CN103541796B

CN103541796B - 固体储氨系统的氨气计量方法

Info

Publication number: CN103541796B
Application number: CN201310523322.XA
Authority: CN
Inventors: 张克金; 崔龙; 陈慧明
Original assignee: FAW Group Corp
Current assignee: FAW Group Corp
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: CN103541796A

Abstract

本发明涉及到一种固体储氨系统的氨气计量方法，其特征在于具体步骤如下：1）发动机的工况信号由ECU发出，指令DCU根据系统的温度高低输出信号给电磁阀改变开度；控制固体储氨材料中的氨气均匀输出；2）当DCU获得模拟信号的输入，并且当压力传感器的显示内部压力大于200kpa，并且当温度传感器显示内部的温度大于60℃，才启动5-电磁阀；采用温度传感器、压力传感器、过滤器、稳压阀和电磁阀组合使用，适应于国4以及以上的排放标准所用SCR中，也适用于未来的FCEV技术；其思路巧妙，工艺简单，易于控制，成本低廉，安全可靠，易于维护，精度高等优点。

Description

固体储氨系统的氨气计量方法

技术领域

本发明涉及一种固体储氨系统的氨气计量方法，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氨气计量方法，是针对固体氨的系统的氨气压力波动以及气体计量难度较大的情况下的氨气输出计量，采用温度传感器、压力传感器、过滤器、稳压阀和电磁阀组合使用，适应于国4以及以上的排放标准所用SCR中，也适用于未来的FCEV技术；其具有思路巧妙，工艺简单，易于控制，成本低廉，安全可靠，易于维护，精度高等优点。

本发明的技术方案是这样实现的：一种固体储氨系统的氨气计量方法，由压力传感器，温度传感器，固体储氨材料，防冻液导管，电磁阀，稳压阀，过滤器，氨气出入口，耐压罐以及ECU和DCU组成；其特征在于：按照氨气流动的方向，过滤器安装在管线最前端，稳压阀在管线的中间，电磁阀在管线的后端；温度传感器和防冻液导管安装在储氨容器的刻度中心线的下方；温度传感器距离中心线的距离为h，范围在0~0.1H，防冻液导管安装在中心线与底部的中间位置，1/4H位置，H为耐压罐罐内高度，具体步骤如下：1）发动机的工况信号由ECU发出，指令DCU根据系统的温度高低输出信号给电磁阀改变开度；通过压力传感器，温度传感器，过滤器，电磁阀和稳压阀组合使用，控制固体储氨材料中的氨气均匀输出；2）当DCU获得模拟信号的输入，并且当压力传感器的显示内部压力大于200kpa，并且当温度传感器显示内部的温度大于60℃，才启动电磁阀；ECU接收发动机信号，控制DCU，读取压力传感器和温度传感器的值，判断压力是否达到200kpa，温度是否达到60℃，直到压力传感器和温度传感器的值达到设定目标，DCU控制，氨气经过滤器和稳压阀稳压之后经电磁阀输出，电磁阀可以根据DCU信号控制开度，实现氨气输出量的计量功能。

所述的稳压阀的限压范围是200kpa。

所述压力传感器的压力测量范围-100kpa~250kpa。

所述的温度传感器的温度测量范围在-45℃~100℃。

本发明的积极效果是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是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，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。

如图1所示，一种固体储氨系统的氨气计量方法，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，电磁阀5，稳压阀6，过滤器7，氨气出入口8，耐压罐9以及ECU和DCU组成；其特征在于：按照氨气流动的方向，过滤器7安装在管线最前端，稳压阀6在管线的中间，电磁阀5在管线的后端；温度传感器2和防冻液导管4安装在储氨容器的刻度中心线的下方；温度传感器2距离中心线的距离为h，范围在0~0.1H，防冻液导管4安装在中心线与底部的中间位置，1/4H位置，H为耐压罐罐内高度，具体步骤如下：1）发动机的工况信号由ECU发出，指令DCU根据系统的温度高低输出信号给电磁阀改变开度；通过压力传感器1，温度传感器2，过滤器7，电磁阀5和稳压阀6组合使用，控制固体储氨材料中的氨气均匀输出；2）当DCU获得模拟信号的输入，并且当压力传感器1的显示内部压力大于200kpa，并且当温度传感器2显示内部的温度大于60℃，才启动电磁阀5；ECU接收发动机信号，控制DCU，读取压力传感器1和温度传感器2的值，判断压力是否达到200kpa，温度是否达到60℃，直到压力传感器1和温度传感器2的值达到设定目标，DCU控制，氨气经过滤器7和稳压阀6稳压之后经电磁阀5输出，电磁阀5可以根据DCU信号控制开度，实现氨气输出量的计量功能。

所述的稳压阀6-的限压范围是200kpa。

所述压力传感器的压力测量范围-100kpa~250kpa。

所述的温度传感器的温度测量范围在-45℃~100℃。

实施例1

制备有效体积为32L的不锈钢耐压储罐，把15kg固体储氨材料填充到储罐中，并完成充氨；完成防冻液导管，氨气出入口的连接，完成ECU和DCU的接线，采购市售的精密电磁阀，温度传感器，压力传感器和稳压阀，按照图1的布置完成同储罐的连接；输氨管上电磁阀之前没有装配过滤器；再把系统同8.6L的发动机台架配合，其中，防冻液导管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1200Nm进行可靠性试验运转，38h后测定SCR出口的NOX超标，净化率低于预期，判断为精密电磁阀‘发卡’，被粉末颗粒堵塞。

实施例2

采用实施例1所制备的储氨系统，按照图1的布置完成同储罐的连接；输氨管上电磁阀之前没有装配稳压阀；再把系统同8.6L的发动机台架配合，其中，防冻液导管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1200Nm开始进行可靠性试验运转，在试验进行1h时间内，系统的压力传感器指示的压力读数为550kpa，SCR出口端的氨味明显，显示氨气逃逸量高达125ppm；判断为管线中的压力过高导致的氨气流量过大所致。

实施例3

仍采用实施例1所制备的储氨系统，按照图1的布置完成同储罐的连接；输氨管上电磁阀之前不仅装配过滤器，也安装稳压阀；再把系统同8.6L的发动机台架配合，其中，防冻液导管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1200Nm开始进行可靠性试验运转，在试验进行150h时间内，没有电磁阀发‘卡’现象发生，SCR出口端的无明显的氨味，显示氨气逃逸量高达3~7ppm；判断为系统正常；

首先，由压力传感器和温度传感器的显示结果，来决定系统是否具备释放氨气的基本条件，压力传感器的显示内部压力大于200kpa，并且当温度传感器显示内部的温度大于60℃，才启动电磁阀由‘关’转换到‘开’的工作状态；试验中发现，南方的夏季，系统暴晒在阳光下系统内部的温度有可能单独达到60℃以上，随时间的积累，系统的压力也会慢慢累积到200kpa的临界点压力，但是，此时ECU无信号输入，系统仍然无法启动；最终，电磁阀的‘开’后的开度大小又取决于ECU所获得的发动机排气的NOX和温度，以及发动机的转速以及燃油消耗量信号输入；

对于200kpa的压力设置主要是考虑到只有当系统内部能建立起来相对于环境压力（100kpa）以上的压力时，逸出的氨气量充足，才能启动氨气向SCR后处理器的输送；

本发明的稳压阀的是必须。当完成冲氨的系统刚刚投入使用时，活性材料所吸附的氨充足，同样，氨气的逸出速度也非常快，如果车辆重负荷高速连续行驶，旁通的防冻液的温度可能会高达90~100℃，此时的系统可能会产生高达700~900kpa的内部压力，如果不采用稳压阀，氨气导出管路的压力也会达到同样的700~900kpa，这将大大改变氨气导出的数量，影响计量精度，甚至会在SCR后端产生氨气逃逸，产生新的污染；稳压阀的应用，可以方便的调节压力，不管系统的压力在200~900kpa范围内，氨气导出管路的压力始终是200kpa，有利于保证电磁阀的计量精度；

过滤器的使用也是必须的。考虑到汽车行驶工况的恶劣和复杂，系统中所填充的固体储氨材料的密度接近于1，振动中必然会产生‘固体物的粉尘’，如果没有过滤器，这些粉尘会通过氨气导出管路进入6-稳压阀和5-电磁阀，造成这些精密部件的失灵和失效；

电磁阀的使用也是必须的。气体的精密计量是非常困难的，采用精密的质量流量计可以满足计量要求，但是，价格极其昂贵；试验发现，依靠DCU的模拟信号输入，可以方便准确的进行精密电磁阀的开度大小调整，从而达到氨气的计量要求；

这样，本发明的核心是按照氨气流动的方向，7-过滤器安装在输氨管线最前端，6-稳压阀在管线的中间，5-电磁阀在管线的后端；以此来完成该系统的氨气的计量和控制；此外，为保证储氨系统在车辆上稳定的运行，另外一些技术细节的优化也必须进行优化，例如，2-温度传感器和4-防冻液导管安装在储氨容器的‘体积’刻度中心线的下方，是为了保证即使是储罐内的氨气将近耗尽时，加热和温度测量的准确可靠。

Claims

1.一种固体储氨系统的氨气计量方法，由压力传感器、温度传感器、固体储氨材料、防冻液导管、电磁阀、稳压阀、过滤器、氨气出入口、耐压罐以及ECU和DCU组成；其特征在于：按照氨气流动的方向，过滤器安装在管线最前端，稳压阀在管线的中间，电磁阀在管线的后端；温度传感器和防冻液导管安装在储氨容器的刻度中心线的下方；温度传感器距离中心线的距离为h，范围在0~0.1H，防冻液导管安装在中心线与底部的中间位置，1/4H位置,H为耐压罐罐内高度；具体步骤如下：1）发动机的工况信号由ECU发出，指令DCU根据系统的温度高低输出信号给电磁阀改变开度；通过压力传感器，温度传感器，过滤器，电磁阀和稳压阀组合使用，控制固体储氨材料中的氨气均匀输出；2）当DCU获得模拟信号的输入，并且当压力传感器的显示内部压力大于200kpa，并且当温度传感器显示内部的温度大于60℃，才启动电磁阀；ECU接收发动机信号，控制DCU，读取压力传感器和温度传感器的值，判断压力是否达到200kpa，温度是否达到60℃，直到压力传感器和温度传感器的值达到设定目标，DCU控制，氨气经过滤器和稳压阀稳压之后经电磁阀输出，电磁阀可以根据DCU信号控制开度，实现氨气输出量的计量功能。

2.根据权利要求1所述的固体储氨系统的氨气计量方法，其特征在于所述的稳压阀的限压范围是120~200kpa。

3.根据权利要求1所述的固体储氨系统的氨气计量方法，其特征在于所述压力传感器的压力测量范围-100kpa~250kpa。

4.根据权利要求1所述的固体储氨系统的氨气计量方法，其特征在于所述的温度传感器的温度测量范围在-45℃~100℃。