ES2293600T3 - Sistema de evaluacion del estado de carga en hollines de medios de descontaminacion. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de evaluación del estado de carga en hollines de los medios de descontaminación (1) integrados en la línea de escape (2) del motor (3) de un vehículo automóvil, caracterizado por que comprende : - medios (10) de determinación del tipo de rodaje del vehículo, - medios (11) de determinación, en función de este tipo de rodaje determinado, de la masa de carbono elemental emitida por el motor, - medios (15) de acumulación de estas masas elementales durante el funcionamiento del motor para obtener la masa total, - medios (18) de cálculo del volumen de cenizas del aceite de lubricación del motor, - medios (20) de cálculo del volumen de cenizas del carburante de alimentación del motor, - medios (21) de cálculo del volumen útil de los medios de descontaminación a partir del volumen total de estos medios en estado nuevo o limpio y de los volúmenes de cenizas y de residuos calculados anteriormente, y - medios (22) de cálculo del estado de carga de los medios de descontaminación (1) a partir de la masa total, del volumen útil y de la densidad máxima de los depósitos contenidos en los medios de descontaminación.
Description
Sistema de evaluación del estado de carga en
hollines de medios de descontaminación.
La presente invención se refiere a un sistema de
evaluación del estado de carga en hollines de los medios de
descontaminación integrados en la línea de escape del motor de un
vehículo automóvil, véase el documento
FR-A-2829798.
Dicho motor puede estar asociado a medios
dispuestos en una rampa común de alimentación de carburante de los
cilindros de éste, según al menos una
post-inyección.
Dicha post-inyección es, en la
forma clásica, una inyección de carburante después del punto muerto
superior del cilindro considerado.
Estos medios de alimentación están adaptados
para funcionar, en iso-acoplamiento, por
modificación de parámetros de control de funcionamiento del motor,
de manera que diferentes estrategias de regeneración permiten
obtener niveles térmicos diferentes en la línea de escape.
Así, por ejemplo, ya se han propuesto medios de
alimentación que accionan estrategias de regeneración llamadas
normal, de nivel 1, de nivel 2 y/o de nivel 2 sobrecalibrado.
En efecto, se sabe que para garantizar la
regeneración de medios de descontaminación tales como un filtro de
partículas, los hollines atrapados en éste se queman gracias a la
energía térmica proporcionada por el motor y a la exoterma
efectuada por la conversión de los HC y del CO sobre los medios que
forman el catalizador de oxidación, situados, por ejemplo, más
arriba del filtro de partículas.
Esta combustión puede estar asistida por un
elemento catalizador mezclado con los hollines, procedente, por
ejemplo, de un aditivo de ayuda a la regeneración, mezclado con el
carburante de alimentación del motor o bien por un catalizador
depositado directamente sobre las paredes del filtro de partículas
(filtro de partículas catalizado).
Cuanto más elevados son los niveles térmicos en
la línea de escape a la entrada del filtro de partículas, más corto
es el periodo de regeneración del filtro.
Uno de los principales problemas vinculados a la
utilización de un filtro de partículas es su regeneración. En
efecto, a lo largo de la utilización de un vehículo equipado con un
filtro de partículas, éste se ensucia. Los diferentes residuos que
en él se acumulan pueden ser principalmente de cuatro orígenes
diferentes. Así, pueden formarse residuos de elementos metálicos
provenientes del motor, de la línea de escape o de partículas no
filtradas en la admisión. Otros residuos pueden estar formados por
cenizas provenientes del lubricante del motor o también por cenizas
provenientes del carburante de alimentación de éste. Finalmente,
otros residuos pueden estar formados por residuos de combustión de
un aditivo de ayuda a la regeneración. En efecto, se sabe que tales
aditivos pueden ser utilizados y estar mezclados con el carburante
de alimentación del motor para disminuir la temperatura de
combustión de los hollines atrapados en el filtro de partículas.
En un concepto de filtro de partículas en el que
se utiliza un aditivo de ayuda a la regeneración que permite
favorecer la combustión de los hollines, estos cuatro elementos se
acumulan en el filtro. En el caso en el que no se utiliza tal
aditivo, por ejemplo, en el caso de filtros de partículas
impregnados o catalizados, sólo tres de estos elementos están
presentes en el filtro, hecho que reduce el volumen de residuos
acumulados para un kilometraje recorrido
dado.
dado.
Sin embargo, cualquiera que sea el concepto
utilizado, el filtro de partículas se ensucia progresivamente,
reduciéndose así el volumen disponible para el almacenamiento de las
partículas. Debido a este hecho, para preservar la resistencia
termomecánica del filtro, se hace necesario regenerar este filtro
cada vez más a menudo, lo que se traduce en una elevación del
sobreconsumo de carburante vinculado con el filtro de partículas en
el caso, por ejemplo, en que la regeneración se efectúa mediante la
utilización de post-inyecciones o de un quemador y
mediante una dilución del aceite de lubricación del motor por el
carburante post-inyectado con riesgo de rotura del
motor.
Por otra parte, la reducción del volumen útil de
almacenamiento de los hollines engendra pérdidas de carga cada vez
más elevadas en los límites del filtro, lo que se traduce a la vez
en un aumento del consumo de carburante del vehículo fuera de la
fase de regeneración y en un riesgo de rotura del motor si, por
ejemplo, la presión diferencial en los límites del filtro es
demasiado fuerte y provoca una reabertura de la válvulas.
Por tanto, es necesario regenerar el filtro al
cabo de un cierto kilometraje recorrido, cuando el volumen
disponible para el almacenamiento de partículas se convierte en
demasiado reducido.
Dos vehículos que han recorrido el mismo número
de kilómetros pueden haber acumulado una cantidad de residuos muy
diferente uno del otro, en función del tipo de rodaje de estos
vehículos. Por ejemplo, un rodaje en ciudad con un consumo medio de
carburante de 10 litros por cada 100 kilómetros genera 67% más de
residuos de combustión de aditivo que un rodaje en carretera
abierta con un consumo medio de 6 litros por cada 100 kilómetros.
Conviene, por tanto, optimizar la frecuencia de regeneración del
filtro de partículas, evaluando lo mejor posible el estado de carga
de este tipo de medios de descontaminación.
Por consiguiente, el objetivo de la invención es
resolver estos problemas.
Con este fin, la invención tiene como objetivo
un sistema de evaluación del estado de carga en hollines de los
medios de descontaminación integrados en la línea de escape del
motor de un vehículo automóvil, caracterizado por que dicho sistema
comprende medios de determinación del tipo de rodaje del vehículo,
medios de determinación, en función de este tipo de rodaje
determinado, de la masa de carbono elemental emitida por el motor,
medios de acumulación de estas masas elementales durante el
funcionamiento del motor para obtener una masa total, medios de
cálculo del volumen de cenizas del aceite de lubricación del motor,
medios de cálculo del volumen de cenizas del carburante de
alimentación del motor, medios de cálculo del volumen útil de los
medios de descontaminación a partir del volumen total de estos
medios en estado nuevo o limpio y de los volúmenes de cenizas
calculados anteriormente, y medios de cálculo del estado de carga
de los medios de descontaminación a partir de la masa total, del
volumen útil y de la densidad máxima de los depósitos sobre los
medios de descontaminación.
Según otras características, este sistema de
evaluación comprende además:
- medios de corrección de la masa elemental
determinada, en función de la temperatura del líquido de
refrigeración del motor y de la presión atmosférica;
- medios de cálculo del volumen de residuos de
combustión de un aditivo mezclado con el carburante de alimentación
del motor relacionados con los medios de cálculo del volumen
útil;
- medios de comparación del estado de carga
calculado con los valores de umbral de carga bajo, medio bajo y
medio alto para proporcionar informaciones de estado de carga bajo,
medio bajo, medio alto o elevado de los medios de
descontaminación;
- medios de medida de la temperatura más arriba
de los medios de descontaminación y medios de comparación de ésta
con un valor de umbral de regeneración espontánea de los medios de
descontaminación para, si la temperatura más arriba del filtro
sobrepasa este valor de umbral durante un periodo de tiempo
predeterminado, detectar una regeneración espontánea de los medios
de descontaminación;
- los medios de descontaminación comprenden un
filtro de partículas;
- el filtro de partículas está catalizado;
- los medios de descontaminación comprenden una
trampa de NOx;
- los medios de descontaminación están
impregnados con una formulación SCR, garantizando una función de
oxidación CO/HC;
- el carburante contiene un aditivo destinado a
depositarse, con las partículas con las que está mezclado, en los
medios de descontaminación para facilitar la regeneración de los
mismos;
- el carburante contiene un aditivo que forma
una trampa de NOx; y
- el motor está asociado a un
turbocompresor.
La invención se comprenderá mejor tras la
lectura de la descripción que sigue, dada únicamente a título de
ejemplo y con referencia a los dibujos anejos, en los que:
- la Fig. 1 representa un esquema sinóptico que
ilustra la implantación de medios de descontaminación en la línea
de escapa del motor de un vehículo automóvil; y
- la Fig. 2 representa un esquema sinóptico que
ilustra la estructura y el funcionamiento de un sistema de
evaluación según la invención.
En efecto, en la Fig. 1 se han ilustrado los
medios de descontaminación designados por la referencia general 1,
que comprenden, por ejemplo, un filtro de partículas, integrados en
una línea de escape 2 de un motor 3, por ejemplo, Diesel, de un
vehículo automóvil.
Este motor está asociado a, por ejemplo, medios
en la rampa común de alimentación de carburante, designados por la
referencia general 4, cuyo funcionamiento está controlado por un
dispositivo calculador designado por la referencia general 5,
adaptado para accionar diferentes estrategias de control memorizadas
en los medios de almacenamiento designados por la referencia
general 6 y asociados a este dispositivo calculador 5.
\newpage
El objetivo del sistema según la invención es
estimar de la forma más precisa posible en todo momento el estado
de carga en hollines de los medios de descontaminación.
Para ello, conviene evaluar este estado de carga
y determinar si la masa de carbono presente en este filtro es
suficiente para, por ejemplo, garantizar una regeneración total del
filtro, o si es demasiado elevada, presentando entonces riesgos de
deterioro para los medios de descontaminación que llevan a cabo el
mantenimiento del motor.
El principio del sistema de evaluación según la
invención consiste en calcular la masa de carbono elemental emitida
por el motor en las condiciones de rodaje en curso del vehículo,
acumular estas masas elementales, es decir, integrar con respecto
al tiempo las emisiones del motor en la fuente, calcular el volumen
útil del filtro incluyendo en el cálculo el depósito de suciedad de
éste debido a los diferentes residuos, provenientes principalmente
del aditivo, y calcular a continuación el estado de carga del
filtro, información que seguidamente será tenida en cuenta, por
ejemplo, por los módulos de desencadenamiento de una regeneración
del filtro.
Pueden calcularse igualmente indicadores para
los servicios post-venta del fabricante.
Esta evaluación se ilustra en la Fig. 2.
De hecho, en el sistema según la invención, el
dispositivo calculador 5 procede a esta evaluación y contiene
entonces los medios de determinación del tipo de rodaje del
vehículo. Estos medios se designan por la referencia general 10 de
la mencionada figura 2. A cada tipo de rodaje identificado (i) se le
asocia una masa de carbono elemental procedente, por ejemplo, de un
cuadro de emisiones elementales predeterminadas.
Así, a cada tipo de rodaje identificado le
corresponde una masa elemental media de carbono emitida durante el
periodo de cálculo del tipo de rodaje, como se calcula mediante los
medios designados por la referencia general 11 de esta figura.
Seguidamente, esta masa elemental es corregida,
por los medios de corrección designados por la referencia general
12, en función de la temperatura del líquido de refrigeración del
motor del vehículo, tal como se consigue por los medios 13, de la
presión atmosférica P_{atmo}, tal como la proporcionada por los
medios de adquisición 14a, y de la temperatura del aire externo,
tal como la proporcionada por los medios de adquisición 14b.
La masa elemental se corrige entonces según la
relación siguiente:
La corrección puede así ser proporcionada bajo
la forma de una función curvilínea de la temperatura del líquido de
refrigeración, de una función curvilínea de la temperatura del aire
externo y de una función curvilínea de la presión atmosférica.
La evaluación de las correcciones se puede
efectuar en ciclos de referencia predeterminados. El objetivo de
esta corrección es obtener un orden de magnitud realista del aumento
de las emisiones cuando las condiciones de temperatura y presión
varían.
En las condiciones en las que el usuario hace
funcionar su vehículo sistemáticamente fuera de las condiciones
normales, el indicador de carga debe por tanto permanecer
relativamente objetivo, con una tolerancia, por ejemplo, del orden
de 10% de la masa habitual efectiva.
Seguidamente, estas masas elementales son
acumuladas. En efecto, después de cada periodo de t_{seg}, se
integra una nueva masa de carbono elemental según la relación
siguiente:
Esta acumulación se realiza por medio de los
medios designados por la referencia general 15 de la fig. 2.
Igualmente, se calcula el volumen de los
residuos de combustión del aditivo mezclado con el carburante de
alimentación del motor si se utiliza tal aditivo, el volumen de
cenizas del aceite de lubricación del motor y el volumen de cenizas
del carburante de alimentación del motor.
\newpage
Para ello, se estima la cantidad de cenizas
procedentes del lubricante y del carburante cualquiera que sea el
concepto del filtro de partículas, es decir, por ejemplo, para un
filtro de partículas catalizado, un filtro de partículas
impregnado, un filtro de partículas no revestido sin aditivo o un
filtro de partículas con aditivo, y además, se calcula igualmente
la cantidad de residuos de combustión del aditivo que es nula para
un filtro de partículas catalizado o impregnado o no revestido sin
aditivo. La cantidad de residuos metálicos procedentes del motor y
de la línea de escape y de partículas no filtradas en la admisión se
puede considerar como despreciable, según se ha confirmado mediante
el análisis de varias muestras de residuos.
La masa de las cenizas del lubricante acumuladas
en el filtro depende del consumo de aceite de lubricación del motor
y del contenido en cenizas del lubricante utilizado. Para
simplificar este cálculo, se parte de la hipótesis de que el
conductor del vehículo utiliza durante toda la vida del vehículo el
aceite recomendado por el fabricante, es decir, con una tasa de
cenizas constante. La estimación de la masa de cenizas del aceite
se puede entonces hacer de diferentes formas. Así, se puede utilizar
un valor predeterminado de consumo de aceite para el vehículo,
valor que depende de la aplicación motor/vehículo considerada.
Se puede igualmente utilizar un modelo de tipo
integrador que tiene en cuenta un consumo de aceite instantáneo,
función de las condiciones de funcionamiento del motor y típicamente
función del régimen y del acoplamiento del motor.
Otros modelos más complejos que tienen en cuenta
la composición del aceite, es decir, por ejemplo, su contenido en
fósforo, calcio, potasio, etc., la calidad del aceite o un indicador
de mantenimiento del aceite pueden igualmente diseñarse para
estimar la cantidad de cenizas acumuladas en el filtro de
partículas.
En el caso de la utilización de la composición
tipo de un aceite, la masa de cenizas se calcula en función de la
naturaleza de los compuestos resultantes de la combustión del
aceite; por ejemplo, el fósforo se encuentra en el filtro en forma
de PO_{4}, el zinc en forma de ZnO, el calcio en forma de
Ca-SO_{4}, etc.
La masa de cenizas procedente del carburante
acumulada en el filtro depende directamente del consumo de
carburante del vehículo y del contenido en cenizas de este
carburante. Para simplificar el cálculo se toma como hipótesis que
el contenido en cenizas del carburante es constante cualquiera que
sea la fuente de abastecimiento de carburante. El cálculo más
simple de la cantidad de cenizas del carburante consiste en utilizar
un integrador que multiplica el consumo instantáneo por el
contenido en cenizas del carburante y por el paso de tiempo de
cálculo del consumo instantáneo.
En el caso en que se utiliza un aditivo, la masa
de residuos procedentes de este aditivo acumulada en el filtro
depende de la cantidad de aditivo que se ha inyectado en el depósito
de carburante. Existen igualmente varias posibilidades de
estimación de esta masa. Por ejemplo, se puede utilizar la
información de la cantidad de aditivo inyectada procedente del
dispositivo calculador de gestión del sistema de dosificación del
aditivo, si bien se puede igualmente tener en cuenta el consumo
acumulado de carburante desde el comienzo de la vida del vehículo
multiplicándolo por el valor de dosificación nominal del
aditivo.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
\newpage
La tabla que se da a continuación recoge las
diferentes definiciones de los símbolos que se utilizan en las
relaciones siguientes:
En lo que se refiere al aditivo, en el sistema
según la invención se pueden prever medios 16 que permiten
determinar la cantidad total de aditivo inyectada y medios 17 de
cálculo del volumen de residuos de combustión de este aditivo según
la relación:
\vskip1.000000\baselineskip
En el sistema según la invención, están
igualmente previstos medios 18 de cálculo del volumen de cenizas del
aceite de lubricación del motor según la relación:
La variable Distancia FAP nuevo corresponde a la
distancia recorrida por el vehículo desde el estado FAP nuevo o
limpio y se determina por los medios 19 de recuento.
\newpage
En el sistema según la invención, están
previstos igualmente medios de cálculo del volumen de cenizas del
carburante de alimentación del motor, estando designados dichos
medios por la referencia general 20 y considerándose igualmente
para este cálculo la cantidad total de aditivo utilizado, según la
relación:
Todas estas informaciones son seguidamente
utilizadas por los medios de cálculo del volumen útil de los medios
de descontaminación a partir del volumen total de estos medios en
estado nuevo o limpio y de los volúmenes de residuos y cenizas
calculados anteriormente.
Estos medios se designan por la referencia
general 21 de la fig. 2 y calculan el volumen útil a partir de la
relación:
Por otra parte, estas diferentes informaciones
pueden igualmente utilizarse, como se sabe, para calcular
indicadores de post-venta, que permiten solicitar a
un cliente, por ejemplo, que efectúe una operación de mantenimiento
del filtro de partículas cuando el volumen útil alcanza un valor
límite mínimo predeterminado.
Seguidamente, las informaciones referentes a la
masa total y al volumen útil, tales como las calculadas
anteriormente, son utilizadas por los medios de determinación del
estado de carga de los medios de descontaminación, designados por
la referencia general 22 de la fig. 2, para calcular este estado de
carga, mediante el uso de la relación siguiente:
En el caso de dificultades de regeneración, es
posible que, después de una acumulación de regeneraciones
fracasadas, la carga del filtro sobrepase 100%.
En esta fórmula, Densidad máx representa la
densidad máxima de los depósitos acumulados en los medios de
descontaminación.
A continuación, se proporciona este estado de
carga a los medios 23 de comparación del estado de carga calculado
con los valores de umbral de carga bajo, medio bajo y medio alto,
tales como los designados por la referencia general 24 de la fig.
2, para proporcionar informaciones de estado de carga bajo, medio
bajo, medio alto o elevado de los medios de descontaminación.
Igualmente, es de destacar que el sistema de
evaluación según la invención puede incluir medios de medida de la
temperatura más arriba de los medios de descontaminación, tales como
los designados por la referencia general 25 de esta figura, y de
comparación de dicha temperatura con un valor de umbral de
regeneración espontánea de los medios de descontaminación, en los
medios de comparación 26, para, si la temperatura más arriba del
filtro sobrepasa este valor umbral durante un periodo de tiempo
predeterminado, detectar una regeneración espontánea de los medios
de descontaminación y proporcionar la información correspondiente a
los medios de evaluación del estado de carga 22.
De la misma manera, en los servicios
post-venta del fabricante puede igualmente
accionarse una reinicialización (RESET) en caso de limpieza o de
sustitución del filtro de partículas.
Por supuesto, pueden diseñarse otros modos de
realización. En particular, se pueden prever diferentes modos de
realización de los medios de descontaminación.
Así por ejemplo, los medios de descontaminación
y los medios que forman un catalizador de oxidación pueden
integrarse en un solo y mismo elemento, especialmente sobre un mismo
sustrato.
A título de ejemplo, puede preverse un filtro de
partículas que integra la función de oxidación.
Estos medios de descontaminación también pueden
estar impregnados con una formulación SCR, que garantiza una
función de oxidación CO/HC de manera clásica.
\newpage
De la misma manera, puede igualmente preverse
una trampa de NOx integrante de dicha de función de oxidación, esté
aditivada o no.
Esta función de oxidación y/o de trampa de NOx
puede rellenarse, por ejemplo, con un aditivo mezclado con el
carburante.
En este caso, el carburante puede en efecto
incluir un aditivo destinado a depositarse, con las partículas con
las que está mezclado, sobre los medios de descontaminación para
facilitar la regeneración de los mismos.
De la misma manera, el motor puede estar
asociado o no a un turbocompresor.
Claims (12)
1. Un sistema de evaluación del estado de carga
en hollines de los medios de descontaminación (1) integrados en la
línea de escape (2) del motor (3) de un vehículo automóvil,
caracterizado porque comprende:
- medios (10) de determinación del tipo de
rodaje del vehículo,
- medios (11) de determinación, en función de
este tipo de rodaje determinado, de la masa de carbono elemental
emitida por el motor,
- medios (15) de acumulación de estas masas
elementales durante el funcionamiento del motor para obtener la
masa total,
- medios (18) de cálculo del volumen de cenizas
del aceite de lubricación del motor,
- medios (20) de cálculo del volumen de cenizas
del carburante de alimentación del motor,
- medios (21) de cálculo del volumen útil de los
medios de descontaminación a partir del volumen total de estos
medios en estado nuevo o limpio y de los volúmenes de cenizas y de
residuos calculados anteriormente, y
- medios (22) de cálculo del estado de carga de
los medios de descontaminación (1) a partir de la masa total, del
volumen útil y de la densidad máxima de los depósitos contenidos en
los medios de descontaminación.
2. Un sistema de evaluación según la
reivindicación 1, caracterizado porque contiene además medios
(12, 13, 14) de corrección de la masa elemental determinada, en
función de la temperatura del líquido de refrigeración del motor,
de la temperatura del aire externo y de la presión atmosférica.
3. Un sistema de evaluación según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque contiene además
medios (17) de cálculo del volumen de los residuos de combustión
del aditivo mezclado con el carburante de alimentación del motor
conectados a los medios (21) de cálculo del volumen útil.
4. Un sistema de evaluación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
contiene además medios (23) de comparación del estado de carga
calculado con los valores de umbral (24) de carga bajo, medio bajo
y medio alto para proporcionar informaciones de estado de carga
bajo, medio bajo, medio alto o elevado de los medios de
descontaminación.
5. Un sistema de evaluación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
contiene medios (25) de medida de la temperatura más arriba de los
medios de descontaminación y de los medios (26) de comparación de
dicha temperatura con un valor de umbral de regeneración espontánea
de los medios de descontaminación (1) para, si la temperatura más
arriba del filtro sobrepasa este valor de umbral durante un periodo
de tiempo predeterminado, detectar una regeneración espontánea de
los medios de descontaminación.
6. Un sistema de evaluación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
medios de descontaminación (1) comprenden un filtro de
partículas.
7. Un sistema de evaluación según la
reivindicación 6, caracterizado porque el filtro de
partículas está catalizado.
8. Un sistema de evaluación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
medios de descontaminación (1) comprenden una trampa de NOx.
9. Un sistema de evaluación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
carburante contiene un aditivo destinado a depositarse, con las
partículas con las que está mezclado, sobre los medios de
descontaminación para facilitar la regeneración de los mismos.
10. Un sistema de evaluación según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado
porque el carburante contiene un aditivo que forma una trampa de
NOx.
11. Un sistema de evaluación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
medios de descontaminación (1) están impregnados con una formulación
SCR, que garantiza una función de oxidación CO/HC.
12. Un sistema de evaluación según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
motor está asociado a un turbocompresor.
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