Mejora en la estimación de las emisiones de NOx y NH3 en motores diesel de automoción

Abstract

[ES] Los sistemas de postratamiento de los motores Diesel son cada vez más complejos como consecuencia de los bajos niveles de emisiones permitidos. Una de las emisiones más criticas son los NOx. El sistema con mayor eficiencia para su eliminación es el SCR (Selective Catalytic Reduction) que emplea la inyección de una solución acuosa de urea para reducir los NOx con NH3. Se requieren niveles de inyección elevados para mantener las emisiones de NOx por debajo de los límites establecidos por la normativa, lo que conlleva, además de un consumo elevado de urea, el riesgo de emisiones de NH3 si la inyección es excesiva. Para evitarlo se emplean dos técnicas: La primera de ellas es el empleo de un catalizador de oxidación a la salida del SCR para evitar las emisiones de NH3, la segunda es el control en bucle cerrado de las emisiones de NOx con un sensor de NOx. El problema fundamental de dicho control es que los sensores de NOx actualmente empleados en automoción son sensibles tanto a los NOx como al NH3. En este proyecto se combinan varias fuentes de información (sensor y modelo) para mejorar la precisión en las emisiones de NOx y NH3 del motor. Dicha mejora es útil no solamente para realizar un diagnóstico más preciso del funcionamiento del motor, también para mejorar el control de la inyección de urea.

[CA] Hui dia, els motors dièsel d'automoció són uns dels més utilitzats per la seua gran eficiència energètica. A causa de les condicions que es donen en la cambra de combustió d'aquests motors (pressió, temperatura, etc.) es generen espècies contaminants que, actualment es troben regulades per les normatives EURO (NOx, CO, HC sense cremar, etc). De tots aquests contaminants, aquest projecte es centra en la reducció dels òxids de nitrogen o NOx, un dels contaminants que majors restriccions està patint en els últims anys. Aquest augment de les restriccions ha comportat el desenvolupament de sistemes encarregats de reduir la concentració de NOx, entre els quals es troben els catalitzadors LNT o SCR. Concretament, el següent projecte es troba focalitzat en millorar el control dels sistemes SCR ja que aquests catalitzadors necessiten d'una injecció d'urea en el seu interior per al seu correcte funcionament i es fa necessari conéixer a cada moment les quantitats de NOx i urea que entren i ixen del sistema. Un dels inconvenients que presenta el control d'aquests catalitzadors per mitjà de la mesura de NOx a través de sensors és que, aquests presenten sensibilitat creuada amb el NH3, compost en el qual es transforma a l'interior del catalitzador l’urea injectada, la qual cosa dificulta la mesura de totes dues espècies a l'eixida del catalitzador ja que, aquesta sensibilitat no és constant, sinó que varia en funció de gran quantitat de variables que moltes vegades son desconegudes. Per a solucionar aquest problema, es recurreix a models computacionals capaços d'estimar les emissions que es generen a cada moment durant el funcionament del motor. En el present projecte, s'ha desenvolupat un model computacional capaç d'estimar les emissions de NOx i NH3 en condicions de funcionament reals, així com la sensibilitat creuada del sensor de NOx amb un error mitjà d'1.21 mg/s per al cas de les emissions de NH3 i 3.37 mg/s per a les de NOx.

[EN] Diesel engine aftertreatment systems are becoming increasingly complex as a result of low permitted emission levels. One of the most critical emissions is NOx. The system with the highest efficiency for its elimination is the SCR (Selective Catalytic Reduction) that uses the injection of an aqueous urea solution to reduce NOx with NH3. High injection levels are required to keep NOx emissions below the limits established by regulations, which entails, in addition to a high consumption of urea, the risk of NH3 emissions if the injection is excessive. To avoid this, two techniques are used: First, the use of an oxidation catalyst at the outlet of the SCR to prevent NH3 emissions, the second is the closed-loop control of NOx emissions with a NOx sensor. The fundamental problem with this control is that the NOx sensors currently used in the automotive industry are sensitive to both NOx and NH3. This project combines various sources of information (sensor and model) to improve the precision of NOx and NH3 emissions from the engine. Such improvement is useful not only for making a more accurate diagnosis of engine operation, but also for improving the control of urea injection.