CN103541798A

CN103541798A - 基于质量流量计的固体储氨系统的剩余氨气量的检测方法

Info

Publication number: CN103541798A
Application number: CN201310523351.6A
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: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: CN103541798B

Abstract

本发明涉及到一种基于质量流量计的固体储氨系统的剩余氨气量的检测方法，其特征在于：储氨罐中设有1个氨气质量流量计，串联在输氨管路上，并同显示控制器相连接，安装在储氨罐上的压力传感器和温度传感器以及氨气质量流量计和DCU相连，DCU和显示控制器同ECU相连，依据充氨总量W和输出氨量Wi的累计量差减△W大小，设置三个剩余氨量水平的控制点，提示司机系统是否正常、是否需要充氨以及是否氨气耗尽；该方法具有思路巧妙，工艺简单，易于控制，成本低廉，安全可靠，易于维护等特点。

Description

基于质量流量计的固体储氨系统的剩余氨气量的检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于质量流量计的固体储氨系统的剩余氨气量的检测方法，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，

Figure 2013105233516100002DEST_PATH_IMAGE001

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基于质量流量计的固体储氨系统的剩余氨气量的检测方法，其在系统的传输管路上设置一个精密氨气质量流量计，依靠原始充氨的总量为基础，在逐渐的使用中累计减少储氨总量，设置三个剩余氨量水平的控制点，提示司机系统是否正常、是否需要充氨以及是否氨气耗尽；具有思路巧妙，工艺简单，易于控制，成本低廉，安全可靠，易于维护等特点。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于质量流量计的固体储氨系统的剩余氨气量的检测方法，由压力传感器，温度传感器，固体储氨材料，防冻液导管，氨气质量流量计，氨气出入口，储氨罐，显示控制器所组成；其特征在于：储氨罐中设有1个氨气质量流量计，串联在输氨管路上，并同显示控制器相连接，实现氨气流量大小的自动调整计量；安装在储氨罐上的压力传感器和温度传感器以及氨气质量流量计和DCU相连，DCU和显示控制器同ECU相连，组成闭环显示和计量控制系统；其具体的检测方法如下：显示控制器采用PID控制器，依据充氨总量W和输出氨量Wi的累计量差减△W大小，设置三个剩余氨量水平的控制点，具有三个控制状态：a）当累计量△W1=0~85%，为正常状态，显示绿灯；b）当累计量△W2=86~95%，为临界/提醒状态，显示黄灯；c）当累计量△W3=96~100%，为终止状态，显示红灯；当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，判断压力传感器和温度传感器的值达到设定目标，DCU控制，氨气经氨气出入口和氨气质量流量计输出，根据DCU信号控制，实现氨气输出量的计量功能。

所述的氨气质量流量计流量范围在0~50l/min，优选范围0~25l/min。

所述的氨气质量流量计流量工作温度范围在-45℃~80℃。

所述的氨气质量流量计工作信号可以使数字信号也可以是模拟信号，模拟信号电流信号4~20ma，电压信号为0~5V。

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，实现与OBD的通讯协同，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。

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，称量系统，充氨量为14.7kg；采购市售的压力传感器，温度传感器和氨气质量流量计，采购内置PID控制程序的显示控制器，依据所采用的流量计的模拟参数为0~5V的电压，当氨气的流量为0L/min时对应的模拟参数为0V，当氨气的流量为20L/min时对应的模拟参数为5V，在显示控制器的板卡中编入a）b）c）三个流量累加的计算程序，以及与三个状态想对应的绿灯、黄灯和红灯显示表；完成上述单元之间的接线和连接；把防冻液加热导管连接同一个预设的防冻液加热循环液槽相连接，防冻液槽的温度控制在70~75℃，循环量控制在5L/min，完成氨气入口管连接，出口管直接插入含有5%磷酸的150L的水溶液的塑料槽中，作为吸收槽。

实施例2

采用实施例1所制备的储氨放氨控制计量系统，启动质量流量计和显示控制器，连续加热和放氨，氨气流量5SLP（即每分钟标准公升），放氨时间为0min时，显示控制器显示绿灯；当放氨时间为3326min后，绿灯转变为黄灯，此时，质量流量计的放氨累积量为12.64kg；控制精度在要求的范围内。

实施例3

继续采用实施例2所试验的储氨放氨控制计量系统，继续进行连续的加热和放氨，氨气流量5SLP。继续放氨时间为3719min时，显示控制器显示红灯；此时，质量流量计的放氨累积量为14.13kg；

在已经给出的有关发明中，对于压力传感器1，温度传感器2，固体储氨材料3，防冻液导管4，氨气出入口6和储氨罐7已经进行了描述；本发明的革新之处在于引入了氨气质量流量计5和显示控制器8的组合控制和计量方法；

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；

在本发明中采用了氨气质量流量计5，氨气质量流量计是属于一种特殊的热式质量流量控制器，它在直径较细的感应管中放置两对加热器，并将其控制在同一温度。当流体流动时，气体将上游的部分热量带给下游，而下游的加热器从上方获取热量温度上升。这时，利用上下加热器之间产生的温度差和流体的质量流量成比例的原理，来测定流量，通过电磁调节阀PID控制,可以实现瞬时流量和累积流量的记录，并与入口气体的压力大小无关；氨气质量流量计的流量累计原理是基于以下计算公式qm=KCpA△T，其中，Cp—定压比热容；A—测量管绕组（即加热系统）与周围环境热交换系统之间的热传导系数；K—仪表常数；△T是流量计中的毛细管旁路的温差，车辆在某个区域行驶，环境温度基本不变，因此，流经该毛细管的温差△T基本恒定，气体流量的换算也是基于气态方程PV=nRT来进行；试验表明，这种质量流量计的误差可以控制在0.2%，响应时间达到10ms~0.5s，响应的模拟参数为0~5V的电压，进行开闭2000万次内而无故障；在本发明中，储氨罐7中仅使用1个氨气质量流量计5既可满足要求，该流量计串联在输氨管路上，并同显示控制器8相连接，组成闭环控制回路；

本发明的4-显示控制器采用PID控制器，依据充氨总量W和输出氨量Wi的累计量差△Wi大小，程序设置具有三个控制状态：a）当累计量△W1=0~85%，为正常状态，此时，控制器的‘绿灯’点亮；b）当累计量△W2=86~95%，为临界/提醒状态，例如，剩余的氨气仅仅够行驶50~100km，提醒司机最好在下一个服务站需更换一个新的储氨罐，或对储氨罐再充氨，此时，控制器的‘黄灯’点亮；c）当累计量△W3=96~100%，为终止状态，例如，剩余的氨气无法保证车辆的再行驶，提醒司机必须立即更换一个新的储氨罐，或对储氨罐再充氨，此时，控制器的‘红灯’点亮。

Claims

1.一种基于质量流量计的固体储氨系统的剩余氨气量的检测方法，由压力传感器，温度传感器，固体储氨材料，防冻液导管，氨气质量流量计，氨气出入口，储氨罐，显示控制器所组成；其特征在于：储氨罐中设有1个氨气质量流量计，串联在输氨管路上，并同显示控制器相连接，实现氨气流量大小的自动调整计量；安装在储氨罐上的压力传感器和温度传感器以及氨气质量流量计和DCU相连，DCU和显示控制器同ECU相连，组成闭环显示和计量控制系统；其具体的检测方法如下：显示控制器采用PID控制器，依据充氨总量W和输出氨量Wi的累计量差减△W大小，设置三个剩余氨量水平的控制点，具有三个控制状态：a）当累计量△W1=0~85%，为正常状态，显示绿灯；b）当累计量△W2=86~95%，为临界/提醒状态，显示黄灯；c）当累计量△W3=96~100%，为终止状态，显示红灯；当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，判断压力传感器和温度传感器的值达到设定目标，DCU控制，氨气经氨气出入口和氨气质量流量计输出，根据DCU信号控制，实现氨气输出量的计量功能。

2.根据权利要求1所述，其特征在于所述的氨气质量流量计流量范围在0~50l/min，优选范围0~25l/min。

3.根据权利要求1所述，其特征在于所述的氨气质量流量计流量工作温度范围在-45℃~80℃。

4.根据权利要求1所述，其特征在于所述的氨气质量流量计工作信号可以使数字信号也可以是模拟信号，模拟信号电流信号4~20ma，电压信号为0~5V。