用于在波动的供给压力下以受控方式配量气体的方法和装置

摘要

本发明提供一种用于在波动的供给压力（P

说明书

技术领域

本发明涉及用于在波动的供给压力下以受控方式配量气体的方法 和装置。例如，固体氨气存储材料可用作氨气消耗过程中的氨气源。 例如可通过借助于加热而从固体以受控方式进行热脱附，使氨气可从 固体存储材料获得。特别地，本发明涉及用于在通过从固体氨气存储 材料脱附形成的相对低的波动表压下，以受控方式配量氨气的方法和 装置。所述方法也可用于其中期望以受控方式配量气体的其它系统或 构思，所述气体在波动压力下（或者在供给侧或者在配量点）由气体 源通过热脱附产生。

背景技术

氨气是很多应用中广泛使用的化学品。一种特殊的应用是作为用 于来自燃烧过程的废气中的NO_x选择性催化还原（SCR）的还原剂。

对于大多数应用，并且特别地，在机动车应用中，氨以加压液体 的形式存储在容器中太危险。对于氨的机动化运输，尿素是安全但是 不直接且不实际的方法，因为尿素需要通过复杂的过程转变为氨，所 述复杂过程涉及喷雾、蒸发、热解和水解((NH₂)₂CO+H₂O->2NH₃+ CO₂)，这在低发动机负荷的驾驶条件或冷天气下很难实现。

涉及分子氨吸附或者说吸收在固体中的存储方法可避免加压液体 氨的安全性危险，并且消除液体还原剂转变的问题。

金属氨络物盐是氨气吸附和脱附材料的实例，其可用作用于氨气 的固体存储介质（参见例如WO2006/012903A2），氨气又如上面提到 的，可用作用来降低NO_x排放的选择性催化还原中的还原剂。

当气体例如氨气通过热脱附从被加热的存储单元产生时，为提高 安全性，有利的是，存储材料的操作压力没有高出大气压力水平太高， 例如1.5-3巴（绝对压力）。但是，根据用于气体喷射阀的低表压方面， 这是最具挑战性的操作范围，并且还发现，压力发生显著的波动，这 是由于系统的不同的时间尺度：根据需求信号的快速的配量（时间尺 度为秒）和受加热影响的压力的缓慢的响应时间（分）。

因此需要用于从固体氨气存储系统以受控方式配量氨气的新的方 法和装置。特别对于机动车应用，新的方法和装置应优选不引入新的 昂贵的设备，而是使用现有的设备类型，但是嵌入新构造中，而且具 有新的控制策略。

发明内容

本发明涉及一种用于在气体的波动供给压力下以受控方式配量所 述气体的方法，所述气体通过从固体存储材料脱附产生，所述方法通 过使用一种设备进行，所述设备包括：

控制体积，其具有已知的体积；

供给阀，其控制气体源和所述控制体积之间的流体连通；

配量阀，其控制所述控制体积和气体所配量到的过程之间的流体 连通；

压力传感器和温度传感器，其测量所述控制体积中的气体的压力 和温度；

所述方法包括：

a.在所述供给阀关闭的同时通过所述配量阀配量气体，并且记录 控制体积压力的下降；

b.通过关闭所述配量阀和打开所述供给阀升高所述控制体积压 力；和

c.根据阀关闭周期中的控制体积压力和控制体积温度中的变化 的至少一个和所述控制体积的已知体积，计算配量气体量；

d.比较所述配量气体量和目标配量的量或设置点，以调整或调节 随后的配量周期或配量事件。

根据另一方面，提供一种用于机动车的控制器，所述机动车使用 固体氨气存储材料，用来通过选择性催化还原去除NOx。所述控制器 被编程来执行上面所述的方法。

根据另一方面，提供一种用来将受控气体流送到一个过程的装置。 所述装置包括：

一个或多个存储单元，其包含能够可逆地吸附或者说吸收和脱附 气体的固体存储材料，所述单元配备有加热装置，以通过脱附释放所 述气体，或所述单元连接到真空泵，所述真空泵由于减小的气相压力 而通过脱附释放所述气体；

控制体积，其具有压力传感器和温度传感器，用于确定所述控制 体积中的所述气体的压力和温度；

在所述控制体积每一侧的阀，其为供给阀和配量阀，用于在所述 配量阀关闭同时所述供给阀打开时控制从所述一个或多个存储单元进 入所述控制体积中的气体流量，并且用于在所述供给阀关闭时通过所 述配量阀配量所述气体；

控制器，其被编程来控制所述一个或多个存储单元的所述加热装 置或所述真空泵，以在所述控制体积上游，获得在最小供给压力和最 大供给压力之间的期望区间内的供给压力，并且进一步进行上面描述 的配量方法。

概述

本发明涉及在波动的供给压力P_Supply下用于以受控方式配量气体 的方法和装置。在一个示例性实施例中，所述气体通过从固体存储材 料热脱附产生；热脱附例如通过加热所述固体存储材料实现。在另一 个示例性实施例中，所述气体通过连接到固体存储材料的真空泵产生， 所述真空泵由于减小的气相压力而通过脱附释放气体。所述方法基于 控制体积（CV）的构思，其具有已知体积V_CV，在封闭体积的每一侧 具有阀，并且具有测量控制体积中的气体的温度（T_CV）和压力（P_CV） 的压力传感器和温度传感器的。在另一个阀（供给阀）关闭的同时， 气体的配量通过所述阀中的一个（所述配量阀）进行。可进行配量直 到达到较低的临界压力水平（P_CRIT，也称为最小压力P_MIN）。在配量 过程中，所述配量阀可持久打开，或所述配量可通过一连串短（小） 脉冲进行。在后面的情况下，在进行所述控制体积的再填充之前，可 进行几个小配量事件。配量阀持久打开的长配量动作和一个短脉冲都 称为“配量事件”。一连串配量事件也称为“配量周期”。用于下一个 长配量事件或配量循环的控制体积的填充在所述配量阀关闭的同时通 过连接到所述固体存储单元的供给阀进行。在已知V_CV、ΔT_CV和/或 ΔP_CV的情况下，通过记录压力P_CV的下降，可计算或估计配量的量。 为了记录压力P_CV的下降，在一些实施例中，仅测量填充之后的初始 压力水平，和（长）配量事件结束时或配量周期（在一系列短脉冲事 件的情况下）结束时达到（或接近达到）的低压力水平P_CRIT。例如， 在一些实施例中，其中在随后的控制体积再填充之间的配量周期过程 中进行多个短配量事件，不测量单个短脉冲过程中的配量的量；而是， 例如，可通过以下方式来进行控制：通过控制配量脉冲的数量，通过 利用测量配量周期开始时和结束时的压力（和可任选地，温度）来确 定所述整个配量周期中在配量的总量，和通过如果已经观察到目标配 量的量和实际配量的量之间的差异则通过调节接下来的配量周期中的 配量脉冲的数量。

在其它实施例中，也可通过测量例如长配量事件过程中的中间压 力水平或每一个短脉冲事件（在以一些列短脉冲事件的情况下）的开 始和/或结束时的压力来记录所述下降。在一些实施例中，中间压力测 量值由中间温度测量值补充，从而还记录用于例如对于每一个短脉冲 事件测量的中间压力水平ΔP_CV的ΔT_CV。

在其中配量周期包括多个短配量事件的一些实施例中，不需要测 量单个配量事件中的压降，因为配量事件较短，压力可在配量事件过 程中设想为近似恒定，并且仅以阶跃方式，从一个事件到一个事件下 降。因此，在一些实施例中，对于一个配量事件，仅测量一个压力水 平（例如在打开所述配量阀之前的初始压力，在已经关闭所述配量阀 之后的最终压力或所述配量事件过程中的平均压力），并且所述事件过 程中的配量的量根据单个所测的压力值和所述配量阀的打开时间的积 （乘积）以及可任选的用于所述配量事件的控制体积中的气体的温度 来近似得出。

将以这些方法中的一种计算和估计的配量气体量与目标配量的量 或设置点相比较，并且根据该比较调整或调节随后的（长）配量事件 或周期。虽然权利要求1中以顺序a，b，c，d列出步骤a到d，但是 再填充（步骤b）与计算配量的量（步骤c）分开，并且将结果反馈来 调整随后的（长）配量事件或配量周期（步骤d），以使步骤b可与步 骤c和d并行进行，甚至在步骤c和d之后进行。

如上面指出的，在一些实施例中，其中，在随后的控制体积再填 充之间的配量周期过程中进行多个短配量事件，每一个短配量事件中 的配量气体量根据压力减小或绝对压力和打开时间的测量值，以及可 任选的配量事件过程中的温度来计算。

在这些实施例中的一些中，配量的量和反馈控制的比较不仅比较 配量周期，而且比较各个配量事件。在这些实施例中，与用于短配量 事件的目标配量的量进行比较，并且在所述短配量事件中观察到目标 配量的量和实际配量的量之间的差异的情况下，将比较反馈来调节下 一个短配量事件中待配量的量。

存在怎样确定在包括多个短配量事件的配量周期过程中的配量的 总量的多种不同的方法。在一些实施例中，其中每一个短配量事件中 配量的气体量根据压力减小或绝对压力和可任选的每一个配量事件的 温度的测量值计算，并且整个配量周期过程中配量的气体总量通过将 该配量周期的所有配量事件的各个配量的量相加来计算。

用于确定在整个配量周期过程中配量的总量的另一种方法测量所 述配量周期开始和结束时所述控制体积的压力，和可任选的所述控制 体积的温度，并且根据这些测量值确定配量气体总量。即使所有中间 压力（可任选地，和温度）已知，并且已经计算所有短配量事件的配 量的量，在一些实施例中，如果在整个配量周期过程中配量的总量根 据所述配量周期的开始和结束时的测量值来得到，则仍可导致更准确 的结果，因为由两个测量值中的一个较大的差值产生的最终误差通常 小于一系列较小差值的测量值的和的组合误差。例如，在一些实施例 中，其中在配量事件和配量周期水平下都进行反馈，在所述配量周期 水平下用于进行反馈控制的整个配量周期过程中配量的总量的值基于 配量周期开始和结束时的测量值，而短配量事件过程中配量的量的值 用于在所述短配量事件水平下进行的反馈控制。

已经意识到，在例如利用热脱附来提供供给压力而从固体存储系 统获得的氨气的动态配量过程中，气体压力明显波动。这可见于 WO2008119492A1的图7中。设想压力波动的主要原因是，与配量需 求中的变化的较小的时间尺度相比较，存储固体中的热传导的时间尺 度相对长。在具有用于产生供给压力的真空泵的实施例中，压力波动 的原因不是热传导的相对时间尺度，而是压力的波动可能来自真空泵， 例如由真空泵的开/关控制引起。通常，在固体材料用作用于气体配量 的源的情况下，供给侧的压力不是唯一的波动压力。在配量点处，例 如机动车的废气管处，当发动机负荷变化以及所述气体必须通过不同 的催化单元和消声器时，绝对压力也可能从1.1巴改变到1.3巴（但不 限于该范围）。因此难题在于，在这些高度动态情况下准确和可靠地配 量。氨气或一般的任何气体的以受控方式配量通常通过下述三种方法 中的任一种进行：

气体喷射器式：需要高供给压力的快速开/关阀可进行准确的配 量，因为在喷射器的喷嘴中建立了临界（音速）流，配量与打开时间 直接相关。但是，当设想配量到具有约1巴（绝对）气体压力的点时， 需要高的并且优选恒定的供给压力，即3-4巴绝对压力。

质量流量控制器：可通过具有比例阀和与PID算法串联的质量流 量传感器来处置低供给压力和特别波动的供给压力，所述PID算法根 据需求信号和所述流量传感器的读数调节所述阀。

压力矫正脉冲阀：如果脉冲阀与横跨所述阀的实际压力梯度相关， 则开/关喷射器式阀能够在低供给压力下更好地进行，但是获得适当的 准确性成为问题。

已经意识到，上面全部三种方法可能遭受不能覆盖较大范围例如 最小和最大配量需求的100或更大的倍数，并且特别地，质量流量控 制器是很昂贵并且通常易损坏的设备部件。能够在尽可能低的压力下 操作提高安全性，并且还降低功率消耗，因为在较低压力下操作还意 味着所述单元的较低的操作温度，以及因此到周围环境的较低的热损 失。最后，在一种情况下的精制的气体喷射器和在另一种情况下的流 量传感器元件都是敏感部件，其可能由于例如跟随正在配量的气体的 少量的水分或杂质/颗粒而损坏。

本发明通过所谓的控制体积（CV）配量的构思解决了上面提到的 难题。

在第一实施例中，从气压源14将气体配量到过程15的方法通过 使用由两个阀封闭的控制体积4来进行，所述两个阀为：与来自源14 例如加热的固体存储单元的气体供给压力相交的阀，和用于配量的另 一个阀。所述CV具有用于测量压力P_CV的传感器7和用于测量温度 T_CV的传感器8，并且当需要配量时，供给阀5关闭，并且配量阀6 被打开和/或调节。配量可通过多个短（小）气体脉冲，也称为“配量 事件”进行。该配量事件具有P_CV的压降，其比从（或接近）P_Supply到（或接近）P_CRIT的压降低得多。在该情况下，几个小配量事件可在 一个配量周期中进行，即在控制体积的再填充之前进行。只要P_CV高 于一定的临界水平P_CRIT，则可进行配量，其中在所述临界水平P_CRIT， 所述压降和配量点处的压力不允许所需的气体流量。因而，较低的临 界压力阈值（P_CRIT）可处于或高于所述控制体积和使用配量的气体的 所述过程之间的压力梯度足够用于以受控方式配量气体的水平。当CV 中达到（或接近）P_CRIT时，配量阀6可关闭（或短脉冲可停止），并 且供给阀5打开，由此将P_CV升高到P_Supply，并且准备用于下一个配 量周期。可通过快速循环，即通过重复进行权利要求1中限定的步骤 a，b，c和d，获得提高的流动速率。重复该循环，特别是由于填充时 间快，可提供伪连续配量的功能。在每一次循环中，配量的量可根据 CV的已知体积（V_CV）和P_CV和T_CV的变化计算。已知P_CV和T_CV的 变化可用于计算配量的气体质量，并且这可与目标配量的量或设置点 相比较，以调节随后的配量周期或配量事件。例如，如果计算的当前 配量周期或配量事件中的配量质量低于目标配量的量/设置点，则可将 随后的配量周期/配量事件中的配量调整或调节到增大待配量的质量 （例如通过增大配量阀的开口，或增大短脉冲的占空比），以补偿当前 配量周期或配量事件中配量的质量的不足。同样，如果计算的当前配 量周期或配量事件中的配量质量高于目标配量的量/设置点，则随后的 配量周期/配量事件中的配量可调整或调节到减小待配量质量（例如通 过减小配量阀的开口，或减小短脉冲的占空比），以补偿当前配量周期 /配量事件中过量的配量。这与反馈控制相对应；因为目标配量的量/ 设置点可能动态变化，因此其为动态反馈控制，其可根据变化的目标 配量的量/动态设置点控制配量的质量。

在一些实施例中，反馈控制的目的在于，在每一个配量事件或配 量周期中，将实际配量的气体量（例如实际配量的质量）调整为等于 或至少接近用于该配量事件/周期的目标配量的量或尽可能接近地（以 不连续配量）跟随具有动态改变的需求水平的连续需求信号。因而， 在一个配量事件/周期中显现的实际配量的量的不足或过量将使随后 的配量事件/周期仅具有减小的不足或过量，或没有不足或过量。在其 它实施例中，反馈控制提供对之前的过量或不足的补偿。响应于与目 标配量的量或设置点的偏差，调节配量的气体量，以使累积的（在多 个配量事件或周期上累积的）配量的量对应于累积的目标配量的量。 这意味着，如果在一个配量事件/周期中配量的量高于每个事件/周期 的目标量（过量），则随后的配量事件/周期或多个事件/周期（或如果 存在延迟，则为一个或多个后面的事件/周期）将被调节来产生不足， 反之亦然，以使过量和不足得到补偿，并且配量的量的和接近或等于 累积的目标配量的量，或积累的需求信号。

通常，当配量气体时，压力P_CV总是存在变化。在一些极限情况 下，例如，如果配量硬件（包括控制体积）的温度受到由周围环境造 成的变化，同时具有非常低的配量速率，则可能在恒定的P_CV下配量 少量的气体，因为T_CV已经升高。但是，在大多数情况下，P_CV将降 低，而T_CV将几乎恒定，这是由于气体的低的热容，而不是配量硬件 的高的热容和控制体积的高的热质量。

在一些实施例中，通过利用打开/关闭供给阀5而用所述气体快速 填充CV，和完全打开配量阀6，由此尽可能快地倾空CV，以及通过 所述供给阀5再次填充，获得高的流动速率。

在一些实施例中，CV的体积根据下述参数中的任一项的分析来 设计或优化：所需的配量流量范围[F_MIN;F_MAX]，期望的供给压力的操 作区间[P_MIN;P_MAX]，被加热的存储材料的量或类型，用于配量的压力 下限（P_CRIT），和操作温度区间[T_MIN;T_MAX]。由于低气体密度和高质 量流量需求，低供给压力、高气体温度和高流量需求的组合通常要求 较大的CV，对于高压力、低度温和低流量需求，反之亦然。用于CV 的所选体积反映出操作条件边界之间的折衷。

在一些实施例中，配量的气体为氨气。

在一些实施例中，通过热脱附或真空泵产生氨气的固体存储材料 为例如沸石、活性炭或金属氨络合物，所述存储材料能够通过吸附或 者说吸收来存储氨气。

在热脱附实施例中，可进行容器中的存储材料的加热来获得例如 在P_MIN到P_MAX的一定区间中的供给压力P_Supply，也就是说，加热用 于控制供给压力P_Supply的操作范围。

在氨气实施例中的一些中，配量的氨气用于通过选择性催化还原 （SCR）减少来自燃烧发动机的废气的NOx。需要以受控方式配量氨 气的氨气消耗过程为用于减少来自内燃发动机的废气的NOx的SCR 催化剂。

在又一个实施例中，确定气体流量的方法用于验证质量流量传感 器的读数和/或精度，例如作为系统中的备用测量装置，所述系统中已 经存在流量传感器，但是所述系统中的该流量传感器需要例如传感器 的漂移的检测或精度的独立验证。

而且，本发明可包括控制器，其在与适当的压力和温度传感器以 及致动器相接时，执行所述方法的目的。

在本发明的一个实施例中，气体可从包含（可逆的）存储材料（3 或3a）的能够脱附气体的一个或多个被加热的存储单元（1或1a）获 得。控制体积4容纳压力传感器7和温度传感器8，或与压力传感器7 和温度传感器8相接，以确定控制体积4中的气体的压力P_CV和温度 T_CV。控制体积每一侧的阀5和6控制何时配量和何时再填充所述控 制体积。控制器（9）可被编程来控制对所述单元（1或1a）的加热（2 或2a），以在所述控制体积上游获得目标在P_MIN到P_MAX的期望区间 的供给压力P_Supply，并且进一步执行根据上面提到的描述中的任何一 个的配量方法。

一些实施例具有特定的配量阀，选自例如螺线管开/关（喷射器式） 或比例阀。

一些实施例使用计算的配量气体质量的累积来提供气体配量的积 累值。这在由例如脉冲产生的重复的配量事件情况下特别相关。如上 面已经指出的，在一些实施例中，反馈控制提供对之前的过量或不足 的补偿。响应于与目标配量的量或设置点之间的偏差，调节配量的气 体量，以使累积的（在多个配量事件/周期上累积的）配量的量对应于 累积的目标配量的量。这意味着，如果在一个配量事件/周期中配量的 量高于每一次事件的目标配量的量（过量），则将调整随后的配量事件 /周期或多个事件/周期（或如果存在延迟，一个或多个后面的事件/周 期）来产生不足，反之亦然，以使过量或不足得到补偿，并且所述配 量的量的和接近或等于累积的目标配量的量。

一些实施例包括连接到所述系统的不止一个存储单元，并且因此， 设置阀10，例如主动或被动阀，来防止一个单元中通过脱附产生的气 体被吸收在具有较低温度并且因此具有较低压力的另一个单元中。

在单个或多个箱的系统的实施例中，供给压力P_Supply可在通向供 给源的阀打开时由控制体积的传感器记录。这允许仅单个压力传感器 结合到所述系统中。

但是，在其它实施例中，除了CV的压力传感器7之外，还可具 有另外的压力传感器16（或多个传感器16），以对所述存储单元的压 力进行独立测量。

在一些实施例中，所述存储单元的供给压力P_Supply和所述控制体 积中的压力使用相同的压力传感器即控制体积4的压力传感器7交替 测量。在其中配量阀6关闭并且供给阀5打开的周期过程中，通过压 力传感器7确定存储单元的供给压力P_Supply，而在所述供给阀5关闭 并且所述配量阀6打开或关闭的周期过程中，通过压力传感器7确定 所述控制体积4中的压力。

在一些实施例中，控制体积的压力传感器为整个气体脱附和配量 装置的单个压力传感器，并且所述存储单元的供给压力P_Supply的压力 通过所述单个压力传感器确定。

如果再填充事件选择得非常短，则所述控制值中的压力升高可能 不充分，例如当其仅从P_crit升高到P_crit+0.1*（P_Supply-P_crit）时。但是 另一方面，在再填充过程种在控制体积4中获得精确的（或接近的） P_Supply可能花的时间太长。因此，在一些实施例中，延长的打开时间 足够长，以确保压力传感器的信号在来自存储单元的实际压力供给 P_Supply的50%，20%，10%，5%或1%内。例如，供给阀的平均打开 时间可选择成使得仅达到从P_crit到P_Supply之间的压力差的50%到 80%，例如通过供给阀5的5-200ms的打开时间实现。然而，存储单 元的供给压力P_Supply可在每一个再填充过程中通过控制体积的压力传 感器7确定，这通过利用矫正因子矫正测得的压力值来实现，所述矫 正因子用于矫正由于相对短的打开时间没有达到P_Supply这一事实。例 如，如果打开时间使得仅期望达到P_Supply的50%，则测量压力乘以数 量级为2的矫正因子。

在其它实施例中，存储单元的供给压力P_Supply不是在所有配量事 件中的每一次填充事件都确定，而是仅在填充事件的子集，例如在每 第n次填充事件时进行，其中n为大于1的自然数。在用于确定存储 单元的供给压力P_Supply的那些填充事件中，供给阀的打开时间延长， 以使其比没有用于确定供给压力P_Supply的填充事件中的供给阀5的平 均打开时间更长。这使得可能在通常的操作中获得供给压力的准确的 直接读数，而不需要由于通常短的填充时间而没有达到平衡压力这一 事实矫正所述读数。这样的优点是，不需要并且不提供用于精确测量 供给压力的单独的传感器，而是该任务通过控制体积的压力传感器7 间隔地进行。

该仅在延长的填充事件中的不连续测量适用于其中不需要连续测 量P_Supply的应用中。例如，在一些实施例中，固体存储材料的加热通 过基于例如来自发动机控制器的氨气需求信号而由前馈控制来控制。 提供基于延长的填充事件中的P_Supply的不连续测量的叠加反馈控制， 其在测得的P_Supply高于压力上限时，减小或终止通过加热提供的热， 并且在测得的P_Supply低于压力下限时，增大或启动由加热器提供的热， 如WO2008/119492中所述，其以引用的方式并入本文中（特别地， 涉及叠加反馈控制的WO2008/119492的第13页第22-26行，第21 页第18-37行，和图11）。

在使用真空泵的其它实施例中，延长的填充事件中的P_Supply的不 连续测量用于通过例如反馈控制器控制真空泵的操作，所述反馈控制 器试图保持P_Supply接近目标供给压力，并且当测得的P_Supply分别落在 目标压力下方或超过目标压力时，开始打开和关闭真空泵。例如，具 有真空泵的适当的气体脱附系统在WO2007/000170中有所描述，其 以引用的方式并入本文中（真空泵实施例例如描述在WO2007/000170 的第20页第16行到第21页第4行和图1中）。

在气体消耗过程（例如氨气消耗过程）的一些操作状态中，配量 设置点在延长的时间段上为零。这可能是例如所述系统处于启动阶段 时的情况，其中，压力仅通过初始加热来增大，和/或在机动车SCR 应用中处于没有燃料喷射从而不需要氨气配量时的滑行模式的情况。 在一些实施例中，当配量设置点为零时，也就是说当配量阀关闭时， 供给阀例如在延长时间段上保持打开，然后通过控制体积的压力传感 器持久测量存储单元的供给压力P_Supply。这样的优点是，可连续地在 所述系统处于启动阶段或其中不需要配量的其它情况下，连续地测量 存储盒压力，而不需要在所述存储系统中的位于控制体积上游的另外 的压力传感器。

本发明的方法的实施例的描述还包括用于机动车的控制器的实施 例的描述，所述机动车使用固体氨气存储材料，所述固体氨气存储材 料用于通过选择性催化还原去除NOx。所述控制器可被编程来执行本 文描述的方法中的一种或多种。

在一些实施例中，所述控制器为用于以控制方式使气体流向某个 过程的装置的一部分。根据本文所述的方法中的一种或多种，其可被 编程来控制所述一个或多个存储单元的加热装置或真空泵，从而在所 述控制体积上游，获得在最小供给压力P_MIN和最大供给压力P_MAX之 间的期望区间内的供给压力P_Supply。所述装置包括：一个或多个其中 包含固体存储材料的一个或多个存储单元，所述固体存储材料能够可 逆吸附或者说吸收和脱附气体，所述单元配备有加热装置，用于通过 脱附释放气体，或所述单元连接到真空泵，所述真空泵由于减小的气 相压力而通过脱附释放气体；控制体积，其具有压力传感器和温度传 感器，用于确定所述控制体积中的气体的压力（P_CV）和温度（T_CV）； 在所述控制体积的每一侧的阀，其为供给阀和配量阀，用于在所述配 量阀关闭而所述供给阀打开时控制从所述一个或多个存储单元进入所 述控制体积中的气体的流量，并且当所述供给阀关闭时，通过所述配 量阀配量气体。

在一些实施例中，所述装置用于通过根据所述控制体积方法配量 氨气，而从内燃发动机的废气去除或降低NOx。所述装置在一个或多 个存储单元中存储氨气，并且所述存储材料为金属氨络合物，例如 Sr(NH₃)₈Cl₂，Ca(NH₃)₈Cl₂，Mn(NH₃)₆Cl₂，Mg(NH₃)₆Cl₂或其混合物。 所述存储材料通过由电阻加热器加热和/或利用发动机的废热加热或 通过使用真空泵来通过在所述存储单元中减小气体压力来脱附氨气， 而产生氨气供给压力。

在一些实施例中，所述配量阀为布置用于提供开/关脉冲的螺线管 阀，或比例阀。

在一些热吸收实施例中，设置有另外的存储单元（1a）和另外的 存储单元阀，其为主动或被动式止回阀，防止气体在所述另外的存储 单元（1a）没有加热或具有比所述被加热的存储单元更低的压力时， 从所述被加热的存储单元（1）被吸附到所述另外的存储单元（1a）。 例如，所述另外的存储单元（1a）尺寸可大于所述存储单元（1），并 且可仅在所述存储单元（1）用尽时，加热来再填充所述存储单元（1）。 由于所述较小存储单元（1）的较低的热惯量，从所述较小的存储单元 （1）释放的氨气可比来自较大的存储单元（1a）更动态地受到控制。 由于这点，该较小的存储单元（1）在正常的驾驶操作过程中使用（即 被加热），从而更好地应对波动的氨气需求，而所述较大的存储单元 （1a）仅用于（即被加热）来再填充所述较小的存储单元（1）。

如上面指出的，在一些实施例中，控制体积4的压力传感器7为 用于控制送到某个过程的气体流量的装置的唯一的压力传感器，并且 具有根据供给阀（5）和配量阀（6）的打开或关闭状态，交替地测量 所述至少一个存储单元的供给压力P_Supply和所述控制体积（4）中的压 力的双重功能。

在一些实施例中，所述控制体积（4）沿竖直或倾斜方向设置，其 中，所述配量阀（6）的出口设置得比控制体积（4）的最低点更低或 高度相等，并且设置得比供给阀5更低。这防止控制体积内的冷凝物 或杂质的累积。如果杂质（小颗粒或小液滴/冷凝物）由流体流或重力 携带，则在所述控制体积中没有累积。这些杂质将在设置所述配量阀 （6）的所述单元的下部中被“吹出”。控制体积中的杂质的累积将导 致控制体积的减小，并且因此导致流体流量的测量误差。

供给阀和配量阀通常具有孔。在一些实施例中，所述供给阀的孔 大于所述配量阀的孔。这将导致控制体积的较短的填充时间，并且由 此能够形成更好限定的配量循环，并且提供更直接的供给压力测量， 减小所述供给阀打开周期过程中应用到所测压力的矫正量。

在一些实施例中，通过配量阀的快速打开/关闭脉冲，可获得与具 有不同尺寸的孔相同的实际效果，其中具有可调占空比以便按可控方 式减缓配量流量的，而所述供给阀不是快速打开/关闭脉冲方式，而是 在其填充事件过程中保持永久打开。在权利要求1的点（a）中“在所 述供给阀（5）关闭的同时，通过所述配量阀（6）配量气体”包括快 速开关脉冲以及持久打开配量。

在一些实施例中，例如通过在阀中使用特定的弹性力，而将供给 阀和配量阀设计成在释放压力下被迫打开来提供减压功能。这避免了 对单独的安全阀（减压阀）的需要，因而有助于降低所述系统的成本 和部件的数量。

在一些实施例中，为了查找供给阀的打开时间，提供了查询表， 查询表提供了与所述控制体积中的压力相关联的用于所需配量的打开 时间。可在表中的值之间进行插补。在一些实施例中，查询表随时间 动态更新。由于阀上的磨损或水分，通过配量阀的流动条件可能改变。 为了处理该问题，如果实际配量的氨气和来自查询表的值之间的差超 过特定值，则将评估查询表中的值，并且所述值将改变。

虽然以上描述了仅具有单个压力传感器的实施例的一些优点，所 述单个压力传感器既测量控制体积压力又测量（可任选地没有完全达 到的）供给压力，但是在其它实施例中，来自一个或多个被加热的存 储单元的供给压力P_Supply使用独立于用于所述控制体积的压力传感器 7的至少一个另外的压力传感器16测量，以提供供给压力P_Supply的测 量值。

在需要从固体存储介质以受控方式配量气体的类似应用中的实施 例或方法的使用和其它特征中固有于所公开的方法中，并且根据对实 施例的以下描述及其附图，将对本领域的技术人员显而易见。

附图说明

图1a和1b显示了本发明的实施例；

图2显示了使用本发明的方法的系统的例如压力和配量区间等关 键参数的示意图；

图3显示了根据热脱附来控制从燃烧发动机的NOx排放的本发明 的实施例，具有单个压力传感器；

图4显示了类似于图3的但是具有另一个单个压力传感器的另一 个实施例；

图5示出了类似于图3和图4的实施例，其中通过真空泵促进脱 附，在存储空间中具有一个仅可任选的加热；

图6通过时序图示出了在具有单个压力传感器的一些实施例中的 阀位置和供给压力测量值；

图7示意性示出了具有竖直安装的控制室的配量装置（用于使气 体以受控方式流到某个过程的装置）的一个实施例；

图8示出了对配量的反馈控制的两个不同的实施例，用于减小或 消除实际配量的量与目标配量的量的偏差。

表1显示了根据本发明的配量系统的操作特性的示例，其中突出 显示了在参数空间的极限值的不同组合下，例如高压和低温相对于低 压和高温的情况下，所述方法怎样工作。

具体实施方式

图1a和1b显示了本发明的实施例，其中控制体积4设置在通到 气体供给14的阀5和通到需要配量的气体的位置/过程15的配量阀6 之间。温度传感器8和压力传感器7附接到控制体积4（图1b）或与 控制体积4相接（图1a）来测量Tcv和Pcv。CV通过关闭配量阀6 并且打开供给阀5被填充。配量可在关闭供给阀5并且致动配量阀6 之后进行。配量的量通过在使用比例阀时在配量过程中或者在配量事 件或配量周期之后改变Pcv和Tcv来计算和估计。配量周期可以是两 次填充事件之间配量阀连续打开的时间周期，或包括多个气体脉冲， 直到达到某个较低压力P_CRIT，由此流动不能克服配量点处的压力。此 时，CV应通过打开供给阀5并且关闭配量阀6来再填充。连续打开 的周期或单个短气体脉冲是一次配量事件。

控制体积4的大小根据配量精度的要求同时考虑一个或多个参数 来制来确定尺寸，所述一个或多个参数为：要求的配量流动的范围， [F_MIN;F_MAX]；名义的来自气体供给14的操作供给压力区间， [P_MIN;P_MAX]；用于配量的压力下限（P_CRIT），和/或操作温度区间， [T_MIN;T_MAX]。

图2显示了当供给压力不恒定时所述原理怎样工作。粗黑线为来 自被加热的存储单元的脱附压力。其通常是波动的或振荡的，这是例 如由于加热与由于材料的温度升高产生的响应和相应的压力升高之间 的延迟，或在通过基于真空脱附的实施例中，由于真空泵的开/关控制。

时间轴分为多个配量周期，每一次事件由竖直虚线分隔。Y轴， 即压力，具有存储单元的最大/最小（P_MAX/P_MIN）操作压力和CV必须 在该点处再填充的低临界水平P_CRIT的指示线。图中示出了P_Supply（粗 实曲线）首先升高，然后下降。每一次填充事件通常非常短（例如对 于5到500ml的控制体积，为1-20ms），在每一次填充事件处，存在 Pcv升高，以达到或接近P_Supply水平。图2中，在填充事件过程中， 压力升高由竖直线示出，因为配量周期比填充周期更长，以致控制室 压力相对于时间的斜率的绝对值在填充周期过程中比在配量周期过程 中更大。填充周期过程中的压力函数以竖直线画出，以示出该斜率差， 但实际上，填充过程中的压力将不会瞬时升高，而是以限定的斜率升 高。而且，图2中，控制室压力显示为在每一个填充周期结束时达到 P_Supply水平，而在一些实施例中，填充时间至少在一些或大多数填充 事件中选择成如此之短以致没有达到P_Supply水平，而是仅达到其一部 分，例如80%。

当配量是主动式时，Pcv下降到P_CRIT，相应量的氨气逸出CV， 并且到达配量点。由此可观察到几个操作特性：

－当配量周期的区间长（例如I2）时，获得低平均流动速率， 并且在短区间中（例如I1）获得高流动速率。

－配量可通过比例阀进行，由此具有光滑的P_CV曲线，或其 也可通过导致压力的更多的阶跃式下降的多个脉冲事件进行，如 配量区间之一中所示。

－当P_Supply接近P_MIN时，则控制体积将使用较低量的气体填 充，并且再填充优选地对于相同的平均配量流动更频繁地进行。

－可见，在再填充之后，P_CV等于P_Supply，并且这可用于在 不具有另外的压力传感器的情况下，确定来自供给单元的压力。 但是，这仅可在再填充过程中，而不是配量过程中使用。如果配 量/再填充循环非常短（例如每0.1-10秒），则该用于测量P_Supply的方法例如对于根据通过与控制体积相关联的单个压力传感器 进行的对P_Supply的这种“寄生”测量来控制大部分固体存储系统 的真空泵或加热器是足够的。

表1显示出一个特定示例，其中，对配量的要求已经导致产生一 种提出的构造。在该示例中，配量需求通过250的系数跨过从0.1mg NH₃每秒到25mg NH₃每秒的范围。该存储单元将操作压力的目标定 在1.8巴到5巴范围内，2-3巴为名义的操作压力范围的示例，但是所 述系统可达到1.8和5巴的更大的极值。操作温度被认为从233K到 353K。设想用于配量的临界压力下限为P_CRIT=1.3巴。

为了确定配量的气体量，如果采用理想气体定律，则可获得下面 的信息：

P=ρRT,ρ=P/(RT),M/V=P/(RT),M=VP/(RT),其中

M:气体质量，V:体积，R:气体常数(对于氨气，R=488.2J/(kgK))，

T:温度

M_cv-1=M_cv-2+M_dosed其中，M_cv-2是在配量周期之后，留在控制体积 中的气体的质量。下标CV-1指配量周期之前的状态。条件CV-1也可 以简单地为来自存储单元的供给状态，即P_supply。现在我们可得：

M_dosed=M_cv-1-M_cv-2=V_cvP_cv-1/(RT_cv-1)-V_cvP_cv-2/(RT_cv-2)

体积V_cv是恒定的，因此我们可得：

(方程1)M_dosed=V_cv/R(P_cv-1/T_cv-1-P_cv-2/T_cv-2)

或重新整理来得出配量之后的最终压力：

(方程2)P_cv-2=T_cv-2[P_cv-1/T_cv-1-M_dosedR/V_cv]，R=488.2175J/(kgK)

方程2可用于示出怎样通过Vcv的特定选择来实现配量范围。

方程1和2可由T_cv和T_surroundings和/或配量硬件的物理参数（热 容、绝热系数、通过例如阀的电绕组产生的加热）和控制体积的函数 来补充，所述函数描述了例如在启动阶段过程中，T_cv随时间的改变。 这可用于计算温度的变化怎样对配量质量不具有相同的影响，如T_cv的实际测量值所显示的。作为示例，其中T_cv由于来自周围环境的被 动加热而发生升高的暂态不会导致与该系统暴露于恒定的温度水平时 相同的配量质量。可采用该类型的函数来提高所述方法的精度。

在表1中，V_cv选择为0.2dl（20ml），第一栏显示了配量之后的压 力P_cv-2，其为供给压力（P_supply或P_cv-2）、温度和流量的不同组合。对 于每一个参数，给出了高（Max）、中（Norm）和低（Min）三种组 合类型。

举几个例子，则我们可看到，最大流量可在最小压力和最大温度 （CV中的气体的最小密度）下进行配量，每循环配量5mg，循环频 率为5Hz。为了配量5mg，每配量5mg时压力从1.8下降到1.37，并 且该压力水平仍高于假定的1.3巴的P_CRIT。

另一个示例为怎样在最大压力和最小温度（CV中的最大的气体 密度）下配量最小流量。这在这里通过每次循环配量1mg而频率为 0.1Hz来进行。

通过在出口阀（6）处使用比例阀，可去除该脉冲，于是除了在约 10-20ms短时间内（其中所述控制体积使用氨气再填充），可具有连续 的流动。

整个过程可概括为：

1）关闭配量阀（6），并且打开供给阀（5）例如20ms

2）记录压力（P_cv-2，其于是接近或等于P_supply）。P_cv-1的值也可在 dP_cv/dt≈0时在供给阀5打开过程中确定

3）关闭供给阀（5）

4）连续地测量压力P_cv，并且可任选地，测量温度T_cv

5）根据方程1调节配量阀（6），同时测量压力P_cv，并且可任选 地，测量温度T_cv

6）如果达到P_CRIT=1.3巴（a），则转到1）。可任选地，在实际达 到P_CRIT之前，可进行再填充。

V_cv的选择影响配量过程中压力变化多少，并且当在CV的再填充 中间存在相对大的压力变化时，获得最高的精度。这可用于CV的尺 寸和部件的成本（由对例如压力传感器的精度的要求驱动）的优化中。

图3显示了根据本发明的一个实施例，其中，具有供给阀5和配 量阀6和用于压力的传感器7以及用于温度的传感器8的控制体积4 是较大系统的一部分，所述较大系统包括至少两个存储单元（1或1a）， 所述至少两个存储单元（1或1a）具有存储材料（3或3a）、加热装置 （2或2a）、防止氨气从较小单元1回流到（一个或多个）较大单元 1a的阀10（主动或被动止回阀）、具有废气12的发动机11和用于使 用从固体（3或3a）脱附并且配量的氨气降低NOx的SCR催化剂13。 控制器9确保存储单元的加热提供期望的操作压力范围，读取相关的 传感器的值和供给阀5及配量阀6的控制，以根据本发明的控制体积 方法进行配量。

图4显示了一个类似的实施例，但是具有用于对来自一个或多个 存储单元（1或1a）的供给压力进行独立测量的另外的压力传感器16。

图5显示的另一个实施例中，氨气的脱附通过真空泵17促进，而 不是仅通过加热促进。然而，如果需要，除了真空泵7，可设置加热 装置2a，以支持通过真空泵17进行的脱附。真空泵通过控制器9进 行打开/关闭控制，所述控制器9确保泵送动作提供期望的操作压力范 围。图5显示了仅具有一个存储装置1a的示例，但是真空泵也可用于 具有多个存储装置的实施例中，例如图3和4中所示。在图5的示例 中，和在图4中一样，示出的一个实施例具有另外的压力传感器16， 以进行对来自存储单元1a的供给压力的独立测量。在其它真空泵实施 例中，和图3中一样，仅具有单个压力传感器，其被称为控制体积的 压力传感器7，并且在填充事件过程中，当供给阀5打开并且配量阀6 关闭时，供给压力通过控制体积的压力传感器7测量。

图6中，显示了用于一些实施例的配量设置点、供给阀5的打开/ 关闭状态、配量阀6的打开/关闭状态、供给压力P_supply和控制体积压 力P_cv（其对应于由单个压力传感器7测量的压力）的示意性时序图。

在该示例中，设想配量设置点初始为零，然后，在时间t1处升高 到某个值，称为D₁。

供给阀5和配量阀6以互补方式关闭和打开；即供给阀在配量阀 关闭时打开，配量阀在供给阀关闭时打开。阀5，6重复地打开和关闭， 其中，配量阀的打开时间间隔通常大于供给阀的打开时间间隔，因为 例如供给阀的孔大于配量阀的孔，或由于占空系数小于1的配量阀的 快速打开-关闭脉冲。在所示的示例中，在t2和t3、t4和t5、t6和t7、 t10和t11、t12和t13、t14和t15、t18和t19之间具有短（普通）的 填充事件，在t8和t9、t16和t17之间具有延长的填充事件（在所示 的示例中，每第四个填充事件延长）。但是配量区间（配量周期）显示 为几乎相等。在初始阶段，当配量设置点为零时，供给阀5持久打开， 同时配量阀6关闭。

供给压力P_supply显示为在零设置点阶段升高（例如由于启动之后 的加热延迟），然后升高到恒定为P₁（仅为了简明；如图2中所示， 其实际上可能波动）。控制体积中的压力P_cv，其也是通过单个压力传 感器7“看到”的压力，等于其中供给阀5持久打开的零设置点阶段 过程中的供给压力P_supply，并且在延长的填充事件过程中，也达到供 给压力P_supply。但是，在短填充事件过程中，P_cv没有完全达到P_supply， 而是仅达到减小的压力k·P₁，其中k可以是小于1的常数，例如在0.5 和0.99之间的范围内。从t1到t17的配量周期示出具有连续配量的实 施例，而从t17到t20的配量周期示出不连续的配量（短脉冲）。在图 中的不连续配量周期中作为示例显示的占空比为约50%。由于总配量 速率类似于图6中示出的连续的配量周期，因此可设想不连续配量示 例中，配量阀的开口横截面以约2的系数大于连续按量配送示例的配 量阀的开口横截面。

因而，图6示出几个方面：

（i）在没有延长的填充事件和相对短的填充时间的实施例中，控 制体积压力Pcv没有完全达到P_Supply。然而，通过将测量值Pcv除以 k，P_Supply可通过在短填充事件过程中使用单个压力传感器对Pcv的测 量值近似确定，只要k事先大概已知（例如，作为填充时间和所测Pcv 的函数，k可以已通过实验确定）。在该实施例中，图6中所示的延长 的填充事件可省略。

（ii）具有延长的填充事件的实施例由图6直接示出。在该实施 例中，P_Supply可在延长的填充事件过程中，通过使用单个压力传感器 测量Pcv来直接测量。在（i）处描述的k矫正因子不是必须的，并且 可省略，因为由于延长的填充时间，k因子等于1（或非常接近1）。

（iii）图6还示出其中供给阀在配量设置点为零时持久打开的实 施例。在设置点为零的阶段过程中，P_Supply可通过使用单个压力传感 器测量Pcv来直接测量，而不需要任何矫正。在具有或不具有延长的 填充事件的情况下，在填充事件过程中，该设置点为零的功能可与单 个传感器压力测量结合。

（iv）不连续的配量（在t17和t18以及t19和t20之间示出）涉 及配量阀6的快速重复打开和关闭；流量通过改变配量阀6的打开/ 关闭占空因子得到控制。不连续配量的功能可在具有或不具有图6的 功能（i）到（iii）中的任一其它功能的情况下使用。

图7中，控制室4竖直地安装（这也代表了以相对于竖直方向小 于90°的角度倾斜安装的实施例）。供给阀5布置在控制室4上方，并 且配量阀6布置在控制室的最低点下方。类似于“竖直”、“下方”、“上 方”等术语参照名义的操作位置。例如，在汽车中（图7中的18）， 正常的操作位置是汽车18在其水平面上位于其车轮19上时的位置。 竖直方向在图7中由箭头g示出。该布置方式防止控制体积4内部的 冷凝物或杂质的累积。

图7中还示出，供给阀5的孔的打开（这里由d_supply标示）大于 配量阀6的孔的打开（这里由d_dosing标示）。

图7中示出的两个方面，控制室4的竖直或倾斜布置方式和较大 的供给阀打开，可单独设置或结合设置。

图8a和8b示出对配量的反馈控制的两个不同的实施例，用于减 小或消除控制器9中实现的实际配量的量与目标配量的量的偏差。由 于结合图8a和8b描述的反馈功能不仅可应用在配量周期的水平，而 且在一些实施例中，还可应用在短配量事件的水平，因此下面使用术 语“循环”。

在一些实施例中，术语“循环”主要代表“配量周期”，但是也可 代表“配量事件”。在两幅图中，中线示出每次循环的目标配量的量（其 设想在所示的时间间隔中恒定）、每次循环中的实际配量的量（由实线 显示）和累积的配量误差，其为所有循环的配量误差的和（由虚线显 示）。循环中的“配量误差”被认为是用于该循环的实际配量的量和目 标配量的量的差。对于两个实施例，视图以第一循环中配量过量一定 量（即正配量误差）开始。

根据第一实施例（图8a），过量或正配量误差通过减小配量的量 抵消。例如，根据共用的一体化的控制器（I控制器），实际配量的量 与目标配量的量接近的比率与误差信号的倒数成正比，如其在图8中 由实线所示的。最后，将误差信号完全去除。也就是说，当配量误差 发生时，反馈控制功能确保每次循环的实际配量的量回到每次循环的 目标配量的量。只要所示误差存留，则累积误差增大。当误差完全消 除时，累积误差的增大停止；并且到目前为止累积的配量误差存留， 而没有进一步改变（直到下一个误差出现）。

但是，第二实施例（图8b）甚至补偿了累积配量误差。关于这点， 不是如在图8a的实施例中简单地使每次循环的配量误差为零，而是使 目标配量的量朝向误差的反向符合区域超过（图8b中朝向“不足”）。 控制器累积用于所有循环的误差，并且通过反向符号误差来调整操作， 以使其补充全部初始误差，并且因而使累积的配量误差回到零。该累 积过程例如与机动车或卡车中通过SCR减少NOx的通常的时间常数 相比较，可能相对较快。虽然第一实施例提供控制NOx减少的良好的 技术方案，但是第二实施例甚至可例如在改变操作条件的情况下进一 步降低逸出NOx的速率。

在本发明的一个优选实施例中，存储材料（3，3a）为金属氨络合 物，特别地为Sr(NH₃)₈Cl₂，Ca(NH₃)₈Cl₂，Mn(NH₃)₆Cl₂，Mg(NH₃)₆Cl₂ 或其混合物。可应用例如沸石或活性炭等其它材料。

以方法或装置实现的本发明对于用于通过SCR减少由燃烧发动 机驱动的机动车或卡车中的NOx的固体氨气存储系统（或需要氨气存 储的类似应用）特别有利，其中，除了所述配量硬件之外，所述存储 系统具有下述特征中的一项或多项：

－较小的存储单元（例如，但不限于大小为50ml到3升，包 含存储的25g到1.5kg NH₃），其通过电或其它方式加热。其它容量 也是可能的。

－一个或多个较大的具有用于加热的装置的固体存储单元（例 如，但不限于500ml到20升，包含400g到20kg NH₃），其能够存 储用于那些期望的机动车保养操作区间（例如25000km）的足够的 氨气。

－具有根据本发明的模型或算法的控制器，其允许估计流量， 并且控制存储单元的加热。

－如果较小单元的填充水平在配量之前已知，则根据本发明的 配量的控制可用于计算较小存储单元的实时饱和度，由此使用所述 饱和度作为确定何时加热较大的单元来将氨气从较大的单元输送 到较小的单元的参数。

表1