ES2231404T3 - Procedimiento de deteccion del estado de un catalizador integrado en un tubo de scape de un motor de combustion interna. - Google Patents
Procedimiento de deteccion del estado de un catalizador integrado en un tubo de scape de un motor de combustion interna.Info
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Abstract
Un procedimiento de detección del estado de un catalizador (12), del tipo de trampa de NOx, integrado en una tubería de escape (10) de un motor (1) de combustión interna, caracterizado porque: - se mantiene la riqueza de la mezcla de aire/carburante del motor (1) en un valor inferior a la mezcla estequiométrica, durante un período de tiempo superior al período de tiempo del funcionamiento normal de la trampa de NOx, - se recicla hacia la admisión (4) del motor (1) una parte de los gases de escape, - se aumenta la cantidad de óxidos de nitrógeno emitida por el motor (1), para saturar el catalizador (12), - se establece el modelo del estado del catalizador (12), - se detecta el umbral de saturación de dicho catalizador (12), - tan pronto como se obtiene este umbral de saturación, se ajusta la riqueza de la mezcla de aire/carburante del motor (1) en un valor superior a la mezcla estequiométrica para regenerar el catalizador (12), - se mide la riqueza de los gases de escape en la salida del catalizador (12), - y tan pronto como la riqueza de los gases de escape es superior a la mezcla estequiométrica, se ajusta la riqueza de la mezcla de aire/carburante del motor (1) en dicho valor inferior de esta mezcla para detener la regeneración del catalizador (12).
Description
Procedimiento de detección del estado de un
catalizador integrado en un tubo de escape de un motor de combustión
interna.
La presente invención concierne a un
procedimiento de detección del estado de un catalizador integrado en
una tubería de escape de un motor de combustión interna, de gasolina
o diesel.
Los gases de escape de los motores de combustión
interna que funcionan con mezcla denominada "pobre", es decir,
con una riqueza de la mezcla de aire/carburante de un valor inferior
a la mezcla estequiométrica, contienen distintos contaminantes cuyas
emisiones a la atmósfera deben limitarse al máximo.
Estos contaminantes están constituidos
principalmente por monóxido de carbono CO, hidrocarburos sin quemar
HC y óxidos de nitrógeno NOx.
La reglamentación concerniente a las normas de
contaminación de los vehículos automóviles tiende a ser cada vez más
severa, de modo que tienden a ser cada vez más bajos los límites
superiores de emisión fijados para los diversos contaminantes en las
nuevas reglamentaciones.
Para satisfacer estas reglamentaciones, es
conocido intercalar en la tubería de escape, entre los conductos de
escape del motor y el silenciador, un convertidor catalítico que muy
frecuentemente está constituido por una carcasa o envoltura metálica
que contiene una estructura impregnada con un material catalizador
que presenta gran superficie de contacto con los gases de escape que
atraviesan el convertidor catalítico.
Por ejemplo, en el caso de los motores que
funcionan con mezcla pobre, estos sistemas de descontaminación están
constituidos generalmente por un catalizador del tipo de "trampa
de NOx".
Este tipo de catalizador no funciona en continuo
e implica una gestión particular del motor de combustión
interna.
Durante una primera fase, el motor funciona
normalmente con mezcla pobre y los óxidos de nitrógeno son
almacenados en el catalizador.
Sin embargo, después de cierto período de
utilización, una acumulación de óxido de nitrógeno en el catalizador
produce un descenso de la eficacia de este último.
Para evitar este descenso de rendimiento del
catalizador es necesario pasar a una segunda fase, denominada fase
de regeneración del catalizador. Durante esta fase se ajusta la
riqueza de la mezcla de aire/carburante del motor en un valor
superior a la mezcla estequiométrica de tal manera que disminuyen
los óxidos de nitrógeno, y por tanto se reducen en el catalizador.
Una sonda de oxígeno, del tipo todo o nada, situada tras este
catalizador permite controlar el fin de esta fase de
regeneración.
De este modo, la estrategia utilizada hasta el
presente permite asegurar, en un estado dado y conocido del
catalizador, el control de las emisiones de óxido de nitrógeno del
motor.
No obstante, el estado del catalizador puede
variar con el tiempo y esta variación provoca una degradación de las
prestaciones de dicho catalizador.
En efecto, el catalizador es sensible al azufre
contenido en el carburante y, al acumularse en este catalizador, el
azufre disminuye la eficacia de almacenamiento de óxidos de
nitrógeno.
Además, el catalizador, que está sometido a
oxidantes y/o temperaturas elevadas, envejece con el tiempo y sus
prestaciones se degradan.
La invención tiene por objeto proponer un
procedimiento de detección de las variaciones del estado de un
catalizador integrado en una tubería de escape de un motor de
combustión interna.
La invención tiene pues por objeto un
procedimiento de detección del estado de un catalizador, del tipo de
trampa de NOx, integrado en una tubería de escape de un motor de
combustión interna, caracterizado porque:
- se mantiene la riqueza de la mezcla de
aire/carburante del motor en un valor inferior a la mezcla
estequiométrica, durante un período de tiempo superior al período de
tiempo del funcionamiento normal de la trampa de NOx,
- se recicla hacia la admisión del motor una
parte de los gases de escape,
- se aumenta la cantidad de óxidos de nitrógeno
emitida por el motor, para saturar el catalizador,
- se establece el modelo del estado del
catalizador,
- se detecta el umbral de saturación de dicho
catalizador,
- tan pronto como se obtiene este umbral de
saturación, se ajusta la riqueza de la mezcla de aire/carburante del
motor en un valor superior a la mezcla estequiométrica para
regenerar el catalizador,
- se mide la riqueza de los gases de escape en la
salida del catalizador,
- y tan pronto como la riqueza de los gases de
escape es superior a la mezcla estequiométrica, se ajusta la riqueza
de la mezcla de aire/carburante del motor en dicho valor inferior de
esta mezcla para detener la regeneración del catalizador.
Según otras características de la invención:
- se aumenta la cantidad de óxidos de nitrógeno
emitida por el motor reduciendo la tasa de reciclado de los gases de
escape,
- se mide la riqueza de los gases de escape por
medio de una sonda de oxígeno, del tipo todo o nada, situada en la
tubería de escape a la salida del catalizador,
- se determina el estado del catalizador a partir
de las condiciones de saturación y de regeneración de dicho
catalizador,
- las condiciones de saturación del catalizador
se determinan en función de la temperatura del catalizador, de la
concentración de óxidos de nitrógeno en la salida del motor y del
caudal del motor durante la fase de saturación,
- las condiciones de regeneración del catalizador
se determinan en función del caudal del motor durante la fase de
regeneración, de la riqueza de referencia durante esta fase y del
tiempo transcurrido entre el comienzo de dicha fase y la variación
de la sonda de oxígeno,
- transcurre un tiempo determinado entre la
variación de la sonda de oxígeno y el paso a mezcla pobre, para
regenerar completamente el catalizador.
Las características y ventajas de la invención se
pondrán de manifiesto en la descripción que sigue, proporcionada a
título de ejemplo y con referencia a los dibujos anejos, en los
que:
- la figura 1 es una vista esquemática, de
alzado, de una tubería de escape de un motor de combustión interna
equipada con un catalizador de eliminación de los óxidos de
nitrógeno,
- la figura 2 representa curvas que muestran la
eficacia de conversión del catalizador en función del tiempo,
- la figura 3 representa una curva que muestra la
eficacia de conversión del catalizador en función de la temperatura
del material que constituye este catalizador,
- la figura 4 representa una curva que muestra el
umbral de saturación del catalizador en función del tiempo.
El procedimiento de detección del estado de un
catalizador, según la invención, se aplica de manera general a un
motor de combustión interna, de gasolina o diesel, que funciona con
mezcla pobre, es decir, con una riqueza de la mezcla de
aire/carburante del motor inferior a la mezcla estequiométrica.
A título de ejemplo, en la figura 1 se ha
representado un motor de cuatro cilindros y encendido controlado,
designado en conjunto mediante la referencia 1, y al cual está
asociado un sistema de inyección directa, no representado, que
asegura la inyección en los cuatro cilindros 1a, 1b, 1c y 1d del
motor.
De manera clásica, el sistema de inyección
directa está accionado por un sistema de alimentación de carburante
a alta presión, no representado, para cada uno de los cilindros 1a,
1b, 1c y 1d del motor 1. La culata está atravesada por un conducto
de admisión 2 de aire y por un conducto de escape 3 de los gases
para cada cilindro.
Cada uno de los conductos de admisión 2 de aire
está unido a un colector de admisión 4 provisto, en su entrada, de
una mariposa de admisión 5, y cada uno de los conductos de escape
está unido a un colector de escape 6 que recibe los gases de escape
de los cilindros 1a, 1b, 1c y 1d del motor 1.
Este motor 1 está asociado con una tubería
principal de escape, designada mediante la referencia general 10,
que está unida por uno de sus extremos al colector de escape 6 y que
comprende un precatalizador 11 dispuesto lo más cerca posible de la
salida de la culata del motor 1.
Este precatalizador 11 está destinado a oxidar el
monóxido de carbono y los hidrocarburos contenidos en los gases de
escape de mezcla pobre y le sigue un catalizador 12 realizado en
forma de trampa de NOx, es decir, un dispositivo de descontaminación
que permite eliminar los óxidos de nitrógeno de los gases de
escape.
Por otro lado, una parte de estos gases de escape
se recicla hacia el colector de admisión 4 con el fin de disminuir
la cantidad de óxidos de nitrógeno emitida por estos gases. La
técnica consiste pues en reinyectar, según las condiciones de
funcionamiento del motor 1, una parte de los gases de escape en las
cámaras de combustión de los cilindros 1a, 1b, 1c y 1d de dicho
motor 1, lo que tiene el efecto de reducir proporcionalmente la
cantidad de gas comburente y por tanto rebajar la temperatura de
combustión, de lo que resulta una disminución de la producción de
los NOx u óxidos de nitrógeno.
Con este fin, el motor 1 está equipado con una
tubería de reciclado 20 de los gases unida por uno 20a de sus
extremos a al menos un conducto de escape 3 y por su otro extremo
20b al colector de admisión 4 acoplado a los cilindros 1a, 1b, 1c y
1d.
La tubería de reciclado 20 está provista de una
válvula 21 de mando y de reglaje del reciclado de los gases de
admisión del motor 1.
Según las condiciones de funcionamiento de este
motor 1 se abre o se cierra la válvula 21 y, en función de la
posición de apertura de esta válvula 21, se reinyecta una parte más
o menos importante de los gases de escape en las cámaras de
combustión de los cilindros 1a, 1b, 1c y 1d, lo que tiene el efecto
de disminuir la producción de los óxidos de nitrógeno o NOx.
Tal como se ha representado en la curva A de la
figura 2, cuando comienza una fase de almacenamiento de los óxidos
de nitrógeno, el catalizador 12 o trampa de NOx está vacío y la
eficacia de conversión EO de este catalizador 12 es excelente si
este catalizador 12 se encuentra en su banda de temperaturas de
funcionamiento.
A título de ejemplo, la figura 3 representa la
eficacia de conversión EO del catalizador 12 en función de la
temperatura del material que constituye este catalizador 12 y esta
eficacia de conversión es máxima cuando la temperatura de este
material está comprendida entre 250 y 450ºC.
Por otro lado, tanto el envejecimiento térmico
como la contaminación del catalizador 12 por el azufre contenido en
el carburante, acarrean a una disminución de la capacidad de
almacenamiento de este catalizador 12 y por tanto una disminución de
la eficacia de conversión, como se ha representado con las curvas A1
y A2 de la figura 2.
Como muestra la curva representada en la figura
4, la curva de eficacia del catalizador 12 decrece fuertemente a
partir de cierto umbral de saturación.
En la utilización corriente del catalizador 12 y
con el fin de mantener buena capacidad de almacenamiento de los
óxidos de nitrógeno en este catalizador 12, se activa la
regeneración de dicho catalizador 12 a partir de un punto situado
por encima o en la proximidad de este umbral de saturación, de modo
que se obtenga buena eficacia media de conversión del catalizador
12. Esta disposición comporta los tiempos máximos de almacenamiento,
del orden de T1.
El envejecimiento del catalizador 12 ocasiona una
degradación que al principio es apreciable más allá del punto óptimo
de regeneración y que después resulta apreciable en toda la
extensión de la curva.
Para determinar el estado del catalizador 12,
debe observarse que el objetivo ya no es mantener la eficacia óptima
de conversión, sino estar seguro de haber almacenado los óxidos de
nitrógeno en la mayor parte de los sitios activos.
El catalizador 12 se satura pues mucho más allá
del estado de saturación que se utiliza en el servicio normal, lo
que comporta tiempos de almacenamiento iguales o superiores a T2,
tal como se representa en la figura 4.
El procedimiento según la invención consiste,
pues, en una estrategia de control del motor que permite determinar
el estado del catalizador 12. El conocimiento de este estado es
esencial para adaptar los reglajes de control del catalizador 12 o
para decidir sobre la necesidad de purgar el azufre contenido en
este catalizador.
Durante una primera fase, se satura completamente
el catalizador 12 con óxidos de nitrógeno aumentando el tiempo de
paso a mezcla pobre, respecto al funcionamiento normal del sistema.
Este tiempo se determina por medio de un modelo que es función de la
temperatura del catalizador, del caudal de los gases de escape y de
la concentración de los NOx en la salida del motor.
Así pues, durante esta fase, se mantiene la
riqueza de la mezcla de aire/carburante del motor 1 en un valor
inferior a la mezcla estequiométrica, de modo que permanezca
constantemente con mezcla pobre. Por la tubería de reciclado 20 y
abriendo la válvula 21 se recicla hacia la admisión del motor 1 una
parte de los gases de escape.
Por otra parte, para acelerar el fenómeno de
saturación del catalizador 12, se aumenta la cantidad de óxidos de
nitrógeno emitida por el motor 1, cerrando parcial o completamente
la válvula 21 para reducir la tasa de reciclado de los gases de
escape 20 por la tubería 20.
En cuanto los cálculos proporcionados por el
modelo indican que se ha alcanzado el umbral de saturación, se
gobierna el motor 1 de modo que se active una fase de regeneración
del sistema.
Para ello, se ajusta la riqueza de la mezcla de
aire/carburante del motor 1 en un valor superior a la mezcla
estequiométrica para regenerar el catalizador 12.
Se mide la riqueza de los gases de escape en la
salida del catalizador 12 por medio de una sonda de oxígeno 25, del
tipo todo o nada, situada en la tubería de escape 10 a la salida de
dicho catalizador 12. Esta fase de regeneración, prolongada respecto
una fase de regeneración normal, se mantiene hasta que la señal de
esta sonda de oxígeno 25 indique la presencia de gases que tengan
una riqueza superior a la mezcla estequiométrica.
Cuando la riqueza de los gases de escape es
superior a esta mezcla estequiométrica, se ajusta la riqueza de la
mezcla de aire/carburante del motor 1 en un valor inferior a esta
mezcla estequiométrica para que el motor funcione con mezcla pobre,
lo que hace que se detenga la regeneración del catalizador 12.
Si se desea asegurar que el catalizador esté
completamente regenerado, se puede dejar que transcurra un lapso de
tiempo adicional, por ejemplo del orden de 10 segundos, entre la
variación de la sonda y el paso a mezcla pobre.
Las condiciones de saturación de este catalizador
se determinan en función de la temperatura del material que compone
dicho catalizador, de la concentración de los óxidos de nitrógeno en
la salida del motor 1 y del caudal del motor 1 durante la fase de
saturación.
Por otra parte, las condiciones de regeneración
del catalizador se determinan en función del caudal del motor 1
durante la fase de regeneración, de la riqueza de referencia durante
esta fase y del tiempo transcurrido entre el comienzo de dicha fase
de regeneración y la variación de la sonda de oxígeno 25.
El conocimiento de las condiciones de saturación
de la trampa de NOx, por una parte, y de las condiciones de
regeneración del catalizador, por otra parte, permite calcular,
durante la fase de regeneración de este, un indicador del estado de
la trampa de NOx, mediante un modelo o con medidas previas.
El procedimiento según la invención permite
detectar el estado de una trampa de NOx integrada en una tubería de
escape de un motor de combustión interna que funcione con mezcla
pobre y adaptar las condiciones de funcionamiento de la trampa de
NOx a su estado real.
Claims (7)
1. Un procedimiento de detección del estado de un
catalizador (12), del tipo de trampa de NOx, integrado en una
tubería de escape (10) de un motor (1) de combustión interna,
caracterizado porque:
- se mantiene la riqueza de la mezcla de
aire/carburante del motor (1) en un valor inferior a la mezcla
estequiométrica, durante un período de tiempo superior al período de
tiempo del funcionamiento normal de la trampa de NOx,
- se recicla hacia la admisión (4) del motor (1)
una parte de los gases de escape,
- se aumenta la cantidad de óxidos de nitrógeno
emitida por el motor (1), para saturar el catalizador (12),
- se establece el modelo del estado del
catalizador (12),
- se detecta el umbral de saturación de dicho
catalizador (12),
- tan pronto como se obtiene este umbral de
saturación, se ajusta la riqueza de la mezcla de aire/carburante del
motor (1) en un valor superior a la mezcla estequiométrica para
regenerar el catalizador (12),
- se mide la riqueza de los gases de escape en la
salida del catalizador (12),
- y tan pronto como la riqueza de los gases de
escape es superior a la mezcla estequiométrica, se ajusta la riqueza
de la mezcla de aire/carburante del motor (1) en dicho valor
inferior de esta mezcla para detener la regeneración del catalizador
(12).
2. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se aumenta la cantidad de óxidos de
nitrógeno emitida por el motor reduciendo la tasa de reciclado de
los gases de escape.
3. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se mide la riqueza de los gases de
escape por medio de una sonda de oxígeno (25), del tipo todo o nada,
situada en la tubería de escape (10) a la salida del catalizador
(12).
4. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
determina el estado del catalizador (12) a partir de las condiciones
de saturación y de regeneración de dicho catalizador (12).
5. Un procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque las condiciones de saturación del
catalizador (12) se determinan en función de la temperatura de este
catalizador (12), de la concentración de los óxidos de nitrógeno en
la salida del motor (1) y del caudal del motor (1) durante la fase
de saturación.
6. Un procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque las condiciones de regeneración del
catalizador (12) se determinan en función del caudal del motor (1)
durante la fase de regeneración, de la riqueza de referencia durante
esta fase y del tiempo transcurrido entre el comienzo de dicha fase
de regeneración y la variación de la sonda de oxígeno (25).
7. Un procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque transcurre un tiempo determinado entre
la variación de la sonda de oxígeno (25) y el paso a mezcla pobre,
para regenerar completamente el catalizador.
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