柴油机SCR无空气辅助尿素喷射系统控制技术开发

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柴油机排放的颗粒物(PM)和氮氧化物(NO_x)会引起严重的环境问题,因此几乎所有国家都制定了严格的排放法规,限制柴油机的的排放。目前有两条技术路线可以有效降低柴油机的排放污染物:一条是先采用废气再循环(EGR)技术降低机内NOx的生成量,再通过排气微粒捕集器(DPF)降低颗粒物排放;另一条是先优化机内燃烧,降低颗粒物的生成,再通过选择性催化还原(SCR)技术,降低NOx的排放。SCR以其燃油经济性好,对硫的敏感性低的优点,普遍被认为是应对国Ⅴ排放法规的主流技术路线。本文针对面向国Ⅴ的重型柴油机SCR无空气辅助的尿素喷射系统,开发了相应的硬件电路,同时设计了泵压力的模糊PID控制器,提高尿素喷射压力的稳定性。本文的主要研究工作如下:分析了有、无空气辅助喷射的尿素喷射系统的组成和各自的优缺点。确定了无空气辅助喷射系统的方案。详细分析了无空气辅助尿素喷射系统的组成及各硬件特性,针对dSPACE MicroAutoBox及RapidPro配置,设计了各部件相应的接口电路。利用运算放大器模拟电路的特点,设计了尿素喷嘴的峰值-保持电路。因为尿素喷嘴电感值较小,所以需要极高的PWM控制频率,这将极大地占用数字控制器的运算资源,所以本文采用了模拟电路进行闭环控制。由于峰值保持电路波形的复杂性,电路设计中采用了两块运算放大器及一系列电阻、电容及半导体器件实现电路设计。为了保证电路设计的正确性,本文采用专用电力电子电路仿真软件Pspice进行电路仿真分析,确定电路参数。基于前期的设计,利用Protel软件完成了PCB设计,并在dSPACE实验平台上完成了功能调试。设计了尿素压力模糊PID控制算法。尿素压力的稳定性直接影响到尿素喷射的精度,由于尿素压力具有很强的非线性,所以很难对其控制器进行全工况范围内的优化,传统控制中采用了分段PID的算法。为了实现更好的尿素压力控制,本文设计了针对尿素管路特性的模糊PID控制器。通过在dSPACE快速原型上实验验证,与分段PID控制相比,模糊PID有效降低了压力超调,提高了压力控制的稳定性。
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