MX2015001843A - Enfoque para control y diagnostico del motor. - Google Patents

Abstract

Se proporcionan realizaciones para un escape de motor. En un ejemplo, un método comprende ajustar una cantidad de inyección de combustible en base al estado de oxidación fraccionario de un catalizador; el estado de oxidación fraccionario se basa en las velocidades de reacción de una pluralidad de especies de gases de escape a través de un eje longitudinal del catalizador y un conjunto de ecuaciones de balance de masa y balance de energía promediadas de forma axial para una fase fluida y un recubrimiento rugoso del catalizador, y se basa además en la retroalimentación desde un sensor para la relación aire-combustible corriente abajo. De esta manera, se puede usar un modelo de catalizador simplificado para controlar la relación aire-combustible.

Description

ENFOQUE PARA CONTROL Y DIAGNÓSTICO DEL MOTOR CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente divulgación se refiere al control de la retroalimentación de la relación aire-combustible en un motor de combustión interna.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La conversión eficiente de las emisiones de gases de escape en un motor de gasolina incluye mantener la relación aire-combustible del gas de alimentación del catalizador en un margen estrecho en tomo a la estequiometría. Sin embargo, durante el funcionamiento habitual del motor, pueden ocurrir pequeños desplazamientos que se alejen de la estequiometría. Para incrementar el marco operativo y de ese modo mejorar el rendimiento de las emisiones, los catalizadores a veces incluyen óxido de cerio para proporcionar un buffer para almacenamiento de oxígeno. Para mantener un rendimiento óptimo del catalizador, el oxígeno almacenado se puede mantener a un valor determinado deseado, calibrado en base a la temperatura y carga del motor, mediante el control de la retroalimentación de la relación aire-combustible del motor.

Sin embargo, los inventores de la presente han reconocido un problema con el enfoque mencionado precedentemente. Determinar el nivel de oxígeno almacenado en un catalizador normalmente incluye la utilización de un modelo de catalizador basado en la física que incluye una pluralidad de ecuaciones diferenciales parciales en una o más dimensiones. Dicho modelo puede ser difícil de implementar y puede requerir mayor potencia de procesamiento que la normalmente disponible en un controlador de motor.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Por consiguiente, en un ejemplo, el problema anterior se puede abordar, al menos parcialmente, mediante un método para un sistema de escape de motor. En una realización, el método comprende ajustar una cantidad de inyección de combustible en base a un estado de oxidación fraccionario de un catalizador; el estado de oxidación fraccionario se basa en las velocidades de reacción de una pluralidad de especies de gases de escape a través de un eje longitudinal del catalizador y un conjunto de ecuaciones de balance de masa y balance de energía promediadas de forma axial para una fase fluida y un recubrimiento rugoso del catalizador, y en base a la retroalimentación desde un sensor de la relación aire-combustible corriente abajo.

En otro ejemplo, mi método de escape de motor comprende ajustar una cantidad de inyección de combustible en base a: un estado de oxidación fraccionario (FOS) de un catalizador con respecto a un punto de ajuste FOS, el FOS se basa en las velocidades de reacción de una pluralidad de especies de gases de escape a través de un eje longitudinal del catalizador y mi conjunto de ecuaciones de balance de masa y balance de energía promediadas de forma axial, y la retroalimentación separada desde un sensor HEGO corriente abajo con respecto a un punto de ajuste HEGO; los puntos de ajuste FOS y HEGO se vinculan.

La presente divulgación puede ofrecer varias ventajas. Por ejemplo, se pueden reducir los recursos de procesamiento destinados al modelo de catalizador. Además, se puede mejorar el control de las emisiones al mantener al catalizador en un estado de oxidación fraccionario deseado. Además, se puede monitorear la evolución de las especies de escape, tales como HC, NOx y CO, o los oxidantes y los agentes reductores agregados, y si se predice un avance, se puede notificar a un operador del vehículo y/o llevar a cabo operaciones adicionales para el control del motor para controlar la producción de las especies de escape. Otra ventaja del presente enfoque es que ofrece un monitor para el catalizador no intrusivo para control y diagnóstico, el cual es menos dependiente de la ubicación del sensor y, por lo tanto, se podrá aplicar igualmente en ambos sistemas de catalizador de volumen parcial y total. Finalmente, al vincular los dos puntos de ajuste de esta manera, se puede mejorar la solidez del controlador mientras se limitan la complejidad y los esfuerzos de calibración.

Las ventajas antes mencionadas y otras ventajas, y las características de la presente descripción serán evidentes de inmediato a partir de la siguiente Descripción detallada cuando se considere sola o en conexión con los dibujos que la acompañan.

Se debe comprender que el resumen anterior se proporciona para introducir en forma simplificada una selección de conceptos que se describirán con mayor detalle en la descripción detallada. No se intenta identificar las características principales o esenciales del objeto reivindicado, el alcance del mismo se define únicamente en las reivindicaciones que siguen a la descripción detallada. Además, el objeto reivindicado no se limita a las implementaciones que resuelven cualquier desventaja indicada con anterioridad o en cualquier parte de la presente divulgación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 muestra en forma esquemática un sistema de vehículo de ejemplo.

La figura 2 ilustra una operación de control para estimar la ganancia del catalizador.

La figura 3 muestra en forma esquemática un diagrama de ejemplo de estrategias de control del bucle intemo y extemo en coordinación con la retroalimentación modelo.

La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra un método de ejemplo para monitorear un catalizador de acuerdo con una realización de la presente divulgación.

La figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un método de ejemplo para determinar un estado de oxidación de un catalizador de acuerdo con una realización de la presente divulgación.

La figura 6 muestra gráficos de puntos de ajuste como una función de diversos parámetros; los puntos de ajuste se aplican al controlador de la figura 3.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS Para reducir el avance de las emisiones, los catalizadores pueden utilizar materiales para almacenamiento de oxígeno, por ejemplo, óxido de cerio en la forma de óxido de cerio para proporcionar un buffer para el oxígeno durante los desplazamientos pobres o ricos. Se puede controlar la relación aire-combustible que ingresa al catalizador de manera tal que el estado de oxidación del catalizador se mantenga en un nivel deseado. En un modelo de ejemplo de la presente divulgación, la concentración de diversas especies de gases de escape, tales como H2, CO, NOx, HC y 02, en la entrada hasta la salida del catalizador se pueden mostrar mediante el uso de un modelo simplificado de baja dimensión. El modelo representa la dinámica compleja del catalizador, tales como la difusión y la reacción en el recubrimiento rugoso y desgaste del catalizador, y simplifica la dinámica en un conjunto de ecuaciones del modelo promediadas de forma axial. Las ecuaciones del modelo rastrean el balance de cada especie de escape en la fase fluida y en el recubrimiento rugoso del catalizador. Además, el modelo compensa el balance total de energía en la fase fluida y en el recubrimiento rugoso del catalizador.

En particular, el modelo puede rastrear el cambio en la concentración de oxidantes y agentes reductores con el fin de determinar un estado de oxidación fraccionario del catalizador, lo que puede usarse para controlar la relación aire-combustible del motor. Además, se puede determinar una ganancia del catalizador y aplicarla al modelo para rastrear un cambio en la capacidad total de almacenamiento de oxígeno, lo que puede indicar si el catalizador se degrada o no se degrada. De manera adicional, se puede usar la concentración de diversos componentes de escape para predecir las emisiones totales del tubo de escape. La figura 1 muestra un motor de ejemplo que incluye un catalizador y un sistema de control. Las figuras 2 a 5 ilustran diversas rutinas de control que se pueden llevar a cabo mediante el motor de la figura 1.

La figura 1 muestra una ilustración esquemática de un sistema de vehículo 6. El sistema de vehículo 6 incluye un motor 10 que tiene una pluralidad de cilindros 30. El motor 10 incluye una admisión 23 y un escape 25. La admisión 23 incluye una válvula 62 acoplada de manera fluida al colector de admisión del motor 44 mediante un pasaje de admisión 42. El escape 25 incluye un colector de escape 48 que conduce a un pasaje de escape 35 el cual lleva el gas de escape hacia la atmósfera. El escape 25 puede incluir uno o más dispositivos de control de emisiones 70, los cuales se pueden montar en una posición de acoplamiento corto en el escape. Uno o más dispositivos de control de emisiones pueden incluir un catalizador de tres vías, un catalizador absorbedor de NOx, un filtro de partículas diésel o gasolina, un catalizador de oxidación, etc. Se puede apreciar que se pueden incluir otros componentes en el motor tales como una variedad de válvulas y sensores.

El motor 10 puede recibir combustible desde un sistema de combustible (no se muestra) que incluye un tanque de combustible y una o más bombas para presurizar el combustible suministrado a los inyectores 66 del motor 10. Aunque se muestra un solo inyector 66, se proporcionan inyectores adicionales para cada cilindro. Se puede apreciar que el sistema de combustible puede ser un sistema de combustible sin retomo, un sistema de combustible con retomo o diversos otros tipos de sistemas de combustible. El tanque de combustible puede contener una pluralidad de mezclas de combustible, que incluye combustible con un rango de concentraciones de alcohol, tales como diversas mezclas de gasolina y etanol, incluyendo E10, E85, gasolina, etc. y combinaciones de los mismos.

El sistema de vehículo 6 también puede incluir un sistema de control 14. El sistema de control 14 se muestra recibiendo información desde una pluralidad de sensores 16 (diversos ejemplos se describen en la presente) y enviando señales de control a una pluralidad de accionadores 81 (diversos ejemplos se describen en la presente). En un ejemplo, los sensores 16 pueden incluir un sensor de gas de escape 126 (tal como un sensor UEGO lineal) ubicado corriente arriba del dispositivo de control de emisiones, un sensor de temperatura 128, y un sensor de gas de escape corriente abajo 129 (tal como un sensor HEGO binario). Otros sensores tales como sensores de presión, temperatura y composición se pueden acoplar a diversas ubicaciones en el sistema de vehículo 6, como se describe con mayor detalle en la presente. En un ejemplo, un accionador puede incluir un "centro de mensajes" que incluye una pantalla de funcionamiento 82 donde, en respuesta a una indicación de la degradación del catalizador, se puede emitir un mensaje para el operador del vehículo que indica, por ejemplo, la necesidad de mantenimiento del sistema de emisión. En otro ejemplo, los accionadores pueden incluir un inyector de combustible 66 y una válvula 62. El sistema de control 14 puede incluir un controlador 12. El controlador puede recibir datos de entrada desde diversos sensores, procesar los datos de entrada y activar los accionadores en respuesta a los datos de entrada procesados en base a las instrucciones o código programado del mismo correspondiente a una o más rutinas. Las rutinas de control de ejemplo se describen en la presente con respecto a las figuras 2-5.

Para el diagnóstico del catalizador, se pueden usar diversos parámetros de ingreso en un modelo de catalizador. En una realización, los parámetros de ingreso pueden incluir la ganancia del catalizador, la cantidad de aire (AM), tal como velocidad de flujo de aire de masa desde un sensor MAF, la temperatura del catalizador estimada en base a las condiciones de funcionamiento del motor tales como velocidad, carga, etc., salida de datos HEGO y salida de datos UEGO. En algunas realizaciones, se pueden usar todos los ingresos de ejemplo enumerados anteriormente en el modelo de catalizador. En otra realización, se puede usar un modelo HEGO en serie con el modelo de catalizador. En dicho modelo, el voltaje estimado • modelo se compara con el voltaje del sensor medido (por ejemplo, voltaje HEGO) y el error computado luego se usa para actualizar la actividad del catalizador (ac). La actividad del catalizador se utiliza como un indicador del deterioro del catalizador para diagnóstico. Este enfoque en base al modelo es no intrusivo y menos dependiente de la ubicación del sensor HEGO, haciéndolo igualmente válido para los catalizadores de volumen parcial y total. En otras realizaciones, solo se puede usar un subconjunto de los parámetros de ingreso, tal como la temperatura del catalizador y la ganancia del catalizador.

La ganancia del catalizador es una estimación en línea de la capacidad de almacenamiento de oxígeno del catalizador, la cual se reduce cuando el catalizador se deteriora, y se ilustra en la figura 2. La función de ejemplo de la figura 2 muestra que la ganancia del catalizador es una función de masa de aire, temperatura del catalizador y relación aire-combustible de escape relativo (por ejemplo, lambda). La ganancia del catalizador puede ser un indicativo de las condiciones del catalizador, tal como una cantidad de oxígeno almacenado en el catalizador, la eficiencia de conversión del catalizador, etc.

La figura 2 ilustra una función de ejemplo 200 para calcular la ganancia del catalizador a partir de los ingresos de datos del sensor UEGO y HEGO. La ganancia del catalizador se puede definir como un sistema independiente de tiempo lineal que responde como un impulso a los ingresos de datos descritos anteriormente. Determinar la ganancia del catalizador depende de las funciones de transferencia (TF), las que representan la relación entre los ingresos de datos y las salidas de datos del sistema. Se muestran a continuación las dos funciones de transferencia (TF) en el dominio laplaciano, siendo s el operador laplaciano: a s + a Función de transferencia 1 (TF1) Función de transferencia 2 (TF2) donde w = conv(u,v) convoluciona los vectores u y v. De manera algebraica, la convolución es la misma operación que la multiplicación de los polinomios cuyos coeficientes son los elementos de u y v.

Determinar la ganancia del catalizador comprende determinar la salida de datos de TF1 * usando el ingreso de datos a partir del sensor HEGO en 210. Esta salida de datos se puede alimentar en la salida de datos de TF2, como se describirá con mayor detalle más adelante. En 212, se determina la diferencia entre la salida de datos del sensor UEGO y lambda (por ejemplo, 1), y esta diferencia se multiplica por la masa de aire en 214. Este producto se utiliza como el ingreso de datos para TF2 en 216. Como la ganancia del catalizador se puede calcular y actualizar continuamente, la salida de datos de las determinaciones previas de la ganancia del catalizador se puede alimentar en la función en 218. El producto de TF2 y la ganancia del catalizador anterior se pueden agregar a la salida de datos de TF1 en 220. En 222, se determina la diferencia entre el ingreso de datos del sensor HEGO y el producto de 220, y esto se multiplica por el egreso de datos de TF2 en 224. Para determinar la ganancia del catalizador, K, se toma el entero en 226 del producto determinado en 224.

La figura 3 incluye un diagrama de ejemplo que representa las estrategias de control del bucle intemo y el bucle extemo para mantener la relación aire-combustible en un motor. El motor 10 y el dispositivo de control de emisiones 70 de la figura 1 son ejemplos no limitantes de los componentes del motor que se pueden monitorear y/o controlar mediante el uso de las siguientes estrategias de control. La figura 3 describe mi diagrama de ejemplo 300 que incluye un bucle intemo 302 y un bucle extemo (uno basado en la retroalimentación del sensor sin las estimaciones del modelo, y el otro basado en las estimaciones del modelo). La estrategia de control del bucle interno 302 incluye un primer controlador aire-combustible C1 306, que suministra una orden de combustible para el motor 308. El motor produce escape, la concentración de oxígeno del mismo se determina mediante un sensor corriente arriba, tal como UEGO 310, antes de alcanzar un catalizador, tal como TWC 312. El bucle extemo incluye información desde un sensor de oxígeno corriente abajo, tal como HEGO 314, que alimenta a un segundo controlador aire-combustible C2 316, solamente despues de que se ha usado como un ingreso de datos en las diversas estimaciones del modelo descrito en la presente. La salida de datos desde un modelo de ganancia de catalizador 318 (véase la figura 2), que recibe el ingreso de datos desde UEGO 310, el motor 308 y HEGO 314, se alimenta en un modelo de catalizador 320 (véase la figura 5), y la cual se compara con un punto de ajuste de un estado de oxidación fraccionario (FOS) para el catalizador. Como se explicará con mayor detalle más adelante, el modelo de catalizador determina una capacidad total de almacenamiento de oxígeno y un estado de oxidación fraccionario (FOS) del catalizador. Se puede determinar una diferencia entre la salida de datos del C2 y la señal UEGO en 322, que se emite como una señal de error para el primer controlador C 1.

De manera adicional, el modelo de catalizador 320 recibe el ingreso de datos desde un modelo HEGO 324 además del modelo de ganancia del catalizador. El modelo HEGO 324 se puede usar en serie con el modelo de catalizador 320. El modelo HEGO 324 compara el voltaje HEGO de acuerdo con lo previsto por el modelo de catalizador 320 para medir el voltaje HEGO. El error computado luego se utiliza para actualizar la actividad del catalizador (ac).

Además, se proporciona un controlador de bucle externo adicional C3 (350) para combinar las ventajas de ambas arquitecturas de control en base al modelo, descritas anteriormente, mientras se logra un control del bucle externo robusto. De manera específica, el controlador de bucle externo G3 se posiciona en serie para tomar ventaja del estado de oxidación fraccionario previsto desde los modelos basados en la física para modular el sensor de relación aire-combustible corriente abajo para un rendimiento mejorado. La ventaja de la metodología proviene del hecho de que con el FOS se podría conocer el estado intemo del catalizador, al proporcionar una retroalimentación temprana para corregir cualquier desviación del aire-combustible deseado, mientras sigue siendo fuerte contra la inestabilidad potencial en los cálculos de FOS. Como se describe con mayor detalle más adelante, la corrección proporcionada por el controlador FOS se delimitará en 352 para reducir la posibilidad de que el error de la estimación FOS aumente la inestabilidad del controlador. La delimitación puede incluir delimitar los límites superior e inferior del estado de oxidación fraccionario estimado en el catalizador. En un ejemplo, la delimitación de la salida de datos mediante el controlador 316 se puede delimitar en base a la retroalimentación del controlador de bucle extemo C3. El controlador C3 puede ser un controlador PI y se puede calibrar con diversas ganancias de control lineales y/o no lineales. Además, en un ejemplo, el controlador C3 no se basa en el modelo, para evitar los errores de estimación del modelo.

Como se muestra en la figura 3, la retroalimentación adicional del controlador de bucle externo C3 es complementaria y separada de la retroalimentación del modelo de catalizador a través del controlador C2. Por dicho motivo, el enfoque es tan ventajoso en términos de estabilidad para reducir la inestabilidad de los cálculos FOS.

Los puntos de ajuste de la relación aire-combustible corriente abajo y FOS también se pueden relacionar entre sí a través de un mapa de régimen permanente de puntos de ajuste para el sensor de relación aire-combustible corriente abajo (HEGO) y FOS con el motivo de reducir los puntos de ajuste contradictorios. Por ejemplo, un mapa de régimen permanente puede generar el punto de ajuste HEGO y el punto de ajuste FOS, por ejemplo, a partir de la carga y la velocidad del motor actual. De esta manera, dado que el punto de ajuste HEGO y el punto de ajuste FOS se vinculan directamente entre sí, la varianza del sistema no puede provocar que cambien a valores incompatibles. De manera específica, se pueden proporcionar conjuntos asociados de los valores de punto de ajuste HEGO y punto de ajuste FOS que especifican un conjunto de condiciones de funcionamiento actuales. Como un ejemplo, la figura 6 muestra cualquier gráfico de ejemplo que ilustra cómo los puntos de ajuste se pueden coordinar juntos como una función de la velocidad del motor. Nótese que mientras se coordinan los puntos de ajuste, no necesariamente cambian de la misma manera con respecto a los cambios en la velocidad del motor, aunque pueden cambiar para algunos rangos de la velocidad del motor. Nótese que la figura 6 muestra el aumento/descenso relativo de los puntos de ajuste como una función de la velocidad del motor (gráfico inferior) o carga del motor (gráfico superior). En aun otro ejemplo, los puntos de ajuste pueden ser una función de la velocidad del motor y la carga del motor, y en tal caso el valor promedio leído para la combinación velocidad-carga actual de las condiciones actuales se puede usar para determinar los puntos de ajuste respectivos aplicados en el sistema de control de la figura 3. Coordinar también los pimtos de ajuste del FOS y de la relación aire-combustible del bucle externo para el sensor de relación aire-combustible corriente abajo La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra un método 400 para monitorear un catalizador de acuerdo con una realización de la presente divulgación. El método 400 se puede llevar a cabo mediante un sistema de control para motor, tal como el sistema de control 14 de la figura 1, al utilizar la retroalimentación desde diversos sensores de motor. En 402, el método 400 incluye determinar la ganancia del catalizador. La ganancia del catalizador se puede determinar de acuerdo con el proceso descrito anteriormente con respecto a la figura 2. En 404, se determina la concentración de especies de escape en la entrada del catalizador. Determinar la concentración de las especies de entrada puede incluir determinar la concentración de uno o más de 02, H2O, CO, HC, NOx, H2 y CO2. Se pueden determinar las lo concentraciones de especies de entrada en base a uno o más de masa de aire, temperatura, relación aire-combustible, velocidad del motor, regulación de la chispa y carga. Por ejemplo, se pueden asignar las concentraciones de especies respectivas para masa de aire, temperatura, relación aire-combustible y velocidad del motor fuera de línea, y las concentraciones se almacenan en una tabla de consulta en la memoria del sistema de control.

En 406, la ganancia del catalizador y la concentración de especies son ingresos en un : modelo de catalizador. En otra realización, se utiliza un. modelo HEGO para actualizar la actividad del catalizador en tiempo real en vez de la ganancia del. catalizador. El modelo de catalizador incluye un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias promediadas de forma axial que calculan, para el eje longitudinal de un canal de catalizador, un balance en la fase fluida del catalizador para cada especie, un balance en el recubrimiento rugoso del catalizador para cada especie, el balance de energía de la fase fluida .y el recubrimiento rugoso y el balance de la oxidación/reducción del óxido de cerio en el catalizador. En 408, se determina la capacidad total de almacenamiento de oxígeno y el estado de oxidación fraccionario del catalizador a partir del modelo de catalizador, el cual se explicará con mayor detalle con . , respecto a la figura 5 más adelante. En 410, se ajusta la inyección de combustible para mantener un estado de oxidación fraccionario deseado. Por ejemplo, puede ser beneficioso mantener el estado de oxidación fraccionario del catalizador (por ejemplo, la oxidación fraccionaria del óxido de cerio dentro del catalizador) en un nivel deseado, calibrado en base a la temperatura y carga del motor, para un óptimo rendimiento, tal como 50%.

En 412, se determina si la capacidad total dé almacenamiento de oxígeno del catalizador es mayor que un umbral. La capacidad total de almacenamiento de oxígeno del catalizador es un indicativo del estado del catalizador, por ejemplo, un catalizador nuevo tendrá una capacidad de almacenamiento de oxígeno relativamente alta, mientras que un catalizador deteriorado tendrá una capacidad de almacenamiento de oxígeno relativamente baja, debido a la capacidad disminuida del óxido de cerio para almacenar oxígeno. La capacidad total de almacenamiento de oxígeno de un catalizador nuevo se puede determinar en base a la cantidad de óxido de cerio presente en el catalizador durante la producción, o se puede determinar durante el funcionamiento inicial del catalizador. El umbral puede ser un . umbral adecuado por debajo del cual el catalizador cesa el control de las emisiones de manera efectiva. Si la capacidad total de almacenamiento de oxígeno es mayor que el umbral, no se indica degradación en 414, y por ende regresa el metodo 400. Si la capacidad total de almacenamiento de oxígeno no es mayor que el umbral, es decir, si la capacidad de almacenamiento de oxígeno es menor que el umbral, se indica la degradación del catalizador 416 y se implementa la acción por defecto. La acción por defecto puede incluir notificar a un operador del vehículo mediante una lámpara indicadora de mal funcionamiento, establecer un código de diagnóstico y/o ajustar los parámetros de funcionamiento del motor para reducir la producción de emisiones. Luego regresa el método 400.

La figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un método 500 para determinar un estado de oxidación de un catalizador mediante el uso de un modelo de catalizador. El método 500 se puede llevar a cabo mediante un sistema de control para motor 14, durante la realización del método 400 de la figura 4. En 502, se calcula el balance de masa para la fase fluida del catalizador para cada especie. El balance de masa representa la transferencia de las especies de masa desde la fase fluida hasta el recubrimiento rugoso. El balance de masa para la fase fluida se puede calcular utilizando la siguiente ecuación (1): donde es la fracción molar de las especies gaseosas en el volumen de fase fluida, (Xwe) es la fracción molar de las especies en el recubrimiento rugoso, Rn es el radio hidráulico del canal, (u es la velocidad promedio del gas de alimentación, L es la longitud del catalizador, y Krtui es el coeficiente de transferencia de masa entre el fluido y el recubrimiento rugoso, definido como: y-1 — 37 “1 i 3 "X en la presente, kme y kmi son los coeficientes de transferencia de masa externo e intemo.

En 504, el balance de masa para el recubrimiento rugoso para cada especie, que representa la contribución de la transferencia de masa desde la interfaz hasta el recubrimiento rugoso completo y el consumo debido a la reacción, se calcula mediante el uso de la siguiente ecuación (2): donde r es la velocidad de reacción, aw es la porosidad del recubrimiento rugoso, u representa la matriz estequiometrica , y 6C es el espesor del recubrimiento rugoso.

En 506, el balance de energía para la fase fluida se calcula utilizando la siguiente ecuación (3): donde es la densidad promedio del gas, es la temperatura de la fase fluida, Tfin representa la temperatura de la entrada de alimentación, Ts es la temperatura de la fase sólida, la capacidad de calor específica, y h es el coeficiente de transferencia de calor.

En 508, el balance de energía para el recubrimiento rugoso se calcula utilizando la ecuación (4): ffr donde Sc es el espesor del recubrimiento rugoso y Sw es el espesor de pared efectivo.

En 510, la velocidad de oxidación del óxido de cerio se calcula utilizando la siguiente ecuación (5): donde Q es el estado de oxidación fraccionario del óxido de cerio (FOS), La velocidad de almacenamiento (r2), Ralmarmamimtc Y *a velocidad de liberación (r3), ^liberación del oxígeno desde el óxido de cerio se pueden basar en las siguientes ecuaciones: donde ac es la actividad del catalizador, o el parámetro de desgaste del catalizador. El parámetro de desgaste del catalizador es un indicativo del estado de almacenamiento de oxígeno del catalizador. Por ejemplo, cuando el catalizador se deteriora, su capacidad para almacenar oxígeno puede disminuir. En un ejemplo, un parámetro de desgaste de uno indica un catalizador nuevo, con parámetros de desgaste que disminuyen, que indican una capacidad disminuida para almacenar oxígeno. El parámetro de desgaste se puede basar en las estimaciones de volumen de la relación aire-combustible corriente arriba, relación aire- combustible corriente abajo, masa de aire y temperatura. En algunas realizaciones, se puede computar el parámetro de desgaste desde la ganancia predeterminada del catalizador, descrita con respecto a la figura 2. En otra forma de realización, se utiliza un modelo HEGO en serie con el modelo de catalizador para calcular el voltaje HEGO corriente abajo y luego, al utilizar el voltaje HEGO medido, se computa un error que se usa para actualizar la actividad del catalizador. Los términos A y E indican el factor preexponencial y la energía de activación, respectivamente. A y E son parámetros ajustables que se pueden optimizar fuera de línea, mediante el uso de un algoritmo genético u otra optimización con restricciones no lineales.

En 512 se determina el estado de oxidación fraccionario (FOS) y la capacidad total de almacenamiento de oxígeno (TOSC). El FOS se puede determinar usando la ecuación para0, mencionada anteriormente, y además basarse en la ecuación (6): ([C0H- [W0]†2[C0j[¾0] + 2[02]) ([CO] + [coj + [c¾]) Mientras el balance total de las especies elementales (por ejemplo, C, H y O) no cambie (a menos que exista almacenamiento o liberación dentro del catalizador), la cantidad de cambio en el oxígeno a partir de la concentración de entrada se puede atribuir a un cambio en el FOS del óxido de cerio. Además, esta ecuación se puede usar para validar el modelo mediante la comparación de las concentraciones de especies calculadas y la relación aire-combustible medida, ambas corriente arriba y corriente abajo del catalizador.

TOSC representa la capacidad total de almacenamiento de oxígeno y como cada molécula de óxido de cerio (Ce2O3) almacena la mitad de una molécula de oxígeno, TOSC puede ser equivalente a la mitad de la capacidad total del óxido de cerio.

En 514, las emisiones del tubo de escape se pueden calcular mediante el cambio en la concentración de las especies en la salida del catalizador. En algunas realizaciones, si las emisiones de las especies reguladas, NOx, CO, y HC, se encuentran por encima de un umbral, el funcionamiento del motor se puede ajustar para reducir las emisiones, tal como incrementar la EGR con el fin de minimizar NOx. Luego de calcular las emisiones del tubo de escape, el método 500 regresa.

Por consiguiente, los métodos 400 y 500, presentados anteriormente con respecto a las figuras 4 y 5 proporcionan un método para un motor que incluye un catalizador. El método comprende determinar la actividad del catalizador en base a un error entre la salida de datos del sensor de gas de escape previsto y la salida de datos del sensor de gas de escape medido; aplicar la actividad del catalizador y una pluralidad de concentraciones de especies de escape de entrada a un modelo de catalizador que incluye un conjunto de balances de masa y balances de energía promediados de forma axial de una fase fluida y recubrimiento rugoso del catalizador para determinar una capacidad total de almacenamiento de oxígeno y el estado de oxidación fraccionario del catalizador; mantener una relación aire-combustible deseada en base a la capacidad total de almacenamiento de oxígeno y el estado de oxidación fraccionario del catalizador; e indicar la degradación del catalizador si la actividad del catalizador o la capacidad total de almacenamiento de oxígeno es inferior que un umbral. De esta manera, cada especie de gas de escape se puede introducir en un modelo de catalizador, que promedia de forma axial la dinámica del catalizador, tal como temperatura, composición, etc. En base al modelo del catalizador, se puede controlar la relación aire-combustible y se puede indicar la degradación del catalizador.

Mientras la realización descrita con respecto a las figuras 4 y 5 calcula el balance de masa para siete especies de gases de escape separados (CO, HC, NOx, H2, H2O, 02 y CO2), y por lo tanto permite el monitoreo de cada especie, en algunas realizaciones, solo se puede monitorear una o una combinación de estas especies. Por ejemplo, más que calcular un balance de masa para cada especie separada, las especies se pueden agrupar en oxidantes (por ejemplo, 02 y NOx) y agentes reductores (por ejemplo, HC, CO y H2). De manera adicional o alternativa, solamente se puede monitorear el cambio en la concentración de las emisiones reguladas deseadas, tales como CO, HC, y NOx.

Se apreciará que las configuraciones y métodos divulgados en la presente son a modo de ejemplo en la naturaleza y que estas realizaciones específicas no se consideran en un sentido limitativo, debido a que son posibles diversas variaciones. Por ejemplo, la teenología anterior se puede aplicar a V-6, 1-4, 1-6, V-12, transversal 4 y otras clases de motor. El objeto de la presente divulgación incluye todas las combinaciones y subcombinaciones novedosas y no aparentes de los diversos sistemas y configuraciones, y otras características, funciones y/o propiedades divulgadas en la presente.

Las siguientes reivindicaciones particularmente señalan las combinaciones y subcombinaciones consideradas como novedosas y no aparentes. Estas reivindicaciones se pueden referir a "un" elemento o "un primer" elemento o el equivalente del mismo. Se deberá comprender que tales reivindicaciones incluyen la incorporación de uno o más de dichos elementos, sin requerir ni excluir dos o más de dichos elementos. Se pueden reivindicar otras combinaciones y subcombinaciones de las características, funciones, elementos y/o propiedades divulgadas a través de la corrección de las presentes reivindicaciones o a través de la incorporación de nuevas reivindicaciones en la presente o una solicitud relacionada. Dichas reivindicaciones, ya sean más amplias, limitadas, iguales o diferentes en alcance a las reivindicaciones originales, también se consideran como incluidas dentro del objeto de la presente divulgación.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un método para el escape del motor, caracterizado porque comprende: ajustar una cantidad de inyección de combustible en base al estado de oxidación fraccionario de un catalizador; el estado de oxidación fraccionario se basa en las velocidades de reacción de una pluralidad de especies de gases de escape a través de un eje longitudinal del catalizador y un conjunto de ecuaciones de balance de masa y balance de energía promediadas de forma axial para una fase fluida y un recubrimiento rugoso del catalizador, y además se basa en la retroalimentación separada desde un sensor para la relación aire-combustible corriente abajo.

2. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende ajustar la inyección de combustible mediante un primer controlador en base a la retroalimentación desde un sensor para la relación aire-combustible corriente arriba.

3. El método de la reivindicación 2, caracterizado porque el sensor corriente arriba se encuentra corriente arriba del catalizador y el sensor corriente abajo se encuentra corriente abajo del catalizador.

4. El método de la reivindicación 3, caracterizado porque el estado de oxidación fraccionario ajusta la inyección de combustible a través de un segundo controlador, mientras que la retroalimentación separada ajusta al mismo tiempo la inyección de combustible a través de un tercer controlador separado del primer y segundo controlador.

5. El método de la reivindicación 4, caracterizado porque un punto de ajuste para el oxígeno de gas de escape, proporcionado al tercer controlador y un punto de ajuste para el estado de oxidación fraccionario, proporcionado al segundo controlador se almacenan en memoria en un controlador y se indexan con al menos un parámetro común que actúa como una condición de funcionamiento.

6. El método de la reivindicación 5, caracterizado porque la condición de funcionamiento incluye la velocidad del motor.

7. El metodo de la reivindicación 5, caracterizado porque la condición de funcionamiento incluye la carga del motor.

8. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende determinar una capacidad total de almacenamiento de oxígeno estimada e indicar la degradación del catalizador si la capacidad total de almacenamiento de oxígeno se encuentra por debajo de un umbral de capacidad o si la actividad del catalizador determinada se encuentra por debajo de un umbral calibrado.

9. El método de la reivindicación 8, caracterizado porque determinar la capacidad total de almacenamiento de oxígeno y el estado de oxidación fraccionario comprende además determinar las concentraciones de especies de salida en base a las concentraciones de especies de entrada; las concentraciones de especies de entrada se determinan en base a masa de aire, temperatura, relación aire-combustible de escape y velocidad del motor.

10. El método de la reivindicación 2, caracterizado porque las velocidades de reacción de la pluralidad de especies de gases de escape y el estado de oxidación fraccionario se basan además en una ganancia determinada del catalizador.

11. Un método para un motor que incluye un catalizador, caracterizado porque comprende: determinar la actividad del catalizador en base a un error entre la salida de datos del sensor de gas de escape previsto y la salida de datos del sensor de gas de escape medido; aplicar la actividad del catalizador y una pluralidad de concentraciones de especies de escape de entrada a un modelo de catalizador que incluye un conjunto de balances de masa y balances de energía promediados de forma axial de una fase fluida y recubrimiento rugoso del catalizador para determinar una capacidad total de almacenamiento de oxígeno y el estado de oxidación fraccionario del catalizador; mantener una relación aire-combustible deseada en base a la capacidad total de almacenamiento de oxígeno y al estado de oxidación fraccionario del catalizador, así como también en base a la retroalimentación separada desde un sensor de relación aire-combustible corriente abajo proporcionado en paralelo con el estado de oxidación fraccionario; e indicar la degradación del catalizador si la actividad del catalizador o la capacidad total de almacenamiento de oxígeno es inferior a un umbral.

12. El método de la reivindicación 11, caracterizado porque además comprende ajustar la inyección de combustible mediante un primer controlador en base a la retroalimentación desde un sensor para la relación aire-combustible corriente arriba.

13. El método de la reivindicación 12, caracterizado porque el sensor corriente arriba se encuentra corriente arriba del catalizador y el sensor corriente abajo se encuentra corriente abajo del catalizador.

14. El método de la reivindicación 13, caracterizado porque el estado de oxidación fraccionario ajusta la inyección de combustible a través de un segundo controlador, mientras que la retroalimentación separada ajusta al mismo tiempo la inyección de combustible a través de un tercer controlador separado del primer y segundo controlador.

15. El método de la reivindicación 14, caracterizado porque un punto de ajuste para el oxígeno de gas de escape, proporcionado al tercer controlador y un punto de ajuste para el estado de oxidación fraccionario, proporcionado al segundo controlador se almacenan en memoria en un controlador y se indexan con al menos un parámetro común que actúa como una condición de funcionamiento.

16. El método de la reivindicación 15, caracterizado porque la condición de funcionamiento incluye la velocidad del motor.

17. El método de la reivindicación 15, caracterizado porque la condición de funcionamiento incluye la carga del motor.

18. Un método para el escape del motor, caracterizado porque comprende: ajustar una cantidad de inyección de combustible en base a: un estado de oxidación fraccionario (FOS) de un catalizador con respecto a un punto de ajuste FOS, el FOS se basa en las velocidades de reacción de una pluralidad de especies de gases de escape a través de un eje longitudinal del catalizador y un conjunto de ecuaciones de balance de masa y balance de energía promediadas en forma axial, y la retroalimentación separada desde un sensor HEGO corriente abajo con respecto a un punto de ajuste HEGO; los puntos de ajuste HEGO y FOS se vinculan.

19. El método de la reivindicación 18, caracterizado porque los puntos de ajuste FOS y HEGO se vinculan directamente.

20. El método de la reivindicación 18, caracterizado porque el punto de ajuste FOS aumenta con el incremento de la velocidad del motor y el punto de ajuste HEGO disminuye con el aumento de la velocidad del motor.