[发明专利]在车辆排放控制系统中加热含脲材料的方法和装置

说明书

申请日的权益要求

本发明要求2010年8月19日提交的美国临时专利申请61/375,077、2010年8月19日提交的61/375,080、和2011年8月15日提交的美国专利申请13,209,630的权益，所有专利申请为了所有目的通过引用并入本文。

发明领域

本发明涉及利用热能储存材料例如相变材料中储存的排气废热，来从固体或液体还原材料例如含脲材料，生成还原气体例如氨以用于NO_x选择性催化还原(‘SCR’)的方法。更具体地说，本发明涉及蒸发液体还原材料的方法(例如脲的水溶液和直接脲水解)，和加热固体还原材料的方法。

发明背景

工业中通常一直在积极寻找新的途径来有效捕集和储存废热，使得它可以在更适宜的时间被利用。而且，期望在紧凑的空间中实现蓄能需要开发能够在单位重量和单位体积储藏高能量含量的新材料。突破性技术的潜在应用领域包括运输、太阳能、工业制造方法以及市政和/或商业建筑加热。

在运输业中，排气后处理系统，亦称排放控制装置，用来减少污染物排放。这种后处理系统通常在排气从燃烧室排出之后从中除去污染物。它们包括，例如，催化转化器、柴油颗粒过滤器和柴油氧化催化剂。

在一些应用中已知，在车辆的排放控制系统中将脲溶液注入车辆的排气流中以帮助减少NO_x(即氮的氧化物)，例如氧化氮II(即NO)和/或氧化氮IV(即NO₂)。在排放控制系统中，(例如，在排放控制系统的产氨反应器中)，脲溶液被转化成氨(NH₃)和CO₂。氨在SCR反应器中与排气中所含的氮的氧化物NO_x反应，从而将有害的NO_x转化成无害的反应产物：氮气(即N₂)和水(即H₂O)。然而在这种应用中利用脲溶液有一些缺点。例如，脲的商业水溶液(例如AdBlue^TM，32.5wt％脲)具有的水比脲化学计量地水解为NH₃和CO₂所需要的多几乎7倍。脲溶液的注入通常通过在与排气一起进入SCR反应器之前喷洒到产氨反应器中来执行。脲的商业水溶液(例如满足ISO 2224要求的32.5wt％脲/67.5wt％水溶液，由德国汽车工业协会(German Association of the Automobile Industry)命名为AdBlue^TM，例如可从Cummins Filtration商购的Fleetguard柴油机排气处理液(DEF)，和可从Daimler AG商购的BlueTEC)具有的水比脲化学计量地水解为NH₃和CO₂所需要的多几乎7倍。如果这种溶液直接注入产氨反应器中，多余的水将导致排气的冷却，因为多余的水消耗热量(例如汽化潜热和显热)。这可以引起温度降低，致使产氨反应器和/或SCR反应器不能有效工作，特别是在喷洒脲溶液时温度相对低(例如约300℃或更低，或约250℃或更低)的情况下。在城市行车条件中排气温度和流速低时和/或车辆停止而它的发动机空转时，通常发生所述低温。发生这种情况时，它可以引起SCR反应器中固体沉积物形成和/或亚适温度。这种冷却效应还可以因需要高度排气再循环(EGR)来保持NO_x的低排放量，从而导致较高的燃料消耗，这是因为SCR反应由于SCR反应器中的低温而太缓慢时，EGR是减少NO_x排放的唯一手段。另外，为了减少NO_x排放，脲需要分解以释放出氨(NH₃)，使得化学反应可以在SCR反应器中有效进行。蒸发脲溶液中的多余水和分解脲以产生氨的两个过程都是吸热的。

使用脲溶液有其他缺点。由于车辆必须携带脲溶液中额外的和不必要的水重量，车辆的燃料效率受到损害。一些可商购的脲溶液在-11℃冻结。当发生这种情况时，将必须采取融化脲溶液的步骤。例如，车辆的排气系统可能在亚最佳、极少或甚至未减少NO_x排放下运行，直到发动机室由于燃烧热而变热并融化脲溶液为止。