计量添加特别是用于选择性催化还原的还原剂到内燃机废气流中的计量添加设备

摘要

本发明涉及计量添加特别是用于选择性催化还原的还原剂到内燃机废气流中的计量添加设备。具体地，本发明涉及计量添加设备，其用于计量添加还原剂到内燃机废气流中，特别是适于氧化氮的选择性催化还原的还原剂，其具有至少一条计量添加通道，经该计量添加通道可将还原剂计量添加废气流中。按本发明，至少在该计量添加通道(2)的内部配置或形成至少一个催化活性表面(10，13)，其抑制固态的还原剂分解产物的形成和/或有利于固态的还原剂分解产物(11)的分解和/或有助于气态的还原剂分解产物的形成。

说明书

技术领域

本发明涉及权利要求1前述部分的计量添加设备，其用于将还原剂(特别是用于选择性催化还原的还原剂)计量添加到内燃机废气流(Abgasstrom)中。

背景技术

通常已知，采用催化净化方法来去除燃烧装置废气中的有害物质。催化净化方法在所谓的还原剂驱动(reduktionsmittelbetriebenen)的废气净化装置中应用，在该方法中，作为第一反应物的有害物质与额外的在废气中携带的作为第二反应物的介质进行反应。

在还原剂驱动的废气净化装置中，加到废气腔中的介质大多为还原剂，该还原剂与废气的一种或多种有害物质反应。例如通常是通过选择性催化还原(SCR)降低内燃机废气流中的氧化氮(Stickoxidanteil)成分。为此在废气流中加入直接起还原性作用的物质如氨或在废气中释放出还原性物质的前体。作为前体可尤其使用例如尿素，主要以尿素-水溶液的形式、甲酸铵等。

这种物质分解并由此释出氨是SCR-法中可应用该方法的决定性因素。

(NH₂)₂CO+H₂O→2NH₃+CO₂

因为例如按上式的尿素分解在气相中于450℃才成功地定量进行，所以在废气管路(Abgastrakt)中常使用所谓的水解催化剂或尿素分解催化剂(EP 0487886B1和EP 0555746B1)，在此情况下分解温度可降到约170℃。这些催化剂加速了在尿素分解时通过热解释出的异氰酸水解成NH₃和CO₂。

(NH₂)₂CO→NH₃+HNCO

HNCO+H₂O→NH₃+CO₂

作为活性成分可用TiO₂和/或SiO₂和/或Al₂O₃和/或沸石。这些活性成分以涂层形式施加于陶瓷的或金属的大多呈蜂窝状的催化剂载体上。

如果不使用水解催化剂或使其过载，其中所述水解催化剂在例如过低温度和/或过高还原剂加料量下运行，则该异氰酸不能定量水解。特别是在使用尿素水溶液时是有问题的，因为由于水蒸发又使废气耗散额外的热量，并由此经冷却。

如果尿素不能定量分解成氨和二氧化碳，则形成非常热稳定的大多为环状的和不溶于水的固态副产物如蜜胺(Melamin)、黑素(Melanin)和氰尿酸。这些固体淀积在水解催化剂上、尿素喷嘴上和管道上，并可导致废气流的完全堵塞或SCR-系统停止运行。

这些物质在450-500℃以上才能成功分解。但最新的发动机的废气温度由于其高效率通常低于400℃。这就不可再去除可能形成的淀积物。

在选择性催化还原时形成的氨(NH₃)可将一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)还原成分子氮(N₂)。该选择性催化还原通常在所谓的SCR-催化器(SCR-Katalysator)上发生。

除在废气流中释放氨外，在汽车中应用SCR-法时借助于加料设备或计量添加设备(Dosiervorrichtung)将待分解的还原剂加到废气流中还有另一问题。特别是在借助于安装在废气管路上或废气管路中的喷嘴加料时，于高温下在喷嘴内可能已导致还原剂分解，并导致业已形成上述固体分解产物蜜胺、黑素和氰尿酸。如果这些物质迁移入喷嘴孔，则导致堵塞和由此导致SCR-系统停止运行。经孔或缝将固态还原剂加到废气管路中也会发生这种情况。

为避免特别是与内燃机冷启动相关的不合意的有害物质产生，需将催化剂尽可能快地加热到其运行温度，特别是所谓的起动温度，在该温度下可转变50％的有害物质。为此，在内燃机的废气管路(Abgasstrang)中的催化剂要尽可能地接近发动机安装，以有利于快速加热和由此尽快地起动催化剂。因此，伸入废气流中的计量添加设备由非常热的废气流所包围，以导致加料设备(Zuführvorrichtung)内的温度大大升高。特别是对分解时会形成固态副产物的还原剂如尿素或尿素水溶液，在此高温下存在增加固体副产物形成并由此堵塞加料设备的风险，特别是由非常热稳定的大多为环状的和不溶于水的固态副产物如蜜胺、黑素和氰尿酸所堵塞。

例如经孔或缝将固态还原剂加到废气管路(Abgastrakt)中也会发生这种情况。

为避免这种问题，由EP 0588452B中已知，将还原剂与冷的压缩空气一起喷入内燃机的废气管路的废气流中，喷入用双物质喷嘴进行，并且该压缩空气作为冷却剂沿形成还原剂计量添加通道(Zudosierkanal)的加料管(Zuführleitung)加入。该流动的压缩空气也冷却连接到废气管路中的喷嘴本身。

此外，由WO 96/36797已知，在预混腔中预先使空气和还原剂混合。该预混腔经管和喷嘴与废气管路如此相连，以使该预混腔不被热废气加热。此外，该混入的空气防止了还原剂的加热。

还从DE 29924992U1中已知，通过提供还原剂的循环回路来避免在以流经废气管路的废气的热可加热的区域中的还原剂的加热。在此循环回路中，连接有配置在计量添加设备的出口孔紧前面的还原剂预冷腔(Vorhaltraum)，在该腔中尽管其接近废气管路，但通过不断循环将把还原剂保持在恒定的低温。

从DE 10324482A1中已知一种计量添加设备，据信其中的喷射阀通过从较冷的回流中分流出该还原剂特别是燃料来实现。

所有这些系统的共同点是，其在结构上特别昂贵，特别是需要与附加的泵相连接的昂贵套管以及特别经抛光的喷嘴设计。用这类措施大大增加了与计量添加设备相关的安装费用、结构费用和维护费用。

发明内容

本发明的目的是提供一种加料设备或计量添加设备以将还原剂特别是用于选择性催化还原的还原剂计量加到内燃机的废气流中，其可在较高温度下值得信赖和性能可靠地避免该加料设备(Zuführvorrichtung)或计量添加设备(Dosiervorrichtung)特别是由还原剂分解产物所堵塞。

本发明的目的是通过权利要求1的特征部分实现的。有利的实施方案列于从属权利要求中。

按权利要求1，在本发明的加料设备或计量添加设备的计量添加通道区中配备或形成对给定物质特别是给定的还原剂分解产物呈催化活性的表面。按一个具体的实施方案，特别设想使该计量添加通道的通道壁和/或至少一个配置在计量添加通道中的中间部件至少在部分区域具有催化活性的表面。该催化活性的表面优选通过这样的催化活性材料形成，特别是就作为还原剂或还原剂成分的可溶性固体如尿素或尿素水溶液而言，与形成环状的和/或固态的还原剂分解产物相比，该催化活性材料提高了对形成非环状的和/或非固态的，特别是气态的还原剂分解产物的选择性或有助于该环状的和/或固态的还原剂分解产物的分解。固态还原剂分解产物特别意指可引起例如计量添加通道的喷嘴或出口孔堵塞的那些固体。

在计量添加通道中，原则上也可输送从废气流分流出的分流(Teilstrom)，将该分流与引入到该分流中的还原剂一起再返回到主废气流中。此外，该计量添加设备的不与废气接触的至少部分区域也可以用催化活性表面制成或配备催化活性表面。

借助本发明的解决方案，即在计量添加通道的区域配备或形成对给定物质特别是对给定的还原剂分解产物呈选择性催化活性的表面，甚至在高废气温度和计量添加设备区域的高温下，也可值得信赖地与性能可靠地避免该计量添加设备由形成的固体或还原剂分解产物如蜜胺、黑素和氰尿酸所堵塞，因为通过使用以各情况所确定的催化活性材料作为催化活性表面，引起或至少是有利于例如该可能产生的固体的分解或阻止其形成。

为可靠地避免该计量添加设备特别是在计量添加通道截面变窄的情况下的堵塞，优选在该计量添加通道的至少一个出口孔的上游配置至少一个过滤部件(Filterelement)作为中间部件(Zwischenelement)，该部件与该计量添加通道的至少一个出口孔呈给定间距。如前所述，该优选形成为过滤部件的中间部件可以是在计量添加通道区中形成催化活性表面的部件。此外，计量添加通道壁也可具有催化活性表面。除降低该计量添加设备特别是其出口孔的堵塞风险外，还可用这类过滤部件有利地同时增加用于分解该固体或还原剂分解产物的停留时间和活性表面，由此再次明显提高工艺可靠性。

铂族元素和/或铈和/或钒和/或钨和/或钛和/或硅和/或铝和/或它们的氧化物和/或沸石均适合作为活性成分。

该计量添加设备优选由计量添加管(Dosierrohr)制成，该计量添加管在安装状态下至少以部分区域伸入废气流中，其中就计量添加管而言，其管内壁形成通道壁和由此形成计量添加通道。特别优选的实施方案是该计量添加通道设计成或形成为喷嘴，以可将还原剂极细分散地(feinstverteilt)喷入废气中。

按本发明的一个特别优选的扩展方案，除在该计量添加通道内部形成的催化活性表面外，也在优选形成为计量添加管的计量添加设备的外壁区配置或形成催化活性表面，并且特别是在该计量添加设备的安装状态伸入废气流中的那些外壁区配备或形成催化活性表面。例如类似于内侧面实施方案，该催化活性表面对给定的物质特别是对给定的还原剂分解产物也是选择性的。由此该计量添加设备也可自身防止在外部区域的例如固体淀积或有助于分解在废气流中存在的固体和由此减少固体量，这有助于值得信赖地避免在废气管路中例如水解催化剂损耗和这类固体的淀积。

该活性成分或该催化活性表面可以以涂层形式施加。最简单情况下可借助于修补基面涂层(Waschcoat)实现。但因为在这种经施加的涂层和计量添加设备的材料之间的粘附性是小的，所以可能导致该涂层的剥落，结果导致计量添加设备的堵塞。特别是在具有细喷嘴孔的喷嘴情况下是有问题的。为了改进粘附性，在此情况下地可通过镀铂(Platinieren)、铝阳极氧化处理(Eloxieren)、浸涂()和/或蒸涂(Bedampfen)制备活性层。对总是不足以达到值得信赖的活性成分的粘附性情况下，也可考虑局部或完全由催化活性材料制备该计量添加设备，由此可不使用涂层。也可考虑合金、即不同活性成分的合金，用例如钛酸铝的或含钛钢，如纯材料例如钛。

本发明的计量添加设备优选用于其中在计量添加设备的下游安装有SCR-催化器和视需要的水解催化剂和/或颗粒过滤器的废气系统中。

下面用附图详述本发明。

附图说明

图1示意性示出构造为喷嘴的本发明的计量添加设备的自由端的截面图，

图2示意性和示例性示出在内燃机废气管路中的本发明的计量添加设备的配置。

具体实施方式

在图1中示意性和示例性示出构造为喷嘴1的计量添加设备的自由端的截面图。该喷嘴1具有计量添加通道2，通过该计量添加通道，图中仅示意性示出的作为还原剂3的尿素水溶液经喷嘴侧的作为出口孔的喷嘴孔4、5可依预定时间(zu vorgegebenen Zeiten)按给定量计量添加到废气管路6中(图2)。如图2所示，该喷嘴1在SCR-催化器7的上游伸入废气管路6中，以致在喷嘴1和SCR-催化器7之间的区域中实现废气流8与还原剂的混合，并且含还原剂的废气8’流入SCR-催化器中。

该喷嘴1本身依如下结构：

该计量添加通道2的通道壁9涂有由催化活性材料组成的催化活性表面层10，借助于该催化活性表面层，如图1中仅非常示意性和示例性示出的还原剂分解产物11可经结合和进一步分解。由此降低了由于在计量添加通道2区域中的高温例如由还原剂3形成的还原剂分解产物11可堵塞喷嘴孔4、5的风险。该催化活性表面层10是由这样的催化活性材料制成，与形成环状的和/或固态的还原剂分解产物相比，该催化活性材料提高了形成非环状的和/或非固态的还原剂分解产物的选择性和/或有助于该环状的和/或固态的还原剂分解产物的分解。