IT201900003267A1

IT201900003267A1 - Metodo per valutare l'invecchiamento di un catalizzatore a tre vie

Info

Publication number: IT201900003267A1
Application number: IT102019000003267A
Authority: IT
Inventors: Matteo Gianella; Emanuele Cagnazzo
Original assignee: Fpt Motorenforschung Ag
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2020-09-06
Also published as: EP3705693A1; EP3705693B1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

“METODO PER VALUTARE L'INVECCHIAMENTO DI UN CATALIZZATORE A TRE VIE"

CAMPO TECNICO

La presente invenzione riguarda un metodo per valutare l'invecchiamento di un catalizzatore a tre vie.

BACKGROUND DELL'INVENZIONE

Come è noto, i motori a combustione interna ad accensione comandata sono dotati di un sistema di posttrattamento dei gas di scarico avente solitamente un catalizzatore a tre vie (TWC). Quest'ultimo è in grado sia di ossidare gli ossidi di carbonio (CO) e i residui idrocarburici (HC), sia di ridurre gli ossidi di azoto (NOx), quando il motore funziona entro un piccolo intervallo del rapporto aria/combustibile attorno alla condizione stechiometrica.

Le deviazioni del rapporto aria/combustibile da questo piccolo intervallo possono comportare una degradazione ingente e rapida delle efficienze di conversione degli inquinanti. In altri termini, se la miscela aria/combustibile alimentata nel motore è troppo magra, diminuisce la conversione di NOx; d'altra parte, se è troppo grassa, diminuisce la conversione di CO e HC e viene anche prodotta ammoniaca (NH3) nel catalizzatore. Pertanto, il controllo di questo sistema è piuttosto impegnativo, specialmente per via dell'elevata sensibilità alle piccole deviazioni del rapporto aria/combustibile, che avvengono naturalmente durante le condizioni di funzionamento.

Inoltre, la conversione degli inquinanti eseguita nel catalizzatore non solo dipende dal rapporto aria/combustibile istantaneo, ma anche da altri parametri (per esempio temperatura, livello di ossidazione, eccetera). Una strategia di controllo ideale dovrebbe essere in grado di stabilizzare le condizioni del catalizzatore attorno alla sua condizione ottimale e di raggiungere questa condizione ottimale il più velocemente possibile quando avvengono disturbi esterni (per esempio, transitori, interruzioni di combustibile, mancata accensione, eccetera).

Esempi delle strategie di controllo basate su un modello sono stati proposti per ottenere la condizione di funzionamento stechiometrica nei motori alimentati a benzina.

Dato che le prestazioni dei catalizzatori a tre vie diminuiscono nel tempo, i dati di uscita forniti dalle strategie di controllo basate su un modello non sono più efficaci per controllare l'alimentazione di combustibile nel motore e/o per controllare la conversione di gas nel catalizzatore, dopo un determinato periodo di tempo. In altri termini, dopo tale tempo, compare una discrepanza tra i dati di uscita forniti dal modello e il fenomeno reale nel catalizzatore.

Pertanto, vi è l'esigenza di valutare l'invecchiamento del catalizzatore, senza intervento manuale sullo stesso catalizzatore, in modo da ottimizzare il controllo eseguito mediante le strategie summenzionate sull'alimentazione di combustibile.

Più in generale, è necessaria una valutazione di invecchiamento per emettere un segnale di avviso, in particolar modo se l'invecchiamento sta aumentando oltre una data soglia.

Un obiettivo della presente invenzione è quello di soddisfare le esigenze summenzionate in modo semplice ed economico.

RIEPILOGO DELL'INVENZIONE

L'obiettivo summenzionato viene conseguito mediante un metodo per valutare l'invecchiamento di un catalizzatore a tre vie, come rivendicato nella rivendicazione 1, e mediante un'unità di controllo elettronica, in cui è implementato tale metodo, secondo la rivendicazione 14.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Per una migliore comprensione della presente invenzione, di seguito è descritta una forma di realizzazione preferita, a titolo di esempio non limitativo, in riferimento ai disegni allegati in cui:

- la figura 1 è un diagramma che mostra schematicamente un gruppo, in cui una forma di realizzazione preferita del metodo secondo la presente invenzione è implementata per valutare l'invecchiamento di un catalizzatore a tre vie;

- la figura 2 mostra un diagramma di un punto di riferimento o setpoint avente un pattern di oscillazione, implementato nel gruppo della figura 1;

- la figura 3 mostra, in modo schematico e semplificato, un blocco di stima basato su modello, secondo un aspetto preferito del metodo della presente invenzione; e

- la figura 4 è un diagramma di flusso che mostra, in modo schematico e semplificato, alcune fasi del metodo implementate nel gruppo della figura 1.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE

Nella figura 1, il numero di riferimento 1 indica, nel complesso, un gruppo di propulsione (mostrato schematicamente e parzialmente) comprendente un motore a combustione interna ad accensione comandata 2 alimentato con aria e combustibile. In particolare, tale combustibile è definito da gas naturale. In particolare, un flusso di aria è alimentato in modo noto (per esempio attraverso una linea 5 dotata di un compressore 6) in una pluralità di cilindri del motore in risposta a un comando di acceleratore impostato da un utilizzatore. D'altra parte, il gruppo di propulsione 1 comprende un dispositivo di iniezione 8, di per sé noto e comprendente una pluralità di iniettori di combustibile controllati da segnali di controllo C per iniettare il combustibile nei cilindri del motore.

I segnali di controllo C sono emessi, durante l'uso, da un'unità di controllo elettronica (ECU) del gruppo 1, in risposta ad una quantità rilevata di aria che entra nei cilindri del motore e sulla base di una strategia di controllo, che è implementata nella ECU e verrà descritta di seguito.

Il gruppo 1 comprende inoltre un sistema di postatrattamento dei gas di scarico 10, comprendente a sua volta: un tubo di uscita 11 disposto in corrispondenza di un'uscita del motore 2, per raccogliere e incanalare i gas di scarico in uscita dai cilindri del motore; un tubo di scappamento 13, per scaricare i gas di scarico nell'ambiente esterno; un catalizzatore a tre vie 14 disposto tra il tubo di uscita 11 e il tubo di scappamento 13; una prima sonda lambda LSU disposta tra i cilindri del motore e il catalizzatore 14 (per esempio in corrispondenza dell'uscita del motore 2); e una seconda sonda lambda LSF disposta in corrispondenza del tubo di scappamento 13.

Opportunamente, un sensore 18 viene aggiunto per rilevare i parametri di funzionamento (per esempio le temperature) dei gas di scarico all'interno del catalizzatore 14. Secondo una variante, il sensore 18 non è fornito e gli stessi parametri di funzionamento possono essere stimati mediante un ulteriore calcolo sulla ECU (per esempio mediante un modello termico del flusso di gas e del catalizzatore).

Nella forma di realizzazione preferita mostrata, una turbina a gas 19 è prevista nel tubo di uscita 11 in modo da far funzionare il compressore 6.

La sonda lambda LSU emette un segnale di uscita I, che è indicativo di un effettivo contenuto di ossigeno nei gas di scarico in uscita dal motore 2 e pertanto indicativo del rapporto aria/combustibile λ della miscela combusta nei cilindri del motore.

Al contempo, la sonda lambda LSF emette un segnale di uscita U, che è indicativo di un effettivo contenuto di ossigeno nei gas di scarico che scorrono nel tubo di scappamento 13, dopo che è stata eseguita la conversione nel catalizzatore 14 e pertanto indicativo di un rapporto aria/combustibile teorico λ che avrebbe prodotto tali gas di scarico.

Come mostrato schematicamente nella figura 1, secondo un aspetto preferito della presente descrizione, la sonda lambda LSU è configurata in modo tale che la curva caratteristica di risposta del segnale di uscita I sia lineare, in funzione del rapporto λ. Questo tipo di sonda lambda è disponibile sul mercato e, per le sue misurazioni, solitamente acquisisce un valore di ossigeno di riferimento mediante un trasduttore disposto all'interno della sonda stessa. D'altra parte, la sonda lambda LSF è configurata in modo tale che la curva caratteristica di risposta del segnale di uscita U abbia una maggiore sensibilità in un intervallo attorno al valore λ=1 (ovvero attorno alla condizione stechiometrica), a titolo di esempio in un intervallo del rapporto λ tra 0,99 e 1,01. Alla luce di questa curva di risposta, questo tipo di sonda lambda è generalmente noto come "sonda del tipo a commutatore". Essa è disponibile sul mercato e, in generale, è più precisa e affidabile rispetto alla sonda LSU nel rilevare la condizione stechiometrica (λ=1), poiché solitamente acquisisce un valore di ossigeno di riferimento mediante un trasduttore disposto all'esterno della sonda, per le sue misurazioni.

Il segnale I è ricevuto dalla ECU, che comprende un blocco di controllo LSUread configurato per determinare un valore variabile λr, indicativo dell'effettivo rapporto aria/combustibile della miscela che genera i gas di scarico in corrispondenza della sonda LSU, sulla base del segnale Ӏ. In particolare, il blocco LSUread converte il segnale I (un valore in corrente) in un valore di rapporto aria/combustibile e gestisce le possibili compensazioni necessarie per la gestione della sonda.

Preferibilmente, il valore λr può essere corretto dal blocco LSUread secondo un algoritmo di adattamento della deriva, come verrà descritto in dettaglio di seguito e corrisponde al rapporto aria/combustibile rilevato dalla sonda LSU in caso non sia applicata nessuna correzione.

La ECU comprende inoltre un blocco di controllo CL, che riceve, come ingressi, il valore λr e un setpoint o punto di riferimento λset. Il blocco CL emette, come uscita, i segnali di controllo C ed è configurato in modo da confrontare il valore λr e il punto di riferimento λset e, pertanto, da controllare il dispositivo di iniezione 8 secondo un controllo in retroazione, in modo comunemente noto.

Il punto di riferimento λset è variabile nel tempo (t) e ha un pattern di oscillazione, anche noto come pattern di "wobbling”. In particolare, come mostrato schematicamente nella figura 2, il pattern di "wobbling” del punto di riferimento λset è definito da un livello costante superiore L1, maggiore di 1, e un livello costante inferiore L2, minore di 1. Preferibilmente, L1 e L2 sono valori simmetrici rispetto alle condizioni stechiometriche λset=1 (blocco L nella figura 4).

In riferimento alla figura 1, la commutazione del punto di riferimento λset dal livello L1 al livello L2, e viceversa, viene eseguita da un blocco di elaborazione TWCctrl in risposta ai dati stimati D1 generati da un blocco di stima basato su modello TWCmod, che opera in risposta ai dati stimati D2 in risposta allo stato di funzionamento nel catalizzatore 14, che può essere anche stimato o, parzialmente, misurato mediante sensori dedicati, per esempio sensori di temperatura.

I dati stimati D2 vengono generati da un modello matematico del motore, a titolo di esempio un modello basato su mappa, e lineare nei propri parametri (blocco di stima ENGmod). Tale modello è configurato per stimare la composizione dei gas di scarico di corrispondenza dell'uscita del motore (tale composizione stimata corrispondendo ai dati D2) in risposta ad un valore di ingresso indicativo del rapporto aria/combustibile della miscela appena combusta nel motore 2 e in risposta ad altri parametri del motore disponibili che possono influire sulle emissioni, per esempio velocità del motore, posizione dell’acceleratore, temporizzazione di accensione, sovrapressione, eccetera. Preferibilmente, il valore di ingresso di cui sopra indicativo del rapporto aria/combustibile è definito dal valore λr emesso dal blocco di controllo LSUread.

Al contempo, il blocco TWCmod comprende un modello matematico cinetico del catalizzatore 14 ed è configurato per stimare quantità indicative del contenuto di ossigeno all'interno del catalizzatore 14.

In particolare, come mostrato schematicamente nella figura 3, nel modello memorizzato nel blocco TWCmod, il catalizzatore è modellizzato come suddiviso in una pluralità di celle (Cell1, Cell2,… Celln), che corrispondono a, e simulano, rispettive aree effettive nel catalizzatore 14. Tali aree (non mostrate) sono disposte in serie lungo la direzione di flusso dei gas di scarico. Ogni cella è associata a un rispettivo livello di ossigeno (Ocell1, Ocell2,… Ocelln) indicativo del contenuto di ossigeno effettivamente accumulato nell'area corrispondente del catalizzatore 14.

In particolare, i livelli di ossigeno delle celle e il livello di ossigeno dell'intero catalizzatore modellizzato sono indicati come percentuale di rispettive date capacità di accumulo massime, definite in funzione delle caratteristiche del reale catalizzatore 14. In particolare, i valori di tali capacità di accumulo massime (indicate in mol/m3, a titolo di esempio) possono essere impostati nel modello durante la calibrazione, all'inizio delle condizioni di funzionamento del sistema 10.

Il blocco TWCmod è configurato per simulare il funzionamento del catalizzatore 14, per stimare i livelli di ossigeno (Ocell1, Ocell2,… Ocelln), corrispondenti ai dati di uscita D1 e per stimare la composizione dei gas di scarico in uscita dal catalizzatore 14 e che scorrono lungo il tubo di scappamento 13. Tale composizione stimata è generata come dati di uscita D3.

I modelli memorizzati nei blocchi ENGmod e TWCmod non sono descritti in dettaglio, dato che sono comunemente noti nella tecnica, per controllare motori a benzina, a titolo di esempio nei seguenti documenti:

• “Modelling and control of three-way catalysts”, Auckenthaler Theophil S., Doctoral Thesis ETH, 2005;

• “A Post-Catalyst Control Strategy Based on Oxygen Storage Dynamics”, Michael Tomforde et al., SAE Internation, 2013;

• “Model Based Control of a Three-way Catalyst Based on the Oxygen Storage Level of the Catalyst”, Pankaj Kumar and Imad Makki, Ford Motor Company, SAE International, 2017.

Come menzionato in precedenza, i livelli di ossigeno stimati (Ocell1, Ocell2,…, Ocelln) vengono utilizzati come ingressi nel blocco TWCctrl, in cui una strategia di controllo è implementata in modo da determinare il punto di riferimento λset. Tale strategia di controllo è mostrata schematicamente e parzialmente nella figura 4 e confronta un parametro indicativo di un livello di ossigeno, stimato per almeno una delle celle summenzionate, con una soglia massima S1 e una soglia minima S2 (blocco di valutazione e commutazione E1). In particolare, le soglie S1 e S2 vengono confrontate con un parametro indicativo del livello di ossigeno stimato (Ocell1) della prima cella (Cell1), ovvero la cella che è associata alla prima area nel catalizzatore 14 lungo la direzione di flusso. Più in particolare, tale parametro è definito dal livello di ossigeno stimato (Ocell1) della prima cella (Cell1). La scelta della prima cella è vantaggiosa poiché lo stato di funzionamento (per esempio l'effettivo contenuto di ossigeno) della corrispondente prima area è quello più reattivo alle variazioni della composizione dei gas di scarico (per esempio alle variazioni delle condizioni di funzionamento del motore).

Come mostrato nella figura 2, quando il livello di ossigeno stimato Ocell1 risulta minore della soglia S2, il punto di riferimento λset è commutato al livello L1, in modo da portare le condizioni di funzionamento del motore ad una combustione magra; se il livello di ossigeno stimato Ocell1 risulta maggiore della soglia S1, il punto di riferimento λset è commutato al livello L2 in modo da portare le condizioni di funzionamento del motore ad una combustione grassa. In questo modo, la combustione del motore 2 oscilla in modo continuo tra una fase grassa e una fase magra.

In maggiore dettaglio, quando λset=L1 una combustione magra viene impostata dal blocco CL che controlla il dispositivo di iniezione 8 (figura 1). In queste condizioni, i gas di scarico in uscita dai cilindri del motore hanno un eccesso di ossigeno (rispetto alla condizione stechiometrica). Tale eccesso di ossigeno viene rilevato dalla sonda LSU, in modo tale che il valore λr sia maggiore di uno. Al contempo, questa condizione di funzionamento causa un accumulo di ossigeno nelle aree del catalizzatore 14. In risposta al valore λr, il blocco TWCmod stima questi livelli di ossigeno in aumento nelle celle del modello.

In pratica, in riferimento alla figura 2, il livello di ossigeno stimato Ocell1 aumenta progressivamente, fino a raggiungere la soglia S1. A questo punto, il punto di riferimento λset è commutato al livello L2 (blocco E1) e questa commutazione porta ad una combustione grassa nei cilindri del motore, grazie al controllo eseguito dal blocco CL.

In queste condizioni, i gas di scarico in uscita dai cilindri del motore hanno un contenuto di ossigeno minore rispetto alla condizione stechiometrica. La riduzione del contenuto di ossigeno dei gas di scarico viene rilevata dalla sonda LSU, in modo tale che il valore λr risulti minore di 1. Al contempo, come conseguenza della combustione grassa, l'ossigeno accumulato nelle aree del catalizzatore 14 diminuisce. Quindi, in risposta al valore λr, il blocco TWCmod stima la riduzione dei livelli di ossigeno delle celle nel modello. Il livello di ossigeno stimato Ocell1 diminuisce progressivamente, fino a raggiungere nuovamente la soglia S2. A questo punto, il punto di riferimento λset è commutato al livello L1 (blocco E1), in modo tale che venga ripetuto il ciclo di fase magra e fase grassa.

Da quanto precede, risulterà chiaro che il blocco E1 controlla la temporizzazione del pattern di "wobbling”, in risposta alle due soglie S1 e S2 e che la dinamica del catalizzatore, in termini di accumulo di ossigeno, segue il pattern di "wobbling” del punto di riferimento λset. In particolare, questo tipo di funzionamento evita la possibile deattivazione dinamica nella conversione dei residui di metano nel sistema 10, quando il gas naturale viene utilizzato come combustibile.

In riferimento alla figura 4, preferibilmente, un blocco di filtro F può essere previsto a valle del blocco E1, in modo da limitare possibilmente il tasso di variazione tra i livelli L1 e L2 nel pattern di "wobbling”, in funzione di un ingresso o una soglia data (λrate).

Secondo la strategia di controllo preferita implementata nel blocco TWCctrl, le soglie S1 e S2 vengono regolate in risposta ad un accumulo di ossigeno medio (Oav) nel catalizzatore (blocco di controllo E3). L'accumulo di ossigeno medio Oav viene calcolato dai livelli di ossigeno stimati (Ocell1, Ocell2, eccetera) di tutte le celle, preferibilmente come media ponderata (blocco di calcolo E2) e, successivamente, viene confrontato con un punto di riferimento dato Oavset. Dato che un funzionamento ottimale viene raggiunto quando i livelli di ossigeno nel catalizzatore 14 sono ad un valore intermedio, per esempio ad un valore del 50% (rispetto a una capacità di accumulo massima data), il punto di riferimento Oavset può essere impostato di default a questo valore del 50%. In condizioni stazionarie, le soglie S1 e S2 sono simmetriche rispetto al punto di riferimento Oavset, ovvero S1 è leggermente maggiore del 50% (pari al 55%, a titolo di esempio) e la soglia S2 è leggermente minore del 50% (pari al 45%, a titolo di esempio).

I valori di accumulo di ossigeno effettivi e stimati sono, ovviamente, variabili a seconda delle condizioni di funzionamento. Se l'accumulo di ossigeno medio Oav è minore del punto di riferimento Oavset, entrambe le soglie S1 e S2 vengono aumentate (blocco E3), in modo da raggiungere un livello di ossigeno relativamente elevato nella prima area/cella e successivamente accumulare ossigeno nelle aree/celle a valle della prima; se l'accumulo di ossigeno medio Oav è maggiore del punto di riferimento Oavset, entrambe le soglie S1 e S2 vengono diminuite (blocco E3), in modo da raggiungere un livello di ossigeno relativamente basso nella prima area/cella e successivamente ridurre il contenuto di ossigeno nelle aree/celle a valle della prima.

In questo modo, il comportamento del sistema 10 è più simile al funzionamento ottimale, ovvero è in grado di adattarsi automaticamente alle diverse condizioni di funzionamento del motore.

Preferibilmente, la strategia di regolazione implementata nel blocco E3 per aumentare/diminuire le soglie S1 e S2 comprende un controllo proporzionale-integrativo, in funzione della differenza tra l'accumulo di ossigeno medio Oav e il punto di riferimento Oavset. In altri termini, la posizione della finestra definita dalle due soglie S1, S2 viene spostata in su o in giù in funzione della differenza summenzionata.

A titolo di esempio, prima di avviare il motore 2, l'accumulo di ossigeno nel catalizzatore 14 è vicino allo 0%, per cui è necessario caricare ossigeno nelle aree/celle del catalizzatore. A tale scopo, le soglie S1 e S2 sono impostate dal blocco E3 a valori relativamente elevati, per esempio a rispettivi valori massimi dati (95% e 85%, a titolo di esempio). Di conseguenza, grazie al controllo eseguito dal blocco E1, il livello di ossigeno (Ocell1) nella prima area/cella è portato ad un valore medio tra S1 e S2 (per esempio 90%). Successivamente, il livello di ossigeno (Ocell1) inizia ad oscillare attorno a tale valore medio e al contempo i livelli di ossigeno (Ocell2,… Ocelln) nelle successive aree/celle aumentano.

In modo analogo, dopo una fase di interruzione di combustibile l'accumulo di ossigeno nel catalizzatore 14 è a livelli elevati, ovvero l'accumulo di ossigeno medio Oav è maggiore del punto di riferimento Oavset. In questa condizione, le soglie S1 e S2 sono impostate dal blocco E3 a valori molto bassi, per esempio a rispettivi valori minimi dati (5% e 15%, a titolo di esempio), in modo da determinare una combustione grassa, fino a che il livello di ossigeno Ocell1 nella prima cella Cell1 raggiunge un equilibrio ad un valore medio tra S1 e S2 (per esempio 15%), grazie al controllo eseguito dal blocco E1. Successivamente, mentre il livello di ossigeno Ocell1 nella prima area/cella oscilla attorno a tale valore medio, i livelli di ossigeno (Ocell2,… Ocelln) nelle successive aree/celle diminuiscono.

In questo modo, il punto di riferimento Oavset viene raggiunto in modo relativamente rapido.

Preferibilmente, anche l'ampiezza A del pattern di "wobbling” tra la fase grassa e quella magra (A=L1-L2) viene regolata (blocco di controllo E4), in funzione della differenza tra l'accumulo di ossigeno medio Oav e il punto di riferimento Oavset. In questo modo, se i dati D1 stimati dal modello sono vicini all'accumulo desiderato, i livelli L1 e L2 sono avvicinati tra loro, in modo tale da impostare un pattern di "wobbling” molto vicino alla condizione stechiometrica. L'ampiezza A può essere ridotta fino a un valore minimo dato maggiore di zero (a titolo di esempio di 0,04, corrispondente a un pattern di "wobbling” avente L1=1,02 e L2=0,98). Questo tipo di regolazione impedisce picchi di emissione, anche su sistemi sottoposti all'invecchiamento, ed è particolarmente vantaggioso per evitare la produzione di ammoniaca (NH3) nel catalizzatore 14.

D'altra parte, quando l'accumulo di ossigeno medio Oav è relativamente lontano dal punto di riferimento Oavset, l'ampiezza A viene aumentata ad un valore relativamente elevato, fino a un valore massimo dato (a titolo di esempio di 0,2, corrispondente a un pattern di "wobbling” avente L1=1,1 e L2=0,9). In questo modo, è consentito un recupero più rapido dalle interruzioni di combustibile, dal mancato rifornimento e da altri disturbi.

Più preferibilmente, la strategia implementata nel blocco TWCctrl comprende inoltre un blocco di controllo E5 per portare le soglie S1 e S2 e l'ampiezza A a rispettivi valori massimi dati quando un'ossidazione di palladio stimata (determinata sulla base di ulteriori uscite (Ptcell1, Ptcell2,… Ptcelln) del modello memorizzato nel blocco TWCmod) raggiunge una data soglia.

In condizioni stazionarie, e quando l'accumulo di ossigeno è in equilibrio, la composizione dei gas di scarico in corrispondenza del tubo di scappamento 13 è idealmente "stechiometrica", ovvero la sonda LSF dovrebbe rilevare λ=1. Ogni lieve deviazione da λ=1 è immediatamente riflessa nella misurazione della sonda LSF, grazie alla sua curva di risposta avente elevata sensibilità attorno alla stechiometrica. Secondo un aspetto preferito della presente invenzione, la sonda LSF viene utilizzata per rilevare e compensare le possibili derive tra i dati di uscita D1 del modello e le condizioni reali.

I fenomeni principali che possono causare derive/imprecisioni sono:

- possibili errori in λr (ovvero il valore del rapporto aria/combustibile, immesso nei modelli, è diverso da quello reale), per esempio la misurazione della sonda LSU non è sufficientemente precisa;

- invecchiamento del catalizzatore.

Per il primo fenomeno, viene implementato un algoritmo di adattamento della deriva, come brevemente menzionato in precedenza. A tale scopo, i dati D3 (calcolati nel blocco TWCmod sulla base del modello) vengono immessi in un blocco di stima basato su modello (LSFmod), che comprende un modello empirico della sonda LSF, configurato per simulare il funzionamento della sonda LSF. In altri termini, il blocco LSFmod è configurato per generare, come uscita, un segnale stimato o un segnale predittivo (Umod) per le misurazioni che vengono effettuate (o verranno effettuate) dalla sonda LSF sulla base dei dati indicativi della composizione di gas in corrispondenza del tubo di scappamento (dati D3).

A titolo di esempio, questo modello empirico è basato su una correlazione tra la composizione dei gas di scarico e il segnale della sonda. Questo approccio è noto nella tecnica, a titolo di esempio dal riferimento già menzionato: "Modelling and control of three-way catalysts", Auckenthaler Theophil S., Doctoral Thesis ETH, 2005.

In condizioni stazionarie, assumendo che le sonde LSU e LSF stiano esattamente leggendo il λ effettivo, vi dovrebbe essere una diretta correlazione tra i valori medi delle due misurazioni eseguite dalle sonde LSU e LSF, sulla base della conversione eseguita nel catalizzatore 14 sulla composizione di gas. In altri termini, i segnali Umod e U dovrebbero sostanzialmente corrispondere tra loro.

Per verificare questa corrispondenza, il segnale stimato Umod emesso dal blocco LSFmod e il segnale effettivo U della sonda LSU vengono elaborati e confrontati (blocco di controllo TWCad, figura 1), in modo da valutare le possibili discrepanze. In altri termini, la lettura della sonda LSF viene acquisita come riferimento per riconoscere una deriva (la scelta di questo riferimento è efficace, dato che la sonda LSF è più affidabile attorno alla condizione stechiometrica rispetto alla sonda LSU).

In particolare, rispettivi valori medi dei segnali Umod e U vengono calcolati e confrontati tra loro (blocco TWCad). Se vi è una discrepanza tra tali valori medi, o questa discrepanza è maggiore di una data soglia, le stime eseguite dalla strategia basata su modello non sono precise e occorre una correzione/un adattamento. Secondo un aspetto preferito della presente invenzione, la correzione/l'adattamento della deriva viene eseguito agendo sulla lettura della sonda LSU, per allineare l'uscita dei modelli (segnale Umod) con quella della sonda reale LSF.

Per estrarre le informazioni sui valori medi dei segnali U e Umod, preferibilmente viene sfruttato il pattern di "wobbling”. Infatti, in condizioni stazionarie, il pattern di "wobbling” è simmetrico e, pertanto, il segnale U è centrato attorno al suo valore medio: questo fenomeno implica che sia sufficiente considerare un singolo periodo di "wobbling” (o un numero molto basso di periodi) per calcolare il valore medio dei segnali U e Umod, senza sfruttare alcun filtro sui segnali. In altri termini, l'algoritmo di adattamento della deriva è innescato al termine di ogni periodo di "wobbling”, ovvero la durata del periodo di "wobbling” definisce il tasso di campionamento, che è variabile, per valutare l'effettiva corrispondenza tra i segnali U e Umod. Questa scelta è vantaggiosa, in termini di rapidi tempi di risposta, poiché i periodi di "wobbling” sono relativamente corti, in pratica (a titolo di esempio, tra 1 e 3 s).

In particolare, dopo che è stata calcolata la differenza tra i due valori medi, viene implementato un controllo proporzionale-integrativo per calcolare un fattore di correzione utilizzato per correggere la lettura della sonda LSU, preferibilmente attraverso una semplice moltiplicazione per ottenere il valore corretto λr. In particolare, quando si confrontano i valori medi dei segnali U e Umod, se il risultato del confronto rivela che la sonda LSF rileva una miscela di gas più grassa rispetto a quanto previsto (il che significa che il modello ha deviato verso "magro"), il fattore di correzione nel blocco LSUread sarà portato a essere minore di uno, ovvero, farà in modo che il valore corretto λr diventi "più grasso", fino a che i dati di uscita del modello e della realtà vengono riallineati. D'altra parte, se il risultato del confronto tra i valori medi dei segnali U e Umod rivela che la sonda LSF rileva una miscela di gas più magra rispetto a quanto previsto (il che significa che il modello ha deviato verso "grasso"), il fattore di correzione nel blocco LSUread sarà maggiore di uno, ovvero farà in modo che il valore corretto λr diventi "più magro".

La parte integrale del controllo che calcola il fattore di correzione consente di considerare anche lo storico di eventi di deriva passati, per un migliore controllo.

Secondo un aspetto preferito della presente invenzione, un’ulteriore strategia di adattamento viene implementata nel blocco TWCad per correggere gli errori dovuti all'invecchiamento del catalizzatore. Un sistema sottoposto a invecchiamento mostra maggiore interferenza e, pertanto, il suo reale comportamento ha variazioni maggiori nel risultato della conversione e nella composizione di gas tra le fasi grassa e magra del "wobbling”. Per valutare l'invecchiamento, viene determinato un parametro indicativo dell'ampiezza del segnale per ciascuno dei segnali Umod e U. Preferibilmente, tale parametro comprende, o è definito da, la deviazione standard (differenza tra la media del segnale al quadrato e il quadrato del segnale in media). Esattamente come spiegato in precedenza per l'algoritmo di adattamento della deriva, preferibilmente, i valori di questo parametro vengono determinati in un tempo di campionamento dato definito da un singolo ciclo di "wobbling”, o alcuni cicli di "wobbling”, senza filtrare i segnali. Se la deviazione standard del segnale U diventa maggiore di quella stimata (estratta dal segnale Umod), oltre ad una possibile soglia minima da superare, è un'indicazione del fatto che il sistema 10 sta invecchiando. In pratica, la capacità di accumulo di ossigeno del catalizzatore 14 si riduce nel tempo.

Preferibilmente, questo algoritmo di adattamento dell’invecchiamento viene eseguito quando non vi è nessuna sostanziale deriva tra i valori medi dei segnali U e Umod, poiché è una deriva potrebbe causare un segnale più o meno rumoroso. In altri termini, l'algoritmo di adattamento della deriva ha priorità rispetto a questo algoritmo di valutazione o di adattamento dell’invecchiamento: soltanto dopo che sono state compensate le possibili derive, si consente l'adattamento o la valutazione dell’invecchiamento.

Preferibilmente, l'adattamento dell’invecchiamento ha un'uscita definita da un fattore di riduzione utilizzato per determinare una riduzione del valore della capacità di accumulo massima del catalizzatore (questo valore essendo impostato nel modello memorizzato nel blocco TWCmod, come menzionato in precedenza). Come conseguenza automatica, il punto di riferimento Oavset summenzionato si riduce.

In particolare, per confrontare le ampiezze dei segnali U e Umod e pertanto stimare l'invecchiamento, viene calcolato il rapporto tra le deviazioni standard di tali segnali U e Umod. Preferibilmente, questo rapporto viene successivamente integrato. L'integrazione consente di considerare il fatto che l'invecchiamento del catalizzatore è un fenomeno cumulativo.

Infine, il risultato di questa elaborazione/confronto viene utilizzato per determinare il fattore di riduzione, che definisce la riduzione summenzionata nella capacità massima di accumulo modellizzata.

Come alternativa o in combinazione con la riduzione della capacità di accumulo massima impostata nel modello, il risultato dell'elaborazione, eseguita per confrontare i valori che rappresentano le ampiezze dei due segnali U e Umod, viene utilizzato per emettere un segnale di avviso alla ECU per scopi di diagnosi e/o un segnale di avviso al conducente, che indica che il sistema 10 sta invecchiando. In altri termini, questo risultato può essere confrontato con almeno una data soglia e, se la soglia viene superata, l'avviso viene attivato. Questa funzione di avviso relativa all'invecchiamento potrebbe essere utilizzata anche per motori alimentati a benzina, per esempio implementando il controllo con il pattern di "wobbling” per un periodo di tempo limitato in modo da ottenere i segnali oscillanti U e Umod e confrontare le loro ampiezze (deviazioni standard).

Chiaramente, è possibile eseguire diverse fasi di elaborazione per valutare se il sistema sta invecchiando, ovvero se l'ampiezza del segnale oscillante U diventa pericolosamente superiore rispetto all'ampiezza del segnale oscillante stimato Umod. A titolo di esempio: è possibile calcolare una differenza tra le due deviazioni standard, al posto di calcolare il loro rapporto; e/o essere superata una data soglia prima di impostare effettivamente un fattore di correzione per ridurre la capacità di accumulo massima dell'algoritmo di adattamento dell’invecchiamento.

Secondo possibili varianti, non mostrate e non descritte in dettaglio, un pattern di “wobbling” per il punto di riferimento λset può essere inviato al blocco di controllo CL:

- indipendentemente dalle strategie di controllo di alimentazione di combustibile che ottimizzano le prestazioni del motore e/o le prestazioni del catalizzatore e/o indipendentemente dai dati di uscita D1; o

- come parte di una strategia di controllo di alimentazione diversa da quella implementata nel blocco TWCctrl, descritto in precedenza.

A titolo di esempio, un pattern di “wobbling” predefinito può essere impostato nella fase di progettazione e memorizzato in una memoria della ECU.

Secondo un'altra forma di relazione preferita della presente invenzione (non mostrata), quando l'alimentazione di combustibile è controllata mediante il pattern di “wobbling”, la ECU calcola un valore per il parametro, o un indice, che rappresenta l'ampiezza del segnale oscillante U e confronta tale valore calcolato con una soglia di riferimento (o un intervallo di riferimento) che può essere impostato opportunamente nella fase di progettazione e memorizzato come valore costante in una memoria della ECU. Se viene superata questa soglia di riferimento, viene emesso un segnale di avviso in modo da informare il conducente del fatto che il sistema 10 sta invecchiando. Secondo questa forma di realizzazione, preferibilmente, nella ECU non è fornito alcun modello da correggere.

Analogamente alla forma di realizzazione basata su un modello, descritta in precedenza, questo algoritmo di valutazione di invecchiamento (per esempio, il confronto con la soglia di riferimento memorizzata e/o l'emissione del segnale di avviso) viene eseguito soltanto quando è molto probabile che non vi sia alcuna deriva nel valore medio del segnale U. In particolare, la ECU può calcolare un valore medio del segnale U e confrontare tale valore medio con almeno un valore obiettivo, che è preferibilmente impostato nella fase di progettazione e memorizzato come valore costante in una memoria della ECU. Quest'ultima avvia l'algoritmo di valutazione di invecchiamento quando il valore medio calcolato del segnale U è sufficientemente vicino al valore obiettivo. A titolo di esempio, la ECU avvia l'algoritmo di valutazione di invecchiamento se il valore medio calcolato rientra in un intervallo obiettivo tra due valori limite memorizzati nella memoria della ECU.

D'altra parte, nella forma di realizzazione basata su modello descritta in precedenza, tale valore obiettivo (o intervallo obiettivo) è definito in funzione del valore medio calcolato del segnale Umod.

Secondo un'altra forma di relazione preferita (non mostrata), il pattern di “wobbling” e l'algoritmo di valutazione di invecchiamento vengono utilizzati per eseguire verifiche periodiche, in modo da identificare una possibile condizione di invecchiamento in ogni verifica mediante un confronto con i risultati di almeno una delle precedenti verifiche.

A titolo di esempio, il valore calcolato per il parametro che rappresenta l'ampiezza del segnale oscillante U viene confrontato con almeno un valore corrispondente che è stato calcolato in una o più delle precedenti verifiche, per valutare l'aumento del parametro valutato. Un segnale di avviso può essere emesso o meno, in funzione di tale aumento. Questa forma di realizzazione può anche consentire il monitoraggio della condizione di invecchiamento nel tempo in modo da identificare quando potrebbe compromettere la conversione degli inquinanti nel catalizzatore. Anche in questo caso, preferibilmente, nella ECU non è necessario alcun algoritmo basato su modello.

Alla luce di quanto precede, i vantaggi del metodo di valutazione secondo l'invenzione sono evidenti.

Infatti, grazie al pattern di “wobbling” impostato per il punto di riferimento λset in modo da portare le condizioni di combustione nel motore 2 a commutare tra "magra" e "grassa", il segnale U oscilla e questa oscillazione può essere efficacemente utilizzata per identificare una condizione di invecchiamento di catalizzatore, valutando un indice o un parametro (opportunamente la deviazione standard) che indica l'ampiezza del segnale U.

Se viene identificata una condizione di invecchiamento alla luce di questa valutazione, tale identificazione determina automaticamente e direttamente una correzione nei modelli, se sono forniti, e/o una correzione delle strategie di controllo e/o di un segnale di avviso.

La valutazione secondo la presente invenzione non necessita di alcun intervento manuale, ovvero può essere eseguita soltanto tramite software, in modo tale che le correzioni automatiche e/o i segnali di avviso automatici possano essere direttamente forniti dal blocco TWCad.

Inoltre, il metodo di valutazione è relativamente preciso e ha bassi tempi di risposta.

L'algoritmo di valutazione di invecchiamento è particolarmente vantaggioso in combinazione con gli algoritmi basati su modello forniti per controllare l'alimentazione di combustibile, in quanto i modelli possono essere corretti in risposta alla valutazione di invecchiamento. In aggiunta, grazie ai modelli, è possibile utilizzare l'ampiezza del segnale Umod come riferimento da confrontare con il valore corrispondente per il segnale di misurazione U, dopo aver fornito il pattern di “wobbling”.

Infine, è chiaro che è possibile apportare modifiche al metodo descritto, che non si estendano oltre l'ambito di protezione definito dalle rivendicazioni allegate.

Per esempio, è possibile prendere un parametro diverso dalla deviazione standard come indicazione dell'ampiezza di oscillazione dei segnali U e Umod.

Claims

RIVENDICAZIONI 1.- Metodo per valutare l'invecchiamento di un catalizzatore a tre vie per un gruppo (1) comprendente: a) un motore a combustione interna ad accensione comandata (2); b) un sistema di post-trattamento dei gas di scarico (10) comprendente un catalizzatore a tre vie (14); c) una sonda lambda (LSF) disposta a valle di detto catalizzatore (14), considerando una direzione di flusso di gas di scarico in detto catalizzatore (14); detta sonda lambda (LSF) generando un segnale di uscita effettivo (U); e d) un dispositivo di iniezione (2) che alimenta combustibile a detto motore (2); il metodo comprendendo la fase di controllare detto dispositivo di iniezione (8) secondo un punto di riferimento (λset), indicativo di un rapporto aria/combustibile desiderato durante la combustione di una miscela di combustibile e aria in detto motore (2); caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: - impostare un pattern di “wobbling” per detto punto di riferimento (λset) in modo da far funzionare detto motore (2) con fasi di combustione magra e fasi di combustione grassa che si alternano; - calcolare un primo valore di un parametro che è indicativo di un'ampiezza di segnale, detto primo valore essendo calcolato relativamente a detto segnale di uscita effettivo (U); - confrontare detto primo valore con un riferimento in modo da valutare una eventuale discrepanza. 2.- Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto riferimento è definito da una data soglia o un dato intervallo. 3.- Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di eseguire le fasi di confronto in modo ricorrente, in modo da ottenere rispettivi risultati distribuiti nel tempo; detto riferimento essendo determinato sulla base di almeno un risultato di una precedente fase di confronto. 4.- Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: - simulare detto catalizzatore (14) mediante un modello di catalizzatore; - generare, in detto modello di catalizzatore, dati (D3) indicativi di una composizione stimata dei gas di scarico in uscita da detto catalizzatore (14); - simulare detta sonda lambda (LSF) mediante un modello di sonda; - generare un segnale di uscita stimato (Umod) in detto modello di sonda, sulla base di detti dati (D3); - calcolare un secondo valore di detto parametro, detto secondo valore essendo calcolato relativamente a detto segnale di uscita stimato (Umod); - determinare detto riferimento in funzione di detto secondo valore. 5.- Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto modello di catalizzatore comprende una pluralità di celle (Cell1, Cell2,…, Celln), che corrispondono a rispettive aree disposte in serie in detto catalizzatore (14) lungo detta direzione di flusso e sono associate a rispettivi livelli di ossigeno (Ocell1, Ocell2,… Ocelln); detto catalizzatore (14) avendo una capacità di accumulo di ossigeno massima, che è impostata in detto modello di catalizzatore e viene ridotta se detto primo valore è maggiore di detto riferimento. 6.- Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che la riduzione di detta capacità di accumulo di ossigeno massima è ottenuta mediante un fattore di riduzione che viene calcolato mediante un controllo proporzionaleintegrativo. 7.- Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di calcolare un valore medio di segnale relativamente a detto segnale di uscita effettivo (U); detta fase di confronto essendo eseguita quando detto valore medio di segnale corrisponde a un obiettivo. 8.- Metodo secondo le rivendicazioni 7 e 4, caratterizzato dal fatto di calcolare un ulteriore valore medio di segnale relativamente a detto segnale di uscita stimato (Umod) e determinare detto obiettivo in funzione di detto ulteriore valore medio di segnale. 9.- Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di emettere un segnale di avviso se detto primo valore è maggiore di detto riferimento. 10.- Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto primo valore viene calcolato nell'arco di un dato periodo di campionamento, pari ad almeno un periodo del pattern di “wobbling”. 11.- Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta fase di confronto comprende il calcolo di un rapporto o una differenza tra detto primo valore e detto riferimento; detto rapporto o differenza essendo quindi integrato. 12.- Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto parametro comprende una deviazione standard. 13.- Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto pattern di “wobbling” è definito da un livello massimo costante (L1), per portare il motore alla fase di combustione magra, e da un livello costante minimo (L2), per portare il motore alla fase di combustione grassa; detti livelli massimo e minimo (L1, L2) essendo simmetrici rispetto a una condizione stechiometrica. 14.- Unità di controllo elettronica (ECU) per un gruppo (1) comprendente: a) un motore a combustione interna ad accensione comandata (2); b) un sistema di post-trattamento dei gas di scarico (10) comprendente un catalizzatore a tre vie (14); c) una sonda lambda (LSF) disposta a valle di detto catalizzatore (14), considerando una direzione di flusso dei gas di scarico in detto catalizzatore (14); detta sonda lambda (LSF) generando un segnale di uscita effettivo (U); e d) un dispositivo di iniezione (2) che alimenta combustibile a detto motore (2); l'unità di controllo elettronica (ECU) essendo configurata per eseguire il metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.