CN107313840A - 发动机余热加热方式的固体氨系统的氨气自动补给方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发动机余热加热方式的固体氨系统的氨气自动补给方法，其特征在于：通过加热单元对储氨材料主容器和储氨材料补给容器进行加热，主容器内储氨材料达到解吸温度时，释放氨气；储氨材料主容器内的压力P1达到工作压力，还原剂计量控制单元DCU对氨气进行计量，根据发动机ECU传输的发动机运行参数（转速、油耗等）计量氨气的喷射量。氨气在SCR催化转化器前端喷入排气管内，氨气与发动机尾气充分混合，在催化剂的作用下，将NOx净化成无害的水和氮气；其利用储氨材料主容器内压力P1和储氨材料补给容器内压力P2之间形成的压力差原理，设计了便于实现的氨气自动补给的系统。解决了现有车载氨源续航能力地的问题，本发明思路巧妙，实施方便，可靠性高，经济型好。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机余热加热方式的固体氨系统的氨气自动补给方法，是使用基于固态形式可以吸附和解吸释放氨气的还原剂材料，应用于机动车尾气氮氧化物催化净化技术领域。
背景技术
采用选择性催化还原（SCR）技术处理机动车尾气中的NOx是目前柴油车的主流技术，采用可以对氨气进行吸附和解吸释放氨气的还原剂材料是对尿素水溶液还原剂的一次技术升级。利用金属氯化物与氨气形成配位化合物这一特性，氨气被固定下来，使用的金属氯化物主要为碱土金属氯化物，氯化锶、氯化钙、氯化镁，以及必须的辅助添加组分。形成的氨合化合物储氨材料作为车载还原剂氨源，在使用的时候通过加热实现氨气的解吸释放，氨气与金属氯化物的吸附和解吸是一个可逆的过程。
基于固体储氨材料开发设计的SSCR系统，在使用过程中利用发动机余热对储氨材料进行加热释放氨气，氨气通过计量喷射单元进入尾气，在催化剂的作用下实现NOx催化净化。
SSCR系统的工作过程如下，整车启动后对储氨材料进行加热，氨气释放达到系统工作压力时，根据发动机原始排放MAP的数据，通过喷射计量单元定量的将氨气喷射到排气管中，在催化转化器的作用下，NOx转化成无害的成分。
目前的柴油车辆在使用过程中用户追求更大的续航能力，因此主机厂已经将燃油箱容积提升到800L，目前的车载还原剂续航能力存在一定的局限性，无法满足大续航能力的需求，因此需要对车载氨源进行补给。
CN200880010377.8（用于将氨存储在存储材料中并从存储材料释放氨的系统以及用于存储和释放氨的方法）介绍了一种用于将氨存储在存储材料中并从存储材料释放氨的系统，该存储材料能够通过吸附或吸收而可逆地结合和释放氨，该系统用于氨需求可随时间而变化的渐进的氨需求过程。
CN200780043645.1（使用输送单元的原位再饱和存储和输送氨的方法和设备），介绍了存储和输送氨的方法和用于实施所述方法的设备，其中当所述第二吸附/吸收材料通过消耗而耗尽氨时，将储罐中的在给定的温度下具有比所述第二氨吸附/吸收材料高的蒸气压的第一氨吸附/吸收材料用作容器中的所述第二氨吸附/吸收材料的氨源。
CN201180011202.0（用于确定容器中的固体氨存储材料的饱和度的方法）介绍了一种用于确定容器中的固体氨存储材料的饱和度的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机余热加热方式的固体氨系统的氨气自动补给方法，利用容器之间存在的压力差实现氨气的自动补给；能够及时的为SSCR系统的储氨材料主容器消耗的氨气提供补给，保持系统的较好的工作性能；使用一个较大的固体储氨材料补给容器，该容器能够在整车空间适合的地方灵活布置，利用发动机余热加热，储氨材料加热解吸释放氨气后容器内建立一定的压力P2，压力P2大于SSCR系统储氨材料容器内的压力P1，当压力值P2＞P1时，补给容器内的氨气能够自动补给到储氨材料容器。
本发明的技术方案是这样实现的：发动机余热加热方式的固体氨系统的氨气自动补给方法，包括储氨材料主容器、储氨材料补给容器，还原剂计量控制单元DCU，发动机、SCR催化转化器、主容器内主容器内储氨材料，补给容器内储氨材料，单向阀，加热单元，尾气排气管；其特征在于：通过加热单元对储氨材料主容器和储氨材料补给容器进行加热，主容器内储氨材料达到解吸温度时，释放氨气；储氨材料主容器内的压力P1达到工作压力，还原剂计量控制单元DCU对氨气进行计量，根据发动机ECU 传输的发动机运行参数（转速、油耗等）计量氨气的喷射量。氨气在SCR催化转化器前端喷入排气管内，氨气与发动机尾气充分混合，在催化剂的作用下，将NOx净化成无害的水和氮气。
储氨材料补给容器可以采用发动机冷却液系统加热、也可以采用发动机尾气进行加热，还可以使用电加热方式。发动机冷却系统通过并联或是串联的方式与储氨材料补给容器连接，通过控制冷却液流经储氨材料补给容器的流量，对补给容器内补给容器内储氨材料进行加热；同样对于发动机尾气流量也需要控制流经储氨材料补给容器的流量。储氨材料补给容器与储氨材料主容器之间通过单向阀连通，通过储氨材料补给容器内的压力P2与储氨材料主容器内的压力P1之间形成的压力差，氨气从储氨材料补给容器向储氨材料主容器进行氨气的补充。
加热单元根据加热介质的不同控制的流量范围不同，加热的控制策略需要根据补给容器和储氨材料主容器内的压力信号进行反馈，当储氨材料容器内压力达到工作压力时，会控制加热流经容器的加热介质流量。补给容器内的氨气压力P2控制在3~5bar。储氨材料主容器工作压力为1.2~3bar。
主容器内储氨材料使用氨合氯化镁时，补给容器内储氨材料可以使用氨合氯化钙、氨合氯化锶；主容器内储氨材料使用氨合氯化锶时，补给容器内储氨材料可以使用氨合氯化钙；其材料选择的原则是容器内储氨材料的氨气释放温度T1高于补给容器内储氨材料氨气释放温度T2，即T1＞T2。或是具备上述特性的氨合氯化镁、氨合氯化钙、氨合氯化锶按一定比例形成的复合材料。
随着储氨材料主容器内氨气的消耗，在停止加热的过程中氨气会被储氨材料吸附，容器内的压力会下降，当完全吸附后会形成真空状态，真空度接近-0.1MPa，此时储氨材料主容器会与储氨材料补给容器,容器之间形成更大的压差驱动力，促使储氨材料补给容器中的氨气向储氨材料主容器中流动实现氨气的自动补给，当储氨材料补给容器中的氨气压力小于单向阀的开启压力，自动补给停止。
当车辆停止运行时，储氨材料主容器冷却速度大于储氨材料补给容器，造成两个容器内的压力差值进一步增大，P2>>P1，实现储氨材料补给容器中的氨气自动的向储氨材料主容器的补给。
本发明的积极效果是构思巧妙，控制简单，采用发动机余热加热（发动机尾气和发动机冷却液）或是车载电源电加热储氨材料容器进行加热，充分利用了发动机燃料产生的能量。加热方案简便易行，可靠性高。同时储氨材料补给容器灵活的空间布置，使整车的SSCR还原剂续驰能力得到大幅提升。利用压差原理，实现了氨气的自动补给，控制简化，尤其是利用车辆停止运行时，实现了持续的自动补给，节省了时间，提高了效率。SSCR系统在车辆运行时，需要对尾气中的氮氧化物催化净化，目前SCR系统的车载还原剂容积有限，为了提高车辆的续驰能力，需要增大还原剂容器的体积，同时还要满足整车空间布置的要求。本发明利用车辆上的热源对储氨材料进行加热，依据气体压力差实现氨气的自动补给，实现整车较长的续航能力。储氨材料主容器（1）为车辆原装的车载还原剂容器，为了满足长续航能力，车辆上可以根据空间灵活的布置储氨材料补给容器（2），容器（2）可以实现对容器（1）氨气的自动补给。
储氨材料基础原料主要为碱土金属氯化物，如氯化镁、氯化钙、氯化锶等材料。氯化物与氨气反应，在密闭容器内按照化学计量摩尔比，氯化物材料能够与氨气形成氨合氯化物。储氨材料氨气的吸收和释放是一个可逆过程。
储氨材料在温度达到解吸释放温度以上时能够实现氨气的快速释放，随着温度的升高，解吸速度加快，容器内的氨气压力达到工作压力时，大于1.2bar可以实现氨气的计量喷射。SSCR系统根据发动机的ECU传输的发动机相关信号和标定的排放MAP，对氨气进行计量，按需要进行喷射，在催化器的作用下实现氮氧化物的催化净化。
随着容器内储氨材料氨气的消耗，当容器内的氨气被储氨材料吸附之后容器内的压力会逐渐下降，形成一定真空。因此可以利用此真空度形成的负压，在两个容器之间形成的压差效应，实现氨气在两个容器之间的有效补给。
随着车辆的行驶，氨气在使用过程中会逐渐消耗，根据气体状态方程：PV=nRT，P为压力，V为容器体积，T为温度；
储氨材料容器体积V保持不变；
随着氨气的消耗，n在减小；
计量的时候需要监控压力和温度参数；
SSCR系统的固体还原剂材料的氨气在消耗之后会产生以下影响系统工作的问题：
系统氨气达到工作压力的时间延长，不利于车辆的启动阶段的排放控制；
系统储氨材料容器的续驰里程受到车型布置控制空间影响，存在一定的限制。
附图说明
图1为储氨材料容器氨气的自动补给方法示意图。
图2为容器内储氨材料氨气含量和真空度关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：如图1-2所示固体氨系统的氨气自动补给方法，包括储氨材料主容器1、储氨材料补给容器2，还原剂计量控制单元DCU3，发动机4、SCR催化转化器5、主容器内主容器内储氨材料6，补给容器内储氨材料7，单向阀8，加热单元9，尾气排气管10；其特征在于：通过加热单元对储氨材料主容器1和储氨材料补给容器2进行加热，主容器内储氨材料6达到解吸温度时，释放氨气；储氨材料主容器1内的压力P1达到工作压力，还原剂计量控制单元DCU3对氨气进行计量，根据发动机ECU 传输的发动机运行参数（转速、油耗等）计量氨气的喷射量。氨气在SCR催化转化器5前端喷入排气管内，氨气与发动机4尾气充分混合，在催化剂的作用下，将NOx净化成无害的水和氮气。
储氨材料补给容器2可以采用发动机冷却液系统加热、也可以采用发动机尾气进行加热，还可以使用电加热方式。发动机冷却系统通过并联或是串联的方式与储氨材料补给容器2连接，通过控制冷却液流经储氨材料补给容器2的流量，对补给容器内储氨材料7进行加热；同样对于发动机尾气流量也需要控制流经储氨材料补给容器2的流量。储氨材料补给容器2与储氨材料主容器1之间通过单向阀8连通，通过储氨材料补给容器2内的压力P2与储氨材料主容器1内的压力P1之间形成的压力差，氨气从储氨材料补给容器2向储氨材料主容器1进行氨气的补充，图1为示意图。
加热单元9根据加热介质的不同控制的流量范围不同，加热的控制策略需要根据补给容器容器2和储氨材料主容器1内的压力信号进行反馈，当储氨材料容器内压力达到工作压力时，会控制加热流经容器的加热介质流量。补给容器2内的氨气压力P2控制在3~5bar。储氨材料主容器1工作压力为1.2~3bar。
主容器内储氨材料6使用氨合氯化镁时，补给容器内储氨材料7可以使用氨合氯化钙、氨合氯化锶；储氨材料6使用氨合氯化锶时，补给容器内储氨材料7可以使用氨合氯化钙；其材料选择的原则是容器1内储氨材料的氨气释放温度T1高于补给容器内储氨材料氨气释放温度T2，即T1＞T2。或是具备上述特性的氨合氯化镁、氨合氯化钙、氨合氯化锶按一定比例形成的复合材料。
随着储氨材料主容器1内氨气的消耗，在停止加热的过程中氨气会被储氨材料吸附，容器内的压力会下降，当完全吸附后会形成真空状态，真空度接近-0.1MPa，此时储氨材料主容器1会与储氨材料补给容器2容器之间形成更大的压差驱动力，促使储氨材料补给容器2中的氨气向储氨材料主容器1中流动实现氨气的自动补给，当储氨材料补给容器2中的氨气压力小于单向阀的开启压力，自动补给停止。
当车辆停止运行时，储氨材料主容器1冷却速度大于储氨材料补给容器2，造成两个容器内的压力差值进一步增大，P2>>P1，实现储氨材料补给容器2中的氨气自动的向储氨材料主容器1的补给。
实施例1
使用发动机尾气对储氨材料主容器1进行加热，排气温度通常在150℃~350℃之间，通过加热单元9之一——尾气三通阀，控制尾气进入储氨材料容器中的尾气流量，加热主容器内储氨材料6解吸释放氨气；控制储氨材料主容器1内的压力P1达到工作压力1.2~3bar之间；当P1大于1.2bar时，还原剂计量控制单元DCU 3根据压力传感器检测到的容器内的氨气压力值，确认状态满足工作条件之后，根据发动机ECU 传输的发动机运行参数（转速、油耗等）计算满足排放处理NOx所需要的氨气量，对氨气进行计量喷射。氨气在SCR催化转化器5前端喷入排气管内，氨气与发动机4尾气充分混合，在催化剂的作用下，将NOx净化成无害的水和氮气。
加热单元9控制发动机冷却系统通过并联或是串联的方式与储氨材料补给容器2连接，利用发动机冷却液对补给容器内储氨材料7进行加热，控制冷却液流经储氨材料补给容器2的流量，流量控制在2~10升/min，加热温度50℃~90℃，储氨材料补给容器2内的压力P2控制在3bar~5bar，储氨材料补给容器2与储氨材料主容器1之间通过单向阀8连通，单向阀的开启压力设定为1bar。P1与P2之间存在一定的压力差，氨气从储氨材料补给容器2向储氨材料主容器1进行氨气的补充。储氨材料补给容器2的体积V2设计大于储氨材料主容器1，V2：V1=3~5:1；
储氨材料主容器1可以是一个容器，也可以包括一个用于车辆启动的小单元，启动的小单元体积为0.5~1.5L，氨气的补充同样使用补给容器2。
以1L的容器进行计算，当真空度为-0.08Bar时，通入氨气，氨气压力为3bar，持续时间1h，经测量容器内的储氨材料吸附氨气80~120g。
主容器内储氨材料6使用氨合氯化镁，补给容器内储氨材料7使用氨合氯化钙材料。
实施例2
使用发动机尾气对储氨材料主容器1进行加热，排气温度通常在150℃~350℃之间，通过加热单元9控制尾气三通阀，控制尾气进入储氨材料容器中的尾气流量，加热主容器内储氨材料6解吸释放氨气；控制储氨材料主容器1内的压力P1达到工作压力1.2~3bar之间；当P1大于1.2bar时，还原剂计量控制单元DCU3根据压力传感器检测到的容器内的氨气压力值，确认状态满足工作条件之后，根据发动机ECU 传输的发动机运行参数（转速、油耗等）计算满足排放处理NOx所需要的氨气量，对氨气进行计量喷射。氨气在SCR催化转化器5前端喷入排气管内，氨气与发动机4尾气充分混合，在催化剂的作用下，将NOx净化成无害的水和氮气。
储氨材料补给容器2也使用发动机尾气进行加热，通过加热单元9——尾气三通阀，控制流经容器2的尾气流量，流量控制在尾气的5%~20%，加热温度80℃~150℃，储氨材料补给容器2内的压力P2控制在3bar~5bar，储氨材料补给容器2与储氨材料主容器1之间通过单向阀8连通，单向阀的开启压力设定为1bar。P1与P2之间存在一定的压力差，氨气从储氨材料补给容器2向储氨材料主容器1进行氨气的补充。储氨材料补给容器2的体积V2设计大于储氨材料主容器1，V2：V1=3~8:1；当系统工作正常时，控制加热单元9，使发动机尾气不经过储氨材料容器直接排出。
储氨材料主容器1可以是一个容器，也可以包括一个用于车辆启动的小单元，启动的小单元体积为0.5~1.5L，氨气的补充同样使用补给容器2。以1L的容器进行计算，当真空度为-0.09Bar时，通入氨气，氨气压力为1.5bar，持续时间1h，经测量容器内的储氨材料吸附氨气50~80g。
主容器内主容器内储氨材料6使用氨合氯化锶，补给容器内储氨材料7使用氨合氯化钙材料。
实施例3
如图1-2所示，储氨材料主容器加热单元9使用车载电源电加热器对储氨材料主容器1进行加热，当加热温度高于50℃以上时，储氨材料主容器1内的材料受热之后开始解吸释放氨气；加热功率根据容器大小选择，功率在200W~1000之间，控制加热温度在200℃以内，使储氨材料主容器1内的主容器内储氨材料6氨气迅速释放，容器内的压力P1达到控制的工作压力1.2~3bar之间；当P1大于1.2bar时，还原剂计量控制单元DCU3根据压力传感器检测到的容器内的氨气压力值，确认状态满足工作条件之后，根据发动机ECU 传输的发动机运行参数（转速、油耗等）计算满足排放处理NOx所需要的氨气量，对氨气进行计量喷射。氨气在SCR催化转化器5前端喷入排气管内，氨气与发动机4尾气充分混合，在催化剂的作用下，将NOx净化成无害的水和氮气。加热器材料为金属加热丝、陶瓷加热材料或是电热膜。采用外部加热包覆在容器外部，或是柱状，加热丝状加热器放入容器内部，确保容器无氨气泄漏。
随着储氨材料主容器1内氨气的消耗，在停止加热的过程中氨气会再次被储氨材料吸附，容器内的压力会下降，当完全吸附后会形成真空状态，真空度接近-0.1MPa，此时储氨材料主容器1会与储氨材料补给容器2容器之间形成更大的压差驱动力，促使储氨材料补给容器2中的氨气向储氨材料主容器1中流动实现氨气的自动补给，当储氨材料补给容器2中的氨气压力小于单向阀的开启压力，自动补给停止。
采用车载电源为储氨材料补给容器2加热，加热功率200~500W，容器内的压力P2控制在3bar~5bar，储氨材料补给容器2与储氨材料主容器1之间通过单向阀8连通，单向阀的开启压力设定为0.5~1.5bar。P1与P2之间存在一定的压力差，氨气从储氨材料补给容器2向储氨材料主容器1进行氨气的补充。储氨材料补给容器2的体积V2设计大于储氨材料主容器1，V2:V1=5:1；
当车辆停止运行时，储氨材料主容器1冷却速度大于储氨材料补给容器2，造成两个容器内的压力差值进一步增大，P2>>P1，实现储氨材料补给容器2中的氨气自动的向储氨材料主容器1的补给。
储氨材料主容器1可以是一个容器，也可以包括一个用于车辆启动的小单元，启动的小单元体积为0.5~1.5L，氨气的补充同样使用补给容器2。以1L的容器进行计算，当真空度为-0.09Bar时，通入氨气，氨气压力为1.5bar，持续时间1h，经测量容器内的储氨材料吸附氨气50~80g。
为了进一步提升氨气自动补给的效率，主容器内储氨材料6使用氨合氯化锶材料，补给容器内储氨材料7使用氨合氯化钙材料；或是主容器内储氨材料6使用氨合氯化镁材料，补给容器内储氨材料7使用氨合氯化锶材料。或是使用氨合氯化镁、氨合氯化钙、氨合氯化锶材料的混合物形成的复合材料。
Claims (8)
1.发动机余热加热方式的固体氨系统的氨气自动补给方法，包括储氨材料主容器、储氨材料补给容器，还原剂计量控制单元DCU，发动机、SCR催化转化器、主容器内储氨材料，补给容器内储氨材料，单向阀，加热单元，尾气排气管；其特征在于：通过加热单元对储氨材料主容器和储氨材料补给容器进行加热，主容器内储氨材料达到解吸温度时，释放氨气；储氨材料主容器内的压力P1达到工作压力，还原剂计量控制单元DCU对氨气进行计量，根据发动机ECU 传输的发动机运行参数（转速、油耗等）计量氨气的喷射量；氨气在SCR催化转化器前端喷入排气管内，氨气与发动机尾气充分混合，在催化剂的作用下，将NOx净化成无害的水和氮气；加热单元对储氨材料补给容器加热，补给容器内储氨材料进行加热，储氨材料补给容器内的压力P2大于P1，储氨材料补给容器与储氨材料主容器之间通过单向阀连通，单向阀的开启压力设定为P3；P1与P2之间存在一定的压力差，氨气从储氨材料补给容器向储氨材料主容器进行氨气的补充；当车辆停止运行时，采用尾气或是电加热的热源会立即停止，采用冷却液加热的热源会在容器内留存，维持；储氨材料主容器冷却速度大于储氨材料补给容器，造成两个容器内的压力差值进一步增大，P2>>P1，实现储氨材料补给容器中的氨气自动的向储氨材料主容器的补给。
2.根据权利要求1所述的发动机余热加热方式的固体氨系统的氨气自动补给方法，其特征在于所述储氨材料主容器内压力P1控制在1.2~3bar之间，当P1大于1.2bar时，即可满足工作压力最低需求；储氨材料补给容器内压力P2控制在3bar~5bar，满足P2＞P1设计需求；单向阀的开启压力P3≤1Bar。
3.根据权利要求1所述的固体氨系统的氨气自动补给方法，其特征在于所述加热单元使用发动机尾气、发动机冷却液或是车载电源作为加热源。
4.根据权利要求1所述的发动机余热加热方式的固体氨系统的氨气自动补给方法，其特征在于所述的储氨材料主容器发动机尾气加热，加热温度控制在60℃~250℃；储氨材料补给容器采用发动机冷却液或是发动机尾气加热，加热温度50℃~150℃；加热用尾气流量5%~30%；电加热的功率200~1000W之间。
5.根据权利要求1所述的发动机余热加热方式的固体氨系统的氨气自动补给方法，其特征在于所述的储氨材料补给容器采用冷却液加热，冷却液流量2~10升/min。
6.根据权利要求1 所述的发动机余热加热方式的固体氨系统的氨气自动补给方法，其特征在于所述的储氨材料补给容器的体积V2大于储氨材料主容器的体积V1，两个容器的体积比V2:V1=3~8:1。
7.根据权利要求1所述的发动机余热加热方式的固体氨系统的氨气自动补给方法，其特征在于所述的主容器内储氨材料的氨气解吸释放温度T1高于补给容器内储氨材料氨气解吸释放温度T2，T1>T2。
8.根据权利要求1所述的发动机余热加热方式的固体氨系统的氨气自动补给方法，其特征在于所述的主容器内储氨材料和补给容器内储氨材料为氨合氯化物包括氨合氯化钙、氨合氯化镁、氨合氯化锶或是上述材料的复合材料。
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