CN102733915A

CN102733915A - 有电加热和余热方式储氨供氨的后处理控制单元

Info

Publication number: CN102733915A
Application number: CN2012102241713A
Authority: CN
Inventors: 张克金; 崔龙; 陈慧明; 王金兴; 荣常如; 姜涛; 安宇鹏
Original assignee: FAW Group Corp
Current assignee: FAW Group Corp
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-07-02
Also published as: CN102733915B

Abstract

本发明涉及一种有电加热和余热方式储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于：采用发动机的回流冷却液的余热，加热活性的储氨化合物，释放出氨，根据发动机排气工况水平，依靠控制单元把氨导入SCR后处理器的前端，实现无液体尿素输送喷射和雾化分解的SCR系统；所不同的是该系统有两个活性材料储罐，即主储氨罐和副储氨罐，其中，主储氨罐采用发动机冷却液的余热加热，副储氨罐采用车载电瓶进行加热；启动车辆时首先激活副储氨罐，快速响应，减少冷启动时的污染物排放；该系统具备灵活的特点，不仅能满足车辆低温冷启动时排放控制目标，价廉，可靠性高，使用方便；用于SCR国4以上系统，也可以应用于FCEV系统，满足未来汽车工业的应用需求，具有实用价值。

Description

有电加热和余热方式储氨供氨的后处理控制单元

技术领域

本发明涉及一种有电加热和余热方式储氨供氨的后处理控制单元，主要应用于汽车尾气的SCR后处理行业，也适用于燃料电池的FCEV储能系统。

背景技术

当前，全球面临能源和环境的综合挑战。在传统汽车的排放达标的技术手段选择方面，人们仍然面临不少的难题，例如，如何选择后处理的技术方式等方面。

SCR (Selective Catalytic Reduction)催化转化还原技术是传统的后处理技术。这种采用液体尿素的传统的SCR技术的本质是利用尿素在高温下分解出氨，作为还原剂的氨和发动机排气中的NOX在催化剂和温度的综合作用下进行反应，理想工况下生成无毒的N₂和H₂O，从而达到净化的目的。

传统的SCR具有很多优点，例如，可以在排气温度250~550oC的范围内具有50~85%的NOX去除效率，并能有效降低PM的排放水平；传统的SCR能轻松满足欧4和欧5水平，也具有达到欧6水平的潜力；目前达到欧4采用的传统的SCR技术，发动机的燃油耗可降低3~6％；传统的SCR催化剂不含有贵金属，比成本相对较低；传统的SCR对车用燃油的质量，特别是硫含量不敏感。基于以上分析，传统的SCR后处理技术也比较适合中国的车辆状况和车用燃油状况。

如果在中国推广应用传统的车载SCR后处理技术，必须解决好载体、催化剂、尿素还原剂补加供应网络、尿素还原剂的剂量、尿素还原剂的雾化喷射、SCR催化剂转换效率、氨泄露量以及系统匹配等至关重要的技术难点。

机动车的排放标准的每一次升级，都对汽车行业产生这样或那样的冲击效应。中国的国4标准多次推迟实施的时间表，不仅仅是燃油标准不同步的唯一原因，也面临复杂的社会配套体系和液体的尿素还原剂社会化的服务设施建设的问题，例如，国4标准实施后，立即会对传统的SCR系统运转所需的ECU（控制单元）和DCU（计量单元）产生需求，考虑到目前的车载ECU等电控系统都是进口产品，国内企业自主开发的DCU很难与之进行通讯匹配，反之，如果ECU和DCU系统100%的采用进口品，不仅仅价格很高，用户难以接受，而且存在货源非常紧张的问题，还面临复杂的售后服务技术和成本的问题，制约了整个汽车行业的发展和进步。此外，传统的SCR系统所用的液体尿素还原剂面临冬季结冰和保温解冻的问题，这也造成了传统的SCR系统复杂和稳定性差的原因。

因此，如何获得低成本和高性能的后处理系统是推进该领域技术进步的核心内容。无机盐对氨吸附解吸特性可以作为未来的SCR系统的不错的技术选择。

工业级的一些盐类，例如，氯化锶、氯化镁或氯化钙等氯化物以及它们的混合物，同氨配合使用的系统，即上述的氯化物和氨的吸附解吸过程的吸热和放热现象，已经成熟的应用于工业的大型冷库的制冷系统。

上述无水的氯化物和氨进行化学吸附是通用的化学原理，理论上一个分子的氯化物可以吸附6~8个分子的氨，形成稳定的络合物，加热时氨脱出，随着研究的深入，人们发现，这些氯化物和氨的吸附解吸模型和化学原理完全可以应用于机动车尾气净化的SCR系统。

在国家专利信息网，以储氨为主题词检索，专利号为CN201120099229.7的‘一种气相法乌洛托品尾气氨回收装置’、专利号为CN201020677361.7的‘用于冷库机房的配氨连接机构’和专利号为CN201020269811.9的‘复合功能型储氨器’不涉及到本发明中的特征成分。专利号为CN200520057558.X的‘一种蒸氨装置’的专利是一种对氨氮工业废水进行氨氮排脱处理的环保治理装置，也不涉及到本发明中的特征成分。同本发明不相关。

专利号为CN201010244091.5的‘用于对SCR催化剂的工作进行检验的方法和系统’和专利号为CN200880104697.X的‘SCR排气后处理系统的运行方法及诊断方法’的2个发明提供了一种用于选择性催化还原（SCR）催化转化器和传统液体尿素分解的氨配给模块和控制系统，没有涉及到本发明的特征成分。

专利号为CN200910197860.8的‘一种高效低温储氨材料的制备方法’的发明应用于SCR后处理系统，特征是采用氨基硼烷氨络合物氨BH₃(NH₃)n(n＝1~3)；室温最大储氨量可达62.4wt%，但是，考虑到氨基硼烷的价格昂贵，具有较高的爆炸和燃烧等级，不适合普通工业领域的大批量推广应用。

专利号为CN200580026626.9的‘存储和输送氨的固体材料’的发明涉及存储和输送氨的固体材料。该存储氨的固体材料包括M_a(NH3)_nX_z的离子性盐，把盐固体料通过模具直接高压成型，例如，制成圆柱状体，然后把很多这种圆柱状体排列在一起。该专利的最大缺点是圆柱状体过于密实，每次的氨解吸完成后再进行氨的饱和吸附需要很长时间，例如4~6小时，效率很低，这对于汽车上应用的SCR储氨系统来讲非常的不方便，成为限制其应用的原因。

专利号为CN200580009219.7的‘储氨装置在能量生产中的用途’，该发明涉及一种发电单元，包含通式为M_a(NH₃)_nXz的氨吸收与释放盐，该专利主要主要适用于燃料电池系统。在该专利的权利要求4中提到了特征物质为该类盐或位于多孔载体材料上，并没有声明是何种多孔材料，本专业技术人员无法实施。

专利号为CN200710156866.1的‘一种氨基络合物及其制备方法和用途’的发明公开了一种氨基络合物及其制备方法和用途。该氨基络合物的成分为MX_m(NH₃)_n，该发明对合成氨工艺所用循环气中氨的分离。权利要求仅仅涉及到该氨基金属络合物的制备工艺过程。

专利号为CN200680005886.2的‘氨的高密度存储’的专利包含氨吸收/解吸固体材料的固体氨存储和输送材料，所述已被压实到密度大于理论骨架密度的50％的存储和输送材料提供固体氨存储材料，该专利所述的金属盐固体料也是直接模压成型，声明采用了粘结剂，仅仅声明了可能是采用了二氧化硅纤维粘结剂，也并没有加量比例，没有明确说明其它所采用的成分的细项，本专业的技术人员几乎无法实施。

上述专利的检索和分析表明，以活性储氨化合物来吸附和解析氨，形成了在车辆上应用的后处理系统还没见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有电加热和余热方式储氨供氨的后处理控制单元，其通过发动机冷却液的余热进行加热，依靠控制单元和一组电磁阀或比例阀，实现氨的剂量输送并方便的导入SCR后处理系统，实现对NOX的去除；该系统省却了传统的液体SCR系统的液体尿素还原剂的输送泵、剂量、保温管路、过滤器、液位计和喷嘴等部件，简化系统，提高可靠性，此外，也大幅度的降低成本。

本发明的技术方案是这样实现的：有电加热和余热方式储氨供氨的后处理控制单元，由发动机、防冻液输送管、电磁阀、主储氨罐、副储氨罐、固体储氨材料、空气过滤器、加料口、压力传感器、罐体温度传感器、备用管阀、导管、还原气体输送管、比例阀、尾气管温度传感器、 NOX传感器、还原剂导管、尾气进气管、SCR后处理器、尾气排气管、继电器开关、蓄电池、电加热丝、电子控制单元组成，其特征在于：发动机连接循环的防冻液输送管，防冻液输送罐管路穿过主储氨罐，防冻液输送罐管路位于罐体内的部分呈管盘式结构，主储氨罐与副储氨罐通过导管连接，导管两端的连接点有空气过滤器，导管与防冻液输送管的管路上均设置有电磁阀，主储氨罐、副储氨罐内部填充固体储氨材料，填充量为罐体体积的40%，主储氨罐、副储氨罐罐体顶部有加料口、压力传感器、罐体温度传感器，压力传感器的感应端位于罐体内部但不接触固体储氨材料，罐体温度传感器感应端插入固体储氨材料中，主储氨罐罐体上有备用管阀，两条还原气体输送管一端分别与主储氨罐、副储氨罐连接，连接点有空气过滤器，与主储氨罐连接的还原气体输送管管路上有比例阀，与副储氨罐连接的还原气体输送管管路上有电磁阀，两条还原气体输送管另一端并联成还原剂导管，还原剂导管连接在尾气进气管上，还原剂导管喷嘴端在尾气进气管管内，尾气进气管与SCR后处理器进气端连接，SCR后处理器排气口端连接尾气排气管，尾气进气管上有尾气管温度传感器、 NOX传感器，尾气管温度传感器与NOX传感器的感应端位于尾气进气管管内，蓄电池通过电源线连接电加热丝，电加热丝位于副储氨罐罐体内部的固体储氨材料中，蓄电池的正极端线路上有继电器开关；压力传感器、罐体温度传感器、尾气管温度传感器、 NOX传感器通过信号线连接电子控制单元的信号接收端，电子控制单元的控制端通过电源信号线连接电磁阀、比例阀、继电器开关。

所述的固体储氨材料的制备与填充方法如下：采用工业的无水氯化镁58份，膨胀石墨2份，去离子水15份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，上述材料采用机械的和面机混合搅拌成为湿态的粉料，混合时间5~15min，通过加料口填充到主储氨罐、副储氨罐中，采用机械震荡的方法震荡罐体5~10min，去除其中的空气间隙，加料量致罐体体积容量的40%即可；整个罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，加热干燥时加料口敞开，排出水蒸汽和酒精蒸汽；此温度下保持30min，然后在此温度下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到真空度550mabr，保温保压30min。

所述的无水氯化钙也可以采用其它能形成络合物的无机盐替代，例如，氯化锶或氯化镁等能和NH₃形成络合物的氯化物。

本发明的积极效果是系统完成一次充氨后，可以保证车辆行驶的里程为20000~40000km，具有充分的实用性、经济性和先进性；该技术在车载SCR上应用具有现实的意义。

附图说明

图1为本发明的结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：如图1所示，有电加热和余热方式储氨供氨的后处理控制单元，由发动机1、防冻液输送管2、电磁阀3、主储氨罐4、副储氨罐5、固体储氨材料6、空气过滤器7、加料口8、压力传感器9、罐体温度传感器10、备用管阀11、导管12、还原气体输送管13、比例阀14、尾气管温度传感器15、 NOX传感器16、还原剂导管17、尾气进气管18、SCR后处理器19、尾气排气管20、继电器开关21、蓄电池22、电加热丝23、电子控制单元24组成，其特征在于：发动机1连接循环的防冻液输送管2，防冻液输送罐2管路穿过主储氨罐4，防冻液输送罐2管路位于罐体内的部分呈管盘式结构，主储氨罐4与副储氨罐5通过导管12连接，导管12两端的连接点有空气过滤器7，导管12与防冻液输送管2的管路上均设置有电磁阀3，主储氨罐4、副储氨罐5内部填充固体储氨材料6，填充量为罐体体积的40%，主储氨罐4、副储氨罐5罐体顶部有加料口8、压力传感器9、罐体温度传感器10，压力传感器9的感应端位于罐体内部但不接触固体储氨材料6，罐体温度传感器10感应端插入固体储氨材料6中，主储氨罐4罐体上有备用管阀11，两条还原气体输送管13一端分别与主储氨罐4、副储氨罐5连接，连接点有空气过滤器7，与主储氨罐4连接的还原气体输送管13管路上有比例阀14，与副储氨罐5连接的还原气体输送管13管路上有电磁阀3，两条还原气体输送管13另一端并联成还原剂导管17，还原剂导管17连接在尾气进气管18上，还原剂导管17喷嘴端在尾气进气管18管内，尾气进气管18与SCR后处理器19进气端连接，SCR后处理器19排气口端连接尾气排气管20，尾气进气管18上有尾气管温度传感器15、 NOX传感器16，尾气管温度传感器15与NOX传感器16的感应端位于尾气进气管18管内，蓄电池22通过电源线连接电加热丝23，电加热丝23位于副储氨罐5罐体内部的固体储氨材料6中，蓄电池22的正极端线路上有继电器开关21；压力传感器9、罐体温度传感器10、尾气管温度传感器15、 NOX传感器16通过信号线连接电子控制单元24的信号接收端，电子控制单元24的控制端通过电源信号线连接电磁阀3、比例阀14、继电器开关21。

所述的固体储氨材料6的制备与填充方法如下：采用工业的无水氯化镁58份，膨胀石墨2份，去离子水15份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，上述材料采用机械的和面机混合搅拌成为湿态的粉料，混合时间5~15min，通过加料口8填充到主储氨罐4、副储氨罐5中，采用机械震荡的方法震荡罐体5~10min，去除其中的空气间隙，加料量致罐体体积容量的40%即可；整个罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，加热干燥时加料口8敞开，排出水蒸汽和酒精蒸汽；此温度下保持30min，然后在此温度下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到真空度550mabr，保温保压30min；

实施例1

主储氨罐4、副储氨罐5采用不锈钢材质的耐压罐体，罐体的厚度为4~5mm，圆柱形，罐体内部热喷涂一层尼龙保温层。

采用发动机冷却液的余热来加热活性物以便其在合适的情况下释放出氨；但是，为保证车辆在冷启动期间排气温度低以及发动机冷却液温度不够的缺陷，在副储氨罐5采用了电加热的方式，在车辆启动的前期，由通过车载的蓄电池22来加热的副储氨罐5满足系统的供氨要求，该功能由继电器开关21、蓄电池22和电加热丝23来实现；实际中，可以设定车辆运行的前20min由副储氨罐5来供氨，这可以通过对电子控制单元24的程序的设定来实现；考虑到发动机冷却液的温度最高可以达到120℃，而本体系所需的余热仅需要65~80℃的热源，因此，本发明的系统中的防冻液输送管2是和发动机冷却液循环的管路并联方式为主，也可以使用串联方式；防冻液输送管2的加热盘管是不锈钢钢管，在罐体制备的期间和罐体焊接在一起；

系统的防冻液输送管流经主储氨罐4的防冻液的量以及副储氨罐5加热的电流由罐体温度传感器10反馈到电子控制单元24的信号来控制，车辆启动时，首先把容量较小的副储氨罐5采用电加热到起活温度，释放出氨气，满足冷启动的要求；当温度超过90℃时，氨的解析速度达到最大值，在罐中产生过量的氨无法消耗掉，此时通过电子控制单元24的信号来关闭电磁阀3，停止发动机冷却液的流动，或切断加热，防止热量的继续输入；此外，停车时，SCR后处理器19停止工作，不再需要氨，此时也是通过电子控制单元24的信号来关闭电磁阀，3停止发动机冷却液的流动，或切断加热电路，防止热量的继续输入；另外，当罐体内的压力超过压力传感器9的限压0.8Mpa时，也是通过电子控制单元24的信号来关闭电磁阀3，停止发动机冷却液的流动，或切断加热电路，防止热量的继续输入；

系统在罐体上部的氨出口方向都安装了空气过滤器7，确保罐体内的无机粉料不会进入管路系统而堵塞精密器件；罐体在加入固体储氨材料6后拧紧加料口8；压力传感器9也是一个自动的限压阀，确保过压系统的自动泄压；在罐体上完成安装备用管阀11，罐体温度传感器10以及还原气体输送管13；

活性气体的通入和吸附的完成是通过备用管阀10进行的；可以采用高纯工业氨瓶，在自然通风的环境下，考虑到氨的吸附是放热过程，把系统的热量及时的移出是保证氨快速吸附的关键，因此，事先把主储氨罐4和副储氨罐5分别放入，或一起放入一个水量足够大的水槽中，连接氨钢瓶，通过减压阀和干燥系统，在0.02~0.2Mpa的出口压力范围内缓缓的进行充氨，充氨时间为2~3h；在进行充氨前后称重主储氨罐4和副储氨罐5，确认充入的氨的净质量在预定范围内；完成充氨后，整个系统的阀门关闭，确保不泄露；

主储氨罐4和副储氨罐5的不锈钢耐压罐完成充氨后，作为该系统的最主要的特征部件，推荐它在车上的安装位置是和SCR后处理器19在车辆的一侧，以便减少管路的长度，减少系统响应的时间，增加系统响应灵敏度；

系统工作中是由预先设定的程序的电子控制单元24来控制，当发动机的排温或NOX水平达到某一水平是，电子控制单元24控制比例阀14的开度，实现氨到SCR后处理器19的输送变化，满足车辆不同工况下对NOX脱除的需求.

固体储氨材料6采用工业的无水氯化镁58份，膨胀石墨2份，去离子水15份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，制备混合物10kg；采用机械的和面机搀和均匀成为湿态的粉料，通过主加料口逐步填充到主储氨罐中，期间采用机械震荡的方法震荡该耐压罐体5~10min；把整个罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，加热干燥时主加料口是敞开的；此温度下保持30min，然后在此温度下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到550mabr，保温保压30min；完成主储氨罐的固体储氨材料的制作和装填。

实施例2

系统的结构部分没有变化，在固体储氨材料6的制备方法上进行改变，具体过程如下：采用工业的无水氯化镁58份，膨胀石墨2份，去离子水15份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，制备混合物2.5kg；采用机械的和面机搀和均匀成为湿态的粉料，通过副加料口逐步填充到副储氨罐中，期间采用机械震荡的方法震荡该耐压罐体5~10min；把整个罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，加热干燥时主加料口是敞开的；此温度下保持30min，然后在此温度下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到550mabr，保温保压30min；完成副储氨罐的固体储氨材料的制作和装填。

Claims

1.有电加热和余热方式储氨供氨的后处理控制单元，由发动机、防冻液输送管、电磁阀、主储氨罐、副储氨罐、固体储氨材料、空气过滤器、加料口、压力传感器、罐体温度传感器、备用管阀、导管、还原气体输送管、比例阀、尾气管温度传感器、 NOX传感器、还原剂导管、尾气进气管、SCR后处理器、尾气排气管、继电器开关、蓄电池、电加热丝、电子控制单元组成，其特征在于：发动机连接循环的防冻液输送管，防冻液输送罐管路穿过主储氨罐，防冻液输送罐管路位于罐体内的部分呈管盘式结构，主储氨罐与副储氨罐通过导管连接，导管两端的连接点有空气过滤器，导管与防冻液输送管的管路上均设置有电磁阀，主储氨罐、副储氨罐内部填充固体储氨材料，填充量为罐体体积的40%，主储氨罐、副储氨罐罐体顶部有加料口、压力传感器、罐体温度传感器，压力传感器的感应端位于罐体内部但不接触固体储氨材料，罐体温度传感器感应端插入固体储氨材料中，主储氨罐罐体上有备用管阀，两条还原气体输送管一端分别与主储氨罐、副储氨罐连接，连接点有空气过滤器，与主储氨罐连接的还原气体输送管管路上有比例阀，与副储氨罐连接的还原气体输送管管路上有电磁阀，两条还原气体输送管另一端并联成还原剂导管，还原剂导管连接在尾气进气管上，还原剂导管喷嘴端在尾气进气管管内，尾气进气管与SCR后处理器进气端连接，SCR后处理器排气口端连接尾气排气管，尾气进气管上有尾气管温度传感器、 NOX传感器，尾气管温度传感器与NOX传感器的感应端位于尾气进气管管内，蓄电池通过电源线连接电加热丝，电加热丝位于副储氨罐罐体内部的固体储氨材料中，蓄电池的正极端线路上有继电器开关；压力传感器、罐体温度传感器、尾气管温度传感器、 NOX传感器通过信号线连接电子控制单元的信号接收端，电子控制单元的控制端通过电源信号线连接电磁阀、比例阀、继电器开关。

2.根据权利要求1所述的有电加热和余热方式储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于所述的固体储氨材料的制备与填充方法，具体步骤如下：采用工业的无水氯化镁58份，膨胀石墨2份，去离子水15份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，上述材料采用机械的和面机混合搅拌成为湿态的粉料，混合时间5~15min，通过加料口填充到主储氨罐、副储氨罐中，采用机械震荡的方法震荡罐体5~10min，去除其中的空气间隙，加料量致罐体体积容量的40%即可；整个罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，加热干燥时加料口敞开，排出水蒸汽和酒精蒸汽；此温度下保持30min，然后在此温度下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到真空度550mabr，保温保压30min。

3.根据权利要求2所述的有电加热和余热方式储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于所述的无水氯化钙也可以采用其它能形成络合物的无机盐替代，为氯化锶或氯化镁等能和NH₃形成络合物的氯化物。