ES2292042T3 - Metodo de control de la inyeccion de un agente reductor de los gases de escape de un motor de combustion interna. - Google Patents

Metodo de control de la inyeccion de un agente reductor de los gases de escape de un motor de combustion interna. Download PDF

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Abstract

Un método para controlar la inyección de un reductor a una corriente de gases de escape conteniendo NOx de un motor de combustión, donde el NOx es reducido por reducción catalítica selectiva, SCR, en presencia de un catalizador SCR, incluyendo los pasos de establecer una señal relacionada con el flujo de gases de escape; establecer una señal relacionada con la concentración de NOx en la corriente de gases de escape hacia arriba del catalizador SCR; establecer una señal relacionada con la temperatura de los gases de escape hacia arriba del catalizador SCR; establecer una señal relacionada con la temperatura de los gases de escape hacia abajo del catalizador SCR; calcular un flujo de NOx molar en la corriente de gases de escape hacia arriba del catalizador SCR y establecer una señal relacionada con el flujo de NOx molar; calcular una conversión de NOx en el catalizador y establecer una señal relacionada con la conversión de NOx; calcular una cantidad requerida de reductor y establecer una señal relacionada con la cantidad necesaria de reductor; ajustar la cantidad necesaria de reductor; establecer una señal relacionada con una cantidad ajustada de reductor; usar la señal relacionada con la cantidad ajustada de reductor para dosificar la cantidad ajustada de reductor; e inyectar la cantidad ajustada de reductor a los gases de escape; donde la cantidad necesaria de reductor es ajustada por el cálculo de un valor d(E*T)/dt, donde t es el tiempo, E es el flujo de gases de escape, y T es la temperatura de los gases de escape hacia arriba del catalizador SCR y establecer una señal relacionada con el valor d (E*T) /dt; y calcular la cantidad ajustada de reductor por medio de las señales en respuesta a la cantidad necesaria de reductor y del valor d(E*T)/dt.

Description

Método de control de la inyección de un agente reductor de los gases de escape de un motor de combustión in-
terna.
Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención
La invención se refiere a un método para controlar una corriente conteniendo un componente, que participa en una reacción catalítica y que se adsorbe en el catalizador.
La invención se refiere en concreto al control de la inyección de un reductor a los gases de escape, donde los óxidos de nitrógeno formados son reducidos selectiva y catalíticamente y donde el componente reductor es adsorbido en o desorbido de la superficie del catalizador. Tanto el componente reductor como los óxidos de nitrógeno deben ser evitados en el efluente del catalizador.
La invención es especialmente útil para purificar los gases de escape de motores de combustión en vehículos, donde los óxidos de nitrógeno son reducidos por amoníaco posiblemente inyectados como una solución acuosa de amoníaco o urea.
2. Descripción de la técnica relacionada
La depuración de los gases de escape ya se realiza de muchas formas. Una forma se describe en la Patente de Estados Unidos número 6.427.439, donde la depuración de gases de escape se lleva a cabo reduciendo catalíticamente los óxidos de nitrógeno, NO_{x}. La adición del agente reductor es controlada por un controlador electrónico del motor, EEC, que determina la cantidad de reductor a añadir proporcional a la concentración de NO_{x}, cuando esta concentración es superior a un valor predeterminado. Cuando la concentración de NO_{x} es inferior y la cantidad de amoníaco adsorbido es menor que la capacidad de amoníaco del catalizador, la cantidad de reductor añadido es una cantidad predeterminada. El EEC usa señales de mediciones de la concentración de NO_{x}, la concentración de NH_{3}, la temperatura, la velocidad del motor y la carga del motor para el cálculo de la cantidad de NH_{3} adsorbido en la superficie del catalizador y de adición de reductor al tiempo del cálculo. Sin embargo, esto significa que muchas mediciones diferentes y cálculos están implicados en un vehículo donde la carga del motor incrementa y disminuye frecuente y rápidamente.
En la Patente de Estados Unidos número 5.628.186 se describe otro método para adición de un agente reductor. La adición se controla detectando parámetros de operación del motor y el catalizador en los gases de escape y determinando posteriormente a partir de la medición de NO_{x} la cantidad necesaria de NH_{3} y ajustándola posteriormente a partir del rendimiento del catalizador. La temperatura se calcula a partir del rendimiento del motor. Esto requiere varios pasos de cálculo.
La estrategia de inyección para adición de reductor del proceso de la Patente de Estados Unidos número 6.119.448 usa mediciones similares, además de incluir un motor de referencia en los cálculos.
También la Patente de Estados Unidos número 5.950.422 describe un método de depuración de gases de escape. Los cálculos similares de la cantidad de reductor a añadir se llevan a cabo dividiendo el volumen del catalizador en varias regiones secundarias, donde posteriormente se llevan a cabo los cálculos para cada región secundaria.
Aunque se conocen en la técnica gran número de métodos para controlar la adición de reductor a gases de escape, todavía hay que mejorar la conversión de NO_{x} mediante la adición controlada de un reductor con el fin de evitar el escape perjudicial del reductor al entorno.
Resumen de la invención
Consiguientemente, un objeto de la invención es proporcionar un método y un sistema para controlar la inyección de un reductor a unos gases de escape de un motor de combustión. El método se basa en mediciones simples y fiables para obtener una señal para la regulación del flujo de solución de agente reductor, que siempre se corrige rápidamente de manera que corresponda a cambios en la operación del motor de combustión.
La invención se refiere a un método para controlar la inyección de un reductor a una corriente de gases de escape conteniendo NO_{x} de un motor de combustión, donde el NO_{x} es reducido por reducción catalítica selectiva, SCR, en presencia de un catalizador SCR.
El método incluye pasos de establecer señales relacionadas con el flujo de gases de escape, con la concentración de NO_{x} en la corriente de gases de escape hacia arriba del catalizador SCR y con la temperatura de los gases de escape hacia arriba y hacia abajo del catalizador SCR.
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El método incluye además los pasos de calcular un flujo de NO_{x} molar en la corriente de gases de escape hacia arriba del catalizador SCR, una conversión de NO_{x} en el catalizador, una cantidad requerida de reductor y de ajustar la cantidad necesaria de reductor en respuesta a las señales.
El método incluye además los pasos de establecer señales relacionadas con el flujo de NO_{x} molar, la conversión de NO_{x}, la cantidad necesaria de reductor y con una cantidad ajustada de reductor.
La cantidad necesaria de reductor se ajusta por el método de la invención calculando un valor d(E*T)/dt, donde
t es el tiempo,
E es el flujo de gases de escape, y
T es la temperatura de los gases de escape hacia arriba del catalizador SCR y estableciendo una señal relacionada con el valor d(E*T) /dt. Esta señal y la señal en respuesta a la cantidad necesaria de reductor se usan para calcular la cantidad ajustada de reductor.
La señal relacionada con la cantidad ajustada de reductor se usa para dosificar la cantidad ajustada de reductor, que es inyectado a los gases de escape.
La invención también se refiere a un sistema de gases de escape usando el método de control, donde el sistema contiene un catalizador SCR, una boquilla de inyección hacia arriba del catalizador y dispositivos sensores, donde los dispositivos sensores constan de un sensor para medir la concentración de NO_{x} hacia arriba del catalizador; sensores para medir dos del flujo másico del aire de combustión, el flujo másico del carburante y la concentración de O_{2} en gases de escape o un sensor para medir el flujo másico de gases de escape hacia arriba del catalizador, y además un sensor para medir la temperatura de los gases de escape hacia arriba del catalizador y un sensor para medir la temperatura de los gases de escape hacia abajo del catalizador.
La ventaja es que usando solamente cinco señales de instrumento y un parámetro que describe la tasa del cambio del producto de flujo de gases de escape y la temperatura del catalizador, se obtienen correcciones muy rápidas y fiables de la señal para inyección del reductor. Esto asegura máxima conversión de NO_{x} y evita simultáneamente la salida de NH_{3} del catalizador.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un dibujo esquemático de un sistema de escape de motor de combustión con inyección de una solución de un reactivo a la corriente de gases de escape hacia arriba de un catalizador.
La figura 2 es un diagrama de bloques que representa las mediciones y principios para el cálculo de la cantidad de reactivo a inyectar a la corriente de gases de escape.
Descripción detallada de la invención
Una combustión completa de un carburante CH_{x} en motores de combustión sería:
(1)CH_{x} + (1+x/4) \ O_{2} \rightarrow CO_{2} + x/2 \ H_{2}O
donde O_{2} es oxígeno en el aire de combustión.
En vehículos movidos por motor diesel la combustión tiene lugar con una cierta cantidad de aire excedente. Esto da lugar a la formación de óxidos de nitrógeno, NO_{x} en los gases de escape, que es una seria contaminación para el entorno.
El NO_{x} puede ser reducido por amoníaco, NH_{3}, que sin embargo es difícil de almacenar en vehículos, y por lo tanto se prefiere una solución acuosa de amoníaco o urea, H_{2}NCONH_{2}, como un agente reductor.
El amoníaco se forma cuando la urea se descompone al ser rociada a los gases de escape calientes según la reacción siguiente:
(2)H_{2}NCONH_{2} + H_{2}O \rightarrow 2 \ NH_{3} + CO_{2}
La mezcla de gases de escape y reductor, amoníaco, pasa posteriormente por un catalizador donde los óxidos de nitrógeno, monóxido de nitrógeno, NO y dióxido de nitrógeno, NO_{2}, reaccionan con el amoníaco para formar nitrógeno y agua según al menos las reacciones siguientes:
(3)4 \ NO + 4 \ NH_{3} + O_{2} \leftrightharpoons 4 \ N_{2} + 6 \ H_{2}O
(4)6 \ NO_{2} + 8 \ NH_{3} \leftrightharpoons 7 \ N_{2} + 12 \ H_{2}O
Los procesos de reducción son reacciones de equilibrio y el equilibrio depende de la temperatura, el volumen del catalizador, la actividad del catalizador y la concentración de los componentes presentes. Por ello, no es posible convertir todo el NO_{x}, solamente se puede convertir una cantidad máxima teórica.
Como se aprecia en las reacciones (3) y (4), es importante inyectar la cantidad correcta de amoníaco o solución de urea a los gases de escape calientes. Debe haber suficiente amoníaco para obtener una conversión lo más alta po-
sible.
Por otra parte, el excedente de amoníaco, que da lugar a escape de amoníaco del catalizador y a la atmósfera, debe ser evitado.
Durante la reacción una cierta cantidad de amoníaco es adsorbida en la superficie del catalizador. Cuando las condiciones de reacción, especialmente el flujo de gases de escape y la temperatura, cambien debido a un cambio en las condiciones de carga/operación del motor, se producirá desorción o adsorción incrementada que dará lugar a falta o exceso de amoníaco. Esto dará lugar a una conversión incompleta de NO_{x} o a salida de NH_{3} a la atmósfera. Por lo tanto, es muy importante inyectar la cantidad correcta de urea/amoníaco a los gases de escape y ajustar esta cantidad muy rápida y exactamente durante las variaciones de la operación del motor.
La invención proporciona un método y un sistema para una inyección exacta de solución de urea a los gases de escape. El método incluye cinco mediciones y cuatro pasos para la determinación de los parámetros principales y enviar una señal correcta y actualizada a una válvula de control del flujo de solución de urea, bomba dosificadora u otro dispositivo de control.
El primer paso es el cálculo del flujo de NO_{x} en los gases de escape, el segundo paso es un cálculo de la conversión de NO_{x}, el tercer paso es una determinación de la cantidad teórica requerida de reductor y el cuarto paso es una determinación de la cantidad de reductor real necesaria mediante la utilización de un filtro basado en evento. Los cálculos implicados se realizan con una frecuencia de entre 5 y 30 Hz, es decir, se lleva a cabo un bucle de cálculo entre 33 y 200 ms.
Un ejemplo de un uso específico de la invención se representa en la figura 1. En un motor diesel 1 tiene lugar la combustión de carburante 2, formando el aire 3 la corriente de gases de escape 4, que contiene un cierto cantidad de NO_{x} y O_{2} debido a exceso de aire añadido. El agente reductor, preferiblemente una solución acuosa de urea 5, se almacena en un depósito e inyecta a la corriente de gases de escape a través de la boquilla 6. La solución de urea en la corriente de gases de escape calientes se descompone inmediatamente en NH_{3} y CO_{2} según la reacción (2) dando lugar a la corriente de gases de escape 7, que se pasa a través de un catalizador 8, donde tiene lugar una reducción catalítica selectiva de NO_{x} por NH_{3} a N_{2}.
El aire que va del compresor de aire 9 a la urea se usa para empujar la solución de urea a través de la boquilla 6 y para obtener una buena atomización de la solución.
El contenido de O_{2} en la corriente 4 es medido por el analizador 11 y el contenido de NO_{x} por el analizador 12, mientras que las temperaturas a la entrada y salida del catalizador son medidas por instrumentos de temperatura 14 y 15, respectivamente.
El flujo de aire 3 al motor 1 es medido por el instrumento de flujo 17 y el flujo de solución de urea es regulado por la válvula 18. Las señales de los instrumentos de medición son recibidas por una unidad electrónica de control, UEC, 19, que crea una señal exacta actualizada para la válvula de control 18.
Una realización específica de la invención se representa en la figura 2. El paso 1 es un cálculo estequiométrico de la cantidad de NO_{x} creado por la combustión y calculada como moles/horas. El cálculo se basa en la medición de aire de combustión medido como kg/h, la medición de O_{2} contenido en gases de escape medido como % volumétrico y el NO_{x} contenido medido como ppm por volumen.
El cálculo del flujo de NO_{x} se puede llevar a cabo usando diferentes métodos. Un método se basa, como antes, en usar el flujo másico de aire al motor, el contenido de oxígeno de los gases de escape y el NO_{x}, es decir, las concentraciones de NO y NO_{2} en los gases de escape. Esto se puede obtener mediante un sensor o mediante mapas de motor. El cálculo estequiométrico se basa en el supuesto de una combustión completa de un carburante con la fórmula general CH_{x} con aire para formar CO_{2} y H_{2}O según la reacción 1. Conocida la composición del carburante, conociendo el contenido de oxígeno de los gases de escape y uno del flujo másico de aire o el flujo de carburante al motor, se puede calcular el flujo de gases de escape. El flujo de gases de escape también se puede basar en la medición de carburante y el flujo de aire de combustión o en la medición de caída de presión a través del catalizador. Además, el flujo másico de los gases de escape puede ser medido directamente por un sensor, que entonces se instala en un gas con temperatura alta. Alternativamente, la concentración de NO_{x} puede ser introducida directamente en el paso 1 del sistema de control de motor.
El paso 2 calcula la conversión de NO_{x} máxima posible o deseada en base a las mismas tres mediciones que el paso 1 más la medición de la temperatura de los gases de escape que entran y salen del catalizador. Se dan puntos de referencia para parámetros como datos del catalizador y cinética de reacción, así como opcionalmente una conversión máxima deseada.
El cálculo cinético de la estrategia de inyección se basa en un modelo de reactor tubular, que además del cálculo de la reacción química, también incluye cálculos para transferencia de masa exterior (transferencia de película) y difusión de poros dentro del catalizador. El modelo de reactor cinético calcula la conversión máxima posible de NO_{x} sobre el catalizador que se puede lograr para un punto dado de operación del motor. Las entradas para el cálculo son el flujo de gases de escape, el flujo de NO_{x}, la concentración de O_{2}, las temperaturas y una salida de NH_{3} predeterminada. El flujo de gases de escape y el flujo de NO_{x} se obtienen en la misma forma que en el paso 1, como el flujo de gases de escape se determina durante el paso 1. La salida de NH_{3} se pone juntamente con los datos del catalizador, tal como volumen del catalizador, la longitud, el vacío, el diámetro hidráulico, la actividad del catalizador y los parámetros cinéticos para las reacciones antes mencionadas. En la parte cinética se podría poner una conversión máxima permitida como parte de la estrategia de inyección.
La conversión máxima permitida puede ser usada para afinar el sistema para motores donde se requieren diferentes reducciones de NO_{x} para alcanzar un objetivo legislativo. Alternativamente, se puede lograr una reducida eficiencia de la reducción de NO_{x} con el sistema reduciendo de forma ficticia el volumen del catalizador en el conjunto de datos para los cálculos.
Los resultados de los pasos 1 y 2 se usan en el paso 3 para obtener la cantidad teóricamente requerida de solución de urea a inyectar en un cierto momento.
Esta cantidad teórica se ajusta además en el filtro basado en eventos, paso 4, basado en la medición de la temperatura de los gases de escape que entran en catalizador, la medición del flujo de aire y la medición de O_{2} y en la determinación de flujo de gases de escape como en el paso 2 con el fin de evitar el escape de amoníaco o NO_{x} durante condiciones transitorias.
La cantidad de amoníaco adsorbido en la superficie del catalizador cambia especialmente con los cambios en el flujo de gases de escape y la temperatura. El filtro toma en consideración los datos históricos del catalizador con el fin de prever la capacidad de adsorción/desorción de NH_{3} del catalizador. Si las condiciones del catalizador son tales que puede tener lugar una gran desorción de amoníaco, parte de la inyección de urea calculada (paso 3) se retiene y almacena en la memoria del algoritmo de inyección. Por otra parte, si las condiciones son favorables para la adsorción de NH_{3} en el catalizador, la inyección real de urea puede ser incrementada hasta que se agote la cantidad de urea almacenada en la memoria. Esto sirve para asegurar que el equilibrio de masa en el tiempo sea correcto.
El filtro determina en cualquier momento los cambios en el producto de flujo de gases de escape y la temperatura, d(E*T)Idt, donde
E es el flujo de gases de escape,
T es la temperatura, y
T es el tiempo.
Si d(E*T)/dt es positivo, el flujo y/o la temperatura están aumentando, haciendo favorable la desorción de amoníaco del catalizador, una parte de la urea calculada se retiene y almacena para uso posterior. La urea retenida es reinyectada cuando el cambio en el producto es negativo, es decir, el flujo y/o la temperatura están disminuyendo, haciendo así favorable la adsorción de amoníaco en el catalizador.
Dichas mediciones son realizadas por sensores, que están disponibles comercialmente.
Con el método de la invención, la cantidad de solución de urea inyectada se ajusta inmediatamente, se evita el escape de NH_{3} del catalizador y simultáneamente se obtiene máxima conversión de NO_{x} en cualquier carga variable del motor.
La estrategia de inyección puede ser afinada para obtener una operación transitoria mejorada ajustando los parámetros del filtro basado en eventos.
En principio, se puede usar el mismo algoritmo de inyección para cualquier tipo de motor, el cumplimiento de las normas sobre emisiones es controlado por la determinación del volumen catalítico, que depende del flujo másico de gases de escape del motor específico.
La invención es especialmente útil en coches, camiones, furgonetas, trenes, barcos o generadores, que son movidos por motores de combustión diesel, y donde el sistema de gases de escape es equipado con un sistema de reducción catalítica selectiva. La invención asegurará un grado muy bajo de emisión de NH_{3} y NO_{x} nocivos a la atmósfera, incluso en cambios grandes y/o frecuentes de la carga del motor.

Claims (6)

1. Un método para controlar la inyección de un reductor a una corriente de gases de escape conteniendo NO_{x} de un motor de combustión, donde el NO_{x} es reducido por reducción catalítica selectiva, SCR, en presencia de un catalizador SCR, incluyendo los pasos de
establecer una señal relacionada con el flujo de gases de escape;
establecer una señal relacionada con la concentración de NO_{x} en la corriente de gases de escape hacia arriba del catalizador SCR;
establecer una señal relacionada con la temperatura de los gases de escape hacia arriba del catalizador SCR;
establecer una señal relacionada con la temperatura de los gases de escape hacia abajo del catalizador SCR;
calcular un flujo de NO_{x} molar en la corriente de gases de escape hacia arriba del catalizador SCR y establecer una señal relacionada con el flujo de NO_{x} molar;
calcular una conversión de NO_{x} en el catalizador y establecer una señal relacionada con la conversión de NO_{x};
calcular una cantidad requerida de reductor y establecer una señal relacionada con la cantidad necesaria de reductor;
ajustar la cantidad necesaria de reductor;
establecer una señal relacionada con una cantidad ajustada de reductor;
usar la señal relacionada con la cantidad ajustada de reductor para dosificar la cantidad ajustada de reductor; e
inyectar la cantidad ajustada de reductor a los gases de escape;
donde
la cantidad necesaria de reductor es ajustada por el cálculo de un valor d(E*T)/dt, donde
t es el tiempo,
E es el flujo de gases de escape, y
T es la temperatura de los gases de escape hacia arriba del catalizador SCR y establecer una señal relacionada con el valor d (E*T) /dt; y
calcular la cantidad ajustada de reductor por medio de las señales en respuesta a la cantidad necesaria de reductor y del valor d(E*T)/dt.
2. Método de la reivindicación 1, donde el establecimiento de la señal relacionada con el flujo de gases de escape incluye establecer señales relacionadas con dos del flujo másico de aire de combustión, flujo másico de carburante y relacionadas con la concentración de O_{2} en la corriente de gases de escape; y
calcular el flujo de gases de escape en respuesta a las señales.
3. Método de las reivindicaciones 1 o 2, donde el cálculo de conversión de NO_{x} en el catalizador incluye
el cálculo de la conversión de NO_{x} en respuesta a las señales relacionadas con el flujo de gases de escape, la concentración de NO_{x} en la corriente de gases de escape y las temperaturas hacia arriba y hacia abajo del catalizador, y señales relacionadas con datos de entrada para las dimensiones del catalizador, dimensiones del lecho del catalizador y datos cinéticos para el catalizador y la reacción de conversión de NO_{x}.
4. El método de las reivindicaciones 1 o 4, donde el reductor es amoníaco, una solución acuosa de amoníaco o una solución acuosa de urea.
5. El método de las reivindicaciones 1 o 4, donde el motor es un motor diesel.
6. Un sistema de gases de escape para uso en el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes para controlar la inyección de un reductor a una corriente de gases de escape conteniendo NO_{x} de un motor de combustión, donde se instala un sistema de reducción catalítica selectiva, SCR, conteniendo
un catalizador SCR (8),
una boquilla de inyección (6) hacia arriba del catalizador,
una unidad electrónica de control (19), y
un sensor (12) para medir la concentración de NO_{x} hacia arriba del catalizador;
sensores para medir dos del flujo másico de aire (17) a combustión, el flujo másico de carburante y la concentración de O_{2} (11) o un sensor para medir el flujo másico de gases de escape hacia arriba del catalizador;
un sensor (14) para medir la temperatura de los gases de escape hacia arriba del catalizador; y
un sensor (15) para medir la temperatura de los gases de escape hacia abajo del catalizador;
donde,
la unidad electrónica de control calcula
- un flujo de NO_{x} molar hacia arriba del catalizador,
- una conversión de NO_{x} en el catalizador,
- una cantidad requerida de reductor,
- un valor d(E*T)Idt, donde t es el tiempo, E es el flujo de gases de escape y T es la temperatura de los gases de escape hacia arriba del catalizador SCR y t es el tiempo,
- y a partir de la cantidad necesaria de reductor y del valor d(E*T)/dt calcula una cantidad ajustada de reductor a introducir en la corriente de gases de escape a través de la boquilla de inyección.
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