СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОТРАВЛЕНИЯ СЕРОЙ В СИСТЕМЕ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПА

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе доочистки выхлопа и к способу для такой системы согласно ограничительным частям независимых пунктов формулы изобретения.

В частности, способ и система приспосабливаются, чтобы обнаруживать отравление серой окислительного нейтрализатора дизельных выхлопных газов (DOC) в системе доочистки выхлопа.

Двигатель внутреннего сгорания сжигает смесь воздуха и топлива для того, чтобы формировать движущий крутящий момент. Процесс сгорания формирует выхлопные газы, которые доставляются из двигателя в атмосферу. Выхлопные газы содержат окислы азота (NO_x), углекислый газ (CO₂), монооксид углерода (CO) и частицы. NO_x - составной термин, чтобы обозначать выхлопные газы, которые состоят, в первую очередь, из окиси азота (NO) и двуокиси азота (NO₂). Система доочистки выхлопа очищает выхлопные выбросы для того, чтобы снижать их, прежде чем они выпускаются в атмосферу. В приводимой в пример системе доочистки выхлопа дозирующая система впрыскивает восстанавливающий агент в выхлопные газы выше по потоку от каталитического нейтрализатора с избирательным каталитическим восстановлением (SCR-катализатора). Смесь выхлопных газов и восстанавливающего агента реагирует в SCR-катализаторе и, таким образом, уменьшает количества NO_x, выбрасываемые в атмосферу.

Одним примером восстанавливающего агента является жидкая мочевина, коммерчески доступная в форме AdBlue®. Эта жидкость является нетоксичным раствором мочевины в воде, который используется, чтобы химически уменьшать выбросы окислов азота, в частности для грузовых транспортных средств с дизельными двигателями.

Восстанавливающий агент реагирует с NO_x в SCR-катализаторе, чтобы влиять на уменьшение NO_x. Более конкретно, восстанавливающий агент разрушается и формирует аммиак (NH₃), который затем реагирует с NO_x, чтобы формировать воду и газообразный азот (N₂).

Чтобы добиваться описанного снижения NO_x, NH₃ должен храниться в SCR-катализаторе. Для того чтобы каталитический нейтрализатор работал эффективно, это хранение должно быть на соответствующем уровне. Более подробно, снижние NO_x, эффективность преобразования зависят от уровня хранения.

Поддержание высокой эффективности преобразования в различных рабочих условиях зависит от поддержания хранения NH₃. Уровень NH₃, однако, должен постепенно уменьшаться, когда температура SCR-катализатора растет, чтобы избегать выбросов NH₃ (т.е. излишек NH₃ выбрасывается из каталитического нейтрализатора), которые могут снижать эффективность преобразования каталитического нейтрализатора.

Вкратце, чтобы удовлетворять более строгим природоохранным требованиям, производители транспортных средств все больше используют системы с SCR-катализатором, чтобы устранять окислы азота (NO_x) из выхлопных газов дизельного двигателя. Это выполняется посредством впрыскивания раствора аммиака в SCR-катализатор, чтобы помогать преобразовывать NO_x-частицы в газообразный азот и воду. Необходимо обеспечивать стратегию очистки выхлопа, чтобы достаточное количество NO_x было преобразовано, в то же самое время стараясь не впрыскивать слишком много аммиака, как по природоохранным причинам, так и по причинам экономии.

По меньшей мере один окислительный нейтрализатор дизельных выхлопных газов (DOC) также используется в системах доочистки выхлопа, так же как и один или более фильтров твердых частиц дизельных выхлопных газов (DPF), которые зачастую снабжены каталитическим покрытием. Целью покрытия, среди прочего, является формирование достаточного количества NO₂, чтобы добиваться пассивного окисления сажи, которая захватывается посредством DPF. Это выполняется, среди прочего, посредством реакции C + NO₂ → CO + NO.

Образование NO₂ в DOC будет зависеть, среди прочего, от массового расхода выхлопных газов и температуры в DOC. В дополнение к зависимости от потока и температуры DOC и/или каталитическое покрытие в DPF сохраняет серу (S), которая может присутствовать в выхлопных газах, при более низких температурах, и выбрасывает серу при температурах типично выше 400°C. Если рабочие условия вынуждают абсорбировать много серы, DOC будет отравлен, т.е. образование NO₂ будет заторможено. Содержимое NO₂ после DPF будет также зависеть от состояния DPF относительно отравления серой. Сера, таким образом, является главной причиной того, что образование NO₂ уменьшается в DOC и на каталитическом покрытии DPF. Фактические температуры абсорбции серы и выброса серы зависят от конкретной смеси катализатора и конкретных рабочих условий.

Дизельное топливо с низким содержанием серы (ниже 10 мг/л), которое в настоящее время, как правило, доступно в Европе и США, может быть использовано в течение достаточного количества часов или дней работы двигателя без превышения температур выхлопа в 400°C, прежде чем появится заметное уменьшение в образовании NO₂ в DOC и/или DPF, покрытом каталитическим материалом. Движущиеся таким образом тяжелые транспортные средства являются необычными, но могут встречаться. Однако отравление серой DOC и/или покрытого DPF может происходить быстрее, если водитель использует топливо, которое имеет более высокое содержание серы, например при движении в странах, где не существует малосернистого топлива, или если транспортное средство случайно заправляется топливом с высоким содержанием серы.

Следовательно, важно обнаруживать такое отравление и устранять серу из DOC. Сера устраняется из DOC и/или покрытого DPF посредством нагрева каталитических нейтрализаторов свыше 400°C в течение достаточного времени, например более пяти минут, что может быть выполнено посредством впрыска топлива в выхлопные газы или посредством активации горелки.

Температура, подразумеваемая при десульфуризации, не влияет на SCR-катализатор, который будет во время этого находиться при температуре, при которой он работает очень эффективно, и существует минимальное влияние на соотношение между NO₂ и NO.

Датчики, используемые для измерения содержимого окислов азота выхлопных газов, зачастую являются очень дорогостоящими компонентами. NO_x-датчики зачастую изготовлены из керамических оксидов металла, обычно циркония, стабилизированного иттрием (YSZ). YSZ прессуется, чтобы формировать твердую керамику, которая проводит ионы кислорода при высоких температурах, приблизительно от 400°C. Чтобы получать сигнал измерения, пара электродов из благородного металла помещается на поверхность, делая возможным измерение изменений в напряжении или токе электрического сигнала как функции концентрации NO_x.

Для датчика должны удовлетворяться высокие требования, чтобы добиваться чувствительности и надежности, требуемой для измерений в потоках выхлопных газов. Стоимость NO_x-датчиков, следовательно, является высокой.

NO_x -датчик формирует выходной сигнал, который представляет совокупность содержимого NO и NO₂.

Выше по потоку от DOC (см. фиг. 1) выхлопные газы содержат около 90% (±5%) NO и остальное NO₂. Это соотношение может быть оценено из теоретических моделей.

Известно, что NO_x-датчик имеет различные чувствительности к NO и NO₂, его чувствительность к NO больше, чем к NO₂. Выходной сигнал S_NOX от NO_x-датчика может тогда быть выражен как S_NOX=A×[NO]+B_x×[NO₂], где A>B.

WO 2010/068147 описывает, как диагностика отравления серой выполняется в системе с одним NO_x-датчиком перед ASC (последняя часть некоторых SCR-катализаторов со специальными покрытиями) и другим после ASC.

Диагностика тогда использует уровни NO_x, чтобы обнаруживать и регулировать SCR-катализатор. WO 2010/068147 ссылается на способ для доочистки выхлопных газов в случаях, когда система содержит DOC и DPF. Способ описывает возможность обнаружения отравления серой в DOC и DPF посредством измерения их способности формировать NO₂. Это может, среди прочего, быть измерено посредством NO_x-датчиков и затем сравнено с расчетными значениями.

US 2008/216466, US 2003/032188 и US 2005/109022 являются примерами патентных спецификаций, ссылающихся на различные способы для устранения нежелательных веществ (например, серы) из катализатора. Например, степень отравления серой вычисляется посредством измерения возможности катализатора устранять NO_x-газы. Это достигается посредством измерения содержимого NO_x-газов до и после каталитического нейтрализатора.

Отравление серой DOC и DPF с каталитическими покрытиями является известной проблемой, которая может, среди прочего, быть вызвана использованием топлива с очень большим содержанием серы. В настоящее время не существует надежных способов получения указаний, что произошло отравление серой, и целью настоящего изобретения является указание такого способа.

В настоящее время может случаться, что предупредительная лампа зажигается ошибочно, чтобы указывать слишком высокие уровни выбросов, что косвенно вызывается отравлением серой. Другой целью изобретения является предоставление раннего указания о том, что возможно произошло отравление серой, и, тем самым делать возможным инициирование контрмер.

Сущность изобретения

Вышеописанные задачи решаются с помощью изобретения, определенного независимыми пунктами формулы изобретения.

Предпочтительные варианты осуществления определяются зависимыми пунктами формулы изобретения.

NO_x-датчик приспосабливается, чтобы формировать выходной сигнал, который представляет совокупность содержимого NO и NO₂, и настоящее изобретение использует тот факт, что используемые NO_x-датчики имеют различные чувствительности к NO и NO₂, в качестве основы для получения диагноза отравления серой. Способность DOC и DPF преобразовывать NO в NO₂ является хорошим показателем отравления серой.

Когда пропорция NO₂ относительно пропорции NO увеличивается за счет окисления, которое обычно выполняется в DOC/DPF, когда он не отравлен, это означает, что сила выходного сигнала из NO_x-датчика ниже по потоку от SCR-катализатора (NOX2) (см. фиг. 1) будет уменьшаться при температурах выше 150°C. Однако уменьшение не является линейным на протяжении диапазона температур и диапазона расхода, а достигает максимума перед снижением активности, но никогда не падает ниже 150°C.

Если DOC/DPF отравлен, уменьшение, следовательно, не будет таким большим. Если он полностью отравлен, практически не будет изменения в сигнале. Это означает, например, что вычисленный виртуальный NO_x-сигнал после DOC/DPF будет ошибочно скорректирован и может, следовательно, быть причиной указания в целом слишком высокой мощности сигнала, т.е. слишком высокого содержания NO/NO₂.

Сравнивая фактические NO_x-сигналы, измеренные ниже по потоку от SCR-катализатора, с ожидаемыми сигналами и связывая их с какими-либо предыдущими измеренными сигналами и дозаправками топлива, возможно согласно изобретению обнаруживать ухудшение преобразования NO в NO_x и последующее отравление серой.

Преимуществом изобретения является то, что существующие датчики могут использоваться, чтобы обнаруживать модель поведения, которая в ином случае потребует отдельного датчика или посещения мастерской. Таким образом, возможно на более ранней стадии получать указание отравления серой и инициировать более ранние контрмеры.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - схематичная иллюстрация системы доочистки выхлопа согласно настоящему изобретению;

Фиг. 2 - график содержания окисла азота в выхлопных газах в первом и втором NO_x-датчиках; и

Фиг. 3 - схематичная блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая настоящее изобретение.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Предпочтительные варианты осуществления изобретения сейчас будут описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 представляет собой схематичную иллюстрацию системы доочистки выхлопа согласно настоящему изобретению.

Она изображает систему 2 доочистки выхлопа для двигателя 4 внутреннего сгорания, который формирует поток 6 выхлопных газов. Система 2 содержит по меньшей мере один окислительный нейтрализатор дизельных выхлопных газов (DOC), предназначенный, среди прочего, для того, чтобы преобразовывать NO в NO₂, и по меньшей мере один каталитический нейтрализатор с избирательным каталитическим восстановлением (SCR-катализатор). Фильтр твердых частиц дизельных выхлопных газов (DPF) предпочтительно также предоставляется ниже по потоку от DOC. Этот фильтр может быть без покрытия или снабжен каталитическим покрытием. Здесь собираются сажа и пепел, а также выполняется некоторое преобразование NO в NO₂.

Система дополнительно содержит устройство 8 с восстанавливающим агентом, приспособленное для того, чтобы подавать восстанавливающий агент 10, например мочевину или аммиак, в поток 6 выхлопных газов выше по потоку от упомянутого SCR-катализатора, где NO и NO₂(NO_x) затем преобразуются в N₂. Количество подаваемого восстанавливающего агента управляется средством управления (не изображено) в зависимости, среди прочего, от наблюдаемого содержания окислов азота и температуры выхлопных газов.

Первый NO_x-датчик 12 предоставляется выше по потоку от упомянутого DOC и приспосабливается, чтобы измерять содержание смесей (NO_x) окислов азота в потоке выхлопных газов и формировать на его основе первый выходной NO_x-сигнал (NOX1). Второй NO_x-датчик 14 предоставляется ниже по потоку от упомянутого SCR-катализатора и приспосабливается, чтобы измерять содержимое смесей (NO_x) окислов азота в потоке выхлопных газов и формировать на его основе второй выходной NO_x-сигнал (NOX2) и по меньшей мере один температурный датчик 16 предоставляется, чтобы отслеживать температуру потока выхлопных газов и формировать на ее основе по меньшей мере первый температурный сигнал (T1). Схема показывает четыре температурных датчика 16 для измерения температуры потока выхлопных газов в различных точках в системе доочистки выхлопа. Они помещаются до и после DOC и до и после SCR-катализатора и формируют соответствующие температурные сигналы T1, T2, T3 и T4.

Система 2 доочистки выхлопа содержит согласно изобретению вычислительный блок 18, которому первый и второй выходные NO_x-сигналы (NOX1, NOX2) и упомянутый первый температурный сигнал (T1) или один или более температурных сигналов имеют возможность передаваться. Первый и второй NO_x-датчики 12, 14 приспосабливаются, чтобы измерять содержание смесей NOX1 окислов азота выше по потоку от упомянутого DOC и практически одновременно измерять содержание смесей NOX2 окислов азота ниже по потоку от SCR-катализатора, когда восстанавливающий агент 10 не подается в поток 6 выхлопных газов из устройства 8 восстанавливающего агента. Температурный датчик или датчики 16 также приспосабливаются, чтобы измерять температуру T, когда выполняются измерения NOX1 и NOX2.

Вычислительный блок 18 затем сравнивает NOX2 или значение, связанное с NOX2, с критерием обнаружения, который относится к измеренной температуре, и формирует на основе сравнения указывающий сигнал 20.

В одном варианте осуществления критерий обнаружения является предварительно определенным пороговым значением NOXtr, связанным с измеренной температурой, и указывающий сигнал 20 формируется, если NOX2 больше NOXtr. В этом варианте осуществления NOXtr может, например, быть выбран так, чтобы быть в предварительно определенной связи с NOX1.

Фиг. 2 представляет собой график, показывающий содержание оксида азота в выхлопных газах в первом и втором NO_x-датчиках. Следует подчеркнуть, что график, прежде всего, предназначен для того, чтобы иллюстрировать аспекты, которые важны для иллюстрации изобретения, и, следовательно, является упрощенным.

Как может быть видно на чертеже, содержание оксида азота NOX1, измеренное первым NO_x-датчиком 12, является постоянным независимо от температуры. Измерение посредством второго NO_x-датчика 14, когда восстанавливающий агент не подается, будет показывать амплитуду выходного сигнала, уменьшающуюся, если DOC (и, где применимо, DPF) работает как предполагается, т.е., если отравления серой не произошло. Пропорция NO₂ в NO_х будет, следовательно, увеличиваться относительно пропорции NO и различные чувствительности датчика к NO и NO₂ будут вызывать уменьшение амплитуды NOX2. Это иллюстрируется на чертеже посредством уменьшения NOX2 с увеличением температур.

Сравнивая NOX1 и NOX2 при одинаковой температуре (350°C на чертеже) с пороговым значением NOXtr, которое применимо при этой температуре (в этом случае 350°C), возможно получать указание того, представляет ли NOX2 ожидаемое уменьшение. На чертеже сигнал NOX2 датчика при 350°C меньше NOXtr, что указывает, что не произошло отравления серой.

График также показывает кривую NOX2' (штрихпунктирная линия), представляющая выходные сигналы, полученные от второго NO_x-датчика 14 в другой ситуации. Здесь выходной сигнал NO_x-датчика выше NOXtr при 500°C, что может указывать отравление серой DOC (и/или DPF).

В другом варианте осуществления вычислительный блок 18 приспосабливается так, чтобы проводить сравнение посредством определения ΔNO_Х=|NOX1-NOX2|, сравнения ΔNO_Х с предварительно определенным пороговым значением NOXtr', которое служит в качестве критерия обнаружения, и формирования указывающего сигнала 20, если ΔNOX ниже NOXtr'. В этом варианте осуществления разница между NOX1 и NOX2, таким образом, сравнивается с пороговым значением NOXtr'.

Пороговые значения предпочтительно выбираются так, что некоторое отклонение NOX2 требуется для того, чтобы было предоставлено указание. Это может означать в варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, что NOXtr, например, должно быть на 10% выше, чем соответствующие "нормальные" значения NOX2. И в другом варианте осуществления, когда разница между NOX1 и NOX2 сравнивается с NOXtr', NOXtr', например, выбирается на 10% меньшим, чем "нормальная" разница.

В обоих вариантах осуществления предпочтительно предоставляется таблица или простая база данных, например, в вычислительном блоке 18, содержащая согласованные значения для температур потока выхлопных газов и упомянутых предварительно определенных пороговых значений NOXtr или NOXtr'. Определение NOXtr подразумевает начало с NOX1 и предоставление возможности пороговому значению быть предварительно определенной долей NOX1, которое связано с температурой. Конечно, также возможно вычислять эти пороговые значения непосредственно на основе соотношения между температурой и содержанием NO_x.

В одном варианте осуществления указывающий сигнал 20 приспосабливается, чтобы указывать, что DOC и/или DPF отравлены серой. Он может принимать форму сигнала тревоги для водителя, что транспортное средство должно заехать в мастерскую. Он может также означать, что контрмера немедленно инициируется, чтобы устранять серу из DOC и/или DPF, например, посредством повышения управляемым образом температуры выхлопных газов.

Поскольку известно, что выходной сигнал от NO_x-датчика по-разному чувствителен к NO и NO₂, выходной сигнал от второго NO_x-датчика подвергается подходящей корректировке значения, чтобы получить "истинное" NO_x-значение, которое может затем быть задано относительно выходного сигнала от первого NO_x-датчика. На практике это означает применение корректирующего значения к NOX2, которое тем самым предполагает более высокое значение. Если DOC и/или DPF отравлены, NOX2 будет, следовательно, увеличиваться и применение корректирующего значения будет тогда указывать содержание NO_x, которое является слишком высоким и, следовательно, ошибочным.

В дополнительном варианте осуществления система доочистки выхлопа приспосабливается, чтобы калибровать выходной сигнал NOX2 от второго NO_x-датчика 14 относительно выходного сигнала NOX1 от первого NO_x-датчика 12. Это выполняется посредством прохождения выхлопных газов через систему при низкой температуре, предпочтительно ниже 150°C, когда окисление практически не происходит в DOC, и восстанавливающий агент 10 не применяется к потоку выхлопных газов из устройства 8 с восстанавливающим агентом.

Это выполняется посредством измерения NOX1 и NOX2, определения NOX2k=NOX1-NOX2 и определения калиброванного значения для NOX2 в форме NOX2'=NOX2+NOX2k. Затем посредством вычислительного блока 18 проводится сравнение с калиброванным значением NOX2' вместо NOX2.

Настоящее изобретение относится также к способу для системы доочистки выхлопа для двигателя внутреннего сгорания, который формирует поток выхлопных газов. Способ иллюстрируется посредством схематичной блок-схемы последовательности операций на фиг. 3.

Составные части системы доочистки выхлопа и их функции описаны подробно выше, и здесь делается ссылка на это описание.

Способ согласно изобретению включает этапы:

A - измерения содержания смесей NOX1 окислов азота выше по потоку от DOC и измерения практически в то же самое время содержания смесей NOX2 окислов азота ниже по потоку от SCR-катализатора, когда восстанавливающий агент не применяется к потоку выхлопных газов из устройства с восстанавливающим агентом,

B - измерения температуры T, когда выполняются измерения NOX1 и NOX2,

C - сравнения NOX2 или значения, связанного с NOX2, с критерием обнаружения, относящимся к измеренной температуре,

D - формирования указывающего сигнала на основе сравнения.

В одном варианте осуществления критерием обнаружения на этапе C является предварительно определенное пороговое значение NOXtr, связанное с измеренной температурой, и упомянутый указывающий сигнал формируется на этапе D, если NOX2 больше NOXtr.

В другом варианте осуществления этап A дополнительно содержит определение ΔNO_Х=|NOX1-NOX2|, упомянутым критерием обнаружения на этапе C является предварительно определенное пороговое значение NOXtr', которое сравнивается с ΔNO_Х, и упомянутый указывающий сигнал формируется на этапе D, если ΔNO_Х меньше NOXtr'.

Предварительно определенные пороговые значения, например, хранятся в таблице или базе данных, которая содержит согласованные значения для температур потока выхлопных газов и упомянутые предварительно определенные пороговые значения (NOXtr и NOXtr'). Как упомянуто выше, они также могут быть вычислены.

В одном варианте осуществления указывающий сигнал приспосабливается, чтобы указывать, что DOC и/или DPF отравлены серой. Он может принимать форму сигнала тревоги для водителя, что транспортное средство должно заехать в мастерскую. Он может также вызывать контрмеру, немедленно инициируемую для того, чтобы устранять серу из DOC и/или DPF, например, посредством повышения управляемым образом температуры выхлопных газов.

В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения способ содержит этап калибровки NOX2 при низкой температуре, предпочтительно ниже 150°C, когда окисление практически не происходит в DOC и восстанавливающий агент не применяется к потоку выхлопных газов из устройства с восстанавливающим агентом. Это достигается посредством измерения NOX1 и NOX2, определения калиброванного значения NOX2k=NOX1-NOX2 и определения калиброванного значения для NOX2 как NOX2'=NOX2+NOX2k, этапы способа, описанные выше, проводятся с калиброванным значением NOX2' вместо NOX2.

Настоящее изобретение не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Могут быть использованы различные альтернативы, модификации и эквиваленты. Вышеописанные варианты осуществления, следовательно, не рассматриваются как ограничивающие защитные рамки изобретения, которые определяются прилагаемой формулой изобретения.