本發(fā)明涉及一種固體儲氨系統(tǒng)的剩余氨氣量的激光檢測方法，應(yīng)用于汽車尾氣的SCR后處理系統(tǒng)以及FCEV燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
當(dāng)前，全球面臨能源和環(huán)境的綜合挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)汽車的排放達(dá)標(biāo)的技術(shù)手段選擇方面，以及新能源汽車的燃料供給技術(shù)方面人們?nèi)匀幻媾R不少的難題。SCR后處理系統(tǒng)是依靠尿素還原劑的精確供給并在催化劑的前端分解成氨氣后來去除NOX危害物，達(dá)到凈化尾氣的目的，實現(xiàn)車輛的國4或以上的標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)標(biāo)，但是，在實際使用中，這種依靠尿素分解成氨氣的液體尿素的計量噴射存在許多的不足和難點，例如，尿素溶液在-11℃環(huán)境下結(jié)冰堵塞的問題，需要額外的管路加熱系統(tǒng)來解決；尿素溶液在135℃以上的溫度環(huán)境下才能分解，而公交系統(tǒng)的許多車輛走走停停，根本無法達(dá)到尿素溶液穩(wěn)定的分解溫度的，無法產(chǎn)出氨氣，無法消除預(yù)定的NOX成分，最后造成液體尿素在排氣管中的積累，生產(chǎn)三聚氰胺的聚合物，堵塞尿素噴嘴和發(fā)動機(jī)排氣管，致使車輛產(chǎn)生故障，影響正常的使用，此外，如果國4以上的主流車輛全面使用SCR系統(tǒng)，涉及到全國約15萬個加油站點重新建設(shè)液體尿素加注基礎(chǔ)設(shè)施的問題，由于投資巨大，目前，仍沒有看到政府和企業(yè)動手完善該基礎(chǔ)設(shè)施，成為SCR使用中的一個潛在的巨大問題；對于突破能源困境，解決未來能源問題的新能源汽車發(fā)展問題，氫燃料電池被公認(rèn)是一個極為重要的技術(shù)路線；但是，如何穩(wěn)定的獲得氫氣來源是個制約本領(lǐng)域發(fā)展的不小的難題，在所有可能被采用的氫氣來源方式中，有高壓氣瓶儲氫的技術(shù)路線、有電解水制氫的技術(shù)路線、有高純烴類石油燃料裂解制氫的技術(shù)路線、低分子醇類裂解制氫的技術(shù)路線以及其它H-N的含氫的前驅(qū)體分解或裂解制氫的技術(shù)路線，上述技術(shù)路線中，都存在若干問題和不足，例如，制氫效率和成本，制氫精度和速率，也包括系統(tǒng)方面的問題，總之，氫的來源是燃料電池車輛發(fā)展的瓶頸，需要人們想法進(jìn)行解決；氫的前驅(qū)體其中之一是H-N含氫的化合物，其中，儲氫密度最高的是氨氣。氨氣是一種最常見的化工原料，氨氣分子屬于活潑的極性分子，分子的直徑尺寸約為3~4A，因此，常溫下非常的活潑，極易擴(kuò)散，并具有毒害性；其毒害性體現(xiàn)在對接觸的皮膚組織都有腐蝕和刺激作用；氨氣在水中的的溶解度極高，所以主要對動物或人體的上呼吸道有刺激和腐蝕作用，此外，氨氣通常以氣體形式吸入人體，氨氣被吸入肺后容易通過肺泡進(jìn)入血液，破壞運氧功能，短期內(nèi)吸入大量氨氣后會出現(xiàn)流淚、咽痛、咳嗽、胸悶、呼吸困難、頭暈、嘔吐和乏力等；若長期吸入的氨氣過多，導(dǎo)致血液中氨濃度過高，就會引起心臟的停搏和呼吸停止，危及生命安全；因此，氨氣的使用的最大隱患是安全問題。由此可見，解決好氨氣的使用中儲存和安全問題，就可以開辟一條新的氨氣利用的技術(shù)路線。傳統(tǒng)的氨氣儲存方式是高壓氣瓶，或者是以高濃度氨氣溶于水形成氨水來實現(xiàn)。如果采用高壓氣瓶來儲存氨氣，大批量工業(yè)應(yīng)用中存在操作方面和密封方面的安全隱患，如果是以高濃氨水的方式，又存在嚴(yán)重的腐蝕問題。在工業(yè)上，利用金屬鹽與氨氣形成絡(luò)合物，通過氨氣的吸附解吸的可逆過程來應(yīng)用于食品保鮮制冷，首先金屬鹽和氨氣的吸附過程是放熱過程，然后氨氣解吸又吸收熱量，使環(huán)境制冷，因此，某些特定的金屬鹽對氨氣吸附解吸附是基本的物理化學(xué)常識。依據(jù)化學(xué)原理，絡(luò)合物又稱配位化合物，凡是由兩個或兩個以上含有孤對電子(或π鍵)的分子或離子作配位體，與具有空的價電子軌道的中心原子或離子結(jié)合而成的結(jié)構(gòu)單元稱絡(luò)合單元，帶有電荷的絡(luò)合單元稱絡(luò)離子，電中性的絡(luò)合單元或絡(luò)離子與相反電荷的離子組成的化合物都稱為絡(luò)合物，習(xí)慣上有時也把絡(luò)離子稱為絡(luò)合物，一些堿金屬或堿土金屬，可以和氨形成絡(luò)合物的分子結(jié)構(gòu)，例如，絡(luò)鹽[Ag(NH3)2]Cl和[Cu(NH3)4]SO4、絡(luò)酸H2[PtCl6]、絡(luò)堿[Cu(NH3)4](OH)2等；也指不帶電荷的絡(luò)合分子，例如，[Fe(SCN)3]、[Co(NH3)3Cl3]等。其中，[Cu（NH3）4]SO4硫酸四氨合銅是著名的銅氨絡(luò)合物，分子結(jié)構(gòu)的特征成分是，由一定數(shù)量的配體（NH3）陰離子或分子通過配位鍵結(jié)合于中心離子（Cu或中性原子）周圍而形成的跟原來組分性質(zhì)不同的分子或離子，這種絡(luò)合物是以配位鍵相結(jié)合。對于氨合氯化鈣[Ca(NH3)8Cl12]，鈣原子空的3d軌道容納氨的孤對電子形成配位鍵，其吸附/解吸附反應(yīng)式如下，CaCl2吸附NH3后與周圍顆粒緊密相連，形成近乎沒有孔隙的結(jié)塊，其余的NH3很難進(jìn)入到該區(qū)域，從而導(dǎo)致NH3吸附量大大減少，阻礙了氨合氯化鈣絡(luò)合物的形成；相比于松散的吸附劑粉末，利用機(jī)械直接壓制而成的吸附劑固體塊，氨氣傳輸孔道較少，吸附及解吸附效率低；除此之外，CaCl2吸附NH3后體積膨脹，固體塊容易粉化破碎，影響使用效果。為了提高儲氨活性物質(zhì)固體塊的孔隙，增加氨氣傳輸通道，減弱或避免反復(fù)吸附和解吸附過程中CaCl2發(fā)生的結(jié)塊以及固體塊的粉化破碎，滿足工業(yè)場合的多次循環(huán)使用要求，經(jīng)過我們的不斷試驗研究，提出一種含有碳纖維的多孔儲氨活性混合物及其制備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種固體儲氨系統(tǒng)的剩余氨氣量的激光檢測方法，其是在系統(tǒng)中預(yù)先放入一個激光測距系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)中的氨氣量變化時，即活性材料堆積體積隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，測量點距離活性材料界面的距離，依靠激光測距來準(zhǔn)確測量，測量信號反饋到控制單元，以此完成剩余氨量的測量；該方法具有思路巧妙，工藝簡單，易于控制，成本低廉，準(zhǔn)確可靠，易于維護(hù)等特點。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：一種固體儲氨系統(tǒng)的剩余氨氣量的激光檢測方法，由壓力傳感器，溫度傳感器，固體儲氨材料和儲罐，防凍液導(dǎo)管，氨氣計量閥，過濾器，控制顯示器，激光位移傳感器，激光發(fā)射器，激光接收器組成；在儲氨罐底部的固體儲氨材料中布置防凍液導(dǎo)管，儲氨罐頂部設(shè)有壓力傳感器和氨氣導(dǎo)出管，儲氨罐的罐體上設(shè)有溫度傳感器；氨氣導(dǎo)出管上設(shè)有過濾器和氨氣計量閥；其特征在于：在儲氨罐的罐頂部設(shè)有激光位移傳感器，激光位移傳感器安裝在固體儲氨材料的中上方，垂直于儲氨材料的水平界面；激光位移傳感器內(nèi)有激光發(fā)射器，激光接收器，激光位移傳感器和氨氣計量閥與控制顯示器信號連接，控制顯示器與ECU連接；激光位移傳感器的信號傳輸?shù)娇刂骑@示器，控制顯示器是集成了PID控制軟件的一個控制單元；依據(jù)完全充氨后的活性材料總高度H和逐步放氨后的某個階段的Hi的差值△Hi=H-Hi得大小換算來啟動報警階段，程序設(shè)置為三個控制狀態(tài)：（1）當(dāng)0≤△H1≤45%×H，為氨量正常狀態(tài)，顯示綠燈；（2）當(dāng)△H1≤△H2≤2%×H+△H1，為氨量提醒狀態(tài)，顯示黃燈；（3）當(dāng)△H2≤△H3≤1%×H+△H2，為氨量終止?fàn)顟B(tài)，顯示紅燈。本發(fā)明的積極效果是巧妙解決了固體儲氨材料系統(tǒng)在計量使用中的特定的問題，使系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性大大提高，滿足更為苛刻的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)要求，有利于汽車行業(yè)減排；具有很高的實用價值，適合于汽車行業(yè)的SCR后處理或未來的FCEV系統(tǒng)。附圖說明圖1為本發(fā)明的儲氨罐△Hi=0結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明的儲氨罐運行到△H1狀態(tài)的結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明的儲氨罐運行到△H2狀態(tài)的結(jié)構(gòu)圖。圖4為本發(fā)明的儲氨罐運行到△H3狀態(tài)的結(jié)構(gòu)圖。圖5為市售的激光位移傳感器結(jié)構(gòu)圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，實施例為進(jìn)一步闡明本發(fā)明的特點，不等同于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員依照本發(fā)明進(jìn)行的更改，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。一種固體儲氨系統(tǒng)的剩余氨氣量的激光檢測方法，由壓力傳感器1，溫度傳感器2，固體儲氨材料3，防凍液導(dǎo)管4，氨氣計量閥5，過濾器6，控制顯示器7，激光位移傳感器8，激光發(fā)射器9，激光接收器10組成；在儲氨罐底部的固體儲氨材料3中布置防凍液導(dǎo)管4，儲氨罐頂部設(shè)有壓力傳感器1和氨氣導(dǎo)出管，儲氨罐的罐體上設(shè)有溫度傳感器2；氨氣導(dǎo)出管上設(shè)有過濾器6和氨氣計量閥5；其特征在于：在儲氨罐的罐頂部設(shè)有激光位移傳感器8，激光位移傳感器8安裝在固體儲氨材料3的中上方，垂直于儲氨材料的水平界面；激光位移傳感器8內(nèi)有激光發(fā)射器9，激光接收器10，激光位移傳感器8和氨氣計量閥5與控制顯示器7信號連接，控制顯示器7與ECU連接；激光位移傳感器8的信號傳輸?shù)娇刂骑@示器7，控制顯示器7是集成了PID控制軟件的一個控制單元；依據(jù)完全充氨后的活性材料總高度H和逐步放氨后的某個階段的Hi的差值△Hi=H-Hi得大小換算來啟動報警階段，程序設(shè)置為三個控制狀態(tài)：（1）當(dāng)0≤△H1≤45%×H，為氨量正常狀態(tài)，顯示綠燈；（2）當(dāng)△H1≤△H2≤2%×H+△H1，為氨量提醒狀態(tài)，顯示黃燈；（3）當(dāng)△H2≤△H3≤1%×H+△H2，為氨量終止?fàn)顟B(tài)，顯示紅燈。試驗室內(nèi)，對于單個的固體儲氨罐系統(tǒng)，其充氨前后的質(zhì)量變化以及剩余氨量的判斷，可以采用精密的電子衡器進(jìn)行稱量和計算，以便采取對應(yīng)技術(shù)措施；然而，對于一個在車輛上安裝，并連續(xù)使用的固體儲氨罐系統(tǒng)，無法采用電子衡器稱量的方法來估算剩余氨氣量；對于國4所用的液體的SCR系統(tǒng)，要求滿足OBD（On-BoardDiagnostics，即車載自動診斷系統(tǒng)）要求，OBD從國4開始應(yīng)用于車輛的后處理系統(tǒng)的監(jiān)測，是將從發(fā)動機(jī)的運行狀況隨時監(jiān)控汽車是否尾氣超標(biāo)，液體尿素還原劑是否還有剩余，一旦尾氣超標(biāo)或者尿素還原劑液面較低，會馬上發(fā)出警示，提示補加或維修；液體的SCR同OBD的通訊以及匹配技術(shù)已經(jīng)完成開發(fā)多年，已經(jīng)有一套完整的對于液體尿素還原劑進(jìn)行溫度、液位、是否堵塞以及品質(zhì)特征是否復(fù)合要求等等進(jìn)行檢測和監(jiān)控的軟硬件，但是，對于固體活性材料儲氨系統(tǒng)，由于輸送的是氣態(tài)的氨氣，其特性完全不同于液體，因此，原來的OBD所適應(yīng)的液體尿素還原劑完全不適合氣體氨；是否能完成固體活性材料儲氨系統(tǒng)剩余氨量能被快速準(zhǔn)確的檢測，檢測信號并被OBD所識別，是一個關(guān)鍵技術(shù)問題；在工業(yè)氣體中，氨氣的檢測是個難題，一些電化學(xué)原理的氨氣傳感器，例如，市售的ME3-NH3或GTAXT-A等型號的氨氣傳感器，價格為600~3000元不等，其檢測范圍僅僅為0~100ppm，無法適用于固體活性材料儲氨系統(tǒng)的超高濃度的氨氣檢測；在本發(fā)明中采用了包括激光發(fā)射器9和激光接收器10而組成的激光位移傳感器8來測試固體儲氨材料水平界面，以距離（或位移，或稱為高度差）作為檢測和控制信號變量，輸入到控制顯示器7，再由控制顯示器7來顯示剩余氨量，并給出從綠燈—黃燈—紅燈變化過程以及指示報警，符合OBD檢測要求；激光位移傳感器8，也叫激光測距器，是一個成熟的應(yīng)用廣泛的工業(yè)產(chǎn)品，通常包括9光發(fā)射器和激光接收器10而組成，輸出0~5V的模擬量，位移測試精度達(dá)到0.5mm，位移量測試最大為100m，以車載電瓶為動力源，可以連續(xù)工作10000h，然后換算成的本發(fā)明采用的控制顯示器7是集成了PID控制軟件的一個控制單元；當(dāng)激光位移傳感器8的信號傳輸?shù)脚c之相連的7-控制顯示器，依據(jù)完全充氨后的活性材料總高度H和逐步放氨后的某個階段的Hi的差△Hi=H-Hi大小來啟動報警階段，△Hi是累計高度變化，也就是活性儲氨材料隨著釋放氨的過程進(jìn)行，固體儲氨材料3的體積逐漸縮小，且同儲氨量的多少完全對應(yīng)；反之，對于一個儲氨罐進(jìn)行充氨時，固體儲氨材料3的體積也同步的逐漸增大，例如，其體積從儲罐的中心線的位置持續(xù)膨脹，直到充滿儲罐；對于一個完成充氨的儲氨罐，例如，固體儲氨材料3的體積從中心線膨脹到滿罐，可以認(rèn)為是‘滿刻度’的狀態(tài)，此時固體儲氨材料3的高度幾乎等于罐體的內(nèi)壁高度，激光位移傳感器8測不出‘高度差’，即△H1=0，啟動車輛開始加熱系統(tǒng)，并開始釋放氨，此時△H1從0開始增大；隨著氨氣的慢慢釋放，本處的特指是在車輛行駛的狀態(tài)下，儲氨罐時刻經(jīng)受一定的振動，振動可以使儲氨材料的堆積‘更為密實’，材料的高度的變化就可以等同于儲氨量的變化，假設(shè)車輛行駛了15000km，激光位移傳感器8連續(xù)測定，并給出讀數(shù)，當(dāng)△H1的數(shù)值逐漸增大到某量值時，例如△H1≤45%×H，等于是所充的氨有2×45%=90%被釋放出去，達(dá)到了控制顯示器7設(shè)定的限值，控制顯示器7開始由綠燈轉(zhuǎn)變?yōu)辄S燈；當(dāng)△H2≤2%×H+△H1，是指在△H1的高度差上，又續(xù)行駛并消耗了2%×H的高度差，在此范圍內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)入黃燈狀態(tài)，提示司機(jī)注意，該儲氨系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入‘需要準(zhǔn)備更換’的時期，還有2×2%=4%的氨可供釋放，此‘黃燈’階段剩余的氨量可能僅僅夠行駛600~700km可續(xù)駛得里程，按照通常的50~100km一個4S店的設(shè)置，在此期間可以有大約不少于8次途經(jīng)服務(wù)站的機(jī)會，以便司機(jī)選擇并準(zhǔn)備更換儲氨罐；同樣，當(dāng)△H3≤1%×H+△H2，是指在△H2的高度差上，又續(xù)行駛并消耗了1%×H的高度差，在此范圍內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)入了紅燈狀態(tài)，提示司機(jī)注意，該儲氨系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入‘必須更換’的時期，還有2×1%=2%的氨可供釋放，考慮到固體材料的氨合物解析出來最后一個氨分子的難度較大，最后一個氨分子可能不被解析出來，因此，此‘紅燈’階段剩余的氨量可能僅僅夠行駛100~150km可續(xù)駛得里程，按照通常的50~100km一個4S店的設(shè)置，在此期間可以有大約不少于3次途經(jīng)服務(wù)站的機(jī)會，以便司機(jī)選擇并準(zhǔn)備更換儲氨罐；如果亮紅燈以后并記錄‘跛行’的距離超過100km，此信息將通過OBD被載入ECU，最為司機(jī)的‘違章’記錄；為此，按照以上對專利的分析描述，本專利采用激光測距檢測剩余氨量的方法的控制程序所設(shè)置三個控制狀態(tài)歸納如下：（1）當(dāng)0≤△H1≤45%×H，為氨量正常狀態(tài)，顯示綠燈；（2）當(dāng)△H1≤△H2≤2%×H+△H1，為氨量提醒狀態(tài)，顯示黃燈；（3）當(dāng)△H2≤△H3≤1%×H+△H2，為氨量終止?fàn)顟B(tài)，顯示紅燈；這三個控制狀態(tài)的設(shè)置，較好的滿足了OBD所要求的控制功能；上述△H的變量大小設(shè)置是基于該儲氨系統(tǒng)的容積體積大小以及活性材料解析氨的特性變化來確定；本發(fā)明中，△H1，△H2和△H3之合并不等于50%H，也是考慮到最后一個氨分子較難解析的原因，這是在發(fā)動機(jī)防凍液預(yù)熱的條件下的技術(shù)方案，如果采用發(fā)動機(jī)的排氣預(yù)熱，其溫度可以控制到150~200℃之間，或更高溫度，此時，最后一個氨分子將被解析出來，在此條件下，可以把△H1，△H2和△H3之合設(shè)為50%H。本發(fā)明是依據(jù)儲氨罐的總高度H來描述的思路，但是，如果僅僅以活性材料的總高度H，來描述的思路同樣適用于本發(fā)明；同樣，對于△H1，△H2和△H3的數(shù)值設(shè)置不同的比例關(guān)系仍然適用于本發(fā)明；實施例1制備有效體積為32L的不銹鋼儲罐，高度H=460mm，直徑為300mm，把15kg固體儲氨材料填充到儲罐中，完成充氨；采用市售的壓力傳感器1、溫度傳感器2、氨氣計量閥5、過濾器6和激光位移傳感器8，按照如圖1、2、3、4所示的結(jié)構(gòu)安裝在儲罐上，并完成控制顯示器同激光位移傳感器8以及ECU的連接，完成ECU、DCU同氨氣計量閥5和儲罐的連接；完成防凍液導(dǎo)管，氨氣出入口的連接，并完成充氨；再把系統(tǒng)同8.6L的發(fā)動機(jī)的老化試驗臺架相配合，其中，防凍液導(dǎo)管4連接在發(fā)動機(jī)冷卻回路上，以此提供熱源；在發(fā)動機(jī)額度轉(zhuǎn)速2100rpm，扭矩為1200Nm進(jìn)行可靠性試驗運轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)1h后，系統(tǒng)建立起來的氨氣壓力為560kpa，沒有啟動放氨閥門，此時讀取激光位移傳感器的探頭到活性材料的界面的距離，△H1=0mm，顯示控制器為綠燈；實施例2采用實施例1所制備的發(fā)動機(jī)以及儲氨系統(tǒng)，在發(fā)動機(jī)額度轉(zhuǎn)速2100rpm，扭矩為1200Nm繼續(xù)進(jìn)行可靠性試驗運轉(zhuǎn)，啟動放氨閥門，在試驗進(jìn)行133h后，系統(tǒng)建立起來的氨氣壓力仍為310kpa，此時讀取激光位移傳感器的探頭到活性材料的界面的距離，△H2=210mm，大于額定的45%H的207mm，顯示控制器為黃燈；實施例3采用實施例2運行后的發(fā)動機(jī)以及儲氨系統(tǒng)，在發(fā)動機(jī)額度轉(zhuǎn)速2100rpm，扭矩為1200Nm繼續(xù)可靠性試驗運轉(zhuǎn)，啟動放氨閥門，在試驗又進(jìn)行了3h后，系統(tǒng)建立起來的氨氣壓力仍為229kpa，此時讀取激光位移傳感器的探頭到活性材料的界面的距離，△H3=218mm，大于額定的47%H的216mm，顯示控制器為紅燈。