柴油机Urea-SCR催化器失效诊断及容错控制方法研究

发布时间：2020-05-26 23:37

【摘要】：随着汽车工业的快速发展,我国汽车保有量近年来逐渐增加。柴油机作为一种高效、经济的内燃机,已被广泛应用于各类商用车及部分乘用车。但是,柴油机的高氮氧化物(NO_x)及颗粒物(PM)排放会对自然环境造成严重影响。Urea-SCR技术作为一种高效的NO_x净化技术被广泛应用于柴油机后处理系统。然而,作为Urea-SCR系统主要功能元件,SCR催化器长期工作于恶劣的环境下会出现失效的情况,并且Urea-SCR系统排放控制性能会随着SCR催化器失效程度的加深而恶化。针对该问题,本文提出了SCR催化器失效诊断系统可实时监测SCR催化器的失效状况,同时建立了容错控制系统可确保Urea-SCR系统在催化器失效情况下仍然具备较好的排放控制性能。本文首先以Urea-SCR控制系统为研究对象,提出基于氨覆盖度的闭环控制策略作为Urea-SCR系统基线控制策略,并建立了Urea-SCR系统控制模型,其中包括控制策略模型、SCR催化器模型以及NO_x传感器模型;然后为使Urea-SCR系统控制模型能较为准确地反映控制系统状态,采用非线性最小二乘法对SCR催化器模型和NO_x传感器模型进行参数辨识,试验结果证明了Urea-SCR系统模型的有效性;接着,考虑到SCR催化器长期服役会老化失效从而造成Urea-SCR系统排放控制性能下降的问题,依据SCR催化器失效机理引入失效因子模拟SCR催化器失效程度,同时建立了SCR催化器失效模型,并基于该模型对SCR催化器处于不同失效程度下的Urea-SCR系统排放控制性能变化规律展开研究,仿真结果表明Urea-SCR系统的排放控制性能会随着SCR催化器失效程度加深而劣化;最后,为维持催化器处于失效情况下的Urea-SCR系统排放控制性能,根据SCR催化器失效模型,开发了基于EKF的SCR催化器失效诊断系统以及基于Lyapunov稳定性理论的MRAC容错控制器,仿真结果表明该容错控制系统能有效地抵御SCR催化器失效对Urea-SCR系统造成的负面影响。本文定量描述了SCR催化器失效程度,通过数值仿真方法研究了不同失效程度下SCR催化器对Urea-SCR系统排放控制性能影响,并提出了一种SCR催化器失效诊断和容错控制的集成系统。本研究可进一步加深对SCR催化器失效机理和失效规律的认识与理解,为SCR催化器失效诊断及容错控制提供理论依据及技术支持,同时提供了一种SCR催化器失效研究的新思路。
【图文】：

2.2.1 Urea-SCR 系统前馈控制策略模型Urea-SCR 系统前馈控制策略模型主要包括尿素基本喷射量计算模型以及修正模型。而尿素基本喷射量计算模型包括 NOx质量流量计算模型、NH3质量流量计算模型和尿素溶液喷射量计算模型。首先，基于柴油机转速以及转矩信号查询相应 MAP，得到柴油机原机排放的 NOx体积分数以及排气质量流量。其次，由于在相同状况下，气体体积与物质的量成正比，故可根据 NOx体积分数以及排气质量流量计算出 NOx的质量流量。然后，从式（2-5）和（2-6）可知标准 SCR反应和快速 SCR 反应中 NH3和 NOx是按照等摩尔比进行反应的，因此可以得到NH3的质量流量。最后，，根据式（2-2）和（2-3）可以发现尿素的分解和 NH3的生成是按照 1：2 的物质的量之比进行的，再根据尿素水溶液中尿素的质量分数便可以得到所需的基本尿素溶液喷射量。其总体控制模型如图 2-3 所示：

NOx体积分数MAP
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464.172;X734.2

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本文编号：2682580