基于模型的SCR控制策略和故障診斷策略研究.pdf

1、近年來隨著人們生活質(zhì)量的日益提高以及城市的快速發(fā)展，機動車的尾氣排放問題日益嚴(yán)重。本文以柴油機選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)后處理系統(tǒng)為研究對象，對SCR催化器化學(xué)反應(yīng)機理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究并建立了SCR催化器模型，設(shè)計了基于模型的SCR控制策略和車載故障診斷(On-Board Diagnostics，OBD)策略，并分別在發(fā)動機歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(European Steady Cycle

2、，ESC)和歐洲瞬態(tài)循環(huán)(European Transient Cycle，ETC)工況下進(jìn)行了驗證，主要內(nèi)容如下:
　　(1).SCR催化器非線性建模。首先對SCR催化器的化學(xué)反應(yīng)機理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為了便于建模，沿著氣流軸線方向?qū)CR催化器分為數(shù)個理想的SCR單元，基于連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)方法，結(jié)合Arrhenius定理和質(zhì)量守恒定律，建立了SCR催

3、化器的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型、溫度模型和床溫模型等，并對SCR催化器的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型的敏感性、穩(wěn)定性和可觀性進(jìn)行了分析。隨后，分別在發(fā)動機ESC和ETC工況下對模型進(jìn)行了驗證。
　　(2).SCR催化器的狀態(tài)觀測器設(shè)計。首先對自適應(yīng)滑模觀測器進(jìn)行了簡單介紹，然后，設(shè)計了基于自適應(yīng)滑模觀測器的SCR催化器狀態(tài)觀測器，并利用Lyapunov穩(wěn)定性理論對觀測器的穩(wěn)定性和魯棒性進(jìn)行了證明，最后，觀測器的可靠性在發(fā)動機ESC和ETC工況下得

4、到了驗證。
　　(3).基于模型的SCR閉環(huán)控制策略開發(fā)。提出了基于模型的SCR尿素噴射閉環(huán)控制策略，采用“前饋控制器+SCR儲氨狀態(tài)控制”的閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)，其中前饋控制采用MAP圖標(biāo)定和模型計算相結(jié)合的控制器結(jié)構(gòu)，根據(jù)尿素溶液的理論需求量進(jìn)行前饋控制;根據(jù)SCR催化器沿著氣流軸線方向的儲氨狀態(tài)分布規(guī)律，以及催化器模型的結(jié)構(gòu)特點，利用反步法設(shè)計了SCR儲氨狀態(tài)控制器，對SCR催化器沿著氣流軸線方向的儲氨狀態(tài)分布進(jìn)行控制，因而，S

5、CR儲氨狀態(tài)控制實現(xiàn)減少氮氧化物(NitrogenOxide，NOx)排放的同時避免氨泄漏造成的二次污染。在發(fā)動機ESC和ETC工況下的實驗驗證結(jié)果表明，所提出的基于模型的SCR閉環(huán)控制策略可以有效降低NOx排放同時減少氨泄漏量。
　　(4).基于模型的OBD策略開發(fā)。首先重點分析了SCR系統(tǒng)幾種常見的故障類型，接著對其中幾種典型的故障類型設(shè)計了基于模型的OBD故障診斷策略，并對發(fā)生SCR催化器下游溫度傳感器和NOx傳感器故障、催