BR0006735B1

BR0006735B1 - método para a diagnose de um sistema de purificação de gás de exaustão em um motor de combustão interna.

Info

Publication number: BR0006735B1
Application number: BRPI0006735-0A
Authority: BR
Inventors: Luca Poggio; Matteo De Cesare; Ciro Barberio; Daniele Ceccarini
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2012-10-02
Also published as: DE60002141T2; US6389805B1; EP1096117A1; ITBO990574A0; DE60002141D1; IT1311110B1; BR0006735A; EP1096117B1; ITBO990574A1; ES2194664T3

Description

Método para a diagnose de um sistema de purificação de gás de exaustão em um

motor de combustão interna

A invenção presente refere-se a um método para a diagnose de um sistema de purificação de gás de exaustão para um motor de combustão interna.

Tal como é conhecido, motores de combustão interna que estão em corrente uso são providos de sistemas de purificação de gás de exaustão que são dirigidos para minimizar emissões de substâncias poluentes, por exemplo, óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos não-queimados.

Algumas partes destes sistemas estão sujeitas a desgaste por uso e é, por isso, necessário, para garantir a remoção das emissões poluentes, um nível de eficiência aceitável, e que sua condição de operação seja constantemente monitorada.

Para maior clareza, um sistema de purificação de gás de exaustão, comumente utilizado, é mostrado na figura 1, anexa, com o numerai 1 como referência.

O sistema 1 está conectado a um motor 2 de combustão interna e compreende um pré-catalisador 3, disposto ao longo de um duto de exaustão .4 na parte de trás do motor 2, e um catalisador 5 principal, disposto mais a jusante. O pré-catalisador 3 é tipicamente um catalisador de três vias, ou TWC.

Um primeiro sensor 6 de oxigênio, tipicamente um LAMBDA linear, ou uma sonda UEGO1 é disposto na entrada do pré-catalisador, enquanto que um segundo sensor 7 de oxigênio, por exemplo, uma sonda do tipo LAMBDA ON/OFF, é disposto na saída do catalisador 5 principal. Um sensor 8 de temperatura de saída também mede a temperatura dos gases de exaustão na saída do pré-catalisador 3.

Os sensores de oxigênio 6 e 7 geram respectivamente um primeiro e um segundo sinal \Λ e V2 de composição do gás de exaustão representativos dos títulos λ, e Xf na entrada e na saída do pré-catalisador 3, enquanto o sensor 8 da temperatura supre um sinal V0 de temperatura de saída representativo da temperatura de saída T0 dos gases de exaustão na saída do pré-catalisador 3. Estes sinais são supridos como entrada para uma unidade de controle 10 que recebe ainda uma pluralidade de parâmetros relacionados com o motor, por exemplo, número de rotações RPM e carga L, com base nos quais o ponto de operação do motor 2 pode ser determinado. A unidade de controle 10 executa um algoritmo de diagnose e gera como saída um sinal E de erro, por exemplo, de tipo lógico, o qual assume um primeiro valor lógico quando um mau funcionamento do sistema 1 é detectado.

0 pré-catalisador 3 e o catalisador 5 principal são os componentes mais importantes do sistema 1 e é assim fundamental assegurar-se que sua eficiência é mantida constantemente acima de um limite mínimo. É então necessário prover métodos que tornem possível averiguar se, como resultado de envelhecimento ou mau funcionamento, não há deterioração de seu desempenho e se é necessário executar trabalho de manutenção para garantir que o sistema volte a uma operação normal.

Métodos são particularmente conhecidos para a diagnose dos sistemas de purificação do gás de exaustão, substancialmente similares ao sistema 1 supra descrito, baseado na informação suprida à unidade de controle 10 pelos sensores de oxigênio 6 e 7.

Estes métodos tem algumas desvantagens.

Em particular, constitui-se uma desvantagem o fato de que os métodos conhecidos tornam possível conduzir somente uma diagnose global do sistema, enquanto que a avaliação da performance do pré-catalisador 3 individualmente é difícil e não muito confiável.

A diagnose do pré-catalisador 3 é possível somente durante a ignição transitória do motor 2, desde que o catalisador 5 principal requer um longo tempo para atingir eficiência máxima. Assim, nas fases iniciais de operação, durante as quais o pré-catalisador 3 e o catalisador 5 principal estão sendo trazidos às respectivas temperaturas de operação, a remoção de emissões poluentes pode ser completamente atribuída à ação do pré-catalisador 3 que atinge condições de eficiência máxima mais rapidamente.

Não é possível, entretanto, determinar a duração do aquecimento de transição do pré-catalisador 3 ou o momento no qual o catalisador principal 5 começa a participar significativamente na remoção das emissões poluentes com certa certeza.

É sabido que, além de tudo, a duração do aquecimento transiente do pré-catalisador 3 aumenta, de uma maneira que não pode ser determinada apuradamente, com o envelhecimento deste pré-catalisador 3. Consequentemente, quando a eficiência do sistema 1 decresce devido a envelhecimento, os métodos de diagnose tradicionais tornam menos confiáveis.

O objetivo da presente invenção é o de prover um método de diagnose que seja livre das desvantagens supra descritas e seja, em particular, confiável e não influenciado pelo envelhecimento do pré-catalisador. A presente invenção, assim, refere-se a um método para a diagnose de um sistema de purificação de gás de exaustão de um motor de combustão interna compreendendo um pré-catalisador e um catalisador principal ao longo de um duto de exaustão de um motor de combustão interna, um primeiro meio de detecção de temperatura disposto na entrada do pré-catalisador e gerando um primeiro sinal de temperatura representativo de uma temperatura Ti de entrada dos gases de exaustão na entrada deste pré-catalisador, um segundo meio de detecção de temperatura disposto na saída do pré-catalisador e gerando um segundo sinal de temperatura representativo de uma temperatura T0 de saída dos gases de exaustão na saída deste pré-catalisador, meio sensor de oxigênio disposto na entrada do pré-catalisador e gerando um sinal de composição de gás de exaustão representativo de um título de oxigênio de entrada λι, uma unidade de controle recebendo como entrada os primeiro e segundo sinais de temperatura e o sinal de composição de gás de exaustão e suprindo como saída um sinal de erro com a característica de compreender os estágios de: - a. determinação de um calor real Qr suprido aos gases de exaustão dentro do pré- catalisador como uma função de uma temperatura T, de entrada e uma temperatura T0 de saída;

- b. determinação de um calor nominal Qnom correspondendo a condições de operação nominal do pré-catalisador;

- c. determinação de um índice I representativo do estado de uso do pré-catalisador como uma função deste calor real Qr e do calor nominal Ονομ- α presente invenção é descrita em maior detalhe abaixo com referência a uma sua configuração dada puramente como exemplo não-limitativo, com referência nos desenhos anexos, nos quais:

A Figura 1 é um diagrama simplificado de blocos de um sistema de controle de gás de exaustão implementando um método de tipo conhecido;

- A Figura 2 é um diagrama simplificado de blocos de um sistema de controle de gás de exaustão implementando o método da presente invenção;

- As Figuras 3 e 4 são gráficos das curvas de temperatura dos gases de exaustão durante a operação do sistema da fig. 1;

- A Figura 5 é um gráfico mostrando a dependência da temperatura de um parâmetro do sistema da fig. 2;

- A Figura 6 é um diagrama de fluxo relativo ao método da presente invenção;

- A Figura 7 é um diagrama simplificado de blocos de um sistema de controle de gás de exaustão implementando uma variante do método da presente invenção;

A fig. 2 mostra um sistema 1' de purificação de gás de exaustão que implementa o método diagnóstico da presente invenção. Por simplicidade, membros idênticos àqueles já descritos com referência na fig. 1 carregam os mesmos numerais de referência.

Em particular, o sistema 1' compreende os mesmos membros que os do sistema 1 da fig. 1 e difere pelo fato de que ainda compreende um sensor 12 de temperatura de entrada disposto na entrada do pré-catalisador 3, que gera e supre à unidade de controle 10 um sinal V, representativo de uma temperatura T, de entrada.

Quando o motor 2 é ligado, o pré-catalisador 3 é trazido a uma temperatura Top de operação, por exemplo, igual a 350°C, dando motivo a reações de oxidação altamente exotérmicas. Os gases de exaustão são assim aquecidos quando passam dentro do pré-catalisador 3 e, como mostra a fig. 3, de um primeiro instante τ,, a temperatura de saída T0 (mostrada na fig. 3 por uma linha contínua) aumenta com relação à temperatura T, de entrada (linha pontilhada).

Com o uso, uma porção do pré-catalisador torna-se inerte e as reações de oxidação acontecem em uma certa distância de sua entrada. É então necessário prover uma certa quantidade de calor para aquecer a porção inerte do pré- catalisador antes que as reações de oxidação possam começar em um segundo instante X2 , maior que Xi . A temperatura T0 de saída começa, além disso, aumentar menos rapidamente que no caso no qual o pré-catalisador 3 é novo.

A fig. 4 mostra uma comparação entre as curvas de uma temperatura T01 de saída de um pré-catalisador novo (mostrada por uma linha contínua), ou seja, operando em condições nominais e com performance nominal, e uma temperatura T02 de saída de um pré-catalisador usado 3 (mostrada por uma linha pontilhada. Desde que a área sob cada curva é representativa do calor suprido aos gases de exaustão nas correspondentes condições de operação, deve ser notado que a quantidade de calor que o pré-catalisador 3 é capaz de suprir decresce com a idade deste pré-catalisador 3.

Em particular, um pré-catalisador novo 3 é capaz de suprir aos gases de exaustão, em um intervalo de tempo Δτ entre um instante inicial X|, menor que X1, e um instante ocorrente Xc, um calor nominal Qnom que pode ser calculado da potência nominal Pnom de acordo com a equação:

<formula>formula see original document page 5</formula> Por sua vez, a potência nominal PNom pode ser obtida da

equação:

Pnom = KcMa ( 1 / λ, - 1 ) H,.......(2)

na qual Ma é o fluxo de ar suprido ao motor 2, igual ao fluxo dos gases de exaustão fluindo no pré-catalisador 3, λι é um título de entrada do pré-catalisador 3 suprido pelo primeiro sensor 6 de oxigênio por meio do primeiro sinal V1 de composição, Hi é uma potência calorífica média dos gases de exaustão, dada pela média, balanceada de acordo com os fluxos respectivos, da potência calorífica dos hidrocarbonetos não- queimados e a potência calorífica do monóxido de carbono e Kc é um coeficiente de correção que leva em conta a dependência das reações de oxidação na temperatura do pré-catalisador 3. O fluxo de ar Ma é conhecido com base no ponto de operação do motor 2, enquanto que o coeficiente Kc pode ser determinado experimentalmente e tendo a curva mostrada na fig. 5.

A equação 2 é válida quando o título λι de entrada é mais baixo que 1, enquanto no caso oposto a potência nominal PNom é zero.

Quando o pré-catalisador 3 não está operando em condições nominais e com uma performance nominal, entretanto, supre os gases de exaustão, no intervalo de tempo Δτ com um calor real Qr mais baixo que o calor nominal Qnom-

O calor real Qr pode ser determinado desde uma potência real Pr de acordo com a equação:

<formula>formula see original document page 6</formula>

A potência real Pr é obtida da equação de balanço de potência aplicada ao pré-catalisador 3:

Cc dTc / dT = MaCp (T, - T0 ) + Pr - hCAS (Tc - Ta )..................(4)

na qual Tc é a temperatura do pré-catalisador 3, Ta é a temperatura do ar externo ao pré-catalisador 3 (que pode ser medido de um modo conhecido e que não é descrito), Cc e S são a capacidade térmica e respectivamente a área de superfície do pré- catalisador 3, hCA é o coeficiente de troca de calor por convecção entre o pré-catalisador .3 e o ar, e, Cp é o calor específico à pressão constante para os gases de exaustão. Todos os termos que aparecem na equação 4, com a exceção da temperatura Tc do pré-catalisador 3, são conhecidos porque podem ser medidos ou determinados experimentalmente.

Além disso, a seguinte expressão é deduzida da equação .4:

Pr = MaCp (T0 - Τ,) + hCAS (Tc - Ta ) + Cc ClTc / dl...............(5)

Para determinar a temperatura Tc do pré-catalisador 3, pode usar-se o balanço de potência aplicado aos gases de exaustão dentro do pré- catalisador 3, como mostra a equação seguinte:

MaCp (T0 - T1) = hGCS (TG - Tc )..............................(6)

na qual hGc é o coeficiente de troca de calor por convecção entre os gases de exaustão e o pré-catalisador 3, que pode experimentalmente ser determinado, e Tg é a temperatura média dos gases de exaustão dentro do pré-catalisador 3 estimada com base na expressão:

Tg = (T0 + T1) / 2.......................................(7)

O valor da temperatura Tc do pré-catalisador 3 pode ser

obtido da equação 6:

Tc = [ (T0 + Τ,) / 2 ] - [ MaCp (T1 - T0 ) / hGCS ]................(8)

a qual inserida na equação 5 , torna possível determinar a potência real Pr e, via 3 , o calor real Qr como uma função da temperatura Ti de entrada e da temperatura T0 de saída.

Com base na descrição acima e com referência na fig. 6, o método de diagnose da presente invenção começa com a obtenção de valores ocorrentes da temperatura Ti de entrada (bloco 100) e da temperatura T0 de saída bloco 110. Os valores correntes obtidos correspondem às medições gravadas pelo sensor 12 de temperatura de entrada e sensor 8 de temperatura de saída e representado pelo sinal ν, de temperatura de entrada e sinal V0 de temperatura de saída, respectivamente.

A potência real Pr é então calculada de acordo com a equação 5 (bloco 120), de modo que o calor real Qr pode então ser obtido da equação 3 (bloco 130).

A potência nominal PNOm é então calculada com base na equação 2 (bloco 140), e o calor nominal QNOm é então calculado de acordo com a equação 1 (bloco 150).

Um índice I de envelhecimento, dado pela razão entre o calor real Qr e o calor nominal QNOm e assim representativo do estado de envelhecimento do pré-catalisador 3 é então calculado (bloco 160).

Um teste é então conduzido para verificar se o índice de envelhecimento I é menor que um predeterminado valor limite Is (bloco 170). Caso sim (saída SIM do bloco 170) é gerada uma mensagem de erro, colocando o sinal E de erro em um primeiro valor lógico indicativo de um mau funcionamento (bloco 180) e o algoritmo de diagnose é concluído (bloco 190). Caso não (saída NÃO do bloco 170) o algoritmo de diagnose é imediatamente terminado após a execução do teste (bloco 190)

Uma variante do método descrito acima é baseada em um sistema 1" de purificação de gás de exaustão mostrado na fig. 7, na qual membros idênticos àqueles já descritos com referência nas fig. 1 e 2 carregam os mesmos numerais de referência.

O sistema 1" difere dos sistemas precedentes desde que o primeiro sinal de composição V1 suprido pelo sensor 6 de oxigênio é suprido a um bloco15 de estimativa fazendo parte da unidade de controle 10.

O bloco 15 de estimativa conduz uma estimativa da temperatura Ti de entrada como uma função do primeiro sinal V1 de composição e o supre a um bloco 16 de diagnose que o usa para executar um algoritmo de diagnose de acordo com a variante do presente método.

Como referência, o conteúdo do Pedido de Patente Bo99A000535, requerido em 6 de outubro de 1999 no nome dos requerentes presentes, no qual um algoritmo de estimativa da temperatura Ti de entrada é descrito, é revisto abaixo.

O supra mencionado algoritmo de estimativa compreende a obtenção da temperatura dos gases de exaustão na entrada do pré-catalisador via a medição da potência elétrica que é necessária para suprir-se ao aquecedor presente no sensor de oxigênio para manter este último em uma predeterminada temperatura de operação.

Em particular, uma estimativa desta temperatura de operação é obtida da medição da resistência interna do sensor, a relação entre temperatura e resistência sendo conhecida, e é então comparada com uma temperatura real, obtendo um erro de temperatura. O erro de temperatura é suprido como entrada a uma unidade de controle, por exemplo uma unidade de controle com ação proporcional- integral, que supre como saída uma voltagem de controle para regular a potência elétrica suprida ao aquecedor.

Além disso, a temperatura de operação estimada e a voltagem de controle cujo valor efetivo é um índice da potência elétrica suprida ao aquecedor, são supridas como entrada a um bloco de estimativa que, com base em um modelo matemático de troca de calor entre o sensor, o aquecedor e os gases de exaustão nos quais o sensor está imerso, obtém uma estimativa da temperatura dos gases de exaustão.

De acordo com a variante do método presente, a obtenção de um valor ocorrente da temperatura T, de entrada (bloco 100) corresponde em particular à performance de uma estimativa pelo bloco 15 de estimativa e a gravação do valor suprido desta maneira.

Como será considerada, a variante descrita acima não requer o uso do sensor 12 de temperatura de entrada.

O método acima descrito tem as seguintes vantagens.

Em primeiro lugar, é possível conduzir uma diagnose confiável do pré-catalisador 3 separadamente do catalisador 5 principal.

Além disso, o fato da diagnose não ser afetada pelas variações do aquecimento transiente do pré-catalisador 3 como resultado de envelhecimento é também vantajoso. Estes efeitos destas variações podem sozinhos ser para decrescer o calor real Qr suprido aos gases de exaustão e assim a comparação com o calor nominal QNOm representa um critério robusto para avaliar se o pré-catalisador 3 está operando corretamente.

Uma ainda outra vantagem reside no fato de que a solução proposta é econômica, desde que requer o uso de somente um sensor de temperatura adicional ou mesmo, no caso da variante, o método pode ser implementado sem ter que incluir o uso de novos componentes.

É evidente que modificações e variações podem ser feitas no método como descrito acima sem por isso fugir-se do escopo de proteção da presente invenção.

Em particular, é também possível usar uma estimativa para a temperatura T0 de saída no lugar da medição suprida pelo sensor 8 de temperatura de saída, ou usar estimativas da temperatura de entrada Tt obtida de outra maneira que não aquela descrita.

Claims

1. Método para a diagnose de um sistema de purificação de gás de exaustão em um motor de combustão interna, compreendendo um pré- catalisador (3) e um catalisador (5) principal disposto ao longo de um duto (4) de exaustão de um motor de combustão interna (2), primeiro meio de detecção de temperatura (12) disposto na entrada do pré-catalisador (3) e gerando um primeiro sinal (ν,) de temperatura representativo de uma temperatura (Ti) de entrada dos gases de exaustão na entrada do pré-catalisador (3), segundo meio de detecção de temperatura (8) disposto na saída do pré-catalisador (3) e gerando um segundo sinal (V0) de temperatura representativo de uma temperatura (T0) de saída dos gases de exaustão na saída deste pré-catalisador (3), meio sensor de oxigênio, disposto na entrada do pré- catalisador (3) e gerando um sinal (V1) de composição do gás de exaustão representativo de um título de oxigênio (λ,) de entrada, uma unidade de controle (10) recebendo como entrada os primeiro e segundo sinais de temperatura e o sinal (V1) de composição do gás de exaustão, e suprindo como saída um sinal de erro (E), o método compreendendo os estágios de: a) determinação de um calor real (Qr) suprido aos gases de exaustão no pré-catalisador (3) como uma função de uma temperatura (T,) de entrada e uma temperatura (T0) de saída (130); b) determinação de um calor nominal (Qnom) correspondendo a condições de operação nominal do pré-catalisador (3)(150); c) determinação de um índice I representativo do estado de uso do pré-catalisador (3) como uma função deste calor real (Qr) e do calor nominal (Qnom) (160). caracterizado pelo fato do estágio (c) de determinação do índice (I) compreender a etapa de: c1) cálculo do índice (I) com base na razão entre o calor (Qr) real e o calor (Qnom) nominal.

2. Método, conforme reivindicação 1, caracterizado pelo fato do estágio a) compreender as etapas de: a1) obtenção de respectivos valores ocorrentes da temperatura (T|) de entrada e da temperatura (T0) de saída (100, 110); a2) determinação de uma potência real (Pr) como uma função destes valores ocorrentes; a3) cálculo do calor real (Qr) de acordo com a equação: <formula>formula see original document page 10</formula> onde (li) é um instante inicial e (Tc) é um instante ocorrente.

3. Método, conforme reivindicação 2, caracterizado pelo fato da etapa a2) de determinação de uma potência (Pr) real compreender as etapas de: a21) cálculo da potência real (Pr) de acordo com a equação: Pr = MaCp (T0 - Ti ) + hCAS (Tc - Ta ) + Cc dTc / dTc (Ma) sendo um fluxo de ar suprido ao motor (2), (Cp) sendo um calor específico à pressão constante para os gases de exaustão, (hCA) sendo um coeficiente de troca de calor por convecção entre o pré-catalisador (3) e o ar, (Cc) e (S) sendo uma capacidade térmica e respectivamente uma área de superfície do pré-catalisador (3), (Tc) sendo a temperatura do pré-catalisador (3), e, (Ta) sendo a temperatura do ar externo ao pré- catalisador (3).

4. Método, de acordo com qualquer das reivindicações de1 a 3, caracterizado pelo fato da etapa a1) de obtenção de valores ocorrentes compreender a etapa de: a11) medição da temperatura de entrada (T,).

5. Método, de acordo com qualquer das reivindicações de1 a 3, caracterizado pelo fato da etapa a1 de obtenção de valores ocorrentes compreender a etapa de: a 12) estimativa da temperatura de entrada (Ti) com base no suprimento de energia elétrica fornecido ao aquecedor presente em dito meio sensor de oxigênio (6) para manter dito meio sensor de oxigênio (6) em uma temperatura de operação pre- determinada.

6. Método, de acordo com qualquer das reivindicações de1 a 5, caracterizado pelo fato do estágio b) de determinação de um calor nominal (Qnom) compreender as etapas de b1) determinar uma potência nominal (Pnom)(140), b2) cálculo do calor nominal (Qnom) de acordo com a equação: <formula>formula see original document page 11</formula>

7. Método, conforme reivindicação 6, caracterizado pelo fato da etapa b1) de determinação da potência nominal (Pnom) compreender a etapa de: b11) cálculo da potência nominal (Pnom) conforme a equação: Pnom = KcMa ( 1 / λ, - 1 ) H, (Kc) sendo um coeficiente de correção e H, sendo uma potência calorífica média dos gases de exaustão.

8. Método, de acordo com qualquer das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de ainda compreender os estágios de: d) comparação do índice (I) com um jogo de valores de aceitabilidade (170); e) geração de um sinal de erro (E) caso o índice (I) não pertença a este jogo de valores de aceitabilidade (180).

9. Método, conforme reivindicação 8, caracterizado pelo fato do estágio d) de comparação do índice (I) compreender a etapa de: d1) confirmação de que este índice é menor que um valor limite (Is).