CN107355284B - 发动机余热加热方式的固体氨氨气自动补给系统 - 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氨气自动补给系统，其特征在于：发动机的排气端通过气管与SCR催化转化器进气端连接，SCR催化转化器出气端连接尾气排气管，尾气排气管管路上连接一个储氨材料主容器，储氨材料主容器内填充主容器内储氨材料，储氨材料补给容器的出氨口通过气管与储氨材料主容器进口端连接，储氨材料补给容器内部填充补给容器内储氨材料，发动机冷却液系统通过并联或串联的方式与储氨材料补给容器连接；通过使用一个较大的固体储氨材料补给容器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。
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氨气自动补给系统及其方法，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
本发明的目的是提供一种发动机余热加热方式的固体氨氨气自动补给系统及其方法，其能够及时的为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；通过使用一个较大的固体储氨材料补给容器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氨气自动补给系统，由储氨材料主容器、储氨材料补给容器、DCU还原剂计量控制单元、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、尾气三通控制阀、尾气排气管、发动机冷却系统组成，其特征在于：发动机的排气端通过气管与SCR催化转化器进气端连接，SCR催化转化器出气端连接尾气排气管，尾气排气管管路上连接一个储氨材料主容器，储氨材料主容器内填充主容器内储氨材料，储氨材料主容器与SCR催化转化器的管路上设置一个尾气三通控制阀，储氨材料补给容器的出氨口通过气管与储氨材料主容器进口端连接，单向阀设置在储氨材料补给容器的储氨口管路上，储氨材料补给容器内部填充补给容器内储氨材料，发动机冷却液系统通过并联或串联的方式与储氨材料补给容器连接；DCU还原剂计量控制单元通过气管并联在发动机到SCR催化转化器之间的管路上，储氨材料主容器的出口端通过气管与DCU还原剂计量控制单元连接。
发动机余热加热方式的固体氨氨气自动补给方法，其特征在于具体自动补给步骤如下：
使用发动机尾气对储氨材料主容器进行加热，主容器内储氨材料解吸释放氨气，加热温度控制在60℃~250℃；控制加热温度，使储氨材料主容器内的材料氨气迅速释放，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；DCU还原剂计量控制单元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。
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，储氨材料补给容器利用发动机冷却液对补给容器内储氨材料进行加热，加热温度50℃~150℃，冷却液流量为2~10升/min；储氨材料补给容器内的压力P2大于P1，储氨材料补给容器内压力P2控制在3bar~5bar；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，单向阀的开启压力P3≤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。
所述的储氨材料补给容器也可以通过尾气加热储氨材料补给容器，加热用尾气流量5%~30%，使用尾气加热的结构为尾气三通控制阀与储氨材料主容器之间的管路上分出一条支路与储氨材料补给容器连接，并开一个出气口单独连接一个尾气排气管。
所述的储氨材料补给容器的体积V2设计大于储氨材料主容器，两个容器的体积比V2:V1=3~8:1。
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。
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、氨合氯化锶其中的一种。
本发明的积极效果是其控制简单，采用发动机余热加热储氨材料，充分利用了发动机燃料产生的能量，提高了发动机的热效率，节省了燃油消耗，节约了能源。并且加热方案简便易行，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，系统可靠性高；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。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为本发明的储氨材料补给容器尾气加热结构图。
图3为本发明储氨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
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：如图1-2所示，发动机余热加热方式的固体氨氨气自动补给系统，由储氨材料主容器1、储氨材料补给容器2、DCU还原剂计量控制单元3、发动机4、SCR催化转化器5、主容器内储氨材料6、补给容器内储氨材料7、单向阀8、尾气三通控制阀9、尾气排气管10、发动机冷却系统11组成，其特征在于：发动机4的排气端通过气管与SCR催化转化器5进气端连接，SCR催化转化器5出气端连接尾气排气管10，尾气排气管10管路上连接一个储氨材料主容器1，储氨材料主容器1内填充主容器内储氨材料6，储氨材料主容器1与SCR催化转化器5的管路上设置一个尾气三通控制阀9，储氨材料补给容器2的出氨口通过气管与储氨材料主容器1进口端连接，单向阀8设置在储氨材料补给容器2的储氨口管路上，储氨材料补给容器2内部填充补给容器内储氨材料7，发动机冷却液系统11通过并联或串联的方式与储氨材料补给容器2连接；DCU还原剂计量控制单元3通过气管并联在发动机4到SCR催化转化器5之间的管路上，储氨材料主容器1的出口端通过气管与DCU还原剂计量控制单元3连接。
具体自动补给方法如下：
使用发动机尾气对储氨材料主容器1进行加热，主容器内储氨材料6解吸释放氨气，加热温度控制在60℃~250℃；控制加热温度，使储氨材料主容器1内的材料氨气迅速释放，储氨材料主容器1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；DCU还原剂计量控制单元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。
发动机冷却系统11通过并联或是串联的方式与储氨材料补给容器2连接，储氨材料补给容器2利用发动机冷却液对补给容器内储氨材料7进行加热，加热温度50℃~150℃，冷却液流量为2~10升/min；储氨材料补给容器2内的压力P2大于P1，储氨材料补给容器2内压力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P3，单向阀8的开启压力P3≤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。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。
所述的储氨材料补给容器2也可以通过尾气加热储氨材料补给容器2，加热用尾气流量5%~30%，使用尾气加热的结构为尾气三通控制阀9与储氨材料主容器1之间的管路上分出一条支路与储氨材料补给容器2连接，并开一个出气口单独连接一个尾气排气管10。
所述的储氨材料补给容器2的体积V2设计大于储氨材料主容器1，两个容器的体积比V2:V1=3~8:1。
所述的主容器内储氨材料6的氨气解吸释放温度T1高于补给容器内储氨材料7氨气解吸释放温度T2，T1>T2。
所述的主容器内储氨材料6和补给容器内储氨材料7为氨合氯化物，包括氨合氯化钙、氨合氯化镁、氨合氯化锶其中的一种。
实施例1
如图3所示，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，通过尾气三通阀9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，DCU还原剂计量控制单元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。
发动机冷却系统11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储氨材料补给容器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，通过尾气三通阀9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，DCU还原剂计量控制单元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，通过尾气三通阀9控制流经储氨材料补给容器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，控制尾气三通阀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储氨材料补给容器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。
Claims (4)
1.发动机余热加热方式的固体氨氨气自动补给系统，由储氨材料主容器、储氨材料补给容器、DCU还原剂计量控制单元、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、尾气三通控制阀、尾气排气管、发动机冷却系统组成，其特征在于：发动机的排气端通过气管与SCR催化转化器进气端连接，SCR催化转化器出气端连接尾气排气管，尾气排气管管路上连接一个储氨材料主容器，储氨材料主容器内填充主容器内储氨材料，储氨材料主容器与SCR催化转化器的管路上设置一个尾气三通控制阀，储氨材料补给容器的出氨口通过气管与储氨材料主容器进口端连接，单向阀设置在储氨材料补给容器的储氨口管路上，储氨材料补给容器内部填充补给容器内储氨材料，发动机冷却系统通过并联或串联的方式与储氨材料补给容器连接；DCU还原剂计量控制单元通过气管并联在发动机到SCR催化转化器之间的管路上，储氨材料主容器的出口端通过气管与DCU还原剂计量控制单元连接；具体自动补给步骤如下：使用发动机尾气对储氨材料主容器进行加热，主容器内储氨材料解吸释放氨气，加热温度控制在60℃~250℃；控制加热温度，使储氨材料主容器内的材料氨气迅速释放，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；DCU还原剂计量控制单元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；
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，储氨材料补给容器利用发动机冷却液对补给容器内储氨材料进行加热，加热温度50℃~150℃，冷却液流量为2~10升/min；储氨材料补给容器内的压力P2大于P1，储氨材料补给容器内压力P2控制在3bar~5bar；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，单向阀的开启压力P3≤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中所述的发动机余热加热方式的固体氨氨气自动补给系统，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。
3.根据权利要求1中所述的发动机余热加热方式的固体氨氨气自动补给系统，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。
4.根据权利要求1中所述的发动机余热加热方式的固体氨氨气自动补给系统，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、氨合氯化锶其中的一种。
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