CN105189962A - 用于废气后处理的混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于来自内燃机的废气的选择性催化还原的装置(2)的混合器，该混合器用于将还原剂(3)均匀分布在催化剂入口处被引入废气流(1)中的所述废气流(1)中，其中，所述混合器包括混合器元件(21)的结构，废气(1)和还原剂(3)的混合物通过该混合器元件流动，以防止还原剂催化剂在混合器上并且以实现用于随后的SCR反应的最佳温度，本发明提出设计混合器元件(21)，其使得电流通过其流动，用于由其电阻而导致的电加热。特别地，本发明涉及用于来自例如机动车发动机的内燃机的废气的选择性催化还原的***的可直接电加热的混合器5。通过直接的加热，可以实现与所使用的电源有关的非常高的效率。热量在其中需要热量的位置处被耗散。该结构一体地可以以非常低的成本的方式被构造。本发明还涉及一种用于来自内燃机的废气的选择性催化反应的装置，其具有引导至根据本发明的混合器的废气管道，并且具有连接至用于还原剂的容器并且位于通向所述混合器(5)和位于所述混合器(5)的流动方向下游的催化剂(7)的所述废气管道上游的流动方向上的还原剂管道。

Description

用于废气后处理的混合器
技术领域
本发明涉及用于来自内燃机的废气的选择性催化还原法的装置的混合器。本发明尤其涉及用于均匀分布被引入废气流中的还原剂的混合器。
背景技术
内燃机(例如柴油机或汽油机)的燃料燃烧期间，会产生不期望的副产品，尤其是氮氧化物(NOx)。为了保持空气清洁，需要降低废气中NOx的含量。用于其的已知的一个方法是所谓的选择性催化还原法(缩写为SCR)。这是一种用于降低特别是来自发动机的废气中的氮氧化物的技术。在SCR这，化学反应发生在催化剂(SCR催化剂)中。金属氧化物混合物(例如，氧化钛、五氧化二钒和氧化钨)或沸石(H型沸石)或金属氧化物与沸石的混合物适于用作SCR的催化剂。
由于催化反应发生，所以需要氨(NH3)，其必须以合适的形式被供给至废气中。反应产物是水(H2O)和氮气(N2)。SCR催化剂中的化学反应是选择性的，也就是说，优选降低氮氧化物(NO,NO2)，同时还极大地抑制不期望的副反应(例如二氧化硫至三氧化硫的氧化反应)。
由于氨处于以气态出现在内燃机中的占主导的物理状态下，所以其优选地以尿素水溶液(以名字AdBlue被已知)的形式间接地被供给至选择性催化还原的位置。与气态氨不同，尿素水溶液可以简单地被一起输送至车辆中的附加罐装。当使用用于供给还原剂的尿素水溶液时，其利用如下事实：在散热的水解反应中，尿素可以以几个步骤被分解为氨(和二氧化碳)。为了这样的分解反应以最佳方式发生，需要足够高的温度(优选高于200℃，更优选的为至少大约350℃)。水解步骤还优选地被催化支持。
诸如欧洲专利申请EP2325452A1记载了关于SCR和通过作为AdBlue的水溶液供给的尿素的分解来获取氨的进一步的细节。
为了使催化反应以最佳方式发生，必须使尿素水溶液和在催化剂入口处由该溶液形成的氨尽可能均匀地分布在废气流中以及催化剂表面上。这导致了NOx反应的高效率。该分布较强地受排气***的设计和几何结构的影响。为了改进分布(为了实现氮氧化物和催化剂入口处的氨的最接近化学计算的均匀分布)，一般使用额外的混合气来增强废气和SCR催化剂中供给的还原剂的混合物的处理和分布。
已知的废气和混合器***的缺点在于，根据所使用的几何结构，固体尿素或不期望的中间体(例如，三聚氰酸、三聚氰胺或其它固体沉积物)在尿素的热分解中沉积。特别是在发动机运行的开始阶段(在启动发动机之后)，只要废气温度仍然较低，因为AdBlue的水成分蒸发并且残留物保留在叶片上，所以尿素沉积在混合器的混合器元件(叶片)上的情况就会发生。干尿素的熔点为132℃。废气的温度越低，不期望的固体沉积物就形成得越多。废气的温度还由于冷的AdBlue的喷射而额外地降低。需要避免这样的沉积。此外，SCR反应本事需要非常高的废气温度。柴油发动机的废气温度在起动和惰走运行期间是如此地低，导致SCR催化中的NOx转换不能发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的混合器,用于对来自内燃机的废气进行催化还原的装置，其克服了上述缺点，并且尤其本别避免了沉积物的形成以及使得运行期间已存在的沉积物减少。本发明还试图提供一种用于废气的催化还原的装置。
为了实现上述目的，本发明定义了具有权利要求1的特征的混合器。此外，用于废气的选择性催化还原的装置由独立权利要求15定义，其包括根据本发明的混合器。
根据本发明，提供一种用于来自内燃机废气选择性催化还原的装置的混合器，该混合器用于在废气流中均匀分布在催化剂入口处被引入废气流中的还原剂。混合器包括混合器元件的结构，废气和还原剂的混合物流动通过该混合器元件的结构。由于该混合器元件的电阻，其适于使用流过它们的电流进行直接电加热。
特别地，本发明的技术方案提供一种用于供给混合有SCR催化剂中的还原剂的废气流的混合器，其能够优化用于选择性催化反应的条件。为此，被构造用于最佳分布的混合器元件还附加地被构造为电阻加热元件并且通过电流直接加热。这使得其可以实现还原剂在催化剂表面上的最佳分布并且防止沉积物形成或者在加热操作期间再次自主地将其熔化。附加地，由于从被加热的混合器至SCR催化剂下游的废气流的热耗散，所以还可以达到温度，这使得即使处于较低的废气温度下，例如在气动之后或在柴油发动机的怠速运行期间，仍能够减少NOx。这是特别期望的，因为废气排放在发动机温度较冷时是最高的。当发动机已经热了时，废气温度处于大约600至900℃，从而也可以摈弃额外的加热。
混合器元件优选设置成涡轮叶片的形式。这样的设置方式特别地使得废气和还原剂混合物的成分能够有效混合(涡流)，以便实现还原剂在废气流中的期望的均匀分布。
根据优选实施例，混合器元件的结构大致设置成环形。这对应于相对于废气流的轴线的对称布置。此外，这样的结构能够以特别简单的方式实现各个混合器元件彼此之间的串联连接，从而不需要用于电源的布线或接触点的复杂结构。各个混合器元件优选以加热电路的形式串联地互相电连接。还优选地，混合器元件为机轮形的，以错开的方式部分重叠地设置。
被引入废气流中的还原剂优选包括尿素水溶液(在机动车技术领域被已知为AdBlue)。通过多个步骤的散热水解分解，其可以转化为氮氧化物的催化反应所需要的氨。其中，优选通过额外的水解催化剂加强水解步骤。可以以混合器元件上的涂层的形式施加该水解催化剂。可替代地或附加地，该水解催化剂可以分开设置在废气流中。
可替代地，还可以供给成固态形式的还原剂，例如，作为固态尿素颗粒。在此情况下，如果附加地颗粒过滤器位于还原剂的供给与混合器之间，那么还将是有利的，因为其加强了均匀的颗粒分布。
混合器元件优选地由合金加热元件(合金加热电阻)或合金导热元件(合金导热电阻)制成。合适的材料例如为铬、铁和铝的合金(CrFeAl)。从适合用作加热电阻的材料直接形成混合器元件使得结构简单、制造容易。特别优选地，串联连接的多个混合器元件一体地形成。
根据优选的实施例，至电源的电接触通过被连接器绝缘并且连接至混合器的销实现。优选在相对于废气流的径向方向上导入电流。由于避免了电流的供给，所以这具有可以影响废气流的优点。可替代地，电流优选在相对于废气流的轴向或同轴的方向上接通。因为不需要部件在径向方向上突出超过混合器装置的外周，所以这具有特别节省空间的实施方式的优点。
优选通过经由连接器绝缘并且被连接至混合器的销实现接地连接。可替代地，还可以不使用为此所需的任何特定部件实现接地连接。为此，设置为用于混合器元件的固定的部件同时用于接地连接。
此外，混合器元件优选还设置有用于固定的凸耳。该凸耳以正配合的方式位于绝缘板中，该绝缘板又被保持在管道段凸缘中。在所述实施例的情况中，可以通过接触地的管道段直接实现接地连接。
更优选地，通过位于混合器元件中的褶皱增加混合器的刚度。还优选地，用于固定的绝缘板由人造云母(压制云母)制成。
根据本发明的优选实施例，各个混合器元件的电阻不同。根据该实施例，例如，特定的混合器元件具有不同于另一个混合器元件的电阻。其中，电阻还可以在单个混合器元件中改变。改变的电阻导致相应的电压降，并且因此导致增加的热输出。改变的电阻可以例如通过减小线路的有效横截面面积实现。通过调节单个混合器元件内的电阻，然后可以分别提供和耗散更多的热量，其中，期望由于混合器中的流动条件通过混合器至流体耗散增加。另一方面，通过相对于其减小的电阻，特别地是靠近混合器元件的壳体的外边缘区域或将混合器元件固定在壳体侧上的安装部分，可以实现该区域的较少的加热。然后通过改变电阻，热耗散的量在空间上可以分别集中到其中待加热的流体显著地流动的那些区域。通过热耗散在混合器元件内或相对于各个混合器元件的局部分布，还可以避免支撑混合器元件的壳体被过度加热。
其它有利的实施例为从属权利要求的主题。
本发明还限定了用于来自内燃机的废气的选择性催化还原的装置。该内燃机尤其是机动车辆中的内燃机。该装置具有引导至混合器的废气管道和连接至容器用于还原剂的还原剂管道。还原剂管道在流动方向上通向混合器上游的废气管道。在催化剂中，混合器在流动方向上位于待处理的气体的下游。
所述装置包括根据权利要求1至14中的一项的根据本发明的混合器。
还原剂容器优选容纳尿素水溶液作为还原剂。
附图说明
图1示出了用于再处理来自内燃机的废气的装置的概览图，其中采用了根据本发明的混合器；
图2A示出了根据本发明的混合器的实施例的概览透视图；
图2B示出了图2A的实施例的侧视图；
图3示出了根据本发明的混合器的实施例的分解图；
图4a示出了图1至3中示出的本发明的实施例的变型的以环形方式设置的混合器元件的顶透视图；
图4b示出了图4a中示出的所述实施例的侧视图；
图4c示出了图4a和4b中示出的所述实施例的俯视图；
图4d示出了图4a至4c中图示的所述实施例的展开图。
具体实施方式
下面的详细说明用于通过选择的实施例以及参照附图来图示本发明。然而，如权利要求中限定的本发明不限于下文所述的实施例。
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于废气的选择性催化还原的装置10的概览图。内燃机，例如机动车的发动机的废气在该附图中图示为从左侧流动至右侧的废气流1的形式。供给还原剂，优选为尿素水溶液AdBlue的形式。尿素水溶液3以液体形式从SCR催化剂7的上游被喷射进废气流1。还原剂3的流动在该附图中被示出为从顶部至底部。废气和还原剂的组合流流过根据本发明的混合器。这使得还原剂更好地分布在废气流中。下面，参照随后的附图，进一步给出根据本发明的混合器的实施例的详细说明。
根据本发明，混合器5连接至电源9，该电源9能够直接电加热混合器的混合器元件。在混合器中被很好地混合并且加热的废气和还原剂流冲击用于选择性催化还原的催化剂(SCR催化剂7)。该催化剂优选设置在合适的载体材料上，以使得尽可能大的催化剂表面对于流过的混合物有效。例如，这可以利用蜂窝结构。
为了加入水溶液中的尿素的分解的催化增强，以获取实际的选择性催化反应所需要的氨，可以进一步优选在混合器5与SCR催化剂7之间提供水解催化剂。备选地，所述催化剂还可以设置在还原剂3的添加装置与混合器5之间的路径上。最后，还可替代地，可以通过使用适于用作水解催化剂的材料合适地涂覆混合器元件来增强混合器本身中的水解。金属氧化物适于用作水解催化剂，诸如氧化钛或氧化铝、氧化硅或氧化锌。特别地，根据优选实施例的混合器可以具有增强水解和选择性催化反应的涂层。例如，这可以通过混合金属氧化混合物与H型沸石完成。由此，可以减少下游的SCR催化剂(特别是其催化活性表面)的尺寸。此外，使用被涂覆的混合器元件比单独的水解催化剂有利，具有除混合器之外不需要额外的部件的优点，这些额外的部件会增加废气流中的压力损失。
图2示出了根据本发明的实施例的混合器5的示意图。图2A是从上方稍微倾斜的顶部视图的透视图。图2B示出了侧向透视中的剖视图。
在根据图2的实施例中，混合器元件21具有大致叶片的形状。具有位于连接在叶片的各个端部处的部件之间的凹槽的混合器元件的特定结构源于以下原因：混合器元件必须适于电流，并且为此，其必须由导电材料制成，优选通过弯曲和冲压制成。在示出的实施例中，叶片状的混合器元件21具有大约90°的斜角或倒角(“皱褶”)。这用于混合器元件的机械增强。根据示出的实施例的单个的混合器元件21设置为大体环形结构的形式。如图2A所示，所述结构还优选具有汽轮或机轮(airwheel)的形式，即在俯视图(在废气流的轴向方向上看)中，存在分别靠近混合器元件21的部分重叠。特别地，如图4c和4d所示，混合器元件21通过冲压和弯曲单块板状金属条23形成。在板状金属带23的纵向方向上，交替地形成相对较长的混合器元件21.1和相对较短的混合器元件21.2。相应地，混合器元件21是连续体的一部分。位于单个的混合器元件的凸耳33之间的凸耳33首先通过冲压被切出，并且在冲压之后的弯曲过程期间被从板状金属带23的平面向外弯曲。混合器元件21中的每一个都包括中心凹槽22，该中心凹槽22每一个开口通往板状金属带23的较低边缘。这产生了用于电流的电路轨迹，电流流过该电路轨迹，以蜿蜒通过板状金属带23。
在板状金属带23的弯曲过程期间，单个混合器元件21也沿径向向内的方向弯曲，同时形成上述皱褶，而侧向凸耳33在相反布置的方向(即径向向外的方向)上弯曲。之后，整个板状金属带23被弯曲为环形，以使得单个混合器元件21位于以飞机轮状的方式重叠的环形元件的进行向内区域中。明显地，较小的混合器元件21.2至少部分地覆盖邻近的较长的混合器元件21.1。板状金属带23的前端和后端设置为彼此隔开一距离，并且保留敞开的间距37。在板状金属带23的一端处形成有孔24，该孔24如图3所示，并且其用于连接至混合器元件21，下面，将更加详细地说明混合器元件21。
由于混合器元件21的倾斜定位(在图3和4c中尤其明显)，所以尽管具有机轮状的结构，但仍能够获得用于废气和还原剂的混合物流过的足够大的畅通的开口，以使得流动阻力不会变得太大，由此，在混合器5中的流动气体的压力损失保持在极限值内。在示出的示例中，通过设置在混合器结构的***边缘上的连接器25接通电源。优选具有圆形横截面的管道段29设置为混合器结构的外端。其具有凸缘27，使用该凸缘27来保持整个混合器结构。
根据本发明的实施例的混合器5的结构的进一步细节可以从图3中示出的分解图中获取。混合器5的中心元件为大致叶片形的混合器元件21的机轮形的结构。优选地，该结构由冲压和弯曲诸如CrFeAl的电阻合金而制成。可选地，混合器元件21还可以包括催化活性涂层(未示出)。
上述的凸耳33用来将混合器元件21固定在管道段的凸缘27之间。所述凸耳33设置在外绝缘板31a、31c之间。三个绝缘板31被示出在图3的分解图中。中间的绝缘板31b包括用于凸耳33的正向配合接收的凹部(以及位于电源的区域中的另一凹部)。该中间的绝缘板通过两个另外的环形的绝缘板31a、31c从上下地保持。根据优先实施例，该绝缘板由人造云母(压制云母)制成。该绝缘板31又被保持在由管道段29形成的管道段凸缘27之间。所述管道段29形成混合器结构的外周端。根据图示的实施例，在径向方向上提供电流。在此处通过销35实现电连接，该销35通过套筒25被保持在图3中示出的上管道段29中，并且被固定连接至混合器元件21的环形结构。管道段29基本上构成所述实施例的壳体。通过第二销(未示出)或通过直接连接至接地的管道段实现接地连接。可以从图3示出的实施例看出，上绝缘板31a包括位于相应的最后的侧向凸耳33.1之间的径向凹口28。在此，可以连接接触元件用于电连接上管道段29与所述最后的凸耳33。在相应的最后的凸耳33.1之间，呈狭槽形式的间隔37位于被弯曲为环形的板状金属带23的自由端之间。除了附图中示出的径向延伸至废气管道的销之外，还可以想到轴向或同轴的延伸部。
由图可见，孔24相对远离“第一”混合器元件21的相关的最后的凸耳33。孔24的电压降发生在对于热耗散尤其重要的从相关的第一混合器元件21径向向内延伸的腿部中。此外，在该区域中可以通过在孔24与相关的最后的侧向凸耳33.1之间延伸的所述区域的相对低的电阻避免或至少极大地减少利用流过的电流的主动加热。由此，对应的最后的凸耳33.1保持为相对冷，即，其不会被加热或仅稍微被加热。对于剩下的凸耳，可以采取相应的措施。可以例如通过加大位于该区域的电缆横截面实现低电阻，而位于混合器21的径向延伸的腿部中的有效的导体横截面可以减小。可以例如从外直径连续地减小至各个混合器元件21的径向向内的端部，以使得混合器元件21的径向内顶端产生最大热耗散。
图4a至4d表示混合器元件21或由其形成的环形结构的自身示出的不同的视图。从图4c的俯视图特别明显地看出，一点处的环形结构包括上述的间隔37，以便能够赋予电流并且由此能够电加热。图4D图示了被向下弯曲之前的板状金属带23，即混合器元件21被并排直线地(即以直线展开的形状)示出。
关于需要的热输出，一般来说重要的是，热输出要足够高以使得在从发动机排出的废气的温度明显较低时，例如，在起动之后或柴油发动机的怠速运行期间，仍能够加热流过的废气和还原剂的混合物，使得没有沉积物在各个混合器元件上形成或它们再次被熔化掉，并且优选地，可以在下游的SCR催化剂7的区域中实现在大约200℃至350℃或更高的范围内的最佳反应温度。运行电压由车辆电***中的电压确定(传统地优选为12V(伏特))。然而，根据采用混合器的场合或领域的需要，其它运行电压也是可以的。对于给定的运行电压，可以通过横截面以及通过形成在混合器元件中的加热电路的总体长度(当想象为展开的、伸展形式时)来改变功率。
下面仅通过示例的方式给出特定的实施例：使用具有1.4ohmmm2m-1的特定电阻率、800mm(毫米)的伸展长度和6mm2的横截面面积的热导体。其中，被弯曲为环形的混合器5的直径大约为63mm。在这样的实施例中，在施加的12V的电压条件下的性能为大约750W(瓦特)。
总之，本发明涉及用于来自内燃机的废气的选择性催化还原、用于废气流1中均匀分布的装置2，还原剂3在催化剂入口处被引入废气流1中，其中，混合器包括混合器元件21的结构，废气1和还原剂3的混合物流过该混合器元件21的结构，以防止还原剂沉积在混合器上并且以使得能够实现用于随后的SCR反应的最佳温度，本发明提出设计混合器元件21，其使得电流通过混合器元件21以便由它们的电阻产生电加热。特别地，本发明涉及用于来自例如机动车发动机的内燃机的废气的选择性催化还原的***的可直接电加热的混合器5。通过直接加热，可以实现所用的电源的非常高的效率。热量在需要热量的位置处被耗散。该结构整体上可以以非常成本有效的方式构造。本发明还涉及一种用于来自内燃机的废气的选择性催化反应的装置，其具有引导至根据本发明的混合器的废气管道，并且具有连接至用于还原剂的容器以及在流动方向上开口通向混合器5的上游的废气管道的还原剂管道，以及位于混合器5的流动方向下游的催化剂7。
附图标记列表
10用于废气的选择性催化还原的装置
1废气流
3还原剂
5混合器
7SCR催化剂
9电源
21混合器元件
21.1较长的混合器元件
21.2较短的混合器元件
22凹槽
23板状金属带
24孔
25套筒
27管道段凸缘
28凹口
29管道段
31绝缘板
33侧向凸耳
35销
37间距

Claims (16)

1.一种用于选择性催化还原来自内燃机的废气的装置(10)的混合器，该混合器用于在催化剂入口处将引入废气流(1)中的还原剂(3)均匀分布在废气流(1)中，其中，所述混合器包括混合器元件(21)的结构，废气(1)和还原剂的混合物流过该混合器元件的结构，其特征在于，由于所述混合器元件(21)的电阻，所述混合器元件适于使用流过它们的电流直接电加热。
2.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述混合器元件具有涡轮叶片的形状。
3.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，混合器元件(21)的所述结构设置为大致环形。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的混合器，其特征在于，各个混合器元件(21)串联地相互电连接以形成加热电路。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的混合器，其特征在于，所述混合器元件(21)包括合金加热线或导热合金。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的混合器，其特征在于，通过销(35)实现至电源的电接触，所述销通过套筒(25)绝缘，连接至所述混合器(5)的壳体(29)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的混合器，其特征在于，在相对于所述废气流(1)的径向方向上实现电流导入。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的混合器，其特征在于，在相对于所述废气流(1)的轴向或同轴方向上导入电流。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的混合器，其特征在于，通过套筒绝缘并且连接至所述混合器的壳体(29)的销实现接地连接。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的混合器，其特征在于，通过所述混合器的壳体的接触地的管道段(29)实现所述接地连接。
11.根据前述权利要求中任一项所述的混合器，其特征在于，由板状金属带(23)通过冲压和弯曲制成所述混合器元件(21)，并且包括所述混合器元件(21)的所述板状金属带(23)被弯曲成环形。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的混合器，其特征在于，所述混合器元件(21)设置有用于固定的凸耳(33)，其中，所述凸耳(33)被容纳在绝缘板(31)之间，所述绝缘板被保持在所述混合器的壳体的管道段(29)的管道段凸缘(27)之间。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的混合器，其特征在于，所述混合器元件(21)设置有用于机械刚度的褶皱。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的混合器，其特征在于，所述绝缘板(31)包括人造云母。
15.根据前述权利要求中任一项所述的混合器，其特征在于，各个混合器元件的电阻不同。
16.一种用于内燃机中的废气的选择性催化还原的装置，该内燃机尤其是机动车辆的内燃机，该装置具有引导至混合器(5)的废气管道，具有引导至用于还原剂(3)的容器、在流动方向上通入在所述混合器(5)的上游的所述废气管道的还原剂管道，且具有在流动方向上位于所述混合器(5)的下游的催化剂(7)，其特征在于，所述混合器(5)根据权利要求1至15中任一项形成。
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