БОРТОВАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ПОДЛОЖКИ Российский патент 2018 года по МПК F01N3/20 F01N11/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к бортовой системе диагностики для каталитически активной подложки, в частности, катализатора окисления для дизельного двигателя и способу бортовой диагностики каталитически активной подложки в выхлопной системе. Изобретение также относится к выхлопной системе и автомобилю.

Уровень техники

В двигателях внутреннего сгорания образуются выхлопные газы, содержащие различные загрязняющие примеси, в том числе, углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота («NO_x»), оксиды серы и материал в форме частиц. Из-за постоянного ужесточения национального и местного законодательства снижено количество загрязняющих примесей, допустимых к выбросу такими дизельными и бензиновыми двигателями. Для достижения нового низкого уровня выбросов были разработаны выхлопные системы, включающие различные каталитические компоненты.

В силу все возрастающей сложности подобных выхлопных систем, были разработаны бортовые системы диагностики, позволяющие владельцу автомобиля быть в курсе рабочего состояния выхлопной системы. Бортовая диагностика (on-board diagnostics - OBD) в контексте автомобильной отрасли является обобщающим термином, описывающим возможность самодиагностики и передачи сообщений автомобильными системами, снабженными сетью датчиков, соединенных с надлежащей электронной системой управления. Ранние примеры систем OBD в случае обнаружения проблемы просто подавали сигнал при помощи светового индикатора неполадок, но не предоставляли никакой информации о природе проблемы. В более современных системах OBD используется стандартизованный порт цифрового соединения, благодаря чему они способны предоставлять информацию в виде стандартизованных кодов диагностируемых неисправностей и некоторый набор данных в режиме реального времени, позволяя быстро выявлять и устранять проблему, возникшую в какой-либо системе автомобиля.

Помимо снижения выбросов автомобильного двигателя, обновленное законодательство требует расширения использования бортовой диагностики (OBD) для уведомления водителя в случае ненадлежащего функционирования или ухудшения состояния выхлопной системы, которое могло бы вызвать превышение установленных пороговых значений уровня выбросов; например, превышение содержанием материала в форме частиц, монооксида углерода, углеводородов и/или NO_x установленного предела (обычно, в г/км загрязняющих примесей). Типичный способ бортовой диагностики включает размещение одного датчика до каталитически активного компонента и другого датчика – после каталитически активного компонента и измерение разности фиксируемых этими датчиками величин с целью определения того, функционирует ли данный компонент надлежащим образом. Например, в патенте США № 6739176 описан способ проверки работоспособности катализатора очистки выхлопных газов дизельных двигателей, который включает размещение датчиков СО выше и ниже по потоку от катализатора, а также датчика температуры ниже по потоку от катализатора. В патенте США № 4029472 описан термоэлектрический датчик, предназначенный для количественного определения содержания горючих материалов в выхлопных газах и включающий два спая термопары, при этом, катализатор окисления выхлопных газов, ближайший к одному из спаев, создает температурный дифференциал спая, когда керамический корпус находится в потоке выхлопного газа. Получаемая на выходе разность между двумя спаями пропорциональна концентрации остаточных горючих материалов в выхлопном газе.

В патенте США № 8127537 описана выхлопная система, включающая тройной катализатор (three way catalyst – TWC) и один карбидный датчик. TWC включает каталитическую композицию, нанесенную, по меньшей мере, на часть длины каналов, идущих от впускного конца, обладающую уменьшенной активностью в отношении аккумулирования кислорода или отсутствием такой активности по сравнению с каталитической композицией в остальной части TWC. Единственный карбидный датчик контактирует, по существу, только с выхлопным газом, который сначала вступил в контакт с композицией TWC с уменьшенной активностью в отношении аккумулирования кислорода или отсутствием такой активности. В патенте США № 8205437 описана выхлопная система, включающая монолитную подложку, на которую нанесен катализатор, и первый датчик, расположенный в отверстии, образуемом, отчасти, наружной стенкой монолитной подложки. Каталитическая композиция, нанесенная, по меньшей мере, на часть длины каналов, идущих от верхнего по потоку конца, обладает повышенной активностью в реакции, для которой эта каталитическая композиция предназначена, по сравнению с каталитической композицией на остальной части подложки. Датчик расположен так, что находится в контакте, по существу, только с выхлопным газом, который сначала вступает в контакт с каталитической композицией, обладающей повышенной активностью. Кроме этого, в патенте США № 8327632 описана выхлопная система, снабженная катализируемым сажевым фильтром (catalyzed soot filter – CSF), блоком управления и катализируемым датчиком. Эта система имеет функцию повышения содержания углеводородов (НС) и/или монооксида углерода (СО) в выхлопном газе, поступающем в CSF, что приводит к сгоранию НС и/или СО в CSF, увеличению температуры CSF и сгоранию материала в форме частиц, накопившегося в CSF.

Авторами обнаружено, что датчики, размещенные выше и ниже по потоку от каталитического компонента, недостаточно точны из-за неустойчивых по своей природе условий в выхлопной системе, осложняемых довольно небольшим экзотермическим эффектом, обычным для выхлопных газов дизельного двигателя, по сравнению с внезапными изменениями температуры выхлопного газа.

Что касается автомобильных систем и протекающих в них процессов, желательно дальнейшее усовершенствование бортовых систем диагностики. Авторами выявлена новая бортовая система диагностики для каталитически активной подложки в выхлопной системе.

Сущность изобретения

Изобретение представляет собой бортовую систему диагностики для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания. Бортовая система диагностики включает каталитически активную подложку, имеющую каталитически активную область и каталитически неактивную область, первый датчик и второй датчик. Первый датчик расположен в каталитически активной области каталитически активной подложки, второй датчик расположен в каталитически неактивной области каталитически активной подложки.

Изобретение также включает способ бортовой диагностики каталитически активной подложки. Этот способ включает измерение температуры каталитически активной области у первого датчика и температуры каталитически неактивной области у второго датчика; вычисление разности температур; и определение того, прошла ли каталитически активная подложка диагностическую проверку, путем сравнения разности температур с ожидаемой величиной, соответствующей надлежащей или ненадлежащей работе каталитически активной подложки. Этот способ может быть осуществлен бортовой системой диагностики настоящего изобретения.

Изобретением также обеспечивается выхлопная система, обычно для двигателя внутреннего сгорания или автомобиля, которая включает бортовую систему диагностики настоящего изобретения.

Кроме того, изобретением обеспечивается автомобиль, снабженный двигателем внутреннего сгорания и бортовой системой диагностики настоящего изобретения или выхлопной системой настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведено два варианта расположения термодатчиков на подложке катализатора окисления дизельного двигателя, при этом, на фиг. 1А показан один из вариантов осуществления настоящего изобретения, а на фиг. 1В показан сравнительный вариант расположения.

Подробное описание изобретения

Бортовая система диагностики настоящего изобретения включает каталитически активную подложку, имеющую каталитически активную область и каталитически неактивную область.

Каталитически активная подложка включает подложку, содержащую каталитический компонент. Каталитический компонент, как правило, представляет собой грунтовку, включающую в себя один или несколько неорганических оксидов и один или несколько металлов. Каталитически активные подложки используются в различных процессах для очистки выхлопных газов, образующихся в двигателях внутреннего сгорания.

Подложка каталитически активной подложки, предпочтительно, является монолитной подложкой. Монолитная подложка, предпочтительно, является керамической подложкой или металлической подложкой. Керамическая подложка может быть изготовлена из любого подходящего жаропрочного материала, например, оксида алюминия, оксида кремния, оксида титана, оксида церия, оксида циркония, оксида магния, цеолитов, нитрида кремния, карбида кремния, силикатов циркония, силикатов магния, алюмосиликатов и металло-алюмосиликатов (таких как кордиерит и сподумен) или смеси или смешанного оксида любых двух или нескольких из них. Металлическая подложка может быть изготовлена из любого пригодного металла, в частности, из теплостойких металлов и металлических сплавов, таких как титан и нержавеющая сталь, а также ферритных сплавов, содержащих железо, никель, хром и/или алюминий, а также другие металлы (обычно, редкоземельные металлы) в следовых количествах.

Предпочтительно, подложка является проточной подложкой, однако, также может представлять собой фильтрующую подложку. Проточные подложки, предпочтительно, имеют сотовую структуру со множеством тонких параллельных тонкостенных каналов, проходящих через всю подложку в осевом направлении. Если подложка является фильтрующей подложкой, предпочтительно, это фильтрующий сквозь стенки монолит. Каналы фильтрующего сквозь стенки монолита попеременно блокированы, благодаря чему поток выхлопных газов входит в канал с одного конца, затем проходит сквозь стенки канала и выходит из фильтрующего монолита через другой канал, ведущий к выходу. Таким образом, частицы, присутствующие в потоке выхлопных газов, задерживаются в фильтре.

Катализатор каталитически активных подложек, обычно, наносят на подложку в виде грунтовки, которая, как правило, содержит ряд компонентов, в том числе, один или несколько неорганических оксидов и один или несколько металлов. Неорганическим оксидом чаще всего является оксид элемента 2, 3, 4, 5, 13 и 14 группы. Пригодные неорганические оксиды, предпочтительно, характеризуются площадью поверхности, лежащей в диапазоне от 10 до 700 м²/г, объемом пор от 0,1 до 4 мл/г и диаметром пор, примерно, от 10 до 1000 Ангстрем. Предпочтительно, неорганический оксид это оксид алюминия, оксид кремния, оксид титана, оксид циркония, оксид ниобия, оксиды тантала, оксиды молибдена, оксиды вольфрама, оксиды редкоземельных элементов, (в частности, оксид церия или оксид неодима) или смешанные оксиды или составные оксиды любых двух или нескольких из них, например, оксид кремния-алюминия, оксид церия-циркония или оксид алюминия-церия-циркония, а также это может быть цеолит.

Один или несколько металлов, как правило, включают один или несколько металлов платиновой группы (platinum group metal – PGM), предпочтительно, платину, палладий и/или родий. Одни или несколько металлов также могут включать оксиды металлов, такие как оксиды щелочноземельных металлов (таких как барий, кальций, стронций и магний), щелочных металлов (таких как калий, натрий, литий и цезий), редкоземельных металлов (таких как лантан, иттрий, празеодим и неодим), или их сочетания, а также карбонаты металлов, сульфаты металлов, нитраты металлов, ацетаты металлов и гидроксиды металлов.

Хотя в контексте настоящего изобретения может быть использована любая каталитически активная подложка, предпочтительно, каталитически активная подложка представляет собой катализатор окисления для дизельного двигателя (diesel oxidation catalyst – DOC).

Компоненты DOC хорошо известны в данной области техники. DOC разрабатывают с целью окисления СО до СО₂ и газофазных углеводородов (НС) и органической фракции твердых частиц дизельного топлива (растворимой органической фракции) до СО₂ и Н₂О. Типичными компонентами DOC являются платина и, необязательно, также палладий на носителе из неорганического оксида с большой площадью поверхности, таком как оксид кремния-алюминия и цеолит.

Каталитически активная подложка характеризуется общим объемом. Типичный общий объем каталитически активной подложки составляет от, примерно, 1,0 до, примерно, 15 л. Каталитически неактивная область каталитически активной подложки, предпочтительно, охватывает менее 50% общего объема каталитически активной подложки, более предпочтительно, менее 25% общего объема каталитически активной подложки, еще более предпочтительно, менее 10% общего объема каталитически активной подложки.

Каталитически неактивная область каталитически активной подложки может представлять собой область подложки без покрытия, например, область пустой подложки, однако, предпочтительно, каталитически неактивная область представляет собой часть подложки, на которую нанесена инертная грунтовка. Инертная грунтовка не содержит каталитически активных металлов (например, PGM или других переходных металлов), катализирующих окисление углеводородов или монооксида углерода. Предпочтительно, инертная грунтовка состоит из одного или нескольких неорганических оксидов, таких как оксид алюминия, оксид кремния, оксид титана, оксид циркония, оксид ниобия, оксиды редкоземельных элементов (в частности, оксид церия или оксид неодима) или смешанные оксиды или составные оксиды любых двух или нескольких из них, например, оксид кремния-алюминия, оксид церия-циркония или оксид алюминия-церия-циркония, а также это может быть цеолит.

Использование инертной грунтовки для каталитически не активной области может быть предпочтительным потому, что при этом выравнивается термоемкость каталитически активной и неактивной областей, что повышает точность измерения промежуточной дифференциальной температуры. Использование инертной грунтовки в каталитически неактивной области также может способствовать выравниванию обратного давления этих двух областей, обеспечивая более равномерное распределение потока.

Обычно, каталитически активная подложка имеет впускной конец и выпускной конец, а ее осевая длина проходит от впускного конца до выпускного конца. Каталитически неактивная область, предпочтительно, начинается у впускного конца каталитически активной подложки и проходит вдоль части осевой длины каталитически активной подложки. Более предпочтительно, каталитически неактивная область проходит от впускного конца каталитически активной подложки, примерно, на 50% или менее осевой длины каталитически активной подложки.

Каталитически неактивная область может занимать до 100 процентов радиальной длины каталитически активной подложки. Предпочтительно, когда каталитически неактивная область занимает всю радиальную длину каталитически активной подложки, выхлопная система также включает дополнительный катализатор окисления, расположенный ниже по потоку от каталитически активной подложки. Дополнительный катализатор окисления может представлять собой катализатор окисления для дизельного двигателя, однако, предпочтительно, это катализируемый сажевый фильтр (CSF). Катализируемый сажевый фильтр (CSF) представляет собой фильтрующую подложку, на которую в виде покрытия нанесен катализатор, состав и функции которого подобны DOC. Он также может вносить свой вклад в сжигание твердых частиц. Типичными компонентами катализатора CSF являются платина, палладий и неорганический оксид с большой площадью поверхности.

Дополнительный катализатор окисления ниже по потоку от каталитически активной подложки может быть полезен для очистки от выбросов (например, углеводородов и СО), которые прошли сквозь каталитически неактивную область и не окислились.

В основном, вторая каталитически активная область, характеризующаяся намного более высокой температурой воспламенения, может быть использована вместо каталитически неактивной области. Это осуществляют, например, путем использования второй каталитически активной области с намного меньшим заполнением PGM по сравнению с каталитически активной областью каталитически активной подложки. Потенциальным преимуществом такой структуры является то, что вредные примеси, проходящие через вторую каталитически активную область при более высокой температуре, будут преобразованы, но это не вызовет значительного экзотермического эффекта и изменения условий, необходимых для OBD, и поэтому, не повлияет на OBD.

Каталитически активная подложка может быть изготовлена любым традиционным способом. Например, с целью создания каталитически активной подложки, состоящей из каталитически активной области и каталитически неактивной области, может быть нанесено неоднородное покрытие, формируемое при помощи защитного средства, которое закрывает некоторые области подложки, так что покрытие на них отсутствует, а наносится только на области, не закрытые защитным средством. Кроме того, защитное средство может быть разделено изнутри с целью отделения различных жидкостей покрытия, либо некоторые части могут быть закрыты для предотвращения попадания на них покрытия.

Бортовая система диагностики настоящего изобретения также включает первый датчик и второй датчик. Первый датчик расположен в каталитически активной области каталитически активной подложки. Второй датчик расположен в каталитически неактивной области каталитически активной подложки. К датчикам, пригодным для бортовой системы диагностики настоящего изобретения, относятся датчики температуры, датчики углеводородов, кислородные датчики, карбидные датчики, датчики оксидов азота (NO_x) и датчики монооксида углерода. Особенно предпочтительны датчики температуры, такие как термопара.

Предпочтительно, первый датчик и второй датчик расположены на одной и той же длине вдоль осевой длины каталитически активной подложки. Более предпочтительно, они расположены в пределах, примерно, 1 дюйма (2,54 см) друг от друга вдоль осевой длины каталитически активной подложки, еще более предпочтительно, расположены на одной и той же длине вдоль осевой длины каталитически активной подложки.

Бортовая система диагностики настоящего изобретения, предпочтительно, используется для обнаружения потенциального ухудшения функционирования каталитически активной подложки, размещенной в выхлопной системе. Способность каталитически активной подложки сжигать углеводороды и монооксид углерода, присутствующие в выхлопных газах, измеряется по разности двух фиксируемых датчиками величин (например, температуры), что является непосредственным измерением на катализаторе в процессе бортовой диагностики, и оценивается путем сравнения этой разности с ожидаемой величиной, соответствующей надлежащей или ненадлежащей работе каталитически активной подложки.

Фиксируемые первым и вторым датчиками величины (например, температура, содержание СО) могут измеряться непрерывно, и если разность между первой измеренной величиной и второй измеренной величиной оказывается меньше заданной величины, включается световой индикатор неисправности (malfunction indicator light – MIL), указывающий, что качество функционирования каталитически активной подложки упало ниже установленного уровня. Например, при снижении качества работы каталитически активной подложки измеряемая температура каталитически активной области будет приближаться к измеряемой температуре каталитически неактивной области. А случай, когда разность температур становится меньше установленной величины (например, разность температур 10°С или менее), означает отрицательный результат диагностической проверки каталитически активной подложки.

Изобретение также включает в себя способ бортовой диагностики каталитически активной подложки выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания. Этот способ включает измерение температуры (или любой другой измеряемой датчиками величины, такой как количество О₂ или количество СО) в каталитически неактивной области у второго датчика и температуры (или любой другой измеряемой величины, такой как количество О₂ или количество СО) в каталитически активной области у первого датчика. Разность температур рассчитывается путем вычитания температуры, зафиксированной вторым датчиком, из температуры, зафиксированной первым датчиком. Затем определяется, прошла ли каталитически активная подложка диагностическую проверку, путем сравнения разности температур с ожидаемой разностью, соответствующей надлежащей или ненадлежащей работе каталитически активной подложки. Например, разность температур более 10°С может указывать на надлежащую работу каталитически активной подложки, тогда как разность температур 10°С или менее может указывать на ненадлежащую работу каталитически активной подложки.

В соответствии со способом настоящего изобретения является предпочтительным, чтобы первый датчик и второй датчик располагались на одной и той же длине вдоль длины каталитически активной подложки. Более предпочтительно, первый датчик температуры располагают в пределах 1 дюйма от второго датчика температуры вдоль осевой длины каталитически активной подложки; более предпочтительно, располагают на той же осевой длине. Хотя первый датчик температуры и второй датчик температуры, предпочтительно, расположены на одной и той же длине вдоль осевой длины каталитически активной подложки, они, предпочтительно, могут быть расположены в различных точках самой подложки, например, на противоположных сторонах подложки.

Кроме этого, способ настоящего изобретения дополнительно предусматривает включение светового индикатора неисправности, когда разность температур (или разность между любыми другими определяемыми датчиками величинами, такими как количество О₂ или количество СО) становится меньше заданной величины. Заданную величину устанавливают по разности температур для деактивированного катализатора. Предпочтительно, информация о дифференциальной температуре может быть введена в алгоритм, суммирующий или усредняющий изменение температуры за некоторый период времени. Таким образом, световой индикатор неисправности не будет срабатывать из-за одного неверного частного значения.

Каталитически активная подложка, имеющая каталитически активную область и каталитически неактивную область, может представлять собой катализатор окисления для дизельного двигателя (DOC) или катализируемый сажевый фильтр (CSF). Предпочтительной каталитически активной подложкой является DOC.

Выхлопная система настоящего изобретения включает бортовую систему диагностики (включающую каталитически активную подложку). Выхлопная система настоящего изобретения может дополнительно включать устройство для снижения токсичности выхлопа (дополнительно к каталитически активной подложке), такое как дополнительный катализатор окисления (например, DOC, CSF или ASC). Устройство для снижения токсичности выхлопа расположено, предпочтительно, ниже по потоку от каталитически активной подложки.

Устройство для снижения токсичности выхлопа может быть выбрано из фильтра твердых частиц (diesel particulate filter – DPF), ловушки обедненных NO_x (lean NO_x trap – LNT), катализатора обедненных NO_x (lean NO_x catalyst – LNC), катализатора селективного каталитического восстановления (selective catalytic reduction – SCR), катализатора окисления для дизельного двигателя (DOC), катализируемого сажевого фильтра (CSF), фильтра селективного каталитического восстановления (selective catalytic reduction filter – SCRF™), катализатора проскока аммиака (ammonia slip catalyst – ASC) и сочетаний из двух или нескольких указанных устройств. Эти устройства для снижения токсичности выхлопа хорошо известны в данной области техники.

Вообще, двигатель внутреннего сгорания может представлять собой двигатель с искровым зажиганием (например, бензиновый или керосиновый двигатель) или двигатель с воспламенением от сжатия (например, дизельный двигатель). Предпочтительно, двигатель внутреннего сгорания представляет собой двигатель с воспламенением от сжатия, более предпочтительно, дизельный двигатель.

Когда выхлопная система настоящего изобретения включает катализатор SCR или катализатор SCRF™, эта выхлопная система может дополнительно включать инжектор, предназначенный для инжекции содержащего азот восстановителя, такого как аммиак или прекурсор аммиака, такой как мочевина или формат аммония, предпочтительно, мочевина, в выхлопные газы ниже по потоку от катализатора окисления и до катализатора SCR или катализатора SCRF™. Подобный инжектор может быть соединен жидкостной связью с источником (например, резервуаром) прекурсора содержащего азот восстановителя. Дозирование прекурсора в выхлопные газы клапанным управляющим устройством может регулироваться снабженным надлежащей программой средством управления двигателем и системой замкнутой или разомкнутой обратной связи, образуемой датчиками, контролирующими состав выхлопных газов. Аммиак также может быть получен путем нагревания карбамата аммония (твердого), а полученный аммиак может быть инжектирован в выхлопные газы.

В качестве альтернативы или дополнительно к инжектору, аммиак может образовываться на месте (т.е., во время регенерации LNT, расположенной выше по потоку от катализатора SCR или катализатора SCRF™). Таким образом, выхлопная система может дополнительно включать средство управления двигателем, обеспечивающее обогащение выхлопных газов углеводородами.

В первом варианте осуществления выхлопной системы, эта выхлопная система включает бортовую систему диагностики настоящего изобретения (предпочтительно, каталитически активная подложка представляет собой DOC) и катализируемый сажевый фильтр (CSF). Такую структуру можно назвать DOC/CSF. Обычно, каталитически активная подложка находится выше по потоку от катализируемого сажевого фильтра (SCF).

Второй вариант осуществления выхлопной системы относится к выхлопной системе, включающей бортовую систему диагностики настоящего изобретения (предпочтительно, каталитически активная подложка представляет собой DOC), катализируемый сажевый фильтр (CSF) и катализатор селективного восстановления (SCR). Такую структуру можно назвать DOC/CSF/SCR; это предпочтительная выхлопная система для дизельного двигателя с небольшим рабочим объемом. Обычно, каталитически активная подложка находится выше по потоку от катализируемого сажевого фильтра (SCF). Катализируемый сажевый фильтр обычно находится выше по потоку от катализатора селективного восстановления (SCR). Инжектор содержащего азот восстановителя может быть размещен между катализируемым сажевым фильтром (CSF) и катализатором селективного восстановления (SCR).

Третий вариант осуществления выхлопной системы относится к выхлопной системе, включающей катализатор окисления для дизельного двигателя (DOC), каталитически активную подложку настоящего изобретения (т.е., бортовую систему диагностики) в качестве катализируемого сажевого фильтра (CSF) и катализатор селективного восстановления (SCR). Это также структура DOC/CSF/SCR. Катализатор окисления для дизельного двигателя (DOC) обычно расположен выше по потоку от катализатора окисления настоящего изобретения. Каталитически активная подложка настоящего изобретения обычно расположена выше по потоку от катализатора селективного восстановления (SCR). Инжектор содержащего азот восстановителя может быть размещен между каталитически активной подложкой и катализатором селективного восстановления (SCR).

В четвертом варианте осуществления выхлопной системы, эта выхлопная система включает бортовую систему диагностики настоящего изобретения (предпочтительно, каталитически активная подложка представляет собой DOC), катализатор селективного восстановления (SCR) и либо катализируемый сажевый фильтр (CSF), либо дизельный фильтр твердых частиц (diesel particulate filter – DPF). Такую структуру можно назвать DOC/SCR/CSF или DOC/SCR/DPF.

В четвертом варианте осуществления выхлопной системы бортовая система диагностики обычно расположена выше по потоку от катализатора селективного восстановления (SCR). Инжектор содержащего азот восстановителя может быть размещен между каталитически активной подложкой и катализатором селективного восстановления (SCR). Катализатор селективного восстановления (SCR) расположен выше по потоку от катализируемого сажевого фильтра (CSF) или дизельного фильтра твердых частиц (DPF).

В пятом варианте своего осуществления выхлопная система включает бортовую систему диагностики настоящего изобретения (предпочтительно, каталитически активная подложка представляет собой DOC) и фильтр селективного каталитического восстановления (SCRF™). Такую структуру можно назвать DOC/SCRF™. Каталитически активная подложка, обычно, расположена выше по потоку от фильтра селективного каталитического восстановления (SCRF™). Инжектор содержащего азот восстановителя может быть расположен между каталитически активной подложкой и фильтром селективного каталитического восстановления (SCRF™).

В каждом из вариантов осуществления выхлопной системы со второго по пятый, описанных в настоящем документе, катализатор ASC может быть размещен ниже по потоку от катализатора SCR или SCRF™ (то есть, как отдельная монолитная подложка), либо, предпочтительно, в качестве подложки для ASC может быть использована область на нижнем по потоку или заднем конце монолитной подложки, содержащей катализатор SCR.

Нижеследующие примеры лишь поясняют изобретение. Специалистами в данной области могут быть выявлены изменения, не выходящие за рамки существа и объема формулы изобретения.

Примеры

Пример 1: Изготовление DOC с каталитически активной и неактивной областями

На монолитную подложку (диаметром 118 мм, длиной 140 мм) нанесли соответствующее современному уровню технологии покрытие DOC, содержащее платину и палладий (Pt:Pd=2:1) при заполнении 50 г/фт^-3 (1,77 кг/м³). На заднюю часть подложки нанесли 50% этого покрытия, пользуясь обычными способами нанесения грунтовки. На переднюю часть подложки нанесли другие 50% этого покрытия, применив закрытые (маскированные) области, с использованием обычного протокола точного нанесения покрытия, как и в первом случае, получив DOC1.

Пример 2: Сравнение автомобильных испытаний

Автомобильные испытания проводили на автомобиле Euro5 1,5 л, оборудованном DOC 1,5 л (DOC1) и CSF. Оценку DOC1 проводили в ходе Нового европейского ездового испытательного цикла (New European Driving Cycle – NEDC) с измерением температуры выхлопного газа и параметров выбросов. Измерение параметров выбросов осуществляли на роликовом динамометре CVS, оснащенном для модального анализа выбросов до и после катализатора для всех подлежащих регулированию загрязняющих примесей. В эту систему добавили две термопары для измерения температуры до и после DOC в соответствии с обычными способами. Кроме того, испытание OBD настоящего изобретения провели, добавив две термопары, тщательно позиционированные в монолите на одном и том же расстоянии (35 мм) от переднего торца и на одинаковом расстоянии по радиусу (30 мм) от боковых сторон. Одну термопару разместили в области обычного покрытия монолита, а другую – в области монолита без покрытия. DOC1 с термопарами OBD показан на фиг. 1А, а обычное размещение термопар до и после катализатора показано на фиг. 1В. Во время испытания измеряли разность температур между термопарой, установленной в каталитически неактивной области DOC, и термопарой, размещенной в катализируемой области на одинаковом расстоянии по оси и по радиусу; также измеряли разность между температурами до и после катализатора. Помимо испытания свежего катализатора DOC, осуществили корректировку активности свежего DOC путем гидротермического состаривания в печи с целью сравнения температурных профилей свежего катализатора DOC, DOC в конце срока службы после старения и OBD DOC после старения.

Результаты показывают, что измеренные разности температур во время «пассивного» цикла NEDC позволяют распознать свежий и старый DOC при помощи системы OBD настоящего изобретения в отличие от системы, в которой термопары размещены выше по потоку от и после DOC. Система OBD настоящего изобретения продемонстрировала усовершенствованную разрешающую способность как по среднему изменению температуры (avg ΔТ), так и пиковому изменению температуры (max ΔТ), по сравнению с мониторингом всего объема DOC при помощи термопар, находящихся выше по потоку от и после DOC.

Таблица 1

Сравнение системы настоящего изобретения и системы с датчиками температуры до и после катализатора Система изобретения Сравнительная система avg ΔТ max ΔТ avg ΔТ max ΔТ COP DOC 19,9 60 55,0 119 DOC в конце срока службы после старения 15,5 51 54,0 106 OBD DOC после старения 9,6 29 50,3 106

Изобретение относится к области очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Описана бортовая система диагностики для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания. Система включает каталитически активную подложку, имеющую каталитически активную область и каталитически неактивную область, первый датчик и второй датчик. Первый датчик расположен в каталитически активной области каталитически активной подложки, второй датчик расположен в каталитически неактивной области каталитически активной подложки. Объем каталитически неактивной области подложки составляет менее 25 % общего объема. Также описан способ бортовой диагностики каталитически активной подложки. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Бортовая система диагностики для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, при этом система включает (1) каталитически активную подложку, имеющую каталитически активную область и каталитически неактивную область; (2) первый датчик и (3) второй датчик, при этом первый датчик расположен в каталитически активной области каталитически активной подложки, второй датчик расположен в каталитически неактивной области каталитически активной подложки, причем каталитически активная подложка имеет общий объем и объем каталитически неактивной области составляет менее 25% общего объема.

2. Бортовая система диагностики по п. 1, в которой объем каталитически неактивной области составляет менее 10% общего объема каталитически активной подложки.

3. Бортовая система диагностики по п. 1, в которой каталитически активная подложка имеет впускной конец и выпускной конец, а ее осевая длина проходит от впускного конца до выпускного конца; каталитически неактивная область начинается у впускного конца каталитически активной подложки и проходит вдоль части осевой длины каталитически активной подложки.

4. Бортовая система диагностики по п. 3, в которой каталитически неактивная область проходит от впускного конца каталитически активной подложки на менее чем 60% осевой длины каталитически активной подложки.

5. Бортовая система диагностики по п. 3, в которой каталитически неактивная область занимает 100 процентов радиальной длины каталитически активной подложки.

6. Бортовая система диагностики по п. 5, дополнительно содержащая дополнительный катализатор окисления, расположенный ниже по потоку от каталитически активной подложки.

7. Бортовая система диагностики по п. 1, в которой на каталитически неактивную область нанесена инертная грунтовка.

8. Бортовая система диагностики по п. 1, в которой первый датчик и второй датчик расположены на одной и той же осевой длине каталитически активной подложки.

9. Бортовая система диагностики по п. 1, в которой и первый датчик, и второй датчик являются датчиками температуры.

10. Бортовая система диагностики по п. 9, в которой и первый датчик, и второй датчик являются термопарами.

11. Способ бортовой диагностики каталитически активной подложки в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания, при этом каталитически активная подложка имеет каталитически активную область и каталитически неактивную область, первый датчик расположен в каталитически активной области, второй датчик расположен в каталитически неактивной области, причем каталитически активная подложка имеет общий объем, и объем каталитически неактивной области составляет менее 25% общего объема, способ включает этапы, на которых:

(а) измеряют температуру каталитически активной области у первого датчика и температуру каталитически неактивной области у второго датчика;

(b) вычисляют разность температур каталитически активной области и каталитически неактивной области; и

(с) определяют, прошла ли каталитически активная подложка диагностическую проверку, путем сравнения разности температур с ожидаемой величиной, соответствующей надлежащей или ненадлежащей работе каталитически активной подложки.

12. Способ по п. 11, в котором каталитически активная подложка имеет впускной конец и выпускной конец, а ее осевая длина проходит от впускного конца до выпускного конца, первый датчик температуры и второй датчик температуры располагают на одной и той же осевой длине каталитически активной подложки.

13. Способ по п. 11, дополнительно включающий включение светового индикатора неисправности, когда каталитически активная подложка не проходит диагностическую проверку после сравнения разности температур с ожидаемой величиной.