用于在车辆上增大水溶液的尿素浓度的系统和方法与流程

本发明涉及一种用于在车辆上增大尿素溶液的尿素浓度的系统和方法。

背景技术：

存在用于将氨或氨前驱体提供给车辆排放线路以减少nox排放的现有技术系统。使用scr(selectivecatalyticreduction，即选择性催化还原)方法将来自车辆发动机的排放气体中的氮氧化物转化成双原子氮和水。scr方法允许通过将还原剂(一般是氨)注入排放线路来还原氮氧化物。该氨可通过使用不同技术来获得。

一种已知技术基于使用氨前驱体，例如尿素水溶液。这样的尿素溶液一般存储在安装在车辆上的储箱中。尿素溶液被注入排放线路，由所注入的尿素溶液的热解分解(热分解)生成气态氨。该已知技术的一个问题在于，溶液中的尿素浓度相对较低，而增大该浓度又必然会导致尿素溶液的凝固温度显著升高。

已知的scr系统将例如的氨前驱体注入车辆排放管。是用重量比为32.5％的高纯度尿素和67.5％的去离子水制成的尿素水溶液。该尿素浓度由于其对应于凝固点为-11℃的共晶溶液而局限于该水平。在该温度以上保持液态，但每当温度更低时就需要加热系统。将允许更紧凑的存储和节约重量的更高的尿素浓度目前在车辆上并未得到使用，这是因为在即使高些的温度也会开始凝固。

通过引用包含于此的本申请人名下的欧洲专利申请ep2975233a1提出一种氨前驱体生成系统，该系统能够在维持可接受的操作的同时生产氨前驱体浓度相对于现有技术的解决方案更高的氨前驱体溶液，该申请尤其提出了一种用于增大氨前驱体液体中的氨前驱体浓度的氨前驱体增强系统。该氨前驱体生成系统包括：至少存储氨前驱体粒料的存储隔室；适于存储氨前驱体溶液并适于将氨前驱体粒料溶解在该氨前驱体溶液中的溶解隔室；和被配置为将氨前驱体粒料从所述存储隔室转移到所述溶液隔室的转移装置。通过添加来自存储隔室的粒料，可在需要时增大溶解隔室中的氨前驱体液体中的氨前驱体的浓度。粒料可安全地存储在存储隔室中而不会使氨前驱体溶液的冰点升高，只有在需要氨前驱体并且溶解单元中的温度足够高时才添加粒料。这样的系统的优点在于能够在车辆上按需增大氨前驱体浓度，这减小了所需的存储重量和体积，同时保持低温的冰点。

技术实现要素：

本发明的实施例的一个目的在于提供一种用于在车辆上增大水溶液的尿素浓度的车辆系统和方法，其能够用作ep2975233a1中所描述的系统的替代方案，并且简单、稳健和允许良好地控制尿素浓度。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于在车辆上增大水溶液的尿素浓度的车辆系统。该车辆系统包括储箱、溶解系统和控制设备。该储箱被配置为用于存储具有第一尿素重量百分比的水溶液。该溶解系统包括具有固体尿素床的溶解流动区域。该溶解系统被配置为用于产生来自储箱的水溶液通过溶解流动区域的流。该溶解流动区域被布置为用于引导水溶液通过固体尿素床流出溶解流动区域。该控制设备被配置为用于控制至少一个影响溶解流动区域中的溶解的参数，以使得离开溶解流动区域的水溶液具有高于第一尿素重量百分比的第二尿素重量百分比。

通过输送具有第一尿素重量百分比(其可以是零，即水溶液可以是水)的水溶液流通过固体尿素床和通过控制影响固体尿素床中的溶解的参数(例如温度)，能够以简单且准确的方式控制所获得的水溶液的尿素浓度，即第二尿素重量百分比。与ep2975233a1(其中给溶解隔室添加粒料)相比，本发明的溶解系统使用固定的固体尿素床并产生通过所述固体尿素床的流。由此，可避免粒料的计量给料设备。由于固体尿素在水溶液中的溶解是吸热反应，在溶解流动区域中会消耗热量，从而降低水溶液的温度和增大尿素浓度。取决于储箱中水溶液的温度，可进行合适的控制以获得从溶解流动区域流出的水溶液的期望浓度。

在本发明的语境中，术语“具有第一尿素重量百分比的水溶液”应被理解为可包含或不包含尿素的水溶液。例如，具有第一尿素重量百分比的水溶液可以是水(不含尿素，且不含尿素分解产物)或氨水溶液。具有第一尿素重量百分比的水溶液可包含像一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)和甲烷(ch4)等其它产物以及微量的金属和金属氧化物。

在本发明的语境中，术语“具有第二尿素重量百分比的水溶液”应被理解为包含尿素的水溶液或包含来自尿素的部分或完全分解(水解)的产物的溶液，即使在尿素水解的过程中这些分解产物的一部分以气体释出。例如，所获得的具有第二尿素重量百分比的水溶液可以是氨水溶液。具有第二尿素重量百分比的水溶液可包含像一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)和甲烷(ch4)等其它产物以及微量的金属和金属氧化物。

在一个示例性实施例中，控制设备被配置为控制下列中的一个或多个：溶解流动区域上游的水溶液流的温度；溶解流动区域中的水溶液流的温度；溶解流动区域下游的水溶液流的温度；溶解流动区域中的水溶液流的流率；水溶液流流动通过的固体尿素床的尺寸。通过控制这些参数中的一个或多个，能够影响溶解，从而能够控制流出储箱的水溶液的尿素浓度。

在一个示例性实施例中，控制设备包括温度控制装置，该温度控制装置被配置为用于控制溶解流动区域上游和/或溶解流动区域中的水溶液的温度，以使得离开溶解流动区域的水溶液具有高于第一尿素重量百分比的第二尿素重量百分比。例如，当储箱中的水溶液处于过高的温度时，可在允许该水溶液流入溶解流动区域之前冷却该水溶液。并且，可控制溶解流动区域中的固体尿素床的温度。

在一个示例性实施例中，控制设备被配置为控制至少一个影响溶解流动区域中的溶解的参数，以使得当第一尿素重量百分比介于28到37wt％之间时，第二尿素重量百分比介于40到80wt％之间、优选地介于40到70wt％之间、更优选地介于50到60wt％之间、最优选地介于54到56wt％之间。尤为优选地，第一尿素重量百分比介于32到33wt％之间，例如32.5wt％。在一个示例性实施例中，控制设备被配置为控制至少一个影响溶解流动区域中的溶解的参数，以使得离开溶解流动区域的水溶液的温度介于10到45摄氏度之间、优选地介于15到40摄氏度之间、更优选地介于20到34摄氏度之间。优选地，控制设备被配置为控制至少一个影响溶解流动区域中的溶解的参数，以使得离开溶解流动区域的水溶液的温度和浓度对应于在该温度尿素在水中的溶解极限。由此，获得了在一定温度尿素完全溶解于水中的最大浓度。

在一个示例性实施例中，控制设备包括被配置为用于控制储箱中的水溶液的温度的温度控制装置。该温度控制装置可控制被配置为用于根据需要加热和/或冷却的设备。控制设备可例如包括下列中的任一个：被配置为用于控制从储箱流到溶解流动区域的水溶液的温度的温度控制装置；被配置为用于控制溶解流动区域的固体尿素床中的温度的温度控制装置。

在一个示例性实施例中，溶解流动区域具有用于接收来自储箱的水溶液的顶部端部和水溶液在此处流出溶解流动区域的底部端部，以使得水溶液能够借助于重力流动通过溶解流动区域。溶解流动区域可例如通过水溶液在其中基本上竖直地从顶部端部流动到底部端部的竖直柱或可替换盒来实现。

在一个示例性实施例中，溶解系统包括用于加热溶解流动区域的热交换器，所述热交换器被连接为用于在来自储箱的水溶液进入溶解流动区域之前接收该水溶液。由此，由于溶解反应是吸热的，来自储箱的水溶液可在其被送到溶解流动区域中以增大浓度之前被冷却。

在一个示例性实施例中，溶解系统包括被配置为用于冷却从储箱流动到溶解流动区域的水溶液的热交换器，所述热交换器被连接为用于接收流出溶解流动区域的水溶液。由此，由于溶解反应是吸热的和因此流出溶解流动区域的水溶液具有比储箱中的溶液低的温度，来自储箱的水溶液可在其被送到溶解流动区域中以增大浓度之前被这样的热交换器冷却。

在一个示例性实施例中，溶解系统包括用于冷却溶解流动区域的热交换器，所述热交换器被连接为用于接收来自溶解流动区域的水溶液。由此，由于流出溶解流动区域的水溶液具有比在溶解流动区域中流动的水溶液低的温度，溶解流动区域可被这样的热交换器冷却。

在一个示例性实施例中，溶解流动区域包括第一加热器和在第一加热器下游的第二加热器，其中，控制设备被配置为用于控制所述第一加热器，以使得溶解流动区域的第一部分的温度处于第一温度范围内，并使得溶解流动区域的在所述第一部分下游的第二部分的温度处于低于所述第一温度范围的第二温度范围内。第一温度范围可被设置为使尿素溶解和增大尿素溶液中的浓度，例如介于30℃到40℃之间，而第二温度范围可被设置为使尿素溶液饱和，例如当流动通过该层之后的尿素溶液的期望浓度为55wt％时为27℃。

在一个示例性实施例中，溶解系统包括被连接为用于接收来自溶解流动区域的水溶液的温度受控尿素缓冲器。这样的温度受控缓冲器将允许调整和精细调节来自溶解流动区域的水溶液的重量百分比和/或温度。温度受控尿素缓冲器可具有用于接收来自溶解流动区域的水溶液的入口以及用于连接到注射器和连接到包含溶解流动区域的溶解环路的出口。温度受控尿素缓冲器可被配置为用于生成和/或稳定化浓度增大了的尿素溶液，并可由控制设备控制。

在一个示例性实施例中，车辆系统还包括由控制设备控制的位于温度受控尿素缓冲器的出口与溶解流动区域的入口之间的热交换器。在一个示例性实施例中，温度受控尿素缓冲器和该热交换器可被包含在安装在储箱中的模块中。

在一个示例性实施例中，溶解系统包括被配置为用于以受控流率(例如大致恒定的流率或处于预定范围内的流率)将来自储箱的水溶液泵送通过溶解流动区域的泵。流率也可由控制设备控制以影响离开溶解流动区域的水溶液的温度和/或第二尿素重量百分比。可选地，泵可被包含在包括温度受控尿素缓冲器和前一自然段所述的热交换器的模块中。而且，该模块中可包含有一个或多个由控制设备控制的阀门，以调节到溶解流动区域的流。

流出溶解流动区域的具有增大或“增强(boosted)”浓度的氨溶液已就绪，随时可被送到下游储箱、排放管或者任何其它的存储或消耗水溶液的系统。

根据另一方面，提供了一种scr系统，该scr系统包括根据上述实施例中任一个实施例的车辆系统。该scr系统优选地包括被配置和布置为用于将具有第二尿素重量百分比的水溶液注入排放管的注射器。

根据又一方面，提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括根据上述实施例中任一个实施例的车辆系统。这样的系统可包括单独的分解隔室和被配置为用于将氨前驱体溶液从溶解隔室转移到分解隔室的转移装置，该分解隔室配备有被配置为在分解隔室中将水溶液转化成氨溶液的分解催化剂设备。该分解催化剂设备可包括被配置为存储酶的酶存储单元、被配置为用于将酶转移到分解隔室的酶转移装置和加热器，其中所述酶适于将水溶液转化为氨。在一个具有分解催化剂设备的示例性实施例中，该系统还可包括用于存储氨溶液的缓冲隔室。缓冲隔室可集成在与流动溶解区域相同的模块中。该系统还可包括用于将氨转化为氢的转化单元。氨-氢转化单元可在之后与氢燃料电池连通，氢在氢燃料电池处被转化为电源。氨溶液也可在直接的氨燃料电池中使用。

溶解流动区域可被布置在储箱中或储箱外。在优选实施例中，溶解系统的一部分(例如泵和加热器)可被布置在储箱中，而具有固体尿素床(例如以可替换盒形式)的溶解流动区域可被布置在储箱外。储箱可存储氨前驱体溶液，例如尿素含量为32.5wt％的共晶水溶液。

根据另一方面，提供了一种根据以下条目中任一条所述的方法：

1.一种用于在车辆上增大水溶液的尿素浓度的方法，所述方法包括：

存储具有第一尿素重量百分比的水溶液；

生成具有第一尿素重量百分比的水溶液通过溶解流动区域中的固体尿素床的流；

控制至少一个影响固体尿素床中的溶解的参数，以使得离开溶解流动区域的水溶液具有高于第一尿素重量百分比的第二尿素重量百分比。

2.如条目1所述的方法，其中，所述控制包括控制下列中的一个或多个：溶解流动区域上游的水溶液流的温度；溶解流动区域中的水溶液流的温度；溶解流动区域下游的水溶液流的温度；溶解流动区域中的水溶液流的流率；水溶液流流动通过的固体尿素床的尺寸。

3.如条目1或2所述的方法，其中，所述控制包括控制溶解流动区域上游和/或溶解流动区域中的水溶液的温度，以使得离开溶解流动区域的水溶液具有高于第一尿素重量百分比的第二尿素重量百分比。

4.如任一前述条目所述的方法，其中，对至少一个影响溶解流动区域中的溶解的参数的所述控制使得：当第一尿素重量百分比介于28到37wt％之间时，第二尿素重量百分比介于40到80wt％之间、优选地介于40到70wt％之间、更优选地介于50到60wt％之间、最优选地介于54到56wt％之间。

5.如任一前述条目所述的方法，其中，对至少一个影响溶解流动区域中的溶解的参数的所述控制使得离开溶解流动区域的水溶液的温度(t3)介于10到45摄氏度之间、优选地介于15到40摄氏度之间、更优选地介于20到34摄氏度之间。

6.如任一前述条目所述的方法，其中，对至少一个影响溶解流动区域中的溶解的参数的所述控制使得离开溶解流动区域的水溶液的温度和浓度对应于在该温度尿素在水中的溶解极限。

7.如任一前述条目所述的方法，其中，所述控制包括控制所存储的具有第一尿素重量百分比的水溶液的温度。

8.如任一前述条目所述的方法，其中，所述控制包括以下中的任一个：控制从储箱流到溶解流动区域的水溶液的温度；控制溶解流动区域的固体尿素床中的温度。

9.如任一前述条目所述的方法，其中，水溶液借助于重力流动通过溶解流动区域。

10.如任一前述条目所述的方法，其中，用被连接为用于在来自储箱的水溶液进入溶解流动区域之前接收该水溶液的热交换器来加热溶解流动区域。

11.如任一前述条目所述的方法，其中，用被连接为用于接收流出溶解流动区域的水溶液的热交换器来冷却从储箱流动到溶解流动区域的水溶液。

12.如任一前述条目所述的方法，其中，用被连接为用于接收来自溶解流动区域的水溶液的热交换器来冷却溶解流动区域。

13.如任一前述条目所述的方法，其中，所述控制包括控制溶解流动区域的第一部分的温度处于第一温度范围内，并控制溶解流动区域的位于所述第一部分下游的第二部分的温度处于低于所述第一温度范围的第二温度范围内。

14.如任一前述条目所述的方法，其中，具有第二尿素重量百分比的水溶液被存储在温度受控尿素缓冲器中。

15.如任一前述条目所述的方法，其中，以受控流率将水溶液泵送通过溶解流动区域。

16.如任一前述条目所述的方法，其中，该方法包括在温度受控尿素缓冲器中接收来自溶解流动区域的水溶液，该温度受控尿素缓冲器具有用于连接到注射器和连接到包含溶解流动区域的溶解环路的出口。

17.如任一前述条目所述的方法，该方法还包括控制从温度受控尿素缓冲器流到溶解流动区域的水溶液的温度。

附图说明

附图用来示出本发明的设备目前优选的非限制性的示例性实施例。通过下文的详细说明，在结合附图阅读时，本发明的特征和主题的上述和其它优点将变得显而易见，并且将更好理解本发明，在附图中：

图1示意性地示出车辆系统的一个示例性实施例；

图2a、2b和2c示出具有热交换器的车辆系统的三个变型；

图3示意性地示出具有热交换器的车辆系统的另一示例性实施例；

图4示意性地示出具有两个溶解流动区域的车辆系统的一个示例性实施例；

图5示意性地示出具有两个溶解流动区域的车辆系统的另一示例性实施例；

图6示意性地示出具有由控制设备控制的不同流体转移设备的车辆系统的一个示例性实施例；

图7a和7b示意性地示出溶解区域的一个示例性实施例；

图8a示意性地示出scr系统的一个示例性实施例；

图8b示意性地示出用于scr系统中使用的温度受控缓冲器的一个示例性实施例；

图9示意性地示出车辆系统的另一示例性实施例；以及

图10示出水-尿素二元相图。

具体实施方式

图10示出水-尿素二元相图，该图绘制了二元混合物中的尿素和水的相关浓度与温度的对应情况。可观察到四个不同的区域，即区域i至iv。在区域i中，尿素完全溶解在水中，从而提供无色尿素溶液。区域iii针对饱和尿素溶液的情况，即尿素溶液与固体尿素共存。区域i与区域iii由曲线1隔开。被标示为曲线1的线确定溶解极限。在曲线1上，每个温度值都与(针对浓度高于共晶浓度的)尿素溶液的唯一一个尿素重量比相关联，该尿素重量比对应于在该温度下尿素在水中的溶解极限。例如，根据曲线1，尿素重量比为0.55的尿素溶液与27℃的温度相关联。

尿素在水中的溶解通过吸热反应进行，这意味着给水添加尿素会引起所获得的溶液的温度下降。已观察到所期望的尿素溶液浓度通过一组温度条件而得到解决。该计量过程特别适于制备尿素浓度增大的溶液，即尿素浓度高于32.5wt％的溶液。

图1示出用于生成尿素溶液的系统的一个示例性实施例。该系统包括储箱1、溶解系统1000和控制设备2000。溶解系统1000包括注射器2和以装有固体尿素的柱的形式的溶解流动区域3。在储箱1中存在一定量的温度为t1的可用尿素溶液，例如流体(水中尿素含量为32.5wt％)。溶解流动区域3装有固体尿素。溶解流动区域3中的固体尿素可以是颗粒、片状、丸状或粉末等形式。也可使用压缩尿素块。t2是溶解流动区域3中的固体尿素床在没有尿素溶液通过时的温度。来自储箱1的尿素溶液被均匀地分散在溶解流动区域3的顶部端部处。这例如可通过用喷嘴喷注或通过使液体落到位于固体尿素的溶解流动区域3的顶部的栅格或任何多孔介质上来实现。t3是溶解流动区域3的底部端部5处的溶液的温度。溶解流动区域3可具有例如24mm的截面直径。溶解流动区域3装有固定尿素，例如100g的固体尿素。尿素溶液被以一定流率(例如100ml/小时的的流率)输送通过溶解流动区域3。该流率可例如是大致恒定的流率。储箱1中(即溶解流动区域3的上游)的流体的温度和/或溶解流动区域3中的固体尿素的温度可以用温度控制装置来控制。在所示出的实施例中，储箱1中的流体用形式为加热器6a的温度控制装置来加热，溶解流动区域3中的固体尿素用形式为加热器6b的温度控制装置来加热。控制设备2000被配置为控制加热器6a和6b以使得储箱1中的流体处于温度t1和溶解流动区域3中的固体尿素处于温度t2，其中该温度t1取决于所期望的尿素溶液重量百分比。由此，在溶解流动区域3的底部端部5处获得处于温度t3的具有增大的尿素重量百分比的尿素溶液。

例如，为了获得55wt％的尿素溶液，可在温度t1＝50℃加热流体，且可将固体尿素床维持在温度t2＝27℃，从而在溶解流动区域3的底部端部处获得27℃的目标温度t3。

根据另一例子，溶解流动区域3的底部端部处的目标温度t3(27℃)可在储箱1中的流体的温度t1和柱环境的温度t2相同并等于37℃时获得。

根据又一例子，溶解流动区域3的底部端部处的目标温度t3(27℃)可在储箱1中的流体的温度t1为27℃且柱环境的温度t2为30℃时获得。换句话说，t2也可高于t1。

要指出的是，t2是在输送尿素溶液通过固体床之前固体床所达到的温度。显然，一旦尿素溶液流动通过固体床，固体床中的温度会逐渐地从t1’(在此如果假设在储箱1与溶解流动区域3的顶部端部之间没有损失热量的话则等于t1)变到t3。

处于温度t3的具有增大的浓度的浓度增大的尿素溶液可被输送到下游缓冲器、排放管或任何额外的用于存储或消耗浓度增大的尿素溶液的系统(未示出)。出口5可被连接到例如用于将浓度增大的尿素溶液转化成氨溶液的转化单元，所获得的氨随后可被输送到氨-氢转化单元，该氨-氢转化单元继而与氢燃料电池连通，在氢燃料电池处氢被转化成电源。氨溶液也可在直接的氨燃料电池中使用。

图2a示出一个示例性实施例，其中，用与图1的示例性实施例相同的附图标记来指示相同或相似的部件。可能出现以下情况：储箱1中的尿素溶液的温度t1过高而不能在溶解流动区域3的底部端部处获得期望的温度t3，该期望的温度t3对应于溶解流动区域3的底部端部处的目标尿素浓度，例如对于55wt％的尿素溶液而言t3＝27℃。在这样的情况下，离开溶解流动区域3的底部端部的浓度增大的尿素溶液可被用作热交换流体，以冷却被安插在储箱1与注射器2之间的线路20中的热交换器4中的尿素溶液。热交换器4通过溶解流动区域3的底部端部与热交换器4之间的线路31接收处于温度t3的浓度增大的尿素溶液。尿素浓度增大了的溶液通过另一线路32离开热交换器4，以在出口5’处获得处于高于t3的温度t3’的尿素浓度增大了的溶液。然而，从t1降到t1’的温度降低的效果将会影响溶解流动区域3中的溶解，这继而影响溶解流动区域3的底部端部处的浓度。

像在图1的实施例中那样，可设置加热器6a和/或6b(在图2a中未示出)，控制设备2000可被配置为控制加热器6a和/或6b以控制溶解流动区域上游的水溶液流的温度和/或溶解流动区域中的水溶液流的温度。额外地或替代地，控制设备2000可控制溶解流动区域中的水溶液流的流率和/或水溶液流流动通过的固体尿素床的尺寸，例如长度l。控制长度l可例如通过在溶解流动区域的不同高度处具有出口开口并根据例如t1来打开或关闭所述出口来实现。

图2b示出图2a的示例性实施例的一个变型，其中用相同的附图标记来指示相同的相似的部件。在该实施例中，溶解流动区域3被用作热交换器4以冷却离开储箱1的尿素溶液。离开储箱1的尿素溶液被用作安插在溶解流动区域3中的热交换器4中的热交换流体。热交换器4通过储箱1与热交换器4之间的线路21接收处于温度t1的尿素溶液。冷却的尿素溶液通过在热交换器4与注射器2之间的另一线路22离开热交换器4。由此，所注射的尿素溶液将会具有低于t1的温度t1’。像在图2a或图1的实施例中那样，控制设备2000可控制一个或多个影响溶解的参数。

图2c示出图2a的示例性实施例的一个变型，其中用相同的附图标记指示相同或相似的部件。在该实施例中，溶解流动区域3和从溶解流动区域3出来的溶液均被用于热交换以冷却从储箱1流动过来的流体。离开溶解流动区域3的底部端部的尿素浓度增大了的溶液被用作热交换流体，以冷却安插在储箱1与溶解流动区域3中的另一热交换器4b之间的线路21中的热交换器4a中的尿素溶液。热交换器4a通过溶解流动区域3的底部端部与热交换器4a之间的线路31接收处于温度t3的尿素浓度增大了的溶液。尿素浓度增大了的溶液通过另一线路32离开热交换器4a以在出口5’处获得处于高于t3的温度t3’的尿素浓度增大了的溶液。已经通过热交换器4a的处于温度t1”的经冷却的尿素溶液被用作安插在溶解流动区域3中的热交换器4b中的热交换流体。热交换器4b通过线路21接收处于温度t1”的尿素溶液。被进一步冷却的尿素溶液通过热交换器4b与注射器2之间的另一线路22离开热交换器4b。由此，所注射的尿素溶液会具有这样的温度：t1’<t1”<t1。像图2a或图1的实施例中那样，控制设备2000可控制一个或多个影响溶解的参数。

图3示出另一示例性实施例，其中用相同的附图标记指示相同或相似的部件。在该实施例中，固体尿素床被冷却以在溶解流动区域3的底部端部处获得正确的尿素溶液浓度。像在图2a至2c的示例性实施例中那样，如果储箱1中的尿素溶液的温度t1或温度t2(被定义为在没有供给尿素溶液时溶解流动区域3中的固体尿素床的温度)过高而不能在溶解流动区域3的底部处达到目标温度t3的话，可通过热交换器4来冷却溶解流动区域3中的固体尿素床，该热交换器4使用可在溶解流动区域3的底部5处获得的浓度增大的溶液。由此，(热交换器4下游的)出口5’处的温度t3’将比溶解流动区域3的底部处的温度t3高，并且由于固体尿素床中的较低温度，溶解流动区域3的底部处的尿素溶液浓度将比不存在热交换器4的实施例中的要低。像图2a或图1的实施例中那样，控制设备2000可控制一个或多个影响溶解的参数。

图4示出另一示例性实施例，其中用相同的附图标记指示相同或相似的部件。在该例子中，溶解系统1000包括上游柱7和下游溶解流动区域3，该上游柱7用于冷却装有来自储箱1的水溶液的缓冲储箱16，该下游溶解流动区域3接收来自缓冲储箱16的经冷却的尿素溶液。离开柱7的浓度增大的水溶液被收集在储箱8中，并且可与来自缓冲储箱16的经冷却的尿素混合。设置温度控制装置6b以控制溶解流动区域3中的固体尿素床中的温度。像图2a或图1的实施例中那样，控制设备2000可控制影响一个或多个影响溶解流动区域3中的溶解的参数。

当储箱1中的尿素溶液的温度t1和固体尿素床的温度t2过高(例如65℃)而不能获得目标尿素浓度时，可使用缓冲储箱16。缓冲储箱16可位于储箱1与注射器2之间的线路21、22中。柱7装有固体尿素，并也连接到储箱1。尿素溶液流通过柱7，其由于尿素溶解而温度降低，即柱7的出口7a处的t1”低于t1。在柱7的出口7a处，使用热交换器4a将尿素浓度增大的溶液用于冷却缓冲储箱16的内容物。热交换器4的出口处的尿素浓度增大的溶液被存储在储箱8中。在缓冲储箱16的出口处，尿素溶液的温度t1’这时适合喷到固体尿素床上以在出口5处达到目标温度，从而获得具有期望的尿素浓度的溶液。

来自储箱8的尿素浓度增大的溶液也可被用于生产具有期望的尿素浓度的溶液。根据该实施例，在储箱8中存在这样的温度t4：对于该温度t4，可将储箱8的内容物供应给溶解流动区域3，以使得溶解流动区域3底部处的温度t3是与期望的饱和率相关的温度(例如对于55wt％的尿素溶液，t3＝27℃)。储箱8中的溶液中的尿素的一部分可在尿素床3中重新结晶。

在图4的实施例中，可使用来自储箱8的溶液或者来自缓冲储箱16的溶液来供给尿素床。混合储箱8与缓冲储箱16的溶液也是一种可行性。为此可设置一个或多个其它设备例如一个或多个流量计(未示出)以控制来自储箱16和8的流，和/或可设置更复杂的控制系统。

图5示出类似于图4的实施例的另一示例性实施例，其中用相同的附图标记指示相同或相似的部件。一个不同之处在于，在缓冲器16的出口与注射器2的入口之间的线路22、23中增加了热交换器10，它使用来自固体尿素床3的出口的尿素浓度增大的溶液作为热传递流体，以在将缓冲器16中处于温度t1”’的尿素溶液以温度t1’<t1”’喷到固体尿素床3上之前进一步冷却该缓冲器16中处于温度t1”’的尿素溶液。

图6示出另一示例性实施例，其中用相同的附图标记指示相同或相似的部件。该系统包括装有含尿素的溶液的储箱1、形式为装有固体尿素的容器的溶解流动区域3、围绕溶解流动区域3的热交换器4以及三通阀门2、10和11。热交换器4的出口被连接到用作阀门2与溶解流动区域3之间的流体连通的线路22。线路33将储箱1连接到阀门10。

取决于储箱1内流体的温度t1和溶解流动区域3中的固体尿素在没有尿素溶液通过尿素床时的温度t2，可存在三个运作模式：

1.储箱1中的温度为t＝t1的尿素溶液可补偿用于溶解流动区域3中的溶解的热量，以使得溶解流动区域3的出口处的尿素浓度增大了的溶液的温度t3对应于所期望的溶液的饱和极限的温度。储箱1中的尿素溶液直接移动到溶解流动区域3。在溶解流动区域3的底部端部处不发生尿素浓度增大了的溶液与初始溶液之间的进一步混合。在该运作模式中，阀门2、11和10被放置为使得流通过线路21、22、31和32到达出口5’，并且t1＝t1’。

2.储箱1中的尿素溶液的温度t1过高，使得用于溶解流动区域3中的溶解的热量不足以冷却溶液，从而在溶解流动区域3的出口处不能获得目标温度t3。然而，用于溶解的热量足以通过热交换器4将尿素溶液从温度t1冷却到温度t1’<t1。t1’是溶解流动区域3的入口处的流体温度，它适于在溶解流动区域3的出口处获得期望的目标温度t3(与所期望的溶液的饱和极限有关)。在该运作模式中，流体的第一体积v1直接从储箱1通过线路21、22流动到溶解流动区域3，在溶解流动区域3处由于用于尿素溶解的热量而提供了冷却效果。当流体流前端到达溶解流动区域3的出口时，来自储箱1的流体被经由线路23引导到热交换器4，使得流体在溶解流动区域3的入口处被调节为t1’(<t1)，并推动已经存在于其中的液体体积v1。液体体积v1可经由阀门11和线路24、23而被回收到溶解流动区域3中。由于溶解在溶解流动区域3中继续进行，尿素浓度增大了的溶液被进一步通过线路31、32排到出口5’。

3.进入溶解流动区域3的尿素溶液的温度t1’过高而不能在如第2点所示例的运作模式中在溶解流动区域3的出口处获得目标温度t3。在该情况下，由于溶解流动区域3的出口处的尿素浓度增大了的溶液的浓度高于所期望的浓度，可用来自储箱1的流体通过线路33和混合阀门10稀释该流。

在该实施例中，控制设备2000被配置为根据上述模式控制阀门2、10、11。像在图1的实施例中那样，可额外设置类似于图1中的加热器6a和/或6b的加热器(在图6中未示出)，控制设备2000可被配置为控制这些加热器以控制溶解流动区域3上游的水溶液流的温度和/或溶解流动区域3中的水溶液流的温度。

图7a是另一示例性实施例的图示，其中，储箱1装有尿素溶液，该尿素溶液被从储箱1的底部经由注射轨道2输配到溶解流动区域3中的固体尿素床su中。尿素床su可在顶部上覆有液体扩散材料，以使得尿素床的整个顶表面与尿素溶液相接触。溶解流动区域3具有两个被加热区域：位于上游部分中的用来使尿素溶解并增大尿素溶液浓度的第一被加热区域36，以及位于下游部分中的用来使尿素溶液饱和的第二被加热区域37。例如，储箱1中的尿素溶液首先通过轨道35被注射到溶解流动区域3中的固体尿素上。为了溶解目的，溶解流动区域3中的第一被加热区域36被在35℃加热。尿素浓度增大了的溶液进一步流动(例如在重力作用下)到用于饱和的第二被加热区域37。这意味着第二被加热区域37的温度对应于具有所期望的浓度的尿素溶液的饱和温度。例如，当尿素溶液流动通过该第二层之后所期望的尿素溶液浓度是55wt％时，该第二层被在27℃加热。

图7b示出图7a的实施例的一种可行实施形式的又一示意图。在该实施例中，注射器2的形式为多条具有喷嘴25的轨道，从而使得可喷到固体尿素床的整个顶表面。在其一个可行的变型中，喷嘴可被控制以打开或关闭，打开的喷嘴的数量可被控制以变化通过固体尿素床的流率。可通过在固体尿素床中布置形成电加热器的线网来提供第一和第二被加热区域36、37。

图8a示出另一示例性实施例，其中用相同的附图标记指示相同或相似的部件。图8a的系统用于生成和注射尿素浓度增大了的溶液。在图8a中，储箱1包含柴油机排放处理流体(def)，例如为32.5wt％的尿素溶液的尿素溶液在吸取点102用泵103吸取，并被引入尿素浓度增大控制模块104中。尿素流(或其一部分)在加热器6中升温，并被进一步输送到形式为装有固体尿素su的盒的溶解流动区域3。在溶解流动区域3内部，初始溶液的尿素浓度由于固体尿素的溶解而增大。溶解流动区域3可配备有液体扩散材料108以增进液体/固体接触。在环境温度高于与所期望的溶液的饱和极限对应的温度时，使用流动通过溶解流动区域3的水溶液的热量的热交换器109可限制尿素浓度。在该情况下，加热器6关闭。溶解流动区域3可还配备有移动扩散板110以在溶解过程期间保持尿素溶液与固体尿素前端接触。移动扩散板110的位置可被用作一种计量溶解流动区域3内的固体尿素含量的方式。移动扩散板110可借助于引导系统来移动，该引导系统可用弹簧补全。柔性管118a、118b被分别连接到扩散板110的顶部和底部以形成溶解流动区域3的入口和出口。

尿素浓度增大了的溶液可用液体收集材料111来收集，并被通过线路118b和多端口阀门122传送到泵103的入口。该阀门122允许混合尿素浓度增大了的溶液与存储在储箱1中的流体。通过调节两种溶液(即尿素浓度增大了的溶液和来自储箱1的尿素溶液)的流率来控制对尿素浓度增大了的溶液的稀释。溶液的尿素含量在温度受控缓冲器112中进一步得以稳定。在缓冲器112的出口处，尿素溶液已经达到所期望的浓度，并通过线路115和注射器116被注入scr催化剂114上游的排放管113中。可使用止回阀117来设置注射所需的压强。

通过反转泵103的旋转，能够清空注射器116和线路115，以及包含尿素浓度增大控制模块104和溶解流动区域3的环路。注射器116的清空在该部件被保持在打开位置时发生。来自排放管的气体被经由注射器116吸取，存在于线路115和缓冲器112中的液体被通过出口102排到储箱1中。为了清空浓度增大控制模块104和溶解流动区域3，注射器116处于关闭位置。通过止回阀120从储箱1的蒸气穹顶(vapourdome)抽吸空气。多端口阀门122处于确保空气进气线路123与线路118b之间的流体连通的位置上，旁通线路121的止回阀119由于压强下降而打开。随着空气被进一步抽吸，溶解流动区域3和浓度增大控制模块104被清空。由于多端口阀门122允许泵103的出口与抽吸点102之间的流体连通，液体回到储箱1中。

控制设备2000可被配置为控制加热器6和/或热交换器109以控制溶解流动区域上游的水溶液流的温度和/或溶解流动区域3中的水溶液流的温度。除温度控制以外，通过控制储箱1的尿素溶液与来自溶解环路的尿素浓度增大了的溶液的混合，可使用多端口阀门122在一定程度上进一步调节所要求的浓度。然而，主要的控制优选地通过控制温度受控尿素缓冲器112中的温度来实现，这也可由控制设备2000来实现。

图8b示出温度受控尿素缓冲器112的一个示例性实施例，该温度受控尿素缓冲器112在用于生成尿素浓度增大了的溶液的系统的一个实施例(例如图8a的实施例)中使用。缓冲器112的入口12a旨在连接到泵，例如如图8a中所示的泵103。缓冲器112的出口12b处的流可被进一步分流为流到注射器116的流和如图8a所示通过止回阀117流到溶解环路的流。缓冲器112被分为两个区域12c和12d，每个区域均配备有开孔式泡沫材料(opencellfoammaterial)12e和12f以及热交换器12g和12h。液体扩散材料12i和12j覆盖泡沫部分的顶部，以获得对于流体通过泡沫的经优化的流合适的液体分布。温度传感器12k和12l位于每个泡沫部分的入口处，第三传感器12m测量底部泡沫的出口处的温度。缓冲器112的作用在于最终获得温度为对应于所期望的尿素浓度的温度t3的尿素溶液。

控制设备2000使用由传感器12k、12l、12m测量的温度来实施对热交换器12g、12f的控制。如果由传感器12k测量的尿素溶液温度高于针对传感器12m的目标的温度t3，则要冷却泡沫部分12e。这可引起固体尿素在泡沫孔中累积。可通过加热/冷却缓冲器112的底部区域12d来进一步使流体温度稳定。如果由传感器12k测量的温度低于缓冲器112的出口12b处的目标温度t3，则加热泡沫部分12e以使得尿素溶液在所期望的浓度下饱和。在该步骤中，在泡沫中累积的一部分固体尿素被溶解。将传感器12l和12m测量的温度纳入考量，使温度和尿素浓度在底部泡沫12f中进一步得以控制和稳定化。更具一般性地，可根据传感器12k、12l、12m测量的温度来控制顶部泡沫部分12e和底部泡沫部分12f的加热或冷却。

图9示出另一示例性实施例，其中用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。图9的系统用于生成和注射尿素浓度增大了的溶液。该系统包括用于存储尿素溶液的储箱1、泵103、连接到文丘里设备125的抽吸点101。文丘里设备125的出口被通过阀门126连接到加热器6，并且还给溶解流动区域3供应尿素溶液。该区域集成了固体尿素盒和促进溶解的任何元件，例如扩散板及材料和收集材料。浓度增大了的溶液被进一步传送到可类似于图8b的缓冲器112的温度受控缓冲器112。在缓冲器112的出口处，浓度正确地增大了的尿素溶液就绪可随时通过注射管116注射。

该系统的线路可通过反转泵的旋转来清空：

·通过将注射器维持在打开位置的同时从排放管抽吸气体来清空将泵103连接到注射器116的线路115。

·在注射器116处于关闭位置时清空线路118b、溶解流动区域3和加热器6，并经由止回阀120抽吸来自储箱1的蒸气穹顶的气体。加热器6与泵103之间的流体连通通过旁通121来实现，该旁通通过阀门126连接到来自加热器6的线路。取决于阀门127的不同位置，流可被排到储箱1或者温度受控缓冲器112中。

在清空之后，通过在抽吸点102处泵送来自缓冲器112的流体或来自储箱1的尿素溶液来实现正常模式功能。阀门126的位置被设置为使得文丘里管125与加热器6之间存在流体连通。

在该实施例中，控制设备2000被配置为根据上述模式控制阀门126、127以及加热器6和温度受控缓冲器112。像在图1的实施例中那样，可额外地设置加热器6b(在图9中未示出)，控制设备2000可被配置为控制加热器6b以控制溶解流动区域中的水溶液流的温度。

在以上示出的示例性实施例中，当使用作为储箱1中的水溶液时，所获得的溶液的总尿素浓度可被增大到55％(重量比)。换句话说，1kg的溶液包含450g的水和550g的尿素，其中有217g((450g+217g)的32.5％)源自共晶另有333g是通过将共晶溶液输送通过溶解流动区域而加入的。按照每100km消耗0.15升计算，常规scr系统会需要45升有用体积以达到30000km(对应于例如保养间隔)的可行驶里程，然而其中使用溶解流动区域(例如以可替换盒的形式提供)来增大浓度的系统的实施例对同一可行驶里程仅需要大约27升的有用体积。相应地，全系统的重量将减小大约20kg。

在燃料电池供给系统的例子中，配备了具有基于的70升有用体积且每100km消耗28升的这样的现有技术系统的车辆具有250km的可行驶里程，而具有相同有用体积的根据本发明实施例的尿素浓度如上所述增大到55％(重量比)的系统将达到大约420km的可行驶里程。

尽管以上结合特定实施例说明了本发明的原理，但是应理解，该说明仅作为举例而绝非作为对保护范围的限制，保护范围由所附权利要求确定。