IT201800020851A1

IT201800020851A1 - Metodo e dispositivo di controllo di almeno un convertitore catalitico scr di un veicolo

Info

Publication number: IT201800020851A1
Application number: IT102018000020851A
Authority: IT
Inventors: Michael Abt
Original assignee: Fpt Motorenforschung Ag
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-06-21
Also published as: JP2022524685A; EP3899220A1; US20220049637A1; EP3899220B1; JP7322150B2; US12104516B2; CN113454315A; ES2944836T3; WO2020128822A1; CN113454315B

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

“METODO E DISPOSITIVO DI CONTROLLO DI ALMENO UN CONVERTITORE CATALITICO SCR DI UN VEICOLO”

Campo dell’invenzione

La presente invenzione è relativa a un metodo e a un dispositivo per controllare almeno un convertitore catalitico SCR di un veicolo, in particolare nel campo dei motori a combustione di veicoli.

Descrizione della tecnica anteriore

Molti motori a combustione che devono conformarsi alla normativa attuale e futura sulle emissioni fanno uso di un sistema di riduzione catalitica selettiva (SCR) al fine di ridurre le emissioni di ossido di azoto (NOx).

Negli attuali sistemi operativi, una soluzione di urea è iniettata nel gas esausto a monte del catalizzatore SCR. L’urea è trasformata in ammoniaca (NH3) che a sua volta riduce l’NOx in azoto innocuo (N2) e acqua (H2O) nel catalizzatore SCR. Le reazioni chimiche rilevanti avvengono dopo l’adsorbimento dell’ammonio sulla superficie del catalizzatore.

In generale, l’efficienza di conversione di NOx del catalizzatore SCR dipende dalla quantità di ammoniaca accumulata (ovvero adsorbita), dalla temperatura, dalla velocità spaziale, ovvero dal ricambio di gas nel catalizzatore per unità temporale, dal rapporto NO2/NO del NOx e da altre condizioni. La temperatura è la velocità spaziale solitamente dipendono dal funzionamento del motore non possono essere influenzate direttamente dal controllore di SCR. La quantità di ammoniaca accumulata è solitamente regolata da un controllore apposito, che controlla il livello stimato di ammoniaca. Il rapporto NO2/NO dipende dalle prestazioni di un catalizzatore di ossidazione diesel (DOC) e da un filtro antiparticolato diesel (DPF) disposto a monte del catalizzatore SCR.

Gli attuali sistemi di controllo di SCR fanno uso di un modello, in cui il catalizzatore SCR è modellato come un serbatoio di accumulo di NH3. La quantità di NH3 accumulata è calcolata a partire dall’urea iniettata e dalla quantità di NH3 consumata dalle reazioni di SCR. La quantità di ammoniaca accumulata è quindi regolata in modo da ottenere l’efficienza di conversione di NOx desiderata. Un ciclo di controllo esterno che usa un dispositivo di misurazione di NOx viene quindi usato per regolare la quantità di urea iniettata in modo che l’efficienza di conversione di NOx stimata con un modello e quella misurata convergano.

US2009/0049827 descrive un sistema di controllo di emissioni che include un controllo di preazione configurato per calcolare una copertura di superficie dell’agente di riduzione dipendente dallo spazio nell’SCR e che arresta sostanzialmente l’iniezione dell’agente di riduzione quando la copertura di superficie dell’agente di riduzione dipendente dallo spazio supera una copertura di superficie massima dell’agente di riduzione in corrispondenza di una o più posizioni spaziali.

Un osservatore di copertura di superficie include un modello del catalizzatore SCR e agisce come memoria del controllo di preazione. L’osservatore di copertura di superficie include due celle disposte in serie che sono usate per calcolare la copertura di superficie su un’area del convertitore catalitico che ciascuna cella rappresenta. Un valore di copertura di superficie massimo per la prima cella è determinato usando una tabella di riferimento ed è confrontato con la copertura di superficie calcolata per la prima cella. Se il valore di copertura di superficie calcolato è maggiore della copertura di superficie massima, l’osservatore di copertura di superficie riduce la quantità di ammoniaca da iniettare, di un valore dato.

I sistemi di controllo della tecnica anteriore mirano a controllare il livello di accumulo, specialmente al fine di evitare una fuoriuscita di NH3.

Si può implementare un calcolo parallelo al fine di limitare una fuoriuscita di NH3, ovvero la dispersione in eccesso di NH3 nel gas esausto.

La figura 1 dello stato della tecnica descrive un esempio di una linea di scarico fisica 1 comprendente un catalizzatore SCR reale 2, un modulo di dosaggio di urea 3, un sensore di NOx 4, un sensore di NH3 5, sensori di temperatura a monte e a valle 6, 7.

Un modello 8 di accumulo di NH3 è alimentato con le quantità di ingresso e di uscita fisicamente rilevanti, come ad esempio il flusso di massa di gas esausto in corrispondenza dell’ingresso 9, la concentrazione di NOx (NO e NO2) a monte del catalizzatore, la quantità di urea iniettata e le temperature di gas esausto a monte e a valle.

Le uscite di sensore stimate 10, rispettivamente di NOx e di NH3, sono confrontate con le uscite misurate dei sensori 4 e 5. Gli errori sono quindi usati in un ciclo di osservatore con un guadagno dato 11, per correggere le variabili di stato dei modelli di stima, che sono le quantità di ammoniaca accumulata in ciascuna cella, in modo che le uscite di sensore calcolate convergano con quelle misurate.

Normative richiedono che il dispositivo di abbattimento di NOx, ovvero un sistema SCR, sia sempre più veloce in termini di efficienza e rapidità. Pertanto, spesso, sono necessari grandi dispositivi SCR o una cascata di due catalizzatori SCR è implementata e il sistema descritto sulla figura 1 non è sufficiente.

All’avviamento a freddo, l’agente di riduzione a base di urea si decompone nel gas esausto caldo, termolisi, e sulla superficie di ingresso di catalizzatore, idrolisi, in NH3. L’NH3 formata si propaga quindi nella fase gassosa dall’ingresso verso l’uscita del catalizzatore e si adsorbe sulla superficie del catalizzatore, ogniqualvolta si presentano lati accumulo liberi. Una volta che l’NH3 è adsorbita sulla superficie di catalizzatore, hanno luogo le reazioni di SCR per ridurre le emissioni di NOx. La propagazione di NH3 e la riduzione di NOx portano a una distribuzione assiale fortemente disomogenea di NH3 sulla superficie di catalizzatore.

Pertanto, agli avviamenti a freddo, una saturazione di NH3 rapida e precisa del sistema completo è piuttosto difficile, portando a una mancata efficienza di conversione di NOx.

Riepilogo dell’invenzione

Pertanto, l’obiettivo principale della presente invenzione è fornire un metodo e dispositivo per controllare un convertitore catalitico SCR di un veicolo che superi i problemi/gli svantaggi di cui sopra.

Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, il catalizzatore SCR è considerato come diviso in molteplici celle in cascata e mentre il livello di accumulo della prima cella è controllato in relazione a un valore di riferimento, il livello di accumulo di una delle celle seguenti, preferibilmente l’ultima secondo la circolazione di gas esausto, viene usato per adattare il valore di riferimento summenzionato della prima cella.

L’adattamento del valore di riferimento è implementato per controllare la prima cella, in base almeno ad una delle celle successive, permette di ottenere una saturazione ottimale dell’SCR all’avviamento a freddo, indipendentemente dalla grandezza del catalizzatore SCR o dall’implementazione di due o più catalizzatori SCR in cascata, infatti, anche in quest’ultimo caso, la prima cella del primo catalizzatore è controllata mentre il valore di riferimento implementato è adattato in base al livello di accumulo delle celle, preferibilmente dell’ultima, dell’ultimo catalizzatore SCR.

Dato che le risorse di calcolo e memoria dell’ECU (Engine Control Unit, unità di controllo di motore) sono limitate, un’implementazione vantaggiosa del presente metodo fornisce la fase di considerare il catalizzatore SCR come comprendente svariate celle di accumulo, tuttavia, sono considerate solo due o poche celle di accumulo per gestire la distribuzione di accumulo di NH3 per tutte le dette svariate celle di accumulo.

Pertanto, un approccio a molteplici celle è vantaggioso, dato che la precisione può essere migliorata significativamente, tuttavia, i costi di calcolo rimangono limitati.

Questi e ulteriori obiettivi sono ottenuti per mezzo di un metodo e di un dispositivo come descritti nelle rivendicazioni allegate, che sono parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione risulterà completamente chiara dalla seguente descrizione dettagliata, data a titolo di puro esempio esemplificativo e non limitativo, da leggere facendo riferimento alle figure dei disegni allegate, in cui:

- la figura 1 è uno schema di controllo di SCR noto, - la figura 2 mostra uno schema di controllo basato sul modello di SCR secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 3 mostra uno schema di controllo basato sul modello di SCR secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione.

Gli stessi numeri e lettere di riferimento nelle figure indicano parti uguali o funzionalmente equivalenti.

Secondo la presente invenzione, il termine “secondo elemento” non implica la presenza di un “primo elemento”, primo, secondo, eccetera sono usati solamente per migliorare la chiarezza della descrizione e non dovrebbero essere interpretati in modo limitativo.

Descrizione dettagliata delle forme di realizzazione preferite

Il metodo e dispositivo secondo la presente invenzione mirano a controllare l’accumulo corretto di NH3 in un convertitore catalitico SCR.

Come chiarito in seguito, un convertitore catalitico SCR può includere due o più dispositivi SCR, per esempio ciascuno includendo la propria incamiciatura. Pertanto, il metodo e il dispositivo secondo la presente invenzione sono particolarmente efficaci poiché, secondo le circostanze, due o più dispositivi SCR, disponibili sul mercato, possono essere combinati per definire un convertitore catalitico SCR: pertanto, una sorta di dispositivo SCR complessivo adatto ad accumulare NH3 e convertire NOx.

Per quanto riguarda la soluzione descritta nella tecnica anteriore, anche la presente invenzione è basata su una creazione di modelli di celle dell’accumulo di convertitore catalitico SCR.

Chiaramente, tale modello utilizza svariati ingressi da sensori reali o virtuali (modelli).

La capacità di accumulo è sicuramente in funzione della temperatura dell’SCR e della velocità spaziale, che dipende dal punto di lavoro di motore.

Il controllo dell’accumulo di NH3 mira sostanzialmente a controllare il modulo di dosaggio di agente a base di urea, disposto a monte del convertitore catalitico SCR.

Facendo riferimento alle figure 2 e 3, si crea un modello del convertitore catalitico SCR fisico attraverso un modello di accumulo di NH3 che include molteplici celle di accumulo di NH3.

Con “molteplici”, si intendono tre o più celle.

È chiaro dalle figure 2 e 3 che il livello di accumulo di NH3 diminuisce dalla prima all’ultima cella di accumulo di NH3 secondo la circolazione di gas esausto.

Pertanto, per convenzione, indichiamo con cella1 la cella di accumulo di NH3 disposta vicino all’ingresso del modello di SCR e con Cellan l’ultima cella di accumulo di NH3 disposta vicino all’uscita del modello di SCR.

Un primo ciclo di controllo si basa sul livello di accumulo di NH3 cHN3, cella1, che è confrontato con un valore di riferimento cNH3,SPCorr e l’errore corrispondente viene filtrato attraverso il controllore Ctrl2 generando il segnale di controllo rNH3. Un aumento del segnale di controllo rNH3 porta ad un aumento della quantità di agente a base di urea iniettato all’interno del modulo di dosaggio e viceversa.

Secondo la presente invenzione, il ciclo di cui sopra è un ciclo interno. Infatti un ciclo esterno sfrutta il livello di accumulo di NH3 su una successiva cella di accumulo di NH3 Cella2…Cellan per regolare il valore di riferimento cNH3,SPCorr.

Infatti il valore di riferimento menzionato non è un valore di riferimento fisso, ma un valore di riferimento variabile in risposta al livello di accumulo di NH3 cNH3,Cellax di una delle celle di accumulo di NH3 successive di cui sopra.

Il livello di accumulo di NH3 cNH3,Cellax è confrontato con un valore di riferimento fisso cNH3,SP e l’errore generato dal confronto viene filtrato attraverso il controllore Ctrl1.

Legenda:

cNH3,SP = valore di riferimento fisso di livello di NH3 cNH3,SPCorr = valore di riferimento variabile di livello di NH3 per la 1a cella di SCR1: è una specie di valore di riferimento corretto;

rNH3 = concentrazione di gas NH3 richiesta, corrispondente a un segnale di controllo per un modulo di dosaggio di agente a base di urea;

cNH3,Cella1 = livello di NH3 della 1a cella dell’SCR complessivo;

cNH3,Cellax = livello di NH3 della x-esima cella del SCR complessivo;

dmExh = flusso di massa di gas esausto;

tExh = temperatura di gas esausto;

rNOx = emissioni di NOx a monte;

rNOx, Out = emissioni di NOx a valle;

Gli ultimi quattro ingressi dmExh, tExh, rNOx, rNOx, Out sono ottenuti da un sensore reale o virtuale e sono necessari per il modello di accumulo di NH3 dell’SCR.

Per esempio, le temperature di gas esausto sono solitamente misurate mediante sensori di temperatura fisici economici e le emissioni di NOx a monte sono misurate mediante un sensore di NOx fisico.

Le emissioni di NOx a valle possono essere stimate mediante un modello di sensore di NOx, a causa dell’ambiguità ben nota in corrispondenza del sensore di NOx disposto a valle dell’SCR a causa della sua sensibilità alla fuoriuscita di NH3.

La figura 3 è diversa dalla figura 2 solamente per l’implementazione di due dispositivi SCR disposti in serie SCR1, SCR2.

In questo caso, si crea un modello di entrambi i dispositivi SCR e le molteplici celle di accumulo di NH3 sono considerate come distribuite, preferibilmente in modo uniforme in termini di capacità di accumulo, lungo il convertitore catalitico SCR formato dai due dispositivi SCR1 e SCR2.

Lo stesso concetto può essere applicato anche alla cascata di tre o più dispositivi SCR: in questo caso, la prima cella di accumulo di NH3 Cella1 del primo SCR1, secondo la circolazione di gas esausto, e le celle di accumulo di NH3 dell’ultimo dispositivo SCR.

La regolazione del valore di riferimento di ciclo interno in base al livello di accumulo di NH3 delle ultime celle di accumulo di NH3 permette di ottenere una saturazione rapida di NH3 all’avviamento a freddo, ovvero in una condizione in cui vi è un accumulo di NH3 fortemente disomogeneo.

È chiaro che la gestione del modulo di dosaggio di agente riducente a base di urea può essere realizzato secondo la presente invenzione, per mezzo di un’unità di controllo, preferibilmente la stessa unità di controllo ECU disposta per controllare il motore diesel.

Secondo entrambi gli schemi basati sul modello nelle figure 2 e 3, è descritto un commutatore adatto per inviare in retroazione il livello di accumulo di NH3 di un gruppo di celle di accumulo di NH3. Tale gruppo di celle di accumulo di NH3 include sostanzialmente le ultime due tre celle del convertitore catalitico SCR. Questo significa che, quando viene implementato più di un dispositivo SCR, le ultime celle appartengono all’ultimo dispositivo SCR. Secondo la presente descrizione, il termine primo, secondo, eccetera quando fa riferimento ai dispositivi SCR e alle celle di accumulo di NH3 indica la disposizione corrispondente lungo la linea di scarico di motore, pertanto primo è il primo dispositivo SCR o la prima cella incontrato/a dal gas esausto.

Questo implica che la prima cella di accumulo di NH3 è disposta in corrispondenza dell’ingresso del convertitore catalitico SCR, mentre l’ultima cella è disposta sostanzialmente in corrispondenza dell’uscita del convertitore catalitico SCR.

La presente invenzione può essere implementata vantaggiosamente in un programma per computer comprendente mezzi di codice di programma per eseguire una o più fasi di tale metodo, quando tale programma è eseguito su un computer. Per questo motivo il brevetto coprirà anche tale programma per computer e il supporto leggibile da computer che comprende un messaggio registrato, tale supporto leggibile da computer comprendendo i mezzi di codice di programma per eseguire una o più fasi di tale metodo, quando tale programma è eseguito su un computer.

Molti cambiamenti, modifiche, variazioni e altri usi e applicazioni della invenzione in oggetto risulteranno evidenti agli esperti nella tecnica dopo aver considerato la descrizione e i disegni allegati che descrivono forme di realizzazione preferite della stessa. Tutti questi cambiamenti, modifiche, variazioni e altri usi e applicazioni che non si allontanano dallo spirito e dall’ambito di protezione dell’invenzione sono considerati coperti dalla presente invenzione.

Non saranno descritti ulteriori dettagli di implementazione, dato che l’esperto nella tecnica è in grado di eseguire l’invenzione a partire dall’insegnamento della descrizione di cui sopra.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per controllare un convertitore catalitico SCR di un veicolo, comprendente una prima fase di modellare detto almeno un convertitore catalitico SCR come molteplici celle di accumulo di NH3 (cella1, cella2, …, cellan; cella1, cella2, …, cellan, cella1, cella2, …, cellan), una seconda fase di controllare solamente una prima (cella1) di dette molteplici celle di accumulo, secondo un controllo in retroazione basato su un valore di riferimento, e una terza fase di adattare detto valore di riferimento in base a un livello di accumulo di almeno un’altra cella di accumulo di dette molteplici celle di accumulo, in cui detta prima cella di accumulo è disposta in corrispondenza di un ingresso di detto convertitore catalitico SCR secondo una circolazione di gas esausto.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto convertitore catalitico SCR include due o più dispositivi SCR collegati in cascata, identificando un primo dispositivo SCR (SCR1) e un ultimo dispositivo SCR (SCR2) secondo detta circolazione di gas esausto, e in cui due o più dispositivi SCR sono modellati come includenti dette molteplici celle di accumulo distribuite lungo detti due o più dispositivi SCR e in cui detta prima cella di accumulo (cella1) è disposta in corrispondenza di un ingresso di detto primo dispositivo SCR e in cui detta altra cella di accumulo appartiene a detto ultimo dispositivo SCR (SCR2).
3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta altra cella di accumulo è l’ultima cella di accumulo (cellan) di dette molteplici celle di accumulo.
4. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto valore di riferimento è innalzato proporzionalmente per aumentare l’accumulo di NH3 all’interno di detta altra cella di accumulo di NH3.
5. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detta altra cella di accumulo di NH3 è l’ultima cella di accumulo di NH3 di detto convertitore catalitico SCR.
6. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 1 a 4, in cui detta altra cella di accumulo di NH3 è selezionata in modo iterativo tra le ultime due-tre celle di accumulo di NH3 di detto convertitore catalitico SCR.
7. Dispositivo per controllare un convertitore catalitico SCR di un veicolo, comprendente un’unità di controllo configurata per eseguire il metodo di una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.
8. Programma per computer comprendente mezzi di codice di programma per computer adatti ad eseguire tutte le fasi di una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, quando detto programma è eseguito su un computer.
9. Supporto leggibile da computer su cui è registrato un programma registrato, detto supporto leggibile da computer comprendendo mezzi di codice di programma per computer adatti ad eseguire tutte le fasi di una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, quando detto programma è eseguito su un computer.
10. Motore a combustione diesel che include un sistema di post-trattamento disposto per trattare inquinanti contenuti all’interno del gas esausto prodotto dal motore diesel, il sistema di post-trattamento includendo un convertitore catalitico SCR e un’unità di controllo di motore configurata per controllare il motore diesel e per controllare l’accumulo di NH3 all’interno di detto convertitore catalitico SCR secondo una qualsiasi delle fasi di una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6.