Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen eines Fluides

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfen eines Fluides. Insbesondere handelt es sich hierbei um Harn- stoff-Wasser-Lösung, die als Reduktionsmittelvorläufer des Reduktionsmittels Ammoniak bei der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Abgassystem von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt wird.

Beim Einsatz der selektiven katalytischen Reduktion (SCR, Selective Catalytic Reduction) zur Reduktion des Stickoxidgehalts im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in Automobilen, wird oftmals Ammoniak als selektiv auf Stickoxide wirkendes Reduktionsmittel eingesetzt. Insbesondere bei mobi- len Anwendungen wird Ammoniak aus Harnstoff durch Thermo lyse und/oder Hydrolyse erzeugt. Harnstoff wird oft in Form von Harnstoff- Wasser-Lösung bevorratet und dann bei Bedarf entweder in Form der Lösung in das Abgassystem eingedüst oder Abgas extern verdampft und dann als ammoniak- bzw. harnstoffhaltiger Dampf dem Abgas zugeführt. Im letzteren Fall stellt oft gerade die Ver- dampfung größerer Volumina in dynamischen Lastfällen ein Problem dar, da die Aufbringung der Verdampfungsenthalpie dem Verdampfer relativ viel Energie entzieht, so dass dieser abkühlt, wobei die Abkühlung gegebenenfalls so gravierend ist, dass keine vollständige Verdampfung des Fluides mehr erfolgt.

Von daher liegt der hier vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfen eines Fluides bereitzustellen, bei dem auch größere Volumina des Fluides vollständig verdampft werden können.

Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche. Abhängige Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.

Das erfmdungsgemäße Verfahren zum Verdampfen eines vorgebbaren Volumens eines Fluides umfasst die folgenden Schritte: a) sukzessives Zugeben mindestens eines ersten Teilvolumens mit einer ersten Volumenzugaberate und mindestens eines vom ersten Teilvolumen unterschiedlichen zweiten Teilvolumens des vorgebbaren Volumens mit ei- ner zweiten Volumenzugaberate in eine Zuleitung; b) zumindest teilweises Verdampfen der Teilvolumina, so dass sich ein Dampffilm zwischen dem jeweiligen Teilvolumen und einer Wand der Zuleitung bildet; c) Führen der Teilvolumina durch die Zuleitung zu einer Verdampferfläche; und d) Aufgeben der Teilvolumina auf einen Bereich der Verdampferfläche, dessen Lage in Abhängigkeit mindestens eines der folgenden Parameter variiert wird: i) der Masse des entsprechenden Teilvolumens und ii) der Volumenzugaberate des entsprechenden Teilvolumens.

Schritt a) umfasst also insbesondere eine Aufteilung des vorgebbaren Volumens in mehrere unterschiedlich große Teilvolumina. Dieses kann durch ein entsprechendes Steuermittel vorgenommen werden, so dass vor Zugabe mehrere Teilvo- lumina des vorgebbaren Volumens berechnet und diese dann beispielsweise durch eine entsprechend ausgebildete Dosierpumpe in die Zuleitung zugegeben werden. Schritt a) umfasst auch den Fall, dass kontinuierlich das Fluid in die Zuleitung gefördert wird, wobei der Volumenstrom zeitlich variabel ist, so dass von daher erste und zweite Teilvolumina sukzessive in die Zuleitung zugegeben werden. In diesem Falle wird die Volumenzugaberate zeitlich variiert, beispielsweise über eine entsprechende Variation der Förderleistung einer Pumpe und/oder über

entpsrechende Drosseln wie beispielsweise Ventile, mit denen die Volumenzugaberate zur zeitlich gesteuertes öffnen oder Schließen variiert werden kann. Die Amplitude der Volumenzugaberate kann kontinuierlich und/oder diskontinuierlich variiert werden. Die Amplitude der Volumenzugaberate kann über vorgebbare Zeitintervalle konstant bleiben, die Lände dieser Zeitintervalle ist bevorzugt variabel.

Durch Schritt d) werden unterschiedliche Bereiche der Verdampferfläche mit den unterschiedlich großen Teilvolumina massen- und/oder Volumenzugaberatenab- hängig beaufschlagt. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Ausnutzung der Verdampferfläche und damit zu einem gleichmäßigeren und nicht nur punktuellen Abkühlen der Verdampferfläche. Dies bewirkt, dass eine deutlich vollständigere Verdampfung als bei anderen Systemen aus dem Stand der Technik erfolgt, da das Risiko, dass sich die Verdampferfläche so stark abkühlt, dass eine weitere Ver- dampfung nicht möglich ist, deutlich reduziert wird.

Besonders bevorzugt stellt das Fluid Harnstoff- Wasser-Lösung dar. Besonders bevorzugt ist hierbei ein Einsatz bzw. eine Verwendung des Verfahrens zum Zuführen eines Harnstoff- und/oder Ammoniakhaitigen Gasstroms zum Abgassys- tem einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere bei mobilen Anwendungen wie beispielsweise bei Automobilen und/oder Motorrädern.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Verfahrens um- fasst die Verdampferfläche die Oberfläche mindestens eines Verdampferkanals. Bevorzugt stellen Zuleitung und Verdampferkanal einen gemeinsamen Kanal dar.

Weiterhin bevorzugt ist, dass Schritt d) auf Trägheitseffekten beruht. So kann aufgrund der unterschiedlichen Massen der einzelnen Teilvolumina unter Ausnutzung von Trägheitseffekten eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Teilvo- lumina auf der Verdampferfläche erreicht werden. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass der Verdampferkanal gekrümmt ist, seinen Krümmungsradi-

us ändert und/oder dass der Verdampferkanal seinen durchströmbaren Querschnitt ändert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens um- fasst das Fluid Harnstoff in wässriger Lösung, gegebenenfalls mit weiteren Zusatzstoffen, beispielsweise von Ameisensäure. Solche wässrigen Lösungen von Harnstoff sind unter dem Markennamen „Ad Blue" oder „Denoxium" erhältlich.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Verdampfen eines Fluides vorgeschlagen, welche das erfindungsgemäße Verfahren durchführt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist durch eine Zuleitung das Fluid zu einer Verdampferfläche zuführbar, wobei die Verdampferfläche die Oberfläche eines Verdampferkanals umfasst, wobei mindestens einer der folgenden Parameter variabel ist: a) ein Krümmungsradius des Verdampferkanals ; b) ein durchströmbarer Querschnitt des Verdampferkanals; c) die Volumenzugaberate des Fluides.

Durch Variation des Krümmungsradius, der Krümmung und/oder des durch- strömbaren Querschnitts kann erreicht werden, dass aufgrund von Trägheitseffekten unterschiedlich große Teilvolumina des vorgebbaren Volumens an unterschiedlichen Stellen der Verdampferfläche auftreffen. So werden unterschiedliche Bereiche der Verdampferfläche zur Aufbringung der Verdampfungsenthalpie und zur weiteren Erhitzung des Dampfes herangezogen. Dies verhindert ein punktuel- les Auskühlen der Verdampferfläche beim Verdampfen größerer vorgebbarer Volumina. Die Variabilität der Volumenzugaberate des Fluides wird durch entsprechend ansteuerbare Fördermittel wie beispielsweise Pumpen und/oder Ventile erreicht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest ein Teil der Verdampferkanal mit einer porösen Beschichtung verse-

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hen, die insbesondere die Hydrolyse eines Reduktionsmittelvorläufers zu Reduktionsmittel katalysiert. Besonders bevorzugt ist die Zuleitung und der Verdampferkanal aus einem Werkstoff ausgebildet, der korrosionsbeständig bei der Zugabe und Verdampfung einer Harnstoff- Wasser-Lösung ist. Insbesondere kann der Werkstoff einen entsprechenden Edelstahl, Titan und/oder Aluminium umfassen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst bevorzugt ein Fördermittel umfassend mindestens eine Pumpe zur Förderung des Fluides aus einem Reservoir in die Zuleitung. Bevorzugt ist die Ausgestaltung der Pumpe als Dosierpumpe, deren Förderleistung und damit die Volumenzugaberate des Fluides regelbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Förderpumpe als Fördermittel ausgebildet sein, mittels der eine Förderleistung und/oder eines Förderdrucks des Fluides vorgegeben werden kann. Durch Variation der Förderleistung und/oder des Förderdrucks und Ansteuerung eines entsprechenden zwischen Reservoir und Zuleitung ausge- bildeten Ventils kann die Volumenzugaberate des Fluides variiert werden.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden, ohne dass die Erfindung auf das dort gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt wäre. Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen und anwenden und umgekehrt. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 : ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit

Erläuterungen des sich ändernden durchströmbaren Querschnitts;

Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit

Erläuterungen zum Krümmungsradius;

Fig. 3: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer porösen Beschichtung auf einer Verdampferfläche;

Fig. 4: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 5 bis 7: Beispiele für Variationen der Volumenzugaberate des Fluids.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Verdampfen eines Fluides. Die Vorrichtung 1 weist einen Kanal 2 auf, der sich in eine Zuleitung 3 und einen Verdampferkanal 4 teilen lässt. Die Zuleitung 3 dient dabei dem Zuführen des Fluides, während der Verdampferkanal 4 als Ver- dampferflächen 5 dienende Wände aufweist. Hierbei weist die Vorrichtung 1 einen Vollkörper aus Aluminium auf, in dem der Kanal 2 eingebracht ist, beispielsweise durch Fräsen. Die Vorrichtung 1 weist weiterhin nicht gezeigte elektrische Heizmittel auf, die über die Anschlüsse 6 mit elektrischem Strom versorgt werden können. Hierdurch ist die Vorrichtung 1 elektrisch beheizbar.

über eine Dosierpumpe 7 ist das entsprechende Fluid aus einem Reservoir 8 in die Zuleitung 3 förderbar. Die Förderleistung der Dosierpumpe 7 und damit die Volumenzugaberate des Fluides in die Zuleitung 3 ist variabel. Erfindungsgemäß soll dabei ein vorgebbares Volumen des Fluides, hier Harnstoff- Wasser-Lösung zur Bereitstellung von Ammoniak als Reduktionsmittel im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, verdampft werden. Erfindungsgemäß wird hierbei das vorgebbare Volumen, dessen Menge sich beispielsweise aus der im Abgas vorhandenen Stickoxid-Konzentration berechnet, in einzelne, unterschiedlich große Teilvolumina geteilt. So ist es beispielsweise möglich, dass ein erstes Teilvolumen gebil- det wird, welches einem Drittel des vorgebbaren Volumens entspricht und ein zweites Teilvolumen, welches zwei Dritteln des vorgebbaren Volumens entspricht. Andere Teilungen sind möglich, beispielsweise in ein erstes Teilvolumen mit einem Sechstel des vorgebbaren Volumens, einem zweiten Teilvolumen mit zwei Sechsteln des vorgebbaren Volumens und einem dritten Teilvolumen ent- sprechend der Hälfte des vorgebbaren Volumens. Hierbei kann die Dosierpumpe 7 in vorteilhafter Weise zur Förderung der Teilvolumina in die Zuleitung 2 und

dann in die Verdampferkanal 4 genutzt werden. Alternativ kann die Volumenzugaberate des Fluids durch entsprechende Ansteuerung der Dosierpumpe 7 so variiert werden, dass das vorgebbare Volumen verdampft wird. Hier kann in vorteilhafter Weise auch die Laufzeit des Abgases von der Verbrennungskraftmaschine bis zur Umsetzung mit Ammoniak genutzt werden und die Dosierpumpe 7 entsprechend gesteuert werden.

In der Verdampferkanal 4 oder der Zuleitung 3 erfolgt eine teilweise Verdampfung der entsprechenden Teilvolumina, so dass sich ein Dampffilm zwischen dem Teilvolumen und einer Wand der Zuleitung 3 bildet. Dies beruht insbesondere auf dem sogenannten Leidenfrost-Effekt, hierbei werden die Wände der Zuleitung 3 so beheizt, dass dieser Leidenfrosteffekt gezielt auftritt. Hierdurch entsteht ein Dampffilm zwischen dem Teilvolumen und der Wand der Zuleitung 3. Aufgrund des durch die Dosierpumpe 7 aufrechterhaltenden Druckgefälles wird dieses Teil- volumen durch die Zuleitung 3 und die Verdampferkanal 4 geführt. Hierbei erfolgt die Führung der einzelnen Teilvolumina hin zu einer Verdampferfläche 5. Diese Verdampferfläche 5 ist im Ausführungsbeispiel eine Wand des Verdampferkanal 4. Durch eine änderung der Krümmung und/oder des durchströmbaren Querschnitts der Verdampferkanal 4 wird erreicht, dass ein Auftreffen der Teilvo- lumina auf die Verdampferfläche 5 in Abhängigkeit von der Masse der einzelnen Teilvolumina erfolgt. Dadurch dass unterschiedliche Teilvolumina zugegeben werden, wird erreicht, dass nicht nur ein Teilbereich der Verdampferfläche 5 zur Verdampfung des Fluides genutzt wird, sondern dass vielmehr eine Streuung der verwendeten Verdampferflächen 5 erreicht wird. Eine weitere Streuung wird al- ternativ oder zusätzlich durch die Variation der Volumenzugaberate des Fluids erreicht. Die Streuung der verwendeten Verdampferflächen 5 führt in vorteilhafter Weise dazu, dass die Verdampferfläche 5 effektiv genutzt wird und insbesondere beim Verdampfen von größeren vorgebbaren Volumina des Fluides eine gleichmäßige Ausnutzung der Verdampferfläche 5 stattfindet. Dies führt zu einem deut- lieh verbesserten Verdampfungsergebnis, da bei einer quasi punktweisen Ausnutzung der Verdampferfläche 5 und größeren vorgebbaren Volumina der Wärme-

verlust innerhalb der Vorrichtung 1 so groß ist, dass eine vollständige Verdampfung des vorgebbaren Volumens nicht gewährleistet werden kann. Weiterhin kann die Temperatur der Zuleitung 3 und/oder des Verdampferkanals 4 entsprechend geregelt werden, um eine möglichst vollständige Verdampfung des Fluids zu er- reichen.

Somit verhindert die erfindungsgemäße Verfahrensführung in vorteilhafter Weise eine unvollständige Verdampfung, bei der Tropfen des Fluides unverdampft aus der Verdampferkanal 4 austreten. Das Aufgeben der einzelnen Teilvolumina auf einen Bereich der Verdampferfläche 5, dessen Lage in Abhängigkeit der Masse und/oder der Volumenzugaberate des Fluids des entsprechenden Teilvolumens variiert wird, kann durch mehrere Maßnahmen erreicht werden. Beispielsweise kann hier eine Variation der Krümmung und/oder des durchströmbaren Querschnitts der Verdampferkanal 4 erfolgen. Allgemein werden hier Trägheitseffekte genutzt, die aufgrund der unterschiedlichen Masse der verschiedenen Teilvolumina zu unterschiedlichem Auftreffbereichen auf der Verdampferfläche 5 führen.

Fig. 1 zeigt hierbei einen ersten durchströmbaren Querschnitt 9 und einen zweiten durchströmbaren Querschnitt 10 der Verdampferkanal 4. Der erste durchströmba- re Querschnitt 10 ist größer als der zweite durchströmbare Querschnitt 10. Ein Dampfstrom 13 des verdampften Fluides verlässt die Vorrichtung 1.

Fig. 2 zeigt, dass sich die Krümmung des Verdampferkanals 4 ändert. Hierzu sind ein erster Krümmungskreis 11 und ein zweiter Krümmungskreis 12 eingezeichnet. Wie ersichtlich, ändert sich hierbei der Krümmungsradius, was zu einer massenabhängigen Abscheidung der Teilvolumina auf der Verdampferfläche 5 und damit zu einer örtlich aufgelösten Verdampfung der einzelnen Teilvolumina führt.

Fig. 3 zeigt ein Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels, bei dem die Verdampfer- fläche 5 eine poröse Beschichtung 14 aufweist, die die Hydrolyse von Harnstoff zu Ammoniak katalysiert.

Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungspeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Statt einer Dosierpumpe 7 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Förderpumpe 15 ausgebildet, mittels der die Harnstoff- Wasser-Lösung aus dem Reservoir 8 gefördert wird. über ein regelbares 2/3 -Wege- Ventil 16 wird die Zugabe der Harnstoff- Wasser-Lösung zur Zuleitung 3 geregelt. über dieses Ventil 16 kann die Harnstoff- Wasser-Lösung entweder in die Zuleitung 3 oder zurück in das Reservoir 8 geführt werden. Durch die Dauer der öffnung des Ventils 16 hin zur Zuleitung 3, sowie die durch das Ventil 16 in die Zuleitung 3 Menge, die durch die Regelung der Fördermenge der Förderpumpe 15 geregelt werden kann, kann die Volumenzugaberate des Fluids in die Zuleitung 3 variiiert werden.

Fig. 5 zeigt ein erstes Beispiel eines Verlaufes der Volumenzugaberate 17 in die Zuleitung 3 über die Zeit. Dieses Beispiel kann durch die entsprechende Ausbil- düng einer Förderpumpe 15 und eines Ventils 16 erreicht werden, wobei das Ventil 16 unterschiedliche frei durchströmbare Querschnitte aufweisen kannin diesem Fall ist also die durch das Ventil 16 in die Zuleitung 3 tretende Fluidmenge pro Zeiteinheit regelbar. Durch Variation der Zeitintervalle, in denen das Ventil 16 zur Zuleitung 3 geöffnet oder geschlossen ist und durch Variation der durch das Ven- til 16 strömenden Menge an Fluid kann die Volumenzugaberate 17 gesteuert werden. Durch entsprechende Ansteuerung der Dosierpumpe 7 und/oder der Förderpumpe 15, sowie des Ventils 16 kann eine entsprechende Variation der Volumenzugaberate 17 gemäß den Figuren 6 und 7 erfolgen. In den Figuren 5 bis 7 sind sowohl die Zeit t, als auch die Volumenzugaberate V/t in willkürlichen Einheiten angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfmdungsgemäße Vorrichtung 1 erlauben in vorteilhafter Weise eine möglichst effektive Verdampfung eines Fluides insbesondere von Harnstoff- Wasser-Lösung. Durch die massen- und/oder VoIu- menzugaberatenabhängige Verteilung der Auftreffflächen auf der Verdampferflä- che 5 wird erreicht, dass ein möglichst großer Anteil der Verdampferfläche 5 be-

nutzt wird. Hierzu wird in vorteilhafter Weise im Bereich der Zuleitung 3 eine Heizstrategie betrieben, die gewährleistet, dass bei Zugabe der einzelnen Teilvolumina jeweils der Leidenfrost-Effekt eintritt. Hierdurch kann eine möglichst gleichmäßige Verteilung durch eine entsprechende Ausgestaltung der Geometrie der Verdampferkanal 4 erreicht werden.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung zum Verdampfen eines Fluides

2 Kanal

3 Zuleitung

4 Leitung

5 Verdampferfläche

6 Anschlüsse

7 Dosierpumpe

8 Reservoir

9 erster durchströmbarer Querschnitt

10 zweiter durchströmbarer Querschnitt

11 erster Krümmungskreis

12 zweiter Krümmungskreis

13 Dampfstrom

14 poröse Beschichtung

15 Förderpumpe

16 regelbares Ventil

17 Volumenzugaberate