建模和模拟先进催化剂减少Non-Road车辆排放

全球监管机构执行越来越严格的排放要求,拖拉机、挖掘机、和其他non-road,柴油动力机械。帮助满足这些需求,制造商使用复杂的后处理系统,包括催化剂专门为non-road车辆。设计这些系统使用物理原型既昂贵又耗时不仅因为所有的零件需要制造,还因为每个催化剂必须长时间操作,或者至少人为代表这一时期岁才能被评估。车辆或机器必须满足使用寿命结束的减排目标,这是在立法中定义为3000至10000小时的运行,根据发动机功率和应用程序。在实验室加速老化方法可以减少所需的时间,说200小时,这仍是一个相当大的一段时间。

在约翰逊,我们使用MATLAB^®和仿真软万博1manbetx件^®之前确定最有前途的设计原型。我们已经开发出一个完整的后处理系统模型在MATLAB仿真软件,优化模型的个人催化剂组件。万博1manbetx

在MATLAB和Simulink仿真使我们理解复杂的万博1manbetx交互发生在催化剂,进行敏感性分析看哪些参数对输出有最大的影响,并根据结果设计权衡。通过模拟仿真软件模型对各种驱动周期,万博1manbetx我们可以快速和廉价地评估多种设计选项。我们也使用模型来系统地检查配置和参数范围内寻找最优设计。因此,我们需要更少的后处理系统原型。

Non-Road催化剂设计挑战

催化剂用于发动机在各种应用程序中,包括发电机,客车,和矿业、农业和建筑设备。而催化剂的基本原则设计跨应用程序保持一致,优化催化剂设计non-road车辆介绍了独特的挑战。

催化剂non-road汽车生产规模小得多的数字比乘用车的催化剂,这意味着建筑更少的原型开发成本降到最低。此外,客运车辆催化剂(图1)可以为一个特定的设计和优化工具,这意味着设计的许多方面,包括催化剂的距离从发动机,大大提前。这不是non-road引擎。

一个显而易见的解决方案所面临的挑战是模拟。然而,模拟催化剂non-road车辆提出了自己的困难。不同于固定counterparts-including引擎的备用电源generators-engines non-road车辆有一个广泛的操作条件。拖拉机拉犁,例如,可以耕作字段或仅仅驾驶。模拟必须考虑流量的变化,温度的变化和其他瞬态保持精度在各种条件下催化剂将运作。

在MATLAB建模催化剂组件

满足排放法规,一个完整的后处理系统对柴油机必须去除一氧化碳,未反应的碳氢化合物、氮氧化物(NO_X)和颗粒物。Johnson Matthey结果,一个完整的后处理系统由柴油机氧化催化剂(DOC),柴油微粒过滤器(DPF),氨选择性催化还原(NH₃SCR催化剂),氨催化剂(ASC)(图2)。

我们为每个组件创建了MATLAB模型。模型捕获相关的物理过程和动力学的复杂组合。物理过程包括气体流动以及传热传质内的催化剂。动力学描述化学反应的速度,和展示如何根据温度和气体成分变化。

我们开始开发一种催化剂模型描述系统的物理方程,包括能量和质量平衡的气体和固体(催化剂)阶段,连同方程描述这些阶段之间的热量和质量输运。然后我们运行实验在实验室里,使我们能够准确地衡量催化剂的输出同时精确控制输入参数和催化剂。例如,我们测量一氧化碳转化为各种气体混合物作为温度的函数(图3)。

优化模型的准确性,我们满足我们的速率方程的参数测量数据利用遗传算法求解全局优化工具箱。构建原型催化剂的组件后,我们验证模型的输出与测量取自实际组件,必要时和调整模型。

每个MATLAB组件实现为一个功能块模型库中(图4)。除了催化剂组件模型,图书馆包括排气管道的热损失模型、双皮肤管,热损失模型和一万博1manbetx个提要。提要块提供气体流量、温度、和其他输入模型后处理系统模型基于驱动循环使用的监管机构,包括Non-Road瞬态循环(NRTC)。万博1manbetx我们获得的数据提要通过捕获引擎尾气数据块从一个真正的柴油机驱动周期执行。

模拟完成后处理系统

我们快速的组装模型完成后处理系统从催化剂库块(图5),这只需要几分钟,远比需要更少的时间建立真正的系统。我们可以配置任何块通过设置它的长度,直径,初始温度、初始烟尘加载(一个过滤器模型),贵金属负载等参数。

我们运行模拟仿真软件评价的有效性对于任何给定万博1manbetx的各种系统配置和参数驱动循环。我们可以检查中间输出链中的任何时候。例如,我们可能情节模拟一氧化碳和碳氢化合物总量(THC)第一阶段排放和比较的结果与实测数据来验证阶段模型(图6)。

在某些情况下,我们的客户的设计需求是灵活的例子,他们可以提高进气温度的催化剂通过移动靠近引擎或通过改变发动机的标定。评价设计方案,我们运行多个模拟驾驶循环,改变进气温度为每个模拟,并将结果图(图7)。客户可以做出明智的决定,将催化剂。通常,我们用MATLAB自动化多个模拟运行脚本,以编程方式调整为每个运行仿真软件模型中的关键参数,启动模拟,并捕获结果进行分析。万博1manbetx

验证的中间结果是有用的,但我们最感兴趣的是输出的尾气,这为模型如图5所示的输出是ASC。通过仿真,我们测量累积有限公司THC,没有_X排放,以及北半球₃滑,尾气后处理系统的整体有效性评估(图8)。

当我们建立一个原型,比较其测量输出和模拟输出来验证模型。我们可以使用模型和模拟调整在投入生产之前的原型。

为什么我们选择MATLAB /自定义流程建模包

使用MATLAB和Simulink之前模型催化剂万博1manbetx,Johnson Matthey工程师尝试使用一个商业软件包开发定制的流程模型。的模型,我们开发了这个包没有足够灵活来处理场景中我们经常遇到。解决,例如,通常是足够的稳态条件和恒定的温度,但不能处理的瞬态特性输入处理,包括温度变化范围和气体混合物进入催化剂。这个包,我们不能改变源代码,让它更准确或克服仿真不收敛等问题。

用MATLAB,相比之下,我们写自己的方程和算法,给我们完全控制整个模型。我们知道如何运用模型,而且可以很容易地识别模型输出之间的任何差异的来源和测量数据从一个真正的催化剂。在仿真软件系统级集成组件的能力模型和基于时间的模拟运行节省时间和成本。万博1manbetx的另一个优点在MATLAB和Simulink开发自己的系统,我们可以捕捉到组织知识和技能积累Johnson Matthey万博1manbetx由工程师而不是依靠另一个公司的放之四海而皆准的解决方案。