BR112020016277A2

BR112020016277A2 - Estimativa do fluxo de ar do motor

Info

Publication number: BR112020016277A2
Application number: BR112020016277-9A
Authority: BR
Inventors: Thijs Adriaan Cornelis Van Keulen
Original assignee: Daf Trucks N.V.
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2020-12-15
Also published as: NL2020448B1; US20210088013A1; EP3752727A1; US11261832B2; RU2020126294A; EP3752727B1; WO2019160415A1

Abstract

de acordo com a invenção, provê-se um método e sistema para estimar o fluxo de ar fresco em um motor turboalimentado (105). um controlador (109) disposto para determinar um fluxo de massa real de ar fresco em períodos subsequentes ao medir, em um período real, uma queda de pressão ao longo de um compressor (101) e usar um primeiro fluxo de massa de ar fresco calculado como um valor inicial para derivar um segundo fluxo de massa de ar fresco no referido período a partir de um modelo de compressor usando a queda de pressão medida e uma velocidade de rotação do compressor. em um período anterior, antes do referido período real, é medida uma queda de pressão ao longo de um dispositivo de tratamento de ar. uma queda de pressão ao longo do dispositivo de tratamento de ar (103, 104, 106, 108) é estimada usando o segundo fluxo de massa de ar fresco e uma resistência de fluxo estimada do dispositivo de tratamento de ar. posteriormente, o segundo fluxo de massa de ar fresco é corrigido comparando-se a queda de pressão estimada com a queda de pressão medida ao longo do dispositivo de tratamento de ar e usando o segundo fluxo de massa de ar fresco corrigido como um fluxo de massa de ar fresco real no referido período.

Description

ESTIMATIVA DO FLUXO DE AR DO MOTOR

[001] A invenção diz respeito à estimativa do fluxo de massa de ar em um motor diesel turboalimentado, opcionalmente equipado com recirculação de gases de escape de alta pressão (EGR).

[002] A medição ou estimativa do fluxo de massa de ar fresco pode ser um sinal importante para, por exemplo, a precisão de dosagem de ureia em sistemas de pós-tratamento de motores diesel; a robustez do controle de emissões do tubo de escape; estimativa de NOx para diagnóstico do sensor de NOx; funcionalidade de resposta a torque transitório; estimativa de torque; robustez da calibração; e/ou controle de emissões do motor. O fluxo de ar fresco pode ser determinado por estimativa ou medição. No entanto, atualmente a estimativa do fluxo de massa é limitada pela precisão e/ou robustez contra distúrbios. Embora a medição direta do fluxo seja limitada pela largura de banda de medição e exija um sensor adicional. Por exemplo, o fluxo de ar é estimado usando uma medição do teor de oxigênio no escape. No entanto, um sensor de oxigênio normalmente tem um atraso que dificulta a retroalimentação imediata do fluxo de ar estimado, de modo que esse sinal não pode ser usado adequadamente em tempo real.

[003] Por conseguinte, é um objetivo da presente invenção propor um método para estimar o fluxo de ar fresco em um compressor de um motor diesel turboalimentado. Em um sentido mais geral é um objetivo da invenção, portanto, superar ou reduzir pelo menos uma das desvantagens do estado da técnica. É também um objetivo da presente invenção prover soluções alternativas que sejam menos complicadas em termos de montagem e operação e que, além disso, possam ser feitas de forma relativamente econômica. Alternativamente, é um objetivo da invenção prover pelo menos uma alternativa útil. Os objetivos incluem um novo estimador de fluxo de massa de ar que combina o conhecimento do sistema com sensores de trajetória de ar disponíveis, possivelmente sem entrada de fluxo de massa EGR.

[004] De acordo com a invenção, provê-se um método e um sistema para estimar o fluxo de ar fresco em um motor turboalimentado. Um controlador é disposto para determinar um fluxo de massa real de ar fresco em períodos subsequentes ao medir, em um período real, uma queda de pressão ao longo de um compressor e usar um primeiro fluxo de massa de ar fresco calculado como valor inicial para derivar um segundo fluxo de massa de ar fresco no referido período a partir de um modelo de compressor usando a queda de pressão medida e uma velocidade de rotação do compressor. Em um período anterior, antes do referido período real, é medida uma queda de pressão ao longo de um dispositivo de tratamento de ar. Uma queda de pressão ao longo do dispositivo de tratamento de ar é estimada usando o segundo fluxo de massa de ar fresco e uma resistência de fluxo estimada do dispositivo de tratamento de ar e o segundo fluxo de massa de ar fresco é corrigido comparando-se a queda de pressão estimada com a queda de pressão medida ao longo do dispositivo de tratamento de ar e usando o segundo fluxo de massa de ar fresco corrigido como um fluxo de massa de ar fresco real no referido período.

[005] Por esse método, a invenção tem como vantagem o fato de um fluxo de ar poder ser medido em tempo real de maneira precisa e confiável. A invenção pode ser ainda mais vantajosa por reduzir o custo do sistema evitando a necessidade de um sensor de fluxo de massa e melhorando a precisão das estimativas de fluxo de ar. Visando uma detecção rápida de alterações no fluxo de massa não prejudicada pelo atraso na medição de sensores individuais e sendo robusta contra a inexatidão na descrição dos componentes e a inexatidão em virtude de desgaste, incrustações e condições ambientais.

[006] Por meio do uso do modelo de compressor e de leituras rápidas dos valores de pressão, o fluxo de ar pode ser estimado com precisão, para que, entre outros, seja possível um controle eficiente e oportuno de um dispositivo EGR.

[007] A invenção será ainda elucidada pela descrição de algumas modalidades específicas da mesma, com referência aos desenhos anexos. A descrição detalhada provê exemplos de possíveis implementações da invenção, mas não deve ser considerada como descrevendo as únicas modalidades abrangidas pelo escopo. O escopo da invenção é definido nas reivindicações, e a descrição deve ser considerada como ilustrativa e não restritiva à invenção. Nas figuras: A Figura 1 mostra esquematicamente uma configuração esquemática de um sistema exemplar compreendendo um motor turboalimentado; A Figura 2 mostra um gráfico de exemplo de um mapa de compressor; A Figura 3 mostra um gráfico de exemplo de uma característica de filtro; A Figura 4 mostra uma comparação da estimativa e um sensor de fluxo de bancada de teste.

[008] Na Figura 1 é mostrada uma visão geral esquemática da disposição do sistema 100. O objetivo é prover uma estimativa precisa do fluxo de massa de ar fresco Wfresco 210, ou seja, do fluxo de massa de ar fresco no sistema de motor 100 e, possivelmente, do fluxo de massa EGR Wegr 208, se houver.

[009] Na disposição do sistema, um compressor 101 se encontra em uma trajetória de fluxo de entrada do motor. O compressor 101 pode ser impulsionado por uma turbina 102, que pode ser acoplada mecanicamente. Em outra forma, são previstos turboalimentadores de múltiplos estágios. Um sensor de velocidade rotacional de compressor ntur 204 pode ser provido. Em outra forma, a turbina pode incluir um atuador que pode ser usado para otimizar o desempenho do turboalimentador em diferentes condições operacionais, por exemplo, uma turbina de geometria variável VGT ou uma turbina de bocal variável VNT. Em ainda outra forma, são previstos conjuntos de compressor e turbina que não são acoplados apenas mecanicamente, por exemplo, um turboalimentador assistido eletricamente, também conhecido como e-turbo. Adicionalmente, um sensor de pressão 202 é provido em uma entrada do compressor 101. Um sensor de pressão 203 adicional se encontra a jusante do compressor 101, sendo capaz de medir uma pressão no coletor de admissão do motor. Devido à compressão do ar de admissão, a temperatura do ar aumentará. Por isso, um assim chamado resfriador de ar de carga 104 é frequentemente utilizado a jusante do compressor 101.

[010] O sensor de pressão 203 pode ser provido antes ou depois do resfriador 104.

[011] Adicionalmente, um dispositivo de tratamento de ar localizado na trajetória de fluxo do motor possui sensores de pressão em uma entrada do dispositivo de tratamento de ar e um sensor de pressão em uma saída do dispositivo de tratamento de ar.

[012] Em uma forma, o tratamento de ar é um filtro de ar 103, por exemplo, a montante do compressor 101. Na modalidade mostrada, são incluídos um sensor de pressão ambiente p0 201a e um sensor de pressão pré- compressor p1 202, de modo que uma queda de pressão ao longo do dispositivo de tratamento de ar possa ser medida. Em outra forma é medida a diferença de pressão entre a pressão pré-compressor e a pressão ambiente.

[013] Em uma forma, o motor 105 é um motor de combustão interna de quatro tempos e seis cilindros. A estimativa do fluxo de massa de combustível injetado Wcombustível 205 pode estar disponível. O fluxo de massa através dos cilindros Wmot 207 pode ser disponibilizado utilizando-se um método velocidade/densidade conhecido per se. Por exemplo, isso pode ser derivado de um sensor de velocidade do motor n 206 para se medir a velocidade do motor N e a eficiência volumétrica é definida como a admissão de fluxo em relação à taxa na qual o volume é deslocado pelo pistão, ou seja, para um motor de quatro tempos, conforme dado por: 2𝑊𝑀𝑜𝑡 𝜂𝑣𝑜𝑙 = Eq. 1 𝜌𝑎𝑟 𝑉𝑑 𝑛𝑐𝑖𝑙 𝑁

[014] Na Eq. 10, Wmot é o fluxo de massa de ar nos cilindros, par é a densidade do ar de admissão, Vd é o volume de deslocamento, ncil é o número de cilindros e N a velocidade do motor.

[015] A eficiência volumétrica pode ser descrita como uma função de, por exemplo, pressão do coletor de admissão pca e temperatura Tca e velocidade do motor e implementada usando, por exemplo, uma tabela de consulta. Portanto, o fluxo de massa de ar que passa pelas válvulas de entrada pode ser calculado por: 𝜌𝑎𝑟 𝑉𝑑 𝑛𝑐𝑖𝑙 𝑁 𝑊𝑀𝑜𝑡 = 𝜂𝑣𝑜𝑙 (𝑁, 𝑝𝑐𝑎 , 𝑇𝑐𝑎 , … ) Eq. 2 2

[016] Aqui, a densidade do ar de admissão pode ser calculada usando a lei dos gases ideais: 𝑝𝑐𝑎 𝜌𝑎𝑟 = Eq. 3 𝑅𝑇𝑐𝑎

[017] Em que R é a constante dos gases.

[018] Em outra forma, o motor possui um número diferente de cilindros ou um número diferente de ciclos de operação. Além disso, para reduzir o fluxo de massa de NOx do motor para limites legais, o sistema de motor pode ser equipado com um sistema de pós-tratamento 108 que pode incluir um filtro de partículas e um catalisador.

[019] Em outras modalidades, uma queda de pressão medida ao longo do resfriador de ar de carga 104, do resfriador EGR 106 ou do sistema de pós-

tratamento 108, ou outra restrição na trajetória de ar do motor pode substituir o filtro de ar 103 no esquema acima. Adicionalmente à Figura 1, embora o método possa ser aplicado para qualquer medição de fluxo, incluindo um compressor 101, um motor turboalimentado 105 e um dispositivo de tratamento adicional, tais como um filtro de ar 103, um resfriador 104 ou um dispositivo de pós-tratamento 108, etc, em certas modalidades, um dispositivo de recirculação de gases de escape (EGR) pode ser usado para reduzir a formação de óxidos de nitrogênio NOx durante a combustão, recirculando parte dos gases de escape do coletor de escape para o coletor de admissão.

[020] O gás de escape recirculado pode ser resfriado em um resfriador EGR 106 e uma válvula EGR 107 pode ser empregada para regular o fluxo de massa recirculado Wegr 208. O fluxo Wegr 208 pode ser estimado como a diferença entre o fluxo de ar fresco Wfresco 210 e o fluxo de ar estimado do motor Wmot 207 usando um método velocidade/densidade.

[021] No sistema 100, um controlador 109 é disposto para determinar um fluxo de massa real de ar fresco. O controlador pode ser disposto em hardware, software ou combinações e pode ser um único processador ou compreender um sistema de computação distribuído. Normalmente, um controlador opera em unidades de tempo como (número de) ciclos de relógio que definem um menor período em que os dados podem ser combinados por operações lógicas. A depender de várias implementações, o objetivo é prover uma estimativa real do fluxo de ar fresco, para controle real dos dispositivos subsequentes, por exemplo, da injeção de combustível 205, da válvula EGR 107 ou do dosador de ureia no sistema de pós-tratamento 108. Como pode ser deduzido a partir da Figura 2, de acordo com a invenção, o fluxo de ar fresco é provido por um processo iterativo, em períodos subsequentes medindo-se (S100), em um período real, uma queda de pressão ao longo do compressor e usando um primeiro fluxo de massa de ar fresco calculado como um valor inicial para derivar um segundo fluxo de massa de ar fresco (S200) no referido período a partir de um modelo de compressor usando a queda de pressão medida e uma velocidade de rotação do compressor; medindo-se, em um período anterior (S900), antes do referido período real, uma queda de pressão ao longo do dispositivo de tratamento de ar; e corrigindo-se o segundo fluxo de massa de ar fresco (S300) ao comparar a queda de pressão estimada com a queda de pressão medida ao longo do dispositivo de tratamento de ar e usar o segundo fluxo de massa de ar fresco corrigido como um fluxo de massa de ar fresco real no referido período.

[022] De forma mais detalhada, a Figura 3 fornece um mapa de compressor adimensional, em que são combinadas três quantidades adimensionais.

[023] O primeiro número adimensional usado é o fluxo de massa de ar normalizado (que é uma forma do número de Reynolds recíproco), que é definido como se segue: 𝑊𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜 𝛷= Eq. 4 𝑛𝑡𝑢𝑟 ∙ 𝜋 ∙ 𝑟𝑐3 ∙ 𝜌ú𝑚𝑖𝑑𝑜

[024] Aqui, Wfresco (210) é o fluxo de massa através do compressor, ntur (204) é a velocidade de rotação do compressor, rc é o raio externo da roda do compressor, e púmido a densidade do ar úmido antes do compressor, calculada como uma mistura de gases ideais. (𝑝1 − 𝑝𝑎_𝑜𝑟𝑣 )𝑀𝑑 + 𝑝𝑎_𝑜𝑟𝑣 𝑀𝑣 𝜌ú𝑚𝑖𝑑𝑜 = Eq. 5 𝑅𝑢 ∙ 𝑇0

[025] Aqui, p1 (202) é a pressão absoluta do gás na admissão do compressor, Ru é a constante universal dos gases, e T0 (201b) é a temperatura absoluta, Md a massa molar do ar seco, Mv a massa molar do vapor de água, e pa_orv é a pressão do vapor da água (ponto de orvalho).

[026] O segundo número adimensional é o coeficiente de transferência de energia que inclui a taxa de aumento de pressão absoluta 𝛱̂ ao longo do compressor: 𝜅−1 ̂ 2𝑐𝑝_𝑎𝑟 ∙ 𝑇0 ∙ (𝛱 𝜅 − 1) Eq. 6 𝛹= 2 𝑛𝑡𝑢𝑟 ∙ 𝑟𝑐2

[027] Aqui, cp_ar é a capacidade térmica específica do ar e K é uma constante de gás dada por 𝑐𝑝_𝑎𝑟 𝜅= Eq. 7 𝑐𝑝_𝑎𝑟 − 𝑅𝑔á𝑠

[028] Aqui, Rgás é a constante de gás para o ar fresco.

[029] O terceiro número adimensional é o número de Mach das lâminas: 𝑛𝑡𝑢𝑟 ∙ 𝑟𝑐 𝑀𝑎 = Eq. 8 √𝜅 ∙ 𝑅𝑔á𝑠 ∙ 𝑇0

[030] Conforme ilustrado na Figura 2, a partir do mapa de modelo de compressor, o coeficiente de transferência de energia pode ser descrito como uma função do número de Mach das lâminas 𝑀𝑎 e o coeficiente de fluxo 𝜙. Portanto, a Eq. (3) pode ser resolvida para uma taxa de aumento de pressão do compressor: 𝜅 2 𝑛𝑡𝑢𝑟 𝑟𝑐2 ∙ ∙ 𝛹(𝜙, 𝑀𝑎) 𝜅−1 Eq. 9 ̂=( 𝛱 + 1) 2𝑐𝑝 ∙ 𝑇𝑒𝑛𝑡

[031] A partir do fluxo de massa normalizado, o coeficiente de transferência de energia e o número de Mach, a taxa de aumento 𝛱̂ ao longo do compressor pode ser determinada.

[032] No modelo de compressor, essa relação de aumento pode ser uma função do fluxo de massa, uma vez que a massa do gás capturado no compressor e nos tubos circundantes experimenta uma força pela diferença de pressão gerada pelo compressor 101 (como mostrado na Figura 1). Como um exemplo não limitante um modelo de Moore-Greitzer introduz um estado de fluxo de massa do compressor. Um modelo resolvido no tempo, assume que a densidade muda mais lentamente do que o fluxo de massa, o que resulta na seguinte equação diferencial para o fluxo de massa no compressor. 𝑑𝑊𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜 𝜋𝑟𝑐 = ̂ 𝑝1 − 𝑝𝑠𝑎í𝑑𝑎 ) (𝛱 Eq. 10 𝑑𝑡 𝜏𝑐 𝐿𝑐

[033] Aqui Lc é o comprimento do duto de saída do compressor (variável de ajuste), 𝛱̂ é a relação de pressão à qual o gás é submetido pelo compressor, p1 (202) pode ser dado pela (Eq. 12), e psaída é a pressão a jusante do compressor, dada por 𝑝𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 𝑝2 − Δ𝑝𝑐𝑎𝑐 Eq. 11

[034] Aqui, p2 (203) é a pressão medida no coletor de admissão e Δpcac é uma queda de pressão estimada ao longo do resfriador de ar de carga (104). A dinâmica da pressão e velocidade rotacional do compressor é considerada rápida em comparação com a dinâmica associada ao fluxo do compressor.

[035] O fluxo de massa através de alguns componentes do motor, por exemplo, o fluxo de massa através do compressor, da turbina e/ou dos cilindros é influenciado por características dos componentes que permanecem constantes ao longo da vida útil. Contudo, a estimativa do fluxo de massa com base em um modelo desses componentes tem precisão limitada devido à inexatidão na modelagem, ou seja, devido à complexidade da relação subjacente. Para melhorar isso, a invenção propõe o uso de outros componentes na trajetória de ar do motor, por exemplo, um filtro de ar, um resfriador EGR ou um sistema de pós-tratamento, que têm uma relação mais inequívoca entre o fluxo de massa e a queda de pressão. Portanto, ao se medir essa queda de pressão, é possível obter uma estimativa rápida do fluxo de massa. No entanto,

essa estimativa é geralmente incerta devido a alterações nas características do próprio componente, por exemplo, causadas por desgaste ou incrustações. Portanto, a estimativa baseada em um modelo desses componentes tem precisão limitada devido à inexatidão na modelagem em virtude de alterações na resistência de fluxo do componente.

[036] A Figura 4 mostra, a título de exemplo, um esquema de pressão que provê uma relação quadrática entre fluxo de massa de ar e queda de pressão. Por exemplo, uma queda é dependente do fluxo de massa de ar (g/s) e aumentará quadraticamente com o aumento do fluxo. A esse respeito, em uma forma, o filtro de ar (103) pode ser modelado como uma restrição ao fluxo de admissão de ar. Ao se assumir um fluxo unidimensional incompressível e adiabático, a queda antes do compressor p1 (202) pode ser descrita com uma função quadrática do fluxo de massa: 2 𝐶𝑎𝑓 𝑇0 𝑊𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜 𝑝̂1 = 𝑝0 − Eq. 12 𝑝0

[037] Aqui, Cfa é a resistência do filtro de ar, p0 (201a) é a pressão do ar ambiente, T0 (201b) é a temperatura do ar ambiente e Wfresco (210) é a taxa de fluxo de massa de ar fresco através do filtro de ar. Dada uma certa resistência de fluxo, uma relação quadrática entre o fluxo de massa e a queda de pressão é típica, vide a Figura 2. Em elaborações adicionais, modelagens adicionais podem ser feitas sem se afastar do novo conceito de se prover um fluxo de ar fresco com base na medição em um período anterior, antes do referido período real, de uma queda de pressão ao longo do dispositivo de tratamento de ar. Uma implementação pode ser a atualização da estimativa de fluxo de ar fresco Wfresco (210) usando o erro calculado como uma diferença entre a pressão pré- compressor p1 (202) medida e a pressão pré-compressor estimada a partir do modelo de filtro quadrático, vide a Eq. (12). Isso leva a um ganho calibrável kw,

ou seja, por: 𝑖+1 𝑖 𝑊𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜 = 𝑊𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜 − 𝑘𝑤 ∙ (𝑝̂1 − 𝑝1 ) Eq. 13

[038] No modelo de filtro de ar da Eq. (12), a resistência do filtro de ar (que varia apenas em escalas de tempo mais longas) pode ser calculada por comparação com outra medição, por exemplo, com o uso de uma medição de uma concentração de amostra, como oxigênio no escape.

[039] Embora a medição de concentrações de amostras nos gases de escape sofra um atraso considerável na medição e seja incapaz de detectar mudanças rápidas no fluxo de massa, ela pode, no entanto, ser usada para fins de calibração da detecção rápida realizada pelos sensores de pressão ao ajustar o parâmetro Cfa na Eq (12). Mais particularmente, a resistência de fluxo do dispositivo de tratamento de ar pode ser estimada comparando-se uma estimativa do teor de oxigênio no escape com base em uma constante estequiométrica da relação ar/combustível e no teor de oxigênio medido de diferentes períodos anteriores a partir de um sensor de oxigênio e um sensor de fluxo de massa de combustível. A resistência de fluxo do dispositivo de tratamento de ar pode ser estimada com base no fluxo de massa de combustível medido, no referido teor de oxigênio medido e na relação estequiométrica ar/combustível.

[040] Em uma forma, isso pode ser provido por uma medição da concentração de oxigênio dos gases de escape O2% 209. Conhecendo-se o fluxo de massa de ar fresco Wfresco 210 e o fluxo de massa de combustível Wcombustível 205, pode-se estimar o fluxo de massa de gases de escape Wesc 211.

[041] Por exemplo: a concentração de oxigênio no escape pode ser calculada por: 𝑂2%𝑎𝑟 ∙ 𝐿𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜 ∙ 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 𝑂̂2%𝑒𝑠𝑐 = 𝑂2%𝑎𝑟 − Eq. 14 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙

[042] Em que Wcombustível (205) é o fluxo de massa de combustível, O2%air é a concentração de oxigênio do ar fresco e Lestequio é a relação estequiométrica ar/combustível.

[043] A relação ar/combustível é definida como: 𝑊𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜 𝜆= Eq. 15 𝐿𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙

[044] Para compensar o atraso de medição do sensor de porcentagem de oxigênio, a porcentagem estimada de oxigênio no escape é atrasada com um número inteiro de amostras da frequência de amostragem. 𝑂̂2%𝑒𝑠𝑐 𝑎𝑡𝑟𝑎𝑠𝑜 (𝑘 − 𝑁) = 𝑂̂2%𝑒𝑠𝑐 (𝑘) Eq. 16

[045] Onde k indica a k-ésima etapa de tempo em um controlador digital, e o número inteiro N indica o número de etapas de tempo de atraso.

[046] Ao se comparar uma queda de pressão atrasada de um dispositivo de tratamento de ar com o resultado do fluxo de massa de ar fresco de uma medição lenta de oxigênio, uma calibração pode ser dada com base na equação diferencial (7) que provê uma mudança incremental resolvida no tempo para o fluxo de massa de ar fresco. Uma implementação pode ser a atualização da estimativa de fluxo de ar fresco Wfresco (210) usando o erro calculado como uma diferença entre a pressão pré-compressor p1 (202) medida e a pressão pré- compressor estimada a partir do modelo de filtro quadrático. Isso leva a um ganho calibrável kw, ou seja, por: 𝑖+1 𝑖 𝑊𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜 = 𝑊𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜 − 𝑘𝑤 ∙ (𝑝̂1 − 𝑝1 ) Eq. 17

[047] Uma implementação pode ser a atualização da resistência Cfa do filtro de ar (103) do modelo de filtro quadrático usando um ganho calibrável kO2 de um erro entre a concentração de oxigênio medida e estimada; ou seja, por: 𝑖+1 𝐶𝑓𝑎 𝑖 = 𝐶𝑓𝑎 − 𝑘𝑂2 ∙ (𝑂̂2%𝑒𝑠𝑐 − 𝑂2%𝑒𝑠𝑐 ) Eq. 18

[048] Assim, ao se combinar as medições rápidas e lentas de maneira iterativa, a partir das entradas rápidas de queda de pressão, um fluxo real estimado de ar fresco pode ser derivado, o qual é atualizado iterativamente enquanto é calibrado com a medição mais lenta.

[049] A Figura 5 mostra uma medição de amostra do fluxo de ar fresco real medido e do fluxo de ar fresco estimado, as etapas S1-15, conforme detalhadas na Figura 6.

[050] Etapa 0. Iniciar provendo um valor inicial do fluxo de massa de ar fresco, concentração atrasada de oxigênio dos gases de escape e resistência do filtro de ar Cfa. Iterar as etapas a seguir

[051] Etapa 1. Obter Wfresco (210) e resistência de filtragem Cfa a partir da iteração anterior ou da etapa 0 durante a primeira iteração.

[052] Etapa 2. As medições de p0 (201a), T0 (201b), p1 (202), p2 (203), ntur (204), n (206) e O2% (209) são recebidas pelo controlador (100).

[053] Etapa 3. Calcular o fluxo de ar normalizado e o número de Mach das lâminas usando as Eq. (4) a (8).

[054] Etapa 4. Obter o coeficiente de transferência de energia a partir da tabela de pesquisa mostrada na Figura 1.

[055] Etapa 5. Resolver a relação de pressão a partir da Eq. (9) usando o coeficiente de transferência de energia da etapa 4.

[056] Etapa 6. Calcular o lado direito da equação diferencial (10) usando a relação de pressão da etapa 5.

[057] Etapa 7. Aplicar a integração numérica para resolver a equação diferencial (10) (na primeira iteração deste esquema é usada a suposição inicial da Etapa 0).

[058] Etapa 8. Obter uma estimativa do fluxo de massa do motor Wmot (207) usando o método velocidade/densidade Eq (1) a (3).

[059] Etapa 9. Calcular o fluxo de massa EGR Wegr (208) usando o fluxo de massa do motor Wmot (207) da etapa 8 e o fluxo de massa de ar fresco Wfresco

(210) da etapa 7.

[060] Etapa 10. Calcular a pressão pré-compressor usando o fluxo de massa de ar fresco Wfresco (210) da Etapa 7 e a resistência do filtro de ar Cfa da etapa 1 (na primeira iteração deste esquema é usada a estimativa inicial da Etapa 0) com a Eq. (12).

[061] Etapa 11. Calcular a concentração de oxigênio no escape Eq. (13) e a concentração de oxigênio atrasada Eq. (15) (durante as primeiras N iterações deste esquema, a inicial).

[062] Etapa 12. Calcular a diferença entre a pressão pré-compressor p1 (202) medida e a pressão pré-compressor estimada da Etapa 10.

[063] Etapa 13. Calcular a diferença entre a O2% medida (209) e a concentração estimada de oxigênio nos gases de escape da Etapa 11.

[064] Etapa 14. Atualizar a estimativa de fluxo de ar fresco Wfresco (210) usando o erro da Etapa 12 e um ganho calibrável kw, por exemplo: 𝑖+1 𝑖 𝑊𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜 = 𝑊𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜 − 𝑘𝑤 ∙ (𝑝̂1 − 𝑝1 ) Eq. 18

[065] Etapa 15. Atualizar a resistência Cfa do filtro de ar (103) usando o erro da Etapa 13 e um ganho calibrável kO2, ou seja, por: 𝑖+1 𝐶𝑓𝑎 𝑖 = 𝐶𝑓𝑎 − 𝑘𝑂2 ∙ (𝑂̂2%𝑒𝑠𝑐 − 𝑂2%𝑒𝑠𝑐 ) Eq. 19 Retornar à Etapa 1 da iteração

[066] Acredita-se, desse modo, que a operação e construção da presente invenção serão evidentes a partir da descrição anterior e dos desenhos anexos. Para fins de clareza e concisão da descrição, as características são descritas na presente invenção como parte das mesmas modalidades ou de modalidades separadas, no entanto, compreender-se-á que o escopo da invenção pode incluir modalidades que tenham combinações de todas ou de algumas das características descritas. Será evidente para o técnico no assunto que a invenção não se limita a qualquer modalidade descrita na presente invenção e que são possíveis modificações que podem ser consideradas dentro do escopo das reivindicações anexas.

As inversões cinemáticas também são consideradas inerentemente divulgadas e podem ser abrangidas pelo escopo da invenção.

Nas reivindicações, quaisquer sinais de referência não devem ser interpretados como limitantes para a reivindicação.

Os termos 'compreendendo' e 'incluindo', quando usados neste relatório descritivo ou nas reivindicações anexas, não devem ser interpretados em um sentido exclusivo ou exaustivo, mas em um sentido inclusivo.

Portanto, expressões como 'incluindo' ou 'compreendendo', conforme usadas na presente invenção, não excluem a presença de outros elementos, estruturas adicionais ou ações ou etapas adicionais em relação aos listados.

Além disso, as palavras 'um' e 'uma' não devem ser interpretadas como limitadas a 'apenas um(a)', mas são usadas para significar 'pelo menos um(a)' e não excluem uma pluralidade.

Características que não são descritas ou reivindicadas de maneira específica ou explícita podem ser incluídas adicionalmente na estrutura da invenção sem se afastar de seu escopo.

Expressões como: "meio para..." devem ser lidas como: "componente configurado para..." ou "membro construído para..." e devem ser interpretadas como incluindo equivalentes para as estruturas divulgadas.

O uso de expressões como: "crítico", "preferencial", "especialmente preferencial", etc, não se destina a limitar a invenção.

Nos casos em que a estrutura, o material ou as ações são considerados essenciais, eles são inexpressivamente indicados como tal.

Adições, exclusões e modificações que recaiam no âmbito de competência do técnico no assunto podem geralmente ser feitas sem se que se afaste do escopo da invenção, conforme determinado pelas reivindicações.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Um sistema para estimar o fluxo de ar fresco em um motor turboalimentado compreendendo: − um compressor localizado em uma trajetória de fluxo de entrada do motor e pelo menos um sensor de pressão em uma entrada do compressor e um sensor de pressão em uma saída do compressor; − um dispositivo de tratamento de ar localizado na trajetória de fluxo do motor; pelo menos um sensor de pressão em uma entrada do dispositivo de tratamento de ar e um sensor de pressão em uma saída do dispositivo de tratamento de ar; − um controlador disposto para determinar um fluxo de massa real de ar fresco em períodos subsequentes ao o medir, em um período real, uma queda de pressão ao longo do compressor, e • usar um primeiro fluxo de massa de ar fresco calculado como um valor inicial para derivar um segundo fluxo de massa de ar fresco no referido período a partir de um modelo de compressor usando a queda de pressão medida e a velocidade de rotação do compressor; e o medir em um período anterior, antes do referido período real, uma queda de pressão ao longo do dispositivo de tratamento de ar; • estimar uma queda de pressão ao longo do dispositivo de tratamento de ar usando o segundo fluxo de massa de ar fresco e uma resistência de fluxo estimada do dispositivo de tratamento de ar; • corrigir o segundo fluxo de massa de ar fresco comparando-se a queda de pressão estimada com a queda de pressão medida ao longo do dispositivo de tratamento de ar e usando o segundo fluxo de massa de ar fresco corrigido como um fluxo de massa de ar fresco real no referido período, e

• usar o fluxo de ar fresco real no referido período como primeiro fluxo de massa de ar fresco calculado em um próximo período de uma iteração subsequente.

2. O sistema de acordo com a reivindicação 1, em que a referida resistência de fluxo do dispositivo de tratamento de ar é estimada a partir de um sensor tendo um atraso de tempo maior que o período.

3. O sistema de acordo com a reivindicação 2, em que a resistência de fluxo do dispositivo de tratamento de ar é estimada comparando-se o fluxo de ar fresco real de vários períodos anteriores com o fluxo de massa de ar medido a partir de um sensor de fluxo.

4. O sistema de acordo com a reivindicação 2, em que a resistência de fluxo do dispositivo de tratamento de ar é estimada comparando-se uma estimativa do teor de oxigênio no escape com base no fluxo de ar fresco real de vários períodos anteriores, o fluxo de massa de combustível medido, e o teor de oxigênio medido a partir de um sensor de oxigênio.

5. O sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o dispositivo de tratamento de ar é um filtro de ar, um turbo cooler ou outro dispositivo de pós- tratamento.

6. O sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o motor turboalimentado é um motor diesel, e em que um dispositivo de recirculação de gases de escape é disposto em paralelo ao motor diesel e à saída do compressor, em que um fluxo através do dispositivo de recirculação de gases de escape é calculado como a diferença entre o fluxo de ar fresco e o fluxo de massa através do motor diesel.

7. O sistema de acordo com a reivindicação 6, em que o fluxo de massa através do motor diesel é calculado a partir de um modelo de densidade de velocidade.

8. Um método para estimar o fluxo de ar fresco em um motor turboalimentado em que um compressor é localizado em uma trajetória de fluxo de entrada do motor e pelo menos um sensor de pressão é localizado em uma entrada do compressor e um sensor de pressão em uma saída do compressor; em que um dispositivo de tratamento de ar é localizado na trajetória de fluxo do motor; e pelo menos um sensor de pressão é localizado em uma entrada do dispositivo de tratamento de ar e um sensor de pressão é localizado em uma saída do dispositivo de tratamento de ar; o método compreendendo: o medir, em um período real, uma queda de pressão ao longo do compressor; o usar um primeiro fluxo de massa de ar fresco calculado como um valor inicial para derivar um segundo fluxo de massa de ar fresco no referido período a partir de um modelo de compressor usando a queda de pressão medida e uma velocidade de rotação do compressor; o medir em um período anterior, antes do referido período real, uma queda de pressão ao longo do dispositivo de tratamento de ar; o estimar uma queda de pressão ao longo do dispositivo de tratamento de ar usando o segundo fluxo de massa de ar fresco e uma resistência de fluxo estimada do dispositivo de tratamento de ar; o corrigir o segundo fluxo de massa de ar fresco comparando-se a queda de pressão estimada com a queda de pressão medida ao longo do dispositivo de tratamento de ar e usando o segundo fluxo de massa de ar fresco corrigido como um fluxo de massa de ar fresco real no referido período, e o usar o fluxo de ar fresco real no referido período como primeiro fluxo de massa de ar fresco calculado em um próximo período de uma iteração subsequente.