Control-oriented modelling and diagnostics of diesel after-treatment catalysts

Abstract

[ES] Esta tesis doctoral abarca el desarrollo de algoritmos orientados a mejorar el sistema de control de emisiones en motores Diesel. Para este propósito, la inclusión en el vehículo de sensores embarcados como los de temperatura, los de NOx o el de NH3 permite realizar diagnóstico a bordo de los sistemas de post-tratamiento foco de este trabajo, los cuales son el DOC y el SCR. Así pues, el objetivo es el de satisfacer las normativas de diagnóstico a bordo para mantener las emisiones por debajo del umbral permitido por la normativa a lo largo del tiempo.

Los tests experimentales, incluyendo las medidas con analizador de gases, permiten tener una visión más amplia de las especies en la línea de escape. Complementariamente, se utilizan unidades nuevas y envejecidas para tener el efecto experimental del envejecimiento en los catalizadores. De esta manera, se analiza el efecto de la temperatura, el gasto de escape, las concentraciones de las especies y el envejecimiento en el DOC y en el SCR, así como la evaluación de algunas de las medidas relevantes realizadas por los sensores.

Las temperaturas tienen una influencia destacada en el funcionamiento de los catalizadores, por lo que se requiere la evaluación de las medidas de los sensores de temperatura, junto con el desarrollo de modelos de transmisión de calor, para alimentar las funciones a continuación desarrolladas. En este sentido, la medida lenta del sensor aguas arriba del DOC se mejora en condiciones transitorias mediante una técnica de fusión de la información basada en un filtro de Kalman. Luego, se presenta un modelo de transmisión de calor 1D y un modelo agrupado 0D, en los cuales se evalúan las entradas aguas arriba según el uso del modelo. Por otra parte, se presenta una técnica para estimar el incremento de temperatura debido a la oxidación de los pulsos de post-inyección en el DOC.

Se proponen modelos para ambos DOC y SCR para estimar el efecto del envejecimiento en las emisiones, en los cuales el factor de envejecimiento es modelado como un parámetro sintonizable que permite variar desde estados nuevos a envejecidos. Por una parte, un modelo agrupado 0D es desarrollado para el DOC con el propósito de estimar el desliz de HC y CO, el cual es validado en un WLTC para después ser usado en simulación. Por otra parte, un modelo 1D y un modelo 0D se desarrollan para el SCR, los cuales se usan a continuación para alimentar la estrategia de diagnóstico y para simulación.

Finalmente, las estrategias de diagnóstico se presentan para fallo total o retirada de DOC, así como para la estimación de la eficiencia en DOC y SCR. Por una parte, la primera estrategia se divide en pasiva y activa, en la que se usan post-inyecciones en la activa para excitar el sistema y confirmar el fallo total si es el caso. A continuación, la eficiencia del DOC se estima a través de una técnica indirecta en la que la temperatura de activación se detecta y se relaciona con el incremento de emisiones a través del modelo. Por otra parte, se desarrolla un observador para estimar el estado de envejecimiento del SCR, el cual está basado en un filtro de Kalman extendido. Sin embargo, para evitar asociar baja eficiencia del catalizador debido a pobre calidad de la urea inyectada, a envejecimiento del SCR, un indicador de la calidad de la urea se ejecuta en paralelo.

[CA] Esta tesi doctoral abasta el desenvolupament d'algoritmes orientats a millor el sistema de control d'emissions en motors Diesel. Per a este propòsit, la inclusió en el vehicle de sensor embarcats com els de temperatura, els de NOx o el d'NH3 permet realitzar el diagnòstic a bord dels sistemes de post-tractament focus d'este treball, els quals són el DOC i el SCR. Així doncs, l'objectiu és el de satisfer les normatives de diagnòstic a bord per a mantindre les emissions per baix de l'umbral permés per la normativa al llarg del temps.

Els tests experimentals, incloent les mesures amb analitzador de gasos, permeten obtindre una visió més àmplia de les espècies en la línia d'escapament. Complementàriament, s'utilitzen unitats noves i envellides per tal de tindre l'efecte experimental de l'envelliment en els catalitzadors. D'aquesta manera, s'analitza l'efecte de la temperatura, la despesa d'escapament, les concentracions de les espècies i l'envelliment en el DOC i en el SCR, així com l'avaluació d'algunes mesures rellevants realitzades pels sensors.

Les temperatures tenen una influència destacada en el funcionament dels catalitzadors, pel que es requerix l'avaluació de les mesures dels sensors de temperatura, junt amb el desenvolupament de models de transmissió de calor, per a alimentar les funcions a continuació desenvolupades. En este sentit, la mesura lenta del sensor a l'entrada del DOC es millora en condicions transitòries mitjançant una tècnica de fusió de la informació basada en un filtre de Kalman. Després, es presenta un model de transmissió de calor 1D i un model agrupat 0D, en els quals s'avaluen les entrades a l'entrada segons l'ús del model. Per altra banda, es presenta una tècnica per a estimar l'increment de temperatura degut a l'oxidació dels polsos de post-injecció en el DOC.

Es proposen models per a DOC i SCR per a estimar l'efecte de l'envelliment en les emissions, en els quals es modela el factor d'envelliment com un paràmetre sintonitzable, que permet variar des d'estats nous a envellits. Per altra banda, un model agrupat 0D _es desenvolupat per al DOC amb el propòsit d'estimar la relliscada de HC i CO, el qual és validat en un WLTC per a després ser usat en simulació. Per altra banda, un model 1D i un model 0D es desenvolupen per al SCR, els quals s'usen a continuació per a alimentar l'estratègia de diagnòstic i per a simulació.

Finalment, les estratègies de diagnòstic es presenten per a la fallada total o retirada del DOC, així com per a l'estimació de l'eficiència en DOC i SCR. Per altra banda, la primera estratègia es divideix en passiva i activa, en la que s'utilitzen post-injeccions en la activa per a excitar el sistema i confirmar la fallada total si es dona el cas. A continuació, l'eficiència del DOC s'estima a través d'una tècnica indirecta en la que la temperatura d'activació es detecta i es relaciona amb l'increment d'emissions a través del model. Per altra banda, es desenvolupa un observador per a estimar l'estat d'envelliment del SCR, el qual està basat en un filtre de Kalman extés. No obstant això, per a evitar associar baixa eficiència degut a pobre qualitat de l'urea injectada a l'envelliment del SCR, un indicador de la qualitat de l'urea s'executa en paral·lel.

[EN] This dissertation covers the development of algorithms oriented to improve the emission control system of Diesel engines. For this purpose, the inclusion of on-board sensors like temperature, NOx and NH3 sensors allows performing on-board diagnostics to the after-treatment systems focus of this work, which are the DOC and the SCR system. Then, the target is to meet on-board diagnostics regulations in order to keep emissions below a regulation threshold over time.

Experimental tests, including gas analyzer measurements, allow having a wider view of the species in the exhaust line. Complementary, new and aged units are used in order to have the experimental effect of ageing on the catalysts. Then, the effect of temperature, exhaust mass flow, species concentrations and ageing is analyzed for DOC and SCR, in combination with the assessment of some relevant sensors measurements. As a result, the characteristics, opportunities and limitations extracted from experimental data are used as the basis for the development of models and diagnostics techniques.

The assessment of temperature sensors measurements, along with the development of heat transfer models is required to feed temperature dependent functions. In this sense, the slow measurement of the DOC upstream temperature sensor is improved in transient conditions by means of a data fusion technique, based on a fast model and a Kalman filter. Then, a 1D and a 0D lumped heat transfer models are presented, in which the upstream inputs are assessed in relation to its use. On the other hand, a technique to estimate the temperature increase due to post-injection pulses oxidation is also presented.

Both DOC and SCR models are proposed in order to estimate the effect of ageing on emissions, in which an ageing factor is modelled as a tunable parameter that allows varying from new to aged states. On the one hand, a 0D lumped model is developed for DOC in order to estimate the HC and CO species slip, which is validated in a WLTC and is then used for simulation. On the other hand, a 1D and a 0D models are developed for SCR, which are then used to feed the diagnostics strategy and for simulation.

Finally, diagnostics strategies are presented for total failure or removal of DOC, as well as for efficiency estimation of DOC and SCR. On the one hand, the former strategy is separated into passive and active diagnostics, in which post-injections are used in active diagnostics in order to excite the system and confirm a total failure, in case. Then, the DOC efficiency estimation is done by means of an indirect technique in which the light-off temperature is detected and an emissions increase is related by means of the DOC ageing model. On the other hand, an observer to estimate the SCR ageing state is developed, which is based on an extended Kalman filter. However, in order to avoid associating low SCR efficiency to ageing, an indicator of the injected urea quality is developed to run in parallel.