三效催化转化器高效长寿低排放优化设计理论及方法研究

论文摘要

针对三效催化转化器转化效率低、起燃温度较高、工作寿命较短以及工作过程排放控制效率较低等现实存在的问题,将机理建模、数值模拟、多学科设计优化以及人工智能等理论应用于三效催化转化器的研发以及工作环境优化匹配过程中,以期探索一种更为有效、合理的高效长寿低排放三效催化转化器优化设计理论及方法,使三效催化转化器转化效率高、起燃温度较低、工作寿命较长以及工作过程排放控制效率高等性能,这对于提高汽车三效催化转化器的排放控制水平,探索新的三效催化转化器研发方法和技术都具有重要的理论意义和现实意义。本文以湖南大学“985”二期——汽车先进设计制造技术科技创新平台(动力排放与电控子项目)(教重函[2004]1号)及湖南省科技攻关重点项目“车用三效催化转化器理论方法、关键技术及应用”(湘科计[2002]87号)为依托,以成功研发转化效率高、起燃温度较低、工作寿命较长以及工作过程排放控制效率高的三效催化转化器为目的,采取理论分析与实验研究相结合的方法,创新研究一种高效长寿低排放三效催化转化器优化设计理论及方法,论文的主要工作及创新点如下:(1)建立了包括流动与传热、化学反应等子模型在内的多形状三效催化转化器性能数学模型,提出了用于流动与传热守恒方程组计算的控制容积逐面叠加法以及湍流流动压力场数值解法,以椭圆截面为代表的非圆柱形载体进行数值模拟,并分析了椭圆率、载体长度与载体截面积耦合、载体孔密度与孔壁厚耦合对三效催化转化器性能的影响,为多形状三效催化转化器性能研究提供了坚实的理论基础。(2)基于汽车三效催化转化器中气相和固相(载体表面)的质量平衡和能量平衡原理,建立了包括多基元催化反应机理、催化剂表面覆盖度变化、Ce储放氧的化学反应等子模型的多基元反应的三效催化转化器转化特性数学模型,模拟结果表明,转化效率模拟结果、气体组分分布与催化剂表面覆盖度变化模拟结果、三效催化转化器冷起动模拟结果以及助催化剂的储放氧能力模拟结果均与试验结果相吻合。(3)从烧结速率以及反应速率建立了包含劣化过程的三效催化转化器的劣化特性模型,对三效催化转化器老化特性进行数值仿真,结果表明:在老化过程中,Pt颗粒平均直径迅速增大,而失活因子在老化后迅速减小,催化剂的活性下降最大。在三效催化转化器100000km老化后, HC、CO、NOx三种气体的转化效率都降低20%以上。为此,从催化剂及其分布等方面提出了三效催化转化器的抗劣化措施,为三效催化转化器结构优化和性能改进提供了一定的依据。(4)首次提出了高效长寿三效催化转化器多学科优化设计方法,即以三效催化转化器转化效率、压力损失、质量以及抗热冲击性能为目标函数建立了多学科设计优化模型,系统研究基于多形状、多工况等几何、结构以及状态约束下高效长寿三效催化转化器的整体优化,采用高效长寿三效催化转化器多学科优化设计方法后,结果表明,三效催化转化器转化效率η提高了5.42%,压力损失Δp下降了6.99%,质量M减少了11.68%,位移变形Δε减少了20.91%,整体性能U提高了8.40%。这为高效长寿低污染三效催化转化器的优化设计提供了有力的理论指导。(5)采用最小二乘法和最小二乘支持向量机建立汽油机空气质量流量测量动态模型,基于椭圆齿轮油耗测量传感器测量原理建立了汽油质量流量测量模型,应用小波分析提取或者去除信号中的白噪声,分别采用剔除跳变信号算法及递推平均滤波算法剔除测量信号所出现的跳动性和波动性,并对去噪声处理后数据的进行函数链神经网络拟合,有效地消除采集数据时各种干扰的存在。并针对三效催化转化器工作环境参数信号特点,设计了模糊神经网络控制器和采用串行编程与ODBC技术相结合成功地开发了三效催化转化器工作环境热工状况监测系统,为确保三效催化转化器工作环境优化匹配提供有力的技术支持。汽油机三效催化转化器台架实验结果表明,本文研发的三效催化转化器的起燃温度大约在255℃左右。将三效催化转化器在国家汽车检测中心(襄樊)进行整车匹配后的排放检测实验,结果表明:本文研发的三效催化转化器对三种废气的转化效率均在92%以上,各项性能指标均满足欧IV排放标准限值。汽油机三效催化转化器与整车配套使用结果表明,本文研发的三效催化转化器与整车装车使用寿命长达120000km以上。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 汽车三效催化转化器研制的发展
• 1.1.1 载体的发展
• 1.1.2 催化剂的发展
• 1.2 汽车催化转化器性能研究现状
• 1.2.1 化学反应动力学研究
• 1.2.2 催化器内热质传递研究
• 1.2.3 催化器内气体流动研究
• 1.2.4 催化器瞬态行为研究
• 1.2.5 催化转化器失效研究
• 1.2.6 催化转化器模型研究
• 1.2.7 催化器的设计
• 1.2.8 快速起燃技术和低排放技术
• 1.3 汽车催化器数值模拟研究
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 汽车三效催化转化器老化数值仿真研究
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 汽车催化转化器工作状况检测技术研究
• 1.5.1 检测技术概况
• 1.5.2 检测技术国内研究现状
• 1.5.3 检测技术国外研究现状
• 1.6 课题背景和研究意义
• 1.6.1 课题背景
• 1.6.2 研究意义
• 1.7 本文主要研究内容
• 第2章 汽车三效催化转化器催化反应机理
• 2.1 汽车三效催化转化过程反应动力学
• 2.1.1 化学动力学
• 2.1.2 多相催化动力学
• 2.2 汽车三效催化转化器中的现象分析
• 2.2.1 现象概述
• 2.2.2 热质传递
• 2.2.3 气流分布
• 2.2.4 化学反应及其动力学
• 2.2.5 储放氧
• 2.2.6 催化剂中毒
• 2.3 汽车三效催化转化器转化率及其影响因素
• 2.4 本章小结
• 第3章 多形状三效催化转化器性能仿真
• 3.1 三效催化转化器性能数学模型
• 3.1.1 流动与传热模型
• 3.1.2 化学反应模型
• 3.2 多形状三效催化转化器性能数值模拟
• 3.2.1 流动与传热守恒方程组计算方法
• 3.2.2 湍流流动压力场数值解法
• 3.2.3 几何结构和工况
• 3.3 多形状三效催化转化器性能模拟结果分析
• 3.3.1 流场与压力损失模拟结果分析
• 3.3.2 非圆柱形催化转化器结构影响因素分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 多基元反应的三效催化转化器转化特性
• 4.1 多基元反应的三效催化转化器转化特性数学模型
• 4.1.1 控制方程
• 4.1.2 多基元催化反应机理子模型
• 4.1.3 催化剂表面覆盖度变化子模型
• 4.1.4 Ce 储放氧的化学反应子模型
• 4.2 多基元反应的三效催化转化器转化特性数值模拟
• 4.2.1 转化特性数值解法
• 4.2.2 特性模型求解
• 4.3 多基元反应的三效催化转化器转化特性仿真结果分析
• 4.3.1 废气转化效率数值模拟结果和分析
• 4.3.2 气体组分分布与催化剂表面覆盖度变化仿真分析
• 4.3.3 三效催化转化器冷起动起燃特性分析
• 4.3.4 助催化剂储氧能力分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 三效催化转化器抗老化性能研究
• 5.1 三效催化转化器老化特性数学建模
• 5.1.1 传热传质模型
• 5.1.2 传热传质系数
• 5.2 三效催化转化器老化特性模型
• 5.2.1 反应速率
• 5.2.2 三效催化剂颗粒直径
• 5.2.3 烧结速率
• 5.2.4 老化过程化学反应模型
• 5.2.5 老化过程储放氧反应模型
• 5.3 三效催化转化器老化特性数值计算
• 5.3.1 老化特性数值仿真步骤
• 5.3.2 三效催化转化器老化过程仿真结果与分析
• 5.4 三效催化转化器老化影响因素研究
• 5.4.1 扩张角的影响
• 5.4.2 温度的影响
• 5.5 三效催化转化器抗老化措施
• 5.5.1 催化剂的改进
• 5.5.2 催化剂分布优化
• 5.6 本章小结
• 第6章 高效长寿三效催化转化器多学科设计优化
• 6.1 多学科设计优化技术概述
• 6.1.1 国内外研究现状
• 6.1.2 多学科设计优化的方法与策略
• 6.1.3 多学科设计优化体系研究
• 6.1.4 多学科设计优化技术在工程上的应用
• 6.2 高效长寿三效催化转化器多学科设计优化技术
• 6.2.1 总体思路
• 6.2.2 优化模型
• 6.3 高效长寿三效催化转化器多学科设计优化应用实例
• 6.4 高效长寿三效催化转化器性能实验
• 6.4.1 实验台架
• 6.4.2 冷起动过程的试验研究
• 6.4.3 三效催化剂起燃特性的实验研究
• 6.4.4 三效催化转化器转化效率实验研究
• 6.5 本章小结
• 第7章 三效催化转化器工作环境优化匹配测控技术
• 7.1 汽油机空气质量流量智能测量技术
• 7.1.1 汽油机空气质量流量测量动态模型
• 7.1.2 节气门的流通面积
• 7.1.3 节气门旋转角度支持向量机拟合
• 7.1.4 节气门的流出系数拟合
• 7.1.5 测量精度对比
• 7.2 基于密度补偿的汽油机汽油质量流量测量
• 7.2.1 汽油机汽油体积流量计量模型
• 7.2.2 体积流量的密度补偿
• 7.2.3 汽油机汽油质量流量测量模型
• 7.2.4 汽油机汽油质量流量测量应用实例
• 7.3 三效催化转化器工作环境参数数据采集与处理
• 7.3.1 白噪声分离
• 7.3.2 突变信号分离
• 7.3.3 去噪声处理后数据的函数链神经网络拟合
• 7.3.4 气缸压力测量数据采集与处理应用实例
• 7.4 汽油机空燃比智能控制
• 7.4.1 模糊神经网络控制器设计
• 7.4.2 汽油机空燃比智能控制应用实例
• 7.5 三效催化转化器工作环境监测系统
• 7.5.1 热工状况监测系统
• 7.5.2 热工状况监测实验
• 7.6 三效催化转化器与整车匹配应用
• 7.6.1 三效催化转化器总体性能指标
• 7.6.2 三效催化转化器应用及推广
• 7.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 附录B 攻读博士学位期间所从事课题和所获奖励