重型柴油车的氮氧化物(NOx)排放是大气污染物的主要来源之一,为了减少重型柴油车对环境的影响,近年来世界各国纷纷推出了越来越严格的重型车排放法规。尿素-选择性催化还原(SCR)技术是降低重型柴油机NOx排放的一种有效手段,被广泛应用于重型柴油车市场。SCR技术具有NOx转化效率高,耐久性和适配性较好,不需要对发动机原机进行改装等优点。我国重型柴油车从国Ⅳ阶段开始广泛使用SCR后处理技术来满足法规对NOx排放的要求。但在国Ⅵ阶段,后处理系统的SCR催化器前将加装了柴油氧化催化器(DOC)和柴油颗粒捕集器(DPF)等催化器,对SCR催化器性能产生了较大的影响。模型非线性问题、多时间尺度问题和物理传感器测量信息不足等问题都为面向SCR系统控制的模型建立和策略开发造成了困难。现有模型存在标定工作量大、计算资源需求量大以及集成至控制器难等问题,SCR控制系统存在通过优化进一步降低NOx排放的可能,但缺乏最优化SCR控制模型和策略等相关内容的研究。此外,国内外对于未来更为严格的加州超低NOx排放法规技术方案仍处于探索阶段,有待进一步研究。基于此,本文通过发动机台架试验对重型柴油车后处理系统性能进行研究,建立面向控制的后处理催化器模型,对SCR系统尿素喷射控制进行优化,并对实现超低NOx排放控制策略进行研究和分析。通过发动机台架试验对影响发动机NOx排放及SCR入口前NO/NOx比的因素进行了研究,结合互信息(MI)关联分析对影响因素进行相关性定量分析,并以此建立了用于预测NOx排放的虚拟NOx传感器。研究结果表明,在稳态条件下,发动机原机NO,排放主要为NO,原机NO/NOx比平均值约为98%。催化器温度是影响SCR入口 NO/NOx比的主要因素,NO/NOx比受到NO-NO2可逆反应化学反应速率和化学平衡的影响,随着温度的升高呈现先减小后增大的趋势。基于MI对原机NOx排放和SCR入口 NO浓度的影响因素进行相关性定量分析,计算结果表明,原机NOx排放的主要相关参数有影响发动机燃烧和进、排气过程的气体压力参数、气体流量参数和燃油喷射参数,反映发动机工作状态的发动机工况参数,以及反映发动机燃烧状态的排放参数。SCR催化器入口 NO浓度的主要相关参数除了与原机NOx排放相关性较大的参数以外,还增加了后处理系统温度参数。基于MI分析,从气体压力参数、气体流量参数、燃油喷射参数、发动机工况参数和后处理系统参数中选择输入参数,基于反向传播神经网络(BPNN)建立虚拟NOx传感器。在世界统一瞬态循环(WHTC)下对训练后的模型进行验证,验证结果表明,基于MI分析和BPNN网络建立的虚拟NOx传感器对原机NOx排放和SCR入口 NO浓度均具有较好的预测性能,相比于基于EGR率的预测,BPNN模型的均方根误差降低超过15%。在发动机台架上对SCR催化器氨(NH3)存储特性,NOx排放和NH3泄漏特性进行研究,提出了面向控制的SCR单状态模型。研究结果表明,SCR催化器具有一定的NH3存储功能,当尿素停止喷射后,存储的氨气仍然可以将NOx转化为氮气。当SCR催化器温度低于400℃时,NH3泄漏达到10 ppm的时刻随着温度的升高和空速的增大逐渐提前。相比于空速对NH3泄漏时刻的影响,温度的影响更为明显。当温度为450℃时,NH3泄漏时刻有明显的推迟,这主要是因为在高温下会发生NH3氧化反应,减小了还原剂的过量供给,降低了 SCR催化器中NH3存储的累积速率。当SCR催化器中具有较高的NH3存储时,在200～450℃温度区间内,NOx转化效率高于99%。空速对铜基分子筛SCR催化器饱和NH3存储影响较小,随着空速的增大,饱和NH3存储略有降低。SCR催化器温度对饱和NH3存储的影响较大,随着SCR催化器温度的升高,饱和NH3存储快速减小。WHTC循环试验结果表明,NOx排放主要发生在尿素停喷阶段,而NH3泄漏主要发生在高温工况。不同SCR催化器尺寸试验研究表明,WHTC循环NOx比排放和NH3泄漏之间存在明显的此消彼长(trade-off)关系,增大SCR催化器体积有利于同时降低NOx排放和NH3泄漏。初始NH3存储对循环排放结果有较大影响,提高初始NH3存储可以降低NOx排放,但却会增大系统NH3泄漏。基于SCR化学反应动力学模型、连续搅拌釜式模型及质量守恒定律提出了面向控制的SCR单状态模型,对SCR催化器模型进行改进,用静态方程来描述NOx排放和NH3泄漏动态过程,将对SCR催化器性能影响最大的NH3覆盖率作为唯一的动态过程,简化了 SCR模型,降低了控制器的计算负荷,并保证了模型的预测精度。标定后的SCR单状态模型NOx排放和NH3泄漏的平均绝对误差分别为6.9 ppm和1.8 ppm,SCR单状态模型可以很好的预测SCR催化器中的NH3存储,进而准确预测NOx排放和NH3泄漏。基于SCR单状态模型分析了 SCR催化器NH3覆盖率对NOx排放和NH3泄漏的影响。NH3覆盖率是影响SCR催化器排放的关键因素,增大SCR催化器的NH3覆盖率可以减少NOx排放,但却会增大NH3泄漏。基于建立的SCR单状态模型和多目标遗传算法对SCR系统NH3存储控制进行优化,分析了稳态最优解影响因素,提出了 SCR系统瞬态优化方法,解决了 SCR系统瞬态优化问题,并基于瞬态优化结果提出了 NH3覆盖率分区控制逻辑。世界统一稳态循环(WHSC)4个典型稳态工况点优化结果表明,在Pareto前沿上的最优解集NOx排放和NH3泄漏存在明显的trade-off关系。在Pareto前沿曲线上,以国Ⅵ排放法规NH3泄漏标准10 ppm为分界线,当NH3覆盖率小于10ppm时,随着NH3覆盖率的增大,NOx排放快速减小:然而,当NH3覆盖率大于10 ppm时,进一步增大NH3覆盖率,NOx排放降低幅度有所放缓,但是NH3泄漏却快速增大。SCR催化器温度是影响稳态最优NH3覆盖率目标值和最优解NOx排放的主要因素。稳态最优NH3覆盖率目标值随温度变化基本呈线性关系,并随着温度的升高而降低,但是随着温度的升高,NOx转化效率逐渐提高。空速和入口 NOx浓度对最优解的影响小于温度的影响,随着空速和SCR入口NOx浓度的增大,最优NH3覆盖率目标值略有增加,而NOx转化效率略有降低。由于空速和入口 NOx浓度变化所导致的稳态最优NH3覆盖率及最优解NOx转化效率波动分别为5%和2%。根据稳态优化结果,在瞬态条件下对SCR系统的优化即对目标NH3覆盖率随温度变化MAP进行优化。在瞬态优化解Pareto前沿上,NOx排放和NH3泄漏同样存在trade-off关系,变化规律与稳态优化解相似。NOx排放控制的核心是提高低温下NH3存储,减少低温段尤其是尿素停喷段NOx排放。在低温时,瞬态最优解NH3覆盖率目标值较大;而在较高温度时,瞬态最优解目标NH3覆盖率低于稳态最优解。在城市和乡村低温工况段,瞬态最优解的目标NH3覆盖率变化大于稳态最优解;而在高速公路工况段,瞬态最优解的目标NH3覆盖率变化小于稳态最优解。提高NH3覆盖率变化速率可以增大NOx转化效率,而降低NH3覆盖率变化速率可以降低NH3泄漏风险。基于稳态和瞬态优化对比结果,提出了分区控制策略,将目标NH3覆盖率MAP分为六个区域,分别为尿素停止喷射区、NOx高排放区、排放低风险区、道路工况过渡区、高温过渡区以及NH3泄漏高风险区。尿素停止喷射区和NOx高排放区是NOx排放的主要区域,在NOx高排放区,当温度下降时,NH3存储应迅速增大以避免产生大量NOx排放。排放低风险区位于SCR催化器高活性温度区间,NH3覆盖率控制难度低。道路工况过渡区内温度波动剧烈,在此温度区间,NH3覆盖率变化幅度较大。高温过渡区和NH3泄漏高风险区温度相对较高,具有较高的NH3泄漏风险,在高温过渡区将NH3覆盖率控制在较低的水平有利于控制NH3泄漏高风险区的NH3泄漏。计算结果表明,基于分区控制,WHTC循环NOx排放由原机的8.66g/kW·h降低到0.35 g/kW.h,相比于固定氨氮比(ANR)控制降低了 57.3%,平均NH3泄漏低于10 ppm,满足国Ⅵ标准对排放限值的要求。基于SCR系统建模及优化结果耦合SIMULINK软件搭建后处理系统仿真平台,对超低NOx排放系统及其控制策略进行研究。根据SCR催化器NH3存储对NOx转化效率和NH3泄漏的影响规律,提出了一种基于NH3存储的尿素闭环控制策略,根据NH3覆盖率目标值对SCR催化器中的NH3存储进行比例积分(PI)控制,试验结果满足国Ⅵ标准对排放限值的要求。在仿真平台上对热补系统控制策略需求进行分析,当后处理系统无热补系统时,NOx排放主要在美国联邦测试程序(FTP)循环初期产生,在FTP冷起动循环中,前700 s产生了整个循环97.8%的NOx。为了增大NOx转化效率,热补系统可以采取增大最大功率或者提高SCR催化器入口温度目标值两种策略,但增大热补系统最大工作功率对NOx排放的影响要大于提高SCR催化器入口温度目标值的影响,这是因为相比于尿素停喷时间,尿素起喷时间对NOx排放影响更大,增大热补系统最大工作功率对缩短尿素起喷时间的作用更为明显。另外,增大热补系统最大功率的额外能量消耗也要小于提高目标温度的方法,提高目标温度还会增大SCR入口温度的波动,增加NH3覆盖率控制难度。在热补系统最大工作功率为20 kW,SCR催化器入口温度目标值为300℃时,NOx排放满足加州超低NOx排放法规的要求,热补系统所消耗的功率约占发动机功率的1.34%。对紧凑耦合SCR(ccSCR)系统降低NOx排放(DeNOx)潜力进行研究,ccSCR系统可以大大缩短尿素起喷时间,FTP冷起动尿素起喷时间从568 s降低到51 s。提出了基于NH3存储的ccSCR系统双喷嘴联合控制策略,解决ccSCR系统尿素喷射控制问题,该策略将ccSCR催化器和下游SCR催化器中的NH3存储进行联合控制,下游SCR催化器后的NOx排放满足加州超低NOx排放法规的要求。相比于热补系统,ccSCR系统具有更高的DeNOx潜力,ccSCR系统不需要引入额外热源,充分利用尾气热量,通过发动机排气的加热就可以快速起燃实现较高的NOx转化效率,减少了系统能耗。