CN101443095B - 用于处理内燃机排气的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于处理内燃机排气的装置(15)，至少包括：一个还原剂溶液蒸发器(16)、用于尤其使尿素水解成氨的与还原剂蒸发器(16)连接的水解催化器(17)、和用于选择性催化还原氮氧化物的SCR催化器(18)，其中还原剂蒸发器(16)包括用于制备气体混合物的蒸发单元(12)，气体混合物包括至少一种下列物质：a)至少一种还原剂前体，和b)还原剂，其中通过蒸发单元(12)可以蒸发包括至少一种还原剂前体的水溶液，其中SCR催化器(18)在排气管(14)中构成，其特征在于，还原剂溶液蒸发器(16)和水解催化器(17)在排气管(14)外部并与排气管连接地构成。按照本发明的装置(15)能够以有利的方式制备足够量的还原剂，以在SCR催化器(18)里选择性催化还原氮氧化物，其中可以使水解催化器(17)比由现有技术已知的容积更小地构成，因为在这里水解催化器(17)不由排气通流。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于处理内燃机排气的方法和装置，其中通过选择性地催化还原来减少内燃机排气中的氮氧化物含量。
背景技术
内燃机排气具有不希望其排放到环境中的物质。例如在许多国家在内燃机排气中只允许含有高至一定极限值的氮氧化物(NOx)。除了发动机内部的措施以外还采用了后处理方法，发动机内部措施通过选择适合的内燃机运行点可以减少氮氧化物的排放，通过后处理方法能够进一步降低氮氧化物。
进一步降低氮氧化物排放的方法是所谓的选择性催化还原(SCR，selective catalytic reduction)。在此使用选择性作用的还原剂使氮氧化物选择性还原成分子氮(N2)。一种可能的还原剂是氨(NH3)。在此氨经常不以氨的形式储存，而是储存为氨前体，它在需要时转换成氨。可能的氨前体例如是尿素((NH2)2CO)、氨基甲酸铵、异氰酸(HCNO)、氰酸等。
尤其是尿素已经被证实可方便地储存。优选使尿素以尿素水溶液的形式储存。尿素和尤其是尿素水溶液在健康方面无害、便于分配和储存。一种尿素水溶液已经以名称“AdBlue”销售。
由DE 199 13 462 A1已知一种方法，其中尿素水溶液在水解催化器上游配量到内燃机排气的分流里面。在此以液滴的形式实现配量。当液滴接触水解催化器时，尿素水解和热解形成氨，它在设置在下游的SCR催化器中作为还原剂使用。在这里所述的方法存在缺陷，水解催化器通过蒸发尿素水溶液而冷却。尤其是当需要大量氨的时候，至少会在水解催化器的局部区域导致强烈的冷却，使得在这里水解催化器不再或不再完全运行。此外，由于蒸发单个液滴产生局部强烈间断的水解催化器冷却，该水解催化器会损坏，尤其是催化活性覆层会脱落。
发明内容
由此提出本发明的目的是，建议一种方法和一个装置，通过它们至少可以减少现有技术已知的缺陷。
这个目的通过具有独立权利要求特征的装置和方法得以实现。有利的改进方案是从属权利要求的内容。
按照本发明的用于处理内燃机排气的装置至少包括：
-蒸发单元；
-用于尤其使尿素水解成氨的水解催化器，和
-用于选择性催化还原氮氧化物(NOx)的SCR催化器。
还原剂溶液蒸发器包括用于制备气体混合物的蒸发单元，该混合物包括至少一种下列物质：
a)至少一种还原剂前体，和
b)还原剂。
通过蒸发单元可以蒸发包括至少一种还原剂前体的水溶液。SCR催化器在排气管中构成，而使还原剂溶液蒸发器和水解催化器在排气管外部并与排气管连接地构成。在SCR催化器上游可以构成颗粒过滤器，它在运行中同样由含有还原剂的来自水解催化器的气流通流。
这意味着，在运行中SCR催化器由排气均匀地通流，而在水解催化器和还原剂溶液蒸发器中一般不是这种情况。这样构成水解催化器和还原剂溶液蒸发器，使它们这样与排气管连接，即，使包括还原剂的气体混合物可以导入到排气管里面，但是至多仅有少量排气进入到水解催化器和/或还原剂溶液蒸发器里面。优选使还原剂前体尿素作为还原剂氨的前体。在常见的由现有技术已知的系统中，水解催化器至少由部分排气通流。这造成，这种水解催化器由于大的排气质量流必需具有经常半升或更大的一定的容积、和一定的用于催化反应的表面。这个容积和这个表面在按照本发明的水解催化器中明显减小，因为只需使这个水解催化器设计成这样大，使得它可以转换最大必需的蒸发的水溶液中的还原剂前体量。在此，通过水解催化器的质量流明显更小。
在运行中在蒸发单元中实现尿素水溶液蒸发。这种尿素水溶液还可以含有其它物质，它们例如起到使溶液冰点下降的作用。在此尤其可以在溶液中含有甲酸和/或甲酸铵。在此这样构成蒸发单元，使得在运行中至少蒸发尿素水溶液。通过调整相应的温度和相应量的装载蒸发单元的尿素水溶液，除了单纯蒸发尿素水溶液外也可以使至少部分尿素热解成氨。使还原剂溶液蒸发器形成在水解催化器的上游，而使水解催化器形成在SCR催化器的上游，因此在运行中包括还原剂前体和/或还原剂的蒸发水溶液从还原剂溶液蒸发器通流到水解催化器，在那里实现至少部分地水解成还原剂。至少包括还原剂的气体混合物离开水解催化器。这种气体混合物导入到SCR催化器里面，并且在那里作为用于还原氮氧化物(NOx)的选择性还原剂。
内燃机可以是移动或位置固定的。内燃机尤其可以是陆地车、船舶或飞机的组成部分，优选是汽车如轿车或载重车的组成部分。水解催化器和SCR催化器表示具有相应的催化活性的催化剂载体。尤其是这些催化剂载体具有覆层，它们具有催化活性或者含有催化活性物质。尤其优选使催化剂载体具有例如中间层(Washcoat)形式的陶瓷的覆层，在其中分布相应的催化活性颗粒。尤其是水解催化器具有包括氧化钛(Anatas)和/或铁交换沸石的覆层。特别优选使SCR催化器具有包括至少一种下列组分的覆层：氧化钛、三氧化钨、三氧化钼、五氧化钒、氧化硅、三氧化硫、沸石。作为催化剂载体尤其使用所谓的蜂窝体，它们具有通道或空心空间，穿过它们可以通流流体。特别优选使蜂窝体作为催化剂载体，它由陶瓷和/或金属材料构成。蜂窝体可以是由薄板层组成的蜂窝体，其中至少一个形成结构的和一个基本平整的板层相互缠绕或堆叠，并且卷绕至少一个这样的堆叠。按照本发明能够实现其它催化剂载体，例如块状材料催化剂载体、由丝网或类似材料组成的载体。优选也尤其形成管的形式的水解催化器，在管的内侧配有使还原剂前体水解成还原剂的催化覆层。通过形成分开的蒸发单元，有利地使得能够连续地确保给出预定的还原剂，而不会在增加还原剂需求的情况下不均匀和/或不完全地使氨前体水解成氨。
按照本发明装置的有利扩展结构，使蒸发单元通过输送管道与水溶液的储罐连接，其中输送管道和蒸发单元通过连接单元相互连接。
该连接单元形成输送管道与蒸发单元之间的节点。这样构成这个连接单元，使得它保证输送管道与蒸发单元之间的密封连接，以避免流出水溶液和气体混合物。此外这样构成连接单元，使得同时抑制例如由于析出的相应水溶液组分使物质淀积在连接单元内部，或者在那里以微小的程度实现，使得还能够通流连接单元。优选这样构成连接单元，使得它可以冷却。例如使它与相应的冷却部件连接。所述连接单元例如连接到相应的冷却元件。通常可实现对连接单元的温度控制，即冷却或加热。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，使连接单元至少部分地由具有小于10W/mK(瓦每米凯尔文)导热性的材料构成。
具有尤其小于金属的低导热性的材料能够以有利的方式形成连接单元，它一方面允许在蒸发单元中实现高温，另一方面允许在连接到蒸发单元的输送管道中实现低温。因此尤其能够使输送管道具有高达70℃、高达80℃或者甚至高达90℃的温度，而蒸发单元具有高于300℃、优选高于350℃且优选甚至高于400℃的温度。大约380℃的温度尤其优选。在此通过连接单元材料的低导热性尤其保证，不导致输送管道的过热。这种过热一方面可能导致蒸发单元中的热损失，另一方面可能使已经在输送管道中的水溶液至少部分地蒸发，这通常是不期望的。通过使水溶液位于输送管道里面，可以特别可靠且准确地调节水溶液到蒸发单元的输送量并由此调节制备的氨量。在此优选这样的材料，其导热性只为2W/mK或更低，特别优选地只为1W/mK或更低，尤其是0.1W/mK至0.4W/mK，尤其约0.25W/mK或更低。优选这样构成连接单元，使其直径在脉动流通时也以小于0.25％变化。优选这样构成连接单元，使它在基本圆形的通流部位结构的情况下具有0.5至6mm的通流直径，特别优选使通流直径为3至5mm，尤其是约4mm。与连接单元通流部位的形状无关地使这个连接单元优选具有0.2至28平方毫米的横截面。优选使连接单元包括至少一个用于冷却和/或加热连接单元的珀耳帖(Peltier)元件。连接单元尤其与蒸发单元电分离。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，使连接单元这样构成，在连接单元的长度上可以保持40K/mm(凯尔文每毫米)或更大的温度梯度。
这一点尤其通过连接单元的相应材料的结构、相应材料的覆层和/或相应的拓扑形状实现。也可以选择或附加地可以使连接单元配有或连接相应的主动或被动的温度控制机构，它们能够保持这个温度梯度。
40K/mm(凯尔文每毫米)或更大的温度梯度能够以有利的方式在蒸发单元中保持350℃或更高的高温，而在输送管道中保持例如70℃、80℃或90℃的更适合的温度。由此，在保证蒸发单元的小范围膨胀和水溶液良好的配量性的同时，保证水溶液良好且优选完全地蒸发。
具有非常小的导热性和/或非常大的可能温度梯度的连接单元结构能够以有利的方式在蒸发单元内部在靠近连接单元部位中形成非常恒定的温度水平，而没有显著降低的温度。蒸发单元的这种恒定的温度水平是有利的，因为由此可以有效地避免或减少在蒸发单元内部形成淀积。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，使连接单元由至少一种包括至少一种下列材料的材料构成：
a)陶瓷材料，和
b)聚四氟乙烯(PTFE)。
这些材料以特别有利的方式一方面具有非常低的例如小于10W/mK的导热性并且另一方面能够以有利的方式形成具有40K/mm或更大温度梯度的连接单元。尤其在使用陶瓷材料时有利的是，使用附加的密封和/或粘接装置，以提高连接单元的密封性。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，使水解催化器具有最高60J/K的热容量。
在这里，水解催化器的热容量优选指的是没有可形成的壳体管时的热容量。这种热容量的作用是，可以使水解催化器快速地加热或冷却。这一点能够以有利的方式使水解催化器作为温度调节循环中的调节部件或多个调节部件中的一个调节部件。此外已经证实，尤其在水解催化器不用于排气流中、即水解催化器不由内燃机排气通流的情况下，能够实现与处于排气系统中并由排气通流的情况不同的水解催化器结构。甚至优选设计具有最高45J/K、最高30J/K或甚至25J/K或更低热容量的水解催化器。
水解催化器优选包括金属蜂窝体，它由按照德国钢和/或铝编号为材料号1.4725的钢构成。材料号1.4725的钢尤其是含有14至16重量％(重量百分比)的铬、最多0.08重量％的铁、最多0.6重量％的锰、最多0.5重量％的硅、3.5至5重量％的铝、最多0.3重量％的锌、其余为铁的钢，其中钢一般可以包括尤其总体上最高0.1重量％的杂质。材料号1.4725的钢尤其可以以铝覆层和/或电镀。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，使水解催化器具有小于100ml(毫升)的容积。
5至40ml、优选10至30ml的水解催化器容积已经证实是特别有利的。这些容积明显小于由排气通流的水解催化器的容积。其容积一般为500ml或更大。因此按照本发明的装置与由现有技术已知的系统相比更小且更经济。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，使水解催化器包括壳体管。
壳体管用于密封水解催化器。优选一种水解催化器结构，其中水解催化器包括涂敷在壳体管内侧的催化活性覆层。此外有利且优选，使壳体管作为常见结构，例如至少充满壳体管内室的一部分的蜂窝结构、或者由丝网或金属泡沫和/或陶瓷泡沫组成的结构，的固定体。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，在壳体管中形成至少一个至少部分形成结构的金属层。
在此，水解催化器可以包括通常由至少一个形成结构的尤其是波形的金属层、和必要时至少另一个基本平整的金属层构成的蜂窝结构。也可以选择使水解催化器具有壳体管，并且在水解催化器的内表面上具有形成结构的尤其是波形的金属层，该金属层至少一次环绕壳体管的整个圆周，但是不充满壳体管横截面的空隙部分，由此在所述层的内部空出可自由通流的横截面。在此涉及所谓的“热管”。
优选使水解催化器具有由壁体限制的通道，其中通道的壁体具有最多80μm(微米)的厚度。在此优选60μm或更薄或者30μm或更薄的壁厚，尤其是对于至少部分地由形成通道壁的金属层组成水解催化器结构的情况。这些壁厚已经证实是特别有利的，因为它们能够构成具有小热容量的水解催化器。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，使水解催化器具有小于600cpsi(每平方英寸的单元，cells per square inch)的单元密度。
与常见的由内燃机排气通流的水解催化器相比，可以使不由排气通流的水解催化器由更小的容积或更小的表面构成。尤其是在这里可以使用更低单元密度的水解催化器，因为流过水解催化器的容积流即使在满负荷时也小于排气的容积流。因此可以使水解催化器以相对小的小于600cpsi、小于400cpsi或者甚至小于300或200cpsi的单元密度构成。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，使水解催化器机械地与排气管连接，尤其是通过凸缘连接在排气管上。这一点能够以有利的方式实现按照本发明装置的稳定机械支承。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，使水解催化器与排气管在热上脱离联接。
在热上脱离联接是有利的，因为在排气管还是相对较冷的内燃机的冷起动状态，在加热水解催化器时，不必使相对较大的排气管热质量一起加热。在排气管已经达到其通常的、可以高达800℃或更高并且高于水解催化器约350℃至450℃的常见运行温度的运行温度以后，由此可避免通过排气管加热水解催化器，它可能是不期望的并且使得难以调节水解催化器的温度。
水解催化器的运行温度尤其位于350℃至450℃，其中优选通过含有还原剂和/或还原剂前体的热的蒸汽、附加的电加热、和/或通过蒸发单元的高达450℃或更高运行温度的废热，来实现水解催化器的加热。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，杆状地构成加热元件，通过它可以加热下列结构部件的至少一个结构部件：
a)水解催化器，和
b)蒸发单元的至少一部分。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，构成至少一个杆状加热元件，与其同轴地构成至少一个下列部件：
a)水解催化器，和
b)蒸发单元的至少一部分。
在这个扩展结构中优选使水解催化器由环形蜂窝体构成，它在内部的、与杆状加热元件连接的内壳管与外部的壳体管之间含有许多通道。尤其是蒸发单元可以含有添加管道，该添加管道尤其螺旋形地围绕杆状加热元件缠绕。必要时可以在装置外侧构成另一加热元件，由此使蒸发单元和/或水解催化器的部件位于两个加热元件之间。由此可以实现特别均匀地加热。
优选使杆状加热元件具有许多加热区，其温度可以相互独立地调节。尤其是杆状加热元件具有至少两个区域，围绕它们分别在一个区域中构成水解催化器和蒸发单元或添加管道。尤其优选使蒸发单元或添加管道的区域再分开，因为在这里运行不同的过程，即例如加热液体、蒸发液体和液体过热。因此优选使杆状加热元件的扩展结构具有5或6个区域。这些区域之间的边界可以根据要被蒸发的水溶液的量来确定。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，对至少一个下列结构部件进行温度控制：
a)输送管道的至少一部分；
b)水解催化器；
c)蒸发单元的至少一部分；
d)用于添加相应的还原剂到排气系统的配量管道；和
e)添加单元，通过它使水解催化器与排气管连接。
在文中，温度控制尤其是指，可以加热和/或冷却相应的结构部件。在此，至少一个上述的结构部件、优选多个上述结构部件可以是调节环的一部分。尤其在调节这些结构部件温度时可以这样进行，即，使一个结构部件或多个结构部件作为一种调节装置使用。这意味着，仅主动控制一个结构部件的温度，并且该结构部件通过相应的反应动力并通过相应地正好呈现的流体动态条件来相应地调节其它的结构部件的温度。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，构成用于控制温度的机构，该机构包括至少一个下列结构部件：
a)加热丝；
b)珀耳帖元件；
c)冷却体；
d)杆状的加热元件；
e)用于燃料燃烧的机构；和
f)由具有正的温度系数(PTC，positive temperature coefficient)的材料制成的结构部件。
尤其是珀耳帖元件可以有利地不仅加热而且冷却相应的结构部件。冷却体有利地具有有利于热辐射的形状。冷却体优选由具有高导热性的材料尤其由铝或其它金属或金属合金制成。
珀耳帖元件尤其是一种电元件，它在通电时根据所谓的珀耳帖效应产生温度差。珀耳帖元件最好包括一个或多个由p和n掺杂半导体材料组成的元件，p和n掺杂半导体材料通过导电材料交替地相互连接。温度差的符号取决于电流方向，因此通过珀耳帖元件不仅可以冷却而且可以加热。
燃烧器在这里尤其是用于燃烧燃料、尤其含有碳氢化合物和/或氢气的装置。也有利地实现无火苗燃烧。具有正的温度系数的材料、所谓的PTC电阻尤其是导电的材料，其电阻随着温度的提高而增加。这些材料尤其以所谓的自调节加热元件使用，并且尤其由陶瓷材料、尤其是钛酸钡陶瓷构成。也可以选择使用由聚合材料、尤其由掺杂碳黑颗粒的聚合材料制成的PTC电阻。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，至少一个下列结构部件具有催化尿素水解的覆层：
a)连接单元的至少一部分；
b)用于添加气体混合物到水解催化器的添加管道的至少一部分；
c)蒸发单元的至少一部分；
d)用于添加产生的还原剂到排气系统的配量管的至少一部分；和
e)添加单元的至少一部分，通过该添加单元使水解催化器与排气管连接。
通过形成催化水解尿素并尤其如上所述地构成的覆层，以有利的方式，除了水解催化器以外，也在作为水解催化器的上述结构部件中催化水解。这一点可提高转化效率并且能够使水解催化器相应小容积地通过更小催化活性表面构成。在配量管道中形成催化氨水解的覆层尤其用于保证尽可能完全水解氨，并尤其也防止重要的组分逆反应形成尿素或其它氨前体。催化尿素水解的覆层尤其指，用于添加水溶液到水解催化器的添加管道和/或用于蒸发水溶液的蒸发室至少部分地具有催化尿素水解的覆层。因此这些结构部件已经可以起到使还原剂前体部分地水解成还原剂的作用，并因此改善水解效率。此外，原则上可以使水解催化器以比在至少一个上述结构部件上没有形成相应覆层的情况下更小的容积或以更小的催化活性表面构成。
按照本发明构成一装置，其中蒸发单元和水解催化器不由排气通流，而是仅仅使SCR催化器由排气通流。这一点产生明显更小的通过蒸发单元和水解催化器的通流率，这以有利的方式可以在尤其设计水解催化器时考虑，因此可以使这个水解催化器比由排气通流的水解催化器更小且以更少的单元密度构成。与由现有技术已知的装置相比，在加工按照本发明的装置时降低了成本。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，构成添加单元，通过它可以使水解催化器与内燃机的排气管流体连接。
通过添加单元使包括至少一种还原剂的还原剂混合物配量到排气管。尤其可以使添加单元包括配量管道，但是可以具有其它结构部件。在此尤其可以是被动的混合机构，通过它使加入的物质与排气混合。
被动的混合机构尤其指不形成主动运动的混合机构，而是仅仅通过形成静态混合机构结合排气流和加入物质的流体的特征实现物质与排气的混合。
特别优选使混合机构包括至少一个下列结构部件：
a)导板；和
b)蜂窝体，它这样构成，使排气至少部分地以与排气主通流方向成角度地通流蜂窝体。
在此导板尤其可以伸进排气管里面。导板尤其可以至少在局部部位中打孔和/或至少在局部部位弯曲。导板可以以与排气管纵向成角度地在这个位置上伸进排气管里面。
蜂窝体尤其具有通道，该通道的壁体具有小孔。通过这些必要时可以通过相应构成的导向结构补充的小孔，可以使流体以与通道纵轴线成角度地流动。这个蜂窝体也可以优选锥形地构成。尤其是，配量管道通到蜂窝体相应缺口的内部，由此可以直接在蜂窝体里面配量相应的物质。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，使蜂窝体具有通道和缺口，该缺口可由流体通流，并使相邻通道相互连接。在此缺口可以比常见的通道尺寸更小或更大。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，是至少一个下列结构部件这样构成，使得在运行中添加单元到排气管的入口部位形成流体的静止区或死区：
a)添加单元，和b)排气管。
这一点以特别有利的方式使得，在运行中排气管中的压力低于添加单元或配量管道中的压力，由此在这里基本没有排气在水解催化器的方向上流动。静止区或死区是指比添加单元和/或配量管道中的压力低的部位。尤其是这一点可以结合混合机构实现，混合机构直接在入口部位实现静止区或死区并且有助于在这个入口部位下游进行混合。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，在水解催化器下游构成隔热部。优选使隔热部直接连接在水解催化器上。
隔热部防止(水解催化器)与排气管热接触，由此一方面可以防止水解催化器将热量传到排气管上并因此冷却，另一方面防止排气管将热量传导水解催化器。在极限情况下这一点可能导致，不再可以实现热调节，因为在加热水解催化器时总是也同时加热排气管。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，至少一个下列结构部件包括至少一个温度传感器：
a)添加单元；
b)水解催化器；
c)SCR催化器；
d)蒸发单元；
e)添加管道；
f)蒸发室；和
g)用于使产生的还原剂添加到排气管的配量管道。
通过所述至少一个温度传感器可以检测相应结构部件的温度。温度传感器优选包括热电阻。优选使温度传感器与电源连接。由此可以加热结构部件。这一点例如在紧急运行中是必需的，其中，在紧急运行中，物质已经淀积在结构部件里面并且堵塞它们或者有堵塞它们的危险。在此，所述物质除了尿素和类似物质以外也可以是碳黑，它与排气例如通过扩散进入到添加单元里面。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，构成输送机构，通过它使水溶液从储罐输送到蒸发单元。优选使输送机构包括至少一个泵。
通过输送机构可以在蒸发单元上游建立恒定压力的水溶液，其中通过阀门实现配量到蒸发单元里面。在另一优选的扩展结构中，泵是配量泵，其中通过相应地控制泵实现配量。配量泵尤其是指单位时间或单位泵程输送确定体积(液体)的泵。
按照本发明装置的另一有利扩展结构，使泵可以建立一输送压力，该压力大于在内燃机运行中添加单元和/或配量管道上的最高排气压力。
由此可以在运行中防止排气进入到蒸发单元和/或水解催化器里面。优选使用这种泵，它具有高达150ml/min、优选高达30ml/min或高达10ml/min的输送速率。优选使用这种泵，其输送速率以每秒0.75至2.5ml/s变化，尤其是可以以这个值增加。
作为输送机构优选使用泵，它可以建立高达6bar、优选高达2bar的绝对输送压力。优选使由泵保持的容积流最高以给定的额定流量的5％变化。优选这样构成泵，使得可以实现尤其是以对应于输送容积流的容积流朝储罐回输。
按照本发明的另一方面，也建议一种用于处理内燃机排气的方法，它包括下列步骤：
a)制备至少一种包括下列物质的气体混合物：
a1)还原剂，和
a2)至少一种还原剂前体；
b)水解至少一种还原剂前体，其中获得还原剂混合物；
c)以还原剂混合物和排气加载SCR催化器，用于至少部分选择性催化还原包括在排气中的氮氧化物(NOx)，
其中，在步骤b)后实现还原剂混合物与至少部分排气的混合。
尤其可以通过按照本发明的装置执行按照本发明的方法。按照本发明的方法能够以特别有利的方式制备氨作为还原剂，用于选择性催化还原氮氧化物，其中建议一种非常动态的用于制备氨的方法，使得可以快速地对由于排气中的高氮氧化物浓度引起的对氨非常剧烈地增加并因此非常动态的需求做出反应。在步骤b)后，还原剂混合物与排气的混合尤其意味着，在排气流以外蒸发包括至少一种还原剂前体的水溶液，并且只有在还原剂前体水解成还原剂以后才添加到内燃机排气里面。优选一个方法变化，其中实现还原剂混合物与内燃机所有排气的混合。在此优选还原剂是氨、还原剂前体是尿素。
按照本发明方法的有利改进方案，步骤a)包括在蒸发单元中蒸发包括至少一种还原剂前体的水溶液。
优选还原剂前体是尿素。除了尿素，溶液可以含有其它物质，例如降低溶液冰点的物质。例如甲酸铵和/或甲酸属于这种物质。相应的溶液以商标“Denoxium”销售。另一种可能性是使用一种溶液，它以商标“AdBlue”销售。
按照本发明方法的另一有利扩展结构，步骤b)至少部分地在水解催化器中实现。在此水解催化器尤其包括一种催化剂载体，它配有相应的催化氨水解的覆层。
按照本发明方法的另一有利扩展结构，调节至少一个下列结构部件的温度：
a)蒸发单元的至少一部分；
b)水解催化器；
c)用于输送水溶液的输送管道；
d)用于添加气体混合物到水解催化器的添加管道；
e)用于添加产生的还原剂到排气系统的配量管；和
f)添加单元，通过它可以使水解催化器与内燃机排气管流体连接。
至少一个上述结构部件的温度调节能够以有利的方式精确地控制所产生产品的反应动能和所产生产品的量。因此能够准确地将与目前或预测的未来时刻排气中氮氧化物含量相协调的氨量给到排气里面，以尽可能完全转换内燃机排气中的氮氧化物。
按照本发明的另一有利的扩展结构，控制至少一个下列结构部件的温度：
a)蒸发单元的至少一部分；
b)水解催化器；
c)用于输送水溶液到蒸发单元的输送管道；
d)用于添加气体混合物到水解催化器的添加管道；
e)用于添加产生的还原剂到排气系统的配量管道；
f)添加单元，通过它可以使水解催化器与内燃机排气管流体连接。
通过各种在按照本发明的反应中发生的反应动能过程，足以对一个或多个上述结构部件的只一部分或者一个或多个上述结构部件总体进行温度控制。在此温度控制尤其是指结构部件的加热或冷却。在此足以使一个或多个上述结构部件作为一种调节机构使用，该调节机构的温度这样控制，使得通过反应动能相应地改变其它结构部件的温度。
按照本发明方法的另一有利扩展结构，使水溶液通过输送管道输送到还原剂溶液蒸发器。
尤其通过泵且尤其从储罐实现输送。
在这里特别有利的是，可以通过输送管道回输水溶液。
这一点尤其在相应的系统必需断开或者被断开时是有利的。在汽车中这种情况是当司机断开汽车点火装置的时候。在这种情况下，配量管道中存在的剩余的氨无阻碍地进入排气系统然后逐渐地排到环境。这经常是不期望的，因此通过从输送管道并且必要时也从添加管道回输，显著减少且尤其可以抑制氨和氨前体排放到环境。
按照本发明方法的另一有利扩展结构，在一秒内蒸发高达2.5ml的水溶液。
优选这样构成蒸发单元，使得可以连续地蒸发高达30ml/min(毫升每分钟)的水溶液。通过执行这种方法能够动态地制备还原剂，通过它也可以改变氮氧化物浓度的浓度峰值。
按照本发明方法的另一有利扩展结构，在开始温度控制措施之前确定至少一个下列结构部件上的温度：
a)水解催化器；
b)蒸发单元；
c)添加产生的还原剂到排气管的配量管道；
d)添加单元，通过它可以使水解催化器与排气管连接，并与另一结构部件的至少另一温度比较。
另一结构部件优选是这样的结构部件，它主要处于环境温度，例如车辆的外部温度传感器、冷却水温度计等。在此，优选在水溶液蒸发前进行比较。在这里比较尤其是指比较两个温度，其中可考虑其它因素。
在此特别优选，当通过温度比较得出确定的温度与另一结构部件的温度最多不同于给定的差值时，执行蒸发水溶液。
在给定差值时尤其考虑，系统是否以给定的时间间隔运行并且何时系统失效。此外可以给定时间间隔，其中，如果在该时间间隔内系统运行，则不执行这种诊断功能。
对于按照本发明的装置公开的细节和优点能够转移和应用到按照本发明的方法。对于按照本发明的方法公开的细节和优点也能够转移和应用到按照本发明的装置。
也可以选择这样构成按照本发明的装置和按照本发明的方法，即，使水解催化器和还原剂溶液蒸发器在运行中由排气分流通流。所有在这里公开的其中水解催化器和还原剂溶液蒸发器一般在运行中不由排气通流的有利改进方案，可以转移到其中水解催化器和还原剂溶液蒸发器在运行中由一部分排气流通流的另一种选择。
附图说明
下面借助于附图详细解释本发明，但是本发明不局限于所示的实施例。附图中：
图1以立体图示出用于制备气体混合物的装置的第一实施例，
图2以截面图示出用于制备气体混合物的装置的第一实施例，
图3示出用于使水溶液从储罐输送到添加管道的输送管道，
图4示出用于选择性催化内燃机排气中的氮氧化物的装置的视图，
图5示意性示出蒸发单元的第二实施例，
图6示出用于制备还原剂的装置，
图7以横截面图示意性示出蒸发单元的可选择实施例，
图8示出配量管道到排气管中的入口的细节，
图9以截面图示出用于制备气体混合物的装置的实施例，
图10示意性示出用于制备气体混合物的装置，
图11示出添加还原剂混合物到排气的可能的添加单元的示例，
图12示出添加还原剂混合物到排气的可能的添加单元的另一示例，
图13示出用于处理内燃机排气的装置的实施例，
图14示出用于分离水滴的机构，
图15至18示出蒸发单元的实施例，
图19和20示出用于制备气体混合物的装置的另一实施例，
图21示出用于处理排气的装置的另一实施例，
图22示出添加单元到排气管的入口部位的细节，
图23和24示出作为催化器载体的蜂窝体的示例。
具体实施方式
图1示意性示出用于制备包括至少一种下列物质的气体混合物的装置1：
a)至少一种还原剂，和
b)至少一种还原剂前体。
在此尤其涉及还原剂氨和还原剂前体尿素。该装置1包括具有分配孔3的添加管道2。此外构成用于加热添加管道2的机构4，通过它使添加管道2加热到高于水的沸点温度的第一临界温度。该装置1还包括在这里未示出的储罐，它与添加管道2流体连接。即，尤其是在储罐中存储的流体如包括至少一种还原剂前体的水溶液在运行中通过添加管道2可以流到分配孔3。通过这个装置1可以制备气体混合物，它含有至少一种还原剂和/或至少一种还原剂前体。
在所示实施例中，用于加热添加管道2的机构4与添加管道一起螺旋形地缠绕。由此通流添加管道2中的流体被加热并最终蒸发。由此通过分配孔3分配含有至少一种还原剂前体的气体混合物。根据选择用于加热添加管道2机构4的温度，甚至可以在添加管道2中已经至少部分地热解还原剂前体，由此使通过分配孔分配的气体混合物除了还原剂前体如尿素以外也已经含有还原剂如氨。
此外用于制备气体混合物的装置1也包括传感器5，通过它可以测量添加管道2至少一个位置上的温度。传感器5例如可以是常见的热敏元件或者常见的热电阻。该装置1和/或各个需要电接头的部件优选包括用于实现电接头的电缆端头。电缆端头尤其指电缆连接部，它至少半米、优选至少一米长。这一点允许在一些部位形成插头接触，这些部位尤其在汽车中只会受到很小的环境影响如溅水、石块冲击或类似影响。
图2以截面图示出图1的装置。可清楚地看出添加管道2，通过它在运行中可以通流包括至少一种还原剂前体的水溶液，还可以清楚地看到用于加热添加管道2的机构4。添加管道2可以具有恒定的横截面，但是这个横截面在本实施例中也可以变化。但是在此添加管道2的通流横截面优选为0.75mm2至20mm2，优选通流横截面位于约3mm2的范围。这个通流横截面已经证实是有利的，因为一方面在这种横截面中能够快速且基本完全蒸发水溶液，另一方面该横截面大得足以基本避免在添加管道2内部形成淀积。图2还示出用于确定添加管道2温度的传感器5。
在此使用于加热添加管道2的机构4这样运行，在运行中使添加管道2长度上的温度最高位于平均温度以上和以下5℃。平均温度在此基本对应于第一临界温度。添加管道2尤其由铜合金制成。
图3示意性示出输送管道6，通过它使添加管道2在运行中与在这里未示出的储罐连接。输送管道6具有用于控制温度的机构7。用于控制温度的机构7在这个实施例中包括多个珀耳帖元件8和一冷却体9。珀耳帖元件8分别配有电接头10，通过它们可以给珀耳帖元件供电。在此根据电流的极性使珀耳帖元件8用于加热或用于冷却，由此通过它们可以对输送管道6进行基本的温度控制。如果通过珀耳帖元件8冷却输送管道6，则冷却体9尤其用于辐射热能。
通过连接单元11可以使输送管道6与另一结构部件连接。根据装置的结构，这个结构部件或者是上述的添加管道2或者是蒸发单元12。添加管道2可以是蒸发单元12的一部分。连接单元11通常至少部分地由具有小于10W/mK(瓦每米凯尔文)导热性的材料构成。连接单元11尤其由陶瓷材料和/或聚四氟乙烯(PTFE)构成。连接单元11尤其这样构成，在连接单元11的长度57上可以保持40K/mm(凯尔文每毫米)或更大的温度梯度。这一点允许一种方法结构，其中蒸发单元12和/或添加管道2具有比输送管道6明显更高的温度。例如蒸发单元可以具有300℃或更高、400℃或更高或420℃或更高的温度，并由此使水溶液在蒸发单元12内部基本完全蒸发，而输送管道6仅仅具有70℃或更高、80℃或更高、或90℃或更高的温度水平，以保证水溶液在输送管道6里面还不蒸发。
图4示意性示出用于处理未示出的内燃机的排气13的装置15。内燃机排气13通流排气管14。用于处理内燃机排气13的装置15包括还原剂溶液蒸发器16、水解催化器17和SCR催化器18。在还原剂溶液蒸发器16里面蒸发包括还原剂前体的水溶液。尤其是使用尿素作为还原剂前体。还原剂溶液蒸发器16在这个实施例中包括蒸发单元12，它包括通过用于加热添加管道2的机构4加热的添加管道2。这个添加管道通过连接单元11与输送管道6连接。输送管道6由用于对输送管道6进行温度控制的机构7包围，它们例如如上所示可以包括一个或多个珀耳帖元件8和/或冷却体9。通过输送机构19可以使来自相应的储罐20的至少一种还原剂前体的水溶液输送到输送管道6里面。在蒸发单元12里面制备一种气体，它包括至少一种还原剂前体如尿素，必要时也包括已经通过热解尿素产生的氨。这种气体混合物导入到在还原剂溶液蒸发器16下游构成的水解催化器17里面。这样构成水解催化器17，通过相应地涂敷到其上的催化活性的覆层尤其使尿素水解成氨。水解催化器17一般用于使还原剂前体水解成还原剂。离开水解催化器17的含有还原剂并且称为还原剂混合物的气体通过配量管道21供给到排气管14。配量管道21在配量孔处通到排气管14里面，该配量孔位于SCR催化器18上游。在位于配量孔22下游和SCR催化器18上游的位置构成导板形式的混合机构23，该混合机构起到使还原剂混合物与排气13混合的作用。
因此在SCR催化器获得还原剂与排气的混合物，这使包含在排气13中的氮氧化物在SCR催化器18里面还原。在此优选制备这样的还原剂混合物的量，使得可以在SCR催化器18里面尽可能完全地转换排气13中的氮氧化物。
图5示意性示出蒸发单元12的另一实施例。这个附图示出蒸发单元12的截面图。蒸发单元12包括蒸发室24，它包括基本封闭的容积。在这个实施例中，蒸发室24仅仅具有用于连接在这里未示出的用于输送水溶液的输送管道6的第一开孔25，和用于连接在这里未示出的用于排出气体混合物的添加管道2的第二开孔26。在第一开孔25中形成喷嘴62作为用于配量水溶液45到蒸发室24里面的机构。通过这个喷嘴62使水溶液45配量到蒸发室24里面。蒸发单元12附加地具有用于加热蒸发室24的机构。这个机构在本实施例中通过相应的加热导体27构成，它们与蒸发室24接触。如同在这里所示的那样，所述加热导体27可以非对称地构成，即在与第一开孔25基本对置的部位中比在基本不与第一开孔25对置的部位中每单位面积构成更大密度的加热导体。在这里所述(用于加热的)机构还附加地包括用于燃烧碳氢化物的机构63例如燃烧器。这种燃烧器也可以合适地执行无火苗地燃烧碳氢化物。
蒸发室24优选由包括至少一种下列材料的原料构成：a)铜；b)铝；c)特种钢；d)镍基材料；和e)铬镍钢。蒸发室24的容积优选为1.5至10cm3。在运行中，优选通过高达约每秒钟一千瓦的加热功率驱动加热导体27，其中最大加热功率根据使用确定。最大加热功率对于轿车优选约为500至700W/s，对于载重车约为1200至1500W/s。蒸发室24的热容量优选小于120J/K，特别优选100至110J/K。第一开孔25和第二开孔26优选形成30°至70°的角度。水溶液45优选以高达150ml/min、优选以高达100ml/min、特别优选以高达30ml/min(的输送速度)输送到蒸发室24。蒸发室24优选在第二开孔26的区域中具有一机构，通过它可以避免水滴进入到第二开孔26里面。在此尤其涉及一机构，通过它可以刺破水滴与蒸发室24壁体之间的气膜。尤其是涉及壁体的凸起或类似结构。在这个部位可类似地形成结构28。
蒸发室24还在内部具有一个或多个结构28，通过它们实现更大的用于蒸发水溶液的表面。这些结构28在本实施例中相对较大的表示，但是在此也可以是一个形成结构的表面，它例如可以通过涂敷相应的覆层到蒸发室24内表面上实现。也可以选择或附加地使这些结构28包括巨观的结构，它们具有几毫米或者甚至更大的结构幅度。这些结构28一般作为用于提高蒸发室24表面润湿性的机构。
图6示出蒸发室24连接在排气管14上的第一实施例。在此蒸发室24配有壳体29。这个壳体29优选由相应的隔热部构成，它减少对周围的热损失。用于加热蒸发室24的机构27可以通过加热导体接头30与未示出的电源连接。
通过第二开孔26使蒸发单元12与水解催化器17连接。水解催化器17具有用于对水解催化器17进行温度控制的机构31，它们在本实施例中由相应的缠绕水解催化器17的加热丝组成。围绕水解催化器17构成相应的壳体32，它尤其构成水解催化器17相对于环境的隔热部，以尽可能减小产生的热损失。在本实施例中，水解催化器通过伸进排气管而直接与排气管14连接。在排气管14里面构成相应的孔，在其中尽可能密封地插入水解催化器17或其壳体32。通过相应的连接机构33可以尽可能密封地建立水解催化器17与排气管14之间的连接。作为被动的混合机构还构成导板34，通过它使离开水解催化器17的还原剂混合物35与在排气管14中流动的排气混合。
在运行中，通过蒸发单元12由水溶液加工气体混合物，水溶液含有尿素作为还原剂前体。在蒸发单元12中产生的气体混合物至少含有尿素，必要时也含有已经通过热解相应的尿素产生的氨。这种混合物通过第二开孔26输送到水解催化器17，在其中使尿素基本完全水解成氨。在此在水解催化器里面产生包括氨的还原剂混合物35。尤其是优选一种方法结构，其中98％或更多的尿素最终转换成氨。
图7示意性示出图5和6中的蒸发单元的可选择扩展结构。与上述第一实施例不同，这个实施例附加地具有第三开孔36。在运行中，通过这个第三开孔36连续地或脉动地使排气导入到蒸发室24里面。由此与第一实施例相比可以在产生的气体中实现更好的尿素分布。此外能够使这种蒸发单元12也用于蒸发固体尿素，因为通过由第三开孔36加入的内燃机排气可以使水加入到蒸发室24里面，该水可以在以后在水解催化器17中用于将尿素水解成氨。
图8示意性示出配量管道21到排气管的入口作为相应的添加单元46的一部分。在此配量管道21由加热导体38包围，该加热导体也形成为围绕配量管道21到排气管14的入口。
图9示意性示出在第一节点用于制备包括还原剂的气体混合物的装置1的另一方法。该装置1包括添加管道2，用于加热添加管道2的相应的机构4缠绕添加管道或者与添加管道一起缠绕。添加管道2和用于加热添加管道2的机构4共同地在壳体29里面构成。在添加管道2的卷绕体内部构成第一温度传感器39。这个第一温度传感器39通过第一连接部件40与相应的在这里未示出的控制单元连接。通过添加管道2的分配孔3使蒸发单元12与水解催化器17连接。水解催化器17具有覆层，它催化尿素水解成氨。水解催化器17由用于对水解催化器进行温度控制的机构31包围，它们包括相应构成的加热丝。这种用于对水解催化器17进行温度控制的机构31可以通过相应的第一加热导体接头41与相应的电源导电连接。这相应地也适用于用于加热添加管道2的机构4，它们通过相应的第二加热导体接头42与相应的电源连接。水解催化器17具有第二温度传感器43，它通过相应的第二连接部件44与未示出的控制单元连接。通过第二温度传感器43可以确定水解催化器17内部或其上的温度。
在运行中，尿素水溶液45输送到添加管道2里面。通过用于加热添加管道2的机构4实现添加管道2的加热，并由此蒸发这种尿素水溶液，并且可能根据温度至少部分地将所含的尿素热解成氨。通过分配孔3使相应的气体混合物给到水解催化器17里面，在其中使包括的尿素水解、优选基本完全水解成氨。相应的还原剂混合物35离开水解催化器17，该还原剂混合物导入到内燃机排气系统的排气管14里面。在此优选一种方法结构，其中通过传感器39、43监控蒸发单元12和/或水解催化器17的温度并且通过相应的机构4、31对两个结构部件12、17进行加热。
图10示意性示出用于制备包括至少一种还原剂的气体混合物35的装置1。这个装置包括串联的输送管道6，通过它使水溶液从未示出的储罐输送到蒸发单元12。水解催化器17连接到蒸发单元12上并且在水解催化器上连接用于添加相应的混合物到未示出的排气管的配量管道21或用于添加还原剂混合物到排气管14的添加单元46。蒸发单元12具有第三温度传感器47。通过这个第三温度传感器47可以测量输送管道6里面的温度。选择性地使配量管道21和/或添加单元46具有第四温度传感器48，通过它可以确定配量管道21和/或添加单元46的温度或配量管道21和/或添加单元46里面的温度。蒸发单元12具有用于加热添加管道2的机构4和/或用于加热蒸发室24的机构27。水解催化器17可以选择性地、替代机构4、27和/或附加于机构4、27，具有用于对水解催化器17进行温度控制的机构31。可选地，使输送管道6选择性地和/或附加地具有温度控制机构49，通过它可以控制输送管道6的温度。尤其是在这里能够有利地且按照本发明实现一个或多个珀耳帖元件。配量管道21和/或添加单元46具有添加温度控制机构50，通过它可以对配量管道21和/或添加单元46进行温度控制。在这里也有利地使用至少一个珀耳帖元件。
所有形成的温度控制机构4、27、31、49、50和所有形成的温度传感器39、43、47、48与控制单元51连接。通过这个控制单元51在调节回路中实现温度调节，调节回路包括至少一个用于控制温度的机构4、27、31、49、50和至少一个温度传感器39、43、47、48。优选使温度传感器39、43、47、48的数量多于用于对结构部件6、2、24、17、21、46进行温度控制的机构4、27、31、49、50的数量。控制单元51优选与内燃机的控制器连接或者集成到控制器里面。在控制蒸发单元12的蒸发和/或输送时，有利地可以考虑内燃机控制器的数据和内燃机的运行参数。
图11示意性示出用于制备气体混合物的装置的局部。在排气管14里面在SCR催化器18上游构成具有用于流体通流的通道的蜂窝体52，它是相应的混合机构53的一部分。这样构成蜂窝体52，使排气至少部分地以与排气主通流方向成角度地通流蜂窝体。在此主通流方向54通过图11中相应的箭头表示。在本实施例中蜂窝体52锥形地构成。蜂窝体尤其具有其中没有通道的较大的缺口55。配量管道21作为添加单元46的一部分通到这个缺口55里面，在运行中通过该配量管道加入还原剂混合物35。
图12示意性示出添加单元46的示例，具有用于添加还原剂混合物到排气管14里面的配量管道21。在此配量管道21以弯曲的状态穿过排气管14的壁体。配量管道21在伸进排气管14的部位里面具有小孔56。在此不必一定使配量管道21弯曲或拐弯地进入到排气管14里面，配量管道21也可以正好垂直或直线地进入排气管14里面。附加地在这里构成导板23，它使还原剂混合物与排气管14中的排气13更好地混合。
图13示意性示出用于处理未示出的内燃机排气的装置1的扩展结构。在第一排气段58里面构成蒸发单元12和水解催化器17。通过用于流体引导的机构60将排气分配到第一排气段58和第二排气段59。在第一排气段58的入口61下游，在第二排气段59中构成SCR催化器18。
优选使蒸发单元12具有用于分离水滴的机构64，它们例如可以在添加管道2内部或者在蒸发室24的第二开孔46的里面或下游构成。图14示出这种用于分离水滴的机构64的实施例。这个机构64连接到添加管道2或者连接到通常蒸汽穿过的管道65。如果在蒸汽中还存在水滴，在本实施例中使它们通过惯性作用分离。在机构64中构成一个或多个碰撞板66，它们强制流体偏转67。加热碰撞板66和/或机构64的壳体68，由此同样蒸发分离的水滴。代替在这里所示的用于分离水滴的机构64，可以选择或增加其它措施，例如可以使添加管道2或管道65局部地具有变窄的横截面、凸起、偏转部或类似结构。
图15示意性示出蒸发单元12的另一实施例，其中添加管道2可以通过用于加热添加管道2的机构4加热。用于加热添加管道2的机构4在这里包括杆状的加热部件69，它通过电接头70与电源连接。在添加管道2中构成用于分离水滴的机构64，它通过与杆状加热部件69接触而加热。
图16示意性示出蒸发单元12的另一实施例，其中添加管道2以回环的形式两次缠绕杆状加热部件69。
图17和18示出蒸发单元12的实施例，其中添加管道2不缠绕杆状加热部件69的纵轴线，而是以回环固定在杆状加热部件69上。原则上优选在添加管道2与杆状加热部件69之间进行材料结合的连接，尤其是硬钎焊连接(“brazed connection”)。
图19和20示意性示出用于制备包括至少一种下列物质的气体混合物的装置1的另一实施例：a)还原剂，优选氨，和b)至少一种还原剂前体、尤其是尿素，所述装置具有水解催化器17。该装置1包括至少一个添加管道2，在本实施例中为四个添加管道2，它们螺旋形地缠绕杆状加热部件69。每个添加管道2分别具有一个分配孔3，通过它在运行中分配包括还原剂的气体混合物。分配孔3这样分布，它们在一个圆上基本均匀地分布。添加管道2与在这里未示出的储罐20连接，从储罐通过输送机构19将至少一种还原剂前体的水溶液45输送到添加管道2里面。添加管道2和加热部件69是相应的还原剂溶液蒸发器16的一部分。
在分配孔3下游构成水解催化器17，它同样可以由杆状加热部件69加热。在有利的改进方案中只构成一个杆状加热部件69，它不仅与添加管道2而且与水解催化器17热接触。水解催化器17在本实施例中由环形蜂窝体构成。在水解催化器17下游连接配量管道21，通过它在运行中可以使包括至少一种还原剂的气流输送到排气管14里面。通过连接机构71可以建立到排气管14的机械连接。此外构成隔热部72，通过它使水解催化器17与排气管14在热上脱离联接。此外构成隔热板73，通过它使水解催化器17免受热辐射。此外在外部壳体75与内部壳体76之间构成气隙隔热部74，它同样用于隔热。
图20示出添加管道2部位的横截面图，可以看出添加管道环绕杆状加热部件69。
图21示意性示出用于处理排气13的装置15的另一实施例。与图4的实施例不同，在输送管道6中构成阀门77，它用于使水溶液45配量到蒸发单元12里面。阀门77通过控制接头78控制。
图22示意性示出添加单元46在排气管14中的入口部位79。排气管14和/或添加单元在这里具有隔板80，它在运行中在入口部位79中实现排气流的死区或静止区并且伴随具有低压的部位，并因此确保没有排气挤入添加单元46里面。添加单元46还具有温度传感器81，它包括环形构成的热电阻。如果在这个部位形成淀积，则可以使温度传感器81与电源(未示出)连接，以通过提高温度到第二理论温度、例如550℃或更高或者甚至600℃或更高，从而起到溶解或减少淀积的作用。
图23示意性示出蜂窝体82的横截面，它不仅可以用于水解催化器17而且可以用于SCR催化器18，其中在此必需涂敷其它催化活性的覆层。蜂窝体82由平整的金属层83和波形的金属层84构成，它们在这个实施例中层叠成三个堆叠并且相互卷绕。蜂窝体82还包括壳体管85，它向外封闭蜂窝体82。平整层83和波形层84形成用于通流排气13的通道86。
图24示出蜂窝体87的另一示例，它环形地构成并且不仅用于水解催化器17而且用于SCR催化器18，其中在此必需涂敷其它催化活性的覆层。蜂窝体87由层88构成，它们具有平整的区段89和波形的区段90，这些区段相互折叠并且形成用于通流排气13的通道86。蜂窝体87通过外部的壳体管91和内部的壳体管92封闭。
尤其在通过机构4、69加热的添加管道2中，原则上有利的是，除了单侧加热以外也可以在另一侧加热。因此可以构成其它套状的加热部件，它们从外面包围添加管道。原则上有利的是，在添加管道2的某些横截面上，在运行中使圆周上(各个位置)的温度与平均温度的差最多为+25℃或-25℃。
作为水解催化器17，原则上也可以是配有催化尤其是尿素水解成氨的覆层的管，或者是配有至少一个在外圆周上安置形成结构的金属层的壳体管，它优选径向在其内部具有至少为壳体管整个横截面的至少20％的自由通流的横截面。这个实施例优选从外面加热。
原则上，在开始在SCR催化器18上游提供还原剂之前，优选进行下列方法：
-首先，检验用于当前温度控制和/或加热机构4、27、31、49、50、63、69的电源或燃料源是否可靠；
-如果确定电源和/或燃料源是可靠的，然后将蒸发单元12和必要时水解催化器17加热到给定的理论温度，尤其是使添加管道2加热到约350至450℃和/或使蒸发室24加热到约350至450℃；优选分别为380℃。并联地使水溶液45一直输送到蒸发单元24、尤其是连接单元11，其中一方面可以输送基本上对应于输送管道6容积的水溶液45体积，另一方面，例如以导热性测量为基础，在相应的位置上、例如在连接单元11上、里面或与其相邻地构成相应的传感器；
-然后，确定、尤其是测量和/或由发动机控制器的数据计算SCR催化器18或排气管14的温度。
如果SCR催化器18的温度高于给定的极限值、尤其是高于SCR催化器18的起始温度(“light off”温度)，则向蒸发单元12供应水溶液45。如果蒸发单元12、添加管道2和/或蒸发室24还基本处于其运行温度，则可以省略上述的诊断步骤。
在运行中，加入到蒸发单元12里面的热功率与水溶液45的输送量对应。这尤其意味着，对于各输送量的蒸发，检验需要多少理论加热功率。如果测得的一个时间间隔的实际加热功率低于理论加热功率，则对使用者给出警示，因为可能出现添加管道2和/或配量管道21横截面的减小。
此外有利的是，在规则的、给定的时间间隔中使蒸发单元12、添加管道2、蒸发室24、水解催化器17、配量管道21和/或添加单元46加热到位于正常运行温度以上的温度，以由此溶解可能存在的淀积。
在结束蒸发时、例如在内燃机停机时，可以使水溶液45从添加管道2回输。优选在从添加管道2回输前首先中止水溶液45的输送，但是还使蒸发单元12、添加管道2和/或蒸发室24加热到通常的温度，以由此执行完全蒸发，并由此防止在回输时蒸发单元12、添加管道2和/或蒸发室24中可能存在的污物进入到输送管道6里面。在一定的时间过后，可以通过输送机构19开始回输。以有利的方式在连接单元11中或与其相邻地构成阀门，通过该阀门可以在回输时抽吸空气。原则上一直回输到输送管道6基本排空到储罐20里面。
在要被输送的水溶液45的输送量剧烈变化时，例如这可能源于内燃机排气中的氮氧化物浓度剧烈增加，可能产生蒸发单元12不能突然蒸发明显更大量水溶液45的情况，因为不能这样快速地实现相应增加地加热。在这种情况下，优选只这样提高水溶液45的输送量，使得正好还能够实现完全蒸发。
要分配的还原剂量和因此也要蒸发的水溶液45量可以根据例如至少一个下列条件确定：
a)排气中的氮氧化物浓度；
b)预测的优选在排气通过SCR催化器18时出现的氮氧化物；
c)SCR催化器18正好可以转换的最大的还原剂量。
储罐20、输送管道6、蒸发单元12、添加管道2、蒸发室24和/或水解催化器17可以例如形成为与内燃机油箱热接触。为了防冻，这个油箱通常具有加热器，该加热器也可以为上述结构部件提供防冻。
按照另一有利的方面，建议用于制备包括至少一种下列物质的气体混合物的装置1：
a)至少一种还原剂；和
b)至少一种还原剂前体。
在此，装置1包括用于包括至少一种还原剂前体的水溶液45的储罐20。从储罐20将水溶液45通过输送机构19输送到至少一个具有分配孔3的添加管道2。有利地构成用于加热添加管道2的机构4，通过它可以使至少一个添加管道2加热到超过水的沸点温度的临界温度以上。优选使这个温度为350℃或更高、优选400℃或更高、尤其是约为380℃。这个装置1的有利改进方案规定，使输送机构19包括至少一个泵。该泵优选是配量泵。按照这个装置的另一有利改进方案，在输送机构19与添加管道2之间构成用于配量水溶液45量的阀门。此外用于加热的机构4包括至少一个下列部件：
a)电阻加热器；
b)用于利用至少另一结构部件废热的热传递机构；
c)至少一个珀耳帖元件；和
d)用于燃料燃烧的机构。
这个装置的另一有利改进方案的特征在于，这样构成装置1，使得在运行中温度在添加管道2的长度上最高位于平均温度以上和以下25℃。
这个装置的另一有利扩展结构的特征在于，添加管道2具有最大20mm2的通流横截面。此外有利的是，添加管道2由包括至少一种下列原料的材料构成：
a)铜；
b)铝；
c)镍基材料；
d)铬镍钢；和
e)特种钢。
添加管道2尤其具有0.1至5m的长度、尤其0.3至0.7m的长度、特别优选基本0.5m。添加管道2优选具有0.1至0.5mm的壁厚。添加管道2优选具有至少150J/K(焦耳每凯尔文)的热容量。
按照这个装置1的有利扩展结构，添加管道2和用于加热添加管道2的机构4至少在至少局部部位中具有至少一个下列的相互布置：
a)添加管道2和用于加热添加管道的机构4至少在局部部位中相互同轴地构成；
b)添加管道2和用于加热添加管道的机构4至少在局部部位中相互共中心地构成；
c)添加管道2和用于加热添加管道的机构4至少在局部部位中并排地构设置；
d)添加管道2至少在局部部位中围绕用于加热添加管道2的机构4环绕地构成；
e)用于加热添加管道2的机构4至少在局部部位中是杆状加热部件69，添加管道2围绕杆状加热部件69环绕地构成；和
f)添加管道2形成杆状加热部件69中的通道。
按照装置1的另一有利扩展结构，使添加管道2和用于加热添加管道2的机构4至少在局部部位中材料结合地相互连接。材料结合的连接尤其是钎焊和/或焊接连接。
按照装置1的另一有利扩展结构，使添加管道2至少部分地配有催化还原剂前体水解成还原剂的覆层。优选使装置1包括至少一个用于确定添加管道2温度的传感器5。优选使这个传感器与电源5连接，以由此例如在紧急程序范围内使添加管道2加热到超过临界温度。
此外描述一种用于制备包括至少一种下列物质的气体混合物的有利方法：
a)至少一种还原剂，和
b)至少一种还原剂前体。
在此，至少一种还原剂前体的水溶液45从储罐20输送到添加管道2里面。在此这样加热添加管道2，使水溶液45完全蒸发成气体混合物。在此，完全尤其是指蒸发90重量％和或更多的水溶液、优选95重量％或更多、特别优选98重量％的水溶液。这个方法的一个有利改进方案针对包括在至少一个下列组分里面：
A)混合物，和
B)水溶液
的至少一种还原剂前体
a)尿素，和
b)氨。
此外有利的是，在添加管道2里面的温度位于380℃至450℃之间的平均温度。优选该温度在添加管道2的长度上最高在平均温度以上或以下25℃，优选为380℃至450℃的平均温度。
按照这个方法的另一有利扩展结构，在加热时使用以高达500W/s变化的加热功率。优选将0.5ml/s的水溶液45量输送到添加管道2里面。此外优选添加管道2具有最大20mm2的通流横截面。优选使添加管道2加热到第二温度，该第二温度高于水溶液45完全蒸发的临界温度，以溶解可能存在的淀积。
按照这个方法的另一有利扩展结构，在开始蒸发前确定添加管道2的温度并且与另一已知的温度进行比较。在此它例如可以是在汽车中已知或测得的温度，例如通过外部温度传感器测得的外部温度或冷却水温度。
按照这个方法的另一有利扩展结构，通过电阻加热实现对添加管道2的加热，其中在开始加热前确定这个电阻加热器的电阻并且根据获得的电阻加热添加管道。这个方法的另一有利扩展结构是，监控加热添加管道2时引入的加热功率。按照这个方法的另一扩展结构，如果加热功率在给定的时间间隔上保持在与要被蒸发的水溶液量有关的数值以下，则中断加热。
按照另一有利的方面，描述一种用于制备包括至少一种下列物质的气体混合物的装置1：
a)至少一种还原剂，和
b)至少一种还原剂前体。
在此构成用于包括至少一种还原剂前体的水溶液45的储罐20，它与蒸发室24流体连接。此外构成用于配量水溶液45到蒸发室24里面的机构，其中构成用于加热蒸发室24的机构27、63，通过它们使蒸发室24加热到高于或等于临界温度的温度，在该温度下至少部分地蒸发水溶液。按照这个装置1的有利改进方案，用于配量水溶液45的机构包括至少一个喷嘴62。以有利的方式使蒸发室24具有基本封闭的容积，它仅仅具有用于连接水溶液45输送管道6的第一开孔25和用于连接排出气体混合物的添加管道2的第二开孔26。按照这个装置1的有利改进方案，蒸发室24包括基本封闭的容积，它仅仅具有用于连接水溶液45输送管道6的第一开孔25、用于连接排出气体混合物的添加管道2的第二开孔26、和用于添加排气14的第三开孔36。这个装置的另一有利改进方案规定，用于加热蒸发室24的机构27、63包括至少一个下列结构部件：
a)电阻加热器27，和
b)用于燃烧燃料的机构63。
此外有利的是，蒸发室24是基本球形对称的。优选使蒸发室24具有2mm至25mm的半径。此外有利的是，蒸发室24具有30至4000mm3的容积。用于加热蒸发室的机构27、63可以施加高达5kW的加热功率。此外以有利的方式构成用于输送水溶液45的输送管道6，它使蒸发室24与储罐20连接并且其中构成输送机构19，通过它可以通过输送管道6输送流体。按照这个装置的另一有利扩展结构，这样构成该装置，在运行中使蒸发室24的温度最高位于平均温度以上和以下25℃。此外有利的是，蒸发室24至少在局部部位中具有用于提高表面润湿性的机构28。这尤其可以包括蒸发室24内表面的成形结构(凸起或类似结构)。
此外描述一种用于制备包括至少一种下列物质的气体混合物的方法：
a)至少一种还原剂，和
b)至少一种还原剂前体。
至少一种还原剂前体的水溶液45输送到蒸发室24里面，其中蒸发室24这样加热，使水溶液45完全蒸发成气体混合物。这种方法可以以有利的方式这样构成，使蒸发室24包括基本封闭的容积，它仅仅具有用于连接水溶液45的输送管道6的第一开孔25和用于连接排出气体混合物的添加管道2的第二开孔26。
对此也可以选择使蒸发室24包括基本封闭的容积，它仅仅具有用于连接水溶液45输送管道6的第一开孔25、用于连接排出气体混合物的添加管道2的第二开孔26、和用于添加排气14的第三开孔36。
这种方法可以有利地通过调节地实现加热而改进。尤其是使蒸发室24加热到350℃至450℃的平均温度。此外有利的是，使蒸发室24这样加热到平均温度，在蒸发室24上没有偏离平均温度高于+25℃和-25℃的温度的位置。
按照本发明的装置15以有利的方式能够制备足够量的还原剂，以选择性地催化还原SCR催化器18中的氮氧化物，其中同时可以使水解催化器17以比由现有技术已知的更小容积构成，因为在这里水解催化器17不由排气通流。
附图标记列表
1 用于制备气体混合物的装置
2 添加管道
3 分配孔
4 用于加热添加管道的机构
5 传感器
6 输送管道
7 用于控制温度的机构
8 珀耳帖元件
9 冷却体
10 电接头
11 连接单元
12 蒸发单元
13 排气
14 排气管
15 用于处理内燃机排气的装置
16 还原剂溶液蒸发器
17 水解催化器
18 SCR催化器
19 输送机构
20 储罐
21 配量管
22 配量孔
23 混合机构
24 蒸发室
25 第一孔
26 第二孔
27 用于加热蒸发室的机构
28 结构
29 蒸发单元的壳体
30 加热导体接头
31 用于对水解催化器进行温度控制的机构
32 水解催化器的壳体
33 连接机构
34 导板
35 还原剂混合物
36 第三孔
37 导向结构
38 加热导体
39 第一温度传感器
40 连接部件
41 第一加热导体接头
42 第二加热导体接头
43 第二温度传感器
44 第二连接部件
45 水溶液
46 添加单元
47 第三温度传感器
48 第四温度传感器
49 温度控制机构
50 添加温度控制机构
51 控制单元
52 蜂窝体
53 混合机构
54 主通流方向
55 缺口
56 小孔
57 长度
58 第一排气段
59 第二排气段
60 用于流体引导的机构
61 入口
62 喷嘴
63 用于燃烧碳氢化合物的机构
64 用于分离液滴的机构
65 管道
66 碰撞板
67 偏转
68 壳体
69 杆状加热部件
70 电接头
71 连接机构
72 隔热部
73 隔热板
74 气隙隔热部
75 外部壳体
76 内部壳体
77 阀门
78 控制接头
79 入口部位
80 隔板
81 温度传感器
82 蜂窝体
83 平整的金属层
84 波形金属层
85 壳体管
86 通道
87 环形蜂窝体
88 层
89 平整部位
90 波形部位
91 外部的壳体管
92 内部的壳体管
Claims (10)
1.一种用于处理内燃机排气的装置(15)，至少包括：
还原剂溶液蒸发器(16)；
水解催化器(17)，该水解催化器与还原剂溶液蒸发器(16)连接，以使尿素水解成氨；和
用于选择性催化还原氮氧化物的SCR催化器(18)，
其中，还原剂溶液蒸发器(16)包括用于制备气体混合物的蒸发单元(12)，气体混合物包括至少一种下列物质：
a)至少一种还原剂前体；和
b)还原剂，
其中，通过蒸发单元(12)可以蒸发包括至少一种还原剂前体的水溶液(45)，其中SCR催化器(18)形成在排气管(14)中，其特征在于，还原剂溶液蒸发器(16)和水解催化器(17)形成在排气管(14)外部，并与排气管连接，在水解催化器(17)下游形成隔热部(72)，所述隔热部(72)防止所述水解催化器(17)将热量传到所述排气管(14)上。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，蒸发单元(12)通过输送管道(6)与水溶液(45)的储罐(20)连接，其中输送管道(6)和蒸发单元(12)通过连接单元(11)相互连接。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，连接单元(11)至少部分地由具有小于10W/mK(瓦每米凯尔文)导热性的材料构成。
4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，连接单元(11)由至少一种包括至少一种下列材料的材料构成：
a)陶瓷材料，和
b)聚四氟乙烯(PTFE)。
5.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，连接单元(11)构成使得在连接单元(11)的长度上可以保持40K/mm(凯尔文每毫米)或更大的温度梯度。
6.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个下列结构部件具有催化尿素水解的覆层：
a)连接单元(11)的至少一部分；
b)用于添加气体混合物到水解催化器(17)的添加管道(2)的至少一部分；
c)蒸发单元(12)的至少一部分；
d)用于添加产生的还原剂到排气系统的配量管(21)的至少一部分；和
e)添加单元(46)的至少一部分，通过该添加单元使水解催化器(17)与排气管(14)连接。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，隔热部(72)直接连接在水解催化器(17)上。
8.一种用于处理内燃机排气的方法，包括下列步骤：
a)制备包括至少一种下列物质的气体混合物：
a1)还原剂，和
a2)至少一种还原剂前体；
b)水解至少一种还原剂前体，其中获得还原剂混合物(35)；
c)以还原剂混合物(35)和排气(14)加载SCR催化器(18)，以至少部分选择性催化还原包括在排气中的氮氧化物(NOx)，
其中，在步骤b)后实现还原剂混合物(35)与至少部分排气(14)的混合，实现步骤b)的水解催化器(17)与用于所述排气(14)的排气管在热上脱离联接。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤a)包括在蒸发单元(12)中蒸发包括至少一种还原剂前体的水溶液(45)。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，调节至少一个下列结构部件的温度：
a)蒸发单元(12)的至少一部分；
b)水解催化器(17)；
c)用于输送水溶液(45)到蒸发单元(12)的输送管道(6)；
d)用于添加气体混合物到水解催化器(17)的添加管道(2)；
e)用于添加产生的还原剂到排气系统的配量管(21)；和
f)添加单元(46)，通过该添加单元使水解催化器(17)与内燃机的所述排气管流体连接。
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