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柴油機Urea-SCR催化器失效診斷及容錯控制方法研究

發(fā)布時間:2020-05-26 23:37
【摘要】:隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,我國汽車保有量近年來逐漸增加。柴油機作為一種高效、經(jīng)濟的內(nèi)燃機,已被廣泛應(yīng)用于各類商用車及部分乘用車。但是,柴油機的高氮氧化物(NO_x)及顆粒物(PM)排放會對自然環(huán)境造成嚴重影響。Urea-SCR技術(shù)作為一種高效的NO_x凈化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于柴油機后處理系統(tǒng)。然而,作為Urea-SCR系統(tǒng)主要功能元件,SCR催化器長期工作于惡劣的環(huán)境下會出現(xiàn)失效的情況,并且Urea-SCR系統(tǒng)排放控制性能會隨著SCR催化器失效程度的加深而惡化。針對該問題,本文提出了SCR催化器失效診斷系統(tǒng)可實時監(jiān)測SCR催化器的失效狀況,同時建立了容錯控制系統(tǒng)可確保Urea-SCR系統(tǒng)在催化器失效情況下仍然具備較好的排放控制性能。本文首先以Urea-SCR控制系統(tǒng)為研究對象,提出基于氨覆蓋度的閉環(huán)控制策略作為Urea-SCR系統(tǒng)基線控制策略,并建立了Urea-SCR系統(tǒng)控制模型,其中包括控制策略模型、SCR催化器模型以及NO_x傳感器模型;然后為使Urea-SCR系統(tǒng)控制模型能較為準確地反映控制系統(tǒng)狀態(tài),采用非線性最小二乘法對SCR催化器模型和NO_x傳感器模型進行參數(shù)辨識,試驗結(jié)果證明了Urea-SCR系統(tǒng)模型的有效性;接著,考慮到SCR催化器長期服役會老化失效從而造成Urea-SCR系統(tǒng)排放控制性能下降的問題,依據(jù)SCR催化器失效機理引入失效因子模擬SCR催化器失效程度,同時建立了SCR催化器失效模型,并基于該模型對SCR催化器處于不同失效程度下的Urea-SCR系統(tǒng)排放控制性能變化規(guī)律展開研究,仿真結(jié)果表明Urea-SCR系統(tǒng)的排放控制性能會隨著SCR催化器失效程度加深而劣化;最后,為維持催化器處于失效情況下的Urea-SCR系統(tǒng)排放控制性能,根據(jù)SCR催化器失效模型,開發(fā)了基于EKF的SCR催化器失效診斷系統(tǒng)以及基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的MRAC容錯控制器,仿真結(jié)果表明該容錯控制系統(tǒng)能有效地抵御SCR催化器失效對Urea-SCR系統(tǒng)造成的負面影響。本文定量描述了SCR催化器失效程度,通過數(shù)值仿真方法研究了不同失效程度下SCR催化器對Urea-SCR系統(tǒng)排放控制性能影響,并提出了一種SCR催化器失效診斷和容錯控制的集成系統(tǒng)。本研究可進一步加深對SCR催化器失效機理和失效規(guī)律的認識與理解,為SCR催化器失效診斷及容錯控制提供理論依據(jù)及技術(shù)支持,同時提供了一種SCR催化器失效研究的新思路。
【圖文】:

噴射量,尿素,計算模型


2.2.1 Urea-SCR 系統(tǒng)前饋控制策略模型Urea-SCR 系統(tǒng)前饋控制策略模型主要包括尿素基本噴射量計算模型以及修正模型。而尿素基本噴射量計算模型包括 NOx質(zhì)量流量計算模型、NH3質(zhì)量流量計算模型和尿素溶液噴射量計算模型。首先,基于柴油機轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩信號查詢相應(yīng) MAP,得到柴油機原機排放的 NOx體積分數(shù)以及排氣質(zhì)量流量。其次,由于在相同狀況下,氣體體積與物質(zhì)的量成正比,故可根據(jù) NOx體積分數(shù)以及排氣質(zhì)量流量計算出 NOx的質(zhì)量流量。然后,從式(2-5)和(2-6)可知標(biāo)準 SCR反應(yīng)和快速 SCR 反應(yīng)中 NH3和 NOx是按照等摩爾比進行反應(yīng)的,因此可以得到NH3的質(zhì)量流量。最后,,根據(jù)式(2-2)和(2-3)可以發(fā)現(xiàn)尿素的分解和 NH3的生成是按照 1:2 的物質(zhì)的量之比進行的,再根據(jù)尿素水溶液中尿素的質(zhì)量分數(shù)便可以得到所需的基本尿素溶液噴射量。其總體控制模型如圖 2-3 所示:

MAP圖,體積分數(shù),MAP圖,質(zhì)量流量


NOx體積分數(shù)MAP
【學(xué)位授予單位】:武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2018
【分類號】:U464.172;X734.2

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