DE112015001041T5

DE112015001041T5 - Leitungsströmungsablenker

Info

Publication number: DE112015001041T5
Application number: DE112015001041.6T
Authority: DE
Inventors: Ryan A. Floyd; John M. Lowry; Larry J. Geer
Original assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Current assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2016-12-22
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: WO2015130640A1; CN106030064A; CN106030064B; DE112015001041B4

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. Die Leitung weist eine Öffnung auf. 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.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Abgasbehandlungssysteme. Insbesondere wird ein Abgasströmungsmodifizierer, der einer Reagenseinspritzvorrichtung vorgeschaltet ist, bereitgestellt, um eine Fixierung 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; und
20 ist eine perspektivische Ansicht einer Abgasleitung, die den Strömungsmodifizierer umfasst, der in 17 dargestellt ist.
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 102 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.
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.

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; einen Strömungsmodifizierer, der in der Abgasleitung nahe der Einspritzvorrichtung angeordnet ist, wobei der Strömungsmodifizierer eine gekrümmte Platte umfasst, die ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten der Abgasleitung befestigt sind, um die gekrümmte Platte innerhalb der Abgasleitung aufzuhängen, wobei die gekrümmte Platte mehrere Lamellen umfasst, die den Abgasstrom in eine Richtung zu der Einspritzvorrichtung oder von ihr weg lenken.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Lamellen durch Laschen gebildet sind, die aus der gekrümmten Platte gestanzt sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Lamellen schraubenförmig verdreht sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Strömungsmodifizierer der Einspritzvorrichtung vorgeschaltet angeordnet ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Strömungsmodifizierer auf der gleichen Seite der Abgasleitung wie die Einspritzvorrichtung aufgehängt ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Strömungsmodifizierer auf einer der Einspritzvorrichtung gegenüberliegenden Seite der Abgasleitung aufgehängt ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Lamellen über einer Fläche der gekrümmten Platte versetzt sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Lamellen jeweils eine unterschiedliche Höhe aufweisen.
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; einen Sensor in Kommunikation mit der Abgasleitung; einen Strömungsmodifizierer, der innerhalb der Abgasleitung nahe dem Sensor angeordnet ist, wobei der Strömungsmodifizierer eine Platte umfasst, die ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten der Abgasleitung befestigt sind, um die Platte innerhalb der Abgasleitung aufzuhängen, wobei die Platte mehrere Lamellen umfasst, die den Abgasstrom in verschiedene Richtungen zu dem Sensor lenken.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei die Platte gekrümmt ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei die Lamellen durch Laschen gebildet sind, die aus der Platte gestanzt sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei die Lamellen schraubenförmig verdreht sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei der Strömungsmodifizierer dem Sensor vorgeschaltet angeordnet ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei der Strömungsmodifizierer auf der gleichen Seite der Abgasleitung wie der Sensor aufgehängt ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei der Strömungsmodifizierer auf einer dem Sensor gegenüberliegenden Seite der Abgasleitung aufgehängt ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei die Lamellen über einer Fläche der Platte versetzt sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei die Lamellen jeweils eine unterschiedliche Höhe aufweisen.
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; einen Strömungsmodifizierer, der in der Abgasleitung nahe der Einspritzvorrichtung angeordnet ist, wobei der Strömungsmodifizierer mehrere Lamellen umfasst, die den Abgasstrom in eine Richtung zu der Einspritzvorrichtung oder von ihr weg lenken.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 18, wobei der Strömungsmodifizierer eine gekrümmte Platte umfasst, die ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten der Abgasleitung befestigt sind, um die gekrümmte Platte innerhalb der Abgasleitung aufzuhängen, wobei sich die Lamellen aus der gekrümmten Platte erstrecken.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 19, wobei die Lamellen über einer Fläche der Platte versetzt sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 18, wobei die Lamellen durch Laschen gebildet sind, die aus der gekrümmten Platte gestanzt sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 18, wobei die Lamellen schraubenförmig verdreht sind.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 18, wobei der Strömungsmodifizierer der Einspritzvorrichtung vorgeschaltet angeordnet ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 18, wobei der Strömungsmodifizierer auf der gleichen Seite der Abgasleitung wie die Einspritzvorrichtung aufgehängt ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 18, wobei der Strömungsmodifizierer auf einer der Einspritzvorrichtung gegenüberliegenden Seite der Abgasleitung aufgehängt ist.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 18, wobei die Lamellen jeweils eine unterschiedliche Höhe aufweisen.