CN102854184B - 发动机尾气中氨气、氮氧化物共测专用测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机尾气中氨气和氮氧化物共测专用测量系统，包括发动机排气采样单元、NO_x/NH₃分析单元以及计算机控制和管理单元，样气与经过滤后进入CFV1计量稀释空气流量的空气稀释混合成稀释排气后，经CFV2计量稀释排气流量，依照流程最后分2路，其中一路经过氨气氧气催化转化装置进入CLD1，得到包含NH₃浓度的总NO测量值；另一路直接进入CLD2，得到不含NH₃的NO测量值；根据两路测量值的差值获得NH₃、NO_x的浓度值，满足国家IV阶段排放标准关于发动机瞬态工况测功和测量NH₃的要求，能同时测量NH₃/NO_x成分浓度，测量精度高等优点；另外，本发明能根据测量结果计算NO_x转化效率（SCR催化还原效率）。

Description

发动机尾气中氨气、氮氧化物共测专用测量系统

技术领域

本发明涉及属于机动车及内燃机（或称：发动机，下同）尾气排放的气体成分浓度测量技术，特别是涉及一种采用化学发光检测原理（CLD，chemiluminescentdetector），实现氨气和氮氧化物（NH₃/NO_x）成分浓度共测的测量仪器和测量方法。

背景技术

有数据显示，重型柴油车在机动车中的占有量不到10%，然而其NO_x排放量却占了机动车NO_x排放量的60%以上。在我国，9座以上客车和总重3.5吨以上载货车类别的重型柴油车在重型柴油车中占有量又超过了50%，因此其氮氧化物和颗粒物（NO_x+PM）排放势必在机动车尾气排放量中占到绝大比例。

为了达到国IV阶段（NO_x+PM）的排放标准，重型柴油发动机主要采用两种技术路线来降低尾气中氮氧化物和颗粒物的排放量，其技术原理分别如图1所示。其中：技术路线1是：首先通过废气再循环（EGR,exhaust gas recirculation）降低NO_x排放量，然后通过排气后处理技术（例如：使用微粒捕集器---PDF或微粒氧化器---POC）将PM降低到欧IV水平；技术路线2是：在柴油发动机内部先通过优化燃烧过程，把PM降下来，但同时允许NO_x升高，然后在排气后处理系统中，通过选择性催化还原器（SCR,selective catalyst reduction）把NO_x降低到欧IV水平上。

上述两种技术在国内外产品上都已获应用。不过，着眼于产品满足排放标准升级的改造、技术方案实施的机制、国内燃油供应标准等因素的权衡，有更多的企业选择采用技术路线2。

当采用技术路线2时，必须向选择性催化还原器中喷射尿素和水，使之生成氨气（NH₃）；利用氨气与排气中的NO_x发生还原化学反应，则会生成无害的N₂和CO₂。在这个过程中，由于化学反应过程及控制的不完善会有少量氨气要从排气管排到大气中，对环境和人体产生危害，必须限制其浓度在允许限值以下（目前国家标准规定平均限值为25ppm）。

如图2所示，利用技术2降低尾气中氮氧化物的排放量过程中，氨气发生化学还原反应过程的描述如下：

在SCR（选择性催化还原器）的进口处喷射尿素（NH₂CONH₂），尿素在高温水蒸气（＞160℃）条件下分解为NH₃和CO₂：

NH₂CONH₂+H₂O--＞2NH₃+CO₂

在SCR中，NH₃与排气中的NO_x（NO+NO₂）发生还原化学反应，生成N₂和H₂O：

NO+NO₂+2NH₃--＞2N₂+3H₂O

4NO+O₂+4NH₃--＞4N₂+6H₂O

2NO₂+O₂+4NH₃--＞3N₂+6H₂O

此时，同时要防止NH₃和O₂直接发生氧化反应：

4NH₃+5O₂--＞4NO+6H₂O

再次生成NO；SCR中催化剂的选择必须遏制NH₃直接氧化的过程。

在现实中，由于化学反应过程的不完备，或者为了更多降低NO_x而有尿素过喷的情况，因此在最终排气中可能还存在NO_x和NH₃，它们都是环境中有害物质，均应在标准限值以下。

为此需要在发动机、电控系统以及选择性催化还原器SCR研发中，要在发动机排气的有关节点处测量NO_x（NO+NO₂）和NH₃的成分浓度。

现有技术中，NO_x的测量方法已经成熟，对于机动车和发动机排放型式论证中，相关法规明确规定采用CLD（化学发光法检测）法。而对于NH₃的测量，因属于新增、前沿的测量项目，多是借用其他领域使用的几种方法（例如CLD法、不分光紫外分析法NDUA、傅里叶转换红外线光谱法FTIR、激光二极管光谱法TDLAS等），都有应用各有优缺点。但是在行业标准的专业法规上尚未有明确的界定。

因此，在机动车和内燃机排放测量领域，对NH₃的测量是一个全新的前沿课题。无论是发动机或选择性催化还原器SCR的研发或生产使用，都需要在发动机排气流程中有关节点位置测量NH₃的浓度。

目前，在国内尚未见到专为适用于机动车和发动机排放中NH₃测量仪器的研发技术等相关报导。当前，国内所用发动机NH₃排放的测量仪器仅能从少数几家国外公司进口。存在价格高、标定溯源不方便、维修费用高等问题。国内机动车和发动机行业急需要配套的专用NH₃成分浓度测量仪器。

发明内容

基于上述现有背景技术的叙述，本发明提出了一种发动机尾气中氨气和氮氧化物共测专用测量系统，利用CLD检测方法和小流量临界流文丘里管（CFV）流量计量技术，实现对发动机尾气中NH₃/NO_x两种气体成分浓度共测的新型专用测量装置及其使用的测量方法；

本发明提出的一种发动机尾气中氨气和氮氧化物共测专用测量系统，包括发动机排气采样单元、NO_x/NH₃分析单元以及计算机控制和管理单元，其特征在于：

所述发动机排气直接采样单元，包括设置于发动机排气第一采样头1-1、发动机排第二采样头1-2、加热耐温管线2、第一文丘里管CFV1 3、第二文丘里管CFV2 4、第一耐高温电磁控制阀5、耐高温膜片式采样泵6、溢流阀7、加热式气体过滤器及除湿组件8、第二耐高温电磁控制阀9以及稀释排气采集袋10；所述发动机排气第一采样头1-1设置于发动机后置的选择性催化还原器SCR 17后端，并与第一文丘里管3连接；所述发动机排气第二采样头1-2设置于所述选择性催化还原器SCR17前端；

所述NO_x/NH₃分析单元12，包括第一化学发光分析仪CLD1、第二化学发光分析仪CLD2；在第一化学发光分析仪CLD1前端配置（NH₃—NO）氧化催化转化装置11；

所述计算机控制和管理单元，包括计算机13、打印机14、测控单元15、气象站16、电源以及主控软件，在所述测量系统中实现测量过程的主控和数据通讯；

在所述发动机排气直接采样单元：直接采样的样气由发动机排气第一采样头1-1与经过过滤后进入计量稀释空气流量第一文丘里管CFV1 3的空气稀释混合成稀释排气后，该稀释排气经第二文丘里管CFV2 4计量稀释排气流量；依照流程，最后分2路分别进入NO_x/NH₃分析单元的第一化学发光分析仪CLD1测量线路1及第二化学发光分析仪CLD2测量线路2，其中一路经过氨气催化转化装置进入所述第一化学发光分析仪CLD1，得到NO测量值为NO_x（NO，NO₂）以及NH₃的总浓度；另一路直接进入所述第二化学发光分析仪CLD2，得到不含NH₃而分别反映（NO+NO₂）的NO测量值；根据两路测量值的差值获得氨气NH₃的浓度值，即

NH₃浓度值＝CLD1（NH₃＋NO_x）-CLD2（NO_x）；

上述直接采样的样气和稀释排气在该测量系统中通过加热耐温管线实现输送；加热式气体过滤器及除湿组件8前置于NO_x/NH₃分析单元12、耐高温电磁控制阀5设置于第二文丘里管CFV2 4输出端，溢流阀7设置于耐高温膜片式采样泵6后，用于控制进入采集袋10的流量，多余稀释排气经溢流阀排出；经过过滤、除湿后稀释排气经过耐高温电磁控制阀9送入采集袋10储存供分析仪分析。

中国家标准GB17691-2005的中国III、IV、Ⅴ阶段排放法规规定，在执行IV阶段、Ⅴ阶段标准要求时，所述发动机测功应采用ETC循环试验，该ETC循环试验包括1800个逐秒变换测功工况的试验循环，其尾气测量每一秒需要连续测量5次氨气和氮氧化物NH₃/NO_x，以其五次平均值作为其某一秒的排出的氮氧化物NH₃/NO_x实际测量值。

所述NO_x/NH₃分析单元的第一化学发光分析仪CLD1和第二化学发光分析仪CLD2两路都采用加热型化学发光法氮氧化物分析仪HCLD。

所述计算机控制和管理单元与发动机测功机的连接通过以太网实现通讯，通过TCP/IP协议交换数据，或采用RS-485协议与外界交换数据，实施实时显示与控制。

所述选择性催化还原器SCR 17前端设置发动机排气第二直采采样头1-2，直采样气直接通过加热式气体过滤器及除湿组件8，经第二耐高温电磁控制阀9随后进入CLD第二测量线路CLD2，采用连续积分法测量出未采用选择性催化还原器SCR前时发动机中的氮氧化物NO_x的浓度值（NO_x 1-2）；与采用选择性催化还原器SCR后所测得的氮氧化物NO_x1-1进行比较，求得NO_x转化效率（SCR催化还原效率）：

NO_x转化效率（SCR催化还原效率）==（NO_x 1-2-NO_x 1-1）/NO_x 1-2

                              ==1-(NO_x1-1/NO_x1-2)。

根据上述的技术方案，本发明的原理和结构设计能够满足国家IV阶段排放标准关于发动机瞬态工况测功和测量NH₃（瞬态采样频率5Hz）的要求，具有技术成熟、能同时测量NH₃/NO_x成分浓度，测量精度高、价格便宜、可靠性高、维修成本低、便于标定等优点。作为扩展功能，在选择性催化还原器SCR前端如设置发动机排气第二直采采样头（1-2）及相关组件后就可以测量采用SCR后氮氧化物NO_x的转化效率。

附图说明

图1为现有技术中降低发动机尾气中氮氧化物和颗粒物的排放量的两种技术原理示意图；

图2为现有技术中利用选择性催化还原器SCR降低尾气中氮氧化物排放量的系统示意图；

图3为本发明中测量NH₃以及NO_x（NO+NO₂）的原理框图；

图4为本发明的发动机尾气中氨气和氮氧化物共测专用测量系统结构框图。

1-1发动机排气第一采样头

1-2、发动机排气第二采样头，（设置于SCR前端）

2、加热耐温管线

3、第一文丘里管（CFV1）（其进口端视需要，设空气滤清器；可选）

4、第二文丘里管（CFV2）        5、耐高温电磁控制阀

6、耐高温膜片式采样泵          7、溢流阀

8、加热式气体过滤器及除湿组件  9、耐高温电磁控制阀

10、稀释排气采集袋             11、氨气氧化催化转化装置

12、（NO_x/NH₃）分析单元        13、计算机

14、打印机                     15、测控单元

16、气象站（含温度、环境压力、湿度测量）

17、SCR选择性催化还原器

具体实施方式

如图3所示，本发明的对发动机尾气中残存的氨气浓度测量的技术原理是：对于含有少量NO_x（NO，NO₂）、NH₃的发动机排气等采用直接采集方法采集最终排气；该直采样气与经过第一文丘里管（CFV1）计量的空气稀释混合后成稀释排气；稀释排气经第二文丘里管（CFV2）计量后，然后分2路进入CLD测量线路1及CLD测量线路2，利用测量NO分别获得(NH₃+NO_x)以及NO_x（NO，NO₂）测量值，其中：

CLD测量线路1的具体操作包括：稀释排气先经过氨气氧化催化转化装置，将NH₃转化成NO；经CLD1检测，其NO测量值应为NO_x（NO，NO₂）以及NH₃的总浓度（ppm）；

CLD测量线路2的具体操作包括：稀释排气（不经过氨气氧化催化转化装置，因此此线路的NH₃不会转化成NO）直接经CLD2检测，其NO测量值仅反映排气中NO_x（NO，NO₂）的浓度（ppm），与NH₃无关。

将两路测量结果相减，即为排气中氨气（NH₃）的成分浓度（ppm）：

NH₃=CLD1(NH₃+NO_x)–CLD2(NO_x)(ppm)。

由此可见，以上技术方案实现了NH₃和NO_x的共同测量结果。

以下结合附图及实施例详细描述本发明的技术方案。

如图4所示，本发明的尾气中氨气和氮氧化物共测专用测量系统由三个单元：发动机排气直接采样单元、NO_x/NH₃分析单元以及计算机控制和管理单元组成，其中各单元分别包含以下组件：

发动机排气直接采样单元，包括柴油机排气采样头1-1、加热耐温管线2、第一文丘里管（CFV1）3（其进口端视需要，设空气滤清器；可选）、第二文丘里管（CFV2）4、耐高温电磁控制阀5、耐高温膜片式采样泵6、溢流阀7、加热式气体过滤器及除湿组件8、耐高温电磁控制阀9、以及稀释排气采集袋10等；

另外，在图4中，在SCR前端也可设置排气直采采样头1-2，为本测量装置的扩展功能，可以用于测量SCR转化NO_x的效率。

NO_x/NH₃分析单元12，包括第一化学发光分析仪CLD1、第二化学发光分析仪CLD2；在CLD1前端配置（NH₃-NO）氧化催化转化装置11。

直接采样的样气与经过第一文丘里管（CFV1）3计量稀释空气流量的空气稀释混合成稀释排气后，该稀释排气经第二文丘里管（CFV2）4计量稀释排气流量。经过过滤、除湿后稀释排气经过电磁控制阀9送入采集袋10储存供分析仪分析。依照流程，最后分2路进入NO_x/NH₃分析单元的第一化学发光分析仪CLD1测量线路1及第二化学发光分析仪CLD2测量线路2，其中一路经过氨气催化转化装置11进入所述第一化学发光分析仪CLD1，得到NO测量值为NO_x（NO，NO₂）以及NH₃的总浓度；另一路直接进入所述第二化学发光分析仪CLD2，得到不含NH₃而只分别反映（NO+NO₂）的NO测量值；根据两路同步测量结果(NH₃+NO_x)以及NO_x（NO，NO₂）的差值求出NH₃以及NO_x（NO，NO₂）的成分浓度：

NH₃=CLD1(NH₃+NO_x)–CLD2(NO_x)(ppm)，

NO_x(NO，NO₂)=CLD2(NO_x)(ppm)

在上述的排气采样设计中，借助临界流文丘里管恒定流量的特性，利用CFV1和CFV2，在任何时刻直采排气的流量用（CFV2-CFV1）差求得，这样可以保证发动机在瞬态测功（ETC试验，包括1800个逐秒变换发动机测功工况的试验循环）条件下实现恒比例采样。本发明不采用小孔临界流文丘里管直接测量排气流量这种设计，可以防止小孔临界流文丘里管的堵塞、保持干净和测量精度。

上述样气和稀释排气通过加热耐温管线2输送；耐高温电磁控制阀5设置于第二文丘里管4输出端，用于控制被测稀释排气的切换；加热式气体过滤器及除湿组件8前置于稀释排气采集袋10和NO_x/NH₃分析单元12；溢流阀7用于控制进入稀释排气采集袋10的流量，多余稀释排气排空。

另外，本发明还包括计算机控制和管理单元，包含计算机13、打印机14、测控单元15、气象站16（含温度、环境压力、湿度测量，用于将测量结果修正到标定状态）、电源（含强电和弱电、交流和直流电供应。图中未标出）以及主控软件等。本测量装置与发动机测功机的连接为以太网通讯，通过TCP/IP协议交换数据，也可以采用RS-485协议与外界交换数据。自编的专用软件，控制测量装置的运行和全部数据管理。

本发明的测量系统，将瞬态工况下（NH₃+NO+NO₂）采集量数字积分处理方式变成算术平均处理方式，使NH₃转化为NO的频响与测量NO的频响相匹配，简化了对测量设备的要求又提高了测量精度。其测量结果反映NH₃、NO和NO₂的平均浓度（ppm），满足法规平均浓度的检测要求。

在排气采样的设计中，借助临界流文丘里管恒定流量的特性，利用CFV1计量稀释空气流量、用CFV2计量稀释排气流量；在任何时刻直采排气的流量用（CFV2-CFV1）差求得，这样可以保证发动机在瞬态测功（ETC试验，包括1800个逐秒变换发动机测功工况的试验循环）条件下实现恒比例采样。不采用小孔临界流文丘里管直接测量排气流量这种设计，可以防止小孔临界流文丘里管的堵塞、保持干净和测量精度。

上述测量系统全部集成在1个（或2个）仪器柜内，便于移动。其中测量系统的主要特征参数列举如下：

功能：对柴油机的NH₃/NO_x（NO+NO₂）实现可选模式（NH₃和或NO_x；NO、NO₂和NO_x）的测量。

适用于NH₃/NO_x（NO+NO₂）的实时、共同的测量、选择性催化还原器SCR及其中零部件的开发和低NH₃排放催化技术的开发。

适用法规：符合国家标准GB17691-2005（中国III、IV、V阶段）排放IV阶段（等同欧IV）标准中相关规定（满足发动机瞬态试验工况---ETC，对分析单元提出的精度要求、T₉₀响应等）。按照欧洲标准2001/27/EC及中国GB17691-2005（中国III、IV、V阶段）规定，测量柴油机排气中的氨气和氮氧化物（NH₃/NO_x）时柴油机的工况是瞬态循环（ETC），每秒改变一个工况，总运行时间为1800秒；每一秒要连续测量5次氨气和氮氧化物（NH₃/NO_x-NO、NO₂），以其五次平均值作为其某一秒的排出的（NH₃/NO_x—NO、NO₂）实际测量值。

各组成单元及设备的技术指标列举如下：

1、发动机排气直接采样单元：完善的加热保温和过滤除湿设计，保证该单元稳定工作在温度191±10℃下，使直接采集样气的稀释排气可直接进入（NO_x-NH₃）分析单元。

采样管路原始排气：温度191-200℃，压力＜30kPa  （表压），

                  湿度＜15%R.H.；

稀释空气用临界流文丘里流量计CFV1 5l/min，精度1级；

稀释排气用临界流文丘里流量计CFV2 10l/min，精度1级；

高精度压力传感器量程80-110kPa，精度±1%FS；

高精度温度传感器量程0-500C，精度±0.1%FS；

温度、湿度传感器量程0-500C，精度±1%FS；

                量程0-100%R.H.，精度±3%FS；

加热型过滤器（工作温度191±10℃，流量30l/min）；

冷凝除水组件（流量＞10l/min）；

加热耐温膜片采样泵（＜250℃，＞10l/min）；

热伴线（工作温度191±10℃）。

2、NO_x/NH₃分析单元：在本发明中采用两路加热型化学发光法氮氧化物分析仪（HCLD）：

精度：±1%FS；

量程：0-10、100、1000、3000ppm，自动切换量程，自动标定零点和量程点；

线性：±2%真值；

NO_x转化效率：＞95%以上；

（NH₃–NO）转化效率：＞95%以上；

响应时间（T₉₀）：＜2s  （对于NO_x测量）。

3、计算机控制和管理单元：

包含计算机、测控单元、电气控制板、以太网交换机等硬件配置和测量装置专用控制软件等。

Claims (5)

1.一种发动机尾气中氨气和氮氧化物共测专用测量系统，包括发动机排气直接采样单元、NO_x/NH₃分析单元以及计算机控制和管理单元，其特征在于：

所述发动机排气直接采样单元，包括设置于发动机排气第一采样头（1-1）、发动机排气第二直采采样头（1-2）、加热耐温管线（2）、第一文丘里管CFV1（3）、第二文丘里管CFV2（4）、第一耐高温电磁控制阀（5）、耐高温膜片式采样泵（6）、溢流阀（7）、加热式气体过滤器及除湿组件（8）、第二耐高温电磁控制阀（9）以及稀释排气采集袋（10）；所述发动机排气第一采样头（1-1）设置于发动机后置的选择性催化还原器SCR（17）后端，并与第一文丘里管（3）连接；所述发动机排气第二直采采样头（1-2）设置于所述选择性催化还原器SCR（17）前端；

所述NO_x/NH₃分析单元（12），包括第一化学发光分析仪CLD1、第二化学发光分析仪CLD2；在第一化学发光分析仪CLD1前端配置用于将NH₃转化为NO的氨气催化转化装置（11）；

所述计算机控制和管理单元，包括计算机（13）、打印机（14）、测控单元（15）、气象站（16）、电源以及主控软件，在所述测量系统中实现测量过程的主控和数据通讯；

在所述发动机排气直接采样单元：直接采样的样气由发动机排气第一采样头（1-1）与经过过滤后进入计量稀释空气流量第一文丘里管CFV1（3）的空气稀释混合成稀释排气后，该稀释排气经第二文丘里管CFV2（4）计量稀释排气流量；依照流程，最后分2路分别进入NO_x/NH₃分析单元的第一化学发光分析仪CLD1测量线路1及第二化学发光分析仪CLD2测量线路2，其中一路经过氨气催化转化装置进入所述第一化学发光分析仪CLD1，得到NO测量值为NO_x，即包括NO、NO₂、以及NH₃的总浓度；另一路直接进入所述第二化学发光分析仪CLD2，得到不含NH₃而分别反映NO+NO₂的NO测量值；根据两路测量值的差值获得氨气NH₃的浓度值，即

NH₃浓度值＝CLD1（NH₃＋NO_x）－CLD2（NO_x）；

上述直接采样的样气和稀释排气在该测量系统中通过加热耐温管线实现输送；加热式气体过滤器及除湿组件（8）前置于NO_x/NH₃分析单元（12）、耐高温电磁控制阀（5）设置于第二文丘里管CFV2（4）输出端，溢流阀（7）设置于耐高温膜片式采样泵（6）后，用于控制进入采集袋（10）的流量，多余稀释排气经溢流阀排出；经过过滤、除湿后稀释排气经过耐高温电磁控制阀（9）送入采集袋（10）储存供分析仪分析。

2.如权利要求1所述的发动机尾气中氨气和氮氧化物共测专用测量系统，其特征在于，中国国家标准GB17691-2005的中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段排放法规规定，在执行Ⅳ阶段、Ⅴ阶段标准要求时，所述发动机测功应采用ETC循环试验，该ETC循环试验包括1800个逐秒变换测功工况的试验循环，其尾气测量每一秒需要连续测量5次氨气和氮氧化物NH₃/NO_x，以其五次平均值作为其某一秒的排出的氮氧化物NH₃/NO_x实际测量值。

3.如权利要求1所述的发动机尾气中氨气和氮氧化物共测专用测量系统，其特征在于，所述NO_x/NH₃分析单元的第一化学发光分析仪CLD1和第二化学发光分析仪CLD2两路都采用加热型化学发光法氮氧化物分析仪HCLD。

4.如权利要求1所述的发动机尾气中氨气和氮氧化物共测专用测量系统，其特征在于，所述计算机控制和管理单元与发动机测功机的连接通过以太网实现通讯，通过TCP/IP协议交换数据，或采用RS-485协议与外界交换数据，实施实时显示与控制。

5.如权利要求1所述的发动机尾气中氨气和氮氧化物共测专用测量系统，所述选择性催化还原器SCR（17）前端设置发动机排气第二直采采样头（1-2），直采样气直接通过加热式气体过滤器及除湿组件（8），经第二耐高温电磁控制阀（9）随后进入CLD第二测量线路CLD2，采用连续积分法测量出未采用选择性催化还原器SCR前时发动机中的氮氧化物NO_x的浓度值NO_x1-2；与采用选择性催化还原器SCR后所测得的氮氧化物NO_x1-1进行比较，求得NO_x转化效率，即SCR催化还原效率：

NO_x转化效率（SCR催化还原效率）=（NO_x1-2-NO_x1-1）/NO_x1-2=1-(NO_x1-1/NO_x1-2)。

Images