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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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Aus der
US 2007/0101703 geht eine Abgas-Reinigungs-Einrichtung für einen Motor hervor. Die Einrichtung umfasst eine Katalysator-Einrichtung, welche in einem Abgasweg eines Motors angeordnet ist und welche mittels eines Additivs die Abgase des Motors reinigt. Ein Abgaskanal und zwei Räume bilden eine Mischkammer, die stromaufwärts der Katalysator-Einrichtung angeordnet ist. Der Abgaskanal weist einen geringeren Durchmesser als die benachbarten Räume auf. Eine Trennplatte ist innerhalb der Mischkammer angeordnet und umfasst zur Erzeugung von Wirbeln mehrere Finnen. Eine Einspritzdüse, welche das Additiv einspritzt, ist in der Mischkammer angeordnet.
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Die
JP 2002-213233 A lehrt zwei alternative Ausführungsformen einer Abgas-Reinigungs-Einrichtung für einen Verbrennungsmotor. Beide Einrichtungen umfassen jeweils einen Katalysator, welcher in einem Abgasweg des Verbrennungsmotors angeordnet ist, und reinigen mittels eines Additivs die Abgase des Verbrennungsmotors. Die erste Ausführungsform umfasst einen Venturi-förmigen Abgastransportbereich. Stromaufwärts des Transportbereichs ist eine Einspritzdüse angeordnet, welche das Additiv einspritzt. Die Konstruktion der ersten Ausführungsform führt zu einem Unterdruckzustand des Abgases im Transportbereich. Das durch die Einspritzdüse eingespritzte Additiv wird dadurch zerstäubt und somit gleichförmig in dem Abgas verteilt. Eine zweite Ausführungsform der Abgas-Reinigungs-Einrichtung sieht vor, in einem Abgasweg stromabwärts der Einspritzdüse und stromaufwärts des Katalysators ein oder mehrere Verwirbelungselemente anzuordnen. Ein Verwirbelungselement ist gebildet aus einem Rohrabschnitt, in dessen Längsrichtung Sperrelemente in Form von Rundplatten eingefügt sind, welche durchgreifende Ausnehmungen aufweisen. Das Verwirbelungselement führt dazu, dass das durch die Einspritzdüse in den Abgasweg eingespritzte Additiv mit dem Abgas gleichförmig verwirbelt wird.
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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 stromaufkommender 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 wären. 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 Beeinflussung 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.
