Настоящее изобретение относится к способу и устройству для приготовления газообразной смеси, содержащей по меньшей мере одно из следующих веществ: а) по меньшей мере один восстановитель и б) по меньшей мере один предшественник восстановителя. Настоящее изобретение предназначено главным образом для обеспечения восстановителями, применяемыми для селективного каталитического восстановления оксидов азота в системе выпуска отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Отработавшие газы, образующиеся при работе двигателей внутреннего сгорания, содержат вещества, выброс которых в окружающую среду нежелателен. Так, например, во многих странах приняты нормы, устанавливающие предельно допустимое содержание оксидов азота (NOx) в ОГ ДВС. Наряду с реализуемыми в самом ДВС мерами, предусматривающими выбор максимально приемлемого режима работы ДВС и позволяющими понижать содержание оксидов азота, широко используются методы последующей обработки с целью дальнейшего понижения содержания оксидов азота в ОГ, выбрасываемых в окружающую среду.
Одним из методов дальнейшего понижения количества выбрасываемых в окружающую среду оксидов азота является так называемое селективное каталитическое восстановление (СКВ). При осуществлении этого метода обеспечивается селективное восстановление оксидов азота до молекулярного азота (N2) с применением селективно действующего восстановителя. В качестве восстановителя может применяться аммиак (NH3). При этом аммиак часто хранится не в виде аммиака как такового, более того, для его получения используется предшественник аммиака, который по мере необходимости превращают в аммиак. В качестве предшественников аммиака можно использовать, например, мочевину ((NH2)2СО), карбамат аммония, изоциановую кислоту (HCNO), циануровую кислоту и т.д.
Было установлено, что наибольшей простотой хранения отличается прежде всего мочевина. Мочевину предпочтительно хранить в виде ее водного раствора. Мочевина и прежде всего ее водный раствор не представляют опасности для здоровья человека и отличаются простотой их транспортировки заказчикам и хранения. Подобный водный раствор мочевины имеется в продаже под маркой "AdBlue".
Из DE 19913462 А1 известен метод, при осуществлении которого водный раствор мочевины дозированно подают перед катализатором гидролиза в отдельный поток ОГ ДВС. При попадании на катализатор гидролиза происходят гидролиз и термолиз мочевины до аммиака, который используется в качестве восстановителя в СКВ-катализаторе, расположенном ниже по ходу потока ОГ. Недостаток описанного выше метода состоит в том, что катализатор гидролиза охлаждается вследствие испарения водного раствора мочевины. В том случае, когда аммиак требуется прежде всего в больших количествах, из-за его воздействия по меньшей мере отдельные участки катализатора гидролиза могут охлаждаться до столь низкой температуры, при которой на них реакция гидролиза прекратится полностью или будет протекать не полностью. Помимо этого локально значительное периодическое охлаждение катализатора гидролиза может приводить к его повреждению и прежде всего к отслоению каталитически активного покрытия.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ и устройство, которые позволяли бы по меньшей мере снизить остроту известных из уровня техники технических проблем.
Эта задача решается с помощью устройства и способа, отличительные признаки которых представлены в соответствующих независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Предлагаемое в изобретении устройство предназначено для приготовления газообразной смеси, в состав которой входит по меньшей мере одно из следующих веществ:
а) по меньшей мере один восстановитель и
б) по меньшей мере один предшественник восстановителя.
В устройстве предусмотрена расходная емкость, которая предназначена для водного раствора, содержащего по меньшей мере один предшественник восстановителя, и которая гидравлически соединяется (сообщается) с испарительной камерой. Помимо этого предусмотрено средство для дозированной подачи водного раствора в испарительную камеру. Предлагаемое в изобретении устройство отличается тем, что в нем предусмотрены средства для нагрева испарительной камеры, нагревающие ее до температуры не ниже критической, а именно до средней температуры, составляющей от 350 до 450°С, при которой водный раствор полностью испаряется, причем по ходу потока за испарительной камерой расположен катализатор гидролиза, имеющий теплоемкость не более 60 Дж/К (джоулей на кельвин), а также имеющий средства для поддержания равномерной температуры катализатора гидролиза.
Водный раствор содержит наиболее предпочтительно мочевину в качестве предшественника восстановителя, а газообразная смесь содержит аммиак и/или мочевину. Соответствующий водный раствор имеется в продаже под маркой "AdBlue". Помимо этого водный раствор может содержать и другие вещества, которые обеспечивают, например, снижение температуры плавления раствора. Так, в частности, водный раствор может содержать муравьиную кислоту и/или формиат аммония. Соответствующий водный раствор имеется в продаже под маркой "Denoxium". Под аэрогидродинамическим сообщением между расходной емкостью и испарительной камерой подразумевается прежде всего сообщение, обеспечивающее возможность прохождения текучей среды из расходной емкости в испарительную камеру. Так, в частности, расходная емкость и испарительная камера могут сообщаться друг с другом через подающий трубопровод, по которому в процессе работы может проходить водный раствор. Критическая температура наиболее предпочтительно выбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить полное испарение водного раствора. Под предшественником восстановителя подразумевается прежде всего такое вещество, при разложении или превращении которого может образовываться восстановитель. Средство для дозированной подачи водного раствора в испарительную камеру выполнено прежде всего с таким расчетом, чтобы обеспечивать его дозированную подачу в испарительную камеру путем введения по каплям или в виде капельной струи. Средством для дозированной подачи является прежде всего соответствующим образом выполненное сопло.
Предлагаемое в изобретении устройство позволяет приготавливать наиболее предпочтительно газообразный восстановитель для его использования в СКВ-катализаторе. В предпочтительном варианте газообразная смесь подается в систему выпуска ОГ по ходу потока перед катализатором гидролиза. Под катализатором согласно изобретению подразумевается прежде всего носитель каталитического нейтрализатора, снабженный соответствующим каталитически активным покрытием. Так, например, катализатор гидролиза обозначает носитель катализатора, снабженный таким покрытием, которое катализирует процесс гидролиза предшественника восстановителя. СКВ-катализатор обозначает носитель катализатора, снабженный таким каталитически активным покрытием, которое катализирует процесс селективного каталитического восстановления оксидов азота.
Таким образом, благодаря применению предлагаемого в изобретении устройства предпочтительно можно исключить значительное охлаждение катализатора гидролиза при контактировании с предшественником восстановителя, поскольку катализатор гидролиза не предназначен для обеспечения требуемой энтальпии испарения водного раствора. Таким путем можно исключить негативные последствия, имеющие место при локальном охлаждении катализатора гидролиза. Так, в частности, таким образом можно гарантировать, что и при относительно больших количествах предшественника восстановителя, соответственно водного раствора, который попадает на катализатор гидролиза, не будет происходить столь интенсивное охлаждение катализатора гидролиза, которое будет приводить лишь к неполному гидролизу.
Таким образом, изобретение обеспечивает, за счет подогрева водного раствора до температур, находящихся в узком диапазоне от 350 до 450°С, поступление в катализатор гидролиза только соответственно подогретой и полностью испарившейся смеси. Кроме того, поскольку катализатор гидролиза имеет невысокую теплоемкость, ограниченную 60 Дж/К, это позволяет быстро и надежно регистрировать его температуру и поддерживать ее равномерность (постоянство). Эти мероприятия позволяют ограничить степень охлаждения катализатора гидролиза, обусловленного эндотермическим характером реакции гидролиза, в степени, достаточной для полноты протекания реакции гидролиза.
Наиболее предпочтительным является также такое устройство для селективного каталитического восстановления оксидов азота в ОГ ДВС, которое рассчитано на применение устройства, предназначенного для приготовления газообразной смеси, содержащей по меньшей мере одно из следующих веществ: аммиак и мочевину, и имеющего расходную емкость для водного раствора мочевины, аэрогидродинамически сообщающуюся с испарительной камерой, и средства для нагрева испарительной камеры, нагревающие ее до температуры, которая превышает критическую температуру или равна этой температуре, при которой водный раствор испаряется по меньшей мере частично. По ходу потока за устройством для приготовления газообразной смеси расположен предпочтительно катализатор гидролиза, который в свою очередь расположен предпочтительно по ходу потока перед СКВ-катализатором.
Согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении устройства испарительная камера имеет предпочтительно в основном замкнутый объем, который имеет лишь первое отверстие для подсоединения подающего трубопровода для подачи водного раствора и второе отверстие для подсоединения подводящего трубопровода для отвода газообразной смеси.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом испарительная камера имеет в основном замкнутый объем, который имеет лишь первое отверстие для подсоединения подающего трубопровода для подачи водного раствора, второе отверстие для подсоединения подводящего трубопровода для отвода газообразной смеси и третье отверстие для подачи ОГ.
Сказанное означает, что по подающему трубопроводу водный раствор можно подавать в испарительную камеру и что по подводящему трубопроводу газообразная смесь отводится из испарительной камеры и подается в систему выпуска ОГ прежде всего по ходу потока перед катализатором гидролиза. Через третье отверстие можно обеспечивать сообщение с трубопроводом системы выпуска ОГ.
Так, в частности, определение "замкнутый объем" означает то, что при этом речь идет собственно не о носителе катализатора, выполненном, например, с возможностью его нагрева, а о другом используемом в этом месте конструктивном компоненте, который практически полностью замкнут. Общая площадь поперечных сечений первого и второго отверстий составляет предпочтительно не более 10% от площади поверхности испарительной камеры.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства средства для нагрева испарительной камеры включают по меньшей мере один из следующих конструктивных компонентов: а) электрический резистивный нагреватель и б) горелку для сжигания горючего.
Электрический резистивный нагреватель представляет собой предпочтительно нагревательную проволоку, находящуюся в тепловом контакте с испарительной камерой. В этой связи наиболее предпочтительно обматывать испарительную камеру нагревательной проволокой или заделывать ее в стенку испарительной камеры. Электрический резистивный нагреватель предпочтительно использовать по той причине, что он допускает простую регулировку его работы и прежде всего использование для его изготовления самых разнообразных материалов различной толщины. Сказанное означает, что при возникновении потребности в восстановителе можно исключительно быстро приготавливать и подавать в систему выпуска ОГ ДВС газообразную смесь в потребном количестве. Альтернативно и/или дополнительно средства для нагрева испарительной камеры могут включать элемент Пельтье и/или использовать отходящее тепло других конструктивных компонентов.
Под элементом Пельтье подразумевается прежде всего электрический компонент, который при прохождении по нему электрического тока создает разность температур, представляющую собой проявление так называемого эффекта Пельтье. Элемент Пельтье включает предпочтительно один или несколько элементов, которые выполнены из легированного акцепторной и донорной примесями полупроводникового материала и попеременно соединены друг с другом электропроводным материалом. Знак перед разностью температур зависит от направления прохождения электрического тока, благодаря чему элемент Пельтье можно использовать и как охлаждающий, и как нагревательный элемент. Под горючим подразумеваются прежде всего углеводороды и/или водород. Углеводороды могут отбираться из соответствующего бака ДВС.
Согласно следующему предпочтительному варианту выполнения предлагаемого в изобретении устройства испарительная камера выполнена как геометрическое тело, обладающее в основном центральной симметрией.
Было установлено, что в испарительной камере, выполненной в виде геометрического тела, в основном обладающего центральной симметрией, может обеспечиваться исключительно равномерный нагрев объема, заключенного в этой испарительной камере. Преимущество обеспечения максимально равномерного нагрева объема испарительной камеры состоит в том, что тем самым исключается образование участков или зон с более низкой температурой, из-за которой в этих зонах зачастую из конденсировавшегося предшественника восстановителя образуются капли, которые при определенных условиях оседают внутри испарительной камеры или же выпускаются в систему выпуска ОГ по подводящему трубопроводу. Испарительная камера, выполненная в виде геометрического тела, обладающего в основном центральной симметрией, допускает поддержание внутри нее максимально равномерной температуры.
В этой связи радиус испарительной камеры составляет наиболее предпочтительно от 2 до 10 мм.
Как было установлено, наиболее предпочтительно задавать указанные выше значения радиуса, поскольку в этом случае при подводе тепла в относительно небольшом количестве с использованием, например, электрического резистивного нагревателя можно относительно быстро, надежно и гибко выполнять динамическое регулирование выпуска газообразной смеси в необходимом количестве. В принципе возможен и соответствует изобретению выбор такой величины радиуса, которая составляет 2 мм и свыше. Было установлено, что наиболее предпочтительно задавать радиус, равный, например, от 3 до 4 мм. Соответствующую величину радиуса можно задавать с таким расчетом, чтобы можно было обеспечивать выпуск максимально возможного количества восстановителя, соответственно максимально возможного количества испаряемого водного раствора, в соответствии с чем, например, в расчете на применение испарительной камеры в легковых автомобилях ее радиус составляет предпочтительно от 2 до 35 мм, а в расчете на применение в грузовых автомобилях радиус составляет предпочтительно от 50 до 150 мм.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения предлагаемого в изобретении устройства объем испарительной камеры составляет от 30 до 4000 мм3.
Объем испарительной камеры задают прежде всего с таким расчетом, чтобы и в режиме работы ДВС на максимальных нагрузках можно было приготавливать газообразную смесь в достаточно большом количестве, благодаря чему имеется достаточное количество восстановителя для прохождения процесса селективного каталитического восстановления. Так, в частности, объем испарительной камеры в системе выпуска ОГ легковых автомобилей составляет до 150 мл, предпочтительно от примерно 100 до 500 мм3. Объем испарительной камеры, используемой в системе выпуска ОГ грузовых автомобилей, составляет предпочтительно до 750 мл.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства расходуемая на нагрев мощность средств, предназначенных для нагрева испарительной камеры, может составлять до 5000 Вт.
Как было установлено, повышаемая до этой величины мощность, расходуемая на нагрев, является наиболее предпочтительной, поскольку при такой мощности можно также покрывать пиковые потребности в восстановителе путем соответствующего приготовления соответствующего объема парообразной смеси. Так, в частности, в системе выпуска ОГ легковых автомобилей предпочтительно обеспечивать расходуемую на нагрев мощность до 500 Вт, а для грузовых автомобилей эта мощность, расходуемая на нагрев, составляет предпочтительно до 1500 Вт.
Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения предлагаемого в изобретении устройства в нем для нагнетания водного раствора в испарительную камеру предусмотрены подающий трубопровод, соединяющий испарительную камеру с расходной емкостью, а также подающее средство для подачи текучей среды по подающему трубопроводу.
Так, в частности, речь может идти при этом о насосе. Альтернативно или дополнительно к нему можно также обеспечивать подачу водного раствора только под действием гидростатического давления, для чего расходная емкость располагается выше испарительной камеры, благодаря чему подача жидкого раствора в испарительную камеру обеспечивается только за счет расположения расходной емкости и испарительной камеры на разных уровнях относительно друг друга. Регулирование количества водного раствора, поступающего в испарительную камеру, можно выполнять путем регулирования режимов работы насоса и/или управления соответствующим клапаном.
В качестве насоса используется прежде всего такой насос, который обеспечивает подачу водного раствора с высокой точностью дозировки и характеризуется производительностью, регулируемой в широких пределах.
Еще в одном предпочтительном варианте предлагаемое в изобретении устройство выполнено таким образом, чтобы в процессе работы отклонение температуры испарительной камеры от заданной средней температуры составляло не более ±25°С.
Согласно изобретению под температурой испарительной камеры подразумевается прежде всего температура ее стенки. Как было установлено в ходе испытаний, точное поддержание равномерной температуры испарительной камеры является исключительно важным условием, поскольку благодаря равномерной температуре в камере эффективным путем может предотвращаться или по меньшей мере ограничиваться осаждение восстановителя или побочных продуктов. Было установлено, что даже лишь относительно небольшого отклонения от средней, т.е. критической температуры достаточно для начала процесса осаждения нежелательных веществ. Исполнение устройства предполагает наличие в нем прежде всего соответствующим образом исполненных средств для нагрева испарительной камеры. Эта камера выполнена прежде всего с таким расчетом, чтобы можно было обеспечивать исключительно равномерный подвод тепла в нее. Так, например, испарительная камера предпочтительно может быть охвачена нагревательным элементом. Помимо этого путем выбора соответствующего материала предпочтительно можно обеспечивать исключительно точное поддержание равномерной температуры испарительной камеры.
Согласно следующему предпочтительному варианту выполнения предлагаемого в изобретении устройства испарительная камера имеет средства для повышения смачиваемости ее поверхности, выполненные на по меньшей мере отдельных ее участках.
При этом речь может идти прежде всего о соответствующем структурировании или профилировании поверхности испарительной камеры, которое может включать, например, макроскопические структуры или же соответствующее покрытие. Так, в частности, испарительная камера может иметь по меньшей мере на отдельных участках покрытие, которое представляет собой катализатор процесса гидролиза прежде всего мочевины до аммиака.
Еще одним объектом изобретения является способ приготовления газообразной смеси, в состав которой входит по меньшей мере одно из следующих веществ: по меньшей мере один восстановитель и по меньшей мере один предшественник восстановителя. Водный раствор по меньшей мере одного предшественника восстановителя подают в испарительную камеру. При этом испарительную камеру нагревают до средней температуры, составляющей от 350 до 450°С, так что водный раствор полностью испаряется с образованием газообразной смеси, которую подают в катализатор гидролиза, расположенный по ходу потока за испарительной камерой, причем катализатор гидролиза имеет теплоемкость не более 60 Дж/К (джоулей на кельвин) и его температуру поддерживают равномерной.
Так, в частности, испарительную камеру нагревают таким образом, чтобы наряду с испарением предшественника восстановителя, содержащегося в водном растворе, происходило также по меньшей мере частичное термолитическое разложение предшественника восстановителя с образованием восстановителя. Предлагаемый в изобретении способ предпочтительно можно осуществлять с использованием предлагаемого в изобретении устройства. Под полным испарением подразумевается, в частности, такой процесс, в результате проведения которого имеет место испарение водного раствора в количестве по меньшей мере 90 мас.%, предпочтительно 95 мас.%, предпочтительнее 98 мас.%.
Водный раствор подают в испарительную камеру предпочтительно в виде капель, прежде всего в виде отдельных капель и/или в виде капельной струи. Так, в частности, водный раствор можно подавать через соответствующим образом выполненное и управляемое сопло.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа используют испарительную камеру, которая имеет предпочтительно в основном замкнутый объем, который имеет лишь первое отверстие для подсоединения подающего трубопровода для подачи водного раствора и второе отверстие для подсоединения подводящего трубопровода для отвода газообразной смеси.
В соответствии с другим вариантом используют испарительную камеру, которая имеет в основном замкнутый объем, который имеет лишь первое отверстие для подсоединения подающего трубопровода для подачи водного раствора, второе отверстие для подсоединения подводящего трубопровода для отвода газообразной смеси и третье отверстие для подачи ОГ.
Преимущество осуществления способа, предусматривающего использование в основном замкнутого объема в испарительной камере для испарения водного раствора, состоит в возможности обеспечивать получение пара водного раствора в относительно больших количествах при подводе тепла в относительно небольших количествах. Так, в частности, предлагаемый способ осуществляют таким образом, чтобы обеспечивать нагрев и испарение водного раствора, используя стенки в основном замкнутого объема испарительной камеры. Согласно изобретению в испарительную камеру водный раствор подают не в виде потока жидкости, а, наоборот, дозированно или впрыскиванием лишь в виде капель. Так, в частности, можно использовать при этом сопло, впрыскивающее водный раствор в замкнутый объем испарительной камеры. В основном замкнутый объем испарительной камеры может обеспечивать исключительно равномерное испарение водного раствора.
В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого в изобретении способа испарительную камеру нагревают путем задействования электрического резистивного нагревателя.
Альтернативно или дополнительно к этому для нагрева испарительной камеры могут использоваться и другие средства. Так, в частности, речь может идти при этом об отходящем тепле других конструктивных компонентов или же о дополнительной горелке, сжигающей горючее и тем самым нагревающей испарительную камеру. Помимо этого можно использовать по меньшей мере один элемент Пельтье для поддержания равномерной температуры испарительной камеры. При этом под поддержанием равномерной температуры подразумевается прежде всего нагрев или охлаждение.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа обеспечивают поддержание равномерной температуры испарительной камеры.
Так, в частности, можно выполнить контур регулирования, который с использованием по меньшей мере одного термоэлемента определяет температуру испарительной камеры или температуру внутри нее и соответственно регулирует температуру. Кроме того, можно использовать и другие датчики температуры, по показаниям которых можно вычислять температуру внутри испарительной камеры. С этой целью можно использовать прежде всего математические модели, созданные соответствующим устройством. Наряду с чистым регулированием процесса нагрева испарительной камеры альтернативно или дополнительно в этом контуре регулирования можно предусмотреть использование и других элементов. При этом можно регулировать также прежде всего температуру расположенного ниже по ходу потока катализатора гидролиза.
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления предлагаемого в изобретении способа испарительную камеру нагревают до средней температуры, составляющей от 350 до 450°С, предпочтительно от примерно 370 до 390°С, прежде всего примерно 380°С.
При этих температурах обеспечивается испарение водного раствора в количестве предпочтительно 90 мас.% и свыше, более предпочтительно 95 мас.% и свыше, наиболее предпочтительно 98 мас.% и свыше.
Еще в одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа испарительную камеру нагревают предпочтительно до заданной средней температуры таким образом, чтобы ни в одной точке испарительной камеры отклонение температуры от заданной средней температуры составляло не более ±25°С.
Этот результат можно обеспечить путем создания исключительно равномерно распределенного соединения испарительной камеры с соответствующим нагревательным элементом. Согласно другому варианту поверхность испарительной камеры можно также разделить на несколько различных зон нагрева, температура каждой из которых регулируется отдельно, благодаря чему можно регулировать с исключительно высокой точностью температуру испарительной камеры. Так, в частности, под температурой или средней температурой испарительной камеры подразумевается температура наружной или внутренней поверхности испарительной камеры. Преимущество предлагаемого в изобретении исключительно точного регулирования температуры испарительной камеры, допускающего отклонение температуры от средней ее величины только максимально на ±5°С, состоит в том, что технологический процесс можно проводить таким образом, чтобы сводить к минимуму вероятность осаждения на поверхность испарительной камеры восстановителя, предшественника восстановителя или же продукта, образовавшегося вследствие протекания нежелательной побочной реакции. В ходе исследований неожиданно было установлено, что даже лишь относительно небольшие отклонения от средней температуры в отдельных зонах испарительной камеры могут приводить к осаждению нежелательных веществ. По этой причине исключительно точное поддержание и регулирование температуры представляет собой определенное преимущество настоящего изобретения.
Описанные отличительные особенности и преимущества предлагаемого в изобретении устройства можно переносить на предлагаемый в изобретении способ и применять к нему. Описанные отличительные особенности и преимущества предлагаемого в изобретении способа можно переносить на предлагаемое в изобретении устройство и применять к нему.
Ниже изобретение более подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, однако показанные на этих чертежах варианты осуществления изобретения не ограничивают его объем. На чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - схематичный вид в аксонометрии выполненного по первому варианту устройства для приготовления газообразной смеси,
на фиг.2 - схематичный вид в разрезе выполненного по первому варианту устройства для приготовления газообразной смеси,
на фиг.3 - схематичный вид в разрезе подающего трубопровода для подачи водного раствора из расходной емкости в подводящий трубопровод,
на фиг.4 - схематичный вид спереди устройства для селективного каталитического восстановления оксида азота в ОГ ДВС,
на фиг.5 - схематичный вид в разрезе выполненного по второму варианту испарительного блока,
на фиг.6 - схематичный вид в разрезе устройства для приготовления восстановителя,
на фиг.7 - схематичный вид в поперечном разрезе выполненного еще по одному варианту испарительного блока,
на фиг.8 - фрагмент дозировочного трубопровода в зоне его соединения с выпускным трубопроводом,
на фиг.9 - схематичный вид в разрезе выполненного еще по одному варианту устройства для приготовления газообразной смеси,
на фиг.10 - схематичный вид устройства для приготовления газообразной смеси,
на фиг.11 - схематичный вид выполненного по одному из возможных вариантов подающего блока, предназначенного для подачи восстановительной смеси в ОГ,
на фиг.12 - схематичный вид выполненного по следующему варианту подающего блока, предназначенного для подачи восстановительной смеси в ОГ,
на фиг.13 - схематичный вид выполненного по одному из вариантов устройства для нейтрализации ОГ ДВС,
на фиг.14 - схематичный вид в аксонометрии средства для отделения капель,
на фиг.15-18 - схематичные виды выполненных по разным вариантам испарительных блоков,
на фиг.19 и фиг.20 - схематичные виды выполненного по следующему варианту устройства для приготовления газообразной смеси,
на. фиг.21- схематичный вид выполненного еще по одному варианту устройства для нейтрализации ОГ,
на фиг.22 - фрагмент подающего блока в зоне его соединения с выпускным трубопроводом и
на фиг.23 и фиг.24 - схематичные виды выполненных по разным вариантам сотовых элементов, выполненных в виде носителей каталитических нейтрализаторов.
На фиг.1 схематично показано устройство 1 для приготовления газообразной смеси, в состав которого входит по меньшей мере одно из следующих веществ:
а) по меньшей мере один восстановитель и
б) по меньшей мере один предшественник восстановителя.
При этом под восстановителем подразумевается прежде всего аммиак, а под предшественником восстановителя подразумевается мочевина. Устройство 1 включает подводящий трубопровод 2, имеющий выходное отверстие 3. Помимо этого предусмотрены средства 4 для нагрева подводящего трубопровода 2, которые обеспечивают нагрев подводящего трубопровода 2 выше первой критической температуры, превышающей температуру кипения воды. Кроме того, устройство 1 включает еще не показанную расходную емкость, которая аэрогидродинамически сообщается с подводящим трубопроводом 2. Сказанное означает прежде всего то, что имеющаяся в расходной емкости текучая среда, такая, например, как водный раствор, в состав которого входит по меньшей мере один предшественник восстановителя, может проходить по подводящему трубопроводу 2 к выходному отверстию 3 в процессе работы устройства. Это устройство 1 позволяет приготавливать газообразную смесь, содержащую по меньшей мере один восстановитель и/или по меньшей мере один предшественник восстановителя.
В рассматриваемом варианте средства 4 для нагрева подводящего трубопровода 2 навиты или скручены по спирали вместе с ним. Благодаря этому нагревается и в конечном итоге испаряется текучая среда, проходящая по подводящему трубопроводу 2. Тем самым через выходное отверстие 3 выпускается газообразная смесь, содержащая по меньшей мере один предшественник восстановителя. В зависимости от выбранной температуры средств 4 для нагрева подводящего трубопровода 2 в нем может даже уже проходить процесс термолиза по меньшей мере части предшественника, восстановителя, вследствие чего газообразная смесь, выпускаемая через выходное отверстие, содержит также уже восстановитель, такой, например, как аммиак наряду с предшественником восстановителя, таким, например, как мочевина.
Помимо этого устройство 1 для приготовления газообразной смеси имеет также измерительный преобразователь 5, способный измерять температуру в по меньшей мере одном месте подводящего трубопровода 2. Под измерительным преобразователем 5 могут подразумеваться, например, обычный термоэлемент или обычное термосопротивление. Устройство 1 и/или отдельные конструктивные компоненты, для которых требуется подключение электропитания, снабжены предпочтительно электрическим кабелем с вилкой для обеспечения подключения к источнику электропитания. Под кабелем с вилкой подразумевается прежде всего кабельное соединение, длина которого составляет по меньшей мере полметра, предпочтительно по меньшей мере один метр. Использование кабеля позволяет выполнять штепсельные контакты в тех местах, которые прежде всего в автомобилях подвержены лишь незначительному воздействию отрицательных факторов внешней среды, таких как разбрызгиваемая вода, щебень или иные аналогичные факторы.
На фиг.2 в разрезе показано устройство 1, представленное на фиг.1. Отчетливо показаны подводящий трубопровод 2, по которому в процессе работы устройства может протекать водный раствор, в состав которого входит по меньшей мере один предшественник восстановителя, а также средства 4 для нагрева подводящего трубопровода 2. Подводящий трубопровод 2 может иметь постоянное поперечное сечение, которое, однако, может быть также переменным, как в рассматриваемом варианте. При этом площадь проточного поперечного сечения подводящего трубопровода 2 составляет предпочтительно от 0,75 до 20 мм2, в предпочтительном варианте площадь проточного поперечного сечение составляет примерно 3 мм2. Преимущество этих проточных поперечных сечений с такими значениями площади состоит в том, что, с одной стороны, при таком поперечном сечении возможно быстрое и в основном полное испарение водного раствора, а, с другой стороны, площадь поперечного сечения настолько велика, что в основном исключается образование отложений внутри подводящего трубопровода 2. На фиг.2 показан также измерительный преобразователь 5, предназначенный для определения температуры подводящего трубопровода 2.
При этом средства 4 для нагрева подводящего трубопровода 2 задействуются таким образом, чтобы в процессе работы по длине подводящего трубопровода 2 отклонение температуры от заданного среднего значения составляло не более ±5°С. При этом среднее значение температуры соответствует в основном первой критической температуре. Подводящий трубопровод 2 изготовлен прежде всего из медного сплава.
На фиг.3 схематично показан подающий трубопровод 6, которым подводящий трубопровод 2 соединяется в процессе работы с еще не показанной расходной емкостью. Подающий трубопровод 6 имеет средства 7 для поддержания равномерной температуры. Средства 7 для поддержания равномерной температуры включают согласно этому варианту соответственно несколько элементов 8 Пельтье и радиатор 9. Элементы 8 Пельтье имеют по одному электрическому подключению или контакту 10, через который они могут снабжаться электрическим током. При этом в зависимости от полярности электрического тока элементы 8 Пельтье задействуются для нагрева или для охлаждения, благодаря чему эти элементы можно использовать как основные средства для поддержания равномерной температуры подающего трубопровода 6. Радиатор 9 используется прежде всего как излучатель отводимой тепловой энергии, когда элемент, соответственно элементы 8 Пельтье, охлаждают подающий трубопровод 6.
Соединительным блоком 11 подающий трубопровод 6 может соединяться с другим конструктивным компонентом. В зависимости от исполнения устройства таким конструктивным компонентом может быть либо уже указанный выше подводящий трубопровод 2, либо в общем случае испарительный блок 12. Конструктивным компонентом испарительного блока 12 может быть подводящий трубопровод 2. В общем случае соединительный блок 11 изготовлен по меньшей мере частично из материала, теплопроводность которого составляет менее 10 Вт/м·К (ватт, деленный на метр, и кельвин). Соединительный блок 11 изготовлен прежде всего из керамического материала и/или из политетрафторэтилена (ПТФЭ). Соединительный блок 11 исполнен прежде всего таким образом, чтобы по его толщине 57 можно было поддерживать температурный градиент, составляющий 40 К/мм и свыше. Благодаря этому становится возможным проводить технологический процесс, в ходе которого испарительный блок 12 и/или подводящий трубопровод 2 имеют заметно более высокую температуру по сравнению с температурой подающего трубопровода 6. Так, например, температура испарительного блока может составлять не менее 300, не менее 400 или не менее 420°С и тем самым может обеспечивать в основном полное испарение водного раствора внутри испарительного блока 12, а температура подающего трубопровода 6 находится при этом лишь на уровне не менее 70, не менее 80 или не менее 90°С, благодаря чему исключается испарение водного раствора уже в подающем трубопроводе 6.
На фиг.4 схематично показано устройство 15 для нейтрализации ОГ 13 не показанного ДВС. ОГ 13 ДВС проходят по выпускному трубопроводу 14. Устройство 15 для нейтрализации ОГ 13 ДВС включает испаритель 16 раствора восстановителя, катализатор 17 гидролиза и СКВ-катализатор 18. В испарителе 16 раствора восстановителя испаряется водный раствор, в состав которого входит предшественник восстановителя. Так, в частности, в качестве предшественника восстановителя используют мочевину. В рассматриваемом варианте испаритель 16 раствора восстановителя включает испарительный блок 12, имеющий подводящий трубопровод 2, нагреваемый предназначенными для этого средствами 4. Этот трубопровод соединен соединительным блоком 11 с подающим трубопроводом 6. Подающий трубопровод 6 охватывается средствами 7, которые предназначены для поддержания равномерной температуры этого трубопровода и которые, например, как указано выше, могут включать один или несколько элементов 8 Пельтье и/или радиатор 9. Подающее средство 19 может подавать водный раствор по меньшей мере одного предшественника восстановителя из соответствующей расходной емкости 20 в подающий трубопровод 6. В испарительном блоке 12 образуется газ, который содержит по меньшей мере один предшественник восстановителя, такой, например, как мочевина, а также при определенных условиях аммиак, образовавшийся уже в результате термолиза мочевины. Эта газообразная смесь подается в катализатор 17 гидролиза, расположенный по ходу потока за испарителем 16 раствора восстановителя. Катализатор 17 гидролиза исполнен таким образом, чтобы благодаря соответствующему нанесенному на него (катализатор) каталитически активному покрытию происходит прежде всего гидролиз мочевины до аммиака. В общем случае катализатор 17 предназначается для обеспечения гидролиза предшественника восстановителя до восстановителя. Газ, выходящий из катализатора 17 гидролиза, содержащий восстановитель и обозначаемый как восстановительная смесь, подается по дозировочному трубопроводу 21 в выпускной трубопровод 14. Дозировочный трубопровод 21 заканчивается у дозировочного отверстия в выпускном трубопроводе 14, которое расположено по ходу потока перед СКВ-катализатором 18. По ходу потока за дозировочным отверстием 22 и перед СКВ-катализатором 18 расположены смесительные средства 23, которые выполнены в виде направляющей металлической пластины и обеспечивают смешение восстановительной смеси с ОГ 13.
Тем самым в СКВ-катализатор поступает смесь, состоящая из отработавших газов и восстановителя, который обеспечивает восстановление содержащихся в ОГ 13 оксидов азота в СKB-катализаторе 18. При этом восстановительную смесь предпочтительно приготавливать в таком количестве, которое может оказаться достаточным для максимально полного превращения оксидов азота в ОГ 13 в СКВ-катализаторе 18.
На фиг.5 схематично показан выполненный по второму варианту испарительный блок 12. В этом случае испарительный блок 12 показан в разрезе. Испарительный блок 12 включает испарительную камеру 24, ограничивающую в основном замкнутый объем или замкнутую полость. Согласно этому варианту испарительная камера 24 имеет лишь первое отверстие 25 для подсоединения не показанного подающего трубопровода 6, предназначенного для подачи водного раствора, и второе отверстие 26 для подсоединения не показанного подводящего трубопровода 2, предназначенного для отвода газообразной смеси. В первом отверстии 25 размещено сопло 62 как средство для дозированной подачи водного раствора 45 в испарительную камеру 24. Это сопло 62 дозированно подает водный раствор 45 в испарительную камеру 24. Помимо этого испарительный блок 12 имеет средства для нагрева испарительной камеры 24. Согласно рассматриваемому варианту эти средства выполнены в виде соответствующих нагревательных элементов 27, контактирующих с испарительной камерой 24. Как показано на фиг.5, этот нагревательный элемент 27 может быть выполнен асимметричным, т.е. на определенных участках, которые расположены в основном напротив первого отверстия 25, нагревательные элементы размещены более плотно в расчете на единицу площади поверхности по сравнению с участками, которые располагаются в основном не напротив первого отверстия 25. Кроме того, в этом случае эти средства включают еще один конструктивный компонент, который собирательно называется как средство 63 для сжигания углеводородов и представляет собой, например, горелку. Подобная горелка может быть также пригодна для обеспечения беспламенного сгорания углеводородов.
Испарительная камера 24 изготовлена предпочтительно из материала, который включает по меньшей мере один из следующих материалов: а) медь, б) алюминий, в) высококачественную сталь, г) материал на основе никеля и д) хромоникелевую сталь. Объем испарительной камеры 24 составляет предпочтительно от 1,5 до 10 см3. При этом по меньшей мере отдельные участки испарительной камеры 24 предпочтительно выполнять из алюминия. В процессе работы мощность, расходуемая на нагрев нагревательным элементом 27, предпочтительно составляет такую величину, которая составляет примерно 1 кВт/с, а максимальная мощность, расходуемая на нагрев, задается в зависимости от конкретных условий использования этого элемента. Применительно к легковым машинам максимальная мощность, расходуемая на нагрев, составляет предпочтительно от примерно 500 до 700 Вт/с, применительно к грузовым машинам - от примерно 1200 до 1500 Вт/с.Теплоемкость испарительной камеры 24 составляет предпочтительно менее 120 Дж/К, наиболее предпочтительно от 100 до 110 Дж/К. Оси первого 25 и второго 26 отверстий располагаются друг относительно друга предпочтительно под углом, составляющим от 30 до 70°. Расход водного раствора 45, подаваемого в испарительную камеру 24, составляет предпочтительно до 150 мл/мин, более предпочтительно до 100 мл/мин, наиболее предпочтительно до 30 мл/мин. В предпочтительном варианте испарительная камера 24 имеет в зоне расположения второго отверстия 26 средства, которые позволяют исключить попадание капель во второе отверстие 26. Так, в частности, речь идет при этом о средствах, которые позволяют разрывать тонкий газовый слой, образующийся между каплей и стенкой испарительной камеры 24. Так, в частности, речь идет при этом о выступах на стенке или о иных аналогичных элементах. На этом участке можно также выполнять структуры 28.
Помимо этого внутри испарительной камеры 24 имеется одна или несколько структур 28, которые обеспечивают образование большей площади поверхности для испарения водного раствора. Согласно рассматриваемому варианту эти структуры 28 изображены относительно большими, однако при этом речь может также идти о структурированной или профилированной поверхности, которую можно создать, например, путем нанесения соответствующего покрытия на внутреннюю поверхность испарительной камеры 24. Альтернативно или дополнительно эти структуры 28 могут также иметь макроскопические структуры, амплитуда или высота которых составляет несколько миллиметров или даже больше. В общем случае под этими структурами 28 подразумеваются средства для повышения смачивающей способности поверхности испарительной камеры 24.
На фиг.6 схематично показана выполненная по первому варианту испарительная камера 24, подсоединенная к выпускному трубопроводу 14. При этом испарительная камера 24 снабжена кожухом 29. Этот кожух 29 изготавливается предпочтительно из соответствующего теплоизоляционного материала, который сокращает тепловые потери в окружающее пространство. Средства 27 для нагрева испарительной камеры 24 соединены через выводы 30 нагревательных элементов с не показанным источником тока.
Через второе отверстие 26 испарительный блок 12 сообщается с катализатором 17 гидролиза. Катализатор 17 гидролиза имеет средства 31, предназначенные для поддержания равномерной температуры этого катализатора и в рассматриваемом варианте изготовленные из соответствующей нагревательной проволоки, которая обмотана вокруг катализатора 17 гидролиза. Вокруг катализатора 17 гидролиза располагается соответствующий кожух 32, который представляет собой прежде всего тепловую изоляцию для катализатора 17 гидролиза по отношению к окружающей среде и предельно минимизирует возможные тепловые потери. В рассматриваемом варианте катализатор гидролиза непосредственно соединен с выпускным трубопроводом 14 и входит в него. В выпускном трубопроводе 14 выполнено соответствующее отверстие, в которое может входить с обеспечением максимальной герметичности катализатор 17 гидролиза, соответственно его кожух 32. Благодаря использованию соответствующих соединительных средств 33 можно создавать максимально герметичное соединение между катализатором 17 гидролиза и выпускным трубопроводом 14. Помимо этого в качестве пассивных смесительных средств используется направляющая металлическая пластина 34, которая обеспечивает смешение выпускаемой из катализатора 17 гидролиза восстановительной смеси 35 с ОГ, проходящими по выпускному трубопроводу 14.
В испарительном блоке 12 в процессе работы приготавливается газообразная смесь из водного раствора, содержащего мочевину в качестве предшественника восстановителя. Образовавшаяся в испарительном блоке 12 газообразная смесь содержит по меньшей мере мочевину и при определенных условиях также уже аммиак, образовавшийся в результате термолиза соответствующей мочевины. Эта смесь подается через второе отверстие 26 в катализатор 17 гидролиза, в котором проходит процесс в основном полного гидролиза мочевины до аммиака. При этом в катализаторе гидролиза образуется восстановительная смесь 35, в состав которой входит аммиак. Так, в частности, технологический процесс предпочтительно проводить таким образом, чтобы мочевина в количестве не менее 98% превращалась в конечном итоге в аммиак.
На фиг.7 схематично показан выполненный еще по одному варианту испарительный блок, представленный на фиг.5 и фиг.6. Этот вариант отличается от первого описанного выше варианта тем, что предусматривает наличие дополнительного третьего отверстия 36. Через это третье отверстие 36 в процессе работы отработавшие газы можно подавать в непрерывном или импульсном режиме в испарительную камеру 24. Тем самым в отличие от первого варианта можно обеспечивать лучшее распределение мочевины в образующемся газе. Кроме того, подобный испарительный блок 12 можно также использовать для испарения твердой мочевины, поскольку вместе с ОГ ДВС, подаваемыми через третье отверстие 36, в испарительную камеру 24 поступает вода, которая впоследствии в катализаторе 17 гидролиза может использоваться для гидролиза мочевины до аммиака.
На фиг.8 схематично показана зона соединения дозировочного трубопровода 21 с выпускным трубопроводом 14, представляющего собой элемент соответствующего подающего блока 46. При этом на дозировочный трубопровод 21 навит нагревательный элемент 38, который также расположен вокруг зоны соединения дозировочного трубопровода 21 с выпускным трубопроводом 14.
На фиг.9 схематично в разрезе показано выполненное еще по одному варианту устройство 1 для приготовления содержащей восстановитель газообразной смеси в первой точке сопряжения. Устройство 1 имеет подводящий трубопровод 2, на который или вместе с которым навито соответствующее предназначенное для его нагрева средство 4. Подводящий трубопровод 2 и средства 4 для его нагрева расположены вместе в кожухе 29. Внутри навивки подводящего трубопровода 2 расположен первый температурный чувствительный элемент 39. Этот первый температурный чувствительный элемент 39 соединяется первым соединительным элементом 40 с соответствующим не показанным блоком управления. Через выходное отверстие 3 подводящего трубопровода 2 испарительный блок 12 сообщается с катализатором 17 гидролиза. Катализатор 17 гидролиза имеет покрытие, катализирующее процесс гидролиза мочевины до аммиака. Катализатор 17 гидролиза охватывается средствами 31, предназначенными для поддержания равномерной температуры и включающими нагревательную проволоку в соответствующем исполнении. Эти средства 31 для поддержания равномерной температуры катализатора 17 гидролиза могут соединяться через соответствующие первые выводы или контакты 41 нагревательного элемента с соответствующим источником электрического тока. Сказанное относится и к средствам 4 для нагрева подводящего трубопровода 2, которые через соответствующие вторые выводы 42 нагревательного элемента могут соединяться с соответствующим источником электрического тока. Катализатор 17 гидролиза имеет второй температурный чувствительный элемент 43, который может подсоединяться соответствующим вторым соединительным элементом 44 к не показанному блоку управления. Второй температурный чувствительный элемент 43 определяет температуру внутри катализатора 17 гидролиза.
В процессе работы в подводящий трубопровод 2 подается водный раствор 45 мочевины. Средства 4 для нагрева подводящего трубопровода 2 нагревают его и тем самым обеспечивают испарение этого водного раствора мочевины и при определенных условиях меньшей мере частичный термолиз по содержащейся в растворе мочевины до аммиака в зависимости от поддерживаемой равномерной температуры. Через выходное отверстие 3 соответствующая газообразная смесь подается в катализатор 17 гидролиза, в котором проходит процесс гидролиза, предпочтительно в основном полного гидролиза содержащейся в смеси мочевины до аммиака. Из катализатора 17 гидролиза выпускается соответствующая восстановительная смесь 35, которая может подаваться в выпускной трубопровод 14 системы выпуска ОГ ДВС. При этом технологический процесс предпочтительно проводить таким образом, чтобы температурный чувствительный элемент 39, 43 обеспечивал контроль температур испарительного блока 12 и/или катализатора 17 гидролиза, а соответствующие средства 4, 31 нагревали оба компонента 12, 17.
На фиг.10 схематично показано устройство 1 для приготовления газообразной смеси 35, содержащей по меньшей мере один восстановитель. Это устройство имеет далее подающий трубопровод 6, по которому водный раствор подается из не показанной расходной емкости в испарительный блок 12. К испарительному блоку 12 присоединяется катализатор 17 гидролиза, а к нему - дозировочный трубопровод 21 для подачи соответствующей смеси в не показанный выпускной трубопровод 14 или подающий блок 46 для подачи восстановительной смеси в выпускной трубопровод 14. Испарительный блок 12 имеет третий температурный чувствительный элемент 47. Этот третий температурный чувствительный элемент 47 может измерять температуру подающего трубопровода 6 или температуру в нем. Дозировочный трубопровод 21 и/или подающий блок 46 необязательно имеют четвертый температурный чувствительный элемент 48, который может измерять температуру дозировочного трубопровода 21 и/или подающего блока 46 или температуру в дозировочном трубопроводе 21 и/или в подающем блоке 46. Испарительный блок 12 имеет средства 4 для нагрева подводящего трубопровода 2 и/или средства 27 для нагрева испарительной камеры 24. Катализатор 17 гидролиза необязательно или в качестве альтернативы и/или в качестве дополнения к средствам 4, 27 может иметь средства 31 для поддержания равномерной температуры катализатора 17 гидролиза. Необязательно, альтернативно и/или дополнительно подающий трубопровод 6 имеет средства 49 для поддержания равномерной температуры, путем задействования которых можно поддерживать равномерную температуру подающего трубопровода 6. Так, в частности, в данном случае предпочтительно и согласно изобретению можно использовать один или несколько элементов Пельтье. Дозировочный трубопровод 21 и/или подающий блок 46 имеют средства 50 для поддержания равномерной температуры средств для подачи смеси, способные поддерживать равномерную температуру дозировочного трубопровода 21 и/или подающего блока 46. В этом случае также предпочтительно использовать по меньшей мере один элемент Пельтье.
Все предусмотренные средства 4, 27, 31, 49, 50 для поддержания равномерной температуры и все предусмотренные температурные чувствительные элементы 39, 43, 47, 48 соединены с блоком 51 управления. Этот блок 51 управления регулирует температуру с задействованием регулирующего контура, в состав которого входят по меньшей мере одно средство 4, 27, 31, 49, 50 для поддержания равномерной температуры и по меньшей мере один температурный чувствительный элемент 39, 43, 47, 48. В предпочтительном варианте количество температурных чувствительных элементов 39, 43, 47, 48 превышает количество средств 4, 27, 31, 49, 50 для поддержания равномерной температуры конструктивных компонентов 6, 2, 24, 17, 21, 46. Блок 51 управления предпочтительно соединен с системой управления ДВС или встроен в нее. Данные, имеющиеся в системе управления ДВС, и его рабочие параметры предпочтительно могут приниматься во внимание при управлении процессом испарения и/или подачи смеси в испарительный блок 12.
На фиг.11 схематично показан фрагмент устройства для приготовления газообразной смеси. В выпускной трубопровод 14 перед СКВ-катализатором 18 встроен сотовый элемент 52, который имеет проточные для текучей среды каналы и представляет собой часть соответствующего смесительного средства 53. Сотовый элемент 52 выполнен таким образом, чтобы ОГ могли проходить через него по меньшей мере отчасти под углом к направлению основного их потока. При этом направление 54 основного потока обозначено соответствующей стрелкой на фиг.11. В рассматриваемом варианте сотовый элемент 52 выполнен коническим. Сотовый элемент имеет прежде всего значительную по размерам выемку 55, не имеющую каналов. В эту выемку 55 входит дозировочный трубопровод 21, который представляет собой часть подающего блока 46, который в процессе работы подает в выемку восстановительную смесь 35.
На фиг.12 схематично показан выполненный по следующему варианту подающий блок 46, имеющий дозировочный трубопровод 21 для подачи восстановительной смеси в выпускной трубопровод 14. В этом случае дозировочный трубопровод 21 проходит сквозь стенку выпускного трубопровода 14 и имеет изогнутую форму. Дозировочный трубопровод 21 имеет перфорационные отверстия 56 на том своем участке, который находится внутри выпускного трубопровода 14. При этом дозировочный трубопровод 21 не обязательно имеет загиб, соответственно изогнутый конец, который находится в выпускном трубопроводе 14, равным образом дозировочный трубопровод 21 может также входить в выпускной трубопровод 14 перпендикулярно ему, соответственно прямо в него. В данном месте дополнительно предусмотрена направляющая металлическая пластина 23, которая обеспечивает дополнительное повышение качества смешения восстановительной смеси с ОГ 13 в выпускном трубопроводе 14.
На фиг.13 схематично показано выполненное по одному из вариантов устройство 1 для нейтрализации ОГ не показанного ДВС. При этом на первом участке 58 выпускного трубопровода расположены испарительный блок 12 и катализатор 17 гидролиза. Средство 60 для направления потока обеспечивает распределение ОГ между первым 58 и вторым 59 участками выпускного трубопровода. По ходу потока за соединением 61 первого участка 58 со вторым участком 59 выпускного трубопровода расположен СКВ-катализатор 18.
Испарительный блок 12 имеет предпочтительно средства 64, которые предназначены для отделения капель и могут располагаться, например, в подводящем трубопроводе 2 или во втором отверстии 26 либо за этим отверстием испарительной камеры 24. На фиг.14 схематично показано выполненное по одному из вариантов такое средство 64 для отделения капель. Это средство 64 соединено с подводящим трубопроводом 2 или в общем случае с трубопроводом 65, по которому поступает пар. Если капли все еще имеются в паре, то согласно рассматриваемому варианту они улавливаются с использованием сил инерции. В средстве 64 располагаются одна или несколько отражательных пластин 66, которые изменяют направления 67 потока. Отражательная пластина 66 и/или корпус 68 средства 64 выполнены нагреваемыми, благодаря чему осажденные капли также испаряются. Вместо показанного средства 64 для отделения капель альтернативно или дополнительно могут использоваться и другие средства, например подводящий трубопровод 2 или трубопровод 65, могут иметь на отдельных участках сужения поперечного сечения выступы, отклоняющие поверхности или иные аналогичные элементы.
На фиг.15 схематично показан выполненный еще по одному варианту испарительный блок 12, у которого подводящий трубопровод 2 может нагреваться специально предназначенными для этого средствами 4. Средства 4 для нагрева подводящего трубопровода 2 включают в этом варианте стержневой нагревательный элемент 69, который электрическими контактами 70 соединяется с источником тока. В подводящий трубопровод 2 встроено средство 64 для отделения капель, нагреваемое благодаря наличию контакта со стержневым нагревательным элементом 69.
На фиг.16 схематично показан выполненный по следующему варианту испарительный блок 12, у которого подводящий трубопровод 2 выполнен в виде навитой или скрученной по спирали петли, обеспечивающей двукратную обмотку стержневого нагревательного элемента 69 этим трубопроводом.
На фиг.17 и фиг.18 схематично показаны выполненные по другим вариантам испарительные блоки 12, у которых подводящий трубопровод 2 закреплен на стержневом нагревательном элементе 69 не как навитая вокруг его продольной оси спираль, а как закрепленный на нем зигзагообразный элемент. В принципе подводящий трубопровод 2 предпочтительно соединять со стержневым нагревательным элементом 69 неразъемным соединением, прежде всего соединением, выполненным пайкой твердым припоем.
На фиг.19 и фиг.20 схематично показано выполненное еще по одному варианту устройство 1 для приготовления газообразной смеси, в состав которой входит по меньшей мере одно из следующих веществ: а) восстановитель, предпочтительно аммиак, и б) по меньшей мере один предшественник восстановителя, прежде всего мочевина, а также показан катализатор 17 гидролиза. Устройство 1 имеет по меньшей мере один подводящий трубопровод 2, в рассматриваемом варианте - четыре подводящих трубопровода 2, которые навиты по спирали на стержневой нагревательный элемент 69. Каждый из подводящих трубопроводов 2 имеет по выходному отверстию 3, через которое в процессе работы выходит газообразная смесь, содержащая восстановитель. Выходные отверстия 3 расположены соответственно таким образом, чтобы они были в основном равномерно распределены по окружности. Подводящие трубопроводы 2 соединены с не показанной расходной емкостью 20, из которой подающее средство 19 подает водный раствор 45 по меньшей мере одного предшественника восстановителя в подводящий трубопровод 2. Подводящие трубопроводы 2 и нагревательный элемент 69 образуют часть соответствующего испарителя 16 раствора восстановителя.
По ходу потока за выходными отверстиями 3 расположен катализатор 17 гидролиза, который может нагреваться также стержневым нагревательным элементом 69. Согласно одному из предпочтительных вариантов предусмотрен только один стержневой нагревательный элемент 69, который находится в теплотехническом контакте как с одним или со всеми подводящими трубопроводами 2, так и с катализатором 17 гидролиза. Согласно рассматриваемому варианту катализатор 17 гидролиза выполнен в виде кольцевого сотового элемента. По ходу потока за катализатором 17 к нему присоединяется дозировочный трубопровод 21, по которому в процессе работы в выпускной трубопровод 14 может подаваться газовый поток, в состав которого входит по меньшей мере один восстановитель. Соединительные средства 71 обеспечивают механическое соединение с выпускным трубопроводом 14. Помимо этого имеется тепловая изоляция 72, которая обеспечивает тепловую развязку между катализатором 17 гидролиза и выпускным трубопроводом 14. Кроме того, предусмотрен теплозащитный экран 73, который предотвращает потерю тепла, излучаемого катализатором 17 гидролиза. Помимо этого между наружным 75 и внутренним 76 кожухами предусмотрен воздушный зазор 74, который дополнительно повышает эффективность тепловой изоляции.
На фиг.20 показано поперечное сечение, включающее зону нахождения подводящих трубопроводов 2, которые расположены по окружности вокруг стержневого нагревательного элемента 69.
На фиг.21 схематично показано выполненное еще по одному варианту устройство 15 для нейтрализации ОГ 13. В отличие от варианта, представленного на фиг.4, согласно этому варианту в подающем трубопроводе 6 имеется клапан 77, предназначенный для дозированной подачи водного раствора 45 в испарительный блок 12. Сигналы управления могут подаваться на клапан 77 через управляющий контакт 78.
На фиг.22 схематично показана зона 79 входа подающего блока 46 в выпускной трубопровод 14. В данном случае выпускной трубопровод 14 и/или подающий блок имеют заслонку 80, которая в процессе работы в зоне 79 входа создает мертвую зону или зону успокоения потока ОГ, т.е. зону пониженного давления и тем самым предотвращает попадание под давлением какого-либо количества ОГ в подающий блок 46. Подающий блок 46 имеет также датчик 81 температуры, который включает кольцевое термосопротивление. При накоплении осаждений на этом участке датчик 81 температуры может соединяться с источником тока (не показан) с целью повышения температуры до второй заданной ее величины, составляющей, например, 550 или свыше, предпочтительно 600°С или свыше, при которой происходит разложение или уменьшение количества отложений.
На фиг.23 схематично в поперечном сечении показан сотовый элемент 82, который можно использовать как катализатор 17 гидролиза и как СКВ-катализатор 18, но для каждого варианта применения необходимо наносить соответствующее ему другое каталитически активное покрытие. Сотовый элемент 82 изготовлен из гладких 83 и гофрированных 84 металлических слоев, которые согласно этому варианту были набраны в три пакета и затем скручены друг с другом в рулон. Помимо этого сотовый элемент 82 имеет охватывающий его снаружи трубчатый кожух 85. Гладкие 83 и гофрированные 84 слои образуют каналы 86, проточные для ОГ 13.
На фиг.24 схематично показан выполненный по следующему варианту сотовый элемент 87, который имеет кольцевую форму и может использоваться как катализатор 17 гидролиза и как СКВ-катализатор 18, но для каждого варианта применения необходимо наносить соответствующее ему другое каталитически активное покрытие. Сотовый элемент 87 состоит из слоев 88, которые имеют гладкие 89 и гофрированные 90 участки, которые путем фальцовки наложены друг на друга и образуют каналы 86, проточные для ОГ 13. Сотовый элемент 87 расположен в пространстве между наружным 91 и внутренним 92 трубчатыми кожухами.
Так, в частности, для нагреваемого средствами 4, 69 подводящего трубопровода 2 в принципе предпочтительно предусматривать наряду с нагревом с одной стороны и нагрев с другой стороны. Так, в частности, можно использовать дополнительные выполненные в виде гильз нагревательные элементы, которые охватывают подводящий трубопровод снаружи. В предпочтительном варианте в процессе работы в определенном поперечном сечении подводящего трубопровода 2 по окружному периметру отклонение температуры от заданной средней температуры в принципе не должно составлять более ±25°С.
В качестве катализатора 17 гидролиза используется в принципе также труба, снабженная покрытием, катализирующим процесс гидролиза прежде всего мочевины до аммиака, или же трубчатый кожух, имеющий по меньшей мере один расположенный внутри у наружного окружного периметра структурированный или профилированный металлический слой, имеющий в радиальном направлении в своей внутренней части предпочтительно свободно проточное поперечное сечение, площадь которого составляет по меньшей мере 20% от общей площади поперечного сечения трубчатого кожуха. Выполненные по этим вариантам катализаторы нагреваются предпочтительно снаружи.
В принципе перед началом процесса подачи восстановителя перед СКВ-катализатором 18 предпочтительно выполняют следующие стадии диагностики:
- сначала проверяют, подключены ли к источнику электрического тока или снабжаются ли топливом имеющиеся обеспечивающие поддержание равномерной температуры и/или нагревательные средства 4, 27, 31, 49, 50, 63, 69,
- после получения положительного ответа на вопрос о наличии подключения к источнику электрического тока и/или топлива нагревают испарительный блок 12 и при определенных условиях катализатор 17 гидролиза соответственно до заданных для них значений температуры, т.е. нагревают прежде всего подводящий трубопровод 2 до температуры, составляющей от примерно 400 до 450°С, и/или испарительную камеру 24 до температуры, составляющей от примерно 350 до 450°С, параллельно подают водный раствор 45 к испарительному блоку 24, прежде всего к соединительному блоку 11, при этом, с одной стороны, водный раствор 45 можно подавать в таком объеме, который соответствует в основном объему подающего трубопровода 6, а, с другой стороны, в соответствующем месте, например, на соединительном блоке 11, в нем или рядом с ним можно размещать соответствующий датчик, например, работающий по принципу измерения электропроводности,
- далее определяют температуру СКВ-катализатора 18, соответственно выпускного трубопровода 14, прежде всего измеряют и/или вычисляют на основе данных системы управления ДВС.
Если температура СКВ-катализатора 18 превышает заданную предельную величину, которая соответствует прежде всего нижнему пределу рабочей температуры СКВ-катализатора 18, то в испарительный блок 12 подается водный раствор 45. Если испарительный блок 12, подводящий трубопровод 2 и/или испарительная камера 24 все еще сохраняют в основном свою рабочую температуру, то можно исключить выполнение указанных выше стадий диагностики.
В процессе работы подводимую в испарительный блок 12 мощность, расходуемую на нагрев, коррелируют с количеством подаваемого водного раствора 45. Так, в частности, сказанное означает, что проверяется величина потребной мощности, расходуемой на испарение соответствующего количества подаваемого водного раствора. Если измеренная величина фактической мощности, расходуемой на нагрев, в течение определенного временного интервала ниже потребной мощности, расходуемой на нагрев, то пользователю подается предупредительный сигнал, извещающий его о том, что может иметь место сужение поперечного сечения подводящего трубопровода 2 и/или дозировочного трубопровода 21.
Кроме того, в предпочтительном варианте периодически через заданные промежутки времени испарительный блок 12, подводящий трубопровод 2, испарительная камера 24, катализатор 17 гидролиза, дозировочный трубопровод 21 и/или подающий блок 46 нагреваются до температуры, которая превышает нормальную рабочую температуру и которая обеспечивает таким образом удаление отложений, накопившихся при определенных условиях.
По окончании процесса испарения, имеющего место, например, в том случае, когда отключается ДВС, может происходить обратная подача водного раствора 45 из подводящего трубопровода 2. В предпочтительном варианте перед обратной подачей из подводящего трубопровода 2 сначала прекращается подача водного раствора 45, однако при этом испарительный блок 12, подводящий трубопровод 2 и/или испарительная камера 24 по-прежнему нагреваются до обычной температуры с целью обеспечить таким образом полное испарение и тем самым при обратной подаче предотвратить также попадание в подающий трубопровод 6 загрязнений, возможно имеющихся в испарительном блоке 12, подводящем трубопроводе 2 и/или испарительной камере 24. Затем по истечении определенного времени можно инициировать процесс обратной подачи, обеспечиваемой подающим средством 19. В предпочтительном варианте на соединительном блоке 11 или рядом с ним предусмотрен клапан, через который при обратной подаче может отсасываться воздух. В принципе процесс обратной подачи продолжается до тех пор, пока содержимое подающего трубопровода 6 не будет в основном возвращено в расходную емкость 20.
При значительных колебаниях количества подаваемого водного раствора 45, что может быть обусловлено, например, значительным нарастанием концентрации оксидов азота в ОГ ДВС, могут создаваться ситуации, в которых испарительный блок 12 не способен испарять в исключительно короткий промежуток времени значительно большее количество водного раствора 45, поскольку не представляется возможным обеспечивать соответственно столь же быстрый нагрев. В этом случае количество подаваемого водного раствора 45 предпочтительно повышать лишь таким образом, чтобы все еще обеспечивалось полное испарение.
Количество подаваемого восстановителя и, следовательно, также количество испаряемого водного раствора 45 можно определять в зависимости, например, от по меньшей мере одного из следующих параметров, к которым относятся:
а) концентрация оксидов азота в ОГ,
б) прогнозируемое количество генерируемого оксида азота, которое предпочтительно должно быть известно уже тогда, когда ОГ проходят через СКВ-катализатор 18, и
в) максимальное количество восстановителя, которое может быть полностью использовано в процессе превращения непосредственно в СКВ-катализаторе 18.
Расходная емкость 20, подающий трубопровод 6, испарительный блок 12, подводящий трубопровод 2, испарительная камера 24 и/или катализатор гидролиза 17 могут находиться в тепловом контакте, например, с топливным баком ДВС. Для защиты от замерзания содержимого бак обычно имеет систему подогрева, которая может обеспечивать также защиту от замерзания указанных выше конструктивных компонентов.
Помимо этого ниже описано устройство 15 для нейтрализации ОГ ДВС.Это устройство включает по меньшей мере один испаритель 16 раствора восстановителя, соединенный с испарителем 16 раствора восстановителя катализатор 17, предназначенный для гидролиза прежде всего мочевины до аммиака, и СКВ-катализатор 18, предназначенный для селективного каталитического восстановления оксидов азота (NOX). Испаритель 16 раствора восстановителя имеет испарительный блок 12 для приготовления газообразной смеси, в состав которой входит по меньшей мере одно из следующих веществ:
а) по меньшей мере один предшественник восстановителя и
б) восстановитель.
Испарительный блок 12 предназначен для испарения в нем водного раствора 45, в состав которого входит по меньшей мере один предшественник восстановителя. СКВ-катализатор 18 расположен в выпускном трубопроводе 14, а испаритель 16 раствора восстановителя и катализатор 17 гидролиза расположены вне выпускного трубопровода 14 и выполнены с возможностью соединяться с ним.
Это устройство 15 предпочтительно можно усовершенствовать, для чего подающий трубопровод 6, сообщающийся с испарительным блоком 12, соединен с расходной емкостью 20, в которой содержится водный раствор 45. При этом подающий трубопровод 6 и испарительный блок 12 соединены друг с другом соединительным блоком 11. Этот соединительный блок 11 изготовлен по меньшей мере частично из материала, теплопроводность которого составляет менее 10 Вт/м·К, предпочтительно менее 2 Вт/м·К, наиболее предпочтительно менее 1 Вт/м·К, прежде всего 0,2 Вт/м·К. Помимо этого соединительный блок 11 изготовлен предпочтительно из по меньшей мере одного материала, включающего по меньшей мере один из следующих материалов:
а) керамический материал и
б) политетрафторэтилен.
Помимо этого соединительный блок 11 предпочтительно выполнять таким образом, чтобы по его длине можно было поддерживать температурный градиент, составляющий 40 К/мм и более. Кроме того, теплоемкость катализатора 17 гидролиза составляет не более 60 Дж/К. Объем катализатора 17 гидролиза составляет не более 100 мл.
Катализатор гидролиза имеет предпочтительно трубчатый кожух, который не учитывается при определении указанной выше теплоемкости. В трубчатом кожухе размещен предпочтительно по меньшей мере один по меньшей мере частично структурированный или профилированный металлический слой. Во внутренней части трубчатого кожуха имеется предпочтительно зона, в которой отсутствуют по меньшей мере частично структурированные или профилированные слои и площадь которой составляет по меньшей мере 20 или даже 50% от площади поперечного сечения трубчатого кожуха.
Плотность распределения каналов катализатора 17 гидролиза составляет предпочтительно менее 600 ячеек на кв.дюйм, более предпочтительно 400 ячеек на кв.дюйм и менее, наиболее предпочтительно 300, 200 или 100 ячеек на кв.дюйм и менее. В предпочтительном варианте катализатор 17 гидролиза механически соединен с выпускным трубопроводом 14. Катализатор 17 гидролиза выполнен предпочтительно с тепловой развязкой с выпускным трубопроводом 14.
Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения этого устройства 15 в нем имеется по меньшей мере один стержневой нагревательный элемент 69, который нагревает по меньшей мере один из следующих конструктивных компонентов:
а) катализатор 17 гидролиза и
б) по меньшей мере отдельные части испарительной камеры 24.
Помимо этого предпочтительно поддерживать равномерную температуру по меньшей мере одного из следующих компонентов:
а) по меньшей мере отдельных частей подающего трубопровода 6,
б) катализатора 17 гидролиза,
в) по меньшей мере отдельных частей испарительного блока 12,
г) дозировочного трубопровода 21 для подачи образующегося аммиака в систему выпуска ОГ и
д) подающего блока 46, с которым катализатор 17 гидролиза соединяется выпускным трубопроводом 14.
Кроме того, предусмотрены предпочтительно средства 4, 7, 27, 31, 49, 50 для поддержания равномерной температуры, к которым относится по меньшей мере один из следующих компонентов:
а) нагревательная проволока,
б) элемент 8 Пельтье,
в) радиатор 9,
г) стержневой нагревательный элемент 69 и
д) средство 63 для сжигания горючего.
Помимо этого предпочтительно снабжать покрытием, катализирующим процесс гидролиза мочевины, по меньшей мере один из следующих конструктивных компонентов:
а) по меньшей мере отдельные части соединительного блока 11,
б) по меньшей мере отдельные части подводящего трубопровода 2 для подачи газообразной смеси в катализатор 17 гидролиза,
в) по меньшей мере отдельные части испарительного блока 12,
г) по меньшей мере отдельные части дозировочного трубопровода 21 для подачи образующегося восстановителя в систему выпуска ОГ и
д) по меньшей мере отдельные части подающего блока 46, который соединяет катализатор 17 гидролиза с выпускным трубопроводом 14.
Кроме того, предпочтительным является наличие подающего блока 46, который аэрогидродинамически соединяет катализатор 17 гидролиза с выпускным трубопроводом 14 ДВС. Так, в частности, подающий блок 46 имеет пассивное смесительное средство, которое смешивает подаваемые вещества с ОГ. Смесительное средство включает предпочтительно по меньшей мере один из следующих конструктивных компонентов:
а) направляющую металлическую пластину 34 и
б) сотовый элемент 52, который выполнен таким образом, чтобы ОГ 13 могли проходить через него по меньшей мере отчасти под углом к направлению 45 основного потока ОГ.
В предпочтительном варианте сотовый элемент 52 имеет проточные для текучей среды каналы и отверстия, соединяющие друг с другом соседние каналы.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения этого устройства 15 по меньшей мере один из следующих конструктивных компонентов:
а) подающий блок 46 и
б) выпускной трубопровод 14
выполнен таким образом, что в процессе работы зона вблизи входного отверстия, через которое подающий блок 46 сообщается с выпускным трубопроводом 14, образует с аэродинамической точки зрения зону успокоения или мертвую зону.
В следующем предпочтительном варианте выполнения этого устройства 15 по ходу потока за катализатором 17 гидролиза расположена тепловая изоляция 72. Эта тепловая изоляция 72 предпочтительно непосредственно примыкает к катализатору 17 гидролиза.
В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом выполнения этого устройства 15 по меньшей мере один из следующих конструктивных компонентов имеет по меньшей мере один датчик температуры:
а) подающий блок 46,
б) катализатор 17 гидролиза,
в) С KB-катализатор 18,
г) испарительный блок 12,
д) подводящий трубопровод 2,
е) испарительная камера 24 и
ж) дозировочный трубопровод 21 для подачи образующегося восстановителя в выпускной трубопровод 14.
В предпочтительном варианте этот датчик температуры соединяется с источником электрического тока, благодаря чему может использоваться также для нагрева соответствующего конструктивного компонента а)-ж).
Согласно следующему предпочтительному варианту выполнения этого устройства 15 в нем предусмотрено подающее средство 19, которое подает водный раствор 45 из расходной емкости в испарительный блок 24. Подающее средство 19 в предпочтительном варианте имеет по меньшей мере один насос, предпочтительно дозировочный насос.В предпочтительном варианте насос может создавать рабочее давление, которое превышает максимально возможное давление ОГ в процессе работы ДВС, воздействующее на подающий блок 46 и/или дозировочный трубопровод 21. В соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения устройства 15 между подающим средством 19 и испарительным блоком 12 расположен по меньшей мере один клапан для дозированной подачи водного раствора 45.
Помимо этого ниже более подробно описан осуществляемый по одному из предпочтительных вариантов способ нейтрализации ОГ ДВС.При осуществлении способа выполняют по меньшей мере следующие стадии:
а) приготавливают по меньшей мере одно из следующих веществ:
al)восстановитель,
а2) газообразную смесь, в состав которой входит по меньшей мере один предшественник восстановителя,
б) проводят процесс гидролиза по меньшей мере одного предшественника восстановителя, в результате чего получают восстановительную смесь 35, и
в) подают в СКВ-катализатор 18 восстановительную смесь 35 и ОГ 14 для по меньшей мере частичного селективного каталитического восстановления содержащихся в ОГ оксидов азота (NOx).
По завершении стадии б) смешивают восстановительную смесь 35 с по меньшей мере отдельными частями или потоками ОГ 14.
В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом осуществления этого способа имеется возможность обеспечивать на стадии а) испарение водного раствора 45, в состав которого входит по меньшей мере один предшественник восстановителя, в испарительном блоке 12. Помимо этого стадию б) предпочтительно выполнять по меньшей мере частично в катализаторе 17 гидролиза.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления этого способа регулируют температуру по меньшей мере одного из следующих конструктивных компонентов:
а) по меньшей мере отдельных частей испарительного блока 12,
б) катализатора 17 гидролиза,
в) подающего трубопровода 6 для подачи водного раствора 45 в испарительный блок 12,
г) подводящего трубопровода 2 для подачи газообразной смеси в катализатор 17 гидролиза,
д) дозировочного трубопровода 21 для подачи образующегося восстановителя в систему выпуска ОГ и
е) подающего блока 46, который аэрогидродинамически соединяет катализатор 17 гидролиза с выпускным трубопроводом 14 ДВС.
При этом данное соединение находится по ходу потока перед СКВ-катализатором 18. Кроме того, предпочтительно поддерживать равномерную температуру по меньшей мере одного из следующих конструктивных компонентов:
а) по меньшей мере отдельных частей испарительного блока 12,
б) катализатора 17 гидролиза,
в) подающего трубопровода 6 для подачи водного раствора 45 в испарительный блок 12,
г) подводящего трубопровода 2 для подачи газообразной смеси в катализатор 17 гидролиза,
д) дозировочного трубопровода 21 для подачи образующегося восстановителя в систему выпуска ОГ и
е) подающего блока 46, который аэрогидродинамически соединяет катализатор 17 гидролиза с выпускным трубопроводом 14 ДВС.
По следующему варианту осуществления этого способа водный раствор 45 подают в испаритель 16 раствора восстановителя по подающему трубопроводу 6. При этом предпочтительным является вариант, который предусматривает возможность обратной подачи водного раствора 45 по подающему трубопроводу 6. Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления этого способа обеспечивают испарение до 2,5 мл водного раствора 45 в секунду.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления этого способа перед началом проведения процесса поддержания равномерной температуры измеряют температуру по меньшей мере одного из следующих конструктивных компонентов:
а) катализатора 17 гидролиза,
б) испарительного блока 12,
в) дозировочного трубопровода 21 для подачи образующегося восстановителя в выпускной трубопровод 14 и
г) подающего блока 46, который аэрогидродинамически соединяет катализатор 17 гидролиза с выпускным трубопроводом 14 ДВС,
и сравнивают результат измерения с по меньшей мере еще одним значением температуры другого конструктивного компонента. В следующем предпочтительном варианте осуществления этого способа процесс испарения водного раствора 45 проводят лишь в том случае, когда проводится коррекция температур, в результате которой определенная или измеренная температура и температура другого конструктивного компонента отличаются друг от друга не более на заданное максимальное значение их разности.
Согласно следующему предпочтительному варианту устройство 1 предназначено для приготовления газообразной смеси, в состав которой входит по меньшей мере одно из следующих веществ:
а) по меньшей мере один восстановитель и
б) по меньшей мере один предшественник восстановителя.
При этом устройство 1 имеет расходную емкость 20 для водного раствора 45, в состав которого входит по меньшей мере один предшественник восстановителя. Из емкости 20 водный раствор 45 может подаваться подающим средством 19 в по меньшей мере один подводящий трубопровод 2, имеющий выходное отверстие 3. Согласно предпочтительному варианту предусмотрены средства 4 для нагрева подводящего трубопровода 2, которые нагревают по меньшей мере один подводящий трубопровод 2 до температуры выше критической температуры, которая превышает температуру кипения воды. Эта температура составляет предпочтительно 350°С или свыше, предпочтительно 400°С или свыше, прежде всего от 410 до 430°С. В соответствии со следующим предпочтительным вариантом выполнения этого устройства 1 подающее средство 19 имеет по меньшей мере один насос. В предпочтительном варианте речь идет при этом о дозировочном насосе. Согласно другому предпочтительному варианту выполнения этого устройства между подающим средством 19 и подводящим трубопроводом 2 установлен клапан для подачи дозированного количества водного раствора 45. Помимо этого средства 4 для нагрева включают предпочтительно по меньшей мере один из следующих конструктивных компонентов:
а) электрический резистивный нагреватель,
б) средства для передачи тепла, необходимые для обеспечения использования отходящего тепла по меньшей мере следующего конструктивного компонента,
в) по меньшей мере один элемент Пельтье и
г) средства для сжигания горючего.
В соответствии со следующим предпочтительным вариантом это устройство 1 отличается тем, что оно выполнено таким образом, чтобы в процессе его работы по длине подводящего трубопровода 2 отклонение температуры от заданной средней величины составляло не более ±25°С.
Согласно еще одному предпочтительному варианту это устройство отличается тем, что площадь проточного поперечного сечения подводящего трубопровода 2 составляет не более 20 мм. Помимо этого подводящий трубопровод 2 предпочтительно изготавливать из материала, включающего по меньшей мере один из следующих материалов:
а) медь,
б) алюминий,
в) материал на основе никеля,
г) хромоникелевую сталь и
д) высококачественную сталь.
Длина подводящего трубопровода 2 составляет прежде всего от 0,1 до 5 м, предпочтительно от 0,3 до 0,7 м, наиболее предпочтительно в основном 0,5 м. Толщина стенки подводящего трубопровода 2 составляет предпочтительно от 0,1 до 0,5 мм. Теплоемкость подводящего трубопровода 2 составляет предпочтительно по меньшей мере 150 Дж/К.
В следующем наиболее предпочтительном варианте выполнения этого устройства 1 подводящий трубопровод 2 и средства 4 для его нагрева на по меньшей мере одном отдельном участке располагаются относительно друг друга в соответствии с по меньшей мере одной из следующих схем расположения:
а) подводящий трубопровод 2 и средства 4 для его нагрева расположены коаксиально относительно друг друга на по меньшей мере одном отдельном участке,
б) подводящий трубопровод 2 и средства 4 для его нагрева расположены концентрично друг другу на по меньшей мере одном отдельном участке,
в) подводящий трубопровод 2 и средства 4 для его нагрева расположены рядом друг с другом на по меньшей мере одном отдельном участке,
г) по меньшей мере один отдельный участок подводящего трубопровода 2 навит на средство 4, предназначенное для его нагрева,
д) по меньшей мере отдельные участки средства 4 для нагрева подводящего трубопровода 2 представляют собой стержневой нагревательный элемент 69, на который навит подводящий трубопровод 2, и
е) подводящий трубопровод 2 образует канал в стержневом нагревательном элементе 69.
В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом выполнения устройства 1 подводящий трубопровод 2 и средство 4 для его нагрева неразъемно соединены друг с другом на по меньшей мере отдельных участках. Под неразъемным соединением подразумевается прежде всего паяное и/или сварное соединение.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения устройства 1 подводящий трубопровод 2 по меньшей мере частично покрыт покрытием, катализирующим процесс гидролиза предшественника восстановителя до восстановителя. Устройство 1 имеет предпочтительно по меньшей мере один измерительный преобразователь 5, предназначенный для определения температуры подводящего трубопровода 2. Этот измерительный преобразователь соединяется предпочтительно с источником 5 тока, который, например, согласно процедуре действий в аварийной ситуации позволяет нагревать подводящий трубопровод 2 до температуры, превышающей критическую температуру.
Ниже более подробно описан осуществляемый еще по одному предпочтительному варианту способ приготовления газообразной смеси, в состав которой входит по меньшей мере одно из следующих веществ:
а) по меньшей мере один восстановитель и
б) по меньшей мере один предшественник восстановителя.
При этом водный раствор 45 по меньшей мере одного предшественника восстановителя подают из емкости 20 в подводящий трубопровод 2. Подводящий трубопровод 2 нагревают при этом таким образом, чтобы водный раствор 45 полностью испарялся с образованием газообразной смеси. При этом под определением "полное испарение" подразумевается прежде всего такое испарение, которое означает испарение водного раствора в количестве 90 мас.% и более, предпочтительно в количестве 95 мас.% и более, наиболее предпочтительно в количестве 98 мас.%. Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления этого способа по меньшей мере один из предшественников восстановителя
а) мочевина и
б) формиат аммония
содержится в по меньшей мере одном из следующих компонентов:
А) смеси и
Б) водном растворе.
Помимо этого в предпочтительном варианте значения температуры в подводящем трубопроводе 2 соответствуют средней температуре, составляющей от 380 до 450°С. По длине подводящего трубопровода 2 отклонение температуры от средней ее величины, равной предпочтительно от 380 до 450°С, составляет предпочтительно не более ±25°С.
В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом осуществления этого способа мощность, расходуемую на нагрев, задают таким образом, чтобы она изменялась до 500 Вт/с. Водный раствор 45 подают в подводящий трубопровод 2 предпочтительно с расходом, равным 0,5 мл/с. Кроме того, площадь проточного поперечного сечения подводящего трубопровода 2 составляет предпочтительно не более 20 мм. Подводящий трубопровод 2 нагревают предпочтительно до второй температуры, превышающей критическую температуру, при которой происходит полное испарение водного раствора 45, с целью тем самым удалить отложения, накопившиеся при определенных условиях.
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления этого способа перед началом процесса испарения определяют температуру подводящего трубопровода 2 и сравнивают ее значение с другими известными значениями температур. При этом речь может идти, например, о других известных в автомобиле или измеренных температурах, таких, например, как наружная температура, измеренная соответствующим измерительным преобразователем, или температура охлаждающей воды.
В другом предпочтительном варианте осуществления этого способа подводящий трубопровод 2 нагревают электрическим резистивным нагревателем, для чего перед началом процесса нагрева определяют сопротивление этого резистивного нагревателя и в зависимости от определенной при этом величины сопротивления нагревают подводящий трубопровод. В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом осуществления этого способа контролируют мощность, передаваемую при нагреве подводящему трубопроводу 2. В следующем предпочтительном варианте осуществления этого способа процесс нагрева прерывают, когда в течение заданного временного интервала мощность, расходуемая на нагрев, остается ниже величины, зависящей от количества испаряемого водного раствора.
Преимущество предлагаемого в изобретении устройства 1 и предлагаемого в изобретении способа заключается в том, что они обеспечивают получение восстановителя для селективного каталитического восстановления оксидов азота в ОГ ДВС. Преимущество размещения испарительного блока 12, представляющего собой испарительную камеру 24, и катализатора 17 гидролиза вне системы выпуска ОГ состоит в возможности изготавливать катализатор 17 гидролиза заметно меньших размеров, благодаря чему предлагаемое в изобретении устройство отличается компактностью его конструкции.
Изобретения могут быть использованы в двигателестроении. Устройство предназначено для приготовления газообразной смеси, содержащей по меньшей мере одно из следующих веществ: восстановитель и предшественник восстановителя. Устройство включает расходную емкость для водного раствора 45 предшественника восстановителя, которая гидравлически соединена с испарительной камерой 24, средство для дозированной подачи водного раствора 45 в испарительную камеру 24 и средства 27 для нагрева испарительной камеры 24. Испарительную камеру нагревают до средней температуры, составляющей от 350 до 450°С, при которой водный раствор 45 полностью испаряется. По ходу потока за испарительной камерой 24 расположен катализатор 17 гидролиза. Катализатор 17 гидролиза имеет средства 31 для поддержания в нем равномерной температуры. Теплоемкость катализатора 17 гидролиза составляет не более 60 Дж/К. Устройство и способ позволяют поддерживать равномерную температуру катализатора гидролиза, что позволяет избежать его локального охлаждения и обеспечивает полноту протекания реакции гидролиза. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 24 ил., 1 пр.
1. Устройство (1) для приготовления газообразной смеси, содержащей по меньшей мере одно из следующих веществ:
а) по меньшей мере один восстановитель и
б) по меньшей мере один предшественник восстановителя, имеющее расходную емкость (20), предназначенную для водного раствора (45), содержащего по меньшей мере один предшественник восстановителя, и гидравлически соединяемую с испарительной камерой (24), а также средство для дозированной подачи водного раствора (45) в испарительную камеру (24) и средства (27, 63) для нагрева испарительной камеры (24), позволяющие нагревать ее до температуры не ниже критической, а именно до средней температуры, составляющей от 350 до 450°С, при которой водный раствор (45) полностью испаряется, причем по ходу потока за испарительной камерой (24) расположен катализатор (17) гидролиза, имеющий теплоемкость не более 60 Дж/К (джоулей на кельвин), а также имеющий средства (31) для поддержания равномерной температуры катализатора (17) гидролиза.
2. Устройство по п.1, в котором испарительная камера (24) имеет в основном замкнутый объем, который имеет лишь первое отверстие (25) для подсоединения подающего трубопровода (6) для подачи водного раствора (45) и второе отверстие (26) для подсоединения подводящего трубопровода (2) для отвода газообразной смеси.
3. Устройство по п.1, в котором испарительная камера (24) имеет в основном замкнутый объем, который имеет лишь первое отверстие (25) для подсоединения подающего трубопровода (6) для подачи водного раствора, второе отверстие (26) для подсоединения подводящего трубопровода (2) для отвода газообразной смеси и третье отверстие (36) для подачи отработавших газов (ОГ) (14).
4. Устройство по одному из пп.1-3, в котором средства (27, 63) для нагрева испарительной камеры (24) включают по меньшей мере один из следующих конструктивных компонентов:
а) электрический резистивный нагреватель (27) и
б) средство (63) для сжигания горючего.
5. Устройство по одному из пп.1-3, которое выполнено таким образом, чтобы в процессе работы отклонение температуры испарительной камеры (24) от заданной средней температуры составляло не более ±25°С.
6. Устройство по одному из пп.1-3, в котором испарительная камера (24) имеет средства (28) для повышения смачиваемости поверхности, выполненные на по меньшей мере отдельных ее участках.
7. Способ приготовления газообразной смеси, содержащей по меньшей мере одно из следующих веществ:
а) по меньшей мере один восстановитель и
б) по меньшей мере один предшественник восстановителя, при этом в испарительную камеру (24) подают водный раствор (45) по меньшей мере одного предшественника восстановителя, отличающийся тем, что испарительную камеру (24) нагревают до средней температуры, составляющей от 350 до 450°С, так что водный раствор (45) полностью испаряется с образованием газообразной смеси, которую подают в катализатор (17) гидролиза, расположенный по ходу потока за испарительной камерой (24), причем катализатор (17) гидролиза имеет теплоемкость не более 60 Дж/К (джоулей на кельвин), и его температуру поддерживают равномерной.
8. Способ по п.7, при осуществлении которого водный раствор (45) подают в испарительную камеру (24) в виде капель.
9. Способ по п.8, при осуществлении которого используют такую испарительную камеру (24), которая имеет в основном замкнутый объем, который имеет лишь первое отверстие (25) для подсоединения подающего трубопровода (6) для подачи водного раствора (45) и второе отверстие (26) для подсоединения подводящего трубопровода (2) для отвода газообразной смеси.
10. Способ по п.8 или 9, при осуществлении которого используют такую испарительную камеру (24), которая имеет в основном замкнутый объем, который имеет лишь первое отверстие (25) для подсоединения подающего трубопровода (6) для подачи водного раствора, второе отверстие (26) для подсоединения подводящего трубопровода (2) для отвода газообразной смеси и третье отверстие (36) для подачи ОГ (14).
11. Способ по п.8 или 9, при осуществлении которого испарительную камеру (24) нагревают электрическим резистивным нагревателем (27).
12. Способ по п.8 или 9, при осуществлении которого испарительную камеру (24) нагревают предпочтительно до заданной средней температуры таким образом, чтобы ни в одной точке испарительной камеры (24) отклонение ее температуры от заданной средней температуры составляло не более ±25°С.
| DE 4038054 А1, 04.06.1992 | |||
| ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ, гл | |||
| ред | |||
| Артоболевский И.И | |||
| - М.: Советская энциклопедия, 1976, с.242 | |||
| US 6442932 В1, 03.09.2002 | |||
| СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ОТ NO И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1992 |
|
RU2040737C1 |
