DE102012212324B4

DE102012212324B4 - Abgasnachbehandlungseinrichtung mit unter Druck gesetzter Abschirmung

Info

Publication number: DE102012212324B4
Application number: DE102012212324A
Authority: DE
Inventors: James M Hershbarger; James P Batzold
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2011-08-27
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2032-07-14
Also published as: DE102012212324A1; AU2012216316A1; US20130047564A1; US8801821B2

Abstract

Abgasnachbehandlungsanordnung, umfassend: eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (110) mit einem Körper, der eine äußere Oberfläche, einen Einlass (108) für Abgase und einen Auslass (112) für nachbehandelte Abgase umfasst und in dem ein Nachbehandlungselement zur Nachbehandlung der Abgase zwecks Verminderung von Produkten unvollständiger Verbrennung angebracht ist, welches die Abgase auf ihrem Weg vom Einlass (108) zum Auslass (112) um- und/oder durchströmen, und eine Abschirmung (200), die sich zumindest um einen oberen Bereich der Abgasnachbehandlungseinrichtung (110) erstreckt und einen Raum zwischen der äußeren Oberfläche des Körpers der Abgasnachbehandlungseinrichtung (110) und einer inneren Oberfläche der Abschirmung (200) definiert, Mittel, um den Raum mit zumindest einem Anteil des Abgases aus dem Auslass (112) unter Druck zu setzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, um den Raum mit zumindest einem Anteil des Abgases aus dem Auslass (112) unter Druck zu setzen, Mittel zum Leiten von Abgas aus dem Auslass (112) zu einer Stelle außerhalb der Abschirmung und von dort in den Raum umfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abgasnachbehandlungsanordnung für Verbrennungsmotoren. Insbesondere bezieht sie sich auf Einrichtungen zum Sauberhalten der Abgasnachbehandlungseinrichtung und dabei auf eine unter Druck stehende Abschirmung für die Abgasnachbehandlungseinrichtung.
Stand der Technik
Landwirtschaftliche Maschinen arbeiten in staubigen, schmutzigen Umgebungen, die mit leichten, flockigem, trockenem Pflanzenmaterial beaufschlagt sind. Diese Maschinen werden traditionell mit Verbrennungsmotoren, in der Regel Dieselmotoren angetrieben.
Regierungsbestimmungen verlangen derzeit die Verwendung von Abgasnachbehandlungseinrichtungen, um die Abgase des Motors zu behandeln, um verbleibende Schadstoffe aus dem vom Motor abgegebenen Abgas zu entfernen. Die Abgasnachbehandlungseinrichtungen können vom Motor beabstandet angebracht werden, um das Abgas nachzubehandeln. Die Abgasnachbehandlungseinrichtungen haben eine sehr hohe Oberflächentemperatur, wenn sie einer periodischen Regeneration unterzogen werden. Diese hohen Temperaturen an den äußeren Oberflächen der Abgasnachbehandlungseinrichtungen können dazu führen, dass Staub oder andere Pflanzenmaterialien, die sich an der äußeren Oberfläche ansammeln, verbrennen.
Eine Möglichkeit, diese Verbrennung zu vermeiden, besteht darin, die Oberfläche der Abgasnachbehandlungseinrichtung sauber zu halten. Das kann erreicht werden, indem ein Teil der durch den Radiatorkühlventilator bewegten Luft über die obere Oberfläche der Abgasnachbehandlungseinrichtung gerichtet wird. Ein Beispiel für diese Anordnung ist in der US 2010/0275587 A1 gezeigt.
In der DE 10 2005 044 494 B3 wird eine gattungsgemäße Abgasnachbehandlungsanordnung beschrieben. Die nachbehandelten Abgase gelangen durch einen axialen Auslass der Abgasnachbehandlungseinrichtung in einen zylindrischen Behälter, der die Abgasnachbehandlungseinrichtung koaxial umschließt und von dort durch eine axiale Öffnung des zylindrischen Behälters.
Die DE 203 18 332 U1 zeigt eine weitere Abgasnachbehandlungsanordnung, die innerhalb eines inneren, zylindrischen Behälters angeordnet ist. Die Abgase werden an einer Seite des inneren, zylindrischen Behälters eingeleitet und gelangen an der anderen Seite in einen den zylindrischen Behälter umschließenden, weiteren Behälter mit zylindrischen Wänden und sphärischen Kappen, dessen Auslass auf der gegenüberliegenden Seite des Auslasses des inneren, zylindrischen Behälters liegt.
Die US 2010/0111779 A1 zeigt eine andere Abgasnachbehandlungsanordnung, die innerhalb eines doppelwandigen
Aufgabe
Ein Nachteil der Anordnung nach US 2010/0275587 A1 und ähnlicher Anordnungen liegt darin, dass die zur Reinigung der Oberfläche verwendete Luft Staub und andere Pflanzenmaterialien enthält. Die durch diese bekannten Anordnungen über die Oberfläche der Abgasnachbehandlungseinrichtung geleitete Luft muss die Oberfläche mit einer hohen Geschwindigkeit spülen, um zu verhindem, dass der mit der Luft vermischte Staub sich an der Oberfläche der Abgasnachbehandlung absetzt und sich eine Staubschicht bildet.
Weiterhin muss eine relative lange Leitung bereitgestellt werden, um Luft vom Kühlventilator zur Abgasnachbehandlungseinrichtung zu leiten, falls die Abgasnachbehandlungseinrichtung vom Motor beabstandet angeordnet ist.
Es besteht daher Bedarf an einer Anordnung, um unter Verwendung einer Quelle sauberer Luft oder von Gas die Abgasnachbehandlungseinrichtung sauber von Staub und anderen teilchenförmigem Material zu halten, bei der sich der Aufwand der Verwendung einer Leitung erübrigt und die nicht einen Teil der Leistung des Kühlventilators beansprucht.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine derartige Anordnung bereitzustellen.
Lösung
Eine Abgasnachbehandlungsanordnung ist mit einer Abschirmung ausgestattet, die im Wesentlichen die gesamte äußere Oberfläche der Abgasnachbehandlungseinrichtung umschließt. Diese Abschirmung ist mit dem Ausstoßgasauslass der Abgasnachbehandlungseinrichtung gekoppelt. Zumindest ein Teil des nachbehandelten Ausstoßgases (d. h. das die Abgasnachbehandlungseinrichtung verlassende Ausstoßgas) wird durch den Spalt zwischen der äußeren Oberfläche der Abgasnachbehandlungseinrichtung und der Abschirmung geleitet. Unterschiedliche Strukturen, die im Einzelnen weiter unten beschrieben werden, leiten zumindest einen Teil des nachbehandelten Abgases mit einem höheren Druck als jener der Umgebungsluft in den zwischen der Abschirmung und der Abgasnachbehandlungseinrichtung definierten Raum ein und setzen somit den Raum geringfügig unter Druck. Die Mittel, um den Raum mit zumindest einem Anteil des Abgases aus dem Auslass unter Druck zu setzen weisen Mittel zum Leiten von Abgas aus dem Auslass zu einer Stelle außerhalb der Abschirmung und von dort in den Raum auf. Die geringfügig unter Druck stehenden, nachbehandelten Ausstoßabgase verdrängen die unter geringerem Druck stehende Umgebungsluft, die Staub und brennbare Partikel enthält. Das nachbehandelte Ausstoßabgas enthält fast keine brennbaren Partikel oder Staub, da sie bereits im Verbrennungsmotor verbrannt wurde und weiterhin durch die Abgasnachbehandlung hindurchgeführt wurde. Diese Anordnung verhindert oder vermindert zumindest beträchtlich eine Ablagerung und Ansammlung des in der umgebenden Atmosphäre enthaltenen Staubs und brennbarer Teilchen an der äußeren Oberfläche der Abgasnachbehandlungseinrichtung.
Das gesamte die Abgasnachbehandlungseinrichtung verlassende Abgas kann in den Raum zwischen der Abschirmung und der Abgasnachbehandlungseinrichtung geleitet werden. Alternativ wird nur ein Anteil des Abgases in den Raum eingeleitet, sodass der Rest (und vorzugsweise der größte Anteil) des Abgases in eine Ausstoßleitung gelangt, die mit dem Abgasauslass der Abgasnachbehandlungseinrichtung gekoppelt ist und sich von dort erstreckt.
Ein Venturi-Element oder eine andere Struktur kann in einer sich vom Auslass der Abgasnachbehandlungseinrichtung in den Raum zwischen der Abschirmung und der Abgasnachbehandlungseinrichtung erstreckenden Ausstoßleitung eingefügt sein, um Luft aus der die Abgasnachbehandlungseinrichtung umgebenden Atmosphäre mitzureißen. Diese Anordnung verwendet vorzugsweise die kinetische Energie des ausströmenden Abgases, um Luft aus der Atmosphäre in die in den Raum abgeleiteten Abgase einzubringen. Der Auslass des Venturi-Elements oder der anderen Struktur kann dann durch eine Leitung in den Raum zwischen der Abschirmung und der Abgasnachbehandlungseinrichtung geleitet werden, um damit die vermischte Umgebungsluft und Abgase in den Raum zwischen der Abschirmung und der Abgasnachbehandlungseinrichtung einzuführen.
Ausführungsbeispiel
1 ist ein schematisches Diagramm einer Anordnung eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasnachbehandlungsanordnung und einem Abgasstutzen oder Auspuff gemäß dem Stand der Technik.
Die 2–5 sind schematische Diagramme der Anordnung nach 1, jedoch mit einer Abgasnachbehandlungsanordnung anstelle der bekannten Abgasnachbehandlungsanordnung der 1, wobei nur die Ausführungsformen nach 4 und 5 erfindungsgemäß sind.
In der folgenden Diskussion bezieht sich der Begriff ”Abgasnachbehandlungseinrichtung” auf jegliche Einrichtung zur chemischen Umwandlung oder Verarbeitung von Abgasen eines Verbrennungsmotors vor dem Ausstoß des Abgases in die Atmosphäre, einschließlich von Teilchenfiltern für Dieselmotoren und katalytischen Konvertern.
Die Begriffe ”Druck” oder ”unter Druck setzen” werden hier verwendet. Der Betrag des Druckes, der erforderlich ist, um „unter Druck gesetzt” zu sein, ist ein Druck, der hinreichend ist, um zu verhindern, dass im Wesentlichen keine Umgebungsluft in Mengen, die eine Ablagerung von verbrennbaren Partikeln aus Staub oder teilchenförmiger Materie auf der Abgasnachbehandlungseinrichtung erlaubt, in die Abschirmung eintritt und dort frei zirkuliert.
Es wird nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf die 1 verwiesen, in der ein Verbrennungsmotor 100 für ein Arbeitsfahrzeug, wie ein landwirtschaftliches Fahrzeug gezeigt ist. Der Verbrennungsmotor 100 hat eine Abgassammelleitung 102, die Verbrennungsabgase von den Zylindern des Verbrennungsmotors 102 aufnimmt. Ein Kühlventilator 104 ist bereitgestellt, um Luft durch einen Radiator 106 zu saugen, der sich in flüssigkeitsleitender Verbindung mit dem Verbrennungsmotor 100 befindet.
Die Abgassammelleitung 102 ist mit einem Abgaseinlass 108 einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 gekoppelt, die hier als katalytischer Konverter oder Teilchenfilter für Dieselmotoren dargestellt ist. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 hat einen im Wesentlichen zylindrischen Körper mit einem Auslass 112 für nachbehandelte Ausstoßgase. Der Auslass 112 ist in leitender Verbindung mit einem Abgasstutzen oder Auspuff 114, der die Abgase vom Fahrzeug hinfort leitet und sie durch einen Auslass 116 in die Atmosphäre freigibt. Diese Anordnung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 mit dem Verbrennungsmotor 100 und dem Abgasstutzen oder Auspuff 114 ist die vorgesehene Anordnung, mit welcher die Abgasnachbehandlungseinrichtung mit der Abschirmung gemäß der 2 bis 5 verwendet werden soll.
Die 2 stellt eine erste Ausführungsform der Abgasnachbehandlungsanordnung dar. Bei dieser Anordnung ist die Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 von einer Abschirmung 200 umschlossen, die sich teilweise oder ganz um die Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 erstreckt und zumindest hinreicht, um die oberen Oberflächen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 110, an denen sich Staub ansammelt, abzudecken. Die bevorzugte Ausführungsform ist in der 2 gezeigt, in der im Wesentlichen die gesamte Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 durch die Abschirmung 200 umrundet wird und in welcher der Einlass 108 für Abgase durch die Abschirmung 200 hindurch dringt.
Der Auslass 112 für Abgas entleert sich in den Raum zwischen der Abschirmung 200 und der Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 und tritt durch eine oder mehrere obere Öffnungen 202 und/oder eine Endöffnung 204 und/oder eine Bodenöffnung 206 nach außen. Der Fluss der Abgase in den Raum erzeugt einen Druck im Raum, der geringfügig über dem Atmosphärendruck liegt und somit verhindert, dass Staub und Partikel mitführende Umgebungsluft in die Abschirmung 200 eintritt und sich der Staub und die Partikel auf der äußeren Oberfläche der Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 ablagern Bei dieser Anordnung wird im Wesentlichen das gesamte Abgas in den Raum zwischen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 und der Abschirmung 200 verbracht. Dies ist aber nicht notwendig, wie die nächste Figur darstellt.
In der Ausführungsform nach 3 hat der Auslass 112 eine Öffnung 300, die es einem Anteil des behandelten Abgases ermöglicht, den Auslass 112 zu verlassen und in den Raum zwischen der Abschirmung 200 und der Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 zu gelangen. Das verbleibende Volumen des behandelten Abgases wird durch den Auslass 112 durch die Abschirmung 200 hindurch und in den Abgasstutzen oder Auspuff 114 geleitet, wie in der 1 gezeigt.
Die dritte Ausführungsform (4) offenbart ein alternatives Verfahren, um Abgas in den Raum zwischen der Abschirmung 200 und der Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 zu leiten. In der 4 spaltet der Auslass 112 seinen Flussweg auf, wie in der Ausführungsform nach 3, leitet in der 4 jedoch einen Anteil des Abgases in eine externe Leitung 404, die ein Venturi-Element 400 umfasst. Das Venturi-Element 400 nutzt den Fluss des Abgases, um einen Anteil von Umgebungsluft mitzureißen und leitet die Mischung aus Abgas und atmosphärischer Luft durch einen weiterlaufenden Abschnitt 402 der Leitung 404 zurück durch die Abschirmung 200 und in den Raum zwischen der Abschirmung 200 und der Abgasnachbehandlungseinrichtung 110. Diese Anordnung dient dazu, eine kühlere Gasquelle zum Umspülen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 bereitzustellen. Durch das Mitreißen eines Teils der atmosphärischen, die Abgasnachbehandlungseinrichtung 110 umgebenden Luft in den Raum wird etwas zusätzlicher Staub eingeführt. Durch eine sorgfältige Auswahl der relativen Größe des Venturi-Elements 400 kann dieser zusätzliche Staub jedoch unterhalb eines kritischen Niveaus gehalten werden, aber dennoch die Vorteile des Sauberhaltens der Abgasnachbehandlungseinrichtung beibehalten werden.
Bei einer alternativen Anordnung (nicht gezeigt), kann eine Leitung ohne Venturi-Element 400 verwendet werden, zumindest einen Anteil des nachbehandelten Ausstoßgases an eine Stelle außerhalb der Abschirmung und des Raums zu leiten und es dann zurück in die Abschirmung in den Raum zu leiten, wie in den 4 und 5 gezeigt, aber ohne Venturi-Element 400 und ohne Wärmetauscher.
Die fünfte Ausführungsform (5) zeigt dieselbe Anordnung wie die 4, jedoch entfällt das Venturi-Element 400 und ist durch einen Wärmetauscher 500 ersetzt, der eingerichtet ist, das in die Leitung 404 einströmende Gas abzukühlen.

Claims

Abgasnachbehandlungsanordnung, umfassend: eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (110) mit einem Körper, der eine äußere Oberfläche, einen Einlass (108) für Abgase und einen Auslass (112) für nachbehandelte Abgase umfasst und in dem ein Nachbehandlungselement zur Nachbehandlung der Abgase zwecks Verminderung von Produkten unvollständiger Verbrennung angebracht ist, welches die Abgase auf ihrem Weg vom Einlass (108) zum Auslass (112) um- und/oder durchströmen, und eine Abschirmung (200), die sich zumindest um einen oberen Bereich der Abgasnachbehandlungseinrichtung (110) erstreckt und einen Raum zwischen der äußeren Oberfläche des Körpers der Abgasnachbehandlungseinrichtung (110) und einer inneren Oberfläche der Abschirmung (200) definiert, Mittel, um den Raum mit zumindest einem Anteil des Abgases aus dem Auslass (112) unter Druck zu setzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, um den Raum mit zumindest einem Anteil des Abgases aus dem Auslass (112) unter Druck zu setzen, Mittel zum Leiten von Abgas aus dem Auslass (112) zu einer Stelle außerhalb der Abschirmung und von dort in den Raum umfassen.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Mittel, um den Raum mit zumindest einem Anteil des Abgases aus dem Auslass (112) unter Druck zu setzen, eingerichtet sind, das gesamte Abgas oder nur einen Anteil davon aus dem Auslass (112) in den Raum zu leiten.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die Mittel eingerichtet sind, einen kleineren Anteil des Abgases in den Raum zu leiten und einen größeren Anteil des Abgases in eine Ausstoßleitung zu leiten.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mittel, um den Raum mit zumindest einem Anteil des Abgases aus dem Auslass (112) unter Druck zu setzen, Mittel zum Leiten des Abgases in den Raum umfassen.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abschirmung (200) eine Öffnung (202, 204, 206) aufweist, um das Abgas aus dem Raum abzuführen.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 5, wobei die Öffnung (202, 204, 206) sich in einer nach oben gewandten Oberfläche der Abschirmung (200) und/oder in einer horizontal orientierten Oberfläche der Abschirmung (200) und/oder in einer nach unten gewandten Oberfläche der Abschirmung (200) befindet.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel, um den Raum mit zumindest einem Anteil des Abgases aus dem Auslass (112) unter Druck zu setzen, Mittel zum direkten Leiten wenigstens eines Anteils des Abgases aus dem Auslass (112) in den Raum umfassen.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel, um den Raum mit zumindest einem Anteil des Abgases aus dem Auslass (112) unter Druck zu setzen, eine Struktur, beispielsweise ein Venturi-Element (400) umfassen, welche die kinetische Energie zumindest eines Anteils des Abgases verwendet, um Umgebungsluft mit dem Abgas oder dessen Anteil mitzureißen.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel, um den Raum mit zumindest einem Anteil des Abgases aus dem Auslass (112) unter Druck zu setzen, einen Wärmetauscher (500) umfassen, der angeordnet ist, Wärme aus dem Abgas oder dessen Anteil abzuführen, bevor das dem Abgas oder dessen Anteil in dem Raum freigegeben wird.
Landwirtschaftliches Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (100) und einer Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.