DE102016123313A1

DE102016123313A1 - Leitungsströmungsablenker

Info

Publication number: DE102016123313A1
Application number: DE102016123313.7A
Authority: DE
Inventors: Manoj K. Sampath; Ryan A. Floyd
Original assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Current assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2017-06-22
Also published as: CN106812574A; CN106812574B

Abstract

Ein Abgasbehandlungssystem zum Reduzieren von Emissionen aus einer Kraftmaschine umfasst eine Abgasleitung, die dazu ausgelegt ist, einen Abgasstrom von der Kraftmaschine an eine Abgasbehandlungsvorrichtung zu liefern. Eine Einspritzvorrichtung spritzt ein Reagens durch eine Öffnung in der Leitung in den Abgasstrom ein. Ein Strömungsmodifizierer ist in der Abgasleitung angeordnet und umfasst eine Platte, die mehrere Bohrungen umfasst, die voneinander beabstandet und um eine Peripherie der Platte herum positioniert sind. Die Platte umfasst des Weiteren mehrere Schlitze, die parallel zueinander positioniert sind.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführung der am 28. Februar 2014 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 14/193499, bei der es sich um eine Teilfortführung der am B. September 2011 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 13/227,952 handelt, die nun am 25. März 2014 als US-Patent Nr. 8,677,738 erteilt wurde. Auf die Offenbarungen der obigen Anmeldungen wird hiermit in ihrer Gesamtheit Bezug genommen.
Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Abgasbehandlungssysteme. Insbesondere wird ein Abgasströmungsmodifizierer, der einer Reagenseinspritzvorrichtung vorgeschaltet ist, bereitgestellt, um eine Mischung und Verteilung des Reagens innerhalb des Kraftmaschinenabgasstroms zu erhöhen.
Hintergrund
Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung bereit, die nicht unbedingt Stand der Technik sind.
Um die Menge an unerwünschten Partikeln und NO_x, die während des Brennkraftmaschinenbetriebs in die Atmosphäre emittiert werden, zu reduzieren, sind eine Anzahl von Abgasnachbehandlungssystemen entwickelt worden. Der Bedarf an Abgasnachbehandlungssystemen kommt insbesondere auf, wenn Dieselverbrennungsprozesse durchgeführt werden.
Ein Verfahren, das verwendet wird, um NO_x-Emissionen aus Brennkraftmaschinen zu reduzieren, ist als selektive katalytische Reduktion (SCR) bekannt. Die SCR kann ein Einspritzen eines Reagens in den Abgasstrom der Kraftmaschine umfassen, um ein Gemisch aus Reagens und Abgas zu bilden, das anschließend durch einen Reaktor geleitet wird, der einen Katalysator wie Aktivkohle oder Metalle wie beispielsweise Platin, Vanadium oder Wolfram enthält, die fähig sind, die NO_x-Konzentration in Gegenwart des Reagens zu verringern.
Es ist bekannt, dass eine wässrige Harnstofflösung in SCR-Systemen für Dieselkraftmaschinen ein wirksames Reagens ist. Jedoch kann die Verwendung einer wässrigen Lösung und anderer Reagenzien Nachteile aufweisen. Harnstoff ist sehr korrosiv und greift mechanische Komponenten des SCR-Systems an. Harnstoff neigt auch dazu, sich bei längerer Einwirkung von hohen Temperaturen, die beispielsweise in Dieselabgassystemen angetroffen werden, zu verfestigen. Es bestehen Sorgen, weil das Reagens, das eine Ablagerung erzeugt, nicht verwendet wird, um das NO_x zu vermindern.
Darüber hinaus wird das Reagens dann, wenn das Reagens nicht richtig mit dem Abgas vermischt wird, nicht effizient genutzt, was die Wirkung des Katalysators hemmt und dadurch die Wirksamkeit des SCR-Systems reduziert. Hohe Reagenseinspritzdrücke wurden als Verfahren zur Minimierung des Problems der unzureichenden Zerstäubung der Harnstoff-Mischung verwendet. Jedoch können hohe Einspritzdrücke zu einem übermäßigen Eindringen der eingespritzten Sprühwolke in den Abgasstrom führen, wodurch die Wolke auf der Innenfläche des Abgasrohrs gegenüber der Einspritzvorrichtung auftrifft. Ein übermäßiges Eindringen führt zu einer ineffizienten Nutzung der Harnstoff-Mischung und kann die Reichweite reduzieren, innerhalb derer das Fahrzeug mit reduzierten NOx-Emissionen betrieben werden kann. Nur eine endliche Menge an Reagens kann in einem Fahrzeug mitgeführt werden. Es ist wünschenswert, das gespeicherte Reagens effizient zu nutzen, um die Fahrzeugreichweite zu maximieren und die Notwendigkeit zum Nachfüllen des Reagens zu reduzieren.
Es kann vorteilhaft sein, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, um ein Reagens in den Abgasstrom einer Brennkraftmaschine einzuspritzen, um eine Reagensabscheidung zu minimieren und das Mischen des Reagens mit dem Abgas zu verbessern.
Zusammenfassung
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenlegung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Funktionen.
Ein Abgasbehandlungssystem zum Reduzieren von Emissionen aus einer Kraftmaschine umfasst eine Abgasleitung, die dazu ausgelegt ist, einen Abgasstrom von der Kraftmaschine an eine Abgasbehandlungsvorrichtung zu liefern. Die Leitung umfasst eine Öffnung. Eine Einspritzvorrichtung spritzt ein Reagens durch die Öffnung und in den Abgasstrom ein. Ein Strömungsmodifizierer ist in der Abgasleitung der Einspritzvorrichtung vorgeschaltet angeordnet. Der Strömungsmodifizierer umfasst einen Ablenker zum Erhöhen der Geschwindigkeit des Abgases an einer vorbestimmten Stelle innerhalb der Leitung relativ zu dem eingespritzten Reagens.
Ein Abgasstrom-Strömungsmodifizierer ist für ein Abgasbehandlungssystem bereitgestellt, das eine Abgasleitung und eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen eines Reagens in einen Abgasstrom umfasst.
Der Strömungsmodifizierer umfasst eine Halterung, die dazu ausgelegt ist, die Einspritzvorrichtung an der Leitung zu fixieren. Die Halterung umfasst eine Öffnung, durch die ein Reagens injiziert wird. Ein Ablenker ist mit der Halterung oder der Leitung gekoppelt, dazu ausgelegt, in der Leitung angeordnet zu sein, und von einer inneren Oberfläche der Leitung versetzt. Der Ablenker ist der Reagenseinspritzöffnung vorgeschaltet angeordnet und in einem Winkel geneigt, um eine Geschwindigkeit des Abgases an einer vorbestimmten Stelle innerhalb der Leitung zu erhöhen, um ein Auftreffen von Reagens auf die Leitungsinnenfläche zu reduzieren.
Die vorliegende Offenbarung stellt zudem ein Abgasbehandlungssystem zum Reduzieren von Emissionen aus einer Kraftmaschine bereit. Das System umfasst eine Abgasbehandlungsvorrichtung; eine Abgasleitung, die dazu ausgelegt ist, einen Abgasstrom von der Kraftmaschine zu dem Abgasbehandlungsvorrichtung zu liefern, wobei die Leitung eine Öffnung umfasst; eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Reagens durch die Öffnung und in den Abgasstrom; und einen Strömungsmodifizierer, der innerhalb der Abgasleitung nahe der Einspritzvorrichtung angeordnet ist. Der Strömungsmodifizierer umfasst eine Platte, die ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten der Abgasleitung befestigt sind, um die Platte innerhalb der Abgasleitung aufzuhängen, und die Platte umfasst mehrere Lamellen, die den Abgasstrom in eine Richtung zu der Einspritzvorrichtung oder von ihr weg lenken.
Weitere Anwendungsgebiete werden aus der hier bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur für Erläuterungszwecke bestimmt und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.
Zeichnungen
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken für ausgewählte Ausführungsformen und nicht für alle möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Brennkraftmaschine mit einem Emissionssteuersystem, das mit einem Voreinspritzungs-Strömungsmodifizierer gemäß den vorliegenden Lehren ausgestattet ist;
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung, die einen Voreinspritzungs-Strömungsmodifizierer umfasst;
3 ist eine fragmentarische Querschnittsseitenansicht der Abgasbehandlungsvorrichtung;
4 ist ein Graph, der ein Abgas-Geschwindigkeitsprofil durch eine Leitung darstellt, die nicht mit einem Voreinspritzungs-Modifizierer ausgestattet ist;
5 zeigt ein rechnergestütztes Fluiddynamikmodell des Massenanteils von Reagens in einer Leitung ohne Strömungsmodifizierer;
6 ist eine rechnergestützte Fluiddynamikkontur, die eine simulierte Sprühnebelkonzentration von Tröpfchen für Reagens, das innerhalb einer Leitung ohne Voreinspritzungs-Abgasströmungsmodifizierer eingespritzt wird, darstellt;
7 zeigt ein rechnergestütztes Fluiddynamikmodell des Massenanteils von Reagens in einer Leitung mit einem Strömungsmodifizierer;
8 ist eine rechnergestützte Fluiddynamikkontur, die eine simulierte Sprühnebelkonzentration von Tröpfchen für Reagens, das innerhalb einer Leitung mit Voreinspritzungs-Abgasströmungsmodifizierer eingespritzt wird, darstellt;
9 ist eine fragmentarische perspektivische Ansicht eines Halbkegel-Strömungsmodifizierers;
10 ist eine fragmentarische perspektivische Ansicht eines Keilklappen-Strömungsmodifizierers;
11 ist eine fragmentarische perspektivische Ansicht eines weiteren alternativen Voreinspritzungs-Strömungsmodifizierers;
12 ist eine Querschnittsseitenansicht des Strömungsmodifizierers, der in 11 gezeigt ist;
13 ist eine Endansicht des Strömungsmodifizierers, der in 11 gezeigt ist;
14 ist ein Graph, der ein Geschwindigkeitsprofil für das Abgas zeigt, das sich durch eine Leitung bewegt, die mit dem Strömungsmodifizierer ausgestattet ist, der in 11 gezeigt ist;
15 ist eine Draufsicht auf einen weiteren alternativen Strömungsmodifizierer;
16 ist eine fragmentarische Querschnittsseitenansicht des Strömungsmodifizierers, der in 15 gezeigt ist;
17 ist eine fragmentarische Querschnittsseitenansicht einer Abgasleitung, die einen Strömungsmodifizierer an einem oberen Abschnitt der Leitung nach einem Prinzip der vorliegenden Offenbarung umfasst;
18 ist eine fragmentarische Querschnittsseitenansicht einer Abgasleitung, die einen Strömungsmodifizierer an einem unteren Abschnitt der Leitung nach einem Prinzip der vorliegenden Offenbarung umfasst;
19 ist eine Vorderansicht einer Abgasleitung, die den Strömungsmodifizierer umfasst, der in 17 dargestellt ist;
20 ist eine perspektivische Ansicht einer Abgasleitung, die den Strömungsmodifizierer umfasst, der in 17 dargestellt ist;
21 ist eine perspektivische Ansicht eines Abgassystems, das einen weiteren gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung konstruierten Strömungsmodifizierer umfasst;
22 ist eine perspektivische Ansicht des in 21 dargestellten Strömungsmodifizierers;
23 ist eine Vorderansicht des in 22 dargestellten Strömungsmodifizierers;
24 ist eine Querschnittsseitenansicht des Strömungsmodifizierers, die Auftragungen umfasst, die die Abgasströmungsgeschwindigkeit, während das Abgas den Strömungsmodifizierer durchströmt, darstellen;
25 ist eine Querschnittsseitenansicht des Strömungsmodifizierers, die eine Auftragung umfasst, die den Sprühtröpfchendurchmesser, während das Abgas während der Einspritzung von Reduktionsmittel den Strömungsmodifizierer durchströmt, darstellt;
26 ist eine fragmentarische Seitenansicht eines alternativen Strömungsmodifizierers;
27–32 stellen Vorderansichten alternativer Strömungsmodifizierer bereit;
33 ist eine fragmentarische perspektivische Ansicht eines weiteren alternativen Strömungsmodifizierers;
34 ist eine fragmentarische Querschnittsseitenansicht des in 33 dargestellten Strömungsmodifizierers; und
35 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren alternativen Strömungsmodifizierers.
Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen über die verschiedenen Ansichten der Zeichnungen hinweg entsprechende Teile.
Genaue Beschreibung
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vollständiger beschrieben.
Es sollte klar sein, dass, obwohl die vorliegenden Lehren in Verbindung mit Dieselkraftmaschinen und der Reduktion von NO_x-Emissionen beschrieben werden können, die vorliegenden Lehren in Verbindung mit einem beliebigen einer Anzahl von Abgasströmen, wie etwa, als nicht einschränkendes Beispiel, demjenigen aus Diesel, Benzin, einer Turbine, einer Brennstoffzelle, einem Jet oder einer anderen Energiequelle, die einen Auslassstrom abgibt, verwendet werden können. Darüber hinaus können die vorliegenden Lehren in Verbindung mit der Reduktion von irgendeiner einer Anzahl von unerwünschten Emissionen verwendet werden. Beispielsweise liegt auch die Einspritzung von Kohlenwasserstoffen zur Regeneration von Dieselpartikelfiltern innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung. Für eine zusätzliche Beschreibung sollte die Aufmerksamkeit auf das gemeinsam angemeldete US-Patent Nr. 8047452 mit dem Titel ”Method And Apparatus For Injecting Atomized Fluids” gerichtet werden, das am 1. November 2011 erteilt wurde und hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Unter Bezugnahme auf die Figuren ist ein Verschmutzungssteuersystem 8 zum Reduzieren von NO_x-Emissionen aus dem Abgas einer Dieselkraftmaschine 21 vorgesehen. In 1 geben durchgezogene Linien zwischen den Elementen des Systems Fluidleitungen für das Reagens und gestrichelte Linien die elektrischen Verbindungen an. Das System der vorliegenden Lehren kann einen Reagenstank 10 zum Halten des Reagens und ein Abgabemodul 12 zum Abgeben des Reagens aus dem Tank 10 umfassen. Das Reagens kann eine Harnstofflösung, ein Kohlenwasserstoff, ein Alkylester, Alkohol, eine organische Verbindung, Wasser oder dergleichen sein und kann eine Mischung oder eine Kombination davon sein. Es sollte auch erkannt werden, dass ein oder mehrere Reagenzien in dem System verfügbar sein können und einzeln oder in Kombination verwendet werden können. Der Tank 10 und das Abgabemodul 12 können ein integriertes Reagenzmitteltank-/Ausgabemodul bilden. Ebenfalls als Teil des Systems 8 sind ein elektronischer Einspritzcontroller 14, eine Reagenseinspritzvorrichtung 16 und ein Abgassystem 19 bereitgestellt. Das Abgassystem 19 umfasst eine Abgasleitung 18, die einen Abgasstrom zu mindestens einem Katalysatorbett 17 bereitstellt.
Das Abgabemodul 12 kann eine Pumpe umfassen, die das Reagens aus dem Tank 10 über eine Versorgungsleitung 9 liefert. Der Reagenstank 10 kann aus Polypropylen, epoxidbeschichtetem Kohlenstoffstahl, PVC oder Edelstahl sein und entsprechend der Anwendung (z. B. einer Fahrzeuggröße, einer beabsichtigten Verwendung des Fahrzeugs und dergleichen) dimensioniert sein. Ein Druckregler (nicht gezeigt) kann bereitgestellt sein, um das System auf vorgegebenen Drucksollwerten (beispielsweise relativ niedrigen Drücken von etwa 60–80 psi oder bei einigen Ausführungsformen einem Druck von ungefähr 60–150 psi) zu halten und kann in der Rücklaufleitung 35 aus der Reagenseinspritzvorrichtung 16 angeordnet sein. Ein Drucksensor kann in der Versorgungsleitung 9, die zu der Reagenseinspritzvorrichtung 16 führt, bereitgestellt sein. Das System kann auch verschiedene Frostschutzstrategien beinhalten, um gefrorenes Reagens aufzutauen oder ein Einfrieren des Reagens zu verhindern. Während des Systembetriebs kann unabhängig davon, ob die Einspritzvorrichtung Reagens in die Abgase abgibt oder nicht, Reagens kontinuierlich zwischen dem Tank 10 und der Reagenseinspritzvorrichtungs 16 zirkulieren, um die Einspritzvorrichtung zu kühlen und die Verweilzeit des Reagens in der Einspritzvorrichtung zu minimieren, so dass das Reagens kühl bleibt. Eine kontinuierliche Reagenszirkulation kann für temperaturempfindliche Reagenzien wie beispielsweise wässrigen Harnstoff, die dazu neigen, sich bei Einwirkung von erhöhten Temperaturen von 300°C bis 650°C, wie sie in einem Kraftmaschinenabgassystem erfahren werden, zu verfestigen, notwendig sein.
Weiterhin kann es wünschenswert sein, die Reagenzmischung unter 140°C und vorzugsweise in einem unteren Betriebsbereich zwischen 5°C und 95°C zu halten, um zu gewährleisten, dass die Verfestigung des Reagens verhindert wird. Wenn erlaubt wird, dass sich verfestigtes Reagens bildet, kann dies die beweglichen Teile und Öffnungen der Einspritzvorrichtung verschmutzen.
Die Menge an Reagens, die erforderlich ist, kann mit der Last, der Abgastemperatur, dem Abgasdurchfluss, dem Kraftmaschinen-Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, der gewünschten NOx-Reduktion, dem Luftdruck, der relativen Feuchte, der AGR-Rate und der Kraftmaschinenkühlmitteltemperatur variieren. Ein NO_x-Sensor oder -Messer 25 ist dem Katalysatorbett 17 nachgeschaltet angeordnet. Der NO_x-Sensor 25 ist betreibbar, um ein Signal, das den Abgas-NO_x-Gehalt angibt, an eine Kraftmaschinensteuereinheit (ECU) 27 auszugeben. Alle oder einige der Kraftmaschinenbetriebsparameter können von der Kraftmaschinensteuereinheit 27 über den Kraftmaschinen-/Fahrzeug-Datenbus an den elektronischen Reagenseinspritzcontroller 14 geliefert werden. Der elektronische Reagenseinspritzcontroller 14 könnte auch als Teil der Kraftmaschinensteuereinheit 27 enthalten sein. Die Abgastemperatur, der Abgasdurchfluss und der Abgasgegendruck und andere Fahrzeugbetriebsparameter können durch die jeweiligen Sensoren gemessen werden.
Unter Bezugnahme auf 2–8 ist eine Abgasbehandlungsanordnung 100 so definiert, dass sie die Abgasleitung 18 und die Einspritzvorrichtung 16 umfasst. Die Abgasleitung 18 umfasst ein im Wesentlichen zylindrisches Rohr 102, das einen Abgaskanal 104 definiert. Das zylindrische Rohr 102 weist eine Innenfläche 106 und eine Außenfläche 108 auf.
Die Einspritzvorrichtung 16 umfasst einen Körper 150, der eine zylindrische Kammer 152 bei Aufnahme eines axial verschiebbaren Ventilelements 154 definiert. Der Körper 150 umfasst eine Austrittsöffnung 156 als Abgabestelle für das eingespritzte Reagens. Ein Ventilsitz 146 ist in der Nähe der Austrittsöffnung 156 ausgebildet, die wahlweise durch das Ventilelement 154 in Eingriff gebracht wird, um die Reagenseinspritzung in den Abgasströmungspfad zu steuern. Das Ventilelement 154 ist entlang einer Achse der Reagenseinspritzung 158 verschiebbar.
Eine Halterung 160 ist an dem Körper 150 befestigt und umfasst einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch 162. Ein Strömungsmodifizierer 164 erstreckt sich von der Halterung 160 radial nach innen in das Rohr 102, um die Richtung der Abgasströmung durch den Abgaskanal 104 zu ändern. Eine Klemme (nicht gezeigt) oder eine andere geeignete Kopplungsvorrichtung befestigt die Halterung 160 an dem Rohr 102.
Der Strömungsmodifizierer 164 umfasst einen sich radial nach innen erstreckenden Schaft 166, der ein erstes Ende 168 aufweist, das an der Halterung 160 befestigt ist, und ein entgegengesetztes Ende 170 aufweist, das an einer im Wesentlichen ebenen Ablenkplatte 172 befestigt ist. Die Ablenkplatte ist in einem geneigten Winkel 172 zu einer Richtung des Abgasstromes, der durch das Rohr 102 strömt, angeordnet. In der Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, weist die Ablenkplatte 172 eine längliche ovale Außenform auf.
Der Strömungsmodifizierer 164 und die Halterung 160 sind als einteiliges Element gezeigt, das leicht mittels einer typischen Einspritzvorrichtungsmontage-Hardware an dem Rohr 102 befestigt werden kann. Es wird auch erwogen, dass der Strömungsmodifizierer 164 von der Halterung 160 beabstandet sein, innerhalb des Abgaskanals 104 angeordnet sein und separat an dem zylindrischen Rohr 102 befestigt sein kann. In der Version, die in 2 dargestellt ist, umfasst das Rohr 102 einen Schlüssellochschlitz 173, der geformt ist, um den Strömungsmodifizierer 164 aufzunehmen.
Der Strömungsmodifizierer 164 ist der Achse der Reagenseinspritzung 158 vorgeschaltet angeordnet. Der Strömungsmodifizierer 164 ist so bemessen, geformt und innerhalb des Kanals 104 angeordnet, dass er das Geschwindigkeitsprofil des Abgases an einer Querschnittsebene, die entlang der Reagenseinspritzachse 158 genommen ist, ändert. Bei Fehlen eines Strömungsmodifizierers zeigt das Abgasströmungsgeschwindigkeitsprofil, das durch das Rohr 102 fließt, eine im Wesentlichen symmetrische gekrümmte Spur, die bei einer minimalen Geschwindigkeit an der Innenfläche 106 auf eine maximale Geschwindigkeit in der Mitte des Kanals 104 ansteigt, wie es in 4 gezeigt ist. Die Geschwindigkeit des Abgases in der Nähe der Innenfläche 106 ist wesentlich niedriger als die Abgasgeschwindigkeit in der Mitte des Rohrs 102. Wenn die Abgasdurchflussrate relativ gering ist, wenn beispielsweise die Brennkraftmaschine im Leerlauf ist, tendiert das eingespritzte Reagens dazu, das Abgas zu durchqueren und trifft auf die Innenfläche 106 entlang der unteren Hälfte des Rohrs 102 (3). Wie bereits erwähnt, ist es wünschenswert, das Reagens mit dem Abgas zu mischen und die Mischung an eine Abgasbehandlungsvorrichtung wie beispielsweise einen SCR-Katalysator zu liefern. Das Reagens, das auf der Innenfläche 106 auftrifft, kann dazu neigen, an dem Rohr 102 zu haften, was eine unerwünschte Lachenbildung, Korrosion und eine mögliche Reagensverfestigung verursacht.
5 zeigt eine rechnergestützte Fluiddynamikkontur, die eine Reagensmassenanteil-Verteilung während einer Einspritzung von etwa 4,2 Gramm pro Minute bei einer relativ geringen Abgasdurchflussrate von ca. 380 kg pro Stunde für ein Abgassystem ohne Strömungsmodifizierer veranschaulicht. Zudem ist ein simuliertes Reagenssprühnebel-Konzentrationskonturdiagramm in 6 für die gleiche Abgasdurchflussrate und Reagenseinspritzungsrate bereitgestellt. Beide Diagramme von 5 und 6 beziehen sich auf den Abgasstrom und die Reagenseinspritzung in einem zylindrischen Rohr ohne Strömungsmodifizierer.
7 zeigt eine Reagensmassenanteilkontur für die gleiche Abgasdurchflussrate und Reagenseinspritzungsrate für ein System, das mit einem Strömungsmodifizierer ausgestattet ist, der als Ablenkplatte 172 geformt ist. Eine entsprechende Reagenssprühnebel-Konzentrationskontur ist in 8 gezeigt. Ein Vergleich die Konturen, die ohne Strömungsablenkung erzeugt werden, und der Konturen, die mit der Ablenkplatte 172 erzeugt werden, veranschaulicht die Wirkung des Erhöhens der Abgasgeschwindigkeit nahe der Reagensaustrittsöffnung 156. Durch Erhöhen der Geschwindigkeit in dem Bereich, in dem das Reagens anfänglich eingespritzt wird, werden Tröpfchen des Reagens nach oben und/oder weiter stromabwärts gedrückt, bevor sie das Rohr durchqueren und auf der der Einspritzvorrichtung 16 gegenüberliegenden Innenfläche 106 auftreffen.
Zusätzliche rechnergestützte Schätzungen wurden in Bezug auf die Konzentration des eingespritzten Reagens über den gesamten Kanal 106 erzeugt. Insbesondere wurde eine Menge an Reagens, die auf der unteren Hälfte der Rohrwandoberfläche abgelagert wird, für die 380 kg pro Stunde Abgasdurchflussrate bei der Reagenseinspritzungsrate von etwa 4,2 g pro Minute geschätzt. Durch Installation des Strömungsmodifizierers 164 wurde der Massenanteil von Reagens, das auf der unteren Hälfte der Innenfläche 106 abgeschieden wird, um mehr als 50 Prozent reduziert.
Eine weitere Überprüfung der rechnergestützten Fluiddynamikdaten spiegelt wider, dass die Ablenkplatte 172 einen Strömungsabriss an einer Vorderkante 174 verursacht, was den Abgasstrom dazu drängt, in Richtung der Einspritzvorrichtung 16 zu beschleunigen. An einer Hinterkante 176 der Ablenkplatte 172 ist die Abgasstromgeschwindigkeit in dem Bereich zwischen der Ablenkplatte 172 und der Einspritzvorrichtung 16 um 25 Prozent erhöht. Es ergibt sich eine verbesserte Mischung und reduziertes Auftreffen des Reagens.
9 zeigt einen alternativen Strömungsmodifizierer 200. Wie zuvor in Bezug auf den Strömungsmodifizierer 164 diskutiert kann der Strömungsmodifizierer 200 an einer Einspritzvorrichtungshalterung befestigt sein oder von der Einspritzvorrichtung 16 beabstandet sein und an das Rohr 102 gekoppelt sein. Der Strömungsmodifizierer 200 umfasst einen Schaft 202, der eine im Wesentlichen ebene Form aufweist, die sich radial in den Kanal 104 erstreckt. Eine Halbkegelklappe 204 ist an dem Schaft 202 befestigt. Die Halbkegelklappe 204 umfasst eine teilweise konisch geformte Außenfläche 206, die von einer teilweise konisch geformten Innenfläche 208 beabstandet ist. Die Halbkegelklappe 204 endet an einer ersten Kante 210 und einer zweiten Kante 212. Die erste Kante 210 ist von der zweiten Kante 212 beabstandet, um zu ermöglichen, dass der Schaft 202 dazwischen verläuft. Eine Drehachse 216 der konischen Außenfläche 206 erstreckt sich in einem Winkel zu der Richtung des Abgasstroms durch den Kanal 104, um die Geschwindigkeit des Abgasstroms in der Nähe der Einspritzvorrichtung 16 zu erhöhen. Eine CFD-Analyse gibt eine günstige Reagens- und Abgasmischung sowie ein reduziertes Auftreffen des Reagens auf der Innenfläche 106 gegenüber der Einspritzvorrichtung 16 an.
Ein weiterer alternativer Strömungsmodifizierer ist mit dem Bezugszeichen 300 gekennzeichnet, wie es in 10 gezeigt ist. Der Strömungsmodifizierer 300 umfasst eine keilförmige Klappe 302, die von einer Innenfläche 106 der Einspritzvorrichtung 16 vorgeschaltet nach innen ragt. Die Keilklappe 302 umfasst eine konisch geformte Wand 304, die an einem Punkt 306 beginnt und bei einer im Wesentlichen ebenen Platte 308 endet. Die Keilklappe 302 dient auch dazu, das Abgasgeschwindigkeitsprofil vor der Einspritzvorrichtung 16 abzuwandeln, das Mischen zu verbessern und das Auftreffen des Reagens auf der Innenfläche 106 zu reduzieren.
11–13 zeigen eine weitere Art von Strömungsmodifizierer, die mit dem Bezugszeichen 500 gekennzeichnet ist. Der Strömungsmodifizierer 500 ist als eine im Wesentlichen ebene Platte 502 geformt, die innerhalb eines im Wesentlichen zylindrischen Rohrs 504 befestigt ist. Die Platte 502 ist in die entgegengesetzte Richtung geneigt wie die Ablenkplatte 172. Insbesondere ist eine vorgeschaltete Kante 508 der Platte 502 näher an der Einspritzvorrichtung 16 angeordnet als eine nachgeschaltete Kante 510 der Platte 502. Der Abgasstrom wird aufgespalten, wenn er die Vorderkante 508 passiert, so dass sich der obere Teil des Stroms ausdehnen und etwas verlangsamen wird, während sich der untere Teil des Stroms verdichten wird und eine Erhöhung der Geschwindigkeit verursachen wird. Die erhöhte Geschwindigkeit an dem unteren Abschnitt des Rohres wird Reagenströpfchen, die den unteren Abschnitt des Rohres erreichen, vor dem Verdampfen mitreißen. Dementsprechend wird der Strömungsmodifizierer 500 eine Rohrbenetzung aufgrund von Auftreffen von Reagens reduzieren.
Unter der Voraussetzung, dass der Winkel, mit dem die Platte 502 innerhalb des Rohrs 504 sitzt, ausreichend steil ist, erfährt der obere Abschnitt des Rohres eine Grenzschichtablösung, die eine Turbulenz verursacht, um die Reagens- und Abgasmischung zu unterstützen. In einer Ausführungsform kann ein Nacheinspritzungsmischer, wie er in US-Patent Nr. 8141353 dargestellt ist, das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, enthalten sein. Die turbulente Strömung, die in den Mischer eintritt, wird die Fähigkeit des Mischers verbessern, das Reagens auf das Abgas zu verteilen. Daher kann die Mischlänge verkürzt werden. Alternativ kann durch geeignetes vorgeschaltetes Anordnen der Platte 502 vor der Einspritzvorrichtung 16 ein Nacheinspritzungsmischer weggelassen werden.
14 stellt ein Geschwindigkeitsprofil des Abgases an vier unterschiedlichen axialen Positionen, die der geneigten Platte 502 nachgeschaltet sind, dar. Die erste Geschwindigkeitsverteilung ist an der Hinterkante 510 der Platte 502 aufgetragen. Das nächste Profil zur Rechten, wie es in 14 gezeigt ist, stellt die Abgasgeschwindigkeitsverteilung in einem axialen Abstand von einem Zoll hinter der Hinterkante 520 dar. Die Geschwindigkeitsverteilungen in einem Versatzabstand von sechs Zoll und einem Versatzabstand von zwölf Zoll sind ebenfalls dargestellt. Basierend auf der rechnergestützten Fluiddynamikmodellierung kann die Einspritzvorrichtung 16 vorteilhafterweise an einer axialen Stelle platziert werden, die auf die Hinterkante 510 ausgerichtet ist oder innerhalb von etwa 1 Zoll von der Hinterkante 510 liegt, um das erhöhte Geschwindigkeitsprofil in der Nähe der Innenfläche 106 gegenüber der Einspritzvorrichtung 16 auszunutzen.
Es sollte auch beachtet werden, dass die Platte 502 innerhalb des Rohrs 504 fixiert sein oder beweglich darin montiert sein kann. Für die beweglich montierte Version ist vorgesehen, dass die Platte 502 schwenkbar an dem Rohr 504 in einer Weise ähnlich dem Schnappventil, das in dem US-Patent Nr. 7434570 beschrieben ist, das hier durch Bezugnahme aufgenommen ist, gekoppelt sein kann. Zusätzliche bewegliche Ventile sind in dem US-Patent Nr. 7775322 , dem US-Patent Nr. 8215103 und dem US-Patent Nr. 8468813 beschrieben, die ebenfalls hier durch Bezugnahme aufgenommen sind. Jede der zitierten Referenzen umfasst eine Torsionsfeder und ein passiv betätigtes Ventil, das sich in Abhängigkeit von dem Druck des Abgases, der darauf einwirkt, dreht. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der vorliegende Strömungsmodifizierer aktiv unter Verwendung eines Aktors (nicht dargestellt) gesteuert wird, der betätigbar ist, um die Platte 502 zwischen einer Position, die im Wesentlichen parallel zu der Richtung des Abgasstroms ist, und der zuvor diskutierten geneigten Position zu drehen.
15 und 16 zeigen einen vorbelasteten Strömungsmodifizierer 600, der schwenkbar mit einem Rohr 602 gekoppelt ist. Der Strömungsmodifizierer 600 kann zwischen einer ausgefahrenen und einer eingefahrenen Position bewegt werden, um eine Beschränkung für den Durchfluss bei höheren Abgasdurchflussraten zu minimieren. Wenn die Abgasdurchflussrate durch das Rohr 602 ausreichend hoch ist, ist eine zusätzliche Strömungsmodifikation nicht erforderlich, um eine ausreichende Reagensmischung zu erhalten und das Auftreffen von Reagens zu vermeiden. Bei diesen höheren Abgasdurchflussraten kann es vorteilhaft sein, den Strömungsmodifizierer aus seiner ausgefahrenen Position zurückzuziehen.
Eine Torsionsfeder 604 belastet eine Klappe 606 in Richtung der ausgefahrenen Position, die in den Figuren dargestellt ist, vor. Die Klappe 606 ist gekrümmt, um einen Abgasstrom 16 von der Einspritzvorrichtung wegzulenken und die Abgasgeschwindigkeit benachbart zu der Innenfläche 608 gegenüber der Einspritzvorrichtung 16 zu erhöhen. Wenn die Abgasdurchflussrate einen vorbestimmten Betrag erreicht, überwindet die Kraft an einer vorgeschalteten Fläche 610 des Strömungsmodifizierers 600 die Vorspannkraft der Feder 604, wodurch verursacht wird, dass sich die Klappe 606 in Richtung der eingefahrenen Position benachbart zu der Innenfläche 608 bewegt. Wenn der Strömungsmodifizierer 600 in der eingefahrenen Position ist, wird die Einschränkung des Abgasdurchflusses minimiert. Eine Erhöhung des Gegendrucks aufgrund der Verwendung des Strömungsmodifizierers 600 wird minimiert.
17 zeigt einen weiteren Strömungsmodifizierer 700 gemäß einem Prinzip der vorliegenden Offenbarung. Der Strömungsmodifizierer 700 ist eine gekrümmte Platte 702, die eine erste Kante 704 und eine zweite Kante 706 umfasst, die an einem Abgasrohr 708 so befestigt sind, dass die Platte 702 in dem Abgasrohr 708 an einer Position, die der Einspritzvorrichtung 16 vorgeschaltet ist, aufgehängt ist. Obwohl dargestellt ist, dass die Platte 702 gekrümmt ist, kann die Platte 702 im Wesentlichen eben sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Mehrere Lamellen 710 können in der Platte 702 ausgebildet sein, um den Abgasstrom in eine gewünschte Richtung zu lenken. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Strömungsmodifizierer an einem Abgasrohr 708 an einem oberen Abschnitt 712 davon befestigt (d. h. auf der gleichen Seite des Rohres 708 wie die Einspritzvorrichtung 16). Wenn sich der Abgasstrom dem Strömungsmodifizierer 700 nähert, werden die Lamellen 710 den Abgasstrom in eine Abwärtsrichtung weg von der Einspritzvorrichtung 16 lenken. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Tröpfchen des Reagens-Abgasbehandlungsfluids den unteren Abschnitt 713 des Rohrs 708 erreichen und Lachen oder Ablagerungen darauf bilden.
Alternativ kann der Strömungsmodifizierer 700 an dem Abgasrohr 708 an einem unteren Abschnitt 713 davon befestigt sein (18). Die Lamellen 710 werden dann den Abgasstrom nach oben und in Richtung der Einspritzvorrichtung 16 lenken. Unabhängig davon, wo der Strömungsmodifizierer 700 positioniert ist, werden die Zunahme der Geschwindigkeit und die Verwirbelung, die durch die Lamellen 710 induziert wird, das Reagens-Abgasbehandlungsfluid mit dem Abgasstrom so vermischen, dass die Bildung von Ablagerungen verhindert oder zumindest wesentlich minimiert wird. Ferner sollte verstanden werden, dass der Strömungsmodifizierer 700 unabhängig davon, ob er in dem oberen Abschnitt 712 oder dem unteren Abschnitt 713 angeordnet ist, Lamellen 710 umfassen kann, die in der entgegengesetzten Richtung relativ zur Darstellung angeordnet sind. Das heißt, dass die Lamellen 710 dann, wenn der Strömungsmodifizierer 700 an dem oberen Abschnitt 712 des Rohrs 708 positioniert ist, so ausgerichtet sein können, dass sie den Abgasstrom in Richtung der Einspritzvorrichtung 16 lenken. Alternativ können die Lamellen 710 dann, wenn der Strömungsmodifizierer 700 an dem unteren Abschnitt 712 des Rohrs 708 positioniert ist, so ausgerichtet sein, dass sie den Abgasstrom weg von der Einspritzvorrichtung 16 lenken. Eine weitere Alternative ist es, Lamellen 710 aufzuweisen, die in eine jeweilige Richtung ausgerichtet sind, egal ob der Strömungsmodifizierer 700 an dem oberen Abschnitt 712 oder dem unteren Abschnitt 713 des Rohrs 708 positioniert ist.
Die Lamellen 710 können wie gewünscht eingestellt sein. Beispielsweise können die Lamellen 710 in Form von Laschen 714 vorliegen, die aus der Platte 702 gestanzt sind. Die Laschen 714 können jeweils unterschiedliche Längen aufweisen, was das Gestalten einer ungleichmäßigen Ziel-Strömungsverteilung des Abgases ermöglicht. Alternativ können die Lamellen 710 jedwede Form aufweisen, die von Fachleuten gewünscht wird. Beispielsweise können die Lamellen 710 oval, rund, dreieckig und dergleichen sein, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Weiterhin können die Lamellen 710 leicht schraubenförmig verdreht sein, um eine größere Menge an Verwirbelung in den Abgasstrom zu induzieren, was beim Mischen des Reagens-Abgasbehandlungsfluids mit dem Abgas hilft. Wie am besten in 20 gezeigt ist, sind die Lamellen 710 über der Platte 702 versetzt angeordnet, was ermöglicht, dass eine erhöhte Menge an Abgasstrom durch den Strömungsmodifizierer 700 umgeleitet wird.
Der Strömungsmodifizierer 700 soll nicht darauf beschränkt sein, der Einspritzvorrichtung 16 vorgeschaltet angeordnet zu sein. Der Strömungsmodifizierer 700 kann stattdessen direkt unter der Einspritzvorrichtung 16 angeordnet sein oder der Einspritzvorrichtung 16 nachgeschaltet sein. Wenn der Strömungsmodifizierer 700 direkt unter der Einspritzvorrichtung 16 angeordnet ist, können große Tröpfchen des Reagens-Abgasbehandlungsfluids, die nicht sofort zerstäuben und sich mit dem Abgas vermischen, auf der Platte 702 auftreffen. Obwohl die großen Tröpfchen auf der Platte 702 auftreffen, werden die Tröpfchen, da der Strömungsmodifizierer 700 in dem Rohr 708 aufgehängt ist, einem Abgasstrom mit höherer Geschwindigkeit unterworfen, was im Allgemeinen verursacht, dass die Tröpfchen sublimieren, anstatt Ablagerungen zu bilden.
Darüber hinaus sollte verstanden werden, dass der Strömungsmodifizierer 700 nicht auf die Verwendung in Verbindung mit der Einspritzvorrichtung 16 beschränkt sein soll. Im Gegenteil, es sollte verstanden werden, dass die Einspritzvorrichtung 16 beispielsweise durch den NOx-Sensor 25, einen Temperatursensor, einen Drucksensor oder dergleichen ersetzt werden kann. Eine Verwendung des Strömungsmodifizierers 700 in Verbindung mit einem Sensor ermöglicht eine nichtgleichmäßige Strömung des Abgases, wenn es sich dem Sensor nähert, was genauere Messungen der Abgastemperatur, der NOx-Konzentration und dergleichen liefern kann.
21–25 stellen einen weiteren gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung konstruierten Strömungsmodifizierer 800 dar. Der Strömungsmodifizierer 800 ist als eine im Wesentlichen kreisförmige Platte 802 geformt, die eine ebene vorgeschaltete Fläche 804, eine ebene nachgeschaltete Fläche 806 und eine äußere zylindrische Fläche 808, die die beiden ebenen Flächen 804, 806 verbindet, aufweist. Die zylindrische Fläche 808 ist dahingehend geformt und dimensioniert, dass sie mit einer inneren Fläche 812 einer Abgasleitung 814 zusammenpasst. Es versteht sich, dass die Kreisform lediglich beispielhaft ist und die zylindrische Fläche 808 zur inneren Fläche 812 unabhängig von der Form der Leitung komplementär sein kann.
Der Strömungsmodifizierer 800 wird durch ein Verfahren, wie z. B. Schweißen, an einer einer Einspritzvorrichtung 816 vorgeschalteten Position an der inneren Fläche 812 der Leitung 814 fixiert. Strömen des Abgasstroms zwischen der äußeren zylindrischen Fläche 808 und der inneren Fläche 812 ist beschränkt. Somit tritt ein Abgasstrom durch einige Öffnungen 818, die sich durch die Platte 802 hindurch erstrecken, auf. Die Öffnungen 818 weisen verschiedene Größen und Formen auf. Beispielsweise sind mehrere zylinderförmige Bohrungen 820 voneinander beabstandet, wobei jede denselben oder einen ähnlichen Durchmesser aufweist. Die Bohrungen 820 sind allgemein an den Umfangsbereichen der Platte 802 positioniert, um den Abgasstrom dort hindurch teilweise zu beschränken und den Strom durch Schlitze 824a–824j umzuleiten. Der Schlitz 824a ist im Wesentlichen rechteckig mit einer Höhe Ha und einer Breite Wa. Jeder der Schlitze 824b–824j weist eine andere Breite auf. Die Höhe und die Breite der Schlitze 824a und 824b sind im Wesentlichen gleich. Die Schlitze 824c bis 824f weisen jeweils die gleiche oder im Wesentlichen ähnliche Höhe auf. Die Schlitze 824g bis 824j weisen dieselbe oder eine im Wesentlichen ähnliche Höhe auf. In der Darstellung von 23 weist der Schlitz 824j eine Höhe Hj und eine Breite Wj auf.
Alle Schlitze erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander. Die Schlitze sind so konstruiert, dass die Querschnittsflächen der Schlitze, die durch die Platte 802 verlaufen, am nächsten zur Einspritzvorrichtung kleiner als die Schlitzflächen, die sich weiter weg von der Einspritzvorrichtung befinden, sind. Mit zunehmender Entfernung der Schlitzposition von der Einspritzvorrichtung nimmt die Querschnittsfläche jedes Schlitzes zu. Die Kombination aus Bohrungen 820 und Schlitzen 824a–824j modifiziert die Einspritzvorrichtung vorgeschaltet des Abgasströmungsmusters.
24 stellt eine grafische Darstellung des durch den Strömungsmodifizierer 800 erzeugten Abgasströmungsgeschwindigkeitsprofils gemäß dem unter Verwendung von CFD erstellten Modell bereit. Ein höherer Wert auf der Skala gibt eine höhere Strömungsgeschwindigkeit an. Eines der Hauptmerkmale des modifizierten Stroms umfasst mehrere Hochgeschwindigkeitsbereiche 830a–830j, die in parallelen Bahnen angeordnet sind. In Abhängigkeit von der Position und der Form der verschiedenen Öffnungen 818 erstrecken sich parallele Bahnen 830a–830j des durch die Schlitze 824a–824j strömenden Abgases der Platte 802 nachgeschaltet mit verschiedenen Eindringlängen. Durch das Variieren der Querschnittsflächen, Formen und Größen der Öffnungen 818, können die Größe und Form der Hochgeschwindigkeitsbereiche individuell zugeschnitten werden. Es versteht sich, dass der Strömungsmodifizierer 800 dazu konfiguriert ist, einzelne Abgasgeschwindigkeitsprofile zu erzeugen, wie zuvor in Bezug auf den Strömungsmodifizierer 500 und die in 14 dargestellten Strömungsgeschwindigkeitsprofile beschrieben wurde.
25 stellt eine grafische Darstellung einer zusätzlichen CFD-Analyse bereit, wobei Harnstoff entlang einer Einspritzachse 832 eingespritzt wird, während Abgas durch den Strömungsmodifizierer 800 strömt. Es versteht sich, dass an dem obersten mittleren Abschnitt der Platte 802 positionierte Bohrungen 820 einer Beschränkung des Abgasstroms an Stellen neben der Einspritzvorrichtung dienen, um den eingespritzten Reduktionsmittelsprühnebel vor einem frühen Zusammentreffen mit dem Abgas zu schützen. In der Regel ist es wünschenswert, eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung von zerstäubtem Reduktions-mittel über eine vorgeschaltete Fläche einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, wie z. B. einer SCR, hinweg zu erzeugen. Entsprechend kann es wünschenswert sein, dass sich ein Teil des Reduktionsmittels der Seitenwand der Leitung gegenüber der Einspritzvorrichtung 816 nähert, diese jedoch nicht berührt. Falls nötig, kann eine Einspritzvorrichtungabschirmung 826 implementiert sein, um die Interaktion des Abgasstroms mit dem eingespritzten Reduktionsmittel weiter zu beschränken, bis sich das Reduktionsmittel eine ausreichende Strecke von der Einspritzvorrichtung weg bewegt hat. Die Abschirmung 826 kann Öffnungen, Lamellen und Klappen oder dergleichen umfassen, um zu gestatten, dass ein Teil des Abgases dort hindurch strömt. In der Abschirmung 826 kann ein Verwirbelungsgasmuster erzeugt werden.
Bei der in 24 und 25 dargestellten Ausführungsform ist die Einspritzvorrichtung 816 in einem Winkel von ungefähr 5 Grad von senkrecht geneigt, so dass das eingespritzte Reduktionsmittel leicht stromaufwärts gesprüht wird. Es versteht sich, dass dieser Neigungswinkel lediglich beispielhaft ist und dass der Strömungsmodifizierer der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit einer Einspritzvorrichtung, die in einer beliebigen Anzahl von Winkeln dem Abgasstromlauf vorgeschaltet, nachgeschaltet oder senkrecht dazu ausgerichtet sein kann, verwendet werden kann.
Eine typische Einspritzvorrichtung zum Sprühen von Harnstoff in ein Abgasbehandlungssystem stellt ein konisch geformtes Muster von Harnstofftröpfchen bereit. Von der Einspritzvorrichtung können Tröpfchen mit unterschiedlichem SMD (Sauter Mean Diameter – durchschnittlicher Sauterdurchmesser) abgegeben werden. Allgemein können Tröpfchen mit einem größeren SMD eine größere Masse aufweisen und somit tendenziell Ablenkung und Zerstäubung für eine größere Strecke von der Einspritzvorrichtungsdüse als Tröpfchen mit einem kleineren SMD widerstehen. Andere Einspritzvorrichtungen können zwei oder mehr benachbarte Sprühkegel erzeugen. Andere Einspritzsysteme können ein luftunterstütztes Merkmal zum gleichzeitigen Ausstoßen von Luft und Reagens aus der Einspritzvorrichtung enthalten. Jede dieser Einspritzvorrichtungen kann in Kombination mit dem Strömungsmodifizierer der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
Bei der in den Figuren dargestellten Anordnung wird eine Entwicklung des Sprühkegels bis zum Erreichen von 20–30% des Durchmessers der Abgasleitung, bevor er im Wesentlichen mit dem durch einen der Schlitze 824a–824j hindurch strömenden Abgasstrom interagiert, gestattet. Die Schlitze sind so positioniert, dimensioniert und geformt, dass die eingespritzten Tröpfchen mit einem niedrigeren SMD an Positionen in der Nähe der Einspritzvorrichtung mit den Hochgeschwindigkeitsbereichsbahnen, die sich näher an der Einspritzvorrichtung befinden, dahingehend zusammenwirken, die kleineren Tröpfchen zu zerstäuben. Tröpfchen mit einem größeren SMD dringen in die Hochgeschwindigkeitsbereichsbahnen, die sich am nächsten zur Einspritzvorrichtung befinden, ein, werden jedoch durch die weiter von der Einspritzvorrichtung weg positionierten Hochgeschwindigkeitsbereichsbahnen zerstäubt. Diese Bahnen, im Wesentlichen die Bahnen 830g–830j, zeigen auch eine stärkere Eindringung weiter stromabwärts des Strömungsmodifizierers 800.
Es versteht sich, dass der Strömungsmodifizierer 800 basierend auf der Bildung einiger einzelner und voneinander beabstandeter Hochgeschwindigkeitsbereiche in der Form von Bahnen als ein Bahnenzerstäuber bezeichnet werden kann. Der Strömungsmodifizierer 800 zwingt die Tropfen dazu, auseinander zu platzen, wodurch eine Verdunstung ohne zu gestatten, das Reduktionsmittel auf den Leitungs- oder Strömungsmodifiziererflächen auftrifft, begünstigt wird. Wie erwähnt wurde, umfassen bereits bekannte Nachbehandlungssysteme manchmal eine Flüssigkeitseinspritzvorrichtung, die einen Harnstoffsprühnebel ausgibt, der auf die gegenüberliegende innere Fläche der Abgasleitung auftreffen würde. Der eingespritzte Harnstoff würde sich nicht gut zersetzen, sondern eine Filmschicht auf der Leitung bilden.
Durch die Erstellung von CFD-Modellen und die Integration der vorliegenden Lehren kann der Strömungsmodifizierer 800 zum dahingehenden Betrieb zusammen mit einer gegebenen Einspritzvorrichtung oder einer Familie von Einspritzvorrichtungen, das Auftreffen von eingespritzten Reduktionsmitteltröpfchen auf die innere Fläche der Leitung auf ein Minimum zu reduzieren oder zu beseitigen, individuell eingestellt werden. In Abhängigkeit von der Geometrie der Abgasleitung, der Sprüheigenschaften der Einspritzvorrichtung und dem Abstand zur nachgeschalteten Abgasbehandlungsvorrichtung kann es von Vorteil sein, zusätzliche Merkmale, wie z. B. Laschen oder Lamellen, in den Strömungsmodifizierer zu integrieren, wie in 26 dargestellt wird. Ein Strömungsmodifizierer 800a ist dem Strömungsmodifizierer 800 im Wesentlichen ähnlich, umfasst jedoch eine Lasche 850 zum Ablenken von durch den Schlitz 824j strömendem Abgas zur inneren Fläche der Leitung.
Andere Modifikationen des Strömungsmodifizierers 800 werden in Betracht gezogen und umfassen Variieren der Form der Schlitze, Variieren der Anzahl an Schlitzen, Ändern der Ausrichtung der Schlitze bezüglich der Position der Einspritzvorrichtung und umfassen möglicherweise eine oder mehrere der zuvor beschriebenen Platte vorgeschaltet oder nachgeschaltet positionierte zusätzliche Platten zur weiteren Modifizierung des Abgasstroms. 27–32 stellen zusätzliche Beispiele von Strömungsmodifizierern dar, die mit dem Bezugszeichen 800b, 800c, 800d, 800e, 800f und 800g gekennzeichnet sind. Der in 27 dargestellte Strömungsmodifizierer 800b umfasst mehrere gekrümmte Schlitze 856a–856h. Alle gekrümmten Schlitze können eine Höhe aufweisen, die über die Breite der Platte hinweg variiert. Alle Schlitze 856a–856h sind voneinander beabstandet und in einer im Wesentlichen parallelen Anordnung ausgerichtet. Allgemein ausgedrückt nimmt die Breite der Schlitze mit Zunahme des Abstands des Schlitzes von der Einspritzvorrichtung 816 zu. Jeder der Schlitze 856a–856h weist bei Betrachtung von der Einspritzvorrichtung 816 aus eine allgemein konkave Form auf.
28 zeigt einen alternativen Strömungsmodifizierer 800c. Der Strömungsmodifizierer 800c ist dem Strömungsmodifizierer 800b im Wesentlichen ähnlich, außer dass mehrere Schlitze 866a–866h dahingehend ausgerichtet sind, bei Betrachtung von der Einspritzvorrichtung 816 aus eine allgemein konkave Form aufzuweisen.
29 zeigt einen Strömungsmodifizierer 800d, der Schlitze 876a–876h umfasst. Jeder der Schlitze ist gekrümmt. Die Schlitze sind abwechselnd in einer entgegengesetzten Richtung ausgerichtet. 29 zeigt den Schlitz 876a, der so ausgerichtet ist, dass eine konvexe Fläche zur Einspritzvorrichtung 816 hin präsentiert wird, während der benachbarte Schlitz 876b dahingehend ausgerichtet ist, eine konkave Fläche zur Einspritzvorrichtung 816 hin zu präsentieren. Das abwechselnde Muster setzt sich über den Strömungsmodifizierer 800d hinweg fort.
Ein weiterer alternativer Strömungsmodifizierer 800e wird in 30 gezeigt. Der Strömungsmodifizierer 800e umfasst mehrere Schlitze 886a–886e. Jeder der sich durch den Strömungsmodifizierer 800e erstreckenden Schlitze ist als ein „V” geformt oder winkelförmig mit einer Spitze 888a–888e, die weiter von der Einspritzvorrichtung 816 weg positioniert ist als die äußeren Enden der Schlitze.
31 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des Strömungsmodifizierers, die mit der Bezugszahl 800f gekennzeichnet ist. Der Strömungsmodifizierer 800f ist dem Strömungsmodifizierer 800e im We-sentlichen ähnlich, außer dass die Winkelformen umge-dreht sind. Entsprechend befindet sich ein Scheitel-punkt 898a des Schlitzes 896a näher an der Einspritz-vorrichtung 816 als die äußeren Enden des Schlitzes 896a. Die Scheitelpunkte 898b, 898c, 898d und 898e sind näher zur Einspritzvorrichtung 816 ausgerichtet als die entsprechenden äußeren Enden jedes der Schlitze. In der Darstellung weist jeder der Schlitze 896a–896e eine im Wesentlichen konstante Höhe über die Breite jedes Schlitzes hinweg auf. Die Breite der Schlitze nimmt mit Zunahme des Abstands von der Einspritzvorrichtung zu.
Es versteht sich, dass die Höhe eines jeden Schlitzes variiert werden kann, wenn ein Hochgeschwindigkeitsbereich mit einer bestimmten Form erwünscht ist. Somit liegt es im Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung, die dreidimensionale Form eines jeden Geschwindigkeitsprofils, das sich einem Strömungsmodifizierer nachgeschaltet erstreckt, durch Definieren der Form, der Größe und der Position bestimmter Schlitze, die sich durch den Strömungsmodifizierer erstrecken, individuell zu zuschneiden.
Es liegt auch im Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung, einige Öffnungen in einem Muster zu gruppieren, um die gewünschte Vermischung von eingespritztem Reagens mit durch eine Leitung strömendem Abgas zu erzielen. 32 stellt ein geeignetes Beispiel für solch einen Abgasströmungsmodifizierer bereit, das mit der Bezugszahl 800g gekennzeichnet ist. Mehrere Schlitze 906a–906h sind nicht parallel positioniert. Die Schlitze sind jedoch in einem allgemein dreieckigen oder möglicherweise trapezförmigen Bereich mit einer Breite im oberen Bereich Wt und einer Breite im unteren Bereich des Trapezes, die als Wb gekennzeichnet ist, angeordnet. Die Höhe des trapezförmigen Bereichs ist durch den Buchstaben H gekennzeichnet. Die Breite des trapezförmigen Bereichs nimmt mit Zunahme des Abstands von der Einspritzvorrichtung zu. Wie in 32 gezeigt wird, kann die Höhe eines oder mehrerer Schlitze auch mit Zunahme des Abstands von der Einspritzvorrichtung zunehmen. Mit einem dreieckigen oder trapezförmigen Muster wird das allgemein konisch geformte Sprühmuster, das die Reagenseinspritzvorrichtung 816 aufweist, berücksichtigt und auch die Varianz bei der Größe der eingespritzten Tröpfchen berücksichtigt, wie zuvor beschrieben wurde.
33 und 34 zeigen eine weitere Version eines der Einspritzvorrichtung 816 vorgeschaltet positionierten Strömungsmodifizierers. In der Darstellung ist ein Strömungsmodifizierer 950 dem Strömungsmodifizierer 800 im Wesentlichen ähnlich, außer dass sich vier Aufprallplatten den unteren Kanten von vier der Schlitze nachgeschaltet erstrecken. Der Strömungsmodifizierer 950 umfasst Schlitze 956a–956j. Eine erste Aufprallplatte 960f ist entlang der unteren Kante des Schlitzes 956f positioniert. Eine weitere Aufprallplatte 960g erstreckt sich parallel zur Aufprallplatte 960f und ist neben einer unteren Kante des Schlitzes 956g positioniert. Ähnlich erstrecken sich die Aufprallplatten 960h und 960i parallel zu den anderen auf Reibplatten und neben einer unteren Kante der Schlitze 956h bzw. 956i. Jede Aufprallplatte 960f–960i erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Platte 952 und in einer von der der anderen verschiedenen Strecke stromabwärts. Die Länge der Aufprallplatten nimmt als ein Abstand von der Seite der Leitung, an der die Einspritzvorrichtung befestigt ist, zu.
Wie in 34 dargestellt wird, schneidet die Reagenseinspritzachse 966 die Leitung in einem stromaufwärtigen Winkel, um die Anzahl an Tropfen, die auf die Aufprallplatten 960f und 960i auftreffen, zu maximieren. Mit dem Auftreffen von Reagenstropfen auf einer Aufprallplatte platzen die Tröpfchen und bilden Tröpfchen geringerer Größe, die einfacher mit dem Abgas vermischt werden können.
Die Aufprallplattenversion des Strömungsmodifizierers unterstützt des Weiteren die Reagensvermischung bei niedrigen Abgasströmungsgeschwindigkeiten, in dem nicht nur die Tröpfchen wie zuvor erwähnt zerplatzt werden, sondern auch eine konzentrierte Hochströmungsgeschwindigkeitsbahn neben flüssigem Reagens, das sich auf einer Fläche der Aufprallplatte ansammeln kann, positioniert wird. Die Aufprallplatten tragen des Weiteren zur thermischen Masse des Strömungsmodifizierers bei, wodurch die Zerstäubung des eingespritzten Reagens unterstützt wird. Darüber hinaus wird durch das Vorhandensein der Aufprallplatte an einer Stelle direkt neben einer Kante des Schlitzes das Ausmaß des Abgasgeschwindigkeitsbands an dieser Stelle verstärkt.
35 zeigt einen weiteren alternativen Strömungsmodifizierer, der mit der Bezugszahl 980 gekennzeichnet ist. Der Strömungsmodifizierer 980 ist einigen der anderen Strömungsmodifizierer, die die Schlitze 986a–986f umfassen, ähnlich. Der Strömungsmodifizierer 980 umfasst jedoch auch einen Schlitz 990 in der Form eines umgekehrten V, der weiter von der Ein-spritzvorrichtung weg positioniert ist als die Schlitze 986a–986f. Eine Platte 994 in der Form eines umgekehrten V erstreckt sich senkrecht von einer Platte 982. Die V-förmige Platte 994 ist neben der unteren Kante eines V-förmigen Schlitzes 990 positioniert. Es versteht sich, dass die Form eines umgekehrten V die Ansammlung von eingespritzter Flüssigkeit hindert. Die Öffnungen 996, ie unter der Platte 994 positioniert sind, wirken dahingehend, jegliche Abgasrückführung in diesem Bereich der Abgasleitung auf ein Minimum zu reduzieren. Die Position der V-förmigen Platte 994 direkt neben dem V-förmigen Schlitz 990 stellt einen Hochgeschwindigkeitsstrom über die obere Fläche der V-förmigen Platte zur Reduzierung der Ablagerung von eingespritztem Reagens auf der Platte auf ein Minimum sicher.
Die vorangehende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind gegebenenfalls austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn dies nicht speziell gezeigt oder beschrieben ist. Dieselben können auch in vielerlei Hinsicht abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten und alle derartigen Abwandlungen sollen in dem Umfang der Offenbarung eingeschlossen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8677738 [0001]
US 8047452 [0048]
US 8141353 [0066]
US 7434570 [0068]
US 7775322 [0068]
US 8215103 [0068]
US 8468813 [0068]

Claims

Abgasbehandlungssystem zum Reduzieren von Emissionen aus einer Kraftmaschine, wobei das System Folgendes umfasst: eine Abgasbehandlungsvorrichtung; eine Abgasleitung, die dazu ausgelegt ist, einen Abgasstrom von der Kraftmaschine an die Abgasbehandlungsvorrichtung zu liefern, wobei die Leitung eine Öffnung aufweist; eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Reagens durch die Öffnung und in den Abgasstrom; und einen Strömungsmodifizierer, der in der Abgasleitung der Öffnung vorgeschaltet positioniert ist, wobei der Strömungsmodifizierer eine Platte umfasst, die mehrere sich dort hindurch erstreckende Bohrungen umfasst, wobei die Bohrungen voneinander beabstandet und um einen Umfang der Platte herum positioniert sind, wobei die Platte ferner mehrere sich dort hindurch erstreckende Schlitze umfasst, wobei die Schlitze parallel zueinander positioniert sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Breite der Schlitze mit Annäherung der Schlitze an eine Kante der Platte zunimmt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Bohrungen die mehreren Schlitze umgeben.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Schlitze den Abgasstrom derart modifizieren, dass der Abgasstrom stromabwärts des Strömungsmodifizierers mehrere Geschwindigkeitsprofile umfasst, die die Form paralleler voneinander beabstandeter Bahnen aufweisen.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 4, wobei die Platte derart in der Abgasleitung ausgerichtet ist, dass eine Reagenseinspritzachse die parallelen Bahnen senkrecht schneidet.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Schlitze in Dreieckform angeordnet sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 6, wobei die Schlitze in Trapezform angeordnet sind, wobei eine Basis des Trapezes an einer Stelle, wo sich das Trapez am nächsten zur Kante der Platte befindet, am breitesten ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Platte eine Klappe zum Ändern einer Richtung des Stroms bei Strömen des Abgases durch einen der Schlitze umfasst.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Schlitze gekrümmt sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Schlitze eine mit Annäherung der Schlitze an eine Kante der Platte zunehmende Querschnittsfläche aufweisen.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Strömungsmodifizierer ferner eine Reduktionsmittelaufprallplatte umfasst, die sich der Platte nachgeschaltet entlang einer Kante eines der Schlitze erstreckt.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 11, wobei einer der Schlitze und seine zugehörige Aufprallplatte als ein umgekehrtes „V” geformt sind.
Abgasbehandlungssystem zum Reduzieren von Emissionen aus einer Kraftmaschine, wobei das System Folgendes umfasst: eine Abgasbehandlungsvorrichtung; eine Abgasleitung, die dazu ausgelegt ist, einen Abgasstrom von der Kraftmaschine an die Abgasbehandlungsvorrichtung zu liefern, wobei die Leitung eine Öffnung umfasst; eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Reagens durch die Öffnung und in den Abgasstrom; und einen Strömungsmodifizierer, der in der Abgasleitung der Einspritzvorrichtung vorgeschaltet positioniert ist, wobei der Strömungsmodifizierer eine Platte umfasst, die mehrere sich dort hindurch erstreckende Schlitze umfasst, wobei mindestens zwei der Schlitze eine mit Annäherung der Schlitze an eine Kante der Platte zunehmende Breite aufweisen.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 13, wobei die Platte mehrere sich dort hindurch erstreckende Bohrungen umfasst, wobei die Bohrungen die mehreren Schlitze umgeben.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 14, wobei die Bohrungen den Abgasstrom zu der Einspritzvorrichtung hin beschränken, um ein Vordringen des eingespritzten Reagens zu ungefähr 30% eines Innendurchmessers der Abgasleitung, bevor es mit dem durch einen der Schlitze hindurch strömenden Abgasstrom interagiert, zu gestatten.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 13, wobei die Schlitze den Abgasstrom derart modifizieren, dass der Abgasstrom stromabwärts des Strömungsmodifizierers mehrere Geschwindigkeitsprofile umfasst, die die Form paralleler voneinander beabstandeter Bahnen aufweisen.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 16, wobei die Platte derart in der Abgasleitung ausgerichtet ist, dass eine Reagenseinspritzachse die parallelen Bahnen senkrecht schneidet.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 13, wobei der sich der Kante der Platte am nächsten befindliche Schlitz die größte Querschnittsfläche der mehreren Schlitze aufweist.
Abgasbehandlungssystem zum Reduzieren von Emissionen aus einer Kraftmaschine, wobei das System Folgendes umfasst: eine Abgasbehandlungsvorrichtung; eine Abgasleitung, die dazu ausgelegt ist, einen Abgasstrom von der Kraftmaschine an die Abgasbehandlungsvorrichtung zu liefern, wobei die Leitung eine Öffnung umfasst; eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Reagens durch die Öffnung und in den Abgasstrom; und einen Strömungsmodifizierer, der in der Abgasleitung der Öffnung vorgeschaltet positioniert ist, wobei der Strömungsmodifizierer eine Platte umfasst, die mehrere sich dort hindurch erstreckende Öffnungen umfasst, wobei die Platte mit einer inneren Fläche der Leitung abdichtend in Eingriff steht, so dass der gesamte Abgasstrom durch die Öffnungen in der Platte strömt, wobei die Öffnungen Schlitze sowie Bohrungen umfassen.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 19, wobei die Bohrungen den Abgasstrom zu der Einspritzvorrichtung hin beschränken, um ein Vordringen des eingespritzten Reagens zu ungefähr 30% eines Innendurchmessers der Abgasleitung, bevor es mit dem durch einen der Schlitze hindurch strömenden Abgasstrom interagiert, zu gestatten.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 20, wobei die Schlitze parallel zueinander positioniert sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 19, wobei der sich einer Kante der Platte am nächsten befindliche Schlitz die größte Querschnittsfläche der mehreren Schlitze aufweist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 19, wobei die Schlitze in einem Bereich mit Dreieckform angeordnet sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 19, wobei die Schlitze in einem Bereich mit Trapezform angeordnet sind, wobei die kürzeste parallele Seite des Trapezes näher an der Öffnung positioniert ist als eine längste parallele Seite des Trapezes.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 24, wobei die Bohrungen die Schlitze in dem Trapez umgeben.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 19, wobei der Strömungsmodifizierer ferner eine Aufprallplatte umfasst, die sich der Platte nachgeschaltet entlang einer Kante eines der Schlitze erstreckt.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 26, wobei einer der Schlitze und seine zugehörige Aufprallplatte als ein umgekehrtes „V” geformt sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 19, wobei die Platte senkrecht zu einer Längsachse der Abgasleitung ausgerichtet ist.