Urea-SCR催化器失效机理及其故障诊断与容错控制方法研究

VWT-,Cu-,Fe-based catalytic converter of NOx emission after-treatment system for automotive diesel engine(Urea-SCR system) may have a variety of failure modes in the process of driving. With catalyst thermal inactivation/chemical poisoning as the research object, prepare different degree of failure samples, get microstructure characterization parameters of catalytic converters in the failed state, build the relationship between catalyst performance, ammonia storage characteristics and parameters of the experimental study, establish mathematical model, kinetic model, numerical simulation model and control model under catalyst deactivation state, realize numerical simulation of catalytic converter failure, and build catalytic converter failure mechanism; establish the ammonia storage capacity model and ammonia quantity estimation model of catalyst converter, and mathematical model between ammonia storage capacity and catalyst performance; study influence law of different inactivation degree of catalyst on engine emissions, compare and study several typical diagnostic methods and fault-tolerant control methods, look for fault diagnosis methods and fault-tolerant control methods for in-vehicle conditions, break through the limitations of the existing board diagnostic systems, realize optimal control of pollutant emissions under the state of catalytic converter failure, form theory and technical methods of the catalytic converter failure mechanism - fault diagnosis - fault-tolerant control system, and provide a theoretical basis and technical support for the promotion and application of Urea-SCR system.

针对车用柴油机NOx排放控制SCR系统中VWT-、Cu-、Fe-SCR催化器，在车辆行驶过程中可能出现多种失效形式，以催化器热失效/化学中毒为研究对象，制备不同失效程度样件，获得失效状态下的催化器微观结构表征参数，通过试验研究构建催化剂性能及储氨特性与各参数之间关系，建立催化剂失活状态下的数学模型、动力学模型、数值仿真模型及控制模型，实现催化器失效的数值仿真研究，构建催化器失效机理；建立催化剂储氨能力模型及储氨量估计模型，催化剂储氨能力与催化剂性能之间数学模型；研究催化剂不同失活程度对发动机排放影响规律，对比研究几种典型诊断方法及容错控制方法，寻找适用于车载条件的故障诊断方法及容错控制方法，突破现有车载诊断系统的局限性，实现催化器失效状态下的污染物排放最优控制，形成“催化器失效机理-故障诊断-容错控制”系统的理论、技术及方法，为Urea-SCR系统的推广应用提供理论依据及技术支撑。

以柴油机NOx排放控制后处理系统Urea-SCR催化器为研究对象，研究催化器的热老化的失效机理，建立催化器失效机理数值模拟模型，搭建了催化剂小样水热老化和性能评价试验台架，制备了不同老化程度的样机，通过NO转化效率、起燃温度、微观表征、化学反应动力学等参数指标表示其性能演化规律，构建了面向控制的催化器失效机理模型；研究了SCR催化器性能动态影响参数及规律，研究了SCR催化器储氨特性及其影响因素和规律，建立了储氨机理模型，提出了基于扩展卡尔曼滤波的储氨量估计方法；根据SCR反应机理，建立了SCR系统闭环控制模型，提出了NOx传感器NH3交叉敏感的容错方法，提出了基于NOx传感器的氨闭环控制方法，基于NOx转化效率与NH3泄漏存在trade off的关系，提出了基于遗传算法和非线性模型预测的优化算法，对尿素喷射量进行优化；在此模型基础上研究了传感器、执行器及催化器不同失效程度对排放性能的影响规律，提出了基于多信息融合、GA-SVM以及基于模型的故障诊断方法和策略，提出了基于模型参考自适应的容错控制方法。.通过本项目的实施：1）共培养研究生13名，博士研究生2名，硕士研究生11名；2）已发表相关学术论文17篇，还有3篇SCI刊源在审稿阶段，其中外文期刊5篇，中文期刊12篇；其中SCI收录4篇，国际顶级期刊1篇（IF：7.182），EI收录6篇；其中内燃机学报4篇，农业机械学报1篇，内燃机工程2篇，汽车技术3篇，其他期刊2篇；3）申请发明专利2项 ；4）获得湖北省优秀学士论文2篇（2015，2016）；5）在基金项目的研究基础上，获批“十三五”重点研发计划项目，获批移动污染排放控制技术国家重点工程实验室开放基金项目，申报2018年湖北省面上基金项目。