一种柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统

本发明涉及汽车尾气控制领域，尤其涉及一种柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统。

背景技术：

1、尿素scr后处理系统技术是柴油车尾气排放的关键技术。然而，化学反应的复杂性、有效性的强烈温度依赖性以及扰动的瞬态性质使系统的控制极具挑战性，并为开发创造性的控制技术提供了机会。尿素选择性催化还原(scr)已经提出了各种技术，如贫nox捕集器、scr和选择性非催化还原，以帮助实现nox的排放目标。其中，scr发展最好。在尿素scr系统中，尿素被喷射到排气流中，然后通过热解和水解将排气流转化为nh3。该nh3被吸附到催化剂上并还原排气中的nox以产生n2和h2o。但也会出现未反应的nh3出现在排气尾管处。

2、对于排气尾管排放的反馈，nox传感器的使用已得到广泛研究。使用nox传感器的主要缺点是它们对nh3交叉敏感，从而给出不可靠的估计。nh3传感器最近已经被研究用于scr的基于nh3泄漏的控制。scr温度的变化率可能导致排气尾管nh3泄漏的突然激增。

3、此外，尿素配量控制算法的性能需要独立于驱动循环。为了解决这些问题，许多研究中使用的scr的简化线性模型可能并不有效，需要基于非线性模型的控制算法。scr系统尽管有许多优点，但仍有一些关键挑战需要解决：

4、(1)非线性：scr系统的化学性质使其成为一个固有的非线性系统。许多反应是耦合的，增加了许多复杂性。应用于线性系统的传统控制方法将不适用于这样的系统。

5、(2)温度敏感性：尿素scr系统对温度高度敏感。存在一个狭窄的温度窗口，在该窗口中系统的脱nox能力最好。

6、(3)污染物之间的权衡：该系统基本上依赖于一种污染物(nh3)的注入，以最大限度地减少nox。当这两种污染物中的任何一种浓度较低时，另一种浓度便升高。将两者的浓度保持在可接受的水平是一项挑战。

7、(4)干扰：排气的性质可能是非常瞬态的。scr系统需要在大范围的体积排放、温度和发动机排出nox的浓度范围内工作。

8、(5)系统滞后：尿素喷射、nh3吸附到催化剂上并能够与进入的nox反应的时刻之间存在滞后。

9、(6)传感挑战：

10、nox传感：生产nox传感器对nh3交叉敏感。这使得每当存在nh3泄漏时，nox传感器读数不可靠。此外，这种交叉敏感性并不保持恒定，而是温度和nh3浓度的强函数。

11、nh3储存量测量：在任何时刻都不可能直接测量吸附在催化剂上的nh3量。这需要使用复杂的基于模型的观测器。

12、(7)系统退化：尿素scr系统会随着时间的推移而“老化”。随着系统老化，其催化关键反应和减少nox的能力降低。

13、尿素scr系统使我们能够通过添加尾气处理液(def)将nox水平保持在法规规定的限值内。然而，添加非常高的def喷射量会导致排气尾管nh3泄漏过多，而添加过少的def会导致排气管nox排放过多。此外，汽车系统中的扰动通常是高度瞬态的，这消除了使用开环控制算法的能力。这促使需要采用实时闭环剂量控制器，基于上述原因，本发明设计了一种柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中的问题，而提出的一种柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统。

2、一种柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统。一种柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统，包括泄漏参考控制器和切换模式控制器，所述泄漏参考控制器包括一个基于模型的组件，该组件使用观测到的存储分数估计值，以及仅使用氨气泄漏信息的反馈组件，所述切换模式控制器包括两种切换模式：泄漏跟踪和存储跟踪，根据切换逻辑在泄漏跟踪和存储跟踪模式之间切换，第一种切换模式控制器使用恒定存储参考和温度相关的切换逻辑，第二种控制器旨在具有预测能力，并使用查找表随着时间变化而改变存储参考。

3、在上述柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统中，所述切换逻辑包括两个部分，第一部分是在任何时候，默认分配与前一时间步相同的控制模式，第二个部分是根据观测到的存储值相对于存储基准的裕度，自动切换为泄漏跟踪或存储跟踪模式，从而提高尿素scr系统对nox浓度的降解能力，并在各种操作条件下(包括瞬态和稳态驾驶循环)有效控制nh3泄漏，确保其保持在规定的上限以下。

4、在上述柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统中，使用氨气泄漏信息的反馈组件采用nh3传感器，使用nh3传感器的控制策略是：scr入口处的nh3浓度由下式给出：

5、

6、

7、其中是尿素喷射速率，单位为g/sec，和是nh3和hnco的形成速率，单位：g/sec，和ηhnco分别是尿素转化为nh3和尿素转化为hnco的效率，由于nox传感器通常位于def喷射器的上游，因此可以在不担心交叉灵敏度的情况下测量发动机排气nox。

8、在上述柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统中，scr控制目标是最大限度地减少修改后的转换效率指标，该指标由以下公式给出：

9、

10、其中ci表示物种i的浓度。设计的目标是最大化这一效率指标，上述方程中，激励了nox的减少，同时对给定数量的发动机排气nox的过量nh3泄漏进行了限制，nh3泄漏的相对限制可以通过改变λ来调整，预测控制策略中要最小化的成本函数定义为：

11、j＝∑||yref-y||2+λ‖δu‖2

12、其中，yref是目标nox转化效率，y是实际nox转化率，δu是控制器效率的变化。

13、在上述柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统中，反馈组件采用比例-积分-微分(pid)控制器的变体，而反馈组件的控制律由以下公式给出

14、ufbc＝kp,slip.e1+ki,slip∫e1.dt

15、其中kp,slip和ki,slip分别是泄漏控制器的比例增益和积分增益，e1是由e1＝x1,ref-x1给出的nh3泄漏跟踪误差，完整的泄漏参考控制定律现在由以下公式给出：

16、uslip＝umbc+ufbc

17、

18、在上述柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统中，所使用的存储控制器是pi控制器，并且控制律由下式给出：

19、ustorage＝kp,storage·e3+ki,storage∫e3.dt

20、切换模式控制器中算法由下式给出：

21、否则

22、在上述柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统中，多维查找表的输入包括(i)催化剂床温度、(ii)催化剂床温度梯度、(iii)排气流量，(iv)催化剂中储存分数的现值，(v)排气管nh3泄漏的现值，(vi)进入的nox的现值，通过上述输入值来生成查找表。

23、在上述柴油发动机开关模式尿素剂量控制系统中，在每个时间点，将观察到的氨储存分数与生成的查找表给出的储存参考值进行比较，如果观察到的值超过该参考值的阈值，则控制器被分配泄漏跟踪模式以确保nh3峰值在未来不会发生，相反，当观测值小于最大允许值的阈值时，控制器被分配存储跟踪模式，在不违反这两个阈值的情况下，控制器被分配与前一时间步骤中相同的模式，

24、开发的基于动态模型的观测器用于估计催化剂中nh3的储存分数，而不是直接使用来自工厂模型的氨储存分数值(x3)，通过使用以下基于全状态反馈的观测器方程实时获得nh3的估计储存分数：

25、

26、

27、本发明可以最大程度提高尿素scr系统对nox浓度的降解能力，并在各种操作条件下(包括瞬态和稳态驾驶循环)有效控制nh3泄漏，确保其保持在规定的上限以下。