Método y dispositivo para controlar un convertidor catalítico SCR de un vehículo.

Método para controlar un convertidor catalítico SCR de un vehículo,

que comprende la etapa de usar, como valorde referencia, una salida de un sensor estimado de gases nitrogenados forzando que la salida del sensor estimadoconverja con un valor medido, en el que, en un observador, la convergencia se fuerza por medio del ajuste de lacantidad de amoniaco almacenado, u otras variables de estado, usando las ganancias de retroalimentaciónvariables, que dependen de las condiciones de funcionamiento tales como temperatura, velocidad espacial,amoniaco almacenado u otros, en el que la cantidad o señal de las ganancias de retroalimentación en el observadorse usan para detectar la divergencia y para iniciar una etapa de recuperación a partir de dicha divergencia, siendodicha divergencia debida a una interpretación errónea de la señal del sensor de NOx, causada por la ambigüedadNH3/NOx de la característica del sensor.

Método y dispositivo para controlar un convertidor catalítico SCR de un vehículo Campo de la invención [0001] La presente invención se refiere a un método y un dispositivo para controlar un convertidor catalítico SCR de un vehículo, en particular en el campo de los motores de combustión de vehículos.

Descripción de la técnica anterior

Muchos motores de combustión que tienen que satisfacer la legislación de emisiones actual y futura usan un sistema de reducción catalítica selectiva (SCR) para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) .

En los sistemas operativos actuales, se inyecta una solución de urea en el gas de escape aguas arriba del catalizador SCR. La urea se transforma en amoniaco (NH3) , que a su vez reduce el NOx a nitrógeno inocuo (N2) y agua (H2O) en el catalizador SCR. Las reacciones químicas pertinentes ocurren después de la adsorción del amoniaco sobre la superficie del catalizador. En general, la eficacia de conversión de NOx del catalizador SCR depende de la cantidad de amoniaco almacenado (es decir, adsorbido) , de la temperatura, de la velocidad espacial,

es decir, la renovación de gas en el catalizador por unidad de tiempo, de la relación NO2/NO del NOx y de otras condiciones. La temperatura y la velocidad espacial normalmente son dependientes del funcionamiento del motor y no pueden influirse directamente mediante el controlador SCR. La cantidad de amoniaco almacenado normalmente se ajusta mediante un controlador especializado, que controla el nivel estimado de amoniaco. La relación NO2/NO depende del rendimiento de un catalizador de oxidación diésel (DOC) y de un filtro de partículas diésel (DPF)

montado aguas arriba del catalizador SCR. En los conceptos actuales, la relación NO2/NO no puede ajustarse directamente, puesto que depende principalmente de las temperaturas de DOC/DPF, de la velocidad espacial y de la carga de hollín del DPF.

Los sistemas de control SCR actuales hacen uso de un modelo, donde el catalizador SCR se modela como un tanque de almacenamiento de NH3. La cantidad de NH3 almacenada se calcula a partir de la urea inyectada y a partir de la cantidad de NH3 consumido por las reacciones del SCR. La cantidad de amoniaco almacenado se ajusta después de manera que se consigue la eficacia de conversión de NOx deseada. Un bucle de control externo que usa un dispositivo de medición NOx se usa después para ajustar la cantidad de urea inyectada, de manera que la eficacia de conversión de NOx estimada por un modelo y la medida convergen.

Los esquemas conocidos de un controlador SCR se describen, por ejemplo, en Schär: "Control of a Selective Catalytic Reduction Process" (tesis doctoral Nº 15221, ETH Zurich) o en Chi, Da Costa: "Modeling and Control of a Urea-SCR Aftertreatment System, SAE 20, o en Herman, Wu, Cabush, Shost: "Model Based Control of SCR Dosing and OBD Strategies with Feedback from NH3 Sensors", SAE 20.

El esquema conocido de un controlador SCR de la técnica anterior incluye un controlador de bucle cerrado basado en un sensor de NOx aguas abajo del catalizador SCR.

El enfoque de control conocido carece de precisión, especialmente cuando el desprendimiento de NH3 45 debería tenerse en cuenta también.

En el documento US2009133384 se da un ejemplo del modelado del comportamiento del catalizador.

Los sistemas de control de la técnica anterior pretenden controlar el nivel de almacenamiento de todo el

SCR o controlar una eficacia de conversión de NOx global. Algunos conceptos incluyen incluso el cálculo y limitación del desprendimiento de NH3, es decir, la dispersión de NH3 en el gas de escape sin reaccionar con NOx. Sin embargo, esto normalmente implica un controlador paralelo que después se combina con el controlador de NOx por ejemplo mediante una selección mínima de la cantidad de urea a inyectar. En general, los criterios de activación o desactivación de los controladores tras el fallo del sensor o cierre/apertura son poco prácticos desde un punto de 55 vista de su implementación. Los sensores de NOx disponibles actualmente presentan una sensibilidad cruzada significativa para NH3.

La Figura 2 de la técnica anterior muestra características de salida del sensor típicas dependientes de la urea inyectada.

Tal característica es una función doble, por lo tanto, no es una función objetivo.

En condiciones normales, la salida del sensor de NOx disminuye con el aumento de la inyección de urea. Sin embargo, cuando el desprendimiento de NH3 empieza a aumentar, la característica de la salida del sensor de 65 NOx cambia y la salida del sensor aumenta con el aumento de la inyección de urea.

La característica ambigua del sensor de NOx conduce al problema de que un desprendimiento potencial de NH3 puede interpretarse como NOx y viceversa. Esto podría conducir a una desestabilización del controlador. Por ejemplo, cuando el NH3 se interpreta como NOx, el algoritmo de control aumentará la inyección de urea para reducir las emisiones de NOx. Esto conducirá a un aumento adicional del desprendimiento de NH3, que a su vez conduce a un mayor aumento de la inyección de urea, puesto que el NH3 se interpreta como NOx.

Por tanto, la señal del sensor es ambigua y su ambigüedad puede desestabilizar el sistema de control. Para diferenciar entre NOx y NH3, la inyección de urea tiene que estimularse, por ejemplo cambiando entre dos niveles. Los sistemas conocidos dependen de una respuesta rápida, que no se da con mayores volúmenes de catalizador en el futuro y/o condiciones de funcionamiento en estado casi estacionario, que apenas ocurren durante el funcionamiento normal.

En los documentos US2009/133384, US2004/098974, US2008/229728 y DE10301606 se dan ejemplos de esquemas y estrategias de control de la técnica anterior.

La estrategia más pertinente de la técnica anterior se describe en el documento US2009/049827, cuyas características se desvelan en el preámbulo de la reivindicación 1.

Sumario de la invención [0017] Por lo tanto, el objeto principal de la presente invención es proporcionar un método y dispositivo para controlar un convertidor catalítico SCR de un vehículo que supere los problemas/inconvenientes anteriores.

Un dispositivo observador fuerza que la estimación de NOx o NH3 converja con los valores medidos, es decir, el observador regula las ganancias/parámetros de dicha estimación usando como retroalimentación la diferencia/error entre dichos valores de estimación y dichos valores medidos.

De esta manera, la ventaja principal de la invención es que el observador conoce en todo momento la polaridad del modelo de sensor, es decir, el observador distingue inherentemente en todo momento en qué lado está realmente la característica, ya sea un aumento o disminución de la señal de NOx con cantidades en aumento del amoniaco almacenado. Por tanto, se supera la ambigüedad de la salida del detector.

Por lo tanto, el controlador solo controla el nivel de la salida estimada/modelada del sensor. Si no está disponible un sensor real, la ganancia de retroalimentación del observador correspondiente se conmuta a cero, lo que simplifica la implementación significativamente y hace que la misma ECU (Unidad de Control Electrónico del vehículo) sea adecuada para diversos ajustes o aplicaciones del motor en diversas condiciones de trabajo, por ejemplo durante el arranque de los motores.

De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invención, el catalizador SCR se considera dividido en una pluralidad de células en cascada y solo se controla el nivel de almacenamiento de la primera célula, a pesar del hecho de que el punto de referencia se calcula a partir de una demanda de eficacia de conversión de NOx global o a partir de una restricción en la limitación del desprendimiento de NH3.

Puesto que los recursos de cálculo y memoria de la ECU están limitados, una implementación ventajosa del

presente método proporciona la etapa de considerar que el catalizador de SCR comprende solo unas pocas células de almacenamiento y controlar el NH3 almacenado únicamente en la primera de dichas células.

De acuerdo con una realización preferida, el controlador calcula uno de los siguientes puntos de referencia:

- Control de NOx: cantidad de NH3 almacenado en la primera célula para alcanzar la eficacia de conversión de NOx diana requerida de todo el catalizador SCR, es decir, teniendo en cuenta las contribuciones, en términos de conversión y eficacia de NOx, de las otras células de almacenamiento desde la segunda hasta la n-ésima.

- Control de NH3: cantidad de NH3 almacenado en la primera célula para alcanzar el nivel de NH3 requerido... [Seguir leyendo]

1. Método para controlar un convertidor catalítico SCR de un vehículo, que comprende la etapa de usar, como valor de referencia, una salida de un sensor estimado de gases nitrogenados forzando que la salida del sensor estimado 5 converja con un valor medido, en el que, en un observador, la convergencia se fuerza por medio del ajuste de la cantidad de amoniaco almacenado, u otras variables de estado, usando las ganancias de retroalimentación variables, que dependen de las condiciones de funcionamiento tales como temperatura, velocidad espacial, amoniaco almacenado u otros, en el que la cantidad o señal de las ganancias de retroalimentación en el observador se usan para detectar la divergencia y para iniciar una etapa de recuperación a partir de dicha divergencia, siendo dicha divergencia debida a una interpretación errónea de la señal del sensor de NOx, causada por la ambigüedad NH3/NOx de la característica del sensor.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se fuerza la convergencia por medio del ajuste adicional de una constante para modificar lentamente parámetros tales como la capacidad de almacenamiento del catalizador o 15 desviaciones de la inyección de urea o los sensores, o la calidad de la urea.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha etapa de recuperación proporciona el ajuste de la cantidad de amoniaco almacenado, u otras cantidades en el observador, para converger con el lado correcto de la característica del sensor de NOx.

4. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que, si se detecta una divergencia, porque se detecta que no está presente un desprendimiento de NH3 o porque no se detecta un desprendimiento de NH3 presente, el controlador invierte la polaridad almacenada del sensor de NH3 y NOx para el cálculo del presente punto operativo en la característica del sensor.

5. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos gases nitrogenados son NOx y/o NH3, y/o NO2, y/o NO y/o N2O.

6. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además la etapa de

considerar el convertidor catalítico SCR como dividido en una sucesión de dos o más células de almacenamiento, y la etapa de controlar el NH3 almacenado solamente en una de dichas células, preferentemente la primera de ellas.

7. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además la etapa de controlar una cantidad de urea inyectada o cantidad de NH3 o cualquier otro agente de reducción que se convierte 35 en NH3, por medio del cálculo de la eficacia de conversión del catalizador.

8. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende además la etapa de controlar una cantidad de urea inyectada o cantidad de NH3 o cualquier otro agente de reducción que se convierta en NH3, una inyección de urea, por medio del cálculo del nivel de desprendimiento de NH3 en el convertidor catalítico SCR.

9. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, en el que la cantidad de urea inyectada, o la cantidad de NH3 o cualquier otro agente de reducción que se convierta en NH3, se controla por medio de ambos puntos de referencia calculados imponiendo como diana un nivel de almacenamiento de NH3 y una eficacia de conversión del catalizador.

10. Método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dichos puntos de referencia se calculan por separado y en el que el punto de referencia de control real se obtiene a partir de una selección mínima de dichos puntos de referencia.

11. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, si no hay sensor disponible o la salida del sensor de NOx o NH3 no es fiable o solo lo es parcialmente, la correspondiente ganancia de retroalimentación se ajusta o conmuta a cero.

12. Dispositivo para controlar un convertidor catalítico SCR de un vehículo, que comprende un medio para 55 implementar el método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

13. Programa informático que comprende un medio de código de un programa informático adaptado para realizar todas las etapas de las reivindicaciones 1 a 12, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.

14. Un medio legible por ordenador que tiene un programa grabado en el mismo, comprendiendo dicho medio legible por ordenador un medio de código de programa informático adaptado para realizar todas las etapas de las reivindicaciones 1 a 12, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.