CN101523021A - 用于提供含有还原剂的气流的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在内燃机排气系统中提供含还原剂的气流(24)的方法，其包括以下步骤：A)提供至少一种还原剂前体(12，28，34)；B)蒸发至少一种还原剂前体(12，28，34)以形成气流(13)；C)至少部分地将气流(13)加热到至少250℃的温度；D)至少部分地使气流(13)中的还原剂前体(12，28，34)转化为还原剂；以及E)将含还原剂的气流(24)添加到内燃机的废气(25)中。根据本发明的方法和装置允许提供含还原剂的气流(13)，其量可以容易地控制并且可以被调整为适应特别是在机动应用、例如在汽车中的废气系统中经常发生的动态变化的情况。根据本发明，第一区(7)的温度保持在大约150℃或稍低，而第二区(8)的温度保持大于300℃。当还原剂前体以蒸汽形式供应到水解催化转化器(22)中时，水解催化转化器(22)几乎不冷却，从而提供本发明的积极效果。

Description

用于提供含有还原剂的气流的方法和装置
本发明的主题内容为一种用于在内燃机排气系统中制备包含至少一种还原剂的气流的方法和装置。该方法和装置可以优选用于提供选择性催化还原内燃机的排气系统中(例如举例来说在汽车中)的氧化氮的还原剂。这里优选的还原剂为在例如脲的基础上提供的氨(NH3)。
在许多国家中，内燃机废气的某些成分的排放是不期望的。为了保持所述成分尽可能低的排放，许多国家都使用内燃机运转期间必须遵守的排放标准。废气中不期望的成分的实例为氧化氮(NOx)，这种成分的排放首先会通过发动机内在的措施减少，例如举例来说为合适的发动机设计和合适的内燃机运转，其次，该成分会通过废气后处理的方法减少。用于减少内燃机废气中氧化氮比例的一种可能性为使用选择性催化还原，其中至少一部分内燃机废气中的氧化氮使用选择性作用于氧化氮的还原剂转化。
为了供给或提供这种还原剂，通常使用还原剂前体，例如举例来说为脲，由此制备所需要的还原剂。这里，以最动态的和有效的方式提供还原剂作为内燃机废气中氧化氮比例的动力学的函数是必需的。
由此看来，本发明目的的基础在于提出一种用于提供还原剂的方法和装置，该方法可以有效的控制并且允许有效地提供还原剂。
所述目的通过一种具有独立权利要求特征的方法或装置实现。各自从属权利要求的目的在于有利的扩展。
根据本发明用于在内燃机排气系统中提供含还原剂的气流的方法包括以下步骤：
A)提供至少一种还原剂前体；
B)蒸发至少一种还原剂前体以形成气流；
C)至少部分将气流加热到至少250℃的温度；
D)至少部分的将气流中的还原剂前体转化为还原剂；以及
E)将含还原剂的气流添加到内燃机的废气中。
这里的还原剂特别理解为用于选择性催化还原的还原剂的含义，该还原剂，以及对应的方法，在步骤E)后继续。优选的还原剂为氨。还原剂前体理解为可以反应形成还原剂的物质或者可以分裂出还原剂的物质的含义。至少一种还原剂前体的蒸发特别理解为其中还原剂前体完全蒸发的含义。还原剂前体的完全蒸发特别理解为超过90％的还原剂前体蒸发的蒸发，优选超过95％，且特别优选超过98％。
步骤A)中至少一种还原剂前体的提供可以通过固体还原剂前体的形式或至少一种还原剂前体的溶液的形式实现。这里至少一种还原剂前体的提供优选以水中的脲溶液的形式实现，如果合适的话添加进一步的还原剂前体或降低溶液凝固点的物质。
至少部分的加热气流也可以特别理解为多步加热的含义，例如首先发生加热到第一温度，且然后在第二步中，加热到比第一温度高的第二温度。
根据本发明的方法的优点在于例如还原剂在排气系统外生成。由于还原剂的输送并不取决于瞬时的废气体积流量，因此这产生了极大改进了动力学。此外，由于含还原剂的气流的实际输送实质上通过蒸发和由此产生的体积变化的方法发生，因此根据本发明的方法有利的保证了分离输送。
根据本发明的方法的一种有利的改进，步骤D)在步骤B)和步骤E)之间的时间段发生。
特别地，步骤D)可以至少部分的以还原剂前体至少部分热解的形式在与步骤C)相同的时间发生以形成还原剂。此外，替换性地或额外地，优选可在排气系统外发生还原剂前体至少部分水解以形成还原剂，也就是说在步骤E)之前。为了这一目的，特别有可能的是水解催化转化器在排气管线外形成，但是可以通过至少一个含还原剂前体的气流输送。由于步骤C)进一步的加热，因为步骤C)中温度优选达到高于或等于水解催化转化器的点燃(light-off)温度，因此在所述催化转化器中水解获得了非常有效的控制和高水平的转化效率。因此供给的含还原剂前体的气流并不会导致水解催化转化器在这里冷却。优选有可能在系统冷启动阶段的末尾进一步加热水解催化转化器(额外可能省略)。
根据本发明方法的进一步有利的改进，步骤D)包括以下过程中的至少一个：
a)至少部分水解还原剂前体和
b)至少部分热解还原剂前体。
根据本发明方法的进一步有利的改进，步骤B)在180℃或更低的温度下发生。
这里特别优选以温度在140到170℃的范围内的方法控制温度。还优选本方法以步骤B)中的温度在140到150℃的范围内的方法实现，且优选小于153℃，这是因为已经发现如果该方法以这种方法进行，则不期望的副产物的沉积相对较低。
根据本发明方法的进一步有利的改进，步骤C)中在250℃到550℃的温度下进行加热。
特别地，已经证实350到450℃的温度是特别有利的，因为这样的温度范围在用于进行步骤C)的组分中仅仅观察到非常轻微的沉积。
根据本发明方法的进一步有利的改进，步骤A包括以下过程中的至少一个：
a)至少一种还原剂前体溶液以水溶液的形式输送到管道的步骤B)在其中进行的第一区；
b)至少部分的将含有至少一种还原剂前体的条状固体物质准连续输送到管道的步骤B)在其中进行的第一区；以及
c)将至少一种包含至少一种还原剂前体的固体物质颗粒添加到管道的步骤B)在其中进行的第一区。
至少一种还原剂前体的溶液，特别是水溶液，优选是脲的水溶液。这种溶液以商标“AdBlue”上市。还有可能的是这种溶液进一步含有例如降低溶液凝固点的添加剂。溶液以商标名称“Denoxium”商购获得，其中除了脲之外，还含有甲酸和/或甲酸铵。这种输送优选通过泵进行，该输送可首先通过计量泵进行，或者其次通过与常规的泵相结合的相应的计量阀进行。
准连续输送理解为并不提供预先确定的固体物质的量，而是目前恰好需要的量，其在某种意义上为由条状固体物质熔化的物质。在方案c)中，固体物质颗粒特别理解为熔化的和蒸发的小球或小珠。
在本发明的上下文中，管道特别理解为在包围棒状加热元件的外壳或套管中形成的管道。替换性地和/或额外地，如果合适的话，还有可能的是管道具有与导热体一起形成的毛细管，且其特别缠绕为螺旋形。还特别有可能的是管道具有连续的或不连续的变化的横截面。
在本发明的上下文中还原剂前体理解为包含以下物质中至少一种的物质或物质的混合物：
a)脲((NH2)2CO)；
b)甲酸铵(HCOONH4)；
c)氨基甲酸铵(H2NCOONH4)；
d)碳酸铵((NH4)2CO3)；
e)碳酸氢铵(NH4HCO3)；
f)草酸铵((NH4)2(C2O4))；
g)氢氧化铵(NH4OH)；
h)氰酸(HOCN)；
i)氰尿酸(C3H3N3O3)；以及
j)异氰酸(HNCO)。
还原剂前体还可以是以上列出的物质中至少一种的衍生物。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于在内燃机的废气中提供含还原剂的气流的装置，该装置至少包括：
i)用于将至少一种还原剂前体提供到至少一个管道中的输送装置，所述管道包括至少一个用于至少部分蒸发还原剂前体以形成气流的第一区和至少一个用于至少部分加热气流的第二区；
ii)至少一个用于将气流中的还原剂前体转化为至少一种还原剂的装置；以及
iii)至少一个用于将第一区加热到第一温度并且将第二区加热到第二温度的加热元件。
这里的第二温度高于第一温度。第一温度优选在180℃或更低的范围内，优选在140到170℃的范围内，特别优选在140到150℃的范围内，且优选小于153℃。第二温度为至少250℃，且特别是在250℃到550℃的范围内，也别是在350℃到450℃的范围内。
至少在区域内并且特别是在第二区的区域内，管道优选具有催化还原剂前体水解以形成还原剂、例如脲以形成氨的催化性涂层，。
根据本发明的装置有利地允许以含还原剂的气流的形式高度动力学地提供还原剂，所述气流特别用于可能形成的且可以是用于转化还原剂前体的装置的至少一部分的水解催化转化器。催化还原剂前体形成还原剂的涂层可以特别是具有Al2O3，TiO2，SiO2和/或ZrO2作为催化活性物质的涂层。
根据本发明装置的一个有利的改进，输送装置包括以下部件中的至少一个：
a)用于输送至少一种液体中的还原剂前体溶液的装置；
b)用于准连续输送含有至少一种还原剂前体的固体物质的装置；以及
c)用于不连续输送含有至少一种还原剂前体的固体物质的装置。
在本申请上下文中，准连续输送特别理解为并不意味着提供限定量的固体物质-正如例如不连续输送的情况-而是恰好熔化或蒸发了对应于目前需要还原剂量的固体物质比例。
根据本发明装置的进一步有利的改进，用于转化还原剂前体的装置至少部分包括在第二区中。
这特别意味着第二区至少在部分区域内包括水解催化剂涂层。
根据本发明装置的进一步有利的改进，至少形成一个水解催化转化器。
除了在例如管道的第二区的区域中催化还原剂前体水解形成还原剂的涂层，在一些其他的区域中也可能提供水解催化剂涂层，或者提供其他具有相应涂层或具有相应植入的催化性活性中心的蜂巢体。这里，用于转化还原剂的装置通常在管道的至少第一区的下游形成。
根据进一步有利的改进，以下区中的至少一个包括可加热的管道：
a)第一区，和
b)第二区。
特别地，所述加热可通过电阻加热器、连续燃烧器和/或通过Peltier元件提供。这里优选使用电阻加热器，特别优选使用可以通过例如PTC(正温度系数)电阻器实现的自调节电阻加热器。特别地，至少提供两个加热区，其标称温度对应于第一和第二温度。也就是说，选择该标称温度以至于对应的第一和第二温度存在于第一区和第二区的介质中。
根据本发明装置的进一步有利的改进，第一和第二区是可加热管道的一部分。
在运转中，首先将溶液中的还原剂前体和/或固体物质供给第一区，其中还原剂前体在第一区蒸发。这样生成的气体之后流过管道的第二区。
根据本发明装置的进一步有利的改进，第一区的区域中的管道具有比第二区的区域中的管道更小的横截面。
因此第二区的区域中可穿过的横截面比第一区中的大。这允许还原剂前体的随着体积的增加而蒸发。第二区的横截面与第一区的横截面的比例特别地在1到3之间。第二区的管道表面积与第一区的管道表面积之比优选为大约0.3到0.6，优选为大约0.5。第一区的表面积优选为0.4平方米，优选为0.1平方米或更小，特别优选为小于0.05平方米，例如特别为大约0.02平方米。第二区的表面积优选为0.2平方米，优选为0.05平方米或更小，特别优选小于0.025平方米，例如特别为大约0.01平方米。可以引入第一区的最大能量密度最多为50W/cm2(瓦特每平方厘米)，优选为最多5瓦特每平发厘米。可以引入第二区的最大能量密度最多为50瓦特每平发厘米，优选为最多15瓦特每平发厘米。该区特别设定为使得可以引入第一区的最大能量密度与可以引入第二区的最大能量密度的商大约为3。已经证实所述值是特别有利的，因为在这一值下阻止了不期望的可能导致管道堵塞的副产物的生成。
本发明内在的概念为还原剂前体、特别是脲的水溶液两阶段加热，在第一阶段中脲的水溶液或还原剂前体蒸发，并且在第二阶段中对由此发生蒸气进一步加热，可能伴随着还原剂前体初始部分热解以形成还原剂。该区域或第一区的长度，或者更广义地，还原剂前体发生蒸发的区域的长度，取决于要蒸发的还原剂前体的量。蒸发的还原剂前体的量越多，蒸发发生的区域越长。如果提供一条管道，其分为两个区域，可能首先使第一和第二区的长度动态调整，例如通过设计加热元件使得第一区变长或变短，并且相应地使第二区变短或变长。另一个替换性的方法将管道分为第一和第二区，对于特定量的待蒸发的还原剂前体，从第一区到第二区的过渡精确发生在这样的点，即其对应于所述量的还原剂前体的蒸发的区的期待的长度。特别地，所述分隔可以发生在内燃机发生承载状态的平均处和/或经常发生之处，或者满载之处。因此，在第二种情况中，其中由此固定第一和第二区之间的边界，如果合适的话，不但在第一区中、而且也在第二区中发生还原剂前体的蒸发。
公开的根据本发明的方法的细节和优点可以以相同的方法转移并应用到根据本发明的装置上。描述的根据本发明的装置的细节和优点可以以相同的方法转移并应用到根据本发明的方法中。以下基于附图更细致的解释本发明，本发明并不限于示例性的实施方案和所述附图中公开的细节，其中：
图1以透视图的方式显示可根据本发明的装置的第一个实施方案；
图2显示了根据本发明的装置的第二个实施方案；
图3限制了根据本发明的装置的第三个实施方案；
图4显示了根据本发明的装置的第四个实施方案；以及
图5显示了根据本发明的装置的管道的细节。
图1示意性显示了根据本发明的用于提供含还原剂的气流的装置1的示例性实施方案。装置1包括在夹套3中形成的管道2。所述夹套3包围着棒状加热元件4。棒状加热元件4具有至少一个第一导热体5和一个第二导热体6。第一区7可以由第一导热体5进行加热，且第二区8可以由第二导热体6加热。导热体5、6优选为自调节导热体，例如举例来说为PTC导体。还形成了套管9，该套管9在箭头10的方向上推过覆盖装置。套管9具有在可装配的装置1中的收缩部分11，其位于第一区7和第二区8之间的边界上。所述收缩部分11通过套管9降低了两个区7、8之间的热交换。还可以提供其他降低或阻止所述热交换的措施。
在运转中，将还原剂前体12，优选为脲，特别以脲的水溶液的形式添加到管道2中并且优选在第一区7中完全蒸发。然后形成的且包含至少一种还原剂前体的气流向前流动通过管道2并且被加热。特别地，在第二区8的至少部分区域中特别发生所述的加热。然后气流13离开管道。取决于装置1的设计和该方法的实施，气流13包含还原剂前体和/或特别在第二区8中通过热解产生的还原剂。至少部分在第一区7和第二区8区域中的管道2可以具有水解催化剂涂层，即催化还原剂前体水解以形成的还原剂的涂层。
图2显示了根据本发明作为用于选择性催化还原内燃机废气中的氧化氮的装置的部分的装置1。这里的装置1也具有第一区7和第二区8。区7、8通过由控制装置14控制的加热装置5、6(这里未显示)加热，加热装置14可以通过第一管线15与相应的第一区7的第一导热体5连接并且通过第二管线16与第二区8的第二导热体6连接。第一区7和第二区8中的加热能量因此相互独立进行调节和控制。控制装置14可以同时包括电压或电流供应。在自调节的第一导热体5和第二导热体6的情况中，有可能省略控制装置14，可取而代之的是仅仅为导热体5、6中的每一个提供电流或电压供应。
还提供了用于传输至少一种还原剂前体的装置，在这一示例性实施方案中该装置除了包含用于溶液中的还原剂前体的溶液的蓄液池18之外还包含泵19。例如泵19可以是计量泵，通过它在每一种情况中限定引入第一区的溶液的量。还有可能将泵19设计为传统的泵，例如设计为隔膜泵，其具有有利地提供的阀门20，通过该阀门20调节供应到第一区7中的还原剂前体溶液。阀门20可以有利地通过第三管线21与控制装置14连接。在第二区8的下游形成水解催化转化器22。在运转期间，在水解催化转化器22中发生还原剂前体的至少部分水解以形成还原剂。这样，还原剂在排气管线23外生成。将在装置1中生成的含还原剂的气流24引入到排气管线23中，在其中所述气流24与内燃机的废气流25混合。然后两种气流的混合物流动通过SCR催化转化器26，其中包含在废气流25中的氧化氮用还原剂进行转化。然后NOx含量降低的气流离开SCR催化转化器26。
图3示意性显示了根据本发明的装置1的另一个示例性实施方案。这里并不是蒸发还原剂前体的情况，取而代之的是提供用于准连续输送作为固体物质28的至少一种还原剂前体。这里，将一种类型的还原剂前体28或包含还原剂前体的固体物质28的条状物压到第一区7中。这例如通过可以相应控制的水压汽缸29进行。在包含第一加热元件5的第一区7中还原剂前体28熔化，同时或之后蒸发。在这种方法中生成的蒸气进一步在第二区中通过第二加热元件6加热。在包含第三导热体30的第三区31中加热到更高的温度。然后生成的气体混合物流动通过水解催化转化器。取决于包含还原剂前体的固体物质28的设计，可能有必要在水解催化转化器22中提供水。例如这可以通过在水解催化转化器上游引入一定量的废气流或通过同时蒸发水进行。水解催化转化器22是任选的，特别是如果第一区7、第二区8和第三区31的温度选择使得还原剂前体实质上发生完全热解以形成氨的话。
在本实施方案中，水解催化转化器22以直角直接法兰连接在排气管线23上。渗透到排气管线23中之后，富含还原剂的废气流25流动通过SCR催化转化器26。相对于SCR催化转化器26上游的废气流氧化氮含量已经降低的废气流之后离开SCR催化转化器26。
图4示意性显示了作为用于选择性催化内燃机废气中的氧化氮的还原的装置的部分的根据本发明的装置1进一步的实施方案。与以上显示的实施方案相反，这一示例性实施方案具有用于不连续输送含有还原剂前体的固体物质的装置32。所述装置32包括其中储存着固体物质颗粒34的蓄液池33，固体物质颗粒34包含至少一种还原剂前体，例如举例来说为脲小球。在蓄液池33和第一区7之间形成分离装置35，通过分离装置35可以保证运转期间仅有一种固体物质颗粒34穿过进入第一区7中。在这个实施方案中，装置1也任选进一步具有供应管线36，通过它可以供应含水的气体。所述含水的气体可以用于促进水解催化转化器22中的水解。
图5示意性显示了管道2的细节。所述管道2具有具有第一横截面的第一区7和具有第二横截面的第二区8。第二区8的横截面比第一区7的横截面大。此外，管道2包括用作撞击板的零件37并且其保证了没有由在第一区中不完全蒸发、穿过第二区所导致的小液滴，所述小液滴撞击零件37。通常对第二区8中的气流方向提供至少一个变化是有利的，例如通过偏转、管道半径收缩、零件或类似措施。
根据本发明的方法和根据本发明的装置1有利地允许提供含还原剂的气流13，其量可以以简单方式控制并且可以被调整为适应特别是在机动应用的废气系统中经常发生的情况，例如在汽车中。已经证实特别是以第一区7的温度保持在大约150℃或稍低，而第二区8的温度保持大于300℃的这样一种方式实施该方法是有利的。作为以蒸气的形式将还原剂前体供应到水解催化转化器22中的结果，水解催化转化器22实质上并不经受冷却，因此这里该方法的实施也具有积极的影响。
附图标记列表
1.用于提供含还原剂的气流的装置
2.管道
3.夹套
4.棒状加热元件
5.第一导热体
6.第二导热体
7.第一区
8.第二区
9.套管
10.箭头
11.收缩部分
12.还原剂前体水溶液
13.气流
14.控制装置
15.第一管线
16.第二管线
17.用于输送至少一种还原剂前体的溶液的装置
18.蓄液池
19.泵
20.阀门
21.第三管线
22.水解催化转化器
23.排气管线
24.含还原剂的气流
25.废气流
26.SCR催化转化器
27.用于准连续输送至少一种作为固体物质的还原剂前体的装置
28.含还原剂前体的固体物质
29.液压缸
30.第三导热体
31.第三区
32.用于不连续输送作为固体物质存在的还原剂前体的装置
33.蓄液池
34.含还原剂前体的固体物质颗粒
35.分离装置
36.供料管线
37.零件。

Claims (12)

1.一种用于在内燃机排气系统中提供含还原剂的气流(24)的方法，其包括以下步骤：
A)提供至少一种还原剂前体(12，28，34)；
B)蒸发至少一种还原剂前体(12，28，34)以形成气流(13)；
C)至少部分地将气流(13)加热到至少250℃的温度；
D)至少部分地使气流(13)中的还原剂前体(12，28，34)转化为还原剂；以及
E)将含还原剂的气流(24)添加到内燃机的废气(25)中。
2.权利要求1的方法，其中步骤D)在步骤B)和步骤E)之间的时间段内发生。
3.前述权利要求中任一项的方法，其中步骤D)包括以下过程中的至少一种：
a)至少部分水解还原剂前体，和
b)至少部分热解还原剂前体。
4.前述权利要求中任一项的方法，其中步骤B)在180℃或更低的温度下发生。
5.前述权利要求中任一项的方法，其中步骤C)中，在250℃到550℃的温度下进行加热。
6.前述权利要求中任一项的方法，其中步骤A)包括以下过程中的至少一个：
a)将水溶液中的至少一种还原剂前体的溶液(12)输送到管道(2)的步骤B)在其中进行的第一区(7)中；
b)准连续地将至少一部分包含至少一种还原剂前体的条状固体物质(28)输送到输送到管道(2)的步骤B)在其中进行的第一区(7)中；以及
c)将至少一种包含至少一种还原剂前体的固体物质颗粒(34)添加到输送到管道(2)的步骤B)在其中进行的第一区(7)中。
7.一种用于在内燃机排气系统中提供含还原剂的气流(24)的装置(1)，其至少包括：
i)用于在至少一个管道(2)中提供至少一种还原剂前体的输送装置(19，27，29)，所述管道(2)包含至少一个用于至少部分蒸发还原剂前体以形成气流(13)的第一区(7)和至少一个用于至少部分加热气流(13)的第二区(8)；
ii)至少一个用于将气流中的还原剂前体转化为至少一种还原剂的装置(22)；以及
iii)至少一个用于将第一区加热到第一温度并且将第二区加热到第二温度的加热装置(4)。
8.权利要求7的装置，其中输送装置包括至少一个以下组件：
a)用于液体中的至少一种还原剂的溶液的输送的装置(19)；
b)用于准连续输送含有至少一种还原剂前体的固体物质的装置(27)；以及
c)用于不连续输送含有至少一种还原剂前体的固体物质的装置(32)。
9.权利要求7或8的装置(1)，其中用于转化还原剂前体的装置至少部分包含在第二区(8)中。
10.权利要求7到9中任一项的装置(1)，其中形成至少一个水解催化转化器(22)。
11.权利要求7到10中任一项的装置(1)，其中至少一个以下的区域包含可加热的管道(2)：
a)第一区(7)，和
b)第二区(8)。
12.权利要求11的装置，其中管道(2)在第一区(7)的区域中具有比在第二区(8)的区域中更小的横截面。
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