ES2944836T3 - Método y dispositivo para controlar al menos un convertidor catalítico SCR de un vehículo - Google Patents

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Abstract

Método para controlar un convertidor catalítico SCR de un vehículo, que comprende una primera etapa de modelado de dicho al menos un convertidor catalítico SCR como una pluralidad de celdas de almacenamiento de NH3 (cell1, cell2,..., celln; cell1, cell2..celln, cell1 , celda2,..., celdan), un segundo paso de controlar solo una primera (celda1) de dicha pluralidad de celdas de almacenamiento, de acuerdo con el control de retroalimentación basado en un valor de referencia, y un tercer paso de adaptar dicho valor de referencia en base de un nivel de almacenamiento de al menos otra celda de almacenamiento de dicha pluralidad de celdas de almacenamiento, donde dicha primera celda de almacenamiento está dispuesta en una entrada de dicho convertidor catalítico SCR según una circulación de gas de escape. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y dispositivo para controlar al menos un convertidor catalítico SCR de un vehículo
Campo técnico de la invención
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método y dispositivo para controlar al menos un convertidor catalítico SCR de un vehículo, en particular en el campo de los motores de combustión de vehículos.
Descripción del estado de la técnica
Muchos motores de combustión que deben cumplir la legislación actual y futura sobre emisiones utilizan un sistema de reducción catalítica selectiva (SCR, por sus siglas en inglés) para reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx, por sus siglas en inglés).
En los sistemas operativos actuales, se inyecta una solución de urea en los gases de escape ascendentes del catalizador SCR. La urea se transforma en amoniaco (NH3), que a su vez reduce los NOx a nitrógeno (N2) y agua (H2O) inocuos en el catalizador SCR. Las reacciones químicas relevantes se producen tras la adsorción del amoníaco en la superficie del catalizador. Generalmente, la eficiencia de conversión de NOx del catalizador SCR depende de la cantidad de amoníaco almacenado (es decir, adsorbido), la temperatura, la velocidad espacial, es decir, el recambio de gas en el catalizador por unidad de tiempo, la relación NO2/NO del NOx y otras condiciones. La temperatura y la velocidad espacial suelen depender del funcionamiento del motor y no pueden ser influidas directamente por el controlador SCR. La cantidad de amoníaco almacenado suele ajustarse mediante un controlador específico, que controla el nivel estimado de amoníaco. La relación NO2/NO depende del rendimiento de un catalizador de oxidación diésel (DOC, por sus siglas en inglés) y de un filtro de partículas diésel (DPF, por sus siglas en inglés) dispuesto antes del catalizador SCR.
Los sistemas de control SCR actuales utilizan un modelo donde el catalizador SCR se modela como un tanque de almacenamiento de NH3. La cantidad de NH3 almacenado se calcula a partir de la urea inyectada y de la cantidad de NH3 consumida por las reacciones SCR. A continuación, la cantidad de amoniaco almacenado se ajusta de forma que se alcance la eficiencia de conversión de NOx deseada. A continuación, se utiliza un bucle de control externo que utiliza un dispositivo de medición de NOx para ajustar la cantidad de urea inyectada de forma que converjan la eficiencia medida de conversión de NOx estimada, mediante un modelo.
US2009/0049827 divulga un sistema de control de emisiones que incluye un controlador de alimentación configurado para calcular una cobertura superficial dependiente espacialmente del agente reductor en el catalizador SCR y detiene sustancialmente la inyección del agente reductor cuando la cobertura superficial dependiente espacialmente del agente reductor excede una cobertura superficial máxima del agente reductor en una o más ubicaciones espaciales.
Un observador de cobertura superficial incluye un modelo del catalizador SCR y actúa como memoria del controlador de alimentación. El observador de cobertura superficial incluye dos celdas dispuestas en serie que se utilizan para calcular la cobertura superficial en un área del catalizador que cada celda representa. Se determina un valor máximo de cobertura superficial para la primera celda utilizando una tabla de consulta y se compara con la cobertura superficial calculada para la primera celda. Si el valor de cobertura de superficie calculado es superior a la cobertura de superficie máxima, el observador de cobertura de superficie reduce la cantidad de amoniaco que se debe inyectar en un valor determinado.
Los sistemas de control de la técnica anterior tienen por objeto controlar el nivel de almacenamiento, especialmente para evitar el deslizamiento del NH3.
Para limitar el deslizamiento del NH3, es decir, la dispersión de un exceso de NH3 en los gases de escape, se puede aplicar un cálculo paralelo.
La figura 1 corresponde a la figura 2 del documento WO2011076839A1 y describe un ejemplo de conducto de escape físico 1 que comprende un catalizador SCR real 2, un módulo de dosificación de urea 3, un sensor de NOx 4, un sensor de NH35 y sensores de temperatura ascendente y descendente 6, 7.
Se alimenta un modelo de almacenamiento de NH38 con las cantidades de entrada y salida físicamente relevantes, como el flujo másico de escape de entrada 9, la concentración de NOx (NO y NO2) del catalizador ascendente, la cantidad de urea inyectada y las temperaturas de escape ascendente y descendente.
Las salidas estimadas del sensor 10, respectivamente de NOx y NH3, se comparan con las salidas medidas de los sensores 4 y 5. A continuación, los errores se utilizan en un bucle de observador con una ganancia dada 11, para corregir las variables de estado de los modelos de estimación, que son las cantidades de amoníaco almacenado en cada célula, de forma que las salidas calculadas de los sensores converjan a las medidas.
La escasa normativa exige que el dispositivo de reducción de NOx, concretamente el sistema SCR, sea cada vez más rápido en términos de eficacia y rapidez. Por lo tanto, a menudo se requieren grandes dispositivos SCR o se implementa una cascada de dos catalizadores SCR y el sistema descrito en la figura 1 no es suficiente.
En el arranque en frío, el agente reductor a base de urea se descompone en el gas de escape caliente -termólisis- y en la superficie de entrada del catalizador -hidrólisis- hacia NH3. El NH3 formado se propaga entonces en la fase gaseosa desde la entrada hacia la salida del catalizador y se adsorbe en la superficie del catalizador, siempre que se produzcan lados libres de almacenamiento. Una vez que el NH3 se adsorbe en la superficie del catalizador, se producen las reacciones SCR para reducir las emisiones de NOx. La propagación del NH3 y la reducción del NOx conducen a una distribución axial fuertemente inhomogénea del NH3 en la superficie del catalizador.
De esta forma, en los arranques en frío, es bastante difícil conseguir una saturación rápida y precisa de NH3 en todo el sistema, lo que provoca una falta de eficiencia en la conversión de NOx.
Breve descripción de la invención
Por lo tanto, el objeto principal de la presente invención es proporcionar un método y un dispositivo para controlar un convertidor catalítico SCR de un vehículo que supere los problemas/desventajas anteriores.
Según otro aspecto de la presente invención, el catalizador SCR se considera dividido en una pluralidad de celdas en cascada, y mientras que el nivel de almacenamiento de la primera celda se controla con respecto a un punto de consigna, el nivel de almacenamiento de una de las celdas subsiguientes, preferentemente la última según una circulación de gases de escape, se utiliza para adaptar el mencionado punto de consigna de la primera celda.
La adaptación de la consigna implementada para controlar la primera celda, en función de al menos una de las celdas siguientes, permite conseguir una saturación óptima del SCR en el arranque en frío, independientemente del tamaño del catalizador SCR o de la implementación de dos o más catalizadores SCR en cascada, de hecho, incluso en este último caso, la primera celda del primer catalizador se controla mientras que la consigna implementada se adapta en función del nivel de almacenamiento de las celdas, preferentemente la última, del último catalizador SCR.
Dado que los recursos de cálculo y memoria de la ECU (Unidad de Control del Motor, por sus siglas en inglés) son limitados, una implementación ventajosa del presente método proporciona el paso de considerar el catalizador SCR como compuesto por varias celdas de almacenamiento, sin embargo, sólo se consideran dos o pocas celdas de almacenamiento para gestionar la distribución del almacenamiento de NH3 a través de todas dichas celdas de almacenamiento.
Por lo tanto, un enfoque de células múltiples es ventajoso, ya que la precisión se puede mejorar significativamente, sin embargo, los costes computacionales siguen siendo limitados.
Estos y otros objetivos se consiguen mediante un método y un dispositivo descritos en las reivindicaciones adjuntas, que forman parte integrante de la presente descripción.
Breve descripción de los dibujos
La invención se desprenderá claramente de la siguiente descripción detallada, dada a título meramente ejemplificativo y no limitativo, que se debe leer con referencia a las figuras de los dibujos adjuntos, en donde:
- La Fig. 1 un esquema de control SCR conocido,
- La Fig. 2 muestra un esquema de control basado en un modelo SCR según una primera realización de la presente invención;
- La Fig. 3 muestra un esquema de control basado en un modelo SCR según una segunda realización de la presente invención.
Los mismos números y letras de referencia en las figuras designan las mismas partes o partes funcionalmente equivalentes.
De acuerdo con la presente invención, el término "segundo elemento" no implica la presencia de un "primer elemento", primero, segundo, etc. se utilizan únicamente para mejorar la claridad de la descripción y no se deben interpretar de forma limitativa.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
El método y el dispositivo según la presente invención tienen por objeto controlar el almacenamiento correcto de NH3 en un convertidor catalítico SCR.
Como se aclara más adelante, un convertidor catalítico SCR puede incluir dos o más dispositivos SCR, por ejemplo, cada uno de los cuales incluye su propio envasado. De este modo, el método y el dispositivo de acuerdo con la presente invención son particularmente eficaces porque, según las circunstancias, dos o más dispositivos SCR, disponibles en el estante, pueden combinarse para definir un convertidor catalítico SCR. De este modo, una especie de dispositivo SCR global adecuado para almacenar NH3 y convertir NOx.
En cuanto a la solución divulgada en la técnica anterior, también la presente invención se basa en un modelado de células del almacenamiento del convertidor catalítico SCR.
Evidentemente, dicho modelo utiliza varias entradas de sensores reales o virtuales (modelados).
La capacidad de almacenamiento es seguramente función de la temperatura del SCR y de la velocidad espacial, que depende del punto de trabajo del motor.
El control del almacenamiento de NH3 pretende controlar sustancialmente el módulo de dosificación de agente a base de urea, dispuesto antes del catalizador SCR.
Con referencia a las figuras 2 y 3, el catalizador SCR físico se modela mediante un modelo de almacenamiento de NH3 que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de NH3.
Por "pluralidad" se entienden tres o más celdas.
De las figuras 2 y 3 se desprende claramente que el nivel de almacenamiento de NH3 disminuye de la primera a la última celda de almacenamiento de NH3 en función de la circulación de los gases de escape.
De este modo, por convención, denotaremos con celdal la celda de almacenamiento de NH3 dispuesta cerca de la entrada del modelo SCR y con Celdan la última celda de almacenamiento de NH3 dispuesta cerca de la salida del modelo SCR.
Un primer control de bucle se basa en el nivel de almacenamiento de NH3 cHN3,Celda1, que se compara con un valor de referencia cNH3,SPCorr y el error correspondiente se filtra a través del controlador Ctrl2 generando la señal de control rNH3. Un aumento de la señal de control rNH3 conduce a un aumento de la cantidad de agente a base de urea inyectada dentro del módulo de dosificación y viceversa.
Según la presente invención, el bucle anterior es un bucle interno. De hecho, un bucle externo aprovecha el nivel de almacenamiento de NH3 en una celda de almacenamiento de NH3 posterior Celda2...Celdan para ajustar el valor de referencia cNH3,SPCorr.
De hecho, el valor de referencia mencionado no es un valor de consigna fijo, sino un valor de consigna variable en respuesta al nivel de almacenamiento de NH3 cNH3,Celdax de una de las celdas de almacenamiento de NH3 posteriores mencionadas anteriormente.
El nivel de almacenamiento de NH3 cNH3,Celdax se compara con un valor de referencia fijo cNH3,SP y el error generado por la comparación se filtra a través del controlador Ctrl 1.
Leyenda:
cNH3,SP = punto de consigna fijo del nivel de NH3
cNH3,SPCorr = punto de consigna variable del nivel de NH3 para la primera celda de SCR1: es una especie de punto de consigna corregido;
rNH3 = Concentración de gas NH3 solicitada, correspondiente a una señal de control para un módulo de dosificación de agentes a base de urea;
cNH3,Celda1 = Nivel de NH3 de la primera celda del SCR global;
cNH3,Celdax = Nivel de NH3 de la x-ésima celda del SCR global;
dmExh = Flujo másico de escape;
tExh = Temperatura de escape;
rNOx = Emisiones de NOx ascendentes;
rNOx,Salida = Emisiones de NOx descendentes;
Las cuatro últimas entradas dmExh, tExh, rNOx, rNOx,Salida se obtienen a partir de un sensor real o virtual y son necesarias para el modelo de almacenamiento de NH3 SCR.
Por ejemplo, las temperaturas de los gases de escape se suelen medir mediante sensores físicos de temperatura de bajo coste y las emisiones de NOx ascendentes se miden mediante un sensor físico de NOx.
Las emisiones de NOx descendentes se pueden estimar mediante un modelo de sensor de NOx, debido a la ambigüedad bien conocida en el sensor de NOx dispuesto de forma descendente del SCR debido a su sensibilidad al deslizamiento del NH3.
La figura 3 difiere de la figura 2 únicamente en la implementación de dos dispositivos SCR dispuestos en serie SCR1, SCR2.
En este caso, se modelan los dos dispositivos SCR y se considera que la pluralidad de celdas de almacenamiento de NH3 están distribuidas, preferentemente de forma equitativa en términos de capacidad de almacenamiento, junto con el convertidor catalítico SCR formado por los dos dispositivos SCR1 y SCR2.
El mismo concepto se puede aplicar también a la cascada de tres o más dispositivos SCR.
En este caso, la primera celda de almacenamiento de NH3 Celda1 del primer SCR1, según la circulación de escape, y las celdas de almacenamiento de NH3 del último dispositivo SCR.
El ajuste del punto de consigna del bucle interno sobre la base del nivel de almacenamiento de NH3 de las últimas celdas de almacenamiento de NH3 permite obtener una rápida saturación de NH3 en el arranque en frío, es decir, en una condición en donde hay un fuerte almacenamiento no homogéneo de NH3.
Está claro que la gestión del módulo de dosificación basado en urea puede realizarse según la presente invención, mediante una unidad de control, preferiblemente la misma unidad de control ECU dispuesta para controlar el motor diésel. De acuerdo con los dos esquemas basados en modelos de las figuras 2 y 3, se divulga un interruptor adecuado para retroalimentar el nivel de almacenamiento de NH3 de un grupo de celdas de almacenamiento de NH3. Dicho grupo de celdas de almacenamiento de NH3 incluye sustancialmente las dos últimas tres celdas del convertidor catalítico SCR. Esto significa que, cuando se implementa más de un dispositivo SCR, las últimas celdas pertenecen al último dispositivo SCR. De acuerdo con la presente descripción, los términos primero, segundo, etc., referidos a los dispositivos SCR y a las celdas de almacenamiento de NH3 indican la disposición correspondiente junto con la línea de escape del motor, de este modo primero es el primer dispositivo o celda s Cr que se encuentra con los gases de escape.
Esto implica que la primera celda de almacenamiento de NH3 está dispuesta a la entrada del convertidor catalítico SCR, mientras que la última celda está dispuesta sustancialmente a la salida del convertidor catalítico SCR.
Esta invención se puede implementar ventajosamente en un programa de ordenador que comprende medios de código de programa para realizar uno o más pasos de dicho método, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador. Por esta razón, la patente también cubrirá dicho programa de ordenador y el soporte leíble por ordenador que comprende un mensaje grabado, dicho soporte leíble por ordenador que comprende los medios de código de programa para realizar uno o más pasos de dicho método, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.
Muchos cambios, modificaciones, variaciones y otros usos y aplicaciones de la invención se harán evidentes a los expertos en la materia después de considerar la especificación y los dibujos adjuntos que revelan realizaciones preferidas de la misma.
No se describirán más detalles de implementación, ya que el experto en la materia es capaz de llevar a cabo la invención a partir de la enseñanza de la descripción anterior.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Método para controlar un convertidor catalítico SCR de un vehículo, que comprende un primer paso para modelar dicho al menos un convertidor catalítico SCR como una pluralidad de celdas de almacenamiento de NH3 (celda1, celda2,..., celdan; celda1, celda2..celdan, celda1, celda2,..., celdan), un segundo paso para controlar sólo una primera (celda1) de dicha pluralidad de celdas de almacenamiento, de acuerdo con un control de realimentación basado en un valor de referencia, y un tercer paso de adaptación de dicho valor de referencia sobre la base de un nivel de almacenamiento de al menos otra celda de almacenamiento de dicha pluralidad de celdas de almacenamiento, en donde dicha primera celda de almacenamiento está dispuesta en una entrada de dicho convertidor catalítico SCR de acuerdo con una circulación de gases de escape.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho catalizador SCR incluye dos o más dispositivos SCR conectados en cascada, identificando un primer dispositivo SCR (SCR1) y un último dispositivo SCR (SCR2) según dicha circulación de gases de escape, y donde dos o más dispositivos SCR se modelan incluyendo dicha pluralidad de celdas de almacenamiento distribuidas junto con dichos dos o más dispositivos SCR y donde dicha primera celda de almacenamiento (celda1) está dispuesta en una entrada de dicho primer dispositivo SCR y donde dicha otra celda de almacenamiento pertenece a dicho último dispositivo SCR (SCR2).
3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde dicha otra celda de almacenamiento es la última celda de almacenamiento (celdan) de dicha pluralidad de celdas de almacenamiento.
4. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho valor de referencia se eleva proporcionalmente para aumentar el almacenamiento de NH3 dentro de dicha otra celda de almacenamiento de NH3.
5. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha otra celda de almacenamiento de NH3 es la última celda de almacenamiento de NH3 de dicho convertidor catalítico SCR.
6. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 - 4, en donde dicha otra célula de almacenamiento de NH3 se selecciona iterativamente dentro de las dos o tres últimas células de almacenamiento de NH3 de dicho catalizador SCR.
7. Dispositivo de acuerdo con controlar un catalizador SCR de un vehículo, que comprende una unidad de control configurada para ejecutar el método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
8. Programa de ordenador que comprende medios de código de programa de ordenador adaptados para realizar todos los pasos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.
9. Un medio leíble por ordenador que tiene un programa grabado en el mismo, dicho medio leíble por ordenador que comprende medios de código de programa de ordenador adaptados para realizar todos los pasos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.
10. Motor diesel de combustión que incluye un sistema de tratamiento posterior dispuesto para tratar los contaminantes contenidos en los gases de escape producidos por el motor diesel, el sistema de tratamiento posterior que incluye un convertidor catalítico SCR y una unidad de control del motor configurada para controlar el motor diesel y para controlar el almacenamiento de NH3 dentro de dicho convertidor catalítico SCR de acuerdo con todos los pasos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 6.
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