王鵬　趙治國(guó)（.同濟(jì)大學(xué)，上海20804；2.麥格納斯太爾汽車(chē)技術(shù)上海有限公司，上海20807）

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汽油機(jī)催化器溫度模型及其驗(yàn)證

王鵬1，2趙治國(guó)1
（1.同濟(jì)大學(xué)，上海201804；2.麥格納斯太爾汽車(chē)技術(shù)上海有限公司，上海201807）

【摘要】建立汽油機(jī)排氣溫度模型、催化器氧化-還原反應(yīng)模型、催化器載體-排氣對(duì)流模型和催化器外壁散熱模型，進(jìn)而整合為汽油機(jī)催化器溫度模型，計(jì)算催化器載體處換熱量，進(jìn)而得到催化器載體溫度；運(yùn)用模型和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)典型穩(wěn)態(tài)工況并將催化器模型預(yù)估所得溫度與實(shí)測(cè)催化器溫度進(jìn)行比較，對(duì)比驗(yàn)證催化器溫度模型的有效性。結(jié)果表明，該模型的預(yù)估溫度誤差在工程允許范圍內(nèi)，可以用來(lái)預(yù)估汽油機(jī)催化器溫度。

1　前言

排氣系統(tǒng)中重要的機(jī)外凈化裝置三效催化轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱催化器）起燃溫度為300～350℃，正常工作溫度為400～800℃［1］，其工作時(shí)內(nèi)部氧化還原反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，但當(dāng)溫度超過(guò)1 000℃時(shí)，其內(nèi)涂層貴金屬脫落，致使載體燒結(jié)壞死［2］，故必須控制造成溫度升高的各種因素。當(dāng)催化器溫度超溫時(shí)，可激活相應(yīng)策略以降低催化器溫度從而保護(hù)催化器。此外，在變速器控制的起步、換擋控制策略中以及在車(chē)載診斷技術(shù)（OBD）中的催化器診斷策略也需要將催化器溫度做為初始條件輸入。所以，對(duì)催化器溫度進(jìn)行模擬就顯得尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)、外已有很多專家學(xué)者對(duì)排氣系統(tǒng)的換熱現(xiàn)象和溫度模型進(jìn)行了研究。萊里亞理工學(xué)院的Santos H和里斯本技術(shù)大學(xué)的Costa M在研究汽油機(jī)排放控制過(guò)程中，對(duì)催化器的熱交換現(xiàn)象作了詳細(xì)分析［3］。清華大學(xué)的李進(jìn)、歐陽(yáng)明高對(duì)電控汽油機(jī)的排氣溫度影響因素進(jìn)行分析并采用模型與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法對(duì)排氣溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)估算［4］。同濟(jì)大學(xué)的王帥等人在此基礎(chǔ)上將影響排氣溫度的各個(gè)因素整合到模型中，通過(guò)標(biāo)定手段對(duì)排氣溫度模型進(jìn)行修正［5］。

本文以排氣系統(tǒng)中裝有兩級(jí)催化器的某4缸進(jìn)氣道噴射自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，采用模型與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，建立催化器溫度模型，分析影響催化器溫度的各種因素。

2　催化器溫度影響因素分析

催化器溫度反映了催化器載體的能量，而催化器載體的能量主要來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣與催化器載體之間的熱傳遞、催化器內(nèi)的氧化-還原反應(yīng)放熱以及催化器與外界的熱傳遞。

影響廢氣能量的因素：

a.發(fā)動(dòng)機(jī)工況的影響。轉(zhuǎn)速和負(fù)荷是影響工質(zhì)不變的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量的主要因素［4］。隨著轉(zhuǎn)速或負(fù)荷的增加，單位時(shí)間內(nèi)燃燒的工質(zhì)質(zhì)量增加，工質(zhì)燃燒的放熱量也增加，而氣缸壁及排氣歧管在高速和大負(fù)荷時(shí)散熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工質(zhì)燃燒放熱量，所以高速大負(fù)荷工況下的廢氣能量大、溫度高。

b.混合氣濃度的影響?；旌蠚膺^(guò)濃時(shí)，燃油未完全燃燒，多余的燃油對(duì)排氣歧管及催化器起冷卻作用，會(huì)造成排氣溫度下降；而混合氣過(guò)稀時(shí)，排氣歧管到催化器都處于“富氧”狀態(tài)，氧氣充分參與燃燒使得排氣溫度上升。

c.點(diǎn)火提前角的影響。目前大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)采用扭矩鏈的控制模式，通常通過(guò)控制點(diǎn)火提前角來(lái)控制點(diǎn)火效率。而減小點(diǎn)火提前角會(huì)造成混合氣后燃，排氣溫度升高。

d.發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)斷油時(shí)，氣缸內(nèi)不再有工質(zhì)燃燒，熱量由氣缸壁、活塞、進(jìn)排氣門(mén)散失，此時(shí)排氣溫度迅速下降。

催化器中的氧化-還原反應(yīng)放熱量的影響因素：催化器中的氧化-還原反應(yīng)伴隨著放熱，單位時(shí)間內(nèi)參與反應(yīng)的廢氣質(zhì)量越多，放熱量越大；催化器溫度表示其內(nèi)部參與氧化-還原反應(yīng)氣體的活躍程度。因此，該部分放熱量與發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流量及催化器溫度有關(guān)。

催化器載體-廢氣熱交換和催化器殼體散熱的影響因素：催化器內(nèi)部幾何形狀影響其中廢氣的流動(dòng)，而催化器內(nèi)部的溫度并不是均勻分布，所以在催化器中除進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)放熱外，還存在著催化器載體與廢氣之間的熱交換。催化器外壁與外部空氣之間存在溫差，所以同樣存在換熱現(xiàn)象。這兩種換熱與發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣量、催化器表面散熱面積、催化器殼體外部空氣溫度及流量有關(guān)。由于催化器外空氣的流量與車(chē)速相關(guān)，所以車(chē)速也是影響催化器散熱的一個(gè)因素。

3　催化器溫度模型

3.1催化器溫度計(jì)算原理

該催化器溫度模型主要由排氣溫度模型和熱交換模型組成，其中排氣溫度模型用以估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣從排氣歧管到催化器中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)前的溫度變化，熱交換模型用來(lái)模擬催化器中的氧化-還原反應(yīng)放熱、載體-廢氣換熱及催化器外壁的換熱。該模型模擬的排氣溫度和催化器溫度為排氣歧管的中心溫度和催化器中心溫度。

排氣溫度模型首先利用統(tǒng)計(jì)的方法得到以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷為輸入的基本排氣溫度，并根據(jù)過(guò)量空氣系數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火效率（對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角）和發(fā)動(dòng)機(jī)是否處于斷油工況進(jìn)行修正。為了消除模型中數(shù)值有突變的情況，引入相應(yīng)濾波系數(shù)進(jìn)行濾波，確保估計(jì)排氣溫度和實(shí)測(cè)溫度相符。

催化器載體上的總吸熱量包括催化器內(nèi)的氧化還原反應(yīng)放熱、催化器中廢氣-載體換熱量、車(chē)輛靜止時(shí)催化器殼體的散熱以及車(chē)輛行駛時(shí)由催化器殼體外部的空氣流量變化造成的催化器散熱，因此熱交換模型依據(jù)熱量來(lái)源分為4個(gè)模型。由于催化器載體的比熱容一定，載體溫度變化量△T與載體吸熱量成正比，通過(guò)該溫度變化量和催化器初始溫度即可得到當(dāng)前催化器溫度。催化器溫度計(jì)算流程如圖1所示。

圖1　催化器溫度計(jì)算流程

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣量模型

進(jìn)氣道噴射自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)空氣和燃油氣體混合后進(jìn)入氣缸參與燃燒，做功放熱并產(chǎn)生廢氣排出氣缸。根據(jù)質(zhì)量守恒定律得：

發(fā)動(dòng)機(jī)在高速、大負(fù)荷及急加速工況下會(huì)有混合氣加濃現(xiàn)象，過(guò)量空氣系數(shù)λ不為1。

聯(lián)立式（1）、式（2）得到：

依據(jù)式（3）建立起廢氣量和進(jìn)氣量之間的聯(lián)系。在MATLAB中建立發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣量流量模型如圖2所示。

由于進(jìn)氣量可以通過(guò)空氣流量傳感器直接測(cè)得或通過(guò)進(jìn)氣壓力-溫度傳感器用“速度-密度”法計(jì)算得到，所以模型中的廢氣量流量可以得出。

3.3排氣溫度模型

不同工況點(diǎn)下發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排氣溫度可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)得，并可建立一張以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷為輸入的二維MAP圖得到基礎(chǔ)排氣溫度（未經(jīng)修正的原始排氣溫度）。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)排氣溫度會(huì)受混合氣加濃和點(diǎn)火效率變化的影響，如在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定工作時(shí)對(duì)于高速大負(fù)荷工況為保護(hù)催化器溫度不超溫，一般采取加濃混合氣的方式；而在怠速時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)控制的“扭矩儲(chǔ)備”策略，點(diǎn)火效率并不是最高。因此，在基礎(chǔ)排氣溫度上加入由過(guò)量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角影響的修正值得到靜態(tài)排氣溫度。

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣量質(zhì)量流量模型

式中，TEXHnofil為修正后的靜態(tài)排氣溫度；TEXHbase為根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況查表得到的基礎(chǔ)排氣溫度；TEXHlamcorr為空燃比對(duì)排氣溫度的修正值；TEXHsacorr為點(diǎn)火提前角對(duì)排氣溫度的修正值。

可以分別建立一維Vector表格存儲(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)、點(diǎn)火提前角與2種溫度修正值TEXHlamcorr、TEXHsacorr的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)標(biāo)定手段確定表格數(shù)值。

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)排氣溫度變化是一個(gè)漸變的過(guò)程，而模型中通過(guò)二維MAP圖輸出基礎(chǔ)排氣溫度做插值可能造成輸出值有突變。而且在斷油運(yùn)行工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度下降速度要比正常運(yùn)行工況快很多，在模型中需要分別設(shè)定兩組濾波系數(shù)分別控制正常運(yùn)行狀態(tài)和斷油狀態(tài)下的排氣溫度輸出值。

綜合上述因素的影響，在MATLAB中建立發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度模型如圖3所示。

3.4催化器氧化-還原反應(yīng)放熱模型

發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中CO、CxHy、NOx等有害氣體在催化器中發(fā)生氧化-還原反應(yīng)并放熱。發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中參與化學(xué)反應(yīng)的氣體成分如表1所列［6］。

圖3　排氣溫度模型

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中參與反應(yīng)的氣體成分

催化器中發(fā)生的反應(yīng)［3、6～8］如下。

氧化反應(yīng)：

化學(xué)反應(yīng)速率為：

其中，

式中，ki為反應(yīng)速率常數(shù)，k1=65.5，k2=200，k3= 3.98，k4=47 900；Ki為反應(yīng)吸收平衡常數(shù)；ΔHai為反應(yīng)焓，ΔHa1=-7 990 kJ/kg，ΔHa2=-3 000 kJ/kg，ΔHa3= -96 534 kJ/kg，ΔHa4=31 036 kJ/kg；Ai為反應(yīng)的指數(shù)前因子，A1=1.34×1018/s，A2=6.9×1018/s；Ea2為反應(yīng)活化能，Ea1=84 000 J/mol，Ea2=94 000 J/mol；CCO、分別為CO、C3H7、NO、O2的氣相平均濃度；Ts為參與反應(yīng)的氣體溫度；Rg為空氣氣體常數(shù)。

還原反應(yīng)：

化學(xué)反應(yīng)速率為：

其中，

式中，k′1=400，k′2=200，k′3=3.98，k′4=47 900；ΔHa1= -7 990 kJ/kg，ΔHa2=-3 990 kJ/kg，ΔHa3=-96 534 kJ/kg，ΔHa4=31 036 kJ/kg；A3=1.18×1019/s；Ea3=90 000J/mol。

催化器中參與反應(yīng)的氣體質(zhì)量（發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣質(zhì)量）決定了放熱量的多少；而參與反應(yīng)的氣體溫度決定了氧化-還原反應(yīng)的速率。在該催化器氧化-還原放熱模型中忽略催化器載體和廢氣之間的溫差，用催化器載體溫度代替參與氧化-還原反應(yīng)的廢氣溫度。以催化器載體溫度和廢氣質(zhì)量流量為輸入，建立催化器氧化-還原反應(yīng)放熱模型如圖4所示。

圖4　催化器氧化-還原反應(yīng)放熱模型

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)混合氣濃度會(huì)有加濃或減稀的情況，這會(huì)造成燃燒過(guò)后的廢氣成分與以過(guò)量空氣系數(shù)為1時(shí)燃燒的廢氣成分不同，所以該模型需要增加一個(gè)以過(guò)量空氣系數(shù)和廢氣量為輸入的二維MAP圖作為修正項(xiàng)。

3.5催化器載體-廢氣對(duì)流換熱模型及催化器外壁散熱模型

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)催化器內(nèi)廢氣流經(jīng)載體表面產(chǎn)生熱量傳遞，而催化器外壁與空氣也存在自然對(duì)流，期間的熱量傳遞為對(duì)流換熱［9］。催化器內(nèi)的溫度梯度和導(dǎo)熱系數(shù)是影響對(duì)流換熱熱量的主要因素。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦公式，分別列出載體-廢氣對(duì)流換熱熱量及外壁散熱量：

式中，hi（i=1，2）為載體與廢氣之間、催化器外壁與外界空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)；Texh為廢氣溫度；Tcat為催化器載體溫度；Tamb為催化器壁面外空氣溫度。

Texh由前面的排氣溫度模型得到，Tamb由另外的空氣溫度模型得到。分別建立載體-廢氣對(duì)流換熱模型及催化器外壁散熱模型如圖5和圖6所示。

圖5　催化器載體-廢氣對(duì)流放熱模型

圖6　催化器外壁散熱模型

3.6車(chē)速修正項(xiàng)

車(chē)輛在行駛時(shí)催化器殼體空氣流量與車(chē)輛靜止時(shí)不同。發(fā)動(dòng)機(jī)布置有普通布置與反置式布置型式，布置型式的差異使得車(chē)輛在行駛時(shí)空氣流動(dòng)對(duì)催化器的散熱能力不同。為此，根據(jù)前面的對(duì)流換熱原理增加一個(gè)根據(jù)車(chē)速修正散熱的模塊。

3.7催化器載體熱量-溫度計(jì)算模型

綜合催化器中的氧化-還原反應(yīng)放熱、載體-廢氣的對(duì)流換熱、催化器外壁-外界空氣對(duì)流換熱假設(shè)等因素，且假設(shè)理想狀態(tài)下催化器中載體處的熱量交換和載體溫度均勻分布，催化器載體所吸收的熱量與催化器載體溫度之間的關(guān)系為：

式中，Qmonolith為催化器載體總吸熱量；Qgenerate為催化器氧化-還原反應(yīng)放熱；Qmonolithexhaust為催化器載體-廢氣對(duì)流換熱熱量；Qcatalystshellair為車(chē)輛靜止時(shí)催化器外壁散熱量；QVehcorr為車(chē)輛行駛時(shí)催化器外壁散熱量修正；Cp為催化器載體比熱容；m為催化器載體質(zhì)量；Δt為催化器吸熱時(shí)溫度變化量。

建立催化器載體熱量-溫度計(jì)算模型如圖7所示。

將各個(gè)模型整合即可得到以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、進(jìn)氣量、車(chē)速、過(guò)量空氣系數(shù)、點(diǎn)火提前角及外界空氣溫度為輸入，以催化器載體溫度為輸出的催化器溫度模型。

圖7　催化器載體熱量-溫度計(jì)算模型

4　催化器溫度模型驗(yàn)證及標(biāo)定

4.1熱電偶安裝位置

催化器溫度模型主要是對(duì)前級(jí)催化器的模擬，在模型驗(yàn)證及后期標(biāo)定過(guò)程中都需要在樣機(jī)上加裝熱電偶。根據(jù)模擬溫度點(diǎn)以及檢測(cè)需要，在各缸排氣歧管、排氣歧管總管（近氧傳感器位置）、前級(jí)催化器中心位置安裝熱電偶。選取各缸排氣歧管處作為檢測(cè)位置是為了消除在開(kāi)發(fā)過(guò)程中由于某個(gè)缸工作不正?；蛘呤Щ鹪斐蓪?duì)排氣溫度模型的干擾。具體安裝位置如圖8所示。

圖8　熱電偶安裝位置

4.2催化器溫度模型驗(yàn)證

4.2.1模型框架驗(yàn)證

將模型集成到發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)軟件中，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上以500 r/min為一個(gè)轉(zhuǎn)速斷點(diǎn)運(yùn)行2 000～4 500 r/min中小負(fù)荷以及大負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)工況，并記錄模型計(jì)算的催化器溫度值和實(shí)測(cè)催化器溫度值。兩者對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9　典型工況下模型預(yù)估溫度與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比結(jié)果

由圖9可以看出，典型穩(wěn)態(tài)工況下的模型預(yù)測(cè)溫度與實(shí)測(cè)溫度相差不大。在低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷時(shí)預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)的催化器溫度較低；隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷升高，預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)的催化器溫度升高；隨著工況變化，模型預(yù)測(cè)溫度與實(shí)測(cè)溫度變化趨勢(shì)一致，且模型預(yù)測(cè)溫度略高于實(shí)測(cè)溫度。這說(shuō)明該溫度模型可以正確反映發(fā)動(dòng)機(jī)催化器溫度變化的物理過(guò)程。由于該模型中的基礎(chǔ)排氣溫度初始值為另一樣機(jī)的基礎(chǔ)排氣溫度實(shí)測(cè)值，在模型中運(yùn)算得出的模型溫度和該樣機(jī)實(shí)測(cè)溫度之間會(huì)存在差距，可以通過(guò)后期標(biāo)定工作來(lái)減小這種差距，從而提高模型精度。

4.2.2模型參數(shù)標(biāo)定

由于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)，不僅在穩(wěn)態(tài)工況下運(yùn)行，也會(huì)在瞬態(tài)工況下運(yùn)行。這就需要通過(guò)標(biāo)定手段對(duì)催化器溫度模型進(jìn)行優(yōu)化，使其在更廣闊的范圍內(nèi)反映真實(shí)催化器溫度，增強(qiáng)準(zhǔn)確性。

4.2.2.1排氣溫度模型的標(biāo)定

催化器溫度模型的基礎(chǔ)是排氣溫度模型。而排氣溫度模型的標(biāo)定分為在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種工況進(jìn)行，穩(wěn)態(tài)下的基礎(chǔ)排氣溫度MAP圖由在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架運(yùn)行不同工況測(cè)得樣機(jī)排氣歧管熱電偶溫度而得到。由于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和整車(chē)上的散熱情況不同，該基礎(chǔ)排氣溫度MAP圖還需要在整車(chē)上進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證后的基礎(chǔ)排氣溫度MAP圖如圖10所示。

圖10　整車(chē)驗(yàn)證后的基礎(chǔ)排氣溫度MAP圖

由圖10可以看出，樣機(jī)在低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)排氣溫度為550℃，在高速大負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)排氣溫度為900℃。通過(guò)將ECU調(diào)節(jié)至可編寫(xiě)狀態(tài)，分別主動(dòng)改變過(guò)量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角并觀察排氣溫度變化情況，將所得排氣溫度變化寫(xiě)入模型中相關(guān)一維Vector表格如圖11所示。

圖11　過(guò)量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角變化對(duì)排氣溫度的修正

由圖11可以看出，當(dāng)樣機(jī)混合氣有10%加濃時(shí)，排氣溫度下降約40℃；混合氣有20%加濃時(shí)，排氣溫度下降約70℃。當(dāng)樣機(jī)點(diǎn)火提前角減小3°時(shí)，點(diǎn)火效率下降10%，排氣溫度上升約30℃；點(diǎn)火提前角減小8°時(shí)，點(diǎn)火效率下降15%，排氣溫度上升約70℃。

瞬態(tài)下的排氣溫度標(biāo)定以穩(wěn)態(tài)工況溫度為基礎(chǔ)，在整車(chē)環(huán)境中分別掛空擋及各擋位做全踩油門(mén)、全松油門(mén)，修改相關(guān)濾波系數(shù)使得計(jì)算的排氣模型溫度接近于實(shí)測(cè)溫度。

圖12　未經(jīng)修正和經(jīng)過(guò)濾波修正的瞬態(tài)模型溫度與實(shí)測(cè)溫度差值對(duì)比

由圖12可以看出，在瞬態(tài)工況下未使用濾波修正時(shí)，模型排氣溫度與實(shí)測(cè)排氣溫度相差較大，且兩曲線跟隨形態(tài)較差；而經(jīng)過(guò)濾波修正后的模型排氣溫度與實(shí)測(cè)排氣溫度差值和曲線跟隨形態(tài)都有所改善。

4.2.2.2催化器溫度模型的標(biāo)定及模型驗(yàn)證

催化器溫度模型標(biāo)定通過(guò)對(duì)4個(gè)換熱模型的參數(shù)標(biāo)定來(lái)實(shí)現(xiàn)。在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)上調(diào)整車(chē)速和擋位使得發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到相應(yīng)工況，對(duì)比穩(wěn)態(tài)下模型計(jì)算溫度和催化器熱電偶實(shí)測(cè)溫度。根據(jù)當(dāng)前工況的廢氣量、過(guò)量空氣系數(shù)，通過(guò)修改相關(guān)MAP使得計(jì)算溫度略高于實(shí)測(cè)溫度且差值在50℃以內(nèi)。由于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)布置類型、催化器外表面積、催化器隔熱罩的位置存在差異，可以考慮修改催化器外壁散熱模型和車(chē)速修正項(xiàng)的相關(guān)MAP圖。

模型參數(shù)標(biāo)定完成以后，需要在整車(chē)上運(yùn)行不同轉(zhuǎn)速、擋位進(jìn)行模型驗(yàn)證。高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況點(diǎn)的催化器溫度較高，當(dāng)溫度超過(guò)一定限值時(shí)需要啟動(dòng)加濃保護(hù)策略即通過(guò)加濃混合氣濃度來(lái)降低催化器溫度。這種情況下如果催化器模型溫度預(yù)測(cè)過(guò)高會(huì)造成系統(tǒng)在不需要開(kāi)啟加濃情況下開(kāi)啟加濃，將造成日常行駛油耗偏高和排放較高；如果催化器模型溫度預(yù)測(cè)過(guò)低則會(huì)有燒壞催化器的風(fēng)險(xiǎn)。所以高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況則是整車(chē)驗(yàn)證的重點(diǎn)工況。典型變工況下的催化器模型溫度與實(shí)測(cè)溫度曲線如圖13所示。

圖13　變工況下的催化器溫度模型驗(yàn)證

在不同擋位下分別做全踩油門(mén)與全松油門(mén)，并在不同工況點(diǎn)之間做切換。由圖13可以看出，經(jīng)過(guò)標(biāo)定優(yōu)化后的催化器溫度模型預(yù)測(cè)溫度始終跟隨實(shí)測(cè)溫度且兩者差值保證在一定范圍內(nèi)。因此，經(jīng)過(guò)標(biāo)定優(yōu)化后的模型溫度能夠準(zhǔn)確反映催化器的實(shí)際溫度。

5　結(jié)束語(yǔ)

首先建立汽油機(jī)催化器溫度模型，以發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度為基礎(chǔ)，通過(guò)建立催化器內(nèi)氧化-還原反應(yīng)放熱模型、催化器載體-廢氣對(duì)流換熱模型、催化器外壁換熱模型，最終得到催化器載體處的換熱量，以估算催化器載體溫度。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上運(yùn)行穩(wěn)態(tài)工況對(duì)該模型參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，在整車(chē)上對(duì)瞬態(tài)工況進(jìn)行標(biāo)定并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，模型預(yù)測(cè)溫度誤差在工程允許范圍內(nèi)，其可用來(lái)預(yù)估汽油機(jī)催化器溫度。

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（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年12月10日。

主題詞：汽油機(jī)催化器溫度模型排氣溫度

Temperature Model and Validation of Catalyst for Gasoline Engine

Wang Peng1，2，Zhao Zhiguo1
（1.TongJi University，Shanghai 201804；2.Magna Steyr Automotive Technology，Shanghai Co.，Ltd.，Shanghai 201807）

【Abstract】Firstly gasoline engine exhaust temperature model，catalyst oxidation-reduction reaction model，catalyst carrier-exhaust gas convection model and catalyst shell heat dissipation model are built，which are then integrated to a gasoline engine catalyst temperature model，to calculate heat transfer in a catalytic converter carrier，then get the catalytic converter carrier temperature；And then use model and mathematical statistical method to compare the catalyst model estimated temperature and measured catalyst temperature by running typical stable working conditions on engine bench，compare and validate effectiveness of the catalyst temperature model.The results indicate that the estimated model temperature error is within the allowable range，and can be used to estimate gasoline engine catalyst temperature.

Key words:Gasoline engine，Catalyst temperature model，Exhaust gas temperature

中圖分類號(hào)：U464.134.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）05-0015-06