ANALIZA METOD MONITOROWANIA PRACY TRÓJFUNKCYJNEGO REAKTORA KATALITYCZNEGO WYKORZYSTUJ CYCH DYSKRYMINANTY AMPLITUDOWE I FUNKCJ INTERKORELACJI

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 3 ANALYSIS OF THREE-WAY CATALYTIC CONVERTER MONITORING METHODS USING SELECTED AMPLITUDE DISCRIMINANTS AND CROSS-CORRELATION FUNCTION FOR ON-BOARD DIAGNOSIS NEEDS Stanis aw W. Kruczy ski Dariusz Tomaszewski The Warsaw University of Technology Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering Warszawa, ul. Narbutta 84, tel: , fax.: skruczyn@simr.pw.edu.pl Abstract Three-way catalytic converters are effective devices in decreasing emission of harmful gases. Spark ignited engines should be equipped with catalyst monitoring systems because of homologation requirements. Partial disactivation of TWC should be indicated by means of MIL indicator. There is the need of looking for new effective catalyst monitoring methods. In this paper, the estimation of three way catalytic converter diagnosis method by means of narrow-band oxygen sensors signals is evaluated. Method of the deactivation process depending on the exchange reactor active bricks of converter on disactive ones was suggested. It was simulated of few activity levels of converter. It was definied monitoring index I HEGO for examine procedure needs. Method using selected discriminants and method using crosscorrelation function were suggested. Monitoring in fixed engine work bench conditions and NEDC cycle test were compared using correlation. On the basis of results, suggested monitoring indexes usefulness in view of HC emission was evaluated for OBD needs. Values of monitoring indexes according to activation of MIL indicator (increase HC emission by.4 g/km in NEDC driving cycle) was estimated. Keywords: engines, catalytic converters, emission of harmful gases, diagnosis ANALIZA METOD MONITOROWANIA PRACY TRÓJFUNKCYJNEGO REAKTORA KATALITYCZNEGO WYKORZYSTUJ CYCH DYSKRYMINANTY AMPLITUDOWE I FUNKCJ INTERKORELACJI DLA POTRZEB DIAGNOSTYKI POK ADOWEJ Streszczenie Trójfunkcyjne reaktory katalityczne s wydajnymi urz dzeniami w ograniczaniu emisji sk adników toksycznych. Silniki o zap onie iskrowym powinny by wyposa ane w systemy monitoringu tych urz dze, ze wzgl du na wymagania przepisów homologacyjnych. Istnieje potrzeba poszukiwania nowych metod monitorowania reaktorów. W pracy oceniono mo liwo ci monitorowania trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych silnika o zap onie iskrowym za pomoc w skopasmowych czujników st e tlenu. Zaproponowano metod symulacji procesu dezaktywacji polegaj c na wymianie wk adów aktywnych reaktora na wk ady nieaktywne. Zasymulowano kilka znanych stopni aktywno ci reaktora. Badania wykonano na hamowni silnikowej w warunkach ustalonej pracy silnika i podczas testu jezdnego NEDC. Dla potrzeb badawczych zdefiniowano wska nik monitoringu I HEGO. Zaproponowano dwie metody wyznaczenia wska ników monitoringu: wykorzystuj c obliczenia wybranych dyskryminant amplitudowych i wykorzystuj c obliczenia funkcji interkorelacji sygna ów z czujników st e tlenu. Porównano mo liwo ci monitoringu w ustalonych warunkach pracy silnika i te cie NEDC. Na podstawie uzyskanych wyników porównano przydatno wska ników monitoringu ze wzgl du na emisj HC dla potrzeb OBD. Okre lono warto ci wska ników monitoringu odpowiadaj ce aktywacji wska nika MIL (wzrost emisji HC o g/km w cyklu NEDC). S owa kluczowe: silniki spalinowe, reaktory katalityczne, emisja spalin, diagnostyka

2 S. Kruczy ski, D. Tomaszewski 1. Wprowadzenie Trójfunkcyjne reaktory katalityczne w silnikach o zap onie iskrowym pe ni kluczow funkcj w ograniczaniu emisji sk adników toksycznych. Przepisy homologacyjne nak adaj na producentów obowi zek wyposa ania pojazdów w uk ady monitorowania pracy elementów mog cych mie wp yw na ko cow emisj sk adników toksycznych spalin. Uk ady te s elementami systemu pok adowej diagnostyki w poje dzie (On-Board Diagnostics.). Do integralnych elementów systemu OBD nale y uk ad monitorowania sprawno ci reaktora katalitycznego TWC (Three-Way Catalyst), którego niesprawno wywiera du y wp yw na emisj sk adników toksycznych silnika spalinowego [1]. Wykrycie jakiejkolwiek niesprawno ci, w tym i reaktora katalitycznego jest sygnalizowane wska nikiem wietlnym MIL (Malfunction Indicator Light) widocznym dla kierowcy. Konieczne jest poszukiwanie metod monitorowania pracy tych systemów. W publikacji przedstawiono porównanie dwóch metod monitorowania: opartej na obliczeniach funkcji interkorelacji oraz opartej na obliczeniach wybranych dyskryminant amplitudowych. 2. Monitorowanie sprawno ci pracy trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego za pomoc czujników st e tlenu 2.1. Mechanizmy reakcji procesów oczyszczania spalin Za procesy oczyszczania spalin w trójfunkcyjnym reaktorze katalitycznym odpowiedzialne s reakcje utleniania/redukcji sk adników toksycznych przebiegaj ce na powierzchni krystalitów metali szlachetnych [2], które mo na zapisa ogólnie: CO O 2 CO 2 (1) C n H m + (n + m 4 ) O 2 n CO 2 + m / 2 H 2 O (2) NO + CO 1 /2 N 2 + CO 2 (3) Ponadto w warstwie po redniej rektora zawieraj cej tlenki ceru zachodz reakcje [3] magazynowania tlenu: CeO 2 + x NO CeO x N 2 (4) CeO 2 - x + 2 x NO CeO 2 + x N 2 O (5) CeO 2 - x + x H 2 O CeO 2 + x H 2 (6) i jego oddawania: CeO 2 - x + x CO 2 CeO 2 + x CO (7) CeO 2 + x H 2 CeO 2 - x + x H 2 O (8) CeO 2 + x CO CeO 2 - x + x CO 2 (9) 3 CeO 2 - x + x CH 2 3 CeO 2 - x + x H 2 O (1) w zale no ci od rodzaju sk adu mieszanki palnej. Zjawiska te zachodz ce cyklicznie gwarantuj prac reaktora z wysok sprawno ci w zakresie bliskiej stechiometrycznemu sk adu dostarczanej mieszanki, a co za tym idzie zapewniaj wysok skuteczno procesu oczyszczania spalin. Warunkiem koniecznym jest korekcja sk adu mieszanki palnej przez sterownik silnika w zale no ci od sk adu spalin, czego efektem s regularne oscylacje st enia tlenu przed reaktorem. Wysoka intensywno procesów magazynowania/uwalniania tlenu w sprawnym reaktorze powoduje wyt umienie oscylacji st e tlenu za reaktorem. 168

3 Analysis of Three-Way Catalytic Converter Monitoring Methods Using Selected Amplitude Discriminants 2.2. Istota monitorowania sprawno ci pracy reaktora za pomoc czujników tlenu W miar deaktywowania (spiekanie i zatrucie) warstw aktywnych reaktora odpowiedzialnych za reakcje utleniania/redukcji sk adników toksycznych zgodnie z reakcjami (1), (2) i (3) wyst puj równie procesy spiekania i zatrucia krystalitów tlenków ceru, co powoduje spadek powierzchni magazynowania tlenu (spadek OSC - Oxygen Storage Capacity) zgodnie z reakcjami od (4) do (1). Przyjmuje si, e procesy te s skorelowane ze sob i utrata zdolno ci do magazynowania tlenu poci ga za sob utrat zdolno ci do utleniania i redukcji sk adników szkodliwych zawartych w gazach spalinowych. Za reaktorem dezaktywowanym pojawiaj si coraz intensywniejsze oscylacje st e tlenu z jednoczesnym spadkiem jego zdolno ci do utleniania CO i HC oraz redukcji NOx. Do oceny pracy TWC powszechnie stosuje uk ad dwóch czujników st e tlenu, umieszczonych przed i za reaktorem katalitycznym. Czujnik przed reaktorem jest zwykle napi ciowym generacyjnym czujnikiem steruj cym sk adem mieszanki palnej pracuj cym w p tli sprz enia zwrotnego w sposób dwustanowy, utrzymuj cym sk ad mieszanki w w skim zakresie, oko o +/-1%, czego efektem s regularne oscylacje st enia tlenu przed reaktorem. Miar obecno ci niewielkich st e tlenu (do warto ci oko o,8%) lub jego braku jest warto generowanego sygna u napi ciowego zmieniaj cego si skokowo w zakresie odpowiednio od oko o,8 V do V. 3. Metoda symulacji utraty sprawno ci konwersji Ze wzgl du na niejednoznaczny proces dezaktywacji reaktora w czasie jego rzeczywistej eksploatacji i znaczne koszty takiego eksperymentu opracowano metod symulacji utraty aktywno ci reaktora. W tym celu blok reaktora katalitycznego poci to na osiem segmentów o jednakowej d ugo ci. Symulacji dezaktywacji reaktora katalitycznego dokonywano poprzez wymian segmentów aktywnych z przedniej cz ci reaktora na segmenty nieaktywne. W ten sposób uzyskano ró ne poziomy aktywno ci reaktora A pocz wszy od aktywno ci A = 12,5 % a do aktywno ci A = 1 % z krokiem równym 12.5 %. Aktywno reaktora katalitycznego okre lono jako stosunek obj to- ci segmentów aktywnych V a do obj to ci ca ego katalizatora V k. Aktywno A mo na napisa w postaci: V a A, (11) V k 4. Uk ad badawczy Eksperyment wykonano z wykorzystaniem silnika typu V (K16) firmy Rover wyposa onego we wtryskowy uk ad zasilania z korekcj sk adu mieszanki za pomoc jednego czujnika tlenu Bosch LSH 6 umieszczonego przed reaktorem. W uk adzie wylotowym silnika zastosowano trójfunkcyjny reaktor katalityczny Pt-Rh/Al 2 O 3 -CeO 2 o obj to ci monolitu dobranej odpowiednio do pojemno ci skokowej silnika z mo liwo ci symulacji utraty sprawno ci konwersji. Badany reaktor katalityczny posiada blok wykonany w postaci monolitu metalowego pokrytego no nikiem - Al 2 O 3 -CeO 2 z naniesionymi na nim krystalitami platyny i rodu w proporcji 5:1 i ilo ci 2. g/dm 3 monolitu. Za reaktorem katalitycznym umieszczono drugi identyczny czujnik st enia tlenu zasilaj c go z uk adu elektronicznego zasilania pierwszego czujnika. Rysunek 1 przedstawia schemat uk adu badawczego. 169

4 S. Kruczy ski, D. Tomaszewski Rys. 1. Schemat uk adu badawczego reaktora katalitycznego: 1 reaktor katalityczny spalin, 2 sonda steruj ca, 3 sonda diagnostyczna, gdzie: u 1 napi cie generowane przez sond steruj c, u 2 napi cie generowane przez sond diagnostyczn, t czas. Fig. 1. Scheme of TWC examination work bench: 1- three-way catalytic converter, 2 - monitor oxygen sensor, 3 - diagnostic oxygen sensor, where: u 1 voltage generated by monitor oxygen sensor, u 2 voltage generated by diagnostic oxygen sensor, t time. 5. Opis bada Badania sygna ów z czujników st e tlenu oraz pomiary st e toksycznych sk adników spalin przed i za reaktorem katalitycznym przy ró nej jego aktywno ci wykonano: - na hamowni silnikowej w 9 ustalonych punktach pracy silnika, odpowiadaj cym najcz ciej wyst puj cych podczas jego eksploatacji i równie wyst puj cym w warunkach wykonywania testu diagnostycznego OBD. Pr dko obrotowa silnika zawiera a si od n = 2 obr/min do n = 4 obr/min, a obci enie od M e = 3 Nm do M e = 6 Nm, co odpowiada o wzgl dnemu obj to ciowemu nat eniu przep ywu spalin SV w granicach od 22 h -1 do 5 h -1, - na hamowni podwoziowej, w nast puj cych próbach: UDC, EUDC oraz NEDC (UDC+EUDC) sk adaj cych si na cykl jezdny ECE R83. 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 mierz cych st enia tlenku w gla metod NDIR, w glowodorów metod FID oraz tlenków azotu metod CLD. Pomiarów st e tlenu dokonywano w sposób po redni przy pomocy czujników tlenu umieszczonych przed i za reaktorem katalitycznym. Rysunek 2 przedstawia wykresy sygna ów z czujników tlenu w najbardziej charakterystycznych stopniach aktywno ci reaktora. 17

5 Analysis of Three-Way Catalytic Converter Monitoring Methods Using Selected Amplitude Discriminants a).,8 u 1, u 2 [V],6 u1 u t [s] 1 b). u 1, u 2 [V],8,6 2 4 t [s] 6 8 u1 u2 1 c).,8 u 1, u 2 [V],6 u1 u t [s] 1 Rys. 2. Sygna y z czujników tlenu dla reaktora o poziomach aktywno ci : a). A = 1 %, b). A = 5 %, c). A = %. Fig. 2. Oxygen sensors signals for catalytic converter in different activity levels: a). A = 1%, b). A = 5%, c). A = %. 171

6 S. Kruczy ski, D. Tomaszewski Rysunek 3 przedstawia korelacj otrzymanych wyników konwersji sk adników toksycznych w reaktorze badawczym w ustalonych warunkach pracy silnika oraz w nieustalonych warunkach przy pracy na hamowni podwoziowej w cyklu NEDC. 1,,9 k HC,st, k CO,st, k NOx,st,8,7,6,5 HC CO NOx,5,6,7,8,9 1, k HC,NEDC, k CO,NEDC, k NOx,NEDC Rys. 3. Korelacja konwersji sk adników toksycznych HC, CO i NOx w warunkach ustalonych pracy silnika oraz te cie jezdnym NEDC Fig. 3. Correlation of HC, CO, NOx conversion in fixed work bench and NEDC driving cycle conditions 6. Definicja wska nika monitorowania reaktora katalitycznego Dla potrzeb oceny monitorowania pracy trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego zastosowano wska nik monitorowania I HEGO [3] uzyskany za pomoc obliczenia funkcji interkorelacji i wybranych dyskryminant amplitudowych sygna ów z czujników tlenu. Metoda wykorzystuj ca obliczenia funkcji interkorelacji Oznaczaj c sygna y napi ciowe z czujników st enia tlenu przed reaktorem jako u 1 (t) i u 2 (t) obliczono funkcj korelacji wzajemnej R u1u2 sygna ów z czujników tlenu: gdzie: 1 T 1 u (t) lim u1(t) u2(t )dt, (12) T R u 2 u 1 (t) sygna generowany przez czujnik tlenu znajduj cy si przed reaktorem katalitycznym, u 2 (t) sygna generowany przez czujnik tlenu znajduj cy si za reaktorem katalitycznym, T czas pomiaru sygna ów. 172

7 Analysis of Three-Way Catalytic Converter Monitoring Methods Using Selected Amplitude Discriminants Rysunek 4 a, 4 b i 4 c przedstawia funkcje korelacji wzajemnej sygna ów w trzech charakterystycznych poziomach aktywno ci reaktora katalitycznego przedstawionych uprzednio na rysunku 2 a, 2b i 2c. a).,3 R u1u2,1 b) t [s],5 R u1u2,3, t [s] c). R u1u2,3, t [s] Rys. 4. Funkcja interkorelacji R u 1 u 2 dla reaktora o poziomach aktywno ci: a). A= 1 %, b). A = 5 %, c). A = %. Fig. 4. Cross-correlation function R for converter about following activities: u 1 u 2 a). A = 1 %, b). A = 5 %, c). A = %. 173

8 S. Kruczy ski, D. Tomaszewski W celu okre lenia przydatno ci diagnostycznej funkcji korelacji wzajemnej (interkorelacji) zdefiniowano wska nik monitorowania reaktora I : HEGO,Ru 1 u 2 gdzie: R R u1u 2,1sr u 1 u 2,sr I R R u1u 2,sr, (13) u1u 2,1sr HEGO,Ru1u 2 R u1u 2,sr warto rednia funkcji interkorelacji dla reaktora o aktywno ci A=1%, warto rednia funkcji interkorelacji dla reaktora o znanym poziomie aktywno ci A. Metoda wykorzystuj ca obliczenia wybranych dyskryminant amplitudowych Metody amplitudowe mog wykazywa pewn przydatno do potrzeb monitorowania TWC [4] i w dalszej analizie skupiono si na metodach charakteryzuj cych si najwi ksz czu o ci na zmian poziomu aktywno ci. Wybrano nast puj ce dyskryminanty amplitudowe: a). wspó czynnik impulsowo ci - I: b). kurtoza - R: u max2 I, (14) u R 1 T sr2 T 4 u 2 (t)dt, (15) T u 2 (t)dt T gdzie: u max2 warto skuteczna sygna u z czujnika za reaktorem, u sr2 - warto rednia sygna u z czujnika za reaktorem. W celu okre lenia przydatno ci diagnostycznej dyskryminant amplitudowych zdefiniowano wska niki monitorowania reaktora katalitycznego: I HEGO,I = I 1, (16) I HEGO,R = R 1, (17) gdzie: I HEGO,I wska nik monitorowania oparty na obliczeniach wspó czynnika impulsowo ci sygna u, I HEGO,R wska nik monitorowania oparty na obliczeniach kurtozy. 6. Analiza porównawcza zaproponowanych metod Na rysunku 5 przedstawiono porównanie wska ników monitorowania reaktora katalitycznego. Wska nik monitorowania opracowany na podstawie funkcji interkorelacji I HEGO,Ru 1 u charakteryzuje si du liniowo ci umo liwiaj c ocen stanu rektora w ca ym zakresie jego zu ywania. Me- 2 tody oparte na dyskryminantach amplitudowych uniemo liwiaj ocen stanu w zakresie do 25 % zu ycia reaktora, ale niektóre z nich charakteryzuj si wi ksz czu o ci (I HEGO,I ) przy zu yciu reaktora powy ej 25 %. 174

9 Analysis of Three-Way Catalytic Converter Monitoring Methods Using Selected Amplitude Discriminants Przepisy diagnostyki pok adowej wymagaj zastosowania uk adu monitorowania pracy reaktora katalitycznego i sygnalizacji wzrostu emisji HC o.4 g/km (w warunkach testu NEDC) na wska niku wietlnym MIL. Rysunek 6 przedstawia zale no emisji HC w cyklu NEDC wraz z wyznaczonymi warto ciami aktywacji lampki MIL od wska ników monitorowania: I HEGO,I, I HEGO,R, I wyznaczonych w ustalonych warunkach pracy silnika spalinowego. Wska nik I HEGO,I osi ga najwi ksz war- HEGO,Ru 1 u 2 to dla wymaganego progu sygnalizacji wzrostu emisji HC, a zatem jest bardziej czu y ni wska niki I HEGO,R i. I HEGO,Ru 1 u 2 1 I HEGO,R, I HEGO,I, I HEGO,Ru1u2,8,6 I HEGO,Ru1u2 I HEGO,I I HEGO,R A [%] Rys. 5. Zale no wska ników monitorowania I HEGO,I, I HEGO,R, I HEGO,Ru 1 u 2 w funkcji aktywno ci reaktora A Fig. 5. Monitoring indexes I HEGO,I, I HEGO,R, versus converter activity A I HEGO,Ru 1 u 2 175

10 S. Kruczy ski, D. Tomaszewski,8,7 HC [g/km],6,5,3 IHEGO,I IHEGO,R IHEGO,Ru1u2,1 I HEGO aktywacji wska nika MIL,,6,8 1, I HEGO,I, I HEGO,R, I HEGO,Ru1u2 Rys. 6. Emisja HC w funkcji wska ników monitorowania: I HEGO,I, I HEGO,R i w te cie jezdnym NEDC. Fig. 6. Emission of HC versus monitoring index I HEGO,I, I HEGO,R and in NEDC driving cycle. I HEGO,Ru 1 u 2 I HEGO,Ru 1 u 2 8. Wnioski - Mo liwe jest monitorowanie konwersji substancji szkodliwych w reaktorze katalitycznym w europejskim cyklu jezdnym NEDC na podstawie oblicze warto ci I HEGO w ustalonych warunkach pracy silnika. - Metoda wykorzystuj ca obliczenia korelacji wzajemnej sygna ów z czujników oraz metody wykorzystuj ce obliczenia wybranych dyskryminant amplitudowych wykazuj przydatno w monitorowaniu TWC. - Metody wykorzystuj ce obliczenia wybranych dyskryminant amplitudowych cechuj si wi kszym zakresem zamian wspó czynnika monitorowania I HEGO w zale no ci od zmiany aktywno ci, ale s nieczu e w zakresie od 1 do 75% aktywno ci. - Metoda oparta na obliczeniu funkcji korelacji wzajemnej (interkorelacji) cechuje si du liniowo ci i umo liwia monitorowanie reaktora w pe nym zakresie zmian jego aktywno ci. 176

11 Analysis of Three-Way Catalytic Converter Monitoring Methods Using Selected Amplitude Discriminants Zakres zmian warto ci wspó czynnika monitorowania I w tej metodzie jest mniejszy HEGO,Ru 1 u 2 ni zakres zmian wspó czynnika I HEGO,I. - Wynikaj ce z przepisów OBD, osi gni cie progu sygnalizacji lampk MIL (przyrost emisji HC w te cie NEDC o g/km) odpowiada zmianie warto ci I HEGO,R i I z, do HEGO,Ru 1 u 2 warto ci,35, a w metodzie opartej na obliczeniach wspó czynnika impulsowo ci - zmianie warto ci I HEGO,I z,7 do,58. Literatura [1] Merkisz, J., Mazurek, St.: Pok adowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych, WKi, 22. [2] Kruczy ski, S.W.: Trójfunkcyjne reaktory katalityczne, Instytut Technologii Eksploatacji, Radom, 24. [3] Ambrozik, A., Kruczy ski, S.W.: Diagnostyka i monitoring trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych spalin, XXVII Ogólnopolskie Sympozjum DIAGNOSTYKA MASZYN, W gierska Górka 2. [4] Kruczy ski, S.W., Tomaszewski, D.: Zastosowanie dyskryminant amplitudowych w diagnostyce trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego spalin, Konferencja KONES, Polanica Zdrój, wrzesie