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《吉林大学》 2011年
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重型柴油机SCR尿素喷射控制策略研究

张建锐  
【摘要】:商用车国Ⅳ排放法规即将在全国实行。相比国Ⅲ排放法规,国Ⅳ排放法规在PM和NO_x限值上要更加严格,其中NO_x减少30%,PM减少80%。 针对国Ⅳ排放法规政策,一汽早在2006年即开始研究国Ⅳ排放法规政策、技术路线、控制策略等。本文正是在这一背景下,结合一汽技术中心课题,深入研究国ⅣSCR尿素喷射控制策略,并在此基础上进一步研究国V的SCR尿素喷射控制策略。FAW国Ⅳ技术方案之一是采用机内燃烧优化和SCR后出处理相结合。发动机基于国Ⅲ柴油机,通过对其进行性能优化,从而匹配更有利于国Ⅳ柴油机的油嘴、燃烧室、增压器。通过DOE方法对发动机进行全工况标定试验。试验结果是十三工况加权比油耗为199g/kW.h,PM为0.018 g/kW.h,达到国Ⅳ排放法规要求,NO_x排放为9 g/kW.h。 SCR尿素喷射控制策略研究的工作流程完全按照国际上通用的V字开发流程,进行控制策略的需求定义、需求分解、plant model建立、控制策略的离线仿真、控制策略的快速控制原型验证,最终得到更加可靠、实用的控制策略模型。 国Ⅳ尿素喷射控制策略,建立基础的尿素喷射MAP,并在此基础上进行尿素喷射量的修正。为了防止过喷,进行尿素喷射量的限制。建立排气流量计算模型,确保瞬态工况时的空气流量更加准确。同时在过渡工况,为了减少尿素过喷,建立缓喷控制模型。 尿素喷射基础MAP的制定考虑以下几个因素:SCR催化剂效率的最佳利用;稳态温度分布;瞬态工况,通过对ETC的研究,建立瞬态敏感区域,充分考虑稳态工况与瞬态工况的交叉区域。对尿素喷射基础MAP进行必要修正,如催化剂劣化修正等,使控制策略更加可靠。排气流量模型能够准确地预测排气流量,提高尿素喷射准确度,减少影响尿素喷射量的不利因素。瞬态工况,吸附在催化剂上的氨气受到温度及排放的影响,容易泄露,通过建立缓喷模块可以明显减少氨气的泄漏。 建立SCR后处理模型,模型基于LMS公司的AMESim软件,通过模型参数化及校正,得到准确的SCR模型。基于simulink的尿素喷射控制策略与SCR模型联合仿真,验证瞬态尿素喷射策略,并进行模型调整,需要经过多次模型验证和调整,然后对离线仿真的结果进行快速控制原型验证,证明与离线仿真结果接近。NO_x ETC排放结果是3g/kW.h,ESC排放结果是3.03g/kW.h,满足国Ⅳ排放法规要求。氨气泄漏很少,ETC峰值泄漏量是6ppm。 国Ⅴ尿素喷射控制策略采用基于SCR模型的闭环控制策略,从而提高控制系统鲁棒性及控制精准性。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并满足国Ⅴ的排放法规要求。表面遮盖率的选取原则同样是根据国四ETC分布规律,采取分段优化的原则,使稳态和瞬态工况时使用的MAP达到最优。SCR模型是根据Eley-Rideal反应机理,并利用化学反应动力学及质量平衡原理创建的物理模型。模型进行适当的简化以满足实时性。通过少量而典型的试验数据对模型进行标定,使之满足用于控制策略的精度要求。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NO_x限值达标。经过快速控制原型的验证,符合离线仿真的结果。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U464.172

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