專利名稱：用于確定容器中的固體氨存儲(chǔ)材料的飽和度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為氨消耗過(guò)程中的氨的來(lái)源的固體氨存儲(chǔ)材料的應(yīng)用。通過(guò)加熱，利用與固體的受控制的熱脫附(thermaI desorpt ion ),使得可從可再充的固體存儲(chǔ)材料得到氨。具體而言，本發(fā)明涉及通過(guò)啟動(dòng)期間的過(guò)程來(lái)確定存儲(chǔ)材料的近似的飽和程度(saturation level)的方法。這實(shí)現(xiàn)了類似于液體容器的填充程度的功能。
背景技術(shù)：
氨是在許多應(yīng)用中廣泛使用的化學(xué)品。一種特定的應(yīng)用是作為選擇性催化還原(SCR)來(lái)自燃燒過(guò)程的廢氣中的NOx的還原劑。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，特別是在汽車工業(yè)應(yīng)用中，氨以加壓液體的形式存儲(chǔ)在容器中 太危險(xiǎn)。尿素安全的，但是對(duì)于移動(dòng)輸送氨來(lái)說(shuō)是間接并且不切實(shí)際的方法，因?yàn)樗笸ㄟ^(guò)涉及噴射、蒸發(fā)、熱分解和水解的過(guò)程((NH2)2CCHH2O — 2NH3+C02)來(lái)將尿素轉(zhuǎn)換成氨，這在低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載或寒冷天氣的駕駛條件下是難以實(shí)現(xiàn)的。涉及分子氨在固體中的吸附或吸收的存儲(chǔ)方法可以規(guī)避無(wú)水液氨(anhydrousliquid ammonia)的安全性隱患，并消除分解液體還原劑所存在的問(wèn)題。金屬氨絡(luò)物鹽(ammine salt)是氨吸收和脫附材料，這些材料可以用作氨的固體存儲(chǔ)介質(zhì)(參見(jiàn)，例如WO 2006/012903A2 )，而固體存儲(chǔ)介質(zhì)，如上文所提及的，又可以被用作選擇性催化還原中的還原劑來(lái)減少NOx排放量。對(duì)于用作汽車的NOx還原的氨源，對(duì)該功能的需求緊密地關(guān)系到排放立法和實(shí)際行車條件下的動(dòng)態(tài)操作。氨存儲(chǔ)和提供系統(tǒng)(下面縮寫為ASDS)必須能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后不久提供氨，以取得根據(jù)例如歐洲和US行駛工況(driving cycle)的車輛認(rèn)證(vehiclecertification)。WO 2008/077652A2公開(kāi)了通過(guò)使系統(tǒng)具有兩個(gè)主要功能來(lái)快速?gòu)墓腆w存儲(chǔ)材料獲得氨的方法和設(shè)備通過(guò)例如電能加熱的小的操作部件，以及被用作執(zhí)行小部件的機(jī)載再飽和的源的較大的氨存儲(chǔ)部件。該方法和設(shè)備可以具有至少兩種類型的配置-如果較小部件中的材料對(duì)于氨吸收比大部件中的材料具有更大的粘結(jié)強(qiáng)度，那么較小部件可以在操作之后被動(dòng)地從大容器中吸收氨一即使較大的部件沒(méi)有被加熱。-如果兩個(gè)容器中的材料相同，那么較大的容器配備有用于加熱的裝置，提供了從主容器達(dá)到合適的脫附壓力(desorption pressure)以再飽和較小部件的機(jī)會(huì)。優(yōu)化這樣的系統(tǒng)所要做的是能夠確定何時(shí)執(zhí)行較小存儲(chǔ)部件的再飽和一或更直接地，與容器中的液面?zhèn)鞲衅骶哂邢嗤愋偷墓δ艿姆椒?。弄?較小的)存儲(chǔ)部件要求(從較大的部件)再飽和的一種方式是它何時(shí)是空的。吸收氨的材料通常在溫度和脫附壓力之間具有明確的關(guān)系，以及如果在某一溫度無(wú)法形成所需的脫附壓力，那么存儲(chǔ)材料中的氨已耗盡一正如如果部件不包含任何水，則在汽鍋中不能產(chǎn)生蒸氣壓力一樣。WO 2009/156204A1公開(kāi)了一種類似于WO 2008/077652A2的系統(tǒng)，但是添加了通過(guò)使用存儲(chǔ)部件的壓力測(cè)量值和溫度來(lái)將小存儲(chǔ)部件確定為空的特征。然而，不清楚這樣的方法實(shí)際上是否令人滿意地起作用。因此，需要一種使裝載有能夠吸收和脫附氨的材料的容器中的氨的飽和度能被確定或估計(jì)的新方法。優(yōu)選地，此方法應(yīng)該不會(huì)在系統(tǒng)中引入新的成本高的設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于確定被用作氨消耗過(guò)程(例如，利用內(nèi)燃過(guò)程選擇性還原車輛中的NOx)的氨源的固體氨存儲(chǔ)部件中的飽和程度的方法。利用加熱存儲(chǔ)部件，通過(guò)熱脫附從存儲(chǔ)材料中獲得氨。可以在每一冷啟動(dòng)階段，例如當(dāng)在不使用某一時(shí)間段之后對(duì)存儲(chǔ)部件進(jìn)行加熱時(shí)的開(kāi)頭0. 1-10分鐘，確定飽和度S (S=O是空，而S=I或S=100%是滿)。確定S的方法涉及-建立部件的初始溫度Tinit的知識(shí)。此溫度可以簡(jiǎn)單地是在使用存儲(chǔ)部件的應(yīng)用(車輛)中的別處測(cè)量到的周圍環(huán)境的溫度，如果該部件處于不工作模式達(dá)某一時(shí)間段，例 如，30分鐘或更多。-開(kāi)始對(duì)部件加熱，并開(kāi)始記錄有效加熱時(shí)間的持續(xù)時(shí)間(例如，以加熱的秒數(shù)來(lái)度量)?？闪磉x地，如果加熱器在恒定電壓供電(諸如PTC加熱元件)時(shí)沒(méi)有恒定功率輸出，則可以通過(guò)累積的能量(例如，能量輸入Q的焦耳或瓦特小時(shí))來(lái)計(jì)算有效加熱時(shí)間。-作為加熱期間的時(shí)間的函數(shù)，測(cè)量(離散地或連續(xù)地)由固體存儲(chǔ)材料經(jīng)受溫度的上升所產(chǎn)生的脫附壓力。-記錄當(dāng)達(dá)到給定壓力目標(biāo)P
TARGET 時(shí)的時(shí)間 ^target (或者 Qtarget )。-使用tTAK；ET和Tinit的值來(lái)計(jì)算近似的飽和度S。一般描述已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在開(kāi)始加熱之后的啟動(dòng)瞬時(shí)條件下，溫度不是恒定的并且材料可能部分地飽和。結(jié)果，在背景技術(shù)部分中提到的W02009/156204A1中公開(kāi)的方法中，壓力的測(cè)量值以及來(lái)自存儲(chǔ)材料中的(或旁邊的)溫度傳感器的輸出值幾乎不能用于充分地確定飽和度。這樣的方法只允許確定部件何時(shí)是空的——而不能確定多長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)變空。這樣的方法的另一種困難是，小的存儲(chǔ)部件在重新生成之前的最后的周期將具有長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間(可能無(wú)法接受的長(zhǎng))，因?yàn)椴荒軐?shí)際評(píng)估啟動(dòng)部件何時(shí)在下一次冷啟動(dòng)中的啟動(dòng)中將不會(huì)表現(xiàn)得很好。最后，較小的存儲(chǔ)部件的滿的再飽和可能不能始終被獲取到，且已知的方法缺乏確定多少氨從主存儲(chǔ)部件輸送回到較小部件的能力。這可能進(jìn)一步增加到較小存儲(chǔ)部件的飽和度的不確定性。使用tTAKeET和Tinit的值來(lái)計(jì)算近似的飽和度S可以基于例如以預(yù)期的或試驗(yàn)性的映射數(shù)據(jù)或查詢表的形式來(lái)描述存儲(chǔ)部件的模型或算法?？梢詾榇鎯?chǔ)部件的原型，或者甚至具體地為所討論的單個(gè)部件，生成一組試驗(yàn)性的映射數(shù)據(jù)或查詢表。這種S的估計(jì)可被用于(但不僅限于)下列特征-如果S低于臨界水平，即，在可以預(yù)料在下一次冷啟動(dòng)時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)立法要求內(nèi)的適當(dāng)?shù)膯?dòng)時(shí)間的情況下，通過(guò)加熱一個(gè)或多個(gè)額外存儲(chǔ)部件來(lái)開(kāi)始對(duì)(部分地)耗盡的存儲(chǔ)部件的再飽和，以獲取適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)力，以便使用太低的S-值再飽和(部分地)耗盡的部件。-S的知識(shí)可被用于對(duì)于例如汽車工業(yè)的機(jī)載診斷(0BD)，其中，對(duì)于知道與由內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力的車輛的排氣控制系統(tǒng)有關(guān)的功能硬件的操作狀態(tài)有某些要求。
在存儲(chǔ)部件沒(méi)有達(dá)到完全再飽和的狀態(tài)的情況下，本發(fā)明特別有益，在實(shí)際應(yīng)用中在主存儲(chǔ)箱已經(jīng)被加熱以提供用于重新吸收氨的合適的壓力之后幾乎總是這樣的情況，因?yàn)樗试S確定再飽和事件之后的獲取的S-值，而不僅僅依賴于達(dá)到S=I的假設(shè)。一些實(shí)施例具有存儲(chǔ)部件的特定配置，其中，加熱元件被放置在存儲(chǔ)材料的內(nèi)部(或嵌入)，從而存儲(chǔ)材料變?yōu)榕c周圍環(huán)境的絕熱體。這還提供了改進(jìn)的降低操作過(guò)程中的功率消耗的機(jī)會(huì)，并改進(jìn)稍后的再飽和，因?yàn)椴考械闹匦挛諘?huì)釋放必須從部件散發(fā)的熱量。如果從外部進(jìn)行加熱，則再飽和慢得多，因?yàn)橥獠繉⒁蟾魺幔峭瑫r(shí)這對(duì)再飽和將具有負(fù)面效果。內(nèi)部加熱的一個(gè)特殊特征是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果加熱器在部件內(nèi)部，則tTARGET和S之間的聯(lián)系更明確，因?yàn)樗心芰枯斎朐跓崃繐p失到周圍環(huán)境之前都被散發(fā)到存儲(chǔ)材料中。如此，可以以更大的準(zhǔn)確性來(lái)執(zhí)行對(duì)S的估計(jì)。根據(jù)另一可選特征，S的知識(shí)對(duì)于非常長(zhǎng)的駕駛距離來(lái)說(shuō)很重要，從而在駕駛期 間，存在較小部件用完氨或交叉臨界水平飽和程度的風(fēng)險(xiǎn)。在啟動(dòng)期間估計(jì)了 S之后，算法可以另外包括-在啟動(dòng)周期之后的駕駛過(guò)程中(其中，測(cè)量了tTA■或Qta■，并估計(jì)了 S)，計(jì)算定量的氨的量，并從估計(jì)的S-值中減去所述量，以得到減小飽和度的實(shí)時(shí)參數(shù)。可以將在駕駛周期結(jié)束時(shí)的S的值與在下一個(gè)啟動(dòng)階段獲取的值進(jìn)行比較，即，S的實(shí)際值存儲(chǔ)在模型/算法/控制器中。-在延長(zhǎng)的駕駛周期的過(guò)程中，由于氨的定量(dosing)，S參數(shù)減小?？刂破骺梢源_定在操作期間是否達(dá)到S的臨界水平，以及另外的存儲(chǔ)部件要求通過(guò)加熱來(lái)激活。這防止了較小部件被脫氣到在下一次冷啟動(dòng)時(shí)可以獲得的合適的啟動(dòng)時(shí)間的級(jí)別之下的情況。該方法的其他特征以及在要求參數(shù)S的知識(shí)的類似的應(yīng)用中的使用在所公開(kāi)的方法中是固有的，或通過(guò)下列對(duì)各實(shí)施例的詳細(xì)描述以及其附圖，將變得顯而易見(jiàn)。


圖1(A+B)示出了本發(fā)明的實(shí)施例的示例。部分A和B是指兩個(gè)不同的飽和狀態(tài)滿飽和(A)和部分地飽和(B)。圖例A1、A2、B1和B2是指存儲(chǔ)材料中的某些位置。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的算法的示例。圖3示出了以Sr(NH3)8Cl2作為容器中的氨存儲(chǔ)材料來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明的能力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的示例。圖4示出了以Mn(NH3)6Cl2作為容器中的氨存儲(chǔ)材料來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明的能力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的示例。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明作出并分析的特定啟動(dòng)輪廓測(cè)量值的示例。圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的整個(gè)氨提供設(shè)備或系統(tǒng)的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式圖IA示出了其中可以應(yīng)用本發(fā)明的設(shè)備的示例。可以由例如鋼或鋁制成的存儲(chǔ)容器1，在存儲(chǔ)材料3內(nèi)部包含加熱元件2，且該容器具有可使氨在通過(guò)加熱的脫附過(guò)程中流出的出口管4，它還允許提供來(lái)自不同的源(例如，較大的存儲(chǔ)容器10 (圖6))的氨的壓力，以再飽和存儲(chǔ)材料。加熱器可以是具有電源5的電加熱器。利用連接到管4的壓力傳感器8 (圖6所示出的)來(lái)進(jìn)行壓力測(cè)量。圖IB示出了相同部件，但是這里在通過(guò)對(duì)部件加熱脫附了一些氨之后存儲(chǔ)材料被部分地脫氣(degassed)。脫氣部分6通常與熱源最靠近，而飽和材料3則遠(yuǎn)離熱源。線7示出了前沿(front)，材料在一側(cè)3完全飽和，而在另一側(cè)6部分地或完全脫氣。在現(xiàn)實(shí)中，這樣的明顯前沿不存在，但是可以作為整個(gè)容器的加權(quán)平均值來(lái)計(jì)算總體飽和度。例如，存儲(chǔ)容器I使氨可用于例如由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)14 (如圖6所示)驅(qū)動(dòng)的車輛的廢氣15 (如圖6所示)中的選擇性催化還原(SCR)催化劑16 (圖6中所包括的)中的NOx轉(zhuǎn)換。在引言中，提及了關(guān)聯(lián)到來(lái)自固體的脫附壓力的簡(jiǎn)單溫度測(cè)量 無(wú)法用于確定S，并且這從圖I顯而易見(jiàn)地看出。示出了固體中的兩個(gè)位置靠近加熱器的Al和BI，以及A2和B2遠(yuǎn)離熱源。可以看出，將溫度傳感器置于加熱器內(nèi)部，置于容器的壁上或作為示例在點(diǎn)A1/B1或A2/B2將不會(huì)提供將熱力學(xué)(吸收材料的溫度和壓力關(guān)系)與飽和度關(guān)聯(lián)的機(jī)會(huì)。在加熱過(guò)程中將始終有存在于容器中的斜率，以及某一溫度級(jí)別無(wú)法關(guān)聯(lián)到通過(guò)脫附來(lái)提供氨壓力的材料的明確的均勻溫度。本發(fā)明的假設(shè)是，氨從存儲(chǔ)部件中的漸進(jìn)的脫氣將增大從加熱器到部分地或完全飽和的材料的傳熱距離，并且這將引入從開(kāi)始加熱的時(shí)間到移動(dòng)溫度前沿達(dá)到飽和的材料的時(shí)間點(diǎn)的明確的延時(shí)。本發(fā)明的另一假設(shè)是，此時(shí)間延遲將與加熱開(kāi)始之前存儲(chǔ)部件的初始溫度具有唯一關(guān)系。兩個(gè)假設(shè)都必須滿足，以便使本發(fā)明在例如其中使用存儲(chǔ)部件來(lái)使氨可用于在車輛的冷啟動(dòng)之后不久通過(guò)SCR的NOx轉(zhuǎn)換的車輛的所有相關(guān)條件下起作用。如果初始溫度! 和飽和度S的幾乎所有的組合下的存儲(chǔ)部件具有用于達(dá)到某一希望的壓力級(jí)別Ptamet的所需的加熱時(shí)間tTAKeET的唯一值(或明確的間隔)，則可以作出與用于估計(jì)飽和度的可能的方法的關(guān)聯(lián)。這種壓力級(jí)別可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器8 (圖6)來(lái)測(cè)量，并且對(duì)于固體材料的這樣的應(yīng)用，這樣的傳感器將必須存在，因?yàn)樵诔跏碱A(yù)熱周期結(jié)束之后對(duì)部件的加熱必須受控制。圖2示出了在啟動(dòng)過(guò)程中可以應(yīng)用的算法結(jié)構(gòu)的示例。一旦在啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)Tinit和tTAffi；ET的值，那么可以基于使用存儲(chǔ)部件的設(shè)計(jì)知識(shí)(例如，加熱器功率、大小、存儲(chǔ)材料)的模型或算法和/或依賴于(例如，試驗(yàn)性的)映射數(shù)據(jù)或查詢表的計(jì)算來(lái)估計(jì)S。該算法可以另外使用導(dǎo)出的S-值的知識(shí)來(lái)評(píng)估該存儲(chǔ)部件是否要求從另一氨源一通常是能夠通過(guò)熱脫附從存儲(chǔ)材料3生成氨壓力的較大的存儲(chǔ)部件10—進(jìn)行再飽和。圖3示出了驗(yàn)證本發(fā)明的兩階段假設(shè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一個(gè)示例。準(zhǔn)備了類似于圖I的存儲(chǔ)部件。它是大小大約為300ml的不銹鋼容器I，其中包含例如通過(guò)230W電源5來(lái)供電的電熱元件2 (圖6)，并且包含SrCl26作為直接嵌入在加熱器2的周圍的氨吸收材料，在其完全飽和狀態(tài)下，它是Sr (NH3) 8C123的形式。該部件包含其飽和形式3的大約300g材料。數(shù)據(jù)示出了對(duì)于四種不同級(jí)別的S，作為Tinit的函數(shù)的達(dá)到Ptaket (3巴絕對(duì)壓力)的tTAffiET。Tinit是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器9 (圖6)來(lái)測(cè)量的。可以提供定量閥門12 (圖6)來(lái)調(diào)節(jié)例如車輛的排氣管線中的氨的量。在測(cè)量壓力上升的過(guò)程中，優(yōu)選地，不通過(guò)定量閥門12來(lái)調(diào)節(jié)氨的量，以確保壓力的變化只是加熱的結(jié)果而不是壓力上升的結(jié)果，對(duì)還原的妨礙是由定量所導(dǎo)致的壓力。
已經(jīng)多次重復(fù)了作為變化的S和Tinit的函數(shù)的TAKeET的二維試驗(yàn)性的映射，以便能夠在每一個(gè)測(cè)量值中作出置信間隔。令人驚訝的是，在不同的溫度級(jí)別和多個(gè)再飽和階段下的系統(tǒng)的瞬間操作導(dǎo)致如此窄的置信間隔，以至于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的預(yù)期概念。圖中標(biāo)記為SI、S2、S3和S4的多個(gè)點(diǎn)將在下面的描述中使用。圖4示出了驗(yàn)證本發(fā)明的兩階段假設(shè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的另一示例一但是使用不同的材料:Mn(NH3)6C12。發(fā)現(xiàn)非常明確的參數(shù)關(guān)聯(lián)和窄的標(biāo)準(zhǔn)偏差。盡管圖3和4代表驗(yàn)證本發(fā)明的功能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是它們還代表可以用于查詢表中的原始映射數(shù)據(jù)的示例。圖3和4給出輸入?yún)?shù)Tinit和tTAMET的二維空間中的S的映射值。進(jìn)一步使用映射數(shù)據(jù)的示例如下-創(chuàng)建作為Tinit和tTAK；ET的連續(xù)的表面樣條函數(shù)來(lái)描述S的函數(shù)，并對(duì)于Tinit和 tTAEGET的任何給定組合計(jì)算S-創(chuàng)建基于Tinit和tTAffi；ET的最近的實(shí)測(cè)點(diǎn)的S-值來(lái)計(jì)算S的插值函數(shù)。作為示例，圖4上的點(diǎn)SI通過(guò)在Tinit=40° C的兩個(gè)最近的實(shí)測(cè)點(diǎn)之間內(nèi)插，給出70%的近似的S_值。另一示例是圖4上的點(diǎn)S3，其中點(diǎn)Tinit=-25° C和tTAffiET=650秒周圍的框中的四個(gè)最近的點(diǎn)被用于內(nèi)插，以獲取S=50%的近似的級(jí)別-創(chuàng)建多項(xiàng)式近似法函數(shù)，這些函數(shù)可以基于參數(shù)Tinit和^■的任何組合來(lái)計(jì)算S0試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)替換或補(bǔ)充，該數(shù)學(xué)模型通過(guò)使用諸如部件的大小、存儲(chǔ)材料的熱容量和熱傳導(dǎo)性、加熱器的功率以及初始溫度來(lái)描述存儲(chǔ)部件的瞬時(shí)預(yù)熱動(dòng)態(tài)特性，以對(duì)于S和Tinit的不同組合，模擬tTAK；ET值。圖5示出了變化的Tinit和S下的啟動(dòng)階段的一些示例?？梢钥闯?，tTAKeET是S和Tinit的函數(shù)——如在圖3和4的大量的映射中所報(bào)告的。圖3和4包括基于在圖5上看到的這些類型的曲線的大量tTAKeET數(shù)據(jù)?？梢钥吹降氖荘軸上的不同的起始點(diǎn)。在非常低的Tinit，加熱之前的壓力靠近零巴，而在室溫下的Tinit靠近I巴。這實(shí)現(xiàn)另一可選特點(diǎn)當(dāng)開(kāi)始啟動(dòng)階段時(shí)，T—可以與存儲(chǔ)材料的P-T關(guān)系(例如，范特霍夫(van’t Hoff)類型)的知識(shí)一起使用。壓力是溫度(T)的函數(shù)，即P=f (T)，并且如果Pinit不靠近f (Tinit)，那么控制器或算法可以確定存儲(chǔ)部件在周圍環(huán)境的溫度級(jí)別(測(cè)量為Tinit)之上或以下且不接近熱平衡。如果車輛只停了例如10分鐘并且然后再次啟動(dòng)，則會(huì)發(fā)生這樣的事件。在這樣的情況下，預(yù)熱輪廓曲線(profile)將不會(huì)具有明確的參考點(diǎn)，因?yàn)樗戎車h(huán)境更熱并可能不會(huì)導(dǎo)致對(duì)S的可靠估計(jì)?？刂破骰蛩惴砂ㄟx擇丟棄在對(duì)于應(yīng)用的模型/映射/查詢表的異常條件下作出的對(duì)S的估計(jì)的邏輯結(jié)構(gòu)。圖2示出了在啟動(dòng)過(guò)程中可以應(yīng)用的算法結(jié)構(gòu)的示例。在第一框中，建立部件的初始溫度Tinit的知識(shí)。在第二框中，開(kāi)始對(duì)部件加熱，并開(kāi)始記錄有效加熱時(shí)間t的持續(xù)時(shí)間或累積的能量Q。在第三框，作為加熱期間的時(shí)間的函數(shù)，測(cè)量一離散地或連續(xù)地一由固體存儲(chǔ)材料經(jīng)受溫度的上升所產(chǎn)生的脫附壓力。在第四框，記錄當(dāng)部件達(dá)到給定壓力目標(biāo)Ptaeget時(shí)的時(shí)間tTAK；ET (或者可另選地QTAReET)。在第五框，使用tTAK；ET和Tinit的值來(lái)計(jì)算近似的飽和度S。計(jì)算可以使用描述存儲(chǔ)部件的模型或算法來(lái)執(zhí)行和/或通過(guò)為此類部件，或具體地為所考慮的單個(gè)部件生成的(試驗(yàn)性的或理論的)映射數(shù)據(jù)或查詢表來(lái)執(zhí)行。第六框示出了可選活動(dòng)如果S低于臨界要求級(jí)別，則通過(guò)加熱一個(gè)或多個(gè)額外部件來(lái)開(kāi)始對(duì)(部分地)耗盡的存儲(chǔ)部件的再飽和，以獲取適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)力，以便以非常低的S-值再飽和(部分地)耗盡的部件。優(yōu)選地，在開(kāi)始例如進(jìn)入車輛的排氣管線中的氨的定量之前的加熱時(shí)間間隔執(zhí)行這種方法。圖3示出了兩個(gè)點(diǎn)，SI和S2。作為一個(gè)示例，在部件的冷啟動(dòng)期間，Tinit是20° C，以及達(dá)到目標(biāo)壓力的時(shí)間大約是25秒。這導(dǎo)致與S=100%曲線交叉的映射點(diǎn)SI。假設(shè)當(dāng)Tinit高于20° C時(shí)部件始終必須能夠在200秒(tmx的假定值)內(nèi)的劑量，那么可以遵循S=100%曲線，并推導(dǎo)點(diǎn)S2處的tTAK；ET仍位于200秒限制之下。因此，將不會(huì)要求再飽和，除非在關(guān)閉來(lái)自部件的氨釋放之前完成延長(zhǎng)的脫氣。
圖4也示出了兩個(gè)點(diǎn)，被標(biāo)記為SI和S2。在部件的冷啟動(dòng)期間，1 是40° C，以及達(dá)到目標(biāo)壓力的時(shí)間大約是250秒。這位于S=80%和S=60%曲線之間的映射點(diǎn)SI，即S可以被插入到大約70%處(使用內(nèi)插限制了對(duì)大量的映射數(shù)據(jù)或大小查詢表的需求)。對(duì)于圖4的示例，我們假設(shè)當(dāng)Tinit在-0° C以上時(shí)(不同于圖3的另一種情況)部件始終必須能夠在300秒的tmx內(nèi)的劑量，那么可以遵循S=70%的虛線的內(nèi)插路徑，并得出該級(jí)別的S的tTAEGET值。可以看出，對(duì)于預(yù)期的tTAffi；ET值，S2將位于tmx=300秒以上，如此將要求再飽和?？梢韵胂笞鳛門init的函數(shù)的允許的啟動(dòng)時(shí)間(tmx)的不同要求組合，并且這些組合將作為示例由立法需求給出或由達(dá)到車輛中的SCR催化劑的適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟鹊臅r(shí)間給出。該最大允許的啟動(dòng)時(shí)間可以用臨界飽和值Scm來(lái)表達(dá)。通常，Scm不是零，但是它是當(dāng)開(kāi)始加熱時(shí)在冷啟動(dòng)中仍給出適當(dāng)?shù)亩糠秶δ芎蛦?dòng)性能的某一較低的飽和程度(例如，在5-95%的間隔中)。值Sran還可被定義為給出存儲(chǔ)部件的某一所希望的工作距離(或運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間)的值。分析圖3和4，可以看出為什么根據(jù)一開(kāi)始提及的W02009/156204A1可能在實(shí)際應(yīng)用中難以起作用。圖3和4示出了甚至小的啟動(dòng)部件也不能根據(jù)所需的時(shí)間-劑量執(zhí)行(當(dāng)它是空一或者甚至接近是空的時(shí))。對(duì)于一些部件在飽和度從100%飽和降到例如60%以及對(duì)于其他部件從100%降到例如20%的某一范圍內(nèi)操作是該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。但是當(dāng)部件被脫氣(S等于或非常接近0%)時(shí)，部件將具有無(wú)法接受的啟動(dòng)時(shí)間。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，算法或模型計(jì)算在啟動(dòng)階段之后的操作過(guò)程中所使用的氨的量，然后從在啟動(dòng)周期獲取的S-值中減去所述量。以圖3作為示例，如果算法或控制器計(jì)算出部件已經(jīng)排除了氨，對(duì)應(yīng)于S-值從100% (SI)降到40% (S3)，那么控制器可以估計(jì)對(duì)于Tinit = -20° C的tTAK；ET值會(huì)是點(diǎn)S4，即tTAK；ET高于200秒(tmx)且如果車輛在該時(shí)間點(diǎn)上停車會(huì)不滿足性能要求，以及將不會(huì)啟動(dòng)加熱額外存儲(chǔ)部件以再飽和操作部件。還可以預(yù)見(jiàn)，在啟動(dòng)階段車輛的行車條件可以被包括在計(jì)算中。作為示例，描述了存儲(chǔ)部件的映射數(shù)據(jù)和/或查詢表和/或數(shù)學(xué)模型考慮了由從存儲(chǔ)部件的外部的強(qiáng)制的熱對(duì)流所導(dǎo)致的向周圍環(huán)境添加的熱損失。這樣的校正項(xiàng)可包括(但不僅限于)對(duì)傳熱系數(shù)的估計(jì)，使用容器的表面積來(lái)估計(jì)將tTAK；ET值增大到超過(guò)如果部件被置于靜止空氣中所獲取的值的熱損失。本發(fā)明提高方法的可靠性的優(yōu)選實(shí)施例是，在容器中有存儲(chǔ)材料的相當(dāng)稠密的和內(nèi)聚的結(jié)構(gòu)，即傳熱特性和熱容量是脫氣并且飽和形式下的固體材料性質(zhì)的結(jié)果，而不是例如由高孔隙度的固體或粒狀材料中的氣相特性支配。優(yōu)選地，容器中的其飽和形式的存儲(chǔ)材料的平均密度應(yīng)該是其最高理論最大值的至少50%。Ptamet原則上可以具有任何值，但是優(yōu)選情況下它高于氨必須被定量的絕對(duì)壓力級(jí)并高于存儲(chǔ)材料在周圍環(huán)境的某一溫度級(jí)別(例如，在40° C測(cè)量的)的平衡壓力。作為示例，可以在從I. I巴到5巴的范圍選擇Ptamet，甚至可以在從I. 5巴到3. 5巴的范圍選擇更合適的值。Ptamet也可以在不同的間隔具有不同的值。作為示例，對(duì)于小于0° C的Tinit,Ptakcet可以不同于功能定量壓力的要求，因此甚至小于I巴(在開(kāi)始加熱時(shí)，平衡壓力可以顯著低于I巴，例如0. 02巴)。對(duì)于超過(guò)40° C的Tinit，將在查詢表或映射數(shù)據(jù)中要求較高的Ptaket，因?yàn)橐恍┐鎯?chǔ)材料(例如，SrCl2)的平衡壓力在開(kāi)始加熱之前可能已經(jīng)超出I巴。在某些實(shí)施例中，Ptaeget也可以被定義為壓差，從而tTAK；ET涉及在瞬時(shí)將壓力從一個(gè)級(jí)別提高到另一級(jí)別(例如從0. 8巴到I. 8巴)所需要的時(shí)間。這解決了存儲(chǔ)部件在各使用之間沒(méi)有完全地被熱平衡的情況，因此對(duì)好幾個(gè)小時(shí)還沒(méi)有操作的部件，對(duì)加熱具有稍微不同的響應(yīng)。 優(yōu)選情況下，存儲(chǔ)材料是被壓縮到材料的理論單晶密度的至少50%的金屬氨絡(luò)合物(ammine complex)。SrCl2, CaCl2, MnCl2以及MgCl2或其混合物是在它們的非飽和狀態(tài)下的所希望的氨存儲(chǔ)材料的示例。也可以使用諸如沸石或活性炭之類的其他材料。圖6示出了固體氨存儲(chǔ)系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。本發(fā)明(被實(shí)現(xiàn)為方法或設(shè)備)對(duì)于諸如用于通過(guò)SCR催化劑16來(lái)還原由內(nèi)燃機(jī)14提供動(dòng)力的車輛的廢氣15中的NOx這樣的固體氨存儲(chǔ)系統(tǒng)特別有益，其中所述存儲(chǔ)系統(tǒng)具有下列特征中的一個(gè)或多個(gè)-較小的存儲(chǔ)部件I(例如，50ml到3升，包含存儲(chǔ)在存儲(chǔ)材料3中的25g到I.5kg的NH3),通過(guò)電源5的電能2來(lái)加熱，或通過(guò)其他裝置來(lái)加熱。-一個(gè)或多個(gè)較大的固體存儲(chǔ)部件10，帶有用于通過(guò)電源5加熱2a的裝置(例如，500ml到20升，包含400g到20kg存儲(chǔ)在存儲(chǔ)材料3a中的NH3),能夠存儲(chǔ)用于所希望的服務(wù)操作間隔(例如，25000km)的足夠的氨。-流送管4，溫度傳感器9，監(jiān)測(cè)在預(yù)熱過(guò)程中的壓力以便確定較小部件中的S的至少一個(gè)壓力傳感器8，以及一旦結(jié)束了預(yù)熱周期并達(dá)到功能壓力，則控制氨的流量的定量閥門12。-根據(jù)本發(fā)明的帶有映射數(shù)據(jù)、查詢表、模型和/或算法的控制器13，其允許S的估計(jì)，以及依賴于S的值的知識(shí)的相關(guān)診斷特征，和/或使用S和Sran的值來(lái)確定必須通過(guò)不同的源來(lái)再飽和存儲(chǔ)部件的時(shí)間，例如通過(guò)加熱2 —個(gè)或多個(gè)較大的存儲(chǔ)部件10。-一個(gè)或多個(gè)較大的存儲(chǔ)部件10和小部件I之間的閥門11，以當(dāng)較大的部件10沒(méi)有被加熱因此具有較低的壓力時(shí)，避免氨從已加壓的部件I到較大的部件10的回流。閥門11可以是通過(guò)控制器來(lái)打開(kāi)的主動(dòng)閥門，但是它也可以是被動(dòng)式的閥門(止回閥或單向閥)。-帶有具有選擇性催化還原腔16的排氣管線15的發(fā)動(dòng)機(jī)(例如，柴油發(fā)動(dòng)機(jī))14，其中定量閥門12與排氣管線15流體連通，以便氨可以被定量加入到發(fā)動(dòng)機(jī)14的下游以及SCR腔16的上游的排氣管線15中，以便它在SCR腔16中流動(dòng)。概括地說(shuō)，通過(guò)本發(fā)明所獲得的是估計(jì)固體存儲(chǔ)盒的飽和度的方式，該固體存儲(chǔ)盒:-與已經(jīng)在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的東西(存儲(chǔ)容器、存儲(chǔ)材料、加熱器以及氨氣連接)相比，不要求任何新的硬件。溫度傳感器已經(jīng)(在所有普通應(yīng)用中)被放置在使用存儲(chǔ)容器的系統(tǒng)上的某處。此溫度傳感器不必集成在存儲(chǔ)部件中，這降低了存儲(chǔ)部件的成本。-在例如車輛的所有要求的環(huán)境條件下工作，通常降至低到-40°C。-不依賴于朝向(例如，與液面感應(yīng)系統(tǒng)不同)，并可包括用于考慮車輛周圍的空氣對(duì)流的裝置。-建立有關(guān)何時(shí)需要對(duì)額外較大的存儲(chǔ)部件加熱以再飽和較小容器的知識(shí)。這樣的加熱可以通過(guò)來(lái)自車輛的發(fā)電機(jī)的電能來(lái)進(jìn)行，以及如果獲取了這樣的加熱實(shí)例之間的 可能的最長(zhǎng)時(shí)間間隔而同時(shí)仍知道較小部件可以根據(jù)需求執(zhí)行，它對(duì)燃油效率有積極的影響。
權(quán)利要求
1.一種用于估計(jì)存儲(chǔ)部件(I)中的可逆固體氨存儲(chǔ)材料(3)的飽和度(S)的方法，所述存儲(chǔ)部件(I)配備有用于釋放氨的加熱器(2 )和在所述用于確定所述飽和度(S )的方法中用于氨流動(dòng)的連接管(4)，所述方法包括 a、在開(kāi)始任何加熱之前利用所述存儲(chǔ)部件(I)中的或周圍的傳感器(9)來(lái)測(cè)量初始溫度(Tinit); b、開(kāi)始加熱同時(shí)記錄加熱的有效時(shí)間(t)或由所述加熱器釋放的能量的量(Q); C、通過(guò)與所述存儲(chǔ)部件(I)流體連通的壓力傳感器(8)來(lái)測(cè)量由所述存儲(chǔ)部件(I)中的固體存儲(chǔ)材料所產(chǎn)生的脫附壓力； d、記錄當(dāng)壓力達(dá)到某一目標(biāo)壓力(Ptaket)時(shí)的時(shí)間(tTAK(;ET),或熱量(Qtakcet)； e、使用目標(biāo)_壓力時(shí)間(tTAReET)或目標(biāo)_壓力熱星(Qtarcet)以及初始溫度(Tinit)的值來(lái)計(jì)算近似的飽和度(S)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述存儲(chǔ)部件(I)是系統(tǒng)的一部分，其中，權(quán)利要求I所述的存儲(chǔ)部件(I)是鏈接到一個(gè)或多個(gè)額外部件的啟動(dòng)部件或操作部件，所述一個(gè)或多個(gè)額外部件構(gòu)成配備有加熱器(2a)的較大的存儲(chǔ)容器(10)，以提供用于再飽和權(quán)利要求I所述的存儲(chǔ)部件的氨壓力。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，計(jì)算在預(yù)熱周期之后的來(lái)自所述存儲(chǔ)部件(O的定量的氨的總量，以及從所述近似的飽和度(S)中減去所述總量，以得到所述飽和度的減小值的實(shí)時(shí)參數(shù)，其中在該預(yù)熱周期，測(cè)量目標(biāo)-壓力時(shí)間(tTAK;ET)或目標(biāo)-壓力熱量(Qtaeget )。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中，當(dāng)所述近似的飽和度(S)或飽和度的減小值的實(shí)時(shí)參數(shù)低于臨界要求飽和級(jí)別(Sran)時(shí)，通過(guò)加熱(2a)所述構(gòu)成較大的存儲(chǔ)容器(10)的至少一個(gè)額外部件來(lái)開(kāi)始對(duì)完全或部分耗盡的存儲(chǔ)部件(I)的再飽和，以再飽和所述完全或部分耗盡的存儲(chǔ)部件(I)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，臨界飽和度要求級(jí)別(Sran)是按照所述存儲(chǔ)部件(I)能夠以比車輛認(rèn)證要求的時(shí)間延遲短的時(shí)間延遲來(lái)提供氨的要求來(lái)定義的。
6.根據(jù)權(quán)利要求I到5中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，計(jì)算所述近似的飽和度(S)基于描述所述存儲(chǔ)部件(I)的模型或算法，或基于為存儲(chǔ)部件(I)的類型或具體地為所考慮的存儲(chǔ)部件(I)生成的映射數(shù)據(jù)或查詢表。
7.根據(jù)權(quán)利要求I到6中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述近似的飽和度(S)是通過(guò)將測(cè)量的初始溫度(Tinit)和記錄的目標(biāo)-壓力時(shí)間(tTAK；ET)或記錄的目標(biāo)-壓力熱量(Qtamet)映射到所述飽和度(S)的值的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，試驗(yàn)性的映射數(shù)據(jù)或查詢表包含所述初始溫度(Tinit)和所述目標(biāo)-壓力時(shí)間(tTAK；ET)或所述目標(biāo)-壓力熱量(Qtaket)的連續(xù)或離散的值。
9.根據(jù)權(quán)利要求I到8中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述能夠進(jìn)行可逆氨存儲(chǔ)的氨存儲(chǔ)材料(3)是沸石、活性炭或諸如Sr(NH3)8Cl2、Ca(NH3)8Cl2, Mn(NH3)6Cl2或Mg (NH3) 6C12之類的金屬氨絡(luò)合物或其混合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求I到9中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，用于從所述存儲(chǔ)部件(I)釋放氨的加熱器(2)被置于所述存儲(chǔ)部件(I)內(nèi)部或嵌入在所述存儲(chǔ)材料(3)中。
11.根據(jù)權(quán)利要求I到10中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，Ptaket的值是在從I.I巴到5巴的范圍內(nèi)選擇的。
12.根據(jù)權(quán)利要求I到11中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述目標(biāo)壓力(Ptaeget)不是絕對(duì)值，而是被定義為從一個(gè)壓力級(jí)到較高壓力級(jí)的變化。
13.根據(jù)權(quán)利要求I到12中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，在加熱之前的測(cè)量的壓力(Pinit)和基于所述初始溫度(Tinit)計(jì)算出的壓力之間的差被用作由于所述存儲(chǔ)部件(I)和所述周圍環(huán)境之間的熱平衡的異常或未知程度而丟棄所述近似的飽和度(S)的估計(jì)的根據(jù)。
14.一種用于車輛的控制器(13)，使用固體氨存儲(chǔ)材料(3)來(lái)通過(guò)選擇性催化還原(16)去除NOx，所述控制器被編程為執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求I到13中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法。
15.一種用于為氨消耗部件提供氨的設(shè)備，所述設(shè)備包括 -帶有能夠?qū)Π边M(jìn)行可逆吸收或吸附和脫附的氨存儲(chǔ)材料(3)的存儲(chǔ)部件(1)，所述部件配備有加熱器(2)以通過(guò)脫附來(lái)釋放氨； -確定所述存儲(chǔ)部件(I)中的壓力的壓力傳感器(8 ); -確定Tinit的溫度傳感器(9)； -被編程為執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求I到13中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法的控制器(13)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備包含配備有加熱器(2a)的一個(gè)或多個(gè)額外存儲(chǔ)部件(10)，以及所述加熱器被配置為，當(dāng)所述近似的飽和度(S)已經(jīng)達(dá)到下閾值時(shí)，提供氨壓力以部分地或完全再飽和所述存儲(chǔ)部件(I )。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于確定容器中的固體氨存儲(chǔ)材料的飽和度的方法。提供了一種用于估計(jì)存儲(chǔ)部件(1)中的可逆固體氨存儲(chǔ)材料(3)的飽和度(S)的方法。存儲(chǔ)部件(1)配備有釋放氨的加熱器(2)以及用于氨流動(dòng)的連接管(4)。在開(kāi)始任何加熱之前，利用存儲(chǔ)部件(1)中的或周圍的傳感器(9)來(lái)測(cè)量初始溫度(TINIT)。開(kāi)始加熱同時(shí)記錄加熱的有效時(shí)間(t)或由所述加熱器釋放的能量的量(Q)。通過(guò)與所述存儲(chǔ)部件(1)流體連通的壓力傳感器(8)來(lái)測(cè)量由所述存儲(chǔ)部件(1)中的固體存儲(chǔ)材料所產(chǎn)生的脫附壓力。記錄當(dāng)所述壓力達(dá)到某一目標(biāo)壓力(PTARGET)時(shí)的時(shí)間(tTARGET)，或熱量(QTARGET)。使用所述目標(biāo)-壓力時(shí)間(tTARGET)或目標(biāo)-壓力熱量(QTARGET)以及初始溫度(TINIT)的值來(lái)計(jì)算近似的飽和度(S)。
文檔編號(hào)F01N3/20GK102781835SQ201180011202
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2011年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月25日
發(fā)明者H·施密特, J·H·左森, J·約翰森, T·約翰內(nèi)森, U·J·奎德 申請(qǐng)人:氨合物股份公司