Persistent Memory Effects and the Mid- and Post-Brick Dynamic Behaviour of Three-Way Automotive Catalysts

Effets mémoires persistants et comportement dynamique des briques médiane et postérieure de catalyseurs automobiles à trois voies

Center for Nonlinear Dynamics & Control, Villanova University, Villanova PA 19085 - USA
e-mail: james.peyton-jones@villanova.edu - robert.schallock@gmail.com

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Abstract

This paper presents the results of an experimental study into the dynamic behaviour of a three-way automotive catalyst and its associated exhaust gas oxygen sensors. Motivated by issues of feedback sensor location, the study seeks to overlay the results of repeat experiments, with sensors and fast-response gas analyzers positioned at different locations, in order to obtain a detailed picture of system dynamics at different points within the catalyst. Initial results demonstrated that the dynamic response of the catalyst can be significantly affected by a persistent memory effect in addition to reversible deactivation dynamics and the familiar oxygen storage/release dynamics of the system. In particular, the effects of prior rich or stoichiometric operation are shown to persist even after extended periods of lean operation. This memory effect is important, not only because of its potential impact on conversion efficiency, but also because of its impact on the repeatability of experiments carried out under what would appear to be near-identical operating conditions. By pre-conditioning under rich conditions highly repeatable experiments were achieved. The results were combined to give a detailed picture of catalyst dynamics at pre-, mid- and post-catalyst locations, and provide insight into catalyst and (non-ideal) exhaust gas oxygen sensor behavior.

Résumé

Cet article présente les résultats d’une étude expérimentale en matière de comportement dynamique d’un catalyseur automobile à trois voies et de ses capteurs d’oxygène de gaz d’échappement associés. Motivée par les problèmes de localisation des capteurs de retour d’information, l’étude cherche à corréler les résultats d’expériences répétées, capteurs et analyseurs de gaz à réponse rapide étant disposés en des emplacements différents afin d’obtenir une image détaillée des dynamiques de système en différents points à l’intérieur du catalyseur. Les résultats initiaux ont démontré que la réponse dynamique du catalyseur peut être significativement affectée par un effet mémoire persistant en plus des dynamiques de désactivation réversibles et des dynamiques de stockage/libération d’oxygène familières du système. En particulier, les effets d’un fonctionnement préalable riche ou stœchiométrique s’avèrent persister y compris après des périodes prolongées de fonctionnement pauvre. Cet effet mémoire est important, non seulement du fait de son influence potentielle sur l’efficacité de conversion, mais aussi du fait de son influence sur la répétabilité d’expériences exécutées dans des conditions de fonctionnement qui apparaîtraient comme étant proches de l’identique. Par un pré-conditionnement dans des conditions riches, des expériences hautement répétables ont été obtenues. Les résultats ont été combinés pour offrir une image détaillée des dynamiques de catalyseurs à des emplacements amont, médian et aval par rapport aux catalyseurs, et fournir un aperçu en matière de comportement de catalyseurs et de capteurs d’oxygène de gaz d’échappement (non idéal).