BRPI0622194A2

BRPI0622194A2 - aparelho egr para motor de combustço interna

Info

Publication number: BRPI0622194A2
Application number: BRPI0622194-7A
Authority: BR
Inventors: Adriano Rolando
Original assignee: Dytech Ensa S L
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2012-01-03
Also published as: CN101631947A; CN101631947B; ATE501350T1; WO2008071810A1; DE602006020641D1; JP2010512487A; US20120137679A1; EP2096295A1; JP4979773B2; EP2096295B1

Abstract

APARELHO EGR PARA MOTOR DE COMBUSTçO INTERNA. Trata-se de um aparelho EGR para um motor CI (4) incluindo um duto EGR (20) conectando o duto de escape (16) do motor (4) em um ponto a jusante de um dispositivo de pós-tratamento (14) ao duto de admissão (12) em um ponto a montante do compressor superalimentador (10), um resfriador EGR (23) e um compressor de deslocamento positivo EGR (24) ao longo do duto EGR (20). O compressor EGR (24) é acionado por um motor elétrico (25), que é controlado por um módulo de controle baseado em modelo (26) em resposta a uma solicitação de taxa de fluxo EGR dependendo dos parâmetros de operação do motor CI (4).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHO EGR PARA MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA"

A presente invenção se refere a um aparelho de recirculação de gás de escape (EGR) para um motor de combustão interna (Cl), em especial um motor a diesel automotivo turboalimentado.

Sabe-se que as emissões de NOx podem ser reduzidas pela recirculação de uma parte dos gases de escape para a admissão do motor. Nas presentes aplicações, o gás EGR é direcionado através de um duto EGR que se ramifica a partir do coletor de escape a montante da turbina do turboalimentador, e conectado ao duto de admissão a montante do compressor do turboalimentador. O fluxo EGR é assegurado pela diferença de pressão natural entre o coletor de escape e o duto de admissão. A taxa do fluxo EGR e a temperatura são controlados via uma válvula EGR e um resfriador EGR, respectivamente, localizados ao longo do duto EGR.

Essa configuração é adequada às presentes aplicações, isto é, aplicações projetadas para superar os padrões de emissão atuais (por exemplo, os padrões Euro 4 na Europa definem um padrão de 0,25 g/km para NOx). No entanto, a previsão é de que os padrões futuros sejam consideravelmente mais rígidos: Em particular, os padrões de NOx da Euro 5 são 20% menores do que os padrões atuais. Isso requer que a taxa de fluxo da massa EGR seja aumentada consideravelmente, até os valores esperados de 65% da taxa de fluxo de escape total. Junto com as novas exigências, a configuração conhecida ocasionaria um aumento inaceitável nas dimensões e no peso do resfriador e da válvula EGR. Além disso, o aumento da massa das partes móveis da válvula EGR geraria tempos de resposta maiores, o que seria inaceitável.

Outro problema relacionado aos sistemas existentes do tipo supracitado é que o fluxo EGR ainda é rico em precursores da formação de matéria particulada (PM), como gotículas de óleo, hidrocarbonetos e PM quimicamente reativa. Portanto, esse sistema não é adequado para satisfazer às novas exigências em relação à PM.

A fim de solucionar esses problemas, foram propostos novos esquemas de EGR, em que o duto EGR se ramifica a partir do coletor de escape a jusante da unidade de pós- tratamento de escape. Esses sistemas costumam ser chamados de "EGR de baixa pressão". O esquema de circuito de baixa pressão apresenta duas vantagens fundamentais: O gás de escape recirculado é mais frio (e, portanto, não há a necessidade de aumentar substancialmente as dimensões do resfriador) e livre de precursores de PM. Falando de forma mais ampla, outro benefício é também a recirculação de um gás cujo nível de hidrocarbonetos é baixo, reduzido pelo catalisador.

No entanto, os sistemas de baixa pressão sofrem de uma desvantagem que consiste em um diferencial de pressão insuficiente entre as extremidades dos dutos EGR. De fato, em certas condições de operação, a pressão no duto de escape a jusante da unidade de pós-tratamento pode estar próxima à pressão no duto de admissão, e, portanto, o fluxo natural do gás através do duto EGR pode ser prejudicado.

Diferentes soluções para esse problema foram propostas, inclusive o uso de dispositivos reguladores no duto de escape a jusante da admissão do duto EGR e no duto de admissão de ar a montante da saída do duto EGR, e o uso de um compressor no duto EGR. No entanto, nenhuma das soluções existentes demonstrou ser totalmente satisfatória em termos de controle da taxa de fluxo da massa EGR e da resposta dinâmica.

Um dos objetivos da presente invenção é idealizar um aparelho de controle EGR sem as desvantagens do estado da técnica.

Esse escopo é atingido por um aparelho EGR para motores conforme reivindicado na reivindicação 1.

Uma concretização não restritiva da presente invenção é descrita daqui em diante, com referência aos desenhos em anexo, nos quais:

A Figura 1 é um esquema de um aparelho EGR de acordo com a presente invenção;

A Figura 2 é um diagrama representando a velocidade de um compressor EGR do aparelho da figura 1 em função da tensão do induzido do motor elétrico; A Figura 3 é um diagrama representando a taxa de fluxo de massa do compressor EGR em função da tensão do induzido do motor;

A Figura 4 é um esquema do circuito equivalente do motor;

A Figura 5 é um diagrama representando um primeiro ciclo de funcionamento do compressor;

A Figura 6 é um diagrama representando um segundo ciclo de funcionamento do compressor;

A Figura 7 é um diagrama exemplificativo mostrando a tensão do induzido do motor em função do tempo;

A Figura 8 é outro diagrama exemplificativo mostrando a tensão do induzido do motor em função do tempo;

A Figura 9 é uma seção transversal esquemática de uma concretização preferida do compressor EGR.

Com referência à figura 1, o número 1 designa um aparelho EGR que proporciona recirculação dos gases de escape provenientes de um sistema de escape 2 para um sistema de admissão 3 de um motor CI 4.

O motor 4 é um motor a diesel turboalimentado, a inclui vários cilindros 5, um coletor de admissão 6 e um coletor de escape 7 seletivamente conectados aos cilindros via um sistema de válvulas conhecido, não apresentado.

O sistema de admissão de ar 3 inclui um filtro de ar 9, um compressor superalimentador 10 e um resfriador intermediário (ou "intercooler") 11 disposto em cascata ao longo de um duto de admissão 12 conectado ao coletor de admissão 6.

O sistema de escape 2 inclui uma turbina 13, um aparelho de pós-tratamento de escape 14 e um silencioso 15 disposto em cascata ao longo de um duto de escape 16. O aparelho de pós-tratamento inclui um conversor catalítico 17 e um filtro de matéria particulada (PM) 18.

O compressor 10 e a turbina 13 possuem respectivos rotores, não ilustrados, que são conectados rigidamente um ao outro por um eixo comum 19 da maneira convencional.

O aparelho EGR da presente invenção inclui um duto EGR 20 conectando o duto de escape 16 ao duto de admissão 12. Mais particularmente, o duto EGR 20 se estende a partir de um ponto de ramificação de admissão 21 no duto de escape 16 localizado a jusante do aparelho de pós-tratamento 14, a saber, entre o aparelho de pós-tratamento 14 e o silencioso 15, até um ponto de ramificação de saída 22 no duto de admissão 12 localizado a jusante do compressor 10, a saber, entre o filtro de ar 9 e o compressor 10. O aparelho, portanto é o chamado sistema EGR de "baixa pressão", uma vez que os gases de escape não são recirculados a partir do coletor de escape, onde os parâmetros típicos seriam de cerca de 450°C e 2-3 . 10^5 Pa, mas sim a jusante do aparelho de pós-tratamento 14, onde a temperatura pode estar por volta de 250°C e a pressão por volta de 1.05 to 1.2 . 10^5 Pa. O aparelho EGR 1 adicionalmente inclui um resfriador EGR 23 e um compressor EGR 24 localizados ao longo do duto EGR 20 e destinados ao controle da temperatura do gás de escape recirculado e da taxa de fluxo de massa, respectivamente.

O resfriador EGR 23 é um trocador de calor a líquido/gás convencional usando a água de resfriamento do motor como um fluido de arrefecimento para o gás de escape. O resfriador EGR 23 também pode ser integrado dentro do cárter do compressor a fim de reduzir as dimensões gerais do sistema.

O compressor EGR 24 é um compressor de deslocamento positivo rotativo, por exemplo, um compressor rotativo de palhetas. O compressor EGR 24 é acionado por um motor elétrico 25 que é controlado por velocidade por um módulo de controle 26 da unidade de controle do motor (ECU) 27, de modo a controlar a taxa de fluxo de massa de gás recirculado conforme descrito mais adiante em mais detalhes. O uso de um compressor EGR de deslocamento positivo controlado por velocidade 24 permite que a taxa de fluxo da massa EGR seja determinada e controlada em função das necessidades do controle de emissão, que, por sua vez, podem ser determinadas para cada condição de operação do motor; em particular, um valor de porcentagem de EGR ideal pode ser determinado pela ECU, da maneira já conhecida, ou com base em uma tabela de consulta 28 em função de parâmetros de operação, tal como a posição do pedal acelerador e a velocidade (derivado de posição), rpm do motor e temperatura ambiente; tais parâmetros são representados pelos sinais S1, S2, S3, S4 que são informados à ECU 27. Portanto, a velocidade alvo do compressor pode ser determinada em função das condições de operação do motor, mas não depende da velocidade do motor em si.

A velocidade do motor 25 é controlada variando-se a tensão do induzido. Em condições estacionárias, a curva característica de velocidade/tensão de armadura do motor 25 (fig. 2) é quase linear. Uma vez que a taxa de fluxo EGR é proporcional à velocidade do compressor 24, existe uma relação quase linear similar - em condições estacionárias - entre a necessidade de taxa de fluxo de massa EGR e a tensão do induzido do motor (fig. 3). Dessa forma, é possível controlar a taxa de fluxo da massa EGR controlando a tensão do induzido do motor 25.

Claramente, em condições dinâmicas, uma variação na taxa de fluxo EGR requer que a velocidade do compressor seja alterada, e, portanto, ocasiona uma variação no torque de resistência do compressor.

Em razão disso, e do ponto de vista de controle, uma solicitação de taxa de fluxo EGR da ECU pode ser vista como um ponto de ajuste de velocidade para o motor 25, e a variação no torque de resistência do compressor pode ser vista como uma perturbação.

O torque de resistência está sujeito a incertezas, principalmente devido à fricção, mas pode ser estimado via um observador de estados que se baseia em um modelo da unidade de compressor/motor elétrico, de modo a fornecer um controle de alimentação para o motor elétrico que aponta para um valor de referência de velocidade desejado.

Dessa forma, é possível controlar a taxa de fluxo da massa EGR controlando a tensão do induzido do motor 25. Isso poderia ser feito pelas seguintes abordagens diferentes; a que é apresentada aqui representa uma escolha adequada entre a complexidade do modelo e a proposta estrutural, ficando claro que outros modelos seriam possíveis.

No caso de um motor elétrico CC, acionado pela variação da tensão do induzido, um modelo elementar é definido pelas seguintes equações:

<formula>formula see original document page 9</formula>

que representa o equilíbrio de tensão através do circuito do induzido do motor elétrico de acordo com o esquema da fig. 4, onde

ia é a corrente do induzido,

Ra é a resistência equivalente do induzido

La é a indutância equivalente do induzido

Va é a tensão do induzido;

ΚΦ é o fluxo magnético total, e

ω é a velocidade do motor;

e

<formula>formula see original document page 9</formula> que representa o equilíbrio de torque no eixo do motor, sendo que as fugas pelo ferro foram negligenciadas, e, além dos símbolos já definidos,

J é o momento de inércia das massas rotativas pcco é o torque de fricção, e

βc w e o torque de friccao, e

Cr é o torque de resistência aplicado pelo compressor 24.

O torque de resistência do compressor Cr depende do trabalho politrópico Lc desempenhado pelo compressor 24 sobre o fluido em cada espaço entre as palhetas. Se houver i palhetas:

<formula>formula see original document page 10</formula>

onde Pa é a potência adsorvida pelo compressor 24, rjmech e Vcompr,poi são as eficíências de compressão mecânica e politrópica do compressor.

Com referência aos diagramas da figura 5 e 6, que representam os possíveis ciclos de operação do compressor 24, dependendo do nível de pressão de distribuição:

<formula>formula see original document page 10</formula>

e, portanto:

<formula>formula see original document page 10</formula>

em que: vMIN vMAX são o volume mínimo e máximo, respectivamente, dos espaços entre as palhetas;

Vcompr,, poL En mech são a eficiência politrópica e a eficiência mecânica da compressão;

Psuc é a pressão no lado de sucção do compressor;

Pdei e a pressão no lado de distribuição do compressor, isto é, no ponto de ramificação 22;

pé a densidade do gás; e

méo expoente politrópico.

Para simplificar a representação, Vcompri poi e rImech foram considerados iguais a um daqui em diante. No entanto, valores apropriados podem ser inseridos facilmente nas equações a seguir para uma representação mais abrangente.

Com base nos modelos anteriores, as equações do observador de estados são as seguintes:

<formula>formula see original document page 11</formula>

measured

<formula>formula see original document page 11</formula>

em que:

ia_meas é a corrente do induzido medida

Cr_nom é conhecido pela equação [5], e

Lh L2 são ganhos de realimentação que determinam a velocidade do observador de estados

Sendo:

<formula>formula see original document page 11</formula> <formula>formula see original document page 12</formula>

os ganhos L1 e L2 podem ser estimados de acordo com a teoria de controle. Por exemplo, eles podem ser determinados impondo os autovalores da matriz de estados em laço fechado do observador

<formula>formula see original document page 12</formula>

Com base no valor de torque de resistência Cr + ΔCr estimado de acordo com o observador de estados descrito acima e na velocidade alvo do motor, uma tensão de controle do induzido de referência pode ser determinada:

<formula>formula see original document page 12</formula>

A fim de otimizar a resposta dinâmica do motor 25, a tensão de controle nominal calculada pode ser filtrada via um compensador contendo um zero e um pólo. O compensador pode ser representado, na transformada de Laplace, pela seguinte equação:

<formula>formula see original document page 12</formula>

que, se a tensão de referência do induzido não compensada Va_ref for uma função escalonada, pode ser representada no domínio de tempo pelo diagrama da fig. 7, onde a curva do valor compensado Va_ff tem picos em cada frente de passo, cada pico representando uma tensão temporária que diminui rapidamente "excedendo" na mesma direção que a variação de tensão desejada.

Como alternativa, os picos podem ser substituídos por pulsos curtos escalonados ou excedentes escalonados, como representado na fig. 8, cada pulso incluindo uma ou mais etapas.

Além do controle de alimentação descrito acima, um controle de velocidade de realimentação pode ser proporcionado de modo a produzir um sistema de controle que seja preciso em termos de ponto de ajuste de velocidade, ou para o qual o erro na velocidade do compressor do motor elétrico é menor do que um valor aceitável fixo. Para esse fim, pode-se usar um controlador PID convencional.

Neste caso, a tensão do induzido pode ser obtida como se segue:

<formula>formula see original document page 13</formula>

em que:

<formula>formula see original document page 13</formula>

Os ganhos Kp e Ki e Kd podem ser ajustados para ajustar a resposta dinâmica do conjunto.

Um esquema desse controle é representado na figura 1. Dessa forma, a resposta dinâmica ideal é assegurada pelo controle de alimentação, e a precisão ideal é assegurada pelo controle de realimentação.

Como alternativa, uma realimentação proporcional adicional baseada na diferença entre a corrente do induzido medida Iajneas e a corrente do induzido nominal calculada ia nom pode ser adicionada:

<formula>formula see original document page 14</formula>

De acordo com uma concretização da presente invenção, o compressor 24 pode ser um compressor de rotor excêntrico, de palheta única, como ilustrado esquematicamente na fig. 9.

O compressor 24 inclui um cárter 29 definindo uma cavidade cilíndrica 30 do eixo geométrico A. A porta de sucção substancialmente radial 31 e a porta de distribuição 32 se comunicam com a cavidade 30. O compressor 24 adicionalmente inclui um rotor excêntrico 33 com um eixo geométrico que é paralelo mas desviado em relação ao eixo geométrico A. Uma única palheta 34 é alojada de forma radial e deslizante em uma sede 35 do cárter 29 localizada entre as portas 31 e 32, e é propendida por uma mola 36 contra o rotor 33 de modo a deslizar de modo vedante na superfície lateral 37 do rotor 33.

Esse tipo de compressor demonstrou ser particularmente eficaz devido à baixa fricção e ao comportamento dinâmico satisfatório em relação aos compressores de palheta rotativa convencionais.

Uma válvula reguladora 40 (fig. 1) pode ser opcionalmente incluída no duto de admissão 12, entre o filtro de ar 9 e o ponto de ramificação de saída EGR 22, de modo a reduzir o valor de pressão no ponto 22, e, dessa forma, auxiliar o fluxo EGR ou reduzir o trabalho do compressor.

O uso de um compressor de deslocamento positivo no contexto de um aparelho EGR de baixa pressão, em que o gás EGR é alimentado para o duto de admissão a montante a partir do compressor superalimentador 10, proporciona controle independente da taxa de fluxo EGR, que pode ser definida em qualquer nível desejado em cada condição de operação do motor, independente da velocidade do motor em si e da taxa de fluxo do gás de escape. O compressor de deslocamento positivo 24, como tal, tem primariamente funções de medição e transferência, em vez de funções de pressurização; para esse fim, é importante que o ponto de ramificação 22 esteja a montante do compressor superalimentador 10, onde o valor de pressão é baixo e substancialmente constante.

O compressor de deslocamento positivo 24 permite dispensação com a válvula EGR.

A parte do controle do motor elétrico baseada em um modelo matemático estimando o torque futuro absorvido pelo motor proporciona alta responsividade, sem qualquer necessidade de tabelas de consulta que necessitem de ampla experimentação para serem definidas, e não levam em conta o desvio de parâmetros durante o envelhecimento do sistema.

Claramente, o aparelho EGR descrito pode ser modificado sem divergir do âmbito das reivindicações.

Em particular, o motor elétrico pode ser de um tipo diferente, e a quantidade de acionamento pode ser outra além da tensão do induzido, por exemplo, corrente, ciclo de atividade, freqüência, etc., e em geral, qualquer quantidade que seja adequada ao tipo de motor utilizado.

O controle de realimentação pode ser de qualquer tipo conhecido, por exemplo, do tipo PI.

A avaliação da taxa EGR dentro da ECU (em função da velocidade e carga do motor) pode ser feita de diferentes formas (estimativa baseada em modelo, tabela de consulta mista / baseada em modelo, etc...).

Claims

1. Aparelho EGR para um motor CI (4) incluindo um duto de escape (16) que direciona um fluxo de gás de escape proveniente do motor CI através de uma turbina (13) e um dispositivo de pós-tratamento (14), um duto de admissão (12) que direciona um fluxo de ar de admissão ao motor CI através de um compressor superalimentador (10), um duto EGR (20) conectando o referido duto de escape (16) em um ponto a jusante do referido dispositivo de pós-tratamento (14) ao referido duto de admissão (12) em um ponto a montante do referido compressor (10), o referido aparelho EGR incluindo um resfriador EGR (23) e um compressor de deslocamento positivo (24) ao longo do referido duto EGR (20), um motor elétrico (25) acionando o referido compressor de deslocamento positivo (24), e um meio de controle (26) controlando o referido motor (25) em resposta a uma solicitação de taxa de fluxo EGR dependendo dos parâmetros de operação do referido motor CI (4).

2. Aparelho EGR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido motor elétrico (25) é um motor CC que é controlado por velocidade pela variação da tensão do induzido.

3. Aparelho EGR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido meio de controle (26) é baseado em modelo.

4. Aparelho EGR, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o referido meio de controle inclui um observador de estados que estima o torque de resistência do referido compressor de deslocamento positivo (24).

5. Aparelho EGR, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o referido meio de controle inclui um compensador de tensão de controle produzindo tensão excedente em picos de tensão na mesma direção em que a tensão se altera.

6. Aparelho EGR, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o referido compensador de tensão de controle tem um zero e um pólo.

7. Aparelho EGR, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o referido meio de controle inclui um meio de controle de alimentação baseado em modelo e um meio de controle de realimentação.

8. Aparelho EGR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o referido meio de controle de realimentação é do tipo PI.

9. Aparelho EGR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o referido meio de controle de realimentação é do tipo PID.