CN101959567A - 用于产生气态氨的蒸发单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于产生含氨气体流(2)的蒸发单元(1)，特别是在机动车SCR***的领域中的蒸发单元。该蒸发单元至少包括：壳体(3)；至少一个曲折形的流动通道(4)，所述流动通道具有入口(5)和出口(6)，所述流动通道由封闭的壁(7)限定边界；至少一个加热元件(8)，所述加热元件至少在所述至少一个流动通道(4)的第一蒸发区段(9)中设置在所述壳体(3)与所述壁(7)之间并且共轴地延伸。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于产生包含氨的气体流的蒸发单元。这种蒸发单元尤其是用于从尤其是呈液态和/或固态形式的氨前体提供气态氨。本发明尤其是也应用在机动车排气后处理领域中。
背景技术
尤其是对于压燃式发动机，已证明合理的是给由发动机产生的排气直接添加水溶液中的尿素或者在排气外水解之后添加氨。在此，在公知方法中使用水解催化器，在该水解催化器中由尿素产生氨。尿素水溶液被添加到水解催化器上游，使之转变成气态状态并与水解催化器接触。然后，在此产生的氨例如利用在排气流中更靠下游的所谓的SCR催化器与包含在所述排气中的氮氧化物反应，生成分子氮和水。
在尿素水溶液蒸发时的温度控制特别重要。正是基于以下方面应考虑这一点：所需尿素溶液量和可得温度都可能在移动应用中强烈地变化。如果没有完全实现蒸发，则可能形成中间产物，这些中间产物可能会导致蒸发单元阻塞。这种不期望的副产物包括例如不溶于水的、由异氰酸和尿素形成的缩二脲以及形成异氰酸的三聚产物的氰尿酸。对于氨前体、尤其是液态的尿素水溶液的蒸发发现：对液体的温度导入必须非常快地经过临界温度区，以避免形成所述不期望的、部分不能再除去的复合物。
已知用于在排气外部蒸发尿素水溶液的设备，但此前这些设备至少对于汽车领域的应用不能令人信服。已知的蒸发设备部分地不能在所有工作状态中和/或所有的待蒸发氨前体量上保证期望的蒸发完全性。尤其是当在考虑移动式发动机例如柴油机的工作状态的情况下以高动态方式调节蒸发单元时，出现这种情况。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于，至少部分地解决在背景技术部分描述的问题。尤其是提供一种蒸发单元，该蒸发单元以高动态的方式使尿素水溶液快速、完全地蒸发，以便产生具有被精确地预先定量的量的含氨气体流。在此，该蒸发单元应紧凑、简单地构成。此外期望能成本低廉地制造该蒸发单元。
该目的通过具有权利要求1的特征的蒸发单元来实现。蒸发单元的有利构型在从属权利要求中给出。从属权利要求中单独描述的特征可以以技术上有意义的任意方式相互组合并给出本发明的其它构型。此外，通过说明书尤其是结合附图来表明本发明的特征和明确说明本发明。
根据本发明的用于产生含氨气体流的蒸发单元至少包括：
-壳体，
-至少一个曲折形的流动通道，所述流动通道具有入口和出口，所述流动通道由封闭的壁限定边界，
-至少一个加热元件，所述加热元件至少在所述至少一个流动通道的第一蒸发区段中设置在所述壳体与所述壁之间并且共轴地延伸。
所述蒸发单元优选具有非常紧凑的设计，例如具有类似管的构型。这种蒸发单元的外部尺寸例如是长约400mm、直径范围50mm。由此尤其合适的是，所述蒸发单元是车载发动机的排气***的线路段的一部分和/或通入排气管路中的辅助***的线路段的一部分。
壳体通常由钢材料形成。尤其优选地，壳体是一钢管。对于壳体，耐高温性和/或特别高的耐腐蚀性不是绝对必须的，因为所述蒸发单元通常设置在排气***的被排气流过、因而很热的区域外。
流动通道设计成“曲折形”。这首先(仅)意味着，流动通道并非沿直线延伸。特别优选地，流动通道以围绕流动通道或蒸发单元的中轴线周期性变化的方式延伸。这种曲折形的延伸尤其是通过波纹形延伸来描述。流动通道的数量可按照期望的条件来选择，优选具有一个曲折形流动通道的构型。但必要时也可以设置至少一个另外的(例如可在需要时附加切入的)流动通道(例如用以提供相对多的氨气)。
关于入口应当指出，该入口一般可与泵和/或储存器连接，亦即由此实现将氨前体(例如尿素水溶液)引入蒸发单元或曲折形的流动通道中。而在对置侧一般设置有出口，(实际上纯的)氨气从该出口离开流动通道。流动通道一般由单个封闭的、尤其是单独的壁限定边界。所述壁用于使输入的氨前体完全蒸发并在出口处再次离开。
此外，设有至少一个加热元件。加热元件尤其是电加热元件，该电加热元件按照需求快速达到很高的温度。优选在蒸发区段中设置(仅)一个加热元件，但必要时也可以(为特定区域)设置另外的加热元件装置或多个另外的加热元件。此外，加热元件与流动通道共轴地延伸。这尤其是指，围绕流动通道以环线、螺旋线或类似的方式设置加热元件。此外，加热元件必要时设置有相应的电流或电压供应装置。因此，应在蒸发单元上设有电连接部，这些电连接部必要时与合适的控制装置连接。在此，加热元件(有时/间歇性地)被供给电流，并基于电阻生热而产生热量，所述热量被(间接地)传递给流动通道或流动通道壁。通过至少在第一蒸发区段中设置多个加热元件，可以有目的地控制将在流动通道内产生的气体流的温度。
这种非常紧凑的构造允许通过对加热元件的定位而快速地引入热量，由此允许特别快速地提高被氨前体穿过的曲折形流动通道中的温度。
在这方面特别优选的是，利用一含钛的管形成所述封闭的壁。该管尤其是主要由钛制成(例如钛的重量百分比大于90)的小管，在所述小管的壁中形成波纹形结构，其中，波纹形结构可处于内侧和/或外侧。在此，所述管的直径例如小于6mm。
根据本发明的一个扩展构型提出，所述壁至少部分地设有水解覆层。所述水解覆层设计成促进从尿素生成氨的水解。为此可使用多孔的覆层、氧化物和/或盐。对于由钛制成流动通道壁的情况尤其是提出，在壁上提供钛氧化物，使得该钛氧化物与氨前体接触并促进由尿素水溶液生成氨的转化。只是出于完整性原因需要指出的是，水解覆层可以仅设置在第一蒸发区段的一部分中。
此外提出，至少在所述第一蒸发区段中，所述至少一个加热元件布置成与所述壳体和所述至少一个流动通道间隔开。即换言之，设置有以与壳体和所述至少一个流动通道都间隔开的方式固定加热元件的装置。在此，在蒸发区段内、在氨前体的流动方向上该距离也可以变化；亦即可将加热元件定位成例如在一部位更靠近壳体，而在另一部位更靠近流动通道。通过使加热元件与流动通道间隔开，也可以有目的地控制流动通道内的温度分布，其中，同时也可以防止(加热元件)与所述两个部件之一强烈连接，这一点也可以在修理或维护这种加热元件时带来优点。
此外提出，至少是所述至少一个流动通道或所述至少一个加热元件嵌入或注入在至少含铝或铜的基体中。尤其是(可能多件式设计的)基体可以通过壳/壳体形成，所述壳/壳体由铝或处于铝中的铜组分制成。优选，所述两个元件都嵌入在(单个的)基体中。加热元件和流动通道(或者说流动通道壁)的嵌入使得从加热元件到流动通道的导热特别好。铝作为基体的材料具有以下优点：该材料特别容易铸造并且具有出众的导热能力。同时，蒸发单元的重量保持很小，这在汽车制造中总是重要目标。
基体尤其是也可以用作使加热元件与壳体和流动通道间隔开的装置。尤其是可以利用铝、铜和/或另外的熔点比钛低的、能导热的材料包围具有一定结构或曲折形的钛管(基体)。由此尤其是可以另外产生一具有“平滑”外壁的管状体。然后，可在该外壁中以例如螺旋状或类似形状的方式形成用于所述至少一个加热元件的通路。然后，可将加热元件放置在该(例如槽式的)通路中并使之与基体连接(例如钎焊连接)。
根据另一有利实施形式，至少是所述流动通道或所述至少一个加热元件设置在含铜颗粒的基体中。尤其是流动通道和所述至少一个加热元件设置在(例如铝质的)壳体中并通过铜颗粒固定。铜颗粒尤其是被压实，从而保证所述至少一个加热元件与流动通道的壁充分接触并进行相应的传热。另外，铜颗粒被压实尤其是使得铜颗粒均匀分布，从而实现从加热元件到流动通道的均匀传热。与在基体中嵌入加热元件和流动通道相比，使用铜颗粒尤其是使用更少的能量并且在工艺技术上更容易实施。由此不必检验铸造体的缩孔和其它不匀质性。尽管原则上优选铜颗粒，但附加和/或替代地也可以使用其它材料(例如铝)的颗粒，这种颗粒允许从加热元件到流动通道的类似导热。
根据所述蒸发单元的一个扩展构型提出，在壳体与所述至少一个加热元件之间设有至少一个热隔离结构。热隔离结构尤其是包含(尤其是与利用基体进行的导热相比较)阻止来自加热元件的热量向壳体传播的材料。合适的材料尤其是优选包含陶瓷材料的覆层和/或单独的构件。与此组合或作为其替代方案提出，设置真空室，这些真空室同样阻止热量传播。
此外认为有利的是，蒸发单元具有第一蒸发区段和第二蒸发区段，以下元件中至少一个的至少是布置、数量或设计变化：曲折形的流动通道、加热元件、壁、基体、隔离结构。特别优选的是，从第一蒸发区段中到第二蒸发区段中，多个所述元件、尤其是至少三个元件不同。这是指，所述元件的布置、数量或构型不仅在蒸发区段内变化，而是替代或附加地在蒸发区段之间的中间区域中存在变化。对于曲折形的流动通道，尤其是所使用的流动通道的数量、延伸形状、形成流动通道的材料和/或流动通道的截面可以变化。对于加热元件，认为例如加热功率/加热能力、加热元件的数量、加热元件距流动通道和/或距壳体和/或距加热元件控制装置的距离可变化。对于壁例如应提出，可以对材料、覆层和/或壁厚度进行适配。基体例如可以在一蒸发区段中和/或在多个蒸发区段之间具有空腔、附加材料等。隔离结构也可在蒸发区段中和/或在中间空间中变化，例如隔离层的数量和/或所使用的材料可以变化。
此外认为有利的是，蒸发单元具有第一蒸发区段和第二蒸发区段，其中，第一蒸发区段和第二蒸发区段布置成彼此平行并通过一转向区段彼此连接。在这里提出的具有第一蒸发区段和第二蒸发区段的方案中实现了特别紧凑的结构。为此，至少对于一个区域，流动通道与其本身相邻地或平行布置地延伸。在此应明确的是：不应当严格地在数学意义上理解“平行”，所述“平行”在此基本上表示：流动通道彼此相邻地延伸，以便能够以节省空间的方式设置在蒸发单元中，另外可能还允许或促进流动通道的彼此相邻设置的区域间的换热。这两个平行的蒸发区段通过转向区段彼此连接，该转向区段例如设计成半圆形的弯曲部。
在该方案中特别优选的是，同时设置不同的加热元件。例如认为有利的是，在第一蒸发区段中使用自调节式的PTC元件(positive temperaturecoefficient)。这些PTC元件是导流材料，这种材料在较低温度下能够比在较高温度下更好地引导电流。电阻随温度升高而增大。换言之这意味着，随着温度的升高，加热功率也降低。这一点特别是也可以通过相邻的第二蒸发区段来控制。在该第二蒸发区段中优选设置有与流动通道共轴设置的加热元件。也可能合适的是，转向区段具有共轴设置的加热元件，以便在此达到或保持期望的温度。
此外还提出，与所述至少一个流动通道的出口相邻地设有至少一个具有水解覆层的反应器室。换言之这意味着，优选在所述蒸发单元内(排气外)进行至少两级的水解。对于设置多个蒸发区段的情况，可以在至少一个蒸发区段中、但优选在全部蒸发区段和反应器室中进行水解。为此，反应器室也可以具有更多数量的流动通道，例如通过提供内置在该反应室中的蜂窝体来实现所述更多数量的流动通道。这种蜂窝体尤其是利用多个至少部分地具有一定结构的金属薄板形成。这些金属薄板优选设有水解覆层。在这方面也可以使用钛作为主要材料。
此外提出一种设备，所述设备至少包括储存器、计量泵、根据本发明类型的蒸发单元以及至少一个使上述部件至少部分连接的线路段。正是对于使用尿素水溶液的情况，储存器是液体箱。优选定位在储存器与蒸发单元之间的计量泵可在特别短的时间段内、以非常高的精度将尿素水溶液输送到蒸发单元。线路段优选由铝管和/或钢管构成。附加地，所述设备可包括传感器和/或(电)控制装置和/或阀。
特别优选提出一种机动车，所述机动车具有发动机和排气***，其中，所述排气***具有至少一个SCR催化器体部，在发动机与所述至少一个SCR催化器体部之间设有至少一个连接部，所述连接部与根据本发明类型的蒸发单元或上述设备相连接，由此能将气态氨这样引入到所述排气***中，使得所述气态氨流到所述至少一个SCR催化器体部。特别优选的是，在曲折形的流动通道的出口或者如果存在则在反应器室的端部与连接部或排气***之间不另外设置阀。必要时连接部也可以设有用于对离开蒸发单元并被送向排气***中的排气的含氨气体流进行分配的装置。
作为SCR催化器体部通常使用(陶瓷的、挤出成型的)蜂窝体，该蜂窝体例如具有SCR覆层。这种SCR覆层优选是V2O5/WO3/TiO2型(五氧化二钒/三氧化钨/二氧化钛)覆层。
附图说明
下面借助附图详细描述本发明及其技术领域。需要指出的是，附图中示出的实施方案不应限制本发明。在附图中为相同对象使用相同的标记。附图示意性表示：
图1：根据本发明的蒸发单元的实施方案，
图2：蒸发单元的另一个实施形式的细节，
图3：机动车中的SCR***的构造的示意图，
图4：蒸发单元的另一构造方案，以及
图5：具有铜颗粒的蒸发单元的另一构造方案的剖面。
具体实施方式
图1示出蒸发单元1的特别优选的第一实施方案的剖面。蒸发单元1在外侧由一钢质管状壳体3限定边界。在待蒸发流体(例如尿素水溶液)的流动方向31上，蒸发单元1可分成三(3)个分区，即第一蒸发区段9、第二蒸发区段15和反应器室16。
蒸发单元1的中央构件是设置在中央的曲折形的流动通道4，该流动通道由所包括钛质管10的壁7限定边界。通过钛质管10，在两个蒸发区段9、15中实现流动通道4的波形延伸结构。在此，尤其是，尿素水溶液以液态形式进入到入口5中，然后穿流过第一蒸发区段9。
管10被一基体13包围，该基体尤其是由铝材料或铜材料构成。如钛质管10那样，加热元件8也被一起嵌入到基体13中。在此构造成圆柱形的基体13基本上在第一蒸发区段9的长度上延伸，而在外侧由一陶瓷层32限定边界。陶瓷层32尤其是可用陶瓷粉末形成。更靠外侧，即在陶瓷层32与壳体3之间，设置有附加的陶瓷管33。陶瓷层32和陶瓷管33共同形成热隔离结构14。热隔离结构14、壳体3以及钛质管10上在第一蒸发区段9和第二蒸发区段15上是一体形成的，而在第一蒸发区段9和第二蒸发区段15中各自设有单独的基体13。在此同样形成不同的加热元件8，它们可能具有单独的连接部。
此外，在两个基体13之间设有间隙34，该间隙尤其是在轴向方向上形成热隔离结构。由此，第一蒸发区段9和第二蒸发区段15的温度分布应该在需要时能够被以彼此分开的方式控制或调节。另外，在第一蒸发区段9与第二蒸发区段15之间的过渡区域中流动通道4的设计不同，即流动通道在此具有(扩宽的直线的)过渡区段35。在第一蒸发区段9和第二蒸发区段15中，在加热元件8与流动通道4之间的距离12基本上相同。
在流动通道4的出口6的区域中，基体13随后具有扩展部37，直到此处(几乎)完全蒸发的尿素水溶液扩张到该扩展部中。在该扩展部上连接有一反应器室16，在该反应器室中设有带水解覆层11的蜂窝体36。完全转化成氨的气体这时离开蒸发单元1，并能流动到排气***中。
图2示出蒸发单元1的另一实施形式的细节的部分剖面。在图2中在下方示出：流动通道4如何绕中轴线38规则地来回延伸。流动通道4在此具有例如4mm的直径39。此外，在流动通道4内或者在流动通道的壁7上设有水解覆层11。但流动通道4被嵌入基体13中，在该基体中还以螺旋形卷绕的方式提供加热元件8。在此，在左侧区域中示出的加热元件8定位成与流动通道4相距特定的距离12。更靠右侧设有多个部分重叠的、尤其是彼此更紧密地布置的加热元件8，其中，在此处(加热元件)到壳体3或热隔离结构14的距离12增大，使得这些加热元件8更靠近流动通道4。
图3示意性地示出机动车21，尤其是乘用车或商用车。在发动机22中产生的排气经相应的排气***23净化并被释放到环境中。在此，沿流动方向31，排气首先流经催化转化器27(例如氧化催化器)，然后在下游最终到达SCR催化器体部24。在催化转化器27与SCR催化器体部24之间设有根据本发明的蒸发单元1的连接部25，从而在该连接部处引入含氨气体流2。然后，被氨流入的排气流到达可能设有的流动控制器28(例如静态混合器)，接着该混合物到达SCR催化器体部24。出于完整性原因需要指出的是，SCR催化器可以在进入区域29和/或排出区域30中设有另外的排气处理部件，例如在进入区域29中设有微粒分离器和/或在排出区域30中设有氧化催化器。同样需要指出的是，在排气***23中也可以设置其它排气处理装置。
根据本发明的蒸发单元1通过多个线路段20与储存器18连接。在储存器18中例如设有液态的尿素水溶液，该尿素水溶液借助计量泵19根据时间和/或体积输送给蒸发单元1。为此目的，计量泵19、蒸发单元1和/或发动机22可与一控制装置26(在数据技术和/或作用技术上)连接，以便保证以受控的方式为排气混合(输送到)蒸发单元的尿素水溶液或氨气。
只是出于完整性原因还需要指出的是，也可以单独地、以任意件数提供至少包括储存器18、线路段20、计量泵19和蒸发单元1的设备17作为带有/或不带有控制装置26的组件。
图4示意性示出具有蒸发单元1的实施方案，该蒸发单元具有基体13，在此示出了该基体的剖面。在基体13中设有流动通道4，其中，该流动通道首先在一个方向上延伸到基体13中。在流动通道4的一侧设有多个PTC元件，用于电加热流动通道4或在该流动通道中沿流动方向31流动的气/液混合物。该区域形成第一蒸发区段9。与该第一蒸发区段相接地设有转向区段40，在该转向区段中流动方向31变换180°。与所述转向区段相接地设有第二蒸发区段15。围绕流动通道4的该区段设有共轴的加热元件8。在气体流再离开蒸发单元之前，气体仍被引导经过反应器室16，以便进一步促进氨的产生。在这里提出的结构中，尤其是可以实现在第一蒸发区段9与第二蒸发区段15之间的换热作用，由此得到在能量方面有利的构造。
图5示意性地示出蒸发单元1的另一构型的剖面。该蒸发单元具有一管式壳体2，其中，在中央布置有流动通道4，而与该流动通道同轴地布置有加热元件8。流动通道4和加热元件8被铜颗粒42包围，由此，可通过在铜颗粒42与流动通道4、以及与加热元件8间的相应接触进行传热。为此，设置在流动通道4与加热元件8之间的铜颗粒42尤其是被压实。
附图标记清单
1蒸发单元
2气体流
3壳体
4流动通道
5入口
6出口
7壁
8加热元件
9第一蒸发区段
10管
11水解覆层
12距离
13基体
14隔离结构
15第二蒸发区段
16反应器室
17设备
18储存器
19计量泵
20线路段
21机动车
22发动机
23排气***
24SCR催化器体部
25连接部
26控制装置
27催化转化器
28流动控制器
29进入区域
30排出区域
31流动方向
32陶瓷层
33陶瓷管
34间隙
35过渡区段
36蜂窝体
37扩展部
38轴线
39直径
40转向区段
41PTC元件
42铜颗粒
Claims (12)
1.一种用于产生含氨气体流(2)的蒸发单元(1)，所述蒸发单元至少包括：
-壳体(3)，
-至少一个曲折形的流动通道(4)，所述流动通道具有入口(5)和出口(6)，所述流动通道由封闭的壁(7)限定边界，
-至少一个加热元件(8)，所述加热元件至少在所述至少一个流动通道(4)的第一蒸发区段(9)中设置在所述壳体(3)与所述壁(7)之间并且共轴地延伸。
2.根据权利要求1的蒸发单元(1)，其中，利用一含钛的管(10)形成所述封闭的壁(7)。
3.根据权利要求1或2的蒸发单元(1)，其中，所述壁(7)至少部分地设有水解覆层(11)。
4.根据上述权利要求之一的蒸发单元(1)，其中，至少在所述第一蒸发区段(9)中，所述至少一个加热元件(8)布置成与所述壳体(3)和所述至少一个流动通道(4)间隔开。
5.根据上述权利要求之一的蒸发单元(1)，其中，至少是所述至少一个流动通道(4)或所述至少一个加热元件(8)嵌入在至少含铝或铜的基体(13)中。
6.根据权利要求1至4之一的蒸发单元(1)，其中，至少是所述至少一个流动通道(4)和所述至少一个加热元件(8)设置在含铜颗粒(42)的基体(13)中。
7.根据上述权利要求之一的蒸发单元(1)，其中，在所述壳体(3)与所述至少一个加热元件(8)之间设有至少一个热隔离结构(14)。
8.根据上述权利要求之一的蒸发单元(1)，其中，所述蒸发单元具有第一蒸发区段(9)和第二蒸发区段(15)，以下元件中至少一个至少在布置、数量或设计方面变化：曲折形的流动通道(4)、加热元件(8)、壁(7)、基体(13)、隔离结构(14)。
9.根据上述权利要求之一的蒸发单元(1)，其中，所述蒸发单元具有第一蒸发区段(9)和第二蒸发区段(15)，其中，所述第一蒸发区段(9)和所述第二蒸发区段(15)布置成彼此平行并通过一转向区段(40)彼此连接。
10.根据上述权利要求之一的蒸发单元(1)，其中，与所述至少一个流动通道(4)的出口(6)相邻地设有至少一个具有水解覆层(11)的反应器室(16)。
11.一种设备(17)，至少包括储存器(18)、计量泵(19)、根据上述权利要求之一的蒸发单元(1)以及至少一个使上述部件至少部分连接的线路段(20)。
12.一种机动车(21)，包括发动机(22)和排气***(23)，其中，所述排气***(23)具有至少一个SCR催化器体部(24)，在所述发动机(22)与所述至少一个SCR催化器体部(24)之间设有至少一个连接部(25)，所述连接部与根据上述权利要求1至10之一的蒸发单元(1)或根据权利要求11的设备(17)相连接，由此能将气态氨这样引入到所述排气***(23)中，使得所述气态氨流到所述至少一个SCR催化器体部(24)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140604 |