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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Seriennummer 61/817,068, die am 29. April 2013 eingereicht wurde und hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung betreffen Abgasbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere Abgasbehandlungssysteme, die Fluide, die in eine Abgasströmung eingespritzt werden, innerhalb einer kurzen physikalischen Länge vollständig mischen und verdampfen.
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HINTERGRUND
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Das Abgas, das an ein Abgasbehandlungssystem von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, ist ein heterogenes Gemisch, das gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid (”CO”), nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (”KW”) und Stickoxide (”NOx”), wie auch Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe) enthält, die Partikelmaterial bilden. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise an Katalysatorträgern oder -substraten angeordnet sind, sind in verschiedenen Abgassystemvorrichtungen vorgesehen, um bestimmte oder alle dieser Abgasbestandteile in nicht regulierte Abgaskomponenten umzuwandeln.
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Eine Abgasbehandlungstechnologie im Gebrauch für hohe Niveaus an Partikelmaterialreduktion, insbesondere in Dieselmotoren, ist die Partikelfilter-(”PF”-)Vorrichtung. Es existieren verschiedene bekannte Filterstrukturen, die in PF-Vorrichtungen verwendet sind und eine Wirksamkeit bei der Entfernung des Partikelmaterials von dem Abgas gezeigt haben, wie Keramikwaben-Wandströmungsfilter, gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc. Keramik-Wandströmungsfilter haben in Kraftfahrzeuganwendungen eine signifikante Akzeptanz erfahren.
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Der Filter in einer PF-Vorrichtung ist ein physikalischer Aufbau zur Entfernung von Partikeln von Abgas, und infolge dessen besitzt die Ansammlung gefilterter Partikel die Wirkung der Erhöhung des Abgassystemgegendrucks, dem der Motor ausgesetzt ist. Um Gegendruckzunahmen, die durch die Ansammlung von Abgaspartikeln bewirkt werden, zu berücksichtigen, wird die PF-Vorrichtung periodisch gereinigt oder regeneriert. Der Regenerationsbetrieb verbrennt das Kohlenstoff- und Partikelmaterial, das sich in dem Filtersubstrat angesammelt hat, und regeneriert die PF-Vorrichtung.
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Eine Regeneration einer PF-Vorrichtung in Fahrzeuganwendungen erfolgt typischerweise automatisch und wird durch einen Motor- oder anderen Controller auf Grundlage von Signalen gesteuert, die durch Motor- und Abgassystemsensoren erzeugt werden, wie Temperatursensoren und Gegendrucksensoren. Das Regenerationsereignis betrifft die Erhöhung der Temperatur der PF-Vorrichtung auf Niveaus, die oftmals über 600°C liegen, um die angesammelten Partikel zu verbrennen.
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Ein Verfahren zur Erzeugung der Temperaturen, die in dem Abgassystem zur Regeneration der PF-Vorrichtung erforderlich sind, besteht darin, nicht verbrannte KW (oftmals in der Form von Roh-Kraftstoff) an eine Oxidationskatalysator(”OC”-)Vorrichtung zu liefern, die stromaufwärts der PF-Vorrichtung angeordnet ist. Die KW können durch Einspritzen von Kraftstoff (entweder als eine Flüssigkeit oder vorverdampft) direkt in das Abgas unter Verwendung einer KW-Einspritzeinrichtung/eines KW-Verdampfers geliefert werden. Die KW werden in der OC-Vorrichtung oxidiert, was in einer exothermen Reaktion resultiert, die die Temperatur des Abgases erhöht. Das erwärmte Abgas strömt stromabwärts zu der PF-Vorrichtung, um dadurch die Ansammlung von Partikeln zu verbrennen (zu oxidieren).
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Eine Herausforderung für Konstrukteure, insbesondere diejenigen, die mit raumbeschränkten Fahrzeuganwendungen befasst sind, besteht darin, dass die Einspritzung von Fluiden, wie KW in das Abgas stromaufwärts einer OC-Vorrichtung oder einer anderen Vorrichtung für diesen Zweck für eine ausreichende Verweilzeit, Turbulenz und Distanz in der Abgasströmung sorgen muss, damit das eingespritzte Fluid vor einem Eintritt in die Vorrichtung mit dem Abgas ausreichend gemischt und in diesem verdampft wird. Ohne die richtige Vorbereitung wird das eingespritzte Fluid nicht richtig in der OC-Vorrichtung oxidieren, und ein Teil der unverbrannten KW kann durch die Vorrichtung gelangen. Das Ergebnis ist verschwendeter Kraftstoff, der durch das Abgasbehandlungssystem gelangt, und ungleichmäßige Temperaturen innerhalb der Vorrichtungen. Turbulatoren (d. h. statische Mischer) oder andere Mischvorrichtungen können in einer Abgasleitung installiert sein, die die verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen fluidtechnisch verbindet, um ein Mischen des eingespritzten Fluides zu unterstützen. Solche Mischvorrichtungen, während sie wirksam sind, können einen unerwünschten Gegendruck auf das Abgasbehandlungssystem aufbringen, wodurch die Motorleistung reduziert wird.
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Eine Technologie, die entwickelt worden ist, um die Niveaus von NOx-Emissionen in Magerverbrennungsmotoren (beispielsweise Dieselmotoren) zu reduzieren, die Kraftstoff in Sauerstoffüberschuss verbrennen, umfassen eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (”SCR” von engl.: ”selective catalytic reduction”). Eine SCR-Katalysatorzusammensetzung, die in der SCR-Vorrichtung angeordnet ist, enthält bevorzugt einen Zeolith sowie eine oder mehrere Unedelmetallkomponenten, wie Eisen (”Fe”), Kobalt (”Co”), Kupfer (”Cu”) oder Vanadium (”V”), die effizient dazu dienen können, NOx-Bestandteile in dem Abgas in der Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak (”NH3”) zu reduzieren. Der SCR-Katalysator kann als ein Washcoat entweder auf ein herkömmliches Durchflusssubstrat oder auf das Substrat eines Partikelfilters aufgebracht werden. Das Reduktionsmittel wird üblicherweise als Flüssigkeit stromaufwärts von der SCR-Vorrichtung in einer Weise ähnlich zu den oben diskutierten KW geliefert und gelangt stromabwärts zu der SCR-Vorrichtung, um mit der SCR-Katalysatorzusammensetzung wechselzuwirken; wobei die Mengen an NOx in dem Abgas, das durch die SCR-Vorrichtung gelangt, verringert werden. Wie die KW, wie oben diskutiert sind, kann ohne entsprechende Vermischung und Verdampfung das eingespritzte Reduktionsmittel, beispielsweise Harnstoff oder Ammoniak, nicht richtig in der SCR-Vorrichtung funktionieren und ein Teil des Fluids kann durch die Vorrichtung gelangen, was zu verschwendetem Reduktionsmittel wie auch einem reduzierten NOx-Umwandlungswirkungsgrad führt.
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Typische Abgasbehandlungssysteme können verschiedene Abgasbehandlungsvorrichtungen aufweisen, wie oben beschrieben ist. In vielen Fällen, ob herkömmlich oder nicht, können die Vorrichtungen einzelne Komponenten umfassen, die entlang einer Abgasleitung seriell angeordnet sind, die sich von dem Abgaskrümmerauslass des Verbrennungsmotors zu dem Auspuffauslass des Abgasbehandlungssystems erstreckt. Eine Herausforderung mit dieser Konfiguration besteht darin, dass es notwendig ist, eine vernünftige Länge zwischen Komponenten wie auch ausreichend Mischvorrichtungen, die in der Abgasleitung angeordnet sind, zu wählen, um ein angemessenes Mischen von eingespritzten Fluiden zu erreichen (z. B. KW und Harnstoff-(Ammoniak-)Reduktionsmittel). Da Fahrzeugarchitekturen kleiner werden, kann die gewünschte Länge für ein Abgasbehandlungssystem nicht unbedingt verfügbar sein.
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Demgemäß ist es erwünscht, eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein gleichförmiges Mischen und eine gleichförmige Verteilung eines Fluides, das in das Abgas in einem Abgasbehandlungssystem eingespritzt wird, innerhalb einer kompakten Distanz erreicht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Verbrennungsmotor weist ein Abgasbehandlungssystem mit einem Fluideinspritzsystem und einem Wirbeldosenraummischer zum Mischen von eingespritztem Fluid mit von dem Motor ausgestoßenem Abgas auf. Der Wirbeldosenraummischer umfasst einen Behälter mit einem Einlass und einem Auslass, einem inneren Abgasraum, einer Querwand, die den inneren Abgasraum in einen stromaufwärtigen Abgassammler und eine stromabwärtige Diffusorkammer trennt. Ein Primärströmungsdurchlass öffnet sich durch die Querwand zu einer Tangentialströmungsleiteinrichtung, die um den Primärströmungsdurchlass an der stromabwärtigen Seite der Querwand angeordnet und mit diesem in Fluidkommunikation steht, um das Abgas, das durch den Primärströmungsdurchlass gelangt, zu sammeln. Ein Durchlass der Einspritzeinrichtung ist derart konfiguriert, eine Fluideinspritzeinrichtung zur Abgabe eines Fluids in das Abgas zu mischen mit dem Abgas in dem Wirbeldosenraummischer aufzunehmen. Eine Düse der Tangentialströmungsleiteinrichtung ist derart konfiguriert, das Abgas und das Fluid durch einen Auslass in den stromabwärtigen Diffusorraum in einer tangentialen Strömungstrajektorie abzugeben, wobei das Mischen und Verdampfen des Abgases/und des Fluides durch Ausstoßen des Gemisches aus Abgas/Fluid von der Düse der Tangentialströmungsleiteinrichtung und einer nachfolgenden Expansion, Verlangsamung und Verweilzeit des Gemisches in der stromabwärtigen Diffusorkammer vor einem Austritt aus dem Behälter des Wirbeldosenraummischers durch einen Auslass erreicht wird.
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Ein Wirbeldosenraummischer zum Mischen von eingespritztem Fluid mit Abgas, das von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, umfasst einen Behälter mit einem Einlass und einem Auslass, einem Abgasraum, einer Querwand, die den Abgasraum in einen stromaufwärtigen Abgassammler und eine stromabwärtige Diffusorkammer trennt, einem Primärströmungsdurchlass, der sich durch die Querwand öffnet, einer Tangentialströmungsleiteinrichtung, die um den Primärströmungsdurchlass an der stromabwärtigen Seite der Querwand angeordnet ist und mit dieser in Fluidkommunikation steht, um das Abgas, das durch den Primärströmungsdurchlass gelangt, zu sammeln, einem Durchlass der Einspritzeinrichtung, der derart konfiguriert ist, eine Fluideinspritzeinrichtung zum Abgeben eines Fluides in das Abgas zum Mischen mit dem Abgas in dem Wirbeldosenraummischer aufzunehmen, und einer Düse einer Tangentialströmungsleiteinrichtung, die derart konfiguriert ist, das Gemisch aus Abgas/Fluid durch einen Auslass in den stromabwärtigen Diffusorraum in einer tangentialen Strömungstrajektorie abzugeben, wobei das Mischen und Verdampfen des Abgases und Fluides mit und in dem Abgas durch Ausstoßen des Abgases und Fluides von der Düse der Tangentialströmungsleiteinrichtung und anschließender Expansion, Verlangsamung und Verweilzeit des Gemisches in der stromabwärtigen Diffusorkammer vor einem Austritt aus dem Behälter des Wirbeldosenraummischers durch einen Auslass erreicht wird.
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Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten sind nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen dargestellt, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
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1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors und eines zugeordneten Abgasbehandlungssystems ist, die Merkmale der Erfindung aufweist;
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2 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems eines Kraftfahrzeugs ist, das Merkmale der Erfindung aufweist;
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3 eine schematische Ansicht einer noch anderen Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems eines Kraftfahrzeugs ist, das Merkmale der Erfindung aufweist;
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4 eine perspektivische stromaufwärtige Endansicht eines kompakten Mischraums ist, der Merkmale der Erfindung aufweist;
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5 eine perspektivische stromabwärtige Endansicht des kompakten Mischraums ist, der Merkmale der Erfindung aufweist;
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6 eine schematische stromabwärtige Endansicht einer Ausführungsform des kompakten Mischraums ist, der Merkmale der Erfindung aufweist;
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7 eine schematische stromabwärtige Endansicht einer anderen Ausführungsform des kompakten Mischraums ist, der Merkmale der Erfindung aufweist; und
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8 eine perspektivische Ansicht einer anderen beispielhaften Ausführungsform des kompakten Mischraums ist, der Merkmale der Erfindung aufweist.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Es versteht sich, dass in den gesamten Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. In den Figuren können Abgasströmungspfeile zur Angabe der allgemeinen Strömungsrichtung und nicht immer der Einzelheiten der Strömung innerhalb einer bestimmten Abgasbehandlungsvorrichtung des Abgasbehandlungssystems verwendet sein.
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Bezug nehmend auf 1 ist ein Verbrennungsmotor (”IC”-Motor) gezeigt. Es sei angemerkt, dass die hier offenbarte Erfindung Anwendung auf einen beliebigen Typ von Verbrennungsmotor aufweist, der ein Abgasbehandlungssystem erfordert, bei dem ein Fluid, wie Kohlenwasserstoff (”KW”) oder Harnstoff (oder anderes Ammoniak-(”NH3”-)haltiges Fluid oder Gas) eingespritzt wird. In der Beschreibung unten sind ein Dieselmotor 10 und ein zugeordnetes Abgasbehandlungssystem 12 beschrieben. Der Dieselmotor umfasst einen Zylinderblock 14 und einen Zylinderkopf 16, die in Kombination Kolbenzylinder und Brennräume (nicht gezeigt) definieren. Hubkolben (nicht gezeigt) sind in den Kolbenzylindern angeordnet und dienen dazu, Luft zu komprimieren, die, wenn sie mit einem eingespritzten Kraftstoff komprimiert und gemischt ist, auf eine Weise verbrennt, wie es in der Technik gut bekant ist. Verbrennungsprodukte oder Abgas 18 verlassen den Zylinderkopf 16 durch den Abgasdurchlass 20 (der einem Abgaskrümmer (nicht gezeigt) zugeordnet sein kann), der bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform zu der Abgasturbinenseite 22 eines abgasgetriebenen Turboladers 24 führt. Das Abgas dreht ein Laufrad (nicht gezeigt), das in der Abgasturbinenseite des Turboladers rotierend montiert ist, und verlässt anschließend den Turbolader durch einen Austrittsdurchlass 26. Der Austrittsdurchlass steht in Fluidkommunikation mit dem Abgasbehandlungssystem 12, und Abgas 18, das den Turbolader 24 durch den Austrittsdurchlass 26 verlässt, wird daran übertragen.
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Das Abgasbehandlungssystem 12 kann eine von vielen Konfigurationen abhängig von der bestimmten Anwendung des Motors 10 und seiner Installation (d. h. Fahrzeug, stationär, etc.) umfassen. In der in 1 gezeigten Konfiguration tritt das Abgas 18, das den abgasgetriebenen Turbolader 24 verlässt, in eine Oxidationskatalysator-(”OC”-)Vorrichtung 30 durch einen Einlasskegel 32 ein, der mit dem Austrittsdurchlass 26 in Fluidkommunikation steht. Die OC-Vorrichtung 30 kann beispielsweise ein Durchström-Metall- oder Keramik-Monolithsubstrat aufweisen, das in eine Schale oder einen Behälter 36 aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit dem Abgas 18 in dem Abgasbehandlungssystem 12 gepackt ist. Das Substrat kann typischerweise eine daran aufgebrachte Oxidationskatalysatorverbindung aufweisen. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als Washcoat aufgetragen sein und kann Platingruppenmetalle enthalten, wie Platin (”Pt”), Palladium (”Pd”), Rhodium (”Rh”) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus. Die OC-Vorrichtung 30 ist bei der Behandlung nicht verbrannter gasförmiger und nichtflüchtiger KW und CO nützlich, die oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist ein Wirbeldosenraummischer 40 unmittelbar stromabwärts der DOC-Vorrichtung 30 angeordnet und derart konfiguriert, Abgas, das die DOC-Vorrichtung verlässt, aufzunehmen. Bei der beispielhaften Ausführungsform, die gezeigt ist, sind der Auslass 42 der DOC-Vorrichtung und der Einlass 44 des Wirbeldosenraummischers 40 mit ähnlichen Durchmessern konfiguriert, wodurch eine leckfreie Dichtung um diese vorgesehen wird, wenig oder keine Beschränkung auf die Strömung von Abgas 18 aufgebracht wird und ein Raumvolumen für eine erhöhte Abgasverweilzeit darin maximiert wird. Eine Reduktionsmittelfluideinspritzeinrichtung 46 ist benachbart dem Einlass 44 des Wirbeldosenraummischers 40 montiert und spritzt ein auf Ammoniak (”NH3”) basierendes Reduktionsmittel 48, 2, in die Strömung des Abgases 18 ein, wenn sie in die Vorrichtung eintritt. Der Mischer dient dazu, das Reduktionsmittel 48 zu verdampfen und dieses mit dem Abgas 18 auf eine Weise zu mischen, die nachfolgend weiter beschrieben ist.
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Nach dem Mischen des Reduktionsmittels 48 mit dem Abgas 18 in dem Wirbeldosenraummischer 40 verlässt das Gemisch 50 aus Abgas/Reduktionsmittel den Mischer durch den Mischerauslass 52 und wird durch eine Abgasleitung 54 an eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (”SCR”) 56 transportiert, die unten und in paralleler Ausrichtung mit der OC-Vorrichtung 30 angeordnet ist. Die SCR-Vorrichtung 56 kann beispielsweise ein Durchström-Metall- oder Keramik-Monolithsubstrat aufweisen, das in eine Schale oder einen Behälter 60 aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit dem Gemisch 50 aus Abgas/Reduktionsmittel in der Abgasleitung 54 gepackt ist. Eine SCR-Katalysatorzusammensetzung, die in der SCR-Vorrichtung angeordnet ist, enthält bevorzugt einen Zeolith sowie eine oder mehrere Unedelmetallkomponenten, wie Eisen (”Fe”), Kobalt (”Co”), Kupfer (”Cu”) oder Vanadium (”V”), die effizient dazu dienen können, NOx-Bestandteile in dem Abgas 18 in der Anwesenheit des auf Ammoniak (”NH3”) basierenden Reduktionsmittels zu reduzieren. Der Auslass 62 der SCR-Vorrichtung 56 kann einen Abgassammler umfassen, wie ein Austrittskegel 64, der einen Auslass 66 aufweist, der mit einem Flanschelement 68 konfiguriert ist, das eine Fluidverbindung des Abgasbehandlungssystems 12 mit einer Abgasleitung (nicht gezeigt) zulässt, die das Abgas zu zusätzlichen Abgasbehandlungsvorrichtungen (wenn installiert) und anschließend an die Atmosphäre leitet.
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Bezug nehmend auf 2 werden bei einer anderen Ausführungsform des Abgasbehandlungssystems 12 die OC-Vorrichtung 30 und die SCR-Vorrichtung 56 weiterhin in einer parallelen Weise montiert, wie oben beschrieben ist, wobei das Abgas 18 zwischen den Vorrichtungen durch die Abgasleitung 54 übertragen wird. Bei der Ausführungsform, die gezeigt ist, ist jedoch der Wirbeldosenraummischer 40 direkt stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 56 angeordnet und derart konfiguriert, Abgas, das die Abgasleitung 54 verlässt, aufzunehmen. Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind der Auslass 52 des Wirbeldosenraummischers und der Einlass 70 der SCR-Vorrichtung 56 mit ähnlichen Durchmessern konfiguriert, wodurch eine leckfreie Dichtung um diese vorgesehen wird, wenig oder keine Beschränkung auf die Strömung von Abgas 18 aufgebracht wird und ein Raumvolumen für eine erhöhte Abgasverweilzeit darin maximiert wird. Eine Reduktionsmittelfluideinspritzeinrichtung 46 ist benachbart dem Einlass 44 des Wirbeldosenraummischers 40 montiert und spritzt ein auf Ammoniak (”NH3”) basierendes Reduktionsmittel 48 in die Strömung des Abgases 18 ein, wenn diese in die Vorrichtung eintritt. Bei einer alternativen Ausführungsform, wie auch in 3 gezeigt ist, kann die Reduktionsmittelfluideinspritzeinrichtung 46 entlang der Länge der Abgasleitung 54 montiert sein. Die Auswahl der Installation der Einspritzeinrichtung kann anwendungsabhängig sein. Der Mischer 40 dient dazu, das Reduktionsmittel 48 zu verdampfen und dieses mit dem Abgas 18 auf eine Weise zu mischen, die nachfolgend weiter beschrieben ist.
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Bezug nehmend auf 3 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform des Abgasbehandlungssystems 12 ein System vom Reihen-Typ. Bei der gezeigten Konfiguration tritt Abgas 18 in eine OC-Vorrichtung 30 ein, an der, wie angegeben ist, nicht verbrannte gasförmige und nichtflüchtige KW und CO oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der Wirbeldosenraummischer 40 unmittelbar stromabwärts der OC-Vorrichtung 30 platziert und derart konfiguriert, das die OC-Vorrichtung verlassende Abgas 18 aufzunehmen. Bei der beispielhaften Ausführungsform, die gezeigt ist, können der Auslass 42 der DOC-Vorrichtung und der Einlass 44 des Wirbeldosenraummischers 40 mit ähnlichen Durchmessern konfiguriert sein, wodurch eine leckfreie Abdichtung um diese vorgesehen wird, während keine oder wenig Beschränkung auf die Abgasströmung aufgebracht wird. Eine Reduktionsmittelfluideinspritzeinrichtung 46 ist benachbart dem Einlass 44 des Wirbeldosenraummischers 40 montiert und spritzt ein auf Ammoniak (”NH3”) basierendes Reduktionsmittel 48 in die Strömung des Abgases 18 ein, wenn diese in die Vorrichtung eintritt. Der Mischer dient dazu, das Reduktionsmittel 48 zu verdampfen und dieses mit dem Abgas 18 auf eine Weise zu mischen, die nachfolgend weiter beschrieben ist.
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Nach einem Mischen des Reduktionsmittels 48 mit dem Abgas 18 in dem Wirbeldosenraummischer 40 verlässt das Gemisch 50 das Abgas/Reduktionsmittel den Mischer durch den Mischerauslass 52 und tritt in eine Vorrichtung 56 für selektive katalytische Reduktion (”SCR”) ein. Der Auslass 52 des Wirbeldosenraummischers und der Einlass 70 der SCR-Vorrichtung 56 sind mit ähnlichen Durchmessern konfiguriert, wodurch eine leckfreie Dichtung um diese vorgesehen wird, wenig oder keine Beschränkung auf die Strömung des Abgases 18 aufgebracht wird und ein Raumvolumen für eine erhöhte Abgasverweilzeit darin maximiert wird. Die SCR-Vorrichtung 56 dient dazu, NOx-Bestandteile in dem Abgas in der Anwesenheit des auf Ammoniak (”NH3”) basierenden Reduktionsmittels 48 zu reduzieren, und das Abgas verlässt die SCR-Vorrichtung durch den Auslass 62. Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist ein zweiter Wirbeldosenraummischer 71 unmittelbar stromabwärts der SCR-Vorrichtung 56 platziert und derart konfiguriert, Abgas aufzunehmen, das die SCR-Vorrichtung verlässt. Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind der Auslass 62 der SCR-Vorrichtung 56 und der Einlass 72 des zweiten Wirbeldosenraummischers 71 mit ähnlichen Durchmessern konfiguriert, wodurch eine leckfreie Dichtung um diese vorgesehen wird, wenig oder keine Beschränkung auf die Strömung von Abgas 18 aufgebracht wird und ein Raumvolumen für eine erhöhte Abgasverweilzeit darin maximiert wird. Ein Kohlenwasserstofffluideinspritzeinrichtung (”KW”-Einspritzeinrichtung) 76 ist benachbart dem Einlass 72 des zweiten Wirbeldosenraummischers 71 montiert und spritzt einen flüssigen Kohlenwasserstoff 78 in die Strömung des Abgases ein, wenn diese in die Vorrichtung eintritt. Der Mischer dient dazu, den flüssigen Kohlenwasserstoff 78 zu verdampfen und diesen mit dem Abgas auf eine Weise zu mischen, die nachfolgend weiter beschrieben ist. Nach dem Mischen des flüssigen Kohlenwasserstoffes 78 mit dem Abgas in dem zweiten Wirbeldosenraummischer 71 verlässt das Gemisch 79 aus Abgas/Kohlenwasserstoff den Mischer durch den Mischerauslass 74 und tritt in eine zweite OC-Vorrichtung 80 ein. Der Auslass 74 des zweiten Wirbeldosenraummischers 71 und der Einlass 82 der zweiten OC-Vorrichtung 80 sind mit ähnlichen Durchmessern konfiguriert, wodurch eine leckfreie Dichtung um diese Vorgesehen wird, wenig oder keine Beschränkung auf die Strömung von Abgas 18 aufgebracht wird und ein Raumvolumen für eine erhöhte Abgasverweilzeit darin maximiert wird. Das Gemisch 79 aus Abgas/Kohlenwasserstoff wird in der zweiten OC-Vorrichtung 80 oxidiert, was in einer exothermen Reaktion resultiert, die die Temperatur des Abgases anhebt. Das erhitzte Abgas gelangt stromabwärts zu einer Partikelfilter-(”PF”-)Vorrichtung 90, wodurch eine Partikelansammlung auf eine bekannte Weise verbrannt (oxidiert) wird. Der Auslass 84 der zweiten OC-Vorrichtung 80 und der Einlass 92 der PF-Vorrichtung 90 sind mit ähnlichen Durchmessern konfiguriert, wodurch eine leckfreie Dichtung um diese vorgesehen wird, während wenig oder keine Beschränkung auf die Abgasströmung aufgebracht wird.
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Bezug nehmend auf die 4 und 5 ist bei einer beispielhaften Ausführungsform ein Wirbeldosenraummischer 40 (diese Beschreibung gilt gleichermaßen für einen zweiten Wirbeldosenraummischer 70) gezeigt. Der Mischer umfasst einen starren Behälter 100 mit einem Einlass 44 und einem Auslass 52. Flansche 45 und 53 können sich um den Einlass bzw. Auslass 44, 52 erstrecken und sind zur abdichtenden Befestigung des Mischers an anderen stromaufwärtigen und stromabwärtigen Komponenten des Abgasbehandlungssystems 12 konfiguriert. Der Behälter 100 weist eine Innenwand 102 auf, die einen inneren Abgasraum definiert, der durch eine Querwand 106 geteilt ist. Die Querwand trennt den inneren Abgasraum in einen stromaufwärtigen Abgassammler 108 und eine stromabwärtige Diffusorkammer 110. Ein Primärströmungsdurchlass 112 öffnet sich durch die Querwand 106 und ist bei einer beispielhaften Ausführungsform in einer außermittigen Anordnung benachbart zu dem Außendurchmesser des inneren Abgasraumes platziert. Abgas 18, das in den Wirbeldosenraummischer 40 durch den Einlass 44 eintritt, wird durch den Primärströmungsdurchlass 112 konzentriert und beschleunigt, wenn es sich in den Mischer bewegt. Eine Tangentialströmungsleiteinrichtung 114 ist um den Primärströmungsdurchlass 112 auf der stromabwärtigen Seite der Querwand 106 angeordnet und steht mit diesem in Fluidkommunikation. Die Tangentialströmungsleiteinrichtung sammelt das durch den Primärströmungsdurchlass 112 gelangende Abgas 18 und verteilt dieses in die stromabwärtige Diffusorkammer 110 durch einen Auslass 116, der so konfiguriert und angeordnet ist, um das Abgas an einer tangentialen Strömungstrajektorie darin vorzusehen. Bei den gezeigten beispielhaften Ausführungsformen kann der Auslass 116 der Tangentialströmungsleiteinrichtung 114 als eine Strömungsdüse mit einer Fläche ”A” konfiguriert sein, die kleiner als die Fläche des Primärströmungsdurchlasses 112 ist. Das Ergebnis ist eine weitere tangentiale Beschleunigung des Abgases 18 um den Außenumfang der stromabwärtigen Diffusorkammer 110, wobei schwerere, nicht verdampfte Flüssigkeit zu der Außenseite des Behälters 100 bewegt wird und wodurch eine erhöhte Verweilzeit des Gemisches aus Abgas/Flüssigkeit in der stromabwärtigen Diffusorkammer 110 bereitgestellt wird und infolgedessen ein Mischen und ein Verdampfen in dem Wirbeldosenraummischer 40 verbessert werden.
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Bei beispielhaften Ausführungsformen ist ein Durchlass 118 der Fluideinspritzeinrichtung an einer oder mehreren Stellen angeordnet und derart konfiguriert, eine Fluideinspritzeinrichtung, wie eine Reduktionsmittelfluideinspritzeinrichtung 46 oder eine Kohlenwasserstofffluideinspritzeinrichtung 76, zum Abgeben von beispielsweise ammoniakbasiertem Reduktionsmittel 48 oder flüssigem Kohlenwasserstoff 78 in das Abgas 18 zum Mischen mit dem Abgas in einen Wirbeldosenraummischer 40 aufzunehmen. Bei Ausführungsformen kann der Durchlass 118 der Fluideinspritzeinrichtung in dem stromaufwärtigen Abgassammler 108 benachbart dem Primärströmungsdurchlass 112 oder, wie in 4 gezeigt ist, in der Tangentialströmungsleiteinrichtung 114 stromabwärts von und benachbart zu dem Primärströmungsdurchlass 112 angeordnet sein. Der präzise Ort des Durchlasses 118 der Fluideinspritzeinrichtung wird durch die jeweilige Anwendung und Strömungscharakteristiken des spezifischen Wirbeldosenraummischers bestimmt. Andere Orte für die Durchlässe der Fluideinspritzeinrichtung, wie Orte stromaufwärts des Wirbeldosenraummischers 40 sind ebenfalls denkbar. Eine Anordnung der Durchlässe 118 der Fluideinspritzeinrichtung an einem Ort nahe dem Primärströmungsdurchlass 112 und der Tangentialströmungsleiteinrichtung 114 erlaubt ein signifikantes Mischen des eingespritzten Fluides 48, 78 mit dem Abgas 18, wenn es durch den Primärströmungsdurchlass 112 und die Tangentialströmungsleiteinrichtung 114 beschleunigt und seine Richtung ändert. Ein endgültiges Mischen und Verdampfen des Fluides mit und in dem Abgas wird durch Ausstoßen des Gemisches aus Abgas/Fluid von der Düse 116 der Tangentialströmungsleiteinrichtung und anschließende Expansion, Verlangsamung (d. h. Reduzierung in dem Massenvolumenstrom) und Verweilzeit des Gemisches in der stromabwärtigen Diffusorkammer 110 vor einem Austreten aus dem Behälter 100 des Wirbeldosenraummischers durch den Auslass 52 erreicht. Ein Sensordurchlass 119 kann stromaufwärts des Durchlasses 118 der Einspritzeinrichtung angeordnet sein, wie in dem stromaufwärtigen Gassammler 108 benachbart dem Primärströmungsdurchlass 112, und ist derart konfiguriert, einen Sensor, wie einen NOx-Sensor, einen CO-Sensor oder einen Temperatursensor (nicht gezeigt) aufzunehmen, der bei der Bestimmung der Menge an Reduktionsmittel oder Kohlenwasserstoff nützlich ist, die durch die Reduktionsmittelfluideinspritzeinrichtung 46 oder die Kohlenwasserstofffluideinspritzeinrichtung 76 einzuspritzen ist.
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Um eine Beschränkung des Abgassystems oder einen Druckabfall, der durch die Tangentialströmungsleiteinrichtung 114 aufgebracht wird, insbesondere bei hohen Abgasdurchflüssen aufzuheben, können bei einer beispielhaften Ausführungsform ein oder mehrere optionale Strömungsbypassdurchlässe 122 in der Querwand 106 angeordnet sein. Der Durchlass/die Durchlässe 122 können vorteilhafterweise in dem Zentrum der Querwand oder versetzt von dem Primärströmungsdurchlass angeordnet und so bemessen sein, den Druckabfall des Abgassystems zu reduzieren, während eine Mischleistung dadurch beibehalten wird, dass sichergestellt wird, dass grundsätzlich das gesamte eingespritzte Fluid in und durch die Düse 116 der Tangentialströmungsleiteinrichtung gelangt. Der Gebrauch der optionalen Strömungsbypassdurchlässe 122 kann alternative Einspritzeinrichtungsorte und/oder der Ableiteinrichtungen erfordern, um die Fluidströmung zu dem Primärströmungsdurchlass 112 zu lenken.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform, die in 6 gezeigt ist, kann die Tangentialströmungsleiteinrichtung 114 derart konfiguriert sein, sich benachbart der Innenwand 102 des Behälters 100 des Wirbeldosenraummischers zu erstrecken. Bei einer derartigen Konfiguration wird das Gemisch 120 aus Abgas/Fluid, das die Düse 116 der Tangentialströmungsleiteinrichtung verlässt, zu dem Außenumfang der stromabwärtigen Diffusorkammer 110 übertragen und trifft auf die Tangentialströmungsleiteinrichtung 114, die den Verwirbelungseffekt unterbricht, der auf das Gemisch aus Abgas/Fluid aufgebracht wird, und das Gemisch in der stromabwärtigen Richtung des Behälters 100 bewegt. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, kann die Tangentialströmungsleiteinrichtung 114 von der Innenwand 102 des Behälters 100 des Wirbeldosenraummischers beabstandet sein, um zu ermöglichen, dass das Gemisch 120 aus Abgas/Fluid, das die Düse 116 der Tangentialströmungsleiteinrichtung ungestört verlässt, um die Innenwand 102 verwirbelt, wodurch die Verweilzeit des Gemisches 120 in dem Abgasraum 110 erhöht wird.
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Um den Leistungsverlust bei hohen Durchflüssen aufgrund eines schnelleren Strömungstransportes durch das Abgasbehandlungssystem 12 zu versetzen, kann eine Diffusionsplatte 124 mit kreisförmigem Zentralloch, 8, in der stromabwärtigen Diffusorkammer 110 angeordnet sein. Die Diffusionsplatte 124 mit Zentralloch ist derart konfiguriert, jegliche nicht verdampfte Flüssigkeit in dem Abgasraum für eine längere Zeitperiode zu halten, um zu ermöglichen, dass eine Verdampfung stattfindet (d. h. Verweilzeit des Gemisches aus Abgas/Fluid zunimmt). Zusätzlich kann eine Peripherieplatte 126 in der stromabwärtigen Diffusorkammer 110 angeordnet sein, um einen gewundenen Pfad 128 für das Abgas 18 zu definieren, wenn sich dieses stromabwärts bewegt, wodurch eine Verdampfung von verbleibenden Flüssigkeiten weiter gesteigert wird.
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Bezug nehmend auf 8 mit fortgesetztem Bezug auf die 6 und 7 tritt bei einer beispielhaften Ausführungsform Abgas 18 von dem Verbrennungsmotor 10 in den stromaufwärtigen Abgassammler 108 durch den Mischereinlass 44 ein. Bei Eintritt in den stromaufwärtigen Abgassammler gelangt das Abgas 18 durch den Primärströmungsdurchlass 112, und wenn es sich durch den Durchlass bewegt, wird ein Fluid, wie ein auf Ammoniak basierendes Reduktionsmittel 48 oder eine Kohlenwasserstoffflüssigkeit 78, durch eine Einspritzeinrichtung, die in einem Durchlass 118 der Fluideinspritzeinrichtung angeordnet ist, eingespritzt, der in enger Nähe zu dem Primärströmungsdurchlass 112 angeordnet ist. Das Gemisch aus Abgas/Fluid wird durch den Primärströmungsdurchlass 112 konzentriert und beschleunigt, wenn er sich in den Mischer bewegt. Die Tangentialströmungsleiteinrichtung 114, die um den Primärströmungsdurchlass 112 an der stromabwärtigen Seite der Querwand 106 angeordnet ist und mit diesem in Fluidkommunikation steht, sammelt das Abgas, das durch den Primärströmungsdurchlass 112 gelangt, und gibt dieses in den stromabwärtigen Diffusorraum 104 durch den Auslass 116 ab, der derart konfiguriert ist, das Abgas auf eine tangentiale Strömungstrajektorie darin zu bringen. Das Ergebnis ist eine weitere Beschleunigung des Abgases tangential über den Außenumfang der stromabwärtigen Diffusorkammer 110, wodurch eine erhöhte Verweilzeit des Abgases in dem Abgasraum 104 und infolgedessen dem Behälter 100 des Wirbeldosenraummischers vor seinem Austritt durch den Auslass 52 bereitgestellt wird.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente gegen Elemente derselben ersetzt werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang davon abzuweichen. Daher ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die besonderen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der vorliegenden Anmeldung fallen.
