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汽油机三效催化转换器动态特性及其控制策略研究

何玲  
【摘要】:为了满足日益严格的排放法规,三效催化转换器与相匹配的电控系统相结合是汽油机降低排气中有害气体HC、CO和NO的重要手段。由于三效催化转换器的窗口特性,发动机需采用λ闭环控制策略,仅允许混合气在λ=1很小范围内波动。而在瞬态工况,三效催化转换器对排气的转化效果变差。 三效催化转换器由于在活性层中添加了Ce元素,当催化转换器入口为稀混合气时,则吸附多余的氧气,若催化转换器入口为浓混合气,则将吸附的氧气脱附。为了利用三效催化转换器Ce表面存储和释放氧气的特性,在瞬态工况降低HC、CO和NO排放,本文对三效催化转换器动态特性及实现有效控制三效催化转换器的控制策略进行了研究。 由于三效催化转换器内部反应机理复杂,通过试验研究无法测量其贵金属、Ce等催化剂表面反应过程及物质浓度分布。根据质量守恒和能量守恒方程,结合化学反应动力学反应机理,建立了三效催化转换器模型。利用该模型可求解三效催化转换器在入口HC、CO和NO浓度阶跃变化时,三效催化转换器内部不同位置处,有害气体HC、CO和NO的气相浓度,贵金属及Ce表面吸附物及碳化物的浓度分布。分析了Ce表面氧气覆盖率影响HC、CO和NO排放的机理。 本文三效催化转换器控制策略的研究是以发动机和催化转换器模型为基础建立的。由于发动机处于瞬态工作,空气流量计测量的空气量与进入气缸的空气质量流量不一致,文中利用平均值模型准确估计了发动机在瞬态工况下的缸内进气量。为了降低瞬态工况下因油膜效应引起的发动机过量空气系数的波动对研究三效催化转换器动态特性的影响,建立了油膜补偿模型,并利用最小二乘法估计了发动机油膜效应的油膜蒸发时间常数τf和进气道燃油沉积率X。 由于基于反应动力学的三效催化转换器模型太过复杂,求解速度无法满足车载控制单元对实时性的要求,本文建立了面向控制的三效催化转换器模型。在三效催化转换器模型达到起燃温度后,Ce表面氧气覆盖率对有害气体HC、CO和NO的排放起到决定作用。首先,利用数字滤波去除传感器采集的三效催化转换器入口、出口过量空气系数的噪声干扰,通过滤波后的数据辨识三效催化转换器模型参数氧存储能力和Ce表面氧气转换率,三效催化转换器模型可求解传感器无法采集的氧气覆盖率。利用三效催化转换器的反应动力学模型验证面向控制的三效催化转换器模型求解的Ce表面氧气覆盖率,并将不同排气质量流量下,Ce表面氧气转换率制成图表。 以面向控制的三效催化转换器模型求解的Ce表面氧气覆盖率作为反馈信号,Ce表面氧气覆盖度ζ=0.5为目标值,实现了对三效催化转换器Ce表面氧气覆盖率的控制,但由于控制变量过量空气系数波动较大,导致排放的恶化。为了改善排放,应用了现代控制理论算法。以降低排放为目标,利用线性二次型算法优化了发动机在不同的工况下,三效催化转换器Ce表面氧气覆盖率。预测控制算法以此优化值作为系统的控制目标,在有限时域内求解控制变量的最优的轨迹值,并预测未来时域内的被控对象三效催化转换器的Ce表面氧气覆盖率,不断在线滚动优化,实现了氧气覆盖率的有效控制。 为了进一步验证算法,开发了电控系统的软件及硬件。硬件主要由采集信号处理电路,MPC566学习板,控制信号驱动电路组成。利用Freescale CodeWarrior集成高效的IDE开发环境平台,实现了催化转换器闭环控制的软件系统开发,各任务采用模块化设计实现了多任务控制软件的分层设计及软件的移植,有利于程序的升级及调试,增加了软件的通用性。利用的visual C++ 6.0开发了基于高速稳定的串行通信总线CAN总线的标定系统,实现了ECU与上位机之间的实时通信,上层界面友好。利用研华采集卡的差分方法高速实时的采集了发动机转速等信号,完成了油膜模型参数的辨识及三效催化转换器动态特性研究所需数据的采集。利用软件在线修改控制单元中的参数,完成系统的标定,数据的采集和存储。 在催化转换控制器开环下,通过改变发动机喷油脉宽,使过量空气系数以一定周期在浓稀混合气之间阶跃变化,通过台架试验分析了发动机排气质量流量、过量空气系数的阶跃幅值和阶跃周期对三效催化转换器出口过量空气系数、Ce表面氧气吸附率和有害气体HC、CO和NO转换特性的影响。对比了发动机在不同控制策略控制下,对三效催化转换器NO和HC排放及氧气覆盖率的影响。与λ=1的控制策略相比,催化转换器控制器控制下,三效催化转换器的氧气覆盖率有效的控制在目标值附近,发动机NO和HC的排放较低,且氧气覆盖率的值较小,更有利于降低NO的排放。


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