CN103189609A - 通过珀耳帖元件使还原剂蒸发表面变暖的用于车辆的废气后处理装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆（4）的废气后处理装置（2），其适于通过将液体还原剂（18）供应至排气管（32）中的废气（20）来还原车辆（4）的废气（20）中存在的氮的氧化物，其中装置（2）适于借助珀耳帖元件（6）通过利用来自废气（20）的热能来使排气管（32）中的表面（31）局部变暖，以使到达表面（31）的液体还原剂（18）蒸发，从而避免在排气管（32）中形成还原剂的沉淀物。本发明还涉及一种利用包括珀耳帖元件（6）的废气后处理装置（2）对来自车辆的废气进行后处理的方法。

Description

通过珀耳帖元件使还原剂蒸发表面变暖的用于车辆的废气后处理装置和方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的车辆的废气后处理装置和一种根据权利要求13的前序部分的来自车辆的废气后处理方法。
背景技术
在柴油车辆中，尤其是在诸如重型卡车的重型车辆中，使用SCR方法，即选择性地还原氮的氧化物的方法，来清洁车辆的废气，使得释放到环境中的那些废气不具有高含量的氮的氧化物。
在SCR方法中，注入排气管中的液体脲溶液可用作NOx还原剂。
使用液体脲溶液在低废气温度时可导致问题，是因为注入的还原剂不能足够快地变蒸发，结果在排气系统中形成可导致压降的沉淀物，通过保持高废气温度使得注入的还原剂在排气管中变蒸发来解决问题。
EP2 078 834A涉及一种用于清洁在这种高废气温度下的废气的方法和系统，其中添加剂变得气化以使废气变暖，从而缩短在可开始注入液体添加剂之前所需的时间，这涉及使用大量的能量。
US2005/0204733Al涉及一种装置，其中使用热电元件产生电能。
在SCR方法中，注入排气管中的气态氨还可用作还原剂。使用气态还原剂减少了由于排气管中的还原剂沉淀物造成的问题，这是由于仅在废气抵达催化剂之前的废气温度降得过低以使得还原剂从气体转变为液体或固体的情况下发生所述问题。
DE10 2007 058 768Al涉及一种废气的后处理装置和方法，从而气态还原剂，例如氨，注入排气管中，并且在废气中存在的能量用于使还原剂在其注入到排气管之前蒸发。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于车辆的废气后处理装置和来自车辆的废气的后处理方法，其中在即使废气温度较低的情况下所述装置也可操作。
根据本发明，通过一种根据权利要求1的特征部分所述的废气后处理装置和一种根据权利要求13的特征部分所述的用于来自车辆的废气的后处理方法来实现以上目的。事实上，根据权利要求1的特征部分的适于通过将液体还原剂供应到排气管中的废气来还原在车辆的废气中存在的氮的氧化物的用于车辆的废气后处理装置的特征在于，所述装置包括珀耳帖元件，并适于借助珀耳帖元件通过利用来自废气的热能使排气管中的表面局部变暖，以使到达所述表面的液体还原剂蒸发，并且事实上，根据权利要求13的特征部分的通过将液体还原剂供应到排气管中的废气以还原在废气中存在的氮的氧化物对来自车辆的废气进行后处理的方法的特征在于，利用包括珀耳帖元件的废气后处理装置通过使用来自废气的热能使排气管中的表面局部变暖，以使到达所述表面的液体还原剂蒸发，因此实现了以下优点：即使在废气温度较低的情况下也避免在排气管中形成还原剂的沉淀物。另一优点是珀耳帖元件不具有可动部件并且因此具有强健的构造。
根据本发明的实施例，珀耳帖元件的一侧适于通过在珀耳帖元件的一侧上吸收所述能量而将热能从废气转移至珀耳帖元件，并且珀耳帖元件的另一侧适于通过从珀耳帖元件传递至排气管中的表面的热能使排气管中的表面局部变暖，从而实现以下优点：废气后处理装置仅需要中等量的能量来进行操作。
根据本发明的另一实施例，珀耳帖元件包括由不同半导体金属制成的至少两个电极，以使得每隔一个电极为N型并且交替的电极为P型，所述电极被设置为从珀耳帖元件的一侧延伸至珀耳帖元件的另一侧，并且通过导体串联地连接至直流电源，以使得关闭电路导致N型电极中的电子沿着电流的反方向运动，并且P型电极中的空穴沿着电流方向运动，电子和空穴二者均将热从珀耳帖元件的一侧转移至珀耳帖元件的另一侧，从而实现以下优点：废气后处理装置的构造是能够例如根据珀耳帖元件的期望效果进行改变的。
根据本发明的其它实施例，珀耳帖元件的热能吸收侧可被布置为至少部分地位于排气管中或者与排气管的外侧相邻，当沿着废气流动方向看时，珀耳帖元件的热能吸收侧可位于用于将液体还原剂供应至排气管中的废气的供应装置的下游或上游，珀耳帖元件的热能传递侧可被布置为与排气管的外侧相邻或至少部分地位于排气管中，在排气管中局部变暖的表面可为布置在排气管中的珀耳帖元件的热能传递侧的表面或者在排气管的内侧上的表面，当沿着废气流的方向看时，催化剂可在排气管中设置在供应装置的下游，以用于液体还原剂，并且可设置控制单元来控制珀耳帖元件和液体还原剂的供应，从而实现以下优点：废气后处理装置是能够例如根据优先考虑高效率或者简单构造和容易组装进行改变的。
根据本发明的另一实施例，珀耳帖元件的热能吸收侧可通过废气变暖，可在整个珀耳帖元件上施加直流电，并且热能可从珀耳帖元件的热能传递侧被传递至排气管中的表面，从而实现以下优点：废气后处理装置仅需要中等量的能量来进行操作。
附图说明
以下参照附图更详细地解释本发明，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的废气后处理装置；
图2示意性地示出了根据本发明的第二实施例的废气后处理装置；
图3示意性地示出了根据本发明的第三实施例的废气后处理装置；
图4示意性地示出了根据本发明的第四实施例的废气后处理装置；
图5是根据本发明的实施例的方法的示意性流程图；以及
图6是根据本发明另一实施例的方法的示意性流程图。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的用于车辆4的废气后处理装置2，其中装置2包括珀耳帖（Peltier）元件6，其也被称作热电冷却元件。所述珀耳帖元件6本身包括由两个电极8、10构成的至少一个“热电偶”，所述两个电极由不同半导体金属制成以使得每隔一个电极8是N型并且交替的电极10是P型，其中电极8、10被排列为从珀耳帖元件6的一侧28延伸至珀耳帖元件6的另一侧30，并且通过优选地由铜制成的导体12串联地连接至直流电源14，从而关闭电路使得N型电极中的电子沿着电流的反方向运动，并且P型电极中的空穴沿着电流方向运动，如图所示，电子和空穴二者将热从珀耳帖元件6的一侧28转移至珀耳帖元件6的另一侧30。沿着箭头22、24、26的方向将直流电施加到电极8、10引起珀耳帖元件6中的热电效应，其导致热能在珀耳帖元件6的一侧28上被吸收并在珀耳帖元件6的另一侧30上被传递，即珀耳帖元件6具有热吸收侧28和热传递侧30。
废气后处理装置2还包括供应装置16，其用于将液体还原剂18供应至废气20，所述液体还原剂旨在还原存在于废气20中的氮的氧化物。
在交替的N型和P型电极链中串联地连接多个“热电偶”得到更强功能的珀耳帖元件。
因此，珀耳帖元件6适于通过将热能从珀耳帖元件6转移至排气管32中的表面31将热能从废气20转移到表面31，并且因此使表面31局部变暖，根据该实施例，所述表面为排气管32内壁的一部分。
因此，废气后处理装置2适于通过将液体还原剂18供应到排气管32中的废气20来还原车辆4的废气20中存在的氮的氧化物，以及适于借助珀耳帖元件6通过利用来自废气20的热能使排气管32中的表面31局部变暖，以使到达表面31的液体还原剂18蒸发，从而防止在排气管中形成还原剂的沉淀物。
如上使用热泵可以使排气管32中的表面31的例如通过注入被供应液体还原剂18处的温度局部地升高，从而可发生还原剂18的蒸发。
液体还原剂18是一种NOx还原剂，例如诸如液体脲溶液的一种液体NOx还原剂，例如以市售的商品名“Ad Blue”在蒸馏水/去离子水中含有32.5wt%脲的添加剂。
当使用液体脲溶液时，需要将排气管32中的表面31保持在至少约200℃的温度以确保蒸发。
在废气温度超过180℃的情况下在排气管中供应液体脲溶液导致水被煮干，接着脲熔融并通过所谓的热解变蒸发。这个阶段包括通过以下化学反应形成尤其是氨：
（NH2）2CO=>NH3+HNCO。
在脲的热解之后，在下游催化剂中或者在温度超过400℃时通过以下化学反应发生水解：
HNCO+H2O=>NH3+CO2。
NH3通过以下化学反应还原了NOx：
NH3+NOx=>N2+H2O（不平衡式是因为x可具有多个不同的值）。
在约-30℃时发生氨的浓缩，因此在操作过程中在车辆排气管中这不是大问题。
根据使用何种还原剂和根据排气管32中废气的温度，优选地设置至少一个控制单元34来控制珀耳帖元件6和液体还原剂18的供应，使得仅当需要时发生这些活动。如果通过分离的控制单元控制珀耳帖元件6和液体还原剂18的供应，则控制单元必须同步以使得用于控制珀耳帖元件6的控制单元优选地用作用于控制液体还原剂18的供应的控制单元的“伺服单元”。如果废气20非常冷，例如正好在以非常低的外部温度冷启动之后，则尽管排气管32中的表面31通过珀耳帖元件6局部变暖，还原剂也可能不能变得气化，在这种情况下，控制单元34将阻碍在排气管32中的液体还原剂18的供应。相似地，如果废气20非常暖，即比400℃还热，则在不需要将排气管32中的表面31如上局部变暖的情况下液体还原剂18将变得气化，在这种情况下，控制单元34将阻碍珀耳帖元件6的操作。如果废气温度达到较高以致于未到达排气管32中的表面31的还原剂18可变得气化的程度但未达到特别高以致于到达并因此冷却排气管32中的表面31的还原剂18也变得气化的程度，则控制单元34将确保还原剂18供应到废气20和珀耳帖元件6在操作。这个温度范围可通过控制单元34根据使用何种还原剂进行设置。废气温度必须足够高以使得未到达排气管32中的表面31的还原剂18变得气化，对于不同的还原剂18这个温度不同。然而，到达并冷却排气管32中的表面31的液体NOx还原剂变得气化所需的废气温度取决于多种因素，诸如液体还原剂在供应时的温度、排气管的尺寸、废气流的流速、液体还原剂触及的区域的大小等。通常，在操作过程中，废气的温度可在约200℃和约700℃之间。
还可在不用控制单元的情况下使用废气后处理装置，但在这种情况下，沉淀物将形成在排气管的内表面上并接着当温度升高时被燃烧掉，并且珀耳帖元件甚至当不需要脲气化时也将运行，所以没有控制单元的装置不是可取的。
根据该实施例，珀耳帖元件6的热吸收侧28被布置在排气管32中，使得暖的废气20经过珀耳帖元件6的热吸收侧28的表面36，使得珀耳帖元件6的热吸收侧28变暖。
基于使用液体脲溶液作为还原剂的实例，在珀耳帖元件6的操作过程中，根据本实施例的废气后处理装置2根据以下原则工作。
将根据本实施例的珀耳帖元件6的热传递侧30布置为与存在沉淀风险的排气管32的壁相邻，即优选地与来自供应装置16的液体还原剂18到达排气管的内表面的区域相邻，例如相对于用于液体还原剂的供应装置16居中，其中珀耳帖元件6的热传递侧30将热能传递至排气管32中的表面31，在这种情况下传递至排气管的壁，并且因此作为珀耳帖元件6的热传递侧30与排气管32热接触的结果使排气管的内表面局部变暖。
前述方法使得尽管在废气温度仅中等（例如约100-300℃）的情况下，废气中存在的热能也能够被使用，以基本完全气化还原剂18。在不使上述排气管32中的表面31局部变暖的情况下，适中的废气温度可使得到达该表面31的部分还原剂固化，从而潜在地导致排气系统中的沉淀和随之发生的压降。增大压降可优选地用于检测沉淀物的积累。如果之后的废气温度变得非常高，则所述沉淀物无疑被燃烧掉，但在低负载和稳定速度下的长途行驶中，例如当结合平坦地带驱动卸货后的车辆时，废气温度将长时期保持在低水平，这潜在地导致沉淀。相反，与前述使用废气中存在的热能相比，例如通过电力或柴油燃料或热泵使整个废气流变暖将消耗多得多的能量。
优选地，在用于液体还原剂18的供应装置16的下游，在排气管32中提供催化剂38，以确保不仅发生脲的热解而且也发生上述脲的水解。附图示出催化剂38在珀耳帖元件6的热吸收侧28的上游，但是其也可以位于珀耳帖元件6的热吸收侧28的下游，在任一种情况下上游和下游均相对于排气管32中废气流方向A而言。作为另外一种选择，可在没有催化剂的情况下使用废气后处理装置，但这并不可取，因为这将导致沉淀物的周期性积累。
图2示意性地示出了根据本发明的第二实施例的用于车辆4的废气后处理装置2，其中装置2包括珀耳帖元件6。所述装置2还包括供应装置16，所述供应装置16用于将液体还原剂18供应到废气20以还原废气中存在的氮的氧化物。
图2中所示的实施例与相对于图1描述的实施例的不同之处在于，在图2的情况下，珀耳帖元件6的热吸收侧28与排气管32的外侧相邻，并且可能存在的催化剂38设置在珀耳帖元件6的热吸收侧28的下游。然而，催化剂38也可布置在珀耳帖元件6的热吸收侧28的上游，如图1所示，或者作为另外一种选择可在没有催化剂的情况下使用所述废气后处理装置。在其它方面，相对于图1的例如关于可能的控制单元的描述也可应用于图2中。
图3示意性地示出了根据本发明的第三实施例的用于车辆4的废气后处理装置2，其中装置2包括珀耳帖元件6。同样地，装置2包括供应装置16，所述供应装置16用于将液体还原剂18供应至废气20以还原废气中存在的氮的氧化物。
图3中所示的实施例与相对于图1描述的实施例的不同之处在于，在图3的情况下，珀耳帖元件6的热吸收侧28位于用于将液体还原剂18供应至废气20的供应装置16的上游。在其它方面，相对于图1的例如关于可能的控制单元的描述也可应用于图2所示的实施例，但任何催化剂38必须位于用于将液体还原剂18供应至废气20的供应装置16的下游。
图4示意性地示出了根据本发明的第四实施例的用于车辆4的废气后处理装置2，其中装置2包括珀耳帖元件6。同样地，装置2包括供应装置16，所述供应装置16用于将液体还原剂18供应至废气20以还原在废气中存在的氮的氧化物。
图4中所示的实施例与相对于图1描述的实施例的不同之处在于，在图4的情况下，珀耳帖元件6的热吸收侧28位于热传递侧30的上游并与排气管32的外侧相邻。本实施例与相对于图1描述的实施例的不同之处还在于，珀耳帖元件6的热传递侧30至少部分地位于排气管32中，以使得在排气管32中具有局部变暖的表面31。在其它方面，相对于图1的例如关于可能的控制单元的描述也可应用于图2所示的实施例，但任何催化剂38必须位于用于将液体还原剂18供应至废气20的供应装置16的下游。
液体还原剂18优选地保持足够暖而不结冰，就“Ad Blue”而言，将在约-11℃时发生结冰。
图5和图6示出了用于废气的后处理方法的实例。
图5是根据本发明的实施例的方法的示意性流程图，并且此处使用的参考标号2、4、18、20、31、32沿用图1-4中的参考标号。通过将液体还原剂18供应至排气管32中的废气20从而还原在车辆4的废气20中存在的氮的氧化物（100）对来自车辆的废气进行后处理的方法还包括步骤（200），即，利用包括珀耳帖元件6的废气后处理装置2通过使用来自废气20的热能来使排气管32中的表面31局部变暖以使到达表面31的液体还原剂18蒸发，从而防止在排气管中形成还原剂的沉淀物。
图6是根据本发明的另一实施例的方法的示意性流程图，并且此处使用的参考标号6、20、28、30、31、32沿用图1-4中的参考标号。图6中的实施例不仅包括图5中的步骤，而且包括：利用废气20使珀耳帖元件6的热吸收侧8变暖（110）；在整个珀耳帖元件6上供应直流电（120）；以及将热能从珀耳帖元件6的热传递侧30传递至排气管32中的表面31（200）。
本发明不限于描述的实施例，而是可在权利要求的范围内自由地变化。来自各实施例的部件可组合。因此，珀耳帖元件6的热吸收侧28可被布置为与排气管32的外侧相邻或至少部分地布置在排气管32中。因此，沿着废气的流动方向看，珀耳帖元件6的吸收侧28可位于用于将液体还原剂18供应至排气管32中的废气20的供应装置16的下游或上游，但纯从功能方面说，下游位置是可取的，因为珀耳帖元件6的热吸收侧28位于用于供应液体还原剂18的供应装置16的下游意味着：仅在将液体还原剂18供应至废气20之后从废气20吸收能量，从而避免了在供应液体还原剂18之前废气温度的对应降低，这种降低将不利于还原剂的蒸发。因此，可将珀耳帖元件6的热传递侧30布置为与排气管32的外侧相邻或者至少部分地位于排气管32中。因此，变暖的表面31可为排气管32内侧的一部分或者为布置在排气管32中的珀耳帖元件6的热传递侧30的表面，或为排气管中的与珀耳帖元件6的热传递侧30热传导接触的一些其它表面。

Claims (14)

1.一种用于车辆（4）的废气后处理装置（2），其适于通过将液体还原剂（18）供应至排气管（32）中的废气（20）来还原车辆（4）的废气（20）中存在的氮的氧化物，其特征在于，所述装置（2）包括珀耳帖元件并且适于利用所述珀耳帖元件（6）通过使用来自废气（20）的热能使排气管（32）中的表面（31）局部变暖，以使到达表面（31）的液体还原剂（18）蒸发，并且因此避免在排气管中形成还原剂的沉淀物。
2.根据权利要求1所述的废气后处理装置（2），其特征在于，珀耳帖元件（6）的一侧（28）适于通过在珀耳帖元件的一侧（28）上吸收热能将热能从废气（20）转移至珀耳帖元件（6），以及所述珀耳帖元件（6）的另一侧（30）适于通过从珀耳帖元件（6）传递至排气管（32）中的表面（31）的热能来使排气管（32）中的表面（31）局部变暖。
3.根据权利要求2所述的废气后处理装置（2），其特征在于，所述珀耳帖元件（6）包括由不同半导体金属制成的至少两个电极（8、10），每隔一个电极（8）为N型并且交替的电极（10）为P型，其中电极（8、10）被设置为从珀耳帖元件（6）的一侧（28）延伸至珀耳帖元件（6）的另一侧（30），并且通过导体（12）串联地连接至直流电源（14），从而关闭电路使得N型电极中的电子沿着电流的反方向运动，而P型电极中的空穴沿着电流方向运动，它们二者均将热从珀耳帖元件（6）的一侧（28）转移至珀耳帖元件（6）的另一侧（30）。
4.根据权利要求1-3的任一项所述的废气后处理装置（2），其特征在于，所述液体还原剂（18）是液体脲溶液。
5.根据权利要求1-4的任一项所述的废气后处理装置（2），其特征在于，所述珀耳帖元件（6）的热能吸收侧（28）被布置为至少部分地位于所述排气管（32）中。
6.根据权利要求1-4的任一项所述的废气后处理装置（2），其特征在于，所述珀耳帖元件（6）的热能吸收侧（28）被布置为与排气管（32）的外侧相邻。
7.根据权利要求2-6的任一项所述的废气后处理装置（2），其特征在于，当沿着废气（20）流的方向看时，所述珀耳帖元件（6）的热能吸收侧（28）被布置在用于将液体还原剂（18）供应至排气管（32）中的废气（20）的供应装置（16）的下游或上游。
8.根据权利要求1-7的任一项所述的废气后处理装置（2），其特征在于，所述珀耳帖元件（6）的热能传递侧（30）被布置为与排气管（32）的外侧相邻。
9.根据权利要求1-7的任一项所述的废气后处理装置（2），其特征在于，所述珀耳帖元件（6）的热能传递侧（30）被布置为至少部分地位于所述排气管（32）中。
10.根据权利要求9所述的废气后处理装置（2），其特征在于，在所述排气管中局部变暖的所述表面（31）是布置在排气管（32）中的珀耳帖元件（6）的热能传递侧（30）的表面。
11.根据权利要求1-10的任一项所述的废气后处理装置（2），其特征在于，当沿着废气（20）流的方向看时，催化剂（38）设置在排气管（32）中的用于供应液体还原剂（18）的供应装置（16）的下游。
12.根据权利要求1-11的任一项所述的废气后处理装置（2），其特征在于，设置至少一个控制单元（34）来控制珀耳帖元件（6）和液体还原剂（18）的供应。
13.一种用于来自车辆的废气的后处理方法，所述方法通过将液体还原剂（18）供应至排气管（32）中的废气（20）以还原在车辆（4）的废气（20）中存在的氮的氧化物（100），其特征在于，利用包括珀耳帖元件（6）的废气后处理装置（2）通过使用来自废气（20）的热能使排气管（32）中的表面（31）局部变暖的步骤（200），以使到达表面（31）的液体还原剂（18）蒸发，从而避免在排气管中形成还原剂的沉淀物。
14.根据权利要求13所述的用于废气的后处理方法，其特征在于，
利用所述废气（20）使所述珀耳帖元件（6）的热能吸收侧（28）变暖的步骤（110），
在整个珀耳帖元件（6）上施加直流电（A）的步骤（120），以及
将热能从珀耳帖元件（6）的热能传递侧（30）传递至排气管（32）中的表面（31）的步骤（200）。
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