optimizing the on board diagnostic system (obd) to monitor for reduction of the scr catalyst...
DESCRIPTION
This work consists in the development of a software algorithm to be integrated to the OBD system that allows diagnosing, through a dynamic functional test, a NOx conversion efficiency reduction in the SCR catalyst as an isolated component of the complete system. With this diagnostic, applied within the strategies for catalyst aging detection, the dosing controller can correct the reagent liquid injection, preventing ammonia emissions in the ambient, and getting a faster and easier fault resolution.TRANSCRIPT
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
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� 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
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� 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
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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
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SCR – SISTEMA DE CONTROLE DE EMISSÕES DE NOxSCR – SISTEMA DE CONTROLE DE EMISSÕES DE NOx
� SCR – Redução Catalítica Seletiva
NOx
NH3
N2 + H2O
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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
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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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� 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
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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
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CÁLCULO DE EFICIÊNCIA DE CONVERSÃOCÁLCULO DE EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO
� Eficiência de Conversão
Eficiência de Conversão de NOx =
Fluxo de NOx Depoisdo Catalisador
Fluxo de NOx Antes do Catalisador
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CÁLCULO DE EFICIÊNCIA DE CONVERSÃOCÁLCULO DE EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO
� Eficiência de Conversão MEDIDA
Eficiência Medida =
Fluxo de NOx MedidoDepois do Catalisador
Fluxo de NOx EstimadoAntes do Catalisador
PPM => g/hSinal
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CÁLCULO DE EFICIÊNCIA DE CONVERSÃOCÁLCULO DE EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO
� Eficiência de Conversão ESTIMADA
Eficiência Estimada =
Fluxo de NOx EstimadoAntes do Catalisador
Fluxo de NOx EstimadoAntes do Catalisador
Fator de Conversãodo CatalisadorX
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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
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Eficiência Medida = Valor Atual
Eficiência Estimada = Valor Limite
Emissões acima do limite
DIAGNÓSTICO DE REDUÇÃO DE EFICIÊNCIA DO SISTEMADIAGNÓSTICO DE REDUÇÃO DE EFICIÊNCIA DO SISTEMA
�Valores acumulados => Aplicação da Integral
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Eficiência Medida = Valor Atual
Eficiência Estimada = Valor Limite
Emissões acima do limite
DIAGNÓSTICO DE REDUÇÃO DE EFICIÊNCIA DO SISTEMADIAGNÓSTICO DE REDUÇÃO DE EFICIÊNCIA DO SISTEMA
Qualquer falha de conversão de NOx será detectada. Porém com diagnóstico genérico, em caso de envelhecimento do catalisador!
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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
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FATOR DE CORREÇÃO DO ENVELHECIMENTO DO CATALISADORFATOR DE CORREÇÃO DO ENVELHECIMENTO DO CATALISADOR
• 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
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FATOR DE CORREÇÃO DO ENVELHECIMENTO DO CATALISADORFATOR DE CORREÇÃO DO ENVELHECIMENTO DO CATALISADOR
�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
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FATOR DE CORREÇÃO DO ENVELHECIMENTO DO CATALISADORFATOR DE CORREÇÃO DO ENVELHECIMENTO DO CATALISADOR
�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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� 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
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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
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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.
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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
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METODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOSMETODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOS
�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
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Eficiência de Conversão Real
METODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOSMETODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOS
• Resultado do Comportamento dinâmico dos catalisadores• Quanto mais danificado o catalisador, menor o máximo de eficiência• Novo: 72% • Envelhecido: 55% • Danificado: 9%
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Eficiência de Conversão Real
METODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOSMETODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOS
• 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!
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Eficiência de Conversão Normalizada
METODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOSMETODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOS
• Valor Normalizado = Valor Medido / MáximoValor Atingido x 100
• Equiparar as referências de comparação
COMO SOLUÇÃO
• Necessário resultados na mesma ordem de grandeza => Normalização
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Eficiência de Conversão Normalizada
METODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOSMETODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOS
• Valor Normalizado = Valor Medido / MáximoValor Atingido x 100
• Equiparar as referências de comparação
• Necessário resultados na mesma ordem de grandeza => Normalização
Eficiência de Conversão Normalizada
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METODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOSMETODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOS
63,2%
36,8%
T=21s
T=32s
T=56s
T=41s
T=47s
T=55s
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METODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOSMETODOLOGIA DE TESTES E RESULTADOS
-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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� 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
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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
MUITO OBRIGADO!!!MUITO OBRIGADO!!!
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