DE102018117297A1

DE102018117297A1 - Abgasbehandlungssysteme mit einer Vielzahl von widerstandsreduzierten Mischern

Info

Publication number: DE102018117297A1
Application number: DE102018117297.4A
Authority: DE
Inventors: Prashant Kumar Mishra; Asif Iqbal Siddiqui; Anil Yadav; Rahul Mital
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2019-01-24
Also published as: CN109268107B; US10138789B1; CN109268107A

Abstract

Ein Abgasbehandlungssystem umfasst eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR); einen Reduktionsmittel-Injektor stromaufwärts des SCR und konfiguriert, um Reduktionsmittel in den SCR über eine durch einen äußeren Umfang definierte Leitung zu übertragen, einen ersten Mischer, der innerhalb der Leitung stromaufwärts des Reduktionsmittel-Injektors angeordnet ist, und einen zweiten Mischer, der innerhalb der Leitung stromabwärts des Reduktionsmittel-Injektors und stromaufwärts des SCR angeordnet ist. Jeder der ersten Mischer und der zweite Mischer umfasst eine Vielzahl von Schaufeln, die sich zwischen einem mittleren Bereich der Leitung zum Umfang der Leitung erstrecken, worin jede der Schaufeln den Fluidstrom durch die Leitung zumindest teilweise behindert und relativ zu einer Querschnittsebene der Leitung so abgewinkelt ist, dass ein Fluidstrom zwischen benachbarten Schaufeln zugelassen ist, und die Vielzahl von Schaufeln eine Turbulenzebene bildet, die durch einen von den beiden äußersten Schaufeln der Turbulenzebene gemessenen Ebenenwinkel definiert ist.

Description

EINLEITUNG
Während eines Verbrennungszyklus eines Verbrennungsmotors (ICE - Internal Combustion Engine) werden Luft-/Kraftstoffgemische für Zylinder des ICE bereitgestellt. Die Luft-/Kraftstoffgemische werden komprimiert und/oder gezündet und verbrannt, um ein Abtriebsdrehmoment bereitzustellen. Nach der Verbrennung drängen die Kolben des Verbrennungsmotors die Abgase in den Zylindern durch Auslassventilöffnungen in ein Abgassystem. Das Abgas, das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, abgegeben wird, ist eine heterogene Mischung, die gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickstoffoxide (NO_x) und Schwefeloxide (SO_x) sowie kondensierte Phasenmaterialien (Flüssigkeiten und Feststoffe), enthält, die Feststoffe darstellen. Flüssigkeiten können beispielsweise Wasser und Kohlenwasserstoffe beinhalten.
Eine Art von Abgastechnologie zur Reduktion von NO_x -Emissionen ist eine selektive katalytische Reduktions (SCR)-Vorrichtung, die im Allgemeinen ein Substrat oder einen Träger mit einer darauf angeordneten Katalysatorverbindung beinhaltet. Durch Leiten des Abgases über den Katalysator werden bestimmte oder alle Abgasbestandteile in gewünschte Verbindungen, wie z. B. nicht regulierte Abgaskomponenten, umgewandelt. Ein Reduktionsmittel wird typischerweise in heiße Abgase stromaufwärts des SCR gesprüht, in Ammoniak zersetzt und von der SCR-Vorrichtung absorbiert. Der Ammoniak reduziert dann NO_x zu Stickstoff und Wasser bei Vorhandensein des SCR-Katalysators. Die Sicherstellung einer geeigneten Dispergierung und Zersetzung des Reduktionsmittels im Abgas bleibt eine Herausforderung. Mischer können eingesetzt werden, um Reduktionsmittel effektiver zu dispergieren, erhöhen aber gleichzeitig den Gesamtsystemgegendruck zum Nachteil vieler zugehöriger Komponenten, wie zum Beispiel ICEs, Turbolader und sonstige Abgasbehandlungsvorrichtungen.
KURZDARSTELLUNG
Vorgesehen ist ein Abgasbehandlungssystem mit einem ICE, der konfiguriert ist, um das Abgas über eine durch einen äußeren Umfang definierte Leitung an eine selektive katalytische Reduktions-(SCR)-Vorrichtung weiterzuleiten, einem Reduktionsmittel-Injektor, der konfiguriert ist, um das Reduktionsmittel in die Leitung stromaufwärts des SCR zu leiten, einem ersten Mischer, der innerhalb der Leitung stromaufwärts des Reduktionsmittel-Injektors angeordnet ist, worin der erste Mischer eine Vielzahl von ersten Schaufeln beinhalten kann, die sich zwischen einem Mittelbereich der Leitung zum Leitungsumfang erstrecken, worin jede der ersten Schaufeln den Fluidstrom durch die Leitung zumindest teilweise behindert und relativ zu einer Querschnittsebene der Leitung so abgewinkelt ist, dass ein Fluidstrom zwischen benachbarten ersten Schaufeln zugelassen ist, und die Vielzahl der ersten Schaufeln eine erste Turbulenzebene bildet, die durch einen ersten Ebenenwinkel definiert ist, der von den beiden äußersten ersten Schaufeln der ersten Turbulenzebene gemessen wird, und einen zweiten Mischer, der innerhalb der Leitung stromabwärts des Reduktionsmittel-Injektors und stromaufwärts vom SCR angeordnet ist, worin der zweite Mischer eine Vielzahl von zweiten Schaufeln aufweist, die sich zwischen einem Mittelbereich der Leitung und dem Umfang der Leitung erstrecken, worin jede der zweiten Schaufeln den Fluidstrom durch die Leitung zumindest teilweise behindert, jedoch relativ zu einer Querschnittsebene der Leitung so abgewinkelt ist, dass ein Fluidstrom zwischen benachbarten zweiten Schaufeln zugelassen ist, und die Vielzahl von zweiten Schaufeln eine zweite Turbulenzebene bildet, die durch einen zweiten Ebenenwinkel definiert ist, der von den beiden äußersten zweiten Schaufeln der zweiten Turbulenzebene gemessen wird. Der erste Ebenenwinkel und der zweite Ebenenwinkel sind zusammen nicht größer als 360 Grad. Die erste Turbulenzebene und die zweite Turbulenzebene können sich zumindest teilweise überlappen. Die ersten Schaufeln können um ungefähr 15 Grad bis ungefähr 35 Grad relativ zur Querschnittsebene der Leitung und die zweiten Schaufeln können um ungefähr 15 Grad bis ungefähr 35 Grad relativ zur Querschnittsebene der Leitung geneigt sein. Die Leitung kann eine Biegung zwischen dem ersten Mischer und dem zweiten Mischer beinhalten. Der erste Turbulenzebenenwinkel kann größer sein als der zweite Turbulenzebenenwinkel. Der erste Turbulenzebenenwinkel kann ungefähr 95 Grad bis ungefähr 275 Grad betragen, und der zweite Turbulenzebenenwinkel kann ungefähr 60 Grad bis ungefähr 220 Grad betragen.
Vorgesehen ist ein Abgasbehandlungssystem mit einem Flüssigkeitsinjektor, der konfiguriert ist, um eine Flüssigkeit in eine Leitung zu leiten, worin die Leitung durch einen äußeren Umfang definiert und konfiguriert ist, um darin Abgas zu transportieren, einem nachgeschalteten Mischer, der innerhalb der Leitung stromabwärts von dem Flüssigkeitsinjektor angeordnet ist und eine Vielzahl von stromabwärts liegenden Schaufeln umfasst, die sich zwischen einem mittleren Bereich der Leitung und dem Leitungsumfang erstrecken, worin jede der stromabwärts gelegenen Schaufeln eine mittlere Winkelbreite umfasst und so angeordnet ist, dass eine kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller stromabwärts gelegenen Schaufeln relativ zu der Querschnittsebene der Leitung höchstens 215 Grad beträgt, und einen stromaufwärtigen Mischer, der innerhalb der Leitung stromaufwärts vom stromabwärtigen Mischer und gegebenenfalls stromaufwärts vom Flüssigkeitsinjektor angeordnet ist, mit einer Vielzahl von stromaufwärtigen Schaufeln, die sich zwischen einem mittleren Bereich der Leitung zum Leitungsumfang erstrecken, worin jede der stromaufwärtigen Schaufeln eine mittlere Winkelbreite aufweist und so angeordnet ist, dass eine kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller stromaufwärtigen Schaufeln relativ zu der Querschnittsebene der Leitung höchstens 265 Grad beträgt. Der stromaufwärtige Mischer und der stromabwärtige Mischer können zusammenwirken, um die vom Flüssigkeitsinjektor eingespritzte Flüssigkeit innerhalb der Leitung zu verteilen. Der stromabwärtige Mischer kann einen stromabwärtigen Freistrom-Ebenenwinkel von mindestens 140 Grad und der stromaufwärtige Mischer einen stromaufwärtigen Freistrom-Ebenenwinkel von mindestens 85 Grad beinhalten. Eine oder mehrere der stromabwärtigen Schaufeln und/oder eine oder mehrere der stromaufwärtigen Schaufeln können relativ zur Querschnittsebene der Leitung abgewinkelt sein. Der Flüssigkeitsinjektor kann ein Reduktionsmittel-Injektor sein, der konfiguriert ist, um das Reduktionsmittel an die Leitung zu leiten, und der Reduktionsmittelinjektor kann stromaufwärts von einer selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung angeordnet sein. Der Flüssigkeitsinjektor kann ein Kraftstoffinjektor sein, der konfiguriert ist, um den Kraftstoff zur Leitung zu leiten, und der Kraftstoffinjektor kann vor einer Oxidationskatalysatorvorrichtung angeordnet sein. Die kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller stromabwärtigen Schaufeln kann kleiner sein als die kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller stromaufwärtigen Schaufeln. Die kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller stromabwärtigen Schaufeln kann etwa 55 Grad bis etwa 215 Grad betragen, und die kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller stromabwärtigen Schaufeln kann etwa 85 Grad bis etwa 265 Grad betragen.
Ein Abgasbehandlungssystem mit einem ICE, das konfiguriert ist, um Abgas über eine Leitung, die durch einen äußeren Umfang definiert ist, an eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR) zu übertragen, einem Reduziermittelinjektor, der konfiguriert ist, um Reduziermittel in die Leitung stromaufwärts des SCR zu übertragen, einem ersten Mischer, der innerhalb der Leitung stromaufwärts des SCR angeordnet ist, wobei der erste Mischer drei bis fünf erste Flügel aufweist, die sich von einem nahen Ende in der Nähe eines mittleren Bereichs der Leitung zum Leitungsumfang erstrecken, worin jede der ersten Schaufeln den Fluidstrom durch die Leitung zumindest teilweise behindert und relativ zu einer Querschnittsebene der Leitung so abgewinkelt ist, dass ein Fluidstrom zwischen benachbarten ersten Schaufeln zugelassen ist, und einem zweiten Mischer, der innerhalb der Leitung stromabwärts vom ersten Mischer und stromaufwärts vom SCR angeordnet ist, wobei der zweite Mischer zwei bis vier zweite Schaufeln umfasst, die sich von einem proximalen Ende in der Nähe eines mittleren Bereichs der Leitung zum Umfang der Leitung erstrecken, worin jede der zweiten Schaufeln den Fluidstrom durch die Leitung zumindest teilweise behindert und relativ zu einer Querschnittsebene der Leitung so abgewinkelt ist, dass ein Fluidstrom zwischen benachbarten zweiten Schaufeln zugelassen ist. Der erste Mischer kann einen ersten Freistrom-Ebenenwinkel von mindestens 85 Grad und der zweite Mischer einen zweiten Freistrom-Ebenenwinkel von mindestens 140 Grad aufweisen. Die ersten Schaufeln können um ungefähr 15 Grad bis ungefähr 35 Grad relativ zur Querschnittsebene der Leitung und die zweiten Schaufeln können um ungefähr 15 Grad bis ungefähr 35 Grad relativ zur Querschnittsebene der Leitung geneigt sein. Der erste Mischer kann ferner einen zentralen Halter beinhalten, der an den proximalen Enden der ersten Schaufeln angebracht ist und einen axialen Strömungsbereich durch den ersten Mischer definiert, und/oder der zweite Mischer kann ferner einen zentralen Halter beinhalten, der an den proximalen Enden der zweiten Schaufeln angebracht ist und einen axialen Strömungsbereich durch den zweiten Mischer definiert. Der erste Mischer und der zweite Mischer können statisch sein. Die zweite Freistrom-Ebene kann größer sein als die erste Freistrom-Ebene. Die ersten Schaufeln und zweiten Schaufeln weisen einen Oberflächenbereich auf, und die Gesamtoberfläche der Vielzahl der ersten Schaufeln und der Vielzahl der zweiten Schaufeln kann kleiner oder gleich der Querschnittsfläche der Leitung sein. Die ersten Schaufeln und die zweiten Schaufeln können aus einem einzigen kompletten Mischer abgeleitet werden.
Weitere Zwecke, Vorteile und neuartige Merkmale der Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste

1 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Abgasbehandlungssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
2 veranschaulicht einen Fluidmischer gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.
3 veranschaulicht einen Fluidmischer mit reduziertem Widerstand gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.
4 veranschaulicht ein Fluidmischsystem gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie der Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
Im Allgemeinen bezieht sich diese Offenbarung auf Abgasbehandlungssysteme, die eine Vielzahl von Fluidmischern mit reduziertem Widerstand verwenden, um die Leistung verschiedener Abgasbehandlungssysteme zu verbessern. Insbesondere können Systeme zwei Mischer zum Verbessern der Mischung von Reduktionsmittel stromaufwärts einer selektiven Katalysator-Reduktionsvorrichtung (SCR) oder zum Verbessern der Mischung von unverbranntem Kraftstoff stromaufwärts einer Oxidationskatalysatorvorrichtung (OC) verwenden. Die hierin beschriebenen Systeme erbrachten eine bessere Fluidmisch- und/oder Abgasbehandlungsvorrichtung (z. B. SCR) bei gleichzeitiger Reduzierung des Systemgegendrucks im Vergleich zu anderen Mischern.
1 veranschaulicht ein Abgasbehandlungssystem 100 unter Verwendung eines oder mehrerer OCs zur Behandlung und/oder Überwachung von Gasspezies, wie beispielsweise der von einem ICE 1 erzeugten Abgasspezies 8. Das System 100 beinhaltet im Allgemeinen eine oder mehrere Abgasleitungen 9 sowie eine oder mehrere stromabwärtige Abgasbehandlungsvorrichtungen. Stromaufwärts und stromabwärts wird bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases 8 aus dem ICE 1 definiert. Wie hierin verwendet, stehen eine Vielzahl von Elementen, die als stromaufwärts und/oder stromabwärts voneinander beschrieben werden, notwendigerweise in fließender Verbindung zueinander. Die Abgasleitung 9, die mehrere Segmente umfassen kann, transportiert das Abgas 8 vom ICE 1 zu den verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 100. Der ICE 1 ist nur zur Veranschaulichung im System 100 enthalten, und die Offenbarung hierin ist nicht auf die von ICEs bereitgestellten Gasquellen zu beschränken. Es sollte weiter verstanden werden, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen für die Behandlung von Abgasströmen einschließlich NO_x, Kohlenmonoxid (CO), HC oder anderen chemischen Spezies, die wünschenswert verbrannt oder anderweitig durch OCs oxidiert werden, anwendbar sein können.
Wie hierin verwendet, bezieht sich „NO_x“ auf ein oder mehrere Stickoxide. NO_x-Substanzen können N_yO_x-Substanzen beinhalten, worin y>0 und x>0. Nichteinschränkende Beispiele von Stickoxiden können NO, NO₂, N₂O, N₂O₂, N₂O₃, N₂O₄, und N₂O₅ beinhalten. Die hierin offenbarten Verfahren eignen sich besonders für den Einsatz mit Abgasbehandlungssystemen für Verbrennungsmotoren (ICE), obwohl auch andere Anwendungen vorgesehen sind. Die hierin beschriebenen Verfahren beziehen sich auf ICE-Systeme, die unter anderem auch Dieselmotorsysteme, Benzin-Direkteinspritzsysteme, und homogene Ladungs-Selbstzündermotorsysteme einschließen können, aber nicht darauf beschränkt sind. Ein ICE kann eine Vielzahl von an einer Kurbelwelle angebrachten Hubkolben beinhalten, die betriebsmäßig an ein Antriebssystem angebracht sein können, wie einem Fahrzeugantriebssystem, um ein Fahrzeug anzutreiben (z. B. um Traktionsdrehmoment an das Antriebssystem abzugeben). Ein ICE kann beispielsweise jede Motorkonfiguration oder -anwendung sein, einschließlich verschiedener Fahrzeuganwendungen (z. B. in Automobilen, Wasserfahrzeugen und dergleichen) sowie verschiedener Nicht-Fahrzeuganwendungen (z. B. Pumpen, Generatoren und dergleichen). Während die Verbrennungsmotoren in einem fahrzeugbezogenen Kontext (z. B. Drehmoment erzeugend) beschrieben werden können, befinden sich andere nicht fahrzeugbezogene Anwendungen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung. Wenn daher auf ein Fahrzeug Bezug genommen wird, sollte diese Offenbarung dahingehend ausgelegt werden, dass sie für jede Anwendung eines ICE gilt.
Der ICE 1 kann einen oder mehrere Zylinder beinhalten (nicht dargestellt), die jeweils einen Kolben (nicht dargestellt) aufnehmen können, der sich darin hin- und herbewegen kann. Luft und Kraftstoff werden in einem oder mehreren Zylindern verbrannt, wodurch die zugehörigen Kolben darin hin- und herbewegt werden. Die Kolben können an einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) befestigt werden, die funktionsfähig an einem Fahrzeugantriebsstrang (nicht dargestellt) befestigt ist, um zum Beispiel ein Vortriebsmoment zu liefern. Abgas 8 kann im Allgemeinen Folgendes beinhalten: CO, HC, Wasser und Stickoxide (NO_x). Die Bestandteile des Abgases, wie sie hierin verwendet werden, sind nicht auf gasförmige Arten beschränkt. HC bezieht sich auf brennbare chemische Spezies, die Wasserstoff und Kohlenstoff beinhalten, und beinhaltet im Allgemeinen eine oder mehrere chemische Spezies von Benzin, Dieselkraftstoff oder dergleichen. Abgas 8 wird aus dem ICE 1 ausgestoßen und sequentiell an OC 10 und SCR 20 übermittelt. Ein Reduktionsmittel-Injektor 30 ist konfiguriert, um das Reduktionsmittel 36 stromaufwärts vom SCR 20 in die Abgasleitung 9 einzuspritzen. Das Abgas 8 kann beispielsweise über ein Fahrzeugauspuffrohr aus dem System 100 ausgestoßen werden.
Das System 100 kann weiterhin ein Steuermodul 50 beinhalten, das über eine Anzahl an Sensoren betriebsfähig verbunden ist, um den ICE 1 und/oder das Abgasbehandlungssystem 100 zu überwachen. Der hier verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppenprozessor) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten. Das Steuermodul 50 kann betriebsmäßig mit dem ICE 1, des SCR 20, und/oder einen oder mehreren Sensoren verbunden werden. Wie dargestellt, ist das Steuermodul 50 in Verbindung mit einem stromaufwärtigen NO_x -Sensor 60, der stromaufwärts des SCR 20 angeordnet ist, und einem stromabwärtigen NO_x -Sensor 62, der stromabwärts des SCR 20 angeordnet ist. Der stromaufwärtige NOx-Sensor 60 und der stromabwärtige NOx-Sensor 62 können mit der Abgasleitung 9 in Fluidverbindung stehen, um beispielsweise Proben aus dem Abgas 8 zu extrahieren.
Generell beinhaltet SCR 20 alle Geräte, die ein Reduktionsmittel 36 und einen Katalysator nutzen, um NOx Spezies zu den gewünschten chemischen Spezies zu reduzieren, einschließlich beispielsweise zweiatomigen Stickstoff, stickstoffhaltige inerte Spezies oder Spezies, welche als annehmbare Emissionen betrachtet werden. Das Reduktionsmittel 36 kann Ammoniak (NH₃) sein, wie z. B. wasserfreies Ammoniak oder wässriges Ammoniak, oder aus einer Stickstoff- und wasserstoffreichen Substanz, wie Harnstoff (CO(NH₂)₂), erzeugt werden, die zu NH₃ zersetzt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann Reduktionsmittel 36 jede Zusammensetzung sein, die in der Lage ist, sich bei Vorhandensein von Abgas 8 und/oder Wärme zu zersetzen oder zu reagieren, um Ammoniak auszubilden. Das Reduktionsmittel 36 kann in verschiedenen Implementierungen mit Wasser verdünnt werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 36 mit Wasser verdünnt wird, verdampft die Wärme (z. B. aus dem Abgas) das Wasser, und Ammoniak wird der SCR 20 zugeführt. Nicht-Ammoniak-Reduktionsmittel können, wie gewünscht, als vollständige oder teilweise Alternative zu Ammoniak verwendet werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 36 Harnstoff beinhaltet, reagiert der Harnstoff mit dem heißen Abgas 8, um Ammoniak zu erzeugen, und Ammoniak wird dem SCR 20 zugeführt. Die nachfolgende Gleichung (1) unten stellt eine exemplarische chemische Reaktion der Ammoniakproduktion durch Harnstoffzersetzung bereit. CO(NH₂)₂+H₂O→2NH₃+CO₂ (1)
Es versteht sich, dass die Gleichung (1) lediglich veranschaulichend, und nicht dazu gedacht ist, die Zersetzung von Harnstoff oder eines anderen Reduktionsmittels 36 auf einen bestimmten einzigen Mechanismus zu beschränken und den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen. Eine effiziente Zersetzung von Harnstoff zu NH₃ erfordert typischerweise Temperaturen über ungefähr 200 °C, und, je nach Menge des eingespritzten Harnstoffs, beispielsweise relativ zu einer Strömungsrate des Abgases 8, Harnstoff kann bei Temperaturen unter ungefähr 200 °C kristallisieren. Dementsprechend werden Reduktionsmittel-Einspritzvorgänge 36 und/oder die Dosiermengen typischerweise, unter anderem basierend auf der Systemtemperatur und der Abgas 8-Strömungsgeschwindigkeit, festgelegt, sodass der Ertrag der Harnstoff-Zersetzung maximiert und die Harnstoff-Kristallisation minimiert wird.
Die Gleichungen (2) - (6) liefern exemplarische chemische Reaktionen für NO_x-Reduktion mit Ammoniak. 6NO+4NH₃→5N₂+6H₂O (2) 4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O (3) 6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O (4) 2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O (5) NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O (6)
Es versteht sich, dass die Gleichungen (2) - (6) lediglich veranschaulichend sind und nicht dazu gedacht sind, die SCR 20 auf einen bestimmten NO_x Reduktionsmechanismus oder NOx-Reduktionsmechanismen zu begrenzen, noch um den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen. Die SCR 20 kann so konfiguriert sein, dass diese eine der oben genannten NO_x-Reduktionsreaktionen, Kombinationen der vorstehenden NO_x-Reduktionsreaktionen und andere NO_x-Reduktionsreaktionen ausführt.
Wie in 1 dargestellt beinhaltet SCR 20 eine katalytische Zusammensetzung (CC) 22, die in einer Schale oder einem Kanister verpackt ist, die im Allgemeinen eine stromaufwärtige Seite 20' (d. h. Einlass) und eine stromabwärtige Seite 20" (d. h. Auslass) definieren und in Fluidverbindung mit Abgasleitung 9 und gegebenenfalls anderen Abgasbehandlungseinrichtungen (z. B. OC 10) stehen. Die Hülle oder der Behälter kann idealerweise aus einem gegenüber den Abgasbestandteilen weitgehend inerten Werkstoff, wie z. B. Edelstahl, bestehen. SCR 20 ist dazu konfiguriert, um Abgas 8 und Reduktionsmittel 36 an der stromaufwärtigen Seite 20' aufzunehmen. Die CC 22 kann ein poröses Material mit großer Oberfläche sein, das effizient arbeiten kann, um NO_x-Bestandteile im Abgas 8 bei Vorhandensein eines Reduktionsmittels 36, wie Ammoniak, umzuwandeln. So kann beispielsweise die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith und eine oder mehrere Basismetallkomponenten, wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V), Natrium (Na), Barium (Ba), Titan (Ti), Wolfram (W) und Kombinationen davon, enthalten. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith enthalten, der mit einem oder mehreren von Kupfer, Eisen oder Vanadium imprägniert ist. In einigen Ausführungsformen kann der Zeolith ein β-Zeolith, ein Y-Zeolith, ein ZM5-Zeolith oder eine beliebige andere kristalline Zeolithstruktur, wie ein Chabazit oder ein USY (ultrastabiler Y-Typ)-Zeolith, sein. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith Chabazit. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith SSZ. Geeignete CC 22 können eine hohe thermische Strukturstabilität aufweisen, insbesondere wenn sie im Tandem mit Partikelfilter (PF)-Vorrichtungen verwendet werden oder wenn sie in die selektiven katalytischen Reduktionsfilter-Vorrichtungen (SCRF) integriert werden, die mithilfe von Hochtemperatur-Rußverbrennungsverfahren regeneriert werden. CC 22 kann optional auch ein oder mehrere basische Metalloxide als Promotoren umfassen, um die SO₃ -Bildung weiter zu verringern und die Laufzeit des Katalysators zu verlängern. Die einen oder mehreren basischen Metalloxide können in einigen Ausführungsformen WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ beinhalten. In einer Ausführungsform können WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ in Kombination mit V₂O₅ verwendet werden.
SCR 20 kann eine Anspringtemperatur aufweisen, oberhalb derer CC 22 eine gewünschte oder geeignete katalytische Aktivität oder Ausbeute aufweist (z. B. Reduktion von NOx-Spezies). Die Anspringtemperatur kann, unter anderem, abhängig von der Art der katalytischen Materialien sein, aus denen CC 22 besteht, und von der Menge der katalytischen Materialien in SCR 20. Zum Beispiel kann eine CC 22, die V₂O₅ umfassen, eine Anspringtemperatur von ungefähr 300 °C aufweisen. In einem anderen Beispiel kann eine CC 22, die Fe-imprägnierten Zeolith umfasst, eine Anspringtemperatur von ungefähr 350 °C aufweisen. In einem anderen Beispiel kann eine CC 22, umfassend Cu-imprägnierten Zeolith, eine Anspringtemperatur von ungefähr 150 °C aufweisen. Wenn die SCR 20 bei einer Temperatur unterhalb ihrer Anspringtemperatur arbeitet, können ein unerwünschter NO_x-Durchbruch und ein NH₃-Schlupf auftreten, worin NO_x und/oder NH₃ durch die SCR 20 nicht umgesetzt oder nicht gespeichert passieren. NO_x-Durchbruch und NH₃-Schlupf können unmittelbar nach dem Motorstart und bei kalten Bedingungen besonders problematisch sein. NO_x Durchbruch kann beispielsweise auch durch Magerverbrennungsstrategien verstärkt werden, die üblicherweise in Dieselmotoren implementiert sind. Magerverbrennungsstrategien koordinieren die Verbrennung bei höheren als stöchiometrischen Luft-zu-Kraftstoff-Massenverhältnissen, um die Kraftstoffeinsparung zu verbessern, und erzeugen heißes Abgas mit einem relativ hohen Gehalt an O2- und NO_x-Spezies. Der hohe O2-Gehalt kann die Reduktion von NO_x-Spezies in einigen Szenarien weiter hemmen oder verhindern.
CC 22 kann auf einem Substratkörper angeordnet sein, wie einem Metall oder keramischen Backstein, einer Platte oder monolithischen Wabenstruktur. CC 22 kann beispielsweise auf dem Substratkörper als Washcoat abgelagert werden. Eine monolithische Wabenstruktur kann mehrere Hundert bis mehrere Tausend parallele Durchflusszellen pro Quadratzoll enthalten, obwohl auch andere Konfigurationen geeignet sind. Jede der Durchflusszellen kann durch eine Wandoberfläche definiert sein, auf der die CC 22 per Washcoat-Verfahren aufgetragen werden kann. Der Substratkörper kann aus einem Material ausgebildet sein, das den Temperaturen und der chemischen Umgebung, die mit dem Abgas 8 verbunden ist, standhalten kann. Einige spezifische Beispiele für Materialien, die verwendet werden können, beinhalten Keramik, wie extrudiertes Cordierit, α-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirkonoxid, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Magnesiumoxid, Zirkoniumsilikat, Sillimanit, Petalit, oder ein hitze- und korrosionsbeständiges Metall, wie Titan oder Edelstahl. Das Substrat kann beispielsweise ein nichtsulfatierendes TiO₂-Material beinhalten. Der Substratkörper kann umfassen, zusammenhängend ausgebildet sein mit oder nahe der Heizung 40 liegen, wie es nachfolgend beschrieben ist. Ein Beispiel einer Abgasbehandlungsvorrichtung ist eine SCRF, die die katalytischen Aspekte des SCRs, zusätzlich zu den Schwebstofffilterungs-Eigenschaften, bereitstellt. Im Allgemeinen umfasst eine SCRF eine auf ein Filtersubstrat angewendete CC 22, wie einen Keramik- oder SiC-Wandströmungs-Monolithfilter, gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern usw. In einigen Ausführungsformen kann das SCRF-Filtersubstrat umfassen, zusammenhängend ausgebildet sein mit oder nahe der Heizung 40 liegen, wie es nachfolgend beschrieben ist.
Der SCR 20 kann das Reduktionsmittel 36 zum Zusammenwirken mit dem Abgas 8 speichern (d. h. absorbieren und/oder adsorbieren). Das Reduktionsmittel kann zum Beispiel innerhalb des SCR-Katalysators als Ammoniak gespeichert werden. Während des Betriebs des SCR 20 kann das eingespritzte Reduktionsmittel 36 im SCR 20 gespeichert und anschließend bei Reduktionsreaktionen mit NOx-Spezies verbraucht werden. Die Zersetzung und Speicherung des Reduktionsmittels 36 wird immer effektiver, da die Tropfengröße des Reduktionsmittels in der Leitung 9 abnimmt. Ein Reduktionsmittel 36 kann von einer Reduktionsmittel-Zufuhrquelle (nicht dargestellt) zugeführt und in die Abgasleitung 9 an einer Stelle stromaufwärts der SCR 20 unter Verwendung einer Einspritzdüse 30 oder eines anderen geeigneten Verfahrens zur Zufuhr des Reduktionsmittels eingespritzt werden. Das Reduktionsmittel 36 kann in Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Lösung, wie einer wässrigen Harnstofflösung, vorliegen. Das Reduktionsmittel 36 kann mit Luft in der Einspritzdüse 30 gemischt werden, um die Dispersion des eingespritzten Sprays zu unterstützen. Ein erster Mischer 38 kann in der Abgasleitung 9 stromaufwärts des SCR 20 angeordnet werden, um die Durchmischung des Reduktionsmittels 36 mit dem Abgas 8 und/oder die gleichmäßige Verteilung im SCR 20 und insbesondere über die CC 22 weiter zu unterstützen. Der erste Mischer kann stromabwärts des Injektors 30 oder stromaufwärts des Injektors 30 angeordnet werden. Der erste Mischer 38 kann in Kombination mit einem zweiten Mischer 39 verwendet werden, der in der Abgasleitung 9 stromabwärts des Injektors 30 und des ersten Mischers 38 und stromaufwärts des SCR 20 angeordnet ist. Der erste Mischer 38 und der zweite Mischer 39 (nachfolgend „Mischer 38,39“ genannt) können im Allgemeinen aus einem festen oder beweglichen Körper bestehen, der zum Mischen, Verdampfen und/oder sonstigen Kontaktieren des Reduktionsmittels 36 innerhalb der Leitung 9 konfiguriert ist. Die Mischer 38,39 können beispielsweise ein metallisches oder elektrisch leitfähiges Material umfassen. Die Mischer 38,39 können partielle Mischer sein, wie nachfolgend beschrieben. Im Rahmen dieser Offenbarung werden die Mischer 38,39 in Bezug auf SCR 20 beschrieben, um die Dispergierung des Reduktionsmittels 36 in der Leitung 9 stromaufwärts des SCR 20 zu erleichtern. Die Mischer 38,39 sind jedoch im Allgemeinen für die Dispergierung von Flüssigkeiten innerhalb der Leitung 9 geeignet. So können beispielsweise die Mischer 38,39 zur Dispergierung von flüssigem HC innerhalb der Leitung 9 vor einer Oxidationskatalysatorvorrichtung (OC) eingesetzt werden. In einer derartigen Ausführungsform kann der Reduktionsmittel-Injektor 30 einen Kraftstoffinjektor umfassen, der stromaufwärts von einem OC angeordnet ist. Darüber hinaus kann der Reduktionsmittel-Injektor 30 in anderen Ausführungsformen einen Flüssigkeitsinjektor umfassen, und SCR 20 ist als optional anzusehen und kann jede Abgasbehandlungsvorrichtung oder andere Vorrichtung umfassen, die Flüssigkeit über die Leitung 9 aufnehmen kann.
2 veranschaulicht einen Mischer 37, der beispielsweise für die Mischer 38,39 repräsentativ sein kann. Der Mischer 37 umfasst eine Vielzahl von Schaufeln 70, die sich von einem mittleren Bereich nach außen erstrecken. Bei Anordnung innerhalb einer Leitung, wie zum Beispiel der Leitung 9, entspricht der mittlere Bereich des Mischers 37 dem mittleren Bereich der Leitung. Der Mischer 37 kann weiterhin einen zentralen Halter 71 umfassen, der durch einen Durchmesser D* definiert werden kann. Der zentrale Halter 71 sieht einen Befestigungspunkt für ein proximales Ende 70A von jeder der Vielzahl von Schaufeln 70 vor und definiert auch einen zentralen axialen Strömungsbereich innerhalb der Leitung 9, der einen erhöhten Fluidstrom durch den Mischer 37 ermöglicht. Der zentrale Halter 71 muss nicht auf eine runde Form beschränkt sein und kann jede geeignete Form annehmen, durch die das gewünschte Resultat der Schaufel 70 und des Fluidstroms erreicht wird. Der Mischer 37 definiert im Allgemeinen eine Ebene, die durch einen Durchmesser D definiert werden kann, und wird als einen kreisförmigen Umfang dargestellt, jedoch kann der Mischer 37 verschiedene Umfangsformen umfassen, einschließlich z. B. Kugeln und Quadrate. In den am besten geeigneten Ausführungsformen entsprechen die Umfangsform und der Durchmesser D des Mischers 37 im Allgemeinen dem Innendurchmesser und der Querschnittsform der Leitung 9. Weiterhin, wenn innerhalb der Leitung 9 angeordnet, ist die durch den Durchmesser D des Mischers 37 definierte Ebene im Allgemeinen parallel oder eben mit der Querschnittsfläche der Leitung 9 an der jeweiligen Stelle. Die geometrische Ausdehnung des Mischers 37 kann durch ein distales Ende 70B jeder der Schaufeln 70 oder durch ein optionales Außenband 72 definiert werden. Die distalen Enden 70B jeder der Schaufeln 70 oder das optionale Außenband 72 können benachbart zum Außenumfang der Leitung 9* angeordnet werden (siehe 4). Das Außenband 72 kann als Befestigungspunkt und strukturelle Stütze für die distalen Enden 70B der Schaufeln 70 dienen und die Befestigung des Mischers 37 innerhalb einer Leitung, wie zum Beispiel der Leitung 9, weiter unterstützen. Das Außenband 72 kann optional mit einer Dehnungsfuge ausgestattet werden, um beispielsweise Straßenbelastungen, wenn der Mischer 37 in einem Fahrzeug eingesetzt wird, und Wärmeausdehnungen auszugleichen. Das Außenband 72 kann beispielsweise mit der Leitung 9 verschweißt oder mit anderen geeigneten Mitteln in einer Position gehalten werden.
Wenn der Mischer 37 innerhalb einer Leitung angeordnet ist, behindert jede der mehreren Schaufeln 70 zumindest teilweise den Fluidstrom innerhalb der Leitung 9. Die Schaufeln 70 können relativ zu einer Querschnittsebene der Leitung so abgewinkelt werden, dass ein Fluidstrom zwischen einer oder mehreren benachbarten Schaufeln 70 zugelassen wird. Die Breite W einer Schaufel 70 kann relativ zu einer Länge L der Schaufel 70 variieren, und die Breite W der Schaufel 70 nimmt im Allgemeinen vom proximalen Ende 70A zum distalen Ende 70B zu. Die Breite W einer Schaufel 70 kann als eine Winkellänge in Grad definiert werden, worin eine 360 Grad Winkellänge einer Schaufel 70 entsprechen würde, die den Fluidstrom durch die durch den Durchmesser D definierte Ebene des Mischer 37 vollständig behindern würde (z. B. eine kreisförmige Scheibe für einen Mischer mit einem kreisförmigem Umfang). Die Winkellänge Breite W einer Schaufel 70 muss nicht über die gesamte Länge L der Schaufel 70 konstant sein und stellt daher im Allgemeinen eine mittlere Breite dar. Eine Schaufel 70 kann eine Winkelbreite W von etwa 35 Grad bis 55 Grad aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Winkelbreite W einer Schaufel 70 bis zu etwa 360/(Anzahl der Schaufeln 70) betragen, das heißt, die Gesamtfläche der Schaufeln 70 überschreitet nicht die Querschnittsfläche der Leitung 9. In einer derartigen Aus führungs form kann die Querschnittsfläche der Leitung 9 an der Position des Mischers 37 bestimmt werden.
Die Schaufeln 70 können relativ zur Querschnittsebene der Leitung 9 abgewinkelt sein. Die Schaufeln 70 können um etwa 15 Grad bis etwa 35 Grad oder um etwa 20 Grad bis etwa 30 Grad relativ zur Querschnittsebene der Leitung 9 geneigt werden. Bei einer Ausführungsform können die Schaufeln 70 um etwa 25 Grad gegenüber der Querschnittsebene der Leitung 9 abgewinkelt sein. Eine abgewinkelte Schaufel 70 weist eine wahrgenommene Breite auf, wenn sie senkrecht zur Querschnittsebene der Leitung 9 betrachtet wird, die kleiner ist als die tatsächliche Breite W. Ebenso weist eine nicht abgewinkelte Schaufel 70 (d. h. eine Schaufel 70 planar mit der Querschnittsebene der Leitung 9) eine wahrgenommene Breite gleich der tatsächlichen Breite W auf. So hat beispielsweise eine Schaufel 70 mit einer Breite W von 51,4 Grad und einem Winkel von 25 Grad gegenüber der Querschnittsebene der Leitung 9 eine wahrgenommene Breite von etwa 46,6 Grad.
Das System 100 nutzt vorteilhaft zwei Mischer, 38 und 39, die widerstandsreduzierte Varianten des Mischers 37 sind, um den Kompromiss zwischen Mischdruckabfall und verbesserter Flüssigkeitsdispergierung innerhalb der Leitung 9 zu umgehen und den Druckabfall im System 100 zu reduzieren. Obwohl zwei Mischer dargestellt sind, ist es praktikabel, mehr als zwei Mischer mit reduziertem Widerstand einzusetzen. Das Reduzieren des Tropfendurchmessers des Reduktionsmittels 36 ist entscheidend für die Umwandlung von Harnstoff in NH₃, und schließlich die Reduktion von NOx innerhalb des SCR 20. Ebenso kann das Reduzieren der Tropfengröße von HC die Oxidation derselben in einem OC vorteilhaft fördern. Die Mischer 38,39 bewirken eine synergistische Auflösung der Flüssigkeit (d. h. eine Reduzierung der Tropfengröße) und induzieren eine turbulente Strömung innerhalb der Leitung 9 über die niederohmigen Zonen, die durch die nachstehend beschriebenen Freistromebenen gebildet werden. Diese Effekte verbessern die Leistung des SCR 20 und weisen geringere Systemdruckverluste im Vergleich zu den einzelnen Mischern 37 auf. Die Abscheidung von Reduktionsmittel 36 innerhalb der Leitung 9 wird ebenfalls reduziert oder eliminiert.
3 veranschaulicht eine widerstandsreduzierte Variante des Mischers 40 mit einer Vielzahl von Schaufeln 70 (z. B. 3 Schaufeln 70). Der Mischer 40 kann beispielsweise 2 bis 10 Schaufeln umfassen. Der Mischer 40 umfasst eine Turbulenzebene 41, in der alle Schaufeln 70 auftreten, und wird durch die beiden äußersten Schaufeln 70 der Kanten 42 definiert. Die Turbulenzebene 41 kann durch einen Winkel θ definiert werden, der ebenfalls zwischen den beiden äußersten Schaufeln 70 der Kanten 42 gemessen wird. Die kombinierte wahrgenommene Winkelbreite aller Schaufeln 70 kann kleiner als die Turbulenzebene 41 des Winkels 0 sein. Die kombinierte tatsächliche Winkelbreite aller Schaufeln 70 kann kleiner als oder größer als die Turbulenzebene 41 des Winkels 0 sein. Der Mischer 40 umfasst ferner eine Freistromebene 43, die komplementär zur Turbulenzebene 41 ist und eine Ebene, in der keine Schaufeln 70 auftreten. Im Allgemeinen umfassen die Turbulenzebene 41 und die Freistromebene 43 kombinierte Winkelgrößen von etwa 360 Grad. Widerstandsreduzierte Varianten des Mischers 37 können durch das Vorhandensein einer Freistromebene 43 definiert werden, die mindestens etwa 50 Grad und insbesondere mindestens etwa 100 Grad beträgt.
Bei einigen Ausführungsformen kann die durchschnittliche tatsächliche Winkelbreite einer Schaufel 70 bis zu etwa (Turbulenzebenenwinkel)/(Anzahl der Schaufeln 70) betragen, das heißt, die Gesamtfläche der Schaufeln 70 überschreitet nicht die Querschnittsfläche der Turbulenzebene. Wie dargestellt, kann der zentrale Halter 71 radial komplett sein. Bei weiteren Ausführungsformen, wie nachfolgend in 4 dargestellt, kann der zentrale Halter 71 radial unvollständig sein und beispielsweise im Allgemeinen den strukturellen Anforderungen der Schaufeln 70 entsprechen. Wie in 4 dargestellt, kann beispielsweise der zentrale Halter 71 benachbart zu den beiden äußersten Schaufelkanten 42 enden. Ebenso kann das optionale Außenband 72 radial komplett sein. Bei anderen Ausführungen kann das optionale Außenband 72 radial unvollständig sein und beispielsweise im Allgemeinen den strukturellen Anforderungen der Schaufeln 70 entsprechen. So kann beispielsweise das optionale Außenband 72 benachbart zu den beiden äußersten Schaufelkanten 42 enden.
4 veranschaulicht eine Leitung 9, in der die Mischer 38,39 angeordnet sind. Die Mischer 38,39 kooperieren bei der Dispergierung von Fluid (z. B. Reduktionsmittel 36), das vom Injektor 30 in die Leitung 9 eingespritzt wird. Die Mischer 38 und 39 umfassen, wie dargestellt, jeweils Mischer mit reduziertem Widerstand. Der Injektor 30 kann stromaufwärts des Mischers 38 an der stromaufwärtigen Position 31 oder zwischen den Mischern 38 und 39 an der stromabwärtigen Position 32 positioniert werden. Die Position des Injektors 30 wird durch die Stelle bestimmt, an der der Injektor 30 ein Fluid (z. B. Reduktionsmittel 36) in die Leitung 9 einspritzt. Bei einigen Ausführungsformen kann die Leitung 9 eine Biegung (nicht dargestellt) zwischen den Mischern 38 und 39 aufweisen. Um die Auflösung der Flüssigkeit (z. B. Reduktionsmittel 36) und die Turbulenz innerhalb der Leitung 9 zu erhöhen, können sich die Turbulenzebenen der Mischer 38,39 relativ zum allgemeinen Strömungsweg der Leitung 9 überlappen. Die Mischer 38,39 können statisch sein und somit die Herstellungskosten und die Wahrscheinlichkeit von Leistungsfehlern reduzieren. Weiterhin können die Mischer 38,39 von einem einzelnen Mischer (z. B. Mischer 37) abgeleitet werden.
Der Mischer 38 kann mehr Schaufeln 70 als der Mischer 39 umfassen. Bei einer Ausführungsform umfasst der Mischer 38 zwischen 3 und 5 Schaufeln 70 und der Mischer 39 zwischen 2 und 4 Schaufeln 70. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst Mischer 38 zwischen 3 und 5 Schaufeln 70, der Mischer 39 zwischen 2 und 4 Schaufeln 70 und der Mischer 38 mehr Schaufeln 70 als der Mischer 39. Zusätzlich oder alternativ kann der Mischer 38 eine größere Turbulenzebene 41 im Winkel θ umfassen als der Mischer 39. Bei einer Ausführungsform umfasst der Mischer 38 eine Turbulenzebene 41 im Winkel θ von etwa 95 Grad bis etwa 275 Grad und der Mischer 39 eine Turbulenzebene 41 im Winkel θ von etwa 60 Grad bis etwa 220 Grad. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst der Mischer 38 eine Turbulenzebene 41 im Winkel θ von etwa 95 Grad bis etwa 275 Grad, der Mischer 39 eine Turbulenzebene 41 im Winkel θ von etwa 60 Grad bis etwa 220 Grad und der Mischer 38 eine größere Turbulenzebene 41 im Winkel θ als der Mischer 39. Ebenso umfasst der Mischer 38 eine Freistromebene 43 mit einem Winkel von etwa 265 Grad bis etwa 85 Grad und der Mischer 39 umfasst eine Freistromebene 43 mit einem Winkel von etwa 300 Grad bis etwa 140 Grad. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst der Mischer 38 eine Freistromebene 43 mit einem Winkel von mindestens etwa 85 Grad und der Mischer 39 umfasst eine Freistromebene 43 mit einem Winkel von mindestens etwa 140 Grad.
Zusätzlich oder alternativ kann die kombinierte wahrgenommene mittlere Breite aller Schaufeln 70 des Mischers 39 kleiner sein als die kombinierte wahrgenommene mittlere Breite aller Schaufeln 70 des Mischers 38. In einer Ausführungsform beträgt die kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller Schaufeln 70 des Mischers 38 höchstens 265 Grad, und die kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller Schaufeln 70 des Mischers 39 höchstens 215 Grad. In einer Ausführungsform beträgt die kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller Schaufeln 70 des Mischers 38 etwa 85 Grad bis etwa 265 Grad, und die kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller Schaufeln 70 des Mischers 39 beträgt etwa 55 Grad bis etwa 215 Grad. In einer spezifischen Ausführungsform beträgt die kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller Schaufeln 70 des Mischers 38 etwa 85 Grad bis etwa 265 Grad, die kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller Schaufeln 70 des Mischers 39 etwa 55 Grad bis etwa 215 Grad, und die kombinierte wahrgenommene mittlere Breite aller Schaufeln 70 des Mischers 39 ist geringer als die kombinierte wahrgenommene mittlere Breite aller Schaufeln 70 des Mischers 38.
In einer spezifischen Ausführungsform umfasst der Mischer 38 je 4 Schaufeln und der Mischer 39 je 3 Schaufeln. Die kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller Schaufeln 70 des Mischers 38 kann etwa 110 Grad bis etwa 215 Grad betragen, und die kombinierte wahrgenommene mittlere Winkelbreite aller Schaufeln 70 des Mischers 39 kann etwa 85 Grad bis etwa 160 Grad betragen. Der Mischer 38 kann eine Turbulenzebene 41 im Winkel θ von etwa 130 Grad bis etwa 220 Grad umfassen und der Mischer 39 kann eine Turbulenzebene 41 im Winkel θ von etwa 95 Grad bis etwa 165 Grad umfassen.
Während oben exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst sind. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sein könnten, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt zu sein, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Daher sind Ausführungsformen, die nach dem Stand der Technik, in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Abgasbehandlungssystem, umfassend: einen ICE, der konfiguriert ist, um Abgas über eine durch einen äußeren Umfang definierte Leitung zu einer selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung (SCR) zu leiten; einen Reduktionsmittel-Injektor, der konfiguriert ist, um Reduktionsmittel in die Leitung stromaufwärts des SCR zu leiten; einen ersten Mischer, der innerhalb der Leitung stromaufwärts des Reduktionsmittel-Injektors angeordnet ist, worin der erste Mischer eine Vielzahl von ersten Schaufeln umfasst, die sich zwischen einem mittleren Bereich der Leitung und dem Umfang der Leitung erstrecken, worin jede der ersten Schaufeln den Fluidstrom durch die Leitung zumindest teilweise behindert und relativ zu einer Querschnittsebene der Leitung so abgewinkelt ist, dass ein Fluidstrom zwischen benachbarten ersten Schaufeln zugelassen ist, und die Vielzahl der ersten Schaufeln eine erste Turbulenzebene bildet, die durch einen ersten Ebenenwinkel, der von den beiden äußersten ersten Schaufeln der ersten Turbulenzebene gemessen wird, definiert ist; und einen zweiten Mischer, der innerhalb der Leitung stromabwärts des SCR angeordnet ist, worin der zweite Mischer eine Vielzahl von zweiten Schaufeln umfasst, die sich zwischen einem mittleren Bereich der Leitung und dem Umfang der Leitung erstrecken, worin jede der zweiten Schaufeln den Fluidstrom durch die Leitung zumindest teilweise behindert und relativ zu einer Querschnittsebene der Leitung so abgewinkelt ist, dass ein Fluidstrom zwischen benachbarten zweiten Schaufeln zugelassen ist, und die Vielzahl der zweiten Schaufeln eine zweite Turbulenzebene bildet, die durch einen zweiten Ebenenwinkel, der von den beiden äußersten zweiten Schaufeln der zweiten Turbulenzebene gemessen wird, definiert ist; worin der erste Ebenenwinkel und der zweite Ebenenwinkel zusammen nicht größer als 360 Grad sind.
Abgasbehandlungssystem, umfassend: einen ICE, der konfiguriert ist, um Abgas über eine durch einen äußeren Umfang definierte Leitung zu einer selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung (SCR) zu leiten; einen Reduktionsmittel-Injektor, der konfiguriert ist, um Reduktionsmittel in die Leitung stromaufwärts des SCR zu leiten; einen ersten Mischer, der innerhalb der Leitung stromaufwärts des SCR angeordnet ist, wobei der erste Mischer drei bis fünf erste Schaufeln umfasst, die sich von einem proximalen Ende benachbart zu einem mittleren Bereich der Leitung zum Umfang der Leitung erstrecken, worin jede der ersten Schaufeln den Fluidstrom durch die Leitung zumindest teilweise behindert und relativ zu einer Querschnittsebene der Leitung so geneigt ist, dass ein Fluidstrom zwischen benachbarten ersten Schaufeln zugelassen wird; und einen zweiten Mischer, der innerhalb der Leitung stromabwärts des ersten Mischers und stromaufwärts des SCR angeordnet ist, wobei der zweite Mischer zwei bis vier zweite Schaufeln umfasst, die sich von einem proximalen Ende benachbart zu einem mittleren Bereich der Leitung zum Umfang der Leitung erstrecken, worin jede der zweiten Schaufeln den Fluidstrom durch die Leitung zumindest teilweise behindert und relativ zu einer Querschnittsebene der Leitung so geneigt ist, dass ein Fluidstrom zwischen benachbarten zweiten Schaufeln zugelassen wird; worin der erste Mischer einen ersten Freistrom-Ebenenwinkel von mindestens 85 Grad und der zweite Mischer einen zweiten Freistrom-Ebenenwinkel von mindestens 140 Grad umfasst.
Abgasbehandlungssysteme nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, worin sich die erste Turbulenzebene und die zweite Turbulenzebene zumindest teilweise überlappen.
Abgasbehandlungssysteme nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, worin die ersten Schaufeln um ungefähr 15 Grad bis ungefähr 35 Grad relativ zur Querschnittsebene der Leitung und die zweiten Schaufeln um ungefähr 15 Grad bis ungefähr 35 Grad relativ zur Querschnittsebene der Leitung geneigt sind.
Abgasbehandlungssysteme nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, worin die Leitung eine Biegung zwischen dem ersten Mischer und dem zweiten Mischer umfasst.
Abgasbehandlungssysteme nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, worin der erste Turbulenzebenenwinkel größer ist als der zweite Turbulenzebenenwinkel.
Abgasbehandlungssysteme nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, worin der erste Turbulenzebenenwinkel etwa 95 Grad bis etwa 275 Grad und der zweite Turbulenzebenenwinkel etwa 60 Grad bis etwa 220 Grad beträgt.
Abgasbehandlungssysteme nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, worin der erste Mischer und der zweite Mischer statisch sind.
Abgasbehandlungssysteme nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, worin jede der ersten Schaufeln und zweiten Schaufeln eine Oberfläche umfasst und die Gesamtoberfläche der Vielzahl der ersten Schaufeln und der Vielzahl der zweiten Schaufeln kleiner oder gleich der Querschnittsfläche der Leitung ist.
Abgasbehandlungssysteme nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, worin die ersten Schaufeln und die zweiten Schaufeln von einem einzelnen kompletten Mischer abgeleitet sind.