POMIARY ST E TLENU W DIAGNOZOWANIU POK ADOWYM TRÓJFUNKCYJEGO REAKTORA KATALITYCZNEGO SPALIN

Transkrypt

1 DIAGNOSTYKA 7 ARTYKY GÓWNE POMIARY STE TLEN W DIAGNOZOWANI POKADOWYM TRÓJFNKCYJEGO REAKTORA KATALITYCZNEGO SPALIN Andrzej AMBROZIK, Stanisaw W. KRCZYSKI Dariusz TOMASZEWSKI, Jacek CZYSKI Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej 54 Warszawa, ul. Narbutta 84 fax: () skruczyn@simr.pw.edu.pl Streszczenie W pracy oceniono moliwoci diagnozowania trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych za pomoc sygnaów z czujników tlenu w ustalonych warunkach pracy silnika. Zaproponowano metod symulacji procesu dezaktywacji polegajc na wymianie wkadów aktywnych reaktora na wkady nieaktywne. Do potrzeb diagnostyki trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego wybrano symptom diagnostyczny spowodowany zmian stenia tlenu i zjawiskiem spadku powierzchni jego magazynowania. Na podstawie uzyskanych wyników okrelono przydatno sygnaów wykorzystywanych do diagnozy reaktora katalitycznego ze wzgldu na emisj skadników toksycznych spalin. Sowa kluczowe: toksyczno spalin, reaktor katalityczny, diagnostyka pokadowa RESEARCH OF THE OXYGEN CONTENT FOR ON BOARD DIAGNOSIS OF THREE WAY CATALYTIC CONVERTER In this paper the possibility of three way catalytic converter diagnosis by means of oxygen sensors signals in fixed engine working conditions is estimated. Method of the deactivation process depending on the exchange reactor active bricks of converter on disactive ones is suggested. For needs of three way catalytic converter diagnosis it choosed diagnostic symptom caused by oxygen loss and decrease of Oxygen Storage Capacity (OSC). On the basis of the forthcoming results, diagnostic signals usefulness for converter diagnosis in view of harmful gases emission is evaluated. Key words: exhaust toxicity, catalytic converter, on-board diagnostics. WSTP Reaktor katalityczny spalin ze wzgldu na swoj wysok sprawno oczyszczania spalin w ukadzie peni kluczow rol w ograniczaniu emisji z silników spalinowych z zaponem iskrowym. rzdzenie to zapewnia wysok sprawno konwersji w spalinach powstaych ze spalenia mieszanki stechiometrycznej. Mieszanka ta uzyskana jest poprzez regulacj jej skadu w ptli zamknitej za pomoc czujnika tlenu o charakterystyce przecznikowej. Rysunek przedstawia konwersji skadników szkodliwych wraz z charakterystyk czujnika tlenu w zalenoci od wspóczynnika nadmiaru powietrza. Metody diagnozowania trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych mona podzieli na trzy podstawowe grupy oparte o nastpujce pomiary []: - temperatur (detekcja iloci wydzielonego ciepa), - ste tlenu (detekcja ubytku tlenu i utrata przestrzeni jego magazynowania), - ste wybranych skadników spalin (bezporednia detekcja sprawnoci pracy reaktor Obecnie na potrzeby diagnostyki pokadowej rozwijane s dwie pierwsze metody lub ich kombinacje. Zastosowanie metody bezporedniej opartej o pomiary ste skadników spalin ograniczane jest brakiem trwaych i niezawodnych de detektorów moliwych do zastosowania w eksploatowanych pojazdach []. Sprawno pracy trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego spalin oceniana jest na podstawie wartoci stopnia konwersji tlenku wgla, wglowodorów i tlenków azotu.

2 DIAGNOSTYKA 7 ARTYKY GÓWNE katalityczny, spowoduje, e sygnay bd prawie identyczne z moliwym przesuniciem wzgldem siebie o czas przepywu spalin przez reaktor (rys.. [V] a) O 5,9,95,5,,5,5,5,5 O [%], [V] 4 t [s] 6 8 kco, khc, knox [%] kco khc kno x zakres regulacji 5,9,95,5,,5 Rys.. a - charakterystyka czujnika tlenu, b - konwersja substancji szkodliwych w zalenoci od wspóczynnika nadmiaru powietrza Ze zjawiskami konwersji zwizane s procesy zmiany ste tlenu:.. Zjawisko spadku stenia tlenu na skutek reakcji utleniania.. Zjawisko magazynowania/ uwalniania tlenu w materiale nonika (tlenki ceru). Monitorujc zmiany stenie tlenu w reaktorze katalitycznym moemy wnioskowa porednio o intensywnoci konwersji katalitycznej. W ustalonych warunkach pracy silnika sygnay z czujników tlenu umieszczonych przed i za reaktorem katalitycznym, bd si róniy wartoci redni i amplitud wskutek wyej wymienionych zjawisk (rys.. Zdezaktywowany reaktor, [V] t [s] Rys.. Sygnay z czujników tlenu przy prdkoci obrotowej n = obr/min i prdkoci przepywu spalin SV = h - : a dla reaktora o % aktywnoci, b - dla reaktora o % aktywnoci.. Celem pracy jest ocena moliwoci diagnozowania trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego spalin w oparciu o pomiary porednie ste tlenu w spalinach przed i za reaktorem wystpujcych przy ustalonych warunkach pracy badanego silnika spalinowego.. STANOWISKO BADAWCZE Eksperyment wykonano na stanowisku badawczym silnika Rover.4 wyposaonego we wtryskowy ukad zasilania z korekcj skadu

3 DIAGNOSTYKA 7 ARTYKY GÓWNE 3 mieszanki za pomoc czujnika tlenu. W ukadzie wylotowym silnika zastosowano trójfunkcyjny reaktor katalityczny Pt-Rh/Al O 3 -CeO o objtoci monolitu dobranej odpowiednio do pojemnoci skokowej silnika. Badany reaktor katalityczny posiada blok wykonany w postaci monolitu metalowego pokrytego nonikiem -Al O 3 -CeO z naniesionymi na nim krystalitami platyny i rodu w proporcji 5: i iloci. g/dm 3 monolitu. Okrelenia stenia tlenu za reaktorem dokonywano z wykorzystaniem czujnika tlenu o charakterystyce identycznej jak czujnik sterujcy. Reaktor katalityczny w celu symulacji procesu dezaktywacji pocito na osiem segmentów o jednakowej dugoci. Symulacji dezaktywacji reaktora katalitycznego dokonywano poprzez wymian segmentów aktywnych z przedniej czci reaktora na segmenty nieaktywne. W ten sposób uzyskano róne poziomy aktywnoci reaktora A poczwszy od aktywnoci A = % a do aktywnoci A = % z krokiem równym.5 %. Aktywno reaktora katalitycznego okrelono jako stosunek objtoci segmentów aktywnych V a do objtoci caego katalizatora V k. Va A () V k W celu wyznaczenia stopnia konwersji CO, HC i NO x próbki spalin pobierano z przed i z za reaktora i kierowano do zestawu analizatorów spalin mierzcych stenia tlenku wgla metod NDIR, wglowodorów metod FID oraz tlenków azotu metod CLD. Pomiarów ste tlenu dokonywano w sposób poredni przy pomocy czujników tlenu umieszczonych przed i za reaktorem katalitycznym. Generowane sygnay napiciowe te byy próbkowane z czstotliwoci Hz. Nastpnie dokonano filtracji sygnaów przy uyciu filtra dolnoprzepustowego o czstotliwoci granicznej 5 Hz. Schemat reaktora i miejsca umieszczenia czujników tlenu w katalizatorze przedstawiono na rysunku WYNIKI BADA Badania sygnaów diagnostycznych oraz pomiary konwersji skadników spalin w reaktorze katalitycznym przy rónej jego aktywnoci wykonano przy prdkoci obrotowej n = i 3 obr/min i trzech rónych obcieniach silnika M e = 36, 46, 56 Nm. Wzgldne objtociowe natenie przepywu spalin SV zawaro si w granicach od h - do 5 h -. Badania przeprowadzono przy staej temperaturze otoczenia. wlot spalin CO + ½ O CO CHy + (+y/4)o CO + y/ho H + O HO CeO3 + O CeO t Rys. 3. Schemat ukadu badawczego reaktora katalitycznego: reaktor katalityczny spalin, sonda sterujca, 3 sonda diagnostyczna. Definicje sygnaów diagnostycznych:. W pierwszej metodzie sygna diagnostyczny zdefiniowano jako iloraz wartoci rednich sygnaów napiciowych generowanych przez sondy: wylot spalin sr I sr () sr. W drugim przypadku sygna diagnostyczny zdefiniowano jako iloraz zakresów wartoci sygnaów napiciowych generowanych przez sondy: max min I (3) max min Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono zaleno sygnaów diagnostycznych od konwersji tlenku wgla k CO, wglowodorów k HC oraz tlenków azotu k NOx. Na rysunku 6 przedstawiono wyniki pomiarów sygnaów diagnostycznych w funkcji aktywnoci reaktora. Analiza wyników bada zalenoci konwersji poszczególnych substancji szkodliwych od aktywnoci reaktora, oraz zalenoci sygnau diagnostycznego od konwersji CO, HC i NO x prowadzi do nastpujcych wniosków. 3 t

4 Isr 4, DIAGNOSTYKA 7 ARTYKY GÓWNE, k CO [%] k C O [% ], Isr, c) k HC [%] k HC [% ] c)., I sr, k NOx [%] k NOx [% ] Rys.4. Zaleno sygnau diagnostycznego od konwersji skadników toksycznych dla definiowanych sygnaów jako iloraz wartoci rednich sygnaów generowanych przez czujniki Rys.5. Zaleno sygnau diagnostycznego od konwersji skadników toksycznych dla definiowanych sygnaów jako iloraz zakresów wartoci generowanych przez czujniki

5 DIAGNOSTYKA 7 ARTYKY GÓWNE 5 I sr rednia A [%] Rys. 6. Wykresy sygnaów diagnostycznych metoda oparta na sygnale diagnostycznym wykazuje pewn jednoznaczn zaleno. - Znacznym ograniczeniem wykorzystania metod jest przecznikowa charakterystyka czujnika tlenu, która powoduje niejednoznaczno okrelenia informacji w spalinach o skadzie bliskim stechiometrycznemu. 5. LITERATRA [] Ambrozik A., Kruczyski S. W.: Diagnostyka i monitoring trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych spalin. XXVII Ogólnopolskie Sympozjum DIAGNOSTYKA MASZYN, Wgierska Górka, luty. [] Kruczyski S. W., czyski J., Tomaszewski D.: Ocena sygnaów diagnostycznych z czujników tlenu podczas symulowanej dezaktywacji trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego spalin. XXIX Ogólnopolskie Sympozjum DIAGNOSTYKA MASZYN, Wgierska Górka, marzec. Informacje o Autorach zamieszczono na stronie rednia A [%] definiowanych jako: Iloraz wartoci rednich sygnaów z czujników; Iloraz zakresów wartoci sygnaów generowanych przez czujniki. 4. WNIOSKI - Badania eksperymentalne sygnaów diagnostycznych na potrzeby OBD II w ustalonych warunkach pracy silnika oraz w warunkach pracy pojazdu ECE R83 powinny by prowadzone przy symulacji dezaktywacji reaktora gwarantujcej uzyskanie niskich sprawnoci konwersji skadników szkodliwych spalin. - Obydwie przedstawione metody okrelania sygnau diagnostycznego I r i nie speniaj warunków poprawnoci diagnozy reaktora, cho