ITBO990574A1

ITBO990574A1 - Metodo per la diagnosi di un sistema di abbattimento dei gas di scarico per un motore a combustione interna .

Info

Publication number: ITBO990574A1
Application number: IT1999BO000574A
Authority: IT
Inventors: Luca Poggio; Daniele Ceccarini; Cesare Matteo De; Ciro Barberio
Original assignee: Magneti Marelli Spa
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2001-04-26
Also published as: US6389805B1; BR0006735A; DE60002141T2; ITBO990574A0; DE60002141D1; EP1096117A1; IT1311110B1; ES2194664T3; BR0006735B1; EP1096117B1

Description

D E S C R I Z IO N E

del brevetto per invenzione industriale

La presente invenzione si riferisce ad un metodo per la diagnosi di un sistema di abbattimento dei gas di scarico per un motore a combustione interna.

Come è noto, i motori a combustione interna attualmente utilizzati sono provvisti di sistemi di abbattimento dei gas scarico che hanno lo scopo di minimizzare le emissioni di sostanze inquinanti, come ad esempio ossidi di azoto, monossido di carbonio e idrocarburi incombusti.

Alcune parti di tali sistemi sono soggette a usura ed è perciò necessario, al fine di garantire un'efficienza di abbattimento delle emissioni inquinanti accettabile, che il loro stato di funzionamento sia costantemente sorvegliato.

Per maggiore chiarezza, in figura 1 è illustrato, indicato con 1, un sistema di abbattimento dei gas di scarico del tipo comunemente impiegato.

Il sistema 1 è collegato a un motore 2 a combustione interna e comprende un precatalizzatore 3, disposto lungo un condotto di scarico 4 a ridosso del motore 2,· e un catalizzatore principale 5, situato più a valle. Tipicamente, il precatalizzatore 3 è un catalizzatore a tre vie o TWC (dall'inglese "Three Way Catalyst").

Un primo sensore di ossigeno 6, tipicamente una sonda LAMBDA lineare o UEGO, è disposto all'ingresso del precatalizzatore 3, mentre un secondo sensore di ossigeno 7, ad esempio una sonda di tipo LAMBDA ON/OFF, si trova all'uscita del catalizzatore principale 5. Inoltre, un sensore di temperatura di uscita 8 misura la temperatura dei gas di scarico all'uscita del precatalizzatore 3.

I sensori di ossigeno 6 e 7 generano un primo e, rispettivamente, un secondo segnale di composizione dei gas di scarico V1 e V2, rappresentativi di titoli λι e all'ingresso e all'uscita del precatalizzatore 3, mentre il sensore di temperatura 8 fornisce un segnale di temperatura di uscita V0 rappresentativo della temperatura di uscita T0 dei gas di scarico all'uscita dal precatalizzatore 3. Tali segnali, vengono alimentati in ingresso a un'unità di controllo 10, che riceve inoltre un pluralità di parametri motoristici (ad esempio numero di giri RPM e carico L), in base ai quali può essere determinato il punto di funzionamento del motore 2. L'unità di controllo 10 esegue un algoritmo di diagnosi e genera in uscita un segnale di errore E, ad esempio di tipo logico, che assume un primo valore logico quando viene rilevato un malfunzionamento del sistema 1.

Il precatalizzatore 3 e il catalizzatore principale 5 sono i componenti di maggiore importanza del sistema 1 e, di conseguenza, è fondamentale garantire che la loro efficienza si mantenga costantemente al di sopra di una soglia minima. Pertanto, è necessario disporre di metodi che permettano di riconoscere se, a causa dell'invecchiamento o di guasti, le prestazioni risultano deteriorate e si deve quindi ricorrere a un intervento di manutenzione per ripristinare la funzionalità del sistema.

In particolare, sono noti metodi per la diagnosi di sistemi di abbattimento dei gas di scarico, sostanzialmente simili al sistema 1 descritto, basati sulle informazioni fornite all'unità di controllo 10 dai sensori di ossigeno 6 e 7.

Tali metodi presentano alcuni inconvenienti.

In particolare, è svantaggioso il fatto che, secondo i metodi noti, è possibile effettuare soltanto una diagnosi complessiva del sistema, mentre la valutazione delle prestazioni del singolo precatalizzatore 3 risulta difficoltosa e poco affidabile.

Infatti, la diagnosi del precatalizzatore 3 è possibile soltanto durante transitori di avviamento del motore 2, in quanto il catalizzatore principale 5 impiega tempi maggiori per raggiungere la massima efficienza. Pertanto, nelle fasi iniziali di funzionamento, durante le quali il precatalizzatore 3 e il catalizzatore principale 5 si portano a rispettive temperature operative, l'abbattimento delle emissioni inquinanti può essere completamente attribuito all'azione del precatalizzatore 3, che raggiunge più rapidamente le condizioni di massima efficienza.

Tuttavia, non è possibile determinare con certezza la durata del transitorio di riscaldamento del precatalizzatore 3, né il momento in cui il contributo del catalizzatore principale 5 all'abbattimento delle emissioni inquinanti diventa significativo.

Inoltre, è noto che la durata del transitorio di riscaldamento del precatalizzatore 3 aumenta, in modo non precisabile, all'invecchiare del precatalizzatore 3 stesso. Di conseguenza, proprio quando l'efficienza del sistema 1 diminuisce, a causa dell'usura, i metodi di diagnosi tradizionali divengono meno affidabili.

Scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un metodo per la diagnosi che sia privo degli inconvenienti descritti e, in particolare, sia affidabile e non risenta dell'invecchiamento del precatalizzatore .

In base alla presente invenzione viene pertanto fornito un metodo per la diagnosi di un sistema di abbattimento dei gas di scarico in un motore a combustione interna, comprendente un precatalizzatore e un catalizzatore principale disposti lungo un condotto di scarico di un motore a combustione interna; primi mezzi di rilevamento della temperatura disposti all'ingresso di detto precatalizzatore e generanti un primo segnale di temperatura, rappresentativo di una temperatura di ingresso T1 dei gas di scarico all'ingresso di detto precatalizzatore; secondi mezzi di rilevamento della temperatura disposti all'uscita di detto precatalizzatore e generanti un secondo segnale di temperatura, rappresentativo di una temperatura di uscita T0 dei gas di scarico all'uscita di detto precatalizzatore; mezzi sensori di ossigeno, disposti all'ingresso di detto precatalizzatore e generanti un segnale di composizione dei gas di scarico, rappresentativo di un titolo di ossigeno in ingresso λI; un'unità di controllo ricevente in ingresso detti primo e secondo segnale di temperatura e detto segnale di composizione dei gas di scarico e fornente in uscita un segnale di errore; caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di:

a) determinare un calore reale QR fornito ai gas di scarico all'interno di detto precatalizzatore in funzione di dette temperatura di ingresso Τ1 e temperatura di uscita T0;

b) determinare un calore nominale QN0M corrispondente a condizioni nominali di funzionamento del precatalìzzatore; e

c) determinare un indice I, rappresentativo dello stato di usura del precatalizzatore, in funzione di detti calore reale QR e calore nominale QNOM·

Per una migliore comprensione della presente invenzione viene descritta nel seguito una sua forma preferita di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 è uno schema a blocchi semplificato dì un sistema di controllo dei gas di scarico, implementante un metodo di tipo noto;

- la figura 2 è uno schema a blocchi semplificato di un sistema di controllo dei gas dì scarico, implementante il metodo secondo la presente invenzione; - le figure 3 e 4 mostrano grafici relativi agli andamenti di temperature dei gas di scarico durante il funzionamento del sistema di figura 1;

- la figura 5 è un grafico che illustra la dipendenza di un parametro del sistema di figura 2 dalla temperatura;

- la figura 6 è un diagramma di flusso relativo al metodo secondo la presente invenzione; e

- la figura 7 è uno schema a blocchi semplificato di un sistema di controllo dei gas di scarico, implementante una variante del metodo secondo la presente invenzione.

La figura 2 mostra un sistema di abbattimento dei gas di scarico 1' che implementa il metodo di diagnosi secondo la presente invenzione. Per comodità, parti uguali a quelle già descritte con riferimento alla figura 1 sono indicate con gli stessi numeri.

In particolare, il sistema 1' è composto dagli stessi elementi presenti dal sistema 1 di figura 1 e differisce per il fatto di comprendere, inoltre, un sensore di temperatura di ingresso 12, disposto all'ingresso del precatalizzatore 3, che genera e alimenta all'unità di controllo 10 un segnale VI rappresentativo della temperatura di ingresso TI .

Quando il motore 2 viene avviato, il precatalizzatore 3 viene portato a una temperatura operativa T0P, ad esempio pari a 350° C, alla quale hanno inizio reazioni di ossidazione fortemente esotermiche. Di conseguenza, i gas di scarico si riscaldano durante il passaggio nel precatalizzatore 3 e, come mostrato in figura 3, a partire da un primo istante t1 la temperatura di uscita T0 (rappresentata in figura 3 con linea a tratto continuo) aumenta rispetto alla temperatura di ingresso TI (linea a tratto e punto) .

Con l'usura, una porzione del precatalizzatore 3 diviene inerte e le reazioni di ossidazione si sviluppano a una certa distanza dall'imbocco. Di conseguenza, è necessario fornire una certa quantità di calore per scaldare la porzione inerte del precatalizzatore 3 prima che, ad un secondo istante x2, maggiore di X1, le reazioni di ossidazione possano avere inizio. Inoltre, la temperatura di uscita T0 inizia ad aumentare meno rapidamente che nel caso in cui il precatalizzatore 3 sia nuovo.

La figura 4 mostra il confronto fra gli andamenti di una temperatura di uscita T01 da un precatalizzatore 3 nuovo (rappresentata con linea a tratto continuo), ovvero operante in condizioni e con prestazioni nominali, e di una temperatura di uscita T02 in presenza di un precatalizzatore 3 usurato (rappresentata con linea a tratteggio). Dal momento che l'area sottesa da ciascuna curva è rappresentativa del calore fornito ai gas di scarico nelle corrispondenti condizioni di funzionamento, risulta chiaro che la quantità di calore che il precatalizzatore 3 è in grado di fornire diminuisce con l'invecchiamento del precatalizzatore 3 stesso.

In particolare, un precatalizzatore 3 nuovo è in grado di fornire ai gas dì scarico, in un intervallo di tempo Δτ compreso fra un in istante iniziale t1, minore di t1, e un istante corrente xc, un calore nominale QNOM che può essere calcolato a partire dalla potenza nominale PNOM secondo l'equazione:

<(>1)

A sua volta, la potenza nominale PNOM può essere ricavata dall'equazione:

(2)

nella quale MA è la portata d'aria alimentata al motore 2, pari alla portata dei gas di scarico che fluiscono nel precatalizzatore 3, λI è il titolo all'ingresso del precatalizzatore 3, fornito dal primo sensore di ossigeno 6 per mezzo del primo segnale di composizione Vi, Hi è un potere calorifico medio dei gas di scarico, dato dalla media, pesata secondo le rispettive portate, fra il potere calorifico degli idrocarburi incombusti e il potere calorifico dell'ossido di carbonio, e Kc è un coefficiente correttivo che tiene conto della dipendenza della reazioni di ossidazione dalla temperatura del precatalizzatore 3. La portata d'aria MA è nota in base al punto di funzionamento del motore 2, mentre il coefficiente Kc può essere determinato sperimentalmente e ha l'andamento mostrato in figura 5.

L'equazione (2) è valida quando il titolo all'ingresso λι è minore di 1, mentre in caso contrario la potenza nominale PNOM è nulla.

Quando il precatalizzatore 3 non opera in condizioni e con prestazioni nominali, invece, fornisce ai gas di scarico, nell'intervallo di tempo Δτ, un calore reale QR minore del calore nominale QN0M.

Il calore reale QR può essere determinato a partire da una potenza reale PR secondo l'equazione:

(3)

La potenza reale PR viene ricavata dall'equazione di bilancio di potenza applicata al precatalizzatore 3:

( 4 }

nella quale Tc è la temperatura del precatalizzatore 3, TA è la temperatura dell'aria esternamente al precatalizzatore 3 (che può essere misurata in modo noto e non descritto), Cc e S sono la capacità termica e, rispettivamente, la superficie del precatalizzatore 3, hCA è il coefficiente di scambio termico convettivo fra il precatalizzatore 3 e l'aria e cP è il calore specifico a pressione costante per i gas di scarico. Tutti i termini che compaiono nell'equazione (4), ad eccezione della temperatura Tc del precatalizzatore 3, sono noti perché possono essere misurati o determinati sperimentalmente .

Inoltre, dalla (4) si deduce la seguente espressione :

( 5)

Per determinare la temperatura Tc del precatalìzzatore 3 si può far ricorso al bilancio di potenza applicato ai gas di scarico all'interno del precatalizzatore 3, come risulta dalla seguente equazione :

(6)

in hGc è il coefficiente di scambio termico convettivo fra i gas di scarico e il precatalizzatore 3, determinabile sperimentalmente, e TG è la temperatura media dei gas di scarico all'interno del precatalizzatore 3, stimata in base all'espressione:

Dalla (7) si ricava il valore della temperatura Tc del precatalizzatore 3:

(8)

che inserito nella (5) permette di determinare la potenza reale PR e, attraverso la (3), il calore reale QR in funzione della temperatura di ingresso Tr e della temperatura di uscita T0.

Tenendo conto di quanto esposto e con riferimento alla figura 6, il metodo di diagnosi secondo la presente invenzione inizia con 1'acquisizione di valori correnti della temperatura di ingresso T1 (blocco 100) e della temperatura di uscita T0 (blocco 110). L'acquisizione di tali valori correnti corrisponde alla registrazione delle misure effettuate per mezzo del sensore di temperatura di ingresso 12 e del sensore di temperatura di uscita 8 e rappresentate dal segnale di temperatura di ingresso VT e, rispettivamente, dal segnale di temperatura di uscita V0.

La potenza reale PR viene quindi calcolata, in accordo con l'equazione (5) (blocco 120), per poi ricavare dall'equazione (3) il calore reale QR (blocco 130) .

Quindi, viene effettuato il calcolo della potenza nominale PN, in base all'equazione (2) (blocco 140), e, successivamente, del calore nominale QNOM, secondo la (1) (blocco 150) .

In seguito, viene calcolato un indice di invecchiamento I (blocco 160), dato dal rapporto fra il calore reale QR e il calore nominale QNOM e perciò rappresentativo dello stato di invecchiamento del precatalizzatore 3.

Viene poi eseguito un test per controllare se 1'indice di invecchiamento I risulta inferiore a un prefissato valore di soglia Is (blocco 170). In caso affermativo (uscita SI del blocco 170), viene generato un messaggio di errore, ponendo il segnale di errore E a un primo valore logico, indicativo di un malfunzionamento (blocco 180), e l'algoritmo di diagnosi viene concluso (blocco 190). In caso contrario (uscita NO del blocco 170), l'algoritmo di diagnosi viene terminato subito dopo 1'esecuzione del test (blocco 190).

Una variante del metodo descritto è basata su un sistema di abbattimento dei gas di scarico 1", illustrato in figura 7, nella quale parti uguali a quelle già descritte con riferimento alle figure 1 e 2 sono indicate con gli stessi numeri.

Il sistema 1" differisce dai precedenti in quanto il primo segnale di composizione V1 fornito dal primo sensore di ossigeno 6 viene alimentato a un blocco di stima 15, appartenente all'unità di controllo 10.

Il blocco di stima 15 effettua una stima della temperatura di ingresso TI in funzione del primo segnale di composizione Vi e la fornisce a un blocco di diagnosi 16, che la utilizza per eseguire un algoritmo di diagnosi secondo la variante del presente metodo.

Per riferimento, viene di seguito riportato il contenuto della domanda di brevetto N. B099A000535, depositata il 6 Ottobre 1999 a nome della richiedente,-nella quale viene descritto un algoritmo di stima della temperatura di ingresso TI.

L'algoritmo di stima citato prevede di ricavare la temperatura dei gas dì scarico all'ingresso del precatalizzatore attraverso la misura della potenza elettrica che occorre fornire al riscaldatore presente nel sensore di ossigeno per mantenere quest'ultimo a una prefissata temperatura operativa.

In particolare, una stima di tale temperatura operativa viene ricavata a partire dalla misura della resistenza interna del sensore, essendo nota la relazione tra temperatura e resistenza, e successivamente viene confontata con una temperatura obiettivo, ottenendo un errore di temperatura. L'errore di temperatura viene alimentato in ingresso ad un controllore, ad esempio un controllore ad azione proporzionale-integrale, che fornisce in uscita una tensione di controllo per regolare la potenza elettrica fornita al riscaldatore.

Inoltre, la temperatura operativa stimata e la tensione di controllo, il cui valore efficace è indice della potenza elettrica erogata al riscaldatore, vengono fornite in ingresso ad un blocco di stima che, in base a un modello matematico di scambio termico fra il sensore, il riscaldatore e i gas di scarico in cui il sensore è immerso, ricava la stima della temperatura dei gas di scarico.

Secondo la variante del presente metodo, in particolare, l'acquisizione di un valore corrente della temperatura di ingresso TI (blocco 100) corrisponde all'effettuazione di una stima da parte del blocco di stima 15 e alla registrazione del valore così fornito.

Come risulta evidente, la variante descritta non richiede 1'impiego del sensore di temperatura di ingresso 12.

Il metodo descritto presenta i seguenti vantaggi. In primo luogo, è possibile effettuare una diagnosi affidabile del precatalizzatore 3 separatamente dal catalizzatore principale 5.

Inoltre, è vantaggioso il fatto che la diagnosi non risente delle variazioni subite dal transitorio di riscaldamento del precatalizzatore 3 dovute all'invecchiamento. Infatti, tali variazioni possono produrre come effetto unicamente una diminuzione del calore reale QR fornito ai gas di scarico e quindi il confronto con il calore nominale QNOM rappresenta un criterio robusto per valutare la funzionalità del precatalizzatore 3.

Un ulteriore vantaggio è costituito dall'economicità della soluzione proposta, in quanto è richiesto l'impiego di un solo sensore di temperatura aggiuntivo o addirittura, nel caso della variante, il metodo può essere implementato senza dover prevedere l'utilizzo di nuovi componenti.

Risulta infine chiaro che al metodo descritto possono essere apportate modifiche e varianti che non escono dall'ambito di protezione della presente invenzione .

In particolare, è possibile utilizzare una stima anche per la temperatura di uscita T0, in luogo della misura fornita dal sensore di temperatura di uscita 8, o utilizzare stime della temperatura di ingresso TI ottenute in modo diverso da quello descritto.

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I 1. Metodo per la diagnosi di un sistema di abbattimento dei gas di scarico in un motore a combustione interna, comprendente un precatalizzatore (3) e un catalizzatore principale (5) disposti lungo un condotto di scarico (4) di un motore (2) a combustione interna; primi mezzi di rilevamento della temperatura (12) disposti all'ingresso di detto precatalizzatore (3) e generanti un primo segnale di temperatura (VI) , rappresentativo di una temperatura di ingresso TI dei gas di scarico all'ingresso di detto precatalizzatore (3); secondi mezzi di rilevamento della temperatura (8) disposti all'uscita di detto precatalizzatore (3) e generanti un secondo segnale di temperatura (V0) , rappresentativo di una temperatura di uscita T0 dei gas di scarico all'uscita di detto precatalizzatore (3); mezzi sensori di ossigeno, disposti all'ingresso -di detto precatalizzatore (3) e generanti un segnale di composizione dei gas di scarico (V1) , rappresentativo di un titolo di ossigeno in ingresso λι; un'unità di controllo (10) ricevente in ingresso detti primo e secondo segnale di temperatura e detto segnale di composizione dei gas di scarico (Vi) e fornente in uscita un segnale di errore (E); caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: a) determinare un calore reale QR fornito ai gas di scarico all'interno di detto precatalizzatore (3) in funzione di dette temperatura di ingresso TI e temperatura di uscita T0 (130); b) determinare un calore nominale QN0M corrispondente a condizioni nominali di funzionamento del precatalizzatore (3) (150); e c) determinare un indice I, rappresentativo dello stato di usura del precatalizzatore (3), in funzione di detti calore reale QR e calore nominale QNOM (160).
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fase comprende le fasi di: al) acquisire rispettivi valori correnti di detta temperatura di ingresso Ti e di detta temperatura di uscita T0 (100, 110); a2) determinare una potenza reale PR in funzione di detti valori correnti; e a3) calcolare detto calore reale QR secondo 1'equazione :

tI essendo un istante iniziale e tc essendo un istante corrente.
3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta fase a2) di determinare una potenza reale PR comprende la fase di: a21) calcolare detta potenza reale P secondo 1'equazione :

MA essendo una portata d'aria alimentata a detto motore (2), cP essendo un calore specifico a pressione costante per i gas di scarico, hCA essendo un coefficiente di scambio termico convettivo fra detto precatalizzatore (3) e l'aria, Cc e S essendo una capacità termica e, rispettivamente, una superficie di detto precatalizzatore (3), Tc essendo la temperatura del precatalizzatore (3) e TA essendo la temperatura dell'aria esternamente a detto precatalizzatore (3).
4. Metodo precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase al) di acquisire valori correnti comprende la fase di: all) misurare detta temperatura di ingresso TI.
5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detta fase al) di acquisire valori correnti comprende la fase di: a12) stimare detta temperatura di ingresso TI.
6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase b) di determinare un calore nominale QN0M comprende la fase di: bl) determinare una potenza nominale PN0M (140); e b2) calcolare detto calore nominale QNOM secondo 1'equazione:
7. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta fase bl) di determinare detta potenza nominale ΡΝ0Μ comprende la fase di: bll) calcolare detta potenza nominale PNOM secondo 1 ' equazione:

Kc essendo un coefficiente correttivo e Hi essendo un potere calorifico medio dei gas di scarico.
8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase c) di determinare detto indice (I) comprende la fase di: cl) calcolare detto indice (I) in base al rapporto fra detto calore reale QR e detto calore nominale QNOM
9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere, inoltre, le fasi di: d) confrontare detto indice (I) con un insieme di valori di accettabilità (170); e e) generare detto segnale di errore (E) se detto indice (I) non appartiene a detto insieme di valori di accettabilità (180).
10. Metodo secondo la rivendicazione 9 caratterizzato dal fatto che detta fase d) di confrontare detto indice (I) comprende la fase di: di} controllare se detto indice è minore un valore dì soglia (Ig) .
11. Metodo per la diagnosi di un sistema di abbattimento dei gas di scarico in un motore a combustione interna, sostanzialmente come descritto ed illustrato con riferimento ai disegni allegati.