BRPI1002968A2

BRPI1002968A2 - método para o controle de injeção de ureia

Info

Publication number: BRPI1002968A2
Application number: BRPI1002968-0A
Authority: BR
Inventors: Vadim Strots; Sean C Wyatt
Original assignee: Int Engine Ip Co Llc
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2012-04-17
Also published as: EP2295753A1; CN101994553B; EP2295753B1; CN101994553A; JP2011038521A; US20110036078A1

Abstract

MéTODO PARA O CONTROLE DE INJEçãO DE URéIA. A presente invenção refere-se a um sistema de controle de injeção de uréia (10) para um veículo dotado de uma linha de exaustão (16) em comunicação fluida com um catalisador de redução SCR (18) e um injetor de uréia (14) para injetar uréia na linha de exaustão inclui uma controladora (12) para controlar a proporção de escoamento de injeção de uréia no injetor de ureia. A controladora (12) compara uma proporção ótima de escoamento de uréia (20) com uma proporção flexível de escoamento de uréia (22) determinada por uma calculadora de proporção flexível de escoamento. A controladora (12) seleciona o valor mínimo da proporção ótima de escoamento de uréia (20) e da proporção flexível de escoamento de uréia (22), e controla o injetor de uréia (14) no sentido de injetar ureia no valor mínimo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA O CONTROLE DE INJEÇÃO DE URÉIA"

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se, de modo geral, a sistemas de re- dução SCR, e mais particularmente, a um método de controle para injetar uréia em um sistema de redução SCR.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Tipicamente, os sistemas de redução catalítica seletiva de uréia (sistemas de redução SCR de uréia) são usados para reduzir os óxidos de nitrogênio (NOx) dos motores. Os sistemas de redução SCR de uréia se ba- seiam na injeção de uma solução de uréia aquosa a 32,5% na linha de e- xaustão de um veículo a montante de um catalisador de redução SCR. No catalisador de redução SCR, a uréia é decomposta, e a emissão a partir do catalisador é de N2, H2O e CO2.

No momento da injeção, a temperatura de solução de uréia é normalmente próxima a ambiente, sendo, de preferência menor que 60°C. A reação de redução SCR requer uma amônia gasosa. Para produzir a amônia gasosa, a solução de uréia injetada deve ser aquecida, de preferência acima de 150°C, no sentido de evaporar a água e decompor a uréia sólida restante em amônia e ácido isociânico. Quando a evaporação e a decomposição não são completas, o desempenho do catalisador de redução SCR é reduzido devido à insuficiente disponibilidade de redutor. Além disso, depósitos sóli- dos de uréia podem se formar no cano de descarga, o que poderá provocar uma completa falha do sistema de redução SCR.

O calor necessário para a evaporação e decomposição é provido pelo gás de exaustão. Em baixas temperaturas de gás de exaustão, o calor disponível poderá ser insuficiente para uma completa evaporação e decom- posição da solução de uréia.

Atualmente, os sistemas de redução SCR são controlados por estratégias que impõem rígidos limites de temperatura. Quando a temperatu- ra do gás de exaustão se torna menor que o limite estabelecido, normalmen- te de 150 a 250°C, a injeção de uréia é interrompida. Quando a temperatura do gás é maior que o limite preestabelecido, a taxa de proporção de injeção de uréia será determinada pela estratégia de controle baseada no fluxo de NOx no gás de exaustão, nas características de desempenho do catalisador de redução SCR1 e na capacidade de armazenamento de amônia do catali- sador de redução SCR.

No entanto, a definição de um rígido limite de temperatura não é desejável. Quando o limite de temperatura é definido como muito baixo, po- derá se resultar uma fraca evaporação além de formação de depósito. Quando o limite de temperatura é definido como muito alto, neste caso, o sistema de controle não utilizará toda a faixa de temperaturas disponíveis para a reação de redução SCR. Poder utilizar toda uma faixa de temperatu- ras disponíveis para a reação de redução SCR passa a ser especialmente importante para uma operação transiente quando a temperatura é, de modo geral, baixa e, na maioria das vezes, menor que a do limite preestabelecido. Um exemplo de tal operação vem a ser o ciclo de parar e avançar de um veículo ou ciclo de rodagem de veículo na cidade.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um sistema de controle de injeção de uréia para um veículo do- tado de uma linha de exaustão em comunicação fluida com um catalisador de redução SCR e um injetor de uréia para injetar uréia em uma linha de exaustão inclui uma controladora para controlar a proporção de escoamento de injeção de uréia no injetor de uréia. A controladora compara uma propor- ção ótima de escoamento de uréia a uma proporção flexível de escoamento de uréia determinada por uma calculadora de proporção flexível de escoa- mento. A controladora seleciona o valor mínimo da proporção ótima de es- coamento de uréia e da proporção flexível de escoamento de uréia, e contro- la o injetor de uréia no sentido de injetar uréia no valor mínimo.

BREVE DESCRIÇÃO DO DESENHO

A figura 1 é uma vista esquemática de um método de controle para injetar uréia em um sistema de redução SCR.

DESCRIÇÃO DE UMA MODALIDADE PREFERIDA

Com referência à figura 1, um limite flexível sobre a taxa máxima de injeção de solução de uréia permissível (Fureia_max) limita a taxa de dosa- gem de uréia dependendo da proporção de escoamento de exaustão (Fexh) e da temperatura de exaustão (TeXh), situações nas quais a norma de limitação é determinada empiricamente. O presente limite flexível é, em contrapartida aos rígidos limites da técnica anterior, nos quais a injeção de uréia é inter- rompida quando a temperatura do gás de exaustão não recai dentro dos limi- tes de temperatura.

Em um sistema de controle de injeção de uréia 10, uma contro- ladora 12 controla a proporção de escoamento de uréia em um injetor de uréia 14, que injeta a uréia para uma linha de exaustão 16 de um veículo para se decompor a montante de um catalisador de redução SCR 18. A con- troladora 12 tem uma calculadora de valor ótimo 20 e uma calculadora de valor flexível 22. O valor ótimo 20 é determinado pela concentração de amô- nia necessária para um desempenho ótimo de catalisador de redução SCR1 e pode incluir fatores, tais como o fluxo de NOx1 as exigências de conversão de NOx, a cinética de redução SCR, o estado de armazenamento de amô- nia, e/ou as exigências de armazenamento de amônia para o sistema de redução SCR em particular. Tipicamente, o valor ótimo 20 não leva em con- sideração as exigências para a evaporação da solução de uréia e para a decomposição de uréia.

A calculadora de valor flexível 22 recebe valores de entrada da proporção de escoamento de gás de exaustão (FeXh) e da temperatura de gás de exaustão (TeXh). Em determinadas aplicações, tais como nos veículos em movimento equipados com motores de combustão interna, as medidas da proporção de escoamento de exaustão não se encontram disponíveis, e podem ser calculadas a partir dos valores da proporção de escoamento de ar de admissão e da proporção de escoamento de combustível, ou mediante o uso de outros parâmetros disponíveis na unidade de controle de motor. Por exemplo, os dados de concentração de oxigênio podem ser obtidos por meio de um ou mais sensores de oxigênio ou sensores de NOx, sendo que um sensor se localiza tipicamente a montante do catalisador de redução SCR 18 e é utilizado para uma controladora de redução SCR de alimentação direta 12, e o outro sensor se localiza no cano traseiro e é usado para reali- mentação na controladora de redução SCR 12. Os dados de proporção de escoamento de combustível podem ser usados para calcular a proporção de escoamento de gás de exaustão.

Em seguida, a proporção máxima de escoamento de ureia per- missível, Fureia_max> é calculada usando a fórmula:

<formula>formula see original document page 5</formula>

na qual, Fureia_max = proporção de escoamento de solução de ureia

Fexh = proporção de escoamento de exaustão

Texh = temperatura de exaustão

Tmin = temperatura de corte

A = coeficiente

Os coeficientes A e Tmjn podem ser determinados ou calibrados experimentalmente para uma respectiva configuração de sistema de redução SCR. Espera-se que uma calibração experimental seja requerida para aten- der aos parâmetros únicos do presente sistema de redução SCR em particu- lar, tais como perdas de calor, parâmetros de aspergimento de ureia, geo- metria da peça do sistema de redução SCR na qual ocorre a injeção de so- lução de ureia, evaporação, e geometria da peça do sistema de redução SCR onde acontecem a decomposição e a mistura com o fluxo de gás de exaustão.

Os coeficientes A e Tmin podem também ser derivados a partir de correlações termodinâmicas fundamentais, como se seguem. A ureia é uma solução aquosa a 32,5% quando injetada na linha de exaustão de um veícu- lo, a montante de um catalisador de redução SCR 18. A temperatura da so- lução de ureia injetada é mais fria que a temperatura do gás de exaustão (Texh), e, sendo assim, a energia é transferida do gás de exaustão para a solução de ureia. Como um resultado da transferência de energia, a tempe- ratura do gás de exaustão (Texh) é resfriada. A energia transferida é usada para aquecer a solução de ureia, evaporar a água, evaporar a ureia, e de- compor a ureia: (NHahCO NH3 + HNCO. Presume-se, ainda, que a hidró- lise de HNCO seja lenta, sendo insignificante a sua contribuição ao equilíbrio de energia.

No estado de equilíbrio final, todos os componentes apresentam a mesma temperatura, e a temperatura final deve garantir a evaporação e a decomposição da ureia. Além disso, o valor teórico no qual a decomposição de ureia se inicia se dá a 132,7°C, e a decomposição de ureia se dá, no má- ximo, dentro da faixa de cerca de 130 a 180°C, e de preferência a cerca de 150°C. Devido às perdas de calor às paredes do cano, uma margem de se- gurança pode ser requerida. Deste modo, a taxa de dosagem de ureia (Fureia) recomendada deve resultar em uma temperatura de mistura final (Tmjn), que é sempre > 150°C, o que provê um fator de segurança acima do valor teoré- tico de 132,7°C.

A vazão máxima de solução de ureia (Fureia_max) pode ser calcu- lada a partir do equilíbrio de energia para qualquer combinação dada de va- lores de fluxo de exaustão e de temperatura de exaustão, usando a seguinte equação simplificada:

<formula>formula see original document page 6</formula>

na qual, Fureia_max = proporção de escoamento de solução de ureia, g/h

Fexh = proporção de escoamento de exaustão, kg/h

Texh = temperatura de exaustão, °C

Tmin = temperatura de corte, °C

Deve-se apreciar que um valor de coeficiente diferente irá fun- cionar para diferentes unidades. Além disso, uma análise mais precisa pode- rá resultar em um valor ligeiramente diferente, não exatamente 0,388, mas, de preferência, na faixa de cerca de 0,35 a 0,45. Contempla-se que, de qualquer maneira, o coeficiente a ser usado em um veículo deverá ser ajus- tado ou calibrado empiricamente, mediante o uso de dados de teste.

Depois de a proporção Fureia_max ser calculada, a proporção de escoamento de ureia (Fureia) com relação à linha de exaustão 16 é selecio- nada em um seletor 24 como um mínimo dentre a proporção Fureia_max e a proporção ótima de escoamento (Fótima)· A controladora 12 controla o injetor de uréia 14 de modo a injetar a uréia em uma proporção de escoamento (Fu_ reia) conforme determinada pelo seletor 24. Desta maneira, a proporção de escoamento de injeção (Fureia) é determinada pelo sistema de controle 10 como ótima para o desempenho do catalisador de redução SCR.

O presente sistema de controle 10 faz a sintonia fina da propor- ção de injeção de uréia (FureIa)- Esta sintonia fina resulta em uma melhor uti- lização da faixa de temperatura na qual apenas uma quantidade limitada de uréia poderá ser seguramente injetada, e auxilia na prevenção de indesejá- veis depósitos de uréia no sistema de exaustão. A presente invenção pode ser usada como uma salvaguarda a mais para qualquer método de injeção de uréia conhecido, podendo ser implementada em qualquer controladora de indústria padrão.

A presente invenção pode ser incorporada em outras formas es- pecíficas sem se afastar de seu espírito ou características essenciais. As modalidades descritas devem ser consideradas em todos os seus aspectos como ilustrativas e não restritivas. O âmbito de aplicação da presente inven- ção é, portanto, indicado pelas reivindicações em apenso ao invés de pelo relatório descritivo precedente. Todas as alterações que recaiam dentro do sentido e faixa de equivalência das reivindicações a seguir devem ser a- brangidas dentro do seu âmbito de aplicação.

Claims

1. Sistema de controle de injeção de ureia para uma linha de e- xaustão em comunicação fluida com um catalisador de redução SCR e um injetor de ureia para injetar ureia na linha de exaustão, o sistema de controle de injeção de ureia compreendendo: - uma controladora para controlar a proporção de escoamento de injeção de ureia no injetor de ureia, sendo que a controladora compara uma proporção ótima de escoamento de ureia com uma proporção flexível de escoamento de ureia determinada por uma calculadora de proporção fle- xível de escoamento, sendo que a controladora seleciona o valor mínimo da proporção ótima de escoamento de ureia e da proporção flexível de escoa- mento de ureia, e controla o injetor de ureia no sentido de injetar ureia neste valor mínimo.

2. Sistema de controle de injeção de ureia, de acordo com a rei- vindicação 1, no qual a calculadora de valor flexível recebe entradas de pro- porção de escoamento de exaustão e de temperatura de exaustão.

3. Sistema de controle de injeção de ureia, de acordo com a rei- vindicação 2, no qual a calculadora de proporção flexível de escoamento de ureia determina a proporção flexível de escoamento de ureia por meio da equação: Fureia_max ~ A Fexh (Texh — Tmin) na qual, Fureia_max = proporção flexível de escoamento de ureia, g/h Fexh = proporção de escoamento de exaustão, kg/h Texh = temperatura de exaustão, °C Tmin = temperatura de corte, °C A = coeficiente

4. Sistema de controle de injeção de ureia, de acordo com a rei- vindicação 3, no qual o coeficiente A é dentre 0,35 e 0,45.

5. Sistema de controle de injeção de ureia, de acordo com a rei- vindicação 3, no qual Tmin é de uma faixa de 130 a 180°C.

6. Sistema de controle de injeção de ureia, de acordo com a rei- vindicação 1, no qual a calculadora de valor flexível recebe entradas de pelo menos um dentre o fluxo de ar de admissão, a proporção de escoamento de combustível, a concentração de oxigênio, e a proporção de escoamento de combustível de modo a calcular a proporção de escoamento de exaustão e a temperatura de exaustão.

7. Sistema de controle de injeção de ureia, de acordo com a rei- vindicação 6, no qual a calculadora de proporção flexível de escoamento de ureia determina a proporção flexível de escoamento de ureia por meio da Fureia_max ~ A Fexh (Texh — Tmin) na qual, Fureia_max = proporção flexível de escoamento de ureia, g/h Fexh = proporção de escoamento de exaustão, kg/h Texh = temperatura de exaustão, °C Tmin = temperatura de corte, °C A = coeficiente

8. Sistema de controle de injeção de ureia, de acordo com a rei- vindicação 7, no qual o coeficiente A é de uma faixa dentre 0,35 e 0,45.

9. Sistema de controle de injeção de ureia, de acordo com a rei- vindicação 7, no qual Tmin é de uma faixa de 130 a 180°C.

10. Sistema de controle de injeção de ureia, de acordo com a reivindicação 1, no qual a controladora compreende ainda um seletor para selecionar o valor mínimo da proporção ótima de escoamento de ureia e da proporção flexível de escoamento de ureia, de modo a controlar o injetor de ureia no sentido de injetar ureia no valor mínimo.

11. Sistema de controle de injeção de ureia para uma linha de exaustão em comunicação fluida com um catalisador de redução SCR e um injetor de ureia para injetar ureia na linha de exaustão, o sistema de controle de injeção de ureia compreendendo: - uma controladora para controlar a proporção de escoamento de injeção de ureia no injetor de ureia, sendo que a controladora compara uma proporção ótima de escoamento de ureia com uma calculadora de pro- equação: porção flexível de escoamento de ureia, sendo que a calculadora de propor- ção flexível de escoamento de ureia recebe entradas de proporção de esco- amento de exaustão e de temperatura de exaustão; e - um seletor na controladora que seleciona o valor mínimo da proporção ótima de escoamento e da proporção flexível de escoamento, sendo que o injetor de ureia é instruído pelo seletor para injetar ureia no va- lor mínimo.

12. Sistema de controle de injeção de ureia, de acordo com a reivindicação 11, no qual a calculadora de proporção flexível de escoamento de ureia determina a proporção flexível de escoamento de ureia por meio da equação: Fureia_max = A* Fexh (Texh " - Tmin) na qual, Fureia_max = proporção flexível de escoamento de ureia, g/h Fexh = proporção de escoamento de exaustão, kg/h Texh = temperatura de exaustão, °C Tmin = temperatura de corte, °C A = coeficiente

13. Sistema de controle de injeção de ureia, de acordo com a reivindicação 12, no qual o coeficiente A é de uma faixa dentre 0,35 e 0,45.

14. Sistema de controle de injeção de ureia, de acordo com a reivindicação 12, no qual Tmin é de uma faixa de 130 a 180°C.