RESEARCH OF OXYGEN SENSOR SIGNALS IN THREE WAY CATALITIC CONVERTER FOR OBD II NEEDS

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 22 No. 3 4 ISSN RESEARCH OF OXYGEN SENSOR SIGNALS IN THREE WAY CATALITIC CONVERTER FOR OBD II NEEDS Andrzej Ambrozik, Stanisław W. Kruczyński, Jacek Łączyński, Dariusz Tomaszewski Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej Warszawa, ul. Narbutta 84 tel. (-22) skruczyn@simr.pw.edu.pl Abstract 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 choose 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. BADANIA SYGNAŁÓW Z SOND LAMBDA W TRÓJFUNKCYJNYM REAKTORZE KATALITYCZNYM NA POTRZEBY OBD II Streszczenie W pracy oceniono możliwości diagnozowania trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych za pomocą sygnałów z czujników tlenu w ustalonych warunkach pracy silnika. Zaproponowano metodę symulacji procesu dezaktywacji polegającą na wymianie wkładów aktywnych reaktora na wkłady nieaktywne. Do potrzeb diagnostyki trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego wybrano symptom diagnostyczny spowodowany zmianą stężenia tlenu i zjawiskiem spadku powierzchni jego magazynowania. Na podstawie uzyskanych wyników określono przydatność sygnałów wykorzystywanych do diagnozy reaktora katalitycznego ze względu na emisję składników toksycznych spalin.. Wstęp Reaktor katalityczny spalin ze względu na swoją wysoką sprawność oczyszczania spalin pełni kluczową rolę w ograniczaniu emisji szkodliwych dla środowiska składników z silników o zapłonie iskrowym. Urządzenie to zapewnia wysoką sprawność konwersji w spalinach powstałych ze spalenia mieszanki stechiometrycznej. Mieszanka ta uzyskana jest poprzez regulację jej składu w pętli zamkniętej za pomocą czujnika tlenu o charakterystyce przełącznikowej. Rysunek przedstawia konwersję szkodliwych składników spalin wraz z charakterystyką czujnika tlenu w zależności od współczynnika nadmiaru powietrza. Metody diagnozowania trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych na potrzeby OBD II można podzielić na trzy podstawowe grupy oparte o następujące pomiary []: - temperatur (detekcja ilości wydzielonego ciepła), - stężeń tlenu (detekcja ubytku tlenu i utrata przestrzeni jego magazynowania), - stężeń wybranych składników spalin (bezpośrednia detekcja sprawności pracy reaktora). Obecnie na potrzeby diagnostyki pokładowej rozwijane są dwie pierwsze metody lub ich kombinacje. Zastosowanie metody bezpośredniej opartej o pomiary stężeń składników spalin 5

2 ograniczane jest brakiem trwałych i niezawodnych detektorów możliwych do zastosowania w eksploatowanych pojazdach [2]. Sprawność pracy trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego spalin oceniana jest na podstawie wartości stopnia konwersji tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu. Ze zjawiskami konwersji związane są procesy zmiany stężeń tlenu: - zjawisko zmiany stężenia tlenu na skutek reakcji utleniania CO, HC i H 2 i redukcji NO X, - zjawisko magazynowania/ uwalniania tlenu w materiale nośnika (tlenki ceru). Monitorując zmiany stężenia tlenu w reaktorze katalitycznym możemy wnioskować pośrednio o intensywności konwersji katalitycznej szkodliwych składników spalin. W ustalonych warunkach pracy silnika sygnały z czujników tlenu umieszczonych przed i za reaktorem katalitycznym, będą się różniły wartością średnią i amplitudą wskutek wyżej wymienionych zjawisk (rys. 3). Zdezaktywowany reaktor katalityczny spowoduje, że sygnały sondy λ przed i za reaktorem będą prawie identyczne z możliwym przesunięciem względem siebie o czas przepływu spalin przez reaktor (rys. 4). Celem pracy jest ocena możliwości diagnozowania trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego spalin w oparciu o pomiary stężeń tlenu w spalinach przed i za reaktorem występujących przy ustalonych warunkach pracy badanego silnika spalinowego. 2. Stanowisko badawcze Badania eksperymentalne wykonano na stanowisku badawczym z silnikiem Rover.4 wyposażonym we wtryskowy układ zasilania z korekcją składu mieszanki za pomocą czujnika tlenu. W układzie wylotowym silnika zastosowano trójfunkcyjny reaktor katalityczny Pt- Rh/Al 2 O 3 -CeO 2 o objętości monolitu dobranej do pojemności skokowej silnika. Badany reaktor katalityczny posiadał blok wykonany w postaci monolitu metalowego pokrytego nośnikiem γ- Al 2 O 3 -CeO 2 z naniesionymi na nim krystalitami platyny i rodu w proporcji 5: i ilości 2. g/dm 3 monolitu. Określenia stężenia tlenu za reaktorem dokonywano z wykorzystaniem czujnika tlenu o charakterystyce identycznej jak czujnik sterujący. Reaktor katalityczny w celu symulacji procesu dezaktywacji pocięto na osiem segmentów o jednakowej długości. Symulacji dezaktywacji reaktora katalitycznego dokonywano poprzez wymianę segmentów aktywnych z przedniej części reaktora na segmenty nieaktywne. W ten sposób uzyskano różne poziomy aktywności reaktora A począwszy od aktywności A = % aż do aktywności A = % z krokiem równym 2.5 %. Aktywność reaktora katalitycznego określono jako stosunek objętości segmentów aktywnych V a do objętości całego katalizatora V k. V a A = () Vk 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 mierzących stężenia tlenku węgla metodą NDIR, węglowodorów metodą FID oraz tlenków azotu metodą CLD. Pomiarów stężeń tlenu dokonywano za pomocą czujników tlenu umieszczonych przed i za reaktorem katalitycznym. Generowane sygnały napięciowe próbkowane były z częstotliwością Hz, a następnie filtrowane za pomocą filtra dolnoprzepustowego o częstotliwości granicznej 5 Hz. Schemat reaktora i miejsca umieszczenia czujników tlenu w katalizatorze przedstawiono na rysunku Wyniki badań Badania sygnałów diagnostycznych oraz pomiary konwersji składników spalin w reaktorze katalitycznym przy różnej jego aktywności wykonano przy prędkości obrotowej n = 2 i 3 obr/min i trzech różnych obciążeniach silnika M e = 36, 46, 56 Nm. Względne objętościowe 6

3 natężenie przepływu spalin SV zawierało się w granicach od 22 h - do 5 h -. Badania przeprowadzono przy stałej temperaturze otoczenia. Definicje sygnałów diagnostycznych:. W pierwszej metodzie sygnał diagnostyczny zdefiniowano jako iloraz wartości średnich sygnałów napięciowych generowanych przez odpowiednie sondy: U [V],8,6,4 a) U O2 2,5 2,5 O 2 [%],2,5,85,9,95,5,,5 λ kco, khc, kno x [%] k CO, k HC, k NOx [%] b) kco khc knox zakres regulacji,85,9,95,5,,5 λ Rys.. a charakterystyka czujnika tlenu, b konwersja substancji szkodliwych w zależności od współczynnika nadmiaru powietrza. wlot spalin CO + ½ O 2 CO 2 CH y + (+y/4) O 2 CO 2 + y/2 H 2 O 2 H 2 + O 2 2 H 2 O wylot spalin Ce 2 O 3 + O 2 CeO U U U 2 U 2 t t Rys. 2. Schemat układu badawczego reaktora katalitycznego spalin przygotowanego do badań diagnostycznych: reaktor katalityczny spalin, 2 sonda sterująca, 3 sonda diagnostyczna. 7

4 a),8,6 U, U 2 [V],4, t [s] U U2 b),5,4 G, G 2,3,2, f [Hz] c),8,6 U, U 2 [V],4, t [s] U U2 Rys. 3. Przykładowe sygnały z czujników tlenu przy prędkości obrotowej n = 2 obr/min, i prędkości przepływu spalin SV = 22 h - dla reaktora o % aktywności: a sygnały w dziedzinie czasu, b sygnały w dziedzinie częstotliwości po przekształceniu FFT, c sygnały po odfiltrowaniu częstotliwości f > 3 Hz w dziedzinie czasu 8

5 a),8,6 U, U 2 [V],4,2 2 4 t [s] 6 8 U U2 b),5,4 G, G 2,3,2, f [Hz] c),8,6 U, U 2 [V],4, t [s] U U2 Rys. 4. Przykładowe sygnały z czujników tlenu przy prędkości obrotowej n = 2 obr/min, i prędkości przepływu spalin SV = 22 h - dla reaktora o % aktywności: a sygnały w dziedzinie czasu, b sygnały w dziedzinie częstotliwości po przekształceniu FFT, c sygnały po odfiltrowaniu częstotliwości f > 3 Hz w dziedzinie czasu 9

6 U 2sr I Usr = (2) Usr 2. W drugim przypadku sygnał diagnostyczny zdefiniowano jako iloraz zakresów wartości sygnałów napięciowych generowanych przez odpowiednie sondy: I ΔU = U = U 2 2max 2min Δ U (3) ΔU Umax Umin Na rysunku 5 przedstawiono wyniki pomiarów sygnałów diagnostycznych w funkcji aktywności reaktora. Na rysunku 6 przedstawiono zależność sygnałów diagnostycznych od konwersji tlenku węgla k CO, węglowodorów k HC oraz tlenków azotu k NOx. a). b).,,8,8 I Usr,6,4 I ΔU,6,4,2,2, A [%] A [%] Rys. 5. Wykresy sygnałów diagnostycznych definiowanych jako: a) iloraz średnich wartości sygnałów z czujników (2); b) iloraz zakresów wartości sygnałów generowanych przez czujniki (3) Analiza wyników badań zależności konwersji poszczególnych substancji szkodliwych od aktywności reaktora, oraz zależności sygnału diagnostycznego od konwersji CO, HC i NO X prowadzi do następujących wniosków. 4. Wnioski: - Badania eksperymentalne sygnałów diagnostycznych na potrzeby OBD II w ustalonych warunkach pracy silnika oraz w warunkach pracy pojazdu ECE R83 powinny być prowadzone przy symulacji dezaktywacji reaktora gwarantującej uzyskanie niskich sprawności konwersji składników szkodliwych spalin. - Obydwie przedstawione metody określania sygnału diagnostycznego I Uśr i I ΔU nie spełniają warunków poprawności diagnozy reaktora, choć metoda oparta na sygnale diagnostycznym I ΔU wykazuje pewną jednoznaczną zależność. - Znacznym ograniczeniem wykorzystania metod jest przełącznikowa charakterystyka czujnika tlenu, która powoduje niejednoznaczność określenia informacji w spalinach o składzie bliskim stechiometrycznemu.

7 a) d),,8.8,6.6 IUsr,4 I U.4,2.2, k CO [%] k CO [%] b) e),,8,8 I Usr,6,4,2 I ΔU,6,4,2, k HC [%] c) f) k HC [%]..8,8 I Usr.6.4 I ΔU,6,4.2, k NOx [%] k NOx [%] Rys. 6. Zależność sygnału diagnostycznego od konwersji składników toksycznych dla definiowanych sygnałów jako: a c) iloraz wartości średnich sygnałów z czujników (2); d f) iloraz zakresów wartości sygnałów generowanych przez czujniki (3)

8 - Konieczne jest poszukiwanie innych metod definicji sygnału diagnostycznego lepiej odzwierciedlających spadek konwersji substancji szkodliwych w reaktorze katalitycznym. 5. Literatura [] Ambrozik A., Kruczyński S.W.: Diagnostyka i monitoring trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych spalin. XXVII Ogólnopolskie Sympozjum DIAGNOSTYKA MASZYN, Węgierska Górka, luty 2. [2] Kruczyński S.W., Łączyński J., Tomaszewski D.: Ocena sygnałów diagnostycznych z czujników tlenu podczas symulowanej dezaktywacji trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego spalin. XXIX Ogólnopolskie Sympozjum DIAGNOSTYKA MASZYN, Węgierska Górka, marzec 22. 2