DE102012000841A1

DE102012000841A1 - An-Bord-Diagnosesystem und -verfahren

Info

Publication number: DE102012000841A1
Application number: DE102012000841A
Authority: DE
Inventors: Gongshin Qi; Wei Li; Steven J. Schmieg; David B. Brown; Paul M. Najt
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2012-07-26
Also published as: CN102606267A; US20120191288A1

Abstract

Es sind ein An-Bord-Diagnosesystem und -verfahren für ein Fahrzeug offenbart, das einen Motor und ein Abgassystem aufweist. Das System weist einen modifizierten Katalysator für selektive katalytische Reduktion auf, der mit dem Motor über das Abgassystem gekoppelt ist, wobei der modifizierte Katalysator für selektive katalytische Reduktion Sauerstoffspeicherkomponenten aufweist. Ein stromaufwärtiger Sauerstoffsensor ist in dem Abgasrohr stromaufwärts des modifizierten Katalysators für selektive katalytische Reduktion angeordnet, und ein stromabwärtiger Sauerstoffsensor ist in dem Abgasrohr stromabwärts von dem modifizierten Katalysator für selektive katalytische Reduktion angeordnet. Ein Motorsteuermodul empfängt Daten von dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Sauerstoffsensor und bestimmt eine Lebensdauer des modifizierten Katalysators für selektive katalytische Reduktion auf Grundlage der Daten von dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Sauerstoffsensor.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein An-Bord-Diagnosesystem und -verfahren.
HINTERGRUND
Systeme, einschließlich denen mit Gasturbinenabgas- oder Magerverbrennungsmotoren, verwenden oftmals Katalysatoren für selektive katalytische Reduktion (SCR von engl.: ”selective catalytic reduction”), um Emissionen von Stickoxid (NO_x) zu reduzieren. SCR-Katalysatoren werden in Verbindung mit einem gasförmigen Reduktionsmittel verwendet, wie einem ammoniak- oder harnstoffbasierten Reduktionsmittel. Eine An-Bord-Diagnose von Katalysatorsystemen für selektive katalytische Reduktion wird gegenwärtig unter Verwendung von NO_x-Sensoren ausgeführt. Insbesondere werden NO_x-Sensoren stromaufwärts und stromabwärts des Katalysators für selektive katalytische Reduktion verwendet, um NO_x-Konzentrationen vor und nach dem SCR-Katalysator zu messen. Jedoch kann die Wirksamkeit von NO_x-Sensoren zur Ausführung der An-Bord-Diagnose infolge eines Ammoniakschlupfes, d. h. Ammoniak, der teilweise aufgrund der Überlagerung zwischen dem nicht reagierten Ammoniak und dem NO_x in dem Abgas nicht reagiert durch den SCR gelangt, leiden.
ZUSAMMENFASSUNG
Es sind ein An-Bord-Diagnosesystem und -verfahren für ein Fahrzeug offenbart, das einen Motor und ein Abgassystem aufweist. Das System umfasst einen modifizierten Katalysator für selektive katalytische Reduktion, der mit dem Motor über das Abgassystem gekoppelt ist, wobei der modifizierte Katalysator für selektive katalytische Reduktion Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC von engl.: ”oxygen storage components”) aufweist. Ein stromaufwärtiger Sauerstoffsensor ist in dem Abgasrohr stromaufwärts des modifizierten Katalysators für selektive katalytische Reduktion angeordnet, und ein stromabwärtiger Sauerstoffsensor ist in dem Abgasrohr stromabwärts von dem modifizierten Katalysator für selektive katalytische Reduktion angeordnet. Ein Motorsteuermodul empfängt Daten von dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Sauerstoffsensor und bestimmt eine Lebensdauer des modifizierten Katalysators für selektive katalytische Reduktion auf Grundlage der Daten von dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Sauerstoffsensor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und Zeichnungen offensichtlich, in denen gleiche Bezugszeichen ähnlichen, obwohl vielleicht nicht identischen Komponenten entsprechen. Der Kürze halber brauchen Bezugszeichen oder Merkmale mit einer vorher beschriebenen Funktion nicht in Verbindung mit anderen Zeichnungen, in denen sie auftreten, beschrieben sein.
1A und 1B sind Graphen, die gemeinsam eine thermische Beziehung zwischen Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) und der SCR-Katalysatordegradation veranschaulichen, wobei 1A eine CO₂-Produktion gegenüber einer durchschnittlichen Katalysatortemperatur für ofengealterte modifizierte SCR-Katalysatoren zeigt und 1B den Prozentsatz der NO_x-Umwandlung gegenüber einer durchschnittlichen Katalysatortemperatur für die ofengealterten modifizierten SCR-Katalysatoren zeigt;
1C ist eine schematische Darstellung der Gaszusammensetzungsänderungen über die Zyklen der CO/O₂-Titration;
2 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiel des An-Bord-Diagnosesystems;
3A und 3B sind schematische Darstellungen von Beispielen der modifizierten SCR-Katalysatoren;
4A bis 4C sind teilweise Schnitt- und Schema-Darstellungen von Beispielen der modifizierten SCR-Katalysatoren, die durch einen Trägerkörper geträgert sind; und
5A und 5B sind Graphen, die ein Beispiel zeigen, wie eine An-Bord-Diagnose unter Verwendung des Systems und Verfahrens, wie hier offenbart ist, ausgeführt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispiele des Systems und Verfahrens, wie hier offenbart ist, basieren auf einer Beziehung zwischen der Sauerstoffspeicherkapazität eines modifizierten SCR-Katalysators (d. h. eines SCR-Katalysators, der Sauerstoffspeicherkomponenten aufweist) und einer thermischen Degradation des modifizierten SCR-Katalysators. Während Messungen eines CO/O₂-Zyklusverlaufs eines Laborreaktors ist herausgefunden worden, dass, wenn ein modifizierter SCR-Katalysator altert, die Kohlendioxidproduktion zunimmt, wenn die Betriebstemperatur zunimmt. Die Änderung der Kohlendioxidproduktion gibt an, dass die Fähigkeit des modifizierten SCR-Katalysators zur Speicherung von Sauerstoff ansteigt. Dies ist in 1A gezeigt. Es ist auch herausgefunden worden, dass, wenn ein modifizierter SCR-Katalysator altert, der Prozentsatz der NO_x-Umwandlung abnimmt. Dies ist in 1B gezeigt.
Die 1A und 1B zeigen jeweils Laborreaktordaten von CO/O₂-Titrationsexperimenten und NO_x-Umwandlungsexperimenten unter Verwendung modifizierter Katalysatoren. Um die modifizierten Katalysatoren auszubilden, wurde ein Kupferzeolithkatalysator mit 30 g/l einer Sauerstoffspeicherkomponente (CeO₂-ZrO₂-Mischoxide mit 70% CeO₂ und 30% ZrO₂ von Rhodia Co.) dotiert und wurde über 5 Stunden bei 550°C, über 50 Stunden bei 750°C, über 16 Stunden bei 875°C oder über 24 Stunden bei 875°C ofengealtert.
Die CO/O₂-Titration wurde dazu verwendet, die Sauerstoffspeicherkapazität der über 5 Stunden, 16 Stunden und 24 Stunden gealterten modifizierten Katalysatoren zu testen. Ein nicht dotierter Kupferzeolithkatalysator wurde ebenfalls zum Vergleich der Sauerstoffspeicherkapazität getestet. Der CO/O₂-Titrationstest bestand aus einem sich wiederholenden Testzyklus über 120 Sekunden (Spülen des System mit 100% N₂ für 10 s, Oxidieren der Katalysatoren mit O₂ für 40 s, Spülen des Systems wiederum mit 100% N₂ für 10 s und Zusatz von 2500 ppm CO für 60 s), während die Temperatur rampenartig von 200°C auf 600°C mit einer Rate von 2°C pro Minute für 2 Stunden erhöht wurde. 1C zeigt, wie sich die Gaszusammensetzung über die Zyklen der CO/O₂-Titration geändert hat. Es sind drei volle Zyklen über 120 Sekunden gezeigt, von denen einer mit ”Testzyklus” bezeichnet ist. Jeder Zyklus umfasst 40 Sekunden einer O₂-Exposition, gefolgt durch 60 Sekunden einer CO-Exposition, mit 10 Sekunden andauernden N₂-Spülungen zwischen dem Gaswechsel. In diesem Test wird Sauerstoff in den Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) gespeichert, wenn der Katalysator O₂ ausgesetzt wird, und wenn die Gaszusammensetzung auf CO geschaltet wird, reagiert CO mit dem in den Sauerstoffspeicherkomponenten gespeicherten Sauerstoff, um CO₂ zu bilden. Das Messen der CO-Umwandlung zu CO₂ ermöglicht eine Bestimmung, wie effektiv der Katalysator O₂ gespeichert hat.
Die CO₂-Produktionsdaten sind eine Aufsummierung der Daten, die über die Zeitperiode von 60 Sekunden aufgezeichnet sind, wenn der Katalysator bei den jeweiligen Temperaturen CO ausgesetzt ist. Wie in 1A gezeigt ist, stieg, wenn die durchschnittliche Katalysatortemperatur während des Tests über 500°C angehoben wurde, die CO₂-Produktion, da der Schweregrad der Alterung der modifizierten Katalysatoren zunahm. Beispielsweise erzeugte der über 24 Stunden gealterte modifizierte Katalysator mehr CO₂ als der über 16 Stunden gealterte modifizierte Katalysator, und der über 16 Stunden gealterte modifizierte Katalysator erzeugte mehr CO₂ als der über 5 Stunden gealterte modifizierte Katalysator.
Die NO_x-Umwandlung wurde für die 5 Stunden, 50 Stunden, 16 Stunden und 24 Stunden gealterten modifizierten Katalysatoren gemessen. Die Messung der stationären NO_x-Umwandlung wurde mit einem Gaszustrom, der 10% O₂, 5% H₂O, 8% CO₂, 200 ppm NO und 180 ppm NH₃ enthielt, bei einer Raumgeschwindigkeit von 25.000 h^–1 ausgeführt. Wie in 1B gezeigt ist, nahm die NO_x-Umwandlung (d. h. SCR-Leistungsfähigkeit) ab, wenn der Schweregrad der Alterung der jeweiligen modifizierten Katalysatoren zunahm.
Zusammengenommen geben diese Daten an, dass die Funktionsweise und Lebensdauer des SCR-Katalysators, der in dem modifizierten SCR-Katalysator verwendet ist, durch Detektieren der Änderungen der Sauerstoffspeicherkapazität des modifizierten SCR-Katalysators überwacht werden kann. Somit kann eine An-Bord-Diagnose dieser modifizierten SCR-Katalysatoren unter Verwendung von Sauerstoffsensoren im Gegensatz zu herkömmlichen NO_x-Sensoren ausgeführt werden.
Ein Beispiel eines Systems 10 zur Ausführung einer An-Bord-Diagnose auf Grundlage der Beziehung zwischen der Sauerstoffspeicherkapazität des modifizierten SCR-Katalysators und der thermischen Degradation des modifizierten SCR-Katalysators ist in 2 gezeigt. Das System 10 kann in einem beliebigen Fahrzeug mit einem Motor 12 und einem Abgassystem 14 (das ein Abgasrohr 16 aufweist), und das einen SCR-Katalysator zur NO_x-Reduktion verwendet, verwendet werden. Bei einem Beispiel wird das System 10 in einem Fahrzeug mit einem Dieselmotor verwendet.
Der Motor 12 wandelt Kraftstoff in Energie durch eine Reihe von Verbrennungen um. In einem Dieselmotor wird Luft komprimiert und dann Kraftstoff injiziert. Die Luft heizt sich auf, wenn sie komprimiert wird, und somit zündet der injizierte Kraftstoff. Der Motor 12 steht in Kommunikation mit einem Motorsteuermodul 24 (nachfolgend weiter beschrieben), das Signale überträgt, um präzise Mengen von Kraftstoff und Luft an den Motor 12 zu gewünschten Zeitpunkten zu liefern. Der Verbrennungsprozess erzeugt Abgase, die aus dem Motor 12 über das Abgassystem 14 geführt werden.
Das System 10 weist einen modifizierten Katalysator 18 für selektive katalytische Reduktion auf. Der modifizierte SCR-Katalysator 18 ist mit dem Motor 12 über das Abgassystem 14 gekoppelt. Der modifizierte SCR-Katalysator 18 weist den SCR-Katalysator und Sauerstoffspeicherkomponenten auf.
Das Abgassystem 14 kann einen Trägerkörper (eine teilweise Schnittansicht davon ist in 4A bis 4C gezeigt, siehe Bezugszeichen 42) aufweisen, der dazu verwendet wird, den modifizierten SCR-Katalysator 18 zu tragen. Bei einem Beispiel ist der Trägerkörper 42 ein Durchströmträgerkörper mit einem Einlass, der die sauerstoffreiche oder sauerstoffabgereicherte Abgasströmung aufnimmt, und einem Auslass, der die Abgasströmung von dem Trägerkörper 42 liefert. Der Trägerkörper 42 kann ein monolithischer Wabenaufbau sein, der mehrere hundert (z. B. etwa 400) parallele Durchströmkanäle aufweist (siehe Bezugszeichen 44 in den 4A bis 4C). Die Durchströmkanäle 44 weisen Oberflächen 46, 48 auf, über die die Abgase strömen, während sie durch den Trägerkörper 42 gelangen. Der monolithische Wabenaufbau kann aus einem beliebigen Material ausgebildet sein, das in der Lage ist, die Temperaturen und die chemische Umgebung in Verbindung mit der Abgasströmung auszuhalten. Einige spezifische Beispiele von Materialien, die verwendet werden können, umfassen Keramiken, wie stranggepresstes Cordierit, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Zirkoniumdioxid, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliziumdioxid-Magnesiumoxid, Zirkoniumsilikat, Sillimanit, Petalit oder ein hitze- und korrosionsbeständiges Metall, wie Titan oder rostfreien Stahl. Der Trägerkörper 42 und die verschiedenen Beispiele, wie der Trägerkörper 42 den modifizierten SCR-Katalysator 18 trägt, sind ferner unter Bezug auf die 4A bis 4C beschrieben.
Der SCR-Katalysator ist ein Katalysator für selektive katalytische Reduktion, der aus einem oxidbasierten Katalysator oder einem Molekularsieb gewählt ist. Geeignete oxidbasierte Katalysatoren umfassen Vanadiumoxid oder Wolframoxid, das auf Titandioxid geträgert ist, gemischte Vanadium-Wolfram-Oxide, die auf Titandioxid geträgert sind. Geeignete Molekularsiebe umfassen Zeolithe (d. h. Aluminiumsilikate) oder Aluminiumsiliziumdioxidphosphate. Beispiele von Zeolithen umfassen Cu/ZSM-5, Chabasite (z. B. kommerziell verfügbares SSZ-13), wie kupferbasierte Chabasite, oder eisenbasierte Zeolithe. Beispiele von Aluminiumsiliziumdioxidphosphaten umfassen diejenigen mit der Chabasitstruktur, wie kommerziell verfügbares SAPO-34 (z. B. Cu/SAPO-34).
Die Sauerstoffspeicherkomponenten können ein beliebiges Material sein, das eine Änderung der Sauerstoffspeicherkapazität bei den Bedingungen aufweist, denen der modifizierte SCR-Katalysator 18 ausgesetzt ist. Diese Bedingungen können die Temperaturen des Abgassystems 14 und die Zusammensetzung der Emissionen, die durch das Abgassystem 14 gesendet werden, aufweisen. Bei einem Beispiel sind die Sauerstoffspeicherkomponenten so gewählt, dass sich die Sauerstoffspeicherkapazität mit einer Rate ändert, die gleich oder schneller als eine Rate der Degradation des gewählten SCR-Katalysators ist. Beispielsweise kann die Sauerstoffspeicherkapazität über die Expositionszeit zunehmen, während die NO_x-Speicherung/Umwandlung des SCR-Katalysators über die Expositionszeit abnimmt. Beispiele geeigneter Sauerstoffspeicherkomponenten umfassen CeO₂, metallunterstützes CeO₂, CeO₂ auf einem Aluminiumoxidträger und Zirkoniumdioxid-stabilisiertes CeO₂. Es wird angenommen, dass CeO₂, CeO₂ auf einem Aluminiumoxidträger oder Zirkoniumdioxid-stabilisiertes CeO₂ insbesondere für Systeme mit oberen Grenzbetriebstemperaturen von zumindest 800°C geeignet sein können. Es wird angenommen, dass metallunterstütztes CeO₂ insbesondere für Systeme mit oberen Grenzbetriebstemperaturen von weniger als 800°C geeignet sein kann. Dies kann zumindest teilweise auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass das gewählte Metall bei diesen Temperaturen sintert, was die Sauerstoffspeicherkapazitätsfunktion dieser Sauerstoffspeicherkomponenten ändert.
Metallunterstützes CeO₂ umfasst eine Spurenmenge (größer als Null) eines Metalls, das dem CeO₂ hinzugesetzt ist. Das Metall ist so gewählt, dass es die Sauerstoffspeicherkapazität des CeO₂ steigert, und so gewählt, dass es bei der Betriebstemperatur des Abgassystems 14 sintert. Bei einem Beispiel ist das Metall Kupfer, Eisen, Wolfram, Nickel oder Mischungen dieser Metalle. Bei einem anderen Beispiel ist die Spurenmenge gleich oder kleiner als 20 g/ft³. Bei einem noch weiteren Beispiel liegt die Spurenmenge im Bereich von 1 g/ft³ bis 10 g/ft³. Bei einem noch weiteren Beispiel ist die Spurenmenge gleich oder kleiner als 1 g/ft³. Mit metallunterstütztem CeO₂ kann der Mechanismus, der in der Zunahme der Sauerstoffspeicherkapazität resultiert, mit der Migration des Metalls von dem SCR-Katalysator (z. B. der Zeolithstruktur) zu den Sauerstoffspeicherkomponenten in Verbindung gebracht werden. Wenn die Metallmigration stattfindet, kann es wenig erwünscht sein, metallunterstütztes CeO₂ für die hier offenbarten Beispiele zu verwenden.
Die Sauerstoffspeicherkomponenten können eine beliebige gewünschte Partikelgröße und/oder Oberfläche besitzen. Bei einem Beispiel ist die Partikelgröße gleich oder kleiner als 15 nm. Bei einem anderen Beispiel ist die Oberfläche gleich oder größer als 100 m²/g.
Das Verhältnis der Sauerstoffspeicherkomponenten zu dem SCR-Katalysator liegt im Bereich von etwa 1:4 bis etwa 1:5. Bei einem Beispiel beträgt die Beladung der Sauerstoffspeicherkomponente etwa 30 g/Liter, und die SCR-Katalysatorbeladung liegt im Bereich von etwa 120 g/Liter bis etwa 160 g/Liter.
Schematische Darstellungen von Beispielen des modifizierten SCR-Katalysators 18 (mit 18', 18'' bezeichnet) sind in den 3A und 3B gezeigt. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, weist jedes Beispiel des modifizierten SCR-Katalysators 18 den SCR-Katalysator 36 und die Sauerstoffspeicherkomponenten 38 auf. 3A zeigt ein Beispiel des modifizierten SCR-Katalysators 18, 18', bei dem die Sauerstoffspeicherkomponenten 38 mit dem SCR-Katalysator 36 gemischt sind und somit über den modifizierten SCR-Katalysator 18, 18' im Wesentlichen gleichförmig vorhanden sind. Um diesen Katalysator 18, 18' auszubilden, kann ein beliebiges lösungsbasiertes Verfahren verwendet werden. Beispielsweise kann eine Lösung der Sauerstoffspeicherkomponenten 38 in den SCR-Katalysator 36 imprägniert werden. 3B zeigt ein Beispiel des modifizierten SCR-Katalysators 18, 18, bei dem die Sauerstoffspeicherkomponenten 38 als eine Schicht auf einer Oberfläche des SCR-Katalysators 36 abgeschieden sind. Wenn Abscheidung verwendet wird, können die Sauerstoffspeicherkomponenten 38 zuerst kugelgemahlen werden, um eine Aufschlämmung zu bilden. Die Aufschlämmung kann bei einem pH von 5,0 durch Zusatz von Essigsäure oder einer anderen geeigneten Säure gehalten werden. Nach dem Kugelmahlen für eine vorbestimmte Zeitdauer (z. B. 15 Stunden bis 20 Stunden) wird die Aufschlämmung auf einen Monolithkern-SCR-Katalysator washcoat-beschichtet (z. B. 3/4'' × 1'' 400 cpsi/4 mil Cordierit). Bei einem Beispiel beträgt die Ziel-Gesamt-Washcoat-Beladung 30 g/l. Nach der Washcoat-Beschichtung wird der monolithische Katalysator getrocknet und bei einer geeigneten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer (z. B. 550°C für 5 Stunden in statischer Luft) kalziniert.
Die 4A bis 4C zeigen Beispiele des modifizierten SCR-Katalysators 18, der durch den vorher erwähnten Trägerkörper 42 geträgert ist. 4A zeigt ein Beispiel des Trägerkörpers 42, das das Beispiel des modifizierten SCR-Katalysators 18, 18 (in 3A gezeigt) aufweist, der gleichförmig auf die Oberflächen davon beschichtet ist. Der SCR-Katalysator 36 und die Sauerstoffspeicherkomponenten 38 werden miteinander gemischt und über die Oberflächen des Trägerkörpers 42 beschichtet. Die Sauerstoffspeichermaterialien 38 können auch auf den SCR-Katalysator 36 zusammen mit Kupfer geladen werden. Diese Mischung aus Materialien kann gleichförmig auf die Oberflächen des Trägerkörpers 42 beschichtet werden. 4B zeigt ein Beispiel des Trägerkörpers 42, der den SCR-Katalysator 36 und die Sauerstoffspeicherkomponenten 38 auf verschiedene Bereiche der Oberflächen zonenbeschichtet aufweist. Eine Zonenbeschichtung betrifft allgemein eine Beschichtung verschiedener Washcoats (z. B. Katalysatormaterialien) auf verschiedene Stellen (Zonen) eines monolithischen Substrats oder Trägers. Bei dem in 4B gezeigten Beispiel wird der SCR-Katalysator 36 nahe der vorderen Zone VZ (d. h. einem Bereich benachbart dem Einlass des Durchströmkanals 44) beschichtet, und die Sauerstoffspeicherkomponenten 38 werden nahe der rückwärtigen Zone RZ (d. h. einem Bereich benachbart dem Auslass des Durchströmkanals 44) beschichtet. Bei einem anderen Beispiel können die Sauerstoffspeicherkomponenten 38 in der vorderen Zone VZ abgeschieden sein und der SCR-Katalysator 36 kann in der rückwärtigen Zone RZ abgeschieden sein. 4C zeigt ein Beispiel des Trägerkörpers 42, der den SCR-Katalysator 36 über seine Oberflächen (in beiden Zonen VZ, RZ) beschichtet aufweist und die Sauerstoffspeicherkomponenten 38 über den SCR-Katalysator 36 nur in der vorderen Zone VZ beschichtet aufweist.
Ähnlicherweise kann bei einem anderen Beispiel der Trägerkörper 42 den SCR-Katalysator 36 über seine Oberflächen beschichtet und die Sauerstoffspeicherkomponenten 38 über den SCR-Katalysator 36 nur in der rückwärtigen Zone RZ beschichtet aufweisen.
Zurück Bezug nehmend auf 2 weist das System 10 ferner einen stromaufwärtigen Sauerstoffsensor 20 auf, der in dem Abgassystem 14 vor oder stromaufwärts des modifizierten SCR-Katalysators 18 angeordnet ist, sowie einen stromabwärtigen Sauerstoffsensor 22 auf, der in dem Abgassystem 14 nach oder stromabwärts von dem modifizierten SCR-Katalysator 18 angeordnet ist. Jeder der Sauerstoffsensoren 20, 22 detektiert fette (überschüssiger Kraftstoff) und magere (überschüssiger Sauerstoff) Gemische in dem Abgas. Insbesondere detektiert der stromaufwärtige Sauerstoffsensor 20 fette und magere Gemische in dem Abgas vor der Abgasreaktion mit dem modifizierten SCR-Katalysator 18, und der stromabwärtige Sauerstoffsensor 22 detektiert fette und magere Gemische in dem Abgas nach der Abgasreaktion mit dem modifizierten SCR-Katalysator 18. Bei einem Beispiel betrifft der Mechanismus in den Sensoren 20, 22 eine chemische Reaktion, die eine Spannung erzeugt, und die Spannungsdaten werden zur Analyse an ein Motorsteuermodul 24 übertragen. Beispielsweise kann das Motorsteuermodul 24 die Spannung analysieren, um zu bestimmen, ob das Gemisch fett oder mager ist, und kann dann die Menge an Kraftstoff, die in den Motor 12 eintritt, auf eine geeignete Art und Weise einstellen.
Somit weist das System 10 auch das Motorsteuermodul 24 auf, das mit dem Motor 12 und beiden Sauerstoffsensoren 20, 22 in Kommunikation steht. Das Motorsteuermodul 24 umfasst eine Verarbeitungseinheit 26, einen Speicher 28, Eingänge 30, Ausgänge 32, Kommunikationsleitungen und andere Hardware und Software (nicht gezeigt), um den Motor 12 und damit in Verbindung stehende Aufgaben zu steuern. Das Motorsteuermodul 24 kann Aufgaben steuern, wie die Beibehaltung eines Verhältnisses von Kraftstoff zu Luft, die Steuerung einer Abgasrückführung und An-Bord-Diagnose.
Wie vorher erwähnt wurde, befindet sich das Motorsteuermodul 24 in Kommunikation mit beiden Sauerstoffsensoren 20, 22. Die Verarbeitungseinheit 26 empfängt Daten stromaufwärtiger und stromabwärtiger Sauerstoffsensoren (z. B. Spannungsdaten) und verarbeitet diese Daten, um die Funktionsweise und Lebensdauer des modifizierten SCR-Katalysators 18 zu überwachen. Die Bearbeitungseinheit 26 kann ein Mikrocontroller, ein Controller, ein Mikroprozessor und/oder ein Host-Prozessor sein. Bei einem anderen Beispiel ist die Verarbeitungseinheit 26 eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Bei einem Beispiel umfasst die Verarbeitungseinheit 26 Softwareprogramme, die computerlesbaren Code/maschinenlesbare Anweisungen aufweisen, um eine An-Bord-Diagnose des modifizierten SCR-Katalysators 18 auszuführen. Beispielsweise können die Softwareprogramme computerlesbaren Code/maschinenlesbare Anweisungen zum Überwachen der empfangenen Sensordaten, zur Detektion einer Änderung der Sauerstoffspeicherkapazität auf Grundlage der empfangenen Sensordaten, zur Bestimmung, ob die detektierte Änderung eine Schwelle überschreitet, und zum Auslösen eines Alarms oder einer Warnung umfassen, wenn die detektierte Änderung die Schwelle überschreitet.
Bei einem Beispiel weist das Motorsteuermodul 24 maschinenlesbare Anweisungen zur Bestimmung oder Berechnung der Sauerstoffspeicherkapazität der Sauerstoffspeicherkomponenten 38 in dem modifizierten SCR-Katalysator auf. Dies kann unter Verwendung der von den Sensoren 20, 22 empfangenen Daten erreicht werden. Bei einem Beispiel wird die Sauerstoffspeicherkapazität durch Überwachen der Spannungsdaten für den stromaufwärtigen Sauerstoffsensor 20 und den stromabwärtigen Sauerstoffsensor 22 bestimmt. Der Übergang von fett/mager oder mager/fett kann aus den Spannungsdaten bestimmt werden. Bei Ausführung der An-Bord-Diagnose des modifizierten SCR-Katalysators kann der Motor 12 (durch das Motorsteuermodul 24) geführt werden, um den modifizierten SCR-Katalysator mit einem fetten Abgaszustrom (d. h. einem fetten Gemisch) für eine vorbestimmte Zeitdauer (z. B. 5 Sekunden bis 10 Sekunden) vor Schalten zu einem mageren Abgaszustrom (d. h. einem mageren Gemisch) zu sättigen. Nach Schalten zu dem mageren Gemisch kann die Zeitdauer zwischen dem Schalten des stromaufwärtigen Sensors 20 und des stromabwärtigen Sensors 22 gemessen werden. Diese Messung sieht eine Beurteilung der Sauerstoffspeicherkapazität des modifizierten SCR-Katalysators 18 vor. Die gemessene Speicherkapazität kann dann mit Schwellenwerten, die vorher gebildet wurden, verglichen und mit dem spezifischen modifizierten SCR-Katalysator 18 korreliert werden. Diese Werte können im Bereich von 1 Sekunden bis 30 Sekunden abhängig von der Größe und dem Zustand des Katalysators 18 liegen.
Zumindest teilweise abhängig von dem Typ der Sauerstoffspeichermodifikation, die für den modifizierten SCR-Katalysator 18 verwendet wird, ändert sich die gealterte Sauerstoffspeicherkapazität des modifizierten Katalysators 18 von dem ursprünglichen Zustand. Diese Änderung wird dann überwacht. Das Änderungsniveau, das eine spezifische Schwelle überschreitet, kann eine Angabe einer schlechten Katalysatorfunktionsfähigkeit sein. Beispielsweise kann bei einem Beispiel die Schaltzeitverzögerung zwischen dem stromaufwärtigen Sensor 20 und dem stromabwärtigen Sensor 22 von 5 Sekunden auf 15 Sekunden zunehmen. Vorher gebildete Werte können in dem Motorsteuermodul 24 zu Vergleichszwecken gespeichert werden. Wenn der vorher gebildete Maximalwert für einen gefährdeten (z. B. verschlechterten) modifizierten Katalysator 18 12 Sekunden beträgt, dann kann bestimmt werden, dass der gemessene Katalysator bei diesem Beispiel eine nicht angemessene Leistungsfähigkeit besitzt.
Ein anderes Beispiel, das verwendet werden kann, um eine Angabe der Sauerstoffspeicherkapazität bereitzustellen, besteht darin, die Häufigkeit des Schaltens des Verhältnisses von Luft zu Kraftstoff von dem stromaufwärtigen Sensor 20 und dem stromabwärtigen Sensor 22 zu überwachen. Das Motorsteuermodul 24 kann das Motor-Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei etwa 0,1 Hertz bis etwa 1 Hertz unter Verwendung von Luft/Kraftstoff-Verhältnissen modulieren, die etwa 10% unter- und 10% überstöchiometrisch sind. Die Häufigkeit der Auslenkungen des fetten und mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des stromaufwärtigen Sensors 20 und des stromabwärtigen Sensors 22 können gemessen werden. Der stromabwärtige Sensor 22 besitzt normalerweise eine geringere Schalthäufigkeit zwischen fetten und mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen. Die Schalthäufigkeit des stromabwärtigen Sensors 22 ändert sich, wenn sich die Sauerstoffspeicherkapazität des modifizierten SCR-Katalysators 18 ändert. Beispielsweise besitzt mit einem sehr geringen Niveau an Sauerstoffspeicherkapazität der stromabwärtige Sensor 22 eine Schalthäufigkeit, die nahezu dieselbe wie die des stromaufwärtigen Sensors 20 ist. Umgekehrt dient ein hohes Niveau an Sauerstoffspeicherkapazität in dem modifizierten SCR-Katalysator 18 dazu, Auslenkungen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu dämpfen und ein relativ langsames Schalten des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses für den stromabwärtigen Sensor 22 zu erzeugen. Das Verhältnis der Schalthäufigkeiten des stromaufwärtigen Sensors 20 gegenüber dem stromabwärtigen Sensor 22 kann dann mit Schwellenwerten verglichen werden, die vorher für minimal akzeptable modifizierte Katalysatoren 18 gebildet wurden. Sobald das Schaltverhältnis einen Schwellenwert überschreitet, kann das Motorsteuermodul 24 einen Fehler mit dem modifizierten SCR-Katalysator 18 angeben.
In Ansprechen auf die Erkennung der Verschlechterung des modifizierten SCR-Katalysators 18 kann das Motorsteuermodul 24 einen im Fahrzeug befindlichen Alarm 34 auslösen. Der Alarm 34 ist eine im Fahrzeug befindliche Alarmierung, die einen im Fahrzeug befindlichen Anwender darüber informiert, dass der modifizierte SCR-Katalysator 18 gewechselt werden sollte. Der Alarm 34 kann ein sichtbarer Alarm (z. B. ein Licht oder ein visuelles Display) sein. Bei einem Beispiel weist der Alarm 34 ein im Fahrzeug befindliches Symbol auf, das bei Auslösung beleuchtet wird, ähnlich dem Alarm, der erzeugt wird, wenn geringe Kraftstoffpegel detektiert werden. Ein sichtbarer Alarm kann an dem Armaturenbrett oder an einem im Fahrzeug befindlichen Display angezeigt werden.
Es sei zu verstehen, dass, wenn die An-Bord-Diagnose zeigt, dass die Sauerstoffspeicherkapazität und die Leistungsfähigkeit des modifizierten SCR-Katalysators 18 akzeptabel sind, das System 10 den Betrieb ohne Aktivierung des Alarms 34 fortsetzt. Bei einem Beispiel wird die An-Bord-Diagnose in regelmäßig geplanten Intervallen (wie in dem Motorsteuermodul 24 programmiert ist) ausgeführt.
Es sei ferner zu verstehen, dass das System 10 auch andere Sensoren, Wandler und dergleichen aufweisen kann, die mit dem Motorsteuermodul 24 durch die Eingänge 30 und Ausgänge 32 in Kommunikation stehen, um ein Verfahren, wie hier beschrieben ist, weiter auszuführen.
Um die vorliegende Offenbarung weiter zu veranschaulichen, ist hier ein Beispiel gegeben. Es sei zu verstehen, dass dieses Beispiel zu Veranschaulichungszwecken dient und nicht als beschränkend für den Schutzumfang der Offenbarung auszulegen ist.
BEISPIEL
Die 5A und 5B zeigen ein Vorhersagebeispiel des An-Bord-Diagnoseverfahrens, wie hier offenbart ist. 5A zeigt Sauerstoffsensordaten von dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Sensor 20, 22, die an dem Motorsteuermodul 24 während einer ersten Diagnoseprüfung empfangen werden, und 5B zeigt Sauerstoffsensordaten von dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Sensor 20, 22, die an dem Motorsteuermodul 24 während einer nachfolgenden Diagnoseprüfung empfangen werden. Die Sauerstoffsensordaten, die empfangen werden, umfassen die Spannung und die Zeit, zu der die Spannung gemessen wird.
Bei Ausführung der ersten An-Bord-Diagnose des modifizierten SCR-Katalysators überträgt das Motorsteuermodul 24 Signale an den Motor 12 zum Betrieb auf eine bestimmte Art und Weise. Bei diesem Beispiel arbeitet der Motor, wenn das durchschnittliche Kraftstoff/Luft-Verhältnis stöchiometrisch ist, und somit erfolgt ein regelmäßiges Umschalten der Spannungsdaten für den stromaufwärtigen Sauerstoffsensor 20 zwischen fetten Gemischen und mageren Gemischen für die ersten 8 Sekunden der Diagnose. Anschließend ist der modifizierte SCR-Katalysator mit einem fetten Abgaszustrom von der 8-Sekunden-Markierung bis zu etwa der 15-Sekunden-Markierung vor einem Schalten zu einem mageren Gemisch gesättigt. Bei 15 Sekunden wird das Gemisch von fett auf mager geschaltet. Wie in 5A gezeigt ist, erkennt der stromaufwärtige Sensor das Schalten von fett auf mager unmittelbar. Es existiert eine relativ kurze Verzögerung in der Erkennung des Übergangs von fett nach mager durch den stromabwärtigen Sensor. Die Verzögerung beträgt etwa 1 Sekunde.
Diese relativ kurze Verzögerung gibt an, dass die Sauerstoffspeicherkapazität des modifizierten SCR-Katalysators gering ist und dass der modifizierte SCR-Katalysator eine gute Funktionsfähigkeit besitzt (d. h. richtig funktioniert).
Bei Ausführung der nachfolgenden An-Bord-Diagnose des modifizierten SCR-Katalysators überträgt das Motorsteuermodul 24 Signale an den Motor 12 zum Betrieb auf eine bestimmte Art und Weise. Ähnlich zu 5A arbeitet der Motor, wenn das durchschnittliche Kraftstoff/Luft-Verhältnis stöchiometrisch ist, und somit erfolgt ein regelmäßiges Umschalten der Spannungsdaten für den stromaufwärtigen Sauerstoffsensor 20 zwischen fetten Gemischen und mageren Gemischen für die ersten 8 Sekunden der Diagnose aus. Anschließend ist der modifizierte SCR-Katalysator mit einem fetten Abgaszustrom von der 8-Sekunden-Markierung bis etwa zu der 15-Sekunden-Markierung vor einem Schalten zu einem mageren Gemisch gesättigt. Bei 15 Sekunden wird das Gemisch von fett nach mager geschaltet. Wie in 5B gezeigt ist, erkennt der stromaufwärtige Sensor das Schalten von fett nach mager unmittelbar. Bei diesem Beispiel ist die Verzögerung der Erkennung des Übergangs von fett nach mager durch den stromabwärtigen Sensor größer als die in 5A aufgezeichnete Verzögerung. Bei diesem Beispiel beträgt die Verzögerung mehr als 4 Sekunden.
Die Änderung der Erkennungsverzögerung wird durch das Motorsteuermodul 24 erkannt. Die Änderung wird durch das Motorsteuermodul 24 berechnet und mit einem voreingestellten Schwellenwert für das bestimmte System 10 verglichen. Bei diesem Beispiel kann der voreingestellte Schwellenwert 3 Sekunden betragen. Die Änderung liegt geringfügig über der 3-Sekunden-Schwelle, und somit wird das Motorsteuermodul 24 derart programmiert, dass erkannt wird, dass die Sauerstoffspeicherkapazität zugenommen hat und dass der SCR-Katalysator gewechselt werden sollte.
Während verschiedene Beispiele detailliert beschrieben worden sind, sei dem Fachmann offensichtlich, dass die offenbarten Ausführungsformen modifiziert werden können. Daher ist die vorhergehende Beschreibung als nicht beschränkend zu betrachten.

Claims

An-Bord-Diagnosesystem für ein Fahrzeug, das einen Motor und ein Abgassystem aufweist, wobei das System umfasst: einen modifizierten Katalysator für selektive katalytische Reduktion, der mit dem Motor über das Abgassystem gekoppelt ist, wobei der modifizierte Katalysator für selektive katalytische Reduktion Sauerstoffspeicherkomponenten aufweist; einen stromaufwärtigen Sauerstoffsensor, der in dem Abgassystem stromaufwärts des modifizierten Katalysators für selektive katalytische Reduktion angeordnet ist; einen stromabwärtigen Sauerstoffsensor, der in dem Abgassystem stromabwärts von dem modifizierten Katalysator für selektive katalytische Reduktion angeordnet ist; und ein Motorsteuermodul, das Daten von dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Sauerstoffsensor aufnimmt und eine Lebensdauer des modifizierten Katalysators für selektive katalytische Reduktion auf Grundlage der Daten von dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Sauerstoffsensor bestimmt.
An-Bord-Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei ein Katalysator für selektive katalytische Reduktion des modifizierten Katalysators für selektive katalytische Reduktion aus einem oxidbasierten Katalysator und einem Molekularsieb gewählt ist.
An-Bord-Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoffspeicherkomponenten aus CeO₂; metallunterstütztem CeO₂, das eine Spurenmenge eines Metalls aufweist, das aus Kupfer, Eisen, Wolfram, Nickel und Mischungen daraus gewählt ist; CeO₂ auf einem Aluminiumoxidträger; und Zirkoniumdioxid-stabilisiertem CeO₂ gewählt sind.
An-Bord-Diagnosesystem nach Anspruch 3, wobei die Spurenmenge des Metalls in dem metallunterstütztem CeO₂ gleich oder kleiner als 20 g/ft³ ist, und wobei das metallunterstützte CeO₂ eine Oberfläche von größer als 100 m²/g besitzt.
An-Bord-Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoffspeicherkomponenten eine Änderung der Sauerstoffspeicherkapazität bei Bedingungen aufweisen, denen der modifizierte Katalysator für selektive katalytische Reduktion ausgesetzt ist, und wobei sich die Sauerstoffspeicherkapazität mit einer Rate gleich oder schneller als einer Degradationsrate eines Katalysators für selektive katalytische Reduktion in dem modifizierten Katalysator für selektive katalytische Reduktion ändert.
An-Bord-Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei die Daten Daten des stromaufwärtigen und stromabwärtigen Sauerstoffsensors aufweisen, und wobei das Motorsteuermodul maschinenlesbare Anweisungen umfasst zum: Detektieren einer Änderung der Sauerstoffspeicherkapazität der Sauerstoffspeicherkomponenten; und Bestimmen, ob die Änderung der Sauerstoffspeicherkapazität einen Schwellenwert überschreitet.
An-Bord-Diagnoseverfahren, umfassend: Korrelieren einer Sauerstoffspeicherkapazität eines modifizierten Katalysators für selektive katalytische Reduktion mit einer thermischen Degradation eines Katalysators für selektive katalytische Reduktion in dem modifizierten Katalysator für selektive katalytische Reduktion; und Bestimmen, wann eine Änderung der Sauerstoffspeicherkapazität eine Schwelle überschreitet, wodurch eine Degradation des Katalysators für selektive katalytische Reduktion in dem modifizierten Katalysator für selektive katalytische Reduktion erkannt wird.
Modifizierter Katalysator für selektive katalytische Reduktion, umfassend: einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion, der aus einem oxidbasierten Katalysator und einem Molekularsieb gewählt ist; und Sauerstoffspeicherkomponenten, die dem Katalysator für selektive katalytische Reduktion zugeordnet sind.
Modifizierter Katalysator für selektive katalytische Reduktion nach Anspruch 8, wobei: die Sauerstoffspeicherkomponenten mit dem Katalysator für selektive katalytische Reduktion gemischt sind; oder die Sauerstoffspeicherkomponenten als eine Schicht auf dem Katalysator für selektive katalytische Reduktion geformt sind; oder die Sauerstoffspeicherkomponenten und der Katalysator für selektive katalytische Reduktion auf einen Trägerkörper zonenbeschichtet sind.
Modifizierter Katalysator für selektive katalytische Reduktion nach Anspruch 8, wobei die Sauerstoffspeicherkomponenten aus CeO₂, metallunterstütztem CeO₂, CeO₂ auf einem Aluminiumoxidträger und Zirkoniumdioxid-stabilisiertem CeO₂ gewählt sind.