專利名稱：通過使用水解催化涂層增加還原劑降解反應器的耐久性的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種排氣系統(tǒng)領域。尤其是，本發(fā)明描述的內容涉及排氣系統(tǒng)的后處理部分的選擇性催化還原反應(SCR)，通過采用水解催化涂層增加了整個排氣系統(tǒng)的性能和耐久性。
背景技術：
與使用內燃機相關的一個普遍問題是在廢氣流中形成有不需要的副產品，特別是氮氧化物。后處理系統(tǒng)，如選擇性催化反應(SCR)系統(tǒng)，通過使用尿素定量配給系統(tǒng)來降低廢氣流中的氮氧化物含量，從而分解氮氧化物。然而，尿素定量配給系統(tǒng)很容易在后處理系統(tǒng)中形成尿素沉積物。尿素沉積物的累積可能會導致接觸尿素的尿素分解反應器的部分腐蝕和侵蝕。最終，這些尿素沉積物可能會導致在后處理系統(tǒng)中廢氣的排放不能達標和增加發(fā)動機的背壓。在過去，水解催化涂層已應用于后處理系統(tǒng)中的滲透催化裝置的一部分上， 以提高選擇性催化反應(SCR)系統(tǒng)的性能，但其效用還沒有被應用到在整個還原劑分解反應器中防止尿素沉積物的形成和累積。

發(fā)明內容
本專利申請描述了應用在排氣系統(tǒng)的后處理部分內的各個區(qū)域上的水解催化涂層。該水解催化涂層增加了尿素和尿素沉積物分解率和減緩了在反應器中尿素沉積物的形成，從而導致了更有效的后處理系統(tǒng)。具體來說，水解催化涂層在很短的停留時間內將尿素和尿素沉積物分解成氨，甚至在低溫和/或后處理系統(tǒng)的低流速部分。這考慮到在先前的尿素定量配給不切實際的應用制度下的后處理能力。該水解催化涂層還可以防止接觸到的尿素或尿素副產品的后處理系統(tǒng)的各個部分的侵蝕和腐蝕。這種涂層的保護作用可以增加組件的使用壽命和有能力較少使用昂貴的材料如成本高的不銹鋼材料制造后處理系統(tǒng)，并仍然保持相同的耐用性。特別是，該水解催化涂層通過使具有水解催化涂層表面的表面溫度最大化提高了成氨動力學，從而消除異氰酸(HNCO)化合物和減少副產品的形成，如縮二脲，異氰脲酸，三聚氰酸二酰胺(ammeline)和三聚氰酸一酰胺(ammelide)。異氰酸化合物作為可能導致該排氣系統(tǒng)的金屬部分腐蝕的尿素沉積物的形成的初期形式。此外，該水解催化涂層降低進入到分解反應器中的尿素的定量配給溫度，從而提高了該后處理系統(tǒng)中的分解氮氧化物的整個工藝。
在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種還原劑分解反應器，該還原劑分解反應器利用水解催化涂層分解尿素和尿素沉積物和減緩尿素沉積物的形成。該反應器包括一個連接到中間管部的噴射器支架，一個進氣管，一個出氣管和一個攪拌器。該噴射器支架能夠將尿素注入該反應器。該進氣管是形成于該中間管部的第一端，且配置用于連接到排氣系統(tǒng)的第一部分。該出氣管是形成于該中間管部的第二端，且配置用于連接到排氣系統(tǒng)的第二部分。該攪拌器是安裝在靠近該出氣管的中間管部的一端，且配置用于分解由噴射器支架注入到反應器內的尿素。該水解催化涂層應用于噴射器支架的內表面、該中間管部的內表面、 該出氣管的內表面，以及攪拌器的外部邊緣，且該水解催化涂層能分解與水解催化涂層接觸的尿素和尿素沉積物，并減緩尿素沉積物的形成。


圖1是具有水解催化涂層的可拆卸的還原劑分解反應器的側視圖。圖2A是具有水解催化涂層的噴射器支架的一實施例的截面?zhèn)纫晥D。圖2B是具有水解催化涂層的噴射器支架的另一實施例的截面?zhèn)纫晥D。
具體實施例方式在下面的詳細描述之中，參考了作為詳細描述的一個部分附圖，并且在它是由本發(fā)明的具體實施例來顯示。這些具體實施例描述得足夠詳細，以使本領域的普通技術人員能夠實現(xiàn)所主張的內容，可以理解，在不偏離本發(fā)明權利要求的精神和范圍的情況下，可能使用其他的具體實施例。因此，下面的詳細描述不會構成本發(fā)明的一種限制。本文描述的實施例是指一種具有水解催化涂層的還原劑分解攪拌器。水解催化涂層增加了尿素和尿素沉積物分解率和減緩了反應器中尿素沉積物的形成，從而使得后處理系統(tǒng)更有效。具體來說，水解催化涂層在很短的停留時間內將尿素分解成氨，即使在后處理系統(tǒng)的低溫和/或低流速部分。這考慮到在先前的尿素定量配給不切實際的應用制度下的后處理能力。水解催化涂層還可以防止接觸到尿素或者尿素副產品的后處理系統(tǒng)的部分受到侵蝕和腐蝕。這種涂層的保護作用可以增加組件的使用壽命和減少使用昂貴的材料如成本高的不銹鋼材料制造該后處理系統(tǒng)且仍然保持相同的耐用性的能力。特別是，該水解催化涂層通過使具有水解催化涂層表面的表面溫度最大化提高了成氨動力學，從而消除異氰酸(HNCO)化合物和減少副產品的形成，如縮二脲，異氰脲酸，三聚氰酸二酰胺(ammeline)和三聚氰酸一酰胺(ammelide)。異氰酸化合物作為可能導致該排氣系統(tǒng)的金屬部分腐蝕的尿素沉積物的形成的初期形式。此外，該水解催化涂層降低進入到分解反應器中的尿素的定量配給溫度，從而提高了該后處理系統(tǒng)中的分解氮氧化物的整個工藝。圖1是一個可拆卸的具有水解催化涂層105的還原劑分解反應器100的側視圖。 該反應器100與美國專利申請第12/25沈89號，名稱為“內裝有攪拌器的可拆卸分解反應器”里描述的反應器相似，本文全部參考這篇美國專利申請中描述的反應器。該反應器100包括一個中間管部110，一個噴射器支架120，一個進氣管140，一個出氣管150及一個攪拌器130。該噴射器支架120用于將尿素注入反應器100內并連接到該中間管部110。該攪拌器130用于分解通過該噴射器支架120導入該反應器100的尿素，且被安裝在毗鄰該出氣管150的中間管部110的一端。在本實施例中，該攪拌器130與美國專利申請?zhí)?2/237574，名稱為“還原劑分解攪拌器及其制造方法”中描述的攪拌器類似， 本文全部參考這篇美國專利申請中描述的攪拌器。該進氣管140形成在中間管部110的第一端且用于連接到SCR排氣系統(tǒng)的第一部分(未顯示)。該出氣管150形成在該中間管部 110的第二端，且用于連接到SCR排氣系統(tǒng)的第二部分(未顯示)。配置該進氣管140和出氣管150是用于滿足連接任何類型的SCR排氣系統(tǒng)。該噴射器支架120和攪拌器130是相對地設置目的是使通過該噴射器支架120噴射到該反應器100內的尿素噴射到該攪拌器130的中間部分。該反應器100還包括圍繞該中間管部110、該進氣管140的一部分、及該出氣管150的一部分的外表面的絕緣層160。該絕緣層160用于保留反應器100內的盡可能多的熱量，以幫助分解在廢氣流中的氮氧化物還原劑。該中間管部110、噴射器支架120、攪拌器130和出氣管150都接觸尿素，通常是由相同的材料或熱膨脹系數(shù)相似的材料制成。這使得當在后處理系統(tǒng)中使用反應器100時該中間管部110、攪拌器130和出氣管150具有相同的熱膨脹和收縮。該攪拌器130包括攪拌葉片134，該攪拌葉片134用于分解來自穿過分解反應器100的廢氣流中的氮氧化物還原劑。該進氣管140的材料成本可以比該中間管部110、噴射器支架120、攪拌器130及出氣管150的材料成本低，因為該進氣管140不直接接觸尿素。正如圖1所示，水解催化涂層105應用到與尿素接觸的反應器100的表面，該尿素是通過噴射器支架120注入到反應器100。尤其是水解催化涂層105應用于噴射器支架 120的內表面122、該中間管部110的內表面112、該出氣管150的內表面152，以及攪拌器 130的外部邊緣132。雖然在圖1所示的實施例中，該涂層105已基本上應用到整個內表面 122、內表面112、內表面152和外部邊緣132，在其他實施例中，該涂層105只應用于內表面 122、內表面112、內表面152和外部邊緣132的一部分。此外，在一些實施例中，該涂層105 沒有都應用于內表面122、112、152和外部邊緣132。使用深鍍方法，使用等離子噴涂的等離子噴涂方法，使用油漆噴涂設備的油漆噴涂方法，或任何其他傳統(tǒng)的化學技術可將該水解催化涂層105應用于上述表面上，會在該噴射器支架120的內表面122、該中間管部110的內表面112、該出氣管150的內表面152，以及攪拌器130的外部邊緣132產生一層均勻的催化劑薄膜。水解催化涂層105是由催化劑，水涂層(washcoat)，粘結劑和其他添加劑組成。水涂層是由金屬氧化物或沸石或金屬氧化物和沸石組成的。在一個實施例中，水涂層是由銳鈦礦相二氧化鈦組成。然而，在其他的實施例中，水涂層是由氧化鋁或氧化鈰組成。水解催化劑的實施例已在專利申請?zhí)枮?2/145，618，名稱為“尿素轉化為氨的催化裝置”的美國專利申請中描述，本文全部參考該專利文件。在一個實施例中，水解催化劑包括在有水存在的情況下將尿素催化為氨的材料(或者在有水存在的情況下將異氰酸催化為氨)。合適的催化劑可能包括，但不僅限于，金屬和金屬氧化物(如過渡金屬或過渡金屬氧化物，如鈦，鈀，鉬，釩，鉻，鉬，鎳或它們的氧化物)。圖2A和2B是兩種不同實施例的噴射器支架120的截面?zhèn)纫晥D。該涂層105只應用于噴射器支架120的內表面122。該噴射器支架120包括一個噴射端口 124，一個噴射器殼體125和一個該噴射器殼體125構成的噴射腔體126。該噴射器支架120是用于通過噴射端口 IM將尿素注入到該中間管部110 (如圖1所示)。該噴射器支架120如此設置是為了確保尿素通過反應器100，然后再通過后處理系統(tǒng)。如圖2A所示，該噴射器支架120還包括一利用靠近噴射端口 IM的金屬柱1 連接到內表面122的側板127。該側板127是由金屬材料制成的并提供引導注入的尿素通過側板127進入該中間管部(未顯示)，以防止注入的尿素回濺到該噴射端口 124。此外，水解催化涂層105也應用到該側板127的內表面。在一些實施例中，該涂層105只應用于該側板127的內表面的一部分。此外，在一些實施例中，該涂層105至少應用于該側板127的外表面的一部分。該涂層105能夠減緩在噴射端口 IM或在噴射端口 124附近形成尿素沉積物，從而為尿素進入噴射器支架120保持一條暢通的路徑。在該內表面122和側板127 上的水解催化涂層105能夠迅速加熱廢氣，這有助于防止尿素沉積物的形成，同時盡量減少熱傳導到一個連接的尿素噴射器(未顯示)上。如圖2B所示，該噴射器支架120包括一個延伸的側板129，該側板1 基本上朝向該中間管部的頂部延伸進入該噴射器腔體126內(如圖1所示)。該延伸的側板1 使用靠近該噴射端口 1 的金屬柱1 連接到內表面122。該延伸的側板1 是由金屬材料制成并提供引導注入的尿素通過該延伸的側板1 進入該中間管部(如圖1示)，以防止注入的尿素回濺到該噴射端口 1 和噴射器腔體126。此外，該水解催化涂層105也應用到該側板129的內表面。在一些實施例中，該涂層105只應用于該側板129的內表面的一部分。 此外，在一些實施例中，該涂層105至少應用于該側板129的外表面的一部分。該涂層105 能夠減緩在噴射端口 1 或在噴射端口 1 附近形成尿素沉積物，從而為尿素進入噴射器支架120保持一條暢通的路徑。在該內表面122和側板127上的水解催化涂層105能夠迅速加熱廢氣，這有助于防止尿素沉積物的形成，同時盡量減少熱傳導到一個連接的尿素噴射器(未顯示)上。因此，在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種還原劑分解反應器，該還原劑分解反應器使用能夠分解尿素和尿素沉積物和減少形成尿素沉積物形成的水解催化涂層。該反應器包括一個連接到中間管部上的噴射器支架，一個進氣管，一個出氣管和一個攪拌器。該噴射器支架能夠將尿素引入反應器。該進氣管是形成于該中間管部的第一端，且配置用于連接到排氣系統(tǒng)的第一部分。該出氣管是形成于該中間管部的第二端，且配置用于連接到排氣系統(tǒng)的第二部分。該攪拌器是安裝在靠近該出氣管的中間管部的一端，且配置用于分解由噴射器支架引入到反應器內的尿素。該水解催化涂層應用于噴射器支架的內表面、該中間管部的內表面、該出氣管的內表面，以及攪拌器的外部邊緣，且該水解催化涂層能分解與水解催化涂層接觸的尿素和尿素沉積物，并減少尿素沉積物的形成。此外，在另一種實施例中，本發(fā)明提供了一個噴射器支架，該噴射器支架能分解尿素和尿素沉積物且為分解還原劑反應器減少尿素為沉積物的形成。該噴射器支架包括一個噴射器殼體，噴射端口和噴射器腔體。該噴射端口用于在噴射器外殼的第一端將尿素注入噴射器支架。該噴射器腔體是由該噴射器外殼構成，且配置為允許通過噴射端口噴入的尿素進入還原劑分解反應器。另外，該水解催化涂層用于分解與水解催化涂層接觸的尿素和尿素沉積物，并減少尿素沉積物的形成。在又一個實施例中，本發(fā)明提供了一個中間管部，該中間管部能分解尿素和尿素沉積物，并為還原劑分解反應器減少尿素沉積物的形成。該中間管部包括一個頂部，一個第一端，和一個第二端。該頂部連接到一個用于將尿素注入到反應器噴射器支架。該第一端是連接到一個進氣管。該第二端連接到一個出氣管和配置用于支撐攪拌器，該攪拌器分解通過噴射器支架經該頂部噴入反應器的尿素。此外，該中間管部內表面的一部分能夠分解與水解催化涂層接觸的尿素和尿素沉積物，并減少尿素沉積物的形成。
在本申請中披露的這些實施例在所有方面是作為說明性的而不是作為限制性的。 本發(fā)明的范圍是由附屬的權利要求來主張的，而不是由上述描述來主張；在權利要求的字面意義及等同范圍內的任何改變都應包含在這些權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種還原劑分解反應器，該還原劑分解反應器能分解尿素及尿素沉積物和減少尿素沉積物的形成，其特征在于，其包括連接到一個中間管部的噴射器支架，該噴射器支架能夠將尿素引入反應器；設置在該中間管部的第一端的進氣管，該進氣管配置為連接到排氣系統(tǒng)的第一部分；設置在該中間管部的第二端的出氣管，該出氣管配置為連接到該排氣系統(tǒng)的第二部分；設置在該中間管部的第二端靠近該出氣管的攪拌器，該攪拌器配置為分解通過噴射器支架進入到反應器的尿素；其中，一個或更多的噴射器支架的內表面一部分、該中間管部的內表面一部分、該出氣管的內表面一部分，以及攪拌器的外部邊緣一部分形成有水解催化涂層，該水解催化涂層能分解與該水解催化涂層接觸的尿素和尿素沉積物，并減少尿素沉積物的形成。
2.如權利要求1所述的反應器，其特征在于，還包括一金屬側板，該水解催化涂層應用到該金屬側板的一部分，利用靠近一噴射端口的柱子將該金屬側板連接到該噴射器支架的內表面，該側板能使注入的尿素進入該中間管部以防止注入的尿素回濺到該噴射端口。
3.如權利要求1所述的反應器，其特征在于，還包括一金屬側板，該水解催化涂層應用到該金屬側板的一部分，該側板基本上朝向該中間管部的頂部延伸進入該噴射器腔體內， 利用靠近一噴射端口的柱子將該金屬側板連接到該噴射器支架的內表面，該側板能使注入的尿素進入該中間管部以防止注入的尿素回濺到該噴射端口和該噴射器支架的噴射器腔體。
4.如權利要求1所述的反應器，其特征在于，該水解催化涂層包括金屬氧化物、沸石或金屬氧化物和沸石的混合物。
5.如權利要求4所述的反應器，其特征在于，如果該水解催化涂層包括金屬氧化物或金屬氧化物和沸石的混合物，該金屬氧化物是二氧化鈦。
6.如權利要求4所述的反應器，其特征在于，如果該水解催化涂層包括金屬氧化物或金屬氧化物和沸石的混合物，該金屬氧化物是氧化鋁或者氧化鈰。
7.如權利要求1所述的反應器，其特征在于，采用等離子噴射或者油漆噴射，將該水解催化涂層應用到該噴射器支架的內表面、該中間管部的內表面、該出氣管的內表面，以及該攪拌器的外部邊緣。
8.—種噴射器支架，該噴射器支架能分解尿素及尿素沉積物和為一還原劑分解反應器減少尿素沉積物的形成，其特征在于，其包括一噴射器殼體；在該噴射器殼體的第一端將尿素噴射入該噴射器支架內的噴射端口 ；由該噴射器殼體構成的噴射器腔體，該噴射器腔體允許已注入的尿素經該噴射端口通過且進入該還原劑分解反應器；其中，該噴射器殼體的內表面的一部分形成有水解催化涂層，該水解催化涂層用于分解與該水解催化涂層接觸的尿素和尿素沉積物，并減少尿素沉積物的形成。
9.如權利要求8所述的噴射器支架，其特征在于，還包括一金屬側板，該金屬側板用于防止注入的尿素回濺到該噴射端口，利用靠近該噴射端口的柱子將該金屬側板連接到該噴射器殼體的內表面，其中，該水解催化涂層應用到該金屬側板內表面的一部分，用于分解與該水解催化涂層接觸的尿素和尿素沉積物并減少尿素沉積物的形成。
10.如權利要求9所述的噴射器支架，其特征在于，該側板延伸進入該噴射支架的噴射器腔體內且配置為基本上朝向該還原劑分解反應器的中間管部的頂部。
11.一種中間管部，該中間管部能分解尿素及尿素沉積物和為一還原劑分解反應器減少尿素沉積物的形成，其特征在于，其包括一頂部，該頂部連接到一用于將尿素引入到該還原劑分解反應器的噴射器支架； 一第一端，該第一端連接到一進氣管；一第二端，該第二端連接到一出氣管且配置為支撐一用于分解通過該噴射器支架經該頂部進入該反應器的尿素的攪拌器；其中，該中間管部的內表面的一部分形成有水解催化涂層，該水解催化涂層用于能夠分解與該水解催化涂層接觸的尿素和尿素沉積物并減少尿素沉積物的形成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種增加SCR后處理系統(tǒng)耐久性的一種方式。具體來說，水解催化涂層應用于分解反應器內的多個表面，以幫助尿素和尿素沉積物分解和減緩尿素沉積物的形成。該反應器包括一個連接到中間管部的噴射器支架，一個進氣管，一個出氣管和一個攪拌器。水解催化涂層應用到該噴射器支架的內表面、該中間管部的內表面、該出氣管的內表面，以及該攪拌器的外部邊緣。該水解催化涂層能分解與水解催化涂層接觸的尿素和尿素沉積物和減緩尿素沉積物的形成。
文檔編號B01D53/94GK102361680SQ201080012829
公開日2012年2月22日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權日2009年2月2日
發(fā)明者布賴恩·E·布萊克維爾, 托馬斯·M·尤納肖里斯, 阿文德·V·哈利納斯 申請人:康明斯過濾Ip公司