延长被动氮氧化物吸附材料使用寿命的管路及控制方法

技术领域

本发明属于管路设计技术领域，尤其涉及延长被动氮氧化物吸附材料使用寿命的管路及控制方法。

背景技术

逐渐严格的排放法规对氮氧化物控制技术提出了越来越高的要求，作为常见柴油机后处理设备当中的SCR催化剂，Cu-SSZ-13在150℃至500℃范围内具有较高的NO

被动氮氧化物吸附(PNA)材料可以在低温下吸附NO

本发明采用了旁路安置PNA的策略，根据不同工作时间下PNA材料的脱附特性，结合温度传感器，PNA封装箱内的压力传感器和压差传感器的数据，制订对应阀门的流量控制方案，这将会在减少冷启动条件下NO

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出延长被动氮氧化物吸附材料使用寿命的管路及其控制方法，控制方法结合管路设计将在减少冷启动条件下NO

一方面为实现上述目的，本发明提供了一种延长被动氮氧化物吸附材料使用寿命的管路，包括：进气端口、出气端口、左侧三通、右侧三通、侧管路、主管路、温度传感器、PNA封装箱、SCR催化装置、尿素泵、混合器、流量控制阀、压差传感器以及压力传感器；

所述进气端口，用于进气，在所述主管路左侧；

所述出气端口，用于出气，在所述主管路右侧；

所述温度传感器，用于产生进气温度信号，在所述进气端口；

所述左侧三通，用于将气流分为两路，主路气流和侧路气流；

所述右侧三通，用于汇集所述主路气流及所述侧路气流；

所述流量控制阀，用于控制气流方向以及气流流量，在所述侧管路；

所述PNA封装箱，用于封装PNA材料，所述PNA材料用于吸附、储存和脱附通过所述侧路气流的氮氧化物；

所述SCR催化装置，用于催化所述氮氧化物的SCR反应，将所述氮氧化物还原为氮气；

所述尿素泵，用于喷射尿素水溶液，为所述SCR催化装置提供反应物，在所述右侧三通后；

所述混合器，用于混合所述尿素水溶液和气流，在所述右侧三通后；

所述压力传感器，用于产生气流的压力信号，安装在所述PNA封装箱；

所述压差传感器，用于产生气流的压差信号，安装在所述PNA封装箱。

一种控制方法，所述控制方法用于对前述的延长被动氮氧化物吸附材料使用寿命的管路进行控制，包括以下步骤：

根据所述PNA封装箱的工作状态控制所述流量控制阀的开闭方案；

所述工作状态包括PNA吸附状态、PNA脱附状态以及PNA储存状态；

所述流量控制阀，包括：1号流量控制阀、2号流量控制阀以及3号流量控制阀。

优选的，根据所述PNA封装箱的吸附状态控制所述流量控制阀的开闭方案：

所述进气温度信号低于150℃时，尾气进入所述侧管路，经过所述PNA封装箱，所述2号流量控制阀以及3号流量控制阀保持最大开度；

基于ECU的进气量信号以及所述压力信号，估算最大NO

优选的，根据所述PNA封装箱的脱附状态控制所述流量控制阀的开闭方案：

所述进气温度信号位于所述PNA封装箱的脱附温度区间时，所述2号流量控制阀和所述3号流量控制阀开启，所述1号流量控制阀关闭，尾气进入所述PNA封装箱的支路；

基于所述压力信号以及所述压差信号，调整所述2号流量控制阀和所述3号流量控制阀的开度。

优选的，根据所述PNA封装箱的储存状态控制所述流量控制阀的开闭方案：

所述进气温度信号高于150℃且不在所述PNA封装箱的脱附温度区间时，所述1号流量控制阀开启，所述2号流量控制阀和所述3号流量控制阀关闭，尾气进入所述SCR催化装置。

优选的，调整所述流量控制阀开度的方法为：

使用CFD方法对所述PNA封装箱内流场进行模拟，筛选最佳压力分布，并记录所述最佳压力分布对应的进出口压力，获得理想标定压差；

测量并计算实际所述进出口压力，获得实际压差；

所述PNA封装箱刚进入NO

计算所述实际压差与所述理想标定压差的差值，获得实际差值，并设置所述差值的限定值；

比较所述实际差值的绝对值与所述差值的限定值，调整所述1号流量控制阀、所述2号流量控制阀以及所述3号流量控制阀的开度。

优选的，所述脱附温度区间的确定方法：

基于PNA材料脱附实验数据，获得训练集和数据集；

设定工作时间、温度、NO

基于遗传算法，优化所述初始BP神经网络；

基于所述训练集和所述数据集，使用梯度下降算法训练优化过的所述初始BP神经网络，更新网络参数；

所述网络参数的变化小于设定值时，获得用于状态判定的最终BP神经网络。

优选的，所述遗传算法的使用方法为：

获得神经网络权重初始值以及偏差初始值；

对输入层与隐藏层的权重矩阵以及偏差矩阵中的元素、隐藏层与输出层的权重矩阵以及偏差矩阵中的元素排序；

基于排序完成的所述元素以及随机数组合，获得初始种群；

基于所述初始种群，计算种群适应度；

基于所述种群适应度，使用轮盘算法，筛选种群；

使筛选后的种群的染色体进行交叉与变异，获得新种群；

所述新种群，从计算所述种群适应度开始循环，预设循环次数，输出适应度最优的染色体；

所述适应度最优的染色体中的元素，作为所述BP神经网络的初始值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：使用旁路安置PNA的管路设计策略，针对PNA吸附、脱附和储存三个模式设置了不同的控制策略。考虑了使用时长对PNA脱附模式的影响，使用遗传算法优化BP神经网络预测PNA在不同使用时长下的脱附温度区间，并结合压力控制阀门开度。上述控制方法结合管路设计将在减少冷启动条件下NO

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例一延长被动氮氧化物吸附材料使用寿命的管路设计图；

图2为本申请实施例三PNA材料随温度脱附曲线图；

图3为本申请实施例三工作时间对PNA材料温度脱附曲线的影响曲线图；

图4为本申请实施例三BP神经网络结构图；

图5为本申请实施例三遗传算法示意图与流程图；

图6为本申请实施例三控制单元连接示意图；

图7为本申请实施例三基于压力的PNA脱附状态阀门开度控制流程。

附图说明：图5：a为染色体排序图；b为随机组合产生的初始种群；c为种群迭代流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一

如图1所示，一种延长被动氮氧化物吸附材料使用寿命的管路，包括：进气端口、出气端口、左侧三通、右侧三通、侧管路、主管路、温度传感器、PNA封装箱、SCR催化装置、尿素泵、混合器、流量控制阀、压差传感器以及压力传感器；

进气端口，用于进气，在主管路左侧；

出气端口，用于出气，在主管路右侧；

温度传感器，用于产生进气温度信号，在进气端口；

左侧三通，用于将气流分为两路，主路气流和侧路气流；

右侧三通，用于汇集主路气流及侧路气流；

流量控制阀，用于控制气流方向以及气流流量，在侧管路；

PNA封装箱，用于封装PNA材料，PNA材料用于吸附，储存，脱附通过所述侧路的氮氧化物；

SCR催化装置，用于催化氮氧化物的SCR反应，将氮氧化物还原为氮气；

尿素泵，用于喷射尿素水溶液，为SCR催化装置提供反应物，在右侧三通后；(尿素水溶液分解为氨气，氨气是SCR催化装置中的SCR反应物，在SCR催化剂的催化效果下可以还原NO

混合器，用于混合尿素水溶液和气流，在右侧三通后；

压力传感器，用于产生气流的压力信号，安装在PNA封装箱；

压差传感器，用于产生气流的压差信号，安装在所述PNA封装箱。

具体的，左侧为进气端口，右侧为出气端口。进气端口配有温度传感器测量进气温度信号。左侧三通将气流分为两路，侧路气流先经过PNA封装箱后经右侧三通到达SCR催化装置，主路气流直接到达SCR催化装置，在右侧三通后安装尿素泵以及混合器。在主管路安装有1号流量控制阀，侧管路中安装有2号流量控制阀和3号流量控制阀，通过三个流量阀实现对不同工况下气流方向及流量大小的控制，进而控制PNA封装箱的工作状态。PNA封装箱安装有压差传感器与压力传感器，根据进出口压差传感器和安装在PNA出口的压力传感器数据实现对PNA箱体压力状态监控。

实施例二

一种控制方法，控制方法用于对前述的延长被动氮氧化物吸附材料使用寿命的管路进行控制，包括如下步骤：

根据PNA封装箱的工作状态控制流量控制阀的开闭方案；

工作状态包括PNA吸附状态、PNA脱附状态以及PNA储存状态；

流量控制阀，包括：1号流量控制阀、2号流量控制阀以及3号流量控制阀。

特别的，控制方法还包括控制单元，即后处理系统控制器。

根据PNA封装箱的吸附状态控制所述流量控制阀的开闭方案：

进气温度信号低于150℃时，尾气进入PNA封装箱的支路，2号流量控制阀以及3号流量控制阀保持最大开度；

基于ECU的进气量信号以及压力信号，估算最大NO

具体的，PNA吸附状态：温度传感器的信号低于150℃时，尾气进入侧管路，经过PNA封装箱，2号流量控制阀和3号流量控制阀保持最大开度。阀门1的开度由ECU进气量信号以及压力信号决定，后处理系统控制器由进气量可以计算燃烧室N

根据PNA封装箱的脱附状态控制流量控制阀的开闭方案：

进气温度信号位于PNA封装箱的脱附温度区间时，2号流量控制阀和3号流量控制阀开启，1号流量控制阀关闭，尾气进入进入侧管路，经过PNA封装箱；

基于压力信号以及所述压差信号，调整2号流量控制阀和3号流量控制阀的开度。

具体的，PNA脱附状态：温度传感器的信号位于PNA脱附温度区间(该温度区间由遗传算法优化BP神经网络确定)，2号流量控制阀和3号开启，1号关闭，尾气进入进入侧管路，经过PNA封装箱，在合适的尾气温度下PNA吸附的氮氧化物发生脱附。由PNA材料瞬态脱附能力，压力和压差传感器信号来调整流量阀的开度。

根据PNA封装箱的储存状态控制流量控制阀的开闭方案：

进气温度信号高于150℃且不在PNA封装箱的脱附温度区间时，1号流量控制阀开启，2号流量控制阀和所述3号流量控制阀关闭，尾气进入SCR催化装置。

具体的，PNA储存状态：温度传感器信号高于150℃且不在PNA脱附温度区间时，1号流量控制阀开启，2号流量控制阀和3关闭，此时PNA封装箱密闭，所有尾气通过1号流量控制阀进入SCR，且PNA不受到尾气温度的影响。

调整流量控制阀开度的方法为：

使用CFD方法对PNA封装箱内流场进行模拟，筛选最佳压力分布，并记录最佳压力分布对应的进出口压力，获得理想标定压差；

测量并计算实际所述进出口压力，获得实际压差；

PNA封装箱刚进入NO

计算实际压差与理想标定压差的差值，获得实际差值，并设置差值的限定值；

比较实际差值的绝对值与差值的限定值，调整1号流量控制阀、2号流量控制阀以及3号流量控制阀的开度。

脱附温度区间的确定方法：

基于PNA材料脱附实验数据，获得训练集和数据集；

设定工作时间、温度、NO

基于遗传算法，优化初始BP神经网络；

基于训练集和所述数据集，使用梯度下降算法训练优化过的初始BP神经网络，更新网络参数；

网络参数的变化小于设定值时，获得用于状态判定的最终BP神经网络。

遗传算法的使用方法为：

获得神经网络权重初始值以及偏差初始值；

对输入层与隐藏层的权重矩阵以及偏差矩阵中的元素、隐藏层与输出层的权重矩阵以及偏差矩阵中的元素排序；

基于排序完成的元素以及随机数组合，获得初始种群；

基于初始种群，计算种群适应度；

基于种群适应度，使用轮盘算法，筛选种群；

使筛选后的种群的染色体进行交叉与变异，获得新种群；

新种群，从计算种群适应度开始循环，预设循环次数，输出适应度最优的染色体；

适应度最优的染色体中的元素，作为所述BP神经网络的初始值。

实施例三

本实施例具体提出PNA脱附状态流量阀门控制方案：

通过控制流量阀门来实现对PNA工作状态的控制。首先规定PNA工作状态：吸附状态、脱附状态、储存状态。该状态的判定与PNA材料工作温度区间，SCR工作温度区间以及环境温度相关。

PNA工作温度区间的设定通过氮氧化物脱附曲线来实现，以Pd/SSZ-13材料为例，将Pd/SSZ-13小样置于柱塞式反应器中，先通入混合气体:CO

但是PNA材料随温度脱附曲线会根据工作时间的变化而变化，需要根据工作时长t来调整工作温度区间。PNA材料在不同工作时长t的五组脱附曲线如图3所示。为了实现精确控制，需要根据有限组的数据预测不同t下的PNA吸附曲线，进而使得控制系统可以获得多组PNA工作温度区间。

已经得到图3所示的多组PNA材料脱附实验数据作为训练集和测试集，使用遗传算法优化BP算法得到可以预测工作时间为t，温度为T时PNA材料在柱塞式反应器中的NO

a.确定BP神经网络结构如图4所示:输入参数x

b.使用遗传算法优化神经网络，得到神经网络权重W以及偏差b的初始值:将输入层与隐藏层的权重矩阵W

A＝tansig(W

c.训练使用遗传算法优化过的初始BP神经网络，将图3所示的曲线数据作为训练集和测试集，BP神经网络会在训练过程中使用梯度下降算法不断更新权重W与偏置b。

d.直至网络参数变化小于设定限值，得到最终用于状态判定的的神经网络。

将训练好的神经网络编入后处理系统控制器，图6为控制单元连接示意图，后处理系统控制器接收温度传感器的温度T信号、3号流量控制阀的阀开闭信号、2号流量控制阀的阀开闭信号、ECU的进气流量信号、压力传感器的压力信号、压差传感器的压差信号，并向尿素泵发出喷射信号、分别向1号流量控制阀、2号流量控制阀以及3号流量控制阀发出开度信号。温度传感器将尾气进入PNA前的温度信号发送至后处理系统控制器。后处理系统控制器的神经网络应用过程如下：

a.获得神经网络X

b.获得神经网络X

c.使用BP神经网络预测结果判定瞬态PNA吸附性能：将X

如果需要减少成本，可以不加装压力与压差传感器，在PNA材料进入脱附状态后，直接关闭阀门1号，开启阀门2号和3号。这里介绍加装压力与压差传感器后的流量阀开度控制方法：压力对PNA材料的吸附性能也有一定的影响。由伯努利方程，通过阀开度控制流速，进而可以影响PNA封装箱内压力，使其保持在PNA材料的理想工作区间。阀门2号和3号的开度的控制方法具体如下：

a.理想压力标定：使用CFD方法单独对PNA封装箱内流场进行模拟，在不同进出口压力条件下，筛选使用的PNA材料在封装位置处最佳的压力分布，并记录该分布对应的进口压力P

b.工作压力测量：后处理控制器接受到压差信号ΔP，与PNA封装箱出口压力P

c.开度控制流程：PNA刚进入NO

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。