WO2010040666A1 - Verfahren zum betreiben einer verdampfungseinheit zur erzeugung gasförmigen ammoniaks - Google Patents

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ammonia
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Jan Hodgson
Rolf BRÜCK
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Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
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Definitions

  • the present invention relates to a method of operating an evaporation unit for generating a gas stream comprising ammonia.
  • Such an evaporation unit finds particular application for the provision of gaseous ammonia from an ammonia precursor, in particular in liquid and / or solid form.
  • the invention finds particular application in the context of exhaust aftertreatment in motor vehicles.
  • ammonia is added to the exhaust gas produced by the internal combustion engine in aqueous solution directly or after external hydrolysis of the exhaust gas.
  • a hydrolysis catalyst is used in which ammonia is recovered from the urea.
  • the aqueous urea solution is added upstream of the hydrolysis catalyst, converted into a gaseous state, and contacted with the hydrolysis catalyst.
  • the generated ammonia then reacts, for example with a so-called SCR catalyst further downstream in the exhaust stream with the nitrogen oxides contained therein to molecular nitrogen and water.
  • urea solution In the evaporation of the aqueous urea solution, the temperature control is particularly difficult. It should be noted that the required quantities of urea solution on the one hand and the available temperatures on the other hand can vary widely during a mobile application. If evaporation is not fully achieved, intermediates may form that may eventually block the evaporator unit. Such unwanted by-products are, for example, water-insoluble biuret, which is formed from isocyanic acid and urea, and cyanuric acid, which is the trimerization product of isocyanic acid.
  • the known vaporization devices can not guarantee the desired completeness of vaporization over all operating conditions and / or quantities of the ammonia precursor to be vaporized. This is particularly true when a highly dynamic control of the evaporation unit is given taking into account operating conditions of a mobile internal combustion engine, such as a diesel engine.
  • a method for operating an evaporation unit is to be specified, which allows a rapid and complete evaporation of a urea-water solution for generating a gas stream comprising ammonia.
  • the evaporation unit operated by such a method can thus provide ammonia in highly predetermined quantitative amounts highly dynamically.
  • the method according to the invention is intended for operating an evaporation unit for converting a volume flow into a gas stream comprising ammonia, wherein the evaporation unit comprises at least a first section and downstream a second section through which the volume flow flows, wherein evaporation takes place in both sections and Although in the first section of the volume flow by supplying a first heating energy is heated to at most 180 0 C and heated in the second section of the flow to above 350 0 C and completely evaporated.
  • the second section has a partial area in which a second heating energy is supplied, wherein the second heating energy is greater than the first heating energy.
  • An evaporation unit suitable for the process according to the invention is preferably very compact and, for example, pipe-like in shape.
  • the outer dimensions of such an evaporation unit are for example a length of about 400 mm and a diameter in the range of 50 mm.
  • This evaporation unit is therefore particularly suitable for being part of a line section of an exhaust system of a mobile internal combustion engine and / or part of a line section of an auxiliary system opening into the exhaust line.
  • an evaporation unit according to DE 10 2008 023 938 is suitable for the process according to the invention, which is here completely referred to in terms of its disclosure content.
  • the first and second sections of the present invention respectively correspond to the first and second evaporation sections of DE 10 2008 023 938.
  • the evaporation unit suitable for the method according to the invention has, in particular, at least one flow channel which extends at least through the first and second sections, at least one heating element extending along the flow channel for targeted and controlled recovery. heating the volume flow, in particular a liquid (water comprising) urea solution.
  • the volumetric flow supplied to the evaporation unit (in particular an aqueous urea solution) is already evaporated to a significant extent in the first section.
  • at least 20% by weight, preferably at least 30% by weight, of the volume flow in the first section can already evaporate.
  • this proportion should not be greater than 50 wt .-%.
  • heating to at least 100 0 C, preferably special Derst shall preferably be at least 150 0 C, but at most 180 0 C to at least 135 0 C.
  • self-regulating PTC elements can preferably be used as the active heating element in the region of the first section (positive temperature coefficient). These PTC elements are conductive materials that conduct electricity better at lower temperatures than at high temperatures.
  • the second heating energy supplied in the partial area is also greater than the heating energy supplied in the remaining area of the second section.
  • An increase in the heating energy can be made possible in particular by suitable arrangements of the at least one heating element.
  • a tight winding of the heating element may be provided in the region of the first partial region, or the direct arrangement of the heating element on the flow channel.
  • additional heating elements can be provided, which allow the introduction of an increased heating energy compared to the first portion and the remaining portion of the second portion.
  • a second heating energy is provided by the method, which is at least twice as large as the first heating energy and / or twice as large as a third heating energy supplied in the remaining area.
  • the heating power is possibly equal in each case.
  • the heating elements are heated in the two sections with the same cycle times or clock cycles, wherein the heating energy is set in the second section as a function of the current or pending mass flow of urea and the heating energy second section less than 50%, preferably about 30%, the heating energy is regulated in the second section.
  • the volume flow is already heated to over 350 ° C. in the partial area by appropriate heating energies and completely evaporated.
  • the portion is disposed directly at an inlet of the second portion. It has proven to be particularly advantageous here to introduce the highest heat energy in the initial region of the actual evaporation section. Accordingly, in a preferred embodiment, tion form of the method, the first portion arranged directly at the beginning of the second section. By introducing the highest heat energy in this spatially limited part of a secure complete evaporation, in particular a water-urea solution can be ensured.
  • the subregion has a length of at most 150 mm at a volume flow of at most 100 ml / min.
  • a length of at most 50 mm of the subarea is provided.
  • evaporation units with a component length of 400 mm are to be assumed.
  • the first portion extends at most over one third of the total length of the second section at a flow rate of at most 70 ml / min, in particular over a length of at most 50 mm.
  • Such an embodiment of the method achieves reliable, complete evaporation, in particular of an aqueous urea solution, so that no by-products can contaminate the evaporation unit and / or impair its function.
  • At least one temperature sensor is provided at least in the first subarea.
  • multipoint temperature detection points are preferably provided, which are arranged at different points within a housing of the evaporation unit and for a certain area of the evaporation unit result in a temperature value to be integrated.
  • the heating energy or the temperature to be set of the heating element is regulated as a function of the volume flow of the water-urea solution.
  • a lower temperature of the heating element or to provide a lower heating energy than at a larger volume flow is regulated.
  • a motor vehicle with an internal combustion engine, an exhaust system and a control wherein the exhaust system comprises at least one SCR catalyst body and at least one connection with an evaporation unit is provided between the internal combustion engine and the at least one SCR catalyst body, so that gaseous ammonia so can be introduced into the exhaust system that this flows to at least one SCR catalyst body.
  • the regulation of the second heating energy in particular also the regulation of the first heating energy and / or the third heating energy, is carried out for carrying out the method according to the invention by the control.
  • a honeycomb body is commonly used, e.g. having an SCR coating.
  • Such an SCR coating is preferably of the V2O5 / WO3 / TiO2 type (vanadium pentoxide / tungsten trioxide / titanium dioxide).
  • FIG. 1 shows a variant of an evaporation unit suitable for carrying out the method according to the invention
  • FIG. 2 shows schematically the structure of an SCR system in a motor vehicle.
  • 1 shows in a cross section a first particularly preferred embodiment variant of an evaporation unit 1 which is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the evaporation unit 1 is bounded outside with a housing 34.
  • the evaporation unit 1 can be subdivided into at least two (2) subregions, namely into a first section 4 and a second section 5.
  • the central component of the evaporation unit 1 is the centrally arranged flow channel 33.
  • a volume flow 2 in particular urea-water solution in the flow direction 28 enters in liquid form and then passes through the first section 4.
  • the volume flow 2 through at least one first heating element 29 heated by a first heating energy 6 and partially evaporated.
  • the pre-heated in the first section 4 volume flow 2 enters via an inlet 10 in the second section 5 of the evaporation unit 1, wherein in this embodiment, the portion 7 is disposed immediately behind the inlet 10.
  • the volume flow 2 is due to the part in this region 7 conces- led high second heating 9, at least for the most part, and preferably completely vaporized and heated to about 350 0 C.
  • a second heating element 30 is preferably provided. But it is also possible to heat the portion 9 by the first heating element 29 and / or via a third heating element 31, which is provided in particular in addition to the first heating element 29 and / or in addition to the second heating element 30.
  • the first, second and third heating elements (29, 30, 31) in particular each have their own connections to the power supply.
  • the portion 7 extends with a length 11 only over part of the total length 12 of the second section 5.
  • the at least partially evaporated volumetric flow 2 is further heated in the remaining region 8 of the second section 5 and in particular completely evaporated, so that the volume flow 2 after Pass the at least first Section 4 and second section 5 leaves the evaporation unit 1 as a gas stream 3.
  • the evaporation unit 1 has at least in the partial area 7 temperature sensors 13, which allow detection and corresponding control of the heating energy or the temperature according to the inventive method.
  • the arrangement of the temperature sensors is very particularly preferably such that a first temperature sensor is arranged in the end region of the first section and a second temperature sensor in the initial region of the second section, so that a distance of preferably not more than 20 mm, in particular not more than 10 mm, between these two temperature sensors. is present.
  • a temperature jump of approximately 180 ° C. (first limit temperature) to approximately 300 ° C. (second limit temperature) should be monitored or regulated between these temperature sensors.
  • the evaporation unit 1 can have a widening into which the hitherto completely evaporated urea-hydrogen solution dissolves. Subsequently thereto, a reactor space is preferably formed in which a honeycomb body is provided with a hydrolysis coating. The completely converted to ammonia gas now leaves the evaporation unit 1 and can flow into an exhaust system 20.
  • Fig. 2 shows schematically a motor vehicle 18, in particular a passenger car or a truck.
  • the exhaust gas generated in the internal combustion engine 19 is now cleaned via a corresponding exhaust system 20 and released to the environment.
  • the exhaust gas first flows through a catalytic converter 24 (eg, an oxidation catalyst) in order finally to strike an SCR catalyst body 21 further downstream.
  • a catalytic converter 24 eg, an oxidation catalyst
  • the connection 22 is provided for an evaporation unit 1, so that there the gas stream 3 comprising ammonia is introduced becomes.
  • the exhaust stream flowed with ammonia then optionally reaches a flow influencer 25 (eg, a static mixer) before this mixture reaches the SCR catalyst body 21.
  • a flow influencer 25 eg, a static mixer
  • the SCR catalytic converter in the inlet region 26 and / or in the outlet region 27 can be provided with further exhaust gas treatment components, such as a particle separator in the inlet region 26 and / or an oxidation catalyst in the outlet region 27. It should also be noted that Other exhaust treatment devices may be provided in the exhaust system 20.
  • the evaporation unit 1 is now connected via a plurality of line sections 17 to a reservoir 15.
  • liquid urea-water solution is provided, which is then supplied by means of a metering pump 16 time and / or volume of the evaporation unit 1.
  • the metering pump 16, the evaporation unit 1 and / or the internal combustion engine 19 with a controller 23 may be connected to here a controlled admixture of urea-water solution to the evaporation unit 1 or ammonia gas to the exhaust gas to ensure.
  • a device 14 comprising at least one reservoir 15, a line section 17, a metering pump 16 and an evaporation unit 1 can also be offered in any quantities as a component set with or without control 23.

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Verdampfungseinheit (1) zur Umwandlung eines Volumenstromes (2) in einen Ammoniak umfassenden Gasstrom (3) vorgeschlagen, wobei die Verdampfungseinheit (1) zumindest einen ersten Abschnitt (4) und stromabwärts einen zweiten Abschnitt (5) umfasst, die von dem Volumenstrom (2) zur Verdampfung durchströmt werden, wobei im ersten Abschnitt (4) der Volumenstrom (2) durch Zuführen einer ersten Heizenergie (6) auf höchstens 180 °C erwärmt und im zweiten Abschnitt (5) der Volumenstrom (2) auf über 350 °C erhitzt und vollständig verdampft wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Verdampfungseinheit zur Erzeugung gasförmigen Ammoniaks
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verdampfungseinheit zur Erzeugung eines Ammoniak umfassenden Gasstroms. Eine solche Verdampfungseinheit findet insbesondere Anwendung zur Bereitstellung gasförmigen Ammoniaks aus einem Ammoniak- Vorläufer, insbesondere in flüssiger und/oder fester Form. Die Erfindung findet insbesondere auch Anwendung im Rahmen der Abgasnachbehandlung bei Kraftfahrzeugen.
Insbesondere bei Dieselverbrennungsmaschinen hat es sich bewährt, dem von der Verbrennungskraftmaschine erzeugten Abgas Harnstoff in wässriger Lösung direkt oder nach einer abgas-externen Hydrolyse Ammoniak zuzugeben. Hierbei kommt bei bekannten Verfahren ein Hydrolyse-Katalysator zum Einsatz, in dem aus dem Harnstoff Ammoniak gewonnen wird. Die wässrige Harnstofflösung wird stromauf des Hydrolyse-Katalysators zugegeben, in einen gasförmigen Zustand überführt und mit dem Hydrolyse-Katalysator in Kontakt gebracht. Der dabei generierte Ammoniak reagiert dann beispielsweise mit einem so genannten SCR-Katalysator weiter stromabwärts im Abgasstrom mit den dort enthaltenen Stickoxiden zu molekularem Stickstoff und Wasser.
Bei der Verdampfung der wässrigen Harnstofflösung ist die Temperaturführung besonders schwierig. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die benötigten Mengen der Harnstofflösung einerseits und die verfügbaren Temperaturen andererseits während einer mobilen Anwendung stark variieren können. Wird eine Verdampfung nicht vollständig erreicht, können sich Zwischenprodukte bilden, die gegebenenfalls zur Verstopfung der Verdampfereinheit führen können. Derartige, unerwünschte, Nebenprodukte sind beispielsweise wasserunlösliches Biuret, das sich aus Isocyansäure und Harnstoff bildet, und Cyanursäure, welche das Trimeri- sierungsprodukt der Isocyansäure darstellt. Bei der Verdampfung eines Ammoni- ak- Vorläufers, insbesondere einer flüssigen Harnstoff-Wasser-Lösung, wurde beobachtet, dass die Temperatureinbringung in die Flüssigkeit sehr schnell über einen kritischen Temperaturbereich hinweg erfolgen muss, um die Bildung der genannten unerwünschten, teilweise nicht mehr entfernbaren, Verbindungen zu vermeiden.
Es sind bereits Vorrichtungen zur abgas-externen Verdampfung einer Harnstoff- Wasser-Lösung beschrieben worden, allerdings konnten diese bislang zumindest für den Einsatz im Automobilbereich nicht überzeugen. Die bekannten Verdamp- fungsvorrichtungen können hier teilweise nicht die gewünschte Vollständigkeit der Verdampfung über alle Betriebszustände und/oder Mengen des zu verdampfenden Ammoniak- Vorläufers garantieren. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn eine hochdynamische Regelung der Verdampfungseinheit unter Berücksichtigung von Betriebszuständen einer mobilen Verbrennungskraftmaschine, wie beispiel- weise einem Diesel- Motor, gegeben ist.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zum Betreiben einer Verdampfungseinheit angege- ben werden, das ein schnelles und vollständiges Verdampfen einer Harnstoff- Wasser-Lösung zur Erzeugung eines Ammoniak umfassenden Gasstroms ermöglicht. Die durch ein derartiges Verfahren betriebene Verdampfungseinheit kann damit Ammoniak in exakt vorgegebenen quantitativen Mengen hochdynamisch bereitstellen.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens werden in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Patentansprüchen einzeln angegebenen Merkmale sind in beliebiger, tech- nologisch sinnvoller, Weise miteinander kombinierbar und zeigen weitere Ausgestaltungen der Erfindung auf. Die Erfindung wird zudem durch die Beschrei- bung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, weiter charakterisiert und präzisiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen zum Betreiben einer Verdamp- fungseinheit zur Umwandlung eines Volumenstromes in einen Ammoniak umfassenden Gasstrom, wobei die Verdampfungseinheit zumindest einen ersten Abschnitt und stromabwärts einen zweiten Abschnitt umfasst, die von dem Volumenstrom durchströmt werden, wobei in beiden Abschnitten eine Verdampfung stattfindet und zwar wird im ersten Abschnitt der Volumenstrom durch Zuführen einer ersten Heizenergie auf höchstens 1800C erwärmt und im zweiten Abschnitt der Volumenstrom auf über 3500C erhitzt und vollständig verdampft. Dabei weist der zweite Abschnitt einen Teilbereich auf, in dem eine zweite Heizenergie zugeführt wird, wobei die zweite Heizenergie größer ist als die erste Heizenergie.
Eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Verdampfungseinheit ist bevorzugt sehr kompakt aufgebaut und beispielsweise Rohr-ähnlicher Gestalt. Die äußeren Abmessungen einer solchen Verdampfungseinheit sind beispielsweise eine Länge von ca. 400 mm und ein Durchmesser im Bereich von 50 mm. Diese Verdampfungseinheit ist somit insbesondere dazu geeignet, Teil eines Leitungs- abschnitts einer Abgasanlage einer mobilen Verbrennungskraftmaschine und/oder Teil eines Leitungsabschnitts eines in die Abgasleitung mündenden Zusatzsystems zu sein. Insbesondere ist eine Verdampfungseinheit gemäß der DE 10 2008 023 938 für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet, die hier hinsichtlich ihres Offenbarungsinhaltes vollumfänglich in Bezug genommen wird. Dabei entsprechen der erste und zweite Abschnitt der vorliegenden Erfindung jeweils dem ersten und zweiten Verdampfungsabschnitt der DE 10 2008 023 938.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Verdampfungseinheit weist insbesondere zumindest einen Strömungskanal auf, der sich wenigstens durch den ersten und zweiten Abschnitt hindurch erstreckt, wobei sich zumindest ein Heizelement entlang des Strömungskanals erstreckt zur gezielten und geregelten Er- wärmung des Volumenstroms, insbesondere einer flüssigen (Wasser umfassenden) Harnstoff-Lösung.
Der der Verdampfungseinheit zugeführte Volumenstrom (insbesondere eine wäss- rige Harnstofflösung) wird in dem ersten Abschnitt bereits zu einem signifikanten Anteil verdampft. So kann zumindest 20 Gew.-%, bevorzugt zumindest 30 Gew.- % des Volumenstroms im ersten Abschnitt bereits verdampfen. Dieser Anteil sollte jedoch nicht größer als 50 Gew.-% betragen. Hierzu sollte im ersten Abschnitt eine Erwärmung auf mindestens 100 0C, bevorzugt auf mindestens 135 0C beson- derst bevorzugt auf mindestens 150 0C, aber auf höchstens 1800C erfolgen. Dabei können in dem Bereich des ersten Abschnitts bevorzugt selbstregelnde PTC- Elemente als aktives Heizelement eingesetzt werden (positive temperature coeffi- cient). Diese PTC-Elemente sind stromleitende Materialien, die bei tieferen Temperaturen den Strom besser leiten können als bei hohen. Der elektrische Wider- stand vergrößert sich bei steigender Temperatur. Das bedeutet mit anderen Worten auch, dass mit steigender Temperatur die Heizenergie ebenfalls geringer wird. Erst in dem zweiten Abschnitt der Verdampfungseinheit wird der Volumenstrom, insbesondere durch das mindestens eine Heizelement, weiter erhitzt und zum größten Teil, bevorzugt vollständig, verdampft. Dabei teilt sich der zweite Ab- schnitt zumindest in einen ersten Teilbereich und einen Restbereich auf, wobei bevorzugt in dem ersten Teilbereich und in dem Restbereich voneinander unabhängige Heizenergien dem Volumenstrom zugeführt werden können.
Zusammenfassend wird hier als vorgeschlagen, eine (mindestens) 2-stufϊge Ver- dampfung vorzunehmen, indem ein Teil des Volumenstroms bei einer geringeren Heizenergie in einem ersten Abschnitt und der restliche Teil des Volumenstroms in einem (direkt anschließenden) zweiten Abschnitt mit erhöhter Heizenergie verdampft werden. Auf diese Weise kann z. B. vermieden werden, dass sich im ersten Abschnitt Dampfpolster bilden, die eine vollständige Verdampfung auf einer kurzen Verdampfungsstrecke behindern.
- A - Gemäß einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens ist die in dem Teilbereich zugeführte zweite Heizenergie auch größer als die in dem Restbereich des zweiten Abschnitts zugeführte Heizenergie. Eine Erhöhung der Heizenergie kann insbesondere durch geeignete Anordnungen des mindestens einen Heizelements ermög- licht werden. So kann eine enge Wicklung des Heizelements im Bereich des ersten Teilbereiches vorgesehen sein, oder die unmittelbare Anordnung des Heizelements an dem Strömungskanal. Weiter können zusätzliche Heizelemente vorgesehen sein, die die Einbringung einer erhöhten Heizenergie im Vergleich zum ersten Abschnitt und zum Restbereich des zweiten Abschnittes ermöglichen.
Bevorzugt wird durch das Verfahren eine zweite Heizenergie vorgesehen, die zumindest doppelt so groß wie die erste Heizenergie und/oder doppelt so groß wie eine im Restbereich zugeführte dritte Heizenergie.
Dabei ist insbesondere auch bevorzugt, dass die Heizleistung ggf. jeweils gleich groß ist.
Außerdem wird ggf. auch als vorteilhaft angesehen, dass die Heizelemente in den beiden Abschnitten mit den gleichen Taktzeiten bzw. Taktzyklen beheizt werden, wobei die Heizenergie im zweiten Abschnitt als Funktion des aktuellen bzw. zur Verdampfung anstehenden Massenstromes des Harnstoffs festgelegt wird und die Heizenergie im zweiten Abschnitt weniger als 50 %, bevorzugt etwa 30 %, der Heizenergie im zweiten Abschnitt geregelt wird.
In vorteilhafterweise wird durch entsprechende Heizenergien der Volumenstrom bereits im Teilbereich auf über 350 0C erhitzt und vollständig verdampft.
Diesbezüglich ist es bevorzugt, dass der Teilbereich unmittelbar an einem Einlauf des zweiten Abschnitts angeordnet ist. Es hat sich hier als besonders vorteilhaft erwiesen, im Anfangsbereich des eigentlichen Verdampfungsabschnitts die höchste Heizenergie einzubringen. Dementsprechend ist bei einer bevorzugten Ausfüh- rungsform des Verfahrens der erste Teilbereich unmittelbar am Anfang des zweiten Abschnitts angeordnet. Durch die Einbringung der höchsten Heizenergie in diesem räumlich begrenzten Teilbereich kann eine sichere vollständige Verdampfung insbesondere einer Wasser-Harnstoff- Lösung gewährleistet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist der Teilbereich eine Länge von höchstens 150 mm bei einem Volumenstrom von höchstens 100 ml/min auf. Insbesondere ist eine Länge von höchstens 50 mm des Teilbereiches vorgesehen. Dabei ist insbesondere von Verdampfungseinheiten mit Bauteillänge von 400 mm auszugehen.
Insbesondere erstreckt sich der erste Teilbereich höchstens über ein Drittel der Gesamtlänge des zweiten Abschnitts bei einem Volumenstrom von höchstens 70 ml/min, insbesondere über eine Länge von höchstens 50 mm.
Durch eine derartige Ausführung des Verfahrens wird eine sichere, vollständige Verdampfung insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung erreicht, so dass keine Nebenprodukte die Verdampfungseinheit verunreinigen und/oder in ihrer Funktion beeinträchtigen können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest im ersten Teilbereich wenigstens ein Temperatursensor vorgesehen. Dabei werden bevorzugt Mehrpunkt-Temperaturerfassungspunkte vorgesehen, die an verschiedenen Punkten innerhalb eines Gehäuses der Verdampfungseinheit angeordnet sind und für einen bestimmten Bereich der Verdampfungseinheit einen zu integrierenden Temperaturwert ergeben.
Insbesondere ist zu beachten, dass die Heizenergie bzw. die einzustellende Temperatur des Heizelements in Abhängigkeit vom Volumenstrom der Wasser- Harnstoff- Lösung geregelt wird. So ist insbesondere bei einem geringen VoIu- menstrom eine niedrigere Temperatur des Heizelements bzw. eine geringere Heizenergie vorzusehen als bei größerem Volumenstrom.
Bevorzugt wird auch ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, einer Abgasanlage und einer Steuerung vorgeschlagen, wobei die Abgasanlage zumindest einen SCR-Katalysatorkörper aufweist und zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem zumindest einen SCR-Katalysatorkörper wenigstens ein Anschluss mit einer Verdampfungseinheit vorgesehen ist, so dass gasförmiger Ammoniak so in die Abgasanlage einleitbar ist, dass dieser zum zumindest einen SCR-Katalysatorkörper strömt. Dabei wird durch die Steuerung zumindest die Regelung der zweiten Heizenergie, insbesondere auch die Regelung der ersten Heizenergie und/oder der dritten Heizenergie, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgenommen.
Als SCR-Katalysatorkörper wird üblicher Weise ein (keramischer, extrudierter) Wabenkörper eingesetzt, der z.B. eine SCR-Beschichtung aufweist. Eine solche SCR-Beschichtung ist bevorzugt vom V2O5/WO3/TiO2-Typ (Vanadiumpento- xid/Wo lframtrio xid/Titandioxid) .
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren veranschaulichten Ausführungsvarianten die Erfindung nicht beschränken sollen. Für gleiche Gegenstände werden in den Figuren auch gleiche Bezugszeichen verwendet. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 : eine Ausführungsvariante einer Verdampfungseinheit geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2: schematisch den Aufbau eines SCR-Systems bei einem Kraftfahrzeug. Die Fig. 1 zeigt in einem Querschnitt eine erste besonders bevorzugte Ausfuhrungsvariante einer Verdampfungseinheit 1, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Verdampfungseinheit 1 ist mit einem Gehäuse 34 außen begrenzt. In Strömungsrichtung 28 des zu verdampfenden Vo- lumenstroms 2 (z.B. eine Harnstoff- Wasser-Lösung) ist die Verdampfungseinheit 1 in zumindest zwei (2) Teilbereiche unterteilbar, nämlich in einen ersten Abschnitt 4 und einen zweiten Abschnitt 5.
Zentrales Bauteil der Verdampfungseinheit 1 ist der mittig angeordnete Strö- mungskanal 33. Dabei tritt als Volumenstrom 2 insbesondere Harnstoff- Wasser- Lösung in Strömungsrichtung 28 in flüssiger Form ein und durchläuft dann den ersten Abschnitt 4. Dabei wird der Volumenstrom 2 durch zumindest ein erstes Heizelement 29 mittels einer ersten Heizenergie 6 erwärmt und teilweise verdampft.
Der im ersten Abschnitt 4 vorgewärmte Volumenstrom 2 tritt über einen Einlauf 10 in den zweiten Abschnitt 5 der Verdampfungseinheit 1 ein, wobei bei dieser Ausführungsvariante der Teilbereich 7 unmittelbar hinter dem Einlauf 10 angeordnet ist. Der Volumenstrom 2 wird infolge der in diesem Teilbereich 7 zuge- führten hohen zweiten Heizenergie 9 zumindest zum größten Teil, bevorzugt vollständig, verdampft und auf über 3500C erhitzt. Zur Erzeugung dieser zweiten Heizenergie 9 ist bevorzugt ein zweites Heizelement 30 vorgesehen. Es ist aber auch möglich den Teilbereich 9 durch das erste Heizelement 29 zu erwärmen und/oder über ein drittes Heizelement 31 , der insbesondere zusätzlich zum ersten Heizelement 29 und/oder zusätzlich zum zweiten Heizelement 30 vorgesehen ist. Das erste, zweite und dritte Heizelement (29, 30, 31) verfügt insbesondere jeweils über eigene Anschlüsse zur Energieversorgung. Der Teilbereich 7 erstreckt sich dabei mit einer Länge 11 nur über einen Teil der Gesamtlänge 12 des zweiten Abschnitts 5. Der hier wenigstens teilweise verdampfte Volumenstrom 2 wird im Restbereich 8 des zweiten Abschnitts 5 weiter erhitzt und insbesondere vollständig verdampft, so dass der Volumenstrom 2 nach Durchlauf des zumindest ersten Abschnitts 4 und zweiten Abschnitts 5 die Verdampfungseinheit 1 als Gasstrom 3 verlässt.
Die Verdampfungseinheit 1 weist zumindest in dem Teilbereich 7 Temperatursen- soren 13 auf, die eine Erfassung und entsprechende Regelung der Heizenergie bzw. der Temperatur gemäß dem erfmdungsgemäßen Verfahren ermöglichen. Ganz besonders bevorzugt ist die Anordnung der Temperatursensoren so, dass ein erster Temperatursensor im Endbereich des ersten Abschnitts und ein zweiter Temperatursensor im Anfangsbereich des zweiten Abschnitts angeordnet ist, so dass zwischen diesen beiden Temperatursensoren eine Distanz von bevorzugt maximal 20 mm, insbesondere höchstens 10 mm, vorliegt. Dabei soll zwischen diesen Temperatursensoren insbesondere ein Temperatursprung von ca. 1800C (erste Grenztemperatur) auf ca. 3000C (zweite Grenztemperatur) überwacht bzw. geregelt werden.
Im Endbereich 35 des Strömungskanals 33 kann die Verdampfungseinheit 1 eine Aufweitung aufweisen, in welche die bis dahin vollständig verdampfte Harnstoff- Wasserstoff- Lösung hinein entspannt. Daran anschließend ist bevorzugt ein Reaktorraum ausgebildet, in dem ein Wabenkörper mit einer Hydro lyse-Beschichtung vorgesehen ist. Das vollständig zu Ammoniak umgewandelte Gas verlässt nun die Verdampfungseinheit 1 und kann in eine Abgasanlage 20 strömen.
Fig. 2 zeigt nunmehr schematisch ein Kraftfahrzeug 18, insbesondere einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen. Das in der Verbrennungskraftma- schine 19 generierte Abgas wird nun über eine entsprechende Abgasanlage 20 gereinigt und an die Umgebung freigelassen. Dabei durchströmt das Abgas in Strömungsrichtung 28 zunächst einen katalytischen Konverter 24 (z.B. einen Oxi- dations-Katalysator), um weiter stromabwärts schließlich auf einen SCR- Katalysatorkörper 21 zu treffen. Zwischen dem katalytischen Konverter 24 und dem SCR-Katalysatorkörper 21 ist der Anschluss 22 für eine Verdampfungseinheit 1 vorgesehen, so dass dort der Ammoniak umfassende Gasstrom 3 eingeleitet wird. Der mit Ammoniak beströmte Abgasstrom erreicht dann gegebenenfalls einen Strömungsbeeinflusser 25 (z.B. einen statischen Mischer), bevor dieses Gemisch den SCR-Katalysatorkörper 21 erreicht. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass der SCR- Katalysator im Eintrittsbereich 26 und/oder im Austrittsbereich 27 mit weiteren Abgasbehandlungskomponenten versehen sein kann, wie beispielsweise einem Partikelabscheider im Eintrittsbereich 26 und/oder einem Oxidationskatalysator im Austrittsbereich 27. Gleichfalls sei darauf hingewiesen, dass auch andere Abgasbehandlungseinrichtungen in der Abgasanlage 20 vorgesehen sein können.
Die Verdampfungseinheit 1 ist nun über mehrere Leitungsabschnitte 17 mit einem Reservoir 15 verbunden. In dem Reservoir 15 ist beispielsweise flüssige Harnstoff- Wasser-Lösung vorgesehen, die dann mittels einer Dosierpumpe 16 zeit- und/oder volumengerecht der Verdampfungseinheit 1 zugeführt wird. Zu diesem Zweck können die Dosierpumpe 16, die Verdampfungseinheit 1 und/oder die Verbrennungskraftmaschine 19 mit einer Steuerung 23 (datentechnisch und/oder wirktechnisch) verbunden sein, um hier eine geregelte Beimengung von Harnstoff- Wasser-Lösung zur Verdampfungseinheit 1 bzw. Ammoniakgas zum Abgas zu gewährleisten.
Nur der Vollständigkeit halber sei auch darauf hingewiesen, dass eine Vorrichtung 14, umfassend wenigstens ein Reservoir 15, ein Leitungsabschnitt 17, eine Dosierpumpe 16 und eine Verdampfungseinheit 1 in beliebigen Stückzahlen auch separat als Komponentensatz mit/oder ohne Steuerung 23 angeboten werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Verdampfungseinheit
2 Volumenstrom
3 Gasstrom
4 Erster Abschnitt
5 Zweiter Abschnitt
6 Erste Heizenergie
7 Teilbereich
8 Restbereich
9 Zweite Heizenergie
10 Einlauf
11 Länge
12 Gesamtlänge
13 Temperatursensoren
14 Vorrichtung
15 Reservoir
16 Dosierpumpe
17 Leitungsabschnitt
18 Kraftfahrzeug
19 Verbrennungskraftmaschine
20 Abgasanlage
21 SCR-Katalysatorkörper
22 Anschluss
23 Steuerung
24 Katalytischer Konverter
25 Strömungsbeeinflusser
26 Eintrittsbereich
27 Austrittsbereich
28 Strömungsrichtung Erstes Heizelement
Zweites Heizelement
Drittes Heizelement
Dritte Heizenergie
Strömungskanal
Gehäuse
Endbereich

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Verdampfungseinheit (1) zur Umwandlung eines Volumenstromes (2) in einen Ammoniak umfassenden Gasstrom (3), wobei die Verdampfungseinheit (1) zumindest einen ersten Abschnitt (4) und stromabwärts einen zweiten Abschnitt (5) umfasst, die von dem Volumenstrom (2) durchströmt werden, wobei in beiden Abschnitten eine Verdampfung stattfindet und zwar wird im ersten Abschnitt (4) der Volumenstrom (2) durch Zuführen einer ersten Heizenergie (6) auf höchstens 180 0C erwärmt und im zweiten Abschnitt (5) wird der Volumenstrom (2) auf über 350 0C erhitzt und vollständig verdampft, wobei der zweite Abschnitt (5) einen Teilbereich (7) aufweist, in dem eine zweite Heizenergie (9) zugeführt wird, wobei die zweite Heizenergie (9) größer ist als die erste Heizenergie (6).
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die zweite Heizenergie (9) zumindest doppelt so groß wie die erste Heizenergie (6).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der VoIu- menstrom (2) bereits im Teilbereich (7) auf über 350 0C erhitzt und vollständig verdampft wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Teilbereich (7) unmittelbar an einem Einlauf (10) des zweiten Abschnitts (5) ange- ordnet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei bei einem Volumenstrom (2) von höchstens 100 ml/min der Teilbereich (7) eine Länge (11) von höchstens 150 mm aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei bei einem Volumenstrom (2) von höchstens 70 ml/min der Teilbereich (7) eine Länge (11) von höchstens einem Drittel einer Gesamtlänge (12) des zweiten Abschnitts (5) aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zumindest im Teilbereich (7) zumindest ein Temperatursensor (13) vorgesehen ist, durch den zumindest die zweite Heizenergie (9) in Abhängigkeit vom Volumenstrom (2) geregelt wird.
8. Kraftfahrzeug (18) mit einer Verbrennungskraftmaschine (19), einer Abgasanlage (20) und einer Steuerung (23), wobei die Abgasanlage (20) zumindest einen SCR-Katalysatorkörper (21) aufweist und zwischen der Verbrennungskraftmaschine (19) und dem zumindest einen SCR-Katalysatorkörper (21) wenigstens ein Anschluss (22) mit einer Verdampfungseinheit (1) vorgesehen ist, so dass gasförmiger Ammoniak so in die Abgasanlage (20) einleitbar ist, dass dieser zum zumindest einen SCR-Katalysatorkörper (21) strömt, wobei durch die Steuerung (23) zumindest die Regelung der zweiten Heizenergie (9) zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorhergehenden Patentansprüche vorgenommen werden kann.
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