Изобретение касается способа контроля состояния катализатора, через который пропускают в направлении течения катализируемую жидкость, например, катализатора в газовыпускной системе двигателя внутреннего сгорания, а также катализаторов соответствующего применения, которые особенно пригодны для контроля способом согласно изобретению.
В соответствии с постоянно ужесточающимися во многих странах требованиях по охране окружающей среды все большее число типов двигателей внутреннего сгорания, в частности двигателей автомобилей, оснащаются выхлопными системами, которые снабжены катализаторами для преобразования вредных веществ в их выхлопных газах в безвредные вещества.
Под катализатором обычно понимается сотообразное тело из металла или керамики, имеющее множество каналов, пропускающих выхлопные газы или другие жидкости, которые содержат катализируемые компоненты. При этом каждый канал имеет стенку с покрытием из каталитически активного материала, собственно катализатора. Металлические катализаторы вообще наслаиваются из структурированных листов, спирально наматываются или иначе перевиваются [1] Такие формы описаны, например, в [1 3]
Для обеспечения действия катализатора в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания известно снабжение катализатора измерительными датчиками для контроля температуры или т.п. для того, чтобы из полученных измеренных значений можно было сделать вывод о его действии при эксплуатации двигателя внутреннего сгорания. Соответствующие предложения можно заимствовать из [6, 4 и 5] в двух первых публикациях предлагается оборудовать один катализатор по меньшей мере двумя температурными датчиками, расположенными в различных местах катализатора, друг за другом, если смотреть в направлении потока выхлопного газа. При этом измерительные датчики могут быть расположены оба вне катализатора: первый датчик перед входной стороной катализатора (стороной набегающего потока), а второй за выходной стороной катализатора (стороной оттекающего потока); в [6]предлагается также предусмотреть по меньшей мере один измерительный датчик внутри катализатора. Обе публикации, кроме того, предлагают из измерительных сигналов датчиков получить сигнал, соответствующий разности выявленных измерительными датчиками температур, и привлечь этот сигнал для оценки правильности функционирования катализатора.
В [5] представлена система анализа сигналов измерительных датчиков, которая вырабатывает предупредительный сигнал в случае, если разность температур превысит заданное первое предельное значение, и один указывающий на продолжительное повреждение сигнал в случае, если разность температур превзойдет расположенное явно над первым предельным значением второе предельное значение.
В [6] кроме того, предлагается расположить два температурных датчика в области выпускной стороны катализатора плотно рядом друг с другом, причем первый датчик имеет одну каталитически активную поверхность, а второй - каталитически инертную поверхность. Такого рода измерительное устройство позволяет установить следующее: содержит ли еще протекающий мимо измерительных датчиков выхлопной газ преобразуемые вредные вещества, то привело бы к тому, что оба измерительных датчика фиксировали различные температуры.
Для реализации надежного и достоверного контроля действия катализатора, имея в виду процессы старения и отравления, уровень техники дает лишь немного информации. В частности, известными системами нельзя сделать заключения о состоянии, имея в виду старение и (или отравление) одного, в целом еще приемлемо функционирующего катализатора. Всегда необходимо принимать во внимание также очень косвенные значения измерений, например температуру катализируемой жидкости до попадания в катализатор или же после прохождения катализатора, постоянно анализируются также лишь те измеренные значения, которые были получены именно на катализаторе и поэтому уже по причине, как правило, очень негомогенной нагрузки катализатора катализируемой жидкостью дают лишь очень ограниченные по точности оценки. Также обычным образом полученные значения измерений являются сильно зависимыми от текущей нагрузки катализатора, для получения надежной оценки состояния катализатора они должны обязательно анализироваться с учетом других данных. Такими данными является, например, информация, которая описывает состояние жидкости, проходящей через катализатор (такая, например, как температура, скорость потока и содержание катализируемых компонентов).
Соответственно задачей изобретения является создание способа контроля катализатора с помощью температурных измерений, которые позволяют по возможности непосредственно и без учета других данных получить надежную оценку работоспособности катализатора. Кроме того должны быть указаны катализаторы, которые наиболее пригодны для осуществления способа согласно изобретению.
Согласно изобретению предлагается способ контроля состояния катализатора, сквозь который в направлении течения проходит катализируемая жидкость, в частности выхлопной газ двигателя внутреннего сгорания, от впускной стороны к выпускной стороне, причем:
a) температура катализатора вдоль направления течения измеряется сплошь или во многих точках измерения с определением некоторого среднего значения температуры,
b) температура катализатора измеряется по меньшей мере в одной точке измерения с определением соответствующего локального значения температуры,
c) среднее значение температуры сравнивается с локальным значением температуры для получения заключения о состоянии катализатора.
Изобретение впервые позволяет получить широкую картину температурного распределения внутри одного катализатора без необходимости привлечения абсолютных измеренных величин температуры, которые упомянутым образом сильно зависимы от текущего рабочего состояния катализатора или же двигателя внутреннего сгорания, который сопряжен с катализатором. Для этого существуют несколько возможностей: локальное значение температуры может определяться, например, вблизи передней стороны катализатора, сравнение этого локального значения со средним значением температуры дает информацию о том, в какой области катализатора в самом деле происходит преобразование. Если каталитическая реакция происходит главным образом вблизи выпускной стороны, то среднее значение почти равно локальному значению, если преобразование происходит уже вблизи впускной стороны, то локальное и среднее значение явно отличны друг от друга. Локальное значение также может определяться, например, вблизи выпускной стороны катализатора, при каталитической реакции, происходящей в основном вблизи выпускной стороны, среднее и локальное значение сильно отличаются друг от друга, при каталитической реакции уже вблизи впускной стороны они в основном совпадают. Таким образом, также получается надежная оценка работоспособности катализатора. Особенно интересно, например, получение локальных значений температуры как в области впускной стороны, так и в области выпускной стороны. Затем прежде всего могут только что упомянутые оценки комбинироваться друг с другом, а также может осуществляться сравнение среднего значения температуры со средним значением локальных значений. Если каталитическая реакция происходит уже вблизи впускной стороны, то среднее значение температуры явно выше среднего значения локальных значений температуры; если катализатор в значительной степени потерял свое действие, то лишь слабая каталитическая реакция еще протекает в основном равномерно по всей длине катализатора и соответственно среднее значение температуры равно средней величине локальных значений температуры. Соответственно этому частное от деления среднего значения температуры на среднее значение местных значений температуры представляет собой интересный, по крайней мере в первом приближении, независимый от эксплуатации критерий оценки дееспособности катализатора.
С целью достижения в значительной степени независимого от эксплуатационных условий критерия оценки работоспособности катализатора измерения температуры могут осуществляться также таким образом, чтобы сигналы термоизмерительных датчиков интегрировались на измерительном интервале приемлемой величины, например измерительном интервале продолжительностью приблизительно один или несколько часов. Таким образом могут подавляться помехи измерения, проистекающие от сигналов измерения, которые были восприняты в течение временно нестабильных условий в катализаторе, как они появляются, например, при изменении катализируемой жидкости относительно химического состава, скорости протекания или температуры.
Способ согласно изобретению может быть осуществлен преимущественно таким образом, что любое измерение температуры проводится не в строго локализованном перпендикулярно направлению течения участке, а на протяженном, проходящем перпендикулярно направлению течения сегмента катализатора. Таким образом может быть в значительной мере учтено неоднородное прохождение через катализатор и получаются измеряемые величины, которые не зависят от конкретного вида нагружения катализатора и, таким образом, надежно воспроизводимы от катализатора к катализатору.
В рамках предпочтительного варианта способа могут устраняться такие помехи в контроле состояния, какие появляются, например, при изменениях нагрузки двигателя внутреннего сгорания. При изменении нагрузки меняются также параметры как химический состав, скорость течения и температура катализируемой жидкости. Так как катализатор имеет определенную тепловую инерцию, проходит (смотря по обстоятельствам) несколько секунд, пока распределение температуры в катализаторе не будет согласовано с измененными эксплуатационными условиями. Соответственно измерения при изменениях нагрузки могут привести, смотря по обстоятельствам, к ошибочным заключениям в отношении работы катализатора. Во избежании этого как среднее значение температуры, так и локальное значение температуры по мере надобности определяются на определенном временном интервале и регистрируется характер изменения измеряемых величин во времени. Заключение о состоянии катализатора не делается, пока временные изменения среднего значения температуры и локального значения температуры не окажутся оба ниже какого-то заданного предельного значения.
Для постоянного обеспечения актуальности заключения о состоянии катализатора рекомендуется каждое измерение температуры производить непрерывно или квазинепрерывно для согласования с обычной электронной обработкой сигналов.
Изобретение касается также катализатора, который особенно пригоден для контроля в рамках вышеописанного способа. Такой катализатор сквозь который в направлении течения проходит катализируемая жидкость от впускной стороны к выпускной стороне, снабжен:
a) вторым термоизмерительным датчиком, который состоит из одного куска провода с изменяющимся по температуре электрическим сопротивлением и соединен с катализатором вдоль направления протекания,
b) по меньшей мере одним первым термоизмерительным датчиком, который соединен с катализатором в месте измерения.
Такой катализатор очень прост в изготовлении, например, в то время как образующий первый термоизмерительный датчик кусок провода вводится в канал сотового тела, образующего катализатор, и второй термоизмерительный датчик тоже закрепляется в канале сотового тела. Если сотовое тело изготавливается из металлических листов путем намотки или переплетения, то термоизмерительные датчики могут вводиться в катализатор в процессе изготовления.
Куску провода, образующему второй термоизмерительный датчик, предпочтительным образом перед вводом в катализатор придается форма петли шпильки для волос, тем самым индуктивность первого термоизмерительного чувствительного элемента может поддерживаться незначительной и предотвращаются случайные помехи от присоединяемой к катализатору измерительной системы.
Предпочтительным образом второй термоизмерительный датчик расположен внутри катализатора в случае катализатора со средней линией, которая приблизительно параллельна линии течения, ориентирован приблизительно параллельно средней линии или для достижения определенного усреднения по сегментам катализатора перпендикулярно направлению течения расположен приблизительно винтообразно вокруг средней линии. Это при упомянутых катализаторах из металлических листов может осуществляться особенно просто, в то время как первый измерительный датчик при навивании или переплетении вводится в катализатор.
Другое предпочтительное выполнение катализатора согласно изобретению отличается тем, что второй термоизмерительный чувствительный элемент расположен на боковой поверхности катализатора, которая соединяет впускную сторону с выпускной стороной, или же в непосредственной близости от боковой поверхности внутри катализатора в случае обычных цилиндрических катализаторов боковая поверхность является точно цилиндрической поверхностью, Как еще более подробно объясняется при помощи чертежа, расположение термоизмерительных датчиков на боковой поверхности или в непосредственной близости от нее в определенном объеме позволяет провести локализацию сегмента катализатора, в которой большей частью происходит каталитическая реакция. Измерение температуры на боковой поверхности, в частности измерение температуры вторым термоизмерительным датчиком, а также первым термоизмерительным датчиком на боковой поверхности, или же в непосредственной близи боковой поверхности внутри катализатора, позволяет поэтому в значительной степени независимую от эксплуатационных условий оценку состояния катализатора. Если каталитическая реакция происходит вблизи впускной стороны, то катализатор не ограниченно работоспособен, если каталитическая реакция смещается в зону выпускной стороны, надо опасаться отказа катализатора.
Предпочтительный вариант выполнения первого термоизмерительного датчика представляет собой изогнутый приблизительно кругообразно или спирально свернутый, выполненный предпочтительно в виде петлевой скобы кусок провода с изменяемым по температуре электрическим сопротивлением. Таким образом, первый термоизмерительный датчик и второй термоизмерительный датчик сконструированы одинаково, а поэтому они делают возможными измерения свободно от систематических ошибок, которые обуславливаются различными свойствами измерительных датчиков.
Как уже было упомянуто, первый термоизмерительный датчик можно расположить вблизи впускной стороны, а также вблизи выпускной стороны, причем особенно целесообразно предусмотреть по одному первому термоизмерительному датчику как с впускной, так с выпускной стороны. В любом случае целесообразно предусмотрение позиции первого термоизмерительного датчика в начале или конце заданного вторым термоизмерительным датчиком измерительного участка, который, в свою очередь, представляет собой предпочтительно всю длину катализатора. При измерении на всем катализаторе возможна оценка состояния всего катализатора в максимальном объеме.
Дальнейшее объяснение изобретения осуществляется при помощи чертежей, представленные примеры выполнения служат исключительно для иллюстрации, не претендуя на ограничение объема испрашиваемой защиты. На чертежах в частности, показано:
фиг. 1 установка с двигателем внутреннего сгорания, газовыпускной системой и катализатором,
фиг. 2 и 3 примеры исполнения согласно изобретению контролируемого катализатора с термоизмерительными датчиками,
фиг. 4 график распределения температуры внутри катализатора во время эксплуатации,
фиг. 5 график распределения температуры на боковой поверхности катализатора во время работы.
С целью упрощения описания одинаково действующие компоненты на всех чертежах снабжены одними и теми же позициями.
На фиг. 1 схематично показан двигатель 3 внутреннего сгорания с газовыпускной системой 2, в которой находится катализатор 1. Катализатор 1 снабжен термоизмерительными датчиками 4 и 5, которыми могут бить, например, термоэлементы или электрические сопротивления, чувствительные к температуре. Термоизмерительные датчики 4 и 5 соединены с контрольной системой 7 машины, например, соответственно расширенной электроникой управления двигателем, которая воспринимает все необходимые для работы двигателя 5 внутреннего сгорания данные измерений и обрабатывает дальше. В системе 7 контроля машины находится устройство, которым при работе двигателя 3 внутреннего сгорания осуществляется согласно изобретению способ контроля катализатора 1, через который проходит выхлопной газ. Заключение, которое должно быть выдано системой 7 контроля машины, например, в случае неудовлетворительного, (к примеру, сильно устаревшего состояния) катализатора 1 сводится к активации индикаторного устройства 8, например контрольной лампы. Естественно, допустима и иная дальнейшая обработка информации: в крайнем случае, например, совсем прекратить дальнейшую эксплуатацию двигателя 3 внутреннего сгорания. Для рабочего управления двигателем 3 внутреннего сгорания контрольная система 7 машины получает от соответствующих датчиков в двигателе 3 внутреннего сгорания необходимые данные. На фиг. 1 в виде примера система 10 свежей горючей смеси для подачи не сгоревшего воздуха в двигатель 3 внутреннего сгорания снабжена расходомером 11 воздуха, который определяет весовой расход текущего в двигатель 3 внутреннего сгорания 1 воздуха и сообщает машинной контрольной системе 7. Дополнительные измерительные приемники не представлены ради простоты, в частности, как правило, имеются устройства для измерения промышленной частоты (или же числа оборотов) двигателя 3 внутреннего сгорания и т.д. Функции управления контрольной системы 7 машины заключаются, например, в дозировке топлива, соответственно на топливный насос может воздействовать контрольная система 7. Ради наглядности не представлена система зажигания двигателя 3 внутреннего сгорания, так как ее необходимость очевидна, поэтому что дальнейшие рассуждения на эту тему излишни.
На фиг. 1 катализатор 1 снабжен первым термоизмерительным датчиком 4, который расположен перед впускной стороной 12, где оттекающие от двигателя 3 внутреннего сгорания выхлопные газы входят в катализатор 1. Второй термоизмерительный датчик 5 находится внутри катализатора 1 (в данном примере в середине). Чтобы существенно не препятствовать действию первого термоизмерительного датчика 4, он мог бы быть расположен также внутри катализатора 1, преимущественно близ переднего конца 12. Второй измерительный датчик 5 проходит через катализатор 1 от впускной стороны 12 к выпускной стороне 13. При этом менее важны его конструктивные параметры и его привязка к катализатору 1, второй измерительный датчик 5 не должен лежать непременно в середине катализатора 1, он не должен быть также прямым (например, сообразно конструкции катализатора, было бы допустимо спиральное выполнение).
Впрочем, как в представленном случае, наиболее предпочтительны термоизмерительные датчики 4 и 5 с определенной пространственной протяженностью перпендикулярно направлению текущего выхлопного газа. Вообще нагружение катализатора выхлопным газом перпендикулярно направлению течения выхлопного газа явно создает неоднородность, путем применения "протяженных" термоизмерительных датчиков 4 и 5 обеспечиваются сведения об усредненных по определенным участкам катализатора 1 соотношениях, которые воспроизводимы и передаваемы лучше, чем сведения о пространственно строго ограниченных соотношениях. Перпендикулярно к направлению потока выхлопного газа протяженные термоизмерительные датчики 4 и 5 могут быть просто реализованы в катализаторах 1 с сотовыми несущими телами, которые известным образом смотаны или свиты из металлических листов: резистивные провода для образования термоизмерительных датчиков 4 и 5 перед свивкой или переплетением просто укладываются между листами.
На фиг. 2 показано специальное выполнение схематично представленного на фиг. 1 катализатора 1. Оба термоизмерительных датчика 4 и 5 выполнены в виде петлеобразных резистивных проводов, электрическое сопротивление которых зависит от температуры. Первый термоизмерительный датчик 4 уложен на впускную сторону 12 катализатора 1 и закреплен там или размещен в непосредственной близости от впускной стороны 12. Второй термоизмерительный датчик 5 проходит внутри катализатора 1.
Принципиально похожее на конфигурации согласно фиг. 1 и 2 выполнение катализатора 1 с термоизмерительными датчиками 4 6 представлено на фиг. 3. Прежде всего второй термоизмерительный датчик 5 находится не внутри катализатора 1, а размещен на боковой поверхности 14. Аналогично имеет место и для размещенного близ впускной стороны 12 первого термоизмерительного датчика 4 и расположенного близ выпускной стороны 13 первого термоизмерительного датчика 6.
Исполнение согласно фиг. 3 особенно благоприятно потому, что оно не требует изменений внутри катализатора 1, оно особенно предпочтительно в случае катализатора 1 с металлическим носителем, который обычно и без того имеет жесткую трубу-оболочку, наружная поверхность которой образует боковую поверхность 14. На одном таком катализаторе 1 легко закреплены резистивные провода, а в случае повреждения легко заменяемы. Первые термоизмерительные датчики 4 6 по мере надобности вблизи одного конца катализатора 1 намотаны на боковой поверхности 14. Для всех трех термоизмерительных датчиков 4 6 показаны простые петлевые скобы резистивных проводов. Петлевые скобы, само собой разумеется, могут заменяться иными намотками, в частности, тогда, когда необходимы большие длины проводов так, чтобы этим не было бы обусловлено нарушение функционирования.
На фиг. 4 представлено распределение температуры внутри одного катализатора 1 при стационарном режиме работы. На оси абсцисс представлено перемещение от впускной стороны 12 к выпускной стороне 13 через катализатор 1 вдоль оси ординат откладывается текущая температура. Температура входящего в катализатор 1 выхлопного газа должка иметь значение, которое лежит выше минимальной температуры, необходимой для эксплуатации катализатора 1. Проведенный граф отражает характер изменения температуры для одного (относительно нового) катализатора 1. Температура очень быстро поднимается непосредственно за впускной стороной 12 (соответствует нулевой точке на диаграмме) и тотчас достигает максимального значения, которое соответственно теплопроводности катализатора 1 и осуществляемому посредством протекающего выхлопного газа теплопереносу, остается почти постоянным до выпускной стороны 13. Пунктирный граф показывает изменение температуры для сильно устаревшего катализатора 1. От впускной стороны 12 температура лишь медленно поднимается, а активность участков в катализаторе 1 непосредственно за впускной стороной 12 очень сильно снижена, хотя она не исчезает совсем. Лишь на участках близ выпускной стороны 13 на основании еще имеющейся активности происходит явное повышение температуры. В рамках установки термоизмерительных датчиков в виде резистивных проводов согласно фиг. 1 или 2 первый термоизмерительный датчик 4 стал бы измерять температуру катализатора на впускной стороне 12, второй измерительный датчик измеряет усредненное по всей длине катализатора 1 значение температуры, соответствующее интегралу представленного на фиг. 5 графика. Если катализатор 1 является полностью работоспособным, то первый термоизмерительный датчик 4 и второй термоизмерительный датчик 5 измерили бы явно отличающиеся друг от друга температуры. Если старение катализатора 1 является прогрессирующим, то второй измерительный датчик 5 измеряет в основном ту же температуру, что и первый измерительный датчик 4. Тем самым возникающая разность температур представляет собой меру старения катализатора 1: сначала она высока и падает, когда катализатор 1 по своей длине теряет активность; в крайнем случае, когда катализатор 1 полностью потерял свою активность, разность температур отсутствует. Состояние катализатора 1 немедленно должно считаться неудовлетворительным, когда разность температур в данном случае откорректированная с учетом влияния особого рабочего состояния двигателя внутреннего сгорания превышает предварительно задаваемое граничное значение. С помощью расположенного близ выпускной стороны 13 первого термоизмерительного датчика 4 тоже возможен контроль функционирования катализатора. Если катализатор 1 в основном является полностью работоспособным, то такой первый термоизмерительный датчик 4 и второй термоизмерительный датчик 5 измерили бы в основном одинаковые температуры. С прогрессирующим старением катализатора 1 второй измерительный датчик 5 показывает явно меньшую температуру, чем находящийся на выпускной стороне 13 измерительный датчик 4. Таким образом получавшаяся разность температур тоже является критерием старения и/или утомления катализатора 1, при чем она сначала является незначительной, поднимается по мере использования и, наконец, падает, когда катализатор 1 на всей своей длине потерял активность в конце концов, при полной потере активности, разности температур больше нет. Соответственно состояние катализатора 1 тотчас должно считаться неудовлетворительным, если откорректированная в данном случае в зависимости от влияния эксплуатации разность температур превысила свой максимум.
На фиг. 5 показан график изменения температуры на боковой поверхности катализатора 1, причем способ построения является тем же самым, что и на фиг. 4. При этом существенно то, что температура после достижения своего максимума не остается в основном постоянной, а опять опускается за зоной катализатора 1, в которой главным образом происходит каталитическая реакция. Это должно объясняться, в первую очередь, тепловыми потерями вследствие излучения: за активной зоной больше не происходит тепловыделения, так что излучаемое там тепло не может быть возмещено. Соответственно можно осуществлять контроль также таким образом, что определяется положение зоны наивысшей температуры на боковой поверхности или вблизи нее внутри катализатора 1. Это осуществляется в рамках изобретения, например, установкой показанной на фиг. 3.
Способ представляет возможности для контроля катализатора, через который проходит катализируемая жидкость с помощью температурных измерений, которые несложным образом позволяют получить оценку распределений температуры, которые в основном в меньшей степени, чем локализованные измеренные значения температуры, зависят от конкретных условий эксплуатации катализатора и, таким образом, делают излишними дорогие мероприятия для оценки измерений.
Использование: в машиностроении, в частности в устройствах для очистки газов. Сущность изобретения: через катализатор вдоль направления течения пропускается катализируемая жидкость, в частности выхлопной газ ДВС от впускной стороны к выпускной стороне, причем распределение температуры измеряется на поверхности катализатора или внутри него при определении среднего значения температуры, а также по меньшей мере одного локального значения температуры, причем среднее значение температуры определяют вдоль направления течения, а локальное значение температуры соответствует температуре в пространственно ограниченном месте измерения. Среднее значение температуры сравнивают с локальным значением температуры для получения заключения о состоянии катализатора. Катализатор снабжен вторым термоизмерительным датчиком, который состоит из провода с изменяющимися в зависимости от температуры электрическим сопротивлением и вдоль лежащего в основном параллельно направлению течения измерительного участка, соединен с катализатором и по меньшей мере одним первым термоизмерительным датчиком D, который соединен в одном месте измерения с катализатором. Способ позволяет получить простую и надежную оценку состояния катализатора, принимая во внимание старение и/или утомление 2 с. и 12 з. п. ф-лы, 5 ил.
