CN107327332A - 基于固体储氨材料的sscr系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于固体储氨材料的SSCR系统，其特征在于：发动机SSCR控制单元和ECU发动机电子控制单元通过CAN线与发动机连接，发动机通过排气管路连接催化器尾气进口，催化器的尾气出口上布置有尾气加热控制阀;储氨材料主容器上布置一条主容器排气管路与尾气加热控制阀连接，储氨材料主容器上氨气输送管与发动机到催化器之间的排气管路连接，该管路上从储氨材料主容器方向起始，依次布置单向阀、氨气泵、管连接的储氨材料启动容器、调压阀、稳压装置、压力传感器、温度传感器、氨气计量阀；其SSCR系统构成简单，可靠性高，相比液体SCR系统取消了尿素泵、尿素喷嘴等高故障零部件。

Description

基于固体储氨材料的SSCR系统

技术领域

本发明涉及一种基于固体储氨材料的SSCR系统，属于汽车尾气排放控制技术领域，尤其是使用固体形式存储氨气的还原剂SCR后处理技术。

背景技术

我国的汽车保有量逐年增长，成为了世界第一的汽车市场。对于柴油发动机车辆而言，颗粒物（PM）和氮氧化物（NO_x）是其主要的污染物。目前处理NO_x的主要技术路线是选择性催化还原（SCR）技术，SCR技术拥有较为明显的燃油经济性优势，同时技术有很好的延续性，可以持续应用到国六阶段。

现在使用的尿素水溶液还原剂需要经过水解、热解之后产生有效的氨气，然后在催化剂的作用下将氮氧化物转化成氮气和水。尿素水溶液的水解会降低排气温度，同时水解、热解不完全的尿素水溶液容易产生结晶，沉积在排气管路或是尿素喷嘴部位，堵塞排气管路会造成发动机动力的损失，燃油经济性恶化，排放恶化。堵塞喷嘴会使SCR系统无法正常工作。同时尿素水溶液的冰点为-11℃，低温环境下SCR系统无法正常工作。整车的排放控制并未发挥有效的作用。

基于固体储氨材料为还原剂的SCR（简称SSCR）系统是目前的发展方向，为了解决尿素水溶液还原剂存在的问题，直接使用氨气时SCR的理想技术方案。因此开发能够存储和释放氨气的新型还原剂材料是技术热点，许多的汽车厂和研究机构开展了相关的工作。

CN 102817681 B介绍了一种柴油机固体SCR控制系统，该系统采用发动机冷却液加热固态氨存储器，在使用氨合氯化锶材料时无法使固态的氨气完全释放；若是使用氨基甲酸铵材料，分解之后产生的混合气体中有一氧化碳、水和氨气，在管路没有保温措施情况下，当温度低于其熔点之后会在管路中重新产生结晶。

US2012/0045379A1介绍了一种使用真空泵存储和输送氨气的方法，其目的是用于促进传材料中氨气的释放，而储氨材料氨气释放的主要动力来自于加热温度和材料吸收的热量。

CN102400742A介绍了一种车辆SCR系统及其还原剂供给装置，系统包括还原剂罐、尿素泵、尿素喷嘴，尿素管路等。用于在发动机运行结束后排气温度下降，而尿素在低温下会在尿素供给模块，尤其是管路中结晶或霜冻，从而导致系统失效，专利采用了能够将尿素供应模块清空的措施。

目前尿素水溶液还原剂SCR系统已经使用十年以上的时间，不变存在的问题是还原剂结晶，从而对整个系统造成不良影响，甚至时SCR系统失效。

基于固体储氨材料的SSCR时针对液体SCR系统开发的新技术，从还原剂这一问题根本点出发，直接计量氨气，并针对气体的计量控制开发整套的SSCR系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于固体储氨材料的SSCR系统，其SSCR系统构成简单，可靠性高，相比液体SCR系统取消了尿素泵、尿素喷嘴等高故障零部件；直接使用氨气对后处理系统无堵塞、结晶等问题；氨气的使用成本更低为用户带来更多实惠；固体储氨材料单位体积氨含量相比尿素水溶液还原剂高2倍以上，以氨合氯化锶（Sr(NH₃)₈Cl₂）计算，理论氨含量为46%，尿素水溶液为17.3%左右，40升尿素水溶液还原剂使用里程以油耗的5%~8%计算，重型柴油发动机油耗约35~40升/百公里，可以行使里程为1500~2000公里左右，需要经常补加，使用氨合氯化锶，同体积可以行驶5000公里左右，能够提供更长的车辆续航能力；使用氨合氯化镁、氨合氯化钙或是它们的混合物均能够达到此效果。氨气的液化温度为-33℃，因此固体氨能够在更低环境中使用。

本发明的技术方案是这样实现的：基于固体储氨材料的SSCR系统，由储氨材料主容器、储氨材料启动容器、固体储氨材料、单向阀、氨气泵、调压阀、稳压装置、压力传感器、温度传感器、氨气计量阀、发动机、催化器、尾气加热控制阀、氨气压力传感器、氨气温度传感器、SSCR控制单元、ECU发动机电子控制单元、排气管路、排气温度传感器、氮氧化物传感器、氨气浓度传感器、电加热器组成，其特征在于：发动机SSCR控制单元和ECU发动机电子控制单元通过CAN线与发动机连接，发动机通过排气管路连接催化器尾气进口，催化器的尾气出口上布置有尾气加热控制阀; 储氨材料主容器上布置一条主容器排气管路与尾气加热控制阀连接，储氨材料主容器上氨气输送管与发动机到催化器之间的排气管路连接，该管路上从储氨材料主容器方向起始，依次布置单向阀、氨气泵、管连接的储氨材料启动容器、调压阀、稳压装置、压力传感器、温度传感器、氨气计量阀；储氨材料启动容器和储氨材料主容器内填充固体储氨材料，储氨材料启动容器和储氨材料主容器上均布置有氨气压力传感器和氨气温度传感器，储氨材料启动容器的外壳上套有电加热器；催化器入口端安装有排气温度传感器，催化器出口端布置氮氧化物传感器和氨气浓度传感器；稳压装置的管路接口上布置有压力传感器和温度传感器。

所述的储氨材料为金属氨合氯化物，氨合氯化镁、氨合氯化钙或是氨合氯化锶，或是它们按一定比例形成的混合物。

所述的储氨材料主容器外壳上添加电加热器，同时去掉储氨材料主容器上的主容器排气管路可去掉，催化器尾气出口删除尾气加热控制阀。

本发明的积极效果是其利用氨气吸附和脱附释放氨气的可逆特性设计开发此SSCR系统和还原剂供给装置。本专利提供了可以直接使用氨气的选择性催化还原技术的可行方案。SSCR系统构成简单，可靠性高，相比液体SCR系统取消了尿素泵、尿素喷嘴等高故障零部件。直接使用氨气对后处理系统无堵塞、结晶等问题。氨气的使用成本更低为用户带来更多实惠。固体储氨材料单位体积氨含量相比尿素水溶液还原剂高2倍以上，以氨合氯化锶（Sr(NH₃)₈Cl₂）计算，理论氨含量为46%，尿素水溶液为17.3%左右，40升尿素水溶液还原剂使用里程以油耗的5%~8%计算，重型柴油发动机油耗约35~40升/百公里，可以行使里程为1500~2000公里左右，需要经常补加，使用氨合氯化锶，同体积可以行驶5000公里左右，能够提供更长的车辆续航能力。使用氨合氯化镁、氨合氯化钙或是它们的混合物均能够达到此效果。氨气的液化温度为-33℃，因此固体氨能够在更低环境中使用。

附图说明

图1为本发明的系统布置结构图。

图2为本发明的储氨材料主容器电加热结构图。

图3 为本发明的稳压装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：如图1-3所示，基于固体储氨材料的SSCR系统，由储氨材料主容器1、储氨材料启动容器2、固体储氨材料3、单向阀4、氨气泵5、调压阀6、稳压装置7、压力传感器8、温度传感器9、氨气计量阀10、发动机11、催化器12、尾气加热控制阀13、氨气压力传感器14、氨气温度传感器15、SSCR控制单元16、ECU发动机电子控制单元17、排气管路18、排气温度传感器19、氮氧化物传感器20、氨气浓度传感器21、电加热器22组成，其特征在于：发动机SSCR控制单元16和ECU发动机电子控制单元17通过CAN线与发动机11连接，发动机11通过排气管路18连接催化器12尾气进口，催化器12的尾气出口上布置有尾气加热控制阀13; 储氨材料主容器1上布置一条主容器排气管路23与尾气加热控制阀13连接，储氨材料主容器1上氨气输送管与发动机11到催化器12之间的排气管路18连接，该管路上从储氨材料主容器1方向起始，依次布置单向阀4、氨气泵5、管连接的储氨材料启动容器2、调压阀6、稳压装置7、压力传感器8、温度传感器9、氨气计量阀10；储氨材料启动容器2和储氨材料主容器1内填充固体储氨材料3，储氨材料启动容器2和储氨材料主容器1上均布置有氨气压力传感器14和氨气温度传感器15，储氨材料启动容器2的外壳上套有电加热器22；催化器12入口端安装有排气温度传感器19，催化器12出口端布置氮氧化物传感器20和氨气浓度传感器21；稳压装置7的管路接口7-1上布置有压力传感器8和温度传感器9。

所述的储氨材料3为金属氨合氯化物，氨合氯化镁、氨合氯化钙或是氨合氯化锶，或是它们按一定比例形成的混合物。

所述的储氨材料主容器1外壳上添加电加热器22，同时去掉储氨材料主容器1上的主容器排气管路23可去掉，催化器12尾气出口删除尾气加热控制阀13。

实施例1

SSCR系统的工作过程是，车辆启动后，发动机ECU17与SSCR控制单元16通过CAN通讯进行信息和指令传递，启动电加热器22对储氨材料启动容器2进行加热，同时发送指令控制尾气加热控制阀13，使经过催化器12净化后的尾气分流部分流入储氨材料主容器1进行加热，储氨材料3加热之后释放氨气。启动容器体积小，容器内的氨气压力升高快，在车辆启动之后能够尽快的满足车辆对还原剂的需求。当主容器内的氨气压力满足工作设定条件时，停止对启动容器加热，只使用主容器，同时使用主容器的氨气对启动容器进行补给。启动容器和主容器上安装有压力传感器14和温度传感器15，用于对容器内的氨气进行监测。氨气经单向阀4，氨气泵5输送，经调压阀6和稳压装置7输送到氨气计量阀10，计量管路中安装有氨气压力传感器8和温度传感器9用于计量参数的修正。根据发动机11的排放标定数据，定量喷射氨气进入排气管路18中，随着尾气的流动进入催化器12，实现对NO_x的催化净化。催化器入口端安装有排气温度传感器19，出口端安装有NO_x传感器和氨气传感器，用于检测排放水平是否满足法规要求。

启动容器2的体积为1L，有效的氨气含量为460克。电加热器22的功率为280W，加热容器内的储氨材料3释放的氨气，2分钟氨气压力达到2bar~3bar；控制尾气加热控制阀13，使经过催化器12净化后的尾气20~50%流入储氨材料主容器1进行加热，储氨材料3释放氨气，30分钟内容器内的压力达到3~5Bar，当主容器内的压力大于5Bar时，关闭尾气加热控制阀13停止加热，当主容器内氨气压力低于3Bar时启动尾气加热控制阀13进行加热。单向阀4的开启工作压力为1bar。

容器上的氨气温度传感器测温范围-45~300℃，分度值为1℃，安装在罐体外侧；压力传感器测量范围0~10bar；

氨气泵使用机械泵或是真空泵，工作压力1~10bar，氨气流量1L/min。

调压阀6，设定压力值为2bar，使输出的氨气压力稳定在2bar；为了进一步优化稳压效果，使用稳压装置7，稳压装置7为一体积为0.5~2升的容器，缓冲氨气的计量阀开闭时产生的压力波动。

氨气计量阀10，氨气计量阀采用PWM方式控制，频率为1~100Hz；电磁阀采用分段电压和电流控制，开启阶段使用高电压和高电流，工作时降低工作电压和工作电流，实现系统的度电量消耗的降低，避免产生更高的温升效应和节能。

氨气管路上的氨气压力传感器5压力测试范围为0~5Bar，温度传感器-35℃~50℃。

催化器入口端安装有排气温度传感器19，测量范围0~800℃，精度为1℃，根据排放控制策略在出口端也可以根据需要安装排气温度传感器。

催化器出口端安装有NO_x传感器，用于检测尾气中的NO_x浓度是否满足法规要求，测量范围0~3000ppm，催化器入口端也可以根据需要安装NO_x传感器。

催化器出口端安装有氨气传感器，用于监测尾气中氨气的含量满足法规要求，测量范围0~50ppm。

所使用的储氨材料3为金属氨合氯化物，氨合氯化镁、氨合氯化钙或是氨合氯化锶，或是它们按一定比例形成的混合物。

采用电加热方式的SSCR系统构成如图2所示。

Claims (3)

1.基于固体储氨材料的SSCR系统，由储氨材料主容器、储氨材料启动容器、固体储氨材料、单向阀、氨气泵、调压阀、稳压装置、压力传感器、温度传感器、氨气计量阀、发动机、催化器、尾气加热控制阀、氨气压力传感器、氨气温度传感器、SSCR控制单元、ECU发动机电子控制单元、排气管路、排气温度传感器、氮氧化物传感器、氨气浓度传感器、电加热器组成，其特征在于：发动机SSCR控制单元和ECU发动机电子控制单元通过CAN线与发动机连接，发动机通过排气管路连接催化器尾气进口，催化器的尾气出口上布置有尾气加热控制阀; 储氨材料主容器上布置一条主容器排气管路与尾气加热控制阀连接，储氨材料主容器上氨气输送管与发动机到催化器之间的排气管路连接，该管路上从储氨材料主容器方向起始，依次布置单向阀、氨气泵、管连接的储氨材料启动容器、调压阀、稳压装置、压力传感器、温度传感器、氨气计量阀；储氨材料启动容器和储氨材料主容器内填充固体储氨材料，储氨材料启动容器和储氨材料主容器上均布置有氨气压力传感器和氨气温度传感器，储氨材料启动容器的外壳上套有电加热器；催化器入口端安装有排气温度传感器，催化器出口端布置氮氧化物传感器和氨气浓度传感器；稳压装置的管路接口上布置有压力传感器和温度传感器。

2.根据权利要求1中所述的基于固体储氨材料的SSCR系统，其特征在于所述的储氨材料为金属氨合氯化物，氨合氯化镁、氨合氯化钙或是氨合氯化锶，或是它们按一定比例形成的混合物。

3.根据权利要求1中所述的基于固体储氨材料的SSCR系统，其特征在于所述的储氨材料主容器外壳上添加电加热器，同时去掉储氨材料主容器上的主容器排气管路可去掉，催化器尾气出口删除尾气加热控制阀。