吸附还原催化系统降低稀燃汽油机Nox排放仿真研究

摘要

节能和环保是内燃机发展的主题。车用汽油机采用稀燃技术在改善燃油经济性的同时,还能够降低有害排放物和温室气体排放量。在过去的二十年当中无论是进气道喷射实现稀燃还是缸内直喷技术实现稀燃均受到广泛关注。
　　 然而,稀燃技术面临的问题是当发动机工作在稀混合气状态时,传统的三效催化转化器不能够有效的降低NOx排放物。目前降低稀燃汽油机NOx排放物较为有效的方法是采用NOx吸附还原催化转化器LNT(Lean-NOx-Trap)。当LNT吸附NOx达到一定限度时必须切换到浓燃工作模式进行再生以恢复吸附效率；在浓混合气环境下,硝酸盐变得不稳定导致已存储的NOx从NOx吸附空位上释放出来,释放的NOx被尾气中的HC、CO及H2等还原剂还原。为了在燃油经济性、排放以及驾驶舒适性三者之间达到最佳平衡,LNT的控制策略必须考虑到浓燃开始时间和浓燃持续时间,与此同时要保证发动机动力输出在浓稀燃转换期间的平稳过渡。
　　 本文在SIMULINK环境中建立了基于控制的发动机模型和LNT模型,LNT模型成功实现了LNT中NOx存储百分比的动态计算,此计算值作为发动机模型的输入量用于空燃比浓稀转换的自动控制。发动机模型包括电控节气门模型、发动机气流动态子系统、排气再循环模阀模型、燃油率计算及控制逻辑子系统、发动机扭矩产生及控制子系统、稀NOx吸附还原催化器子系统以及数据显示区域。发动机模型配合LNT模型实现了LNT控制策略的仿真,以及浓稀转换过程中对转速及扭矩波动的控制。并且通过在LNT模型中输入NOx排放试验数据,在仿真中模拟了LNT模型中NOx存储上限设定值对浓稀转换过程中NOx溢出量和存储量的影响。结果表明当LNT催化转换器容积一定且LNT中NOx存储上限设定值较低时,发动机浓稀转换更加频繁且浓稀转换过程中NOx的溢出量较小,浓燃稀燃间隔时间比值较为理想。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 车用汽油机稀燃技术简介

1.2.1 稀薄燃烧技术的历史和现状

1.2.2 稀燃技术的优点

1.2.3 稀燃面临的问题

1.3 稀薄燃烧发动机NOx后处理技术简介

1.3.1 EGR降低稀燃NOx排放技术

1.3.2 NOx直接催化分解技术

1.3.3 NOx选择还原催化转化器原理简介

1.3.4 NOx吸附还原催化转化器原理简介

1.4 本文研究的内容和意义

1.4.1 研究意义

1.4.2 研究内容及拟解决问题

第二章 基于控制的吸附还原催化转换器模型建立

2.1 稀燃汽油机尾气后处理系统组成

2.2 氧传感器模型

2.2.1 两状态氧传感模型

2.2.2 宽带氧传感器模型

2.3 基于控制的吸附还原催化转化器模型

2.3.1 LNT催化转化原理及主要化学反应

2.3.2 基于控制的LNT模型

2.4 LNT模型的SIMULINK实现

2.5 本章小节

第三章 基于控制的发动机模型建立及LNT控制逻辑设计

3.1 基于控制的发动机模型概述

3.2 本章建立的模型概览

3.3 电控节气门模型

3.3.1 节气门整体模型

3.3.2 节气门物理模型

3.3.3 节气门流量模型

3.3.4 流入进气歧管的总流量说明

3.4 发动机气流动态子系统

3.5 燃油率计算及控制逻辑子系统

3.5.1 控制逻辑模块设计

3.5.2 传感器容错模块

3.5.3 空气量预估以及宽带氧传感器反馈控制模块

3.5.4 燃油率计算模块

3.6 扭矩产生及控制子系统

3.6.1 发动机扭矩计算

3.6.2 发动机转速计算

3.6.3 模拟正时触发系统

3.6.4 转速控制器设计

3.7 排气再循环阀(EGR VALVE)模型

3.8 本章小结

第四章 仿真结果与分析

4.1 仿真计算量

4.2 仿真试验

4.2.1 试验条件

4.2.2 试验曲线及分析

4.3 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

附录 模型变量及参数

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢