Practical Achievable Performance in Diesel Oxidation Catalyst Temperature Control Performances atteignables en pratique pour la commande de la température d’un catalyseur d’oxydation Diesel

Abstract

This paper proposes a simple control-oriented model for a Diesel Oxidation Catalyst (DOC). This distributed parameter model accounts for spatially distributed heat generation due to oxidation of reductants. It aims at being used in the context of DOC outlet temperature control, which is required during Diesel Particulate Filter (DPF) active regeneration process. The paper focuses particularly on phenomena involved during variations of gas flow rate through the DOC. These variations take place during changes of engine operating points due to driver’s requests: they are large and frequent, and cannot be avoided. Experimental results presented in this paper show that an increase in the gas flow rate, at constant inlet HC concentration, tends to make DOC outlet temperature overshoot. On the contrary, a decrease in the gas flow rate tends to make DOC outlet temperature undershoot. Using an intra-catalyst measurement, it is shown that these disturbances are related to the inherent distributed nature of the system. Compensating for observed outlet temperature variations is physically limited (by actuation limits and reasonable use of the system) and creates a delayed DOC outlet temperature disturbance. As a consequence, it seems that there exists a practical limit for the DOC outlet temperature control performance, which is, for the presented 4-inch long (1.65-L) DOC, approximately ±15°C around the desired outlet temperature. The proposed simple model, its experimental validation, and the obtained analysis of performance based on testbench results are the main contributions of the article. Ce papier propose un modèle simplifié pour la commande d’un catalyseur d’oxydation Diesel (DOC). Ce modèle à paramètres répartis prend en compte la génération de chaleur spatialement répartie liée à l’oxydation des réducteurs. Il vise à être utilisé pour la commande de la température en sortie du DOC. Cette commande est nécessaire lors des phases de régénération du filtre à particules (DPF). Le papier s’intéresse en particulier aux phénomènes impliqués par les variations de débit de gaz dans le DOC. Ces variations ont lieu pendant les changements de points de fonctionnement du moteur liés à la demande du conducteur : elles sont importantes et fréquentes et ne peuvent pas être évitées. Les résultats expérimentaux présentés dans ce papier montrent qu’une augmentation du débit de gaz – à concentration HC constante en entrée du DOC – a tendance à créer un dépassement positif de la température en sortie du DOC. Au contraire, une diminution du débit a tendance à créer un dépassement négatif de la température en sortie du DOC. L’utilisation d’une mesure de température au milieu du pain catalytique permet de montrer que ces perturbations sont inhérentes à la nature répartie du système. La compensation de ces variations de température en sortie est physiquement limitée (par les limites d’actionnement et d’utilisation raisonnable du système), ce qui crée une perturbation retardée de la température en sortie du DOC. En conséquence, il semble qu’il existe une limite pratique pour les performances de commande de la température en sortie du DOC, qui sont, pour le DOC présenté (4 pouces de long et 1,65 L de volume), d’environ +/-15 °C autour de la température de sortie souhaitée. Le modèle proposé, sa validation expérimentale, ainsi que les analyses des performances obtenues sur un banc d’essai constituent les contributions principales de cet article.