专利名称：用于蒸发尿素水溶液的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于蒸发尿素水溶液的装置，也就是说，具体涉及一种用于产生气流的蒸发设备。所述类型的装置尤其用于为机动车中的废气后处理系统供给气态氨。
背景技术：
尤其是在内燃机中，已经证实将尿素水溶液直接添加到由内燃机产生的废气中， 或者在于废气之外进行水解后将氨添加到所述废气中是有利的。这里，在已知的方法中，使用了水解催化转化器，其中氨从尿素中获得。尿素水溶液在水解催化转化器的上游计量供给到废气中，转换成气态并与水解催化转化器接触。这样产生的氨于是例如与废气系统中更下游处的所谓SCR(选择性催化还原)催化转化器发生反应，与其中所包含的氮氧化物形成分子氮和水。在尿素水溶液的蒸发过程中进行温度控制特别困难。在一方面尿素水溶液的所需量和另一方面废气中的可得温度(例如在移动式应用的情况下)显著变化的场合下尤其如此。如果只得到不完全蒸发，则会形成中间产物，其可能导致蒸发设备变得堵塞。这种不希望有的副产品例如是由异氰酸和尿素形成的不溶于水的缩二脲，以及是异氰酸的三聚作用产物的三聚氰酸。在氨的前驱体、具体而言是尿素水溶液的蒸发过程中，已经观察到温度到液体中的引入必须在临界温度范围中非常快速地发生，以防止形成所述不希望有的化合物，这种化合物只能被部分地再次去除且存在有困难。
发明内容
以此为出发点，本发明的目的是至少部分地解决关于现有技术所强调的问题。尤其是寻求一种用于蒸发尿素水溶液的装置，借助于该装置能实现快速且尽可能完全地蒸发尿素水溶液，其中尤其是显著降低了不希望有的副产品的形成。尤其是，即使在关于不同量的待蒸发尿素水溶液有显著变化的需求的情况下也可以实现此目的。此外，除了实现蒸发之外，如果适当的话该装置还应进一步适用于还原剂前驱体的处理或者转换成氨的处理。所述目的依靠根据权利要求1的特征的装置来实现。在从属权利要求中体现了其它的优选设计变体和使用领域。应该注意，在权利要求中单独说明的特征可以以任何工艺上想得到的所需方式相互结合，并且构成本发明的进一步的实施例。通过说明书、尤其是与附图相结合，也可以进一步表征本发明并使本发明更加清楚。根据本发明的用于蒸发尿素水溶液的装置具有用于尿素水溶液的传输管，所述传输管至少延伸穿过用于传入热能的第一区和第二区，其中所述区可以彼此分开地被加热， 并且在第二区中，传输管先在第二入口区域中具有弯曲的轮廓，并在那之后具有直线的轮廓。该装置优选为可以独立操作的单独部件。为此，该装置例如可以具有单独外壳的筒体的方式构成。现在，在所述装置中提供了用于尿素水溶液的传输管。提供正好一个传输管是极特别优选的，待蒸发的尿素水溶液通过该传输管传导。对于尿素水溶液的蒸发来说，已证明在蒸发所需的热能被实际传入之前将尿素水溶液先预调节至例如高于100°c但低于200°C 的中等温度下是有利的。为此，传输管延伸穿过至少两个区，其中热能以不同的强度并以能够彼此间独立调整的方式引入到传输管中。这里，已证实从第一区到第二区的过渡是特别关键的，在那里最终发生蒸发。所述区中蒸发速率的差异源于这一事实在移动式应用的情况下，在各种情况下不同的传输速率都必须在蒸发器中转换成气态。这里，传输量改变得很大，使得单独的温度控制不能永久地确保消除不希望有的副产品。取决于需求和发动机的规格，尿素水溶液的传输速率或蒸发速率可达125ml/min (毫米每分)。这里，在从第一区到第二区的过渡处存在温度突变的情况下，莱顿弗罗斯特效应、过强的局部冷却和热量不充分地传入到尿素水溶液中只是一些会阻碍蒸发的影响。这尤其适用于低至15ml/min的传输速率，并且更特别地适用于低至2ml/min的传输速率。在所述稳态操作过程中为了得到显著改进的蒸发结果并降低传输管变得堵塞的趋势，已经发现传输管在第二区中先具有曲线的轮廓并在其后具有直线的轮廓是有利的。 这里，曲线轮廓尤其意味着在第二区的入口区域中，传输管不是直线式地(例如沿着一纵向轴线)延伸，而是优选地具有多个盘旋、环路、卷绕等。当尿素水溶液流过所述区域时， 由于被迫改变方向，因此实现了尿素水溶液与传输管壁的密切接触和尿素水溶液的彻底混合，这导致了更快和更完全的蒸发。传输管在第二区的第二出口区域中具有曲线的轮廓被认为是有利的。这意味着例如第二区形成有三个区域，具体地分别是入口区域、中部区域以及出口区域，其中传输管具有下列连续地彼此直接邻接的轮廓形状曲线轮廓、直线轮廓、曲线轮廓。各个第二区域具有不同的长度也是优选的；尤其是，第二中部区域设计成比第二入口区域更长，而第二入口区域又优选地比第二出口区域长。如果适合的话，可以为每个区域提供单独的加热元件，然而多个加热元件在一个区域上延伸也是可以的。此外已经发现，从传输管的第一区到第二区的过渡区形成有扩大的截面是有利的。管截面例如可处于从0. 2mm2到30mm2的范围内，其中传输管在过渡区中优选地形成有 IOmm2到16mm2、尤其是约12mm2的管截面。也已经证实，在通到第二区的入口的直接上游处使尿素水溶液膨胀的所述能力对于消除不希望有的副产品是有利的。在本发明的一种改进中，在第一区中，传输管最初在第一入口区域中具有直线轮廓，并在那之后具有曲线轮廓。所述第一区优选地只有两个区域，其中传输管从直线轮廓直接并入到曲线轮廓中。优选地，第一入口区域和第一出口区域具有近似相等的长度，并且对于这两者都提供了可单独操作的电加热元件。此外，第一区和第二区通过环绕传输管的管道来连接被认为是有利的。换句话说， 这也意味着第一区和第二区优选地彼此间基本上热隔离，从而可在第一区和第二区中以精确的方式设置所期望的温度。以这种方式，可以在第一区和第二区之间的过渡区中获得重大的温度阶跃，其同样促进了蒸发而不会产生不希望有的副产品。例如，虽然传输管在第一区和第二区中经由热传导层(例如铝块或铜颗粒)连接到加热元件上，但传输管在过渡区中例如由形成有绝热设计的管道构成。本发明还可被如下地改进，即传输管形成有毛细管，其设置成与至少一个电加热元件形成导热接触。该毛细管例如为单独的部件，尤其是以小管的形式。取决于在该装置中期望尿素水溶液进行哪种类型的处理，毛细管可由相应的材料和/或表面粗糙度形成。例如，如果毛细管也要执行水解功能，则表面粗糙度可处于4到20 μ m(微米)的范围内，其中毛细管优选由钛构成。然而同样优选地，传输管在具有曲线轮廓的第二入口区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。特别是可使用自调节式加热电阻器、即所谓的PTC(正温度系数)电阻器作为电加热元件。这应被理解为意味着，正温度系数允许导热体在温度设定点的附近以自调节的方式操作。所述类型的自调节式加热电阻器例如由陶瓷材料、诸如钛酸钡陶瓷和/或经掺杂的聚合物等构造。这种自调节式加热电阻器允许简单的启动。这里，优选的是电加热元件不直接接触毛细管或传输管，而是提供电加热元件和毛细管嵌入于其中的热传导层。所述热传导层优选地包括铜和/或铝。对于这里所述的根据本发明的装置的操作，提议尿素水溶液在第一区中被预加热至100°C到180°C范围内的温度，并在第二区中在420°C到490°C范围内的温度下被蒸发。因此，这里提议(只有)两个阶段的加热过程，其特征是存在超过200°C的温度阶跃。该方法尤其适于蒸发非常少量的尿素水溶液，例如以平均低至lOml/min的传输率(Durchsatz)。 然而在该装置的移动式应用中，这些量将精确地保持一致，因此这代表了临界载荷范围。根据本发明的设计第一次使得即使在这些低传输率下也可以可靠地避免传输管的堵塞。本发明尤其可用于具有控制器和带还原剂计量系统的排气系统的机动车，其中还原剂计量系统具有至少一个根据本发明的装置，并且控制器设置成可实现根据本发明的用于间歇式定量添加还原剂的方法。因此，该装置至少可用于尿素水溶液的蒸发，尿素水溶液 (如果适当的话在与水解催化转化器接触后以氨的形式)以气态加入到废气中。因此，该装置尤其可起在废气之外进行尿素水溶液的蒸发(和水解)的作用。在该装置或排气系统中形成的氨(还原剂)允许在排气系统中在设有所谓SCR催化转化器的情况下不希望有的氮氧化物的转化。该SCR过程是已知的，因此这里将不给出更详细的说明。关于该方法的执行，还应指出“间歇式的”计量添加手段尤其意味着获得了还原剂到排气系统的不连续流动，相反是在各种情况下，定量的还原剂或尿素水溶液在预定的时间点处添加。
下面将基于附图来说明本发明和技术领域。应指出，本发明不限于附图的主旨内容。在附图中示意地示出图1示出了根据本发明的装置的一个优选的设计变体，图2示出了将该装置集成到移动式排气系统中的一个可能例子，以及图3示出了在根据本发明的装置中温度到尿素水溶液中的引入。
具体实施例方式图1示出了根据本发明装置的用于尿素水溶液的蒸发的一个优选实施例。这里， 该装置1构造成具有两个区和五个独立的加热元件，其中第一区3和第二区4为非对称的设计。待蒸发的尿素水溶液例如从左侧经由传输管2进入该装置1。这里，传输管2在第一入口区域11中形成为直线轮廓7，之后在直接相邻的出口区域19的区域中并入到曲线轮廓6中。在所述第一区3和同样在后面的第二区4中，传输管2形成有嵌入到热传导层29(这里由剖面线示出)中的毛细管13。同样，在所述热传导层四中提供了加热元件14， 其中这里在图1中示出，第一入口区域11和第一出口区域19均具有可单独调节的加热元件14。在这里示出的设计变体中，第一入口区域11和第一出口区域19具有近似相同的长度，其中这两个区域彼此直接相邻，并且在第一区3中没有设置其它的区域。依靠加热元件 14在第一入口区域11和第一出口区域19中设定了相同的温度，具体而言是在一个非常狭窄的温度范围内，例如从110°C到120°C。在离开第一区3后，预调节过的尿素水溶液沿传输方向25流过过渡区9，在这里， 传输管2由管道12构成。这里可以清楚地看到，所述过渡区9并未形成有热传导层四，使得这里在第一区3和第二区4之间存在严格的温度区分。从所述过渡区9出发，尿素水溶液沿传输方向25流入第二区4。第二区4也形成为具有可独立调节的加热元件14，加热元件14如同传输管中的毛细管13 —样嵌入在热传导层四中。根据本发明，尿素水溶液最初流过第二入口区域5，其中传输管2具有曲线轮廓6。邻接所述第二入口区域设有第二中部区域20，其中传输管2是直线型的。在所述第二中部区域之后还有第二出口区域8，其中在这里，传输管2再次设置成曲线轮廓。在这里提议的设计中，可以看出第一区3和第二区4具有不均勻的或者非对称的结构。还可以看出，第二区4本身的结构是不均勻的设计，也就是说是非对称的，尤其是相对于第二入口区域5的结构、第二中部区域20的结构以及第二出口区域8的结构而言。即使传输管2在第二区4中具有非对称的结构，仍然可以提供三个相邻布置的可独立操作的加热元件14，其中尤其是有多个加热元件14作用于第二中部区域20。由于通过所有三个加热元件14设定了基本相同的温度(例如440°C到470°C )，因此这不会带来问题。图2示意地示出了具有发动机21的机动车15。在发动机21中产生的废气经由排气系统17排放到大气中，其中废气在排气系统17中被进一步处理，以使排放到环境中的污染物最小化。图2中的排气系统17示出了一个催化转化器22，具体而言为SCR催化转化器，其中还原剂在废气冲击在催化转化器22上之前被提供给废气。这里，还原剂例如是气态尿素，或者假如水解已经发生，还原剂例如是气态氨。为了注入所述还原剂，特别使用了根据本发明的装置1。这里，机动车15因此配备有用于排气系统17的还原剂计量系统18。 还原剂计量系统18包括例如用于尿素水溶液的储箱23，以及可以根据需求将还原剂引至装置1或排气系统17的传输单元24。对于根据需求的还原剂的定量供给，还提供了控制器 16，依靠该控制器16实现了装置1和/或传输单元M的操作。对于所述操作，如果适当的话其可处理关于发动机21的操作的信息，以及关于排气系统中的该过程的其他测量值或计算结果。最后，图3用于说明依靠该装置所得到的温度突变。该图说明了当尿素水溶液流经第一区3和第二区4时的温度27。所述温度处理的一个特殊特征是，在第一区3和第二区4之间的短过渡区中实现了重大的温度阶跃观。以此方式可以显著地限制形成不希望有的副产品。本发明尤其用于尿素水溶液(其商品名为AdBlue)在接触废气之前的蒸发。在该装置内也可发生水解，使得尿素已在该装置中转变成氨，从而将氨本身加入到废气中。然而也可以将尿素蒸汽直接加入到废气中，作为热解的结果而在该处产生氨。废气内的水解也是可能的，其中可以使用相应的催化转化器。
本发明尤其针对于定量添加少量的还原剂或尿素水溶液。已经发现，这种添加导致了不充分蒸发，以及引起常规蒸发设备在操作期间变得堵塞的很高趋势。该装置不言自明也能够实现更大的还原剂传输率，例如在机动车的移动式应用中所出现的那样，其中这些并不是关键的。此外，本装置可具有非常紧凑的结构，例如筒体的形式，这样它可以节省空间的方式容纳在排气系统中，如果适当的话也可以作为翻新包装。附图标记列表1 装置2传输管3 第一区4 第二区5第二入口区域6曲线轮廓7直线轮廓8第二出口区域9过渡区10 截面11第一入口区域12 管道13毛细管14加热元件15机动车16控制器17排气系统18还原剂计量系统19第一出口区域20第二中部区域21发动机22催化转化器23 储箱24传输单元25传输方向26 温度27 时间28温度阶跃29热传导层
权利要求
1.一种用于蒸发尿素水溶液的装置(1)，具有用于尿素水溶液的传输管O)，所述传输管至少延伸穿过用于传入热能的第一区(3)和第二区G)，其中，所述区能彼此间分开地被加热，并且在第二区(4)中，所述传输管( 先在第二入口区域( 中具有弯曲的轮廓(6)， 并在那之后具有直线的轮廓(7)。
2.如权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，在第二区中，所述传输管(2)在第二出口区域(8)中具有弯曲的轮廓(6)。
3.如权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，在从第一区(3)到第二区(4)的过渡区(9)中，所述传输管( 形成为具有扩大的截面(10)。
4.如上述权利要求中之一所述的装置(1)，其特征在于，在第一区中，所述传输管 (2)在第一入口区域(11)中先具有直线的轮廓(7)，并在那之后具有弯曲的轮廓(6)。
5.如上述权利要求中之一所述的装置(1)，其特征在于，第一区(3)和第二区(4)通过环绕所述传输管O)的管(1 相连接。
6.如上述权利要求中之一所述的装置(1)，其特征在于，所述传输管( 形成有毛细管 (13)，所述毛细管布置成与至少一个电加热元件(14)形成导热接触。
7.一种用于操作如上述权利要求中之一所述的装置(1)的方法，其中尿素水溶液在第一区⑶中加热至从100°C到180°C范围内的温度，并且在第二区⑷中在从420°C到490°C 范围内的温度下蒸发。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，尿素水溶液在低至lOml/min的传输率下被操作。
9.一种具有控制器(16)和带还原剂计量系统(18)的排气系统(17)的机动车(15)， 其中所述还原剂计量系统(18)具有至少一个如权利要求1至6中之一所述的装置(1)，并且所述控制器(16)设置成实施用于间歇式定量添加还原剂的方法。
全文摘要
一种用于蒸发尿素水溶液的装置(1)，具有用于尿素水溶液的传输管(2)，该传输管至少延伸穿过用于传入热能的第一区(3)和第二区(4)，其中所述区能彼此间分开地被加热，并且在第二区(4)中，传输管(2)先在第二入口区域(5)中具有弯曲的轮廓(6)，并在那之后具有直线的轮廓(7)。另外建议了一种方法，其中尿素水溶液在第一区(3)中加热至从100℃到150℃范围内的温度，并且在第二区(4)中在从420℃到490℃范围内的温度下蒸发。以这种方式尤其显著地降低了这种用于尿素水溶液的废气之外的蒸发器变得堵塞的趋势。
文档编号C01C1/08GK102459081SQ201080027424
公开日2012年5月16日 申请日期2010年5月26日 优先权日2009年6月17日
发明者克里斯蒂安·福斯曼, 斯文·舍佩尔斯, 简·霍奇森 申请人:依米泰克排放技术有限公司