基于Simulink的稀燃汽油機LNT系統(tǒng)仿真模擬

劉 磊，李志軍，岳東鵬，張洪洋，常 慶，馬小強，林漫群

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222；3. 天津大學(xué)內(nèi)燃機研究所，天津 300072)

基于Simulink的稀燃汽油機LNT系統(tǒng)仿真模擬

劉 磊1，李志軍1，岳東鵬2，張洪洋1，常 慶1，馬小強3，林漫群3

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222；3. 天津大學(xué)內(nèi)燃機研究所，天津 300072)

以Matlab中的Simulink模塊為主要數(shù)值仿真模擬工具，建立了LNT(lean NOxtrap)催化器內(nèi)部NOx相關(guān)反應(yīng)的數(shù)值仿真模型．利用該模型，對稀燃汽油機LNT催化器內(nèi)部NOx吸附、脫附、再生等相關(guān)工作過程進行了動態(tài)數(shù)值仿真模擬．以LNT催化器內(nèi)設(shè)定的NOx吸附上限對其最大吸附能力的比值作為再生開始的信號，理論值為1，工程應(yīng)用值通常為0.6以下．經(jīng)與該稀燃汽油機LNT催化器的臺架試驗數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，該模型在再生信號比值0.65以下應(yīng)用時，數(shù)值模型的仿真值與試驗值吻合良好．對于應(yīng)用概率極小的再生信號比值為0.65～1區(qū)間內(nèi)的情況，數(shù)值模型需要用化學(xué)動力學(xué)數(shù)據(jù)進一步修正．

Simulink；稀燃；稀燃NOx捕集；NOx

隨著人類社會的不斷發(fā)展，能源危機與環(huán)境污染問題日益加劇，節(jié)能減排已經(jīng)成為當前環(huán)境下最為關(guān)注的主題，汽油機作為主要的乘用車動力源，提高其燃油經(jīng)濟性，降低其污染物排放尤顯重要．稀薄燃燒技術(shù)[1]作為未來發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的方向，稀燃極限的拓展在節(jié)能[2]方面具有較為明顯的優(yōu)勢．但由于常規(guī)三效催化器(three way catalyst，TWC)不能在偏離化學(xué)當量比的稀燃狀態(tài)下有效地降低稀燃過程中缸內(nèi)富氧高溫環(huán)境產(chǎn)生的NOx[3]，因此稀燃發(fā)動機的NOx排放控制技術(shù)已成為當今國際內(nèi)燃機界的研究重點之一[4]．

目前NOx排放控制技術(shù)路線主要分為缸內(nèi)凈化和催化后處理器2種，其中缸內(nèi)路線主要以廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)技術(shù)[5-6]為主，催化后處理路線主要分為NOx直接分解技術(shù)[7-8]、稀燃NOx捕集(lean NOxtrap，LNT)技術(shù)[9]和NOx選擇還原(selective catalytic reduction，SCR)技術(shù)[10]．其中LNT相比其他技術(shù)路線以其較高的NOx轉(zhuǎn)化率使其成為稀燃NOx排放控制領(lǐng)域研究的重點之一．稀燃汽油機LNT技術(shù)最早由日本豐田汽車公司(Toyota)在20世紀90年代提出[11]，LNT技術(shù)主要原理是通過將NOx在LNT催化器內(nèi)部周期性地吸附、脫附并被濃燃階段產(chǎn)生的大量還原性氣體還原成無害的N2，從而控制NOx的排放．

筆者嘗試對LNT催化器內(nèi)部NOx相關(guān)反應(yīng)的大量數(shù)值模型進行整合，最終建立一個較為完整的稀燃汽油機LNT催化器子系統(tǒng)數(shù)值仿真模型．

1 數(shù)值模型的建立

該數(shù)值模型的建立以質(zhì)量守恒為依據(jù)．其中稀燃階段LNT催化器內(nèi)部可以得到

式中：mΝΟx,s為LNT催化器內(nèi)部吸附NOx量，g；mΝΟx,i為LNT催化器入口端NOx量，g；mΝΟx,o為LNT催化器出口端NOx量，g．從而瞬態(tài)吸附效率ηs為

假設(shè)LNT催化器的NOx吸附能力為CLNT(g)，其內(nèi)部NOx吸附百分數(shù)為x，那么mΝΟ,s可以表達為

瞬態(tài)吸附效率隨LNT催化器的吸附百分數(shù)和溫度而變化，如圖1所示．圖1的曲線可以表達為[12]

圖1 LNT吸附效率與溫度、吸附百分數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship among LNT storage efficiency，temperature and adsorption percentage

式中a為參數(shù)，表達了吸附效率隨溫度變化的關(guān)系．

濃燃階段首先發(fā)生吸附NOx從LNT催化器釋放(脫附)現(xiàn)象，由質(zhì)量守恒可得

NOx釋放率取決于LNT催化器內(nèi)部NOx吸附百分數(shù)以及最大NOx吸附能力．由于不同溫度條件下LNT催化器所具有的最大吸附能力不同，因此需要對催化器不同最大吸附能力情況下的釋放率進行標準化換算．設(shè)定催化器最大吸附能力為1，對最大吸附能力為1、0.5及0.25時不同吸附百分數(shù)對應(yīng)的釋放率的測定如圖2所示．

圖2 不同最大吸附能力催化器釋放率與各自吸附百分數(shù)的關(guān)系Fig.2Relationship between release rate and adsorption percentage in LNT with different maximum storage capabilities

將3種不同最大吸附能力LNT催化器的NOx釋放率標準化，即將最大吸附能力(CLNT)為1、0.5和0.25時都設(shè)為1．標準化過程中，釋放率標準化后不變，但3種情況在此釋放率下對應(yīng)的吸附水平有明顯變化．例如對于最大吸附能力為0.25時，其NOx釋放率約為0.015時對應(yīng)吸附水平約0.085(見圖2)，標準化后該釋放率時對應(yīng)最大吸附能力為1時的吸附水平為0.021(0.085除以4)．其余各點依次轉(zhuǎn)化見圖3．從而可以得到圖4給出的NOx釋放率與空燃比、吸附百分數(shù)的關(guān)系，即

圖3 LNT釋放率與其吸附百分比的關(guān)系Fig.3Relationship between LNT release rate and adsorption percentage

伴隨脫附發(fā)生的即是NOx的還原過程，此過程的NOx轉(zhuǎn)化率可定義為

圖4 LNT釋放率與濃燃空燃比、吸附百分數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship among LNT release rate，rich air fuel ratio and adsorption percentage

同理可以得到NOx轉(zhuǎn)化率與空燃比、吸附百分數(shù)的關(guān)系，如圖5所示．

圖5 LNT轉(zhuǎn)化率與濃燃空燃比、吸附百分數(shù)的關(guān)系Fig.5Relationship among LNT conversion efficiency，rich air fuel ratio and adsorption percentage

最終采用Matlab中的simulink模塊對稀燃汽油機LNT催化器內(nèi)部NOx吸附、脫附和還原過程整合，得到LNT催化器子系統(tǒng)數(shù)值仿真模型示意如圖6所示．

圖6 LNT子系統(tǒng)Simulink模型Fig.6 Simulink model of LNT subsystem

2 仿真及試驗方案設(shè)計

數(shù)值仿真模型固定輸入溫度t=476,℃、稀燃空燃比23和濃燃空燃比12，對不同xt值程序運行1個循環(huán)所需時間及10個循環(huán)所需總時間進行記錄．

臺架試驗所用稀燃發(fā)動機由天津一汽產(chǎn)CA3GA2型發(fā)動機改制而成(稀燃空燃比23、濃燃空燃比12)，排放數(shù)據(jù)測試儀器采用日本掘場HORIBA株式會社產(chǎn)HORIBA廢氣分析儀．發(fā)動機以2,800,r/min、0.3,MPa運行，通過在LNT前布置熱電阻絲加熱器及冷卻水箱，保持LNT入口溫度為476,℃，根據(jù)圖1，以ηNOx表示LNT催化器內(nèi)部NOx吸附效率，分別選擇x=0.4、ηNOx=0.8和x=0.75、 ηNOx=0.45 2組參數(shù)作為試驗工況點，通過記錄實時的LNT前、后端NOx排放數(shù)據(jù)，計算實時ηNOx值為

記錄ηNOx值的變化，當ηNOx值達到設(shè)定值即切換到濃燃狀態(tài)將LNT催化器還原至初始狀態(tài)，進而進行下一循環(huán)測試，如此反復(fù)，選擇記錄發(fā)動機臺架任意1個循環(huán)及連續(xù)運行10個循環(huán)所需的時間．

3 數(shù)值模型與臺架試驗數(shù)據(jù)的對比分析

LNT催化器的常規(guī)應(yīng)用過程中，為了避免稀燃、濃燃切換過程時間遲滯及管路長度造成的NOx溢出，通常并非在LNT催化器吸附能力達到完全飽和(理論再生信號為1)之后進行再生，而是留有一定的吸附能力余量，工程中通常應(yīng)用吸附百分數(shù)為0.6以下進行再生．以連續(xù)運行10個循環(huán)所需時間作為對比分析的數(shù)據(jù)，臺架試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模型仿真結(jié)果對比如圖7和圖8所示．

由圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，當x=0.4、ηNOx=0.8時，LNT催化器臺架試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模型仿真結(jié)果有相似的規(guī)律性的數(shù)值曲線，但當x=0.75、ηNOx= 0.45時，LNT催化器臺架試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模型仿真結(jié)果相比出現(xiàn)了很大程度的波動，這主要是由于隨著x設(shè)定值的升高，LNT催化器內(nèi)部NOx吸附、脫附和再生過程中參與反應(yīng)的排氣成分以及相互之間反應(yīng)的復(fù)雜程度增加，并伴隨出現(xiàn)一定的不確定性．從而使得臺架試驗每個循環(huán)觀測到稀、濃燃及濃、稀燃之間切換信號所需的時間相比模型仿真時間出現(xiàn)延遲，并隨著循環(huán)數(shù)量的增加而逐漸積累，最終導(dǎo)致數(shù)值模型在對LNT催化器臺架工作過程的仿真過程中出現(xiàn)了較大的偏差．

圖7 x=0.4、ηNO=0.8時試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模型仿真結(jié)x果對比Fig.7 Contrast between experimental data and numerical simulation results when x=0.4，ηNOx=0.8

為了進一步探究LNT催化器稀燃階段和濃燃階段對總體循環(huán)過程影響的程度，將試驗臺架及仿真模型第5個、第6個循環(huán)過程放大，如圖9和圖10所示.

圖8 x=0.75、ηNO=0.45時試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模型仿真x結(jié)果對比Fig.8Contrast between experimental data and numerical simulation results when x=0.75，ηNOx=0.45

圖9 x=0.4、ηNO=0.8時試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模型仿真在x循環(huán)5、6的結(jié)果對比Fig.9Contrast between experimental data and numerical simulation results at cycle 5 and cycle 6 when x=0.4，ηNOx=0.8

圖10 x=0.75、ηNO=0.45時試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模型仿真x在循環(huán)5、6的結(jié)果對比Fig.10 Contrast between experimental data and numerical simulation results at cycle 5 and cycle 6 when x=0.75，ηNOx=0.45

由于試驗時前幾個循環(huán)容易出現(xiàn)工況不穩(wěn)的情況，因而分別選用10個循環(huán)中處于中間位置、運行工況比較穩(wěn)定的第5、第6個循環(huán)來進行對比分析．由圖9可以發(fā)現(xiàn)，當x=0.4、ηNOx=0.8時，LNT催化器在臺架試驗時相比數(shù)值模擬仿真達到ηNOx設(shè)定值所需的時間滯后約2～4,s，處于可以接受的時間延遲范圍內(nèi)．由圖10可以發(fā)現(xiàn)，當x=0.75、ηNOx= 0.45時，LNT催化器在臺架試驗相比數(shù)值仿真模擬的時間結(jié)果滯后約5～62,s，出現(xiàn)了較大的時間延遲誤差．另外值得注意的是，這種試驗過程中的時間遲滯在濃燃NOx還原階段的誤差相比稀燃NOx吸附階段的更大．其中稀燃階段的誤差主要是由于隨著x設(shè)定值的增大，每個稀燃階段進入LNT催化器內(nèi)部的氣體的量也隨之增加，其中隨排氣進入LNT催化器的CO2和H2O(水蒸氣)在其內(nèi)部與NOx形成吸附位競爭使得部分吸附位失活[13]，從而影響到了其內(nèi)部的NOx吸附速率并最終導(dǎo)致試驗測量目標轉(zhuǎn)化率達到再生信號時間的延遲．而對于濃燃階段的誤差主要是由于隨著x設(shè)定值的增加，濃燃階段需要脫附并被還原的NOx量及失活吸附位數(shù)量也隨之增加，從而使得再生階段LNT催化器內(nèi)部所需還原劑量增大，并且還原失活吸附位所需的時間損耗增大，最終導(dǎo)致臺架試驗測量目標還原率達到下一循環(huán)吸附信號時間的延遲．其中稀燃階段只包含NOx吸附過程，而濃燃階段同時包括NOx脫附和還原過程，濃燃階段這種相對于稀燃階段所要求的更復(fù)雜的反應(yīng)過程、更快的反應(yīng)速率和更強的反應(yīng)強度是導(dǎo)致臺架試驗相比數(shù)值仿真模擬在濃燃階段相比稀燃階段時間延遲更大的主要因素．另外，x過大時，由于化學(xué)實驗臺對于NOx吸附還原過程中某些可逆反應(yīng)的正逆反應(yīng)強度的測量存在很大難度，也是導(dǎo)致臺架試驗值和數(shù)值模擬仿真值出現(xiàn)時間延遲的另一主要原因．

另進行100組循環(huán)對比，圖11為x小于0.75時，LNT催化器臺架試驗相比數(shù)值模型仿真出現(xiàn)的時間延遲范圍．

圖11 試驗與數(shù)值模型仿真之間的時間延遲范圍Fig.11Time delay scope between experimental data and numerical simulation results

由圖11可知，當x＜0.65時該數(shù)值模型對LNT催化器臺架工作過程進行仿真計算效果較好，時間延遲為4,s以下，x=0.65是用該數(shù)值模型仿真實際LNT催化器內(nèi)部NOx吸附、脫附和再生等工作過程的極限條件．由于目前工程應(yīng)用的常規(guī)LNT催化器再生信號比值為0.6以下，該數(shù)值仿真模型基本滿足臺架試驗所需的LNT工作特性分析．對于應(yīng)用概率極小的再生信號比值為0.65～1的區(qū)間內(nèi)，達到此再生信號時LNT催化器內(nèi)部存在的可以與NOx形成吸附位競爭的氣體的量及相關(guān)競爭反應(yīng)強度足以干擾數(shù)值模型的穩(wěn)定性及準確性．其中對于穩(wěn)定性的提升，可以考慮引入發(fā)動機循環(huán)波動MAP圖對該數(shù)值模型加以修正．對于準確性的提升，可以考慮用化學(xué)實驗臺測量大量LNT催化器內(nèi)部與NOx存在吸附位競爭的相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建MAP圖作為輔助的數(shù)值仿真模型修正．

4 結(jié) 語

通過對現(xiàn)有NOx吸附、脫附和再生數(shù)值模型進行整合，應(yīng)用Matlab中simulink模塊搭建稀燃汽油機LNT催化器子系統(tǒng)模塊，并使其參與完整的稀燃汽油機數(shù)值仿真模型運行．通過與稀燃汽油機LNT催化器臺架試驗數(shù)據(jù)進行對比分析發(fā)現(xiàn)：與只包含吸附過程的稀燃階段相比，包含脫附和再生過程的濃燃階段是影響完整循環(huán)運行時間遲滯現(xiàn)象的主要因素．導(dǎo)致稀燃階段時間遲滯的原因主要是排氣中存在與NOx競爭吸附位的氣體，從而使部分吸附位存在失活的現(xiàn)象，并降低了NOx的吸附速率．導(dǎo)致濃燃階段時間遲滯的原因主要是還原劑再生失活吸附位所需的量和時間的損耗．該模型在x值為0.65以下時，可以很好地作為真實LNT催化器內(nèi)部NOx吸附、脫附和再生工作過程的數(shù)值仿真模型．對于常規(guī)LNT催化器再生信號比值為0.6以下的工程應(yīng)用中，該模型具有較高的實用性．

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Simulink-Based Simulations of LNT System of Lean Burn Gasoline Engine

Liu Lei1，Li Zhijun1，Yue Dongpeng2，Zhang Hongyang1，Chang Qing1，Ma Xiaoqiang3，Lin Manqun3
(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Automotive and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；3. Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

A dynamic numerical simulation model of lean NOxtrap(LNT)was constructed to calculate NOxrelated chemical reactions with Simulink block of Matlab as the main simulation tool. Using this model，the dynamic numerical simulations were applied to analyze NOxadsorption，desorption，regeneration and related work process in the lean-burn gasoline LNT catalytic converter. The ratio of upper limitation of NOxstorage to maximum NOxstorage capability of LNT was set as the regeneration signal，theoretical regeneration signal being 1，and the regeneration signal of engineering applications was generally smaller than 0.6. Compared with the data from lean-burn gasoline engine test bench，the simulation results show that the numerical model predictions are in good agreement with the engine test bench data when the regeneration signal is set less than 0.65. However，in the minority case of the regeneration signal being set smaller than 1 but larger than 0.65，the numerical model needs to be revised by chemical kinetics data.

Simulink；lean-burn；lean NOxtrap(LNT)；NOx

TK411.5

A

0493-2137(2013)11-0963-06

DOI 10.11784/tdxb20131103

2013-04-27；

2013-05-20.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2008AA06Z322)；國家自然科學(xué)基金資助項目(50276042，50776062，

51276128)；天津市自然科學(xué)基金重點資助項目(11JCZDJC23200).

劉 磊（1987— ），男，博士研究生，liulei2010@tju.edu.cn.

馬小強，maxqzhl@tju.edu.cn.

時間：2013-06-07.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20130607.1015.001.html.