基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究毕业论文

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硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究国家“八六三”项目——“满足欧Ⅵ排放标准的柴油机后处理关键技术研究”（课题编号：2012AA111717）姓名：丁佩磊学号：1133127所在院系：汽车学院学科门类：工学学科专业：动力机械及工程指导教师：谭丕强副教授二〇一四年三月万方数据 AdissertationsubmittedtoTongjiUniversityinconformitywiththerequirementsforthedegreeofMasterofPhilosophyResearchofModel-basedControlStrategyforSCRUreaInjectionofDieselEngines“863”project-ResearchonkeytechnologiesofEuroⅥdieselenginesexhaustaftertreatment(projectnumber:2012AA111717)Candidate:DingPeileiStudentNumber:1133127School/Department:SchoolofAutomotiveStudiesDiscipline:EngineeringMajor:PowerMachineryandEngineeringSupervisor:AssociateProf.TanPiqiangMarch,2014万方数据 基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究丁佩磊同济大学万方数据 学位论文版权使用授权书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：年月万方数据 同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：年月日万方数据 同济大学硕士学位论文摘要摘要随着大气污染的日益严重，柴油机的排放污染越来越成为人们关心的问题。氮氧化物(NOx)是柴油机主要的排放污染物之一，随着排放法规的日益严格，NOx机外后处理净化技术越来越受到重视。以氨作为还原剂的选择性催化还原(SCR)技术通过向排气中喷射尿素溶液，在催化剂的作用下将排气中的NOx还原成无污染的氮气，从而可以有效降低柴油机NOx排放。随着NOx排放限值降低、氨泄漏量限值的提出，提高SCR尿素喷射控制的精度和响应特性变得越来越重要。以往常规基于MAP的控制策略需要大量的标定工作，而且受环境和系统参数的影响，控制精度越来越难以满足要求。基于模型的控制策略能够计算SCR催化器内部的状态，从而可以提高尿素喷射控制的精度和响应特性。本文采用基于模型的尿素喷射控制策略，建立了氨存储和催化反应模型；根据柴油机稳态工况和瞬态工况的特点，建立了相应的尿素喷射控制策略；建立了柴油机SCR后处理系统的模型，并研究了SCR系统关键参数的相关性能；最后进行了尿素喷射控制策略的耦合与离线仿真。主要研究结论如下：（1）建立了氨存储和催化反应模型。针对氨存储和催化反应模型对NO和NO2排放量的需求，考虑了NO2/NOx的输出，建立了柴油机NOx排放的预测模型。利用Elry-Rideal反应机理，选取主要的SCR催化反应，包括氨吸附与解吸附反应、标准SCR反应、快速SCR反应、氨氧化反应等，建立了催化反应模型，并通过质量守恒方程建立了氨存储模型。通过发动机台架试验，获取了柴油机NOx排放数据和SCR的反应特性。利用试验数据对上述模型参数进行了辨识。（2）建立了柴油机稳态工况和瞬态工况的尿素喷射控制策略。确定了氨泄漏量为定值的情况下，确保NOx较高转化效率的控制原则。建立了SCR尿素喷射系统的协调控制策略。前馈控制中，利用催化剂温度变化相对排气温度变化的滞后，对尿素喷射量进行修正。反馈控制中，运用PI控制器来实时调节氨表面覆盖率，确保氨的泄漏量不超过限值。（3）建立了柴油机SCR后处理系统的模型，研究了SCR系统NO2/NOx等关键参数对NOx转化效率的影响，以及催化剂温度和空速对催化剂最大氨存储量的影响。利用试验数据和序列二次规划算法对相关参数进行了优化。（4）进行了尿素喷射控制策略的耦合和离线仿真。采用AMESim到Simulink的接口方式，将AMESim模型生成的S函数调入到Simulink模型的方式实现了I万方数据 同济大学硕士学位论文摘要两者的耦合。分别进行了稳态工况和瞬态工况的离线仿真，并对仿真结果进行了研究。结果发现：基于模型的控制能够保证氨泄漏量较低的情况下，实现较高的NOx转化效率。关键词：柴油机，选择性催化还原，控制模型，瞬态工况，离线仿真II万方数据 TongjiUniversityMasterofPhilosophyAbstractABSTRACTWiththeincreasinglyseriousairpollution,dieselenginesemissionsareincreasinglybecomeanissue.Nitrogenoxides(NOx)isoneofthemainemissions,SinceitsperfecteffectivenessinreducingNOxandfuelefficiency,selectivecatalyticreduction(SCR)technologyhasbeenchosenforNOxreductionontrucksandbusses.InadieselUrea-SCRsystem,withadditionalinjectionofureasolutionandcatalyzingfromcatalyst,itcanreduceNOxtoharmlessN2.StricteremissionlegislationfordieselengineswillmakeitmoreimportanttoelevatetheNOxcoversionefficiencywithlowammonia(NH3)leakage.ConventionalcontrolstrategybasedontheMAPrequiresalotofcalibrationwork,andinfluentedbytheenvironmentandsystemparameters,soitbecomemoreandmoredifficulttomeettherequirements.Model-basedcontrolstrategycancalculatetheinternalstateoftheSCRcatalyst,whichcanimprovetheaccuracyandresponseoftheureainjectioncontrol.Inthispaper,model-basedcontrolhasbeenusedforureainjectioncontrol.Ammoniastorageandcatalyticreactionmodelisestablished.Ureainjectioncontrolstrategiesareestablishedbasedonsteadyandtransientworkingcondition.AdieselSCRaftertreatmentsystemmodelisestablished,andthekeyparametersofthesystemarestudies.Finally,theureainjectioncontrolstrategyiscoupledwithoff-linesimulation.First,Ammoniastorageandcatalyticreactionmodelisestablished.AsammoniastorageandcatalyticreactionmodelneedsNOandNO2emissions,apredictivemodelofdieselengineNOxemissionsisestablished,andNO2/NOxisoneofthemainoutput.AccordingtoElry-Ridealreactionmechanism,selectthemainSCRcatalyticreactions,includingammoniaadsorptionanddesorptionreaction,standardSCRreaction,fastSCRreaction,ammoniaoxidationreactions,establishthecatalyticreactionmodel,andammoniastoragemodelbymassconservationequations.Throughtheenginebenchtest,gettheNOxemissionsdataofthedieselengineandcharacteristicsofSCR.Testdataisusedforparameteridentification.Second,ureainjectioncontrolstrategyundersteadyworkingconditionsandtransientworkingconditionsisestablished.MakesuretheprincipleofhighNOxconversionefficiencyunderlowammoniaslip.EstablishthecoordinatedcontrolstrategyoftheSCRureainjectionsystem.Infeedforwardcontrol,thedifferencebetweentheexhaustgastemperatureandthecatalysttemperatureisusedtocorrectIII万方数据 TongjiUniversityMasterofPhilosophyAbstractureainjection.Infeedbackcontrol,thePIcontrollerisusedtoreal-timeadjusttheammoniasurfacecoverage,andtoensureammonialeakagedoesnotexceedthelimitvalue.Third,adieselSCRaftertreatmentsystemmodelisestablished.ThekeyparameterssuchasNO2/NOxonNOxconversionefficiencyandthecatalysttemperatureandspacevelocityonthemaximumamountofammoniastoragearestudy.testdataandsequentialquadraticprogrammingalgorithmparametersareusedforoptimization.Last,heureainjectioncontrolstrategyiscoupledwithoff-linesimulation.AMESimtoSimulinkinterfaceisused.TheAMESimmodelgeneratedSimulinkS-functiontoachievethecoupling.Steadystateandtransientstateoff-linesimulationaremade.UsetheAMESimtoSimulinkinterfacetocouplebetweenthetwosoftwares,andthenperformtheureainjectioncontrolstrategiesoff-linesimulation.Afteranalyzingsimulationresults,theresultshowsthat:model-basedcontrolcanachievehighNOxconversionefficiencyunderlowammonialeakage.KeyWords:DieselEngine,SelectiveCatalyticReduction,ControlModel,TransientOperatingConditions,OfflineSimulationIV万方数据 同济大学硕士学位论文目录目录第1章绪论...........................................................................................11.1课题研究背景......................................................................................................11.2柴油机排放法规及NOx控制技术...................................................................11.2.1柴油机的排放法规...................................................................................11.2.2柴油机NOx控制技术.............................................................................21.3Urea-SCR技术简介.............................................................................................31.3.1SCR反应机理............................................................................................31.3.2SCR系统工作原理...................................................................................31.3.3SCR系统转化效率的影响因素...............................................................41.4SCR尿素喷射控制策略研究现状.....................................................................71.4.1国外研究现状.........................................................................................101.4.2国内研究现状.........................................................................................131.5研究的目的和主要内容...................................................................................14第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证..........................162.1基础模型的建立................................................................................................162.1.1NOx排放预测模型.................................................................................182.1.2氨存储模型.............................................................................................242.1.3SCR催化反应模型.................................................................................292.2SCR系统的试验研究........................................................................................322.2.1试验设备..................................................................................................322.2.2试验方案..................................................................................................342.2.3试验结果及分析......................................................................................352.3模型的参数辨识和验证...................................................................................402.3.1NOx排放预测模型的参数辨识和验证................................................412.3.2SCR催化反应模型的参数辨识和验证................................................422.4本章小结............................................................................................................45第3章柴油机瞬态工况SCR控制策略的研究.................................463.1控制策略需求....................................................................................................463.2控制策略建立....................................................................................................473.2.1稳态工况的控制.....................................................................................493.2.2瞬态工况的控制.....................................................................................503.3本章小结............................................................................................................55第4章柴油机SCR后处理系统的性能研究....................................564.1SCR后处理系统模型建立...............................................................................57V万方数据 同济大学硕士学位论文目录4.1.1排气设定子模型.....................................................................................584.1.2尿素喷射和分解子模型.........................................................................594.1.3SCR反应子模型......................................................................................604.2SCR后处理系统模型验证...............................................................................644.3SCR后处理系统性能研究...............................................................................664.3.1NO2/NOx对NOx转化效率的影响......................................................664.3.2SCR后处理系统的储氨特性.................................................................674.4本章小结............................................................................................................68第5章尿素喷射控制策略的耦合及离线仿真..................................695.1控制策略的耦合................................................................................................695.2控制策略的稳态离线仿真...............................................................................715.3控制策略的瞬态离线仿真...............................................................................735.3本章小结............................................................................................................74第6章总结与展望.............................................................................766.1全文工作总结....................................................................................................766.2今后工作展望....................................................................................................77致谢.......................................................................................................78参考文献...............................................................................................79个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果.............................83VI万方数据 第1章绪论第1章绪论1.1课题研究背景随着人民生活水平的提高，汽车更多地进入百姓家庭，从而对石油的需求也与日俱增。在1993年之前，中国还是石油出口国，但自1993年起，在20年[1]间，原油进口比例从6%迅速增长到2013年的58.1%，对外依存度已经超过能源需求的安全警戒线限定值：50%。能源的大量消耗带来诸多问题，如气候变化和空气污染，这些严重的环境问题都与机动车的排放息息相关。在另一方面，我国的环境污染问题日益突出。2013年我国的雾霾不断增多，已经波及25个省份，100多个大中型城市，全国平均雾霾天数达29.9天，创52年来之最。环保部在2014年1月发布的《2013年度中国机动车污染防治年报》指出，汽车尾气排放已经成为我国空气污染的主要来源，是造成雾霾和光化学污染的重要原因。汽车是机动车污染物排放的主要贡献者，其排放的一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）超过70%，氮氧化物（NOx）[2]和颗粒物（PM）超过90%。节能和环保已经成为全社会所关注的焦点，势在必行。和汽油机相比，柴油机具有热效率高、低速转矩大以及功率覆盖范围广的优点，因而在汽车上得到了广泛的应用。货车几乎都采用柴油机。在欧洲50%以上的乘用车采用的是柴油机，在我国采用柴油机的乘用车也越来越多。但是与此同[2]时，和汽油机相比，柴油机排放的NOx和PM较高，环保部的数据指出，占汽车总量16.1%的柴油车排放的NOx接近汽车排放总量的70%，PM超过90%。面对越来越严格的排放法规，柴油车需要采用先进的排气后处理技术来进一步降低有害污染物。1.2柴油机排放法规及NOx控制技术1.2.1柴油机的排放法规中国一直沿用的是欧洲的排放法规体系。2005年，经过修订后的《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车污染物排放限值及测量方法》标准GB17691-2005等效采用欧盟欧III、欧IV、欧V排放法规标准，统称国III、1万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究国IV、国V排放标准。标准中规定了第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段装用压燃式发动机汽车及其压燃式发动机所排放的气态和颗粒污染物的排放限值及测试方法，以及装用以天然气或液化石油气作为燃料的点燃式发动机汽车及其点燃式发动机所排放的气态污染物的排放限值及测量方法。该标准适用于设计车速大于25km/h的M2、M3、N1、N2、N3类及总质量大于3500kg的M1类机动车装用的压燃式（含气体燃料点燃式）发动机及其车辆的型式核准、生产一致性检查和在用车符合性检查。图1.1展示了欧Ⅳ、欧Ⅴ和欧Ⅵ法规下重型柴油机的PM和NOx的限值，以及所需要的技术路线。[3]图1.1重型柴油机的技术路线1.2.2柴油机NOx控制技术目前应用于控制柴油机氮氧化物（NOx）的技术主要有选择性催化还原技术SCR（SelectiveCatalyticReduction)和稀混合气NOx捕集技术LNT(LeanNOxTrap)等。SCR技术最初是应用在固定污染源的发电厂等场所，由于其能有效的降低NOx排放，逐渐的被应用于移动设备上，例如柴油汽车。基本原理是：SCR催化器中催化剂的催化作用有很强的选择性，能促进柴油机尾气中的NOx还原成氮气，抑制还原剂的氧化。目前SCR技术所用的还原剂有氨类物质或HC。氨类物质包括氨气、氨水和尿素等，HC包括各种醇类燃料，但在汽车上通常应用浓度为32.5%的尿素。催化剂类型主要有金属氧化物催化剂，贵金属催化剂和分子筛催化剂，目前在柴油机上广泛应用的是钒基金属氧化物催化剂。[4]LNT技术的催化剂最初是由三元催化剂发展而来，后来逐渐应用于柴油机。当发动机处于稀燃阶段，排气处于富氧状态时，NOx与吸附剂（碱土金属）反应生成硝酸盐并储存起来；在过量空气系数较小时，即浓混合气状态时，硝酸盐2万方数据 第1章绪论分解出NOx并在催化剂的催化作用下与HC、CO和H2反应生成N2。由于柴油机多数工况下过量空气系数都较大，LNT技术在柴油机上的应用受到限制。而且柴油中的硫容易使催化剂中毒，即硫燃烧后的产物容易与催化剂反应生成稳定的硫酸盐，从而影响催化效率。1.3Urea-SCR技术简介1.3.1SCR反应机理对于SCR的反应机理，外国研究的比较多。大量的试验证明，尿素SCR的表面化学反应遵循Eley-Rideal机理，即NH3首先吸附在催化剂表面的布朗斯台德酸性位（Bronstedacid）或路易斯酸性位（Lewisacid）上，然后和气相中[5]的NOx进行反应。此机理认为：NH3同NOx经过化学反应生成表面活跃的化合物，该化合物很不稳定，会分解成N2和H2O。其中，氧气的主要作用是V=O5+键的再生，它说明反应速率和表面V=O键即V成正比,NH3被快速强烈地吸附在催化剂表面，反应速率与NOx的分压成正比。SCR反应中，当催化剂的温度高于200℃时，Eley-Rideal机理占主导地位。具体的反应方程将在第二章模型建立中具体介绍。1.3.2SCR系统工作原理[5]SCR系统主要由供给模块、催化转化器、控制单元、喷嘴、尿素箱等部件构成，其具体的结构如图所示。图1.2SCR系统结构图供给模块：该模块将泵电机、换向阀、压力传感器等集成在一起，主要功能是按照控制器的要求将特定量的尿素从尿素箱中抽出，并以一定的压力输送到尿3万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究素喷嘴处。系统要关闭时，回抽管路中的尿素，并送回到尿素箱。控制单元：采集来自SCR系统传感器信号，并且和发动机ECU进行通讯以获得相应的工况信号，根据这些信号和尿素喷射策略计算尿素的需求供应量，然后将信号传递给相应的执行单元，控制尿素喷射。同时，它还具有故障检测与诊断功能。尿素箱：用于装尿素溶液，顶部安装有传感器、热交换器、通气装置等，底部有残液释放螺塞孔。传感器包括温度传感器和液位传感器，可检测尿素的温度和液面的高度；热交换器可利用发动机冷却水对寒冷天气下结冰的尿素进行加热解冻。喷嘴：按照控制器的PWM信号控制喷孔的开闭，进而控制尿素溶液的质量流量，为使尿素溶液较好的雾化，应使用高压进行喷射，通常采用空气辅助的形式。为了使尿素在排气管内能够与废气充分混合，应使喷射单元之后到SCR箱的排气管段长度足够长（推荐>500mm）。催化转化器：其内部装的是SCR反应的催化剂，它是发动机尾气中的NOx与尿素水解生成NH3发生催化还原反应的地方。为了反应更加完全，通常会在催化转化器前段加装混合器。1.3.3SCR系统转化效率的影响因素SCR系统降NOx的影响因素很多，如排气温度、催化剂属性、催化剂温度、空速、喷嘴结构等。[6-7]李孟良、聂彦鑫等以一辆国Ⅳ常规公交车及一辆国Ⅳ混合动力公交车为研究对象（都采用SCR后处理技术），一辆国Ⅲ常规车及一辆国Ⅲ混合动力车为试验对比车辆，进行整车排放测试。结果表明：SCR技术的应用能一定程度上降低NOx排放量，装配SCR的城市公交车当排气温度介于130-230℃之间时，每提高10℃排气温度就可以提高约6%的NOx的转化率。催化罐中气流的空速能够影响反应的时间及储氨率，故其对SCR系统NOx[8-10]转化率的影响很大。姜磊等通过研究欧洲稳态循环工况点下的Urea-SCR稳态性能，发现催化剂温度和空速是影响Urea-SCR系统性能的主要因素，两者在不同的工况下重要程度不同。另外试验还表明：尿素喷嘴喷孔数越多，越有利于尿素的雾化，增加NH3的生成量；尿素喷射频率过大则无法实现小剂量喷射，而喷射频率过小则造成系统压力波动大。[11]高俊华等对采用SCR技术路线的国Ⅳ柴油车尾气管出现的结晶体进行成分分析。综合所有试验结果，作者推断出结晶体内的主要成分为尿素及三聚氰胺，从此认定结晶体是由于尿素起喷的温度低造成的。4万方数据 第1章绪论[12]吕刚等研究了Mn/ZSM-5催化剂对SCR催化性能的影响，结果发现含量为3.1%的Mn/ZSM-5催化剂具有最宽的高活性反应温度窗口。[13]王坤鹏等研究了Cu/ZSM-5分子筛催化剂对SCR催化性能的影响。研究结果表明：在NH3-SCR反应中，Cu质量分数低于6.39%时，低温催化中心随Cu含量的增加而增加，催化剂的低温活性也有所提高；在Cu质量分数超过6.39%以后，由于低温活性中心已经饱和，Cu含量对催化剂的低温活性影响不大。在Cu质量分数高于6.39%以后，由于氧化铜大颗粒对NH3的氧化作用，催化剂的NO转化效率衰减起始温度降低。[14]龚金科等建立了SCR催化反应的动态反应模型，研究了反应温度和空速对NH3存储与释放特性的影响，结果表明：随着反应温度的升高，NH3的存储量逐渐减小；处于不同温度区间时，空速对于NH3的存储量的影响表现出不同的特征，在200~300℃区间，随着空速的增大，NH3存储量的减少幅度大；而在300℃以上时，空速增大，NH3存储量的减少幅度小。温度越高，NH3的存储与释放速度越快；相同温度下，空速越高，NH3的存储与释放越快。尾气中的气体成分，如O2、H2O的含量对于NOx转化率同样有影响。吕林[15]等在固定床反应器中，利用瞬态响应技术和程序升温技术研究了低温时NH3选择性催化还原NO的瞬态动力学及V2O5/TiO2催化剂活性的影响因素，实验结果表明：O2的体积分数增大，NO转化率增大；H2O的存在抑制了NO的转化率；SO2的存在提高了NO的转化率。[16]赵海光等研究了真实柴油机排气条件下两种分子筛SCR催化器（酸位中心分别为Cu和Fe基）的催化剂活性比较。结果表明：Cu基SCR催化剂较Fe基SCR催化剂有较好的低温催化性能；温度为250℃时，Fe基分子筛的抗HC中毒能力不如Cu基分子筛催化剂。温度为350℃时，NOx转化效率受空速与温度的双重影响，Cu基和Fe基SCR催化剂的最高NOx转化效率分别出现在空速-1-1为115060h和90400h时。温度为350℃时，Fe基分子筛催化剂比Cu基分子筛催化剂对HC更加敏感。[17-20]赵彦光等研究了柴油机SCR系统尿素溶液的喷雾特性。实验结果表明：空气辅助喷射系统沿喷雾轴向喷雾粒径的大小及粒径分布变化不大，大直径液滴所占比例随着辅助空气压力的减小而增大，有倒角喷孔较无倒角喷孔更有利于喷雾雾化。无空气辅助喷射系统喷雾雾化效果较差，大直径液滴所占比例明显增大。通过台架试验，发现不同的升温过程，氨泄漏程度不同，初始温度越低，在快速升温过程中越容易产生氨泄漏。氨存储饱和度对氨泄漏的影响很大，试验中氨存储饱和度小于58%时，瞬态工况不会出现氨泄漏。温度对催化还原反应速率的影-1响非常大，在20000h空速下400℃时的平均反应速率是200℃时的17倍；而空5万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究-1-1速对反应速率的影响很小，在同一温度下空速从20000h变化到50000h时，平均反应速率基本保持不变。但增大空速加快了氨泄漏，使得氨泄漏出现的时间提前，从而限制了NOx转化效率的进一步提高。温度对氨饱和存储量的影响比空速的影响大，在200℃和240℃时NOx转化效率基本与氨存储量呈线性关系，在大于320℃时氨存储量对NOx转化效率的影响较小。在催化剂之前安装混合器，能够使NH3和排气充分混合，这对提高NOx转化率是有利的。装混合器使还原剂的分布更加均匀，提高了NOx的转化率，最大提高10%。[21]姚勇等通过对Fe沸石、Cu沸石在工作范围、NO2/NOx比例、伴生N2O等方面的特性进行了详细比较。结果表明：Cu沸石适合排气温度小于350℃的发动机；Fe沸石适合于排气温度大于350℃的发动机。如果考虑N2O的生成量，则Fe沸石更好。[22]辛喆等运用计算流体力学和化学动力学的方法，对催化剂载体表面的选择性催化还原过程进行了数值仿真和试验验证。结果表明：温度是影响SCR催化器氮氧化物转化效率最主要的因素，该SCR催化器的最佳反应温度在350~450℃之间。低温时，空速对催化器转化效率有一定影响，增加NO2的浓度可提高催化器的转化效率，但NO2与NOx的体积比需控制在50%以内。[23]刘仁龙等介绍了钒基氧化物催化剂载体和表面物种在催化反应中的作用机理，目前的研究认为：钒氧化物催化剂体系中SCR-DeNOx反应是依据Eley-Rideal机理和“酰胺-亚硝胺”机理进行的，反应涉及了NH3在催化剂表面Bronsted酸和Lewis酸位的吸附，以及两种吸附态的氨物种与气相或弱吸附NO之间的反应，形成了不稳定中间物酰胺和亚硝酰胺物种，且随着NO的加入这些中间物种逐渐消失，形成N2和H2O。[24]王凤滨等对采用SCR后处理技术的满足国Ⅳ排放水平的发动机进行了瞬态ETC测试，分析其NH3泄漏特性。结果发现：低速时发动机反拖及小负荷工况下的NH3泄漏量较大；且随着负荷的增大呈现增大的趋势；排温突然升高或降低都可能导致NH3泄漏。[25]高伟等利用CFD软件，对结构改进前后的SCR催化器流场进行了三维稳态流动数值模拟，发现结构因素对催化转化器的内流动特性有很大影响，改进后的模型提高了流速均匀性，减少了压力损失，温度分布变得均匀，使内流场特性趋于合理。[26-29]包裹保温材料能够减少排气管散热，减少排气温度的降低幅度。陈镇等的研究表明包裹保温材料能够在ETC循环中提高SCR载体温度20℃左右，从而使发动机更多工况处于SCR催化剂反应高效区。在绝大部分工况下,增加穿孔管后SCR催化转化消声器的NOx转化效率要明显高于无穿孔管的结构。穿孔管孔6万方数据 第1章绪论部分朝向SCR载体的穿孔管造成的压力损失比较小，且SCR前端面速度场分布也更加均匀;开孔朝向载体的穿孔管所达到的NOx转化效率要明显高于开孔背向SCR载体形式。载体前端面NH3浓度分布均匀性交叉，NH3浓度最大值约为最小值的6倍。此外，他们还研究了安装混合器对NH3分布的影响。结果发现：安装混合器能够削减NH3分布峰值区域，提高载体前截面NH3分布均匀性，从而提高NOx转化率约10%。[30]郭红松等还研究了若增加尿素浓度或喷射量，当NH3与NOx物质的量之比小于1时，NOx转化率迅速提高，NH3排放没有明显变化，但当该值大于1时，NH3排放迅速增加。综上所述，影响SCR系统NOx转化率的因素很多，在开发过程中要充分考虑这些因素。[31]表1.1影响NOx转化效率的主要因素影响因素具体内容SCR催化剂技术涂层技术、催化剂种类选择与配方SCR催化器封装密封性、防震动情况、与DPF相对安装位置DOC是否安装及DOC的体积、贵金属含量等燃料含硫量对催化剂的影响润滑油磷等对催化剂的影响空速催化剂体积排气温度排气管保温、催化器的热管理喷雾嘴角、贯穿距离、喷雾粒径分布、喷孔数目、喷孔孔径、蒸发尿素水溶液喷雾分解速率、是否碰撞喷雾与排气的混合安装混合器、排气气流组织尿素水溶液喷射控开环控制、闭环控制、动态过程、氨存储模型、减低氨泄漏、减小制策略低温沉积物1.4SCR尿素喷射控制策略研究现状7万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究根据发动机的运行工况不同，尿素喷射策略计算出向发动机排气尾管中喷射不同的尿素量。尿素喷射策略计算出的尿素喷射量的多少直接关系到废气中NOx的催化还原程度和催化器下游氨泄漏的水平。SCR系统尿素喷射控制策略从结构上分可以分为开环控制策略和闭环控制策略两种，开环控制和闭环控制的主要区别在于是否利用SCR下游的NH3传感器或者NOx传感器信号进行反馈控制。SCR开环控制策略是指SCR系统喷射策略输出的尿素喷射量不受SCR箱下游NH3或者NOx浓度信号的影响，系统没有自动修正或补偿的能力。SCR闭环控制策略是SCR系统工作时SCR箱下游NH3或者NOx浓度信号以一定方式反馈到控制单元，并对控制单元的输入端施加控制影响的一种控制策略，相对于开环控制，它能使SCR系统控制的[32]精确度得到提高,响应时间大大缩短,稳定性也有很大提高。SCR系统尿素喷射控制策略从控制器设计上又可以分为基于脉谱映射和基于模型计算两种控制算法。基于脉谱的控制算法是通过建立尿素喷射量与发动机运行工况参数及SCR传感器参数的映射脉谱，并根据发动机的工作情况及[55]SCR系统的使用情况对尿素喷射量进行大量的脉谱修正的一种控制方法。基于模型尿素喷射控制策略以SCR系统的物理背景为基础，利用解析表达式(一般为线性方程或微分方程)计算SCR催化器内部的状态，进而设计尿素喷射控制策[42]略的方法。SCR控制策略的发展阶段SCR系统尿素喷射策略的发展可以归结为为以下三个阶段。第一阶段为开环控制算法，即利用大量事先标定好的喷射脉谱控制尿素的喷[35]射。目前工程上应用的产品级SCR控制器以该算法为主，这种控制方法设计思路简单，但标定工作量大，尤其是随着排放标准的日益严格，精确控制的不同的修正脉谱标定工作需要大量不同的复杂工况，有些标定工况（如老化修正）很难在发动机台架上模拟获得，而且控制精度还容易受到环境及系统参数变化的影响。第二阶段为基于NOx传感器的闭环控制算法，为了解决以上SCR开环系统的缺陷，许多学者和厂商通过在SCR箱下游安装NOx传感器，设计出了基[39]于NOx传感器的闭环控制算法。SCR闭环算法在一定程度上提高了尿素喷射量的控制精度，但由于SCR系统的控制目标并非单一的下游NOx瞬时浓度，而是下游NOx浓度的积分和NH3的瞬时浓度的折中，所以系统的控制目标与法规规定的排放限值存在着一定的偏离。这些偏离从本质上讲，一方面是由于缺少控制目标信息(NOx累积量或NH3浓度)所需要的反馈信号，所以这种闭环控制是存在一定缺陷的，也必然会一定程度上对控制的结果产生影响。另一方面是8万方数据 第1章绪论目前实现NOx闭环控制所使用的NOx传感器产品存在着交叉敏感问题，即NOx传感器会把NH3误认为是NOx。若将存在这种问题的传感器用于NOx的闭环反馈控制，当SCR箱下游出现NH3泄漏时，传感器反馈的NOx浓度信号反而会增高，此时负反馈变为正反馈，将会引起严重的尿素过喷，导致更加严重的SCR箱下游氨泄漏，使过量NH3直接排入环境，造成空气的二次污染。[37-38]为解决这一问题，学者提出很多解决方案，大多可归为激励响应法，即注入特定的交流或直流信号的尿素喷射，根据其响应判断NOx传感器是否交叉敏感，但这种方法普遍不适用于瞬态工况。目前也有一些新型的SCR箱，这种箱的下游加入了针对NH3的催化氧化器，将其氧化为N2，但这一方案也存在一定的问题，那就是有可能把NH3氧化成NOx，增加了污染，而且还会增加系统成本，在一定程度上引起尿素喷射的浪费。SCR控制第三阶段即NH3闭环控制阶段。NH3传感器的诞生为SCR的控制提供了新思路，由于法规中对NH3排放浓度的限值为瞬时值，所以这一控制结构更符合理想闭环控制的需求。随着该技术的诞生，出现了大量NH3闭环控[42-43]制相关的研究，这些研究大多直接默认SCR下游NH3泄露浓度可通过传感器直接测量，并基于该反馈信号提出了不同的闭环算法。虽然至今仍没有产品级的NH3传感器面世，但是根据NH3闭环算法的种种优点可以预见，NH3闭环控制必然是SCR控制技术发展的一个方向。由于目前只有Dephi公司发布了NH3传感器技术，且难以获得该传感器样件，所以以上的NH3闭环控制的研究大多与Dephi公司有关。排放法规中关于只是对柴油机排放到环境中的NOx的累积质量和NH3的瞬时浓度做了限值规定。SCR控制策略是一个多目标优化问题，它一方面要求SCR下游NOx的排放达到排放法规要求，另一方面要求SCR下游NH3泄露满足排放法规的要求，同时还要尽可能的节约尿素。首先，前两个控制目标是不能同时满足的，需要进行折中，而如何选择这一折中目前仍没有明确的结论；其次，排放法规中对NOx排放的规定是一个长期的积累量，由于未来工况无法预知，所以控制策略只能是一个实时的控制量，实时量与积累效果的关系也存在一定的不可预知性；最后，SCR内部的反应与被控的尿素喷射之间并不同步，因为NOx只与吸附的NH3反应，所以与NOx反应的NH3大多来自前一时刻喷入尿素分解出来的氨的吸附，所以尿素的喷射需要考虑后一时刻上游NOx工况的突变。目前常见的控制目标有：NOx转化效率、氨泄漏的浓度、下游排放氨[43-46]氮比和SCR储氨等。将NOx的转化效率作为控制目标较为常见，该效率并不是SCR目前实际的转化效率，而是计划消除NOx的比例，所以确定这一比例的依据决定了该算法的性能，一般这一效率由标定脉谱决定；将氨泄漏的浓9万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究度作为控制目标可以在保证氨泄漏符合排放法规的情况下尽可能的消除NOx，所以这种方法的控制目标更明确，但它的缺点是在上游NOx过低或过高的情况下分别引起尿素喷射的浪费和尿素喷射不足；为了克服这一问题，有些学者采用[45]了下游排放的氨氮比作为控制目标，这种方法在上游NOx不同浓度下都有较好的NOx消除效率；以上的控制目标都没有直接涉及如何更高效的利用SCR本体，所以也有人采用SCR催化剂的储氨作为控制目标，这种方法根据催化剂的温度将SCR的储氨控制在一定范围内，以保证SCR始终高效工作且不出现较大的氨泄漏，但是由于SCR储氨具有不可测量的特性，所以该目标值的确定需要将实验和仿真相结合，同时储氨由于受到多种因素（温度、空速、催化剂老化等）的影响，其储氨目标的标定工作也具有较大的难度。1.4.1国外研究现状[37]ChiJN等人结合试验数据详细论述了开环和闭环控制中需要解决的问题。他认为开环控制中存在的问题是在控制中所用的发动机废气涡轮出口NOx浓度值、排气流量值、尿素水溶液浓度值、尿素喷射速率及氨存储量值都会有误差，所有误差总共能使实际的NOx转化效率与设定的值相差13.5%左右；闭环控制中存在的问题则有喷射系统的总体延时、催化器动态特性影响和NOx传感器对NH3敏感等问题。[38]SchärCM等人研究了NOx传感器对NH3比较敏感的问题。他们认为NOx和NH3不会同时大量存在，而当催化器入口NOx和NH3的比例在1:1上下变化时，催化器后NOx传感器的信号特征是不同的，可以根据信号特征来判断当前是NH3还是NOx。[39]PeytonJonesJC等人联合研究了NOx传感器的NH3敏感问题，提出了更进一步的计算方法，该方法根据微扰理论更深入细致地分析了NOx传感器在测量不同浓度NOx和NH3时测量值的梯度变化特征，该算法可以在NOx和NH3均存在的情况下根据NOx传感器的测量值分别计算出NOx和NH3的浓度。最后通过与傅里叶变换红外光谱仪测量结果的对比验证了算法的准确性。Delphi公司用自己开发的NH3传感器实现了基于氨信号的闭环控制。该公[40]司的MarkShost等人等人利用氨传感器实现了闭环控制，并在台架上运行FTP测试循环对比了开环控制和闭环控制的效果。为优化SCR尿素水溶液喷射控制需要建立SCR动态反应模型。该模型的建立基于SCR动态反应机理，并需综合考虑催化器的温度、排气流量、催化器特性（材料、孔密度、体积和壁厚等）、还原剂喷射量、催化器对NH3的存储特性、氨存储量对NOx转化效率和NH3泄漏量的影响等。其中催化器的温度一般是通过测量催化器入口和出口的排10万方数据 第1章绪论气温度，然后通过一定的算法来计算，详细的算法中需要催化器的换热模型。[41]JohnN.Chi等人开发了闭环自校正控制策略，它是基于模型参考自适应控制的方法，将该控制方法应用在一款康明斯重型发动机上进行FTP循环测试，结果表明，NOx的转化效率达到了84%，而平均的氨滑移仅为7ppm，峰值氨滑移为55ppm，峰值氨滑移发生在FTP循环中的洛杉矶高速公路测试阶段。[42]DieterH.E.Seher等人提出了一种基于脉谱的开环尿素喷射策略，该方法首先根据发动机转速、喷油量、发动机温度等因素确定稳态下的基本尿素喷射量，然后利用发动机催化剂温度模型、NOx预测模型以及储氨模型对基本喷射量进行瞬态修正，并进行了ESC稳态试验和ETC瞬态试验，结果表明，稳态下NOx的转化效率能够达到80%，ETC循环时，原机NOx排放为9g/kWh，下游NOx排放为3.9g/kWh，平均氨滑移为2.0ppm。[43]DaYuWang等人提出了一种基于氨传感器闭环尿素喷射控制策略，它将氨滑移反馈控制和催化剂表面储氨相结合对尿素喷射量进行控制，对该策略进行ESC试验，最终结果表明，NOx的转化效率高达90%，平均氨滑移为6ppm，最大氨滑移为20ppm。[44]Chia-JuiChiang等在前期实验数据的基础上，建立一个实时的预测模型。模型预测控制策略被应用于该模型中。仿真结果显示：模型预测控制能够提高NOx的转化效率和减少NH3的泄漏。[45]FrankWillems等研究了一般的开环控制，基于催化剂前后NOx传感器的闭环控制以及采取NH3传感器的闭环控制三种控制策略下的SCR系统的工作特性。研究结果表明：一般的开环控制可达到较高的NOx转化效率，但无法对发动机的NOx转化效率进行有效监控。使用NOx传感器的控制策略中，得到比第一种控制策略较好的结果，可监控NOx的转化效率，但发现NH3对NOx传感器的影响较大。尽管研究人员使用修正措施对NOx传感器的NH3的横向灵敏度进行了调控，以使其较好的工作，但该现象还是限制了该控制策略的使用，与前两种相比，采取NH3传感器的闭环控制可达到最好的效果。[46]HuJing等设计一种基于氨的NOx传感器闭环控制系统，试验结果表明：随空速的增加、催化剂温度的降低，催化剂效率的降低、NH3的催化剂的吸附限制减少。最后通过以上关系修正的控制策略应用到实际控制器中，取得良好效果。[47]MingFengHsien等以催化剂表面的储氨反应为基础，设计了一种能实时预测储氨率的模型预测辅助方法。[48]MarkShost等建立SCR一位反应模型，和实际数据对比进行标定修正。将该模型嵌入到控制模型中，实时预测柴油机NOx排放量，进而取代MAP图的控制方法。11万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究[49]AndrewHerman等同样将SCR反应模型嵌入到控制算法中，并采用氨传感器进行闭环控制。面对催化剂老化、氨喷射故障、尿素水溶液浓度变化等问题，设计了一种适应性控制算法。[50]MingFengHsien等为提高NOx转化率的同时减少氨气泄漏量，提出了氨气再两罐催化剂表面以阶梯状存储的思路。为解决这个问题，作者在前催化罐中保持一定值以上，而在后催化罐中保持氨覆盖率在一定值以下，并用非线性的方法实现了该功能。[51]MingFengHsieh等设计了一个控制导向的动态模型，能够实时预测DOC之后的NO与NO2的比例，这为后续的尿素喷射提供修正依据总结以上文献可知，国外现阶段的研究重点围绕如何满足Ⅴ、Ⅵ法规而展开，集中在尿素喷射闭环控制和SCR结构优化两方面。其中SCR结构方面，普遍采用紧凑型结构。在闭环控制策略方面，主要采用氨存储率的预测模型来应对瞬态工况。[52]C.M.Schar等建立了催化器的数学模型，并提出了基于模型的动态反馈控制策略，该策略主要包括三个部分：前馈控制器、储氨状态观测器和基于NOx传感器的反馈控制器。尽管NOx传感器能增加反馈控制的性能，但也存在着不可忽略的对NH3交叉敏感问题。他还对控制策略进行了ESC和ETC的试验验证，结果表明，SCR箱下游的平均氨泄漏量低于10ppm，且NOx的消除率达到了82%。[53]MaruthiDevarakonda等人提出了两种不同的只包含反应动力学的降阶模型，并将它们与包含扩散和反应动力学的高阶模型做了比较，表明四阶模型有很好的结果，在四阶模型基础上还提出了基于模型的线性评估器和非线性控制策略，线性评估器用于状态估计，而非线性模型用于控制器设计。最终达到较低的NH3泄漏和较高的NOx移除效率。[54]ClintonR.Bedick提出了SCR的四种控制模式：（1）前NOx传感器+开环前馈控制器；（2）后NOx传感器+闭环反馈PD控制器；（3）前、后NOx传感器+闭环反馈PID控制器；（4）前NOx传感器+模型控制器。分别对这四种控制方法作了FTP，ACESHHDDT_S和ICOMIAE5试验，从降NOx、复杂性和成本上分析，前、后NOx传感器+闭环反馈PID控制方法被确定为相对最佳方法。[55]ClaesEricson等利用状态空间概念建立了简易的SCR催化模型，并联合发动机排放模型进行了基于模型的离线优化。结果显示很好的快速性能，并能用于基于模型的控制。[56]ThomasL.McKinley等通过建立氨吸附-解析模型，并包括NO2/NOx率，NO转变为NO2的转化率，氨的氧化和N2O形成的影响，从而建立可转换的SCR控制模型，并通过试验进行模型标定。经过试验证明了模型的鲁棒性、精确性和效率。12万方数据 第1章绪论[57]M.F.Hsieh,J.Wang通过排气尾管中的NOx传感器和氨传感器建立滑移模型来预测氨表面覆盖率，从而同时实现高的NOx转化率和低的NH3泄漏量，并且该模型还可以用作故障诊断。1.4.2国内研究现状[58-59]佟德辉等采用如下控制策略：稳态时，根据发动机转速和燃油喷射量标定出NOx浓度和尿素水溶液的基本MAP，然后通过发动机排气流量和SCR催化温度对尿素喷射量进行修正。（MAP图主要包括尿素设定量MAP、SCR催化器温度MAP和SCR催化器温度修正MAP）。瞬态时，根据排气温度的设定值和测量值的差值进行瞬态修正。[60]张文等认为：稳态时，可根据转速和喷油量确定基本的NOx排放量，通过排气流量、排气温度得到基本的催化器转化效率，计算出尿素基本喷射量。瞬态时，通过瞬态稳态两种工况下的温差加大或减小尿素喷射量。[61]胡静等在SCR催化器前后端分别安装NOx传感器，通过直接测量SCR催化器前后端的NOx浓度，来实时精确的得到NOx转化率，从而进一步精确闭环控制尿素的喷射量。在SCR催化剂后端安装NH3传感器，可以检测尾气中NH3浓度，并考虑NH3吸附模型，实现基于NH3传感器的瞬态修正。[62]杨建军等做了SCR后处理控制策略的开发与研究。他根据原机NOx排放浓度脉谱、排气温度和空速脉谱等计算还原剂的喷射速率。并通过试验研究了NH3/NOx比值、排气温度和空速对NOx转化率和氨泄漏浓度的影响以及SCR催化剂的氨吸附和脱附特性，根据研究结果，分别确定稳态和瞬态工况下尿素溶液喷射的控制方案，实验表明：该控制方案实现了ESC稳态循环和ETC瞬态循环下的控制目标。此外，冷机起动试验表明，该阶段的排气温度低，NOx排放浓度较高，故应采取措施减少低温工况下NOx的排放。[63]刘传宝等利用神经网络开发了目标柴油机排放模型和催化剂模型。基于催化剂模型多目标优化计算得到尿素计量脉谱，这样的开环控制系统经ESC循环试验证明所标定的脉谱精度满足控制要求。[64]胡振奇分别设计了基于标定脉谱和基于模型的尿素喷射控制策略。基于脉谱的控制策略中，包括带瞬态修正的发动机的NOx原始排放估算算法；NOx的最大转化效率脉谱选择；尿素喷射量计算算法，及利用温度、储氨、老化等参数对喷射量进行修正的算法。基于模型的控制策略利用观测器计算SCR催化器内部的储氨及温度，根据状态观测器的结果及目标NH3的泄露浓度反推尿素喷射量，从而实现基于模型的前馈算法。结果显示都能达到国Ⅴ排放法规的要求。[65]无锡凯龙公司认为：稳态时，可以通过查询NOx目标转化率、发动机循13万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究环喷油量、NOx排放浓度等MAP图确定NOx的目标转化率，然后通过查询发动机排气流量MAP，计算所需的基本尿素喷射量，最后通过尿素罐温度、催化剂出口温度对基本喷射量进行修正。瞬态时，分成两种情况进行修正：瞬态负载突增，修正系数小于1；瞬态负载突减时，修正系数大于1。[66]覃军等开发出了基于脉谱的开环尿素喷射控制策略，它是根据事先标定好的发动机原机排放脉谱、排气流量脉谱和转化效率脉谱确定基本的尿素喷射量，然后利用排气温度和储氨脉谱对基本喷射量进行瞬态修正，对该喷射策略进行台架实验，结果表明，ESC试验时，原机NOx排放13.5g/kWh，SCR下游NOx排放为2.8g/kWh；ETC试验时，原机排放9.2g/kWh，SCR下游NOx排放为2.89g/kWh。国内发动机制造企业如玉柴、潍柴、锡柴等都在积极引进SCR技术以应对越来越严格的排放法规，这些技术基本上是基于脉谱的开环尿素喷射控制策略，在引进、消化吸收的基础上也在积极开发更加精确控制的尿素喷射策略，并且各自都取得良好的进展。[67]王洪荣等首先采用间接法估算NOx的生成量，尿素的喷射量有NOx的生成量、催化剂状态和发动机的状况共同决定，然后通过进气温度和湿度进行修正。瞬态修正时，通过比较排气温度的设定值和SCR催化器的前后温度确定修正值。另外，其在自行开发SCR系统供给计量泵和电控系统的基础上进行了SCR控制策略的研究。设计了SCR系统总体工作流程。基于开环控制原理设计了目标尿素需求计量策略，根据状态转移机制设计了计量泵状态及故障跳转管理策略。测试结果表明，该系统运行稳定，执行效率高，可满足柴油机SCR系统控制的需求。[68]张建锐开发SCR尿素喷射控制策略时采用V型开发流程，进行控制策略的需求定义、需求分解、被控对象模型建立、离线仿真、快速控制原型验证，最终得到更加可靠、实用的控制策略模型。对于国Ⅳ标准，采用基于脉谱的开环控制。而对于国Ⅴ尿素喷射控制策略则采用基于SCR模型的闭环控制，这样可以提高控制系统的鲁棒性及控制精确性。通过模型计算的表面遮盖率进行闭环控制，可以减小氨气的泄漏。基于SCR模型控制结合ANR预控使尿素喷射控制更加准确和稳定。通过对开环控制及闭环控制离线仿真的比较，说明基于模型的闭环控制优于开环控制，它能够控制氨气的泄漏，并且NOx限值达标。1.5研究的目的和主要内容以往常规基于MAP的控制策略需要大量的标定工作，而且受环境和系统参14万方数据 第1章绪论数的影响，控制精度越来越难以满足要求。基于模型的控制策略能够计算SCR催化器内部的状态，从而可以提高尿素喷射控制的精度和响应特性。因此，本文研究了基于模型的SCR尿素喷射控制策略，提高尿素喷射精度，确保氨气较少泄漏的同时，实现较高的NOx转化效率。为满足越来越严格的法规进行技术上的储备。主要内容如下：（1）建立氨存储和催化反应模型。建立柴油机NOx排放的预测模型作为控制模型的输入。利用Elry-Rideal反应机理，选取主要的SCR催化反应（包括氨吸附与解吸附反应、标准SCR反应、快速SCR反应、氨氧化反应等）和质量守恒原理建立催化反应模型和氨存储模型。然后利用试验数据对上述模型参数进行辨识。（2）建立柴油机稳态工况和瞬态工况的尿素喷射控制策略。以氨泄漏量为定值，使NOx转化效率较高作为控制原则。建立SCR尿素喷射系统的协调控制策略。前馈控制中，利用催化剂温度变化相对排气温度变化的滞后，对尿素喷射量进行修正。反馈控制中，运用PI控制器来实时调节氨表面覆盖率，确保氨的泄漏量不超过限值。（3）建立柴油机SCR后处理系统的模型，并对相关参数进行优化。研究SCR系统NO2/NOx等关键参数对NOx转化效率的影响，以及催化剂温度和空速对催化剂最大氨存储量的影响。（4）进行尿素喷射控制策略的耦合和离线仿真。分别进行稳态工况和瞬态工况的离线仿真，并对仿真结果进行了研究。15万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证由于基于脉谱的尿素喷射策略标定工作量比较大，而且随着排放法规的日益严格，精确控制所需要的不同的修正脉谱标定工作量会更大，有些工况（如老化的修正脉谱等）甚至是难于获得的。基于模型的控制策略则是指以被控对象的物理背景为基础，利用解析表达式(一般为线性方程或微分方程)计算被控对象内部的状态，将被控对象模型用于控制算法一部分的控制方法，从而设计控制器的方法。模型用于算法中，使控制算法增加更多的信息及传感器无法感知的信息，从而提高的控制的灵活性和鲁棒性。从理论上讲，基于模型的控制策略会极大的减小控制策略的标定工作。对于SCR系统来说，系统模型可以实时计算不同工况下（排温、空速等）SCR的特性，还可以估计SCR的内部状态（储氨、SCR催化剂的温度等），从而实时计算所需的尿素喷射量。2.1基础模型的建立基于模型控制方法的关键是模型，模型的建立源于不同的系统建模方法。对于控制系统则要求模型具有实时性，因此要考虑模型的简化，经过简化后的模型经过一定的验证流程才能用于控制系统。用于控制器的模型需要捕捉相关的化学和物理信息并必须足够简单以能够用于设计和实时运行，即和被控过程相比，控制器的更新速率必须要更快。所谓模型简化就是对已有的数学模型进行降阶或者降维处理，同时又能保留原系统主要特征。对于SCR系统，SCR系统的传热、化学反应等过程都为三维场特性，精确的有限元计算是实时控制不能允许的。目前应用在发动机控制器内部的模型主要由怠速控制、点火喷油定时控制、爆震控制、排放控制、后处理控制、优化燃油经济、优化驾驶性等组成。本文主要是通过引入SCR的被控模型作为控制模型的一部分，从而能够更好地监测SCR催化剂上氨气的吸附解吸附过程，并根据吸附在催化剂表面的氨气表面遮盖率来合理地控制尿素喷射量。模型中用吸附在催化剂上氨气的表面遮盖率作为尿素喷射的控制目标，如果实际表面遮盖率少于目标值，即增加尿素喷射量，否则减小尿素喷射量。16万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证图2.1SCR催化反应示意图图2.1描绘了整个SCR系统中相关组分的变化过程。首先，尿素在催化器上游被喷入排气管，尿素经热解反应分解成氨（NH3）和异氰酸（HNCO）。然后，进入催化器内部，HNCO经水解反应生成NH3和CO2，同时，NH3被吸附在催化器的基板上。最后，NOx与吸附在催化器基板上的NH3进行氧化还原反应生成N2和H2O。尿素喷射的精确控制受一些因素的影响，如NOx排放、催化剂温度、氨气在催化剂上的存储量等。每一项因素的误差都会使尿素喷射的精度变差，从而导致氨气泄漏过量或者NOx排放增加，这将导致使用成本增加或者超出排放法规。因此，需要比较精确地建立相关因素的模型。本文在建立控制系统模型时，采用的是Simulink。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也17万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。其具有以下特点：1.丰富的可扩充的预定义模块库。2.图形化的建模环境，可以通过鼠标单击和拖拉来操作Simulink模块，交互式的图形编辑器较容易地组合和管理直观的模块图。3.以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。4.通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。5.提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。6.使用EmbeddedMATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用Matlab算法。7.使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。8.图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。9.可访问Matlab从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据。10.模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。11.Simulink建立的系统模型可以是层级模型，因此可以采用自下而上或自上而下的方式建立模型，并且一层一层地查看各级模型。12.可以根据需要自定义子系统并进行封装，自定义子系统和系统本身的模块具有相同属性，还可以设置自定义子系统模块的属性参数，所有的自定义子系统均可在系统模型中使用。13.Simulink和MATLAB是集成在一起的，因此，在两个环境中的任一个下都可以建模、分析和仿真相应的模型。本文在建模的过程会用到许多类型的Simulink模块，在使用到的过程中会详细介绍这些模块。2.1.1NOx排放预测模型首先，对于稳态工况的NOx排放，本文指分别预测NO和NO2的排放。对于分别预测NO和NO2的排放。有论文提到不同NO与NO2的比例会产生不同的NOx转化效率。通过图2.2可以发现，相同温度下，NOx转化效率随着NO/NOx的增加先18万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证增大后减小。不同温度的NOx转化效率均在NO/NOx为0.5时最大。NO/NOx值偏离0.5后，NOx转化效率均降低。因此，在考虑NOx转化效率时，不仅要考虑温度和空速，还要考虑NO/NOx比。[69]图2.2NO/NOx比例对NOx转化效率的影响同时，发动机在不同工况下的NO和NO2的比例是不同的，并不是通常意义的NO:NO2为9:1的情况，如图2.3所示，随着喷油压力的增加，NO2/NOx的比例逐渐降低，NO2/NOx的比值范围从5%到40%。[70]图2.3NO2/NOx比例随喷油压力的变化不同论文对于与NO和NO2的排放相关的函数有不同的结论，经过对目标柴油机的NO和NO2的数据进行分析后发现没有相关函数关系，因此，本文利用试验数据获取的MAP的形式来获得NO和NO2的实时数据。如图2.4。图2.4稳态NOx排放模型19万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究排气流量模型一方面用来计算空速，空速的定义为标准状况下排气体积流-1量除以催化剂体积，单位h，反映了NH3在催化剂上的停留时间，是反应催化剂特性很重要的一个因变量，从而也是尿素喷射控制中非常重要的一个变量。实际应用中，排气流量很难进行测量，一般情况下公式计算：Q=Qin+B（2-1）其中：Q为排气流量；Qin为进气流量；B为燃油消耗量。图2.5稳态排气流量模型从而得到稳态时的NOx排放模型，如图2.6。图2.6稳态NOx预测模型对于瞬态工况的NOx排放，一般情况下，与所对应稳态工况的NOx排放值有区别。而且，定转速变转矩工况以及定转矩变转速工况的瞬态与稳态NOx排放的区别也不同。虽然也可以通过标定获得，但这样的工作量会比较大，NOx瞬态排放预测模型是指催化器上游NOx排放预估模型，相关研究表明：原机NOx排放不仅受转速和负荷影响，还有其他一些因素，因此很难用传统的基于数学模型的建模方法来估算原机的NOx排放。而传统的基于MAP图的控制方式需要大量的标定工作，工作量大，周期长，费用也比较高；预估的精度也有限。BP神经网络是是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络，是目前应用最广泛的神经网络模型之一。BP神经网络能学习和存储输入-输出之间的映射关系，而无需知道这种映射关系之间的数学方程。只要有足够的数据样本使20万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证BP神经网络进行学习，便能完成有N维输入空间到M维空间之间的非线性映[71]射。本文采用BP神经网络方法实时预测NOx排放。BP神经网络结构设计BP神经网络初始化利用训练样本进行网络训练否训练结束是利用验证样本进行网络验证图2.7BP网络流程图首先，需要选取影响柴油机NOx排放的因素作为神经网络模型的输入量。这些输入量要能够影响或反映输出量的变化，即输入量和输出量之间要有较高的相关性，同时为了简化模型，需要要求输入量之间的相关性要低，另外，对于应用于实时控制的预测模型，还需要要求输入量是实际可以测量或者计算的。因此，根据这些要求，确定神经网络模型的输入量为：（1）转速。柴油机NOx形成需要的3个条件：燃烧过程中的高温和富氧、以及高温持续时间。柴油机的转速对NOx的成因都有影响。（2）负荷。柴油机的负荷主要体现在喷油量，喷油量的变化同样会引起NOx的变化。（3）进气温度。进气温度如果较高，进过燃烧后更易形成高温，同时，也会造成高温持续的时间较长。（4）增压压力。增压压力比较高的时候，会使进入气缸内的空气量增加，从而使燃烧比较充分，从而形成较多的NOx。（5）冷却液温度。冷却液温度体现了缸内燃烧的状况。冷却液温度较高时，会使气缸传热量下降，从而使缸内的燃烧温度和压力都升高，从而使NOx生成量增加。（6）排气温度。排气温度能够反映气缸内实际的燃烧情况。试验结果表明，21万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究NOx排放量与柴油机的排温有较好的线性关系。（7）负荷变化率。柴油机实际工作中NOx排放量不仅取决于当前时刻的运行参数，之前的工况运行参数对NOx生成量也有影响，尤其是瞬态工况。（8）转速变化率。和负荷变化率一样，NOx排放不仅取决于当前工况的运行参数，还与之前的运行参数有关。此外，还有一些因素会对柴油机NOx生成量有影响。像进气湿度的增加能够降低NOx排放量。但进气湿度取决于环境湿度，台架试验室内的环境湿度变化量较小。从而本文不用进气湿度来作为预测模型的输入量。所选取的输入量均可以从台架试验获取。选取了相关输入量之后，需要对输入量进行归一化处理。进行归一化处理的原因主要是：（1）各输入量具有不同的物理意义和量纲，比如转速的单位是rpm，数值一般在800~2300之间。而负荷是以百分数表示，因此一般在0~100之间。如果之间作为输入的话，可能会使负荷的变化被忽视，从而无法体现负荷对NOx生成量的影响。进行数据归一化处理可以使各输入分量以同等重要的地位看待。（2）BP神经网络的神经元采用S型变换函数，数据归一化处理后可防止因输入的绝对值过大而使神经元输出饱和，从而导致权值调整进入误差曲面的平坦区。（3）S型变换函数的输出值在-1~1之间，作为教师信号的输出如果不进行归一化处理，会导致数值大的输出分量绝对误差大，数值小的输出分量绝对误差小，网络训练时只对输出总误差调整权值，使得在总误差中占份额小的输出分量相对误差较小。将输入输出进行数据归一化的变换公式为Xmid=(Xmax+Xmin)/2（2-2）Yi=(Xi-Xmid)/0.5(Xmax-Xmin)（2-3）其中：Xmid为数据变化范围内的中间值；Xmax为数据变化范围内的最大值；Xmin为数据变化范围内的最小值；Xi为输入数据；Yi为归一化后的输入数据。接下来，需要进行网络隐层的设计。网络隐层的设计是神经网络结构设计的核心部分。隐层节点的作用是从样本中提取并存储其内在规律，每个隐层节点有若干个权值，而每个权值都是反映网络映射能力的一个参数。确定网络隐层的节点数没有可行的理论指导，通常采用试凑法，现有经验公式可以用来确定试凑法的初始值，即：22万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证m=√n+l+a（2-4）其中：m为隐层的节点数；n为输入层的节点数；l为输出层的节点数；a为1~10之间的常数。隐层节点数增加，会提高预测的准确性，尤其是隐层节点数小于15个的时候。当隐层节点数大于15个的时候则会出现不稳定。同时为了考虑收敛速度，结合本文中确定的输入和输出的节点数，确定隐层节点数为15个。接下来是进行网络训练。网络训练的目的是调整各层的权值，通过调整权值来改变网络的输出误差，当误差小于目标输出误差时即可停止训练。如图2.8所示。其中，网络输出误差的定义为：2Error=∑(Ok-Tk)（2-5）其中：Ok为网络输出；Tk为期望输出。目标神经网络比较输入（包括连接权重）输出调整权重图2.8神经网络训练示意图此外，神经网络性能的好坏主要看该网络是否具有良好的泛化能力，泛化能力的测试需要特定的测试数据实现。一般的情况下，将试验所获得的数据分为两个部分，2/3的数据用于网络的训练，1/3的数据用于该网络泛化能力的检测。本文采用Matlab/Simulink中的神经网络工具箱来建立神经网络的模型。在网络训练过程中，首先选用快速训练函数trainlm获取网格的基本结构，然后在采用提高泛化能力的训练函数trainbr对基本网络结构进行优化。最后得到的模型结构包括数据前处理模块，BP神经网络模块和数据后处理模块。数据前处理模块对输入数据进行归一化处理，BP神经网络模块负责完成输入到输出的非线性映射，数据后处理负责对输出的数据进行反归一化处理。预测输出为催化器上游NOx浓度、NO2/NOx的比例和排气的质量流量。完成初始化和配置后，进行网络的训练，在训练精度达到要求后可以进行网络的测试，即进行模型的验证。网络的预测结果与试验测试的结果对比如下图，其中NOx浓度的相对误差为，NO2/NOx比例的误差为，排气质量流量的误差为，列成表格。以上误差乘以换算系数后对尿素计量精度的影响可以忽略，23万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究因此，BP网络可以用于预测NOx排放。转速输输负荷NOx浓度转速变化率入出数数负荷变化率NO2/NOx•据据进气温度•归反•增压压力排气流量一归冷却液温度化一排气温度化图2.9BP神经网络NOx预测模型结构2.1.2氨存储模型在建立SCR反应模型时，采用公认的Elry-Rideal反应机理，即吸附在活性中心上的NH3同排气中或者是微弱吸附状态的NOx进行反应。SCR催化器内的反应过程比较复杂，因此，在进行催化反应建模时，有两种途径。一种是尽可能模拟催化器内的反应，从而建立4阶或者更高阶的方程，然后，进行合理的方程降阶，以达到控制器使用的要求。另一种是在建模前，先进行一定的简化和假设，这样可以先建立相对简单的模型，然后去验证简易的模型是否满足实际需求，如果满足就使用该模型，如果不满足，则对该简易模型添加新的反应机理。本文采用后者，其思路如下图2.10所示。提出相应假设获得简易模型添加新的模型不满足进行模型验证添加反应机理满足使用该模型图2.10模型建立流程图24万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证为了建立一个适用于控制器的反应模型，需要进行一些简化和假设：微元内部特性相同；微元间不存在热的传导；忽略化学反应的放热与气固之间的热交换相比较小，因此此处忽略化学反应放热。由于进入催化器内部的异氰酸的水解反应速率比SCR反应速率多出两个数量级，因此，在催化器前端即反应完全。因此，在反应模型中认为模型输入即NH3，没有尿素和异氰酸。SCR反应模型是基于化学反应动力学的物理模型，主要是利用阿伦尼乌斯法则进行动力学计算。K=A𝑒−𝐸𝑎/𝑅𝑇（2-6）其中：K为反应的速率常数，单位1/s；A为指前因子，单位与K相同；Ea反应的活化能，单位kJ/mol；R为摩尔气体常数，单位8.314J/(mol·K)；T为绝对温标下的温度，单位K。化学反应速率是指单位时间内反应体系中各物质浓度的变化量。反应的速率常数K是在给定的温度和反应条件下，各反应物浓度均为1mol·L时的化学反应速率。K只与化学反应本性、温度、催化剂等因素有关，与各反应物浓度无关。反应条件一定时，K是个常数。实验指出，在温度一定的条件下，多数化学反应在某一时刻的瞬时反应速率与该时刻反应物的浓度的幂次的乘积成正比。例如对于反应：aA+bB→cC+dD（2-7）ab其反应速率为R=K[A][B]（2-8）其中：K为化学反应的速率常数；a和b为反应物A和B浓度的幂次；K、a和b均为系数，可通过实验测定。（a）NH3的吸附与解吸附NH3+θfree↔NH3*（2-9）其中：θfree是指催化剂表面的活性位；NH3*指吸附在催化剂表面活性位上的NH3。体现催化剂表面活性位多少的是催化剂本身的储氨能力，而储氨能力是和催化剂温度相关的。例如论文中提到一种沸石催化剂的储氨能力从200℃时的1.4g/L降到400℃时的0.05g/L。即低温时，有相当数量的氨吸附在催化剂的表面；高温时，解吸附的速率会大于吸附的速率，使催化剂表面的储氨量减少。25万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究从而催化剂温度突然升高时，极易造成氨的泄漏。因此，催化剂本身的储氨能力在控制策略中需要考虑到。）%（转化效率NOx储氨量（g/l）[72]图2.11NH3储氨量和NOx转化效率的关系图从图2.11可以看到，即使高温时覆盖在催化剂表面的氨的数量比低温时的低，但可以达到同样的NOx转化率。根据化学反应动力学可知：氨的吸附速率为Rads=kadsCNH3(1-θNH3)ΩV（2-10）氨的解吸附速率为Rdes=kdesθNH3Ω（2-11）其中：Ω为一定温度下催化剂的最大储氨能力，即最大所能存储的氨的摩尔数，单位mol；θNH3为一定温度下催化剂的氨表面覆盖率，定义为θNH3=MNH3*Ω,MNH3*为实际吸附在催化剂表面的氨的摩尔数，单位mol；Ri为反应速率，单位mol/s；3Ci为反应物浓度，单位mol/m；3V为催化剂体积，单位m。有论文做过相关灵敏度研究，即20%的氨表面覆盖率模型的误差只会使ESC和ETC循环中的NOx排放增加2%。因此，一个简易的模型可以用于氨表面覆盖率的预测。氨存储模型模型主要考虑温度的影响，因为不同温度下，催化器的储氨能力差别很大，对于催化剂的最大储氨能力，参考相关论文，设定其为Ω=me-nT,其中，系数m和n均为大于零的常数。另外，由于催化剂的储氨能力是和催化剂的温度相关的。因此，需要建立催化剂本身的温度模型。此模型需要考虑催化剂与周围环境的换热，包括排气和催化剂之间的传热、大气与催化剂之间的传热。通过了解催化剂温度的物理变化过程，使SCR催化剂温度的变化趋势更接近实际情况，从而保证氨气吸附量与解吸附量的正确计算，进而使尿素喷射量的计算更加精确，减少氨气的泄漏。催化剂的温度对于正确预测SCR载体内的氨气量至关重要，催化剂的温度同时反应催化剂本身的活性，直接影响到反应的效率，影响到温度窗口的判断。26万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证因此不仅要能够准确的计算催化剂的稳态温度，同时也要能计算出瞬态过程中催化剂的温度实时变化。mcCcdTc/dt=Cexhṁexh(Texh-Tc)-hambaamb(Tc-Tamb)（2-12）其中：mc为催化器的质量，单位kg；Cc为催化器的比热容，单位J/(kg·℃)；Cexh为排气的比热容，单位J/(kg·℃)；ṁexh为排气的质量流量，单位kg/s；Tup、Tdown分别为催化剂前后排气的温度，Tc=0.5*(Tup+Tdown),单位℃；2hamb为大气和催化器之间的对流换热系数，单位W/(m·℃)；2aamb为大气和催化器之间的对流换热面积，单位m。图2.12催化剂温度模型（b）NH3的催化还原反应这里的催化还原反应主要包括下面三个反应：2NH3*+NO2+NO→2N2+3H2O（2-13）4NH3*+4NO+O2→4N2+6H2O（2-14）4NH3*+3NO2→7/2N2+6H2O（2-15）快速SCR反应的反应速率比标准SCR反应的反应速率多出一个数量级，从而，可以通过提高NO2/NOx的比例来提高SCR系统的NOx转化效率。例如在SCR系统前加装DOC，通过将NO氧化成NO2来增加NO2/NOx的比例,还可以提高SCR系统的低温性能。但如果NO2/NOx的比例超过50%，会出现慢速SCR反应。这样会影响NOx的转化效率。因此，在加装DOC时也要注意。可得相关化学反应速率:27万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究2快速SCR反应速率Rfst=kfstCNOCNO2θNH3ΩV（2-16）2标准SCR反应速率Rstd=kstdCNOCO2θNH3ΩV（2-17）慢速SCR反应速率Rslw=kslwCNO2θNH3ΩV（2-18）对于催化还原反应，不同温度下，反应速率差别很大，下图2.23就显示了不同温度下SCR系统催化还原反应中标准反应的反应速率，其中催化剂上没有预先存储的氨。[73]图2.13不同温度下的反应速率（NH3:NOx=1:1）（c）NH3的氧化反应文献提到：对于铁基分子筛催化剂，当出现NH3的氧化反应时，氧化产物基本就是N2，而不是NO和N2O。因此，这里在考虑NH3的氧化时，只考虑生成N2的反应。即：4NH3*+3O2→2N2+6H2O（2-19）NH3的氧化反应是不希望发生的，因为NH3的氧化会使覆盖在催化剂表面的NH3被消耗，从而在接下来的工况需要喷射更多的尿素。催化剂表面NH3的氧化反应速率Roxi=koxiθNH3Ω（2-20）对于SCR后处理系统，主要的气体组分为NO、NO2和NH3。这些气体在催化器中均遵循质量守恒，即满足方程：V𝐶̇x=F(Ci,in-Ci)-Ri（2-21）3式中：Ċx为气体的摩尔流量，单位mol/m/s；3V为催化器体积，单位m；3F为排气体积流量，单位m/s，这里认为进出催化器的排气流量是相等的；3Ci,in和Ci分别为催化器进口和出口气体的摩尔浓度，单位mol/m。Ri为反应速率，单位为mol/s。为了避免出现偏微分，从而简化计算。假设SCR催化器是一个均匀的反应容器，即催化器内部是均质的。另外，因为相对于其他排气成分，排气中的氧浓度是很高的，因此，一些论文在研究SCR系统建模时，没有考虑氧气参与的28万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证反应。而有论文发现，对于分子筛的催化剂，柴油机中的氧浓度变化对NOx的转化效率和NH3的氧化速率有显著的影响。因此，需要考虑相关反应。又因为被SCR反应的氧气占比相对比较小，因此，这里假设经过SCR催化器，氧浓度保持不变，而且氧浓度可以通过NOx传感器测量得到。可以得到催化器模型的动力学方程为：ṀNH3*=Rabs-Rdes-Rstd-Rfst-Roxi（2-22）图2.14NH3存储模型2.1.3SCR催化反应模型由以下方程可以得到SCR催化反应模型：VĊNO=FCNO,in-FCNO-Rstd-0.5Rfst-Roxi（2-23）VĊNO2=FCNO2,in-FCNO2-0.5Rfst（2-24）VĊNH3=FCNH3,in-FCNH3–Rabs-Rdes（2-25）得到图2.15所示的NO浓度反应模型，图2.16所示的NO2浓度反应模型，图2.17所示的NH3浓度反应模型。由于NOx预测模型所预测的NOx浓度是体积浓度，要用于反应模型中，需要转换成摩尔浓度，因此，需要如图2.18所示的NOx摩尔浓度计算模型。图2.19是NH3摩尔浓度计算模型，用于将尿素喷射量转换成NH3的摩尔浓度，从而才能用于反应模型计算。29万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究图2.15NO浓度反应模型图2.16NO2浓度反应模型30万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证图2.17NH3浓度反应模型图2.18NOx摩尔浓度计算模型图2.19NH3摩尔浓度计算模型NOx摩尔浓度计算模型是为了将原机NOx浓度转化为摩尔浓度，从而进行催化反应计算。最后得到的SCR反应模型如图2.20所示。31万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究图2.20SCR反应模型2.2SCR系统的试验研究2.2.1试验设备为了获取控制模型参数辨识和验证所需要的数据，本文通过发动机台架试验获取了不同工况下原机的NOx排放（包括NO和NO2），进气流量、燃油消耗量、尿素质量流量、催化剂上游温度、催化剂下游温度、下游NOx浓度（包括NO和NO2）、下游NH3浓度等。台架布置示意图如图2.21所示，图2.22展示了实际的试验台架。表2.1和2.2分别展示了试验用发动机和催化器的基本参数。AVL-PUES多组分分析仪WP7柴油机SCR催化器AVL-PUMAINCAAMA-i60台架控制系统标定系统排放测试系统图2.21台架布置示意图32万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证图2.22试验台架表2.1试验用WP7柴油机基本参数参数名称/单位参数值发动机型式4冲程、增压中冷缸径/mm108行程/mm130排量/L7.14缸数6喷油装置电控高压共轨额定功率/kW220-1额定转速/r﹒min2300最大扭矩/N﹒m1100-1最大扭矩转速/r﹒min1200~1600-1怠速转速/r﹒min700±50排放水平国Ⅳ表2.2试验用SCR催化器基本参数催化器体积（L）28.38催化器质量（kg）30催化器涂层钒基SCR催化剂壳体材料金属目数（cpsi）400外形尺寸（mm*mm*mm）600*571*398试验对象包括发动机和SCR系统（包括尿素罐、喷射系统、计量泵、各种配套传感器、催化器等），相关测试设备如表2.3：33万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究表2.3试验用测试设备试验设备所测参数AVL-PUMA台架控制系统发动机转速、转矩、油门位置、水温等AMA-i60排放测试仪催化器下游NOx体积分数、排气背压和排气温度等AVL-PUES多组分气体分析仪催化器下游NO、NO2的体积分数和氨泄漏量等INCA标定系统催化器上下游NOx体积分数、排气背压和排气温度等2.2.2试验方案本文在研究控制策略时，运用到了SCR反应的催化机理，而且在计算尿素喷射量时，需要根据催化器的特性来确定。因此，试验主要研究氨氮比、排气温度和空速等因素对催化器催化性能的影响，其中氨氮比（ANR）为NH3和NOx的摩尔比例。在试验过程中，通过改变发动机的转速和负荷来获取不同的排气温度和空速；通过改变尿素喷射量来改变氨氮比。为了获得柴油机未经过SCR转化的NOx排放数据，本文进行了ESC（EuropeanSteadyCycle）十三工况循环测试和ETC（EuropeanTransientCycle）瞬态循环测试。ESC循环各工况点的转速和负荷如表2.4所示。表2.4ESC工况点序号转速（r/min）转矩(Nm)16000213831066317135334171380051383544613838157138327281713105891713267102043914112043230122043690132043462ETC瞬态测试循环时间总计1800s，前600s模拟城市街道工况；中间600s模拟乡间道路工况；最后600s模拟高速公路工况。其中每个工况点的持续时间只有1s。34万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证2.2.3试验结果及分析下图2.21的原机排放数据展现了两个测试循环的NOx排放、排气流量和排气温度等值。这将为NOx排放预测和控制策略离线仿真提供相应的数据。30002500）-62000101500浓度（X1000NO500012345678910111213ESC工况点序号（a）ESC循环的NOx浓度12001000）800kg/h600400排气流量（200012345678910111213ESC工况点序号（b）ESC循环的排气流量600500）400℃300200排气温度（100012345678910111213ESC工况点序号（c）ESC循环的排气温度35万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究35003000）2500-61020001500浓度（1000NOx50000300600900120015001800时间（t）（d）ETC循环的NOx浓度12001000）800kg/h600400排气流量（20000300600900120015001800时间（t）（e）ETC循环的排气流量500400）℃300200排气温度（10000300600900120015001800时间（t）（b）ETC循环的排气温度图2.21原机排放数据由于NOx排放预测模型中需要NO2/NOx的比例数据，因此，本文还对不同负荷率下NO2/NOx的变化进行了研究，结果如图2.22。可以看出，NO2/NOx的比例分布没有明显规律。这也是本文对于NO2/NOx的预测采用MAP和神经网36万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证络的原因。0.30.2/NOx2NO0.10020406080100负荷率（%）图2.22不同负荷率下NO2/NOx的变化2.2.3.1氨氮比对SCR催化性能的影响在稳定的排气温度和空速下，试验通过改变尿素喷射量来研究氨氮比对SCR催化性能的影响。所选的工况的温度范围为250℃到550℃，空速范围为-1-120000h到56000h，并且所选取的每个温度点均能有高、中、低的空速。得到的结果如图2.23所示。100%120100%120NOx转化效率NOx转化效率80%NH3泄漏量80%NH3泄漏量80）80）60%-660%-61010转化效率40%转化效率40%4040泄漏量（泄漏量（3NOx3NOx20%NH20%NH0%00%000.511.500.511.5氨氮比氨氮比-1-1（a）排温278℃，空速25980h（b）排温338℃，空速31564h100%120100%120NOx转化效率NOx转化效率80%NH3泄漏量80%NH3泄漏量806）80）60%-60%-61010转化效率40%转化效率40%4040泄漏量（3泄漏量（NOxNOx320%20%NHNH0%00%000.511.500.511.5氨氮比氨氮比-1-1（c）排温475℃，空速49328h（d）排温552℃，空速55382h37万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究100%120100%120NOx转化效率NOx转化效率80%NH3泄漏量80%NH3泄漏量80）80）60%-660%6-1010转化效率40%40%40转化效率40泄漏量（3泄漏量（NOxNOx320%NH20%NH0%00%000.511.500.511.5氨氮比氨氮比-1-1（e）排温256℃，空速16025h（f）排温335℃，空速19863h100%120100%120NOx转化效率NOx转化效率80%NH3泄漏量80%NH3泄漏量80）80）60%-660%-6101040%40%转化效率转化效率4040泄漏量（3NOx泄漏量（3NOx20%NH20%NH0%00%000.511.500.511.5氨氮比氨氮比-1-1（g）排温351℃，空速41343h（h）排温475℃，空速25667h100%120100%120NOx转化效率NOx转化效率80%NH3泄漏量80%NH3泄漏量80）80）60%-660%-61010转化效率40%转化效率40%4040泄漏量（泄漏量（NOx3NOx320%NH20%NH0%00%000.511.500.511.5氨氮比氨氮比-1-1（i）排温438℃，空速30753h（j）排温475℃，空速54628h38万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证100%120100%120NOx转化效率NOx转化效率80%NH3泄漏量80%NH3泄漏量80）80）60%-660%-61010转化效率40%转化效率40%4040泄漏量（泄漏量（NOx3NOx320%NH20%NH0%00%000.511.500.511.5氨氮比氨氮比-1-1（k）排温516℃，空速42830h（l）排温530℃，空速32194h图2.23氨氮比对SCR催化性能的影响从图中可以看出，同一工况下，NOx的转化效率随着氨氮比的增加而增大。-1另外，通过比较工况为排气温度为438℃、空速为30753h和工况为475℃、空-1速为546287h时，空速增加，应该会使转化效率降低，但实际的转化效率却增加了，从而说明温度对NOx转化效率的影响比空速要大。2.2.3.2排气温度对SCR催化性能的影响-1对于排气温度对SCR催化性能的影响，选取的工况是空速为29740h，排气温度分别为270℃、345℃和438℃。结果如图2.24所示。排气温度越高，催化剂的活性也就越好，从而转化效率也就越高。10080）%6040转化效率（NOx20ANR=0.5ANR=0.8ANR=1.0ANR=1.20250300350400450排气温度（℃）图2.24排气温度对SCR催化性能的影响2.2.3.3空速对SCR催化性能的影响对于空速对SCR催化性能的影响，选取的工况是排气温度为350℃，空速-1-1-1分别为29705h、39121h和41327h的情况，结果如图2.25所示。空速越小，NH3在催化剂表面停留的时间就越长，反应也更充分，转化效率也更高。39万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究10080）%6040转化效率（20ANR=0.5ANR=0.8NOxANR=1.0ANR=1.202500030000350004000045000空速（h-1）图2.25空速对SCR催化性能的影响2.3模型的参数辨识和验证可以通过增加反应方程来增加模型的精度，但更多的反应模型会增加模型的复杂程度、增加仿真时间以及更多的未知参数。而且为了增加模型的精度，需要对催化剂表面的反应机理有全面的认识。但就本文中的尿素喷射控制而言，良好的稳态和瞬态之间的关系非常重要。因此，可以通过简化的模型，并进行参数辨识的过程来实现控制的目的。这里参数辨识运用Matlab/Simulink中SimulinkDesignOptimization工具箱中的ParameterEstimation功能。该功能以误差平方和最小为准则，估计模型中未知参数的辨识方法。即使下面方程的中的J最小。𝑁2J=∑𝑘=1[𝑌𝑘−𝑓(𝑋𝑘,𝜃)]（2-26）图2.26展示了软件中进行参数优化的流程。图2.26软件参数优化40万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证其基本步骤为：1、确定用于参数辨识的数据，包括进行辨识和验证的数据。2、确定需要辨识的未知参数。3、确定模型的初始状态。4、进行参数辨识。5、对辨识的参数和状态进行验证。进行参数辨识，良好的数据很重要，因此，获取数据的试验工况需要覆盖柴油机及SCR系统的主要工况。对于未知参数的初始状态的选择也很重要，初始状态选择的好，可以大幅度缩短参数辨识的时间。因此，这里参考进行过实际验证的AMESim中SCR模型的相关参数和相关论文中的数据。在对相关模型进行参数辨识和验证时，通过对柴油机的SCR系统进行试验研究，获取相应的试验数据。利用这些数据进行参数辨识和验证。2.3.1NOx排放预测模型的参数辨识和验证利用ETC循环的测试数据对神经网络模型进行训练，得到相对应的神经网络预测模型。利用测试数据对模型进行测试，网络的预测结果和试验测试结果对比如图2.27到2.29所示。NOx体积分数预测相对误差不超过8%，NO2/NOx的比例误差不超过12%，废气质量流量误差不超过6%，以上误差对添蓝计量精度的影响可以忽略，因此网络模型可用于添蓝喷射量计算。25002000）-6101500（浓度1000NOx500NOx试验值NOx预测值00246810工况点图2.27神经网络模型NOx预测结果0.3NO2/NOx试验值NO2/NOx预测值0.2/NOx2NO0.100246810工况点图2.28神经网络模型NO2/NOx预测结果41万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究1000排气流量试验值800排气流量预测值）kg/h600400排气流量（20000246810工况点图2.29神经网络模型排气流量预测结果2.3.2SCR催化反应模型的参数辨识和验证（a）NH3的吸附与解吸附参数辨识和验证NH3的吸附与解吸附中包括催化剂的温度模型、催化剂的最大储氨模型、吸附与解吸附反应模型。因此，分别进行各模型的参数辨识。对于催化剂的温度模型，催化器的质量mc、催化器的比热容Cc和等参数可以通过催化器供应商获得。而大气和催化器之间的对流换热面积aamb可以通过实际测量获得。因此，该模型需要辨识的参数就是大气和催化器之间的对流换热系数hamb。另外，为了简化计算，本文中认为排气的比热为定值。环境温度在本实验中相对稳定，本文在模型参数辨识与模型验证中取定值，本文中取20℃。对于这两个参数，利用ESC循环中的工况，通过SCR催化器前后两个温度传感器的数据即可进行参数辨识。稳态情况下，催化剂温度模型公式中dTc/dt为0。通过取3个工况点的数据可以求得相应的参数。由于试验过程中未测取实时的催化剂温度，因此对于催化剂温度模型的验证则通过化学反应模型进行间接验证。对于催化剂的最大储氨模型，需要辨识参数就是系数m和n。试验方法：调节发动机的转速和负荷，使其达到所需的温度和空速，稳定一段时间后，开始喷射尿素，逐步增加尿素喷射量，直到开始出现氨的泄漏。这样可以通过NOx转化量和尿素喷射量来计算催化器的最大储氨量。42万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证图2.30确定氨存储模型参数从而得到m=17.94，n=0.01659。对于每个工况下实际的氨表面覆盖率，主要是根据控制目标进行优化，将在接下来的章节进行介绍。对于吸附与解吸附模型，因为根据阿伦尼乌斯方程，需要辨识的吸附速率kads和解吸附速率kdes可以分别分解成辨识指前因子Aads、活化能Eads和指前因子Ades、活化能Edes。因此，需要辨识的参数是指前因子Aads、活化能Eads、指前因子Ades、活化能Edes。这里采用的方法：首先，不喷尿素，稳定相应的工况，使SCR前后NOx值基本相同；然后，开始喷射尿素，测量从尿素喷射到SCR开始反应的时间t1，利用排气管内气体流速计算得到喷射的尿素从喷嘴到SCR反应器的时间t2，从而吸附的时间t=t1-t2。表2.5吸附与解吸附参数名称数值Aads4.82Eads18.6Ades3.75Edes15.2（b）NH3的催化还原反应参数辨识和验证NH3的催化还原反应主要包括快速反应、标准反应和慢速反应。慢速反应主要发生在NO2/NOx大于0.5的情况，而NH3的氧化反应发生在350℃以上，因此，针对快速反应和标准反应的参数辨识，选取催化剂温度不高于350℃时的试验数据。同时，为了使结果更加准确，需要所选取的试验数据尽可能覆盖柴油机的排气温度的区域，同时空速范围也要尽可能大。因此，所选取的工况如表2.6所示。43万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究表2.6NH3催化还原反应参数辨识的试验数据工况排气排气尿素喷NO(反NO2(反NO(反NO2(反转速转矩O2点流量温度射量应前)应前)应后)应后)-6-6-6-6-6单位r/minN.mkg/h℃mg/s101010101011800253482272405.21287899466373521300255336273299.212635780610308631200384330335403.3118916713141101141800405543338808.210973580510156952300406745346100511263612361057762100351635325687.5125357101681636图2.31表现的是软件中参数优化的过程。图2.31软件中参数优化过程得到辨识结果如下表2.7：表2.7NH3催化还原反应参数名称数值Astd0.276Estd1.869Afst9.294Efst4.67（c）NH3的氧化反应参数辨识和验证氨的氧化反应出现于催化剂的温度高于350℃的情况下。因此，这里需要辨识的参数是指前因子Aoxi和活化能Eoxi。这里选取催化剂温度高于350℃的工况。所选取的试验数据如表2.8所示。44万方数据 第2章SCR系统氨存储与催化反应的建模与验证表2.8NH3氧化反应参数辨识的试验数据工况排气排气尿素喷NO(反NO2(反NO(反NO2(反转速转矩O2点流量温度射量应前)应前)应后)应后)-6-6-6-6-6单位r/minN.mkg/h℃mg/s101010101011500520.4455396823.18758917034052071021100546.8319410510.26735715501362961331800857.77604781346.8713631820242161041300866.6471530781.85314617822728712得到的辨识结果如表2.9所示。表2.9NH3氧化反应参数名称数值7Aoxi4.165Eoxi1.162.4本章小结本章介绍了仿真软件Matlab/Simulink，并利用该软件建立了相关模型。（1）建立了NOx排气预测模型。其中，对于稳态预测模型，运用喷油量和进气量来计算排气流量；对于瞬态预测模型，由于瞬态NOx排放的影响因素较多，采用神经网络模型进行预测。另外，NO2/NOx的比例对NOx的转化效率有影响，因此，在建立NOx预测模型时，增加了NO2/NOx的输出。（2）利用Elry-Rideal反应机理，选取主要的SCR催化反应，包括氨吸附与解吸附反应、标准SCR反应、快速SCR反应和氨氧化反应等，建立了SCR氨存储模型和催化反应模型。（3）通过发动机台架试验，获取了原机NOx排放数据和SCR的反应特性。利用瞬态测试循环验证NOx排放预测模型进行排放预测的准确性。采用柴油机SCR反应数据，使用非线性最小二乘法对所建立的化学反应模型进行了参数辨识和验证。45万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究第3章柴油机瞬态工况SCR控制策略的研究对于SCR系统的尿素喷射控制，最基本的是要考虑排放法规的要求。排放法规不仅对NOx转化效率有要求，而且还规定了NH3泄漏的限值。例如国四的-6要求是ETC循环下氨泄漏的体积浓度平均不超过25╳10，而欧六法规则要求-6ESC和ETC循环中氨泄漏不超过10╳10。因此尿素喷射控制策略的基本原则就是在保证NH3泄漏量尽量小的前提下，尽量多的降低NOx排放。3.1控制策略需求降低氨的泄漏，可以使用氨的氧化性催化剂，这样一方面可以通过提高尿素喷射量来提高NOx转化率，另一方面，也可以使氨的泄漏量不超过限制。但多喷尿素会增加使用成本，同时使用氨的氧化性催化剂也会增加后处理系统的复杂性，从而增加成本和降低可靠度。因此，本文在确定氨的泄漏量时，不使用氨的-6氧化性催化剂，并且将泄漏量定为8╳10，这样可以避免因为控制模型的误差导致氨泄漏量超过限值。[73-74]对于提高NOx转化效率，更多的是需要从物理系统本身上下工夫。比如增加催化器的体积，使用催化性能更好的催化剂，使用混合器等方法。催化剂方面，钒基催化剂低温性能一般，分子筛催化剂有更广阔的的使用温度区间，可以在国4以上柴油机上使用。）%（转化效率NOx催化器长度（inch）[73]图3.1催化器长度和NOx转化效率的关系46万方数据 第3章柴油机瞬态工况SCR控制策略的研究--钒基—沸石）g/l（吸附量3HN催化器温度（℃）[74]图3.2钒基和分子筛催化剂氨存储量的对比3.2控制策略建立柴油机SCR尿素喷射控制策略包括协调控制策略和尿素喷射控制策略两个部分。尿素喷射系统自诊断及控制策略主要是尿素泵状态控制，而且是整个系统可靠运行的关键。尿素系统喷射前必须给尿素加压，从而建立足够的驱动压力；系统在尿素停喷后必须进行管路的清晰，以防止尿素结晶堵塞管路；同时系统工作过程中应该能够进行自诊断，并自行处理相关故障。尿素喷射控制策略需要从稳态和瞬态两方面考虑。稳态控制策略是基础，瞬态控制策略是瞬态过程对尿素喷射影响因素的修正。尿素喷射控制策略基本包括NOx预测模型、排气计算模型、催化剂温度模型、SCR反应模型、尿素喷射模型、瞬态修正模型、尿素喷射判断模型、尿素加热控制、尿素反吹控制等，这次基础上加上相关修正以及控制逻辑，从而组成完成的尿素喷射控制策略。SCR系统包括几大功能模块，为了尿素喷射的稳定性和可靠性，需要设计内部协调机制的控制策略来协调各个功能模块，使各大模块按照设定的逻辑运行。本文利用Simulink/Stateflow工具箱设计SCR系统的协调控制策略。Stateflow的原理是有限状态机理论。有限状态机理论是指系统含有有限个状态，当相应的事件状态发生是，系统会从当前状态转移到发生事件所对应的状态。但状态转移的发生是需要条件的，即只有发生转移状态的事件，才会出现状态的转移。Stateflow是有限状态机的图形工具，用户可以利用该图形化工具实现不同状态见的转换。Stateflow可以直接嵌入到Simulink仿真模型中。在仿真过程中，Simulink将运用Stateflow形成的逻辑图形进行编译。从而转化成C语言，是二者有机结合起来。SCR系统的协调控制策略在系统总开关打开后，首先进入初始化状态，初47万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究始化完成之后进入尿素泵关闭状态，在进入喷射状态之前，需要先进入等待喷射状态。因为SCR反应有相应的反应窗口，一般需要在200℃以上。因此，需要实时监测催化器前的温度，来确定进入等待喷射状态和喷射状态。进入喷射状态后，系统通过尿素溶液计算模型来确定尿素喷射信号。当系统开关关闭时，系统进入退出状态，在该状态下，尿素泵关闭，压缩空气阀打开，利用压缩空气反吹使管路中残留的尿素溶液回流到尿素罐中。这样可以避免泵和管路中尿素冻结阻塞，也减少管路的腐蚀。图3.3尿素喷射协调控制图3.4尿素喷射判断逻辑建立SCR系统的尿素喷射控制策略，需要对所控制的物理系统有较为深入的了解。对于SCR系统而言，由于氨的存储过程较慢，SCR反应较快。因此，对于瞬态工况，前馈控制需要是主要的控制。例如，即使在高转化率的时候，在加速工况出现之前，也需要充足的氨存储在催化剂的表面。对于SCR系统的反馈控制，最理想的状况是能够同时拥有NOx的反馈信号和NH3的反馈信号。其中NOx反馈信号用于计算NOx的转化效率，NH3反馈信号则用于获得氨的泄漏量。而且可以通过SCR系统的架构确定传感器的安装位置，即放置于催化器的中间还是催化器的后面。本文中所用到的实时反馈控制是利用SCR反应模型作为虚拟传感器来反馈48万方数据 第3章柴油机瞬态工况SCR控制策略的研究控制催化剂表面的储氨量。此外，在反馈控制中，也可以用到NOx传感器。因为随着催化剂的老化，催化剂表面的氨吸附活性位会降低，从而导致NOx转化率下降和NH3泄漏的增加。如果通过NOx传感器检测到SCR催化器后的NOx量增加，以及NH3的虚拟传感器获知NH3的量也增加，则很有可能是催化剂出现老化，这时就需要对氨表面覆盖率进行微调。Matlab/Simulink中SimulinkDesignOptimization工具箱中的AdaptiveLookupTables功能可以实现此功能。静态的lookuptable建立的是物理系统输入输出之间不变的关系，这样的静态表格无法运用于随着时间变化的物理系统。实际的物理系统的性能会随着使用时间、环境变化以及制造容差等情况而发生变化，例如本文SCR系统中催化剂老化的问题。AdaptiveLookupTables通过对被控对象输入输出的测量，动态更新lookuptable中的数值。本文目前不涉及关于NOx传感器的反馈控制。3.2.1稳态工况的控制对于稳态工况尿素喷射量的控制，首先要确定尿素的基本喷射量，而尿素基本喷射量通过催化器上游NOx排放估算模型来确定的催化器上游NOx排放量和排气流量获得。由于NH3在不同的反应条件下与排气中NOx的反应程度不一样，因此不能简单与排气中的NOx浓度按照1:1的方式进行喷射，需要考虑到催化器对NOx的转化性能，否则会造成NH3的泄漏。对于给定的催化器，其对NOx的转化效率主要与空速和催化剂温度有关，特别是温度的影响。对于催化剂对NOx转化效率脉谱的设定要合理，定的太高，就会导致催化器出口的NH3泄漏量超标；定的太低，则会导致催化剂出口的NOx不能满足法规要求。本文以8-6╳10为边界条件确定催化器对NOx的转化效率脉谱。根据空速和催化剂温度查表得到目标NOx转化效率，用尿素基本喷射量乘以目标NOx转化效率得到稳态工况下的尿素喷射量。转速预测的NOx负荷排放量稳态的尿温度素喷射量催化剂转化空速率MAP图3.5稳态控制基本逻辑由于稳态工况不出现工况的变化，所以可以使催化器存储最多的氨，且不会-6出现氨的较多泄漏。这也是在催化剂转化率MAP的边界条件设置上采用8╳1049万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究过喷的原因。3.2.2瞬态工况的控制对于瞬态工况，前馈是主要的控制。对于SCR尿素喷射的控制而言，由于快速的SCR反应和慢的NH3存储过程之间的差异意味着前馈尤为重要。而且在出现高转化率的情况时，需要有充足的NH3能够参与反应。对于氨泄漏的有效控制，主要涉及到氨在催化剂表面的吸附和解吸附过程，典型的氨泄漏情况发生在发动机低负荷运行一段时间后加大负荷运行期间。因为低负荷下排气温度低，NOx转化效率比较低，喷射的尿素不能被完全消耗掉，持续一段时间后，催化器中就存储了比较多的氨，如果此时发动机负荷突然加大，使排气温度大幅升高，催化器温度随之升高，其吸附NH3的能力减弱，之前存储的氨由于不能及时被消耗就会泄漏出去。解决此问题的办法是根据催化器中氨存储量来调整尿素水溶液喷射量。为此，需要分析催化器在不同温度和空速下的储氨能力，建立氨存储模型，实时估算当前工况下催化器中吸附的氨量，如果达到设定的限值，就减少尿素水溶液的喷射速率，消耗一部分吸附在催化剂上的氨以避免产生氨泄漏。氨存储模型主要考虑温度的影响，因为不同温度下，催化器的储氨能力差别很大，而且催化还原反应的速率差别也很大。3.2.2.1前馈控制前馈控制主要是针对瞬态工况。瞬态工况下，柴油机排气温度变化比较快，但由于催化器载体和排气的比热不同，从而催化器载体的温度变化会相对滞后，这样会使稳态工况下尿素喷射量计算模型中计算NOx转化率用到的温度不是实时的催化器载体温度，所以需要进行温度修正。当柴油机负载突变导致排气温度迅速增加时，这样会采用较大的NOx转化率，从而控制算法会使计算得到的尿素喷射量偏大。但此时催化剂载体的温度却增加不多，但会使一部分吸附的NH3解吸附。两个因素叠加，会有大量的NH3泄漏。当柴油机负载突变导致排气温度迅速降低时，这样会采用较小的NOx转化率，从而使控制算法得到的尿素喷射量偏小。从而使NOx排放升高。但此时催化器载体温度的降低速度相对较小，因此，可以适量提高尿素喷射量，一方面，催化器载体温度较高，可以保证较高的NOx转化率，同时，随着催化器载体温度的降低，会使更多的NH3吸附在催化器载体上。50万方数据 第3章柴油机瞬态工况SCR控制策略的研究图3.6瞬态温度修正模型发动机在小负荷（包括反拖工况）时喷油量较少，从而NOx排放量也较低，由于SCR系统尿素喷射控制对工况变化有一定的延迟，排气中会残留上次尿素喷射产生的NH3，此时应该停止喷射，以减少小负荷工况的NH3泄漏峰值。在控制策略中，通过转矩百分比来判定小转矩工况，当转矩百分比小于或等于2%，认为是小转矩工况，此时要迅速切断尿素喷射。图3.7小转矩判定模型前馈控制器用来计算基本的尿素喷射量，保证氨泄漏在限值以下的同时有较高的NOx转化率。因此，前馈控制器需要很好的知道SCR系统的动态性能，这里就将上一章中的控制模型嵌入到控制算法中，主要用到模型中的氨表面覆盖率和催化剂温度。氨表面覆盖率模型主要反映了催化器内氨的吸附与解吸附特性，催化剂温度则决定了化学反应的速率。在反馈控制系统中，都是把被控变量测量出来，并与给定值相比较；而在前馈控制系统中，不测量被控变量，而是测量干扰变量，也不与被控变量的给定值进行比较。这是前馈与反馈的主要区别。3.2.2.2反馈控制本文中所用到的反馈控制是对氨表面覆盖率进行反馈，这里指的是应氨表面覆盖率模型对实际的氨表面覆盖率进行预测，然后和目标氨表面覆盖率进行比较。具体见图3.8。51万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究NOx尿素喷射量ANR氨表面覆计算模型R盖率模型θθref目标氨表TcatSCR控制器面覆盖率模型图3.8闭环控制基本逻辑氨表面覆盖率是当前工况下实际的储氨量与最大储氨量的比值，这个比值大于0而小于1，对于不同的工况有不同的值。该比值需要保证从当前工况开始，在任何瞬态过程中，采用尿素停喷的时候可以避免较大的氨泄漏出现。该比值需要通过动态试验来确定。SCR入口温度是否大于前一个步长的温度是否增加的温度是否引起SCR最大氨否SCR的氨吸附数吸附能力的变化量不改变计算NH3的泄漏量和SCR的氨吸附量估计SCR的转化效率和将消耗的吸附的NH3量决定尿素是否需要喷射，判断SCR内的NH3量是否低于最大吸附量是喷射尿素否计算吸附在SCR上的NH3量下一步图3.9实时控制逻辑为了提高瞬态工况下SCR系统的NH3泄漏量的控制，需要对催化剂的储氨52万方数据 第3章柴油机瞬态工况SCR控制策略的研究量进行动态控制。在上一章中的控制模型中已经获得并验证的NH3表面覆盖率模型。反馈控制算法中，利用NH3表面覆盖率模型计算实时的NH3表面覆盖率，然后和目标氨表面覆盖率进行比较，当其低于目标的表面覆盖率时，增大尿素喷射量；当其高于目标的表面覆盖率时，则减少尿素喷射量。利用PI调节器减小误差，从而实现闭环控制。在控制策略中，还可以通过虚拟氨传感器预测到的氨的泄漏量来实时调整尿素喷射量，使氨的泄漏量满足要求。图3.10NH3泄漏控制模型基于催化剂温度的目标氨表面覆盖率的确定原则：在给定的测试循环下，使NH3的泄漏量在可以接受的情况下，最大化NOx的转化率。在低温时，虽然氨表面覆盖率较高，但为了避免因为排温突然升高导致NH3的泄漏较多，需要对低温时的氨表面覆盖率设定限值。本文在控制算法中用到了PID控制，PID控制是比例-积分-微分控制的简称，是一种负反馈。PID控制器具有结构简单，不要求精确的受控对象的数学模型，且控制效果一般都比较令人满意，工作性能可靠，稳定性好，对模型误差具有鲁棒性等优点，所以成为工业领域运用最广泛的控制器。图3.11PID控制原理图53万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究PID控制器对给定值和实际输出值的差值，即e(t)=r(t)-y(t)按比例、积分和文卫通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。由图得到PID的算法为（3-1）其中，Kp、Ti和Td分别为PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。这三个参数的取值优劣直接影响到PID控制系统的控制效果好坏。下面介绍着三个参数对控制性能的影响。比例增益Kp是为了及时地反应控制系统的偏差信号，一旦系统出现偏差，比例调节立即产生作用，从而使系统偏差快速减小。当比例增益Kp过大的时候，PID控制器会加快调节，但过大的比例增益会使系统出现较大的超调量，从而降低系统的稳定性。积分作用是为了消除系统的稳态误差，提高系统的无差度，以保证对设定值的无静差跟踪。积分作用的输出量是系统控制误差对时间的积分，随着时间的增加，积分项会逐渐增大，从而使误差越来越小，直至误差等于零。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti的大小，Ti越小，积分作用越强，稳态误差消除的越快，但会产生较大的波动，从而使系统稳定性下降。Ti越大，积分作用减弱，会使稳态误差难以消除，影响系统的控制精度。一般积分控制不单独使用，通常和比例控制结合，组成PI控制。微分作用是为了改善系统在调节过程中的动态特性，从而提高控制系统的响应速度和稳定性。微分作用能反应系统偏差的变化率，预见偏差变化的趋势，因而能产生超前的控制作用。微分作用的强弱取决于微分时间Td的大小，Td越大，微分作用越强，反之则越弱。微分作用对干扰有放大作用，因此，不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰产生不利的影响。综上，针对本文的控制系统，采用PI控制。PID参数的整定需要综合考虑系统稳定性、控制精度、响应速度等方面的要求，选取最合适的参数，从而获得最佳的控制效果。一般的手动调节采用试凑法，但这种方法非常耗时而且不系统化，很可能无法达到优化设计的目的。基于规则的调试需要大量的工作，且对整定人员有较高的要求，即需要很强的控制理论的知识背景。这里采用Simulink中pidtuner来进行参数的整定。闭环PI控制对系统适应性强，可以通过离线标定的方式会给闭环PI整定工作带来很大的便利，然后在发动机试验台架上对整定的结果进行快速控制原型的验证，并根据试验结果进行局部调整或者微调。目标氨表面遮盖率与实际氨表面遮盖率之差是影响PI控制中P值和I值的关键因素，通过调节P值和I值使最终的氨表面遮盖率同目标氨表面遮盖率接近。P、I参数整定过程采用目标氨表面遮盖率阶跃的方式，通过调节闭环控54万方数据 第3章柴油机瞬态工况SCR控制策略的研究制P值和I值使氨表面遮盖率得到迅速响应。参数调整过程中，发现积分系数对闭环控制效果的影响大于P值的影响。在一定的比例系数范围内，通过有效地调整积分系数，往往可以得到很好的效果。控制效果的评价标准是氨表面遮盖率的跟随要迅速，超调很小。为了满足ETC排放法规要求，一秒钟之内，要达到90%的目标氨气表面遮盖率的效果。超调与控制的响应速度通常是矛盾的，要追求更快的响应速度，往往会导致更大地超调，在整定过程中对两者进行了很好地折衷。整定后的P值为3800，I值为2500。3.3本章小结本章分析了控制策略的需求，并建立了稳态工况和瞬态工况的控制模型。（1）由于提高SCR催化性能的根本途径在于SCR物理系统，因此确定了在氨泄漏量为一定值的情况下，使NOx转化效率最高的控制原则。（2）利用Simulink/Stateflow建立了SCR尿素喷射系统的协调控制策略，确定了尿素喷嘴开启、关闭、等待和管路的反吹、加热等动作的逻辑。（3）稳态工况下尿素喷射的控制，利用NOx转化效率MAP来确定尿素喷射量。（4）在瞬态工况下，由于SCR系统较慢的氨存储过程，因此前馈控制非常重要。利用反馈控制来降低氨的泄漏。前馈控制中，利用催化剂温度变化相对排气温度变化的滞后对尿素喷射量进行修正。反馈控制中，运用PI控制器来实时调节氨表面覆盖率，确保氨的泄漏量不超过限制。并对PI控制器中的P值和I值进行了整定。55万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究第4章柴油机SCR后处理系统的性能研究为了进行尿素喷射控制策略的离线仿真，实现利用虚拟模型替代真实SCR系统部件进行尿素喷射控制策略验证的目的。本文采用LMS公司的AMESim软件建立SCR后处理系统模型。AMESim（AdvancedModelingandSimulationEnvironmentforSystemsEngineering）是世界著名的工程系统高级建模与仿真平台。AMESim为用户提供一个系统级工程仿真设计平台，用户可以在这一完整平台上建立复杂的多学科的机电液一体化的系统模型，并进行仿真计算和进一步的分析。用户可以在AMESim软件平台上研究系统、部件以及元件的稳态和瞬态过程，包括整车的能量管理系统、燃油喷射系统和冷却系统等。由于AMESim良好的图形用户界面，使得用户可以在应用模块库中选取所需要的模块来构建复杂的目标系统模型。简单易用的操作使得用户可以快速有效地进行产品的设计与开发。AMESim的应用领域包括车辆、发动机、越野设备、航空航天、船舶、轨道交通、冶金设备等工业中，以及学科领域包括流体、控制、机械、热分析、电，磁等。另外，AMESim中来自不同物理领域的模型都是经过严格测试和试验验证的，从而使得用户能够快速达到仿真建模的目的，进而降低开发成本和缩短开发周期。AMESim让用户从繁琐的数学建模中解放出来，专注于其所需要的专业物理系统的设计，而且不需要编写程序代码。AMESim现有的应用模型库有：机械库、信号控制库、液压库、液压元件设计库、液阻库、注油库、气动库、气动元件设计库、热库、热液压库、热液压元件设计库、热气动库、冷却系统库、二相流库、空气调节库、电磁库、电机及驱动库、IFP整车性能库/驾驶库、IFP发动机库、IFP排放库、IFPC3D三维燃烧计算功能、平面机构库、动力传动库、车辆动力学库、换热器布置工具库、混合气体库、湿空气库。作为在设计过程中的一个主要工具，AMESim还具有与其它软件包丰富的接口，例如Simulink、Adams、LabVIEW、Simpac、Flux2D、RTLab、dSPACE、iSIGHT等。本文进行SCR后处理系统建模时使用的AMESim应用模型库有控制信号库、IFP排放库，以及interface接口。这里所用的接口主要是实现AMESim和Simulink的联合仿真。56万方数据 第4章柴油机SCR后处理系统的性能研究图4.1控制信号库本文中使用控制信号库的主要元件有：常数信号源、简单的运算元件、阶跃信号等。图4.2IFP排放库本文中使用IFP排放库中的主要元件有：尿素喷射模型、尿素分解模型、SCR反应模型、排气流量模型以及相关的传感器等。4.1SCR后处理系统模型建立本文中SCR后处理系统模型主要包括三个部分：排气设定子模型、尿素喷射和分解子模型、SCR反应子模型。下面介绍这三个部分及其主要用到的AMESim模块。57万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究4.1.1排气设定子模型排气设定子模型主要体现整个系统模型的边界条件，这里通过设定排气的温度、质量流量和各组分的质量分数来模拟特定工况下的柴油机排气。排气设定中规定了排气中的12种组分，分别为未燃燃油、N2、O2、H2、H2O、CO、CO2、NO、NO2、HC、NH3、soot。在SCR系统中，主要关注NO、NO2和NH3。此外，还需要排气的流量和温度。因此，这里采用的AMESim模块为可变质量流量气源模型。该模型的输入为排气的温度（无量纲）、质量流量（无量纲）和各气体组分的质量分数。输出为焓流率（J/s）、质量流量（g/s）和12中气体的质量分数。需要注意的是，模型中所需要输入的14个无量纲的数值均需要大于零，而某一气体的质量分数可以等于零，但气体质量分数的总和必须大于零。图4.3可变质量流量模型在排气设定中，由于模型中的排气温度为热力学温度，因此需要添加273.15的增量来将所拥有的摄氏温度转化为热力学温度。此外，需要添加气体特性模块，其可以定义燃油特性以及气体的热力学特性，从而得到排气设定模型如下图4.4。58万方数据 第4章柴油机SCR后处理系统的性能研究图4.4排气设定子模型4.1.2尿素喷射和分解子模型尿素喷射和分解子模型主要包括尿素喷射模块和尿素分解模块。尿素喷射模块用于模拟向排气中喷射尿素水溶液的过程。模块中可以设定SCR系统所特定使用的尿素水溶液浓度，这里采用的尿素水溶液浓度为32.5%。尿素水溶液质量流量由端口3输入，再根据由端口4输入的排气参数，如温度、质量流量、各组分浓度等，计算喷射尿素水溶液后排气中尿素（urea）以及异氰酸（HCNO）的质量分数以及质量流量，并由端口2输出至后续模块；而排气组分的参数则通过端口1输出，即尿素（urea）和异氰酸（HCNO）的参数与排气的参数是分别管理的，并且SCR相关模块也采用这种分开管理的方式，如尿素分解反应模块、SCR反应器模块。图4.5尿素喷射模型59万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究尿素分解模块用于模拟SCR反应器前排气管内进行的尿素热解和异氰酸水解的反应情况。该模块在计算过程中考虑了沿管道方向的压降以及化学反应吸放热对排气温度及反应器壁温度的影响。但该模块是一个0维模块，即管道界面上各处的温度、压力和气体成分都相同，也不考虑物质间的传热。另外，在计算质量流量和焓流量上，尿素分解模块和下面将介绍的SCR反应模块有两点不同：1、几何结构方面，尿素分解模块针对的是排气管路，而SCR反应模块为催化器通道，因此，尿素分解模块需要考虑气流扰动，从而在计算气体的平均速度时，两个模块采用不同的计算方法。2、化学反应方面，尿素分解模块中值考虑尿素热解反应和异氰酸的水解反应，SCR反应模块除了考虑尿素热解反应和异氰酸的水解反应，还需要考虑氮氧化物与氨的反应。因此，对于共有的尿素热解反应和异氰酸的水解反应，却采用不同的反应机理常数。图4.6尿素分解模型图4.7软件设置示意图4.1.3SCR反应子模型SCR反应子模型主要用到SCR反应模块，该模块介绍如图4.8所示。此模块用于模拟SCR反应器内的尿素热解反应、异氰酸的水解反应以及氨与氮氧化物的氧化还原反应，从而可以计算得到氮氧化物的转化效率和氨的泄漏量。模型60万方数据 第4章柴油机SCR后处理系统的性能研究具有如下物理现象：催化器通道内气体流动认为是层流，且沿着通道方向有压降；催化器容腔内气体的质量和能量守恒；气体和壁面之间存在对流换热；存在化学反应放热；壁内的能量守恒。图4.8SCR反应模块SCR系统的工作流程主要包含尿素溶液供给和喷射、尿素热解和水解产生NH3、SCR催化器反应等三个部分，其流程示意图如图4.9所示。图4.9SCR系统的主要工作流程示意图SCR反应模块的化学机理如下：NH3的吸附与解吸附（吸附在催化剂上的NH3才与排气反应）：NH3(g)↔NH3(ads)（4-1）注：NH3(g)表示气态的NH3，NH3(ads)表示吸附态的NH3。标准SCR反应：4NH3(ads)+4NO+O2→4N2+6H2O（4-2）快速SCR反应：2NH3(ads)+NO2+NO→2N2+3H2O（4-3）NH3氧化反应：4NH3+3O2→2N2+6H2O（4-4）注：NH3(ads)表示NH3为吸附态.尿素热解与水解产生NH3反应：61万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究CO(NH2)2→NH3+HNCO（4-5）HNCO+2H2O→NH3+CO2（4-6）表4.1SCR反应模型的化学反应的反应速率计算公式化学反应反应速率标准SCR反应C快速SCR反应11CCNH3氧化反应热解反应C水解反应CCNH3吸附反应C(−)EtteRT(1−γ3ads)NH3解吸附反应tt其中，各反应的化学反应速率常数计算均假定遵循阿伦尼乌斯定律（Arrheniuslaw）。阿伦尼乌斯定律表达了在一定浓度条件下化学反应速率对反应温度的依赖关系，也可说是表达速率常数对反应温度的依赖关系的经验公式，亦称为阿伦尼乌斯方程，即：−EaiiAiexp⁡()（4-7）RTS式中R是摩尔气体常数；Ai及Eai为两个由反应本性决定而与温度及组元浓度无关的常数，分别称为指前因子及活化能。此外，表中各反应式中的CX表示物质X在混合气中的浓度；NH3ads表示催化剂活性位上被NH3占用的比例；解吸附反应中的kdyn称为“动态”动力学常数，而kstat称为“静态”动力学常数，同样遵循阿伦尼乌斯定律。由于反应条件的区别，SCR催化反应器模型中的热解、水解反应具有与尿素分解反应模型中不同的化学反应参数设置。AMESim软件提供的SCR相关模块均为0维模型，即模块内部温度、压力、气体组分等参数均相等，因此，需要对相关模块进行组合才能更加真实的反应实际SCR系统内的反映情况。62万方数据 第4章柴油机SCR后处理系统的性能研究）/s3mol/m（尿素热解反应速率时间（t）图4.10尿素热解速率和模块数的关系）/s3mol/m（解反应速率异氰酸水时间（t）图4.11尿素水解速率和模块数的关系对于尿素水解模型，在考虑模块数量时考虑到进过水解模块后，NH3的生成率都已经达到最大，即再增加尿素分解模块的数量也不能提高催化剂入口的NH3浓度。从图4.10和4.11可以看出，4个水解模块已经可以满足要求（图4.10和图4.11中的1到6的数字表示模块数）。SCR催化剂模块也参考了AMESim中HELP文档的内容，从而最终得到SCR后处理系统的模型。图4.12SCR后处理系统模型63万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究4.2SCR后处理系统模型验证后处理模型验证中很重要的就是确定后处理模型中的相关参数，这些参数包括后处理系统的基本结构尺寸参数、相关化学反应参数等。后处理系统的基本结构参数包括喷射点距离催化器的长度、催化器载体的长度、直径、密度等，这些参数可以通过实际测量得到。而相关化学反应参数则需要通过相应的试验数据验证获得。本文的验证包括稳态验证进而瞬态验证。稳态验证主要针对的参数是相关化学反应中的活化能和指前因子。调整活化能和指前因子使仿真模型更加接近实际的后处理模型。本文验证试验是选取不同排温和空速的典型工况，并在这些典型工况下喷入一定计量的尿素量，通过反应前后的NOx量以及所对应的尿素量和相关的边界条件对模型进行验证。本文中使用AMESim中的优化功能来调整相应的参数。本文中采用的优化方法为NLPQL，NLPQL是一种序列二次规划算法。序列二次规划算法是一种标准的方法，其利用目标函数和约束条件的梯度来求解非线性优化问题。由于NLPQL使用梯度，从而，对于离散参数的估计不能使用此方法。这种方法的特点是找到局部最小值即停止，因此，这种方法产生的结果高度取决于初始值。图4.13SCR后处理系统模型验证64万方数据 第4章柴油机SCR后处理系统的性能研究图4.14软件参数优化过程具体做法为：在相同的稳态边界条件下，将实际试验获得的经过催化器反应的NOx量与仿真所获得的NOx量做差值，利用优化算法，调整相应的参数，使差值的平方尽可能小。然后，将优化后的参数带入到仿真模型中，运行仿真，对比相应的结果。经过对SCR系统催化反应的研究，发现当催化剂温度低于350℃，且NO2/NOx比例不超过50%时，主要的反应是快速反应和标准反应。因此，首先选取催化剂温度低于350℃，且NO2/NOx比例不超过50%的稳态边界条件，这样需要辨识的参数就只是快速反应和标准反应中的指前因子Kfst、Kstd和活化能Efst、Estd。经过参数优化后，将试验值和仿真值进行对比。本文分别选取5个不同排温和空速的发动机工况点，分别喷射ANR为0.5、0.8、1.0和1.2的尿素，比较仿真和试验的NOx转化效率，如图4.14所示。10080）%6040转化效率（NOx20试验值仿真值005101520工况点图4.15NOx转化效率的模型验证从试验值与仿真值的对比可以看出模型结果趋势一致，但某些工况点的精度存在一定偏差，主要原因在于SCR模型在氨气开始泄漏的时候其计算方式同实65万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究际情况有所不同。氨气开始泄漏时，实际的NOx转化效率仍会增加，但模型并没有体现这种特性，而是氨气开始泄漏后，NOx转化效率保持不变。从而使得实际应该反应的氨气却泄露出去。这样导致一方面一些高ANR工况下模型计算的NOx转化效率要低于试验测量值，另一方面导致这些工况下氨气泄漏量高于试验测量值。采用同样的方法进行氨的氧化反应等其他反应的验证。瞬态验证主要是针对后处理模型中氨气吸附与解吸附的速率，需要模型中氨吸附与解吸附的速率更接近真实情况，从而存储在SCR载体上的氨气量更接近实际值。只有这样才能使瞬态过程的NOx还原量和氨气泄漏量更加接近实际情况。SCR后处理系统模型经过稳态和瞬态验证，使得模型在大多数工况点的精度都能够满足要求，局部工况点精度会略差一些，但总体趋势正确，从而可以运于SCR控制系统的离线仿真。4.3SCR后处理系统性能研究4.3.1NO2/NOx对NOx转化效率的影响本文研究了柴油机转速为1800r/min，负荷率分别为50%、75%、100%三种工况下，不同NO2/NOx对NOx转化率的影响。氨氮比设为1.0，NO2/NOx在0%~70%范围内，每隔10%取一个点，计算结果如图所示。10090）%8070转化效率（100%负荷6075%负荷NOx50%负荷5000.10.20.30.40.50.60.7NO2/NOx图4.16NOx转化率随NO2/NOx的变化由图4.16可知，在不同的发动机工况下，NOx转化率均随着NO2/NOx的增大而呈现先升高后降低的趋势。在NO2/NOx为50%附近时，NOx转化率出现最大值。66万方数据 第4章柴油机SCR后处理系统的性能研究以上结果也验证了前文中对SCR的反应机理的分析。SCR反应主要包括标准SCR反应和快速SCR反应，标准SCR反应中只有NO参与反应，而快速SCR反应中NO和NO2均参与反应，且二者之比为1:1。另外，由于快速SCR反应的反应速率比标准SCR反应的反应速率高出一个数量级，因此，当排气中的NO2/NOx为50%，即NO和NO2的组分比为1:1时，会有更多的NOX参与快速SCR反应的，使SCR的整体反应速率提高，从而使NOx转化率增大。但当NO2/NOx大于50%时，快速反应剩下的NO2将发生慢速SCR反应，从而会降低整体的反应速率。4.3.2SCR后处理系统的储氨特性SCR反应中，氨气先吸附在催化剂上，然后与NOx反应。其中会有一部分的NH3因为没有与NOx反应而吸附在催化剂的表面。基于模型的控制中的氨存储模型需要知道催化器的储氨特性，因此，本文通过仿真研究空速和催化剂温度和催化器储氨的关系。仿真过程中，通过喷入氨氮比大于1的尿素，当出现NH3明显泄漏时停止喷射，这时认为该工况下的储氨量已经饱和，停止喷射会使储存的NH3和NOx进行反应，最后，存储的氨完全反应后，NOx值会恢复到未喷尿素时的NOx值。3020000/h2530000/h）g2040000/h1510最大储氨量（50150250350450催化剂温度（℃）图4.17最大储氨量随温度的变化从图4.17可以看出，在3种空速下，随着催化剂温度的增加，最大储氨量都逐渐下降。在同一温度下，空速越低则最大储氨量越大，但随着温度的增加，空速的影响越来越小。并且可以看出最大储氨量受温度的影响比空速要大。因此，也验证了本文控制策略中在氨表面覆盖率控制中以催化剂温度作为因变量的合理性。67万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究4.4本章小结本章介绍了柴油机SCR后处理系统模型，并基于此模型对SCR后处理系统进行了分析。（1）对AMESim软件进行了介绍，并对SCR后处理系统模型中采用的主要模块进行了较为详细的介绍，包括尿素喷射模块、尿素分解模块和SCR反应模块等。利用试验数据和序列二次规划算法对相关参数进行了优化。（2）研究了NO2/NOx对NOx转化效率的影响。发现当NO2/NOx为0.5时NOx转化效率最高。（3）研究了催化剂温度和空速对催化剂最大储氨量的影响。结果发现随着催化剂温度的增加，最大储氨量逐渐下降。在同一温度下，空速越低则最大储氨量越大，但随着温度的增加，空速对最大储氨量的影响越来越小。68万方数据 第5章尿素喷射控制策略的耦合及离线仿真第5章尿素喷射控制策略的耦合及离线仿真SCR尿素喷射控制策略通过Matlab/Simulink建立相应的控制算法，而SCR后处理模型通过AMESim建立的后处理系统模拟实际的SCR后处理系统，因此，在进行尿素喷射控制策略的离线仿真时，需要AMESim和Simulink的耦合。离线仿真的边界条件是ESC、ETC或者特定工况下的排气成分、温度以及流量状况。通过离线仿真可以快速方便地调整控制策略，可以部分替代台架试验的工作，甚至可以实现台架试验不能完成的工作，如极限工况的仿真验证。离线仿真的目的是验证基于模型的控制策略能否正常运行，控制逻辑是否正确，算法是否优化。5.1控制策略的耦合一般来说，AMESim与Simulink的耦合方式主要有两种：AMESim到Simulink的接口、Simulink到AMESim的接口。在选择接口形式时，遵循的基本原则是：如果目的是测试或者开发AMESim模型，最好使用Simulink到AMESim的接口；如果目的是测试或者开发控制器，最好使用AMESim到Simulink的接口。此外，如果Simulink模型较大而AMESim模型较小，或者需要使用Simulink中的一些特殊特征，最好使用AMESim到Simulink的接口。综合分析，本文采用AMESim到Simulink的接口。AMESim到Simulink的接口可以使用户将在AMESim环境下建立的子系统转化成Simulink环境下的S函数。该S函数经过接口输入到Simulink中，从而可以向其他S函数一样进行仿真。另外，该接口可以使AMESim模型正常地在AMESim中修改参数，并通过图形结果检验运行情况。这个过程如图5.1所示。搭建一个AMESim模型，并编译成一个S函数修改AMESim子模型的参数完善Simulink模型运行仿真检查AMESim子模型的结果检查Simulink控制系统结果图5.1AMESim和Simulink联合仿真69万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究一般情况下，需要同时运行AMESim和Simulink，这样才能使用两个软件包的全部功能。当处理完成时，在AMESim内可以改变AMESim模型参数，同样也可以在Simulink中改变仿真参数。这样可以根据AMESim模型设计相应的控制器。为了实现二者的耦合，需要进行很多必要的设置，下面列举了一些设置的要点。需在Windows2000或更高级操作系统下安装VisualC++6.0，AMESim4.2以上版本与MATLAB6.1上版本(含Simulink)。将VC++中的vcvars32.bat文件从MicrosoftVisualC++目录（通常是MicrosoftVisualStudioVC98Bin中）拷贝至AMESim目录下。环境变量确认，设置AMESim变量为AMESim的路径，MATLAB变量为Matlab的路径。确认是否在AMESim中选择VC作为编译器。具体操作在AMESim->Opions->AMESimPreferences->Compilation/Parameters中。在MATLAB命令窗口中使用Mex–setup，选择VC作为编译器。注意Mex和-setup之间有空格。在Matlab的目录列表里加上AMESim与Matlab接口文件所在的目录%AME%matlabamesim，其中%AME%是AMESim的安装目录。在Simulink中，调用的S函数名称为原有AMESim模型名称加上下划线“_”。AMESim软件中输出，在Simulink中表现出输入，同理其输出。仿真运行时，注意将AMESim运行在Run模式下，每次更改完模型都需要重新编译一次。另外，在联合仿真时，需要两个软件同时运行。两个软件之间的通信如图5.2所示。图5.2AMESim-Simulink接口进行联合仿真的步骤如下：（1）在AMESim环境下建立所需的的AMESim模型。（2）创建AMESim到Simulink的接口。然后根据需要确定AMESim到Simulink的输入量和输出量，并将接口和AMESim模型对应的接口连接。（3）在AMESim环境下，依次点击子模型模式和参数模型模式，此时会生70万方数据 第5章尿素喷射控制策略的耦合及离线仿真成S-Function。（4）打开Simulink，在Simulink环境下新建S-Function。为了和AMESim相联系，在定义S-Function的参数时，需要函数名和AMESim模型的名称一致，且要加上下划线“_”。此外，S-Function参数定义中1表示会创建AMESim结果文件，除1外的其他值则表示不会创建AMESim的结果文件。此外，还需要注意的有：AMESim模型有多输出时，注意和Simulink中接口模块排列顺序的区别；在联合仿真时，AMESim一定要处于仿真模式，在参数模式下修改模型参数后，也要在进入仿真模式在能在Simulink里仿真；联合仿真是，Matlab和AMESim一定要在同一目录下工作。本文中，将催化器上下游的排气温度、排气流量、NO、NO2和NH3的浓度作为输入量作为控制的输入，然后将经过控制策略计算的尿素喷射量进过该接口输入到尿素喷射模块。离线仿真的目的是验证基于模型的控制策略能否正常运行，控制逻辑是否正确，算法是否优化。离线仿真又分为稳态仿真和瞬态仿真。5.2控制策略的稳态离线仿真稳态仿真中，通过在AMESim模型在参数模式下设定稳态工况的排气组分、排气温度和排气流量，然后分别用质量流量传感器、NO组分传感器、NO2组分传感器、排气温度传感器等获取排气中的相关参数，然后将这些参数值通过接口输入到Simulink控制模型中。控制模型将计算的尿素喷射量再通过接口输出到AMESim的尿素喷射模块。具体如图5.3所示。（a）Simulink环境下的联合仿真71万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究（b）AMESim环境下的联合仿真图5.3稳态工况的AMESim-Simulink联合仿真稳态的离线仿真是整个离线仿真的基础，稳态离线仿真的结果直接影响到瞬态仿真过程。本文稳态离线仿真所运用的工况参数包括ESC十三工况点及其他稳态工况点的工况参数。在控制策略中，是以最大氨表面覆盖率来确定NOx转化效率的。这样可以使稳态的NOx转化效率较高。但由于柴油机不光有稳态工况，还有瞬态工况。因此，稳态工况的NOx转化效率要兼顾瞬态工况，以免瞬态工况导致氨泄漏量超过限制。通过有限组的尿素喷射量，找出每个工况下的最理想的尿素喷射量，为了使控制结果更加理想，可以适当增加十三工况排放区内的仿真点。图5.4是经过调整后的NOx排放值，可以看出为了兼顾瞬态性能，并没有使各稳态点的值降至-6很低。SCR出口的NOx值基本都在300╳10以下，有3个点的NOx值在300-6-6╳10和500╳10之间。600500）-640010300浓度（200NOx100012345678910111213ESC工况点图5.4ESC循环SCR出口NOx值72万方数据 第5章尿素喷射控制策略的耦合及离线仿真5.3控制策略的瞬态离线仿真在瞬态工况的联合仿真中，在AMESim的参数模式下设定瞬态工况的排气个组分、排气温度和排气流量。通过对试验结果的分析，在排气组分设定中，认为只有NO、NO2和O2会发生较大幅度的变化。因此，仿真中只设定这3中组分发生变化。具体见图5.5。（a）Simulink环境下的联合仿真（b）AMESim环境下的联合仿真图5.5瞬态工况的AMESim-Simulink联合仿真经过几次的参数调整与验证，获得的结果如图5.6和图5.7所示。73万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究800600）-610400浓度（NOx20000300600900120015001800时间（t）图5.6ETC循环SCR出口NOx值2520）-6101510泄漏量（3NH500300600900120015001800时间（t）图5.7ETC循环氨气泄漏量-6结果发现，瞬态工况SCR出口80%NOx值不超过400╳10，而NH3泄漏-6量均不超过25╳10。经过ETC闭环离线仿真，发现经过一系列的ETC瞬态循环策略的优化，基于模型的控制能够监测到氨气在催化剂上的存储数量，从根本上控制住氨气的泄漏，因此在瞬态工况下，能够有效地控制住氨气的泄漏并能保证较高的NOx转化效率。5.3本章小结本章进行了AMESim和Simulink的联合仿真，从而实现控制策略的离线仿真验证。（1）介绍了AMESim和Simulink之间的耦合方法和步骤。因为是进行控制74万方数据 第5章尿素喷射控制策略的耦合及离线仿真策略的验证，因此采用AMESim到Simulink的接口方式。通过AMESim模型生成S函数，并调入到Simulink模型实现两者的耦合。（2）介绍了稳态工况离线仿真的方法，获取了经过离线仿真的NOx排放值。（3）介绍了瞬态工况离线仿真的方法，发现基于模型的控制策略有效地控制住氨气的泄漏并能保证较高的NOx转化效率。75万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究第6章总结与展望6.1全文工作总结面对越来越严格的排放法规，对于发动机来说，在机内优化的基础上加装后处理系统已成为必然选择。针对重型柴油机，针对我国的实际情况，SCR技术已成为后处理系统中必不可少的选择。本文针对SCR技术中的核心控制技术-尿素喷射控制策略进行设计，并对其进行了离线仿真。主要工作总结如下：（1）建立了SCR系统氨存储与催化反应模型。首先，建立了NOx排气预测模型。其中，对于稳态预测模型，运用喷油量和进气量来计算排气流量；对于瞬态预测模型，由于瞬态NOx排放的影响因素较多，采用Matlab神经网络模型进行预测。另外，NO2/NOx的比例对NOx的转化效率有影响，因此，在建立NOx预测模型时，增加了NO2/NOx的输出。利用Elry-Rideal反应机理，选取主要的SCR催化反应，包括氨吸附与解吸附反应、标准SCR反应、快速SCR反应和氨氧化反应等，建立了催化反应模型，并通过质量守恒方程建立了氨存储模型。通过发动机台架试验，获取了原机NOx排放数据和SCR的反应特性。利用瞬态测试循环验证NOx排放预测模型进行排放预测的准确性。并利用simulinkoptimizationdesign工具箱结合试验数据对模型的参数进行了辨识。（2）建立了柴油机稳态工况和瞬态工况下SCR尿素喷射的控制策略。由于提高SCR催化性能的根本途径在于SCR物理系统，因此确定了在氨泄漏量为定值的情况下，使NOx转化效率最高的控制原则。利用Simulink/Stateflow建立了SCR尿素喷射系统的协调控制策略，确定了尿素喷嘴开启、关闭、等待和管路的反吹、加热等动作的逻辑。稳态工况下尿素喷射的控制，利用NOx转化效率MAP来确定尿素喷射量。在瞬态工况下，由于SCR系统较慢的氨存储过程，因此前馈控制非常重要。利用反馈控制来降低氨的泄漏。前馈控制中，利用催化剂温度变化相对排气温度变化的滞后对尿素喷射量进行修正。反馈控制中，运用PI控制器来实时调节氨表面覆盖率，确保氨的泄漏量不超过限制。并对PI控制器中的P值和I值进行了整定。（3）研究了柴油机SCR后处理系统的性能。利用AMESim建立排气系统模型，包括排气设定子模型、尿素喷射和分解子模型、SCR反应子模型，以模拟排气管中复杂的物理和化学变化。利用试验数据和序列二次规划算法对相关参数进行了优化。研究了NO2/NOx对NOx转化效率的影响，发现当NO2/NOx在0.5时NOx转化效率最高，而且可以显著提高低温时的NOx转化效率。研究了76万方数据 第6章总结与展望催化剂温度和空速对催化剂最大储氨量的影响，结果发现随着催化剂温度的增加，最大储氨量逐渐下降。在同一温度下，空速越低则最大储氨量越大，但随着温度的增加，空速对最大储氨量的影响越来越小。（4）进行了尿素喷射控制策略的耦合及离线仿真。采用AMESim到Simulink的接口方式，通过将AMESim模型生成S函数，并调入到Simulink模型的方式实现了两者的耦合。分别进行了稳态工况和瞬态工况的离线仿真，并对仿真结果进行分析。结果发现：基于模型的控制能够保证氨泄漏量较低的情况下，实现较高的NOx转化效率。6.2今后工作展望本文对柴油机尿素喷射控制策略进行了研究，但需要进一步展开相关工作。（1）对于控制策略的V型开发流程来说，不仅要进行离线仿真验证，还需要进行快速控制原型的验证，这样才能更好地看出控制策略在实际控制中是否有效。因此，接下来就是需要将控制策略移植到快速原型控制器中，进行相应的试验来验证控制策略的有效性。（2）随着越来越严格的排放法规，后处理系统更多的以系统的组合形式出现，例如DOC和SCR的组合。因此，接下来要考虑其他后处理装置对SCR控制策略的影响。77万方数据 同济大学硕士学位论文基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究致谢两年半的研究生生活即将结束，但我将带着研究生生活中的收获投入到接下来的工作岗位中。研究生论文的完成离不开很多人的帮助和支持，在此一并表示最真挚的感谢！首先，感谢我的导师谭丕强副教授，在整个论文写作的过程，导师花费了相当多的时间对我进行指导，并且给我提供了很多有用的资源，从而使我在论文写作过程中能够更加顺利的进行。另外，在研究生两年半的时间里，学术方面，经过导师细心和耐心的教导，我领略和初步掌握了如何进行学术方面的工作，改进了很多学习的方法；生活方面，导师非常关心我的生活，给我提供机会去体验新的事物，每次和导师的交谈中，我对事物也有更深入和全面的认识。其次，我要感谢课题组的楼狄明老师和胡志远老师。感谢楼老师进行的做人和做事方面的教导，以及提供的学习和锻炼自己的机会；感谢楼老师和胡老师在我论文写作过程中开题和阶段汇报中提供的意见和建议。再次，感谢任洪娟博士和杨蓉博士在论文试验方面提供的帮助。感谢研究生阶段一起学习的同学们，两年多的相处，学习上，大家共同进步；生活上，共同收获了很多欢笑和充实的经历。还要感谢在论文写作中论文被我引用或参考的作者们。最后，我要特别感谢我的家人。感谢家人始终支持我的想法和选择。从家人身上学到的坚强品质让我终身受益。2014年2月78万方数据 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同济大学硕士论文个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果个人简历：丁佩磊，男，1988年8月生于湖北襄阳。2011年6月毕业于武汉理工大学汽车工程学院热能与动力工程专业，获工学学士学位。2011年9月进入同济大学汽车学院动力机械及工程专业，攻读工学硕士学位。已发表论文：[1]TanPiqiang,DingPeilei,HuZhiyuan,LouDiming.OnRoadParticleEmissionsofaDieselCarFueledwithCoaltoLiquids.AppliedMechanicsandMaterials,2013,Vol.239:1171-1177.[2]谭丕强,丁佩磊,胡志远,楼狄明.CTL柴油轿车实际道路的排气颗粒物数量及粒径分布[J].内燃机工程，2013,34(5):33-37.83万方数据 基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究作者：丁佩磊学位授予单位：同济大学引用本文格式：丁佩磊基于模型的柴油机SCR尿素喷射控制策略的研究[学位论文]硕士2014