DE112012003742T5

DE112012003742T5 - Einer Einspritzposition vorgeschalteter Abgasströmungsmodifizierer

Info

Publication number: DE112012003742T5
Application number: DE112012003742.1T
Authority: DE
Inventors: Ryan A. Floyd; Joseph G. Ralph; James J. Reynolds; Manoj K. Sampath; Michael Wenk; Stephen M. Thomas; Jeremy Popovich; Alison Chambers
Original assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Current assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: CN107131032B; CN107131032A; DE112012003742B4; JP2014531554A; KR20140067086A; WO2013036406A2; WO2013036406A3; CN103857889B; BR112014005214A2; KR101610707B1; US20130061577A1; US8677738B2; CN103857889A

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Abgasbehandlungssystem zum Vermindern von Emissionen von einem Motor bereitgestellt, wobei das Abgasbehandlungssystem eine Abgasleitung aufweist, die dazu geeignet ist, einer Abgasbehandlungsvorrichtung einen Abgasstrom vom Motor zuzuführen. Die Leitung weist eine Öffnung auf. Eine Einspritzeinrichtung spritzt ein Reagenzmittel über die Öffnung in den Abgasstrom ein. Ein Strömungsmodifizierer ist innerhalb der Abgasleitung stromaufwärts von der Einspritzeinrichtung angeordnet. Der Strömungsmodifizierer weist eine Ablenkeinrichtung zum Erhöhen der Geschwindigkeit des Abgases an einer vorgegebenen Stelle innerhalb der Leitung bezüglich des eingespritzten Reagenzmittels auf.

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Abgasbehandlungssysteme. Insbesondere wird ein Abgasströmungsmodifizierer stromaufwärts von einer Reagenzmitteleinspritzeinrichtung zum Verbessern der Fixierung und Verteilung des Reagenzmittels innerhalb des Motorabgasstroms bereitgestellt.
Hintergrund der Erfindung
Dieser Abschnitt stellt mit der vorliegenden Erfindung in Beziehung stehende Hintergrundinformation bereit, die nicht unbedingt den Stand der Technik betrifft.
Zum Vermindern der Menge von unerwünschtem Feinstaub und NO_x, die während des Betriebs eines Verbrennungsmotors in die Atmosphäre freigesetzt werden, sind mehrere Abgasnachbehandlungssysteme entwickelt worden. Ein Bedarf für Abgasnachbehandlungssysteme besteht insbesondere, wenn Dieselverbrennungsprozesse ausgeführt werden.
Ein zum Vermindern von NO_x-Emissionen von Verbrennungsmotoren verwendetes Verfahren ist als selektive katalytische Reduktion (SCR) bekannt. SCR kann das Einspritzen eines Reagenzmittel in den Abgasstrom des Motors zum Erzeugen eines Reagenzmittel-Abgas-Gemischs beinhalten, das anschließend durch einen Reaktor geleitet wird, der einen Katalysator enthält, wie beispielsweise Aktivkohle oder Metalle, wie Platin, Vanadium oder Wolfram, die dazu geeignet sind, die NO_x-Konzentration bei Vorhandensein des Reagenzmittel zu reduzieren.
Es ist bekannt, dass eine wässrige Harnstofflösung ein wirksames Reagenzmittel in SCR-Systemen für Dieselmotoren ist. Die Verwendung einer wässrigen Lösung und anderer Reagenzien kann jedoch Nachteile haben. Harnstoff ist hochgradig korrosiv und greift mechanischen Komponenten des SCR-Systems an. Harnstoff neigt außerdem dazu, sich zu verfestigen, wenn es für längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wie sie beispielsweise in Dieselabgassystemen vorherrschen. Dadurch entsteht ein Problem dahingehend, dass das sich ablagernde Reagenzmittel nicht für die Reduktion von NO_x zur Verfügung steht.
Darüber hinaus wird, wenn das Reagenzmittel nicht geeignet mit dem Abgas gemischt wird, das Reagenzmittel nicht effizient genutzt, wodurch die Funktion des Katalysators und damit die Wirksamkeit des SCR-Systems vermindert wird. Als eine Technik zum Minimieren des Problems der unzureichenden Zerstäubung des Harnstoffgemischs wurden hohe Reagenzmitteleinspritzdrücke verwendet. Allerdings können hohe Einspritzdrücke zu einem übermäßigen Durchdringen des eingespritzten Sprühnebels in den Abgasstrom führen, wodurch veranlasst wird, dass der Nebel auf die Innenfläche des Auspuffrohrs gegenüberliegend der Einspritzeinrichtung auftrifft. Das übermäßige Durchdringen führt zu einer ineffizienten Ausnutzung des Harnstoffgemischs und kann die Fahrstrecke vermindern, über die das Fahrzeug mit verminderten NO_x-Emissionen betreibbar ist. In einem Fahrzeug kann nur eine begrenzte Reagenzmittelmenge mitgeführt werden. Es ist wünschenswert, das gespeicherte Reagenzmittel effizient zu nutzen, um die Fahrzeugfahrstrecke zu maximieren und das Erfordernis zum Nachfüllen des Reagenzmittel zu vermindern.
Es kann vorteilhaft sein, Verfahren und Vorrichtungen zum Einspritzen eines Reagenzmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, um die Reagenzmittelablagerung zu minimieren und die Vermischung des Reagenzmittels mit dem Abgas zu verbessern.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Kurzbeschreibung der Erfindung und ist keine umfassende Darstellung ihres vollen Umfangs oder all ihrer Merkmale.
Ein Abgasbehandlungssystem zum Verringern von Emissionen eines Motors weist eine Abgasleitung auf, die dazu geeignet ist, einer Abgasbehandlungseinrichtung einen Abgasstrom vom Motor zuzuführen. Die Leitung weist eine Öffnung auf. Eine Einspritzeinrichtung spritzt ein Reagenzmittel über die Öffnung in den Abgasstrom ein. Eine Strömungsmodifizierer ist in der Abgasleitung stromaufwärts von der Einspritzeinrichtung angeordnet. Der Strömungsmodifizierer weist eine Ablenkeinrichtung zum Erhöhen der Geschwindigkeit des Abgases an einer vorgegebenen Stelle in der Leitung bezüglich des eingespritzten Reagenzmittels auf.
Ein Abgasströmungsmodifizierer wird für ein Abgasbehandlungssystem mit einer Abgasleitung und einer Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Reagenzmittels in einen Abgasstrom bereitgestellt. Der Strömungsmodifizierer weist eine Halterung auf, die dazu geeignet ist, die Einspritzeinrichtung an der Leitung zu befestigen. Die Halterung weist eine Öffnung auf, über die ein Reagenzmittel eingespritzt wird. Eine Ablenkeinrichtung, die dazu geeignet ist, in der Leitung angeordnet zu werden, ist mit der Halterung oder mit der Leitung verbunden und von einer Innenfläche der Leitung versetzt angeordnet. Die Ablenkeinrichtung ist stromaufwärts von der Reagenzmitteleinspritzöffnung und unter einem Winkel angeordnet, um eine Geschwindigkeit des Abgases an einer vorgegebenen Stelle in der Leitung zu erhöhen und das Auftreffen des Reagenzmittels auf die Innenfläche der Leitung zu vermindern.
Weitere Anwendungsgebiete werden anhand der hierin dargestellten Beschreibung deutlich. Die Beschreibung und spezifische Beispiele in dieser Kurzbeschreibung dienen nur zur Erläuterung und sollen den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich zur Erläuterung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglicher Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines exemplarischen Verbrennungsmotors mit einem Emissionsregelungssystem, das mit einem vor einer Einspritzposition angeordneten Abgasströmungsmodifizierer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;
2 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer Abgasbehandlungseinrichtung mit einem vor einer Einspritzposition angeordneten Abgasströmungsmodifizierer;
3 zeigt eine Teil-Querschnitt-Seitenansicht der Abgasbehandlungseinrichtung;
4 zeigt einen Graphen zum Darstellen eines Abgasgeschwindigkeitsprofils durch eine Leitung, die nicht mit einem vor einer Einspritzposition angeordneten Strömungsmodifizierer ausgestattet ist;
5 zeigt ein berechnetes Fluiddynamikmodell der Reagenzmittelmassenkonzentration in einer Leitung ohne einen Strömungsmodifizierer;
6 zeigt eine berechnete Fluiddynamikkontur zum Darstellen einer simulierten Sprühnebeltröpfchenkonzentration für ein Reagenzmittel, das in eine Leitung ohne einen vor einer Einspritzposition angeordneten Abgasströmungsmodifizierer eingespritzt wird;
7 zeigt ein berechnetes Fluiddynamikmodell zum Darstellen einer Reagenzmittelmassenkonzentration in einer Leitung mit einem Strömungsmodifizierer;
8 zeigt eine berechnete Fluiddynamikkontur zum Darstellen einer simulierten Sprühnebeltröpfchenkonzentration für ein Reagenzmittel, das in eine Leitung mit einem vor einer Einspritzposition angeordneten Strömungsmodifizierer eingespritzt wird;
9 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines halbkegelförmigen Strömungsmodifizierers;
10 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines keilförmigen Strömungsmodifizierers;
11 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines weiteren vor einer Einspritzposition angeordneten Strömungsmodifizierers;
12 zeigt eine Querschnitt-Seitenansicht des in 11 dargestellten Strömungsmodifizierers;
13 zeigt eine Endansicht des in 11 dargestellten Strömungsmodifizierers;
14 zeigt einen Graphen zum Darstellen eines Geschwindigkeitsprofils für das Abgas, das eine Abgasleitung durchströmt, die mit dem in 11 dargestellten Strömungsmodifizierer ausgestattet ist;
15 zeigt eine Draufsicht eines anderen Strömungsmodifizierers; und
16 zeigt eine Teil-Querschnitt-Seitenansicht des in 15 dargestellten Strömungsmodifizierers.
Sich entsprechende Bezugszeichen bezeichnen sich entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Dieselmotoren und mit der Reduktion von NO_x-Emissionen beschrieben wird, die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer beliebigen einer Vielzahl von Abgasströmen verwendet werden kann, beispielsweise mit Abgasströmen einer Diesel-, Benzin-, Turbinen-, Brennstoffzellen-, Strahl- oder einer Antriebsquelle, die einen Auslassstrom ausgibt. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung in Verbindung mit der Reduktion einer beliebigen einer Vielzahl unerwünschter Emissionen verwendet werden. Beispielsweise ist auch die Einspritzung von Kohlenwasserstoffen zum Regenerieren von Dieselpartikelfiltern innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung eingeschlossen. Für weitere Beschreibungen wird die Aufmerksamkeit auf die gemeinsam übertragene US-Patentanmeldung Nr. 2009/0179087 A1, eingereicht am 21. November 2008, mit dem Titel ”Method And Apparatus For Injecting Atomized Fluids” gerichtet, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Gemäß den Figuren wird ein Emissionsregelungssystem 8 zum Reduzieren von NO_x-Emissionen vom Abgas eines Dieselmotors 21 bereitgestellt. In 1 zeigen durchgezogene Linien zwischen den Elementen des Systems Fluidleitungen für das Reagenzmittel und gestrichelte Linien elektrische Verbindungen. Das erfindungsgemäße System kann einen Reagenzmittelbehälter 10 zum Aufnehmen des Reagenzmittels und ein Fördermodul 12 zum Zuführen des Reagenzmittels vom Behälter 10 aufweisen. Das Reagenzmittel kann eine Harnstofflösung, ein Kohlenwasserstoff, ein Alkylester, ein Alkohol, eine organische Verbindung, Wasser oder dergleichen oder eine Mischung oder eine Kombination davon sein. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass ein oder mehrere Reagenzmittel im System zur Verfügung gestellt und einzeln oder in Kombination verwendet werden können. Der Behälter 10 und das Fördermodul 12 können ein integriertes Reagenzmittelbehälter/Fördermodul bilden. Außerdem sind als Teil des Systems 8 eine elektronische Einspritzsteuereinheit 14, eine Reagenzmitteleinspritzeinrichtung 16 und ein Abgassystem 19 vorgesehen. Das Abgassystem 19 weist eine Abgasleitung 18 zum Zuführen eines Abgasstroms zu mindestens einem Katalysatorbett 17 auf.
Das Fördermodul 12 kann eine Pumpe aufweisen, die ein Reagenzmittel aus dem Behälter 10 über eine Versorgungsleitung 9 zuführt. Der Reagenzmittelbehälter 10 kann aus Polypropylen, epoxidbeschichtetem Kohlenstoffstahl, PVC oder Edelstahl hergestellt und entsprechend der Anwendung (z. B. Fahrzeuggröße, vorgesehene Verwendung des Fahrzeugs und dergleichen) dimensioniert sein. Ein Druckregler (nicht dargestellt) kann vorgesehen sein, um das System bei einem vorgegebenen Drucksollwert (z. B. bei relativ niedrigen Drücken von etwa 60–80 psi, oder in einigen Ausführungsformen bei einem Druck von ungefähr 60–150 psi) zu halten, und kann in der Rückführleitung 35 von der Reagenzmitteleinspritzeinrichtung 16 angeordnet sein. Ein Drucksensor kann in der Zufuhrleitung 9 zur Reagenzmitteleinspritzeinrichtung 16 vorgesehen sein. Das System kann außerdem verschiedene Frostschutzstrategien beinhalten, um gefrorenes Reagenzmittel aufzutauen oder ein Gefrieren des Reagenzmittels zu verhindern. Während des Systembetriebs kann unabhängig davon, ob die Einspritzeinrichtung Reagenzmittel in das Abgas freigibt, Reagenzmittel kontinuierlich zwischen dem Behälter 10 und der Reagenzmitteleinspritzeinrichtung 16 zirkulieren, um die Einspritzeinrichtung zu kühlen und die Verweilzeit des Reagenzmittels in der Einspritzeinrichtung zu minimieren, so dass das Reagenzmittel kühl bleibt. Eine kontinuierliche Reagenzmittelzirkulation kann für temperaturempfindliche Reagenzmittel, wie beispielsweise wässrigen Harnstoff, erforderlich sein, die dazu neigen, sich zu verfestigen, wenn sie erhöhten Temperaturen von 300°C bis 650°C ausgesetzt sind, wie sie in einem Motorabgassystem auftreten.
Darüber hinaus kann es erwünscht sein, das Reagenzmittelgemisch unter 140°C zu halten, vorzugsweise in einem tieferen Betriebstemperaturbereich zwischen 5°C und 95°C, um sicherzustellen, dass eine Verfestigung des Reagenzmittels verhindert wird. Lässt man zu, dass sich verfestigtes Reagenzmittel bilden kann, können dadurch die beweglichen Teile und Öffnungen der Einspritzeinrichtung verschmutzen.
Die erforderliche Reagenzmittelmenge kann mit der Last, der Abgastemperatur, dem Abgasdurchsatz, dem Motorkraftstoffeinspritzzeitpunkt, der gewünschten NO_x-Reduktion, dem Atmosphärendruck, der relative Feuchtigkeit, der AGR-Rate und der Motorkühlmitteltemperatur variieren. Ein NO_x-Sensor oder -Messgerät 25 ist stromabwärts vom Katalysatorbett 17 angeordnet. Der NO_x-Sensor 25 ist betreibbar, um ein den NO_x-Gehalt des Abgases anzeigendes Signal an eine Motorsteuereinheit 27 auszugeben. Alle oder einige Motorbetriebsparameter können von der Motorsteuergerät 27 über einen Motor-/Fahrzeug-Datenbus an die elektronische Steuereinheit 14 für die Reagenzmitteleinspritzeinrichtung übertragen werden. Die elektronische Steuereinheit 14 für die Reagenzmitteleinspritzeinrichtung kann auch Teil der Motorsteuereinheit 27 sein. Die Abgastemperatur, der Abgasdurchsatz und der Abgasgegendruck und andere Fahrzeugbetriebsparameter können durch entsprechende Sensoren gemessen werden.
Gemäß den 2–8 ist eine Abgasbehandlungsanordnung 100 so definiert, dass sie eine Abgasleitung 18 und eine Einspritzeinrichtung 16 aufweist. Die Abgasleitung 18 weist ein im wesentlichen zylindrisches Rohr 102 auf, das einen Abgaskanal 104 definiert. Das zylindrische Rohr 102 weist eine Innenfläche 106 und eine Außenfläche 108 auf.
Die Einspritzeinrichtung 16 weist einen Körper 150 auf, der eine zylindrische Kammer 152 definiert, die ein axial verschiebbares Ventilelement 154 aufnimmt. Der Körper 150 weist eine Austrittsöffnung 156 als eine Ausgabestelle für das eingespritzte Reagenzmittel auf. In der Nähe der Austrittsöffnung 156 ist ein Ventilsitz 146 ausgebildet, mit dem das Ventilelement 154 selektiv in Eingriff kommt, um die Reagenzmitteleinspritzung in den Abgasströmungspfad zu steuern. Das Ventilelement 154 ist entlang einer Achse der Reagenzmitteleinspritzung 158 beweglich.
Eine Halterung 160 ist am Körper 150 befestigt und weist einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch 162 auf. Ein Strömungsmodifizierer 164 erstreckt sich von der Halterung 160 radial nach innen in das Rohr 102, um die Richtung des den Abgaskanal 104 durchströmenden Abgasstroms zu ändern. Eine Klemme (nicht dargestellt) oder eine andere geeignete Verbindungseinrichtung befestigt die Halterung 160 am Rohr 102.
Der Strömungsmodifizierer 164 weist eine sich radial nach innen erstreckenden Halter 166 mit einem an der Halterung 160 befestigten ersten Ende 168 und einem an einer im Wesentlichen ebenen Ablenkplatte 172 befestigten entgegengesetzten Ende 170 auf. Die Ablenkplatte 172 ist unter einem schrägen Winkel zur Richtung des das Rohr 102 durchströmenden Abgasstroms angeordnet. In der in 2 dargestellten Ausführungsform hat die Ablenkplatte 172 eine längliche ovale Außenform.
Der Strömungsmodifizierer 164 und die Halterung 160 sind als ein einstückiges Element dargestellt, das durch typisches Montagematerial für eine Einspritzeinrichtung leicht am Rohr 102 befestigt werden kann. Es kommt auch in Betracht, dass der Strömungsmodifizierer 164 von der Halterung 160 beabstandet im Abgaskanal 104 angeordnet und separat am zylindrischen Rohr 102 befestigt sein kann. In der in 2 dargestellten Ausgestaltung weist das Rohr 102 einen Schlüssellochschlitz 173 auf, der so geformt ist, dass er den Strömungsmodifizierer 164 aufnimmt.
Der Strömungsmodifizierer 164 ist stromaufwärts von der Reagenzmitteleinspritzachse 158 angeordnet. Der Strömungsmodifizierer 164 ist derart dimensioniert, geformt und im Kanal 104 angeordnet, dass das Geschwindigkeitsprofil des Abgases an einer Querschnittsebene entlang der Reagenzmitteleinspritzachse 158 geändert wird. Bei Abwesenheit eines Strömungsmodifizierers hat das Geschwindigkeitsprofil des das Rohr 102 durchströmenden Abgasstroms einen im Wesentlichen symmetrischen gekrümmten Kurvenverlauf, der an der Mitte des Kanals 104 auf eine maximale Geschwindigkeit zunimmt und an der Innenfläche 106 auf eine minimale Geschwindigkeit abnimmt, wie in 4 dargestellt ist. Die Geschwindigkeit des Abgases in der Nähe der Innenfläche 106 ist wesentlich niedriger als die Abgasgeschwindigkeit in der Mitte des Rohrs 102. Wenn der Abgasdurchsatz relativ niedrig ist, wenn beispielsweise der Verbrennungsmotor im Leerlauf betrieben wird, neigt eingespritztes Reagenzmittel dazu, das Abgas zu durchdringen und auf der Innenfläche 106 entlang der unteren Hälfte des Rohrs 102 (3) aufzutreffen. Wie vorstehend erwähnt wurde, ist es wünschenswert, das Reagenzmittel mit dem Abgas zu vermischen und das Gemisch einer Abgasbehandlungseinrichtung zuzuführen, wie beispielsweise einem SCR-Katalysator. Reagenzmittel, das auf die Innenfläche 106 auftrifft, kann dazu neigen, am Rohr 102 anzuhaften, was eine unerwünschte Pfützenbildung, Korrosion und möglicherweise eine Reagenzmittelverfestigung verursachen kann.
5 zeigt eine berechnete Fluiddynamikkontur zum Darstellen einer Reagenzmittelmassenverteilung während einer Einspritzung von etwa 4,2 Gramm pro Minute bei einem relativ niedrigen Abgasdurchsatz von etwa 380 kg pro Stunde für ein Abgassystem ohne einen Strömungsmodifizierer. Außerdem zeigt 6 ein simuliertes Reagenzmittelsprühnebelkonzentrationskonturdiagramm für den gleichen Abgasdurchsatz und die gleiche Reagenzmitteleinspritzrate. Beide Diagramme der 5 und 6 betreffen einen Abgasstrom und eine Reagenzmitteleinspritzung in einem zylindrischen Rohr ohne Strömungsmodifizierer.
7 zeigt eine Reagenzmittelmassenkonzentrationskontur für den gleichen Abgasdurchsatz und die gleiche Reagenzmitteleinspritzrate für ein System, das mit einem Strömungsmodifizierer in der Form einer Ablenkplatte 172 ausgestattet ist. 8 zeigt eine entsprechende Reagenzmittelsprühnebelkonzentrationskontur. Ein Vergleich der Konturen, die ohne eine Strömungsablenkeinrichtung erzeugt wurden, mit Konturen, die mit der Ablenkplatte 172 erzeugt wurden, zeigt die Wirkung der Erhöhung der Abgasgeschwindigkeit in der Nähe der Reagenzmittelaustrittsöffnung 156. Durch Erhöhen der Geschwindigkeit in dem Bereich, wo das Reagenzmittel anfänglich eingespritzt wird, werden Reagenzmitteltröpfchen nach oben und/oder weiter stromabwärts gezwungen, bevor sie das Rohr durchqueren und auf der Innenfläche 106 gegenüberliegend der Einspritzeinrichtung 16 auftreffen.
Zusätzliche berechnete Schätzungen wurden hinsichtlich der Konzentration des eingespritzten Reagenzmittels über den Kanal 104 erzeugt. Insbesondere wurde eine auf der unteren Hälfte der Rohrwandfläche abgelagerte Reagenzmittelmenge bei einem Abgasdurchsatz von 380 kg pro Stunde und einer Reagenzmitteleinspritzrate von etwa 4,2 g pro Minute geschätzt. Durch Installieren des Strömungsmodifizierers 164 wurde die auf der unteren Hälfte der Innenfläche 106 abgelagerte Reagenzmittelmassenkonzentration um mehr als 50 Prozent reduziert.
Eine weitere Überprüfung der berechneten Fluiddynamikdaten spiegelt den Einfluss der Ablenkplatte 172 wider, die eine Strömungstrennung an einem vorderen Rand 174 verursacht, wodurch der Abgasstrom zur Einspritzeinrichtung 16 hin beschleunigt wird. An einem hinteren Rand 176 der Ablenkplatte 172 ist die Abgasströmungsgeschwindigkeit im Bereich zwischen der Ablenkplatte 172 und der Einspritzeinrichtung 16 um 25 Prozent erhöht. Dadurch ergeben sich eine verbesserte Mischung und eine vermindertes Auftreffen des Reagenzmittels auf die Rohrinnenfläche.
9 zeigt einen anderen Strömungsmodifizierer 200. Wie vorstehend in Verbindung mit dem Strömungsmodifizierer 164 diskutiert wurde, kann der Strömungsmodifizierer 200 an einer Einspritzeinrichtungshalterung befestigt werden oder beabstandet von der Einspritzeinrichtung 16 getrennt davon angeordnet und mit dem Rohr 102 verbunden sein. Der Strömungsmodifizierer 200 weist einen sich radial in den Kanal 104 erstreckenden Halter 202 mit einer im Wesentlichen flachen Form auf. Ein halbkegelförmiges Flügelelement 204 ist am Halter 202 befestigt. Das halbkegelförmige Flügelelement 204 weist eine teilkegelförmige Außenfläche 206 auf, die von einer teilkegelförmigen Innenfläche 208 beabstandet ist. Das halbkegelförmige Flügelelement 204 endet an einem ersten Rand 210 und an einem zweiten Rand 212. Der erste Rand 210 ist beabstandet vom zweiten Rand 212 angeordnet, um zu ermöglichen, dass der Halter 202 sich dazwischen erstrecken kann. Eine Drehachse 216 der äußeren Kegelfläche 206 erstreckt sich unter einem Winkel zur Richtung des den Kanal 104 durchströmenden Abgasstroms, um die Geschwindigkeit des Abgasstroms in der Nähe der Einspritzeinrichtung 16 zu erhöhen. Eine CFD-Analyse zeigt eine vorteilhafte Reagenzmittel-Abgas-Mischung sowie ein vermindertes Auftreffen des Reagenzmittels auf der Innenfläche 106 gegenüberliegend der Einspritzeinrichtung 16.
Ein anderer Strömungsmodifizierer ist in 10 durch Bezugszeichen 300 bezeichnet. Der Strömungsmodifizierer 300 weist ein keilförmiges Flügelelement 302 auf, das von der Innenfläche 106 stromaufwärts von der Einspritzeinrichtung 16 nach innen hervorsteht. Das keilförmige Flügelelement 302 weist eine kegelförmige Wand 304 auf, die an einem Punkt 306 beginnt und an einer im Wesentlichen flachen Platte 308 endet. Das keilförmige Flügelelement 302 dient ebenfalls dazu, das Abgasgeschwindigkeitsprofil stromaufwärts von der Einspritzeinrichtung 16 zu ändern, um die Vermischung zu verbessern und das Auftreffen des Reagenzmittels auf die Innenfläche 106 zu vermindern.
Die 11–13 zeigen einen anderen Typ eines Strömungsmodifizierers, der durch Bezugszeichen 500 bezeichnet ist. Der Strömungsmodifizierer 500 ist als eine im wesentlichen flache Platte 502 ausgebildet, die innerhalb eines im Wesentlichen zylindrischen Rohrs 504 befestigt ist. Die Platte 502 ist in die bezüglich der Neigungsrichtung der Umlenkplatte 172 entgegengesetzte Richtung geneigt. Insbesondere ist ein stromaufwärtsseitiger Rand 508 der Platte 502 näher an der Einspritzeinrichtung 16 angeordnet als ein stromabwärtsseitiger Rand 510 der Platte 502. Der Abgasstrom wird geteilt, wenn er den vorderen Rand 508 passiert, so dass der obere Teil des Stroms sich leicht ausdehnen und verlangsamen wird, während der untere Teil des Stroms komprimiert wird und eine Geschwindigkeitserhöhung erfährt. Die erhöhte Geschwindigkeit am unteren Teil des Rohres wird Reagenzmitteltröpfchen mitreißen, die den unteren Teil des Rohrs erreichen, bevor sie verdampfen. Dementsprechend wird der Strömungsmodifizierer 500 die durch das Auftreffen von Reagenzmittel verursachte Rohrbefeuchtung vermindern.
Vorausgesetzt, dass der Winkel, unter dem die Platte 502 im Rohr 504 angeordnet ist, steil genug ist, wird der obere Teil des Rohrs einen Grenzschichtabbau (Boundary Layer Detachment) erfahren, wodurch Turbulenzen entstehen, die das Vermischen des Reagenzmittels und des Abgases unterstützen. In einer Ausführungsform kann ein Nacheinspritzungsmischer vorgesehen sein, wie er in der US-Patentanmeldung Nr. US 2009/0266064 A1 dargestellt ist, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die in den Mischer eintretende turbulente Strömung wird die Fähigkeit des Mixers, das Reagenzmittel im gesamten Abgas zu verteilen, verbessern. Dadurch kann die Mischlänge verkürzt werden. Alternativ kann durch geeignetes Positionieren der Platte 502 stromaufwärts von der Einspritzeinrichtung 16 ein Nacheinspritzungsmischer eliminiert werden.
14 zeigt ein Geschwindigkeitsprofil des Abgases an vier unterschiedlichen axialen Positionen stromabwärts von der geneigten Platte 502. Der erste Geschwindigkeitsverteilung ist am hinteren Rand 510 der Platte 502 dargestellt. Das nächste Profil, in 14 betrachtet nach rechts, stellt die Abgasgeschwindigkeitsverteilung in einem axialen Abstand von einem Zoll stromabwärts vom hinteren Rand 520 dar. Die Geschwindigkeitsverteilungen in einem Abstand von sechs Zoll und in einem Abstand von zwölf Zoll sind ebenfalls dargestellt. Basierend auf einem berechneten Fluiddynamikmodell kann die Einspritzeinrichtung 16 vorteilhaft an einer mit dem hinteren Rand 510 ausgerichteten axialen Stelle oder innerhalb von etwa 1 Zoll vom hinteren Rand 510 angeordnet sein, um das erhöhte Geschwindigkeitsprofil in der Nähe Innenfläche 106 gegenüberliegend der Einspritzeinrichtung 16 auszunutzen.
Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass die Platte 502 im Rohr 504 befestigt oder darin beweglich montiert sein kann. Für die beweglich montierte Version ist es vorstellbar, dass die Platte 502 auf eine ähnliche Weise wie im US-Patent Nr. 7434570 , das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, ähnlich wie ein Schnappventil schwenkbar mit dem Rohr 504 verbunden ist. Weitere bewegliche Ventile sind im US-Patent Nr. 7775322 , in der US-Patentanmeldung Nr. US 2008/0245063 und in der US-Patentanmeldung Nr. US 2011/0061969 beschrieben, die hierin ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen sind. Jede der zitierten Referenzen weist eine Torsionsfeder und ein passiv betätigtes Ventil auf, das sich bezüglich des darauf wirkenden Abgasdrucks dreht. Es kommt auch in Betracht, dass der vorliegende Strömungsmodifizierer durch die Verwendung eines Aktuators (nicht dargestellt) aktiv gesteuert wird, der betreibbar ist, um die Platte 502 zwischen einer Position, die sich im wesentlichen parallel zur Richtung des Abgasstroms erstreckt, und der vorstehend diskutierten geneigten Position zu drehen.
Die 15 und 16 zeigen einen mit dem Rohr 602 schwenkbar verbundenen vorgespannten Strömungsmodifizierer 600. Der Strömungsmodifizierer 600 kann zwischen einer ausgefahrenen und einer eingefahrenen Position bewegt werden, um eine Begrenzung des Stroms bei höheren Abgasdurchsätzen zu minimieren. Wenn der Abgasdurchsatz durch das Rohr 102 ausreichend hoch ist, ist keine zusätzliche Strömungsmodifizierung erforderlich, um eine geeignete Vermischung des Reagenzmittels zu erzielen und ein Auftreffen des Reagenzmittels auf die Rohrinnenfläche zu verhindern. Bei diesen höheren Abgasdurchsätzen kann es vorteilhaft sein, den Strömungsmodifizierer von seiner ausgefahrenen Position einzufahren.
Eine Torsionsfeder 604 spannt eine Klappe 606 in die in den Figuren dargestellte ausgefahrene Position vor. Die Klappe 606 ist gekrümmt, um den Abgasstrom von der Einspritzeinrichtung 16 weg zu lenken und die Abgasgeschwindigkeit in der Nähe der Innenfläche 608, gegenüberliegend der Einspritzeinrichtung 16 zu erhöhen. Wenn der Abgasdurchsatz eine vorgegebene Größe erreicht, überschreitet die auf eine stromaufwärtsseitige Fläche 610 des Strömungsmodifizierers 600 ausgeübte Kraft die Vorspannkraft der Feder 604, wodurch veranlasst wird, dass die Klappe 606 sich zu der eingefahrenen Position in der Nähe der Innenfläche 608 hin bewegt. Wenn der Strömungsmodifizierer 600 sich in der eingefahrenen Position befindet, ist die Begrenzung des Abgasstroms minimiert. Jede Erhöhung des Gegendrucks durch die Verwendung des Strömungsmodifizierers 600 wird minimiert.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient zur Erläuterung und Darstellung. Sie soll nicht umfassend sein oder die Erfindung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind allgemein nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind, wo möglich, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn diese nicht spezifisch dargestellt oder beschrieben ist. Die Ausführungsformen können auf mehrere Weisen modifiziert werden. Daher sollen alle derartigen Modifikationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sein.

Claims

Abgasbehandlungssystem zum Vermindern von Emissionen von einem Motor, wobei das System aufweist: eine Abgasbehandlungseinrichtung; eine Abgasleitung, die dazu geeignet ist, der Abgasbehandlungseinrichtung einen Abgasstrom vom Motor zuzuführen, wobei die Leitung eine Öffnung aufweist; eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen eines Reagenzmittels über die Öffnung in den Abgasstrom; und einen stromaufwärts von der Einspritzeinrichtung in der Abgasleitung angeordneten Strömungsmodifizierer, wobei der Strömungsmodifizierer eine Ablenkeinrichtung zum Erhöhen der Geschwindigkeit des Abgases an einer vorgegebenen Stelle innerhalb der Leitung bezüglich des eingespritzten Reagenzmittels aufweist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Ablenkeinrichtung ein im Wesentlichen flaches Element aufweist, das von einer Innenfläche der Leitung beabstandet ist, wobei das flache Element geneigt ist, um Abgas zur Einspritzeinrichtung hin auszurichten.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 2, ferner mit einer Halterung zum Befestigen der Einspritzeinrichtung an der Leitung und einem Halter, der sich durch die Öffnung erstreckt und das flache Element und die Halterung verbindet.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Ablenkeinrichtung eine kegelförmige Fläche aufweist, die derart angeordnet ist, dass ein Abschnitt der kegelförmigen Fläche mit größerem Durchmesser stromaufwärts von einem Abschnitt mit kleinerem Durchmesser angeordnet ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 4, wobei die kegelförmige Fläche unterbrochen ist, um beabstandete Ränder zu definieren.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 5, ferner mit einem Halter, der sich zwischen den beabstandeten Rändern der Ablenkeinrichtung und der Leitung erstreckt.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Stelle der erhöhten Geschwindigkeit sich im Wesentlichen an der Einspritzöffnung befindet.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Stelle der erhöhten Geschwindig sich gegenüberliegend der Einspritzöffnung befindet.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Ablenkeinrichtung innerhalb der Leitung beweglich ist zwischen einer eingefahrenen Position und einer ausgefahrenen Position, wobei an der eingefahrenen Position eine aufgrund des Strömungsmodifizierers erzeugte Erhöhung des Gegendrucks minimal ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei die bewegliche Ablenkeinrichtung zur ausgefahrenen Position hin vorgespannt und passiv derart gesteuert wird, dass sie sich zur eingefahrenen Position hin bewegt, wenn der Abgasdurchsatz zunimmt.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 10, ferner mit einer mit der Ablenkeinrichtung verbundenen Torsionsfeder zum Bereitstellen einer Vorspannkraft.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei die Position der Ablenkeinrichtung durch einen Aktuator aktiv gesteuert wird.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Ablenkeinrichtung ein im Wesentlichen flaches Element aufweist, das von einer Innenfläche der Leitung beabstandet ist, wobei das flache Element geneigt ist, um Abgas von der Einspritzeinrichtung weg abzulenken.
Abgasströmungsmodifizierer für ein Abgasbehandlungssystem mit einer Abgasleitung und einer Einspritzeinrichtung zum Einspritzen eines Reagenzmittels in einen Abgasstrom, wobei der Strömungsmodifizierer aufweist: eine Halterung, die dazu geeignet ist, die Einspritzeinrichtung an der Leitung zu befestigen, wobei die Halterung eine Öffnung aufweist, über die Reagenzmittel eingespritzt wird; und eine Ablenkeinrichtung, die mit der Halterung oder mit der Leitung verbunden und dazu geeignet ist, innerhalb der Leitung angeordnet zu werden, und von einer Innenfläche der Leitung versetzt ist, wobei die Ablenkeinrichtung stromaufwärts von der Reagenzmitteleinspritzöffnung angeordnet und unter einem Winkel geneigt ist, um eine Geschwindigkeit des Abgases an einer vorgegebenen Stelle innerhalb der Leitung zu erhöhen, um das Auftreffen von Reagenzmittel auf die Innenfläche der Leitung zu vermindern.
Abgasströmungsmodifizierer nach Anspruch 14, wobei die Ablenkeinrichtung ein im Wesentlichen flaches Element aufweist, das von der Innenfläche der Leitung beabstandet ist, wobei das flache Element geneigt ist, um Abgas zur Einspritzeinrichtung zu lenken.
Abgasströmungsmodifizierer nach Anspruch 14, wobei die Ablenkeinrichtung eine kegelförmige Fläche aufweist, die derart angeordnet ist, dass ein Abschnitt der kegelförmigen Fläche mit größerem Durchmesser stromaufwärts von einem Abschnitt mit kleinerem Durchmesser angeordnet ist.
Abgasströmungsmodifizierer nach Anspruch 14, wobei die vorgegebene Stelle der erhöhten Geschwindigkeit sich im Wesentlichen an der Einspritzöffnung befindet.
Abgasströmungsmodifizierer nach Anspruch 14, wobei die Ablenkeinrichtung unter einem vorgegebenen Winkel befestigt ist.
Abgasströmungsmodifizierer nach Anspruch 14, wobei die Ablenkeinrichtung innerhalb der Leitung zwischen einer eingefahrenen Position und einer ausgefahrenen Position beweglich ist, wobei an der eingefahrenen Position eine aufgrund des Strömungsmodifizierers verursachte Erhöhung des Gegendrucks minimiert ist.
Abgasströmungsmodifizierer nach Anspruch 19, wobei die bewegliche Ablenkeinrichtung zur ausgefahrenen Position hin vorgespannt ist und passiv derart gesteuert wird, dass sie sich zur eingefahrenen Position bewegt, wenn der Abgasdurchsatz zunimmt.