JP5213866B2 - 反応物を蒸発させるための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明の要旨は、とりわけ、還元剤前駆体または還元剤前駆体溶液のような反応物を蒸発させるための装置および方法である。

本発明は、内燃機関排ガスの窒素酸化物の選択的接触還元（ＳＣＲ）用の還元剤を提供するために特に好ましく実施することができる。
本発明は、とりわけ、尿素水溶液を蒸発させるために実施することができる。

内燃機関の排ガスは、環境中へのその排出が多数の国々で望ましくない物質を含む。
例えば、内燃機関の排ガスは、多くは、窒素酸化物（ＮＯ_x）を含み、排ガス中のその割合は、第１に、例えば、最適な運転点の選択のようなエンジン内部の手段によって、第２に、排ガスの後処理によって低減させることができる。
内燃機関排ガス中の窒素酸化物の割合の低減に関し、選択的接触還元（ＳＣＲ）プロセスが知られており、窒素酸化物に選択的に作用する例えばアンモニウムのような還元剤が使用される。

アンモニアは、アンモニアを発生するまたは反応してアンモニアを生成することができるアンモニア前駆体の形態で添加されることが多い。
ここで、危険性の低い状態で容易に貯蔵することができ、さらには移動用途に搭載することができる尿素水溶液で使用されることが多い。
ところで、こうした溶液が、液体の形態で排ガスに添加されると、例えば、触媒コンバータ支持体のような排気システムの部品は、比較的低温の水が、その部品の点状の冷却をもたらすため、損傷を受けることがある。
このことを避けるため、還元剤または還元剤前駆体は、蒸気の形態で添加することもできる。
排ガス中の窒素酸化物の割合が敏速に変化して、したがって還元剤の添加もまた高度に動的な仕方で行わなければならない高度に動的な系が存在するならば、こうした蒸発は、使用されるべき調節技術に非常に高い要求を与える。

したがって、本発明は、蒸発の簡単な調節が可能な方法および装置を提供する目的を基本とする。

こうした目的は、独立請求項の特徴を有する装置および方法によって達成される。従属請求項は、有益な展開を目的とする。

次の反応物、即ち、ａ）還元剤前駆体溶液、および、ｂ）還元剤前駆体、の少なくとも１つを蒸発させるための本発明による装置は、少なくとも１つの電気加熱できる加熱ゾーンを備える。
本発明によると、加熱ゾーンは、抵抗ヒータを備えた少なくとも１つの電気的に操作できる加熱素子を有する。抵抗ヒータは、特異温度の周りで自己調節する。

代わりにまたは加えて、抵抗ヒータは、少なくとも１つの屈曲点を持つ温度関数として、電気抵抗の特性値を有する。
自己調節性抵抗ヒータとは、その電気抵抗の変化によって、特定の温度、いわゆる特異温度または公称温度を維持する抵抗ヒータを意味すると理解すべきである。
こうした抵抗ヒータには、温度に関して抵抗が急激に上昇する温度範囲、とりわけその勾配が変化する範囲を有する、とりわけいわゆるＰＴＣ（正の温度係数）の抵抗器が挙げられる。
還元剤は、ここでは、とりわけ窒素酸化物の選択的接触還元用の還元剤を意味すると理解するべきである。
ここで、還元剤として使用されるべきアンモニアに関し、特に好ましくは、還元剤前駆体が、反応してアンモニアを生成することができるかまたはアンモニアを発生することができる、何らかの物質を含む。
こうした物質とは、とりわけ、少なくとも１つのアンモニア前駆体の水溶液を意味すると理解すべきである。
こうした物質には、例えば、商標「ＡｄＢｌｕｅ」として市販の尿素水溶液、または例えば商標「Ｄｅｎｏｘｉｕｍ」として市販の尿素および／またはギ酸アンモニウムの他の溶液が挙げられる。

本発明による装置は、好ましくは、内燃機関排ガス中の窒素酸化物の選択的接触還元装置の一部であり、ＳＣＲ触媒コンバータが、蒸発装置の下流に形成される。
ここで、好ましくは、還元剤前駆体を加水分解して還元剤を生成する加水分解触媒コンバータが、蒸発装置とＳＣＲ触媒コンバータの間に形成される。
ここで、内燃機関とは、例えば、加熱と発電を組み合わせたプラントのような固定式内燃機関とともに、例えば、自動車、航空機、および船舶のような可動式内燃機関の双方を意味すると理解すべきである。
本発明による装置は、好ましくは、可動式用途、即ち、車両、自動車、実用車、乗客車両、単車、オートバイ、全地形万能車、船舶、および航空機に使用される。

屈曲点とは、特性値がその曲率を変化させる温度の関数としての電気抵抗特性値における点を意味すると理解すべきである。
こうした点において、温度に関する特性値の２次微分値はゼロである。

特異温度は、その特異温度での電気抵抗の特性値が、抵抗の重要な変化を有することで区別される。
重要な変化とは、とりわけ、１オーム／Ｋを上回る変化を意味すると理解すべきである。
本発明の概念の中で、特異温度とは、自己調節性熱導体がその周りで温度を調節する調節温度を意味すると理解すべきである。
ここで、特異温度は、好ましくは、本発明による装置の運転温度の領域にあり、即ち、実質的に、運転温度の５℃下から５℃上までの範囲である。
ここで、特に有益には、加熱素子の自己調節は、特異温度での特性値の挙動の結果として提供される。
好ましくは、その特性値は、その領域で、かつ屈曲点の領域で、正の勾配を有する。
正の勾配は、温度が上昇する場合には電気抵抗が高くなる効果を有するため、このことは、特に有益に自己調節性抵抗ヒータをもたらす。
抵抗に対する加熱パワーの逆比例のために、このことは、加熱パワーの低下につながり、したがって、公称温度の方への冷却につながる。

本発明による装置の１つの有益な実施形態によると、電気抵抗の特性値は、温度の関数として、少なくとも１つの屈曲点を有し、電気抵抗の特性値の微分値は、屈曲点の温度領域に、最大で４０Ｋ（ケルビン）の半値全幅（ＦＷＨＭ）値を有する。

温度に関する抵抗のこの険しい変化が、自己調節性電気抵抗ヒータの迅速な調節につながるため、こうした半値全幅値は、非常に迅速な調節回路の実現を可能にする。
ここで、最大で２０Ｋの半値全幅値が好ましく、特に好ましくは、最大で１０Ｋである。

本発明による装置のさらに有益な実施形態によると、電気抵抗の特性値は、加熱ゾーンの運転温度に対応する特異温度を有する。

この結果、抵抗ヒータの温度が、加熱ゾーンの運転温度への到達を常に求めることが獲得される。
加熱ゾーンの運転温度に対する特異温度の一致は、特異温度が、加熱素子の構造的設計を考慮して、とりわけあり得る排熱損失を考慮して選択され、抵抗ヒータまたは加熱素子がその特異温度にあるとき、その特異温度とは、加熱ゾーンがその運転温度である効果を有することを意味すると理解すべきである。
このことは、例えば、加熱素子に対応して利用することができ、屈曲点の温度が運転温度より高いと、意図する放熱が開始し、加熱素子の特異温度が、実質的に、加熱ゾーンの運転温度に一致する。

本発明による装置のさらに有益な実施形態によると、加熱ゾーンは、以下の構造の少なくとも１つを含む。
ａ）反応物を蒸発させるのに適切な蒸発体積
ｂ）蒸発した反応物を加熱するのに適切な加熱体積

このため、加熱によって、とりわけ少なくとも部分的な熱分解または加熱分解を行うこともでき、即ち、還元剤前駆体を熱的破壊して還元剤を生成させることもできる。

本発明による装置のさらに有益な実施形態によると、温度に関する電気抵抗の特性値は、特異温度の領域に、１オーム／Ｋを上回る勾配を有する。

この勾配範囲は特に有益であることが実証されている。
１オーム／Ｋ未満の勾配は、抵抗ヒータの遅い調節挙動につながる。

本発明による装置のさらに有益な実施形態によると、少なくとも１つの抵抗ヒータが、以下の材料の少なくとも１つから作製される。
ａ）ＰＴＣ（正の温度勾配）の抵抗器
ｂ）チタン酸塩セラミック
ｃ）ドーピングされたチタン酸塩セラミック
ｄ）チタン酸バリウムセラミック

ＰＴＣ抵抗器は、少なくとも特定の温度範囲で、温度上昇の結果としてその抵抗を増加する。
チタン酸塩セラミックおよびとりわけドーピングされたチタン酸塩セラミックは、とりわけ多結晶の形態でＰＴＣ抵抗器として使用することができる。
チタン酸バリウムセラミックとは、とりわけＢａＴｉＯ₃を意味すると理解すべきである。

本発明による装置のさらに有益な改良によると、特性値の特異温度は、１４０℃から１８０℃までの範囲にある。

ここで、１４０℃から１５０℃までの温度範囲が特に好ましい。
さらに高い温度では、望ましくない二次反応がそのような温度で次第に生じるため、対応する加熱ゾーンが閉塞することがある。
１４０℃から１５０℃までの温度範囲の運転温度および対応して選択された範囲の屈曲点の温度は、とりわけ尿素水溶液を用いるとき、特に有益であることが実証されている。
ここで、実質的に完全な蒸発が生じ、実質的に完全な蒸発とは、とりわけ尿素水溶液の９５重量％以上の蒸発を意味すると理解すべきである。

本発明による装置のさらに有益な実施形態によると、特性値の特異温度は少なくとも３００℃である。

このことは、特に有益に、既に蒸発した還元剤前駆体溶液または還元剤前駆体を加熱することに役立ち得る加熱ゾーンを伴う。
この温度は、とりわけ、少なくとも部分的な加熱分解と熱分解につながり、場合により下流に設けられる加熱分解触媒コンバータが、より小さく設計されることができまたは省略することができる。

本発明による装置のさらに有益な実施形態によると、本装置は、少なくとも１つの自己調節性抵抗ヒータを備える。

自己調節性抵抗ヒータとは、さらなる調節技術なしに公称温度を基本的に維持することができる抵抗器を意味すると理解すべきである。
自己調節性抵抗ヒータとは、とりわけ、ＰＴＣ半導体またはＰＴＣ抵抗器を意味すると理解すべきである。

本発明のさらなる態様にしたがうと、以下の反応物質の少なくとも１つを蒸発させる方法が提案される。
ａ）還元剤前駆体溶液
ｂ）還元剤前駆体
ここで、反応物は、特異温度の周りで特異温度に対応する公称温度に自己調節する少なくとも１つの抵抗ヒータを備えた、電気的に運転できる加熱素子を用いて加熱される。

本発明による方法は、還元剤前駆体および／または還元剤前駆体溶液用の蒸発器の加熱パワーの非常に簡単で迅速で効果的な調節を有益に可能にする。

本発明による方法の１つの好ましい改良によると、少なくとも１つの抵抗ヒータが自己調節性である。

本方法の実施にとって特に好ましくは、とりわけ尿素水溶液を蒸発させるときに、公称温度が１４０℃から１８０℃までの範囲にあり、特に好ましくは、１４０℃から１５０℃までの範囲である。

ここで、この公称温度は、二次反応の結果として加熱ゾーンに堆積物が生成することなく、還元剤前駆体溶液の実質的に完全な蒸発が生じることから、特に有益であることが実証されている。

本発明による方法のさらに有益な実施形態によると、公称温度は少なくとも３００℃である。

こうした温度は、とりわけ蒸発した還元剤前駆体溶液を加熱するのに、またその結果として、還元剤前駆体を少なくとも部分的に加熱分解および／または熱分解して還元剤を生成するのに有益であることが実証されている。

本発明による方法のさらに有益な実施形態によると、反応物は、以下の物質の少なくとも１つを含む。
ａ）尿素（（ＮＨ₂）₂ＣＯ）
ｂ）ギ酸アンモニウム（ＨＣＯＯＮＨ₄）
ｃ）カルバミン酸アンモニウム（Ｈ₂ＮＣＯＯＮＨ₄）
ｄ）炭酸アンモニウム（（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃）
ｅ）重炭酸アンモニウム（ＮＨ₄ＨＣＯ₃）
ｆ）シュウ酸アンモニウム（（ＮＨ₄）₂（Ｃ₂Ｏ₄））
ｇ）水酸化アンモニウム（ＮＨ₄ＯＨ）
ｈ）シアン酸（ＨＯＣＮ）
ｉ）シアヌル酸（Ｃ₃Ｈ₃Ｎ₃Ｏ₃）
ｊ）イソシアン酸（ＨＮＣＯ）
ｋ）アンモニア（ＮＨ₃）
ｌ）アンモニア前駆体

とりわけ、こうした物質の少なくとも１つのほかに、こうした物質の誘導体を使用することもできる。
ここで、尿素に加えて、尿素水溶液の融点を低下させる物質もまた好ましい。

本発明による装置に関して記載される詳細と実施形態は、本発明による方法に移行して同じ仕方で適用することができる。
本発明による方法について記載した詳細と実施形態は、本発明による装置に移行して同じ仕方で適用することができる。

本発明は、添付の図面に基づいて更に詳細に説明され、本発明は例示的実施形態に制限されることなく、図面において詳細に開示される。
本発明による装置の第１例示的実施形態を示す断面図である。 選択接触還元間の装置の部分として、本発明による装置を概略的に示す図である。 本発明による装置の第２例示的実施形態を示す断面図である。 温度に対する抵抗の例示的な特性値を示す図である。 温度に対する抵抗の特性値の微分値の特性値を示す図である。

図１は、反応物を蒸発させるための本発明による装置１を示す。
装置１は、電気的に加熱することができる加熱ゾーン２を備える。
電気加熱は、抵抗ヒータ４を有する少なくとも１つの加熱素子３を用いて実施される。
加熱素子３は、内側チューブ５と外側チューブ６との間に保持される。
抵抗ヒータ４に加えて、加熱素子３は、電気絶縁材料７、即ち、電気絶縁体を備えてもよい。
チューブ５、６は、いずれの場合にも、電源の異なる極８、９に接続される。
加熱素子３は、図４と図５を参照しながら以下により詳細に説明するように、自己調節性の加熱素子である。

図２は、内燃機関１１の排ガス中の窒素酸化物を選択的接触還元する装置１０の一部としての本発明による装置１を概略で示す。
選択的接触還元用の装置１０は、少なくとも１つの反応物を蒸発させるための本発明による装置１に加え、容器１２と搬送手段１３を備える。
反応物、とりわけ尿素水溶液は、容器１２に保存され、搬送手段１３によって蒸発装置１まで運ばれる。
尿素水溶液の少なくとも部分的な、好ましくは、実質的に完全な蒸発は、蒸発装置１で生じる。
この蒸発した尿素水溶液は、加水分解触媒コンバータ１４に導かれ、尿素が加水分解されてアンモニアを生成する。
アンモニアを含むガスは、送り込み箇所１５を通って、内燃機関１１の排気ライン１６に導入される。
案内手段１７が、場合により、送り込み箇所１５の領域に配置され、その案内手段１７を用いると、アンモニア含有ガス混合物のより良好な導入を得ることができる。
酸化触媒コンバータ１８が、送り込み箇所１５の上流に形成され、その酸化触媒コンバータ１８を用いて、一酸化窒素（ＮＯ）が酸化されて、二酸化窒素（ＮＯ ₂ ）を生成することができる。
窒素酸化物の変換率が、それによってさらに高められる。

ＳＣＲ触媒コンバータ１９が、送り込み箇所１５の下流に形成され、ＳＣＲ触媒コンバータ１９の上で、窒素酸化物の選択的接触還元が生じる。
精製された排ガス流２０は、ＳＣＲ触媒コンバータ１９から出る。
触媒コンバータ１４、１８、１９は、好ましくは、触媒コンバータ支持体の上、とりわけハニカム体の上に、触媒活性コーティングの形態で形成される。

図３は、反応物を蒸発させるための本発明による装置１の第２の例示の実施形態を概略で示す。
図１のものと同じ部分は、同じ参照記号で表示されている。
ここで、第１の例示の実施形態と対照的に、加熱素子３の抵抗ヒータ４は、内側チューブ５と外側チューブ６の間の全空間を満たす層を形成する。
ここで、同様に、内側チューブ５と外側チューブ６は、電力源の対応する極８、９に接続される。
ここで、蒸発させるべき反応物または既に蒸発した反応物は、蒸発器の容積２１を通って流れる。

図４は、例証として、任意単位の温度Ｔに関する任意単位の抵抗Ｒの特性値２２を示す。
この抵抗Ｒは、抵抗ヒータ４の抵抗Ｒである。
ここで、温度Ｔが高くなると、特性値２２は、第１プラトー領域２３の後、上昇領域２４で急激に上昇する。
第１プラトー領域２３から上昇領域２４への移行は、特異温度３０に対応する。
さらに高い温度において、上昇領域２４は、第２プラトー領域２５に隣接される。
特性値２２は、上昇領域２４において、屈曲点２６の温度２７にある屈曲点２６を有する。
特異温度３０は、本発明によると、反応物が蒸発する公称温度に対応する。

ここで、この公称温度は、好ましくは、尿素水溶液に関し、蒸発については１４０℃から１５０℃までの範囲、尿素水溶液の少なくとも部分的な加熱分解または熱分解については３５０℃以上の温度にある。

図５は、温度による特性値２２の微分値２８を概略で示す。
微分値２８の最大は、屈曲点２６の温度２７に存在する。
その温度２７の周りで、微分値２８は、４０Ｋ以下の半値全幅値を有する。
勾配の急激な上昇が特異温度３０で生じる。
この目的のため、抵抗ヒータ４は、例えば、ＰＴＣ導体のような相当材料から形成される。
相当材料の例は、外来原子でドーピングされたチタン酸塩セラミックである。

反応物を蒸発させるための本発明による方法および本発明による装置１は、とりわけ、尿素水溶液の蒸発プロセスの簡単な調節を有益に可能にし、とりわけＳＣＲプロセスに還元剤を提供する。
使用される抵抗ヒータ４は、抵抗ヒータの調節する温度に対応する特異温度３０を有する。
その領域における対応して険しい特性値２２を用い、さらなる調節技術を省略することができる。

１ 反応物蒸発装置
２ 加熱ゾーン
３ 加熱素子
４ 抵抗ヒータ
５ 内側チューブ
６ 外側チューブ
７ 電気絶縁材料
８ 正極
９ 接地
１０ 選択的接触還元装置
１１ 内燃機関
１２ 容器
１３ 搬送手段
１４ 加水分解触媒コンバータ
１５ 送り込み箇所
１６ 排気ライン
１７ 案内手段
１８ 酸化触媒コンバータ
１９ ＳＣＲ触媒コンバータ
２０ 排ガス流
２１ 蒸発器の容積
２２ 特性値
２３ 第１プラトー領域
２４ 上昇領域
２５ 第２プラトー領域
２６ 屈曲点
２７ 屈曲点の温度
２８ 微分値
２９ 半値全幅値

Claims (10)

1. ａ）還元剤前駆体溶液、およびｂ）還元剤前駆体の少なくとも１つの反応物を蒸発させるための装置（１）は、
   少なくとも１つの電気加熱可能な加熱ゾーン（２）を備え、
   加熱ゾーン（２）は、抵抗ヒータ（４）を有する少なくとも１つ電気的に操作可能な加熱素子（３）を有し、
   特異温度（３０）の周りで自己調節し、
   電気抵抗の特性値（２２）は、温度の関数として、少なくとも１つの屈曲点（２６）を有し、電気抵抗の前記特性値（２２）の微分値は、屈曲点（２６）の温度領域（２７）に、最大で４０Ｋ（ケルビン）の半値全幅（ＦＷＨＭ）値を有し、
   前記特性値（２２）は、前記特異温度（３０）の領域に、１オーム／Ｋを上回る勾配を有する、ことを特徴とする装置（１）。
2. 前記電気抵抗の前記特性値は、前記加熱ゾーン（２）の動作温度に対応する特異温度を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記加熱ゾーン（２）は、ａ）前記反応物を蒸発させるのに適切な蒸発体積（２１）、ｂ）前記蒸発した反応物を加熱するのに適切な加熱体積、の少なくとも１つの構造を備える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置（１）。
4. 少なくとも１つの抵抗ヒータ（４）は、ａ）ＰＴＣ（正の温度勾配）抵抗器、ｂ）チタン酸塩セラミック、ｃ）ドーピングされたチタン酸塩セラミック、ｄ）チタン酸バリウムセラミック、の少なくとも１つの材料から作成される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の装置（１）。
5. 前記特性値の前記特異温度（３０）が、１４０℃から１８０℃までの範囲にある、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の装置（１）。
6. 前記特性値の前記特異温度（３０）は、少なくとも３００℃である、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の装置（１）。
7. 少なくとも１つの自己調節性抵抗ヒータを備える、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の装置（１）。
8. ａ）還元剤前駆体溶液、およびｂ）還元剤前駆体の少なくとも１つの反応物を蒸発させる方法であって、
   前記反応物は、特異温度（３０）の周りで特異温度に対応する公称温度に自己調節する少なくとも１つの抵抗ヒータ（４）を備えた、電気的に運転できる加熱素子（３）を用いて加熱され、
   電気抵抗の特性値（２２）は、温度の関数として、少なくとも１つの屈曲点（２６）を有し、電気抵抗の前記特性値（２２）の微分値は、屈曲点（２６）の温度領域（２７）に、最大で４０Ｋ（ケルビン）の半値全幅（ＦＷＨＭ）値を有し、
   前記特性値（２２）は、前記特異温度（３０）の領域に、１オーム／Ｋを上回る勾配を有する、ことを特徴とする方法。
9. 前記公称温度が、１４０℃から１８０℃までの範囲にある、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記公称温度は、少なくとも３００℃である、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。

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