基于可控热管的汽车尾气温度控制研究.docx

中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会csice2014-036*基于可控热管的汽车尾气温度控制研究江吉兵，李顶根湖北省武汉市华中科技大学能源与动力工程学院 430074摘要：scr反应器催化剂活性受温度影响较大。为了使催化剂长期处于良好的活性状态以提高nox转换效率，提出基于反馈式可变热导热管技术（简称可控热管）控制尾气温度，利用回收的热量加热排气管壁，实现中高工况尾气温度稳定在 最佳温度。分析可控热管的性能和瞬态特性，并利用matlab/simulink建立可控热管温度控制模型，采用模糊自适应控 制运用etc部分瞬态工况对模型加以验证。研究结果表明：可控热管的控制能力和瞬态特性可以满足汽车尾气温度控制 的要求，而且在中高工况尾气温度能够控制稳态误差在10，scr系统nox 平均转换效率可达 88%。关键词：scr 反应器；nox 转换效率；可控热管；模糊自适应；温度控制；*作者简介：江吉兵(1990-),男,硕士研究生,研究方向:汽车后处理系统优化与能源效率e-mail：241中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会csice2014-036scr系统因具有良好的燃油经济性和耐硫性，成为我国国iv阶段主要的技术路线。从国iv到国v 阶段，要求降低 43%的nox 排放，这需要进一步优 化升级scr系统1。scr系统优化主要从催化剂性能、尿素喷射控 制策略、喷雾的蒸发分解混合、沉积物等这些方 面着手。温度越高，催化剂对氨气的储存能力下 降，形成的活化中心减少，nox 转换效率在 350 以上基本无上升趋势，而且温度过高催化剂会出 现烧结和高温老化现象，因此会有所下降2。温 度越低，不利于尿素分解，分解过程的副反应增 多，容易出现喷射碰壁现象，而且实际scr系统喷 射尿素水溶液的喷嘴下游排气管壁温度远低于排 气温度，这样更有利于沉积物的形成3。此外温 度变化率也是重要影响因素。在 270以上升温速 率对尿素分解的速率影响很大，使得催化剂表面 浓度无法精确测量，这对控制尿素喷射量带来困 难3。对此提出基于反馈式可控热管技术控制尾 气温度，优化改善scr系统，实现国v及更高排放 标准。1 温度控制装置美国ford公司，navistar公司以及清华大学都对 scr系统尿素沉积物进行实验研究，研究结果表 明尾气在 300以下会产生沉积物，但随温度上升 会缓慢蒸发分解，当温度达到 350以后基本无沉 积物453。研究空速对scr系统的影响，表一为 试验发动机的基本参数,结果表明在低温时对表 1 发动机基本参数图 1 基于可控热管技术优化 scr 系统示意图胀或者冷缩，有效冷却面积发生变化，维持热管 温度不变，实现恒温控制。可控热管下游装有温 度传感器反馈温度信号到控制器，通过调节不凝 结气体储存室上顶盖移动量来改变冷凝段的气塞， 实现温度闭环控制。2 反馈式可控热管理论分析2.1 控制性能分析 研究反馈式可控热管需要建立合适的理论模型， 在此融合平面交界面和扩散交界面理论进行分析。 如图 2 所示为单管理论模型及闭环控制简图。假 设条件如下：（1）管内蒸汽传热处于稳定状态（2）冷凝段气体与蒸汽混合物遵循理想气体方程（3）热管内压力分布均匀（4）冷凝段不凝结气体与蒸汽交界面为扩散界面（5）交界面质量扩散遵循费克定律根据 1976 年s.w.chi推导的可控热管控制性能表 达式 可知可控热管对于热流量和热汇温度的变 动响应要比普通热管快很多，主要因为不凝结气 体使得可控热管有效换热面积得到改变，提高了 管内温度的响应速率，改善了控制性能。6nox 转换效率影响比较明显，随着温度升高影响逐渐减弱。如图 1 所示为试验发动机基于可控热管 技术优化 scr 系统的示意图。可控热管通过冷凝 段不凝结气体来实现尾气温度的控制。冷凝段蒸 汽遇冷凝结回流到蒸发段，而气体是不凝结的， 因此气体停留逐渐形成气塞。当蒸发段热流量发 生变化时，就会使得管内蒸汽压力变化，导致气 塞膨242缸 数6额定功率191kw缸径*冲程110*135mm额定转速2300r/min排 量7.7l压缩比17.5:1最大扭矩1000 nm进气方式增压中冷中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会csice2014-036的变化响应很快。tmintmax工作温度范围300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900图 3 蒸汽流量变化率与液体温度的关系图蒸汽在冷凝段液化释放潜热，而释放的速率 直接受凝结时液滴的成核率和成长率。根据hill 运用经典成核理论推导的液滴成核率公式知8：图 2 单管理论模型及闭环控制简图2.2 瞬态特性分析反馈式可控热管的瞬态特性取决于两个因素：1 热管内蒸汽的质量流量变化率，当管外热流量 变化时蒸汽质量流量变化率越大，响应越快。2 蒸汽在冷凝段的液化释放潜热率，液化凝结率 越大气塞长度改变率越小，这样动态响应就越好。由克劳修斯-克拉贝隆理论可知当管外热流量 发生变化时，物质温度也会发生变化，压力将按 一定函数关系随之变化7，由于vv vl 故dp = l dp = l dn = ( pg )2 mu f 2s*exp(- dg(r )dtktnp mktg0g式中dg(r* )是成核半径为r*的吉布斯自由能2sufp = p exp(2su m / r* rt ) p (1+)gfp r*ug因此可知液滴成核率随着 pg / p 的微小增大而迅速增长。 pg 和 p 分别代表液面为曲面和平面 时的蒸汽压力。当热管蒸发段温度上升时，由上 述 pg 表达式可知，管内曲面蒸汽压力 pg 会比平面 蒸汽压力 p 上升的幅值更大，这样促进了液滴成 核率，为热管的高速传热提供了前提。dt(vv -vl )tsatdtvvtsat式中 l 是蒸汽潜热，vv,vl 是蒸汽和液体比体积，管内工质液体每秒蒸发的质量流量7：p r2 (p - p )m，= v l v v2p rgtl当蒸发段管外热流量发生变化 dq 时，管内工质液体温度会发生 dt 的变化，压力也会发生相应变化：p r2 (p - p )lm，(t ) =dp =dt vvtlvlvv l2p rgtlp r2(p - p )m，(t ) = k令k =vlv图 4 蒸汽分子凝结过程传热示意图oswatitsch提出的液滴成长率公式，mccormick和 baer提出的液滴成长率受通过液滴的传热量控制， 表达式如下 ：v l2p rgtlkl - 1 k (p - p )dm，(t )v2lv8 v l = v ( t )3dtlldr3p3r=() (t - t )，令m = kl - 1 k (p - p ) dmv (tl ) =mgdt8i rt mlvv2dt(t )3fg fgvll1/ 2 dpm如图 3 所示为蒸汽流量变化率与液体温度的关系，由于热管的控制温度在中温区，所以可知反馈式 可控热管的蒸汽流量变化率很大，可见对热流量q = l fg2p rtdt243中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会csice2014-036式中 lfg 是蒸汽的相变潜热， m 是蒸汽分子的质量。不凝结气体的存在使得 dp / dt 随温度增加 而增加并非常量，故传热量逐渐增大。如图 4 所 示随着温度的升高，液滴的成核率得到促进，这 为蒸汽分子的凝结提供了更多的核心，核心处液 相分子累积数量逐渐增多，液滴成长越快。3 温度控制模型3.1 反馈式可控热管数学模型反馈式可控热管数学模型属于两相流问题， 两相之间涉及到传质，如图 5 所示为简化两相流 通道微元体模型。d ln cgpv 3 2p，g = n= p r2= m = ar d, ggv,lvfvmudxavd 2 ln cdm，p r2 p p r2 p g v dx= ar d2p r t v v = v v dx22p r t g lg l分界面以上动量守恒方程如下：由于直接计算压降很复杂在此运用半径雷诺数7= rvur rv rermv根据此试验发动机温度控制的单位长度换热量：dq = cvmdt= 3（0 w /cm）dznle由半径雷诺数和单位长度换热量关系如图 6 所示，根据cotter和busse理论公式7：，dpg= 8mvmv 1+ 3 re -re 2 dpg= 32mvmv11，rrrer =10dzpr r 4pr r 44270dzv vv v1000100csrbk10bqna,ti,pb,biag图 5 两相流通道微元体模型li绝热流动问题，hawthorne,cohen等处理过其在相变中的应用9，在他们的基础上进一步推导，运 用气体动力学由连续性条件可知交界面处：dp1010010000= 8m( pv - pl )图 6 半径雷诺数与单位长度换热量关系图（y 为交界面轴向距离）z =ydzr 2p rgtlt(muz )cv + ( muz - muz ) =交界面以上质量守恒方程如下：inletoutlet(m )d z +(m u )d ztkzk k( aa r ) +( aa r u ) = gtk kzk k kk式中a k 是相 k 的空隙率， rk 是相 k 的密度，a 是相变模型通道的横截面积，uk 是相 k 的平均速 度，gk 是相 k 单位长度的质量增加量，稳态时则 有：2p fz = - aakzkw kw z kk kk zd z -t p d +t p d -1aak rk g sinqd z +uk gk对于气液两相分界面有质量守恒，因此对于稳态 的两相流动的动量守恒方程如下：dwg = 0 gdw= -fdz kdzt gf pgf+ug gg =t fg pfg +u f g fk( ar u ) = g ,( ar u ) = gzg gg zf ff在蒸发段 gk = 0 ，而在冷凝段由于相变才有传质， 蒸汽质量变化量 gg =每秒凝结的分子总质量 gfp-(gp1+f ) -tp - g(r + r ) =(r u 2 + r u 2 )g gf ffw fwfgzzaz式中为分界面以上动量守恒方程的总表达式。由于汽车的振动对角度影响不大，取 sinq =1，而液 相与气相的截面积只相差吸液芯，吸液芯横截面 积很小，故取 ag = af = a 。能量守恒方程方程如下：244中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会csice2014-0363.3 自适应模糊控制器设计与分析热管工作的环境时刻变化以及外界干扰因素 的影响，使得控制对象特性参数发生改变。自适 应控制运用现代控制理论在线辨识对象特性参数 实时改变控制策略，使得系统的性能指标保持在 最佳范围内。由于控制过程中各种信号量无法定 量表示，所以采用模糊控制整定pid来实现最佳调 整 。如下图 8 所示为自适应模糊控制器结构。tin + toutlec mt - t=2p gas ( inout )0p r h(- tw )dzo2tin + toutlelca2p roh(- tw )dz = 2p roh(t - to )dz20lep r h t - tain + taoutlca2()dz = c mtp air ( aoutain )- to2le由冷凝段管壁能量守恒方程可知：10 d kp (r 2 - r 2 ) dt + q - 2p r h(t - t ) = 0poi1oodxdx，= l dmv = 2p rike (tq- t )1wdxri - rv令a = k p (r2 - r2 )b = 2p ri ke + 2p r h poiori - rvb xb xc = 2p ri ke t-+ 2p r ht t = c e+ c e+ caawoo123ri - rvmrtc+ vr - ar x pv tc图 8 自适应模糊控制器结构图自适应模糊控制器将系统误差和误差变化率 变化范围定义为模糊集上的论域。e, ec = -1, 0,1llca =c - m a (p - p )a(p - p )tcvvc3.2 换热空腔数学模型cvvc s热管蒸发段由于存在换热空腔所以会出现温度中和现象，这对温度波动有很好的消除作用，因此 对于热管温度控制至关重要。如图 7 所示为换热 空腔模型，控制方程如下：其模糊子集为e, ec = n, z, p模糊输出的k ，k 为pipid控制器比例与积分修正参数,e, ec, kp , ki在n , z ,p三个阶段分别服从zmf , trimf , smf 分布。 根据隶属度和各参数模糊控制模型，在线运行时 控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理，查表和运算，完成对 pid 参数的在线自校正。参数关 系式如下，工作流程图如图 9 所示。kp = kp + kpo , ki = ki + kio图 7 热管蒸发段换热空腔模型1rmcdq = h + gc(q -q )dt令gc =oior1q (s) =h (s) +q (s)oircs +1rcs +1式中 m 是换热空腔气体质量， c 是气体比热容，q i,q o 分别进出口温度，g 是通过空腔的气体质量 流量， c 是热容量， h 是换热空腔热管稳态热增 量。如下是换热空腔温度控制方框图。图 9 模糊自适应整定 pid 流程图245中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会csice2014-0364 温度控制模型验证与分析运用 etc 部分瞬态工况对可控热管温度控制效 果进行验证，结果如图 10，11 所示：可控热管在 识别尾气温度首次达到设定温度时由于热管工质 需要预热所以导致温度控制有一定的延迟，这样 被控尾气温度会有一定的俯冲。预热完成之后则 对温度的响应很快，调整时间在 4s 以内就能实现 稳定误差控制在10。主要由两个因素决定：1 可控热管的高速传热为温度控制提供前提。2 换热空腔的温度中和效应，消弱了瞬态工况温 度波动的幅度，为可控热管的温度控制提供了有 利的条件。不仅降低了控制温度波动的峰值，而 且将低温工况向后推迟几秒，低温工况在原有的 持续时间上会有所减短。这对于scr系统反应器而 言是有利的，因为温度升高会提高催化剂的活性。制比较好，动态性能很好。试验发动机的尾气温度控制在 350左右，在这里之所以取 350为设 定温度是因为 350对于发动机而言不仅是沉积 物消除的关键点，同时也是 scr 系统 nox 高效率 转换点。对于不同的发动机最佳温度会有所不同， 但消除沉积物的最低温度是 350，所以设定温度 一般会高于 350。在这里瞬态工况温度控制结果 在10，这对于催化剂的活性几乎影响很小。 为了展示温度控制的效果，在此建立了试验发动 机基于模型的 scr 系统控制模型，如下图 13 所示 为发动机在裸机，未安装可控热管以及安装可控 热管 scr 下游的 nox 分布图。裸机，未安装可控 热管 scr 下游 nox 分布已得到试验验证。由此发 现安装可控热管之后 nox 含量有了明显下降，在 原有 scr 系统的基础上进一下降低了 58%的 nox 含量，60050550405003045020400103500300-10250-20200-30150-400100200300400500600700800900时间/s-5 00100200300400500600700时间/s800900图 10 etc 部分瞬态工况验证可控热管入口温度分布图 12 瞬态温度控制误差分布图4001600裸机nox排放350未 安装1400120030010002508006002004002001500100200300400500600700800900时间/s00100200300400500600700时间/s800900图 11etc 部分瞬态工况验证可控热管出口温度分布瞬态工况温度的波动性和发动机实际工作状况相符。在这里 etc 部分循环工况取的是城市道路和 乡村道路工况，如果取的是高速道路工况，那么 温度波动就会很小，控制效果会更好。如下图 12 所示为温度控制误差图。从误差分布图可以发现 温度控制误差基本控制在10，而且大部分点 都分布在5以内，这说明可控热管对温度的控图 13 发动机尾气中 nox 含量分布图这足以满足国 v 及更高排放标准。这也说明了 scr 系统对温度的敏感性很强。从控制效果来看，温 度控制大大改善了 scr 系统 nox 转换效率。如图 14 所以为安装可控热管后 scr 系统 nox 转换效率 瞬态分布图，可以发现 nox 平均转换效率大概在 88%左右，而且近一半转换效率达到 90%，这与当246温度/温度/nox误差/ppm中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会csice2014-036前的研究是一致的。温度变化率不仅影响了尿素的蒸忽略了尾气从尿素喷嘴到催化剂反应这段路程的热量损失，这为反应提供了适宜的温度条件。反 馈式可控热管实现了良好的温度控制，改善了沉 积物，优化了 scr 系统 nox 转换效率。5 总结反馈式可控热管基于高速相变实现高效率传热达 到控制汽车尾气温度，实现了微尺度传热和汽车 工程应用的结合。应用平面交界面和扩散交界面 模型并基于气体运动论知识从理论角度分析可控 热管的瞬态特性突破了过去只有试验研究传热特 性。最后建立可控热管模型首次实现了热管传热 与 matlab/simulink 软件平台的结合分析，为今 后的试验研究提供了理论基础。结果表明反馈式 可控热管可以满足汽车尾气温度控制的要求，调 整时间在 4s 以内实现控制稳态误差低于 10，温 度控制瞬态特性良好，更小的温度波动对于 scr 系统催化剂的活性影响很小，实现在原有的 scr 系统上进一步降低 nox 含量，满足了国 v 以及更 高的排放法规。scr 系统的性能不仅得到很好的改 善，而且简化了尿素喷射控制策略，遏制了沉积 物的形成，实现节能减排。30252015105084-8686-8888-90nox90-9292-94转换效率/%94-100图 14 安装可控热管后 scr 系统 nox 转换效率分布图发雾化分解，而且催化剂在温度不断波动的情况 下无法精确测量表面氨气浓度，所以给尿素喷射 量的精确计算带来很大困难。要提高 nox 转换效 率尿素溶液充分水解热解是前提，催化剂表面的 氨气覆盖率精确计算是重要保证，催化剂高活性 性能稳定可以从本质上改善效率。在这里由于利 用可控热管来回