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严重的空气污染问题以及排放法规的要求日益严格,迫使人们越来越重视先进的汽车尾气排放控制技术。选择性催化还原（SCR）技术因其高效率、高选择性、高经济性及耐硫等优点,被广泛用于中重型柴油车NOx排放控制。尿素喷射的精确控制对Urea-SCR系统的性能非常重要,尿素喷射不足,将难以实现最大的NOx还原目标,反之尿素过量喷射,则可能导致大量的氨泄漏,造成二次污染。由于发动机工况的复杂性以及NOx转化效率与氨泄漏的“trade-off”关系,柴油机尿素喷射优化及控制仍然是当前研究的一大挑战。本文重点研究了柴油机尿素喷射优化及控制策略,在氨泄漏限值为10ppm的约束下同时实现最大的NOx转化效率,以满足国六排放标准。主要的研究内容如下:（1）建立了Urea-SCR系统基于控制的模型将SCR催化器视作连续搅拌釜反应器,考虑催化器内部主要的化学反应机理,根据质量平衡方程建立了Urea-SCR系统的三状态模型;进一步考虑系统内部不同的时间尺度,对三状态模型进行简化,建立了一状态降阶模型以降低模型在优化算法中的计算量;采用遗传算法对模型参数进行了辨识,通过发动机稳态数据对模型准确性进行验证并定量分析了模型值与测量值误差,结果表明下游NOx浓度及氨泄漏的模型值与测量值吻合良好,误差均在可接受的水平,本文建立的模型具有较高的精度。（2）提出了基于模型的NSGA-Ⅱ算法对Urea-SCR系统进行多目标优化提出基于模型的NSGA-Ⅱ方法对Urea-SCR系统进行多目标优化,获得满足10ppm氨泄漏限值要求的最佳的尿素供给率和氨覆盖率、最大NOx转化效率;对比了发动机某一转速下,基于三状态模型和一状态降阶模型的NSGA-Ⅱ优化结果并分析了优化解对模型的敏感性,结果表明一状态模型具有较高的精度,可适用于Urea-SCR系统的优化及控制策略;建立了发动机全工况优化MAP并进行优化性能分析,结果表明,温度对Urea-SCR系统氨覆盖率、氨存储量、NOx转化效率以及尿素供给率的优化值均有明显影响;空速对尿素供给率和NOx转化效率均有影响,但与温度相比,其影响较小。此外,空速对氨覆盖率和氨存储量的影响较弱。本文获得的优化解可作为查找表或优化MAP应用于控制系统,或者用于其它控制算法的基准值或参考值。（3）设计了Urea-SCR系统观测器设计了非线性状态观测器,可获得催化器内部的氨覆盖率、NOx浓度、NH3浓度等状态估计值,并给出了Lyapunov稳定性证明;在观测器中选取了两种不同的氨覆盖率初始值,分析初始值对状态估计精度的影响,结果表明当氨覆盖率初始值与实际氨覆盖率不同,本文设计的观测器仍能保证估计值在有限的时间内收敛于真实值并具有较高的估计精度;采用ETC测试循环验证观测器的估计效果并对估计值与模型值误差进行了定量分析,结果表明下游NOx浓度、氨泄漏和氨覆盖率的平均绝对百分比误差（MAPE）均小于5%,估计值与模型值非常吻合,本文设计的非线性状态观测器的估计精度较高,可用于Urea-SCR系统闭环控制策略研究。针对大部分观测器不能提供Urea-SCR系统未知输入的估计信息,本文设计了高增益观测器,可以同时获得催化器内部状态估计以及氨喷射速率和氨储存能力等未知参数的估计;ETC测试循环的仿真结果及误差分析表明,本文所设计的高增益观测器具有较高的估计精度,可以较好的跟踪模型值。（4）提出了模型预测控制策略及自适应模型预测控制策略提出模型预测控制策略研究柴油机Urea-SCR系统NOx排放最优控制,根据与发动机实际工况匹配的NOx转化效率优化目标及氨泄漏限值要求设计了氨覆盖率参考值上下限计算方法,通过观测器的状态反馈信息调节控制变量,使Urea-SCR系统在氨泄漏量不超过10ppm条件下实现最大的NOx转化效率;采用ESC测试循环进行仿真及试验验证,仿真结果表明大部分工况下的NOx转化效率均达到期望的控制目标（300℃以上>80%）,下游NH3浓度略低于10ppm。当发动机工况由低温向高温转变时,氨存储能力降低,NMPC控制器仍然工作良好,氨泄漏满足限值要求。ESC试验结果表明,氨泄漏实测值与仿真值误差略大,但误差在可接受范围内,下游NOx浓度实测值与仿真值整体比较吻合。进一步考虑随Urea-SCR系统服役时间的增加,实际氨喷射速率可能会与控制器指令产生偏差,提出自适应模型预测控制策略对实际的氨喷射速率进行修正;仿真结果表明自适应模型预测控制器能有效控制氨覆盖率落在新的参考值范围内并使下游的NOx浓度和NH3浓度均达到期望值。