优化柴油乘用车的氧化催化剂来提高排放的鲁棒性外文翻译资料

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优化柴油乘用车的氧化催化剂来提高排放的鲁棒性

摘要

在汽车制造上，排放标准已经对生产水平造成了挑战。氧化催化剂在控制柴油机的排放上发挥着重要的作用，汽车制造商趋向于充分设计氧化催化反应装置来吸收各种排放物，这看起来是一种很容易和快速有效的措施，然而采取这种措施增加了用于氧化催化剂的成本，从而会增加汽车制造的成本。

这篇文章的主要目的是解决在柴油机乘用车的开发中被关注到的排气管多变的一氧化碳排放，这种变化对不断满足内部产品需求或规格造成了挑战。本文循序渐进的在废气排量、发动机性能方面进行了讨论，在所给一氧化碳排放标准下进行的虚拟排放的模拟得出了一个快速和实惠的措施，在优化氧化催化剂时引用了六西格玛设计这个方法论，Taguchi（日本人名）设计了实验和多参数的优化。

为了量化排放的变化，发动机和排气管中的排放将会在相同硬件和标准下在各种研发的发动机下进行测试。这发展出用一个参数图来进一步分析所有的控制参数、输出参数、噪音和错误状态。控制参数的最优值通过氧化催化剂的优化设计来减少氧化催化反应系统的成本，其他的性能指标使用多参数优化的方法。

氧化催化反应系统的优化设计能减少14%的一氧化碳排放，当与被用在开发时的基础设计相比能提高约14%的基于噪声比的鲁棒性，蒙特卡洛模拟预测出当与基础设计相比能减少87%的排放量，在成本上会增加23%。

前言

保证好的空气质量对保护人类的健康是必不可少的，世界各国的政府部门已经不断的采取一些措施来防止空气污染，其中有一部分特别关注在机动车的排放上，像这样的要求在产品排放要求一致性上也被称为COP（生产的一致性），COP保证了生产的汽车能满足规定的排放标准，不满足排放标准的汽车不允许销售或生产。

在印度，在特定的城市中目前的排放法规是BS IV，其他城市是BS III。氧化催化剂在满足排放标准上扮演者一个至关重要的角色，氧化催化剂促进了好几种排放气体的氧化，例如一氧化碳、碳氢化合物和有机柴油微粒。

在排放法规里，一氧化碳的排放是被严格控制的，在排气管里多变的一氧化碳排放并不是用来描述保证性能系数的鲁棒性的，在汽车上可能会有多种硬件可能导致这些排放变化。此项研究关注于理解在控制一氧化碳上优化氧化催化剂的有效性。为了满足排放中的多变性，在2L排量柴油机的研发中进行了排放实验。一个关于氧化催化剂的动力学模型在满足排放的条件下建立起来了，一个设计实验使用了这种模拟模型，氧化催化剂的最优情况被选择在变化的尾气排放中最小的时候。

表1.项目方法

排放的概述

在印度，目前的排放法规遵循欧洲的排放法规标准，称为BS Ⅳ标准；但只有循环速度测试、等效质量测试上相当于欧四标准。同样的，在印度商业柴油的含硫量范围是350-50PPM。作为参考燃料，在排放测试中这不是一个主要的问题，这与在欧四的水平下具有非常相似的硫含量。图1展示了在印度对于不同重量机动车的BSⅢ和BSⅣ的排放限制。被认证机构使用的行驶排放测试循环和欧四的相似，除了最高速度限制在90千米每小时之外。

图1.[5]印度的排放标准

本项目的概述

在汽车研发的过程中观察到排气管中一氧化碳的排放量高于预期值，这种程度的变化贯穿在出厂车辆中会在满足内部产品规格或发动机目标上增加挑战。在图2中B的趋势是目前的测试结果，而A是在理想的情况下的趋势。这份工作关注在研究有氧化催化剂情况下不同控制因数对排放的影响，然后根据Taguchi（日本人名）试验设计的方法对氧化催化反应装置进行了优化。一系列的仿真实验用来完成对输入量的有意变化，用有组织的系统变化来观察引起输出的变化。这个项目的目标是达到氧化催化反应装置的优化，达到每百万中的缺陷率会小于等于300，所有的测试结果符合内部标准的99.97%。为了使这个项目更容易进行，一个动力学模型被开发用来对设置参数进行虚拟测试，一个用能量守恒和质量守恒定律的氧化催化剂的虚拟模型被建立起来。表1是这个团队执行这个项目的方法，表格显示了在每一个分类和它的传递中的高级的分类及活动参与。

图2.[6]稳定设计

假设

1.从样本车辆获得的排放结果在很多客观的情况下代表了成品。

2.在专题分析时忽略发动机和车辆的水平参数对排放的影响，项目仅仅关注氧化催化剂，因此只要考虑发动机机外排放和氧化催化剂的特定因素。

3.传递函数（能量守恒和质量守恒）需要用来建立在基于标准的GT power模型的动力学模型上，然而传递函数是依靠成品车辆的排放结果来校准的。

4.氧化催化剂的径向参数的变化在动力学模型中不予考虑，因为动力学模型仅仅当作是一维的。

5.在动力学模型中的化学反应被假设成为全局的反应，不考虑元素的反应。

6.噪声的因素将会被人为的加入进模拟仿真运行中，这通过在切实可行的限制中随机的改变实现（例如排气温度的变化）。

7.空燃比中氧气浓度用化学计量的相关性估计，因此在系统中没有传感器。

8.排放传感器和质量流量传感器之间的延迟测量通过手动来调整。

引擎外测试结果

在多种研发的车辆上进行了装配有和不装配氧化催化反应装置的排放测试，这个项目是为了了解在引擎外早期校准时一氧化碳排放的变化。图3的曲线图展示了引擎机外一氧化碳从三测试到二测试中不同成品汽车的排放走势，二氧化碳和三氧化碳是从同一个引擎排放出的。

在这些测试结果中，一段连续大约0.4千米每克的排放量在机外排放中被测量到。相似的，在引擎上装有氧化催化剂的排气管排放量也被测量，这些数据会用来作为动力学模型的校准参考。

图3.机外排放趋势-一氧化碳排放

P图表

Taguchi（日本人名）运用的鲁棒性通常在三个阶段完成:系统的设计、参数的设计、公差的设计。在这项工作中，关注点在选择氧化催化剂的参数设计上，使它达到：优化反馈(最低的一氧化碳排放) 、反馈的变化最小（更稳定）。对输出的关键贡献是使用P图表。

图4.P图表

信号与输出

发动机的机外排放气体或者是未经处理的排气组成了氧化催化反应系统的输入端，这在Taguchi（日本人名）的试验设计中被定义为信号变量。上面的模型被当作动态的模型，因为这个信号与输出有直接联系，经过氧化催化的处理气体被称为输出或反馈。

控制参数

在一个实验中的控制参数是可以控制在一个变量内的，在这项工作中，铂族金属、体积和单元的密度是全部可以控制的参数，可以设置为不同的值来对排气管的排放进行研究。

噪声

噪声是变量，通常导致排放中内部的变化，因此是不可控制的。

错误的状态

当设计实验中用不同的参数时，会有一个检查来保证变化一个参数能提高一定的特性并不会对系统产生不利影响。

实验设计

校准Taguchi（日本人名）模型

Taguchi（日本人名）模型是建立在GT power上来分析的，完全的氧化催化反应被认为是伴随着碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物伴随碳氢化合物存储的氧化反应，碳氢化合物和氮氧化物的氧化反应也包括在内。异构反应是解决瞬时入口的条件，下游的排放物（一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、微粒等）会被预测出，这在氧化催化剂截面一维模型里是不考虑的。

在图5中是输入、边界条件和输出的解决方案。

图5.输入和边界条件的解决

输入

·氧化催化剂装置的长度、直径、体积密度、壁厚和铂族金属。

·基质的属性

边界条件

·质量流量和进入的废气温度

·一氧化碳、碳氢化合物、氧气、氮氧化物在入口处的浓度

·入口处的二氧化碳浓度、水含量

·环境温度和热损失

输出

·一氧化碳、碳氢化合物、氧气、氮氧化物在出口处的浓度

·沿着氧化催化反应装置的温度升高趋势

·背压

为了考虑径向不均匀的影响，运用了一个假设的二维模型来分析。这个假设的二维模型考虑了在每个不均匀流体通道中与不同的质量流量率平行并联的一维环路。热量的损失也算在这个通道的边缘上，调节的方程在附录中。

从物理实验（有和没有氧化催化剂）中得到的数据会用来校准这个动力学模型。

这个模型提供了在多馈入系统中的输出、一氧化碳浓度随时间的变化，这结果用标准方程式装换成了百公里油耗，在法规里面也是这样规定的。这个目标不是用实际的测试结果来匹配模拟的一氧化碳排放量，但建立的模型非常符合一氧化碳的趋势。根据这些数据，四组不同的实验会被用来校准这个模型和验证输入条件的正确性。

设计实验矩阵

在前面部分指定的P图表将影响车辆排放的氧化催化剂的内部和外部因素全部都考虑在内。对这些因素会根据他们对排气管排放和制造工艺的影响来分析，根据这个分析，在这个课题中，三个控制因素（程序的加载、单元密度和体积）和两个噪声因素（排气温度和流场均匀性）被认为是“内部范围”。

进一步分析“内部范围“的每个控制因素和噪声因素来定义他们不同的级别设置，氧化催化剂的体积被设置成三个因素：2L、2.6L和3L。因为基于包装的限制，最大的体积会被限制在3L。单位密度用每平方英寸来表示，用三个级别即300、350和400来衡量。在表2中展示了铂族金属的加载被设置成6个阶段，铂族金属的加载用克每立方英寸来衡量，涂层的长度(空间涂层)在每个级别上是多种多样的。

排气温度和流体的均匀性相结合形成单一的噪声系数，众所周知，排气温度和不均匀的流体流过氧化催化转化装置会恶化一氧化碳的排放，逆向时的结论也是正确的，因此关于这个噪声因素的低或高等级被选定出来研究。

表3.Taguchi（日本人名）设计实验中控制参数和噪声信号

表3是Taguchi（日本人名）设计实验中的输入参数，从装配有氧化催化剂的多馈入直流系统中测得的排气温度被当作平均温度。在这篇文章的进一步阐述中，低温和低均匀性指数被称作N1(高噪声)及高温和高均匀性指数被称作N2(低噪声)。

根据表3，一个全阶实验会导致324次尝试（6¹times;3¹times;3¹times;3times;2）。根据Taguchi（日本人名）的方法，实验的次数会很大程度的降低，这个减少是通过混淆关于高阶交互控制因数的主要影响因数达到的。Minitab软件提供了前期开发的Taguchi（日本人名）阵列，表4描述了L18的混合正交矩阵，这8个实验在Taguchi（日本人名）的术语中被称作直交表。

表4.Taguchi（日本人名）的排列

这将意味着这个实验要执行的次数会是18乘3的信号因子乘2的噪声因子，总共会有108次实验。如果物理实验被执行，这意味着在花费和资源上将会有益。

表5.氧化催化剂参数

表5展示了直交表（控制因素）中用到的图例说明。

铂族金属的加载，单位密度和体积在以后将会被分别称为L1到L6、C1到C3和V1到V3。L1-C3-V2被认为是最原始的结构，铂和钯的比率通过6个控制因素是相同的。

结果

仿真的输出和Taguchi（日本人名）设计实验的分析

基于在表4中展示的最后的设计实验的矩阵，会有108次的1D动力学模型仿真,接下来的输出结果会获得：

·一氧化碳的浓度随时间的变化（会被转换成千米每克）

·用千帕表示的背压

图6.散布图（输入对比输出）

图6展示了在三个不同的输入信号下的一氧化碳平均排放，黑色代表在高噪声下获得的排放量，红色代表在低噪声下的排放量。

观察图6得到

·输出与输入的比例不同

·在高信号的噪声的组合下，排放可能会突破上限，突破规格的点是从基准试验设计加载中得来的。观察得出高的输入

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