EGR与LNT协同控制稀燃汽油机NOx排放试验及仿真研究

摘要

内燃机在给人们的生活带来方便和舒适的同时，也带来了一定的能源与环境问题。近年来，石油短缺和环境污染推动了愈加严格排放法规的逐步实施，这为内燃机领域相关工作者提出了新一轮的挑战，同时也为各类缸内及后处理先进技术的发展创造了一次机遇。
　　较大的升功率、较好的NVH性和加速特性等使得汽油机一直是我国乘用车的主要动力源。而乘用车的多数工况范围集中在中小负荷，汽油机在此工况下的泵吸、节流损失较大使得其比油耗较高。采用稀薄燃烧技术可以有效地提高其中小负荷运行工况下的燃油经济性。但由于稀燃汽油机存在的氧阻抑现象而使得传统的三效催化器TWC不能在偏离当量比的稀燃条件下有效的控制氮氧化物NOx的排放，从而使得如何解决好稀燃汽油机的NOx排放问题成为稀燃技术应用的研究热点。
　　本研究首先对产品汽油机进行稀燃改制，对于其存在的NOx排放问题采用EGR-LNT协同控制技术路线，从而使得协同控制系统可以规避掉单独采用EGR时受缸内燃烧耐受性限制以及单独采用LNT时受成本约束和控制系统复杂等的弊端。
　　研究结果表明，当针对稀燃汽油机的NOx排放问题采用EGR-LNT协同控制技术路线时，EGR-LNT协同控制系统中前端EGR量与后端LNT催化器理化特性参数存在最佳匹配区间。前端EGR量过小或过大都会对EGR-LNT协同控制系统整体的NOx排放控制效果，即NOx转化效率，产生一定程度的恶化影响。当前端EGR率适当时，协同控制系统的NOx排放控制效果要好于两者单独应用时的效果。当前端EGR率过小时，虽然LNT可以保证较高的NOx转化率，但由于此时EGR对缸内NOx生成量控制效果不足，进而影响了协同控制系统总体的NOx排放控制效果。当前端EGR率过大时，虽然EGR可以在缸内起到较好的NOx生成控制效果，此时后端LNT不再能保持之前较高的NOx转化率，进而影响了协同控制系统总体的NOx排放控制效果。
　　前端EGR率过小影响协同控制系统总体的NOx排放控制效果是由EGR量过小从而使得缸内NOx降低效果有限的内在因素所限，而前端EGR率过大导致后端LNT内部NOx转化率下降是由于前端EGR所带来的排气成分中CO2、H2O(g)、O2含量的变化及相应温度、压力变化所引起的。LNT内部CO2的存在会与NOx形成吸附位的竞争，过量的CO2会引起NOx的大量溢流。H2O(g)同样也会与NOx形成吸附位的竞争，但竞争的强度不及CO2但一旦形成劣化现象则较难再生，且其与CO2同时存在时，会进一步强化CO2对NOx的恶化影响。低温时，H2O(g)对NOx的恶化影响要比CO2明显。O2的存在有利于LNT内部NOx的吸附，但也会恶化NOx脱附及还原过程，稀、浓燃空燃比需要同时考虑NOx吸附、脱附、还原及燃油经济性。LNT入口温度超过390℃以后，其内部在NOx脱附过程中存在NOx突释现象。少量的NOx突释有利于还原过程，大量NOx突释会由于其不能充分地与还原剂接触而出现直接溢流出LNT的现象。

目录

第一个书签之前

声明

字母注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 汽油机稀薄燃烧技术

1.3 内燃机NOx净化技术路线

1.4 EGR与LNT技术路线国内外研究现状

1.5 本论文研究主要内容及意义

第二章 LNT催化器最佳运行控制参数仿真研究

2.1 MATLAB软件及SIMULINK模块简介

2.2 LNT催化器内部NOx催化转化数值模型的建立

2.3 仿真及试验方案设计

2.4 数值模型与台架试验数据的对比分析

2.5 本章小结

第三章 稀燃汽油机工作性能及NOx排放控制试验研究

3.1 试验装置及方法

3.2 原机试验

3.3 单独EGR控制NOx排放试验

3.4 单独LNT控制NOx排放试验

3.5 EGR-LNT协同控制NOx排放试验

3.6 三种技术路线的NOx排放控制效果对比

3.7 本章小结

第四章 EGR对LNT催化器工作效率影响试验研究

4.1 试验装置及方法

4.2 原机试验

4.3 EGR-LNT协同控制稀燃汽油机NOx排放验证

4.4 两款发动机EGR对LNT影响对比

4.5无水蒸气，变EGR率对LNT催化器影响分析

4.6 相同EGR率，水蒸气对LNT催化器影响分析

4.7 本章小结

第五章 LNT催化器内部NOx吸附、脱附及还原过程机理研究

5.1 CHEMKIN软件简介

5.2 针对本研究的CHEMKIN软件二次开发

5.3 LNT净化NOx机理

5.4 模型验证

5.5 计算结果

5.6 本章小结

第六章 EGR对LNT催化器内部工作状态影响仿真研究

6.1 仿真模拟方法

6.2 LNT催化器内部循环

6.3 CO2影响分析

6.4 H2O(g)影响分析

6.5 O2 影响分析

6.6 EGR对LNT影响分析

6.7 本章小结

第七章 EGR-LNT协同控制系统LNT催化器内部工作效率优化仿真研究

7.1 仿真模拟方法

7.2 变空燃比仿真LNT催化器

7.3 浓燃氛围强度的表征量-O2

7.4 浓燃氛围强度的表征量-温度

7.5 优化策略

7.6 本章小结

第八章 全文总结、创新点与展望

8.1 全文总结

8.2 创新点

8.3 工作展望

参考文献

发表论文及科研情况说明

致谢