专利名称：用于降低内燃机废气中氮氧化物的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于降低内燃机的废气内的氮氧化物的设备。该设备尤其 适用于机动车，特别是带有柴油机的机动车。
背景技术：
在EP 1 338 562中描述了用于产生氨的方法和设备。其中将干的尿素在电 加热的反应器内分解为氨和异氰酸。为将异氰酸水解为氨，该反应器后接了水 解催化器。热解反应器和水解催化器在此集成为单一的单元。水解所需的水通 过相对少量的废气流供给到水解催化器。废气部分流从废气流中获得且必须受 到限制，使得在内燃机的所有运行状态中都有供水解使用的足够的水量。额外 的废气量将引起热解反应器的冷却，以及要求附加的热功率。为在不同的内燃 机运行范围内能向水解反应器供给相应的废气量，有利的是在废气部分流流过 的取出管道内具有可调节阀。另外，要求为每个内燃机将废气部分流与所有稳 态和非稳态运行状态进行匹配。这造成了明显的应用成本。在很低的废气部分 流时，在短时间后在从反应器通到排气道内的管道内出现了积存，通过该管道 将氨和其他反应产物供给给废气。
另外，在EP 1 338 562中描述的设备具有如下缺点，即在发动机舱内必须 提供相应的安装空间。另外，在此设备中要求专用的水解催化器，该水解催化 器必须直接后接于热解反应器。在EP 1 338 562中描述的反应器的前述缺点导 致此类反应器是昂贵的。
此外已知了用于由液态尿素生成氨的设备。然而这些设备具有由于原理限 制的缺点，使废气内的氮氧化物的可靠降低变得困难。液态尿素系统的缺点例
如是尿素的水溶液在外部温度大约为-irc时冻结，使得系统在运行前必须加
热。这提高了系统成本且可能影响系统的功能。在固态尿素系统中不存在此问 题。此外，与液态尿素系统相比，固态尿素系统具有改进的冷起动特性。这是 由于在固态尿素系统中尿素的水解与分开的被加热的热解反应器内的废气温度
无关地进行。这可以更早地实现尿素的完全热解所需的最低温度。
此外，液态尿素系统可能不满足关于重量和位置需求的要求。为生成相当 的氨量，例如具有小球形状的固态尿素仅需要与尿素水溶液相比大约三分之一 的存储体积且同样大约三分之一的存储质量。这对于车辆内所要求的安装空间 和增加的重量以及以尿素填充所实现的行驶距离具有重要意义。
另外的缺点是尿素水溶液对于 一些材料具有的腐蚀性以及尿素水溶液的 不稳定性，尿素水溶液在数月之后可能倾向于部分地结晶，使得系统功能受到 影响。由于所述的原因，原理上使用固态尿素系统比使用液态尿素系统更有利。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是完成更简单和成本更廉价的用于降低内燃 机废气内、特别是机动车内燃机内的氮氧化物的设备构造。
根据本发明，通过根据权利要求1的设备解决此技术问题。 根据本发明的用于降低氮氧化物的设备具有用于由固态尿素生成氨的热 解反应器，方式是通过向生成氨的固体物质供给热量而获得氨。所述固体物质 是固体形式的尿素。然而，也可以使用另外的合适的固体材料。固态尿素在此 特别地以小九或小球存在，且定剂量或单个地供给到热解反应器。相应的定剂
量设备在DE 102 51 498中描述。根据本发明，建议使用固态尿素或其他合适 的固体物质，因为将其存储在相应的存储容器内是简单和安全的。为加热提供 在热解反应器内的热解腔，将热解反应器与加热装置连接。
本发明的基本方面在于热解反应器布置在排气道内和/或排气道上。热解反 应器因此在一个实施形式中布置为直接邻接排气道。其优点是废气的温度被用 于加热热解反应器。热解反应器在另一个实施形式中也可以部分地突伸入排气 道内。在一种特别优选的实施形式中，热解反应器完全地布置在排气道内。其 优点是可降低所需的加热装置的功率，因为加热装置仅需是附加加热装置，以 使得热解反应器优选地在内燃机的所有运行状态中达到反应温度。
在从尿素生成氨中产生了副产品异氰酸。异氰酸可通过水解转化为氨。因 此，根据本发明在流动方向上在用于降低废气内的氮氧化物的催化器前方布置 了热解反应器。催化器特别是SCR催化器。从热解反应器出来的氨以及可能附 加地出现的另外的反应产物(特别是异氰酸)因此与废气一起进入SCR催化器。
由此总是通过废气向SCR催化器供给了足够量的水，在SCR催化器内实现了 将异氰酸水解为氨。根据本发明，SCR催化器因此附带地用作水解反应器。 不再需要后接在热解反应器上的分立的水解催化器。热解产物可以直接导入到 废气内。
通过不再为热解反应器后接水解催化器，实现了以简单的方式将热解反应 器直接布置在排气道附近或甚至布置在排气道内。其内集成了水解催化器的已 知的热解反应器不适合于这种布置。
特别优选的是将热解反应器通过排气管内的孔插入且至少部分地突伸入 排气管内。此布置用于尽可能有效地将热解产物与废气流混合。在此，发动机 废气本身具有在宽运行范围内的温度，该温度明显地低于热解反应器内的温度 水平。因此，在湍流的废气流中进行从热解反应器到废气内的强的热传输，这 在例如将热解反应器布置在外侧时，例如布置在发动机舱内时不发生。因此强 制地出现了通过在旁边流过的废气对于热解反应器的确定区域的冷却，使得不 总是满足对于可靠的热解所需的热学要求。在此情况中特别有问题的是在热解 中出现的异氰酸中的继续化学反应，该继续化学反应特别地当热解反应器的内 部区域的部分冷却到350。C至400。C以下的温度时发生。为避免这样的冷却，因 此需要特别匹配地设置电加热且将热功率在热解反应器的不同的区内进行分 配。例如，加热装置的为此在热解反应器内在被废气较强地冷却的位置可能具 有较高的加热功率。
根据本发明的设备的另一个优点是热解反应器可直接布置在排气道上和/ 或排气道内。因此在发动机舱内不要求相应的位置。如果需要，热解反应器也 可以提供在排气道的旁通管道内。
根据本发明，不要求从排气道内获取准确的排气流来供给到例如在EP 1 338 562中描述的水解反应器。因此同样不要求用于根据相应的运行状态来调节 废气部分流的相应的可调节阀。
根据本发明的设备因此构造简单且毫无困难地应用于内燃机。因此，本发 明的设备是用于对产生氨的物质，特别是尿素进行热处理的廉价设备。
优选地，加热装置是电加热装置。其优点是加热装置可以以简单的方式进 行调节。因此，可以精确地调节在热解腔内所要求的温度，且因此在不同的运 行状态中保证热解所要求的温度。
在一种优选的实施形式中，热解反应器在废气的流动方向上后接于氧化催
化器。热解反应器因此布置在氧化催化器和SCR催化器之间。在氧化催化器中 基本上进行了对未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的放热氧化。因此将热解反应 器在流动方向上布置在氧化催化器后方具有如下的优点，即在氧化催化器中生 成的热可用于加热热解反应器。优选地，热解反应器因此直接布置在氧化催化 器附近。在此特别地有利的是将热解反应器与氧化催化器热耦合。特别地，热 解反应器靠放在氧化催化器上。有利地，热解反应器的加热表面靠放在氧化催 化器上。
本发明的另一个有利的实施形式是热解反应器至少部分地布置在氧化催 化器内部。氧化催化器在此至少环形地形成在热解反应器的区域内，且因此优 选地沿热解反应器的外周围绕热解反应器。在此，热解反应器的加热表面基本 上垂直于废气的流动方向布置，以保证对热解反应器的良好的加热。
在本发明的其中热解反应器的加热基于在氧化催化器中产生的热来进行 的实施形式中，可以在需要时取消附加的加热装置。特别是对于再次优选地作 为电加热装置的加热装置，可以将其设置为更小的加热装置。因此，可以进一 步降低成本。
除电加热装置外，可以通过燃料供给装置向氧化催化器供给燃料。该装置 在氧化催化器内实现，且因此提高了可用于加热热解反应器的温度。特别地， 燃料供给借助于喷射喷嘴进行，该喷射喷嘴优选地在流动方向上布置在氧化催 化器前方。通过燃料喷嘴，可以有针对性地将燃料供给到氧化催化器。优选地， 燃料供给装置因此具有可调节的阀，使得所供给的燃料可调节。因此，可以根 据热解腔内的温度调节燃料供给。
优选地，燃料供给仅在氧化催化器的部分区域内进行。优选地，该部分区 域是氧化催化器的直接邻接热解反应器的部分区域。其优点是所供给的燃料基 本上完全用于加热热解反应器。
特别地优选的是氧化催化器在此部分区域内具有附加涂层，以便于特别的 催化燃烧。
因为根据本发明异氰酸的水解在SCR催化器内进行，所以有利的是，优选 将从热解反应器出来的反应产物尽可能均匀地分配。为此，可以在热解反应器
和SCR催化器之间设置混合器。由此保证了在热解反应器内产生的全部反应产
物通过SCR催化器的进入面基本上均匀地分配。因此保证了将废气中存在的氮 氧化物的尽可能多的部分在SCR催化器内降低。
如下参考附图根据优选实施形式详细解释本发明。各图为 图1示出了热解反应器的示意图2示出了根据本发明的设备的第一实施形式的示意图； 图3示出了根据本发明的设备的第二实施形式的示意图；和 图4示出了根据本发明的设备的第三实施形式的示意图。
具体实施例方式
在优选的实施形式中，热解反应器IO具有壳体12，壳体12基本上为杯状 且因此在侧面14开口。在壳体内布置了可加热元件16。在此，可加热元件16 例如是具有多通道18的由耐热材料制成的主体。特别地，可加热元件16可以 具有金属或陶瓷，且必要时以它们涂敷涂层。可加热元件16可以通过电加热装 置17加热。
在壳体12内且特别地也在可加热元件16内布置了热解腔20。通过供给管 道22可以向热解腔供给用于生成氨的物质。优选地，将尿素作为该物质供给。 尿素是具有小丸或小J求24形式的固体。小球24在热解腔20内^皮加热。以此， 作为反应产物产生了氨和异氰酸。这些反应产物沿箭头25的方向通过通道18 在热解反应器的侧面14流出。
根据本发明的第一种优选实施形式(图2)，热解反应器10 (特别是根据 图l形成的热解反应器)布置在排气道26上。在根据图2中示出的实施例中， 热解反应器IO部分地突伸入排气道16内，其中热解反应器IO的开口的前侧面 14指向通道26内。
在流动方向28上在热解反应器10前方布置了氧化催化器30。废气因此流 过氧化催化器30，在其中进行氧化。氧化催化器利用了碳水化合物和CO的氧 化以及N02的形成来提高SCR催化器的低温活性。可以将与可加热元件16(图 1 )连接的特别电加热装置构造得较弱。因此，可以降低成本。废气沿热解反应 器IO流动且将其加热。
为保持热解腔20内的温度尽可能恒定，电加热装置17是可调节的。有利
在流动方向28上，在排气道26内后接于热解反应器IO地设有混合器32。 通过混合器进行了废气流的混合，使得由热解反应器排出的氨以及排出的异氰 酸均匀地分配在废气流内。其优点是使得基本上均匀的混合物在SCR催化器 34内流动，该SCR催化器34在流动方向28上后接于混合器32。以此，可以 保证废气内的氮氧化物的良好的降低。
在第二种优选实施形式(西3)中，相同的和类似的部件以相同的附图标 记标识。图3所示的实施形式与图2所示的实施形式的不同之处仅在于将热解 反应器10完全地布置在排气道26内。在此，热解反应器可以如所图示布置在 排气道26中间，不过也可以布置在排气道26的边沿上。在此，热解反应器IO 例如通过排气道26内的桥接件来保持，或直接地与排气道26的内壁连接。
在第三种优选实施形式(图4)中，相同的或类似的部件再次以相同的附 图标记标识。在此实施形式中，特别之处在于热解反应器IO抵靠在氧化催化器 30的外侧面36上。因此，可以是壳体12 (图1 )的一部分的加热表面38就抵 靠在外侧面36上。因此保证了将氧化催化器30内产生的热良好地传递到热解 反应器10。
优选地，在流动方向28上在氧化催化器30的前方设有燃料供给装置40。 该燃料供给装置40具有喷射喷嘴42。通过喷射喷嘴42可将燃料喷射到氧化催 化器30内。这导致了燃料在氧化催化器30内的催化燃烧。
为调节向氧化催化器30供给的燃料量，燃料供给装置还具有尤其是可调 节的阀44。燃料供给装置40的燃料管道46可以直接与燃料箱连接。
优选地，燃料喷射仅在氧化催化器30的部分区域48内进行。部分区域48 是氧化催化器30的在流动方向28上直接布置在热解反应器10前方的区域。因 此，热量在氧化催化器30的尤其是圓柱形区域内生成，该圆柱形区域在流动方 向28上延伸且邻接加热表面38。因此，避免了在氧化催化器30的不能用于加 热热解反应器10的区i^内另外地产生热量。
向氧化催化器内的喷射燃料仅当催化器温度在180 。C以上才合适地进行， 因为常规燃料的喷射仅在此温度以上才能被激活。
权利要求
1. 一种用于降低内燃机废气内的氮氧化物的设备，设备带有布置在排气道(26)上和/或内的热解反应器(10)，该热解反应器用于由固态尿素产生氨，与所述热解反应器(10)热耦合的加热装置(17、40)，该加热装置用于加热所述热解反应器(10)的热解腔(20)，和在所述排气道(26)内在废气的流动方向(28)上后接于所述热解反应器(10)的SCR催化器(34)，氨必要时与另外的反应产物一起流入到所述SCR催化器(34)内，其中所述SCR催化器(34)另外用作水解催化器。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述加热装置(17)形成为 电加热装置。
3. 根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述热解反应器(10) 在所述流动方向(28)上前接有氧化催化器(30)。
4. 根据权利要求3所述的设备，其特征在于所述热解反应器(10)直接 布置在所迷氧化催化器(30)附近，使得所述热解反应器的加热通过所述氧化 催化器(30)内生成的反应热进行。
5. 根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于所述热解反应器(10 ) 与所述氧化催化器(30)热耦合。
6. 根据权利要求3至5中任一项所述的设备，其特征在于所述热解反应 器(10)至少部分地布置在所述氧化催化器(30)内。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于所述热解反应 器(10)具有基本上垂直于废气流的流动方向(28)定向的加热表面(38)。
8. 根据权利要求3至7中任一项所述的设备，其特征在于所述加热装置 (40)具有用于向所述氧化催化器供给燃料的燃料供给装置(40)。
9. 根据权利要求8所述的设备，其特征在于所述燃料供给装置(40)具 有喷射喷嘴(42)，所述喷射喷嘴(42)特别地在所述流动方向(28)上布置在 所述氧化催化器(30)的前方。
10. 根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于燃料供给基本上仅在 所述氧化催化器(30)的部分区域(48)内进行，其中所述部分区域(48)优 选地直接邻接所述热解反应器(10)。
11. 根据权利要求IO所述的设备，其特征在于所述氧化催化器(30)在 所述部分区域(48)内具有附加涂层。
12. 根据权利要求1至11的一项所述的设备，其特征在于在所述热解反 应器(10)和所述催化器(34)之间设有混合装置(32)。
全文摘要
本发明涉及一种用于降低内燃机废气内的氮氧化物的设备，该设备具有热解反应器(10)。在热解反应器(10)内通过供给热量而将尿素转化为氨和异氰酸。在本发明的优选实施例中，热解反应器(10)布置在排气道(26)内且热耦合到在热解反应器(10)的流动方向上前接的氧化催化器(30)。通过在氧化催化器(30)内发生的放热反应可以实现对热解反应器(10)的加热。为进一步提高温度，可以将燃料通过燃料供给设备(40)喷射到氧化反应器(30)内。该燃料在氧化催化器(30)内催化燃烧。
文档编号F01N3/20GK101395350SQ200780007543
公开日2009年3月25日 申请日期2007年1月26日 优先权日2006年1月27日
发明者安德烈亚斯·凯斯特, 沃纳·米勒, 海因里希·迪斯蒙, 罗尔夫·拉潘, 马丁·诺瓦克 申请人:皮尔伯格有限责任公司;凯撒斯劳滕科技大学