JP2010528207A - 流体を蒸発させるための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

事前に決定可能な体積量の流体を蒸発させるための方法であって、該方法は、ａ）少なくとも一つの第１の部分体積量を第１の体積添加速度（１７）で、第１の部分体積量とは異なる、少なくとも一つの事前に決定可能な第２の部分体積量を第２の体積添加速度（１７）で供給ライン（３）に連続して添加するステップと、ｂ）部分体積量を少なくとも部分的に蒸発させて、供給ライン（３）の壁と部分体積量との間に蒸気膜を形成させるステップと、ｃ）部分体積量を供給ライン（３）を介して蒸発器面（５）に導くステップと、ｄ）部分体積量を蒸発器面（５）の領域における、ｉ）対応する部分体積量の質量、及び、ｉｉ）対応する部分体積量の体積添加速度（１７）と、の少なくとも一つのパラメータの関数として変化する位置に当てるステップと、を含む。本発明の方法及び本発明の装置（１）は有利に、流体、特に、尿素／水溶液を可能な限り効果的に蒸発させることができる。蒸発器面（５）の衝突面を質量及び／又は体積添加速度に応じて分散させた結果、蒸発器面（５）を最大限の比率で利用することを可能としている。このため、供給ライン（３）の領域において、個々の部分体積量が添加されると、確実にライデンフロスト効果が発生する有利な加熱手法を実現する。このようにして、蒸発器流路（４）の幾何学的構成に応じた手法で、可能な限り均一に分散させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体を蒸発させるための装置及び方法に関する。特に、流体は、内燃機関の排出ガスシステムの窒素酸化物の選択的触媒還元における還元剤アンモニアの還元剤前駆体として使用される、尿素／水溶液である。

内燃機関、特に、自動車の排出ガスにおける窒素酸化物成分を還元するための選択的触媒還元（ＳＣＲ）を行う場合、アンモニアがしばしば、窒素酸化物を選択的に反応する還元剤として使用される。特に、自動車の用途において、アンモニアは、加熱分解及び／又は加水分解によって尿素から生成される。尿素は、しばしば、尿素／水溶液として貯蔵され、必要に応じて、排出ガスシステムに溶液の状態で注入される、又は、排出ガスの外部で蒸発させて、排出ガスにアンモニア又は尿素含有蒸気として供給される。後者の場合、特に、動的な負荷で比較的大量に蒸発させることから、蒸発器に与えるための蒸発エンタルピーが比較的大量のエネルギーを消耗する。このために、蒸発器の冷却が、場合によっては、流体を完全に蒸発させることができなくなるほどまで深刻となることがあるためにしばしば問題となる。

したがって、本発明は、従来技術で知られている欠点の少なくともいくつかを解決することを目的とし、特に、比較的大量の流体であっても完全に蒸発させることができる、流体を蒸発させるための方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明は、従属請求項の特徴を有する方法及び装置によって達成される。従属請求項は有利な発展態様に関する。

事前に決定可能な体積量の流体を蒸発させるための本発明の方法は、ａ）少なくとも一つの第１の部分体積量を第１の体積添加速度で、前記事前に決定可能な体積量の前記第１の部分体積量とは異なる、少なくとも一つの第２の部分体積量を第２の体積添加速度で供給ラインに連続して添加するステップと、ｂ）前記部分体積量を少なくとも部分的に蒸発させて、前記供給ラインの壁と前記部分体積量との間に蒸気膜を形成させるステップと、ｃ）前記部分体積量を前記供給ラインを介して蒸発器面に導くステップと、ｄ）前記部分体積量を前記蒸発器面の領域における、ｉ）対応する部分体積量の質量、及び、ｉｉ）対応する部分体積量の体積添加速度と、の少なくとも一つのパラメータの関数として変化する位置に当てるステップと、を含む。

ステップａ）は、したがって、事前に決定可能な体積量を、異なるサイズの複数の部分体積量に分割するステップを含む。これは、添加する前に、事前に決定可能な体積量からの複数の部分体積量を対応する制御手段によって算出した後に、部分体積量を供給ライン、例えば、対応する備え付けの計量型ポンプによって添加することによって実行できる。ステップａ）は、流体を連続して供給ラインに搬送する場合、体積流量を時間的に変化させて、第１の部分体積量と第２の部分体積量を連続して供給ラインに添加するステップも含む。この場合、例えば、ポンプの搬送出力、及び／又は、例えば、開閉することによって体積添加速度を変化するために使用することができる、バルブなどの対応する流量制御部を時間制御手法で変化させることによって、体積添加速度を時間的に変化させることができる。体積添加速度の大きさは、連続的に、及び／又は、不連続的に変化させることができる。体積添加速度の大きさは、事前に決定可能な時間期間にわたって一定に保つこともできる。この時間期間の長さは可変とすることが好ましい。

ステップｄ）によって、蒸発器面の異なる領域に、異なるサイズの部分体積量を、質量及び／又は体積添加速度の関数として作用させることができる。これによって、蒸発器面のより均一な利用が可能となり、したがって、蒸発器面をより均一に利用することができるので、より均一に冷却することができ、蒸発器面を点と点に集中して冷却することはない。これによって、従来技術の他のシステムと比較して、大幅に完全な蒸発が起こるので、蒸発器面の冷却が集中的に起こり、さらに蒸発が大幅に減少するというリスクは回避される。

流体は尿素／水溶液であることが特に好ましい。尿素及び／又はアンモニア含有ガス流を供給する本方法は、特に内燃機関、特に、自動車及び／又はオートバイなどの動力車両の排出ガスシステムの用途に採用又は使用することが特に好ましい。

本発明の方法の有利な態様によると、蒸発器面は、少なくとも一つの蒸発器流路の表面を含む。好ましくは、供給ライン及び蒸発器流路は共通の流路である。

また、ステップｄ）が慣性効果に基づいて行われることが好ましい。これによって、慣性効果を用いながら、個々の部分体積量の質量の相違により、部分体積量を蒸発器面に可能な限り均一に分散させることができる。これは、蒸発器流路を湾曲にして、その曲率半径、及び／又は蒸発器流路をその貫流可能な断面を変化させることによって、実行できる。

本発明の方法の有利な態様によると、流体は、尿素の水溶液を含み、必要な場合は、さらに、添加剤、例えば、ギ酸水溶液を含む。この種の尿素は、「Ａｄ Ｂｌｕｅ」又は「Ｄｅｎｏｘｉｕｍ」という商標名で入手可能である。

本発明のさらなる態様は、上述の方法を実行して流体を蒸発させるための装置を提案する。本発明の装置では、流体は、供給ラインを介して蒸発器面に供給されることができ、蒸発器面は、蒸発器流路の表面を含み、ａ）蒸発器流路の曲率半径と、ｂ）蒸発器流路の貫流可能な断面と、ｃ）流体の体積添加速度と、の少なくとも一つのパラメータが可変である。

曲率半径、曲率及び／又は貫流可能な断面を変化させることによって、慣性効果により、事前に決定可能な体積量の異なるサイズの部分体積量が蒸発器面の異なるポイントに衝突するようにさせることができる。このため、蒸発エンタルピーを与え、蒸気をさらに加熱するために蒸発器面の異なる領域を用いることができる。これによって、比較的大量の、事前に決定可能な体積量を蒸発させる際に、蒸発器面が点ごとに冷却されることが防止される。流体の体積添加速度は、対応する作動可能な搬送手段、例えば、ポンプ、及び／又はバルブによって変化させることができる。

本発明の装置の有利な態様によると、蒸発器流路の少なくとも一部が、特に、還元剤前駆剤を加水分解して還元剤を生成するための、触媒作用をする多孔質の被膜を有する。特に好ましくは、供給ラインと蒸発器流路は、尿素／水溶液の添加及び蒸発時の腐食に対して耐性を有する材料で生成する。特に、材料は、特殊鋼、チタニウム、及び／又はアルミニウムを含むことができる。

本発明の装置は、好ましくは、流体を貯蔵部から供給ラインに搬送するための少なくとも一つのポンプを含む搬送手段を備える。ポンプを、流体の搬送出力、したがって、体積添加速度を調整可能な計量型ポンプとして構成することが好ましい。代替として、あるいは追加的に、搬送ポンプを、流体の搬送出力及び／又は搬送圧力を予め決定することができる搬送手段として装備してもよい。搬送出力及び／又は搬送圧力を変化させて、貯蔵部と供給ラインとの間に装備された対応するバルブを作動することによって、流体の体積添加速度を変化させることができる。

以下、本発明について、添付の図面を参照しながらより詳細に説明するが、本発明は、ここに示される代表的な実施の形態に限定されない。本発明の方法の詳細及び利点は、本発明の装置に転換及び適用可能であり、その反対もまた真である。

貫流可能な断面が変化する、本発明の代表的な実施の形態の装置の側面図である。 曲率半径が変化する、本発明の代表的な実施の形態の装置の側面図である。 蒸発器面に多孔質の被膜を有する、本発明の代表的な実施の形態の装置の側面図である。 本発明の第２の代表的な実施の形態の装置の側面図である。 流体の体積添加速度の変化の一例を示す概略図である。 流体の体積添加速度の変化の一例を示す概略図である。 流体の体積添加速度の変化の一例を示す概略図である。

図１に、本発明の第１の代表的な実施の形態の、流体を蒸発させるための装置１を示す。装置１は流路２を有する。流路２は、供給ライン３と蒸発器流路４とに分岐してもよい。供給ライン３は、この場合、流体を供給する働きをし、蒸発器流路４は、蒸発器面５として働く壁を有する。この場合、装置１は、アルミニウムからなる固形体（Ｖｏｌｌｋｏｅｒｐｅｒ）を有し、例えば、フライス加工によって流路２が形成されている。装置１はまた、端子６を介して電流を供給することができる電熱手段（図示されていない）を有する。装置１は、このようにして電気によって加熱することができる。

対応する流体を、貯蔵部８から供給ライン３へ計量型ポンプ７を介して搬送することができる。計量型ポンプ７の搬送出力、供給ライン３への流体の体積添加速度（Ｖｏｌｕｍｅｎｚｕｇａｂｅｒａｔｅ）は可変である。本発明によると、事前に決定可能な体積の流体、ここでは、内燃機関の排出ガスの還元剤としてアンモニアを提供するための尿素／水溶液は、蒸発させられる。本発明によると、事前に決定可能な体積量、例えば、排気ガスに存在する窒素酸化物の濃度から算出した量を、この場合、サイズの異なる個々の部分体積量に分割する。これによって、例えば、第１の部分体積量を事前に決定可能な体積量の三分の一として、第２の部分体積量を事前に決定可能な体積量の三分の二とすることができる。また、例えば、第１の部分体積量を事前に決定可能な体積量の六分の一とし、第２の部分体積量を事前に決定可能な体積量の六分の二とし、第３の部分体積量を事前に決定可能な体積量の半分とするなど、他の分割も可能である。この場合、計量型ポンプ７を、部分体積量を供給ライン２に搬送し、蒸発器流路４に搬送するように有利に使用することができる。あるいは、計量型ポンプ７を作動することによって、事前に決定可能な体積量を蒸発させることができるように、流体の体積添加速度を変化させることができる。ここで、内燃機関からアンモニアと反応するまでの排出ガスの稼働時間を有利に利用することができ、計量型ポンプ７をこれに対応して制御することができる。

蒸発器流路４又は供給ライン３において、対応する部分体積量を部分的に蒸発させて、供給ライン３の壁と部分体積量との間に蒸気膜を形成させる。これは、特に、いわゆるライデンフロスト効果に基づき、ここでは、ライデンフロスト効果が発生することを目的として供給ライン３の壁を加熱する。こうして供給ライン３の壁と部分体積量との間に蒸気膜を生成する。計量型ポンプ７により維持される圧力勾配によって、この部分体積量は、供給ライン３と蒸発器流路４を介して導かれる。この場合、個々の部分体積量は、蒸発器面５の方向に導かれる。この蒸発器面５は、代表的な実施の形態では、蒸発器流路４の壁である。蒸発器流路４の曲率と貫流可能な断面の変化に応じた、部分体積量の蒸発器面５への衝突は、個々の部分体積量の質量に依存する。異なる部分体積量が添加されるため、流体を蒸発させるために、蒸発器面５の部分領域のみが用いられるのではなく、使用される蒸発器面５で散乱も発生する。代わりに、あるいは、追加的に、流体の体積添加速度を変化させることによって、さらなる散乱が実現する。使用される蒸発器面５の散乱は、蒸発器面５を効果的に利用できるという利点、特に、比較的大量の事前に決定可能な体積の流体を蒸発させる際に、蒸発器面５を均一に利用できるという利点がある。蒸発器面５を略点と点で利用し、事前に決定可能な体積量が比較的大量の場合、装置１の中の熱損失が大きくなり、事前に決定可能な体積量を完全に蒸発させることができなくなるため、これにより、顕著に改善された蒸発結果をもたらす。さらに、供給ライン３、及び／又は、蒸発器流体４の温度を、流体を可能な限り完全に蒸発できるように、調整することができる。

このため、本発明による工程は、不完全な蒸発が発生して、蒸発器流路４から蒸発されていない流体が滴化することを、有利に回避できるという利点がある。対応する部分体積量の流体の質量、及び／又は体積添加速度の関数に従って状態が変化する、個々の部分体積量を蒸発器面５の領域へ投入することは、複数の手段によって実現することができる。例えば、蒸発器流路４の曲率、及び／又は貫流可能な断面を、この場合、変化させることもできる。一般的に、様々な部分体積量の様々な質量に応じて、蒸発器面５の様々な衝突領域に導くように、慣性効果を利用する。

図１に、蒸発器流路４の第１の貫流可能な断面９と、第２の貫流可能な断面１０とを示す。第１の貫流可能な断面１０は、第２の貫流可能な断面１０よりも大きい。蒸発した流体の蒸気流１３は装置１から出る。

図２に、蒸発器流路４の曲率の変化を示す。ここでは、第１の曲率の円１１と、第２の曲率の円１２を示す。この場合、曲率半径が変化して、蒸発器面５の部分体積量の質量に応じた蒸着が発生し、個々の部分体積量の局所的に分散された（ｏｅｒｔｌｉｃｈ ａｕｆｇｅｌｏｅｓｔ）蒸発となる。

図３に、蒸発器面５が、尿素を加水分解してアンモニアを生成する触媒となる多孔質の被膜１４を有する代表的な実施の形態の詳細を示す。

図４に、代替の代表的な本発明の実施の形態の装置１を示す。本代表的な実施の形態は、計量型ポンプ７の代わりに、尿素／水溶液を貯蔵部８から搬送する搬送ポンプ１５を有する。尿素／水溶液の供給ライン３への添加は、２／３系調整統バルブ１６によって調整する。このバルブ１６は、尿素／水溶液を、供給ライン３に、あるいは、貯蔵部８に戻すように導くことができる。流体の供給ライン３への体積添加速度は、バルブ１６が供給ライン３に対して開いている期間、及び、供給ライン３へバルブ１６を通過する量に応じても変化させることができ、供給ライン３へバルブ１６を通過する量は、搬送ポンプ１５によって搬送される量を調整することによって調整することができる。

図５に、時間供給ライン３への体積添加速度１７の時間的変遷の第１の例を示す。この例は、バルブ１６が複数の自由に貫流可能な断面を有するようにした、搬送ポンプ１５とバルブ１６との対応する構成によって実現することができる。このため、この場合、バルブ１６を介して供給ライン３に流入する流体の量は、時間の単位で調整可能である。体積添加加速度１７は、供給ライン３に対するバルブ１６の開時間期間又は閉時間期間を変化させて、バルブ１６を介して流れる流体の量を変化させることによって調整することができる。図６及び７に示すように、体積添加速度１７は、計量型ポンプ７及び／又は搬送ポンプ１５、及びバルブ１６を適当に作動させることによって変化させることができる。図５〜７において、時間ｔと体積添加速度Ｖ／ｔとを表す単位は任意とする。

本発明の方法、及び本発明の装置１は有利に、流体、特に、尿素／水溶液を可能な限り効果的に蒸発させることができる。蒸発器面５の衝突面を質量及び／又は体積添加速度に応じて分散させた結果、蒸発器面５を最大限の比率で利用することを可能としている。このため、供給ライン３の領域において、個々の部分体積量が添加されるごとに、確実にライデンフロスト効果が発生する有利な加熱手法で動作する。このようにして、蒸発器流路４の幾何学的構成に応じた手法で、可能な限り均一に分散させることができる。

１ 装置 流体を蒸発させるための
２ 流路
３ 供給ライン
４ 蒸発器流露
５ 蒸発器面
６ 端子
７ 計量型ポンプ
８ 貯蔵部
９ 第１の貫流可能な 断面
１０ 第２の貫流可能な 断面
１１ 第１の曲率の円
１２ 第２の曲率の円
１３ 蒸気流
１４ 多孔質の被膜
１５ 搬送ポンプ
１６ 調整バルブ
１７ 体積添加速度

Claims (15)

1. 事前に決定可能な体積量の流体を蒸発させるための方法であって、
   該方法は、
   ａ）少なくとも一つの第１の部分体積量を第１の体積添加速度（１７）で、前記事前に決定可能な体積量の前記第１の部分体積量とは異なる、少なくとも一つの第２の部分体積量を第２の体積添加速度（１７）で供給ライン（３）に連続して添加するステップと、
   ｂ）前記部分体積量を少なくとも部分的に蒸発させて、前記供給ライン（３）の壁と前記部分体積量との間に蒸気膜を形成させるステップと、
   ｃ）前記部分体積量を前記供給ライン（３）を介して蒸発器面（５）に導くステップと、
   ｄ）前記部分体積量を前記蒸発器面（５）の領域における、
   ｉ）対応する部分体積量の質量、及び
   ｉｉ）対応する部分体積量の体積添加速度（１７）と、の少なくとも一つのパラメータの関数として変化する位置に当てるステップと、を含む方法。
2. 前記蒸発器面（５）が、少なくとも一つの蒸発器流路（４）の表面を有する、請求項１記載の方法。
3. 前記ステップ（ｄ）が、慣性効果に基づく、請求項１から２の何れかに記載の方法。
4. 前記蒸発器流路（４）が湾曲し、その曲率半径が変化する、請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記蒸発器流路（４）がその貫流可能な断面（９、１０）を変化させる、請求項１から４迄の何れかに記載の方法。
6. 前記流体が、水溶液の尿素を含む、請求項１から５迄の何れかに記載の方法。
7. 請求項１から６迄の何れかに記載の方法を用いて流体を蒸発させるための装置（１）であって、
   前記流体は、供給ライン（３）を介して蒸発器面（５）に供給されることができ、
   前記蒸発器面は、蒸発器流路（４）の表面を含み、ａ）前記蒸発器流路（４）の曲率半径と、ｂ）前記蒸発器流路（４）の貫流可能な断面（９、１０）と、ｃ）前記流体の体積添加速度（１７）と、の少なくとも一つのパラメータが可変である、装置（１）。
8. 前記蒸発器流路（４）の少なくとも一部が多孔質の被膜（１４）を含む、請求項７記載の装置（１）。
9. 前記蒸発器流路（４）の少なくとも一部が還元剤前駆体を加水分解して還元剤を生成するための触媒作用を行う被膜を含む、請求項７又は８の何れかに記載の装置（１）。
10. 前記供給ライン（３）と前記蒸発器流路（４）が、尿素／水溶液の添加及び蒸発時の腐食耐性を有する材料から生成されている、請求項８から９までの何れかに記載の装置（１）。
11. 前記供給ライン（３）と前記蒸発器流路（４）が、ａ）アルミニウムとｂ）チタニウムの少なくとも一つを含む材料から生成される、請求項１０記載の装置（１）。
12. 前記流体を貯蔵部（８）から供給ライン（３）に搬送するための少なくとも一つのポンプ（７、１５）を含む搬送手段を備えた、請求項７から１１迄の何れかに記載の装置（１）。
13. 少なくとも一つの制御可能なバルブ（１６）を貯蔵部（８）と供給ライン（３）との間に備えた、請求項１２記載の装置（１）。
14. 前記ポンプが搬送ポンプ（１５）を含む、請求項１３記載の装置（１）。
15. 前記ポンプが計量型ポンプ（７）を含む、請求項１２記載の装置（１）。

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