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.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103541798 A (43)申请公布日 2014.01.29 CN 103541798 A (21)申请号 201310523351.6 (22)申请日 2013.10.30 F01N 11/00(2006.01) H01M 8/04(2006.01) (71)申请人 中国第一汽车股份有限公司 地址 130011 吉林省长春市西新经济技术开 发区东风大街 2259 号 (72)发明人 张克金 崔龙 陈慧明 (74)专利代理机构 吉林长春新纪元专利代理有 限责任公司 22100 代理人 王薇 (54) 发明名称 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 。

2、(57) 摘要 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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 。

3、说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103541798 A CN 103541798 A 1/1 页 2 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。

4、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=085%， 为正常状态， 显示绿灯 ； b） 当累计量 W2=8695%， 为临界 / 提醒状态， 显示黄灯 ； c） 当累计量 W3=96100%， 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。

5、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050l/min， 优 选范围 025l/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 420ma， 电压信号为 05V。 权 利 要 求 书 CN 103541798 A 2 1/5 页 3 基于质量流量计的固体储氨。

6、系统的剩余氨气量的检测方法 技术领域 0001 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 0002 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。 0003 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。

7、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 S。

8、CR 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。

9、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 34A， 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。

10、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。 0004 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。 0005 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， 说 明 书 CN 103541798 A 3 2/5 页 4 如果是以高浓氨水的方式， 又存在严重的腐蚀问题。 0006 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， 。

11、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。 0007 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 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)2Cl 和 Cu(NH3)4SO4、 络酸。

12、 H2PtCl6、 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） 4SO4 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。

13、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。 0008 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 0009 本。

14、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。 0010 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。

15、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 说 明 书 CN 103541798 A 4 3/5 页 5 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=085%， 为正常状态， 显示绿灯 ； b） 当累 计。

16、量 W2=8695%， 为临界 / 提醒状态， 显示黄灯 ； c） 当累计量 W3=96100%， 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。 0011 所述的氨气质量流量计流量范围在 050l/min， 优选范围 025l/min。 0012 所述的氨气质量流量计流量工作温度范围在 -45 80。 0013 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。

17、拟信号电 流信号 420ma， 电压信号为 05V。 0014 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 0015 图 1 是本发明的结构示意图。 具体实施方式 0016 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。 。

18、0017 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05V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。

19、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 7075， 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。 0018 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。 0019 实施例 3 继续采用实施例 2 所。

20、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 说 明 书 CN 103541798 A 5 4/5 页 6 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。

21、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。

22、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 6003000 元不等， 其检测范围仅仅为 0100ppm， 无法适用于固体活性材。

23、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） 。

24、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 10ms0.5s， 响应的模拟参数 为 05V 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。

25、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=085%， 为正常状态， 此时， 控制 器的 绿灯 点亮 ； b） 当累计量 W2=8695%， 为临界 / 提醒状态， 例如， 剩余的氨气仅仅够 行驶 50100km， 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=96100%， 为终止状态， 例如， 剩余的氨气无 说 明 书 CN 103541798 A 6 5/5 页 7 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。 说 明 书 CN 103541798 A 7 1/1 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103541798 A 8 。