CN109386360B - 确定氧化催化器装置的氧化性能的方法 - Google Patents
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Abstract
用于测定氧化催化剂装置(OC)的碳氢化合物(HC)氧化性能的方法包括在时间帧内将气体传送到OC入口，在该时间帧内使用NOx传感器测量OC出口气体中的NOx含量，其中OC温度在时间帧内增加，以及将时间帧内增加的NOx测量值与增加的OC的HC氧化性能相关联。在时间帧内，NOx传感器可在低温模式下运行。该方法可包括确定在时间帧内OC的温度，并且将HC氧化性能与OC温度相关联，和/或将在时间帧内测量的最大NOx浓度与同时测量的OC的温度相关联。当所测量的OC出口气体的NOx含量降低时，确认HC通过OC泄漏。
Description
背景技术
在内燃机(ICE)的燃烧循环期间，向ICE汽缸内提供空气/燃料混合物。空气/燃料混合物被压缩和/或点燃并燃烧以提供输出扭矩。燃烧后，ICE活塞驱动汽缸内的排气通过排气阀开口离开并进入排气***。从ICE特别是柴油机排放的排气为各种成分的混合物，其包含诸如一氧化碳(CO)、未燃烧的碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)以及构成颗粒物质的凝聚相材料(液体和固体)的气体排放物。例如，在柴油机排气中NO2通常包括20％的总NOx。排气处理***通常用来减少排气气流中的NOx排放。
排气处理***可在一个或多个部件中采用配置成用于实现后处理工艺的催化器。一种类型的排气处理技术为氧化催化器装置(OC)，其起到一些催化作用，包括氧化NOx、HC和/或CO物质。此外，OC可将NO转化成NO2以改变排气中的NO∶NOx比，从而增加下游选择性催化还原装置的NOx还原效率。OC的监测性能仍然是一种挑战。
发明内容
提供一种确定氧化催化器装置(OC)的碳氢化合物(HC)氧化性能的方法，OC具有入口和出口。该方法包括：在时间帧内将气体传送到OC入口，其中排气包括NOx和HC物质；在时间帧内使用NOx传感器测量OC出口气体中的NOx含量，其中OC温度在时间帧内增加；并且将在时间帧内增加的NOx测量值与增加的OC的HC氧化性能相关联。该方法可进一步包括确定时间帧内的OC温度以及将HC氧化性能与OC温度相关联。该方法可进一步包括确定时间帧内的OC温度，并通过将在该时间帧内测量的最大NOx浓度与同时测量的OC温度相关联来识别OC的HC氧化点火温度。气体中的NOx含量与HC含量在时间帧内可基本上恒定。该方法可进一步包括在时间帧内于低温下运行NOx传感器。该方法可进一步包括在时间帧内于低温下运行NOx传感器，其中该低温为动力学上驱动NO∶NO2平衡的温度。该方法可进一步包括在时间帧内低于约300℃的低温模式下运行NOx传感器。OC的HC氧化性能可以是HC的氧化产率的百分比。气体可由为车辆提供动力的内燃机产生。时间帧可在邻近车辆冷启动时发生。NOx传感器可以是电流型传感器。NOx传感器可包括第一级，其中气体接触铂族金属浸渍的沸石催化剂。
提供一种检测HC通过OC泄漏的方法。该方法包括在时间帧内将气体传送到OC入口，其中排气包括NOx和HC物质，使用NOx传感器测量在该时间帧内OC的OC出口气体中的NOx含量，以及当测量到OC出口气体中的NOx含量降低时，确认HC通过OC泄漏。气体中的NOx含量与HC含量在该时间帧内可基本上恒定。该方法可进一步包括在时间帧内于低温模式下运行NOx传感器。该方法可进一步包括在时间帧内于低温下运行NOx传感器，其中该低温为动力学上驱动NO∶NO2平衡的温度。该方法可进一步包括在时间帧内低于约300℃的低温模式下运行NOx传感器。气体可由为车辆提供动力的内燃机产生。NOx传感器可以是电流型传感器。NOx传感器可包括第一级：铂族金属浸渍的沸石催化剂。
示例性实施例的其他目的、优点和新颖性特征从以下示例性实施例和附图的详细描述中将更加清楚。
附图说明
图1示出了根据一种或多种实施例的排气处理***；
图2示出了根据一种或多种实施例的氧化催化器装置的碳氢化合物氧化性能的确定方法；并且
图3示出了根据一种或多种实施例使用电流型气体传感器的方法。
具体实施方式
本文中描述了本发明的实施例。然而，应理解，所揭示的实施例仅为实例，且其他实施例可采取各种和替代性的形式。附图并不一定是成比例的，一些特征可以扩大或者最小化以显示特殊部件的细节。因此，本文公开的具体的结构和功能细节不应解释为限制性的，而只是作为教导本领域技术人员以各种不同方式实施本发明的代表性基础。本领域的技术人员应明白，参照任何一张附图所示和描述的各种特征可以与一张或多张其它附图中所示的特征结合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本发明的教示一致的这些特征的各种组合与修改可能是为了特定应用或实施方案的需要。
总体上，本发明涉及确定气相样品中氮氧化物(NOx)浓度的气体传感器和方法。具体来说，本发明涉及用于确定排气气流中NO和NO2浓度的NOx传感器。在一些实施例中，通过例如可为车辆提供动力的内燃机(ICE)产生排气气流。本文中所用的“NOx”是指一种或多种氮氧化物。NOx物质可包括NyOx物质，其中y＞0且x＞0。氮氧化物的非限制性实例可包括NO、NO2、N2O、N2O2、N2O3、N2O4和N2O5。
为确定NOx浓度，许多NOx传感器依赖于电位型(即混合电位)或电流型测量由NO2分子分解成NO、且NO分解成N2和O2产生的氧气分压。电流型NOx传感器通过还原样品中的NOx物质并测量释放的氧物质来确定总的NOx浓度。由于NO2和NO会释放不同数量的氧，因此该操作方法赋予NOx物质固有的交叉灵敏度(例如NO2和NO)。如本文所述，这样的交叉灵敏度有利地用于监测和控制各种排气处理装置。
诸如电流型NOx传感器的NOx传感器一般包括两级：第一背景氧清除级，以及第二NOx物质测量级。在第一级清除背景氧使得其不会干扰第二级中对NOx物质的正确测量。将含有NOx物质的气体样品引入第一级，且通过一种或多种方法将氧物质泵送出去。第一级可包括用于将NO2物质还原成NO的NO2选择性还原催化器。优选在第一级将所有NO2完全还原成NO，以防止从NO2分离的氧物质在第二级被重复计算。在该第一级被清除的背景氧物质可包括与气体样品密切相关的氧物质，以及在选择性还原NO2物质期间产生的氧物质。背景氧物质可使用(例如)电化学泵清除。电化学泵施加偏压(例如-200mV至-400mV)，并从该级中泵出离子，偏压将双原子氧还原成O＝。泵送电流可与该级中存在的氧含量成正比。
NO2选择性还原催化器可包括将NO2还原成NO的任何适合的催化器。例如，选择性还原NOx催化器可作用于将NO2选择性还原成NO。选择性可包括完全选择性或部分选择性。在一些实施例中，NO2选择性还原催化器为不会还原NO的一种催化器(即完全选择性)。在一些实施例中，适合NO2选择性还原催化器的材料可包括例如铑或铂。在一些实施例中，催化剂可包括一种或多种铂族金属催化剂。适合的铂族金属包括Pt、Pd、Rh、Ru、Os或Ir或其组合，包括其合金。这样的催化剂对NOx的转化率通常受低温下(例如＜300℃)的反应动力学以及较高温度下(例如＞300℃)的热力学限制控制，通常产生如方程式(1)所决定的平衡：
在此关系中，总***NOx浓度可基本上简化为NO和NO2的总和，其中NO2浓度随温度反向变化。例如，在100℃下，NO2∶NO比可达到最大极限(即100％NO2)，其中，在约300至400℃下，NO2∶NO比可接近1，且在700℃或更高温度下，NO2∶NO可为1∶20或更少。因此，NOx传感器通常在高温下(例如＞700℃)运行以最大化NO∶NO2比。在一些实施例中，NO2选择性还原催化器包括加热元件，其增加气体样品的温度以使NO2∶NO比降低。例如，加热元件可以是加热电极的形式，其可以围绕该级或整个NOx传感器形成。传感器的运行温度可以是催化器的温度。
在NOx传感器的第二级，NOx物质(即NO)被催化分解成N2和O2。第二级通常检测氧气分压，其体积随着被催化还原的NOx的量而增加。例如，可使用包括铑或铂的还原催化器作用于催化分解。在一些实施例中，催化器可包括一种或多种铂族金属催化剂。适合的铂族金属包括Pt、Pd、Rh、Ru、Os或Ir或其组合，包括其合金。还原催化器可包括催化电极。接着从第二级中泵出分离的氧并加以测量。例如，分离的氧可从容量上确定为氧浓度单元内的体积变化，或以泵送电流计。
NOx传感器一般用在排气处理***中。图1示出了用于处理和/或监测ICE 2的排气8成分的排气处理***10。本文所述的排气处理***10可在各种ICE***中实施，其可包括但不限于柴油发动机***、汽油直接喷射***以及均质充量压缩点火发动机***。虽然本文中所述的ICE用于为车辆产生扭矩，但其他非车辆的应用也在本发明的范围内。因此当提及车辆时，本发明应解释为可用于ICE的任何应用。此外，ICE 2一般可表示能产生包括NOx物质的排气8的任何装置，因此本发明应解释为可用于所有此类装置。应进一步理解，本文揭示的实施例可用于不包括NOX物质的流出气流，且在这样的情形下，ICE 2一般也可表示能够产生不包括NOx物质的流出气流的任何装置。例如，ICE 2可包括附接到曲轴(未示出)的多个往复式活塞(未示出)，曲轴可以可操作地附接到诸如车辆传动***的传动***以将牵引扭矩传输给传动***。例如，ICE 2可以是任何发动机配置或应用，包括各种车辆应用(例如汽车、海运等)以及各种非车辆应用(例如泵、发电机等)。
排气处理***10一般包括一个或多个排气导管14，以及一个或多个排气处理装置，诸如与ICE 2流体连通的氧化催化器(OC)装置12。排气导管14可包括若干段，其将来自ICE 2的排气8传送到排气处理***10的各种排气处理装置中。在一些示例性实施例中，排气8可包括NOx物质。
排气处理***10通常进一步包括下游NOx传感器36以及任选的上游NOx传感器32。如本文中所使用，相对于下游的部件位于上游的部件通常意味着其相对更接近ICE 2，或者说排气8在到达下游部件之前先到达上游部件。下游NOx传感器36和任选的上游NOx传感器32可以可操作地连接到电子发动机控制模块(ECM)6，ECM 6可配置成根据本文所述的控制方法和策略实现排气8内的控制。本文中所用的术语模块指专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或组处理器)和执行一个或多个软件和固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能性的其它适当部件。排气处理***10可任选地进一步包括一种或多种排气处理装置(未示出)，包括微粒过滤器装置、选择性催化还原(SCR)装置，以及选择性催化还原过滤器(SCRF)装置。例如，在一些实施例中，为了在SCR装置或SCRF装置中进行优先处理，OC装置12(诸如柴油氧化催化器装置)可设置在SCR装置或SCRF装置的上游以将NO转化成NO2。
OC 12为流通型装置，其包括催化组合物(CC)且配置成接收排气8。OC 12一般用于氧化各种排气8物质，包括HC物质、CO和NOx物质。CC可安放在如金属外壳的外壳内，其具有入口(即上游)开口和出口(即下游)开口，或以其它方式配置成提供结构支撑且有助于流体(例如排气)流动通过OC 12。外壳理想情况下可包括相对于排气成分实质上的惰性材料，诸如不锈钢；且可包括任何包括圆柱形隔间的适合的形状或尺寸。隔间可进一步包括贴附元件，诸如紧邻入口开口设置的环状进口管以及紧邻隔间的出口开口设置的环状出口管，以用于将OC 12流体联接到排气管9和/或排气处理***10的其它部件。
CC可包括许多不同的第一氧化催化器材料及其物理配置，以用于氧化HC、CO和NOx。例如，CC可进一步包括基底，诸如多孔陶瓷基体或类似物。基底可包括例如氧化铝、二氧化硅、沸石、氧化锆、二氧化钛及/或氧化镧。第一氧化催化器材料可包括铂族金属催化剂、金属氧化物催化剂及其组合。适合的铂族金属催化剂可包括铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、钌(Ru)、锇(Os)或铱(Ir)及其组合，包括其合金。在一个实施例中，适合的金属包括Pt、Pd、Rh及其组合，包括其合金。适合的金属氧化物催化剂可包括例如氧化铁、氧化锌、氧化铝、钙钛矿及其组合。在一个实施例中，CC可包括Pt和Al2O3。应理解，CC并不限于所提供的特定实施例，且可包括能够氧化HC物质、CO与NOx物质的任何催化活性装置。在许多实施例中，CC包括用一种或多种催化活性碱金属成分浸渍的沸石。沸石可包括β型沸石、Y型沸石、ZM5沸石，或任何其它结晶沸石结构，诸如菱沸石或超稳定Y型沸石(USY)。在特定实施例中，沸石包括菱沸石。在特定实施例中，沸石包括SSZ，其中SSZ包括Si∶Al比大于约5的高硅沸石。本文中揭示的OC 12的CC同样适用于上述NOx传感器的第一级中。
OC 12可储存和/或氧化(例如)可在燃料燃烧期间形成的排气8中的NOx物质。例如，在一些实施例中，OC 12可用于将NO转化成NO2，以优化下游的SCR和/或SCRF排气中的NO∶NO2比，SCR和/或SCRF通常在排气进料流具有大约1∶1的NO∶NO2比的情形下更有效地运行。例如，来自OC 12的排气8可为约40％至约60％的NO2。因此，OC 12布置在SCR 20的上游。
OC 12可另外或任选地用于催化排气中HC、H2和CO物质的氧化(例如燃烧)。燃烧通常涉及在氧气存在的情形下氧化HC和/或CO物质以产生热、水和CO2。在一些情形下，(例如)由于燃料发生不期望的不完全燃烧，排气8中可存在HC、H2和/或CO。在其他情形下，HC可存在于排气8中以实施各种ICE 2和/或***10的控制策略。例如，OC 12中HC的放热氧化可用于氧化HC，以向***10提供热从而有助于一种或多种排气处理装置达到点火温度。在几乎所有的情况下，HC、H2和/或CO从OC 12泄漏都是不希望的。有可能难以监测到HC、H2和/或CO从OC 12泄漏。
OC 12可具有点火温度，在该温度之上，CC呈现出与HC、H2和/或CO物质氧化有关的需要或适合的催化活性。点火温度可取决于其中包含CC的催化材料的类型、以及OC 12中存在的催化材料的量，以及其他因素。包括ICE 2的校准和运行在内的***10的许多方面都设计成适应OC12的点火温度。正确确定指定OC 12的HC、H2和/或CO物质的氧化点火温度可能很难，(例如)尤其当OC 12随时间老化时或在不同条件下运行时。
本文提供的就是确定OC 12的点火温度的方法以及监测HC、H2和/或CO物质从OC12泄漏的方法。这些方法利用在氧化催化器存在的情形下HC将NO2还原成NO的现象，这样的氧化剂诸如在上述NOx传感器第一级中所用的催化剂。这种现象即使在低温下(例如＜300℃)也会出现，其中反应动力学驱动的平衡极有利于将NO2转化成NO。因为以下方法一般使用较低的NOx传感器运行温度实施，因此这些方法在车辆冷启动期间尤其有利，在此期间，NOx传感器加热被延迟以防止湿气使陶瓷部件开裂。将参考图1中所示的***10描述这些方法。这些方法仅出于清楚起见，并不局限于此。
图2示出了确定OC 12的HC氧化性能的方法200，其中该方法包括在时间帧内将排气8传送到OC 12入口(210)，在该时间帧内使用NOx传感器36测量OC 12的出口排气8(220)，以及将在时间帧内增加的NOx测量值与增加的OC 12的HC氧化性能相关联(230)。NOx传感器36在第一级使用氧化催化器且可包括电流型传感器。OC 12的温度一般随时间而增加。OC12的温度增加可能受到排气8带来的热的影响或诸如电加热催化器的其他装置(未示出)的影响。OC 12的HC氧化性能可以包括(例如)HC的氧化产率的百分比。
在时间上接近时间帧的开始，从OC 12排放的排气8中的NO2将在NOx传感器36第一级中以特定速率被还原。在之后的时间帧内，OC 12温度开始增加，在OC 12中更高量的HC被氧化，在NOx传感器36第一级中较少的NO2被还原。因此，更多的NO2进入NOx传感器36第二级且测量出更高量的分离的氧(即更高的NOx浓度)。在一些实施例中，为了在NOx传感器36第一级中使用较高的统计学上更显著量的NO2，NOx传感器36在时间帧期间可在低温模式下运行。例如，NOx传感器36可在低于约300℃的温度下运行。在一些实施例中，NOx传感器36在时间帧期间可在低温模式下运行，使得在该低温下从动力学上驱动NO∶NO2平衡。在一些实施例中，排气8中的NOx含量和/或HC含量在时间帧内实质上恒定。在其它实施例中，排气8中的NOx含量和/或HC含量在时间帧内变化。在这样的实施例中，在将增加的NOx浓度与增加的OC12的HC氧化性能相关联时可以考虑这些变化。排气8可由给车辆(未示出)提供动力的ICE(例如ICE 2)产生。在这样的实施例中，时间帧可在接近车辆冷启动时发生。
方法200可进一步包括在时间帧内确定OC 12的温度，以及将OC 12的HC氧化性能与OC 12的温度相关联。确定OC温度可包括使用温度传感器测量或使用其他装置模型测量。在一些实施例中，方法200可进一步包括确定时间帧内的OC 12的温度，并通过将在时间帧内测量的最大NOx浓度与同时测量的OC 12的温度相关联来确认OC 12的HC氧化点火温度。当所测量的NOx浓度达到最大值或进入水平渐近线(即达到平稳状态)时，假定OC 12内排气8中的所有HC都已被氧化。在此情形下，OC 12的HC氧化点火温度确认为OC 12将排气中全部或实质上全部HC氧化的温度。OC 12的HC氧化性能和/或OC 12的HC氧化点火温度可进一步用于(例如)通过使用Arhenius方程式来确定OC 12的H2和/或CO氧化性能。
图3示出了在OC 12运行期间确定HC泄漏的方法300，OC 12具有入口和出口，该方法包括：在时间帧内将排气8传送到OC 12的入口(310)，其中排气包括NOx和HC物质；使用NOx传感器36测量在该时间帧内OC 12的OC 12出口气体中的NOx含量(320)；以及当所测量的OC 12出口的排气8的NOx含量降低时，确认HC从OC 12泄漏(330)。NOx传感器36在第一级使用氧化催化器且可包括电流型传感器。在一些实施例中，NOx传感器36在时间帧期间可在低温模式下运行。例如，NOx传感器36可在低于约300℃的温度下运行。在一些实施例中，NOx传感器36在时间帧期间可在低温模式下运行，使得在该低温下，从动力学上驱动NO∶NO2平衡。在其它实施例中，排气8中的NOx含量和/或HC含量在时间帧内基本上恒定。在其它实施例中，排气8中的NOx含量和/或HC含量在时间帧内变化。在这样的实施例中，在将增加的NOx浓度与增加的OC 12的HC氧化性能相关联时可以考虑这些变化。排气8可由给车辆(未示出)提供动力的ICE(例如ICE 2)产生。在这样的实施例中，时间帧可在接近车辆冷启动时或在正常车辆运行期间发生。
虽然，上文已描述了示例性实施例，但并不意味这些实施例描述了权利要求书所涵盖的所有可能的形式。说明书中使用的词汇是描述性而非限定性词汇，且应理解，可以在不脱离本发明的精神和范畴下作出各种变化。如上所述，各种实施例的特征可以组合以形成未详细描述或说明的本发明的另外的实施例。虽然针对一个或多个需要的特征，各种实施例已被描述为提供优点或优选于其它实施例或先前技术实施方案，但熟悉此项技术者应认识到，一个或多个特点或特征可妥协以实现需要的整体***属性，这取决于具体的应用和实施方案。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生存周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可服务性、重量、可制造性、易装配性等。如此而言，针对某个或多个特征，描述为没有其它实施例或先前技术实施方案理想的实施例并不在本发明的范畴之外且为特定应用所需要。
Claims (9)
1.一种用于确定氧化催化器装置的碳氢化合物氧化性能的方法，所述氧化催化器装置具有入口和出口，该方法包括：
在时间帧内将排气传送到所述氧化催化器装置的入口，其中所述排气包括氮氧化物和碳氢化合物物质；
使用氮氧化物传感器测量在所述时间帧内所述氧化催化器装置的出口的气体的氮氧化物含量，其中所述氧化催化器装置的温度在所述时间帧内增加；以及
将在所述时间帧内增加的氮氧化物测量值与增加的氧化催化器装置的碳氢化合物氧化性能相关联；
其中，在所述时间帧内在低温模式下运行所述氮氧化物传感器。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括确定在所述时间帧内所述氧化催化器装置的温度以及将所述碳氢化合物氧化性能与所述氧化催化器装置的温度相关联。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括确定在所述时间帧内所述氧化催化器装置的温度，并通过将在所述时间帧内测量的最大氮氧化物浓度与同时测量的所述氧化催化器装置的温度相关联来确认氧化催化器装置的碳氢化合物氧化点火温度。
4.根据权利要求1中所述的方法，其中氧化催化器装置的碳氢化合物氧化性能包括碳氢化合物的氧化产率的百分比。
5.一种用于确定碳氢化合物通过具有入口和出口的氧化催化器装置泄漏的方法，所述方法包括：
在时间帧内将排气传送到所述氧化催化器装置的入口，其中所述排气包括氮氧化物和碳氢化合物物质；
使用氮氧化物传感器测量在所述时间帧内所述氧化催化器装置的出口的气体的氮氧化物含量；以及
当所测量的所述氧化催化器装置的出口的气体的氮氧化物含量降低时，确认碳氢化合物通过所述氧化催化器装置泄漏；
其中，在所述时间帧内在低温模式下运行所述氮氧化物传感器。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括在所述时间帧内于低温下运行氮氧化物传感器，其中所述低温为动力学上驱动NO：NO2平衡的温度。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述排气由给车辆提供动力的内燃机产生。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述氮氧化物传感器包括电流型传感器。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述氮氧化物传感器包括第一级，在所述第一级中，所述排气与铂族金属浸渍的沸石催化剂接触。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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