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近年来随着人们生活质量的日益提高以及城市的快速发展,机动车的尾气排放问题日益严重。本文以柴油机选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)后处理系统为研究对象,对SCR催化器化学反应机理进行了系统的研究并建立了 SCR催化器模型,设计了基于模型的SCR控制策略和车载故障诊断(On-Board Diagnostics,OBD)策略,并分别在发动机欧洲稳态循环(European Steady Cycle,ESC)和欧洲瞬态循环(European Transient Cycle,ETC)工况下进行了验证,主要内容如下:(1).SCR催化器非线性建模。首先对SCR催化器的化学反应机理进行了系统的研究,为了便于建模,沿着气流轴线方向将SCR催化器分为数个理想的SCR单元,基于连续搅拌釜式反应器(Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)方法,结合 Arrhenius定理和质量守恒定律,建立了 SCR催化器的化学反应动力学模型、温度模型和床温模型等,并对SCR催化器的化学反应动力学模型的敏感性、稳定性和可观性进行了分析。随后,分别在发动机ESC和ETC工况下对模型进行了验证。(2).SCR催化器的状态观测器设计。首先对自适应滑模观测器进行了简单介绍,然后,设计了基于自适应滑模观测器的SCR催化器状态观测器,并利用Lyapunov稳定性理论对观测器的稳定性和鲁棒性进行了证明,最后,观测器的可靠性在发动机ESC和ETC工况下得到了验证。(3).基于模型的SCR闭环控制策略开发。提出了基于模型的SCR尿素喷射闭环控制策略,采用"前馈控制器+SCR储氨状态控制"的闭环反馈控制结构,其中前馈控制采用MAP图标定和模型计算相结合的控制器结构,根据尿素溶液的理论需求量进行前馈控制;根据SCR催化器沿着气流轴线方向的储氨状态分布规律,以及催化器模型的结构特点,利用反步法设计了 SCR储氨状态控制器,对SCR催化器沿着气流轴线方向的储氨状态分布进行控制,因而,SCR储氨状态控制实现减少氮氧化物(Nitrogen Oxide,NOx)排放的同时避免氨泄漏造成的二次污染。在发动机ESC和ETC工况下的实验验证结果表明,所提出的基于模型的SCR闭环控制策略可以有效降低NOx排放同时减少氨泄漏量。(4).基于模型的OBD策略开发。首先重点分析了 SCR系统几种常见的故障类型,接着对其中几种典型的故障类型设计了基于模型的OBD故障诊断策略,并对发生SCR催化器下游温度传感器和NOx传感器故障、催化器老化以及尿素喷嘴堵塞这四个最具代表性的故障模式时,基于模型的OBD策略和闭环控制策略的工作性能进行了重点验证,验证表明所提出的基于模型的SCR控制策略和OBD策略是有效的。