基于GT-Suite平台的排放后处理系统联合仿真

王春姬　

基于GT-Suite平台的排放后处理系统联合仿真

王春姬

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545000）

为建立发动机原排与整车排放的数学关联模型，文章基于GT-Suite平台提出一种发动机原排与整车排放联合运行的仿真方法。基于GT-Suite平台搭建详细的发动机模型（含Lambda、原排模型）、整车模型以及后处理模型，针对WLTC工况进行经济性和排放的仿真计算，并基于实测数据对模型进行校核，为整车排放部件选型、匹配及优化提供参考和验证。经研究表明该仿真方法可实现整车WLTC工况经济性和排放的仿真计算，油耗仿真结果误差＜3%，排放仿真结果误差＜70%。

排放后处理系统；仿真模型；整车性能仿真

引言

法规对排放要求的提高，导致了整车后处理贵金属的含量不断增加，整车制造成本也大幅提高。为寻求更经济、高效的整车后处理设计方案，本文基于GT-Suite平台，提出一种发动机原排和整车排放的联合运行仿真方法。以WLTC工况时整车经济性和排放的仿真为例，通过整车经济性仿真模型和后处理仿真模型的联合仿真，建立后处理仿真模型，并与整车进行耦合，缩短后处理零部件开发和标定的周期，降低后处理开发成本，实现整车成本的降低。

1 整车性能仿真

本文利用GT-Suite中的各类模块分别搭建发动机、离合器、变速箱、刚性轮胎、半轴、刹车片和车身模型，并模拟路面情况，对行车环境、驾驶员驾车模式、发动机怠速控制以及相关控制信号等进行设置，通过各模块链接后得到整车仿真模型。搭建好整车仿真模型后，设置整车WLTC运行工况参数，仿真计算出油耗结果，后与实测结果校核，仿真模型精度满足3%的要求。

1.1 仿真参数输入

整车性能仿真结合了整车、发动机主要技术参数和变速器换挡策略等部件参数进行联合性能仿真。本文的仿真计算以某品牌七座款MPV和缸内直喷发动机为例。

1.1.1 整车参数

某品牌七座款MPV参数如表1所示。

表1 某品牌七座款MPV参数

1.1.2 发动机参数

某款缸内直喷发动机参数如表2所示。

表2 某款缸内直喷发动机参数

除以上发动机参数外，模型还需输入发动机油耗MAP数据。

1.1.3 变速器参数

变速器挡位及速比如表3所示。

表3 变速器挡位及速比

1.2 整车仿真模型搭建

根据输入的仿真参数，在GT-Suite上搭建好发动机、离合器、变速器、轮胎、离合器、主减速器和车身等模型，同时搭建驾驶员、台速控制、信号控制、环境和路面的仿真模型并进行参数设置。本文以发动机、变速器和驾驶员模型的设置为例。

1.2.1 发动机模型搭建

利用EngineState模块搭建发动机模型，并对发动机排量、最低转速、转动惯量、燃油密度、热值、转速、油门、扭矩Map和油耗Map等参数进行设置。

1.2.2 变速器模型搭建

利用Transmission模块搭建变速器模型，并对初始挡位、输出转速、初始输入/输出扭矩、各挡速比、效率、转动惯量、换挡时间和挡位传动效率进行设置。

1.2.3 驾驶员仿真模型搭建

利用VehDriverAdvanced模块搭建驾驶员仿真模型，并对驾驶模式、目标车速、启动时间、设置启动、换挡策略和换挡中的踏板动作进行设置。

1.2.4 整车仿真模型搭建

搭建完并设置完发动机、变速器和驾驶员等模块参数后，按整车运行逻辑将各个模块连接，输入整车运行的工况后便可得出整车对应工况的平均油耗，本文以WLTC工况为例，对整车油耗进行仿真。

1.3 整车WLTC仿真计算

1.3.1 WLTC工况仿真油耗结果

完成整车模型搭建后，进行WLTC工况的仿真，并对比实测和仿真，得出误差率。

搭载本文缸内直喷发动机的MVP实测WLTC综合油耗7.372 L/100 km，仿真WLTC工况平均油耗7.485 L/100 km，误差率1.53%，满足仿真模型精度3%的要求。

1.3.2 WLTC工况仿真工作点分布结果

导出仿真模型中发动机在各挡工作点的分布示意图，从各挡位的工作分布可以发现4、5、6挡的工作转速可以适当提高，以提高发动机高效区的利用率，即适当提高3升4、4升5、5升6的换挡线车速；不同油门对应的换挡时刻也有一定的优化空间。

本节完成了基于GT-Suite平台的整车性能仿真模型的搭建，并基于实测数据完成了模型的校核。从校核结果来看：平均油耗仿真误差小于3%，小于瞬稳态误差范围（约4%），满足模型校核目标。提高3升4、4升5、5升6的换挡车速，可以提高发动机高效区的利用率。

2 整车后处理仿真

现常规的后处理方案为三元催化器（TWC）＋颗粒捕集器（GPF）的技术方案，其中贵金属（Pt/Pd/Rh）载体转化的效率为关键。对于汽油发动机，现常用的尾气后处理系统为三元催化转化器（Three-way catalytic converter，3WCC），可大大减少污染物NOx、HC和CO的排放，其最高效率达90%甚至以上[1]。利用GT-Suite联合整车和后处理进行仿真，可比较不同排气金属方案的效果，优化排气方案，降低开发成本。

2.1 后处理机理

2.1.1 三元催化转化器

催化转换器，又叫催化净化器。排气系统内，其主要作用是将发动机排放物中的CO、HC和NOx在催化器的作用下快速转化为CO2、H2O和Nx[2]。三元催化转换器由一个金属外壳、一个网底架和一个催化层（含有铂、铑等贵重金属）组成。当废气经过净化器时，铂催化剂就会促使HC与CO氧化生成水蒸汽和二氧化碳；铑催化剂会促使NOx还原为氮气和氧气。

TWC关键表面反应及化学方程如下：

CO氧化：

CO+0.5O2=>CO2（1）

HC（未燃和部分燃烧产物）氧化：

CH4+0.5O2=>CO2+H2O （2）

C3H6+4.5O2=>3CO2+3H2O （3）

C3H8+5O2=>3CO2+4H2O （4）

NO氧化：

CO+NO=>CO2+0.5N2（5）

NO+0.5O2=>NO2（6）

NO2=>NO+0.5O2（7）

H2O的生成：

H2+0.5O2=>H2O （8）

其中每个反应方程的反应速率遵循仿真速率方程：

式（9）中，k是反应速率；A是前置因子；是温度（℃）；是温度指数；是气体常数，8.314 J/（mol·k）；E是活化能。

一般通过控制活化能（E）、温度指数（）以及前置因子（A）来控制反应速率。

2.1.2 颗粒捕集器

颗粒捕集器是一种安装在发动机排放系统中的陶瓷过滤器，它可以在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉。尾气在通过颗粒捕集器时，对颗粒的捕集工作主要通过拦截、扩散、惯性碰撞、重力和静电等捕集机理来完成[3]。

模型需要输入GPF的几何参数、材料属性和发动机排气的流量、温度、压力等参数。模型包括三个部分：温度模型、催化反应模型、压损模型。模型将预测出排气的质量流量、温度和压力输出。

2.1.2.1 颗粒捕集器离散模型

排放物将逐级进入离散单元。气体进入第一个离散单元，该离散单元计算输出废气的组分、并将结果作为第二个离散单元输入，同样第二个离散单元计算出下一级排气组分输入，直到最后一个离散单元，其离散模型示意图如图1所示。

图1 颗粒捕集器离散模型示意图

模型的前提假设：气体浓度、温度等参数沿载体横截面均匀；载体的每个孔道都是完全一致的；载体与环境的辐射换热忽略不计；孔道内的流动是充分发展的层流。

模型的热流量供给源包括：与环境的对流换热和外界热源直接加热；相邻离散单元的热传导获取或散失的热；气体和固体的对流换热；化学反应放热。

2.1.2.2 催化反应机理

催化反应模块的传值方程如下：

由于气相的时间常数远小于表面响应的时间常数，故：

则简化方程为：

方程两边同时乘以横截面积A，及单元长度L：

采用摩尔流量而不是质量流量作为单位，则：

2.1.2.3 压损模型

压损方程如下：

2.1.3 对流换热

第一步：求解气体温度在一个切片长度L的长度平均值：

第三步：求解对流换热量及气体温度：

联合以上三步计算得出：

其中：

联合式（27）、式（28）、式（29）、式（30）和式（31）计算得出一个时间步长总换热量和热流量：

根据公式：

得出：

2.2 原排模型的搭建

2.2.1 原排基础数据

根据实测数据，整理出不同转速、负荷下对应的排气流量及排放物的质量，填入发动机模块对应位置。进行整车循环工况计算，即可实时输出对应的排气流量及各排放物质量流量。

2.2.2 原排气体及组成

根据转速和负荷插值法得到排温、NOX、HC、CO、CO2、soot以及排气流量，分别计算得到不同原排气体的组分后，将以上参数以信号的方式，分别赋值给EndFlowInletSpecies模块，作为后处理系统的输入边界。

2.3 三元催化器模型的搭建

基于GT-Suite平台，搭建三元催化器的模型并设置结构模型、表面反应和转化效率等进行设置。

2.3.1 结构模型

结合设计方案TWC的本体结构，搭建结构模型并对基

本结构的体积、载体、涂层材料及换热等参数进行设置。

2.3.2 表面反应

三元催化器的表面反应分为反应物质、反应速率、浓度和扩散模型等模块。表面反应的模型需要进行表面物质、表面涂层、表面反应方程和表面反应基本设置。

2.3.3 转化速率

分别获取TWC前后排放物组分浓度信号，从而计算TWC的CO、HC、NO和H2转化效率并实时显示监控。

2.4 颗粒捕集器模型

2.4.1 结构模型

GPF的交错封堵结构，使排气由一个孔道流入后通过多孔性过滤壁面由相邻孔道流出，使PM沉淀在GPF内，达到降低PM排放的效果[4]。

结合设计方案颗粒捕集器的本体结构，搭建模型并对结构参数、渗透系数及流阻相关参数和材料及换热进行设置。

2.4.2 过滤属性

搭载碳加载模型后，对碳加载对象和碳加载压降校准进行设置，其中Filtration对象中许多参数无法获取，采用def默认设置，Particulate Matter Name选择def，新鲜的DPF中没有soot，Number of Filter Wall Discretization Interval推荐值为5，Soot Filtration Calibration主要校准压降。

2.4.3 排放物监控及计算

该模块的作用是监控CO2和CO浓度的同时计算CO、HC、NOX和CO2的累计排放量。

2.5 联合仿真模型

2.5.1 原排模型

将整理出来的不同转速、负荷下对应的排气流量及排放物的质量填入发动机模块对应的位置进行整车WLTC循环工况计算，即可实时输出排气流量及各排放物质量和流量。

2.5.2 原排组分计算

根据转速、负荷，插值得到排温；根据发动机转速、负荷插值得到NOx、HC、CO、CO2、soot，以及排气流量，然后分别计算得到不同原排气体的组分；再将上述参数以信号的方式，分别赋值给EndFlowInletSpecies模块，作为后处理系统的输入边界。

2.5.3 联合仿真模型

完成三元催化器模型、原排模型和颗粒捕集器模型设置后连线完成整车联合仿真模型。

2.6 整车WLTC排放仿真计算结果

设置工况，对整车循环工况、原排、三元催化器表面反应、颗粒捕集器压降和碳加载等功能进行计算，得出WLTC工况下整车车速、累计油耗、TWC转化效率和累计排放的仿真结果。

仿真计算结果较实测值来看：累计油耗趋势一致，仿真误差小于3%；排放趋势合理，误差较大，但误差均＜70%。

2.7 小结

本节先对三元催化器和颗粒捕集器进行了机理分析，然后基于GT-Suite平台从结构、流阻、换热及表面反应等角度进行了三元催化器和颗粒捕集器模型搭建。接着对原排模型的排放和原排map进行设置，对NOx、HC、CO、CO等原排组分进行设置并计算，最后联合三元催化器模型、原排模型和颗粒捕集器模型进行整车WLTC工况的排放仿真，并导出累计油耗、TWC转化效率和累计排放等数据与对应整车实测数据进行校核。

从功能来看，整车循环工况计算、原排计算、三元催化器表面反应、颗粒捕集器压降和碳加载等功能都已能正常计算，满足功能分析目的。

从计算结果来看，油耗仿真误差＜3%满足要求，排放误差均＜70%。

总体来看，模型在后处理方面，满足趋势分析要求，但仿真精度还有较大提升空间，可用来进行定性分析。

3 结论

本文基于GT-Suite平台完成了对某品牌七座款MVP整车WLTC工况下经济性仿真模型、排放后处理模型，及联合仿真模型的搭建，为整车经济性和后处理仿真模型的搭建、计算以及后处理分析提供参考和指导。从仿真结果来看，7挡变速器的换挡线还有一定的优化空间，即提高发动机运行点与经济区的重合度。从后处理模型的计算来看，需求的功能基本实现，但与实测结果还存在较大差异，可通过以下方面进行优化：（1）研究换挡线的生成及优化功能，对整车的换挡线进行优化分析；（2）研究详细发动机模型，以及整车与详细发动机联合仿真计算，考虑发动机瞬态响应对整车油耗及排放的影响；（3）研究原排神经网络模型，提高原排计算精度；（4）收集小样测试数据，研究化学反应方程的标定，提高后处理模型的计算精度。

[1] 代鹏，王建平，周陆俊，等. 汽油机尾气后处理系统的优化设计[J]. 井冈山大学学报(自然科学版)，2020，41(4): 58-64.

[2] 吕军. 汽车汽油机排气后处理技术[J]. 民营科技，2016(7): 43.

[3] 李配楠. 满足国六标准的汽油机颗粒捕集器(GPF)的试验研究[D]. 合肥: 合肥工业大学，2017.

[4] 卢俊宇. 基于国六标准的汽油车后处理系统及整车匹配研究[D]. 武汉: 武汉理工大学，2021.

Co-Simulation of Post Discharge Treatment System Based on GT-Suite Platform

In order to establish a mathematical correlation model between engine original emission and vehicle emissions, this paper proposes a simulation method for the joint operation of engine emissions and vehicle emissions based on GT-Suite platform. Based on the GT-Suite platform, the detailed engine model (including Lambda and original platoon model), vehicle model and post-processing model are built, and the simulation calculation of economy and emission is carried out according to the WLTC working condition, and the model is checked based on the measured data, so as to provide reference and verification for the selection, matching and optimization of vehicle emission components. This paper shows that the simulation method can realize the simulation calculation of the economy and emission of vehicle WLTC operating condition , the error of the fuel consumption simulation result is less than 3%, and the error of the emission simulation result is less than 70%.

post discharge treatment system; simulation model; vehicle performance simulation

TP3

A

1008-1151(2023)09-0006-05

2023-06-13

王春姬（1997－），女，东风柳州汽车有限公司新能源动力总成工程师，从事发动机、混合动力总成等新能源动力总成研究工作。