DE102015105559A1

DE102015105559A1 - Integriertes mischsystem für ein abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102015105559A1
Application number: DE102015105559.7A
Authority: DE
Inventors: Jianwen Li; James B. Rodgers; Yong Miao; Rahul Mital; Luciano Nunziato Di Perna
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2015-10-29
Also published as: US20150308316A1; CN105041430A

Abstract

Bei einem Aspekt ist eine Wirbeldosenmischer-Baugruppe zum Mischen eines Fluids mit Abgas, das von dem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, vorgesehen. Die Baugruppe weist einen Einlassabschnitt, der einen Einspritzbereich aufweist, der derart konfiguriert ist, eine Fluideinspritzeinrichtung zum Abgeben des Fluides in das Abgas zum Mischen mit dem Abgas in der Mischbaugruppe aufzunehmen, um ein Abgas/Fluidgemisch zu erzeugen, einen Auslassabschnitt sowie eine erweiterte Mischleitung auf, die fluidtechnisch zwischen den Einlassabschnitt und den Auslassabschnitt gekoppelt ist. Die erweiterte Mischleitung ist um zumindest einen Abschnitt eines Umfangs des Auslassabschnitts gekrümmt, um eine Verwirbelung in dem Abgas/Fluid-Gemisch zu bewirken, so dass das Abgas/Fluid-Gemisch in den Auslassabschnitt tangential dazu eintritt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
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.
HINTERGRUND
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 (”NO_x”), 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.
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.
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.
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.
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-(”CC”-)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 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).
Eine Herausforderung für die 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 eine andere Vorrichtung für diese Sache, für eine ausreichende Verweilzeit, Turbulenzen und Distanz in der Abgasströmung sorgen muss, damit das eingespritzte Fluid vor einem Eintritt in die Vorrichtung mit dem Abgas ausreichend gemischt und verdampft wird. Ohne die richtige Vorbereitung wird das eingespritzte Fluid nicht richtig in der OC-Vorrichtung oxidieren, und ein Teil der nicht verbrannten KW kann durch die Vorrichtung gelangen. Das Ergebnis sind verschwendeter Kraftstoff, der durch das Abgasbehandlungssystem gelangt, und ungleichmäßige Temperaturen innerhalb der Vorrichtungen.
Eine Technologie, die entwickelt worden ist, um die Niveaus von NO_x-Emissionen in Magerverbrennungsmotoren (beispielsweise Dieselmotoren) zu reduzieren, die Kraftstoff in Sauerstoffüberschuss verbrennen, umfasst 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, NO_x-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 der oben diskutierten KW geliefert und gelangt stromabwärts zu der SCR-Vorrichtung, um mit der SCR-Katalysatorzusammensetzung in Wechselwirkung zu treten; wobei die Mengen an NO_x 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 NO_x-Umwandlungswirkungsgrad führt.
Typische Abgasbehandlungssysteme können verschiedene Abgasbehandlungsvorrichtungen aufweisen, wie oben beschrieben ist. In vielen Fällen, ob bisher oder nicht, können die Vorrichtungen einzelne Komponenten umfassen, die entlang einer Abgasleitung seriell angeordnet sind, welche sich von dem Abgaskrümmerauslass des Verbrennungsmotors zu dem Auspuffauslass des Abgasbehandlungssystems erstreckt. Um strenger werdende Abgasemissionsanforderungen zu erfüllen, kann es notwendig werden, dass die Abgasbehandlungsvorrichtungen in Emissionszyklen so schnell wie möglich anspringen. Somit ist es erwünscht, die Abgasbehandlungsvorrichtungen so nahe wie möglich an dem Motor anzuordnen, beispielsweise in enger Kopplung mit Turboladern oder Abgaskrümmern. Da Fahrzeugarchitekturen kleiner werden und Konstruktionen mit eng gekoppelter Position erfordern, kann es sein, dass die gewünschte Länge für ein Abgasbehandlungssystem nicht notwendigerweise verfügbar ist.
Demgemäß ist es erwünscht, ein System bereitzustellen, dass eine gleichförmige Mischung und Ausbreitung des Fluides, das in das Abgas in einem Abgasbehandlungssystem eingespritzt wird, innerhalb einer kompakten Distanz erreicht.
ZUSAMMENFASSUNG
Bei einem Aspekt kann eine Wirbeldosenmischer-Baugruppe zum Mischen eines Fluids mit Abgas, das von dem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, vorgesehen sein. Die Baugruppe weist einen Einlassabschnitt, der einen Einspritzbereich aufweist, der derart konfiguriert ist, eine Fluideinspritzeinrichtung zum Abgeben des Fluides in das Abgas zum Mischen mit dem Abgas in der Mischbaugruppe aufzunehmen, um ein Abgas/Fluidgemisch zu erzeugen, einen Auslassabschnitt sowie eine erweiterte Mischleitung auf, die fluidtechnisch zwischen den Einlassabschnitt und den Auslassabschnitt gekoppelt ist. Die erweiterte Mischleitung ist um zumindest einen Abschnitt eines Umfangs des Auslassabschnitts gekrümmt, um einen Drall bzw. eine Verwirbelung in dem Abgas/Fluid-Gemisch zu bewirken, so dass das Abgas/Fluid-Gemisch in den Auslassabschnitt tangential dazu eintritt.
Bei einem anderen Aspekt ist ein Abgasbehandlungssystem, das derart konfiguriert ist, Abgas von einem Verbrennungsmotor aufzunehmen, vorgesehen. Das System weist eine Katalysatorvorrichtung und eine Wirbeldosenmischer-Baugruppe zum Mischen eines Fluides mit dem Abgas auf. Die Wirbeldosenmischer-Baugruppe weist einen Einlassabschnitt, der einen Einspritzbereich aufweist, sowie eine Fluideinspritzeinrichtung auf, die mit dem Einlassabschnitt gekoppelt und derart konfiguriert ist, das Fluid in das Abgas in dem Einspritzbereich zum Mischen mit dem Abgas in der Mischbaugruppe abzugeben, um ein Abgas/Fluid-Gemisch zu erzeugen. Die Baugruppe weist ferner einen Auslassabschnitt, der mit der Katalysatorvorrichtung gekoppelt ist, sowie eine erweiterte Mischleitung auf, die fluidtechnisch zwischen dem Einlassabschnitt und im Auslassabschnitt gekoppelt ist. Die erweiterte Mischleitung ist um zumindest einen Abschnitt eines Umfangs des Auslassabschnitts gekrümmt, um einen Drall bzw. eine Verwirbelung in dem Abgas/Fluid-Gemisch zu bewirken, so dass das Abgas/Fluid-Gemisch in den Auslassabschnitt tangential dazu eintritt.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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:
1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors und eines zugeordneten Abgasbehandlungssystems ist, die Merkmale der Erfindung aufweisen;
2 eine perspektivische Ansicht einer kompakten Mischbaugruppe, die in 1 gezeigt ist, ist, die eine Fluidströmung hindurch zeigt;
3 eine Schnittansicht der kompakten Mischbaugruppe, die in 1 gezeigt ist, entlang der Linie 3-3 ist;
4 eine perspektivische Ansicht der kompakten Mischbaugruppe ist, die in 1 gezeigt ist;
5 eine ausgeschnittene Ansicht der kompakten Mischbaugruppe ist, die in 4 gezeigt ist; und
6 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Mischervorrichtung ist, die mit der kompakten Mischbaugruppe, die in den 1 bis 5 gezeigt ist, verwendet werden kann.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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.
Bezug nehmend auf 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 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 sowie ein zugeordnetes Abgasbehandlungssystem 12 beschrieben. Der Dieselmotor umfasst einen Zylinderblock 14 und einen Zylinderkopf 16, die, wenn sie kombiniert sind, Kolbenzylinder und Brennräume (nicht gezeigt) festlegen. Hubkolben (nicht gezeigt) sind in den Kolbenzylindern angeordnet und dienen dazu, Luft, die, wenn sie komprimiert und mit einem eingespritzten Kraftstoff gemischt wird, auf eine Weise verbrennt, die in der Technik gut bekannt ist. Produkte der Verbrennung oder Abgas 18 verlassen den Zylinderkopf 16 durch den Abgasdurchlass 20 (der einem Abgaskrümmer (nicht gezeigt) zugeordnet sein kann), der bei der beispielhaften Ausführungsform, die gezeigt ist, zu der Abgasturbinenseite 22 eines abgasgetriebenen Turbolader 24 führt. Das Abgas dreht ein Flügelrad (nicht gezeigt), das rotierend in der Abgasturbinenseite des Turboladers montiert ist, und tritt anschließend aus dem Turbolader durch einen Austrittsdurchlass 26 aus. Der Austrittsdurchlass steht in Fluidkommunikation mit dem Abgasbehandlungssystem 12, und Abgas 18, das von dem Turbolader 24 durch den Austrittsdurchlass 26 entweicht, wird an diesen übertragen.
Das Abgasbehandlungssystem 12 kann eine von vielen Konfigurationen abhängig von der jeweiligen Anwendung des Motors 10 und seiner Installation (d. h. Fahrzeug, stationär, etc.) umfassen. Bei der in 1 gezeigten Konfiguration tritt 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 (nicht gezeigt) aufweisen, das in eine Schale oder einen Kanister 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 angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung aufweisen. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen werden 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 nicht flüchtiger KW und CO verwendbar, die oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden.
Bei der beispielhaften Ausführungsform kann eine kompakte Mischbaugruppe oder eine Wirbeldosenmischer-Baugruppe 40 unmittelbar stromabwärts der OC-Vorrichtung 30 angeordnet sein und ist derart konfiguriert, die OC-Vorrichtung 30 verlassen des Abgas aufzunehmen. Der Wirbeldosenmischer 40 weist einen Einlassabschnitt 42, einen Auslassabschnitt 44 sowie eine erweiterte Mischleitung 46 auf, die sich dazwischen erstreckt. Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind ein Auslass 48 der OC-Vorrichtung und ein Einlass 50 des Wirbeldosen-Einlassabschnitts 42 mit ähnlichen Durchmessern konfiguriert, wodurch eine leckfreie Abdichtung herum bereitgestellt wird, während wenig oder keine Beschränkung auf die Strömung von Abgas 18 auferlegt wird.
Eine Einspritzeinrichtung 52 für Reduktionsmittelfluid ist an dem Wirbeldosenmischer-Einlassabschnitt 42 stromaufwärts der erweiterten Mischleitung 46 montiert und spritzt ein auf Ammoniak (”NH₃”) basierendes Reduktionsmittel 54 (z. B. 2 und 3) in die Strömung des Abgases 18 ein, wenn es in die erweiterte Mischleitung 46 eintritt. Der Wirbeldosenmischer 40 dient dazu, das Reduktionsmittel 54 zu verdampfen und es mit dem Abgas 18 in einer Weise zu mischen, die hierin genauer beschrieben ist.
Das Reduktionsmittel 54 wird mit dem Abgas 18 in dem Wirbeldosenmischer 40 gemischt, um ein Gemisch 56 aus Abgas/Reduktionsmittel zu bilden, und der Wirbeldosenmischer 40 bewirkt eine Verwirbelungswirkung des Gemisches 56, die tangential zu einer Achse 58 des Mischerauslassabschnitts 44 liegt oder tangential um die Achse 58 des Mischerauslassabschnitts 44 wirbelt. Das durch Verwirbelung bewirkte Gemisch 56 tritt anschließend durch einen Mischerauslass 60 aus und kann an eine Vorrichtung 62 für selektive katalytische Reduktion (”SCR”) transportiert werden, die unterhalb und in paralleler Ausrichtung mit der OC-Vorrichtung 30 angeordnet ist. Gleichermaßen ist der Mischerauslassabschnitt 44 unterhalb und in paralleler Ausrichtung mit dem Mischereinlassabschnitt 42 angeordnet.
Die SCR-Vorrichtung 62 kann beispielsweise ein Durchström-Metall- oder -Keramik-Monolithsubstrat aufweisen, das in eine Schale oder einen Kanister 64 aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass 66 und einem Auslass 68 in Fluidkommunikation mit dem Gemisch 56 aus Abgas/Reduktionsmittel in dem Wirbeldosenmischer 40 gepackt ist. Eine SCR-Katalysatorzusammensetzung, die an der SCR-Vorrichtung 62 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, NO_x-Bestandteile in dem Abgas 18 in der Anwesenheit des auf Ammoniak (”NH₃”) basierenden Reduktionsmittels zu reduzieren. Der Auslass 68 der SCR Vorrichtung 62 kann einen Abgassammler umfassen, wie einen Austrittskegel 70, der einen Auslass 72 aufweist, der mit einem Flanschglied 74 konfiguriert ist, dass eine Fluidverbindung des Abgasbehandlungssystems 12 mit einer Abgasleitung (nicht gezeigt) ermöglicht, die das Abgas an zusätzliche Abgasbehandlungsvorrichtungen (wenn installiert) und anschließend an die Atmosphäre leitet.
Bei der beispielhaften Ausführungsform sind der Wirbeldosenauslassabschnitt 44 und der SCR-Einlass 66 mit ähnlichen Durchmessern konfiguriert, wodurch eine leckfreie Abdichtung um diese bereitgestellt wird, während wenig oder keine Beschränkung auf die Strömung des Gemisches 56 auferlegt wird. Wie in 2 gezeigt ist, kann der Kanister 64 auch eine zweite OC-Vorrichtung 76 und eine Partikelfilter-(”PF”)-Vorrichtung 78 aufweisen. Jedoch kann der Kanister 64 nur eine der SCR-Vorrichtung 62, der OC-Vorrichtung 76 und der PF-Vorrichtung 78 aufweisen oder er kann eine beliebige Kombination davon aufweisen. Das Abgas 18 kann mit einem Kohlenwasserstoff (”KW”) (nicht gezeigt) gemischt und in der zweiten OC-Vorrichtung 76 oxidiert werden, was eine exotherme Reaktion zur Folge hat, die die Temperatur des Abgases anhebt. Das erhitzte Abgas verläuft stromabwärts zu der PF-Vorrichtung 78, wodurch eine Partikelansammlung in einer bekannten Weise verbrannt (oxidiert) wird.
Bezugnehmend auf die 2–5 ist ein beispielhafter Wirbeldosenmischer 40 dargestellt. Der Mischer 40 enthält in der Regel den Einlassabschnitt 42, den Auslassabschnitt 44 und die erweiterte Mischleitung 46, die sich dazwischen erstreckt.
Der Mischereinlassabschnitt 42 weist einen starren Kanister 80 mit einer Achse 82 auf, und der Kanister 80 definiert den Einlass 50 und einen Auslass 84 des Einlassabschnitts 42. Der Einlass 50 ist im Wesentlichen rechtwinklig zu dem Auslass 84 orientiert, der in einer Außenfläche 86 des Kanisters 80 geformt ist. Der Kanister 80 weist einen Einspritzbereich 88 auf, der derart konfiguriert ist, zumindest einen Abschnitt der Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung 52 zur Einspritzung des Reduktionsmittels 54 in das Abgas 18 stromaufwärts des Auslasses 84 aufzunehmen.
Die erweiterte Mischleitung 46 weist allgemein einen Einlass 90, einen Mischabschnitt 92, einen Ausbreitungsabschnitt 94 und einen Auslass 96 auf. Wie gezeigt ist, ist die Mischleitung 46 gekrümmt und erstreckt sich um einen Abschnitt des Umfangs des Mischerauslassabschnitts 44. Dies sieht einen ausgedehnten oder verlängerten Pfad zum Mischen des Abgases 18 mit dem Reduktionsmittel 54 vor, um die Verweilzeit darin zur verbesserten Mischung zu erhöhen.
Der Mischabschnitt 92 der Leitung 46 weist einen Bereich mit abnehmendem Durchmesser oder Querschnitt zwischen dem Einlass 90 und dem Beginn des Ausbreitungsabschnittes 94 auf, der eine Konzentration und Beschleunigung der Strömung des Gemisches 56 aus Abgas/Reduktionsmittel unterstützt, um eine verbesserte Mischung davon zu steigern. Der Mischabschnitt 92 kann auch eine Mischervorrichtung 98 aufweisen, die darin positioniert ist, auf, um ein weiteres Mischen zwischen dem Abgas 18 und dem Reduktionsmittel 56 zu unterstützen. Wie in 6 gezeigt ist, kann bei der beispielhaften Ausführungsform die Mischervorrichtung 98 eine Mehrzahl sich radial erstreckender Schaufeln 100 aufweisen, die um den Umfang um einen Mittelring 102 beabstandet sind, der eine Durchbrechung 104 definiert. Die Schaufeln 100 unterstützen ein Bewirken einer Verwirbelungsbewegung oder eines Wirbels 105 (3) in dem Gasgemisch 56, um ein Mischen des Abgases 18 mit dem Reduktionsmittel 54 zu steigern. Ferner wirkt der Mittelring 102 als Venturidüse und Diffusor durch Erhöhen der Geschwindigkeit des Gemisches 56, das hindurch gelangt, und Ausbreiten des Gemisches 56 stromabwärts davon, um eine verbesserte Mischung zwischen dem Abgas 18 und dem Reduktionsmittel 54 zu unterstützen. Alternativ kann jede geeignete Mischervorrichtung verwendet werden, die ermöglicht, dass ein Wirbeldosenmischer 40 funktioniert, wie hier beschrieben ist.
Der Ausbreitungsabschnitt 94 der Leitung 46 weist einen Bereich mit zunehmendem Durchmesser oder Querschnitt zwischen dem Beginn des Ausbreitungsabschnittes 94 und dem Leitungsauslass 96 auf, was ein Ausbreiten des Gemisches 56 aus Abgas/Reduktionsmittel unterstützt, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches 56 verlangsamt und das Mischen zwischen dem Abgas 18 und dem Reduktionsmittel 54 gesteigert wird. Der Ausbreitungsabschnitt 94 weist eine Innenwand 99 auf, die zumindest teilweise die Mischleitung 46 definiert, damit sich diese über ihre gesamte Länge zwischen dem Leitungseinlass 90 und dem Auslass 96 erstreckt. Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, erweitert die Krümmung des Ausbreitungsabschnittes 94 den Fluidpfad um einen Abschnitt des Umfangs des Wirbeldosenmischer-Auslassabschnitts 44. Dies unterstützt sowohl ein Erweitern der Länge des Fluidpfades zwischen dem Mischereinlass- und Auslassabschnitt 42, 44 wie auch Erzeugen einer Umfangsverwirbelung 107 in größerem Maßstab (3) des Gemisches 56 um die Achse 58 des Auslassabschnitts.
Die Innenflächenform und die Position und der Winkel des Eintritts des Mischleitungsauslasses 96 in den Mischerauslassabschnitt 44 bestimmen die Strömungsausbreitung in die stromabwärtigen Katalysatoren. Zum Beispiel kann, wie in 5 gezeigt ist, ein Verhältnis von Parametern a/D zwischen etwa 0,1 bis 0,40, B/D zwischen etwa 0,15 bis 0,5, und c/D zwischen etwa 0,2 bis 0,6 liegen. Jedoch können diese Verhältnisse geändert werden, um die Strömungsausbreitung und das Mischen für eine gewünschte Gesamtleistung auszugleichen.
Der Mischerauslassabschnitt 44 weist einen starren Kanister 106 mit einer Achse 58 auf, und der Kanister 106 definiert einen Einlass 108 und den Auslass 60 des Auslassabschnitts 44. Der Einlass 108 ist im Wesentlichen rechtwinklig zu dem Auslass 60 orientiert und nimmt das Gemisch 56 von dem Auslass 96 mit bewirkten Verwirbelungskomponenten 105, 107 von sowohl der Mischervorrichtung 98 als auch dem Umfangsausbreitungsabschnitt 94 auf. Das Gemisch 56 tritt in den Mischerauslassabschnitt 44 tangential dazu ein, und die Drehrichtungen der Verwirbelungskomponenten 105 und 107 sind normal zueinander, was in mehreren Richtungen innerhalb des Innenvolumens des Verwirbelungsdosenmischer-Auslassabschnitts 44 aufbricht, um ein Steigern der Tröpfchenverdampfung von flüssigem Reduktionsmittel und ein Mischen des Abgases 18 vor einem Eintritt in die SCR-Vorrichtung 62 zu unterstützen.
Im Betrieb der Wirbeldosenmischer-Baugruppe 40 strömt Abgas 18 in den Mischereinlassabschnitt 42, und Reduktionsmittel 54 wird durch die Einspritzeinrichtung 52 in das Abgas 18 eingespritzt. Das Gemisch 56 aus Abgas/Reduktionsmittel strömt anschließend durch den Auslass 84 zu der erweiterten Mischleitung 46.
Das Gemisch 56 aus Abgas/Reduktionsmittel tritt durch den Einlass 90 in die erweiterte Mischleitung 46 ein. Das Abgas 18 und das Reduktionsmittel 54 mischen sich weiter, wenn der Durchmesser oder Querschnitt des Leitungsmischabschnittes 92 abnimmt, wodurch die Geschwindigkeit und das Mischen der Fluide 18, 54 gesteigert wird. Wenn das Gemisch 56 die Mischervorrichtung 98 erreicht, wird eine Verwirbelung 105 in einem Anteil des Gemisches 56 durch Schaufeln 100 bewirkt, um ein Mischen zu steigern, und ein Teil des Gemisches 56 wird einem Venturieffekt unterzogen, der durch den mittleren Ring 102 erzeugt wird, wodurch auch ein Mischen zwischen dem Abgas 18 und dem Reduktionsmittel 54 über einen breiten Bereich von Abgasdurchflüssen gesteigert wird.
Das Gemisch 56 aus Abgas/Reduktionsmittel strömt anschließend stromabwärts der Mischervorrichtung 98 zu dem Leitungsausbreitungsabschnitt 94, wo der gekrümmte Umfangspfad des Abschnittes 94 die Umfangsverwirbelungskomponente 107 in dem Gemisch bewirkt, die tangential zu dem Wirbeldosenmischer-Auslassabschnitt 44 und seiner Achse 58 ist. Ferner breitet der zunehmende Durchmesser oder Querschnitt des Ausbreitungsabschnitts 94 das Gemisch 56 aus, was die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches 56 reduziert und ein weiteres Mischen des Abgases 18 mit dem Reduktionsmittel 54 unterstützt wie auch die Verweilzeit des Gemisches 56 in dem Auslassabschnitt 94 steigert. Das Gemisch 56, das Verwirbelungskomponenten 105, 107 aufweist, die durch die Mischervorrichtung 98 und den Umfangsausbreitungsabschnitt 4 90 erzeugt werden, verlässt anschließend die erweiterte Mischleitung 46 durch den Auslass 96.
Das Gemisch 56 aus Abgas/Reduktionsmittel tritt in den Wirbeldosenmischer-Auslassabschnitt 44 durch den Einlass 108 von der erweiterten Mischleitung 46 ein Die Verwirbelungskomponenten 105, 107 der Fluidströmung des Gemisches 56 brechen in dem Kanister 106 auf oder dissipieren, was das Mischen und die Verdampfung von Flüssigkeitströpfchen zwischen dem Abgas 18 und dem Reduktionsmittel 54 steigert. Somit werden das Abgas 18 und das Reduktionsmittel 54 vor einem Eintritt in die SCR-Vorrichtung 62, die zweite OC-Vorrichtung 76 und/oder die PF-Vorrichtung 78 sogar dann ausreichend gemischt, obwohl das Abgasbehandlungssystem 12 eine kompakte Konfiguration besitzt. Dies ist teilweise auf die erweiterte Länge der gekrümmten Mischleitung 46 wie auch das Mischen und/oder Verdampfen, das durch den Mischabschnitt 92 mit reduziertem Durchmesser, die Verwirbelungskomponenten 105, 107, durch die Mischervorrichtung 98 und den gekrümmten Ausbreitungsabschnitt 94 bewirkt werden, den Venturi-/Diffusoreffekt, der durch die Mischervorrichtung 98 erzeugt wird, die Fluidausbreitung, die durch den Ausbreitungsabschnitt 98 mit erweitertem Durchmesser unterstützt wird, und das Fluid, das tangential dazu in den Mischerauslassabschnitt 44 eintritt, zurückzuführen.
Während die Erfindung in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente gegen Elemente davon 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.

Claims

Wirbeldosenmischer-Baugruppe zum Mischen eines Fluides mit Abgas, das von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, wobei die Baugruppe umfasst: einen Einlassabschnitt, der einen Einspritzbereich aufweist, der derart konfiguriert ist, eine Fluideinspritzeinrichtung zum Abgeben des Fluids in das Abgas zum Mischen mit dem Abgas in der Mischbaugruppe aufzunehmen, um ein Gemisch aus Abgas/Fluid zu erzeugen; einen Auslassabschnitt; und eine erweiterte Mischleitung, die fluidtechnisch zwischen den Einlassabschnitt und den Auslassabschnitt gekoppelt ist, wobei die erweiterte Mischleitung um zumindest einen Anteil eines Umfangs des Auslassabschnitts gekrümmt ist, um eine Verwirbelung in dem Gemisch aus Abgas/Fluid zu bewirken, so dass das Gemisch aus Abgas/Fluid in den Auslassabschnitt tangential dazu eintritt.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Einlassabschnitt ein Kanister mit einem Einlass und einem Auslass ist, die mit der erweiterten Mischleitung gekoppelt sind, wobei der Auslass stromabwärts des Einspritzbereiches angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 2, wobei der Kanister eine zylindrische Außenfläche aufweist, wobei sich der Auslass des Einlassabschnittes durch die zylindrische Außenfläche erstreckt.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Auslassabschnitt ein Kanister mit einem Einlass, der mit der erweiterten Mischleitung gekoppelt ist, und einem Auslass ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Kanister eine zylindrische Außenfläche aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die erweiterte Mischleitung einen Mischabschnitt und einen Ausbreitungsabschnitt aufweist, wobei der Mischabschnitt mit dem Einlassabschnitt gekoppelt ist und der Ausbreitungsabschnitt mit dem Auslassabschnitt gekoppelt ist, wobei der Mischabschnitt stromaufwärts des Ausbreitungsabschnitts positioniert ist.
Baugruppe nach Anspruch 6, wobei die Querschnittsfläche des Mischabschnittes entlang einer Länge des Mischabschnittes abnimmt, wobei die abnehmende Querschnittsfläche derart konfiguriert ist, eine Zunahme der Geschwindigkeit des Abgases und des Fluids zu unterstützen, um ein Mischen dazwischen zu unterstützen.
Baugruppe nach Anspruch 6, wobei die Querschnittsfläche des Ausbreitungsabschnittes entlang einer Länge des Ausbreitungsabschnitts zunimmt, wobei die zunehmende Querschnittsfläche derart konfiguriert ist, eine Ausbreitung des Abgases und des Fluids zu unterstützen, um ein Mischen dazwischen zu verbessern.
Baugruppe nach Anspruch 6, ferner mit einer Mischervorrichtung, die in dem Mischabschnitt der erweiterten Mischleitung angeordnet ist, wobei die Mischervorrichtung derart konfiguriert ist, ein Mischen des Abgases mit dem Fluid zu unterstützen, wobei die Mischervorrichtung zumindest eines umfasst aus: einer Mehrzahl von Schaufeln, die derart konfiguriert sind, ein Bewirken einer Verwirbelung in dem Gemisch aus Abgas/Fluid zu unterstützen; und einen mittleren Ring, der derart konfiguriert ist, ein Erzeugen eines Venturieffektes an dem hindurchströmenden Gemisch aus Abgas/Fluid zu unterstützen.
Abgasbehandlungssystem, das derart konfiguriert ist, Abgas von einem Verbrennungsmotor aufzunehmen, wobei das System umfasst: eine Katalysatorvorrichtung; und eine Wirbeldosenmischer-Baugruppe zum Mischen eines Fluids mit dem Abgas, wobei die Wirbeldosenmischer-Baugruppe umfasst: einen Einlassabschnitt, der einen Einspritzbereich aufweist; eine Fluideinspritzeinrichtung, die mit dem Einlassabschnitt gekoppelt und derart konfiguriert ist, dass Fluid in das Abgas in dem Einspritzbereich zum Mischen mit dem Abgas in der Mischbaugruppe abzugeben, um ein Gemisch aus Abgas/Fluid zu erzeugen; einen Auslassabschnitt, der mit der Katalysatorvorrichtung gekoppelt ist; und eine erweiterte Mischleitung, die fluidtechnisch zwischen den Einlassabschnitt und den Auslassabschnitt gekoppelt ist, wobei die erweiterte Mischleitung um zumindest einen Anteil eines Umfangs des Auslassabschnitts gekrümmt ist, um eine Verwirbelung in dem Gemisch aus Abgas/Fluid zu bewirken, so dass das Gemisch aus Abgas/Fluid in den Auslassabschnitt tangential dazu eintritt.