基于双扩展卡尔曼滤波的柴油机SCR催化器状态及参数估计

发布时间：2017-09-27 03:12

  本文关键词：基于双扩展卡尔曼滤波的柴油机SCR催化器状态及参数估计

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【摘要】：随着我国汽车产业的蓬勃发展,目前,我国机动车制造企业在数量以及保有量上都已成为世界第一,尤其是机动车的生产、销售数量上已经连续6年保持世界第一。汽车行业的迅猛发展为我国经济发展作出了非常巨大的贡献。但是,汽车保有量的快速增长,除了带来经济的快速增长外,也带来了很多环境问题,尤其是机动车的尾气污染,颗粒物和氮氧化合物的排放。在国Ⅴ/国Ⅵ阶段,选择性催化还原反应(SCR)作为柴油机排放后处理降低NOx的关键技术,得到了深入的研究和广泛的应用。论文着重围绕SCR催化器系统建模、基于SCR催化器模型的双重扩展卡尔曼滤波(DEKF)的状态估计器和参数估计器的设计、NH3储存量,以及基于实验数据的状态估计器跟踪效果实验验证五个方面进行了研究。论文首先根据SCR催化器的化学机理完成了催化器实时Simulink仿真模型的建立,主要包括了催化器内部温度模型的搭建,NH3的选择性催化还原反应、NH3的氧化反应以及NH3的吸附和解吸附反应模型的搭建。其次,通过研究温度和空速对NH3储存量的影响,提出了NH3储存量在温度和空速共同作用下的储氨量模型。基于SCR催化器的数学模型和储氨量模型,设计了双重扩展卡尔曼滤波的估计方法。该估计算法是将两个互耦的状态和参数的扩展卡尔曼滤波器结合起来并行工作,将状态估计器嵌入到参数估计器中,状态估计和参数估计同时更新预测,使得状态估计值更加的接近真实值。分别通过DEKF状态估计器对催化器下游的NOx浓度、NH3浓度、NH3覆盖度以及NH3储存量进行估计；通过DEKF参数估计器对SCR催化器非线性状态模型中四个参数：NH3选择性催化还原反应速率因子、NH3氧化反应速率因子、NH3吸附反应速率因子以及NH3解吸附反应速率因子进行估计。估计过程采用发动机瞬态ETC工况的发动机转速、SCR催化器入口NOx浓度、SCR催化器入口温度以及尿素喷射量作为SCR催化器模型的输入,基于SCR催化器模型输出的NOx浓度、NH3浓度和NH3覆盖度验证状态估计器估计结果的精度。固定参数估计器估计的四个参数后验证发动机瞬态ETC工况下状态估计器估计的状态和SCR催化器模型下游的NOx浓度、NH3浓度和NH3覆盖度的匹配效果。最后省去SCR催化器模型的输出,固定参数估计器估计的四个参数,利用发动机ETC、ESC工况下催化器上游、下游的NOx浓度和NH3浓度作为扩展卡尔曼滤波(EKF)状态估计器的输入,通过状态估计器估计的NOx浓度和NH3浓度与实验测得的结果进行比较,试验结果显示：状态估计器能够实时跟踪实验测得的催化器下游的NOx浓度、NH3浓度,估计的结果非常好,为将来取代昂贵的NOx或NH3传感器、优化添蓝的喷射控制策略、控制NH3泄露提供了可能性,同时也能够对OBD中传感器故障模块研究工作提供一些参考。
【关键词】：柴油机SCR后处理模型 氨气脱附与解脱附 选择性催化还原催化器SCR 双扩展卡尔曼滤波 状态估计 参数估计
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.172
【目录】：

• 摘要6-8
• abstract8-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 课题研究背景和意义12-15
• 1.1.1 课题研究背景12-14
• 1.1.2 课题研究意义14-15
• 1.2 柴油机排放技术路线15-20
• 1.2.1 柴油机机内净化15
• 1.2.2 柴油机机外净化(尾气后处理技术)15-20
• 1.3 SCR技术发展和国内外应用现状20-22
• 1.3.1 国外SCR技术研究现状20-21
• 1.3.2 国内SCR技术发展现状21-22
• 1.4 本章小结22-23
• 第二章 Urea-SCR技术及卡尔曼滤波理论基础23-31
• 2.1 Urea-SCR系统化学反应理论基础研究23-27
• 2.1.1 SCR系统中主要的化学反应23-25
• 2.1.2 NH_3选择性催化还原反应机理25-27
• 2.2 卡尔曼滤波及其推广算法的理论基础27-30
• 2.2.1 Kalman滤波的理论27-28
• 2.2.2 扩展卡尔曼滤波28-30
• 2.2.3 双重扩展Kalman滤波(DEKF)30
• 2.3 本章小结30-31
• 第三章 Urea-SCR系统仿真模型的建立31-43
• 3.1 SCR催化器模型的建立31-33
• 3.1.1 模型的基本假设31-32
• 3.1.2 模型的参数介绍32-33
• 3.2 SCR催化器Simulink模型的建立33-41
• 3.2.1 各气体质量平衡方程及Simulink模型的建立33-39
• 3.2.2 一个微元的SCR催化器反应模型39-41
• 3.3 SCR催化器模型的发动机ETC工况实验验证41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 基于双扩展卡尔曼滤波的状态及参数估计43-73
• 4.1 DEKF的介绍43-45
• 4.2 基于双扩展卡尔曼滤波状态估计器和参数估计器设计45-59
• 4.2.1 SCR催化器参数模型介绍45-47
• 4.2.2 温度和空速对NH3储存量的影响47-51
• 4.2.3 SCR化学反应动力学模型及其状态方程51-53
• 4.2.4 应用双扩展卡尔曼滤波的状态估计和参数估计过程53-57
• 4.2.5 DEKF状态估计和参数估计的Matlab/Simulink仿真算法57-59
• 4.3 基于SCR催化器的状态估计和参数估计过程59-69
• 4.3.1 参数处理59-60
• 4.3.2 ETC工况下参数估计器的参数估计过程60-62
• 4.3.3 ETC工况下状态估计器的状态估计过程62-64
• 4.3.4 固定参数后ETC工况下状态估计器的状态估计过程64-69
• 4.4 基于SCR催化器模型的稳态工况验证69-72
• 4.5 本章小结72-73
• 第五章 基于扩展卡尔曼滤波状态估计器的实验验证73-79
• 5.1 基于EKF发动机瞬态工况结果验证73-76
• 5.2 基于EKF发动机稳态工况结果验证76-78
• 5.3 本章小结78-79
• 结论与展望79-81
• 致谢81-82
• 参考文献82-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 交宣;汽车与安全;;2014年全国机动车和驾驶人迅猛增长[J];汽车与安全;2015年02期

2 陈铭;;中国报废汽车的回收利用技术创新与产业发展[J];汽车与配件;2014年50期

3 侯洁;颜伏伍;胡杰;王天田;刘传宝;;Urea-SCR系统NO_x传感器的NH_3交叉感应研究[J];内燃机学报;2014年03期

4 王谦;王保义;;重型柴油机Urea-SCR系统控制策略建模与仿真研究[J];内燃机工程;2015年04期

5 ZONG Changfu;HU Dan;ZHENG Hongyu;;Dual Extended Kalman Filter for Combined Estimation of Vehicle State and Road Friction[J];Chinese Journal of Mechanical Engineering;2013年02期

6 龚金科;张文强;谭理刚;鲍军;;SCR反应中NH_3的存储释放特性及影响因素的数值研究[J];湖南大学学报(自然科学版);2012年01期

7 赵彦光;胡静;华伦;陈镇;帅石金;王建昕;;钒基SCR催化剂动态反应及氨存储特性的试验研究[J];内燃机工程;2011年04期

8 胡静;赵彦光;陈婷;陈镇;张云龙;帅石金;王建昕;;重型柴油机尿素-SCR闭环控制系统的研究[J];汽车工程;2011年06期

9 姜磊;葛蕴珊;丁焰;刘志华;谭建伟;尤可为;;柴油机尿素SCR系统稳态及瞬态特性研究[J];内燃机工程;2010年06期

10 姜磊;葛蕴珊;李璞;刘志华;;柴油机尿素SCR后处理系统排放特性试验研究[J];内燃机工程;2010年05期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 刘传宝;柴油机氨基SCR系统控制策略与匹配研究[D];武汉理工大学;2013年

2 赵彦光;柴油机SCR技术尿素喷雾热分解及氨存储特性的试验研究[D];清华大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 杨成宏;重型柴油机SCR催化器控制模型研究[D];吉林大学;2011年

2 胡丹;基于双扩展卡尔曼滤波的汽车状态及路面附着系数估计算法研究[D];吉林大学;2009年

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本文编号：927279