Optimizing the On Board Diagnostic System (OBD) to Monitor for Reduction of the SCR Catalyst Conversion Efficiency using the NOx Sensor

IAV do BrasilAutomotive Engineering

Leonardo CostaEngenheiro de Calibração de Motores

São Paulo, 05 de Outubro de 2010

OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA DE DIAGNÓSTICO EMBARCADO PARA MONITORAMENTO DE REDUÇÃO DE

EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO DO CATALISADOR SCR UTILIZANDO O SENSOR DE NOx

OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA DE DIAGNÓSTICO EMBARCADO PARA MONITORAMENTO DE REDUÇÃO DE

EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO DO CATALISADOR SCR UTILIZANDO O SENSOR DE NOx

PARCERIAPARCERIA

OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA DE DIAGNÓSTICO EMBARCADO PARA MONITORAMENTO DE REDUÇÃO DE EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO DO SCR UTILIZANDO O SENSOR DE NOX2010-36-0198I – LEONARDO COSTA – IAV DO BRASIL AUTOMOTIVE ENGINEERING

AGENDAAGENDA


� INTRODUÇÃO AO CONTROLE E MONITORAMENTO DE EMISSÕES• Leis de Emissões para Motores Diesel Pesados• SCR – Sistema de Controle de Emissões de NOx• OBD – Sistema de Monitoramento de Emissões

� MONITORAMENTO DE EFICIÊNCIA DO SISTEMA SCR• Cálculo de Eficiência de Conversão• Diagnóstico de Redução de Eficiência do Sistema• Fator de Correção do Envelhecimento do Catalisador

� DETECÇÃO DE REDUÇÃO DE EFICIÊNCIA DO CATALISADOR SCR• Comportamento Dinâmico do Catalisador SCR• Analogia ao Sistema de Controle de Primeira Ordem• Metodologia de Testes e Resultados

� CONCLUSÕES

AGENDAAGENDA





� CONCLUSÕES


LEIS DE EMISSÕES PARA MOTORES DIESEL PESADOSLEIS DE EMISSÕES PARA MOTORES DIESEL PESADOS

� NOx (Óxidos de Nitrogênio)• Resultado da combustão• Gases Poluentes• Responsável por formar o SMOG• Prejudicial ao sistema imunológico

� Novas Leis de Emissões• No Brasil em 2012 => PROCONVE P7• 60% de redução dos níveis de NOx: 5g/kWh => 2g/kWh• Necessidade de pós-tratamento• Alternativa: Sistema SCR


SCR – SISTEMA DE CONTROLE DE EMISSÕES DE NOxSCR – SISTEMA DE CONTROLE DE EMISSÕES DE NOx

� SCR – Redução Catalítica Seletiva

NOx

NH3

N2 + H2O


SCR – SISTEMA DE CONTROLE DE EMISSÕES DE NOxSCR – SISTEMA DE CONTROLE DE EMISSÕES DE NOx

� SCR – Redução Catalítica Seletiva• VANTAGENS:

• Alta taxa de conversãode NOx => até 90%

• Otimização de performance do motor

• DESVANTAGENS:• Montado de forma

independente• Custos com líquido

reagente• Sistema susceptível à

fraudes

• SISTEMA OBD• Evitar fraudes e

monitorar emissões• OBRIGATÓRIO para P7


OBD – SISTEMA DE MONITORAMENTO DE EMISSÕESOBD – SISTEMA DE MONITORAMENTO DE EMISSÕES

�OBD – Diagnóstico Embarcado• Objetivo: GARANTIR QUE OS NÍVEIS DE EMISSÕES NO QUAL O VEÍCULO

FOI HOMOLOGADO SEJAM MANTIDOS DURANTE TODA SUA VIDA ÚTIL!

• Lâmpada de Aviso no painel (MIL)

• Armazenamento da falha por 400 diaspara futura inspeção

• Limitador de torque emcaso de negligência

• Como: MONITORAMENTO DOS SISTEMAS QUE AFETAM EMISSÕES DE NOx

• Atuar em Caso de Aumento de Emissões:

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� CONCLUSÕES


CÁLCULO DE EFICIÊNCIA DE CONVERSÃOCÁLCULO DE EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO

• Complexidade dos softwares de controleautomotivos

�Utilização de Modelos Matemáticos => Alternativa confiável

�Diversos métodos. Para monitoramento do sistema SCR com sensor de NOx:

• Estimação de Parâmetros: Fluxo de NOx• Equações de Paridade: Comparação de eficiência de conversão



� Eficiência de Conversão

Eficiência de Conversão de NOx =

Fluxo de NOx Depoisdo Catalisador

Fluxo de NOx Antes do Catalisador



� Eficiência de Conversão MEDIDA

Eficiência Medida =

Fluxo de NOx MedidoDepois do Catalisador

Fluxo de NOx EstimadoAntes do Catalisador

PPM => g/hSinal



� Eficiência de Conversão ESTIMADA

Eficiência Estimada =



Fator de Conversãodo CatalisadorX


DIAGNÓSTICO DE REDUÇÃO DE EFICIÊNCIA DO SISTEMADIAGNÓSTICO DE REDUÇÃO DE EFICIÊNCIA DO SISTEMA

• Cálculos executados e acumulados

• ESC – Ciclo EstacionárioEuropeu

• Balanceamento de valores nos 13 pontos

• Utilizado para homologaçãodo sistema OBD


Eficiência Medida = Valor Atual

Eficiência Estimada = Valor Limite

Emissões acima do limite


�Valores acumulados => Aplicação da Integral


Eficiência Medida = Valor Atual

Eficiência Estimada = Valor Limite

Emissões acima do limite


Qualquer falha de conversão de NOx será detectada. Porém com diagnóstico genérico, em caso de envelhecimento do catalisador!


FATOR DE CORREÇÃO DO ENVELHECIMENTO DO CATALISADORFATOR DE CORREÇÃO DO ENVELHECIMENTO DO CATALISADOR

CAPACIDADE DE ARMAZENAMENTO

DE AMÔNIA

REAÇÕES QUÍMICAS:

• 4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O

• 2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O

• 8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O



• Exposto à condições SEVERAS de utilização• Continuamente em processo de ENVELHECIMENTO

• Capacidade de Armazenamento de Amônia

• Eficiência de Conversão de NOx

• Emissões de Amônia

• Emissões de NOx

�Necessidade de correções de dosagem de amônia em função do envelhecimento

• Amônia é biodegradável, porém ÁCIDA



�Cálculo Teórico do Fator de Envelhecimento

• Cálculo em função da temperatura e tempo de exposição

• Aplicação de mapas para modelamento do fator => EEPROM

• Fator utilizado em loop fechado na estratégia de dosagem do SCR

Softwares Sofisticados

• FATOR TEÓRICO => Não pode ser utilizado pelo sistema de Diagnóstico



�Cálculo Teórico do Fator de Envelhecimento

• Cálculo em função da temperatura e tempo de exposição

• Aplicação de mapas para modelamento do fator => EEPROM

• Fator utilizado em loop fechado na estratégia de dosagem do SCR

Softwares Sofisticados

• FATOR TEÓRICO => Não pode ser utilizado pelo sistema de Diagnóstico

PROPOSTA DESTE PAPER: ALGORITMO DE TESTE FUNCIONAL PARA DETECÇÃO DO FATOR DE ENVELHECIMENTO DO CATALISADOR DE

SCR

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� CONCLUSÕES


COMPORTAMENTO DINÂMICO DO CATALISADORCOMPORTAMENTO DINÂMICO DO CATALISADOR

Sistema SCR => Sistema de Controle

• Para analisar Sistemas de Controle: Teoria da Resposta ao Degrau

• Comportamento Dinâmico da Eficiência de Conversão

• Necessidade de estabelecer procedimentos de análise

• Variável Controlada: Eficiência de Conversão de NOx

• Variável de Controle: Dosagem de Amônia

• Comportamento não linear análogo ao sistema de Primeira Ordem


ANALOGIA AO SISTEMA DE CONTROLE DE PRIMEIRA ORDEMANALOGIA AO SISTEMA DE CONTROLE DE PRIMEIRA ORDEM

Análise da Resposta ao degrau => CONSTANTE DE TEMPO

Transferindo a teoria para o Sistema SCR:

• Tempo para eficiência de conversão atingir 63,2% da máxima eficiência estabilizada, após início de dosagem de amônia;

• Tempo para eficiência de conversão atingir 36,8% da máxima eficiência anterior, após fim de dosagem de amônia.


METODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOSMETODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOS

�Procedimento para adequação aos requisitos OBD

�Desenvolvimento de 3 Catalisadores:

1. CATALISADOR NOVOEmissões de NOx: abaixo de 3,5g/kWhRequisito EURO 4

2. CATALISADOR ENVELHECIDOEmissões de NOx: aprox. 5,0g/kWhPrimeiro limite de detecção OBD

3. CATALISADOR DANIFICADOEmissões de NOx: acima de 7,0g/kWhSegundo limite de detecção OBD



�Procedimento para adequação aos requisitos OBD

�Procedimento de Testes:1. MELHOR PONTO DO ESC

Nível de emissões representativoExigência moderada do SCR

2. PRÉ-CONDICIONAMENTOPeríodo sem dosagem => 150sCatalisador à 200ºC

3. PERÍODOS DE EXECUÇÃODosagem => 100sReação => 160s

4. TAXA DE AQUISIÇÃO DE DADOSEmissões de NOx antes e depois do catalisadorTaxa => 1s


Eficiência de Conversão Real


• Resultado do Comportamento dinâmico dos catalisadores• Quanto mais danificado o catalisador, menor o máximo de eficiência• Novo: 72% • Envelhecido: 55% • Danificado: 9%


Eficiência de Conversão Real


• Resultado do Comportamento dinâmico dos catalisadores• Quanto mais danificado o catalisador, menor o máximo de eficiência• Novo: 72% • Envelhecido: 55% • Danificado: 9%

NESTE CASO SERIA IMPOSSÍVEL ESTABELECER A ANÁLISE DA CONSTANTE DE TEMPO COMO PARÂMETRO DE COMPARAÇÃO!


Eficiência de Conversão Normalizada


• Valor Normalizado = Valor Medido / MáximoValor Atingido x 100

• Equiparar as referências de comparação

COMO SOLUÇÃO

• Necessário resultados na mesma ordem de grandeza => Normalização




• Valor Normalizado = Valor Medido / MáximoValor Atingido x 100

• Equiparar as referências de comparação

• Necessário resultados na mesma ordem de grandeza => Normalização




63,2%

36,8%

T=21s

T=32s

T=56s

T=41s

T=47s

T=55s



-3,0%/s

-3,5%/s

-5,0%/s

• Análise do valor mínimo da derivada após degrau negativo

• Quanto mais danificado, menor o valor da derivada

• Taxa de variação em função do tempo => Derivada

Taxa de Variação da Eficiência de Conversão Normalizada

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� CONCLUSÕES


CONCLUSÕESCONCLUSÕES

• Cálculo do Fator Teórico de Envelhecimento do Catalisador é preciso, porém não pode ser utlizado como diagnóstico;

• Possibilidade de tal diagnóstico analisando o comportamento dinâmicoda eficiência de conversão do catalisador => Sistema de 1ª Ordem;

• Resultados da análise ao degrau de dosagem de amônia:

• Aplicação embarcada => Grande Potencial como service-pack paraconcessionárias.

• Esta função agrega valor ao produto: não necessita hardwares, oferecemaior confiabilidade e redução da emissões de NOx e amônia.

LEONARDO COSTAEngenheiro de Calibração de Motores

IAV do Brasil Automotive EngineeringAv. das Nações Unidas, 22351, 7º AndarCEP: 04795-904 Santo AmaroSão Paulo - SP - Brasil

[email protected]

MUITO OBRIGADO!!!MUITO OBRIGADO!!!


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