尿素-选择性催化还原(SCR)后处理系统是目前降低柴油机氮氧化物(NOx)排放最为广泛应用的技术手段。催化剂温度是影响NOx转化效率的主要因素之一。目前在工程上大多采用催化箱上游温度或下游温度代替催化剂温度用于控制尿素喷射量,由于车用柴油机工况复杂多变,催化箱内部温度变化并不一致,当前算法可能会造成催化箱内温度估算不准确,进而造成SCR系统NOx转化效率控制不准,并可能出现大量氨泄漏。然而,催化箱内部温度分布规律及柴油机工况对催化箱内温度影响规律及机理的研究较少,而此研究是准确实时估算催化剂温度的前提。本文针对此问题开展研究,通过本文的研究为尿素喷射量的精确控制提供理论基础,为进一步提高NOx转化效率降低氨气泄漏量,使柴油机满足越来越严格排放法规的要求提供理论指导。本文基于柴油机试验平台建立SCR后处理系统温度测量装置;并通过实验归纳出催化箱内部温度的分布特征及柴油机工况对催化箱温度变化的影响规律;通过仿真计算探究了SCR催化箱内部温度变化的机理;最后,利用催化箱上游温度提出催化剂温度的实时估算模型,并在发动机台架与整车路试中进行验证。本文主要内容如下:(1)建立SCR催化箱温度场测量试验系统。本文基于柴油机台架,建立了SCR催化箱温度场测量系统。此系统包括SCR催化箱、尿素喷射系统、催化箱温度测量装置和数据采集系统四部分。通过改变发动机工况,可改变SCR催化箱入口处的初始流量、初始温度、尿素喷射量,为研究催化箱内部温度变化规律提供技术支持。(2)催化箱内部温度场的特性分析。车用柴油机工况复杂多变,为了详细分析催化箱内部温度分布规律与发动机工况对催化箱温度的影响规律,调整发动机台架,使发动机运行在指定的稳态工况与瞬态工况。研究SCR催化箱内部温度变化规律及柴油机工况对催化箱内温度变化的影响规律。结果表明,当柴油机运行在稳态工况时,催化箱前端与后端的温差较催化剂内部温差高,催化箱内部温度的均匀性与发动机排气温度影响较大,而与发动机的排气流量影响较小,尿素喷射量对温度均匀性的影响较小;当发动机工况发生变化时,催化箱温度沿着催化箱垂直方向变化时刻同步;沿着催化箱轴线方向变化时刻存在滞后,滞后时间和稳定时间与发动机排气流量有着密切的关系,与排气温度的变化影响小。(3)SCR催化箱内部温度变化的机理分析根据传热传质及化学反应动力学等相关学科的理论和方法,采用MATLAB/Simulink软件建立详细的SCR催化箱数学模型,以柴油机尾气在催化箱入口处的排气温度、排气流量、排气成分和尿素喷射量等为初始条件,通过此模型分别计算出催化箱内温度变化过程,以及催化箱下游NOx浓度值。结果表明,在催化剂载体前端区域,催化箱温度沿中心轴线方向迅速下降,此区域的能量变化包括尿素水解热解的化学反应吸热以及物理传热损失,以物理传热损失为主;在催化剂载体区域,催化箱温度沿中心轴线方向与尿素喷射量有关,当尿素喷射量增大时,催化箱温度升高,此区域的能量变化包括氨气与氮氧化物的化学反应放热以及物理传热损失;在催化剂后端区域,催化箱温度沿中心轴线下降缓慢,与尿素喷射量无关,此区域的能量变化仅包括物理传热损失。(4)SCR催化剂温度的实时估算模型利用催化箱上游温度,建立SCR催化箱下游温度的实时计算模型,进一步提出催化剂温度的实时估算模型。在柴油机实验台架上,不管是稳态工况还是瞬态工况,温度的计算值与实测值的相对误差在5%以内。此外,在整车路试过程中,温度的计算值与实测值的相对误差在10%以内。从而证明了本文提出的SCR催化剂温度的估算模型是可信的且可用于实时控制。