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MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
Desarrollo de un sistema de control y monitoreo en un banco de pruebas Urea-SCR
R. Guevara-Zavala, A. Nivardo-De Licio, Daniel De La Rosa-Urbalejo, Fausto A. Sánchez-Cruz, S. Méndez-Díaz, J.
Riesco-Ávila, S. Martínez-Martínez
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), Laboratory for Research and
Innovation in Energy Technology (LIITE), Av. Universidad s/n. Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo
León, C.P. 66455, México.
*Autor contacto: [email protected]
R E S U M E N
Los sistemas de Urea-SCR cada vez son más usados como complemento post-tratamiento de los gases de escape en los
motores diésel, debido a su alta eficiencia en la reducción de NOx (óxidos de nitrógeno). El factor clave para la
reducción de emisiones, es una buena mezcla entre la urea y los gases de escape. Por lo que en el presente trabajo, se
instala un sistema de control y monitoreo en un banco de pruebas Urea-SCR, el cual permite la manipulación y
visualización de las variables de; régimen de giro (rpm), flujo másico, temperatura, presión y tiempos de inyección de
urea en el sistema. Obteniendo como resultado una interfaz integral, cuyo objetivo es estudiar los perfiles de velocidad
de los gases de escape y su efecto en la reducción de NOx al usar mezcladores, variando las condiciones de operación
del sistema.
Palabras Clave: sistemas SCR (Selective Catalytic Reduction), medio ambiente, emisiones contaminantes.
A B S T R A C T
The Urea-SCR systems are widely used as a post-treatment complement of diesel engines, due their high efficiency of
NOx reduction. The key factor for a higher reduction is the good mixing of urea and exhaust gases. In this study, a Urea-
SCR system was installed and a control-monitoring interface was developed. This allows to manipulate the system
variables as: rotational speed, mass flow, temperature, pressure and injection times. As a result, an integral code that
allows to study the velocity profiles of exhaust gases and its effect on NOx reduction using mixers by controlling the
system variables is obtained.
Keywords: SCR systems, environment, polluting emissions.
1. Introducción
El sistema urea-SCR (por sus siglas en inglés, Selective
Catalytic Reduction) es uno de los métodos más eficiente
para la reducción de NOx al usar motores diésel [1-3]. Su
amplio rango de temperatura de activación efectiva [4] lo
hace apropiado para motores de gran tamaño [5]. Su
aplicación a motores de 2.5 litros o más pequeños está aún
en etapa de investigación. La tecnología urea-SCR
convierte el óxido de nitrógeno (NOx) a través de un
catalizador, en Nitrógeno (N2) y agua en forma de vapor
(H2O). Para favorecer este tipo de reacciones, se necesita
un agente reductor, comúnmente es usada una solución de
urea (32.5 %) y agua (agua destilada) mejor conocido
como ADBlue o DEF. Debido a los cambios constantes de
carga y velocidad, resultan diferentes composiciones en los
gases de escape y diferentes condiciones termodinámicas,
por lo que el sistema debe ajustar constantemente la
cantidad de inyección del agente reductor para un ajuste
continuo manteniendo bajos niveles de emisiones
contaminantes [6].
Shi et al. [7], optaron por la construcción de un banco de
pruebas para un sistema SCR, donde los gases de escape
mantienen un caudal y temperatura constantes, variando la
presión de inyección y el ángulo de inclinación del
inyector. Esto para ver el efecto de la inclinación en la
distancia que requiere la urea para finalizar su mezcla con
los gases de escape.
Lecompte et al. [8], desarrollaron un banco de ensayos
donde el flujo de aire es suministrado por un motor diésel.
El banco cuenta con accesos ópticos que permiten el
estudio de la vaporización y homogeneidad de la urea
mediante la técnica óptica llamada LIF (del inglés Laser
Induced Fluorescence).
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Oh y Lee [9], utilizaron un banco de pruebas conformado
por un motor diésel y un sistema SCR. A diferencia de
otros trabajos, se utilizaron dos tipos de mezcladores
después de la inyección de urea. El estudio se centra en la
definición de la distancia óptima que existe entre el
mezclador y el inyector de urea, usando técnicas láser para
la medición de distribución de gotas en la tubería de los
gases de escape.
El presente trabajo toma como referencia los sistemas
anteriormente descritos, proporcionando una mejora en el
control y mayor versatilidad en las condiciones de
operación para los sistemas Urea-SCR.
2. Banco de Pruebas Urea-SCR
Para el desarrollo del banco de pruebas, el primer paso fue
decidir la configuración de los componentes, esto para
favorecer las reacciones de conversión entre la urea y los
gases de escape.
La configuración más usada en los sistemas SCR y
utilizada en el presente estudio, se muestra en la Figura 2.1.
Esta configuración permite una perfecta relación 1:1 entre
el NO/NO2 favoreciendo la reacción rápida en el
catalizador SCR, incrementando así el desempeño del
mismo [10].
Figura 2.1: Configuración del Sistema SCR implementado en el banco de
pruebas.
2.1. Catalizador de Oxidación Diésel (DOC)
El DOC (por sus siglas en inglés Diesel Oxidation
Catalyst) es montado en los vehículos de pasajeros,
vehículos diésel de servicio ligero y vehículos diésel de
servicio pesado, debido a que alcanza a remover cerca del
90% de las partículas de monóxido de carbono (CO) y
entre el 70-80 % del total de los hidrocarburos (HC)
presentes en las emisiones contaminantes [11]. Este
componente cumple con dos funciones principales (Figura
2.2):
Oxidar los hidrocarburos (HC) y el monóxido de
carbono (CO), para reducir las emisiones
provenientes de los motores y producir agua
(H2O).
Oxidar las partículas de NO a NO2, aumentando la
razón de NO2:NOx. Esta relación es muy
importante, ya que si esta razón es mayor a 1:1,
puede producirse N2O, el cual es un gas de efecto
invernadero muy potente [12].
Figura 2.2: Reacciones en el Catalizador de Oxidación Diésel.
2.2. Filtro de Partículas Diésel (DPF)
El DPF (por sus siglas en inglés Diesel Particulate Filter),
es también un componente post-tratamiento para los gases
de escape, este es una de las más importantes tecnologías
que reduce significativamente las emisiones de material
partículado (PM) por medio de la filtración física [13].
Su estructura es un monolito en forma de panal, con
canales bloqueados en los extremos de manera alternada.
Los canales obstruidos en cada extremo obligan a las
partículas de diésel a pasar a través de las paredes del
sustrato poroso, que actúan como un filtro mecánico. Este
proceso se puede observar en la Figura 2.3. Comúnmente
el espesor de los canales es entre los 200 y 400 μm [14].
Figura 2.3: Funcionamiento del DPF.
2.3. Sistema de Inyección de Urea
Este sistema se compone principalmente por un tanque de
almacenamiento de urea, un inyector de urea, un sistema de
control y en algunos casos (tales como en el presente
estudio) se utiliza un mezclador; debido a que ayuda a
agitar de mejor forma la urea con los gases de escape,
favoreciendo la conversión de NOx en el catalizador SCR
[15].
El desempeño del catalizador SCR, está ligado al sistema
de inyección de urea, ya que parte importante del proceso
de conversión depende de la obtención de una buena
mezcla entre los gases de escape y la urea. Factores como
el buen diseño del mezclador puede mejorar la reducción
de NOx de hasta un 30 % en comparación a no usarlo [16].
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Incluso permite la inyección de urea a bajas temperaturas
en los gases de escape, de hasta 180° C [16]. Un ejemplo
esquemático de un sistema de inyección de urea se puede
observar en la Figura 2.4.
Figura 2.4: Componentes del Sistema de Inyección de Urea.
2.4. Catalizador SCR
El catalizador SCR (por sus siglas en inglés Selective
Catalytic Reduction), es el componente primordial de dicho
sistema. Como su nombre lo indica, el catalizador se
encarga de la reducción de los óxidos de nitrógeno (NOx)
en combinación de un reactante, por ejemplo el Adblue y el
DEF (Diesel Exhaust Fluid), ambos compuestos por 32.5%
de Urea y un 67.5% de agua. Las regulaciones
constantemente están en cambio, y son cada vez más
estrictas, los sistemas SCR es la tecnología más
prometedora para la reducción de NOx debido a su alta
eficiencia, selectividad y costo [17].
El proceso que da lugar a la reducción de NOx, está basado
en ocho principales reacciones químicas que ocurren en el
catalizador SCR [10]; la primera reacción es la pirolisis,
Ec. (1), la cual ocurre cuando se evapora el agua de la
solución de urea, produciendo ácido isociánico (HNCO) y
amoniaco (NH3):
(NH2)2CO → HNCO + NH3 (1)
Después el ácido isociánico con ayuda del agua, reacciona
produciendo amoniaco, a esta reacción se le llama
hidrólisis, Ec. (2):
HNCO + H2O → NH3 + CO2 (2)
Ya formado el amoniaco, este es absorbido por el
catalizador SCR, la reacción de absorción está dada por la
Ec. (3):
NH3 → NH3*
(3)
Con el amoniaco absorbido, inician las reacciones de
reducción, las cuales son dos las predominantes, la
reacción SCR estándar, Ec. (4), y la reacción SCR rápida
dada por la Ec. (5):
4NH3* + 4NO + 4O2 → 4NH2 + 6H2O (4)
4NH3* + 2NO + 2NO2 → 4N2 + 6H2O (5)
Existe otra reacción, conocida como reacción SCR lenta,
esta ocurre solamente con NO2, expresada por la Ec. (6):
8NH3* + 6NO2 → 7N2 + 12H2O (6)
Y por último, el amoniaco NH3*, puede también ser
desorbido y oxidado para producir nitrógeno N2. Esta
reacción de desorción, Ec. (7), y la reacción de oxidación,
Ec. (8), son expresadas como:
NH3* → NH3 (7)
4NH4* + 3O2 → 2N2 + 6H2O (8)
La efectividad para que se produzcan estas reacciones
depende de muchos factores en el sistema, tales como: el
reactante no está bien mezclado, exceso de inyección de
urea, lo cual producen efectos no deseados [18], como el
almacenamiento de amoniaco (Amonnia Storage) y el
amoniaco sin reaccionar (Amonnia Slip), lo cual provoca
emisiones de amoniaco que son nocivas para la salud [19].
Es por ello, que es necesario tener un sistema de control
muy preciso para evitar los problemas anteriormente
mencionados, por lo cual, se describirá el desarrollo del
sistema de control del banco de pruebas.
3. Metodología
Las etapas para la realización de este estudio, se describen
en la Figura 3.1.
Figura 3.1: Metodología aplicada en el estudio.
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3.1. Componentes del Sistema de Control e
Instrumentación
Para la medición y visualización de las variables a
controlar, se necesitan dispositivos específicos para cada
tarea. En la Figura 3.2 se muestra un esquema de la
localización y el tipo de sensor, y periféricos utilizados a lo
largo del banco de pruebas.
Figura 3.2: Localización de la instrumentación en el Sistema Urea-SCR.
El sistema cuenta con un motor diésel de la marca
Cummins de 6 cilindros con una potencia de 180 HP a
2,500 rpm. El motor fue acondicionado para mejorar su
estado original sometiéndolo a cambios de aspecto y ajuste
de componentes. Mediante la variación del régimen de giro
(rpm), se controlan la temperatura de salida de los gases
del motor y el flujo másico, variables que también son
medidas por el sistema.
Seguido del motor, se encuentran en un mismo modulo los
sistemas DOC-DPF, acondicionados para medir con
sensores específicos, su caída de presión y las temperaturas
a lo largo del mismo. Teniendo en cuenta que los gases de
escape del motor no llegan a la temperatura de
vaporización de la urea (140⁰ C), se adiciono al sistema un
remanso de recalentamiento a la salida del DOC-DPF. El
remanso cuenta con cuatro resistencias tubulares que
suministran un total de 17 kW de potencia, alcanzando así,
una temperatura de hasta 300⁰ C. Éste cuenta también con
sensores de temperatura a la entrada y salida, y un
relevador de estado sólido, el cual permite el control y
estabilidad de la temperatura de los gases de escape a la
salida del mismo.
A la salida del remanso, se encuentra el sistema de
inyección, éste cuenta con un tanque de almacenamiento de
urea, porta inyector e inyector de urea, y un acceso óptico
con un mezclador en su entrada, que permiten observar y
estudiar el comportamiento de los gases de escape. Este
sistema cuenta con circuitos electrónicos y un control en la
inyección, de modo que esta puede ser continua (hasta 5
ms) o por pulsos (hasta 500 μs).
Al final de la instalación, se encuentra el componente
primordial del sistema, que es el catalizador SCR, este se
encuentra acondicionado para medir las temperaturas en la
entrada y salida del mismo, así como también, su caída de
presión. Lo cual permite obtener una relación entre las
caídas de presión y las demás variables, que favorecen la
obtención de una mejor conversión de NOx en los gases de
escape. En la Figura 3.3 se muestra una vista actual del
banco de pruebas Urea-SCR.
Figura 3.3: Vista actual del Banco de Pruebas Urea-SCR.
3.2. Programación y Visualización de los Sistemas de
Control en el Banco de Pruebas Urea-SCR
La necesidad de tener control sobre las variables del
sistema, así como el monitoreo y representación de las
señales es de suma importancia, por lo que fue necesario
desarrollar una interfaz gráfica, amigable para cualquier
operario de la instalación. Debido a esto, la programación
fue realizada en el software LabVIEW en su versión 2014
de la firma National Instruments, empresa proveedora de
los componentes y sistema de adquisición de datos del
banco de pruebas.
Control de Aceleración
El control de aceleración en el motor Cummins, es
realizado por el modulo NI-9472 que manipula un
servomotor que está unido por una polea en la palanca de
aceleración del motor. Debido a que el servomotor es
controlado por medio de la técnica de Modulación de
Ancho de Pulso, las condiciones de la señal de control son
enviadas y operadas a través del software mostrado en la
Figura 3.4.
Figura 3.4: Interfaz del control de aceleración.
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Monitoreo del Régimen de Giro
En lo referente al monitoreo del régimen de giro, la
programación está basada en la medición de los niveles
lógicos de un sensor infrarrojo que ocurren en cada
revolución del motor. El rango de operación del sistema
comprende entre 0 y 2,000 rpm. En la Figura 3.5, se
muestra la interfaz gráfica que monitorea el régimen de
giro del motor de tres maneras: por medio de un tacómetro
analógico, otro digital y una evolución temporal de las
rpm.
Figura 3.5: Interfaz para el monitoreo de las RPM.
Medición de caídas de Presión
Para la medición de caídas de presión en el sistema, se
instalaron cuatro sensores de la marca Kistler; dos de ellos
ubicados en el sistema DOC-DPF, y los otros dos antes y
después del catalizador, respectivamente. La señal
proveniente del sensor es procesada por el sistema de
adquisición de datos, obteniendo así, los valores de presión
en tiempo real. La interfaz, que está compuesta por tres
secciones (indicadores, evolución temporal de la
temperatura y evolución temporal de la presión) donde
podemos visualizar el comportamiento de las variables,
como se muestra en la Figura 3.6.
Figura 3.6: Interfaz para el monitoreo de caídas de presión.
Lectura de las temperaturas en el banco de pruebas
El procedimiento de adquisición de valores de la
temperatura a lo largo del sistema, es llevado a cabo
mediante termopares. La interfaz desarrollada para este
objetivo, es similar a la de los sensores de presión, en ella
se puede observar en tiempo real la evolución de las
temperaturas de manera gráfica y de manera instantánea.
Debido a que se requiere monitorear el cambio de
temperatura en todo el sistema, este software trabaja en
conjunto con los programas Control de aceleración y
Monitoreo del régimen de giro del motor, de este modo, se
puede controlar tanto el valor de las revoluciones por
minuto y la evolución temporal de temperatura. La interfaz
anteriormente descrita se puede observar en la Figura 3.7
Figura 3.7: Interfaz para el monitoreo de las temperaturas en el sistema.
Remanso de Re-calentamiento
Para el control de la temperatura se utilizó la estrategia
llamada lógica difusa, dado que ésta presenta un menor
error en estado permanente comparado con otros métodos.
Para ello, se creó un controlador utilizando un arreglo
SISO (por sus siglas en inglés Single Input Single Output),
que calcula la diferencia entre la temperatura de consigna
(Set Point) y la temperatura medida a la salida del remanso.
En la Figura 3.8 se muestra la interfaz del controlador, la
cual grafica la evolución temporal de la temperatura en la
salida del remanso, y adicionalmente muestra los controles
necesarios para su operación y paro.
Figura 3.8: Interfaz del control de re-calentamiento.
Control de Inyección
El funcionamiento de activación del inyector, inicia con
una señal en forma de pulsos emitida por el sistema, donde
el tiempo de encendido y apagado de la señal de control
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son definidos por la interfaz del programa, estos pulsos
activan el circuito de conmutación para después abrir el
inyector de urea y así realizar de manera precisa la
inyección.
En la Figura 3.9, se puede observar la interfaz de usuario
para el control de la inyección. En ella se cuentan con tres
opciones para diferentes configuraciones de inyección, las
cuales son; pulso único, tiempo de inyección y cantidad de
pulsos.
Figura 3.9: Interfaz del control de inyección.
4. Resultados
Como parte primordial del estudio, es necesario contar con
la validación de los sistemas y controles del banco de
pruebas. Por lo que se realizaron pruebas y mediciones
para la ratificación y correcto funcionamiento de la
programación, el sistema de adquisición de datos y el
control de variables de la instalación.
4.1. Validación del Régimen de Giro
Partiendo de la interfaz desarrollada para la obtención del
régimen de giro. La validación se llevó a cabo basado en la
placa de especificaciones del motor (ver Figura 4.1).
Figura 4.1: Placa de especificaciones del Motor Cummins.
Se puede observar que el motor a ralentí tiene un régimen
de giro de 800 rpm, por lo que la interfaz desarrollada para
la lectura de esta variable al encender el motor debe
presentar el mismo valor. Los resultados obtenidos se
presentan en la Figura 4.2. En ella se puede observar el
régimen de giro de manera instantánea, de forma temporal
(grafica) y por medio de un tacómetro.
Figura 4.2: Lecturas obtenidas en la interfaz del régimen de giro.
Cabe mencionar que, debido a la antigüedad del motor
(1988), su funcionamiento no es constante y presenta
algunas variaciones al estar encendido.
Validación del Control de Resistencias
Para este punto, se realizó una prueba de sensibilidad para
determinar la respuesta del sistema y su estabilidad en
régimen permanente. Las temperaturas elegidas para el
ensayo fueron 170, 200, 230 y 250⁰ C con un error de +/-
1⁰C. En la Figura 4.3 se pueden observar los resultados
obtenidos.
Figura 4.3: Prueba de sensibilidad del remanso de re-calentamiento.
Validación del Control de Inyección
Las pruebas para la verificación y activación del inyector,
fueron llevadas a cabo bajo la medición de un osciloscopio.
Estas consistieron en la variación del tiempo del ancho de
pulso. Como primera instancia, se utilizó un valor de
inyección de 4 ms, los resultados obtenidos se observan en
la Figura 4.4. La grafica de color verde representa la
corriente que pasa a través del inyector, que para este
tiempo de pulso tuvo un máximo de 9 A, mientras que la
gráfica de color azul, representa el pulso mandado por el
sistema de control, dando un tiempo exacto de 4 ms. Cabe
mencionar el inyector fue activado sin presurización por
parte del tanque de urea.
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Figura 4.4: Verificación de inyección con duración de 4 ms.
Para la validación del tiempo mínimo de activación del
inyector, se utilizó un tiempo de ancho de pulso de 500 μs.
Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 4.5. Del
mismo modo la gráfica en color verde representa la
corriente que fluye en el inyector, que para este caso
resultó un valor de 2.75 A; mientras que la gráfica de color
amarillo representa el pulso de 500 μs proporcionado por el
sistema de control.
Figura 4.5: Verificación de inyección con duración de 500 μs.
Cabe mencionar que las mediciones se realizaron con una
pinza de corriente, de manera que 10 mV equivalen a 1 A.
5. Conclusiones
Una vez validados los sistemas de control y periféricos del
sistema de manera individual, se obtuvo una interfaz
integral (Figura 4.6), resultado de la unión de todos los
programas descritos anteriormente, donde se monitorea y
controla las variables presentes en el sistema. Tales como
las rpm, flujo másico, temperatura, caídas de presión y la
técnica de inyección a utilizar.
Figura 4.6: Programa Integral del Banco de Pruebas Urea-SCR
En esta interfaz se pueden ubicar fácilmente las variables
que mide y controla cada componente del banco de
pruebas, permitiendo un fácil manejo para cualquier
usuario.
El tener el control de las variables de operación y las
condiciones termodinámicas del sistema, facilita el estudio
de los perfiles de velocidad en los gases de escape y su
efectividad en la reducción de NOx al usar mezcladores en
condiciones estables.
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