DE29825250U1 - Reducing emissions of nitrogen oxide(s) from lean-burn engine with associated exhaust system - by feeding aqueous urea solution from storage vessel through line to injector, returning solution to storage vessel, injecting solution into exhaust gases and passing gas to selective catalytic reduction reactor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen, die die sichere und zuverlässige Reduktion von Emissionen von Stickstoffoxiden (NOx) ermöglichen, während es zulässt, dass ein Diesel- oder ein anderer Magerverbrennungsmotor wirksam arbeitet.The invention relates to devices that enable the safe and reliable reduction of nitrogen oxides (NO x ) emissions while allowing a diesel or other lean burn engine to operate effectively.
Diesel- und Magerverbrennungsbenzinmotoren stellen Vorteile bei der Brennstoffwirtschaftlichkeit bereit, erzeugen aber während des normalen Betriebes sowohl NOx als auch Partikel. Wenn Primärmaßnahmen (Vorgänge, die das Verbrennungsverfahren selbst beeinflussen, z.B. Abgasrückführung und Einstellungen der Motorsteuerung) ergriffen werden, um das eine zu verringern, wird das andere normalerweise erhöht. Folglich neigen die Verbrennungsbedingungen, die ausgewählt sind, um die Verschmutzung durch Partikel zu verringern und gute Brennstoffwirtschaftlichkeit zu erhalten, NOx zu erhöhen.Diesel and lean burn gasoline engines provide fuel economy benefits, but produce both NO x and particulates during normal operation. When primary measures (operations that affect the combustion process itself, eg exhaust gas recirculation and engine control settings) are taken to reduce one, the other is normally increased. Consequently, the combustion conditions selected to reduce particulate contamination and obtain good fuel economy tend to increase NO x .
Die gegenwärtigen und vorgeschlagenen Vorschriften fordern die Hersteller heraus, gute Brennstoffwirtschaftlichkeit zu erzielen und Partikel und NOx zu verringern. Magerverbrennungsmotoren sind erforderlich, um die Aufgabe der Brennstoffwirtschaftlichkeit zu erreichen, aber die hohen Konzentrationen an Sauerstoff im Abgas machen typische Abgas-Katalysatorsysteme zum Reduzieren von NOx unwirksam.The current and proposed regulations challenge the manufacturers to achieve good fuel economy and reduce particulates and NO x . Lean combustion engines are required to accomplish the task of fuel economy, but the high levels of oxygen in the exhaust make typical exhaust catalyst systems ineffective to reduce NO x .
SCR (selektive katalytische Reduktion) ist seit Jahren in einigen Zusammenhängen zum Reduzieren von NOx verfügbar. Bis jetzt ist SCR jedoch von der Verwendung von Ammoniak abhängig, was Sicherheitsprobleme mit sich bringt, die mit seiner Lagerung und seinem Transport verbunden sind. Harnstoff ist sicherer, ist aber nicht für viele SCR-Anwendungen – besonders mobile NOx-Quellen – wegen der Schwierigkeit bei seiner Umwandlung von einer festen oder einer wässrigen Form zu seiner aktiven gasförmigen Spezies, typischerweise NHi- und HNCO-Radikale, verwendbar.SCR (Selective Catalytic Reduction) x is available in some contexts for reducing NO for years. However, to date, SCR is dependent on the use of ammonia, resulting in safety issues associated with its storage and transportation. Urea is safer, but is not useful for many SCR applications - particularly mobile NO x sources - because of the difficulty in converting it from a solid or an aqueous form to its active gaseous species, typically NH i and HNCO radicals.
Es gibt gegenwärtig Bedarf an einer sicheren, ökonomischen und wirksamen Antwort auf die Probleme, die mit SCR, besonders für mobile Diesel- und andere Magerverbrennungsmotoren, verbunden sind.It currently available Need for a safe, economical and effective response to the problems with SCR, especially for mobile Diesel and other lean-burn engines.
Wenn SCR-Katalysatoren verwendet werden, um die NOx Emissionen von Dieselmotoren zu begrenzen, muss man sich entweder mit den Gefahren des Ammoniaks beschäftigen oder dem Risiko des Katalysatorfoulings unter den meisten Bedingungen beschäftigen. In dieser Hinsicht siehe R. J. Hulterman; A Selective Catalytic Reduction Of NOx from Diesel Engines Using Injection Of Urea; Ph.D. thesis, September 1995. Hulterman beschreibt mehrere technische Herausforderungen, einschließlich des Verstopfens der Zerstäuber, Zersetzungsproblemen und Systemdynamik. Ähnlich wird im SAE-Papier Nr. 970185 mit dem Titel „Transient Performance of a Urea DeNOx Catalyst for Low Emissions Heavy-Duty Diesel Engines" angezeigt, dass die Einspritzdüsen vor übermäßiger Wärme geschützt werden müssen.When SCR catalysts are used to limit NO x emissions from diesel engines, one must either deal with the dangers of ammonia or deal with the risk of catalyst fouling under most conditions. In this regard, see RJ Hulterman; A Selective Catalytic Reduction Of NO x from Diesel Engines Using Injection Of Urea; Ph.D. thesis, September 1995. Hulterman describes several technical challenges, including nebulizer clogging, decomposition problems, and system dynamics. Similarly, SAE paper # 970185 entitled "Transient Performance of a Urea DeNO x Catalyst for Low Emission Heavy Duty Diesel Engines" indicates that the injectors must be protected from excessive heat.
Die beschränkten Versuche, Harnstoff-SCR für Dieselmotoren zu verwenden, haben die Verwendung von großen Pyrolysekammern oder anderen Vorrichtungen nach der Stelle der Harnstoffeinleitung in das Abgas erfordert, wie in US-Patent Nr. 5,431,893 von Hug et al. offenbart. Ausrüstung dieser Art hebt die bekannten Probleme mit Harnstoff hervor. Einmal eingeführt in Dieselabgas, benötigt der Harnstoff Zeit, um aufzuspalten, und kann ein Verstopfen der Düse verursachen, wenn er herkömmlich, und noch wie in dieser Offenbarung vorgeschlagen, eingeführt wird. Um den Katalysator vor dem Fouling zu schützen, schlagen Hug et al. umfangreiche Ausrüstung vor. Außerdem hebt diese Offenbarung die Notwendigkeit des Haltens der Harnstofflösung bei einer Temperatur von unter 100°C hervor, um Zersetzung vor dem Durchgang durch die Düse zu verhindern. Sie schlagen die Verwendung von gemäßigten Harnstoffdrücken vor, wenn sie den Harnstoff zuführen, und finden es erforderlich, eine alternative Vorrichtung zu haben, um Hochdruckluft in die Zuleitung einzuführen, wenn sie verstopft wird. Die Düsen, die von Hug et al. verwendet werden, sind offensichtlich in der Lage, gemäßigt-feine Sprays herzustellen, deren Dispersion durch Zusatzluft unterstützt wird, aber die Tröpfchen sind noch groß genug, um einen großen Pyrolysetunnel zu erfordern (siehe auch WO 97/01387 und Europäische Patentanmeldung 487,886 A1.The limited Trials, urea SCR for To use diesel engines have the use of large pyrolysis chambers or other devices after the site of urea introduction into the exhaust gas required, as described in U.S. Patent No. 5,431,893 to Hug et al. disclosed. equipment This species highlights the known problems with urea. once introduced in diesel exhaust, needed the urea time to split, and can clog the Cause nozzle, if he is conventional, and as suggested in this disclosure. To protect the catalyst from fouling, Hug et al. extensive equipment in front. Furthermore This disclosure raises the necessity of holding the urea solution a temperature of less than 100 ° C to prevent decomposition before passing through the nozzle. They suggest the use of moderate urea pressures, if they deliver the urea, and find it necessary to have an alternative device to introduce high pressure air into the supply line when it becomes clogged. The nozzles, those of Hug et al. are obviously used in the Able, moderately-fine To produce sprays whose dispersion is assisted by additional air, but the droplets are still big enough to a big Pyrolysetunnel to require (see also WO 97/01387 and European Patent Application 487,886 A1.
Jeder der Punkte der Warnung durch diese Bezugnahmen über die Schwierigkeiten der Verwendung von Harnstoff mit SCR-Systemen, besonders für mobile Quellen, zeigt auf die Mühe, die das Fachgebiet gehabt hat und weiter hat.Everyone the points of warning through these references about the difficulties of Use of urea with SCR systems, especially for mobile Sources, points to the effort who has had the subject and continues to do so.
Das Fachgebiet erwartet die Entwicklung einer Vorrichtung, die die Verwendung von Harnstoff in einem SCR-Verfahren einfach, zuverlässig, wirtschaftlich und sicher ermöglichen würde.The Specialty expects the development of a device that uses of urea in an SCR process simple, reliable, economical and safely enable would.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein sicheres und zuverlässiges SCR-System zum Reduzieren von NOx-Emissionen aus einem Verbrennungsmotor bereitzustellen.It is an object of the invention to provide a safe and reliable SCR system for reducing NO x emissions from an internal combustion engine.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Sicherheitsprobleme, die mit der Lagerung und Handhabung von Ammoniak für mobile Verwendungen verbunden sind, zu beseitigen.It It is an object of the invention to provide security problems with the storage and handling of ammonia for mobile uses are to be eliminated.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, die Verwendung von Harnstoff zur SCR-NOx-Reduktion zu ermöglichen, ohne die Zuleitungen wegen der Hydrolyse des Harnstoffs zu verstopfen.It is another object of the invention to allow the use of urea for SCR NO x reduction, without clogging the feed lines due to the hydrolysis of the urea.
Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, die Verwendung von Harnstoff zur SCR zu ermöglichen, die das Benetzen von dem oder die Feststoffablagerung auf dem Katalysator vermeidet.It Yet another object of the invention is the use of urea to enable the SCR the wetting of the or the solid deposit on the catalyst avoids.
Es ist eine andere, spezifischere Aufgabe eines Aspekts der Erfindung, ein einfaches, robustes SCR-System bereitzustellen, das zu einer schnellen Reaktionszeit in der Lage ist, um den vorübergehenden Bedingungen zu entsprechen, die in Dieselmotoren vorherrschen.It is another, more specific object of one aspect of the invention, to provide a simple, robust SCR system that is one of a kind fast response time is able to transient Conditions that prevail in diesel engines.
Es ist noch eine weitere und spezifischere Aufgabe der Erfindung, die Verwendung von Harnstoff in einem SCR-System zu ermöglichen, das die Behandlung von Abgas bei Temperaturen zwischen 180 und 650°C ermöglicht.It is yet another and more specific object of the invention, the To allow use of urea in an SCR system, which allows the treatment of exhaust gas at temperatures between 180 and 650 ° C.
Es ist noch eine weitere und spezifischere Aufgabe der Erfindung, die Verwendung von Harnstoff in einem SCR-System zu ermöglichen, das die Integration mit einem Motormanagementsystem (EMS) ermöglicht, wodurch die Notwendigkeit für eine extra Steuer- bzw. Regeleinrichtung vermieden wird.It is yet another and more specific object of the invention, the To allow use of urea in an SCR system, which allows integration with an engine management system (EMS), thus reducing the need for a extra tax or Control device is avoided.
Es ist eine weitere spezifische Aufgabe der Erfindung, eine einfache mechanische Vorrichtung zum Erreichen der zuvor genannten Aufgaben und insbesondere zum engen Koppeln der Reagenzeinspritzeinrichtung und des SCR-Katalysators bereitzustellen.It Another specific object of the invention is a simple one mechanical device for achieving the aforementioned objects and in particular, for tightly coupling the reagent injector and the SCR catalyst.
Diese und andere Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, welche eine verbesserte Vorrichtung zur NOx-Reduktion bereitstellt.These and other objects are achieved by the present invention, which provides an improved NO x reduction device.
Die Erfindung wird in den Ansprüchen spezifiziert.The Invention is in the claims specified.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
verringert die Emissionen von NOx aus einem
Magerverbrennungsmotor mit einer ihm zugeordneten Abgasanlage mit
einem Abgaskanal zum Führen
von NOx-haltigen Abgasen zu einem Reaktor,
der wirksam ist für die
selektive katalytische NOx-Reduktion und
in einer Ausführungsform
aufweist:
Zuführen
einer wässrigen
Harnstofflösung
aus einem Behälter
bzw. Vorratsbehälter
durch eine Leitung zu einem Einspritzventil; Rückführen einer wässrigen Harnstofflösung von
dem Einspritzventil zu dem Vorratsbehälter, wobei die Zuführ- und
Rückführrate ausreichen,
um den benötigten
Harnstoff an die Abgase zur NOx-Reduktion
zuzuführen
und die Temperatur der Harnstofflösung ausreichend niedrig zu
halten, damit sie bei erhöhten
Temperaturen keine ausreichende Zeit haben, den Harnstoff soweit
zu hydrolisieren, dass feste Partikel bzw. Feststoffe ausgeschieden
werden (zum Beispiel unterhalb von etwa 140°C), Einspritzen der Harnstofflösung in
das Abgas bei einer Abgastemperatur, die für SCR geeignet ist und Durchleiten
des Abgases durch einen SCR Reaktor.The method of the present invention reduces emissions of NO x from a lean burn engine having an exhaust system associated therewith with an exhaust passage for carrying NO x -containing exhaust gases to a reactor effective for selective catalytic NO x reduction and in one embodiment:
Feeding an aqueous urea solution from a reservoir through a conduit to an injection valve; Returning an aqueous urea solution from the injection valve to the reservoir, wherein the supply and return rates are sufficient to supply the required urea to the exhaust gases for NO x reduction and to keep the temperature of the urea solution sufficiently low to avoid sufficient time at elevated temperatures have to hydrolyze the urea to the extent that solid particles or solids are eliminated (for example, below about 140 ° C), injecting the urea solution into the exhaust gas at an exhaust gas temperature suitable for SCR and passing the exhaust gas through an SCR reactor ,
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Rückfluss nicht realisiert oder stellt nicht die einzige Maßnahme zum Erhalt der Temperatur der Harnstofflösung dar. In dieser Ausführungsform kann ein Wärmetauschfluid, wie Luft oder ein Motorkühlmittel, zum Wärmetauschen mit dem Einspritzventil in Kontakt gebracht werden. Bei dieser Ausführungsform kann die Temperatur der Harnstofflösung auf einen Anstieg über 100°C solange gestattet werden, wie die Harnstofflösung bei einem Druck über dem Sättigungsdampfdruck bei dieser Temperatur gehalten wird.at a further embodiment will the reflux not realized or not the only measure Preservation of the temperature of the urea solution. In this embodiment may be a heat exchange fluid, such as air or an engine coolant, for heat exchange be brought into contact with the injection valve. In this embodiment The temperature of the urea solution may rise to above 100 ° C for as long be allowed as the urea solution at a pressure above the Saturation vapor pressure is held at this temperature.
Unter den bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens sind die Verwendung von konzentrierten Harnstofflösungen, die z.B. mindestens etwa 25 Gewichtsprozent (Gew.-%) Harnstoff enthalten. Vorzugsweise wird Harnstoff eingespritzt, wenn die Temperatur der Abgase innerhalb des Bereichs von etwa 180 bis etwa 650°C liegt.Under the preferred embodiments of Process are the use of concentrated urea solutions, the e.g. at least about 25 weight percent (wt%) urea. Preferably Urea is injected when the temperature of the exhaust gases within of the range of about 180 to about 650 ° C.
Die Einrichtung in einer Ausführungsform umfasst: Mittel zum Zuführen einer wässrigen Harnstofflösung aus einem Speicherbehälter durch eine Leitung zu einem Injektor; Mittel zum Zurückkommen der Harnstofflösung aus dem Injektor zum Speicherbehälter, wobei die Geschwindigkeiten der Beschickung und des Zurückkommens ausreicht, um den Harnstoff, wie benötigt, zur NOx-Reduktion zu den Abgasen zuzuführen und die Temperatur der Harnstofflösung niedrig genug zu halten, dass ihr bei erhöhter Temperatur nicht ausreichend Zeit gelassen wird, den Harnstoff in einem derartigen Ausmaß zu hydrolysieren, dass die Feststoffe präzipitieren (z.B. unterhalb von 140°C); Injektormittel zum Einspritzen von Harnstofflösung in die Abgase bei einer Abgastemperatur, die für die SCR wirksam ist; und Abgasdurchgangsmittel, das von dem Injektormittel zu einem SCR-Reaktor führt.The device in one embodiment comprises: means for delivering an aqueous urea solution from a storage container through a conduit to an injector; Means for returning the urea solution from the injector to the storage vessel, wherein the rates of charge and return are sufficient to supply the urea, as needed, to the exhaust gases for NO x reduction and to keep the temperature of the urea solution low enough to assist it insufficient time is allowed to hydrolyze the urea to such an extent that the solids precipitate (eg, below 140 ° C); Injector means for injecting urea solution into the exhaust gases at an exhaust gas temperature effective for the SCR; and exhaust passage means leading from the injector means to an SCR reactor.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung schließt ferner ein: Mittel zum Messen der Temperatur mit dem Abgas; Mittel zum Erzeugen eines Signals, das der gemessenen Abgastemperatur entspricht; Mittel zum Messen der Motorbelastung; Mittel zum Erzeugen eines Signals, das die gemessene Motorbelastung darstellt; Mittel zum Messen der Temperatur in der Harnstofflösung; Mittel zum Erzeugen eines Signals, das der gemessenen Temperatur der Harnstofflösung entspricht; und Mittel zum Vergleichen der erzeugten Signale mit Bezugswerten und Erzeugen von Kontrollsignalen zum Regulieren der Harnstoffbeschickung, -einspritzung und -zurückführung.A preferred embodiment of the device further includes: means for measuring the temperature with the exhaust gas; Means for generating a signal corresponding to the measured exhaust gas temperature; Means for measuring the engine load; Means for generating a signal representative of the measured engine load; Means for measuring the temperature in the urea solution; Means for generating a signal corresponding to the measured temperature of the urea solution; and means for comparing the generated signals with reference values and generating control signals for regulating urea feed, injection and back guide.
Die
Erfindung wird besser verstanden und ihre Vorteile sind aus der
folgenden ausführlichen
Beschreibung ersichtlicher, besonders wenn sie im Licht der dazugehörigen Zeichnungen
gelesen wird, wobei gilt:
Die Figur ist ein Flussdiagramm,
das Hauptkomponenten einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt.The invention will be better understood and its advantages will be more apparent from the following detailed description, especially when read in light of the accompanying drawings, wherein:
The figure is a flow chart showing major components of an embodiment of the invention.
In dieser Beschreibung soll der Begriff „Magerverbrennungsmotor" Motoren einschließen, die mit einer Einlasssauerstoffkonzentration betrieben werden können, die größer ist als die Menge, die für stöchiometrische (oder chemisch korrekte) Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Kraftstoffs erforderlich ist, z.B. mindestens 1 Gew.-% Sauerstoffüberschuss.In In this description, the term "lean-burn engine" is intended to include engines equipped with an inlet oxygen concentration can be operated, the is larger as the amount for stoichiometric (or chemically correct) combustion of a hydrocarbon fuel is required, e.g. at least 1 wt% oxygen excess.
Der Begriff „Motor" soll im weiten Sinne alle Brennkammern einschließen, welche Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe verbrennen, um Wärme z.B. für direkte oder indirekte Umwandlung in mechanische oder elektrische Energie bereitzustellen. Verbrennungsmotoren der Otto-, Diesel- und Turbinentypen sowie Brenner und Öfen sind eingeschlossen und können aus der Erfindung Nutzen ziehen. Jedoch wird, weil die Probleme und Vorteile der erfolgreichen Ausführung der zuverlässigen NOx-Reduktion bei Dieselmotoren so hervorgehoben sind, der Dieselmotor in dieser ganzen Beschreibung für Beispielzwecke verwendet. Stationäre und mobile Motoren werden erwogen.The term "engine" is intended to include, in a broad sense, all combustors that burn hydrocarbon fuels to provide heat, for example, for direct or indirect conversion to mechanical or electrical energy can benefit from the invention. However, the diesel engine is because the problems and advantages of the successful execution of reliable NO x reduction are highlighted in diesel engines as used throughout this description for purposes of example. Stationary and mobile engines are contemplated.
Der Begriff „Dieselmotor" soll alle Kompressionszündungsmotoren sowohl für mobile (einschließlich Marine-) und stationäre Kraftwerke und des Zweitakt-, Viertakt- und Kreiskolbentyps einschließen.Of the Term "diesel engine" is intended to all compression ignition engines as well as mobile (including Marine) and stationary Include power plants and the two-stroke, four-stroke and Kreiskolbentyps.
Der Begriff „Kohlenwasserstoff-Kraftstoff" soll alle solche Kraftstoffe einschließen, die aus „Destillatkraftstoff" oder „Erdöl" hergestellt werden. Benzin, Turbinentreibstoff, Dieselkraftstoff und verschiedene andere Destillatöle sind eingeschlossen. Der Begriff „Destillatkraftstoff" bedeutet alle solche Produkte, die durch die Destillation von Erdöl oder Erdölfraktionen und -rückständen hergestellt werden. Der Begriff „Erdöl" soll in seinem üblichen Sinn alle solche Materialien einschließen, ungeachtet der Quelle, die normalerweise in der Bedeutung des Begriffs eingeschlossen ist, einschließlich Kohlenwasserstoffmaterialien, ungeachtet der Viskosität, die aus fossilen Brennstoffen wiedergewonnen werden.Of the Term "hydrocarbon fuel" is intended to all such Include fuels, made from "distillate fuel" or "petroleum". Gasoline, jet fuel, diesel fuel and various others distillate oils are included. The term "distillate fuel" means all such Products made by the distillation of petroleum or petroleum fractions and residues become. The term "petroleum" is intended in its usual Meaning all such materials, regardless of source, which is usually included in the meaning of the term, including Hydrocarbon materials, regardless of viscosity, which be recovered from fossil fuels.
Die Begriff „Dieselkraftstoff" bedeutet „Destillatkraftstoff", einschließlich Dieselkraftstoffe, die die ASTM-Definition für Dieselkraftstoffe oder andere erfüllen, obwohl sie nicht völlig aus Destillaten bestehen und Alkohole, Ether, Organonitroverbindungen und dergleichen (z.B. Methanol, Ethanol, Diethlether, Methylethylether, Nitromethan) umfassen können. Auch im Bereich dieser Erfindung sind Emulsionen und Flüssigbrennstoffe, die sich von pflanzlichen oder Mineralquellen, wie Mais, Luzerne, Schiefer und Kohle, ableiten. Diese Kraftstoffe können auch andere Zusatzstoffe enthalten, die dem Fachmann bekannt sind, einschließlich Farbstoffe, Cetanverbesserer, Antioxidationsmittel, wie 2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol, Korrosionshemmstoffe, Rostschutzmittel, wie alkylierte Bernsteinsäuren und -anhydride, bakteriostatische Mittel, Oxidationsinhibitor, Metalldeaktivatoren, obere Zylinderschmiermittel, Vereisungsschutzmittel und dergleichen.The The term "diesel fuel" means "distillate fuel", including diesel fuel, the ASTM definition for Diesel fuels or others meet, although they are not made entirely of distillates and alcohols, ethers, Organonitroverbindungen and the like (e.g., methanol, ethanol, diethyl ether, methyl ethyl ether, nitromethane) may include. Also within the scope of this invention are emulsions and liquid fuels, derived from vegetable or mineral sources, such as corn, alfalfa, Slate and coal, derive. These fuels can too contain other additives known to those skilled in the art, including dyes, Cetane improvers, antioxidants, such as 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol, Corrosion inhibitors, rust inhibitors, such as alkylated succinic acids and anhydrides, bacteriostatic agents, antioxidants, metal deactivators, top cylinder lubricants, anti-icing agents and the like.
Der Begriff „Harnstoff" soll Harnstoff in allen seinen Handelsformen umfassen, einschließlich: Ammelid; Ammelin; Ammoniumcarbonat; Ammoniumbicarbonat; Ammoniumcarbamat; Ammoniumcyanat; Ammoniumsalzen anorganischer Säuren, einschließlich Schwefelsäure und Phosphorsäure; Ammoniumsalzen organischer Säuren, einschließlich Ameisensäure und Essigsäure; Biuret; Cyanursäure; Isocyansäure; Melamin und Tricyanharnstoff. Typischerweise besteht die Handelsform von Harnstoff im Wesentlichen aus Harnstoff, wobei 95% oder mehr Harnstoff enthalten sind, oder aus einer Harnstoff in dieser Reinheit enthaltenden wässrigen Lösung.Of the Term "urea" is said to be urea in all its forms of trading, including: Ammelid; ammeline; ammonium carbonate; ammonium bicarbonate; ammonium carbamate; ammonium cyanate; ammonium salts inorganic acids, including sulfuric acid and phosphoric acid; Ammonium salts of organic acids, including formic acid and Acetic acid; biuret; cyanuric acid; isocyanic; melamine and tricyanourea. Typically, the trade form of Urea consisting essentially of urea, with 95% or more urea contained, or from a urea containing in this purity aqueous Solution.
Wässrige Lösungen von Harnstoff können bis zu ihren Löslichkeitsgrenzen verwendet werden. Typischerweise enthält die wässrige Lösung etwa 2 bis etwa 65% Reagenz, bezogen auf das Gewicht der Lösung. Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass sie die Verwendung von konzentrierten Harnstofflösungen ermöglicht. Der Stand der Technik lehrt, dass verdünnte Lösungen von Harnstoff erforderlich sind, um Probleme mit dem Niederschlag von Abbauprodukten zu vermeiden. Die Erfindung ermöglicht das Verwenden von Harnstoff zum maximalen Vorteil ohne die üblichen Sorgen mit Ammoniak oder die Sorgen der Verstopfung von Leitung und Düse. Konzentrierte Lösungen sind bevorzugt, weil sie die Menge des Wassers beschränken, die gelagert, transportiert, verdampft und vor dem Gefrieren im Winter geschützt werden muss. Typische Konzentrationen von Harnstoff sind innerhalb des Bereichs von etwa 25 bis etwa 50%, z.B. etwa 35%.Aqueous solutions of Urea can up to their solubility limits be used. Typically, the aqueous solution contains from about 2 to about 65% reagent, based on the weight of the solution. It is an advantage of the invention that they concentrate the use of Urea solutions possible. The prior art teaches that dilute solutions of urea are required are to avoid problems with the precipitation of degradation products. The invention allows using urea to the maximum advantage without the usual Worry with ammonia or the worry of clogging pipe and nozzle. Concentrated solutions are preferred because they restrict the amount of water that stored, transported, evaporated and frozen in winter protected must become. Typical concentrations of urea are within the range of about 25 to about 50%, e.g. about 35%.
Der Harnstoff kann in Form einer Lösung oder trocken in einem Kanister gelagert werden. Wenn er trocken gelagert wird, wird Wasser mit dem Harnstoff in Kontakt gebracht, wenn er gebraucht, um eine Lösung herzustellen. Auf diese Art und Weise kann die Lösungskonzentration von nahe Sättigung (um die Lagerung und Verwendung von Wasser zu minimieren) oder zu jeder möglichen Konzentration variiert werden, die für ein Fahrzeug oder eine stationäre Installation geeignet ist. Es ist unter einigen Umständen gewünscht, Heizungen für das Lagern von Wasser und/oder der Harnstofflösung bereitzustellen, um das Gefrieren zu verhindern oder die Zeit für die Vergasung zu verringern. Ebenfalls kann es nützlich sein, Frostschutzmittelmaterialien zu verwenden.The urea can be stored as a solution or dry in a canister. When stored dry, water is contacted with the urea when needed to make a solution. In this way, the solution concentration can be varied from near saturation (to minimize the storage and use of water) or to any possible concentration suitable for a vehicle or stationary installation. It is desirable in some circumstances to provide heaters for storing water and / or urea solution to prevent freezing or reduce gasification time. It may also be useful to use antifreeze materials.
Bezug
wird auf die
Die Erfindung ermöglicht die Verwendung von wässrigen Lösungen von Harnstoff anstelle von Ammoniak zur SCR-NOx-Reduktion auf eine Art und Weise, die ein Verstopfen des Lösungsbeschickungs- und Injektorsystems mit Ablagerungen von Harnstoffhydrolyseprodukten oder das Benetzen oder Erzeugen von festen Ablagerungen auf dem Katalysator vermeidet.The invention enables the use of aqueous solutions of urea instead of ammonia for SCR NO x reduction in a manner which avoids clogging of the solution feed and injector system with deposits of urea hydrolysis products or wetting or generation of solid deposits on the catalyst ,
Die Vorteile, die das Verhindern von Ablagerungen im Reagenszuführungssystem betrifft, werden dadurch erreicht, dass sichergestellt wird, dass die Hydrolyse nicht im Beschickungssystem stattfindet. Der Vorteil des Verhinderns von Ablagerungen auf dem Katalysator wird durch viel versprechend schnelle Zersetzung des Harnstoffs, nachdem die Lösung in die Abgase eingebracht worden ist, erreicht. Die Tatsache, dass die Erfindung nicht auf einer geringen Harnstoffkonzentration beruht, um Zersetzung in den Beschickungsleitungen zu vermeiden, erhöht die Geschwindigkeit der Zersetzung des Harnstoffs im Abgas. Außerdem erfordert die Erfindung nicht die Verwendung von Luft, um eine verdünnte Harnstofflösung auf unter 100°C zu kühlen – derartige niedrige Temperaturen, besonders wenn sie durch die Verwendung von großen Volumina kühler Luft erreicht werden, die in die Abgase eingebracht wurde, können die Zersetzung des Harnstoffs durch die Abgase verzögern.The Advantages of preventing deposits in the reagent delivery system This will be achieved by ensuring that the Hydrolysis does not take place in the feed system. The advantage of Preventing deposits on the catalyst is by much promising rapid decomposition of the urea after the solution in the exhaust gases has been introduced reached. The fact that the invention is not based on a low urea concentration, To avoid decomposition in the feed lines increases the speed the decomposition of urea in the exhaust gas. In addition, the invention requires Do not use air to dilute urea solution to below 100 ° C too cool - such low temperatures, especially when using huge Volumes cooler Air can be achieved, which was introduced into the exhaust gases, the Decomposition of urea by the exhaust gases delay.
Die
Figur zeigt ein Reagensinjektorsystem, das eine Beschickungsleitung,
z.B. eine gemeinsame Bahn
Unter den Niederdruckvorrichtungen sind eines der verfügbaren Niederdruckflüssigkeitsverteilungsmittel, wie ein mechanischer Zerstäuber des Typs, der zum Sprühen von Farben verwendet wird, ein Schallzerstäuber, ein einfaches Ventil, das sich zu einem Schlauch mit einer Dispersionsvorrichtung erstreckt, die eine Mehrzahl von Öffnungen umfasst, um ein feines Spray bereitzustellen, eine Zapfen-regulierte Düse (bzw. Zapfeneinspritzventil), die in der Lage ist, einstellbare Muster zu sprühen, oder dergleichen. Pressluftbetriebene Düsen können verwendet werden, es ist aber bevorzugt, sie mit einem Minimum an Luft zu betreiben, um die Kosten der Ausrüstung und die Wirkung, die Luft auf das Abkühlen des Abgases hat, zu verringern. Bei Umständen, wenn weder die Luftzuführung noch ihre abkühlende Wirkung unannehmbar sind, schließt die Konstruktion Kompromisse, Luft kann verwendet werden, um den Injektor zu kühlen und/oder die Einspritzung der Harnstofflösung zu unterstützen.Under the low pressure devices are one of the available low pressure liquid distribution means, like a mechanical atomizer of the type for spraying used by paints, a sonic sprayer, a simple valve, which extends to a hose with a dispersion device, the a plurality of openings includes, to provide a fine spray, a pin-regulated Nozzle (resp. Spigot valve), which is capable of adjustable pattern to spray, or similar. Pressurized air nozzles can be used, it is but prefers to operate them with a minimum of air to the Cost of the equipment and to reduce the effect that air has on the cooling of the exhaust gas. In circumstances when neither the air supply still their cooling effect unacceptable closes The design compromises, air can be used to the To cool the injector and / or to assist in the injection of the urea solution.
Unter den Hochdruckinjektoren sind Einspritzvorrichtungen des Typs, der zur Kraftstoffeinspritzung verwendet wird, welche bei 68 bis 680 atm (1000 bis 10.000 psig) abrupt öffnen und Peak-dynamische Einspritzdrücke von bis zu etwa 3400 atm (etwa 50.000 psig) aufweisen. Injektoren des Zapfentyps arbeiten innerhalb der vorstehend erwähnten Druckbereiche und können den zusätzlichen Vorteil eines kratzenden, selbstreinigenden Merkmals bereitstellen, um die Injektorablagerungen am Düsenauslass zu minimieren. Andere Injektoren können auch ungeachtet des Betriebsdrucks, z.B. arbeiten einige bei Drücken in der Größenordnung von 2 atm (30 psig), verwendet werden.Under The high-pressure injectors are injectors of the type which used for fuel injection, which at 68 to 680 atm (1000 to 10,000 psig) open abruptly and peak dynamic injection pressures of up to about 3400 atm (about 50,000 psig). Injectors of the Pin type work within the above-mentioned pressure ranges and can the additional Provide an advantage of a scratching, self-cleaning feature, around the injector deposits at the nozzle outlet to minimize. Other injectors can also be used regardless of the operating pressure, e.g. some work on pressing in the order of magnitude of 2 atm (30 psig).
Reihenmischvorrichtungen
werden vorzugsweise verwendet, um eine gute Verteilung der Harnstofflösung innerhalb
der Abgase sicherzustellen, besonders wenn Niederdruckinjektoren
verwendet werden. Verteilung ist wichtig, weil hohe Konzentrationen der
Harnstofflösung
lokalisiertes Abkühlen
verursachen können,
und dieses kann Tröpfchen
von Wasser oder Teilchen von Harnstoff oder Pyrolyseprodukten zur
Folge haben, die überleben
und dann den SCR-Katalysator beeinflussen. Eine geeignete Vorrichtung
ist als Propeller
Die
Ausführungsform,
die in der Figur veranschaulicht ist, schließt einen Bahndrucksensor
Die
Regeleinrichtung
Die
Figur zeigt den Sensor
Die
Temperatur der Harnstofflösung
im gesamten System wird bei einem Wert gehalten, der niedrig genug
ist, dass bei erhöhter
Temperatur nicht ausreichend Zeit gegeben ist, den Harnstoff in
dem Ausmaß zu
hydrolysieren, dass Feststoffe ausfallen (z.B. unterhalb von etwa
140°C).
Der Injektor
Es
ist ein eindeutiger Vorteil der Erfindung, dass keine Luft erforderlich
ist, um Temperaturkontrolle zu erreichen – Einsparung von Ausrüstungskosten
und Verhindern verringerter Leistungsfähigkeit wegen der Kühlwirkung
der Luft auf die Abgase. Es ist auch ein Vorteil der Erfindung,
dass die Hochdruckinjektorausrüstung
mit einer Rücklaufleitung zum Betreiben
von Drücken,
die hoch genug sind, um Zerstäubung,
vorzugsweise mit mindestens etwas Vergasung, der Harnstofflösung bei
Verringern des Drucks zu bewirken, ausgestaltet werden kann. Dieses
Merkmal ermöglicht
nahe Kupplung des Injektors mit dem SCR-Reaktor
In
einer anderen Ausführungsform
jedoch werden die Rücklaufleitungen
Es
ist möglich,
einen Katalysator zum Fördern
der Hydrolyse und/oder der Pyrolyse des Harnstoffs auf einem oder
mehreren der Abgassystem-Komponententeile als Beschichtung oder
als ein getrenntes Element bereitzustellen. Zum Beispiel könnte er
auf dem Abgasrohr
Der verwendete SCR-Katalysator ist einer, der in der Lage ist, die Konzentration der ausströmenden Stickstoffoxide in Gegenwart von Ammoniak zu verringern. Diese schließen zum Beispiel Aktivkohle, Holzkohle oder Koks, Zeolithe, Vanadiumoxid, Wolframoxid, Titanoxid, Eisenoxid, Kupferoxid, Manganoxid, Chromoxid, Edelmetalle, wie Platingruppenmetalle, wie Platin, Palladium, Rhodium und Iridium, oder Gemische von diesen ein. Andere SCR-Katalysatormaterialien, die auf dem Fachgebiet üblich sind und dem Fachmann vertraut sind, können auch verwendet werden. Diese SCR-Katalysatormaterialien sind typischerweise an einem Träger, wie einem Metall, Keramik, Zeolith oder homogenem Monolith, angebracht, obwohl auch andere auf dem Fachgebiet bekannte Träger verwendet werden können.Of the used SCR catalyst is one that is capable of concentration the outflowing To reduce nitrogen oxides in the presence of ammonia. These close to Example activated carbon, charcoal or coke, zeolites, vanadium oxide, tungsten oxide, titanium oxide, Iron oxide, copper oxide, manganese oxide, chromium oxide, precious metals, such as platinum group metals, such as platinum, palladium, rhodium and iridium, or mixtures of these one. Other SCR catalyst materials conventional in the art and are familiar to the expert can also be used. These SCR catalyst materials are typical on a carrier, such as a metal, ceramic, zeolite or homogeneous monolith, attached, although other carriers known in the art are also used can be.
Unter
den nützlichem
SCR-Katalysatoren sind solche, die nachstehend beschriebene Verfahren
nach dem Stand der Technik darstellen. Selektive katalytische Reduktionsverfahren
zum Reduzieren von NOx sind bekannt und
verwenden verschiedene katalytische Mittel. Zum Beispiel besprechen
in der Europäischen
Patentanmeldung WO 210,392 Eichholtz und Weiler die katalytische
Entfernung von Stickstoffoxiden unter Verwendung von Aktivholzkohle
oder Aktivkoks unter Zugabe von Ammoniak als Katalysator. Kato et
al. in der US-Patent Nr. 4,138,469 und Henke in der US-Patent Nr.
4,393,031 offenbaren die katalytische Reduktion von NOx unter Verwendung
von Platingruppenmetallen und/oder anderen Metallen, wie Titan,
Kupfer, Molybdän,
Vanadium, Wolfram oder Oxiden davon unter Zugabe von Ammoniak, um
die gewünschte
katalytische Reduktion zu erreichen (siehe auch
Ein anderes katalytisches Reduktionsverfahren wird vom Kanadischen Patent 1,100,292 von Knight offenbart, welches die Verwendung eines Platingruppenmetalls, Gold- und/oder Silberkatalysators, der auf einem feuerfesten Oxid aufgetragen ist, betrifft. Mori et al. besprechen in der US-Patent Nr. 4,107,272 die katalytische Reduktion von NOx unter Verwendung von Oxyschwefel, Sulfat oder Sulfitverbindungen von Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kupfer und Nickel unter Zugabe von Ammoniakgas.Another catalytic reduction process is disclosed in Canadian Patent 1,100,292 to Knight which relates to the use of a platinum group metal, gold and / or silver catalyst supported on a refractory oxide. Mori et al. discuss in U.S. Pat. No. 4,107,272, the catalytic reduction of NO x using Oxyschwefel, sulfate, or sulfite compounds of vanadium, chromium, manganese, iron, copper and nickel with the addition of ammonia gas.
In einem Mehrphasenkatalysatorsystem offenbart Ginger in der US-Patent Nr. 4,268,488 das Einwirken eines ersten Katalysators, der eine Kupferverbindung, wie Kupfersulfat, umfasst, und eines zweiten Katalysators, der Metallkombinationen, wie Sulfate von Vanadium und Eisen oder Wolfram und Eisen, auf einem Träger umfasst, auf ein Stickstoffoxide enthaltendes Abgas in Gegenwart von Ammoniak.In a multiphase catalyst system disclosed by Ginger in the US patent No. 4,268,488 the action of a first catalyst, the one Copper compound, such as copper sulfate, and a second catalyst, the metal combinations, such as sulfates of vanadium and iron or Tungsten and iron, on a support comprises, on exhaust gas containing nitrogen oxides in the presence of ammonia.
Das Abgas, in welches der Harnstoff eingebracht worden ist, wird vorzugsweise über den SCR-Katalysator geleitet, während sich das Abgas bei einer geeignet hohen Temperatur befindet, typischerweise zwischen etwa 180°C und etwa 650°C, z.B. mindestens etwa 300°C. Auf diese Art und Weise erleichtert die aktive Spezies, die wegen der Hydrolyse und Vergasung der Harnstofflösung in dem Abgas vorliegt, die katalytische Reduktion der Stickstoffoxide am wirksamsten. Das Abgas enthält einen Überschuss an Sauerstoff. Die Verwendung der vorliegenden Erfindung mit einem der vorstehenden SCR-Katalysatoren (deren Offenbarung durch Bezugnahme besonders aufgenommen ist) verringert oder beseitigt das Erfordernis des Transports, der Lagerung und Handhabung großer Mengen Ammoniak oder Ammoniumwasser.The Exhaust into which the urea has been introduced is preferably via the SCR catalyst passed while the exhaust gas is at a suitably high temperature, typically between about 180 ° C and about 650 ° C, e.g. at least about 300 ° C. In this way, the active species facilitates because of the hydrolysis and gasification of the urea solution in the exhaust gas is present, the catalytic reduction of nitrogen oxides most effective. The Contains exhaust gas a surplus of oxygen. The use of the present invention with a the above SCR catalysts (their disclosure by reference particularly included) reduces or eliminates the requirement transport, storage and handling of large quantities of ammonia or ammonium water.
Weil die Erfindung mit anderen emissionsverringernden und Brennstoffwirtschaftlichkeittechnologien kompatibel ist, werden mehrere hybride Verfahren für den Motorkonstrukteur, Fahrzeugproduzenten und Nachrüstungsmarkt verfügbar. Zum Beispiel kann der Kraftstoff mit einem geeigneten Platingruppenmetallzusatzstoff und/oder Katalysatorhilfszusammensetzung katalysiert werden, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Verbindungen von Natrium, Lithium, Kalium, Calcium, Magnesium, Cer, Eisen, Kupfer, Mangan und Gemischen. Unter den Verbindungen sind beliebige von denen, die zum Beispiel in den vorherigen US-Patenten Nr. 4,892,562 und 4,891,050 von Bowers und Sprague, 5,034,020 von Epperly und Sprague, 5,215,652 von Epperly, Sprague, Kelso und Bowers und 5,266,083 von Peter-Hoblyn, Epperly, Kelso und Sprague, WO 90/07561 von Epperly, Sprague, Kelso und Bowers und der US-Patentanmeldung mit der Seriennr. 08/597,517, eingereicht am 31. Januar 1996 durch Peter-Hoblyn, Valentine und Sprague, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen sind, offenbart sind. Wenn es die Anmeldung erlaubt, kann eine Mischung dieser Verbindungen mit einer oder mehreren anderen Verbindungen von Platingruppenmetallen, wie Seifen, Acetylacetonate, Alkoholate, β-Diketonate und Sulfonate, z.B. von der Art, welche nachstehend ausführlicher beschrieben werden, verwendet werden.Because the invention is compatible with other emission reducing and fuel economy technologies, several hybrid methods become available to the engine designer, vehicle manufacturer and aftermarket market. For example, the fuel may be catalyzed with a suitable platinum group metal additive and / or catalyst adjuvant composition selected from the group consisting of compounds of sodium, lithium, potassium, calcium, magnesium, cerium, iron, copper, manganese and mixtures. Among the compounds are any of those described, for example, in U.S. Patent Nos. 4,892,562 and 4,891,050 to Bowers and Sprague, 5,034,020 to Epperly and Sprague, 5,215,652 to Epperly, Sprague, Kelso and Bowers, and 5,266,083 to Peter-Hoblyn, Epperly , Kelso and Sprague, WO 90/07561 by Epperly, Sprague, Kelso and Bowers, and U.S. Patent Application Serial No. No. 08 / 597,517, filed January 31, 1996 by Peter-Hoblyn, Valentine and Sprague, which are hereby incorporated by reference. If permitted by the application, a mixture of these compounds may be used with one or more other platinum group metal compounds, such as soaps, acetylacetonates, alcoholates, β-diketonates, and sulfonates, for example, of the type described in more detail below.
Der Katalysator des Platingruppenmetalls und/oder ein anderer Katalysator können auf eine Art und Weise zugegeben werden, die für ihren beabsichtigten Zweck wirksam sind, wie durch Zugabe zum Kraftstoff in Großtanks, zum Kraftstoff in einem Tank, der mit dem Motor verbunden ist, oder durch kontinuierliche oder zeitweilige Zugabe, wie durch eine geeignete Dosiervorrichtung, in: die Kraftstoffleitung, die zum Motor führt, oder in Form eines Dampfes, Gases oder Aerosoles in den Lufteinlass, die Abgase vor dem Filter, die Abgase nach dem Filter aber vor der Rückführung zum Motor oder einer Mischungskammer oder gleichwertiger Vorrichtungen, wobei die Abgase mit zuströmender Luft gemischt werden.Of the Catalyst of the platinum group metal and / or another catalyst can be added in a manner appropriate for their intended purpose are effective, such as by adding fuel to bulk tanks, to the fuel in a tank connected to the engine, or by continuous or temporary addition, as by a suitable Dosing device, in: the fuel line leading to the engine, or in the form of a vapor, gas or aerosol into the air inlet, the exhaust gases in front of the filter, the exhaust gases after the filter but before Return to the Engine or a mixing chamber or equivalent devices, wherein the exhaust gases with inflowing Air are mixed.
Wenn verwendet, besonders in Verbindung mit Partikelfilter, werden vorzugsweise Katalysatorzusammensetzungen eines Platingruppenmetalls bei Konzentrationen von weniger als 2 Gewichtsteilen Platingruppenmetall pro eine Million Teile pro Volumen Kraftstoff (ppm) verwendet. Zu den Zwecken dieser Beschreibung sind alle „Teile pro Million" Zahlen auf der Grundlage von Gewicht zu Volumen, d.h. Gramm/Millionenkubikzentimeter (was auch als Milligramm/Liter ausgedrückt werden kann), und die Prozentsätze sind Gewichtsprozent, falls nicht etwas anderes angegeben ist. Hilfskatalysatoren werden in Mengen verwendet, die zu ihrem beabsichtigten Zweck wirksam sind, vorzugsweise in Mengen von 1 bis 100 ppm des verwendeten Kraftstoffs, z.B. 10 bis 60 ppm.If used, especially in conjunction with particulate filters, are preferred Catalyst compositions of a platinum group metal at concentrations less than 2 parts by weight of platinum group metal per million Parts per volume of fuel (ppm) used. For the purposes of this Description are all "parts per million "numbers based on weight to volume, i. Grams / million cubic centimeters (which can also be expressed as milligrams / liter), and the percentages are Weight percent, unless otherwise specified. auxiliary catalysts are used in amounts effective for their intended purpose are, preferably in quantities of 1 to 100 ppm of the fuel used, e.g. 10 to 60 ppm.
Die Beschreibung zuvor soll dem Durchschnittsfachmann zeigen, wie die vorliegende Erfindung umgesetzt wird und es ist nicht beabsichtigt, alle naheliegende Abweichungen und Ausführungsformen detailliert zu beschreiben, die sich dem erfahrenen Fachmann beim Lesen dieser Beschreibung erschließen. Es ist jedoch beabsichtigt, dass all diese naheliegenden Modifikationen und Ausführungsformen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, die durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist, umfasst werden. Die Ansprüche verfassen die genannten Elemente und Verfahrensschritte in allen möglichen verschiedenen Anordnungen und Abfolgen, die die Aufgaben für die vorliegende Erfindung effektiv lösen soweit dies im Kontext nicht ausdrücklich anders erwähnt ist.The Description before should show the average expert, such as the The present invention is implemented and is not intended to be all obvious deviations and embodiments in detail describe that to the experienced professional while reading this Description open up. It is intended, however, that all such obvious modifications and embodiments from the scope of the present invention, which is defined by the following claims is defined. The claims write the said Elements and process steps in all possible different arrangements and sequences that perform the tasks for effectively solve the present invention as far as this in context not expressly mentioned differently is.
Claims (42)
Applications Claiming Priority (3)
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US831209 | 1997-04-02 | ||
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EP98913326A EP0975417B1 (en) | 1997-04-02 | 1998-03-31 | REDUCING NOx EMISSIONS FROM AN ENGINE BY TEMPERATURE-CONTROLLED UREA INJECTION |
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Family
ID=37776104
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20070322 |
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