专利名称：用于诊断发动机废气后处理系统的催化设备的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于诊断催化设备的方法，该催化设备属于内燃机的废气后处理 系统。
背景技术：
已知废气后处理系统通常配备有一个或多个催化设备，其被提供用于降低内燃机 的污染排放。例如，柴油机的废气后处理系统可以配备有柴油机氧化催化剂(DOC)和/或稀燃 NOx捕集器(LNT)和/或选择性还原催化剂(SCR)。DOC是包含诸如钯和钼这样的催化剂的催化设备，用于与包含在废气中的碳氢化 合物(HC)和一氧化碳(CO)反应，以便于将它们氧化为二氧化碳(CO2)和水(H2O)。LNT是包含诸如钼、钯、铑这样的氧化剂和诸如钡基元素这样的吸收剂这样的催化 设备，其中吸收剂提供适于结合包含在废气中的氮氧化物(NOx)的活性点，以便于将它们捕 获在设备自身中。SCR是这样的催化设备，其中包含在废气中的氮氧化物(NOx)在气态还原剂的帮助 下被还原为双原子氮气(N2)和水(H2O)，该气态还原剂通常为可以通过尿素(CH4N2O)热-水 解获得并被内部催化剂吸收的氨(NH3)。通常，尿素被注入到排气管线中并与废气在SCR上 游混合。每一个催化设备通常特征是特定的效率参数，譬如在DOC中的氧化反应的效率、 在LNT中的氮氧化物存储能力和转化效率、和在SCR中的氨存储和还原反应的效率。这样的效率参数通常被发动机控制系统用于执行重要动作。例如，DOC中的氧化反应的效率是发动机控制系统控制废气再循环(EGR)系统和 微粒过滤器再生过程(基于放热反应)的重要参数。废气再循环(EGR)系统通常被提供用于将一定量的废气引导回到发动机的进气 歧管。这样的废气具有降低氮氧化物(NOx)排放的效果，但是也同时具有增大氧化碳氢化 合物(HC)和一氧化碳(CO)排放的缺点。由此，DOC效率可以供发动机控制系统用来调整可以被引导回到发动机的废气量。在LNT中的氮氧化物(NOx)存储能力是发动机控制系统控制LNT本身的再生过程 的重要参数。这样的再生过程通常被提供用于从LNT释放并减少捕获的氮氧化物(NOx)。由此，LNT存储能力可以被发动机控制系统用于有效地确定何时需要再生过程。SCR中的还原反应效率和氨存储能力是用于发动机控制系统的重要参数，用来控 制将还原剂喷入SCR上游的排气管线中的设备。特别地，SCR效率可以被发动机控制系统用来确定在SCR中有效降低氮氧化物 (NOx)所需的适当的还原剂量。在发动机寿命期间，催化设备的效率参数可受到影响而逐步降低，这是由于老化效应而导致的。为此，很多发动机控制系统被构造为用于评估催化设备的老化指数，并根据该老 化指数确定催化设备的效率参数。评估老化指数的传统策略基本是基于时间标准，例如将老化指数与安装了该发动 机的车辆的公里数关联。然而，已经发现催化设备的老化还受到催化设备所经受的操作温度的显著影响。特别地，已经发现催化设备在高操作温度下老化比在低操作温度下更快，由此导 致其效率参数更快的降低。理论上，可以确定最高操作温度和最低操作温度，在该最高操作温度之上催化设 备的效率参数立即降到零，在该最低操作温度之下，催化设备的效率参数根本不会下降。催化设备的操作温度通常取决于车辆行驶条件。尽管估计老化指数的传统策略通常被校准在平均驱动条件下，催化设备可在市内 行驶期间比在市外行驶期间经受更高的操作温度，例如在微粒过滤器再生被开启时。由此，如果车辆主要用于城市外驾驶，催化设备经受较温和的微粒过滤器再生温 度，从而传统策略返回的老化指数比实际值高。如果相反，车辆通常在城市内驾驶，催化设 备经受更为激烈的微粒催化剂再生温度，从而传统策略返回的老化指数比实际值低。从上文可知，传统策略的缺点在于返回的老化指数往往从实际值偏离。这样的偏离导致效率参数的确定中的误差，其可以使得发动机控制系统执行每一 个过程的劣质控制，其中采用了这样的效率参数。
发明内容
本发明的目的是用简单、合理和廉价的方案解决，或至少积极地降低上面所述的 缺点。本发明的实施例的目的是通过本发明的主要方面所记载的发明特征来实现的。本 发明的其它方面描述了本发明的优选和/或特别有利的特征。本发明提供了一种用于诊断发动机废气后处理系统的催化设备的方法，其中该方 法至少包括评估所述催化设备本身的老化指数的阶段。根据本发明，老化指数的评估包括下列步骤确定催化设备的操作温度；至少根据所确定的操作温度确定老化因子；确定催化设备在所确定的操作温度下所经历的时间周期；根据所述老化因子和所述时间周期计算贡献老化系数；通过加上所述贡献老化系数来增加累积老化参数。实际上，累积老化参数表示催化设备的等效老化，其受到操作温度和催化设备在 该操作温度下所经历的时间两者的影响。以这样的方式，本发明考虑了影响催化设备的实际热应力，以由此实现老化指数 的更加有效的评估。根据本发明的实施例，老化指数的评估中直接认定所述累积老化参数为老化指数。
根据本发明的另一实施例，老化指数的评估包括设定累积老化参数的最大值；和 根据累积老化参数和该最大值计算老化指数。该最大值可以经验地确定为当催化设备被认为完全失效时的累积老化参数值。老化指数被计算为累积老化参数实际值和其最大值之间的比，以由此提供催化设 备“消耗”水平的清楚指示。根据本发明的一方面，操作温度可以通过直接测量(通过适当的一个或多个传感 器)，或可以通过适当的基于模型的程序来评估而被确定。根据本发明的另一方面，贡献老化系数通过将确定的老化因子与确定的时间周期 相乘来计算。老化因子可以根据将老化因子至少与操作温度相关的经验确定的数据组或图来确定。根据本发明的优选方面，所述数据组或图的确定包括下列步骤设定多个不重叠的操作温度范围；以及经验地确定要被分配到每一个操作温度范围的老化因子。以这样的方式，每一个老化因子对于在对应范围内的所有温度都是相同的。优选地，所述数据组或图的确定还包括老化因子的归一化(normalizing)步骤， 该步骤将归一值分配给与较高操作温度范围相关的老化因子。在这方面，还发现老化因子部分地还受到催化设备本身的实际老化的影响。为此，本发明的实施例中，根据老化指数和操作温度来确定老化因子。根据本发明的优选实施例，该诊断方法还包括根据估计的老化指数来确定催化设 备的效率参数的阶段。由于老化指数的可靠评估，本方法提供了所述效率参数的有效确定，该效率参数 可被发动机控制系统用来执行废气后处理系统和发动机本身的更好管理。例如，该方法可被用于D0C，以便于确定氧化反应的效率，其可以被发动机控制系 统用于更好地控制废气再循环(EGR)系统和微粒过滤器再生过程(基于放热反应)。该方法还可以被用于LNT，以确定氮氧化物(NOx)存储能力，其可以被发动机控制 系统用于更好地控制LNT再生过程。该方法还可以用于SCR，以确定还原反应效率和氨存储能力，其可以被发动机控制 系统用于更好地控制还原剂的喷入。根据本发明的方法可以实现为计算机程序的形式，该计算机程序包括执行本发明 的方法的所有步骤的程序代码，且可以实现为计算机程序产品的形式，该计算机程序产品 包括用于执行该计算机程序的装置。根据本发明的优选实施例，计算机程序产品包括用于IC发动机的基于微处理器 的控制装置，例如发动机的ECU，其中存储有程序从而该控制装置以与上述方法相同的方式 定义本发明。在这种情况下，当控制装置执行计算机程序，根据本发明的方法的所有步骤被 执行。根据本发明的方法还可以实现为电磁信号的形式，该信号被调制以承载一数据位 序列，其表示执行本发明的方法的所有步骤的计算机程序。
本发明将通过示例，参考附图进行描述，在附图中图1是根据本发明的第一实施例的诊断方法的流程图；图2是根据本发明的第二实施例的诊断方法的流程图；图3是根据本发明的第三实施例的诊断方法的流程图。
具体实施例方式本发明涉及一种用于诊断催化设备地方法，该催化设备属于内燃机(特别是柴油 机)的废气后处理系统。所述催化设备可以例如是柴油机氧化催化剂(Diesel Oxidation Catalyst，即 DOC)，稀燃NOx捕集器(Lean NOx Trap,即LNT)或选择性还原催化剂(Selective Reduction Catalyst,即 SCR)本发明的第一实施例在后文中参考图1进行描述。该方法通常规定在正常发动机工作期间对催化设备所经受的操作温度T的实时 确定。操作温度T可以通过适当的传感器来测量，或可以通过适当的基于模型的程序来 评估。操作温度T于是被用于确定老化因子F。该老化因子F表示催化设备在该特定操作温度T下的老化速度，或相似地表示该 特定操作温度T对催化设备老化的影响。老化因子F通常在高操作温度比在低操作温度下更高。老化因子F可以由经验确定的数据组或图A来确定，该数据组或图A将老化因子 F和催化设备操作温度T相关。根据本发明的一方面，所述数据组或图A的确定在测试催化设备的分析期间展 开。这样的分析通常设定多个不重叠的操作温度范围，所述催化设备可以在其在实际 发动机系统中的正常工作中有效地经受这些温度范围。例如，可以确定下列操作温度范围I-操作温度高至500°C ；II-操作温度从 500°C到 550°C ；III-操作温度从 550°C到 600°C ；IV-操作温度从 600°C到 650°C ；
V-操作温度从 650°C到 700°C。分析于是可以分配老化因子到每一个操作温度范围。老化因子可以通过分析在各温度范围下测试催化设备的效率参数降低速度，然后 通过将与相应效率降低速度成比例的老化因子分配到每一个温度范围而确定。优选地，老化因子基于较高温度范围(前例中的“V”)，通过分配归一值给与所述 较高温度范围相关的老化因子而被归一化。以这样的方式，对应于其他范围的老化因子可以包括在零和一之间，并可以分别计算为在相应温度范围下的效率降低速度和在该较高温度范围下的效率降低速度之间的 比。在确定操作温度T的同时，方法确定在该确定操作温度下催化设备所经历的时间 周期。时间周期t可以用时间单位表示，譬如用秒、分或小时。时间周期t和老化因子F于是被用于计算贡献老化系统C。优选地，贡献老化系数通过将时间周期和老化因子相乘来计算C = F · t.实际上，贡献老化系数C表示对催化设备老化的贡献，该老化是由所述特定操作 温度T在相应时间周期t中产生的。随后，方法将贡献老化系数C增加到累积老化参数P。累积老化参数P在催化设备是新的或更通常是在催化设备的效率处于最高水平 时被设定为零，然后通过增加老化系数C而逐渐增大。实际上，累积老化参数P表示催化设备的等效老化。这样的等效老化被基于操作温度而“加权”，从而催化设备在高温下所经历的时间 比在低温下所经历的时间更多地增加等效老化。根据本发明的实施例，累积老化参数P于是被直接假定为该催化设备的老化指数。老化指数I被最终用于确定催化设备的效率参数E。效率参数E可以例如在DOC情况下是氧化反应的效率，在LNT情况下是氮氧化物 存储能力和转化效率，而在SCR的情况下是还原反应效率和氨存储能力。效率参数E可以根据将效率参数E和老化指数I相关的经验确定数据组或图B来确定。然后，确定的催化设备效率参数E可以被用于发动机系统管理中的很多其他进程 中。前面公开的方法步骤在发动机工作期间循环重复。这样，本发明的方法有效地用来连续监控催化设备的操作温度T，老化指数I和效
率参数E。图2示出了根据本发明的第二实施例的诊断方法。该第二实施例与第一个的不同之处仅在于确定催化设备的老化指数I的步骤。实际上，根据该第二实施例的方法设置关于催化设备的累积老化参数P的最大值 C-max,并且根据该最大值C-max和累积老化参数P的实际值计算老化指数I。该最大值C-max可以经验地确定为当催化设备被认为完全失效时的累积老化参 数P值。老化指数被计算为累积老化参数实际值和其最大值之间的比以由此提供催化设备“消耗”水平的清楚和直接的指示。老化指数I于是被用于确定催化设备的效率参数E，如第一实施例的描述中说明的那样。方法步骤在发动机工作期间循环重复，以便于连续地监控操作温度，老化指数和 效率参数。图3示出了根据本发明的第三实施例的诊断方法。该第三实施例考虑催化设备在特定操作温度的老化速度，或相似地所述特定操作 温度对催化设备的老化的影响可根据催化设备本身的实际“老化”而变化。由此，本发明的第三实施例与前面的实施例不同之处仅在于该方法不仅根据催 化设备所述经受的操作温度T，还根据老化指数I的实际值来确定老化因子F。在这种情况下，老化因子I如第二实施例所述那样被计算。实际上，老化指数I可以被用于适当地校正老化因子F，该老化因子根据如第一实 施例中所述的经验确定的数据组或图A来提供。替代地，老化因子F可以根据将老化因子与操作温度T和老化指数I两者直接相 关的其它经验确定数据组或图A来确定。以这样的方法，根据本发明的第三实施例的方法使得在催化设备的老化指数I的 估计的精确度升高。老化指数I于是被用于确定催化设备的效率参数E，如第一实施例的描述中说明 的那样。方法步骤在发动机工作期间循环重复，以便于连续地监控操作温度，老化指数和 效率参数。尽管本发明已经针对优选实施例和特定应用进行描述，可以理解上文中给出的描 述是示例性的而非限制性的。本领域技术人员将会理解对特定实施例的各种修改均在所附 权利要求的范围之内。由此，本发明并不局限于所公开的实施例，而是具有所附权利要求所 允许的全部范围。
权利要求
1.一种用于诊断发动机废气后处理系统的催化设备的方法，其中所述方法至少包括评 估所述催化设备的老化指数(I)的阶段，其特征在于，所述老化指数(I)的评估包括下列步 骤确定催化设备的操作温度(T)；至少根据所确定的操作温度(T)确定老化因子(F)；确定催化设备在所确定的操作温度(T)下所经历的时间周期(t)；根据所述老化因子(I)和所述时间周期(t)计算贡献老化系数(C)；以及通过加上所述贡献老化系数(C)来增加累积老化参数(P)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，老化指数(I)的评估中认定所述累积老化参 数(P)为老化指数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，老化指数(I)的评估还包括下列步骤 设定累积老化参数(P)的最大值(C-max)；以及根据累积老化参数(P)和所述最大值(C-max)计算老化指数(I)。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述老化指数(I)计算为所述累积老化参数 (P)和所述最大值(C-max)之间的比。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，操作温度⑴通过测量确定。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，操作温度(T)通过估计确定。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，贡献老化系数(C)通过将确定的老化因子 (F)与确定的时间周期(t)相乘来计算。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，老化因子(F)根据将老化因子(F)至少与操 作温度(T)相关的经验确定的数据组或图(A)来确定。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述数据组或图(A)的确定包括下列步骤 设定多个不重叠的操作温度范围；以及经验地确定要被分配到每一个操作温度范围的老化因子。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，老化因子还根据老化指数(I)来确定。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括根据老化指数(I)来确定催 化设备的效率参数(E)的阶段。
12.—种计算机程序，其包括用于执行前述权利要求中任一项所述方法的计算机代码。
13.一种计算机程序产品，包括如权利要求12所述的计算机程序。
14.如权利要求13所述的计算机程序产品，包括控制装置，在该控制装置中存储有所 述计算机程序。
15.一种电磁信号，其被调制为用于表示根据图12的计算机程序的数据位序列的载体。
全文摘要
一种用于诊断发动机废气后处理系统的催化设备的方法，其中所述方法至少包括评估所述催化设备的老化指数(I)的阶段，且其中所述老化指数(I)的评估包括下列步骤确定催化设备的操作温度(T)；至少根据所确定的操作温度(T)确定老化因子(F)；确定催化设备在所确定的操作温度(T)下所经历的时间周期(t)；根据所述老化因子(I)和所述时间周期(t)计算贡献老化系数(C)；通过加上所述贡献老化系数(C)来增加累积老化参数(P)。
文档编号F01N3/28GK102061973SQ20101054666
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者亚历桑德拉·恰内尔, 伊戈尔·扎内提, 尼古拉·萨科 申请人:通用汽车环球科技运作公司