Journal of KONES Powerrain and Transpor, Vol.14, No. 3 27 ACTIVE METOD OF THREE WAY CATALYST MONITORING BY USE OF WIDEBAND COMBUSTION MIXTURE COMPOSITION SENSOR Sanis aw Kruczy ski, Dariusz Tomaszewski, Wojciech Kamela Technical Universiy of Warsaw, Insiue of Vehicles Narbua 84, 2-524 Warszawa, Poland el.+48 22 668782, fax: +48 22 84933 e-mail: skruczyn@simr.pw.edu.pl Absrac In his paper he acive mehod of hree way caalys monioring by use of wideband combusion mixure composiion sensor was described. This mehod relays on hree way caalys aciviy decrease by deerminaion of i oxygen capaciy decrease monioring. Deerminaion of caalys oxygen capaciy decrease was done by comparison of signals from wideband and binary combusion mixure composiion sensors. These sensors were mouned before and afer invesigaed caalys. In his paper was described he es bench in which modified caalys was used. The caalys was modified o simulae i aciviy decrease. Paper conains he invesigaion procedure and also saic and dynamic characerisics of wideband combusion mixure composiion sensor. A hand of received resuls he characerisic of binary combusion mixure composiion sensor reacion ime on combusion mixure change in funcion of reacor aciviy was deerminae. From received resuls he index of reacor oxygen capaciy decrease was also deerminae. Received resuls showed also ha his mehod can be used for precise conrolling of hree way caalyss aciviy for on board diagnosic sysems purposes. Addiionally his mehod allows concluding on oxic gases emission in NEDC ess a seady sae engine work cycle. Keywords: combusion engines, combusion mixure composiion sensors, on board diagnosics, caalyic reacors, air polluion AKTYWNA METODA MONITOROWANIA PRACY TRÓJFUNKCYJNEGO REAKTORA KATALITYCZNEGO Z WYKORZYSTANIEM SZEROKOZAKRESOWEGO SENSORA SK ADU MIESZANKI PALNEJ Sreszczenie W pracy przedsawiona zosa a meoda akywnego moniorowania rójfunkcyjnego reakora kaaliycznego wykorzysuj ca sygna y z szerokopasmowego sensora sk adu mieszanki palnej. Polega ona na okre leniu spadku akywno ci reakora na podsawie moniorowania ubyku jego pojemno ci lenowej. Wyznaczenie spadku pojemno ci lenowej reakora odbywa o si na podsawie porównania sygna ów z szerokozakresowego i binarnego sensora sk adu mieszanki palnej, monowanych przed i za badanym reakorem kaaliycznym. W pracy przedsawione zosa o sanowisko badawcze, w kórym wykorzysano rójfunkcyjny reakor kaaliyczny z mo liwo ci symulowania uray jego akywno ci. Przedsawiona zosa a procedura bada oraz sayczna i dynamiczna charakerysyka szerokozakresowego sensora sk adu mieszanki palnej. Na podsawie uzyskanych wyników wyznaczono charakerysyk czasu reakcji sensora w skozakresowego na zmian sk adu mieszanki palnej w funkcji akywno ci reakora kaaliycznego oraz okre lono indeks uray pojemno ci magazynowania lenu reakora. Uzyskane wyniki pokaza y, e wykorzysanie omawianej meody pozwala na precyzyjn konrol sanu reakora kaaliycznego i mo e by wykorzysane w uk adach diagnosyki pok adowej pojazdów. Dodakowo przedsawiona meoda pozwala w do krókim czasie wynosz cym oko o 1 sekund wnioskowa o emisji subsancji szkodliwych w e cie NEDC, w usalonych sanach pracy silnika. S owa kluczowe: silniki spalinowe, sensory sk adu mieszanki palnej, diagnosyka pok adowa, reakory kaaliyczne, zanieczyszczenie rodowiska
S. Kruczy ski, D. Tomaszewski, W. Kamela 1.Ws p W celu uzyskania wysokiej konwersji CO, HC i NO X w rójfunkcyjnym reakorze kaaliycznym sk adniki bior ce udzia w reakcjach kaaliycznych powinny wys powa w sosunku sechiomerycznym ( = 1). Poniewa nie mo na osi gn wysarczaj cej dok adno ci sk adu worz cej si mieszanki poprzez wrysk odpowiedniej dawki paliwa, dososowanej do przep ywu powierza do komory spalania, dawk nale y korygowa w ujemnej p li jej serowania [1]. Serowanie akie nazywa si serowaniem sa owaro ciowym. Do ego celu u ywa si szerokozakresowych lub binarnych, sensorów sk adu mieszanki palnej, kóre w rzeczywiso ci s wysokoemperaurowymi elekrochemicznymi czujnikami mierz cymi równowagowe s enia lenu w spalinach, b d ce miar sk adu mieszanki paliwowo-powierznej. Uk ady serowania sa owaro ciowego s zbudowane ak, e sensory sk adu mieszanki palnej wykorzysywane s równie do moniorowania poprawno ci pracy rójfunkcyjnych reakorów kaaliycznych na porzeby diagnosyki pok adowej. Do chwili obecnej rozwin o si kilka meod diagnozowania pracy reakorów kaaliycznych z wykorzysaniem sensorów sk adu mieszanki palnej. Pierwsza z meod, sosowana w sarszych rozwi zaniach opiera si na wykorzysaniu sygna ów z dwóch sensorów binarnych. Pierwszy z nich monowany jes przed reakorami kaaliycznymi, drugi naomias umiejscowiony jes za reakorem g ównym. Monioring poprawno ci pracy g ównego reakora kaaliycznego odbywa si na podsawie okre lenia sopnia ubyku pojemno ci magazynowania lenu w moniorowanym reakorze kaaliycznym. Sopie ubyku pojemno ci lenowej okre lony mo e by poprzez porównanie sygna ów generowanych z obu czujników sk adu mieszanki palnej. Druga z meod serowania prac silnika i moniorowania pracy reakorów kaaliycznych wykorzysuje sygna y z sensora szerokozakresowego i dwóch sensorów binarnych. Meoda a sosowana jes w nowoczesnych sysemach serowania i moniorowania wykorzysywanych w pojazdach spe niaj cych w Europie wymagania Euro 4 i Euro 5 oraz w USA wymagania SULEV (Super Ulra Low Emission Vehicle) [5]. Schema akiego uk adu dla silnika czerocylindrowego przedsawiono na rysunku 1. Pierwszy szerokozakresowy sensor (A) umieszczony jes przed reakorami kaaliycznymi, drugi binarny sensor (B) usyuowany jes pomi dzy reakorem ws pnym i zasadniczym, a rzeci równie sensor binarny (C) umieszczony jes za reakorem zasadniczym. Funkcja binarna sensora szerokozakresowego umieszczonego przed reakorami wykorzysana jes w ujemnej p li serowania do korekcji sk adu mieszanki na waro = 1 oraz dodakowo, ak jak w poprzednim uk adzie serowania korygowana jes ona przez drugi sensor binarny umieszczony pomi dzy reakorem ws pnym i zasadniczym. W niekórych rozwi zaniach [6] sosuje si równie korekcj sk adu mieszanki (podwójna kaskada) dodakowo rzecim sensorem (C). Dodakowo sensor szerokozakresowy umo liwia regulowanie sk adu mieszanki paliwowo-powierznej do waro ci, innych ni sechiomeryczne. Wskuek ego mo liwe jes realizowanie: wzbogacanie mieszanki ( < 1) np. w celach diagnosycznych, zuba anie mieszanki ( > 1), np. w celu ograniczenia emisji podczas zimnego rozruchu silnika oraz w celach diagnosycznych, Sysem moniorowania uk adu reakorów kaaliycznych przedsawiony na rysunku poni ej opiera si na: biernym i ci g ym obserwowaniu i porównywaniu sygna ów z pierwszego (U Ab ) i drugiego sensora (U B ) w celu oceny sopnia ubyku pojemno ci magazynowania lenu w reakorze ws pnym i jes o uk ad analogiczny do wy ej opisanego, sumarycznej akywnej ocenie sopnia ubyku pojemno ci magazynowania lenu w reakorach ws pnym i zasadniczym polegaj cej na pomiarze magazynowania lenu bezpo rednio podczas zmiany mieszanki z bogaej na ubog. Pomiar zachodzi w saycznych warunkach pracy silnika w zakresie cz ciowego obci enia. Ocena a 226
Acive Meod of Three way Caalys Monioring by use of Wideband Combusion Mixure Composiion Sensor wymaga inerwencji w sysemie regulacji sk adu mieszanki w p li zamkni ej. W pierwszym eapie procesu moniorowania, podczas gdy silnik pracuje na bogaej mieszance ( <1 ), len zmagazynowany w warswie po redniej reakorów zosaje wykorzysany w reakcjach kaaliycznych i nas puje redukcja CeO 2 Ce 2 O 3. W nas pnym eapie, kiedy silnik pracuje na mieszance ubogiej ( >1 ), masa lenu poch anianego do momenu nape nienia reakorów (ulenianie Ce 2 O 3 CeO 2 ) obliczana jes na podsawie masowego na enia przep ywu powierza i waro ci sygna u sensora szerokozakresowego (U As ). Punk nape nienia reakora lenem wskazuje skok sygna u sensora binarnego (U C ) na waro odpowiadaj c mieszance ubogiej. Obliczona ca ka z masy przep ywaj cego lenu do momenu reakcji sensora C wskazuje zdolno magazynowania lenu. Liczba a musi przekracza waro odniesienia, w przeciwnym razie rejesrowana jes userka. reakor ws pny reakor zasadniczy silnik Rover K16 sensor szerokozakresowy sensor binarny sensor binarny wylo spalin A B C U Ab U B Liswa Common Rail U As U C 1 2 wlo powierza Przep ywomierz powierza U V V E U A Serownik silnika sygna y zewn rzne U B U C U V sygna y seruj ce wryskiwaczami V E wry ni a dawka paliwa Rys. 1. Schema serowania i moniorowania pracy reakorów kaaliycznych wykorzysuj cy szerokozakresowy i dwa binarne sensory sk adu mieszanki palnej Fig. 1. Scheme of engine seering and monioring of caalyss based on signals from wideband and wo binary combusion mixure composiion sensors 2. Sanowisko badawcze i procedura bada Celem pracy by o okre lenie mo liwo ci akywnego moniorowania rójfunkcyjnego reakora kaaliycznego za pomoc szerokozakresowego (A) i binarnego (B) sensora sk adu mieszanki palnej w uk adzie podobnym do przedsawionego na rysunku 1. W ym celu zbudowane zosa o sanowisko badawcze na hamowni silnikowej, kórego schema blokowy pokazano na rysunku 2. W jego sk ad wchodzi silnik o zap onie iskrowym Rover K16 o pojemno ci skokowej wynosz cej 227
S. Kruczy ski, D. Tomaszewski, W. Kamela 1,4dm 3, w kórego uk adzie wydechowym umieszczony zosa rójfunkcyjny reakor kaaliyczny z wymiennymi wk adami umo liwiaj cymi zmian jego akywno ci od do 1% z krokiem co 12,5%. Meoda akywnego moniorowania reakora polega na skokowej zmianie sk adu mieszanki palnej z bogaej na ubog, w rakcie, kórej obserwuje si czas odpowiedzi sensora binarnego za reakorem na zmian. Skok sk adu mieszanki palnej odbywa si w zakresie od =,9 do =1,1 i by konrolowany poprzez pomiar poziomu sygna u emiowanego na wyj ciu proporcjonalnym sensora szerokozakresowego umieszczonego przed badanym reakorem. Pomiary czasu reakcji sensorów na skokow zmian sk adu mieszanki palnej rejesrowane by y za pomoc kompuera wyposa onego w kar pomiarow. W rakcie pomiarów silnik pracowa z pr dko ci obroow równ 25 obr/min przy obci eniu wynosz cym M e =8 Nm. Obci enie realizowane by o za pomoc hamulca elekrowirowego po czonego wa em nap dowym z wa em silnika. wa nap dowy silnik Rover K16 seruj cy sensor binarny sygna do serownika silnika S sensor szerokozakresowy Hamulec elekrowirowy wlo powierza Liswa Common Rail reakor kaaliyczny z wymiennymi wk adami sygna od serownika silnika A Kompuer PC z kar pomiarow Zawór upusowy Pompa paliwowa Zbiornik paliwa B wylo spalin sensor binarny Rys. 2. Schema sanowiska badawczego Fig. 2. Scheme of es bench Uzyskane wyniki bada czasu reakcji sensora binarnego na skokow zamian mieszanki palnej zasilaj cej silnik przy ró nych poziomach akywno ci reakora pos u y y do wyznaczenia indeksu uray pojemno ci magazynowania lenu opisanego nas puj cym wzorem: I 1% x% OSC, (1) 1% gdzie: 1% - czas odpowiedzi sensora binarnego za reakorem kaaliycznym na skokow zmian sk adu mieszanki palnej przy 1% akywno ci reakora, x% - czas odpowiedzi sensora binarnego za reakorem kaaliycznym na skokow zmian sk adu mieszanki palnej przy wybranej akywno ci reakora W kolejnym eapie bada obliczone dla poszczególnych poziomów akywno ci reakora kaaliycznego waro ci indeksu uray pojemno ci magazynowania lenu przyrównane zosa y do bada poziomów emisji CO, HC i NO X w e cie NEDC pojazdu wyposa onego w silnik o pojemno ci skokowej wynosz cej ~1,4dm 3 z zamonowanym w uk adzie wydechowym reakorem kaaliycznym z wymiennymi wk adami. 228
Acive Meod of Three way Caalys Monioring by use of Wideband Combusion Mixure Composiion Sensor 3. Wyniki pomiarów Na rysunkach 3 i 4 przedsawione zosa y charakerysyki odpowiednio sayczna i dynamiczna sensora szerokopasmowego. W odniesieniu do charakerysyki dynamicznej wspomnie nale y, e sensor szerokopasmowy generuje zarówno sygna proporcjonalny jak i binarny. Wyznaczenie charakerysyki dynamicznej mia o na celu okre lenie ró nic w szybko ci reakcji poszczególnych sygna ów na skokow zmian mieszanki palnej. Doda nale y, e w przypadku sygna u proporcjonalnego czas odpowiedzi liczony by jako czas uzyskania przez sensor 95% sabilnej waro ci sygna u po zmianie sk adu mieszanki naomias w przypadku sygna u binarnego brany by pod uwag czas prze czenia pomi dzy sanem wysokim a niskim. 3,3 3,1 2,9 sygna proporcjonalny sensora szerokozakresowego Napi cie sensora [V] 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9 1,7 1,5,8,85,9,95 1 1,5 1,1 1,15 1,2 Rys. 3. Charakerysyka sayczna sensora szerokozakresowego Fig. 3. Saic characerisic of wideband sensor 1,2 3 Napi cie oru binarnego [V] 1,8,6,4,2 T 95% =.24s T,9-1,1 =.8s 2,8 2,6 2,4 2,2 2 Napi cie na orze proporcjonalnym [V] 1,8,1,2,3,4,5,6 Czas [s] sygna binarny - sensor szerokozakresowy sygna proporcjonalny - sensor szerokozakresowy Rys. 4. Porównanie dynamiki sygna u proporcjonalnego i binarnego sensora szerokozakresowego Fig. 4. Comparison of wideband sensor proporional and binary signals dynamics 229
S. Kruczy ski, D. Tomaszewski, W. Kamela Na rysunku 5 przedsawione zosa y zmiany czasu odpowiedzi sensora binarnego umieszczonego za reakorem kaaliycznym na skokow zmian sk adu mieszanki palnej z bogaej na ubog dla kilku wybranych poziomów akywno ci reakora (, 12.5, 5 oraz 1%). 3 Napi cie sensora szerokozakresowego i binarnego [V] 2,5 2 1,5 1,5 Sensor szerokozakresowy przed reakorem Sensor binarny za reakorem -% akywno ci Sensor binarny za reakorem - 12,5% akywno ci Sensor binarny za reakorem - 5% akywno ci Sensor binarny za reakorem - 1% akywno ci,4,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 % 12,5% Czas [s] 5% 1% Rys. 5. Zmiany czasu odpowiedzi sensora binarnego za reakorem kaaliycznym na skokow zmian sk adu mieszanki palnej z bogaej na ubog przy ró nych poziomach akywno ci reakora Fig. 5. Differences in answer ime of binary sensor mouned afer caalys for sudden change of combusion mixure change from rich o lean for differen caalys aciviy W kolejnym eapie badano zmodyfikowany reakor kaaliyczny z mo liwo ci zmiany jego poziomu akywno ci w e cie NEDC. Prowadzono rejesracj emisji CO, HC i NO X przy kolejnych poziomach akywno ci reakora. Zarejesrowane poziomy s e zwi zków szkodliwych przedsawione zosa y na rysunku 6. 4,8 Emisja CO [g/km] 3 2 1 Emisja CO Emisja HC Emisja NOx,6,4,2 Emisja HC i NO X [g/km] 2 4 6 8 1 Akywno reakora kaaliycznego [%] Rys. 6. Zmiana emisji CO, HC i NOX w e cie NEDC dla ró nych poziomów akywno ci reakora kaaliycznego Fig. 6. Changes in CO, HC and NO X emission a he NEDC es for differen caalys aciviy 23
Acive Meod of Three way Caalys Monioring by use of Wideband Combusion Mixure Composiion Sensor Na podsawie wyników pomiarów emisji zwi zków oksycznych zaprezenowanych na rysunku 6 dokonano oblicze poziomów konwersji CO, HC oraz NO X w e cie NEDC dla poszczególnych poziomów akywno ci reakora. W nas pnym kroku kolejnym poziomom akywno ci reakora przyporz dkowano obliczone wcze niej ze wzoru 1 waro ci indeksu uray pojemno ci magazynowania lenu. Orzymane wyniki zarówno konwersji, jaki i poziomów emisji zwi zków oksycznych w e cie NEDC, w funkcji zaproponowanego indeksu zaprezenowane zosa y odpowiednio na rysunku 7 i 8. 1 8 Konwersja CO, HC, NO X [%] 6 4 2 Konwersja CO Konwersja HC Konwersja NOx,1,2,3,4,5,6,7,8 Indeks I OS Rys. 7. Zmiana konwersji CO, HC i NO X w e cie NEDC w funkcji indeksu uray pojemno ci magazynowania lenu Fig. 7. CO, HC and NO X conversion changes a NEDC es in funcion of reacor oxygen capaciy decrease index 4,8 Emisja CO Emisja CO [g/km] 3,5 3 2,5 2 1,5 Poziom emisji HC dopuszczany przez OBD dla pojazdów samochodowych Emisja HC Emisja NOx,7,6,5,4,3 Emisja HC i NO X [g/km] 1,2,5 Poziom Euro III,1 emisji HC=,2 g/km,1,2,3,4,5,6,7 zmiana indeksu I OS =,32 Indeks I OS Rys. 8. Zale no ci emisji CO, HC i NO X w e cie NEDC od indeksu uray pojemno ci magazynowania lenu Fig. 8. CO, HC, and NO X emission a NEDC es in funcion of reacor oxygen capaciy decrease index 231
S. Kruczy ski, D. Tomaszewski, W. Kamela 4. Wnioski Badania na sanowisku hamownianym wyposa onym w szerokozakresowy sensor sk adu mieszanki palnej pozwoli y wyci gn nas puj ce wnioski: wykazano, e za pomoc sensora szerokozakresowego mo na bardzo precyzyjnie okre li sk ad mieszanki palnej zasilaj cej silnik, wyznaczone charakerysyki dynamiczne sygna ów proporcjonalnego i binarnego sensora szerokozakresowego wykaza y, e or binarny sensora charakeryzuje si znacznie wi ksza dynamik prze czania mi dzy sanami odpowiadaj cymi mieszankom bogaa/uboga, wyznaczony indeks uray pojemno ci magazynowania lenu w reakorze zmienia si w dosy du ym zakresie, jednak zale no poziomu konwersji zwi zków oksycznych w funkcji zaproponowanego indeksu jes zale no ci nieliniow szczególnie jes o widoczne dla niskich poziomów akywno ci reakora kaaliycznego, mo liwe jes moniorowanie konwersji subsancji szkodliwych w reakorze kaaliycznym w europejskim cyklu jezdnym NEDC na podsawie oblicze waro ci indeksu uray pojemno ci magazynowania lenu w usalonych warunkach pracy silnika, wynikaj ce z przepisów OBD, dla samochodów spe niaj cych wymagania Euro III osi gni cie progu sygnalizacji lampk MIL (waro emisji drogowej HC w e cie NEDC równa,4 g/km) odpowiada zmianie waro ci I OSC z waro,9 do waro ci,41, wzros emisji drogowej HC do poziomu,4 g/km powoduje jednoczesny wzros emisji drogowych CO i NO X odpowiednio do poziomu 1,23 g/km i,14 g/km, o jes do waro ci nie przekraczaj cych wymaga Euro III. Lieraura [1] Kruczy ski, S., Trójfunkcyjne reakory kaaliyczne. Wydawnicwo ITE-PIB, Warszawa, Radom, 25. [2] Ambrozik, A., Kruczy ski, S., czy ski, J., Tomaszewski D., Pomiary s e lenu w diagnozowaniu pok adowym rójfunkcyjnego reakora kaaliycznego spali, Diagnosyka, Vol. 27, Olszyn, 22. [3] Kruczy ski, S., Tomaszewski, D., l zak, M., Applicaion of Ampliude Discriminans in Diagnosis of Three-Way Caaliic Converer, Journal of KONES, Vol. 12, 3-4, 25. [4] Kruczy ski, S., Tomaszewski, D., Analiza meod moniorowania pracy rójfunkcyjnego reakora kaaliycznego wykorzysuj cych dyskryminany ampliudowe i funkcj inerkorelacji, Diagnosyka Nr 4(4)/26. [5] Zhao, F., Technologies for Near-Zero-Emission Gasoline-Powered Vehicles. SAE Inernaional, Warrendale, Pa. 26. [6] Gasoline Engine Managemen, Rober Bosch GmbH. John Wiley Ld. England 26. 232