专利名称：用于处理内燃机排气的设备的制作方法
技术领域：
本发明的主题是一种用于处理内燃机排气的设备，其中重要的是特别
地通过选择性催化还原(selective catalytic reduction, SCR)(方法)还 原排气中的氮氧化物成分。本发明特别是实现了还原剂的制备/供应，该还 原剂选择性地作用于氮氧化物，例如特别为氨。
背景技术：
内燃机排气中含有不希望排放到环境中的物质。例如，在许多国家， 要求内燃机排气中含有的氮氧化物(NOx)只能达到一定的限值。除了发 动机内的措施之外一一借助于所述措施可通过选择内燃机的尽可能合适的 工作点来减少氮氧化物的排放，还采取了后处理方法，借助于所述方法可 进一步降低氮氧化物的排放。
进一步减少氮氧化物排放的一种方法是所谓的选择性催化还原(方
法)。通过此方法，使用还原剂将氮氧化物选择性还原成分子态的氮(N2)。
一种可能的还原剂是氨(NH3)。在这种情形下，氨通常不以氨的形式储 存，而是储存氨前体，氨前体可根据需要被转化为氨。可能的氨前体为例 如尿素((NH2)2CO)、氨基甲酸铵、异氰酸(HCNO)、三聚氰酸等。特 别地，已经证实尿素易于储存。尿素优选地以尿素水溶液的形式储存。尿 素、特别是尿素水溶液对健康无害并易于分配和储存。这种尿素-氢溶液以 "AdBlue"的名称销售。
从DE 199 13 462 Al得知一种方法，其中在水解催化器的上游将尿素 水溶液计量供给至内燃机排气的局部气流中。在工作时，通过与水解催化 器相遇而使尿素水解和热解成氨，所述氨在位于下游的SCR催化器/催化转化器中用作还原剂。在该文献中描述的方法的缺点在于水解催化器由 于尿素水溶液的蒸发而冷却。尤其是在需要大量的氨时，至少在水解催化 器的一些区域中的冷却程度可能使得在这些区域中水解反应不再进行或不 再完全地进行。另外，根据这种现有技术，排气穿流水解催化器。因此， 存在相对较大的物料流量，所以水解催化器的尺寸必须设计成相应地较大。 这增加了成本并需要安装空间，正是在现代的汽车中通常不能提供所述空 间。
发明内容
基于此本发明的目的在于提出一种设备，通过这种设备至少可以减轻 现有技术中的已知缺点。
上述目的通过一种具有独立权利要求的特征的设备实现。有利的改进
方案是各从属权利要求的主题。
本发明的用于处理内燃机排气的设备包括至少 一个用于添加水溶液的 添加管道、连接到所述添加管道的水解催化器以及SCR催化器，其中所述 SCR催化器能够由排气穿流。根据本发明，设置有至少一个杆状加热元件， 通过所述杆状加热元件能够加热下述构件中的至少一个
a) 所述添加管道的至少一部分，以及
b) 所述水解催化器。
杆状加热元件理解为特别是一种可电加热的元件，其中导热体嵌入到 相应的介质中。特别地，该介质可以是由相应导热体从内侧加热的套管。 优选地，可在套管中设置加热芯(例如陶瓷加热芯)，该加热芯例如包括 内嵌有导热体的陶瓷元件。
水解催化器理解为可^^皮穿流的构件，该构件催化还原剂前体生成还原 剂的水解。特别地，水解催化器理解为这样的构件其包括有催化层，通 过该催化覆层可催化由尿素生成氨的水解。特别地，水溶液包括至少一种 在SCR方法中使用的还原剂的还原剂前体。特别地，还原剂前体理解为这 样的物质其能够分离出还原剂或转化为还原剂。优选地，水溶液至少包含尿素。水溶液中可能存在其它的组成物质，依据本发明特别是这样的物 质，借助于该物质能够降低水溶液的水点/凝固点。特别地，所述物质是甲 酸和/或曱酸铵。添加管道和水解催化器之间的连接设计成，使得在工作时 完全蒸发的溶液进入水解催化器中。
特别地，依据本发明的设备包括形成于排气管道中从而可由排气穿流
的SCR催化器，而添加管道与水解催化器形成在排气管道的外侧不由排气 穿流。因此能够制造出这样的水解催化器，该水解催化器的体积与可由排 气穿流的传统水解催化器相比明显减小。传统水解催化器的体积至少为 500ml以及更大，而依据本发明，水解催化器的体积可小于100ml。
特别地，依据本发明的设备这样工作使添加管道可被加热成，使得 在其中进行水溶液的蒸发。在此，这样的构型是优选的其中水溶液完全 蒸发，即蒸发水溶液的至少90 Gewichts-% (重量百分比)、优选是至少 95Gewichts-%、特别优选地是至少98 Gewichts-% 。在此，加热基本上通 过杆状加热元件实现。本发明的设备可有利地用于处理固定和/或移动式内 燃机的排气，特别是用于处理机动车辆(例如特别是汽车、客车、载重车 辆、两轮机动车和/或所谓的全地形越野车)、船只和/或飞行器的排气。
依据本发明设备的一种有利的实施方式，添加管道内侧的平均表面粗 糙度为8至12微米。
平均表面粗糙度也表示成Rz。这里确定表面的测量点到参考线或参考 面的距离。在长度相等的五个单独测量迹线上进行此测量。对于所述单独 测量迹线中的每个，统计最大值与最小值之差。平均表面粗糙度为例如这 五个单独测量的平均值。
发现8至12微米的平均表面粗糙度是特别有利的，因为其致使溶液与 添加管道壁之间的良好接触、从而致使良好的蒸发效率。
依椐本发明设备的另一种有利的实施方式，添加管道由导热性大于 200W/ (mK)(瓦特每米开尔文)的材料形成。
此导热性是有利的，因为其有利于依据本发明的设备的紧凑结构以及 溶液的动态/强烈(dynamische)的、迅速蒸发。
6依据本发明设备的另 一种有利的实施方式，添加管道由包括铝的材料 形成。
发现铝是特别有利的，因为形成于表面上的氧化铝促进由还原剂前体 (特别是尿素)生成还原剂(特别是氨)的水解，而无需设置额外的催化 活性覆层。这提高了还原剂前体转化为还原剂的效率，并允许减小相应的 水解催化器。
依据本发明设备的另 一种有利的实施方式，下述构件中的至少 一个设
计成围绕所述杆状加热元件
a) 添加管道的至少一部分，以及
b) 水解催化器。
在此，特别地，添加管道可设计成围绕所述杆状加热元件。优选一种 实施方式，其中添加管道构造成基本呈螺旋状，螺旋的对称轴线与杆状加 热元件的纵向轴线同轴地形成。水解催化器可设计成围绕杆状加热元件的 蜂窝体的形式，优选地由内、外套管界定的环形蜂窝体的形式，水解催化 器也可以包括直接地加工在加热元件中和/或加工在围绕加热元件的套管 中的通道。
本发明设备的此构型允许根据本发明的设备的结构非常紧凑，从而， 即使在仅有非常小的安装空间的情形下一一例如特别是对于机动车辆，也 可以实现水溶液的有效蒸发，同时实现本发明设备的非常紧凑的结构。
依据本发明设备的另一种有利的实施方式，添加管道包括至少一个通 道，该通道至少部分地由加热元件的套管形成。
在此，特别地，套管理解成一种套筒，其形成在杆状加热元件的电导 热体的外侧。套管可由金属材料、陶瓷材料、玻璃状材料或类似材料制成， 所述材料能够承受优选400。C以及更高、特别优选600°C以及更高的温度。
依据本发明设备的另 一种有利的实施方式，所述至少一个通道形成于 套管中。
特别地，这意^^未着在套管中加工出通道，例如通过研磨制造方法和/ 或在制造相应的套管时直接地(进行加工)例如通过相应的挤压。
7依据本发明设备的另 一种有利的实施方式，所述至少 一个通道在内侧 由加热元件的套管界定，而在外侧由与加热元件同轴地形成的套筒界定。
特别地，在此可以是一个或多个通道，所述通道绕杆状加热元件基本 呈螺旋状地形成和/或截面呈环形间隙状，所述截面的在内侧由套管界定，
在外侧由套筒界定。还优选这样的构型其中添加管道一一特别是所述通 道——的截面是变化的。因此可例如形成呈环形间隙状的通道，该通道的 直径沿杆状加热元件单调地或者严格单调地增加。
依据本发明设备的另 一种有利的实施方式，在所述加热元件的外側设 置有套筒，所述套筒与下述构件中的至少一个至少部分地热接触
a) 添加管道的至少一部分，以及
b) 水解催化器。
由此，形成于加热元件径向外侧、优选还形成于添加管道的和/或水解 催化器的、水解催化器的添加管道的和/或至少一个通道的至少一部分的径 向外侧的套筒能够从外部导入热量。特别地，套筒包括另一导热体并特别 地构造成或包括环状加热元件。由此，可以确保绕杆状导热体的热分布非 常均匀，这又实现了非常均匀的蒸发和/或水解效果。
依据本发明设备的另一种有利的实施方式，套筒能够加热。 为此，与杆状加热元件类似地，套筒特别地具有电接头，借助于电接 头套筒和/或杆状加热元件能够被供电。这使得可以从内侧和外侧对相应的 通道进行力口热。
依据本发明设备的另 一种有利的实施方式，水解催化器包括环形蜂窝 体，所述环形蜂窝体在内套管和外套管之间具有可由流体穿流的通道。
在此，蜂窝体优选地包括至少一个至少部分形成结构的、特别是波紋 状的薄板，由该薄板形成水解通道。通道具有一覆层，该覆层催化还原剂 前体生成还原剂的水解。这样的构型是优选的，其中至少水解催化器的内 套管与杆状加热元件热接触，优选类似地与之连接和/或构造成靠在杆状加 热元件上。优选地，另一加热元件形成于水解催化器的径向外侧，借助于 该加热元件可经由外套管将热量导入到水解催化器。依据本发明设备的另一种有利的实施方式，水解催化器至少部分地由 至少一个水解通道形成，该水解通道至少部分地由加热元件的套管形成。
在此，与上述的通道类似，所述至少一个水解通道可当在加热元件的 套管中实现添加管道时形成、或者可以例如在内侧由加热元件的套管界定。
在此，特别是在此，这样的构型是优选的其中通道或者说添加管道以及 水解通道可彼此合并，特别是包括相同的通道，该通道的可穿流的截面必 要时可变化，并且至少在局部区域中具有水解覆层。
优选一种实施方式，其中水解通道形成于套管中。
特别地，在此，在围绕杆状加热元件的导热体的、此处称为套管的结 构中例如通过研磨技术形成通道。
依据本发明设备的另一种有利的实施方式，水解通道在内侧由加热元 件的套管界定，而在外侧由与所述加热元件同轴地形成的套筒界定。
特别地，位于外侧的套筒也是可加热的，使得热量从内侧以及外侧进 入水解通道，从而能够在尽可能均勻的温度调节下使还原剂前体尽可能完 全地水解为还原剂。优选一种实施方式，其中套筒与水解通道热接触。
下面参照附图对本发明进行更加详细的解释，但是本发明并不限于所 描述的示例实施方式和细节，其中
图1示出本发明设备的示例实施方式； 图2示出本发明设备的第一示例实施方式沿纵剖面的细节； 图3示出第一示例实施方式的局部分解剖视图的细节； 图4示出第二示例实施方式的局部分解视图的细节； 图5示出第二示例实施方式沿纵剖面的细节；以及 图6示出本发明i殳备的水解催化器的示例实施方式。
具体实施例方式
图l示意性地示出用于处理内燃机(未示出)排气2的设备1。设备l包括至少一个添加管道4，该添加管道在图2中示出为呈环形间隙状的通 道3。在图1中为了清楚起见没有示出添加管道4。添加管道4连接到水解 催化器5,并用于将水溶液添加到水解催化器5。水溶液储存在ji&存器6 中。水溶液包括至少一种还原剂前体，特别是尿素。还原剂前体理解为这 样的一种物质从该物质中可分离出还原剂、或者该物质可反应得到还原 剂。还原剂适合用于氮氧化物的选择性催化还原(selective catalytic reduction, SCR)。
依据本发明的设备1还包括一 SCR催化器7，排气2可穿流该SCR 催化器。为此，SCR催化器7形成于排气管道8中，而水解催化器5和添 加管道4形成于排气管道8的外部。另外，本发明的设备l包括至少一个 杆状加热元件9，通过该杆状加热元件可加热添加管道4和/或水解催化器 5的至少一部分。
添加管道4和贮存器6彼此通过输送管道10连接。另外，可形成有输 送装置(未示出)，例如泵、特别是计量泵，通过该输送装置可将至少一 种还原剂前体的水溶液从贮存器6输送到添加管道4中。
在工作中，通过借助于杆状加热元件9在添加管道4中使水溶液蒸发 以及随后在水解催化器5中进行水解而在本发明的设备l中形成气态混合 物，该气态混合物包括至少一种用于选择性催化还原氮氧化物的还原剂。 该还原剂优选为氨。此气态混合物——特别是由于水溶液在添加管道4中 完全蒸发以及随后在水解催化器5中水解而形成一一被供给到通往排气管 道8的开口区11。在此，在开口区11中设置有装置12以在排气管道8中 产生低压，该装置12禁止在正常工作时排气2从排气管道8进入水解催 化器5和/或添加管道4。装置12使气流中形成一静区或死区，该静区或死 区导致开口区11中相应的低压。
图2沿纵剖面示意性地示出本发明设备的第一示例实施方式的细节。 这里，在杆状加热元件9上形成有呈环形间隙状的通道3作为添加管道4， 该杆状加热元件由带外表面13的套管14向外界定。套管14可材料接合 (stoffschliissig)地连接到杆状加热元件9或形成杆状加热元件9的一部
10分。因此，圆环形通道3在内侧由外表面13界定。在杆状加热元件9的外 侧形成有套筒15。因此，套筒15向外界定呈环形间隙状的通道3。套筒 15可以是可加热的，从而能够环绕通道3形成尽可能均匀的温度分布。依 据一有利的实施方式，环形间隙的半径沿套筒15的长度(即杆状加热元件 9的长度)变化。在此情形下，使水溶液16在直径最小处进入环形间隙中、 在呈环形间隙状的通道3的不同区域中被加热、蒸发并过热、并作为气态 混合物19离开呈环形间隙状的通道3。然后将气态混合物19导入水解催 化器5中，在水解催化器5中使气态混合物中所含的还原剂前体水解成还 原剂。在本示例实施方式中，杆状加热元件9和套筒15具有电接头17， 通过该电接头可将套筒和杆状加热元件9分别连接到相应的电源。在此， 能够以受控的方式对形成于杆状加热元件和/或套筒15中的导热体18供 电。
图3以局部分解透视图示出此第一示例性实施方式。在该图中还可以 观察到套筒15中的导热体18。
图4示意性地详细示出另一示例实施方式。杆状加热元件9由一套管 14包围，该套管14也可与该杆状加热元件形成为一体、或者材料接合地 连接到该杆状加热元件。在套管14内引入通道3,该通道3在第一区20 中用作水溶液16的添加管道4。在第一区20中，通过杆状加热元件9使 水溶液蒸发，使得气态混合物穿流通道3的第二区21。通道3的第二区21 设置有 一促进水解一 一 尤其是促进尿素水解为氨一 一的覆层，从而用作水 解通道36，或者说用作水解催化器5。
在水解后，含有还原剂一一特别是氨一_的蒸汽流22离开通道3。套 筒15可如箭头23所示地推合于套管14上。此套筒15本身例如可具有相 应的导热体18，使得套筒15也是可加热的，因此从外侧以及内侧对通道3 进行加热。替代或附加地，在优选地通过材料接合(特别是通过钎焊、焊 接、挤压等)而与套管14接触后，套筒15与套管14热接触。这可通过例 如位于通道3各圏之间的肋部24实现。由此，在肋部24的导热性足够大 的情况下，也可以通过套筒15实现加热，而无需在形成主动加热装置。套筒15具有一缩窄部25，该缩窄部用于减少套筒15在第一区20和第二区 21之间的导热。因此可以实现套筒15在各区20、 21中分别形成特有调 节回路的一部分，使水解催化器5和添加管道3可彼此分离地被加热。与 此无关地，有利地实现了 ，杆状加热元件9和/或套筒15具有不同的加热 区，从而能够可变地实施导热。特别地，这意味着优选地沿杆状加热元件 9和/或套筒15的纵向可形成这样的区其可被施加不同的导热(性)。由 此，特别地，正是对于水溶液16的完全蒸发可考虑不同的过程。在此，首 先对水溶液16进行加热，然后蒸发，然后优选地使形成的蒸汽过热，其中 分别需要导入的热量不同。这可通过杆状加热元件9和/或套筒15的不同 的加热区实现。特别地，杆状加热元件9和/或套筒15的所述构型是可能 并有利的，其中取决于操作参数，特别是取决于水溶液16的待蒸发量，可 在工作中实现不同加热区的长度变化。
图5沿纵剖面示出另一示例实施方式。为了清楚起见，在此仅仅示意 性地示出了局部。围绕杆状加热元件9设置有不同的元件，该杆状加热元 件基本上绕纵向轴线26呈回转状并具有电接头17。套管14直接连接在杆 状加热元件9上。例如通过腐蚀、压制等在套管14内加工出通道3。在设 计成基本上绕纵向轴线26呈螺旋状的通道3的各圏之间设置有肋部24。 套管14连接(特别是材料接合地连接)到杆状加热元件9,与杆状加热元 件9热接触或与之形成一体。在套管14的外侧设置有套筒15。套筒15也 设置有电接头17，因此可用于从外側加热通道3。在套筒15的外侧设置有 是厚壁隔热件的第一隔热件27,例如形式为材料块。由此禁止向外热辐射。 另外，形成有第二隔热件28，通过该第二隔热件可使将通道3连接到贮存 器6的输送管道10被隔热。第一隔热件27和第二隔热件28可形成为一体。 在第二隔热件28的径向外侧形成一珀尔帖元件29。珀尔帖元件理解为特 别是一种电气构件，其在电流通过时产生基于所谓的珀尔帖效应的温差。 珀尔帖元件29优选地包括一个或多个由p型和n型掺杂半导体材料制成 的元件，所述元件通过导电材料交替地彼此连接。温差的符号取决于电流 的方向，因此通过珀尔帖元件29可实现冷却和加热。特别地，在本示例实施方式中珀尔帖元件29用于冷却输送管道10， 并因此通过电接头17相应地连接。优选地，第二隔热件28和珀尔帖元件 29仅形成于输送管道10的区域及其入口或其与通道3的连接区处。通道3 优选地通入水解通道36。在此，通道3的穿流截面可对应于水解通道36 的穿流截面。另外，水解通道36的截面可大于通道3的截面。与通道3 类似地，优选地在杆状加热元件9的套管14中形成至少一个水解通道36。
图6示意性地示出水解催化器5的一种示例实施方式。它包括一环形 的蜂窝体30。该环形的蜂窝体30由至少一个至少部分形成结构的薄板31 形成，为了清楚起见，仅以局部区域示出薄板31。在本示例中，另外地设 置有大致平滑的薄板32。至少部分形成结构的薄板31和大致平滑的薄板 32—起形成可穿流的空腔33，该空腔可被流体穿流。薄板31、 32在其外 周缘处由外套管34界定，而在其内周缘处由内套管35界定。在内套管35 的内部优选设置有杆状加热元件9。在此，内套管35可对应于杆状加热元 件9的套管14,或者，薄板30、 31可直接固定于杆状加热元件9和/或套 管14上。外套管34优选地连接到相应的套筒15，通过该套筒可使另外的 热量进入环形的蜂窝体30内。
依据本发明的设备1以紧凑的结构方式允许形成由杆状元件9加热的 添加管道4以及相应的水解催化器5,借助于该水解催化器4吏含有尿素的 水溶液可蒸发以及随后可水解成含氨的气流22。此气流22在SCR过程中 用作还原剂。紧凑的布置结构使得即使在非常有限的空间条件下也可以进 行安装。由于排气并不穿流水解催化器5,水解催化器5的体积可明显地 减少，因为在此情形下需要水解的气体物料流量要小得多。附图标记列表
1 用于处理内燃机排气的设备
2 排气
3 通道
4 添力口管道
5 水解催化器
6 贮存器
7 SCR催化器
8 排气管道
9 杆状加热元件
10 输送管道
11 开口区
12 用于形成低压的装置
13 外表面
14 套管
15 套筒
16 水溶液
17 电接头
18 导热体
19 气态混合物
20 第一区
21 第二区
22 蒸汽流
23 箭头
24 肋部
25 缩窄部
26 纵向轴线
27 第一隔热件28 第二隔热件
29 珀尔帖元件
30 环形的蜂窝体
31 至少部分形成结构的薄板
32 大致平滑的薄板
33 可穿流的空腔
34 外套管
35 内套管
36 水解通道
权利要求
1. 一种用于处理内燃机排气(2)的设备(1)，所述设备包括至少一个用于添加水溶液的添加管道(4)、连接到所述添加管道(4)的水解催化器(5)以及SCR催化器(7)，其中所述SCR催化器(7)能够由排气(2)穿流，其特征在于，设置有至少一个杆状加热元件(9)，通过所述杆状加热元件能够加热下述构件中的至少一个a)所述添加管道(4)的至少一部分，以及b)所述水解催化器(5)。
2. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述添加管道(4)内 侧的平均表面粗糙度为8至12微米。
3. 如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述添加管道(4 ) 由导热性大于200W/ (mK)(瓦特每米开尔文)的材料形成。
4. 如上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述添加管 道(4)由包括铝的材料形成。
5. 如上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，下述构件中 的至少一个设计成围绕所述杆状加热元件(9):a) 所述添加管道(4)的至少一部分，以及b) 所迷水解催化器(5 )。
6. 如上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述添加管 道(4 )包括至少一个通道(3 )，所述通道至少部分地由所述加热元件(9 ) 的套管(14)形成。
7. 如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述至少一个通道(3) 形成于所述套管(14)中。
8. 如权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述至少一个通道 (3)在内侧由所述加热元件(9)的套管(14)界定，而在外侧由与所述加热元件(9)同轴设置的套筒(15)界定。
9. 如上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，在所述加热元件(9)的外侧设置套筒(15)，所述套筒(15)与下述构件中的至少一 个至少部分地热接触a) 所述添加管道(4)的至少一部分，以及b) 所述水解催化器(5)。
10. 如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述套筒(15)能够加热。
11. 如上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述水解催 化器(5 )包括环形的蜂窝体(30 )，所述环形的蜂窝体(30 )在内套管(35 ) 和外套管(34)之间具有可供流体穿流的空腔(33)。
12. 如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述环形的蜂窝体(30 ) 以其内套管(35)与所述杆状加热元件(9)至少部分地热接触。
全文摘要
本发明涉及一种用于处理内燃机排气(2)的设备(1)，所述设备包括至少一个用于添加水溶液的添加管道(4)、连接到所述添加管道(4)的水解催化器(5)以及SCR催化器(7)，其中排气(2)能够穿流所述SCR催化器(7)，突出之处在于，设置有至少一个杆状加热元件(9)，通过所述杆状加热元件能够加热下述构件中的至少一个a)所述添加管道(4)的至少一部分，以及b)所述水解催化器(5)。依据本发明的设备(1)以紧凑的结构形式形成由杆状元件(9)加热的添加管道(4)以及相应的水解催化器(5)，通过该水解催化器使含有尿素的水溶液蒸发然后水解成含氨的气流(22)。此气流(22)在SCR过程中用作还原剂。紧凑的布置使得即使在非常受限的空间条件下也可以安装。由于排气并不穿流水解催化器(5)，水解催化器(5)的体积可明显地减少，因为需要水解的气体物料流量要小得多。
文档编号B01D53/94GK101443533SQ200780017699
公开日2009年5月27日 申请日期2007年5月16日 优先权日2006年5月16日
发明者M·布鲁格尔, P·希尔特, R·布吕科, T·黑里希, U·克列宁 申请人:排放技术有限公司