JP5662432B2 - 尿素水溶液を蒸発させるための装置 - Google Patents

Description

本発明は、尿素水溶液を蒸発させるための装置、すなわち特に、気体の流れを発生させるための蒸発ユニットに関する。この種類の装置は、特に、自動車における排気ガス後処理システムのために気体アンモニアを提供するために使用される。

特にディーゼル内燃エンジンにおいて、内燃エンジンによって生成される排気ガスに尿素水溶液を直接加えるための方法、または排気ガスの外部で実施される加水分解後に、その排気ガスにアンモニアを加えるための方法が証明されている。ここで、公知の方法において、アンモニアが尿素から得られる加水分解触媒コンバータが使用されている。尿素水溶液は、加水分解触媒コンバータの上流の排気ガス中で測定され、気体状に変化され、加水分解触媒コンバータと接触する。その後、このように生成されるアンモニアは、例えば、排気システムのさらに下流のいわゆるＳＣＲ（選択的触媒還元）触媒コンバータを用いて、その中に含まれる窒素酸化物と反応して、窒素および水分子を生成する。

特に、尿素水溶液の蒸発の間の温度制御が難しい。これは特に、最初に必要とされる量の尿素水溶液および次に排気ガス中の利用可能な温度（例えば自動車での適用の場合）が著しく変化する場合である。不完全な蒸発のみが得られる場合、中間生成物が生成し、蒸発ユニットが遮断することを導く可能性がある。そのような望ましくない副産物は、例えば、イソシアン酸および尿素から形成される、水に溶けないビウレット、ならびにイソシアン酸の三量化産物である、シアヌル酸である。アンモニア前駆体、特に、尿素水溶液の蒸発の間、一部において、再度除去され得るのみで困難性を伴う、上記の望ましくない化合物の生成を防止するために、液体への温度の導入が、臨界温度範囲以上で非常に迅速に行わなければならないことが観察されている。

これらのことを出発点として考慮して、本発明の目的は、従来技術に関して明らかとなった問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、尿素水溶液を蒸発させるための装置を特定することを目的とし、その装置によって、尿素水溶液が迅速かつ可能な限り完全に蒸発されることが達成され、特に望ましくない副産物の生成がかなり減少する。特に、これは、蒸発される尿素水溶液の異なる量に関して非常に変化する要求下でさえ、実現可能であるべきである。さらに、この装置は、適切な場合、蒸発に加えて、還元剤前駆体の処理またはアンモニアへの変換のためのなおさらなる可能性の実現に適切であるべきである。

この目的は、特許請求の範囲の請求項１の特徴に従う装置によって達成される。本発明のさらなる有益な実施形態および適用は、特許請求の範囲の従属請求項に特定される。特許請求の範囲に個々に特定される特徴は、任意の所望の技術的に適切な方法において互いに組み合わされてもよく、本発明のさらなる実施形態を形成してもよいことは留意されるべきである。本発明はまた、特に、図面と併せた詳細な説明によって、さらに特徴付けられ、より正確に与えられる。

尿素水溶液を蒸発させるための本発明による装置は、尿素水溶液のための送出管を有し、その送出管は、熱エネルギーを導入するための少なくとも１つの第１の領域および第２の領域を通して延び、その領域は、互いから別々に加熱されることができ、第２の領域において、送出管は、最初に、第２の入口領域において蛇行形状を有し、その後、直線形状を有する。

この装置は、好ましくは、独立して作動され得る別個の部品である。この目的のために、この装置は、例えば、別個のハウジングを有するカートリッジの形態で形成され得る。

ここで、尿素水溶液のための送出管が前記装置に設けられる。蒸発される尿素水溶液が誘導される１つの送出管を正確に設けることが非常に特に好ましい。尿素水溶液の蒸発のために、尿素水溶液を最初に、中間温度、例えば１００℃以上だが２００℃以下の温度範囲までの状態に予めし、その後、蒸発に必要な熱エネルギーを実際に導入することが有益であると証明されている。この理由のために、送出管は、熱エネルギーが、異なる強さおよび相互に別々の調節能力で送出管に導入され得る少なくとも２つの領域を通して延びる。ここで、第１の領域から、蒸発が最終的に起こる第２の領域までの遷移が特に重要であることが証明されている。前記領域における蒸発の質の差は、自動車での適用の場合、各々の場合における異なる送達速度が、蒸発器において気体状態になるように変化されなければならないという事実から生じる。ここで、送達速度は、温度制御のみでは、望ましくない副産物の除去を恒久的に確保できないような強さで変化する。尿素水溶液の送達速度または蒸発速度は、必要性およびエンジン仕様に応じて合計で１２５ｍｌ／分である。ここで、ライデンフロスト効果、過度に強い局所冷却および尿素水溶液への熱の不十分な導入は、第１の領域から第２の領域までの遷移における突然の温度変化の場合、蒸発を妨げるのみの一部の効果を有する。これは特に、１５ｍｌ／分の送達速度の低下および非常に特に２ｍｌ／分までの低下に当てはまる。

かなり改良された蒸発結果を得るため、および送出管が前記安定状態の動作の間に遮断される傾向を減少させるために、送出管を、第２の領域において、最初に蛇行設計にし、その後、直線設計にすることが有益であることが見出されている。蛇行形状は、ここで特に、第２の領域の入口領域において、送出管が、（例えば長手方向軸に沿って）直線ではなく、むしろ好ましくは、複数のコイル状、ループ状、巻き状などを有することを意味する。尿素水溶液が前記領域を流れる場合、送出管壁との強い接触および送出管を通る尿素水溶液の混合が、方向の強制的な変化により達成され、これにより、迅速かつより完全な蒸発が導かれる。

また、送出管が、第２の領域の第２の出口領域において蛇行形状を有することは有益であるとみなされる。これは例えば、第２の領域が、３つの領域、具体的には入口領域、中心領域および出口領域を有して形成され、送出管が、互いに直列に直接隣接する以下の形状：蛇行形状、直線形状、蛇行形状を有することを意味する。また、第２の領域のそれぞれは、異なる長さであることが好ましい。特に、第２の中心領域は、第２の入口領域より長いように設計され、次いで第２の入口領域は、第２の出口領域より長いことが好ましい。適切な場合、別個の加熱素子が各領域に設けられてもよいが、複数の加熱素子を１つの領域にわたって延びるようにしてもよい。

さらに、送出管の第１の領域から第２の領域までの遷移領域が、拡大した断面を有して形成されることが有益であることが見出されている。例えば管の断面は、０．２ｍｍ^２〜３０ｍｍ^２の範囲であり、送出管は、好ましくは、１０ｍｍ^２〜１６ｍｍ^２、特に約１２ｍｍ^２の管の断面を有して遷移領域で形成される。第２の領域内の入口のすぐ上流で尿素水溶液を拡張するための前記能力はまた、望ましくない副産物の除去に有益であることが証明されている。

本発明の１つの改良において、第１の領域において、送出管は最初に、第１の入口領域において直線形状を有し、その後、蛇行形状を有する。前記第１の領域は、好ましくは、正確に２つの領域のみを有し、送出管は、直線形状から蛇行形状に直接融合する。第１の入口領域および第１の出口領域はほぼ同じ長さであることが好ましく、各々の場合、別々に動作可能な電気的加熱素子が設けられる。

さらにまた、第１の領域および第２の領域を、送出管を囲むパイプにより接続することが有益であるとみなされる。すなわちこれはまた、第１の領域および第２の領域が、好ましくは実質的に互いから熱により分離されるので、所望の温度が正確な形態で第１の領域および第２の領域において設定され得ることを意味する。このように、第１の領域と第２の領域との間の遷移領域において、顕著な温度ステップを達成することが可能であり、同様に、望ましくない副産物を得ずに蒸発を促進する。例えば、このように送出管が、第１の領域および第２の領域において、伝熱層（例えばアルミニウム本体または銅粒）を介して加熱素子に接続され、送出管は、遷移領域において例えば断熱設計であるパイプを有して形成される。

本発明はまた、送出管が、少なくとも１つの電気的加熱素子と熱伝導接触するように配置される毛細管を有して形成されるように改良される。例えば、毛細管は、特に小さなパイプの形態の別個の構成要素である。この装置において望まれる尿素水溶液の処理の種類に応じて、毛細管は対応する材料および／または表面粗さを有して形成され得る。例えば、毛細管がまた、加水分解機能を実施すべき場合、表面粗さは４〜２０μｍ［マイクロメートル］の範囲であり得、次いで毛細管は好ましくはチタンで形成される。しかしながらまた、送出管は、蛇行形状を有する第２の入口領域において、低い表面粗さ、特に１０μｍ未満またはさらに５μｍ未満を有することが好ましい。電気的加熱素子として、特に、自己調節する発熱エレメント、いわゆるＰＴＣ抵抗器（ＰＴＣ：正温度係数）が使用される。これは、熱導体が設定温度付近で、自己調節形態で動作することを可能にする正温度係数を意味すると理解される。この種類の自己調節発熱エレメントは、例えば、チタン酸バリウム磁器および／またはドープされたポリマーなどのセラミック材料から構築される。このような自己調節発熱エレメントは簡単な作動を可能にする。ここで、電気的加熱素子が、毛細管または送出管と直接接触せず、むしろ伝熱層が設けられることが好ましく、電気的加熱素子および毛細管が埋め込まれる。前記伝熱層は好ましくは銅および／またはアルミニウムを含む。

ここに記載される本発明による装置の動作のために、尿素水溶液が、１００℃〜１８０℃の範囲の温度まで第１の領域において予め加熱され、第２の領域において４２０℃〜４９０℃の範囲の温度で蒸発されることが提案される。従って、２００℃以上の温度ステップにより特徴付けられる、（唯一の）２段階加熱プロセスが、ここで、提案される。この方法は特に、例えば１０ｍｌ／分までの低い平均スループットで非常に少量の尿素水溶液を蒸発させるのに適切である。しかしながら、正確にはこれらの速度は、装置の自動車での適用において一貫して生じるので、これは重要な負荷範囲を表す。本発明による設計により、これらの低いスループットでさえ、最初の時間で送出管の遮断を確実に回避することを可能にする。

本発明は特に、制御器と、還元剤測定システムを有する排気システムとを有する自動車において使用され、ここで、還元剤測定システムは、本発明に係る少なくとも１つの装置を有し、制御器は、還元剤の断続的に測定される添加のための本発明に係る方法を実施するように設定される。従って、この装置は、（適切な場合、加水分解触媒コンバータとの接触後、アンモニアとして）気体状態で排気ガスに加えられる尿素水溶液の蒸発のために少なくとも使用される。従って、この装置は特に、排気ガスの外側での尿素水溶液の蒸発（および加水分解）に役立つ。この装置または排気システム内で生成されるアンモニア（還元剤）は、排気システムにおいて、いわゆるＳＣＲ触媒コンバータの存在下で望ましくない窒素酸化物の変換を可能にする。ＳＣＲプロセスは公知であるので、より詳細な説明は与えない。この方法の実行に関して、特に、排気システムへの還元剤の連続フローではない「断続的に」測定される添加手段が得られるというよりむしろ、還元剤または尿素水溶液の投与される量は、各々の場合、時間内の予め規定された時点で加えられる。

本発明および技術分野は図面に基づいて以下に説明される。本発明は図面の主題に限定されないことは留意されるべきである。

図１は、本発明による装置の好ましい設計の変形例を示す。 図２は、自動車の排気システムへの本発明の装置の一体化の可能な例を示す。 図３は、本発明による装置における尿素水溶液への温度の導入を示す。

図１は、尿素水溶液を蒸発させるための本発明による装置の好ましい実施形態を示す。ここで、装置１は、２つの領域および５つの独立した加熱素子を有して構築され、第１の領域３と第２の領域４は非対称の設計である。

蒸発される尿素水溶液は、例えば送出管２を介して左側で装置１に侵入する。ここで、送出管２が、出口領域１９に直接隣接する領域における蛇行形状６に融合する前に、その送出管２は、第１の入口領域１１において直線形状７を有して形成される。前記第１の領域３内で、また、その後、第２の領域４において、送出管２は、伝熱層２９（ここでハッチングにより示す）に埋め込まれた毛細管１３を有して形成される。また、加熱素子１４も前記伝熱層２９に提供され、ここで、図１において、第１の入口領域１１およびまた、第１の出口領域１９の両方の各々は、別々に調節可能な加熱素子１４を有することが示される。ここで示される設計の変形例において、第１の入口領域１１および第１の出口領域１９は、ほぼ同じ長さであり、２つの領域は互いに直接隣接し、第１の領域３においてさらなる領域は提供されない。同じ温度が、特に例えば１１０℃〜１２０℃などの非常に狭い温度窓において第１の入口領域およびまた、第１の出口領域１９の両方において加熱素子１４によって設定される。

第１の領域３を出た後、既に適当な状態に置かれた尿素水溶液は、遷移領域９を介して送達方向２５において流れ、ここで、送出管２はパイプ１２により形成される。ここで、前記遷移領域９は伝熱層２９を有して形成されないので、ここで、第１の領域３と第２の領域４との間の厳密な温度の分離が存在することが明確に理解され得る。

前記遷移領域９から進み、尿素水溶液は送達方向２５において第２の領域４内に流れる。次いで第２の領域４は、毛細管１３を有する送出管の場合のように、伝熱層２９に埋め込まれる、別々に動作可能な加熱素子１４を有して形成される。本発明によれば、尿素水溶液はまず、第２の入口領域５を流れ、ここで、送出管２は蛇行形状６を有する。前記第２の入口領域に隣接して、送出管２が直線である第２の中心領域２０が設けられる。第２の中心領域に続いてまた、ここで、送出管２が再び蛇行形状で設けられる第２の出口領域８が存在する。

ここで提案される設計において、第１の領域３および第２の領域４は均一でないか、または非対称の構造であることが見られ得る。第２の領域４自体の構造は、特に、第２の入口領域５、第２の中心領域２０、および第２の出口領域８の構造に関して、均一でない設計、すなわち非対称であることもまた見られ得る。送出管２は第２の領域４において非対称の構造であるが、それにも関わらず、３つ隣接して配置される、独立して動作可能な加熱素子１４を設けることが可能であり、特に、複数の加熱素子１４が第２の中心領域２０で作動する。これは、実質的に同じ温度（例えば４４０℃〜４７０℃）が３つ全ての加熱素子１４によって設定されるので、問題ではない。

図２はエンジン２１を有する自動車１５を概略的に示す。エンジン２１において生成される排気ガスは、排気システム１７を介して大気中に排出される。環境への汚染物質の放出を最小化するために、排気ガスは排気システム１７においてさらに処理される。図２における排気システム１７は、単一の触媒コンバータ２２、特にＳＣＲ触媒コンバータを示し、排気ガスがその触媒コンバータ２２に衝突する前に、還元剤が排気ガスに供給される。ここで、還元剤は、例えば気体の尿素であるか、または加水分解が既に行われている場合、気体のアンモニアである。前記還元剤を注入するために、特に、本発明による上記の装置１が使用される。ここで、自動車１５は、従って、排気システム１７のための還元剤測定システム１８が備えられる。還元剤測定システム１８は、例えば尿素水溶液のためのタンク２３およびまた送達ユニット２４を備え、その送達ユニット２４は、要求に従って、還元剤を装置１または排気システム１７に誘導し得る。要求に従って還元剤を注入するために、制御器１６もまた設けられ、その制御器１６によって、装置１および／または送達ユニット２４の動作が実現される。前記動作のために、適切な場合、エンジン２１の動作に関する情報、および排気システムにおけるプロセスに関する他の測定値または計算結果を処理することも可能である。

最終的に、図３は、急激な温度変化が装置によって達成されることを示すことを意図する。この図は、第１の領域３および第２の領域４を流れる場合の尿素水溶液の温度２７を示す。前記温度処理の特定の特徴は、顕著な温度ステップ２８が、第１の領域３と第２の領域４との間の短い遷移領域において実現されることである。望ましくない副産物の生成は、このようにかなり制限され得る。

本発明は特に、排気ガスと接触する前に尿素水溶液（商標名ＡｄＢｌｕｅとしても公知である）を蒸発させるために使用される。加水分解がまた、装置内で行われ得るので、尿素は、装置内で既にアンモニアに変換され、それにより、アンモニア自体が排気ガスに加えられる。しかしながら、基本的にまた、気体状の尿素を排気ガスに直接加えてもよく、加熱分解の結果としてアンモニアが生成される。排気ガス内での加熱分解も可能であり、ここで、対応する触媒コンバータが使用され得る。

本発明は特に、少量の還元剤または尿素水溶液の測定した添加を目的とする。作動中の従来の蒸発ユニットは不十分な蒸発および遮断される高い傾向を生じることが見出されている。本発明の装置はまた、自動車における可動性の適用において生じるような還元剤のより高いスループットを実現できることが自明であり、それらは重要ではない。提示される装置はさらに、例えばカートリッジの形態で非常にコンパクトな構造であるので、適切な場合、部品パッケージとしても排気システムにおいて空間を節約した形態で適合され得る。

１ 装置
２ 送出管
３ 第１の領域
４ 第２の領域
５ 第２の入口領域
６ 蛇行形状
７ 直線形状
８ 第２の出口領域
９ 遷移領域
１０ 断面
１１ 第１の入口領域
１２ パイプ
１３ 毛細管
１４ 加熱素子
１５ 自動車
１６ 制御器
１７ 排気システム
１８ 還元剤測定システム
１９ 第１の出口領域
２０ 第２の中心領域
２１ エンジン
２２ 触媒コンバータ
２３ タンク
２４ 送達ユニット
２５ 送達方向
２６ 温度
２７ 時間
２８ 温度ステップ
２９ 伝熱層

Claims (8)

1. 尿素水溶液のための送出管（２）を有する、尿素水溶液を蒸発させるための装置（１）であって、前記送出管は、熱エネルギーを導入するための少なくとも１つの第１の領域（３）および第２の領域（４）を通して延び、前記領域は、互いから別々に加熱されることができ、前記第１の領域（３）において、前記送出管（２）は、最初に、第１の入口領域（１１）において直線形状（７）を有し、その後、蛇行形状（６）を有し、前記第２の領域（４）において、前記送出管（２）は、最初に、第２の入口領域（５）において蛇行形状（６）を有し、その後、直線形状（７）を有する、装置（１）。
2. 前記第２の領域（４）において、前記送出管（２）は、第２の出口領域（８）において蛇行形状（６）を有する、請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記第１の領域（３）から前記第２の領域（４）までの遷移領域（９）において、前記送出管（２）は拡大した断面（１０）を有して形成される、請求項１または２に記載の装置（１）。
4. 前記第１の領域（３）および前記第２の領域（４）は、前記送出管（２）を囲むパイプ（１２）によって接続される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置（１）。
5. 前記送出管（２）は、少なくとも１つの電気的加熱素子（１４）と熱伝導接触するように配置される毛細管（１３）を有して形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置（１）。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（１）を作動するための方法であって、前記尿素水溶液は前記第１の領域（３）において１００℃〜１８０℃の範囲の温度まで予め加熱され、前記第２の領域（４）において４２０℃〜４９０℃の範囲の温度で蒸発される、方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、前記方法は、１０ｍｌ／分までの平均スループットでのような少量の尿素水溶液を蒸発させるのに適している、方法。
8. 制御器（１６）と、還元剤測定システム（１８）を有する排気システム（１７）とを有する自動車（１５）であって、前記還元剤測定システム（１８）は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の少なくとも１つの装置（１）を有し、前記制御器（１６）は、還元剤の断続的に測定される添加のための方法を実施するように設定される、自動車（１５）。
   

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