專利名稱：用于蒸發(fā)尿素水溶液的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于蒸發(fā)尿素水溶液的裝置，也就是說，具體涉及一種用于產生氣流的蒸發(fā)設備。所述類型的裝置尤其用于為機動車中的廢氣后處理系統(tǒng)供給氣態(tài)氨。
背景技術：
尤其是在內燃機中，已經證實將尿素水溶液直接添加到由內燃機產生的廢氣中， 或者在于廢氣之外進行水解后將氨添加到所述廢氣中是有利的。這里，在已知的方法中，使用了水解催化轉化器，其中氨從尿素中獲得。尿素水溶液在水解催化轉化器的上游計量供給到廢氣中，轉換成氣態(tài)并與水解催化轉化器接觸。這樣產生的氨于是例如與廢氣系統(tǒng)中更下游處的所謂SCR(選擇性催化還原)催化轉化器發(fā)生反應，與其中所包含的氮氧化物形成分子氮和水。在尿素水溶液的蒸發(fā)過程中進行溫度控制特別困難。在一方面尿素水溶液的所需量和另一方面廢氣中的可得溫度(例如在移動式應用的情況下)顯著變化的場合下尤其如此。如果只得到不完全蒸發(fā)，則會形成中間產物，其可能導致蒸發(fā)設備變得堵塞。這種不希望有的副產品例如是由異氰酸和尿素形成的不溶于水的縮二脲，以及是異氰酸的三聚作用產物的三聚氰酸。在氨的前驅體、具體而言是尿素水溶液的蒸發(fā)過程中，已經觀察到溫度到液體中的引入必須在臨界溫度范圍中非?？焖俚匕l(fā)生，以防止形成所述不希望有的化合物，這種化合物只能被部分地再次去除且存在有困難。

發(fā)明內容
以此為出發(fā)點，本發(fā)明的目的是至少部分地解決關于現(xiàn)有技術所強調的問題。尤其是尋求一種用于蒸發(fā)尿素水溶液的裝置，借助于該裝置能實現(xiàn)快速且盡可能完全地蒸發(fā)尿素水溶液，其中尤其是顯著降低了不希望有的副產品的形成。尤其是，即使在關于不同量的待蒸發(fā)尿素水溶液有顯著變化的需求的情況下也可以實現(xiàn)此目的。此外，除了實現(xiàn)蒸發(fā)之外，如果適當?shù)脑捲撗b置還應進一步適用于還原劑前驅體的處理或者轉換成氨的處理。所述目的依靠根據權利要求1的特征的裝置來實現(xiàn)。在從屬權利要求中體現(xiàn)了其它的優(yōu)選設計變體和使用領域。應該注意，在權利要求中單獨說明的特征可以以任何工藝上想得到的所需方式相互結合，并且構成本發(fā)明的進一步的實施例。通過說明書、尤其是與附圖相結合，也可以進一步表征本發(fā)明并使本發(fā)明更加清楚。根據本發(fā)明的用于蒸發(fā)尿素水溶液的裝置具有用于尿素水溶液的傳輸管，所述傳輸管至少延伸穿過用于傳入熱能的第一區(qū)和第二區(qū)，其中所述區(qū)可以彼此分開地被加熱， 并且在第二區(qū)中，傳輸管先在第二入口區(qū)域中具有彎曲的輪廓，并在那之后具有直線的輪廓。該裝置優(yōu)選為可以獨立操作的單獨部件。為此，該裝置例如可以具有單獨外殼的筒體的方式構成?，F(xiàn)在，在所述裝置中提供了用于尿素水溶液的傳輸管。提供正好一個傳輸管是極特別優(yōu)選的，待蒸發(fā)的尿素水溶液通過該傳輸管傳導。對于尿素水溶液的蒸發(fā)來說，已證明在蒸發(fā)所需的熱能被實際傳入之前將尿素水溶液先預調節(jié)至例如高于100°c但低于200°C 的中等溫度下是有利的。為此，傳輸管延伸穿過至少兩個區(qū)，其中熱能以不同的強度并以能夠彼此間獨立調整的方式引入到傳輸管中。這里，已證實從第一區(qū)到第二區(qū)的過渡是特別關鍵的，在那里最終發(fā)生蒸發(fā)。所述區(qū)中蒸發(fā)速率的差異源于這一事實在移動式應用的情況下，在各種情況下不同的傳輸速率都必須在蒸發(fā)器中轉換成氣態(tài)。這里，傳輸量改變得很大，使得單獨的溫度控制不能永久地確保消除不希望有的副產品。取決于需求和發(fā)動機的規(guī)格，尿素水溶液的傳輸速率或蒸發(fā)速率可達125ml/min (毫米每分)。這里，在從第一區(qū)到第二區(qū)的過渡處存在溫度突變的情況下，萊頓弗羅斯特效應、過強的局部冷卻和熱量不充分地傳入到尿素水溶液中只是一些會阻礙蒸發(fā)的影響。這尤其適用于低至15ml/min的傳輸速率，并且更特別地適用于低至2ml/min的傳輸速率。在所述穩(wěn)態(tài)操作過程中為了得到顯著改進的蒸發(fā)結果并降低傳輸管變得堵塞的趨勢，已經發(fā)現(xiàn)傳輸管在第二區(qū)中先具有曲線的輪廓并在其后具有直線的輪廓是有利的。 這里，曲線輪廓尤其意味著在第二區(qū)的入口區(qū)域中，傳輸管不是直線式地(例如沿著一縱向軸線)延伸，而是優(yōu)選地具有多個盤旋、環(huán)路、卷繞等。當尿素水溶液流過所述區(qū)域時， 由于被迫改變方向，因此實現(xiàn)了尿素水溶液與傳輸管壁的密切接觸和尿素水溶液的徹底混合，這導致了更快和更完全的蒸發(fā)。傳輸管在第二區(qū)的第二出口區(qū)域中具有曲線的輪廓被認為是有利的。這意味著例如第二區(qū)形成有三個區(qū)域，具體地分別是入口區(qū)域、中部區(qū)域以及出口區(qū)域，其中傳輸管具有下列連續(xù)地彼此直接鄰接的輪廓形狀曲線輪廓、直線輪廓、曲線輪廓。各個第二區(qū)域具有不同的長度也是優(yōu)選的；尤其是，第二中部區(qū)域設計成比第二入口區(qū)域更長，而第二入口區(qū)域又優(yōu)選地比第二出口區(qū)域長。如果適合的話，可以為每個區(qū)域提供單獨的加熱元件，然而多個加熱元件在一個區(qū)域上延伸也是可以的。此外已經發(fā)現(xiàn)，從傳輸管的第一區(qū)到第二區(qū)的過渡區(qū)形成有擴大的截面是有利的。管截面例如可處于從0. 2mm2到30mm2的范圍內，其中傳輸管在過渡區(qū)中優(yōu)選地形成有 IOmm2到16mm2、尤其是約12mm2的管截面。也已經證實，在通到第二區(qū)的入口的直接上游處使尿素水溶液膨脹的所述能力對于消除不希望有的副產品是有利的。在本發(fā)明的一種改進中，在第一區(qū)中，傳輸管最初在第一入口區(qū)域中具有直線輪廓，并在那之后具有曲線輪廓。所述第一區(qū)優(yōu)選地只有兩個區(qū)域，其中傳輸管從直線輪廓直接并入到曲線輪廓中。優(yōu)選地，第一入口區(qū)域和第一出口區(qū)域具有近似相等的長度，并且對于這兩者都提供了可單獨操作的電加熱元件。此外，第一區(qū)和第二區(qū)通過環(huán)繞傳輸管的管道來連接被認為是有利的。換句話說， 這也意味著第一區(qū)和第二區(qū)優(yōu)選地彼此間基本上熱隔離，從而可在第一區(qū)和第二區(qū)中以精確的方式設置所期望的溫度。以這種方式，可以在第一區(qū)和第二區(qū)之間的過渡區(qū)中獲得重大的溫度階躍，其同樣促進了蒸發(fā)而不會產生不希望有的副產品。例如，雖然傳輸管在第一區(qū)和第二區(qū)中經由熱傳導層(例如鋁塊或銅顆粒)連接到加熱元件上，但傳輸管在過渡區(qū)中例如由形成有絕熱設計的管道構成。本發(fā)明還可被如下地改進，即傳輸管形成有毛細管，其設置成與至少一個電加熱元件形成導熱接觸。該毛細管例如為單獨的部件，尤其是以小管的形式。取決于在該裝置中期望尿素水溶液進行哪種類型的處理，毛細管可由相應的材料和/或表面粗糙度形成。例如，如果毛細管也要執(zhí)行水解功能，則表面粗糙度可處于4到20 μ m(微米)的范圍內，其中毛細管優(yōu)選由鈦構成。然而同樣優(yōu)選地，傳輸管在具有曲線輪廓的第二入口區(qū)域中具有低表面粗糙度，尤其是低于10 μ m或者甚至低于5 μ m。特別是可使用自調節(jié)式加熱電阻器、即所謂的PTC(正溫度系數(shù))電阻器作為電加熱元件。這應被理解為意味著，正溫度系數(shù)允許導熱體在溫度設定點的附近以自調節(jié)的方式操作。所述類型的自調節(jié)式加熱電阻器例如由陶瓷材料、諸如鈦酸鋇陶瓷和/或經摻雜的聚合物等構造。這種自調節(jié)式加熱電阻器允許簡單的啟動。這里，優(yōu)選的是電加熱元件不直接接觸毛細管或傳輸管，而是提供電加熱元件和毛細管嵌入于其中的熱傳導層。所述熱傳導層優(yōu)選地包括銅和/或鋁。對于這里所述的根據本發(fā)明的裝置的操作，提議尿素水溶液在第一區(qū)中被預加熱至100°C到180°C范圍內的溫度，并在第二區(qū)中在420°C到490°C范圍內的溫度下被蒸發(fā)。因此，這里提議(只有)兩個階段的加熱過程，其特征是存在超過200°C的溫度階躍。該方法尤其適于蒸發(fā)非常少量的尿素水溶液，例如以平均低至lOml/min的傳輸率(Durchsatz)。 然而在該裝置的移動式應用中，這些量將精確地保持一致，因此這代表了臨界載荷范圍。根據本發(fā)明的設計第一次使得即使在這些低傳輸率下也可以可靠地避免傳輸管的堵塞。本發(fā)明尤其可用于具有控制器和帶還原劑計量系統(tǒng)的排氣系統(tǒng)的機動車，其中還原劑計量系統(tǒng)具有至少一個根據本發(fā)明的裝置，并且控制器設置成可實現(xiàn)根據本發(fā)明的用于間歇式定量添加還原劑的方法。因此，該裝置至少可用于尿素水溶液的蒸發(fā)，尿素水溶液 (如果適當?shù)脑捲谂c水解催化轉化器接觸后以氨的形式)以氣態(tài)加入到廢氣中。因此，該裝置尤其可起在廢氣之外進行尿素水溶液的蒸發(fā)(和水解)的作用。在該裝置或排氣系統(tǒng)中形成的氨(還原劑)允許在排氣系統(tǒng)中在設有所謂SCR催化轉化器的情況下不希望有的氮氧化物的轉化。該SCR過程是已知的，因此這里將不給出更詳細的說明。關于該方法的執(zhí)行，還應指出“間歇式的”計量添加手段尤其意味著獲得了還原劑到排氣系統(tǒng)的不連續(xù)流動，相反是在各種情況下，定量的還原劑或尿素水溶液在預定的時間點處添加。


下面將基于附圖來說明本發(fā)明和技術領域。應指出，本發(fā)明不限于附圖的主旨內容。在附圖中示意地示出圖1示出了根據本發(fā)明的裝置的一個優(yōu)選的設計變體，圖2示出了將該裝置集成到移動式排氣系統(tǒng)中的一個可能例子，以及圖3示出了在根據本發(fā)明的裝置中溫度到尿素水溶液中的引入。
具體實施例方式圖1示出了根據本發(fā)明裝置的用于尿素水溶液的蒸發(fā)的一個優(yōu)選實施例。這里， 該裝置1構造成具有兩個區(qū)和五個獨立的加熱元件，其中第一區(qū)3和第二區(qū)4為非對稱的設計。待蒸發(fā)的尿素水溶液例如從左側經由傳輸管2進入該裝置1。這里，傳輸管2在第一入口區(qū)域11中形成為直線輪廓7，之后在直接相鄰的出口區(qū)域19的區(qū)域中并入到曲線輪廓6中。在所述第一區(qū)3和同樣在后面的第二區(qū)4中，傳輸管2形成有嵌入到熱傳導層29(這里由剖面線示出)中的毛細管13。同樣，在所述熱傳導層四中提供了加熱元件14， 其中這里在圖1中示出，第一入口區(qū)域11和第一出口區(qū)域19均具有可單獨調節(jié)的加熱元件14。在這里示出的設計變體中，第一入口區(qū)域11和第一出口區(qū)域19具有近似相同的長度，其中這兩個區(qū)域彼此直接相鄰，并且在第一區(qū)3中沒有設置其它的區(qū)域。依靠加熱元件 14在第一入口區(qū)域11和第一出口區(qū)域19中設定了相同的溫度，具體而言是在一個非常狹窄的溫度范圍內，例如從110°C到120°C。在離開第一區(qū)3后，預調節(jié)過的尿素水溶液沿傳輸方向25流過過渡區(qū)9，在這里， 傳輸管2由管道12構成。這里可以清楚地看到，所述過渡區(qū)9并未形成有熱傳導層四，使得這里在第一區(qū)3和第二區(qū)4之間存在嚴格的溫度區(qū)分。從所述過渡區(qū)9出發(fā)，尿素水溶液沿傳輸方向25流入第二區(qū)4。第二區(qū)4也形成為具有可獨立調節(jié)的加熱元件14，加熱元件14如同傳輸管中的毛細管13 —樣嵌入在熱傳導層四中。根據本發(fā)明，尿素水溶液最初流過第二入口區(qū)域5，其中傳輸管2具有曲線輪廓6。鄰接所述第二入口區(qū)域設有第二中部區(qū)域20，其中傳輸管2是直線型的。在所述第二中部區(qū)域之后還有第二出口區(qū)域8，其中在這里，傳輸管2再次設置成曲線輪廓。在這里提議的設計中，可以看出第一區(qū)3和第二區(qū)4具有不均勻的或者非對稱的結構。還可以看出，第二區(qū)4本身的結構是不均勻的設計，也就是說是非對稱的，尤其是相對于第二入口區(qū)域5的結構、第二中部區(qū)域20的結構以及第二出口區(qū)域8的結構而言。即使傳輸管2在第二區(qū)4中具有非對稱的結構，仍然可以提供三個相鄰布置的可獨立操作的加熱元件14，其中尤其是有多個加熱元件14作用于第二中部區(qū)域20。由于通過所有三個加熱元件14設定了基本相同的溫度(例如440°C到470°C )，因此這不會帶來問題。圖2示意地示出了具有發(fā)動機21的機動車15。在發(fā)動機21中產生的廢氣經由排氣系統(tǒng)17排放到大氣中，其中廢氣在排氣系統(tǒng)17中被進一步處理，以使排放到環(huán)境中的污染物最小化。圖2中的排氣系統(tǒng)17示出了一個催化轉化器22，具體而言為SCR催化轉化器，其中還原劑在廢氣沖擊在催化轉化器22上之前被提供給廢氣。這里，還原劑例如是氣態(tài)尿素，或者假如水解已經發(fā)生，還原劑例如是氣態(tài)氨。為了注入所述還原劑，特別使用了根據本發(fā)明的裝置1。這里，機動車15因此配備有用于排氣系統(tǒng)17的還原劑計量系統(tǒng)18。 還原劑計量系統(tǒng)18包括例如用于尿素水溶液的儲箱23，以及可以根據需求將還原劑引至裝置1或排氣系統(tǒng)17的傳輸單元24。對于根據需求的還原劑的定量供給，還提供了控制器 16，依靠該控制器16實現(xiàn)了裝置1和/或傳輸單元M的操作。對于所述操作，如果適當?shù)脑捚淇商幚黻P于發(fā)動機21的操作的信息，以及關于排氣系統(tǒng)中的該過程的其他測量值或計算結果。最后，圖3用于說明依靠該裝置所得到的溫度突變。該圖說明了當尿素水溶液流經第一區(qū)3和第二區(qū)4時的溫度27。所述溫度處理的一個特殊特征是，在第一區(qū)3和第二區(qū)4之間的短過渡區(qū)中實現(xiàn)了重大的溫度階躍觀。以此方式可以顯著地限制形成不希望有的副產品。本發(fā)明尤其用于尿素水溶液(其商品名為AdBlue)在接觸廢氣之前的蒸發(fā)。在該裝置內也可發(fā)生水解，使得尿素已在該裝置中轉變成氨，從而將氨本身加入到廢氣中。然而也可以將尿素蒸汽直接加入到廢氣中，作為熱解的結果而在該處產生氨。廢氣內的水解也是可能的，其中可以使用相應的催化轉化器。
本發(fā)明尤其針對于定量添加少量的還原劑或尿素水溶液。已經發(fā)現(xiàn)，這種添加導致了不充分蒸發(fā)，以及引起常規(guī)蒸發(fā)設備在操作期間變得堵塞的很高趨勢。該裝置不言自明也能夠實現(xiàn)更大的還原劑傳輸率，例如在機動車的移動式應用中所出現(xiàn)的那樣，其中這些并不是關鍵的。此外，本裝置可具有非常緊湊的結構，例如筒體的形式，這樣它可以節(jié)省空間的方式容納在排氣系統(tǒng)中，如果適當?shù)脑捯部梢宰鳛榉掳b。附圖標記列表1 裝置2傳輸管3 第一區(qū)4 第二區(qū)5第二入口區(qū)域6曲線輪廓7直線輪廓8第二出口區(qū)域9過渡區(qū)10 截面11第一入口區(qū)域12 管道13毛細管14加熱元件15機動車16控制器17排氣系統(tǒng)18還原劑計量系統(tǒng)19第一出口區(qū)域20第二中部區(qū)域21發(fā)動機22催化轉化器23 儲箱24傳輸單元25傳輸方向26 溫度27 時間28溫度階躍29熱傳導層
權利要求
1.一種用于蒸發(fā)尿素水溶液的裝置(1)，具有用于尿素水溶液的傳輸管O)，所述傳輸管至少延伸穿過用于傳入熱能的第一區(qū)(3)和第二區(qū)G)，其中，所述區(qū)能彼此間分開地被加熱，并且在第二區(qū)(4)中，所述傳輸管( 先在第二入口區(qū)域( 中具有彎曲的輪廓(6)， 并在那之后具有直線的輪廓(7)。
2.如權利要求1所述的裝置(1)，其特征在于，在第二區(qū)中，所述傳輸管(2)在第二出口區(qū)域(8)中具有彎曲的輪廓(6)。
3.如權利要求1或2所述的裝置(1)，其特征在于，在從第一區(qū)(3)到第二區(qū)(4)的過渡區(qū)(9)中，所述傳輸管( 形成為具有擴大的截面(10)。
4.如上述權利要求中之一所述的裝置(1)，其特征在于，在第一區(qū)中，所述傳輸管 (2)在第一入口區(qū)域(11)中先具有直線的輪廓(7)，并在那之后具有彎曲的輪廓(6)。
5.如上述權利要求中之一所述的裝置(1)，其特征在于，第一區(qū)(3)和第二區(qū)(4)通過環(huán)繞所述傳輸管O)的管(1 相連接。
6.如上述權利要求中之一所述的裝置(1)，其特征在于，所述傳輸管( 形成有毛細管 (13)，所述毛細管布置成與至少一個電加熱元件(14)形成導熱接觸。
7.一種用于操作如上述權利要求中之一所述的裝置(1)的方法，其中尿素水溶液在第一區(qū)⑶中加熱至從100°C到180°C范圍內的溫度，并且在第二區(qū)⑷中在從420°C到490°C 范圍內的溫度下蒸發(fā)。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，尿素水溶液在低至lOml/min的傳輸率下被操作。
9.一種具有控制器(16)和帶還原劑計量系統(tǒng)(18)的排氣系統(tǒng)(17)的機動車(15)， 其中所述還原劑計量系統(tǒng)(18)具有至少一個如權利要求1至6中之一所述的裝置(1)，并且所述控制器(16)設置成實施用于間歇式定量添加還原劑的方法。
全文摘要
一種用于蒸發(fā)尿素水溶液的裝置(1)，具有用于尿素水溶液的傳輸管(2)，該傳輸管至少延伸穿過用于傳入熱能的第一區(qū)(3)和第二區(qū)(4)，其中所述區(qū)能彼此間分開地被加熱，并且在第二區(qū)(4)中，傳輸管(2)先在第二入口區(qū)域(5)中具有彎曲的輪廓(6)，并在那之后具有直線的輪廓(7)。另外建議了一種方法，其中尿素水溶液在第一區(qū)(3)中加熱至從100℃到150℃范圍內的溫度，并且在第二區(qū)(4)中在從420℃到490℃范圍內的溫度下蒸發(fā)。以這種方式尤其顯著地降低了這種用于尿素水溶液的廢氣之外的蒸發(fā)器變得堵塞的趨勢。
文檔編號C01C1/08GK102459081SQ201080027424
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權日2009年6月17日
發(fā)明者克里斯蒂安·福斯曼, 斯文·舍佩爾斯, 簡·霍奇森 申請人:依米泰克排放技術有限公司