ES2567031T3

ES2567031T3 - Procedimiento de control de las emisiones contaminantes de un motor de combustión

Info

Publication number: ES2567031T3
Application number: ES10785129.7T
Authority: ES
Inventors: Christophe Charial; Clément Grise
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2016-04-19
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: EP2501909B1; WO2011061423A1; US8869515B2; EP2501909A1; US20120222404A1; FR2952673B1; FR2952673A1

Abstract

Procedimiento de control de un sistema de tratamiento de los NOx presentes en una línea de escape de un motor de combustión interna, comprendiendo el citado sistema medios para introducir en la línea de escape un agente reductor aguas arriba de un catalizador de reducción de los NOx, caracterizado por que se estima la eficacia del tratamiento con respecto a un potencial inyectado de conversión de los NOx máximo obtenido si la relación entre la cantidad de reductor inyectada y la cantidad de NOx en los gases respeta una consigna dada y si la masa de agente reductor almacenada en el catalizador respeta una consigna de almacenamiento dada, siendo estimada la citada masa - sobre la base de una cartografía de base función de la temperatura de los gases de escape y de la relación NO2/NO de los NOx, o - integrando en función del tiempo la velocidad de almacenamiento del amoniaco inyectado en la línea y la velocidad de desalmacenamiento del amoniaco por reacción de los NOx, poniendo como condiciones a los límites que esta masa no puede ser inferior a 0, siendo estimada la velocidad de desalmacenamiento suponiendo que la relación estequiométrica RNH3/NOx de la reacción de conversión de los NOx por el amoniaco depende de la relación NO2/NO de los NOx del modo siguiente: Si RNO2/NO < 0,5 entonces RNH3/NOx >= 1 Si no, RNH3/NOX >= (1+ 8(RNO2/NO-0,50))/(1+6*(RNO2/NO-0,50)).

Description

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DESCRIPCION

Procedimiento de control de las emisiones contaminantes de un motor de combustion

La presente invencion concierne a un procedimiento de control de las emisiones contaminantes de un motor de combustion.

La utilizacion de combustible fosil como el petroleo o el carbon en un sistema de combustion, en particular el carburante en un motor, provoca la production en cantidad no despreciable de contaminantes que pueden ser descargados por el escape al medioambiente y causar danos al mismo. Entre estos contaminantes, los oxidos de nitrogeno (denominados NOx) plantean un problema particular puesto que estos gases se suponen que son uno de los factores que contribuyen a la formation de la lluvia acida y a la deforestation. Ademas, los NOx estan vinculados a problemas de salud para los humanos y son un elemento clave de la formacion de « smog » (nube de contamination) en las ciudades. La legislation impone niveles de rigor creciente para su reduction y/o su elimination de fuentes fijas o moviles.

Entre los contaminantes que las legislaciones tienden a reglamentar de modo cada vez mas estricto figuran igualmente el hollln u otros materiales en partlculas que resultan esencialmente de una combustion incompleta del carburante, de modo mas particular cuando el motor funciona en mezcla denominada pobre, es decir con un exceso de oxlgeno (de aire) con respecto a la estequiometrla de la reaction de combustion. Las mezclas pobres son las que se utilizan en los motores denominados diesel, cuyo encendido es obtenido por compresion.

Para estas dos grandes categorlas de contaminantes, se ponen en practica diferentes medios de descontaminacion y estrategias de combustion.

Para limitar las emisiones de partlculas, la tecnologla de los filtros de partlculas se generaliza poco a poco para todos los vehlculos equipados con un motor diesel. Esta tecnologla consiste esencialmente en forzar el paso de los gases de escape a traves de los canales porosos de una estructura en nido de abeja de ceramica. El hollln as! filtrado se acumula y despues es eliminado en una operation de regeneration del filtro durante la cual aquel es quemado. Para obtener esta regeneracion, es necesario sin embargo aumentar la temperatura de los gases de escape, lo que se obtiene tlpicamente enriqueciendo los mismos con carburante (inyectado directamente en la llnea de escape o en la camara de combustion del motor, durante la fase de escape del ciclo de combustion) y/o aumentando la carga del motor. Por otra parte, se utiliza un agente catalltico para facilitar la combustion del hollln, estando depositado este agente de modo permanente en los canales del filtro, o siendo introducido como aditivo con el carburante, permitiendo esta ultima tecnologla operar con temperaturas de combustion mas bajas que las requeridas con filtros catalizados.

Para limitar las emisiones de NOx, la principal via puesta en practica en los vehlculos actuales ha sido la reduccion de las emisiones en la fuente, dicho de otro modo operando el motor en condiciones tales que las tasas de los NOx producidos sean inferiores a las tasas llmites. Estas condiciones se reunen especialmente gobernado de manera muy fina los diferentes parametros del motor, comenzando por los parametros de inyeccion de carburante y de reinyeccion en la admision de una parte de los gases de escape, esto a fin de reducir la concentration en oxlgeno favorable para la formacion de oxidos de nitrogeno.

Sin embargo, no es posible reducir drasticamente las emisiones en la fuente sin limitar ciertas caracterlsticas del motor. Por esta razon, se han propuesto diferentes soluciones para desnitrificar los gases de escape. Una solution que ha demostrado su eficacia especialmente para los camiones de gran tonelaje es la conversion qulmica por reduccion de los oxidos de nitrogeno de un agente reductor directamente inyectado en la llnea de escape. Asl, una solucion de post-tratamiento que ha demostrado su eficacia es la utilizacion de una fuente de amoniaco (NH3), tal como urea acuosa. El amoniaco reacciona con los NOx en un catalizador para formar nitrogeno N2 inerte y agua H2O. Esta solucion es conocida esencialmente con el nombre de su acronimo ingles SCR de « Selective Catalytic Reduction ».

Un reductor utilizado habitualmente es el amoniaco, almacenado en forma de urea, siendo obtenido el amoniaco por termolisis / hidrolisis de la urea en la llnea de escape segun las reacciones siguientes:

(NH2)2CO ® HNCO + NH3: termolisis a 120 °C (1)

HNCO + H2O ® CO2 + NH3: hidrolisis a 180 °C. (2)

El catalizador SCR sirve a continuation para favorecer la reduccion de los NOx por NH3 segun las 3 reacciones siguientes:

4NH3 + 4NO + O2 ® 4N2 + 6H2O (3)

2NH3+ NO + NO2® 2N2 + 3H2O (4)

8NH3 + 6NO2 ® 7N2 + 12H2O (5)

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Siendo a su vez el amoniaco un gas considerado como toxico, importa que la cantidad de urea inyectada este en todo momento adaptada a la cantidad de oxido de nitrogeno que haya que tratar.

Un simple control en bucle cerrado basado esencialmente en la informacion facilitada por un sensor de NOx dispuesto aguas abajo de la trampa de NOx esta excluido para un motor que opera de modo predominante en reglmenes transitorios, como un motor de un vehlculo automovil.

La cantidad de NOx puede ser estimada sin embargo especialmente sobre la base de una cartografla de las emisiones de oxidos de nitrogeno en funcion especialmente de las condiciones de funcionamiento del motor, dicho de otro modo, esencialmente en funcion de la demanda de regimen y de par.

Sin embargo, en la practica, ajustar de modo preciso la cantidad de urea que haya que inyectar plantea numerosas dificultades. En efecto, el amoniaco disponible para la reaccion es el que esta « almacenado » en un instante dado en el catalizador. Cuanto mas aumenta la temperatura de los gases de escape, menor sera la capacidad del catalizador para almacenar amoniaco, concurriendo una reaccion de desorcion con la reaccion de adsorcion. En cambio, este aumento de la temperatura tiende a favorecer la cinetica de la reaccion, y por tanto a favorecer las reacciones de reduccion. En estas condiciones, es diflcil obtener un perfecto control de las emisiones.

En estas condiciones, la informacion dada por el sensor NOx aguas abajo del catalizador puede ser utilizada para verificar que el sistema funciona normalmente, y activar una alerta si aparece un fallo de funcionamiento. Asl, de acuerdo con la reglamentacion vigente en Europa el umbral de emision de los NOx es medido en todo un ciclo de conduccion normalizado, designado por el acronimo NEDC (« New European Driving Cycle »), si se llega al umbral de emision, este debe ser senalado al conductor por un testigo luminoso y registrado en la memoria de defectos, porque mas alla de este umbral el sistema SCR es considerado como defectuoso.

Antes de alcanzar estos umbrales, pueden ser tomadas medidas para compensar una deriva de la senal por ejemplo para tener en cuenta un envejecimiento supuesto del catalizador, por ejemplo sustituyendo la cartografla de inyeccion de origen por una nueva cartografla mejor adaptada a un sistema al final de la vida de servicio.

Pero una gran dificultad viene de que los umbrales son definidos con respecto a valores medios, asl con techos de emisiones en gramos por kilometro recorrido, mientras que las condiciones de rodaje de un vehlculo no son normalmente estacionarias. De esta manera, incluso si el conductor ha accionado el regulador de velocidad, la carga del motor puede variar por la puesta en marcha de un compresor de climatizacion o de modo mas simple, por una variacion del estado de la carretera (pendiente y calidad de revestimiento).

Serla por tanto deseable poder disponer de un medio para detectar en tiempo real un funcionamiento anormal del sistema SCR, sin por ello considerar que una deriva instantanea de las emisiones es necesariamente el signo de un fallo de funcionamiento de este tipo.

De acuerdo con la invention, se propone asl un procedimiento de control de un sistema de tratamiento de los NOx presentes en una llnea de escape de un motor de combustion interna, comprendiendo el citado sistema medios para introducir en la llnea de escape un agente reductor aguas arriba de un catalizador de reduccion de los NOx, caracterizado por que se estima la eficacia del tratamiento con respecto a un potencial de conversion maximo obtenido si la relation entre la cantidad de reductor inyectada y la cantidad de NOx en los gases respeta una consigna dada y si la masa de agente reductor almacenada en el catalizador respeta una consigna de almacenamiento dada.

De acuerdo con la invencion, la masa de reductor almacenada en el catalizador es estimada sobre la base de una cartografla de base funcion de la temperatura de los gases de escape y de la relacion NO2/NO.

Por ello, de acuerdo con la invencion, la masa de agente reductor almacenada en el catalizador se estima integrado en funcion del tiempo la velocidad de almacenamiento del amoniaco inyectado en la llnea y la velocidad de desalmacenamiento del amoniaco por reaccion de los NOx, planteando como condiciones a los llmites que esta masa no puede ser inferior a 0.

Esta velocidad de almacenamiento puede ser estimada como dependiente unicamente de la cantidad de amoniaco inyectada en la llnea.

Para la velocidad de desalmacenamiento, se la puede estimar suponiendo que la relacion estequiometrica Rnh3/nox de la reaccion de conversion de los NOx por el amoniaco depende de la relacion NO2/NO del modo siguiente:

Si Rno2/no < 0,50 entonces Rnh3/nox - 1.

Si no, Rnh3/nox - (1+8(Rno2/no-0,50))/(1+6*(Rno2/no-0,50)).

En una variante del procedimiento de acuerdo con la invencion, para un tipo de catalizador SCR dado, el potencial de conversion maximo es estimado a partir de una cartografla funcion de la temperatura del catalizador de reduccion SCR y de la relacion NO2/NO a la entrada del catalizador SCR.

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Ventajosamente, esta relacion NO2/NO es estimada a partir de una cartografla en funcion de la temperatura y del tiempo de estancia de los gases de escape en un catalizador de oxidacion aguas arriba dispuesto en la llnea de escape, aguas arriba del catalizador SCR.

El valor estimado a partir de la cartografla funcion del tiempo de estancia de los gases de escape en el catalizador de oxidacion DOC puede ser a su vez corregido por un factor dependiente del estado de envejecimiento del catalizador DOC.

Este factor de envejecimiento puede ser como la relacion entre la duracion acumulada de exposicion mas alla de una primera temperatura critica que provoca una degradacion del catalizador de oxidacion y una duracion de referencia de exposicion a la primera temperatura critica, para la cual la degradacion del catalizador es completa.

Cuando el catalizador es expuesto a una segunda temperatura critica, superior a la primera temperatura critica, los tiempos de exposicion pueden ser ventajosamente multiplicados por un factor corrector superior a 1.

La estimacion del tiempo de estancia de los gases de escape en el catalizador de oxidacion DOC puede ser hecha a partir de la temperatura y de la presion de los gases de escape a la salida del catalizador de oxidacion y del caudal de los gases de escape aguas arriba del catalizador de oxidacion.

Otros detalles y caracteristicas ventajosas de la invencion surgiran de la descripcion detallada hecha a continuation refiriendose a las figuras anejas, que muestran:

• Figura 1: una vista esquematica de un motor y de su linea de tratamiento de los gases de escape;

• Figura 2: un esquema de principio que ilustra la dependencia del modelo de estimacion de la relacion NO2/NO a la salida de un catalizador de oxidacion;

• Figura 3: un esquema que ilustra el calculo del tiempo de estancia de los gases de escape en el catalizador de oxidacion;

• Figura 4: un esquema del principio del modulo de estimacion de la relacion NO2/NO a la salida del catalizador de oxidacion;

• Figura 5: un esquema del principio del modulo de calculo de la eficacia del sistema SCR;

• Figura 6: la forma de la variation de la eficacia de un catalizador SCR en funcion de la carga de amoniaco;

• Figura 7: un esquema del principio de un modulo de calculo de la carga de amoniaco en el catalizador.

Se precisa que por oxidos de nitrogeno NOx se entienden los dos compuestos nitrogenados cuyas emisiones estan reglamentadas a saber el monoxido de nitrogeno y el dioxido de nitrogeno, producidos especialmente por motores que funcionan en mezcla pobre, es decir con exceso de oxigeno con respecto a la estequiometria de la reaction de combustion de carburante, al ejemplo especialmente de los motores de encendido por compresion denominados diesel.

En la descripcion que sigue, en aras de la claridad, se hara sistematicamente la hipotesis de que el agente reductor es inyectado tal cual en la linea de escape, aguas arriba del catalizador SCR. Este es por ejemplo el caso si este agente es hidrogeno o amoniaco almacenado en forma gaseosa o producido en un generador idoneo antes de ser introducido de modo controlado en la linea de escape. Sin embargo, este inyector puede ser introducido igualmente en forma de un precursor, en el ejemplo bien conocido urea, que despues de una reaccion de termolisis y de hidrolisis, se transforma en amoniaco (veanse los equilibrios 1 y 2 propuestos anteriormente).

Ademas, se supone que este agente reductor es efectivamente amoniaco, y en aras de la claridad, la designation (NH3) es sistematicamente en lo que sigue de la descripcion, incluso si la invencion no esta limitada a este modo de realizacion.

La figura 1 es una vista esquematica de un motor y de su linea de tratamiento de los gases de escape. A la entrada de linea esta dispuesto un catalizador de oxidacion DOC cuya funcion primera es convertir el monoxido de carbono, y la fraction de hidrocarburos gaseosos no quemada o parcialmente quemada, en dioxido de nitrogeno, en las camaras de combustion del motor. Tal disposition lo mas cerca del motor, por tanto en la region mas caliente de la linea de escape garantiza un maximo de eficacia a este catalizador, pero no entra en el marco especifico de la invencion.

Continuando en el sentido de los gases de escape, se observa la presencia de un sensor de temperatura que permite estimar la temperatura de los gases de escape aguas arriba del sistema de tratamiento SCR.

Este sistema de tratamiento esta constituido esencialmente por un inyector, unido a una fuente de agente reductor no representada, y aguas abajo de la misma, un catalizador de reduction selectiva, denominado catalizador SCR.

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De modo bien conocido, tal catalizador puede estar constituido por una ceolita depositada sobre un soporte de ceramica, por ejemplo del tipo cordierita. Con un catalizador de este tipo a base de ceolita, la reaccion de conversion de los NO en NO2 es muy poco promovida. Con otros catalizadores, que contienen platino o paladio, esta conversion sera por el contrario mas favorecida.

Si el reductor no es inyectado directamente en su forma final, sino en forma de un precursor, en el ejemplo de una solucion acuosa de urea, el sistema puede comprender igualmente medios apropiados para facilitar la mezcla del precursor en los gases de escape al tiempo que permita una arquitectura de llnea relativamente compacta.

En esta llnea, se ha hecho figurar igualmente una trampa de partlculas, dispuesta en este caso aguas abajo del catalizador de reduccion selectiva, pero que igualmente puede estar dispuesta aguas arriba del inyector.

Finalmente, esta previsto un sensor NOx a fin de asegurarse de que las emisiones del vehlculo son siempre inferiores a una norma de emision en vigor.

En lo que sigue de esta memoria, se anotan con el sufijo 0, los datos en un punto aguas arriba del catalizador de oxidacion DOC (pero aguas abajo del punto de picado de los gases EGR), con 1, un punto aguas abajo de este catalizador DOC y aguas arriba del catalizador SCR.

La reduccion catalltica de los NOx por el amoniaco en un catalizador SCR consiste esencialmente en la serie de reacciones numeradas (3) a (5) anteriormente mencionadas, reaccionando los NOx esencialmente con el amoniaco almacenado en el catalizador en un momento dado.

En cualquier instante, se puede calcular la eficacia del sistema, es decir la relacion entre, por una parte, la diferencia entre la cantidad de NOx emitida por el motor y la emitida al final de la llnea y, por otra, la cantidad de NOx emitida por el motor.

La cantidad de NOx emitida al final de la llnea es estimada con la ayuda de un sensor NOx montado aguas abajo de los dispositivos de tratamiento.

La cantidad de NOx emitida por el motor puede ser obtenida a partir de una cartografla establecida sobre la base de mediciones reales de las emisiones a la salida del motor tlpicamente en banco motor asociado a un armario de analisis qulmico y cuantitativo de los gases de escape.

Durante la fase de puesta a punto del motor, para cada punto de funcionamiento del motor (que se puede definir como una demanda de par motor a un regimen motor dado), se define un conjunto de parametros motores que optimiza el rendimiento del vehlculo y las emisiones del vehlculo. Entre estos parametros figuran por ejemplo la cantidad de carburante inyectada, la cantidad de aire fresco admitida en el motor, las condiciones de inyeccion del carburante, los instantes de apertura de las valvulas, la tasa de recirculacion de los gases de escape (EGR), etc. Estos parametros son transmitidos al control del motor por medio de un juego de cartograflas que se permiten tener en cuenta parametros tales como la temperatura exterior, la altitud (para tener en cuenta la rarefaccion del oxlgeno), el estado de precalentamiento del motor, etc. Como las emisiones reglamentadas del vehlculo son tenidas en cuenta para definir los parametros motores, se obtendra para cada punto de funcionamiento del motor, en condiciones exteriores dadas, un caudal masico instantaneo de NOx producido por este motor. Eventualmente, se pueden prever igualmente cartograflas para condiciones de funcionamiento degradadas por ejemplo en la hipotesis de una ausencia de recirculacion de los gases debida a un fallo de funcionamiento de la valvula EGR.

El sistema SCR tiene un funcionamiento nominal si esta eficacia constatada conforme a un modelo teorico de este sistema que permite definir el potencial de conversion maximo en las condiciones dadas.

Para construir este modelo, observese en primer lugar que un catalizador presenta una capacidad de reduccion que es funcion de su temperatura y de la naturaleza de los gases que haya que tratar, dicho de otro modo, de la relacion NO2/NO indicada en lo que sigue por RNO2 / NO.

En tanto que no se llegue a la temperatura minima de activacion (denominada temperatura de Light-off), el catalizador es esencialmente inerte. Por encima de la misma, su eficacia aumenta hasta que se llegue a una zona de funcionamiento optima. Esta eficacia no es universal sino que depende naturalmente de la naturaleza de las especies quimicas que haya que tratar, por tanto en el caso particular del tratamiento de los gases de escape, de la relacion R no2 / no.

A. Determinacion de la relacion NO2/NO a la entrada del catalizador

En una primera variante de la invencion, esta relacion RNO2 / No puede ser estimada a partir de cartograflas establecidas durante la puesta a punto del motor analizando los gases producidos segun los diferentes puntos de funcionamiento del motor.

En la practica, este analisis es relativamente complicado, y generalmente, se limita simplemente a determinar las diferentes especies, siendo considerada la fraccion NOx suma de los NO2 y de los NO como un todo (como por otra

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parte es el caso con las normas reglamentarias vigentes), y el analisis de los gases es efectuado de modo mas simple despues de la oxidacion completa del gas, por tanto de la conversion de toda la fraccion NO en NO2. Por esta razon uno de los objetos de la presente invention es proponer un medio para estimar esta relation de manera mas simple.

Entre la salida del motor y el catalizador de reduction catalltica, se efectuara en el catalizador de oxidacion DOC, una oxidacion de una parte de los NO Por ello, uno de los objetos de la presente invencion es proponer un modelo para estimar esta relacion Rno2 / no, distinguiendose este modelo por que la relacion es estimada en funcion del tiempo de estancia de los gases en el catalizador de oxidacion, y ponderado segun un factor de envejecimiento del catalizador de oxidacion.

Este modelo corresponde en lo esencial al esquema propuesto en la figura 2 en la que se muestra que 3 datos de entrada: la temperatura y la presion estimada a la salida del catalizador DOC y el caudal de los gases de escape aguas arriba de este catalizador DOC son necesarios para estimar la relacion Rno2 / no con la ayuda de 3 modulos especlficos que permiten determinar de modo mas preciso el factor de envejecimiento del catalizador de oxidacion, la velocidad de los gases de escape en el catalizador DOC y un modulo de estimation de la relacion Rno2 / no a partir del resultado de estos dos modulos precedentes.

Modulo factor de envejecimiento del catalizador de oxidacion

De acuerdo con la invencion, este envejecimiento puede ser estimado a partir de un contador de tiempo que totalice el tiempo transcurrido por encima de una temperatura crltica por encima de la cual las caracterlsticas del catalizador DOC se degradan irremediablemente. Ventajosamente, cuando la temperatura a la cual el catalizador DOC es expuesto es particularmente elevada (superior a una segunda temperatura de umbral superior a la temperatura crltica), el tiempo transcurrido por encima de esta segunda temperatura de umbral es multiplicado por ejemplo por 1,5.

Se puede definir entonces un factor de tiempo normalizado como la relacion entre este contador de tiempo y un contador de tiempo de referencia, correspondiente a la duration calculada de exposition por encima de la temperatura crltica que provoca una degradation completa del catalizador DOC. Asl, si el contador de tiempo llega o sobrepasa esta duracion de referencia, el factor de envejecimiento sera fijado igual a 1. Un catalizador DOC nuevo, no expuesto nunca a una temperatura por encima de la temperatura de referencia tendra por su parte un factor de envejecimiento igual a 0.

Tiempo de estancia de los gases en el catalizador de oxidacion.

Este modulo esta ilustrado en la figura 3 y esta basado esencialmente en la ley de los gases perfectos, con tres datos de entrada, la temperatura (expresado en °Kelvin), y la presion aguas abajo P1 del catalizador de oxidacion (expresadas en Pascales) y el caudal de los gases de escape aguas arriba del catalizador (expresado en g/s), es decir el caudal de gases producidos por el motor, menos el de los gases admitidos en el circuito EGR si el motor esta bien equipado con un circuito de este tipo y si el punto de picado del circuito EGR esta dispuesto aguas arriba del catalizador de oxidacion, dicho de otro modo si el motor esta equipado con un circuito EGR de alta presion.

El calculo necesita ademas el conocimiento del volumen V del catalizador (volumen accesible a los gases, expresado en litros). En un gas perfecto, la relacion entre el numero n de moles de gas en un volumen V a la presion P y la temperatura T es igual a RT/PV, siendo R la constante de los gases perfectos. En el caso de los gases de escape, se puede aproximar la masa molar a 29, considerando que estos estan constituidos esencialmente de los productos de la combustion por el oxlgeno del aire de carburante (que puede ser modelizado por la reaction C7H16 + 1502 ®7CO2 + 8H2O) y que el nitrogeno del aire se encuentra en los gases de escape. Se deduce la masa de los gases en el catalizador DOC.

Dividiendo la masa de gas que permanece en el catalizador DOC por el caudal masico aguas arriba, se obtiene una estimacion del tiempo de estancia en este catalizador DOC, tiempo de estancia que por hipotesis se supone identico para todas las especies gaseosas presentes en los gases de escape de las cuales especialmente los NOx.

Estimacion de la relacion Rno2 / no a la salida del catalizador de oxidacion.

Durante la estancia en el catalizador de oxidacion DOC, una parte de los NOx se oxidara a NO2. Las reacciones de reduccion que se producen en el catalizador de reductor catalltica se realizan bien con gas enriquecido en N02. Conviene por tanto estimar la relacion N02 / NO (Rno2 / no) a la salida el catalizador de oxidacion DOC.

Esta relacion depende por una parte de la dimension del catalizador de oxidacion DOC, del estado de envejecimiento del catalizador DOC y del tiempo de estancia de los gases en el catalizador de oxidacion. Se ha demostrado anteriormente como se podia estimar un factor de envejecimiento y el tiempo de estancia.

Los autores de la presente invencion han encontrado que esta relacion NO2/NO a la salida del catalizador de oxidacion puede ser considerada como independiente de la relacion NO2/NO a la entrada del catalizador, y dependiente solamente, por una parte, de la capacidad de oxidacion del catalizador de oxidacion y, por otra, del

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tiempo de estancia de los gases en el catalizador. Para una eleccion de arquitectura dada, y un estado de envejecimiento dado, el unico parametro variable en funcionamiento de las condiciones de operacion del motor y que afectan a esta capacidad de oxidacion es la temperatura en el catalizador.

La figura 4 ilustra el modulo de estimacion de la relacion NO2/NO a la salida del catalizador de oxidacion.

Una primera cartografla 31 es utilizada para seleccionar un valor de relacion NO2/NO segun el tiempo de estancia de los gases 32 en el catalizador DOC. Este valor es corregido por un primer factor corrector, facilitado por una segunda cartografla 33 en funcion de la temperatura aguas abajo del DOC, siendo elegido este primer factor por ejemplo entre 0 y 1.

El envejecimiento del catalizador DOC afecta sus caracterlsticas al menos en dos planos: por una parte, su temperatura de activacion aumenta y, por otra, por encima de de esta temperatura de activacion, la capacidad de oxidacion se degrada. Se podran utilizar por tanto dos cartograflas especlficas para probar si el catalizador DOC opera bien en un intervalo de temperatura adaptado y para asignar un segundo factor corrector, elegido de nuevo entre 0 y 1, para tener en cuenta esta degradacion de la capacidad de oxidacion. Ventajosamente, este segundo factor corrector puede ser diferente a baja y alta temperatura, para tener en cuenta de que para las bajas temperaturas (justo por encima de la temperatura de activacion), la degradacion es mayor que para las temperaturas mas elevadas, de modo que el envejecimiento de un catalizador es tanto mas penalizante cuanto mas baja es la temperatura.

Finalmente, la relacion es filtrada por un filtro de paso bajo de orden 1 para alisar la dinamica fuerte del tiempo de estancia, vinculada a las grandes variaciones del caudal en la llnea de escape.

Siendo estimada la relacion de NO2/NO, es posible comenzar a modelizar la reduccion en el catalizador SCR, suponiendo que esta relacion no varla entre la salida del catalizador de oxidacion DOC y la entrada del catalizador de reduccion SCR.

B - Determinacion de la masa de NH3 almacenada en el catalizador

Un mol de amoniaco inyectado aguas arriba de catalizador puede eventualmente ser « atrapado » por el catalizador SCR, transformado al reaccionar con los NOx o todavla atravesar el catalizador SCR sin ser transformado y encontrarse entonces aguas abajo del catalizador NH3.

El catalizador de reduccion tiene una gran afinidad por el amoniaco y por debajo de un cierto umbral mlnimo de carga en NH3, la reaccion de reduccion de los NOx por el amoniaco no es catalizada de modo significativo. Por otra parte, por encima de un umbral maximo de carga en NH3, se sobrepasa la capacidad de almacenamiento y se libera amoniaco por el catalizador, y hay que anadir este amoniaco liberado por el catalizador al que proviene de la inyeccion de reductor para evitar un exceso de amoniaco que se encontrarla entonces al final de la llnea de escape, anadiendose a los contaminantes emitidos por el vehlculo que por otra parte se busca minimizar.

Estos umbrales mlnimo y maximo dependen de la temperatura del catalizador y por son tanto mas bajos cuanto mas aumenta esta temperatura.

A cualquier temperatura de catalizador SCR corresponde por tanto una consigna optima de almacenamiento comprendida entre el umbral mlnimo y el umbral maximo, que eventualmente puede estimarse como igual a la media entre los umbrales mlnimo y maximo si se desea minimizar el numero total de cartograflas embarcadas. En cualquier instante, la cantidad de reductor que es inyectada es ajustada con el fin de estabilizar la cantidad de amoniaco almacenada a este nivel de consigna optimo.

Debera observarse que el amoniaco almacenado en el catalizador no se volatiliza despues de la parada del vehlculo, de modo que la masa modelizada puede ser ventajosamente memorizada al final de cada fase de rodaje para utilizarla como masa inicial durante el rodaje siguiente. Con este objetivo, se puede utilizar por ejemplo una memoria no volatil, en el ejemplo una memoria muerta borrable electricamente y programable de tipo eEpROM (acronimo de « Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory).

La masa de NH3 en el catalizador depende de la cantidad de amoniaco inyectada, y de la cantidad de NOx tratada por el catalizador, es decir la diferencia entre los caudales de NOx aguas arriba y aguas abajo del catalizador. En otras palabras, la masa de NH3 en el catalizador es obtenida integrando la velocidad de almacenamiento o de de desalmacenamiento (por reaccion de los NOx), poniendo como condicion a los llmites que esta masa sea como mlnimo igual a 0 g. Esta velocidad de almacenamiento depende principalmente de la cantidad de amoniaco inyectada en la llnea. Supongase que el amoniaco es inyectado en forma de una solucion acuosa con 32,5% (en masa) de urea. Por cada gramo de solucion, se puede calcular facilmente que se carga el catalizador con 0,184 g de catalizador.

La masa de NH3 en el catalizador es disminuida por la masa de los NOx que reaccionan en el mismo. Esta masa de NOx reacciona en funcion de la relacion estequiometrica. Para tener la masa de NH3, basta integrar la velocidad de almacenamiento o de desalmacenamiento del mismo (La masa minima es de 0 g).

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La figura 7 ilustra de modo mas preciso como puede implementarse este modelo en una unidad de control.

La masa NH3 modelizada en el catalizador puede ser igualmente reinicializada durante un rodaje en un nuevo valor por la estrategia de adaptacion o por una calibration.

Fuera de esta cantidad de amoniaco almacenada en el catalizador, se encuentra naturalmente en un momento dado una cantidad de amoniaco disponible para la reaction de reduction de los NOx. Si la relation Rno2/no es inferior a 0,5, se estima de acuerdo con la invention que un mol de oxidos de nitrogeno (NO o NO2) reacciona con un mol de amoniaco. Si esta relacion es superior a 0,5 mas de un mol de oxidos de nitrogeno reacciona con un mol de amoniaco, y una relacion estequiometrica indicada por RNH3/NOx puede ser definida como sigue:

Si Rno2/no <0,50 entonces Rnh3/nox = 1

Si no, Rnh3/no = (1+8(Rno2/no-0,50))/(1+6*(Rno2/no-0,50)).

C. Potencial de conversion del catalizador SCR

Por otra parte, la capacidad de reduccion del catalizador solamente puede expresarse si el catalizador SCR esta efectivamente a una temperatura superior a su temperatura de activation (por ejemplo del orden de un catalizador de tipo ceolita...), condition que no es satisfecha en los primeros instantes siguientes al arranque del motor.

Finalmente, esta capacidad depende de la temperatura del catalizador SCR y de la relacion NO2/NO a la entrada del catalizador.

A partir de una estimation de esta relacion NO2/NO y de la temperatura del catalizador, se puede por tanto definir un potencial de conversion maximo, en la hipotesis en que la consigna de inyeccion ha permitido respetar bien la consigna de almacenamiento de amoniaco por un parte, y la relacion Rnh3/nox.

Este potencial de conversion maximo refleja las condiciones reales instantaneas, por tanto una separation entre el mismo y la eficacia observada se traduce en un fallo de funcionamiento del sistema, fallo de funcionamiento que puede ser tenido en cuenta practicamente en tiempo real porque corresponde bien a las condiciones instantaneas que pueden no ser momentaneamente favorables para una buena conversion.

La figura 5 ilustra una utilization posible de este modelo. Los datos de entrada son en este caso en numero de 4: la carga inicial de amoniaco 41, el tiempo de estancia 42 de los gases de escape en el catalizador SCR, la temperatura del catalizador SCR 43 y la relacion Rno2/no.

La temperatura del catalizador no es homogenea, ni longitudinalmente ni transversalmente. Por otra parte, el catalizador SCR presenta una cierta inercia termica y su temperatura no puede ser confundida con la temperatura de los gases de escape. Por tanto, en este modulo, importa simplemente que esta temperatura sea estimada en un punto dado del catalizador.

La figura 6 muestra la forma de la variation de la eficacia de un catalizador SCR en funcion de su carga de amoniaco. La carga 41 puede ser por tanto convenida por medio de una cartografla o de una funcion de transferencia 45 en un potencial de conversion estimado.

Este valor se corregira una primera vez para tener en cuenta el tiempo de estancia de los gases en el catalizador y la temperatura del mismo, para reflejar el hecho de que la cinetica de la reaccion de reduccion es tanto mayor cuanto mas caliente esta el catalizador y la reaccion necesita un cierto lapso de tiempo, de modo que si el tiempo de estancia es recortado (caudal de gases de escape mas elevado en razon del aumento del regimen del motor), entonces la eficacia sera menor a isotemperatura. Esta correction es efectuada sobre la base de un factor comprendido entre 0 y 1 obtenido en 46.

Por otra parte, como se indico anteriormente, la eficacia de la conversion de los NOx depende igualmente de la relacion NO2/NO, otro factor multiplicativo comprendido entre 0 y 1 es por tanto determinada en 47, igualmente a partir de una cartografla apropiada.

La combination en 48 de los factores 46, 47 permite modular el potencial de conversion 45.

Eventualmente, como ilustra la figura 4, se tiene igualmente el factor de adaptacion 49 que refleja el hecho de que a veces es ventajoso elegir inyectar una cantidad de amoniaco un poco inferior a la cantidad que deberla permitir obtener los mejores resultados a fin de asegurarse un intervalo de tiempo mlnimo entre dos llenados del deposito de reductor.

El modulo permite estimar el potencial de conversion del catalizador y compararle con la eficacia nominal constada y tomar una decision - como por ejemplo la inmovilizacion del vehlculo o el paso de motor a modo degradado - si se considera que el sistema no funciona de modo nominal y necesita un mantenimiento para limitar los riesgos de contamination.

Este modulo puede ser utilizado tambien para corregir la consigna de carga de amoniaco como se propone en la solicitud de patente FR2931201, segun la cual cuando es detectada una anomalla del sistema SCR, en este caso una eficacia medida no conforme con las esperadas segun el modelo, se modifica la cantidad de agente reductor que hay que inyectar, y si la puesta en practica de este procedimiento conduce a un numero de modificaciones 5 sucesivas de igual naturaleza superior a un valor N predeterminado, se corrige el modelo matematico, y se reemplaza matematicamente el modelo inicial por el modelo corregido.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

REIVINDICACIONES

I.Procedimiento de control de un sistema de tratamiento de los NOx presentes en una ilnea de escape de un motor de combustion interna, comprendiendo el citado sistema medios para introducir en la ilnea de escape un agente reductor aguas arriba de un catalizador de reduccion de los NOx, caracterizado por que se estima la eficacia del tratamiento con respecto a un potencial inyectado de conversion de los NOx maximo obtenido si la relacion entre la cantidad de reductor inyectada y la cantidad de NOx en los gases respeta una consigna dada y si la masa de agente reductor almacenada en el catalizador respeta una consigna de almacenamiento dada, siendo estimada la citada masa

- sobre la base de una cartografla de base funcion de la temperatura de los gases de escape y de la relacion NO2/NO de los NOx, o

- integrando en funcion del tiempo la velocidad de almacenamiento del amoniaco inyectado en la llnea y la velocidad de desalmacenamiento del amoniaco por reaccion de los NOx, poniendo como condiciones a los llmites que esta masa no puede ser inferior a 0, siendo estimada la velocidad de desalmacenamiento suponiendo que la relacion estequiometrica Rnh3/nox de la reaccion de conversion de los NOx por el amoniaco depende de la relacion NO2/NO de los NOx del modo siguiente:

Si Rno2/no < 0,5 entonces Rnh3/nox = 1

Si no, Rnh3/nox = (1+ 8(Rno2/no-0,50))/(1+6*(Rno2/no-0,50)).
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que la velocidad de almacenamiento es estimada unicamente dependiente de la cantidad de amoniaco inyectada en la llnea.
3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que para un tipo de catalizador SCR dado, el potencial de conversion maximo es estimado a partir de una cartografla funcion de la temperatura del catalizador de reduccion SCR y de la relacion NO2/NO de los NOx a la entrada del catalizador SCR.
4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la relacion NO2/NO de los NOx es estimada a partir de una cartografla en funcion de la temperatura y del tiempo de estancia de los gases de escape en un catalizador de oxidacion aguas arriba dispuesto en la llnea de escape y aguas arriba del catalizador SCR.
5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 4, caracterizado por que el valor estimado a partir de la cartografla funcion del tiempo de estancia de los gases de escape en el catalizador de oxidacion DOC es corregido por un factor dependiente del estado de envejecimiento del catalizador DOC.
6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 5, caracterizado por que el factor de envejecimiento es definido como la relacion entre la duracion acumulada de exposicion por encima de una primera temperatura crltica que provoca una degradacion del catalizador de oxidacion y una duracion de referencia de exposicion a la primera temperatura crltica, para la cual la degradacion del catalizador es completa.
7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 6, caracterizado por que cuando el catalizador es expuesto a una segunda temperatura crltica, superior a la primera temperatura crltica, los tiempos de exposicion son multiplicados por un factor corrector superior a 1.
8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado por que el tiempo de estancia de los gases de escape en el catalizador de oxidacion DOC es estimado a partir de la temperatura y de la presion de los gases de escape a la salida del catalizador de oxidacion y del caudal de los gases de escape aguas arriba del catalizador de oxidacion.