發(fā)布時間：2018-02-10 20:22

  本文關(guān)鍵詞： 柴油機SCR后處理系統(tǒng) 非線性模型 自適應滑模觀測器 反步法 基于模型的OBD策略　出處：《西南交通大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：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催化器化學反應機理進行了系統(tǒng)的研究并建立了 SCR催化器模型,設計了基于模型的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,ESC)和歐洲瞬態(tài)循環(huán)(European Transient Cycle,ETC)工況下進行了驗證,主要內(nèi)容如下:(1).SCR催化器非線性建模。首先對SCR催化器的化學反應機理進行了系統(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催化器的化學反應動力學模型、溫度模型和床溫模型等,并對SCR催化器的化學反應動力學模型的敏感性、穩(wěn)定性和可觀性進行了分析。隨后,分別在發(fā)動機ESC和ETC工況下對模型進行了驗證。(2).SCR催化器的狀態(tài)觀測器設計。首先對自適應滑模觀測器進行了簡單介紹,然后,設計了基于自適應滑模觀測器的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)分布進行控制,因而,SCR儲氨狀態(tài)控制實現(xiàn)減少氮氧化物(Nitrogen Oxide,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、催化器老化以及尿素噴嘴堵塞這四個最具代表性的故障模式時,基于模型的OBD策略和閉環(huán)控制策略的工作性能進行了重點驗證,驗證表明所提出的基于模型的SCR控制策略和OBD策略是有效的。
[Abstract]:In recent years, with the increasing improvement of people's quality of life and the rapid development of cities, the problem of vehicle exhaust emission is becoming more and more serious. In this paper, the selective Catalytic reduction (SCR) aftertreatment system of diesel engine is taken as the research object. The chemical reaction mechanism of SCR catalytic converters is systematically studied, and the model of SCR catalytic converters is established. The SCR control strategy based on the model and the on-board diagnostics strategy of on-board fault diagnosis are designed. The nonlinear modeling of the catalytic converters is as follows: 1. The chemical reaction mechanism of the SCR catalytic converters is studied systematically at first, which is verified under the conditions of the engine steady state cycle Steady cycle SCR and the European transient cycle European Transient cycle converter respectively, the main contents of which are as follows: 1 / 1 / 1.SCR catalytic converters are modeled as follows: (1) the chemical reaction mechanism of the SCR catalytic converters is studied systematically. In order to facilitate modeling, SCR catalytic converters are divided into several ideal SCR units along the direction of air flow axis. Based on continuous Stirred Tank reactor method, Arrhenius theorem and mass conservation law are combined. The chemical reaction kinetics model, temperature model and bed temperature model of SCR catalyst were established. The sensitivity, stability and observability of the chemical reaction kinetics model of SCR catalyst were analyzed. The design of the state observer of the model is verified under the conditions of engine ESC and ETC respectively. Firstly, the adaptive sliding mode observer is introduced briefly, and then the adaptive sliding mode observer is introduced. The SCR catalytic converter state observer based on adaptive sliding mode observer is designed, and the stability and robustness of the observer are proved by Lyapunov stability theory. The reliability of the observer is verified under the conditions of engine ESC and ETC. The model-based SCR closed-loop control strategy is developed. A model-based SCR urea injection closed-loop control strategy is proposed. The closed-loop feedback control structure of "feedforward controller SCR ammonia storage state control" is adopted, in which the feedforward control adopts the controller structure which combines MAP icon determination and model calculation, and carries out feedforward control according to the theoretical demand of urea solution. According to the state distribution of ammonia storage in SCR catalytic converters along the direction of air flow axis and the structural characteristics of catalytic converters model, a SCR state controller for ammonia storage is designed by using the backstepping method. The distribution of ammonia storage state of SCR catalytic converter along the axis of air flow is controlled. Therefore, SCR state control for ammonia storage can reduce nitrogen oxide nitrogen oxide no _ x emissions while avoiding secondary pollution caused by ammonia leakage. The experimental results under ESC and ETC conditions show that, The proposed model-based SCR closed-loop control strategy can effectively reduce NOx emissions and reduce ammonia leakage. The model-based OBD strategy is developed. Firstly, several common fault types in SCR system are analyzed. Then, a model-based OBD fault diagnosis strategy is designed for several typical fault types, and the downstream temperature sensor and NOx sensor fault of SCR catalyst are analyzed. The performance of the model-based OBD strategy and the closed-loop control strategy are mainly verified when the catalytic converter is aging and the urea nozzle clogging is the most typical fault mode. The results show that the proposed model based SCR control strategy and OBD strategy are effective.
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：U464.172;X734.2

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本文編號：1501356