一種柴油機(jī)SCR系統(tǒng)NOx輸出濃度的觀(guān)測(cè)方法及觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于柴油機(jī)尾氣后處理SCR系統(tǒng)控制領(lǐng)域，涉及一種控制估計(jì)方法，具體 來(lái)說(shuō)，涉及一種柴油機(jī)SCR系統(tǒng)NOx輸出濃度的觀(guān)測(cè)方法及觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，特別適用于柴油機(jī)尾 氣后處理系統(tǒng)一SCR系統(tǒng)中對(duì)NOx輸出濃度的估計(jì)觀(guān)測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近十年來(lái)，汽車(chē)行業(yè)中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)份額一直在增長(zhǎng)，主要是由于它在燃油 效率、耐久性和應(yīng)用范圍方面與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比具有不小的優(yōu)勢(shì)。但是，近些年隨著地球環(huán) 境的惡化和人們環(huán)保意識(shí)的提高，柴油機(jī)尾氣污染問(wèn)題尤其是氮氧化物污染越來(lái)越引起人 們的關(guān)注。為了解決柴油機(jī)尾氣污染問(wèn)題，人們研宄開(kāi)發(fā)了缸內(nèi)燃燒控制，NOx捕獲技術(shù)， 選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR)等技術(shù)。而隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，技術(shù)的研宄深入，SCR系 統(tǒng)被認(rèn)為是最具有前途的去除氮氧化物的一種尾氣后處理技術(shù)。
[0003]SCR系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)中來(lái)減少NOx的排放。SCR(SelectiveCatalytic Reduction)主要就是一種選擇催化還原技術(shù)，它是在系統(tǒng)入口端噴入尿素，利用其水解出 的氨氣在催化劑的作用下將NOx還原為對(duì)大氣無(wú)污染的氮?dú)夂退?br>[0004] 如圖1所示，常規(guī)的SCR系統(tǒng)包含：SCR系統(tǒng)；位于SCR系統(tǒng)進(jìn)氣端的檢測(cè)叫濃 度的傳感器1，位于SCR系統(tǒng)進(jìn)氣端的檢測(cè)NH3濃度的傳感器2,位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢 測(cè)N0X濃度的傳感器3，位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢測(cè)NH3濃度的傳感器4。
[0005] 在SCR系統(tǒng)中，尿素的噴射是系統(tǒng)唯一的輸入控制，而NOx和氨氣的濃度被認(rèn)為是 SCR控制中重要的參數(shù)，所以NOx和氨氣的輸出濃度對(duì)控制算法的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的輸 出濃度觀(guān)測(cè)一般都是借助于傳感器，但是在NOx傳感器測(cè)量NOx濃度時(shí)，NOx中混雜的氨氣 會(huì)有一小部分氧化為N0x，導(dǎo)致傳感器的測(cè)量存在一定的誤差；此外還有一些狀態(tài)觀(guān)測(cè)器 被提出來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但是他們的觀(guān)測(cè)精度并不能很好地滿(mǎn)足實(shí)際的需求。這些問(wèn)題都 會(huì)影響SCR系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和工作效率。
[0006] 因此，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種新型NOx輸出狀態(tài)觀(guān)測(cè)器至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了解決SCR系統(tǒng)中輸出NOx傳感器受氨氣影響測(cè)量不準(zhǔn)問(wèn)題， 而提供一種契合SCR系統(tǒng)的方法來(lái)盡可能地提高測(cè)量的精度。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種柴油機(jī)SCR系統(tǒng)NOx輸出濃度的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)， 該觀(guān)測(cè)系統(tǒng)包含：
[0009] SCR系統(tǒng)；
[0010] 位于SCR系統(tǒng)進(jìn)氣端的檢測(cè)N0X濃度的傳感器，
[0011] 位于SCR系統(tǒng)進(jìn)氣端的檢測(cè)NH3濃度的傳感器，
[0012] 位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢測(cè)N0X濃度的傳感器，
[0013] 位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢測(cè)NH3濃度的傳感器，
[0014]UKF觀(guān)測(cè)算法模塊，
[0015] 濃度顯示模塊；
[0016]SCR系統(tǒng)進(jìn)氣端的檢測(cè)N0X濃度的傳感器、檢測(cè)順3濃度的傳感器、SCR系統(tǒng)排氣端 的檢測(cè)N0X濃度的傳感器及檢測(cè)NH3濃度的傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)均輸入到UKF觀(guān)測(cè)算法模塊； 該UKF觀(guān)測(cè)算法模塊通過(guò)對(duì)所述的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，輸出SCR系統(tǒng)排氣端的NOx濃度至 濃度顯示模塊。
[0017] 上述的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，其中，所述的UKF觀(guān)測(cè)算法模塊是指無(wú)跡卡爾曼濾波算法模塊， 其包含如下步驟：
[0018] 步驟1，根據(jù)SCR系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)建立狀態(tài)空間模型；
[0019] 步驟2,將建立的數(shù)學(xué)狀態(tài)空間模型運(yùn)用于UKF計(jì)算模型之中，形成UKF算法；
[0020] 步驟3,運(yùn)用軟件編碼以上提到的UKF算法，進(jìn)行計(jì)算仿真，從而得出NOx的輸出濃 度。
[0021] 上述的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，其中，所述的UKF算法分為兩步：
[0022] 步驟2.1，預(yù)測(cè)過(guò)程；
[0023] 步驟2. 2，更新過(guò)程。
[0024] 上述的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，其中，所述的步驟2. 1的預(yù)測(cè)過(guò)程包含：
[0025] 步驟2. 1. 1，構(gòu)造sigma點(diǎn)：在k-1步，根據(jù)隨機(jī)狀態(tài)變量x的統(tǒng)計(jì)量和協(xié)方差 Ph構(gòu)造sigma點(diǎn)集，公式為：
[0027] 其中A表示第一個(gè)尺度參數(shù)，A=a2(nx+q)-nx，nx表示狀態(tài)空間維數(shù)，n澉3; q表示第二個(gè)尺度參數(shù)，q取0或者3_nx;a設(shè)定為〇. 〇〇1 ;
[0028] 步驟2. 1. 2,對(duì)sigma點(diǎn)進(jìn)行傳播計(jì)算：
[0030] 其中u代表由傳感器輸入的檢測(cè)數(shù)據(jù)；
[0031] 步驟2. 1. 3,計(jì)算輸出先驗(yàn)狀態(tài)（即先驗(yàn)均值XyH，該先驗(yàn)狀態(tài)是Xh與Xk中間的 一步）與誤差協(xié)方差
[0032] 其中，輸出的先驗(yàn)均值計(jì)算公式為：
[0034] 誤差協(xié)方差PyH計(jì)算公式為：
[0036]其中Q為噪聲協(xié)方差，和為計(jì)算均值和協(xié)方差的加權(quán)，定義如下：
[0039] 其中0為常數(shù)，取2。
[0040] 上述的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，其中，所述的步驟2. 2的更新過(guò)程包含：
[0041] 步驟2. 2. 1，構(gòu)造sigma點(diǎn)：根據(jù)步驟2. 1. 3計(jì)算出的先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)，再次構(gòu) 造sigma點(diǎn)，公式為：
[0043]步驟2. 2. 2,計(jì)算預(yù)測(cè)輸出：傳播計(jì)算每個(gè)sigma點(diǎn)，公式為：
[0045] 預(yù)測(cè)輸出的計(jì)算公式如下：
[0047]步驟2. 2. 3,計(jì)算卡爾曼增益Kk，公式為：
[0051] 其中是預(yù)測(cè)出的輸出誤差協(xié)方差，是均值與預(yù)測(cè)輸出交叉協(xié)方差，R是噪 聲協(xié)方差；
[0052] 步驟2. 2. 4,計(jì)算后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)和后驗(yàn)協(xié)方差：在第k步，根據(jù)輸出的測(cè)量值，可以 計(jì)算出后驗(yàn)狀態(tài)xk和協(xié)方差Pk，公式為：
[0055]其中Yk表示第k步的實(shí)際測(cè)量值。
[0056] 上述的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，其中，步驟1所述的狀態(tài)空間模型為：
[0058] 其中，G(f' ^x=ad，de，ox，re;ad代表正向吸附反應(yīng)，de代表逆向解 吸附反應(yīng)，ox代表氧化反應(yīng)，re代表還原反應(yīng)；CN()代表NOx的濃度，CVff3代表氨氣的濃度； Cw一表示氨氣入口的濃度，CN0,比表示柴油機(jī)排出尾氣中NOx的濃度;F是尾氣流速;V是 SCR系統(tǒng)的體積；T表示溫度，E、K和R是常數(shù)，Cx表示x的濃度，0胃,表示催化劑上的氨氣 覆蓋率；0表示催化劑總的氨氣覆蓋率能力。
[0059] 本發(fā)明還提供了一種采用上述的柴油機(jī)SCR系統(tǒng)NOx輸出濃度的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的觀(guān)測(cè) 方法，該觀(guān)測(cè)方法包括以下步驟：
[0060] 步驟S1，由位于SCR系統(tǒng)進(jìn)氣端的檢測(cè)N0X濃度的傳感器檢測(cè)NOx的輸入濃度，由 位于SCR系統(tǒng)進(jìn)氣端的檢測(cè)NH3濃度的傳感器檢測(cè)NH3的輸入濃度，由位于SCR系統(tǒng)排氣端 的檢測(cè)N0X濃度的傳感器檢測(cè)NOx的輸出濃度，由位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢測(cè)NH3濃度的傳 感器檢測(cè)NH3的輸出濃度；
[0061] 步驟S2,將步驟1檢測(cè)的N0X的輸入濃度、NH3的輸入濃度、N0X的輸出濃度及NH3 的輸出濃度輸入到UKF觀(guān)測(cè)算法模塊進(jìn)行仿真運(yùn)算；
[0062] 步驟S3,步驟S2計(jì)算出的N0X的輸出濃度輸出顯示在濃度顯示模塊上。
[0063] 上述的觀(guān)測(cè)方法，其中，步驟S2中的UKF觀(guān)測(cè)算法模塊仿真運(yùn)算方法包含：
[0064] 步驟S2. 1，根據(jù)SCR系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)建立狀態(tài)空間模型；
[0065] 步驟S2. 2,將建立的數(shù)學(xué)狀態(tài)空間模型運(yùn)用于UKF計(jì)算模型之中，形成UKF算法；
[0066] 步驟S2. 3,運(yùn)用軟件編碼所述的UKF算法，進(jìn)行計(jì)算仿真，從而得出NOx的輸出濃 度。
[0067] 上述的觀(guān)測(cè)方法，其中，所述的UKF算法分為兩步：
[0068]步驟S2. 2