CN103410593B

CN103410593B - 固体储氨系统的剩余氨气量的激光检测方法

Info

Publication number: CN103410593B
Application number: CN201310324815.0A
Authority: CN
Inventors: 张克金; 崔龙; 陈慧明
Original assignee: FAW Group Corp
Current assignee: FAW Group Corp
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-07-30
Also published as: CN103410593A

Abstract

本发明涉及一种固体储氨系统的剩余氨气量的激光检测方法，由压力传感器，温度传感器，固体储氨材料和储罐，防冻液导管，氨气计量阀，过滤器，控制显示器，激光位移传感器，激光发射器，激光接收器组成；在储氨罐底部的固体储氨材料中布置防冻液导管，储氨罐顶部设有压力传感器和氨气导出管，储氨罐的罐体上设有温度传感器；氨气导出管上设有过滤器和氨气计量阀；其是在系统中预先放入一个激光测距系统，当系统中的氨气量变化时，即活性材料堆积体积随之发生相应的变化，测量点距离活性材料界面的距离，依靠激光测距来准确测量，测量信号反馈到控制单元，以此完成剩余氨量的测量；该方法具有思路巧妙，工艺简单，易于控制，成本低廉，准确可靠，易于维护等特点。

Description

固体储氨系统的剩余氨气量的激光检测方法

技术领域

本发明涉及一种固体储氨系统的剩余氨气量的激光检测方法，应用于汽车尾气的SCR后处理系统以及FCEV燃料电池系统。

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，以及新能源汽车的燃料供给技术方面人们仍然面临不少的难题。

SCR后处理系统是依靠尿素还原剂的精确供给并在催化剂的前端分解成氨气后来去除NOX危害物，达到净化尾气的目的，实现车辆的国4或以上的标准的达标，但是，在实际使用中，这种依靠尿素分解成氨气的液体尿素的计量喷射存在许多的不足和难点，例如，尿素溶液在-11℃环境下结冰堵塞的问题，需要额外的管路加热系统来解决；尿素溶液在135℃以上的温度环境下才能分解，而公交系统的许多车辆走走停停，根本无法达到尿素溶液稳定的分解温度的，无法产出氨气，无法消除预定的NOX成分，最后造成液体尿素在排气管中的积累，生产三聚氰胺的聚合物，堵塞尿素喷嘴和发动机排气管，致使车辆产生故障，影响正常的使用，此外，如果国4以上的主流车辆全面使用SCR系统，涉及到全国约15万个加油站点重新建设液体尿素加注基础设施的问题，由于投资巨大，目前，仍没有看到政府和企业动手完善该基础设施，成为SCR使用中的一个潜在的巨大问题；

对于突破能源困境，解决未来能源问题的新能源汽车发展问题，氢燃料电池被公认是一个极为重要的技术路线；但是，如何稳定的获得氢气来源是个制约本领域发展的不小的难题，在所有可能被采用的氢气来源方式中，有高压气瓶储氢的技术路线、有电解水制氢的技术路线、有高纯烃类石油燃料裂解制氢的技术路线、低分子醇类裂解制氢的技术路线以及其它H-N的含氢的前驱体分解或裂解制氢的技术路线，上述技术路线中，都存在若干问题和不足，例如，制氢效率和成本，制氢精度和速率，也包括系统方面的问题，总之，氢的来源是燃料电池车辆发展的瓶颈，需要人们想法进行解决；

氢的前驱体其中之一是H-N含氢的化合物，其中，储氢密度最高的是氨气。氨气是一种最常见的化工原料，氨气分子属于活泼的极性分子，分子的直径尺寸约为3~4A，因此，常温下非常的活泼，极易扩散，并具有毒害性；其毒害性体现在对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用；氨气在水中的的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，此外，氨气通常以气体形式吸入人体，氨气被吸入肺后容易通过肺泡进入血液，破坏运氧功能，短期内吸入大量氨气后会出现流泪、咽痛、咳嗽、胸闷、呼吸困难、头晕、呕吐和乏力等；若长期吸入的氨气过多，导致血液中氨浓度过高，就会引起心脏的停搏和呼吸停止，危及生命安全；因此，氨气的使用的最大隐患是安全问题。

由此可见，解决好氨气的使用中储存和安全问题，就可以开辟一条新的氨气利用的技术路线。

传统的氨气储存方式是高压气瓶，或者是以高浓度氨气溶于水形成氨水来实现。如果采用高压气瓶来储存氨气，大批量工业应用中存在操作方面和密封方面的安全隐患，如果是以高浓氨水的方式，又存在严重的腐蚀问题。

在工业上，利用金属盐与氨气形成络合物，通过氨气的吸附解吸的可逆过程来应用于食品保鲜制冷，首先金属盐和氨气的吸附过程是放热过程，然后氨气解吸又吸收热量，使环境制冷，因此，某些特定的金属盐对氨气吸附解吸附是基本的物理化学常识。

依据化学原理，络合物又称配位化合物，凡是由两个或两个以上含有孤对电子(或π键)的分子或离子作配位体，与具有空的价电子轨道的中心原子或离子结合而成的结构单元称络合单元，带有电荷的络合单元称络离子，电中性的络合单元或络离子与相反电荷的离子组成的化合物都称为络合物，习惯上有时也把络离子称为络合物，一些碱金属或碱土金属，可以和氨形成络合物的分子结构，例如，络盐[Ag(NH₃)₂]Cl和[Cu(NH₃)₄]SO₄、络酸H₂[PtCl₆]、络碱[Cu(NH₃)₄](OH)₂等；也指不带电荷的络合分子，例如，[Fe(SCN)₃]、[Co(NH₃)₃Cl₃]等。其中，[Cu（NH₃）₄]SO₄硫酸四氨合铜是著名的铜氨络合物，分子结构的特征成分是，由一定数量的配体（NH₃）阴离子或分子通过配位键结合于中心离子（Cu或中性原子）周围而形成的跟原来组分性质不同的分子或离子，这种络合物是以配位键相结合。对于氨合氯化钙[Ca(NH₃)₈Cl₁₂]，钙原子空的3d轨道容纳氨的孤对电子形成配位键，其吸附/解吸附反应式如下，

CaCl₂吸附NH₃后与周围颗粒紧密相连，形成近乎没有孔隙的结块，其余的NH₃很难进入到该区域，从而导致NH₃吸附量大大减少，阻碍了氨合氯化钙络合物的形成；相比于松散的吸附剂粉末，利用机械直接压制而成的吸附剂固体块，氨气传输孔道较少，吸附及解吸附效率低；除此之外，CaCl₂吸附NH₃后体积膨胀，固体块容易粉化破碎，影响使用效果。

为了提高储氨活性物质固体块的孔隙，增加氨气传输通道，减弱或避免反复吸附和解吸附过程中CaCl₂发生的结块以及固体块的粉化破碎，满足工业场合的多次循环使用要求，经过我们的不断试验研究，提出一种含有碳纤维的多孔储氨活性混合物及其制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体储氨系统的剩余氨气量的激光检测方法，其是在系统中预先放入一个激光测距系统，当系统中的氨气量变化时，即活性材料堆积体积随之发生相应的变化，测量点距离活性材料界面的距离，依靠激光测距来准确测量，测量信号反馈到控制单元，以此完成剩余氨量的测量；该方法具有思路巧妙，工艺简单，易于控制，成本低廉，准确可靠，易于维护等特点。

本发明的技术方案是这样实现的：一种固体储氨系统的剩余氨气量的激光检测方法，由压力传感器，温度传感器，固体储氨材料和储罐，防冻液导管，氨气计量阀，过滤器，控制显示器，激光位移传感器，激光发射器，激光接收器组成；在储氨罐底部的固体储氨材料中布置防冻液导管，储氨罐顶部设有压力传感器和氨气导出管，储氨罐的罐体上设有温度传感器；氨气导出管上设有过滤器和氨气计量阀；其特征在于：在储氨罐的罐顶部设有激光位移传感器，激光位移传感器安装在固体储氨材料的中上方，垂直于储氨材料的水平界面；激光位移传感器内有激光发射器，激光接收器，激光位移传感器和氨气计量阀与控制显示器信号连接，控制显示器与ECU连接；激光位移传感器的信号传输到控制显示器，控制显示器是集成了PID控制软件的一个控制单元；依据完全充氨后的活性材料总高度H和逐步放氨后的某个阶段的Hi的差值△Hi=H-Hi得大小换算来启动报警阶段，程序设置为三个控制状态：

（1）当0≤△H1≤45%×H，为氨量正常状态，显示绿灯；

（2）当△H1≤△H2≤2%×H+△H1，为氨量提醒状态，显示黄灯；

（3）当△H2≤△H3≤1%×H+△H2，为氨量终止状态，显示红灯。

本发明的积极效果是巧妙解决了固体储氨材料系统在计量使用中的特定的问题，使系统的可靠性和准确性大大提高，满足更为苛刻的汽车排放标准要求，有利于汽车行业减排；具有很高的实用价值，适合于汽车行业的SCR后处理或未来的FCEV系统。

附图说明

图1为本发明的储氨罐△Hi=0结构图。

图2为本发明的储氨罐运行到△H1状态的结构图。

图3为本发明的储氨罐运行到△H2状态的结构图。

图4为本发明的储氨罐运行到△H3状态的结构图。

图5为市售的激光位移传感器结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述，实施例为进一步阐明本发明的特点，不等同于限制本发明，对于本领域的技术人员依照本发明进行的更改，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种固体储氨系统的剩余氨气量的激光检测方法，由压力传感器1，温度传感器2，固体储氨材料3，防冻液导管4，氨气计量阀5，过滤器6，控制显示器7，激光位移传感器8，激光发射器9，激光接收器10组成；在储氨罐底部的固体储氨材料3中布置防冻液导管4，储氨罐顶部设有压力传感器1和氨气导出管，储氨罐的罐体上设有温度传感器2；氨气导出管上设有过滤器6和氨气计量阀5；其特征在于：在储氨罐的罐顶部设有激光位移传感器8，激光位移传感器8安装在固体储氨材料3的中上方，垂直于储氨材料的水平界面；激光位移传感器8内有激光发射器9，激光接收器10，激光位移传感器8和氨气计量阀5与控制显示器7信号连接，控制显示器7与ECU连接；激光位移传感器8的信号传输到控制显示器7，控制显示器7是集成了PID控制软件的一个控制单元；依据完全充氨后的活性材料总高度H和逐步放氨后的某个阶段的Hi的差值△Hi=H-Hi得大小换算来启动报警阶段，程序设置为三个控制状态：

（1）当0≤△H1≤45%×H，为氨量正常状态，显示绿灯；

（2）当△H1≤△H2≤2%×H+△H1，为氨量提醒状态，显示黄灯；

（3）当△H2≤△H3≤1%×H+△H2，为氨量终止状态，显示红灯。

试验室内，对于单个的固体储氨罐系统，其充氨前后的质量变化以及剩余氨量的判断，可以采用精密的电子衡器进行称量和计算，以便采取对应技术措施；然而，对于一个在车辆上安装，并连续使用的固体储氨罐系统，无法采用电子衡器称量的方法来估算剩余氨气量；

对于国4所用的液体的SCR系统，要求满足OBD（On-Board Diagnostics，即车载自动诊断系统）要求，OBD从国4开始应用于车辆的后处理系统的监测，是将从发动机的运行状况随时监控汽车是否尾气超标，液体尿素还原剂是否还有剩余，一旦尾气超标或者尿素还原剂液面较低，会马上发出警示，提示补加或维修；液体的SCR同OBD的通讯以及匹配技术已经完成开发多年，已经有一套完整的对于液体尿素还原剂进行温度、液位、是否堵塞以及品质特征是否复合要求等等进行检测和监控的软硬件，但是，对于固体活性材料储氨系统，由于输送的是气态的氨气，其特性完全不同于液体，因此，原来的OBD所适应的液体尿素还原剂完全不适合气体氨；是否能完成固体活性材料储氨系统剩余氨量能被快速准确的检测，检测信号并被OBD所识别，是一个关键技术问题；

在工业气体中，氨气的检测是个难题，一些电化学原理的氨气传感器，例如，市售的ME3-NH3或GTAXT-A等型号的氨气传感器，价格为600~3000元不等，其检测范围仅仅为0~100ppm，无法适用于固体活性材料储氨系统的超高浓度的氨气检测；

在本发明中采用了包括激光发射器9和激光接收器10而组成的激光位移传感器8来测试固体储氨材料水平界面，以距离（或位移，或称为高度差）作为检测和控制信号变量，输入到控制显示器7，再由控制显示器7来显示剩余氨量，并给出从绿灯—黄灯—红灯变化过程以及指示报警，符合OBD检测要求；

激光位移传感器8，也叫激光测距器，是一个成熟的应用广泛的工业产品，通常包括9光发射器和激光接收器10而组成，输出0~5V的模拟量，位移测试精度达到0.5mm，位移量测试最大为100m，以车载电瓶为动力源，可以连续工作10000h，然后换算成的

本发明采用的控制显示器7是集成了PID控制软件的一个控制单元；当激光位移传感器8的信号传输到与之相连的7-控制显示器，依据完全充氨后的活性材料总高度H和逐步放氨后的某个阶段的Hi的差△Hi=H-Hi大小来启动报警阶段，△Hi是累计高度变化，也就是活性储氨材料随着释放氨的过程进行，固体储氨材料3的体积逐渐缩小，且同储氨量的多少完全对应；反之，对于一个储氨罐进行充氨时，固体储氨材料3的体积也同步的逐渐增大，例如，其体积从储罐的中心线的位置持续膨胀，直到充满储罐；

对于一个完成充氨的储氨罐，例如，固体储氨材料3的体积从中心线膨胀到满罐，可以认为是‘满刻度’的状态，此时固体储氨材料3的高度几乎等于罐体的内壁高度，激光位移传感器8测不出‘高度差’，即△H1=0，启动车辆开始加热系统，并开始释放氨，此时△H1从0开始增大；随着氨气的慢慢释放，本处的特指是在车辆行驶的状态下，储氨罐时刻经受一定的振动，振动可以使储氨材料的堆积‘更为密实’，材料的高度的变化就可以等同于储氨量的变化，假设车辆行驶了15000km，激光位移传感器8连续测定，并给出读数，当△H1的数值逐渐增大到某量值时，例如△H1≤45%×H，等于是所充的氨有2×45%=90%被释放出去，达到了控制显示器7设定的限值，控制显示器7开始由绿灯转变为黄灯；当△H2≤2%×H+△H1，是指在△H1的高度差上，又续行驶并消耗了2%×H的高度差，在此范围内的系统进入黄灯状态，提示司机注意，该储氨系统已经进入‘需要准备更换’的时期，还有2×2%=4%的氨可供释放，此‘黄灯’阶段剩余的氨量可能仅仅够行驶600~700km可续驶得里程，按照通常的50~100km一个4S店的设置，在此期间可以有大约不少于8次途经服务站的机会，以便司机选择并准备更换储氨罐；同样，当△H3≤1%×H+△H2，是指在△H2的高度差上，又续行驶并消耗了1%×H的高度差，在此范围内的系统进入了红灯状态，提示司机注意，该储氨系统已经进入‘必须更换’的时期，还有2×1%=2%的氨可供释放，考虑到固体材料的氨合物解析出来最后一个氨分子的难度较大，最后一个氨分子可能不被解析出来，因此，此‘红灯’阶段剩余的氨量可能仅仅够行驶100~150km可续驶得里程，按照通常的50~100km一个4S店的设置，在此期间可以有大约不少于3次途经服务站的机会，以便司机选择并准备更换储氨罐；如果亮红灯以后并记录‘跛行’的距离超过100km，此信息将通过OBD被载入ECU，最为司机的‘违章’记录；

为此，按照以上对专利的分析描述，本专利采用激光测距检测剩余氨量的方法的控制程序所设置三个控制状态归纳如下：（1）当0≤△H1≤45%×H，为氨量正常状态，显示绿灯；（2）当△H1≤△H2≤2%×H+△H1，为氨量提醒状态，显示黄灯；（3）当△H2≤△H3≤1%×H+△H2，为氨量终止状态，显示红灯；这三个控制状态的设置，较好的满足了OBD所要求的控制功能；上述△H的变量大小设置是基于该储氨系统的容积体积大小以及活性材料解析氨的特性变化来确定；本发明中，△H1，△H2和△H3之合并不等于50%H，也是考虑到最后一个氨分子较难解析的原因，这是在发动机防冻液预热的条件下的技术方案，如果采用发动机的排气预热，其温度可以控制到150~200℃之间，或更高温度，此时，最后一个氨分子将被解析出来，在此条件下，可以把△H1，△H2和△H3之合设为50%H。

本发明是依据储氨罐的总高度H来描述的思路，但是，如果仅仅以活性材料的总高度H^，来描述的思路同样适用于本发明；同样，对于△H1，△H2和△H3的数值设置不同的比例关系仍然适用于本发明；

实施例1

制备有效体积为32L的不锈钢储罐，高度H=460mm，直径为300mm，把15kg固体储氨材料填充到储罐中，完成充氨；采用市售的压力传感器1、温度传感器2、氨气计量阀5、过滤器6和激光位移传感器8，按照如图1、2、3、4所示的结构安装在储罐上，并完成控制显示器同激光位移传感器8以及ECU的连接，完成ECU、DCU同氨气计量阀5和储罐的连接；完成防冻液导管，氨气出入口的连接，并完成充氨；再把系统同8.6L的发动机的老化试验台架相配合，其中，防冻液导管4连接在发动机冷却回路上，以此提供热源；在发动机额度转速2100rpm，扭矩为1200 Nm进行可靠性试验运转，发动机运转1h后，系统建立起来的氨气压力为560kpa，没有启动放氨阀门，此时读取激光位移传感器的探头到活性材料的界面的距离，△H1=0mm，显示控制器为绿灯；

实施例2

采用实施例1所制备的发动机以及储氨系统，在发动机额度转速2100rpm，扭矩为1200 Nm继续进行可靠性试验运转，启动放氨阀门，在试验进行133h后，系统建立起来的氨气压力仍为310kpa，此时读取激光位移传感器的探头到活性材料的界面的距离，△H2=210mm，大于额定的45%H的207mm，显示控制器为黄灯；

实施例3

采用实施例2运行后的发动机以及储氨系统，在发动机额度转速2100rpm，扭矩为1200 Nm继续可靠性试验运转，启动放氨阀门，在试验又进行了3h后，系统建立起来的氨气压力仍为229kpa，此时读取激光位移传感器的探头到活性材料的界面的距离，△H3=218mm，大于额定的47%H的216mm，显示控制器为红灯。

Claims

1.一种固体储氨系统的剩余氨气量的激光检测方法，由压力传感器，温度传感器，固体储氨材料和储罐，防冻液导管，氨气计量阀，过滤器，控制显示器，激光位移传感器，激光发射器，激光接收器组成；在储氨罐底部的固体储氨材料中布置防冻液导管，储氨罐顶部设有压力传感器和氨气导出管，储氨罐的罐体上设有温度传感器；氨气导出管上设有过滤器和氨气计量阀；其特征在于：在储氨罐的罐顶部设有激光位移传感器，激光位移传感器安装在固体储氨材料的中上方，垂直于储氨材料的水平界面；激光位移传感器内有激光发射器，激光接收器，激光位移传感器和氨气计量阀与控制显示器信号连接，控制显示器与ECU连接；激光位移传感器的信号传输到控制显示器，控制显示器是集成了PID控制软件的一个控制单元；依据完全充氨后的活性材料总高度H和逐步放氨后的某个阶段的Hi的差值△Hi=H-Hi的大小换算来启动报警阶段，程序设置为三个控制状态：

（1）当0≤△H1≤45%×H，为氨量正常状态，显示绿灯；

（2）当45%×H＜△H2≤47%×H，为氨量提醒状态，显示黄灯；

（3）当47%×H＜△H3≤48%×H，为氨量终止状态，显示红灯。