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原文传递柴油机Urea-SCR系统添蓝喷射控制策略研究

论文题名：	柴油机Urea-SCR系统添蓝喷射控制策略研究
关键词：	柴油机;氨选择性催化还原;闭环控制策略;汽车工程
摘要：	随着我国汽车工业的迅速发展及机动车保有量的不断攀升，机动车排放污染物已成为我国空气污染的重要来源。据统计，我国柴油车四大污染物的排放总量已占机动车总排放量的80%以上，为此，2015年01月01日起政府正式实施针对柴油车的国IV阶段排放法规，对其排放污染物进行控制。尿素选择性催化还原（Urea selective catalytic reduction，Urea-SCR）装置是目前可实现柴油机排放法规的主流技术之一，但受限于Urea-SCR系统关键零部件难以国产化及核心控制策略的技术瓶颈，Urea-SCR后处理系统尚存在系统成本高，系统结构复杂，转化效率低，低温性能差，尿素结晶普遍等问题。为克服这一技术瓶颈从而推动我国Urea-SCR后处理系统产业化进程，除了对Urea-SCR系统自身的结构性能进行优化以外，更需要对添蓝喷射控制策略和喷射方法进行进一步的深入研究，如何提高瞬态工况条件下的Urea-SCR系统状态参数的预估精度是研究的难点所在，基于单NOx传感器的Urea-SCR系统闭环控制是国内目前的重点研究内容。本文以国内主流柴油机厂家的商业重型柴油机产品为排放控制对象，研究周期性波动喷射控制策略。主要研究手段为结合自主开发的Urea-SCR系统控制单元，在试验平台上开展发动机实际工作条件下的Urea-SCR系统性能影响因素研究，基于不同的添蓝喷射控制策略的试验效果，研究周期性波动喷射控制策略。本文的具体研究内容如下：　　（1）研究Urea-SCR系统参数变化对其性能的影响规律。针对Urea-SCR系统的性能指标，从理论层面深入分析了Urea-SCR系统中不同参数在工作过程中的变化规律及其对性能的影响程度；从控制的角度出发，将影响Urea-SCR系统性能的参数进行分类；对系统性能有决定性影响的动态控制参数，通过试验进一步确定其变化范围和程度，为系统控制模型的建立奠定了基础；　　（2）研究周期性喷射对NOX转化效率的影响规律。不同工况条件下进行的周期性喷射试验结果表明：大部分工况范围内都能够出现转化效率的突增的现象，但是并非所有的喷射量条件下都能产生这一现象。这一试验现象为实际控制中更充分地提高转化效率奠定了基础。通过对钒基SCR在周期性喷射条件下的转化效率增益现象展开深入研究，发现了实现转化效率增益的参数控制规律，为获得更高的转化效率和还原剂能效比创造了条件；　　（3）建立催化剂“效率温度”预测模型。利用传热学和工程热力学理论，研究催化器和排气之间的热力学过程，建立了初步的热力学模型。在此基础上，通过上、下游标准温差MAP将不完全燃烧产物的进一步氧化放热和SCR反应放热等因素纳入模型，建立了能够更为真实反映的催化剂温度状态的催化剂温度预估模型。并通过引入“效率温度”的概念对催化剂温度状态进行更为准确的评价，当采用“效率温度”评价催化剂的温度状态时，可以通过上、下游温度传感器的测量值作为闭环反馈参考，当采用“效率温度”作为效率评价值时则可通过计算得到的实时转化效率进行修正；　　（4）建立NH3覆盖率预估模型。本文运用扩展卡尔曼滤波算法对催化剂NH3覆盖率进行预估，并通过对动态参数变化规律的研究，对储NH3状态进行控制，降低了这一预估方式对预估时间和试验丰富性的依赖，使得模型的预测结果更为可靠，且能实现快速的动态响应效果；　　（5）研究并建立添蓝喷射量控制模型。利用建立的催化转化系统模型，结合对柴油机-后处理系统的标定结果，建立了SCR上游NOX质量浓度计算子模型和化学反应质量比计算子模型，以转化效率和NH3覆盖率为控制目标，建立了添蓝喷射量的前馈控制模型。为了对柴油机老化造成的NOX原排漂移现象进行补偿，建立了NOX浓度自校正模型。为满足更高的喷射控制精度要求，基于NOX传感器对NH3的交叉敏感，通过对排气主成分的判定，运用数学手段将NOX传感器的采样值进行线性化处理，实现了添蓝供给量的闭环控制；　　（6）研究周期性波动喷射方法及其控制策略。通过实际的试验发现，在某一工况下，最大化地发挥催化剂的性能和还原剂的能效难以通过恒定的喷射量同时实现，唯有使添蓝喷射量随当前工况条件下动态参数的最佳变化曲线而变化，才能保证催化剂的相关参数在可控的范围内始终维持在较高活性水平，从而实现更高的转化效率和能效比。由此设计了周期性波动喷射控制策略，并同时将NH3覆盖率和还原剂能效作为控制目标纳入Urea-SCR系统的整体控制策略中。试验结果表明，该喷射控制策略能够带来还原剂能效（平均32%，最高106.5%）和DeNOX效果（中低温下平均23%，最高45.5%）的双重提高，同时降低了系统的NH3泄漏水平，改善了催化剂的工作环境，提高了系统的服役质量。
作者：	王天田
专业：	动力机械及工程
导师：	颜伏伍;胡杰
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文