用于防止形成尿素基沉积物的方法以及具有涂层的排气道
技术领域
本发明涉及一种用于防止在内燃发动机的排气道中形成尿素基沉积物的方法以及一种具有涂层的用于内燃发动机的排气道。
背景技术
在稀燃发动机和相应的驱动系统的发展中的重大挑战是在不同的操作条件下在大体上氧化环境中减少氮氧化物排放。
SCR(选择性催化还原)废气后处理装置的使用是通过催化转化成无毒物质(即氮气和氧气)从废气中除去氮氧化物并因此减少氮氧化物排放的重要可能性之一。SCR技术的特点是其稳健性和可以实现的高转化率。除了纯SCR催化转化器之外，在本领域中还已知具有SCR涂层的颗粒过滤器，以下称为SDPF催化转化器。
选择性催化还原需要氨；它充当还原剂并且可以从尿素水溶液中获得，例如通过将尿素热分解成异氰酸并且然后将异氰酸水解成氨，该氨在普遍的条件下通常以气态形式存在于排气道中。尿素水溶液可以有利地简单且可靠地沉积在车辆上。
为了进行废气后处理，尿素水溶液可以在SCR催化转化器的上游被供应给废气。这也可以通过将尿素水溶液喷洒到内燃发动机的排气道的排气管路中来进行。借助于混合装置，水溶液及其分解产物可以与废气混合，以便优化随后的催化还原。
理想地，尿素水溶液在喷洒过程中不应该接触表面，直到将其完全分解成氨为止，否则可能会形成多余的尿素沉积物。然而，由于喷洒装置的有限空间和设计参数，通常在实践中无法实现这一点。产生的尿素沉积物会导致压力下降和堵塞。在每种情况下，相应的尿素馏分不能用于催化反应，并且因此表示损失以及系统的混乱和与调节单元所需的可用剂量的偏差。
一种用于检测内燃发动机的排气道中的沉积物的具有图像记录单元的装置从DE10 2017 111 232 A1中是已知的。排气管中的表面图像可以通过图像记录单元来记录。图像由图像处理单元接收，该图像处理单元处理该图像以检查表面上的沉积物。可以确定沉积物的存在和/或沉积物的大小和/或沉积物的随时间的变化。然而，无法避免沉积物。
然而，为了避免尿素沉积物，可以降低尿素水溶液的计量速度。例如，DE 10 2013205 799 A1公开了一种用于具有SCR催化转化器的车辆的改进燃料使用的系统和方法。在一些实施例中，可以限制尿素流向排气系统以减少沉积物的可能性。沉积物的形成开始可以通过在固定的排气流量和温度下尿素流量超过流量的阈值来确定。然而，在某些操作条件下，这可能导致废气中包含的氮氧化物不能够被足够地催化还原，因为氨的含量太少。
然而，为了可靠地减少氮氧化物排放并且能够遵守严格的废气排放准则，催化还原必须能够在任何时间被适当地使用，并且因此为此所需的氨是必需的，以便能够在其整个使用寿命中可靠地供应给SCR废气后处理装置。
DE 11 2010 000 713 T5提出了将水解催化层应用到废气系统的后处理部分的不同区域。水解催化层增加了尿素和尿素基沉积物的分解速率，并且降低了尿素基沉积物的形成。水解催化层被应用到与尿素接触的表面，尿素借助于喷射器座被喷射到排气道中。特别地，水解催化层被应用到喷射器座、管段、出口管的内表面，并且被应用到混合器的表面。
根据DE 11 2010 000 713 T5，水解催化层以不加区别和均匀的方式在注入点上游应用到所有表面，因此大量材料用于水解催化层的形成并且因此水解催化层的形成与高成本关联。另外，水解催化层的应用导致排气道的几何形状的变化，因为例如减小了横截面。
DE 42 30 056 A1描述了一种能够使液体介质进行高级雾化的雾化器装置。为此，液体介质在其到达雾化喷嘴之前与压缩气体紧密混合。这通过加压气体切向冲击介质流并因此导致两种介质移动来实现，介质应在通往雾化器喷嘴的管路中尽可能连续地移动。雾化器装置可以用于喷洒尿素水溶液以减少氮氧化物。在此，与尿素接触的喷雾器装置的表面区域涂覆有镀铂的混合氧化物的催化层，以便避免尿素晶体和废气残留物的沉积。然而，上面提到的关于DE 11 2010 000 713 T5的缺点没有被消除。
发明内容
本发明解决的问题是指定可能的方式，通过这些方式可以减轻或消除至少一些上述缺点。
该问题通过主权利要求和从属权利要求的主题来解决。在从属权利要求中指出了本发明的有利发展。
根据本发明的用于防止在内燃发动机的排气道中形成尿素基沉积物的方法包含识别存在尿素基沉积物形成风险的排气道的区域、确定形成尿素基沉积物的风险的空间分辨程度、并且应用用于催化分解尿素基沉积物和/或尿素水溶液而形成的涂层。考虑到尿素基沉积物的预期形成的确定程度，该涂层被应用到所识别的区域。
排气道被设计为在燃烧过程中接收由内燃发动机形成的废气并且将其引导到环境中。排气道由一个或多个排气管路形成，这些排气管路具有流过它们的废气，并且在排气管路中布置有例如催化转化器、传感器、过滤器等。在当前情况下的排气道应该被理解为是指所有排气管路和布置在排气管路上或排气管路中的装置的总和。
例如，排气道可以具有SCR和/或SDPF催化转化器以及用于将尿素水溶液供应到废气的供应装置，其中该供应装置可以具有用于在SCR和/或SDPF催化转化器上游将尿素水溶液喷洒到排气管路中的喷洒装置。指示的流动方向与来自内燃发动机的废气在排气管的方向上的流动方向相关。
在该方法的第一步骤中，识别可以预期形成尿素基沉积物或存在这种风险的排气道的那些区域。例如，这可能涉及排气管路的表面或从喷洒点到SCR和/或SDPF催化转化器的排气道中装置(例如，混合装置)的表面。换句话说，对实际上可能例如由于废气的流动方向和喷射点的位置而受尿素基沉积物影响的区域初步地进行粗略估计。
对于这些所识别的区域，确定存在尿素基沉积物形成风险的空间分辨程度。换句话说，第一步骤中所识别的区域将进行更精确的观察，并且实际存在尿素基沉积物的风险的区域的点以空间分辨的方式确定。
为此，例如可以考虑在所识别的区域中形成尿素基沉积物的可能性和/或在所识别的区域上尿素基沉积物的预期量。形成尿素基沉积物的可能性可以例如取决于尿素水溶液与所识别的区域之间接触的可能性。尿素基沉积物的预期量例如可以借助于与所识别的区域接触的尿素水溶液的预期量来确定。
在另一步骤中，将用于催化分解尿素基沉积物而形成的涂层应用到所识别的区域，其中考虑已经确定的存在尿素基沉积物形成的风险的程度。
例如，可以将涂层应用到极有可能与尿素水溶液接触和/或其中如果与尿素水溶液接触则可以预期接触大量尿素水溶液的那些表面。
因此，为了应对在特定位置形成尿素基沉积物的风险的程度，可以例如连续地或仅间歇地或以其他方式应用涂层。另外，涂层的应用可以用于形成和/或结构化，以便以积极的方式影响气体和液体膜的流动。
例如，涂层可以包含例如显示或包含金属氧化物和/或沸石的洗涤涂层，以及用于催化尿素基沉积物的分解反应的一种或多种材料。这种催化活性材料例如可以是金属或金属氧化物，例如过渡金属和/或过渡金属氧化物，例如，Ti、Pd、Pt、V、Cr、Mo、Ni或其氧化物。
涂层增加了尿素的分解反应(例如将尿素热分解成异氰酸和/或异氰酸水解成氨)的速度，以使尿素基沉积物例如可以在最短时间内分解，同时形成氨，或者甚至根本不发生。以这种方式，可以将更多的尿素水溶液引入到废气中而不会形成尿素基沉积物。
此外，可以直接向SCR和/或SDPF催化转化器供应氨，该氨以其他方式仅必须在SCR和/或SDPF催化转化器的部分中形成。因此，更大体积的SCR和/或SDPF催化转化器可用于催化还原废气中包含的氮氧化物。
总体上可以改善废气后处理的有效性。另外，增加了排气道的使用寿命，因为尿素基沉积物还可以由于沉积物的积聚导致排气管的堵塞而导致效率或功能性降低。
然而，如果尿素基沉积物应该在某些操作条件下形成，则这些沉积物可以通过涂层在比没有涂层的情况下更低的温度下再次溶解。
涂层的局部分解应用意味着涂层适于用于防止沉积物的形成的实际催化要求。以这种方式，一方面可以节省涂层材料，并且降低了涂层成本，因为不需要催化活性的区域可以保持未涂覆。另一方面，在需要非常高的催化活性的区域上，选择性地应用更多的涂层和/或不同的涂层，从而在这些区域中也可以防止尿素基沉积物。
根据所需的催化活性来应用催化涂层的事实意味着，由于流动横截面的减小而导致的排气道的几何形状的变化可以被最小化和/或几何形状的优化可以被选择性地实现。例如，涂层可以适于例如混合装置的孔或结构。
根据不同的变体，可以通过应用具有变化的层厚度和/或变化的组成的涂层来应对已经确定的尿素基沉积物形成的风险的程度。
换句话说，针对已经确定的程度，可以改变涂层的层厚度和/或其组成。例如，可以将具有大的层厚度和/或表现出高催化活性的组成的涂层应用到很可能与尿素水溶液接触和/或与大量尿素水溶液接触的那些区域。相反地，对于那些不太可能与尿素水溶液接触的区域，可以选择小的层厚度。
以这种方式，可以优选进一步优化用于催化涂层的材料布置，从而一方面可以节省成本，并且另一方面可以保持或甚至提高催化废气后处理的效率。
根据另外的变体，该方法可以涉及通过实验室测试和/或通过CFD(计算流体动力学)方法来识别区域和/或确定程度。
这些方法可以以特别精确的方式在空间上解析，从而可以根据催化要求特别精确地应用涂层，并且可以更加明显地呈现上述的优点。
计算流体动力学的另一个优点是无需为实验室测试生产任何实际组件，这意味着在这方面可以节省材料以及与之相关的成本。
根据另外的变体，可以借助于气相沉积、等离子体沉积和/或增材制造方法来应用涂层。例如，气相沉积可以被实施为CVD(化学气相沉积)和/或PVD(物理气相沉积)，例如热蒸发、电子束蒸发、激光束蒸发和/或溅射，其中支持等离子体可以可选地与CVD方法以及PVD方法一起使用。
利用前述方法，可以快速地且可靠地应用涂层。另外，例如，特别是可以容易地设定涂层的厚度，通过涂层被涂覆更长的时间。
使用增材制造方法(例如通过3D打印)来应用涂层有利地允许非常精确且受控地构造涂层，以使所述涂层可以特别好地适应实际要求。
根据另外的变体，在排气道的设计和/或制造期间可以以这样的方式至少部分地考虑待应用的涂层的层厚度，即，与没有涂层的排气道相比，排气道的性质(例如流动横截面、温度分布等)保持不变。
换句话说，排气道(例如排气管路)、混合装置和/或喷洒装置可以以这样的方式配置，即在设计或制造期间从一开始就考虑涂层，例如通过将涂覆后产生的流动横截面包括在排气道的布局中。
以这种方式，例如，在用于混合废气和供应的尿素水溶液的涂覆的混合装置的情况下，即使在涂覆之后也可以确保充分的混合。换句话说，例如至少可以通过涂层避免对排气道中的流动条件的负面影响。
根据另外的变体，可以至少部分地以形成和/或结构化方式应用涂层。
以这种方式，可以积极地影响尿素水溶液的液膜的形成和运动和/或气流。
根据另外的变体，可以将涂层应用到混合装置(优选紧凑的混合装置)的区域、管道的区域和/或被设计用于将尿素水溶液喷洒到排气道中的喷洒装置的区域。
如果将涂层应用到用于混合废气和供应的尿素水溶液的混合装置，则即使在混合时也可以促进氨的形成，从而在混合装置的下游存在与氨充分混合的并供应给SCR和/或SDPF催化转化器的废气。由此可以改善废气中包含的氮氧化物的催化还原。
此外，可能的是，防止形成尿素基沉积物，特别是在混合装置的区域中，否则其操作将受到这种沉积物特别严重地损害。
紧凑的混合装置与常规的混合装置的不同之处在于设计更加紧凑，并且因此其布置所需的安装空间更少。例如，较小的尺寸意味着这种紧凑的混合装置特别容易受到尿素基沉积物的影响，换句话说，即使沉积物较小，其功能也会受到相当大的损害。因此，在紧凑的混合装置的情况下，催化有效涂层的应用具有特别积极的作用。
根据本发明的用于内燃发动机的排气道在存在尿素基沉积物形成风险的排气道的区域中具有涂层，该涂层被配置用于催化分解尿素基沉积物。该涂层具有变化的层厚度和/或变化的组成。
例如，可以考虑形成尿素基沉积物的风险的程度来应用涂层。
排气道可以是机动车辆(例如特别是汽车)的一部分。内燃发动机可以特别是柴油发动机。
排气道可以具有废气后处理装置，例如SCR、SDPF、LNT(贫氮氧化物捕集器)或氧化催化转化器。在这种情况下，涂层优选布置在SCR或SDPF催化转化器的上游。为了喷洒尿素水溶液，排气道可以具有带有喷洒装置的供应装置，该喷洒装置被设计成将尿素水溶液喷洒到在排气道中流动的废气中。
根据本发明的排气道可以例如通过上述方法中的一个来生产。因此，排气道的优点对应于该方法及其变体的优点。
根据不同的变体，涂层可以被应用到混合装置的区域(优选地是紧凑的混合装置的区域)、管道的区域和/或被设计用于将尿素水溶液喷洒到废气中的喷洒装置的区域。
根据另外的变体，可以至少部分地考虑所应用的涂层来确定排气道线的尺寸。
附图说明
下面借助附图和相应的描述更详细地解释本发明。在附图中：
图1示出了示例性方法的流程图；以及
图2以示意图示出了示例性排气道。
具体实施方式
图1示出了用于防止在内燃发动机2的排气道1中形成尿素基沉积物的方法的顺序。在第一处理步骤S1中，识别存在形成尿素基沉积物的风险所在的排气道1的那些区域。例如，这可以是在喷洒装置7和布置在喷洒装置7下游的SCR或SDPF催化转化器13之间的区域。因为喷洒装置7用于将尿素水溶液引入到废气8中，所以在喷洒装置7的区域中以及在喷洒装置7的下游存在将形成尿素基沉积物的风险，例如，水从尿素水溶液中蒸发，并且尿素在尿素沉积之前沉淀。尿素基沉积物的形成取决于，除了别的以外，废气8的温度、排气道1的温度(例如属于排气道1的管道的温度)、尿素水溶液的剂量和废气8的流动条件。
换句话说，在第一步骤S1中，确定在某些条件下实际上可能形成尿素基沉积物的那些区域。
在下一个处理步骤S2中，确定形成尿素基沉积物的风险的空间分辨程度。例如，确定尿素水溶液与识别的区域之间接触的可能性以及接触的尿素水溶液的预期量。因此，可以创建一种已识别区域的图，该图指示在特定点上将会形成尿素基沉积物的风险的水平。可以模拟风险的计算流体动力学方法可以有利地用于创建图。这些可以通过实验室调查来补充，例如以验证通过模拟获得的结果。
处理步骤S1和S2也可以共同地实施。
在第三步骤中，从在步骤S2中确定的形成尿素基沉积物的风险的空间分辨程度开始，针对先前确定的程度，将涂层3应用到排气道中的已识别区域。涂层3用于尿素基沉积物的催化分解，从而一方面可以分解现存的沉积物，另一方面可以很大程度上避免新沉积物的形成。
为了应对形成尿素基沉积物的不同风险，可以例如应用具有变化的层厚度4和/或变化的组成的涂层3。例如，在将形成尿素基沉积物是高概率的区域中，可以应用具有大的层厚度4和/或增加的催化活性的涂层3，而在将形成尿素基沉积物是低概率的区域中，可以完全省去涂层3，或者可以应用具有相应较小的层厚度4和/或表现出较低催化活性的组成的涂层。
图2示出了在示例性实施例中与内燃发动机2邻接的排气道1，其例如可以通过上述方法来制造。排气道1例如可以布置在机动车辆中。
在示例性实施例中的内燃发动机2具有四个汽缸11并且被配置为柴油发动机。然而，本发明不限于特定数量的汽缸或特定类型的发动机，而是可以与多个不同的发动机灵活地组合使用。
进入的空气10通过进气道9被供应给内燃发动机2。在燃烧过程期间，在内燃发动机2中产生废气8，该废气8被输送到排气道1中，其中所述排气道将废气8排入环境。例如可以是LNT催化转化器或柴油氧化催化转化器的废气后处理装置12最初布置在排气道1中。供选择地，多个废气后处理装置12，或者没有废气后处理装置12可以被提供。SCR催化转化器13布置在废气后处理装置12的下游，该催化转化器也可以可选地配置为SDPF催化转化器。
SCR催化转化器13降低包含在废气8中的氮氧化物，由此，SCR催化转化器13需要氨。所需的氨从排气道1中的尿素水溶液中原位提取。尿素水溶液存储在储存罐14中，并在需要时通过布置在SCR催化转化器13的上游的喷洒装置7的供应管路15进料。喷洒装置7用于将尿素水溶液喷洒到在排气道1中流动的废气8中。
此外，混合装置5布置在喷洒装置7和SCR催化转化器13之间，该混合装置可以优选配置为紧凑的混合装置。混合装置5用于将废气8与喷洒的尿素水溶液混合。
在某些操作条件下，可能会发生喷洒的尿素水溶液在形成氨的同时并未完全分解的现象，而是在喷洒装置7和SCR催化转化器13之间的区域中产生尿素基沉积物。因此这在很大程度上被防止，排气道1在其中存在形成尿素基沉积物的风险的区域中具有涂层3，所述涂层被配置用于尿素基沉积物的催化分解。涂层3具有例如包含氧化铝或沸石的洗涤涂层，其中嵌入了催化尿素基沉积物分解的催化有效成分。
涂层3具有不同的层厚度4。例如，涂层3的更大的层厚度4被应用到与喷洒装置7相对的排气道1的管道的壁上，其中层厚度4在喷洒装置7的方向上减小，因为在喷洒装置7的区域中可以预期更少的壁润湿。
混合装置5也具有涂层3，其中层厚度4在上游侧和下游侧上更大，其中可能形成的液膜大于在喷洒的尿素溶液遇到废气8时形成的喷洒锥外部的点。可选地，涂层3的组成也可以变化。
不同的层厚度4和/或组成意味着可以针对形成尿素基沉积物的风险的程度。
此外，考虑到涂层3，图2中的排气道1被部分地确定尺寸。换句话说，在排气道1的设计阶段考虑了涂层3，这意味着涂层3对流动横截面具有尽可能小的影响，或者对流动横截面具有积极影响。
附图标记列表
1排气道
2内燃发动机
3涂层
4层厚度
5混合装置
6管道
7喷洒装置
8废气
9进气道
10 进入的空气
11 汽缸
12 废气后处理装置
13 SCR催化转化器或SDPF催化转化器
14 储存罐
15 供应管路
S1至S3 处理步骤
