用于监测催化剂失活并控制空气/燃料比的系统及方法与流程

本文公开的主题大体上涉及监测发动机系统中的催化剂，并且更具体地涉及用于连续地诊断三元催化剂且在催化剂失活的情况下采取校正控制动作的方法及系统。

背景技术：

环境法规需要使用催化剂来处理发动机排气以便减少空气污染。催化转化器使用两个类型的催化剂，还原催化剂和氧化催化剂。催化转化器由陶瓷结构构成，陶瓷结构涂布有并入壳体内的金属催化剂。催化转化器提供使催化剂的最大表面面积暴露于排气流的结构。

三元催化转化器具有储存氧(O2)的能力。当排气的空气/燃料比贫(氧化气氛)时，其储存氧O2且从而抑制单氮氧化物(NOx)的产生。当排气的空气/燃料比富时，其释放储存的O2，从而促进碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的氧化。

在许多应用中，期望监测催化转化器的性能。不能检查气体发动机的催化剂失活可导致对最终用户的严厉财政处罚。监测可涉及感测排出气体来确定催化剂是否充分地执行。使用的传感器中为O2传感器和NOx传感器。在O2的情况下，传感器可位于催化剂的上游和下游。来自传感器的信号与排放相比较和关联，以确定催化剂是否充分地执行。

监测催化转化器的性能的另一种途径在于感测催化转化器的温度。通常，两个传感器将是适合的。一个传感器设置在催化剂上游，且另一个传感器设置在催化剂下游。传感器监测催化转化器芯的温升。当传感器之间的温差最大时，认为催化转化器最佳地工作。

对于具有与氨滑移催化剂和中间床空气喷射组合的三元催化剂的系统，发动机通常以富空气/燃料比运转。富运转发动机实现了在三元催化剂中还原NOx、以及在氨滑移催化剂中氧化CO和NH3。三元催化剂在化学地失活时损失性能。例如，4000小时持续时间的油暴露可使三元催化剂化学地失活。此失活可导致CO和甲烷(CH4)排放增加，同时NH3排放减少，这可导致发动机不符合环境法规。用于监测催化转化器性能的现有方法通常基于催化剂温度和基于O2储存的诊断。当发动机通常在中间床空气喷射方案中富运行时，基于O2储存的诊断将无效，且因此需要监测催化剂健康的备选方式。

技术实现要素：

本公开内容提供了一种用于连续地诊断三元催化剂和在催化剂失效的情况下采取校正控制动作的方法。

根据一个示例性非限制性实施例，本发明涉及一种用于控制发动机中的空气/燃料比的方法。该方法包括确定三元催化剂下游的NH3浓度的实际值是否低于在富操作条件下产生的NH3浓度的标称值。如果NH3浓度的实际值低于在富操作条件下产生的NH3浓度的标称值，则空气/燃料比基于估计的CO浓度调整。

根据另一个实施例，提供了一种用于检测催化剂的失活的方法。该方法包括确定三元催化剂下游的NH3浓度的实际值是否低于在富操作条件下产生的NH3浓度的标称值。如果NH3浓度的实际值低于在富操作条件下产生的NH3浓度的标称值，则该方法确定估计的CO浓度值。估计的CO浓度值然后与基准CO浓度值相比较。

在另一个实施例中，提供了一种用于控制发动机中的空气/燃料比的系统。该系统包括三元催化剂、设置在三元催化剂下游的NH3检测器，以及将NH3浓度的测量值与富操作条件下的NH3浓度的标称值相比较的子系统。该系统还包括基于NH3浓度的测量值和估计的CO浓度来调整空气/燃料比的子系统。

一种用于控制发动机(105)中的空气/燃料比的方法(200)，方法包括：

确定三元催化剂下游的NH3浓度的实际值是否小于在富操作条件下产生的NH3浓度的标称值(230)；

如果NH3浓度的实际值低于在富操作条件下产生的NH3浓度的标称值，则基于估计的CO浓度调整空气/燃料比(250)。

优选地，确定NH3浓度的实际值是否低于富操作条件下产生的NH3浓度的标称值包括：

建立在富操作条件下产生的NH3浓度的标称值(205)；

检测三元催化剂下游的NH3浓度的实际值(225)；以及

将三元催化剂下游的NH3浓度的实际值与在富操作条件下产生的NH3浓度的标称值相比较(230)。

优选地，基于估计的CO浓度调整空气/燃料比包括：

确定实际空气/燃料比(221)；

确定实际CO浓度是否大于基准CO浓度(240)；以及

如果实际CO浓度大于基准CO浓度，则改变空气/燃料比(250)。

优选地，确定实际CO浓度是否大于基准CO浓度包括：

建立基准CO浓度值(215)；

估计实际CO浓度值(235)；以及

将实际CO浓度值与基准CO浓度值(240)相比较。

优选地，改变空气/燃料比包括：

将空气/燃料比调整至比实际空气/燃料比更贫的调整的空气燃料比(250)。

优选地，方法(200)还包括：

建立NH3浓度的下阈值(210)；

将三元催化剂下游的NH3浓度的实际值与NH3浓度的下阈值相比较(230)；

如果三元催化剂下游的NH3浓度的实际值小于NH3浓度的下阈值，则将空气/燃料比调整至比调整的空气/燃料比更富的空气/燃料比(256)；

如果三元催化剂下游的NH3浓度的实际值大于NH3浓度的下阈值，则检测三元催化剂下游的NH3浓度的实际值(225)。

优选地，估计实际CO浓度值，包括使用基于模型的估计器来计算实际CO浓度。

一种用于检测催化剂的失活的方法，方法包括：

确定三元催化剂下游的NH3浓度的实际值是否小于在富操作条件下产生的NH3浓度的标称值(230)；

如果NH3浓度的实际值低于在富操作条件下产生的NH3浓度的标称值，则确定估计的CO浓度值(235)；以及

将估计的CO浓度值与基准CO浓度值相比较(240)。

优选地，确定估计的CO浓度值(235)包括使用基于模型的估计器来确定估计的CO浓度值。

优选地，确定三元催化剂下游的NH3浓度的实际值是否低于在富操作条件下产生的NH3浓度的标称值(230)包括确定三元催化剂下游的NH3浓度的时间平均值是否低于在富操作条件下产生的NH3浓度的标称值。

优选地，方法还包括：如果估计的CO浓度值大于基准CO浓度值，则提供三元催化剂失活的信号。

优选地，基于模型的估计器包括基于三元催化剂的物理模型的观察器。

优选地，基于三元催化剂的物理模型的观察器为线性观察器。

优选地，基于三元催化剂的物理模型的观察器为非线性观察器。

一种用于控制发动机(105)中的空气/燃料比的系统(100)，系统包括：

三元催化剂(110)；

设置在三元催化剂下游的NH3检测器(120)；

将NH3浓度的测量值与富操作条件下的NH3浓度的标称值相比较的子系统(135)；以及

基于NH3浓度的测量值和估计的CO浓度来调整空气/燃料比的子系统(145)。

优选地，调整空气/燃料比的子系统包括：

估计三元催化剂下游的CO浓度的子系统(140)。

优选地，调整空气/燃料比(145)的子系统包括：

将CO浓度的估计值与CO浓度的基准值相比较的子系统。

优选地，估计CO浓度的子系统(140)包括基于三元催化剂的物理模型的观察器。

优选地，观察器为线性观察器。

优选地，观察器为非线性观察器。

附图说明

本发明的其它特征和优点将从结合附图的优选实施例的以下更详细的描述中清楚，附图通过举例的方式示出了本发明的某些方面的原理。

图1为用于诊断催化剂失活的系统的实施例的简图。

图2为用于基于催化剂失活来控制空气/燃料比的方法的实施例的流程图。

图3为通用计算机的框图。

具体实施方式

本公开内容提供了一种用于连续地诊断三元催化剂和在催化剂失效的情况下采取校正控制动作的方法。技术效果在于能够以最少数目的传感器来诊断催化剂失活，且基于催化剂失活来调整空气/燃料比。

图1示出了催化剂监测和控制系统(CMCS 100)的简图。如图1中所示，发动机105设有三元催化剂110。O2传感器115可设在发动机105的下游且在三元催化剂110的上游。O2传感器115测量发动机105下游的O2的比例。当来自O2传感器115的信息与来自其它来源的信息联接时，其可用于间接地确定空气/燃料比并估计三元催化剂110下游的CO含量。CMCS 100还可包括设置在三元催化剂110下游和氨滑移催化剂125上游的NH3传感器120。NH3传感器120可为光学传感器，如IR检测器或基于光纤的传感器。作为备选，NH3传感器120可为半导体传感器，其测量随吸附的种类变化的涂层的电阻或电容的变化。氨滑移催化剂125在某一催化剂操作窗口中将NH3有选择地氧化成基本的N2和H2O。CMCS 100包括控制子系统130，其具有催化剂监测模块135和基于模型的CO估计器140。基于模型的CO估计器140可为基于三元催化剂110的物理模型的线性或非线性观察估计器。对基于模型的CO估计器140的输入包括气体流速、催化剂入口温度和入口CO浓度。基于模型的CO估计器140的输出为三元催化剂110下游的CO浓度。入口CO浓度可通过发动机熄火CO(例如，随空气/燃料当量比λ变化)的映射或通过简单经验关联来获得。CMCS 100还包括空气/燃料控制子系统145，其响应于来自控制子系统130的控制信号来调整空气/燃料比。

在操作中，CMCS 100的NH3传感器感测来自三元催化剂110的气流的NH3含量中的下降。催化剂监测模块135确定实际NH3含量(NH3,act)是否小于富操作条件下的标称值(NH3,nom)。一旦来自NH3传感器120的某一时间平均信号示出NH3浓度的一致下降，则估计的CO浓度(COest)从基于模型的CO估计器140确定。COest与来自映射或关联的基准CO浓度(COref)相比较以检查CO排放的增加。一旦对于一定持续时间确定CO浓度的升高，则空气/燃料控制子系统145将空气/燃料比调整为略微更贫，且该过程重复，直到NH3,act小于阈值Tl。阈值Tl可为NH3,nom的10%。更贫的空气/燃料比比富空气/燃料比含有更多空气。'化学计算'空气/燃料比具有产生化学上完全燃烧所需的空气和燃料的准确量。对于汽油发动机，化学计算的空气/燃料比为14.7:1，其对应于14.7份空气对一份燃料。化学计算的空气/燃料比取决于燃料类型，对于酒精，其为6.4:1，而对于柴油是14.5:1。更低空气/燃料比数目比14.7:1的化学计算的空气/燃料比包含更少空气，因此其为更富的混合物。相反，更高AFR数包含更多空气，且因此其为更贫的混合物。

图2中示出了用于基于催化剂失活来控制发动机105的空气/燃料比的方法200的流程图。

在步骤205中，该方法200确定NH3,nom。

在步骤210中，该方法200确定阈值NH3浓度Tl。阈值NH3浓度可在NH3,nom的百分比下设置。例如，Tl=0.1×NH3,nom。

在步骤215中，该方法200确定COref。COref可源自映射或关联。

在步骤220中，发动机105在富操作条件下运行。

在步骤221中，该方法200确定初始空气燃料比。

在步骤225中，该方法200测量和确定NH3,act。这可通过NH3传感器120来实现。

在步骤230中，该方法200可确定NH3,act是否小于NH3,nom。在相比于NH3,nom时NH3传感器信号NH3,act的下降可为三元催化剂110的失活的第一指示物。

如果NH3,act大于NH3,nom，则方法200回到步骤220，其中方法200测量和确定NH3,act。

如果NH3,act小于NH3,nom且大于Tl，则在步骤235中，方法200估计COest。这可通过基于模型的CO估计器140来实现。估计器可为基于三元催化剂110的物理模型的线性或非线性观察器。观察器或估计器通过构造与考虑下的系统(在此情况下为三元催化剂110)相关联的动态系统来产生。观察器的作用在于产生原来的系统的状态空间变量的有效估计，例如，三元催化剂110下游的CO浓度。

一旦来自NH3传感器120的某一时间平均信号示出一致的下降，则COest与COref相比较来检查CO排放的增加。在步骤240中，方法200确定COest是否大于COref。

如果COest小于或等于COref，则方法200回到步骤225以确定NH3,act是否小于NH3,nom。

大于COref的COest的值为三元催化剂110已经退化的指示物(步骤245)。

在步骤250中，方法200将空气/燃料比调整至比初始空气/燃料比更贫的调整的空气/燃料比。

在步骤255中，方法200确定NH3,act是否小于Tl。

如果NH3,act小于Tl，则方法200将空气/燃料比调整为比调整的空气/燃料比更富，且回到确定实际空气/燃料比的步骤221。如果NH3,act大于或等于Tl，则方法200回到确定实际空气/燃料比的步骤221。

本发明提供了一种检测中间床空气喷射系统中的三元催化剂110的化学失活的诊断方法，且提供了校正空气/燃料比控制动作。技术优点包括以最少数目的传感器诊断催化剂失活的能力。商业上，该途径可导致与频繁排放监测相关联的成本减少，且避免了在其它情况下可由于催化剂失活引起的财政处罚。

图3为其中可并入控制系统130的计算机1020的框图。计算机1020包括处理单元1021、系统存储器1022，以及系统总线1023，系统总线1023将包括系统存储器的各种系统构件联接到处理单元1021上。系统总线1023可为若干类型的总线结构中的任一种，包括使用多种总线构架中的任一种的存储器总线或存储器控制器、外围总线以及本地总线。系统存储器包括只读存储器(ROM)1024和随机存取存储器(RAM)1025。基本输入/输出系统1026(BIOS)储存在ROM 1024中，基本输入/输出系统1026包括有助于在计算机1020内的元件之间传递信息的基本例行程序。

计算机1020还可包括用于从硬盘读取和写入到硬盘(未示出)的硬盘驱动器1027、从可移除磁盘1029读取或写入可移除磁盘1029的磁盘驱动器1028，以及用于从可移除光盘1031如CD-ROM或其它光学介质读取或写入可移除光盘1031的光盘驱动器1030。硬盘驱动器1027、磁盘驱动器1028和光盘驱动器1030分别由硬盘驱动器接口1032、磁盘驱动器接口1033和光盘驱动器接口1034连接到系统总线1023上。驱动器及其相关联的计算机可读介质提供计算机1020的计算机可读指令、数据结构、程序模块和其它数据的非易失性储存。如本文所述，计算机可读介质为一种制品，且因此不是瞬变信号。

尽管本文所述的示例性环境使用了硬盘、可移除的磁盘1029和可移除的光盘1031，但应当认识到的是，可储存可由计算机存取的数据的其它类型的计算机可读介质也可在示例性操作环境中使用。此类其它类型的介质包括但不限于磁盒、闪速存储卡、数字视频或通用盘、贝努里筒(Bernoulli cartridge)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。

一定数目的程序模块可储存在硬盘、可移除的磁盘1029、可移除的光盘1031、ROM 1024或RAM 1025上，包括操作系统1035、一个或多个应用程序1036、其它程序模块1037和程序数据1038。使用者可将命令和信息通过输入装置如键盘1040和指向装置1042输入计算机1020中。其它输入装置(未示出)可包括麦克风、操纵杆、游戏垫、卫星盘、扫描仪等。这些及其它输入装置通常通过串行端口接口1046连接到处理单元1021上，该接口1046联接到系统总线1023上，但可由其它接口连接，如，并行端口、游戏端口或通用串行总线(USB)。监视器1047或其它类型的显示装置还经由接口如视频适配器1048连接到系统总线1023上。除监视器1047之外，计算机可包括其它外围输出装置(未示出)，如扬声器和打印机。图3的示例性系统还包括主机适配器1055、小型计算机系统接口(SCSI)总线1056，以及连接到SCSI总线1056上的外部储存装置1062。

计算机1020可在网络环境中使用与一个或多个远程计算机如远程计算机1049的逻辑连接来操作。远程计算机1049可为个人计算机、服务器、路由器、网络PC、对等装置或其它公共网络节点，且可包括上文关于计算机1020描述的许多或所有元件，但仅存储器储存装置1050在图3中示出。图3中绘出的逻辑连接包括局域网(LAN)1051和广域网(WAN)1052。此网络环境是办公室、企业内计算机网络、内部网和因特网中常见的。

当用于LAN网络环境中时，计算机1020通过网络接口或适配器1053连接到LAN 1051上。当用于WAN网络环境中时，计算机1020可包括用于在广域网1052如因特网上建立通信的调制解调器1054或其它手段。可为内部的或外部的调制解调器1054经由串行端口接口1046连接到系统总线1023上。在网络环境中，关于计算机1020或其部分绘出的程序模块可储存在远程存储器储存装置中。将认识到的是，所示的网络连接为示例性的，且可使用在计算机之间建立通信链的其它手段。

计算机1020可包括多种计算机可读储存介质。计算机可读储存介质可为任何可用的介质，其可由计算机1020存取，且包括易失和非易失性介质、可移除和不可移除介质。举例来说且不限制，计算机可读介质可包括计算机储存介质和通信介质。计算机储存介质包括在任何方法或技术中实施的易失性和非易失性介质、可移除和不可移除介质，以用于储存信息，如，计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据。计算机储存介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪速存储器或其它存储器技术、CD-ROM、数字通用盘(DVD)或其它光盘储存、磁盒、磁带、磁盘储存或其它磁储存装置，或可用于储存期望的信息且可由计算机1020存取的任何其它介质。以上的任何组合应当包括在计算机可读介质的范围内，该计算机可读介质可用于储存用于实施本文所述的方法和系统的源代码。本文公开的特征或元件的任何组合可在一个或多个实施例中使用。

在用语的定义脱离用语的常用意义的情况下，申请人旨在使用下文提供的定义，除非明确指出。

本文所使用的用语仅用于描述特定实施例的目的，且并不旨在限制本发明。当用语的定义脱离用语的常用意义时，申请人旨在使用本文提供的定义，除非明确指出。单数形式"一个"或"一种"和"该"旨在还包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。应当理解的是，尽管用语第一、第二等可用于描述各种元件，但这些元件将不由这些用语限制。这些用语仅用于将一个元件与另一个区分开。用语"和/或"包括一个或多个相关联的列出项目的任何和所有组合。短语"联接到"或"与…联接"意指直接或间接联接。

所撰写的说明书使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并还能够使本领域的任何技术人员实践发明，包括制造并使用任何装置或系统且执行任何所合并的方法。发明的可专利的范围由权利要求限定，并可以包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这样的其他示例包括等同的结构元件，那么，这样的其他示例将在权利要求的范围内。