本文關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尿素SCR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

  更多相關(guān)文章： 尿素選擇性催化還原反應(yīng)(Urea-SCR) 氨覆蓋率 微分平坦算法 H_∞控制理論 非線性模型預(yù)測(cè)控制(NMPC)

【摘要】：尿素SCR系統(tǒng)由于具有NOx還原效率高和對(duì)硫不敏感等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)降低NOx排放最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。尿素SCR系統(tǒng)通過尿素噴射量的精確控制,實(shí)現(xiàn)NOx的高效轉(zhuǎn)化和氨逃逸的限制。由于車載SCR系統(tǒng)工作條件復(fù)雜,外部干擾量多等特點(diǎn),傳統(tǒng)的基于map控制方法已經(jīng)難以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。本文針對(duì)尿素SCR控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法展開研究,提出了前饋一反饋的氨覆蓋率跟蹤控制方法和基于非線性預(yù)測(cè)控制的直接優(yōu)化控制方法。本文以一款11.596L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的尿素SCR系統(tǒng)作為研究對(duì)象,根據(jù)系統(tǒng)的工作機(jī)理,本文將SCR系統(tǒng)描述成包含上游-下游2個(gè)單元的模型,建模過程中考慮氣態(tài)氨、氣態(tài)氮氧化物和吸附態(tài)氨(氨覆蓋率)的濃度變化特性和系統(tǒng)內(nèi)部溫度的變化特性,建立了系統(tǒng)的仿真模型,并通過功能仿真驗(yàn)證模型的有效性。該模型能夠有效描述SCR系統(tǒng)的分布參數(shù)特性,且模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單。從實(shí)際工程應(yīng)用的角度出發(fā),將尾氣后處理問題轉(zhuǎn)化為氨覆蓋率的跟蹤控制問題,提出了基于微分平坦前饋—H∞反饋的氨覆蓋率跟蹤控制器設(shè)計(jì)方法。首先,將尿素SCR系統(tǒng)描述為集中參數(shù)模型,推導(dǎo)出面向控制器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化模型；其次,利用微分平坦理論證明Urea-SCR系統(tǒng)模型的平坦性,得到了前饋控制輸入；然后,以前饋控制輸入作為平衡點(diǎn)將Urea-SCR系統(tǒng)模型進(jìn)行線性化,將模型誤差、系統(tǒng)存在的參數(shù)漂移和未建模動(dòng)態(tài)等考慮成幅值有界的擾動(dòng),設(shè)計(jì)了滿足H∞性能指標(biāo)的氨覆蓋率反饋跟蹤控制器；通過在ETC測(cè)試循環(huán)下的仿真驗(yàn)證證明了控制器的跟蹤性能和魯棒性能。同時(shí)結(jié)合已有的最佳氨覆蓋率map,對(duì)整個(gè)尿素SCR跟蹤控制策略的效果進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明整個(gè)控制策略可以保證系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率平均值達(dá)到71.2159%、最大值達(dá)到91.4531%,同時(shí)NH3逃逸平均值為9.2231ppm、最大值為29.8777ppm。由于集中參數(shù)模型難以精確描述尿素SCR系統(tǒng)的分布參數(shù)特性,以及離線得到的最佳氨覆蓋率map隨著系統(tǒng)參數(shù)的漂移參考價(jià)值將降低,使得基于氨覆蓋率的SCR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法難以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。為此,本文提出基于非線性模型預(yù)測(cè)控制(NMPC)方法的直接優(yōu)化策略。首先,重新推導(dǎo)面出面向控制模型來描述系統(tǒng)分布參數(shù)特性。由于氣態(tài)形式下物質(zhì)的儲(chǔ)存時(shí)間常數(shù)比熱能及NH3在催化器表面的儲(chǔ)存時(shí)間常數(shù)小兩個(gè)數(shù)量級(jí),所以可以將氣態(tài)NOx、氣態(tài)NH3的動(dòng)態(tài)元素看成靜態(tài)元素,面向控制的模型只將上下游的溫度和氨覆蓋率作為狀態(tài)量,得到4階面向控制模型,并通過在ESC和ETC測(cè)試循環(huán)下仿真對(duì)比驗(yàn)證了面向控制模型的精度。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),將NOx的零排放作為優(yōu)化目標(biāo),將氨逃逸量作為系統(tǒng)輸出約束,尿素噴嘴的噴射上限作為控制約束,應(yīng)用歐拉公式對(duì)非線性面向控制模型進(jìn)行離散化得到系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型,采用序列二次規(guī)劃求解帶有約束非線性優(yōu)化問題。最后,通過ESC和ETC仿真對(duì)所設(shè)計(jì)的直接優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行了驗(yàn)證。在ESC工況下所設(shè)計(jì)的控制器在除發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況外,可以使NOx轉(zhuǎn)化效率達(dá)到85%以上,同時(shí)氨逃逸限制在30ppm以內(nèi)；在ETC測(cè)試循環(huán)下系統(tǒng)對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的平均值達(dá)到86.8647%、最大值達(dá)到99.4567%,同時(shí)NH3逃逸的平均值為12.3022ppm、最大值為29.5372ppm。通過兩種控制策略的對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)直接優(yōu)化控制策略在滿足氨逃逸約束的前提下具有更高的轉(zhuǎn)化效率。本文分別應(yīng)用氨覆蓋率跟蹤控制策略和直接優(yōu)化控制策略完成對(duì)尿素SCR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),取得了一定的成果,但是仍有一些工作需要進(jìn)一步研究：(1)直接優(yōu)化控制策略所使用的NMPC在線計(jì)算量工作量大,難以在汽車控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn),因此,需要進(jìn)一步研究NMPC快速求解方法；(2)本文中沒有考慮冷啟動(dòng)工況下尾氣后處理問題,需要進(jìn)一步考慮；(3)上述方法均為離線實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,今后將圍繞控制算法的臺(tái)架試驗(yàn)展開研究。
【關(guān)鍵詞】：尿素選擇性催化還原反應(yīng)(Urea-SCR) 氨覆蓋率 微分平坦算法 H_∞控制理論 非線性模型預(yù)測(cè)控制(NMPC)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK423
【目錄】：

• 前言4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 緒論15-27
• 1.1 課題背景及研究意義15-21
• 1.1.1 由汽車引起的NO_x污染及相應(yīng)法規(guī)15-19
• 1.1.2 針對(duì)NO_x的處理方式19-20
• 1.1.3 尿素SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特性20-21
• 1.2 尿素SCR控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀21-25
• 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀22-23
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀23-25
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容25-27
• 第2章 尿素SCR系統(tǒng)仿真模型搭建27-43
• 2.1 尿素SCR系統(tǒng)反應(yīng)原理及影響因素27-33
• 2.1.1 系統(tǒng)反應(yīng)原理27-30
• 2.1.2 系統(tǒng)影響因素30-33
• 2.2 尿素SCR系統(tǒng)仿真模型33-36
• 2.3 SCR系統(tǒng)模型動(dòng)力學(xué)分析36-41
• 2.4 本章小結(jié)41-43
• 第3章 尿素SCR系統(tǒng)氨覆蓋率跟蹤控制43-57
• 3.1 面向控制的模型推導(dǎo)43-44
• 3.2 基于微分平坦理論的前饋控制器設(shè)計(jì)44-45
• 3.3 基于H_∞理論的反饋控制器設(shè)計(jì)45-48
• 3.4 仿真驗(yàn)證48-55
• 3.5 本章小結(jié)55-57
• 第4章 基于NMPC算法的尿素SCR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)57-69
• 4.1 模型預(yù)測(cè)控制簡(jiǎn)介57-59
• 4.2 面向控制的模型推導(dǎo)59-61
• 4.2.1 模型推導(dǎo)59-60
• 4.2.2 模型驗(yàn)證60-61
• 4.3 直接優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)61-65
• 4.3.1 問題描述61-62
• 4.3.2 控制器設(shè)計(jì)62-65
• 4.4 仿真實(shí)驗(yàn)65-68
• 4.5 本章小結(jié)68-69
• 第5章 全文總結(jié)及工作展望69-71
• 5.1 全文工作總結(jié)69-70
• 5.2 未來工作展望70-71
• 參考文獻(xiàn)71-76
• 攻讀碩士學(xué)位期間的研究成果76-77
• 致謝77-78

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 郭漢森;;選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)在燃煤電廠的運(yùn)用[J];電站輔機(jī);2008年01期

2 李金;;派格麗領(lǐng)跑中國(guó)SCR后處理行業(yè)[J];人民公交;2012年09期

3 柳清華;;簡(jiǎn)述選擇性催化還原法(SCR)煙氣脫硝技術(shù)[J];鍋爐制造;2008年03期

4 陳鎮(zhèn);陸國(guó)棟;趙彥光;華倫;胡靜;帥石金;;集成式SCR催化轉(zhuǎn)化消聲器性能研究[J];車用發(fā)動(dòng)機(jī);2011年04期

5 王爭(zhēng)論;李兵;陸國(guó)棟;張婷;周小燕;孔芬霞;;柴油機(jī)SCR催化轉(zhuǎn)化消聲器的消聲性能[J];噪聲與振動(dòng)控制;2013年06期

6 劉志強(qiáng);馬明;馬永兵;程勁勁;;尿素SCR催化器的數(shù)值模擬[J];汽車科技;2012年04期

7 雷達(dá);金保升;;噴氨格柵處煙氣速度場(chǎng)對(duì)高效SCR均流與還原劑混合性能的影響[J];熱能動(dòng)力工程;2009年01期

8 周亞軍;;選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)在大唐陽(yáng)城電廠的應(yīng)用[J];內(nèi)蒙古電力技術(shù);2008年06期

9 黃應(yīng)紅;滿足歐Ⅳ歐Ⅴ排放:依維柯選擇SCR[J];商用汽車;2005年09期

10 李曉東;呂剛;宋崇林;宋金甌;賓峰;吳少華;;金屬改性分子篩型催化劑低溫SCR反應(yīng)機(jī)理[J];燃燒科學(xué)與技術(shù);2014年04期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前8條

1 周垣平;張軍民;;淺議在烤煙生產(chǎn)中推廣SCR調(diào)控肥的示范效果[A];山西省煙草學(xué)會(huì)2006年學(xué)術(shù)交流獲獎(jiǎng)?wù)撐募痆C];2006年

2 周垣平;張軍民;;淺議在烤煙生產(chǎn)中推廣SCR調(diào)控肥的示范效果[A];華北、東北地區(qū)2007年度煙草學(xué)術(shù)交流研討會(huì)論文集[C];2007年

3 劉曉敏;;煙氣脫硝SCR裝置噴氨優(yōu)化研究[A];全國(guó)第八屆電站鍋爐專業(yè)技術(shù)交流年會(huì)論文集[C];2013年

4 趙富;于文海;馬文林;高甲午;逯巖輝;趙善祥;楊向文;馮杰;王穎潔;邊靜;;質(zhì)疑最佳電火花率除塵法的理論基礎(chǔ)——解析傳統(tǒng)SCR工頻電源的最佳電火花率控制策略[A];第十三屆中國(guó)電除塵學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2009年

5 雷達(dá);吳其榮;李朝貴;潘茂華;;SCR煙氣脫硝化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬研究[A];重慶市電機(jī)工程學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2010年

6 王昕;;關(guān)于景德鎮(zhèn)電廠SCR倉(cāng)泵結(jié)焦問題淺析[A];第四屆火電行業(yè)化學(xué)(環(huán)保)專業(yè)技術(shù)交流會(huì)論文集[C];2013年

7 李濤;慕鍇;張劍;;SCR轉(zhuǎn)子調(diào)速器的應(yīng)用及節(jié)能技術(shù)分析[A];全國(guó)火電大機(jī)組（300MW級(jí)）競(jìng)賽第三十五屆年會(huì)論文集[C];2006年

8 劉建禹;菅盤銘;;SCR復(fù)合氧化物脫硝催化劑的制備及表征[A];第十屆全國(guó)工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會(huì)論文集[C];2013年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 王光睿 李積軒;全球首臺(tái)低速機(jī)SCR裝置進(jìn)入實(shí)船試驗(yàn)階段[N];中國(guó)船舶報(bào);2011年

2 吳小春　記者 陳鐵;SCR使國(guó)產(chǎn)重載車尾氣排放達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[N];中國(guó)質(zhì)量報(bào);2008年

3 成都 新力;可控硅SCR穩(wěn)壓電源[N];電子報(bào);2004年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 周昊;SCR低溫脫硝催化劑的制備與研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京);2016年

2 王懿;基于觸地點(diǎn)管土相互作用的深水SCR安裝力學(xué)模型研究[D];大連理工大學(xué);2011年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 惠大可;船舶柴油機(jī)SCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[D];集美大學(xué);2015年

2 徐秀林;SCR蜂窩狀脫硝催化劑磨損研究[D];浙江大學(xué);2015年

3 陳志剛;柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尿素SCR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究[D];吉林大學(xué);2016年

4 宋彥美;回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器作為SCR反應(yīng)器的數(shù)值模擬研究[D];山東大學(xué);2015年

5 朱麗麗;基于碳納米管的低溫SCR反應(yīng)機(jī)理的分子模擬研究[D];華南理工大學(xué);2012年

6 高興;燃煤鍋爐SCR裝置物模試驗(yàn)與堿液吸收NO_X反應(yīng)性能研究[D];清華大學(xué);2014年

7 李迎;采用多次噴射結(jié)合SCR實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)低排放的CFD研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2015年

8 代圣;柴油車SCR凈化器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D];江南大學(xué);2012年

9 王昌松;公交車后處理SCR尿素泵測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D];山東理工大學(xué);2013年

10 隋莉莉;火電廠SCR煙氣脫硝系統(tǒng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真研究[D];上海交通大學(xué);2008年

，

本文編號(hào)：562635