DE102012204155A1

DE102012204155A1 - Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102012204155A1
Application number: DE102012204155A
Authority: DE
Inventors: Kimberly O'Kane; Chijou Wang; Gary Clark II
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2032-03-17
Also published as: US8539767B2; CN102678268B; DE102012204155B4; US20120234003A1; CN102678268A

Abstract

Ein Abgassystem umfasst einen abgasgetriebenen Turbolader mit einem Auslass und einem geflanschten Abschnitt, der sich um den Auslass erstreckt, eine Abgasbehandlungsvorrichtung, die einen Behälter mit einem Einlasskonus umfasst, der einen einteiligen Einlassflansch aufweist, der eine Einlassöffnung definiert, die derart konfiguriert ist, eine Dichtung mit dem geflanschten Abschnitt zu definieren, die sich um den Auslass des Turboladers erstreckt, und ein Substrat, das in dem Behälter angeordnet ist und durch das das Abgas strömt. Ein Abgaskanal koppelt den Turbolader fluidtechnisch mit der Abgasbehandlungsvorrichtung und lässt den Durchgang von Abgas dazwischen zu, und ein Strömungsmodifizierer, der einen sich radial einwärts erstreckenden Wandabschnitt umfasst, erstreckt sich von einer Innenwand des Abgaskanals und lenkt das Abgas von einem Außenradius des Abgaskanals weg, um das Abgas gleichmäßig über eine Einlassseite des Substrats zu verteilen.

Description

QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Seriennummer 61/453,346, die am 16. März 2011 eingereicht wurde und hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung betreffen Abgasbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere ein Abgassystem, das eine gleichförmige Strömung bei variierenden Motordrehzahlen besitzt.
HINTERGRUND
Ein typisches Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor kann die Platzierung einer Katalysatorbehandlungsvorrichtung in enger Nähe zu dem Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors betreffen. Diese Katalysatorbehandlungsvorrichtung, die als eng gekoppelter katalytischer Wandler bezeichnet ist, minimiert einen thermischen Verlust in dem Abgas zwischen dem Motor und der Vorrichtung, was in höheren Temperaturen und einer schnelleren katalytischen Aktivierung resultiert, da die Katalysatorverbindungen, die typischerweise zur Behandlung von Motorabgas verwendet werden, am besten bei Temperaturen oberhalb 350°C arbeiten.
Verbrennungsmotoren, die einen Kompressor nutzen, wie einen abgasgetriebenen Turbolader, um die Verbrennungsluftladung zu komprimieren, können derart konfiguriert sein, dass den Motor verlassendes Abgas direkt in und durch den abgasgetriebenen Turbolader geführt wird. Für den größten thermischen Wirkungsgrad kann es erwünscht sein, einen eng gekoppelten katalytischen Wandler direkt benachbart zu dem Auslass des abgasgetriebenen Turboladers anzuordnen, um die Länge des Abgaskanals dazwischen und die resultierende thermische Belastung zu minimieren, die überwunden werden müssen.
Bei derart eng gekoppelten Anordnungen kann Abgas, das den abgasgetriebenen Turbolader während eines Betriebs mit geringer Drehzahl verlässt, eine Rotations- oder Verwirbelungskomponente aufweisen, die zu dem Außenumfang des Abgaskanals wandert. Infolgedessen kann bei Erreichen der Einlassseite des Katalysatorsubstrats des eng gekoppelten katalytischen Wandlers die Verteilung von Abgas über die Einlassseite zu dem Außenumfang konzentriert sein, was in einer ineffizienten Abgasströmung durch das Substrat resultiert. Eine derartige ungleichmäßige Abgasströmung durch das Substrat kann den Umwandlungswirkungsgrad der Abgasbehandlungsvorrichtung reduzieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Abgassystem, das derart konfiguriert ist, Abgas von einem Verbrennungsmotor aufzunehmen, einen abgasgetriebenen Turbolader mit einem Auslass und einem geflanschten Abschnitt, der sich um den Auslass erstreckt, eine Abgasbehandlungsvorrichtung, die einen starren Behälter mit einem Einlasskonus bzw. -trichter umfasst, der einen einteiligen Einlassflansch aufweist, der eine Einlassöffnung der Abgasbehandlungsvorrichtung definiert und derart konfiguriert ist, eine Dichtung mit dem geflanschten Abschnitt zu definieren, die sich um den Auslass des abgasgetriebenen Turboladers erstreckt, und ein in dem starren Behälter angeordnetes Substrat, durch das das Abgas strömt. Ein Abgaskanal, der durch den Turboladerauslass und die Einlassöffnung der Abgasbehandlungsvorrichtung definiert ist, koppelt den abgasgetriebenen Turbolader fluidtechnisch mit der Abgasbehandlungsvorrichtung und erlaubt den Durchgang von Abgas dazwischen, und ein Strömungsmodifizierer, der einen sich radial einwärts erstreckenden Wandabschnitt umfasst, erstreckt sich von einer Innenwand des Abgaskanals und lenkt das Abgas weg von einem Außenradius des Abgaskanals, wenn Abgas in den Einlasskonus der Abgasbehandlungsvorrichtung eintritt, um das Abgas gleichmäßig über die Einlassseite des Substrats zu verteilen.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem, das derart konfiguriert ist, Abgas davon aufzunehmen, einen abgasgetriebenen Turbolader in Fluidkommunikation mit dem Abgassystem zur Aufnahme von Abgas von dem Verbrennungsmotor und mit einem Auslass und einem geflanschten Abschnitt, der sich um den Auslass erstreckt. Eine Abgasbehandlungsvorrichtung umfasst einen starren Behälter mit einem Einlasskonus, der einen einteiligen Einlassflansch aufweist, der eine Einlassöffnung der Abgasbehandlungsvorrichtung definiert und derart konfiguriert ist, eine Dichtung mit dem geflanschten Abschnitt zu definieren, die sich um den Auslass des abgasgetriebenen Turboladers zur Aufnahme von Abgas davon erstreckt. Ein katalysatorbeschichtetes Substrat ist in dem starren Behälter angeordnet, durch das das Abgas strömt. Ein Abgaskanal, der durch den Turboladerauslass und die Einlassöffnung der Abgasbehandlungsvorrichtung definiert ist, koppelt den abgasgetriebenen Turbolader fluidtechnisch mit der Abgasbehandlungsvorrichtung und erlaubt den Durchgang von Abgas dazwischen, und ein Strömungsmodifizierer umfasst einen sich radial einwärts erstreckenden Wandabschnitt, der sich von einer Innenwand des Abgaskanals erstreckt und das Abgas weg von einem Außenradius des Abgaskanals lenkt, wenn Abgas in den Einlasskonus der Abgasbehandlungsvorrichtung eintritt, um das Abgas gleichmäßig über eine Einlassseite des katalysatorbeschichteten Substrats zu verteilen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen offensichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
1 eine teilweise Schnittansicht eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors ist;
2 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Abgassystems von 1 bei Kreis 2 ist;
3 eine teilweise Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors ist;
4 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Abgassystems von 1 bei Kreis 2 ist, die eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
5 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Abgassystems von 1 bei Kreis 2 ist, die eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Es sei zu verstehen, dass über die Zeichnungen hinweg entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Bezug nehmend auf 1 weist bei einer beispielhaften Ausführungsform ein Abschnitt eines Abgassystems 10 eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) einen abgasgetriebenen Turbolader 12 und eine eng gekoppelte Abgasbehandlungsvorrichtung 14 auf. Der abgasgetriebene Turbolader verwendet überschüssige Energie in dem von dem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgas, um einen Kompressor (nicht gezeigt) zum Zweck der Kompression von Ansaugluftladung anzutreiben, die an ein Ansaugsystem (nicht gezeigt) des Motors während seines Betriebs geliefert wird. Abgas 16 rotiert ein Turbinenrad (nicht gezeigt), wenn es sich durch eine Turbinenschnecke 20 und zu einem Turboladerauslass 22 ausdehnt. Der Turboladerauslass 22 kann einen geflanschten Abschnitt 24 umfassen, der einteilig mit dem Turboladergehäuse 26 ist und sich um den Turboladerauslass 22 erstreckt. Der geflanschte Abschnitt 24 ist derart konfiguriert, um eine Dichtung mit einem ähnlich konfigurierten Einlassflansch 28 zu definieren, der sich um eine Einlassöffnung 30 der Abgasbehandlungsvorrichtung 14 erstreckt.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Abgasbehandlungsvorrichtung 14 einen starren Behälter 32 mit einem Einlasskonus 34 und einem Abgasauslass 36 umfassen. Der Einlasskonus 34 kann den einteiligen Einlassflansch 28 aufweisen, der die Einlassöffnung 30 der Abgasbehandlungsvorrichtung 14 definiert. In dem starren Behälter 32 ist zwischen der Einlassöffnung 30 und dem Abgasauslass 36 ein Substrat 38 angeordnet, durch das das Abgas 16 strömt. Eine Katalysatorverbindung 40 kann an der Oberfläche des Substrats 38 angeordnet sein und unterstützt die Umwandlung oder Reduktion verschiedener regulierter Abgaskomponenten. Bei einer beispielhaften Ausführungsform katalysiert, wenn das Abgas 16 die Länge des katalysatorbeschichteten Substrats 38 durchquert, eine Edelmetall- oder Platingruppenmetall-Katalysatorverbindung, die Platingruppenmetalle aufweist, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus, die Oxidation von Kohlenmonoxid (”CO”) zu Kohlendioxid (”CO₂”) in der Anwesenheit von Sauerstoff (”O2”) und katalysiert auch die Oxidation verschiedener Kohlenwasserstoffe, einschließlich gasförmiger HC und flüssiger HC-Partikel, einschließlich nicht verbranntem Kraftstoff und Öl, wie auch HC-Reduktionsmitteln, die in das Abgas 16 eingeführt worden sein können, um H₂O zu bilden. Andere Katalysatorverbindungen können ebenfalls für die Behandlung anderer Abgasbestandteile verwendet werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Ein Substratträger, wie eine isolierende Matte 42, kann zwischen dem Substrat 38 und dem starren Behälter 32 angeordnet sein, um das Substrat vor Stoß zu schützen und die Übertragung von Wärme aus der Abgasbehandlungsvorrichtung 14 zu reduzieren.
Nun Bezug nehmend auf die 1 und 2 definieren bei einer beispielhaften Ausführungsform der Turboladerauslass 22 und die Einlassöffnung 30 des starren Behälters 32 gemeinsam einen Abgaskanal 44, der die beiden Vorrichtungen fluidtechnisch koppelt und den Durchgang von Abgas 16 hindurch zulässt. Wenn der Verbrennungsmotor und somit der abgasgetriebene Turbolader 12 bei geringeren Drehzahlen (beispielsweise Leerlauf oder keine Last) betrieben werden, kann das Abgas 16 den Turboladerauslass 22 mit einer Rotations- oder Verwirbelungskomponente 16A verlassen, die zu dem Außenradius des Abgaskanals 44 wandert. Ein Strömungsmodifizierer 46, der einen sich radial einwärts erstreckenden Wandabschnitt 48 umfasst, erstreckt sich von der Innenwand des Abgaskanals 44 und lenkt die auswärts wandernde Abgasströmung 16A weg von dem. Außenumfang des Abgaskanals und in einen gleichmäßiger verteilten Strömungspfad 16B, wenn das Abgas 16 in den Einlasskonus 34 der Abgasbehandlungsvorrichtung 14 eintritt, um dadurch das Abgas 16 gleichmäßig über die Einlassseite 37 des Substrats 38 zu verteilen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Strömungsmodifizierer 46 einteilig mit dem Einlassflansch 28 des Einlasskonus 34 gebaut und kann sich vollständig um den Umfang des Abgaskanals 44 oder nur um einen Abschnitt desselben erstrecken. Genauer kann das sich radial einwärts erstreckende Wandelement 48 des Strömungsmodifizierers 46 segmentiert sein, um zu ermöglichen, dass ein Abschnitt des Abgases zu dem Außenradius des Abgaskanals 44 wandert.
Bezug nehmend auf 3 ist es bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung denkbar, dass der Strömungsmodifizierer 46 einen sich radial einwärts erstreckenden Wandabschnitt 48B umfassen kann, der einteilig mit dem geflanschten Abschnitt 24 des Turboladerauslasses 22 gebaut ist. Der Wandabschnitt 48B kann sich vollständig um den Umfang des Abgaskanals 44 oder nur um einen Abschnitt desselben erstrecken. Genauer kann das sich radial einwärts erstreckende Wandelement 48B des Strömungsmodifizierers 46 segmentiert sein, um zu ermöglichen, dass ein Abschnitt des Abgases zu dem Außenradius des Abgaskanals 44 wandern kann.
Bezug nehmend auf die 4 und 5, bei denen gleiche Merkmale, die unter Bezugnahme auf andere Figuren bereits beschrieben sind, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, weisen alternative Ausführungsformen der Erfindung den Zusatz eines zweiten Strömungsmodifizierers 50 auf, der axial stromabwärts (in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung) der sich radial einwärts erstreckenden Wandabschnitte 48 oder 48B positioniert ist. Der zweite Strömungsmodifizierer 50 umfasst einen radial sich einwärts erstreckenden Flügel- oder Wandabschnitt 52, der sich von der Innenwand 54 des Strömungsmodifizierers 46 erstreckt und ferner die auswärts wandernde Abgasströmung 16A weg von dem Außenumfang des Abgaskanals 44 und in einen zentralisierteren und gleichmäßig verteilteren Strömungspfad 16B umlenkt, wenn das Abgas 16 in den Einlasskonus 34 der Abgasbehandlungsvorrichtung 14 eintritt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der zweite Strömungsmodifizierer 50 einteilig mit dem Strömungsmodifizierer 46 gebaut und kann sich vollständig um den Umfang des Abgaskanals 44 oder nur um einen Abschnitt desselben erstrecken. Genauer können die sich radial einwärts erstreckenden Flügel- oder Wandabschnitte 48 oder 48B des zweiten Strömungsmodifizierers 50 segmentiert sein, um zu ermöglichen, dass ein Abschnitt des Abgases 16 zu dem Außenradius des Abgaskanals 44 wandern kann.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann zu verstehen, dass verschiedene Änderungen ausgeführt und Äquivalente gegen Elemente derselben ersetzt werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen derart ausgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang derselben abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist, die zur Ausführung dieser Erfindung offenbart sind, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen aufweist, die in den Schutzumfang der Anmeldung fallen.

Claims

Abgassystem, das derart konfiguriert ist, Abgas von einem Verbrennungsmotor aufzunehmen, umfassend: einen abgasgetriebenen Turbolader mit einem Auslass und einem geflanschten Abschnitt, der sich um den Auslass erstreckt; eine Abgasbehandlungsvorrichtung, die einen starren Behälter mit einem Einlasskonus umfasst, der einen einteiligen Einlassflansch aufweist, der eine Einlassöffnung der Abgasbehandlungsvorrichtung definiert und derart konfiguriert ist, eine Dichtung mit dem geflanschten Abschnitt zu definieren, die sich um den Auslass des abgasgetriebenen Turboladers erstreckt; ein in dem starren Behälter angeordnetes Substrat, durch das das Abgas strömt; einen durch den Turboladerauslass und die Einlassöffnung der Abgasbehandlungsvorrichtung definierten Abgaskanal, der den abgasgetriebenen Turbolader fluidtechnisch mit der Abgasbehandlungsvorrichtung koppelt und den Durchgang von Abgas dazwischen zulässt; und einen Strömungsmodifizierer, der einen sich radial einwärts erstreckenden Wandabschnitt umfasst, der sich von einer Innenwand des Abgaskanals erstreckt und das Abgas weg von einem Außenradius des Abgaskanals führt, wenn Abgas in den Einlasskonus der Abgasbehandlungsvorrichtung eintritt, um das Abgas gleichmäßig über eine Einlassseite des Substrats zu verteilen.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei der sich radial einwärts erstreckende Wandabschnitt des Strömungsmodifizierers segmentiert ist, um einen Anteil des Abgases zu dem Außenradius des Abgaskanals zu lenken.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei der Strömungsmodifizierer einteilig mit dem Einlassflansch des Einlasskonus gebaut ist.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei der Strömungsmodifizierer einteilig mit dem geflanschten Abschnitt des Turboladerauslasses gebaut ist.
Abgassystem nach Anspruch 1, ferner mit einem zweiten Strömungsmodifizierer, der axial stromabwärts in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung des sich radial einwärts erstreckenden Wandabschnitts des Strömungsmodifizierers positioniert ist und ferner die auswärts wandernde Abgasströmung weg von dem Außenumfang des Abgaskanals und in einen gleichmäßiger verteilten Strömungspfad umlenkt, wenn das Abgas in den Einlasskonus der Abgasbehandlungsvorrichtung eintritt.
Abgassystem nach Anspruch 5, wobei der zweite Strömungsmodifizierer einen sich radial einwärts erstreckenden Flügel umfasst.
Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem, das derart konfiguriert ist, Abgas davon aufzunehmen, umfassend: einen abgasgetriebenen Turbolader in Fluidkommunikation mit dem Abgassystem zur Aufnahme von Abgas von dem Verbrennungsmotor und mit einem Auslass und einem geflanschten Abschnitt, der sich um den Auslass erstreckt; eine Abgasbehandlungsvorrichtung mit einem starren Behälter, der einen Einlasskonus besitzt, der einen einteiligen Einlassflansch aufweist, der eine Einlassöffnung der Abgasbehandlungsvorrichtung definiert und derart konfiguriert ist, eine Dichtung mit dem geflanschten Abschnitt zu definieren, die sich um den Auslass des abgasgetriebenen Turboladers zur Aufnahme von Abgas davon erstreckt; ein katalysatorbeschichtetes Substrat, das in dem starren Behälter angeordnet ist und durch das das Abgas strömt; einen Abgaskanal, der durch den Turboladerauslass und die Einlassöffnung der Abgasbehandlungsvorrichtung definiert ist und den abgasgetriebenen Turbolader fluidtechnisch mit der Abgasbehandlungsvorrichtung koppelt und den Durchgang von Abgas dazwischen zulässt; und einen Strömungsmodifizierer, der einen sich radial einwärts erstreckenden Wandabschnitt umfasst, der sich von einer Innenwand des Abgaskanals erstreckt und das Abgas weg von einem Außenradius des Abgaskanals lenkt, wenn Abgas in den Einlasskonus der Abgasbehandlungsvorrichtung eintritt, um das Abgas gleichmäßig über eine Einlassseite des katalysatorbeschichteten Substrats zu verteilen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei der sich radial einwärts erstreckende Wandabschnitt des Strömungsmodifizierers segmentiert ist, um einen Anteil des Abgases zu dem Außenradius des Abgaskanals zu lenken.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei der Strömungsmodifizierer einteilig mit dem Einlassflansch des Einlasskonus gebaut ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei der Strömungsmodifizierer einteilig mit dem geflanschten Abschnitt des Turboladerauslasses gebaut ist.