автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка модели бифункционального нейтрализатора как объекта диагностирования и управления

Введение

Глава 1. Анализ методов диагностирования бифункционального нейтрализатора отработавших газов ДВС

1.1. Бортовое диагностирование бифункционального нейтрализатора по показаниям датчиков кислорода

1.1.1. Теоретические предпосылки.

1.1.2. Диагностирование нейтрализатора по показаниям одного датчика кислорода.

1.1.3. Диагностирование нейтрализатора по показаниям двух датчиков кислорода.

1.2. Бортовое диагностирование бифункционального нейтрализатора по температуре.

1.3. Бортовое диагностирование бифункционального нейтрализатора по показаниям датчиков состава отработавших газов.

1.4. Итоги главы.

Глава 2. Математическая модель бифункционального нейтрализатора отработавших газов.

2.1. Требования к построению математической модели нейтрализатора как объекта диагностирования и управления.

2.2. Анализ физико-химических процессов в нейтрализаторе.

2.3. Уравнения математической модели.

2.3.1. Уравнения энергетического баланса.

2.3.2. Уравнения массового баланса.

2.3.3. Расчет скоростей химических реакций.

2.3.4. Расчет теплоемкости газовой смеси в зависимости от температуры.

2.3.5. Расчет теплового эффекта химических реакций в зависимости от температуры.

2.4. Численное решение дифференциальных уравнений математической модели нейтрализатора.

2.4.1. Система решений уравнений энергетического баланса.

2.4.2. Решения уравнений массового баланса.

2.5. Алгоритм расчета по математической модели каталитического нейтрализатора.

Глава 3. Идентификация математической модели бифункционального каталитического нейтрализатора по экспериментальным данным.

3.1. Экспериментальные данные.

3.2. Исходные данные для расчета

3.2.1. Расчет концентраций недостающих компонентов ОГ.

3.2.2. Расчет концентраций с учетом осушения продуктов сгорания в газоанализаторе.

3.2.3. Алгоритм расчета недостающих компонентов ОГ с учетом осушения проб в газоанализаторе.

3.3. Идентификация кинетических параметров модели.

Глава 4. Математическая модель работы датчика состава смеси.

4.1. Математическая модель релейного датчика кислорода (Л-зонда)

4.2. Математическая модель широкодиапазонного датчика состава смеси.

Глава 5. Применение математической модели для оценки методов диагностирования бифункционального нейтрализатора.

5.1. Возможность применения математической модели нейтрализатора для оценки методов диагностирования.

5.2. Исходные данные для моделирования.

5.3. Оценка методов диагностирования нейтрализатора по показаниям двух Я-зондов.

5.3.1. Возможности тестового бортового диагностирования нейтрализатора.

5.3.2. Диагностирование при случайном изменении тестового сигнала.

5.4. Применение широкодиапазонного датчика состава смеси для диагностирования нейтрализатора.

5.5. Анализ возможности диагностирования БН по температуре.

5.6. Итоги главы.

Глава 6. Исследование возможности применения математической модели бифункционального нейтрализатора для описания режима прогрева.

6.1. Исходные данные для моделирования.

6.2. Результаты расчетов.

6.2.1. Идентификация теплофизических характеристик нейтрализатора.

6.2.2. Идентификация кинетических характеристик нейтрализатора.

6.3. Итоги главы.

Выводы.

В настоящее время в автомобильной промышленности все большее внимание уделяется разработке систем, улучшающих экологические характеристики двигателя внутреннего сгорания. Главным образом, разработки идут по пути снижения токсичности отработавших газов (ОГ) две.

Бифункциональный нейтрализатор (БН) является наиболее эффективным средством очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. БН способен эффективно работать только в узком диапазоне режимов работы ДВС. В частности, наивысшая эффективность нейтрализатора достигается при стехиометрическом составе смеси. Колебания коэффициента избытка воздуха допускаются в пределах ±2% относительно 1. При этом эффективность не должна быть ниже 80%. Большие отклонения от стехиометрического состава смеси или температурного режима работы БН приводят к значительному снижению эффективности преобразования токсичных веществ. При значительных долговременных отклонениях снижение эффективности становится необратимым. Кроме того, даже при надлежащих условиях эксплуатации трехкомпонентного нейтрализатора происходит снижение его эффективности с течением времени (так называемое старение). В результате, для поддержания высокой эффективности БН в течение всего срока службы необходимы специальные меры.

Наиболее действенным средством поддержания эффективности нейтрализатора является наблюдение за его состоянием в процессе эксплуатации: Эти функции берет на себя система бортового диагностирования автомобиля. В ряде стран бортовое диагностирование нейтрализатора является обязательным, и в случае выхода его из строя эксплуатация автомобиля становится невозможной по экологическим показателям.

Для диагностирования состояния бифункционального нейтрализатора предлагается множество методов и алгоритмов. В ходе изучения патентов по данной проблеме было выделено несколько десятков методов и более 100 алгоритмов проведения оценки эффективности нейтрализатора. Однако методы проведения бортового диагностирования БН еще не реализованы на практике в полной мере. Были предприняты успешные попытки определения состояния нейтрализатора с помощью Х-зондов и по температуре. Но, поскольку, разработка этих методов началась сравнительно недавно, их экспериментальная проверка и отладка еще не принесли нужного Эффекта в виде информативных, однозначных, быстродействующих методик и алгоритмов диагностирования.

Основной задачей данной диссертационной работы является разработка модели бифункционального нейтрализатора как объекта диагностирования и управления.

Актуальность темы. На сегодняшний день предлагается множество методов оценки состояния нейтрализатора. Остро стоит вопрос создания и отработки информативных методов и алгоритмов диагностирования при минимальном числе дополнительных датчиков. Кроме того, необходимо средство для оценки методов диагностирования с точки зрения их эффективности без проведения большого объема натурных испытаний двигателя и нейтрализатора.

С нашей точки зрения, таким средством является математическое моделирование. К тому же, с помощью математического моделирования возможно исследование процессов, проходящих в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе; анализ сигналов диагностических датчиков для создания новых методов диагностирования; предложение новых диагностических датчиков.

Цель работы. Разработать математическую модель бифункционального нейтрализатора как объекта диагностирования и управления. Идентифицировать модель по экспериментальным данным. С помощью математического моделирования проанализировать возможности бортового диагностирования нейтрализатора с использованием различных диагностических датчиков.

Для реализации поставленной задачи предприняты следующие шаги:

• анализ возможных методов бортового диагностирования нейтрализатора;

• изучение физико-химических основ работы бифункционального каталитического нейтрализатора;

• создание математической модели БН с учетом большинства диагностических параметров на полученной теоретической основе;

• идентификация модели по результатам экспериментов;

• создание математических моделей датчиков, пригодных для бортового диагностирования каталитического нейтрализатора;

• анализ методов диагностирования с помощью моделирования с целью поиска оптимальных решений бортового диагностирования БН.

Методы исследования. При разработке математической модели бифункционального нейтрализатора использовались основные законы и уравнения термодинамики, тепломассообмена, газовой динамики, химической кинетики, эмпирические зависимости. Дифференциальные уравнения решались численными методами. Идентификация модели проводилась на тормозном стенде, оборудованном автоматизированными системами управления двигателем, сбора и обработки информации. Объектом идентификации являлся бифункциональный нейтрализатор с керамическим носителем. Идентификационные эксперименты проводились при совместной работе двигателя и нейтрализатора. Математическая модель реализована в виде компьютерной программы на языке Visual Basic. С помощью математической модели исследовались возможности диагностирования БН по показаниям А,-зондов, широкодиапазонных датчиков состава смеси и по температуре газовой смеси и носителя катализатора.

Научная новизна. Разработана математическая диагностическая модель бифункционального нейтрализатора, которая описывает процессы, протекающие в нейтрализаторе и диагностических датчиках. Модель способна воспроизводить показания датчиков, которые могут быть использованы в качестве диагностических параметров.

Разработаны динамические модели релейного датчика содержания кислорода и широкодиапазонного датчика состава смеси. 7

Модель дает возможность анализировать сигналы диагностических датчиков при изменении эффективности нейтрализатора.

Практическая ценность. Использование математической модели бифункционального нейтрализатора при разработке и оценке методов его диагностирования позволяет во многих случаях отказаться от проведения большого объема натурных испытаний. Структура модели позволяет просто перенастраивать ее параметры на модели нейтрализаторов других типов и модификаций.

Предлагаются алгоритмы тестового бортового диагностирования нейтрализатора по сигналам Х-зондов, широкодиапазонных датчиков состава смеси и по температуре.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на Всероссийском научно-техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию ДВС при МГТУ им. Баумана (январь 1996 г.), на Международной научно-технической конференции «Двигатель 97» в МГТУ им. Баумана (1997 г.), на конференциях в МГАДИ(ТУ) (январь 1999 г. и февраль 2000 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы две статьи и тезисы трех докладов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и трех приложений. Общий объем работы -149 страниц, в том числе 43 рисунка и 15 таблиц. Библиография содержит 48 источников.

Выводы

1. Сформулированы требования к диагностической модели бифункционального нейтрализатора ОГ ДВС. Характерной особенностью такой модели является необходимость принятия гипотезы о параметрах, несущих диагностическую информацию о состоянии БН. Анализ существующих патентов по данной проблеме показал, что реальное диагностирование нейтрализатора можно строить на измерении температуры ОГ и показаниях двух датчиков состава смеси или концентрации токсичных компонентов, установленных до и после нейтрализатора.

2. Разработана новая математическая модель нейтрализатора, которая включает также динамические модели диагностических датчиков. Идентификация по экспериментальным данным и проверка по независимым экспериментам подтвердила хорошее качественное и близкое количественное совпадение расчетных и экспериментальных данных. Таким образом, подтверждена возможность применения модели для оценки диагностических параметров.

3. Наиболее информативным является диагностирование с использованием тестового сигнала. Оно позволяет установить не только факт неудовлетворительной работы, но и оценить количественно степень снижения эффективности нейтрализатора. В качестве тестового сигнала может использоваться изменение состава смеси в двигателе по определенному закону.

4. На основании расчетного анализа показано, что сигналы релейных X-зондов однозначно оценивают состояние нейтрализатора. При использовании тестового сигнала диагностирование БН можно осуществлять по фазовому сдвигу сигнала Х-зонда, установленного за нейтрализатором, относительно сигнала Х-зонда, установленного перед нейтрализатором. Характер сигнала второго Я-зонда зависит от степени использования свободного кислорода в окислительных реакциях нейтрализации. Расчетным путем выявлено, что форма тестового сигнала оказывает большое влияние на информативность метода диагностирования.

5. Сравнительный анализ тестового диагностирования с использованием П-образного, треугольного и синусоидального изменения а с различной амплитудой и частотой показал, что использование треугольной и синусоидальной формы тестового сигнала является более приемлемым. При синусоидальном тестовом сигнале изменения а с амплитудой 1-3% относительно стехиометрии и с частотой 1 Гц делают метод диагностирования наиболее информативным. С увеличением частоты и амплитуды тестового сигнала информативность метода снижается.

При учете стохастической работы двигателя внутреннего сгорания наиболее чувствительным диагностическим параметром является разность суммарных длительностей сигналов А-зондов за время проведения тестового цикла. Тестовый цикл в данном случае состоит из нескольких импульсов обеднения и обогащения смеси в двигателе.

6. В случае использования широкодиапазонного датчика состава смеси для диагностирования нейтрализатора наиболее приемлемым является его совместное использование с релейным Х-зондом. Широкодиапазонный ч датчик устанавливается перед нейтрализатором, а Х-зонд после реактора. С помощью широкодиапазонного датчика задается тестовый сигнал а оптимальной формы, например, медленное обеднение или обогащение смеси. Моделирование процесса диагностирования с использованием широкодиапазонного датчика и А,-зонда показало, что диагностическими признаками могут служить фазовые характеристики сигнала Х-зонда. В частности длительность сигнала Х-зонда и время срабатывания Х-зонда от начала тестового сигнала в фазе обеднения смеси.

7. Как показало расчетное исследование, при использовании температуры в качестве диагностического параметра наиболее информативен метод регистрации температуры носителя катализатора в нескольких точках по его длине. При построении метода диагностирования нейтрализатора путем сравнения температуры газов до и после реактора необходимо детально изучить характер старения каталитически активного слоя по длине реактора. В зависимости от этого можно построить различные методы диагностирования.

114

8. Выполненный расчетный анализ подтвердил эффективность использования математического моделирования для выбора и оценки диагностических критериев. При определенной доработке возможно использование модели для исследования диагностирования на переходных режимах работы и при выборе управления двигателем для эффективного преобразования токсичных компонентов ОГ в процессе эксплуатации.

1. Deterioration of Three - Way Automotive Catalysts, Part 1.- Steady State and

2. Transient Emission of Aged Catalyst. Edward Jobson et al. SAE TPS 930937 p. 153-165.

3. Иоффе И.И., Письмен Л.М. Инженерная химия гетерогенного катализа. Л.:1. Химия, 1972.

4. California Air Resources Board , "California's OBD-II Regulation (section 1968.1, Title 13, California Code of Regulation)", 1995

5. Zukünftige Abgasnachbehandlungstechnologien für Otto-Motoren; Die nächste Generation Niedrigstemissionsfahrzeuge, W.Maus, R.Brück, Motor und Umwelt Schadstoffemissionen versus C02, International Kongress Graz, 1999.

6. Электронное управление автомобильными двигателями/ Г. П. Покровский,

7. Е.А. Белов, С.Г. Драгомиров и др.; Под общ. ред. Г.П. Покровского. М.: Машиностроение, 1994. - 336 е.: ил.

8. Development of Air Fuel Ratio Sensor for 1997 Model Year LEV Vehicle.

9. Kazuya Mizusawa, Hidetaka Hayashi, Shinji Hocho. SAE TPS 970843 p. 7587.

10. Морозов К.А. Токсичность автомобильных двигателей: Учебное пособие/1. МАДИ. М„ - 84 с.

11. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения.

12. Способ и устройство для проверки работоспособности каталитических реакторов: Патент № PS 3524592 ФРГ, МКИ4 / Roth Andreas, Lampe Gerhard; Pierburg GmbH. 25.09.86.

13. Способ и устройство для проверки процессов старения катализатора: Заявка № OS 4039762 ФРГ, МКИ5/ Schnaibel Eberhard, Raff Lothar; Robert Bosch GmbH. -17.06.92.

14. Способ контроля работы каталитического нейтрализатора: Патент № 5351484 США, МКИ5/ Orzel Daniel, Zimlich Glenn, Truong Tri; Ford Motor Co. -04.10.94.

15. Метод определения КПД каталитического нейтрализатора: Европейская заявка ЕР 0634576, МКИ6/Achleitner Erwin; Siemens AG. -18.01.95.

16. Диагностирование каталитического нейтрализатора с помощью датчика кислорода, расположенного на выходе нейтрализатора: Патент № 5159810 США, МКИ5/ Ford Motor Co. 03.11.92.

17. Способ обнаружения неисправностей каталитического нейтрализатора отработавших газов: Патент № 5313791 США, МКИ5/ Hamburg Douglas, Cook Jeffrey; Ford Motor Co. 24.05.94.

18. Способ и устройство для контрольной проверки скорости преобразования отработавших газов в каталитическом реакторе выпускной системы: Патент № 5177959 США, МКИ5/ Schnaibel Eberhard, Schneider Erich; Robert Bosch GmbH. 12.01.93.

19. Метод и система контроля эффективности каталитического нейтрализатора автомобильного двигателя: Патент № 5289678 США, МКИ5 / Grutter Peter; Ford Motor Co. 01.03.94.

20. Способ и устройство для контролирования эффективности каталитического преобразователя: Патент № 5390490 США, МКИ5/ Brooks Timothy; Ford Motor Co. 21.02.95.

21. Каталитические нейтрализаторы транспортных двигателей / О. И. Жегалин, H.A. Китросский, В.И. Панчишный и др. М.: Машиностроение, 1979.-80 е., ил.

22. Система обнаружения ухудшения свойств катализатора в каталитическом нейтрализаторе: Патент № 5060473 США, МКИ5/ Toyoaki Nakagawa; Nissan Motor Co. 29.10.91.

23. Определение местоположения реакционной зоны в каталитическом нейтрализаторе: Международная заявка WO 92/10653, МКИ5/ Emitec Gesellschaft fur Emissionstechnologie GmbH. 25.06.92.

24. Способ и устройство для оценки эффективности работы каталитического нейтрализатора: Заявка № OS 4211092 ФРГ, МКИ5/ Robert Bosch GmbH. -07.10.93.

25. Способ определения технического состояния каталитического нейтрализатора: Заявка № OS 4302779 ФРГ, МКИ5/ Pelters Stephan; F. Porsche AG 04.08.94.

26. Deterioration of Three Way Automotive Catalysts, Part I - Steady State and Transient Emission of Aged Catalyst. Edward Jobson et al. SAE TPS 930937 p.153-165.

27. Способ и устройство для проверки катализатора: Заявка № OS 4039429 ФРГ, МКИ5/ Baier Gunar; ABB Patent GmbH. 17.06.92.

28. Метод и устройство для регулирования и диагностики: Патент № 5339627 США, МКИ5/ ABB Patent GmbH.- 23.08.94

29. Система обнаружения износа трехкомпонентного каталитического реактора ДВС: Патент № 5179833 США, МКИ5/ Shigetaka Karoda; Honda Giken Kogyo К. К. -19.01.93.

30. Бортовая диагностика каталитического нейтрализатора системы выпуска с калориметрическим датчиком: Патент № 5444974 США, МКИ5/ General Motors Corp. 29.08.95.

31. Диагностика нейтрализатора, используя датчик углеводородов: Патент № 5177464 США, МКИ5/ Ford Motor Co. 05.01.93.

32. Химмельблау Д. Обнаружение и диагностика неполадок в химических и нефтехимических процессах: Пер. с англ. Л.: Химия, 1983.

33. Матрос Ю.Ш. Нестационарные процессы в каталитических реакторах. -Новосибирск: Наука, 1982.

34. Transient Operation of Monolith Catalytic Converters: a 2-dimensional Reactor Model and the Effects of Radially Nonuniform Flow Distributions I K. Zigourakis, Chemical Engineering Science, Vol.44, #9, pp.2075-2086, 1989.

35. Transient Flow Characteristics Inside the Catalytic Converter of a Firing Gasoline Engine I Fu Quan Zhao, Ling Bai et al. SAE 971014 p. 175-188.

36. Catalysts in cars. K.C.Teylor, Chemtech sept. 1990, Vol.20 #9, p.551-555.

37. Transient Modeling of 3-Way Catalytic Converters / KN.Pattas et al. SAE 940934 pp. 289-302.

38. Kinetic Study of Carbon Monoxide and Propylene Oxidation on Platinum Catalysts / Sterling E. Voltz et al. Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Develop., Vol.12, No.4, 1973.

39. Transients of Monolithic Catalytic Converters: Response to Step Changes in Feedstream Temperature as Related to Controlling Automobile / Se H.Oh and James C.Cavendish / Ind. Eng. Prod. Res. Develop. 1982, 21, 21-37.

40. The A/F Window with Three-Way Catalysts. Kinetic and Surface Investigations / E.Koberstein and G.Wannemacher Catalysis and Automotive Pollution Control, 1987.

41. Попова H.M. Катализаторы очистки выхлопных газов автотранспорта. -Алма-Ата: Наука, 1987.

42. Development and Application Range of Mathematical Models for 3-Way Catalytic Converters / G.C.Koltsakis et al./ Applied Catalysis B: Environmental 12(1997) 161-191.

43. Kinetic modeling of automotive exhaust catalysis/Guy B. Marin, Jozef H.B.J. Hoebink/ CatTech,12,1997.

44. Крылов O.B., Матышак В.А. Промежуточные соединения в гетерогенном катализе. М.: Наука, 1996. - 316 с.

45. Гурвич Л.В., Глушко В.П. Термодинамические свойства индивидуальных веществ.

46. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. К.П.Мищенко -Л.: Химия, 1965-159 с.

47. Справочное пособие по приближенным методам решения задач высшей математики / Л.И. Бородич, А.И.Герасимович, Н.П. Кода и др. Мн.: Высшая школа, 1986 -189 с.

48. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1973, 200 с.

49. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн.1. Теория рабочих процессов: Учеб./Луканин В.Н., Морозов К.А., Хачиян А.С. и др.; Под ред.

50. B.Н.Луканина. М.: Высш.шк., 1995.

51. Experimental Analysis of Zr02 Oxygen Sensor Transient Switching Behavior/

52. C.T.Young/ SAE 810380 p. 29^1.