气完全燃烧)，过量空气系数小于1时，所述发动机的燃烧混合气为浓混合气，过量空气系数大于1时，所述发动机的燃烧混合气为稀混合气。具体地，增大三元催化器进口端的过量空气系数由理论值1向偏稀方向偏移(如使过量空气系数为1.05)。然后，检测所述传感器的输出电压变为第一电压的第一跃变时间，并判断所述第一跃变时间是否大于预设的标定时间。在所述第一跃变时间大于预设的标定时间的情况下，说明三元催化器储氧能力强，且转换效率高，判断所述三元催化器未被移除，且未老化，将监测累计时间置零后，发动机正常闭环工作，监测时间累加。其中，所述第一电压为低电压，具体为0.1V-0.3V，所述第一跃变时间指的是从电压0.3V-0.7V跃变到电压0.1V-0.3V的时间，所述预设的标定时间由废气质量流量、排温、三元催化器长度以及发动机运行时间综合确定。具体地，传感器的输出电压在0.1V-0.3V时，则表明从三元催化器输出的燃烧混合气为稀混合气，传感器的输出电压在0.3V-0.7V时，则表明从三元催化器输出的燃烧混合气为理论混合气，传感器的输出电压在0.7V-1V时，则表明从三元催化器输出的燃烧混合气为浓混合气，在第一跃变时间大于预设的标定时间的情况下，则表明三元催化器逐渐地吸取进入的燃烧混合气中的氧气，直到将氧气储满。在三元催化器将氧气储满之后，传感器的输出电压指示从三元催化器输出的燃烧混合气为稀混合气。
在所述第一跃变时间小于或等于预设的标定时间的情况下，说明三元催化器已被移除或者三元催化器未被移除但氧气已储满，则需要进一步的方法确定三元催化器的状态。所述方法包括：首先，使得所述三元催化器进口端的过量空气系数在预设时间段内保持不变，以使得所述三元催化器吸收氧气至饱和状态。其次，根据所述发动机的运行参数减小所述三元催化器进口端的过量空气系数，使得所述发动机的燃烧混合气为浓混合气。具体地，减小发动机燃烧混合气的过量空气系数至偏浓状态(如0.95)。然后，检测所述传感器的输出电压变为第二电压的第二跃变时间，并判断所述第二跃变时间是否大于预设的标定时间。在所述第二跃变时间小于或等于预设的标定时间的情况下，判断所述三元催化器被移除，***报DFC(故障检测***)。其中，所述第二电压为高电压，具体为0.7V-1V，所述第二跃变时间指的是从电压0.1V-0.3V跃变到电压0.7V-1V的时间。具体地，三元催化器吸收氧气至饱和状态，且第二跃变时间小于或等于预设的标定时间的情况下，传感器的输出电压指示从三元催化器输出的燃烧混合气为浓混合气，表明三元催化器已被移除，***报DFC，触发相应的故障降级。
在所述第二跃变时间大于预设的标定时间的情况下，说明三元催化器未被移除，流入三元催化器的过浓废气首先被三元催化器的氧气补偿反应，直到三元催化器的氧气完全释放完之后传感器才检测到浓废气，但不确定三元催化器是否老化，则需要进一步的方法确定三元催化器是否老化。所述方法包括：首先，根据所述第二跃变时间和由所述发动机的运行参数得到的废气质量流量查表得到所述三元催化器的转换效率。最后，判断转换效率是否大于预设的效率阈值。在所述转换效率小于或等于预设的效率阈值的情况下，判断所述三元催化器老化，***报DFC，触发相应的故障降级。在所述转换效率大于预设的效率阈值的情况下，判断所述三元催化器未老化，将监测累计时间置零后，发动机正常闭环工作，监测时间累加。
图3是三元催化器及进口端和出口端的氧传感器的安装位置示意图。如图3所示，安装于三元催化器进口端的进口端氧传感器10，用于测量三元催化器进口端的过量空气系数，***根据进口端氧传感器10测量得到的过量空气系数判断是否已将三元催化器20进口端的过量空气系数是否调节到位，安装于三元催化器出口端的出口端氧传感器30，用于根据发动机燃烧混合气的浓稀输出电压信号，也即是用电压信号衡量废气浓稀。在具体的实施方式中，进口端氧传感器10为宽域氧传感器，出口端氧传感器30为开关型氧传感器。
相应地，本发明还提供一种用于监测发动机排气***中三元催化器的装置。图4是本发明提供的用于监测发动机排气***中三元催化器的装置的结构示意图。如图4所示，本发明提供的用于监测发动机排气***中三元催化器的装置包括：调节单元40，用于根据发动机的运行参数调节所述三元催化器进口端的过量空气系数；检测单元50，用于检测安装于所述三元催化器出口端的传感器的输出电压的跃变时间；比较单元60，用于将所述跃变时间与预设的标定时间进行比较，得到比较结果；以及判断单元70，用于根据所述比较结果判断所述三元催化器是否被移除或所述三元催化器是否老化，从而实现所述三元催化器的监测。
其中，所述传感器为开关型氧传感器。
具体地，所述调节单元40，还用于根据所述发动机的运行参数增大所述三元催化器进口端的过量空气系数，使得所述发动机的燃烧混合气为稀混合气；所述检测单元50，还用于检测所述传感器的输出电压变为第一电压的第一跃变时间；所述判断单元70，用于在所述第一跃变时间大于预设的标定时间的情况下，判断所述三元催化器未被移除，且未老化。
在具体的应用中，所述调节单元40，还用于使得所述三元催化器进口端的过量空气系数在预设时间段内保持不变，以使得所述三元催化器吸收氧气至饱和状态，并根据所述发动机的运行参数减小所述三元催化器进口端的过量空气系数，使得所述发动机的燃烧混合气为浓混合气；所述检测单元50，还用于检测所述传感器的输出电压变为第二电压的第二跃变时间；所述判断单元70，还用于在所述第二跃变时间小于或等于预设的标定时间的情况下，判断所述三元催化器被移除。
在具体的实施方式中，所述装置还包括：查找单元80，用于根据所述第二跃变时间和由所述发动机的运行参数得到的废气质量流量查表得到所述三元催化器的转换效率，所述判断单元70，还用于在所述转换效率小于或等于预设的效率阈值的情况下，判断所述三元催化器老化，在所述转换效率大于预设的效率阈值的情况下，判断所述三元催化器未老化。
需要说明的是，对于本发明提供的用于监测发动机排气***中三元催化器的装置还涉及的具体细节已在本发明提供的用于监测发动机排气***中三元催化器的方法中作了详细的说明，在此不在赘述。
本发明不需要加装任何设备，通过现有装置即可在线实时诊断三元催化器效率或/和移除，节约了成本，并且可靠性满足实际使用需求。根据三元催化器的储氧能力诊断效率或/和移除，改变三元催化器进口端的过量空气系数，观察三元催化器出口端的氧传感器的响应时间，如响应时间过短则三元催化器被移除，如三元催化器未移除则响应时间与废气质量流量查表得到三元催化器效率。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于监测发动机排气***中三元催化器的方法，其特征在于，所述方法包括：
根据发动机的运行参数调节所述三元催化器进口端的过量空气系数；
检测安装于所述三元催化器出口端的传感器的输出电压的跃变时间；
将所述跃变时间与预设的标定时间进行比较，得到比较结果；以及
根据所述比较结果判断所述三元催化器是否被移除或所述三元催化器是否老化，从而实现所述三元催化器的监测。
2.根据权利要求1所述的用于监测发动机排气***中三元催化器的方法，其特征在于，所述传感器为开关型氧传感器。
3.根据权利要求1所述的用于监测发动机排气***中三元催化器的方法，其特征在于，所述方法具体包括：
根据所述发动机的运行参数增大所述三元催化器进口端的过量空气系数，使得所述发动机的燃烧混合气为稀混合气；
检测所述传感器的输出电压变为第一电压的第一跃变时间；
在所述第一跃变时间大于预设的标定时间的情况下，判断所述三元催化器未被移除，且未老化。
4.根据权利要求3所述的用于监测发动机排气***中三元催化器的方法，其特征在于，在所述第一跃变时间小于或等于预设的标定时间的情况下，所述方法还包括：
使得所述三元催化器进口端的过量空气系数在预设时间段内保持不变，以使得所述三元催化器吸收氧气至饱和状态；
根据所述发动机的运行参数减小所述三元催化器进口端的过量空气系数，使得所述发动机的燃烧混合气为浓混合气；
检测所述传感器的输出电压变为第二电压的第二跃变时间；
在所述第二跃变时间小于或等于预设的标定时间的情况下，判断所述三元催化器被移除。
5.根据权利要求4所述的用于监测发动机排气***中三元催化器的方法，其特征在于，在所述第二跃变时间大于预设的标定时间的情况下，所述方法还包括：
根据所述第二跃变时间和由所述发动机的运行参数得到的废气质量流量查表得到所述三元催化器的转换效率；
在所述转换效率小于或等于预设的效率阈值的情况下，判断所述三元催化器老化，在所述转换效率大于预设的效率阈值的情况下，判断所述三元催化器未老化。
6.一种用于监测发动机排气***中三元催化器的装置，其特征在于，所述装置包括：
调节单元，用于根据发动机的运行参数调节所述三元催化器进口端的过量空气系数；
检测单元，用于检测安装于所述三元催化器出口端的传感器的输出电压的跃变时间；
比较单元，用于将所述跃变时间与预设的标定时间进行比较，得到比较结果；以及
判断单元，用于根据所述比较结果判断所述三元催化器是否被移除或所述三元催化器是否老化，从而实现所述三元催化器的监测。
7.根据权利要求6所述的用于监测发动机排气***中三元催化器的装置，其特征在于，所述传感器为开关型氧传感器。
8.根据权利要求6所述的用于监测发动机排气***中三元催化器的装置，其特征在于，
所述调节单元，还用于根据所述发动机的运行参数增大所述三元催化器进口端的过量空气系数，使得所述发动机的燃烧混合气为稀混合气；
所述检测单元，还用于检测所述传感器的输出电压变为第一电压的第一跃变时间；
所述判断单元，用于在所述第一跃变时间大于预设的标定时间的情况下，判断所述三元催化器未被移除，且未老化。
9.根据权利要求8所述的用于监测发动机排气***中三元催化器的装置，其特征在于，
所述调节单元，还用于使得所述三元催化器进口端的过量空气系数在预设时间段内保持不变，以使得所述三元催化器吸收氧气至饱和状态，并根据所述发动机的运行参数减小所述三元催化器进口端的过量空气系数，使得所述发动机的燃烧混合气为浓混合气；
所述检测单元，还用于检测所述传感器的输出电压变为第二电压的第二跃变时间；
所述判断单元，还用于在所述第二跃变时间小于或等于预设的标定时间的情况下，判断所述三元催化器被移除。
10.根据权利要求9所述的用于监测发动机排气***中三元催化器的装置，其特征在于，所述装置还包括：
查找单元，用于根据所述第二跃变时间和由所述发动机的运行参数得到的废气质量流量查表得到所述三元催化器的转换效率，
所述判断单元，还用于在所述转换效率小于或等于预设的效率阈值的情况下，判断所述三元催化器老化，在所述转换效率大于预设的效率阈值的情况下，判断所述三元催化器未老化。
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