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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungseinrichtung für
einen Motor, und insbesondere eine Abgasreinigungseinrichtung, in
welcher ein Wirbelstrom im Motor-Abgas erzeugt wird und ein in das
Abgas gesprühtes Additiv zusammen mit dem Abgas an eine
stromabwärts angeordnete Katalysatoreinrichtung geleitet
wird.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Bei
einer Abgasreinigungseinrichtung, welche ein Additiv zum Entschärfen
giftiger im Abgas enthaltener Substanzen benutzt und das Abgas reinigt,
ist es wichtig, das versprühte Additiv mit dem Abgas unter
Benutzung des Wirbelstromes gut zu vermischen und das zugemischte
Additiv im Abgas gleichmäßig zu verteilen und
zu zerstäuben. Wenn diese Bedingungen erfüllt
sind, wird das Additiv im Wesentlichen gleichmäßig
durch die Katalysatoreinrichtung geleitet und die hohe Reinigungsleistung
der Katalysatoreinrichtung wird erreicht. Verschiedene Techniken
wurden in Anbetracht dieser Anforderung entwickelt. Beispielsweise
offenbart die
JP 2006-183509 (im
Folgenden als Patentdokument 1 bezeichnet) eine Abgasreinigungseinrichtung,
welche die Techniken ausführt.
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Bei
der im Patentdokument 1 offenbarten Abgasreinigungseinrichtung wird
ein wirbelnder Strom im Abgas durch einen Wirbelerzeuger erzeugt,
welcher im Abgasweg im Bereich großen Durchmessers angeordnet
ist. Im Prozess, in welchem der erzeugte Wirbelstrom durch einen
Konusbereich in einen Bereich mit kleinem Durchmesser tritt, wird
die Strömungsgeschwindigkeit des Wirbelstromes durch allmähliches
Reduzieren des Wirbelradius erhöht. Dies begünstigt
das Vermischen des Additivs mit dem Abgas und beschleunigt das Verteilen
und das Zerstäuben des Additivs im Abgas. Bei der Abgasreinigungseinrichtung
gemäß Patentdokument 1 umfasst der Abgasweg einen
Bereich mit einem Durchmesser, welcher in Richtung des Bereichs
mit kleinem Durchmesser abnimmt, und einen Bereich, welcher sich vom
Bereich mit kleinem Durchmesser erstreckt und dessen Durchmesser
sich schrittweise vergrößert und dann an eine
Katalysatoreinrichtung anschließt, welche stromabwärts
angeordnet ist. Es gibt eine weitere Abgasreinigungseinrichtung,
in welcher ein Abgasweg einen Durchmesser hat, der in einem Bereich
reduziert ist und sich dann wiederum allmählich vergrößert
und mit einer Katalysatoreinrichtung, wie in 2 gezeigt,
verbunden ist.
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Bei
dem in 2 dargestellten Beispiel ist ein SCR-Katalysator 116 (NOx-Katalysator
vom selektiven Reduktionstyp) zum Entfernen von NOx (Stickstoffoxid)
vorgesehen, welcher als Katalysatoreinrichtung funktioniert. Eine
Venturi-förmige Mischkammer 113, welche aus einem
sich verjüngenden Bereich 113a gebildet wird,
ein verengter Bereich 113b und ein sich aufweitender Bereich 113c sind
in eine Abgas-Leitung 110 eingefügt. Im Prozess,
in dem das Abgas durch die Mischkammer 113 strömt, wird
die Strömungsgeschwindigkeit eines Wirbelstromes, welcher
durch eine Rippeneinrichtung 118 erzeugt wird, innerhalb
des sich verjüngenden Bereiches 113a erhöht,
sowie der Wirbelradius verringert. Der Wirbelstrom wird dann zum
SCR-Katalysator 116 geleitet, während der Wirbelradius
innerhalb des sich aufweitenden Bereiches 113c allmählich
vergrößert wird. Im Lichte des Wissens, dass ein
Additiv vorzugsweise an einer Position versprüht wird,
wo die Abgas-Stromrate hoch ist, so dass das von einer Injektionsdüse 119 versprühte
Additiv gut mit dem Abgas vermischt werden kann, und dass das Additiv gleichmäßig
im Abgas verteilt und zerstäubt werden kann, ist die Abgasreinigungsvorrichtung
des oben genannten Typs mit einer Injektionsdüse 119 versehen,
welche zwischen dem sich verjüngenden Bereich 113a und
dem sich aufweitenden Bereich 113c der Mischkammer 113 angeordnet
ist, d. h. im verengten Bereich 113b (Minimaldurchmesser-Bereich), wo
die Abgas-Stromrate ihren Höchstwert erreicht.
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In
vielen Fällen kann jedoch der Abstand L' zwischen der Rippeneinrichtung 118 und
dem SCR-Katalysator 116 nicht ausreichend sichergestellt
werden, und zwar wegen Beschränkungen bezüglich
der Ausgestaltung der Abgasleitung 110 und dergleichen.
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Aus
diesem Grund muss in der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem
Stand der Technik, gezeigt in 2, entweder
der Abstand Lf' zwischen der Rippeneinrichtung 118 und
dem verengten Bereich 113b der Mischkammer 113 oder
der Abstand Ln' zwischen der Injektionsdüse 119 und
dem SCR-Katalysator 116 auf einen kleineren als den optimalen
Wert gesetzt werden.
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Im
sich verjüngenden Bereich 113a der Mischkammer 113 wird
die Vermischung des Abgases mit dem Additiv gefördert durch
allmähliches Reduzieren des Wirbelradius des Wirbelstromes,
welcher im Abgas erzeugt wird, und durch gleichzeitiges Erhöhen
der Strömungsgeschwindigkeit. Wenn der Abstand Lf' zwischen
der Rippeneinrichtung 118 und dem verengten Bereich 113b verkleinert
wird, reduziert sich der Wirbelradius des Wirbelstroms drastisch
und kinetische Energie wird verloren. Daher kann die Strömungsgeschwindigkeit
nicht angemessen erhöht werden. Dies ruft eine unzureichende
Vermischung des Additivs und des Abgases hervor. Das von der Injektionsdüse 119 versprühte
Additiv wird im Abgas verteilt und zerstäubt, während
es stromabwärts gefördert wird. Wenn der Abstand
Ln' zwischen der Injektionsdüse 119 und dem SCR-Katalysator 116 verkleinert
wird, wird es unmöglich, genügend Zeit bereitzustellen,
welche für die Verteilung und Zerstäubung des
Additivs erforderlich ist. Dies verschuldet unzureichende Verteilung
und Zerstäubung des Additivs.
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Die
Abgasreinigungsleistung des SCR-Katalysators 116 wird voll
ausgereizt, wenn die gute Mischung des Additivs und des Abgases
und die gleichmäßige Verteilung und Zerstäubung
des Additivs im Abgas erreicht sind. Aus dieser Sicht hat der oben genannte
Stand der Technik Raum für Verbesserung bezüglich
der Abgasreinigungsleistung des SCR-Katalysators 116.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das oben genannte Problem
zu lösen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Abgasreinigungseinrichtung vorzuschlagen, welche eine gute Vermischung
eines Additivs und Abgases und die zufriedenstellende Verteilung
und Zerstäubung des Additivs im Abgas erreichen kann.
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Um
das Ziel zu erreichen, umfasst eine Abgasreinigungseinrichtung für
einen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung eine
Katalysator-Einrichtung, welche in einem Abgasweg eines Motors eingefügt ist
und Abgas des Motors unter Benutzung eines Additivs reinigt; eine
Venturi-förmige Mischkammer, welche stromaufwärts
von der Katalysator-Einrichtung angeordnet in den Abgasweg eingefügt
ist und sich von einem Konusbereich mit sich stromabwärts verjüngendem
Durchmesser über einen verengten Bereich mit einem Minimaldurchmesser
zu einem sich aufweitenden Bereich mit sich allmählich
stromabwärts aufweitendem Durchmesser erstreckt; ein Wirbelerzeugungs-Mittel,
welches in der Mischkammer angeordnet ist, zum Erzeugen eines Wirbelstromes
im Abgas; und ein Additivinjektions-Mittel, welches zum Injizieren
des Additivs in die Mischkammer ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet,
dass das Wirbelerzeugungs-Mittel benachbart zu einem am weitesten
stromaufwärts gelegenen Bereich des Konusbereiches der
Mischkammer angeordnet ist; und das Additivinjektions-Mittel stromauf
des verengten Bereichs der Mischkammer und stromab des Wirbelerzeugungs-Mittels
angeordnet ist.
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Dazu
wird das Abgas des Motors vom Abgasweg in den Konusbereich der Mischkammer
eingeleitet, und es wird im Abgas durch das Wirbelerzeugungsmittel
ein Wirbelstrom erzeugt. In einem Prozess, in dem der Wirbelstrom
durch den Konusbereich zum verengten Bereich strömt, wird
der Wirbeldurchmesser allmählich reduziert und gleichzeitig die
Wirbelgeschwindigkeit erhöht. Im folgenden Prozess, in
dem der Wirbelstrom durch den sich aufweitenden Bereich strömt,
erreicht der Wirbelstrom die Katalysatoreinrichtung, welche stromabwärts
angeordnet ist, während der Wirbelradius allmählich
erhöht wird. Das Additiv wird vom Additivinjektionsmittel
in das wirbelnde Abgas injiziert, und dann wird das Additiv mit
dem Abgas zu der Katalysatoreinrichtung geleitet.
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Die
Gesamtweglänge der Mischkammer ist aufgrund des Aufbaus
des Abgasweges und dergleichen beschränkt. Weil das Additivinjektionsmittel stromauf
des verengten Bereichs der Mischkammer angeordnet ist, ist dennoch
der Abstand zwischen dem Wirbelerzeugungsmittel und dem verengten
Bereich und der Abstand zwischen dem Additivinjektionsmittel und
der Katalysatoreinrichtung jeweils groß genug gesetzt.
Der Wirbelradius des vom Wirbelerzeugungsmittel erzeugten Wirbelstromes
wird dann reduziert, und gleichzeitig wird die Wirbelgeschwindigkeit
ausreichend erhöht, während ein Verlust an kinetischer
Energie im Konusbereich der Mischkammer klein gehalten wird. Auf
diese Weise wird die Vermischung des Abgases und des Additivs begünstigt. Das
vom Additivinjektionsmittel injizierte Additiv wird im Abgas zufriedenstellend
verteilt und zerstäubt, während es durch den Konusbereich,
den verengten Bereich und den sich aufweitenden Bereich der Mischkammer
gefördert wird, um die Katalysatoreinrichtung zu erreichen.
Aufgrund dieser Faktoren wird sowohl die gute Vermischung des Additivs
und des Abgases als auch die zufriedenstellende Verteilung und Zerstäubung
des Additivs im Abgas erreicht. Das Additiv wird zu der Katalysatoreinrichtung
geleitet, um ausreichend verteilt zu sein. Daher kann die Katalysatoreinrichtung
die exzellente Abgasreinigungsleistung bieten.
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Vorzugsweise
kann bei der Abgasreinigungseinrichtung der Abstand zwischen dem
Wirbelerzeugungs-Mittel und dem verengten Bereich lang genug gewählt
sein, um einen Verlust an kinetischer Energie zu vermeiden, welcher
hervorgerufen wird, wenn der Wirbeldurchmesser des Wirbelstroms
im Konusbereich reduziert wird.
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Dies
erhöht die Stromgeschwindigkeit des Wirbelstromes zu dem
Zeitpunkt ausreichend, zu dem der Wirbelstrom den verengten Bereich
erreicht. Dadurch wird es möglich, die gute Vermischung
des Additivs und des Abgases sicher zu erreichen.
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Vorzugsweise
kann bei der Abgasreinigungseinrichtung der Abstand zwischen dem
Additivinjektions-Mittel und der Katalysator-Einrichtung lang genug
gewählt sein, um genug Zeit bereitzustellen, welche zum
Verteilen und Zerstäuben des vom Additivinjektions-Mittel
injizierten Additivs im Abgas benötigt wird.
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Dies
macht es möglich, die zufriedenstellende Verteilung und
Zerstäubung des Additivs im Abgas sicher zu erreichen.
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Vorzugsweise
kann bei der Abgasreinigungseinrichtung das Additivinjektions-Mittel
stromauf eines Mittelpunkts zwischen dem am weitesten stromaufwärts
gelegenen Bereich und dem am weitesten stromabwärts gelegenen
Bereich des Konusbereiches angeordnet sein.
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Weil
das Additivinjektionsmittel stromauf des Mittelpunkts des Konusbereiches
angeordnet ist, kann der Abstand zwischen dem Additivinjektionsmittel
und der Katalysatoreinrichtung ausreichend sichergestellt werden.
Im Ergebnis wird das Additiv besser verteilt und zerstäubt.
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Insbesondere
kann bei der Abgasreinigungseinrichtung die Katalysator-Einrichtung
ein NOx Katalysator vom selektiven Reduktionstyp sein, welcher im
Abgas enthaltenes NOx unter Nutzung von Ammoniak als Reduktionsmittel
selektiv reduziert; und das Additivinjektions-Mittel eine Injektionsdüse
sein, welche eine wässrige Harnstofflösung als
Additiv injiziert.
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Im
obigen Fall kann Ammoniak an den NOx Katalysator vom selektiven
Reduktionstyp geleitet werden, um gut verteilt zu werden. Folglich
wird es möglich, die Abgasreinigungsleistung des NOx Katalysators
vom selektiven Reduktionstyp beizubehalten, welche durch Reduzieren
von NOx erreicht wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der im Folgenden gegebenen detaillierten
Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen, welche nur Illustrationszwecken
dienen und daher die vorliegende Erfindung nicht beschränken,
verständlicher, wobei:
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1 eine
Ansicht des gesamten Aufbaus eines Motorsystems zeigt, in welchem
eine Abgasreinigungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung installiert ist; und
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2 eine
Ansicht des gesamten Aufbaus einer Abgasreinigungseinrichtung gemäß dem
Stand der Technik zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Eine
Abgasreinigungseinrichtung für einen Motor gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine Ansicht des gesamten Aufbaus eines Motorsystems, in welchem
eine Abgasreinigungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung installiert ist. Ein Motor 1 ist
ausgeführt als Sechszylinder-Reihen-Dieselmotor. Der Motor 1 hat
ein Kraftstoffinjektionsventil 2, welches in jedem Zylinder
vorhanden ist. Die Kraftstoffinjektionsventile 2 werden
mit unter Druck stehendem Kraftstoff von einem Common-Rail 3 versorgt,
welches sich alle Kraftstoffinjektionsventile 2 teilen,
und werden zu einem für einen Betriebszustand des Motors 1 geeigneten
Zeitpunkt geöffnet, um dadurch Kraftstoff in ihre jeweiligen
Zylinder zu injizieren.
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Ein
Ansaugverteiler 4 zur Zuführung von Ansaugluft
zum Motor 1 ist an einer Ansaugseite des Motors 1 befestigt.
Im Ansaugweg 5, welcher mit dem Ansaugverteiler 4 verbunden
ist, sind in von stromauf kommender Richtung nacheinander eingefügt
ein Luftreiniger 6, ein Kompressor 7a, ein Turbolader 7 und
ein Ladeluftkühler 8. Ein Abgasverteiler 9 zum Abführen
des Abgases vom Motor 1 ist auf einer Abgasseite des Motors 1 befestigt.
Eine Abgasleitung 10 ist mit einem Auslass des Abgasverteilers 9 über eine
Turbine 7b eines Turboladers 7 verbunden, welcher
koaxial und mechanisch mit dem Kompressor 7a gekoppelt
ist.
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Nachdem
die Ansaugluft während des Betriebs des Motors 1 durch
den Luftreiniger 6 in den Ansaugweg 5 eingesaugt
wurde, wird sie durch den Kompressor 7a des Turboladers 7 unter
Druck gesetzt. Die unter Druck gesetzte Ansaugluft wird über den
Ladeluftkühler 8 und den Ansaugverteiler 4 auf die
Zylinder verteilt und wird während des Ansaughubes der
Zylinder in die Zylinder eingeleitet. In jedem Zylinder wird mit
gegebener Taktung Kraftstoff vom Kraftstoffinjektionsventil 2 injiziert,
und der Kraftstoff entzündet sich zur Verbrennung ungefähr
bei einem oberen Kompressionstotpunkt. Das bei der Kraftstoffverbrennung
produzierte Abgas passiert den Abgasverteiler 9 und dreht
die Turbine 7b. Dann strömt das Abgas durch die
Abgasleitung 10, um herausgeleitet zu werden.
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Eine
Abgasreinigungseinrichtung zur Reinigung von Abgas ist in die Abgasleitung 10 eingefügt. Die
Abgasreinigungseinrichtung besteht aus einem stromauf angeordneten
Gehäuse 11, einem stromab angeordneten Gehäuse 12 und
einer Mischkammer 13, welche zwischen den Gehäusen 11 und 12 ausgebildet
ist. Entsprechend ist zusätzlich zur Abgasleitung 10 die
Abgasleitung aus dem stromauf angeordneten Gehäuse 11,
der Mischkammer 13 und dem stromab angeordneten Gehäuse 12 gebildet.
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Das
stromauf angeordnete Gehäuse 11 nimmt einen Vorstufen-Oxidations-Katalysator 14 und
einen DPF (Diesel-Partikel-Filter) 15 in von Stromaufseite
genannter Reihenfolge auf. Das stromab angeordnete Gehäuse 12 nimmt
einen SCR-Katalysator (dies ist ein NOx-Katalysator vom selektiven
Reduktionstyp und entspricht einer Katalysatoreinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung) 16 und einen nachgeschalteten Oxidations-Katalysator 17 auf,
welche in von Stromaufseite genannter Reihenfolge angeordnet sind.
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Die
Mischkammer 13 hat im Ganzen eine Form wie ein Venturi
mit einem in Abgasstromrichtung gesehen in einem mittleren Bereich
reduzierten Durchmesser. Die Mischkammer 13 ist aus einem Konusbereich 13a gebildet,
welcher sich mit einem stromabwärts gerichteten Ende des
stromauf angeordneten Gehäuses 11 stromabwärts
verjüngend erstreckt, sowie aus einem verengten Bereich 13b,
welcher sich in Richtung stromabwärts vom Konusbereich 13a erstreckt
und einen minimalen Durchmesser des Konusbereiches 13a behält,
und aus einem sich aufweitenden Bereich 13c, welcher sich
vom verengten Bereich 13b in Richtung stromabwärts
in einer sich aufweitenden Form erstreckt und mit einem stromaufwärtsseitigen
Ende des stromab angeordneten Gehäuses 12 verbunden
ist.
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Wie
aus 1 ersichtlich, bilden das stromauf angeordnete
Gehäuse 11, das stromab angeordnete Gehäuse 12 und
die Mischkammer 13 zusammen eine Form, welche ihren Querschnitt
in Abgasstromrichtung schrittweise ändert. Mit anderen
Worten sind die Gehäuse 11 und 12 sowie
die Mischkammer 13 gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem Stück durch Ziehen oder dergleichen
gebildet. Aus diesem Grund gibt es keinen Flanschbereich zum Verbinden
des stromauf angeordneten Gehäuses 11 mit der
Mischkammer 13 und zum Verbinden der Mischkammer 13 mit
dem stromab angeordneten Gehäuse 12, welcher erforderlich
wäre, wenn das Gehäuse 11 und 12 sowie
die Mischkammer 13 als separate Teile hergestellt waren.
Entsprechend sind all diese Teile derart konstruiert, dass sie ineinander übergehen.
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Eine
Rippen-Einrichtung 18 (Wirbelerzeugungsmittel) ist an einer
am weitesten stromaufwärts gelegenen Position im Konusbereich 13a der
Mischkammer 13 angeordnet. Auch wenn eine detaillierte Beschreibung
unterbleibt, hat die Rippen-Einrichtung 18 eine kreisförmige
Stahl-Basisplatte 18a, welche druck-geformt ist, so dass
eine Anzahl von Rippen 18b in abstehender Position weg
von der Basisplatte 18a in einem radialen Muster angeordnet
ist. In der Basisplatte 18a sind Ausnehmungen ausgebildet,
die mit den Rippen 18b korrespondieren. In der Rippen-Einrichtung 18 strömt
das Abgas vom DPF durch die Ausnehmungen. Die Stromrichtung des
Abgases wird durch die Rippen 18b unmittelbar, nachdem
das Abgas durch die Ausnehmungen tritt, verändert. Dies erzeugt
einen Wirbelstrom des Abgases auf der stromabwärts gelegenen
Seite der Rippen-Einrichtung 18. Auf der stromabwärts
gelegenen Seite der Rippeneinrichtung 18 des Konusbereiches 13a ist eine
Injektionsdüse 19 (Additivinjektionsmittel) zum Injizieren
von wässriger Harnstofflösung als Additiv angeordnet.
Die Injektionsdüse 19 erstreckt sich von einem äußeren
Umfang des Konusbereiches 13a in Richtung des Zentrums.
Die Injektionsdüse 19 hat eine Endseite 24,
welche stromab im Zentrum des Konusbereiches 13a in Richtung
des Abgases gerichtet ist.
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Die
Injektionsdüse 19 wird mit einer wässrigen
Harnstofflösung mit gegebenem Druck von einem Harnstofftank über
ein elektromagnetisches Ventil 20 versorgt, welches sich
an einem äußeren Umfang der Mischkammer 13 befindet.
Die wässrige Harnstofflösung wird durch ein nicht
gezeigtes Injektionsloch injiziert, welches in dem spitzen Ende
der Injektionsdüse 19 gebildet ist, und zwar in
Richtung des äußeren Umfangs der Mischkammer 13 in
einem radialen Muster entsprechend dem Öffnen/Schließen des
elektromagnetischen Ventils 20.
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Das
Kraftstoffinjektionsventil 2 und das elektromagnetische
Ventil 20 der Injektionsdüse 19 sind mit
einer ECU 31 (elektrische Steuereinheit) elektrisch verbunden.
Andere als diese Ventile, verschiedene Sensoren und Einrichtungen
sind ebenfalls mit der ECU 31 elektrisch verbunden. Die
ECU 31 gibt beispielsweise eine Kraftstoffinjektionsmenge
durch Benutzen einer nicht gezeigten Tabelle vor, entsprechend der
Motordrehzahl Ne und einem Gaspedal-Niederdruckbetrag θacc,
und weiterhin die Kraftstoffinjektionstaktung unter Benutzung einer
nicht gezeigten Tabelle, entsprechend der Motordrehzahl Ne und der
Kraftstoffinjektionsmenge. Die ECU 31 steuert den Motor 1 durch Steuern
und Schalten der Kraftstoffinjektionsventile 2 entsprechend
der Kraftstoffinjektionsmenge und der Kraftstoffinjektionstaktung.
Die ECU 31 bestimmt eine Zielinjektionsmenge der wässrigen
Harnstofflösung gemäß der Abgastemperatur,
welche mit einem nicht gezeigten Temperatursensor detektiert wird,
welcher in der Mischkammer 13 angeordnet ist, um Ammoniak
(NH3) so an den SCR-Katalysator 16 zu
leiten, dass der SCR-Katalysator 16 eine Reduktion von
NOx durchführen kann, um das Abgas zu reinigen. Die ECU 31 schaltet
und steuert das elektromagnetische Ventil 20 gemäß der
Zielinjektionsmenge der wässrigen Harnstofflösung
und veranlasst die Injektionsdüse 19, die wässrige
Harnstofflösung zu injizieren.
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Während
des Betriebs des Motors 1 wird das vom Motor 1 abgeleitete
Abgas durch den Abgasverteiler 19 und die Abgasleitung 10 in
das stromauf angeordnete Gehäuse 11 eingeführt.
In dem stromauf angeordneten Gehäuse 11 werden
teilchenförmige Stoffe, die im Abgas enthalten sind, im
DPS 15 eingefangen, wenn das Abgas nach dem Passieren des Vorstufen-Oxidationskatalysators 14 den
DPS 15 durchströmt.
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Dann
wird das Abgas in die Mischkammer 13 eingeführt,
und ein Wirbelstrom des Abgases wird durch die Rippeneinrichtung 18 erzeugt.
In einem Prozess, in dem der Wirbelstrom den Arbeitsbereich 18b in
Richtung des verengten Bereiches 13b passiert, wird der
Wirbelradius des Wirbelstroms allmählich reduziert und
die Wirbelgeschwindigkeit gleichzeitig erhöht. Im folgenden
Prozess, in dem Abgas durch den sich aufweitenden Bereich 13c strömt,
erreicht der Wirbelstrom des Abgases den stromabwärts angeordneten
SCR-Katalysator 16, während der Wirbelradius allmählich
vergrößert wird. Wenn die wässrige Harnstofflösung
von der Injektionsdüse 19 in das wirbelnde Abgas
injiziert wurde, wird die wässrige Harnstofflösung
mit dem Abgas vermischt, um während des Durchströmens
der Mischkammer 13 verteilt und zerstäubt zu werden.
Dann wird die wässrige Harnstofflösung durch die
Abgashitze und Dampf im Abgas hydrolysiert, was Ammoniak produziert.
Der produzierte Ammoniak wird als Reduktionsmittel zum Reduzieren
von NOx, welches im Abgas enthalten ist, in harmloses N2 (Stickstoff)
im SCR-Katalysator 16 benutzt, um dadurch das Abgas zu
reinigen. Der nicht im SCR-Katalysator 16 im obigen Prozess
verbrauchte Ammoniak wird durch den nachgeschalteten Oxidationskatalysator 17 behandelt.
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Die
Mischung der wässrigen Harnstofflösung mit dem
Abgas und die Verteilung/Zerstäubung in dem Abgas sind
durch die Strömungsbedingungen des Abgases und der wässrigen
Harnstofflösung in der Mischkammer 13 hochgradig
beeinflusst, welche wiederum hochgradig beeinflusst werden durch
eine Form der Mischkammer 13 und den Aufbau der Rippeneinrichtung 18 und
der Injektionsdüse 19 innerhalb der Mischkammer 13.
Aus diesem Grund sind gemäß der vorliegenden Erfindung
die Form der Mischkammer 13 und der Aufbau der Bestandteile wie
unten beschrieben festgesetzt.
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Zum
besseren Verständnis sind die Längen zwischen
den Bestandteilen innerhalb der Mischkammer 13 wie folgt
definiert: Die Weglänge zwischen der Basisplatte 18a und
der Rippeneinrichtung 18 sowie dem stromaufseitigen Ende
des SCR-Katalysators 16 ist der Gesamtabstand L; die Weglänge zwischen
der Basisplatte 18a und der Rippeneinrichtung 18 sowie
des verengten Bereiches 13b der Mischkammer 13 ist
der Mischabstand Lf; und die Weglänge zwischen dem Injektionsloch
der Injektionsdüse 19 und dem stromaufseitigen
Ende des SCR-Katalysators 16 ist der Diffusionsabstand
Ln. Die Gesamtweglänge der Mischkammer 13 umfasst den
stromaufseitigen Abstand Na, entsprechend einem Bereich des Konusbereiches 13a der
Mischkammer 13 stromauf der Injektionsdüse 19,
und den stromabseitigen Abstand Nb, entsprechend einem Bereich des
Konusbereiches 13a stromab der Injektionsdüse 19.
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Gemäß der
oben genannten Abgasreinigungseinrichtung nach dem Stand der Technik
wird im Lichte des Wissens, dass es von oberster Wichtigkeit für
gute Vermischung eines Additivs mit Abgas und zufriedenstellende
Verteilung und Zerstäubung des Additivs ist, das Additiv
an einer Position zu injizieren, an der die Abgasstromrate hoch
ist, eine Injektionsdüse 119 in einem verengten
Bereich 113d einer Mischkammer 113 angeordnet,
wo die Abgasstromrate wie in 2 gezeigt
ihr Maximum erreicht. Wenn jedoch der Abstand L aufgrund des Aufbaus
einer Abgasleitung 110 und dergleichen beschränkt
ist, bewirkt der im Stand der Technik gezeigte Aufbau Unzulänglichkeit
bezüglich des Abstandes Lf' zwischen einer Rippeneinrichtung 118 und
dem verengten Bereich 113b der Mischkammer 113 oder
bezüglich des Abstandes Ln' zwischen der Injektionsdüse 119 und
einem SCR-Katalysator 116. Aus dieser Sicht sind die Erfinder
der vorliegenden Erfindung zu dem Schluss gekommen, dass es hinsichtlich
der gesamten Abgasreinigungsleistung wichtiger ist, den Abstand
Lf und Ln auf optimale Werte zu setzen, als das Additiv an der Position
zu injizieren, wo die Abgasstromrate hoch ist.
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Daher
sind gemäß der vorliegenden Erfindung der verengte
Bereich 13b der Mischkammer 13 und die Injektionsdüse 19 an
den am besten geeigneten Stellen unabhängig voneinander
anstatt miteinander verbunden angeordnet, wie aus 1 ersichtlich.
Insbesondere ist der Mischabstand Lf, welcher die Weglänge
von der Rippeneinrichtung 18 zum verengten Bereich 13b der
Mischkammer 13 ist, ausreichend groß gesetzt,
um einen Verlust an kinetischer Energie zu vermeiden, wenn der Wirbelradius
des Wirbelstroms im Konusbereich 13a der Mischkammer 13 reduziert
wird. Es ist unnötig, zu erwähnen, dass der sich
aufweitende Bereich 13c ebenfalls Weglänge benötigt.
Gleichzeitig ist der Gesamtabstand L zwischen der Rippeneinrichtung 18 und
dem SCR-Katalysator 16 durch den Aufbau der Bestandteile
und dergleichen beschränkt. Der Mischabstand Lf wird daher
unter Beachtung dieser Bedingungen bestimmt.
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Trotzdem
ist der Mischabstand Lf nicht durch die Position der Injektionsdüse 19 beschränkt,
im Gegensatz zum Abstand Lf' des Standes der Technik aus 2,
und wird daher relativ groß gewählt. Im Ergebnis
wird der Verlust an kinetischer Energie des Abgases innerhalb des
Konusbereiches auf ein Minimum gedrückt. Folglich wird
die Wirbelgeschwindigkeit des Wirbelstroms zu dem Zeitpunkt ausreichend erhöht,
zu dem das Abgas den verengten Bereich 13b erreicht und
die von der Injektionsdüse 19 injizierte wässrige
Harnstofflösung gut mit dem Abgas vermischt ist. Die vorliegende
Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik dadurch, dass
die wässrige Harnstofflösung stromaufseitig des
verengten Bereiches 13b injiziert wird. Diese Bedingung
ist nicht nur für die Verteilung und Zerstäubung
der wässrigen Harnstofflösung erstrebenswert,
welche unten beschrieben werden wird, sondern für den Fall der
Mischung des Abgases und der wässrigen Harnstofflösung
vorzuziehen. Weil in einer früheren Phase damit begonnen
wurde, das Abgas und die wässrige Harnstofflösung
miteinander zu vermischen, wird das Vermischen noch weiter begünstigt.
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Der
Diffusionsabstand Ln zwischen der Injektionsdüse 19 und
dem SCR-Katalysator 16 wird ausreichend groß gewählt,
um die Zeit sicherzustellen, die benötigt wird, um die
injizierte wässrige Harnstofflösung gleichmäßig
im Abgas zu verteilen und zu zerstäuben. Es braucht auch
nicht erwähnt zu werden, dass es notwendig ist, eine Beeinflus sung
zwischen der Injektionsdüse 19 und der Rippeneinrichtung 18 zu
vermeiden. Dies berücksichtigend ist die Injektionsdüse 19 soweit
stromaufwärts wie möglich angeordnet. Folglich
ist die Injektionsdüse 19 bei der vorliegenden
Ausführungsform in einer Stelle stromauf des Mittelpunkts
zwischen der am weitesten stromaufwärts gelegenen Position
und einer am weitesten stromabwärts gelegenen Position
des Konusbereichs 13a angeordnet, d. h. an einer Stelle,
welche die Beziehung erfüllt: stromaufseitiger Abstand Na < stromabseitiger
Abstand Nb.
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Trotzdem
ist der Diffusionsabstand Ln nicht durch die Position des verengten
Bereiches 13b beschränkt, im Gegensatz zum Abstand
Ln' bei dem in 2 dargestellten Stand der Technik,
und wird daher relativ groß gewählt. Im Ergebnis
wird die von der Injektionsdüse 19 injizierte
wässrige Harnstofflösung im Abgas zufriedenstellend
verteilt und zerstäubt, und zwar während des Prozesses
des Passierens des Konusbereiches 13a, des verengten Bereiches 13b und
des sich aufweitenden Bereiches 13c der Mischkammer 13,
um den SCR-Katalysator 16 zu erreichen.
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Die
Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform macht es möglich, sowohl die gute
Vermischung der wässrigen Harnstofflösung mit
dem Abgas als auch die zufriedenstellende Verteilung und Zerstäubung
der wässrigen Harnstofflösung im Abgas zu erreichen,
was im Stand der Technik nicht gleichzeitig erreicht wurde. Daher
wird der aus der wässrigen Harnstofflösung produzierte
Ammoniak zufriedenstellend verteilt und an den SCR-Katalysator 16 geleitet.
Folglich kann der SCR-Katalysator 16 die maximale Abgasreinigungsleistung
durch Reduzieren von NOx bieten.
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Gemäß Stand
der Technik kann, wenn der verengte Bereich 113b stromauf
der Mischkammer 113 angeordnet ist, die Wirbelgeschwindigkeit
des Wirbelstroms nicht ausreichend erhöht werden, und weiter
noch entsteht das Problem, dass die Rippeneinrichtung 118 bezüglich
ihres Durchmessers beschränkt ist. Wenn konkret der verengte
Bereich 113b stromauf der Mischkammer 113 mit
der Injektionsdüse 119 – wie durch die
gestrichelten Linien in 2 gezeigt – angeordnet
ist, so muss der Durchmesser des Konusbereiches 113a stark
reduziert werden. Dementsprechend wird der Innendurchmesser des
Konusbereiches 113a an der Installationsposition der Rippeneinrichtung 118 von
D' zu D'' reduziert, was die Rippeneinrichtung 118 bezüglich
ihres Durchmessers klein macht. Dies verschlechtert die Leistung
der Rippeneinrichtung 118. Eine solche Tatsache führt
auch zu einer Verkleinerung der Wirbelgeschwindigkeit des Wirbelstroms,
d. h. eine unzureichende Vermischung des Abgases mit der wässrigen Harnstofflösung.
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Die
vorliegende Ausführungsform erfordert nicht, dass der verengte
Bereich 13b stromaufseitig in der Mischkammer 13 angeordnet
ist, um mit der Injektionsdüse 19 zu beginnen.
Die Ausführungsform hat daher den Vorteil, das oben beschriebene
Problem des Standes der Technik zu vermeiden, welches der Verkleinerung
des Durchmessers der Rippeneinrichtung 118 zuzuschreiben
ist.
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Weil
die vorliegende Ausführungsform weiterhin die Gehäuse 11 und 12 sowie
die Mischkammer 13 durch Ziehen oder dergleichen einstückig
bildet, ist die Abgasreinigungseinrichtung nicht mit Flanschbereichen
zum Verbinden dieser Teile versehen. Wenn die Gehäuse 11 und 12 sowie
die Mischkammer 13 und dergleichen mit verbindenden Flanschbereichen
versehen werden, so werden die Kosten ansteigen. Weiterhin entsteht
das Problem, dass die Hydrolyse der wässrigen Harnstofflösung aufgrund
von Wärmeverlust über die Flanschbereiche nicht
vereinfacht wird, und das Problem, dass die Möglichkeit
von wässrige Harnstofflösung enthaltendem Abgas
und dergleichen erhöht wird. Die vorliegende Ausführungsform
ist dennoch geeignet, diese Probleme durch die einstückige
Bildung der Gehäuse 11 und 12 sowie der
Mischkammer 13 zu verhindern.
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Dies
ist das Ende der Beschreibungen der Ausführungsform, aber
die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
Beispielsweise ist die Erfindung bei der Ausführungsform
als Abgasreinigungseinrichtung mit SCR-Katalysator 16 ausgeführt,
welcher als Katalysatoreinrichtung zur Abgasreinigung dient. Dennoch
ist die Abgasreinigungseinrichtung nicht auf das Vorgenannte beschränkt.
Die Erfindung kann – ganz im Gegenteil – bei jeder
Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor angewendet werden,
solange die Einrichtung eine Katalysatoreinrichtung hat, welche
die Zufuhr eines Additivs erfordert.
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Beispielsweise
ist es möglich, die Erfindung bei einer Abgasreinigungseinrichtung
für einen Motor anzuwenden, in welcher ein NOx-Katalysator
vom Adsorptionstyp, welcher im Abgas enthaltenes NOx adsorbiert,
in einen Abgasweg eingefügt ist. Diese Abgasreinigungseinrichtung
erfordert eine regelmäßige NOx-Säuberung,
bei der Kraftstoff in das Abgas als Additiv injiziert wird, um das
adsorbierte NOx vom NOx-Katalysator abzuführen, um das
NOx zu reduzieren. In diesem Fall hat die Einrichtung einen Aufbau,
bei welchem der SCR-Katalysator 16 gemäß 1 durch
einen NOx-Katalysator vom Adsorptionstyp ersetzt wird, und Kraftstoff
anstatt wässriger Harnstofflösung von der Injektionsdüse 19 injiziert wird.
Solch eine Abgasreinigungseinrichtung kann ebenfalls ähnliche
Vorteile bieten wie diejenige der Ausführungsform, wenn
die Bestandteile innerhalb der Mischkammer 13 in der gleichen
Art angeordnet sind wie bei der Ausführungsform.
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Auch
wenn die Ausführungsform einen Reihensechszylinderdieselmotor
als Motor 1 benutzt, ist der Motor 1 nicht auf
die Anzahl der Zylinder und diesen Motortyp beschränkt.
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Es
ist offensichtlich, dass die gerade beschriebene Erfindung auf viele
Weisen variiert werden kann. Diese Variationen sollen nicht als
Abweichen vom Gedanken und vom Schutzbereich der Erfindung betrachtet
werden, und all diese Modifikationen sollen – wie es einem
Fachmann offensichtlich sein wird – als innerhalb des Schutzbereiches
der folgenden Ansprüche enthalten angenommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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