Разработка модели бифункционального нейтрализатора как объекта диагностирования и управления

Содержание
Введение  4
Глава 1. Анализ методов диагностирования бифункционального нейтрализатора отработавших газов ДВС  8
1.1. Бортовое диагностирование бифункционального нейтрализатора по показаниям датчиков кислорода  10
1.1.1. Теоретические предпосылки 10
1.1.2. Диагностирование нейтрализатора по показаниям одного датчика кислорода 12
1.1.3. Диагностирование нейтрализатора по показаниям двух датчиков кислорода 16
1.2. Бортовое диагностирование бифункционального нейтрализатора по температуре 20
1.3. Бортовое диагностирование бифункционального нейтрализатора по показаниям датчиков состава отработавших газов 24
1.4. Итоги главы 25
Глава 2. Математическая модель бифункционального нейтрализатора отработавших газов     .27
2.1. Требования к построению математической модели нейтрализатора как объекта диагностирования и управления 27
2.2. Анализ физико-химических процессов в нейтрализаторе 30
2.3. Уравнения математической модели 32
2.3.1. Уравнения энергетического баланса 35
2.3.2. Уравнения массового баланса 37
2.3.3. Расчет скоростей химических реакций 38
2.3.4. Расчет теплоемкости газовой смеси в зависимости от температуры 43
2.3.5. Расчет теплового эффекта химических реакций в зависимости от температуры 44
2.4. Численное решение дифференциальных уравнений математической модели нейтрализатора 45
2.4.1. Система решений уравнений энергетического баланса 46
2.4.2. Решения уравнений массового баланса 46
2.5. Алгоритм расчета по математической модели каталитического нейтрализатора 47
Глава 3. Идентификация математической модели бифункционального каталитического нейтрализатора по экспериментальным данным 48
3.1. Экспериментальные данные 48
3.2. Исходные данные для расчета   54
3.2.1. Расчет концентраций недостающих компонентов ОГ 55
3.2.2. Расчет концентраций с учетом осушения продуктов сгорания
в газоанализаторе  56
3.2.3. Алгоритм расчета недостающих компонентов ОГ с учетом осушения проб в газоанализаторе 57
3.3. Идентификация кинетических параметров модели 57
Глава 4. Математическая модель работы датчика состава смеси 61
4.1. Математическая модель релейного датчика кислорода (Л-зонда) ...61
4.2. Математическая модель широкодиапазонного датчика состава смеси 64
Глава 5. Применение математической модели для оценки методов диагностирования бифункционального нейтрализатора 71
5.1. Возможность применения математической модели нейтрализатора для оценки методов диагностирования 71
5.2. Исходные данные для моделирования 71
5.3. Оценка методов диагностирования нейтрализатора по показаниям двух Я-зондов 72
5.3.1. Возможности тестового бортового диагностирования нейтрализатора 76
5.3.2. Диагностирование при случайном изменении тестового
сигнала 83
5.4. Применение широкодиапазонного датчика состава смеси для диагностирования нейтрализатора  88
5.5. Анализ возможности диагностирования БН по температуре 92
5.6. Итоги главы  98
Глава 6. Исследование возможности применения математической модели бифункционального нейтрализатора для описания режима прогрева 101
6.1. Исходные данные для моделирования 101
6.2. Результаты расчетов 103
6.2.1. Идентификация теплофизических характеристик нейтрализатора 104
6.2.2. Идентификация кинетических характеристик нейтрализатора .106
6.3. Итоги главы 111
Выводы 112
Литература 115
Приложение 1  120
Приложение 2   134
Приложение 3 140

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.