DE112015004706T5

DE112015004706T5 - Abgassystem und Vorrichtung zur Erzeugung einer verbesserten Abgasdurchmischung vor einer Katalysatorbehandlung

Info

Publication number: DE112015004706T5
Application number: DE112015004706.9T
Authority: DE
Inventors: Eric Fulcher
Original assignee: ACAT GLOBAL
Current assignee: ACAT GLOBAL
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2017-07-06
Also published as: US20170234192A1; US10119447B2; WO2016061333A1; CN107075998A; CN107075998B

Abstract

Offenbart ist ein Abgasmischer zur Vermittlung von Drall und Verwirbelung in einem Abgasstrom eines internen Verbrennungsmotors, sowie ein Abgassystem welches einen solchen Abgasmischer umfasst.

Description

Querverweis zu zugehöriger Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US Anmeldung Nr. 62/064,258, eingereicht am 15. Oktober 2014, welche hiermit in ihrer Gesamtheit per Verweis mit einbezogen ist.
Technischer Hintergrund
Die Emissionskontrolle des Abgases ist ein fortdauerndes Anliegen beim Betrieb eines internen Kompressionszündungsmotors. Dabei gibt es eine stetige Abwägung zwischen Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen, nämlich NO_x, Kohlenwasserstoffen, Partikeln und Ruß. Neueste Vorschriften zur Luftqualität haben eine noch weitergehende Reduzierung dieser Emissionen erforderlich gemacht. Zum Teil auch aus diesem Grund haben Fahrzeug- und Motorhersteller Abgassysteme entwickelt oder verlangt, welche SCR-Katalysatoren (Selective Catalyst Reducers) und Dieselpartikelfilter (DPF) umfassen.
Während des Betriebs fließt der Abgasstrom des Motors durch ein Abgasrohr, welches mit mindestens einem Sensor ausgestattet ist, um Emissionswerte wie zum Beispiel NO_x-Werte im Abgasstrom zu messen. Die Abgasemissionswerte, wie zum Beispiel NO_x, werden mittels CAN (Common Area Network) zur elektronischen Steuerungseinheit (ECU, Electronic Control Unit) gesendet. Dann tritt der Abgasstrom in den DPF ein, welcher die Kohlenwasserstoffe, Ruß und Partikel reduziert. Wenn die Sensorsignale des NO_x-Sensors im Abgasstrom nach dem DPF-Auslass NO_x-Werte anzeigen, die zulässige Werte überschreiten wird ein Signal von der ECU zu einem Injektor, der mit einer DEF(Diesel Exhaust Fluid)-Versorgungseinheit verbunden ist, gesendet, um eine bestimmte Menge DEF in den Abgasstrom einzuspritzen. Das in dem DEF enthaltene Ammoniak vermischt sich mit dem Abgas. Der Abgasstrom durchfließt den SCR-Katalysator wo er mit dem Ammoniak des DEF zu N₂-Gas und 2H₂O katalysiert wird und dann durch das Auspuffendrohr ausgestoßen wird.
DEF ist teuer und seine Verwendung zwingt die Fahrer von Hochleistungsdieselfahrzeugen zusätzliche Tanks des Fahrzeugs mit DEF zu befüllen, um dieses während des Betriebs des Motors zu verwenden. Es besteht die Notwendigkeit, die DEF Versorgung effizienter zu verwenden, um Motorstandzeiten und Kosten, welche durch die DEF Versorgung entstehen, zu minimieren und die Menge an NO_x-Emissionen zu reduzieren, welche durch das Auspuffendrohr des Motors ausgestoßen wird.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt ist ein Abgassystem für einen internen Kompressionszündungsmotor offenbart, welches eine verbesserte Durchmischung von DEF im Abgasstrom bietet um eine effizientere Verwendung von DEF zu begünstigen und NO_x-Emissionen eines so ausgestatten Motors zu reduzieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Einbringen in ein Abgassystem eines internen Kompressionszündungsmotors offenbart, welche eine verbesserte Verwirbelung und Durchmischung von Abgas und in den Abgasstrom eingespritztem DEF hervorruft. Der Drall und die Durchmischung, welche als Resultat des Hindurchführens des Abgasstroms durch die neue Vorrichtung hervorgerufen werden, reduzieren den Verbrauch von DEF bei gleichzeitiger Erfüllung der Standards für NO_x-Emissionen im Abgasausstoß der so ausgestatteten Motoren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines internen Verbrennungsmotors mit einem Abgassystem;
2A ist eine Vorderansicht eines Fischgrätsubstrats, welches im Einlassabschnitt eines Abgasmischers verwendet wird;
2B ist eine Vorderansicht eines Fischgrätsubstrats, welches im Auslassabschnitt eines Abgasmischers verwendet wird;
3 ist eine schematische Darstellung der Seitenansicht eines Abgasmischers;
4 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Abgasmischers.
Detaillierte Beschreibung
Einander entsprechende Komponenten sind in den Figuren jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. 1 ist eine schematische Darstellung eines internen Verbrennungsmotors 10 welcher ein Kompressionszündungsmotor sein kann, der mit einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU) 12 versehen ist, welche einen Speicher 13 umfasst, der Betriebsbefehle 15 enthält, um den Motor auf eine dem Fachmann bekannte Art zu betreiben. Der ECU Speicher kann ein RAM, ROM, PROM, EPROM, EEPROM, FLASH oder jeder andere Speicher sein. Zugehörig zu den Betriebsbefehlen sind in dem ECU-Speicher Abgassystembefehle eingeschlossen, welche in Reaktion auf die Abgasbedingungen, verschiedene Aspekte des Abgassystems 14 steuern. Die Abgassystembefehle im Speicher können Tabellen einschließen, welche Werte von NO_x-Emissionen zusammen mit Mengen/Zeitvorgaben der DEF-Einspritzung in den Abgasstrom enthalten, die proportional zu dem jeweiligen NO_x-Wert sind, oder sie können Zuordnungen enthalten, welche NO_x-Werte und zugehörige Mengen/Zeitvorgaben der DEF-Einspritzung zeigen. Diesbezüglich ist das Abgassystem für einen Dieselmotor gezeigt, aber es ist denkbar, dass jeder interne Verbrennungsmotor eine Ausführungsform des Abgasmischers der vorliegenden Anmeldung nutzen könnte.
In einer Ausführungsform umfasst das Abgassystem 14 ein Abgasrohr 16 welches sich vom Motor-Abgasauslass 18 bis zum Abgasauslass 20 des Abgassystems erstreckt. Das Abgasrohr hat einen inneren Durchmesser 21 von ausreichender Größe, um einen ungehinderten Abgasfluss vom Motor durch das Abgassystem zu erlauben. In diesem Beispiel ist das Abgassystem mit einem NO_x-Abgassensor 25 ausgestattet, welcher durch ein CAN (Common Area Network) 30 oder ein anderes elektronisches System elektronisch mit der ECU verbunden ist. Der Sensor 25 misst NO_x-Werte im Abgasstrom 19 und sendet Datensignale, die die NO_x-Werte im Abgasstrom anzeigen, an die ECU. Das Abgassystem umfasst ebenso einen DPF 24 mit einem Einlass 17 und einem Auslass 35, welche im Wesentlichen denselben inneren Durchmesser wie der innere Durchmesser 21 des Abgasrohrs aufweisen, so dass ein ungehinderter Durchfluss des Abgasstroms durch den DPF-Einlass zum DPF-Auslass stattfindet. Wenn, wie in diesem Beispiel, das Abgassystem ein Diesel-Abgassystem ist, ist eine DEF-Versorgung 27 im Form eines Tanks oder einer anderen passenden Aufnahme bereitgestellt und weist mittels einer Leitung 33 und einem DEF-Injektor 29 eine Flüssigkeitsverbindung zu dem Abgasrohr 16 auf. Die DEF-Versorgung und der DEF-Injektor sind stromaufwärts einer Abgasmischungseinheit 22 positioniert, welche stromaufwärts des SCR-Katalysators (Selective Catalyst Reactant) 23 positioniert ist. Der Abgasmischer hat einen Einlass 26 und einen Auslass 28 mit im Wesentlichen dem selben inneren Durchmesser wie der innere Durchmesser 21 des Rohrs 16. Wenn der NO_x-Abgassensor NO_x-Werte im Abgasstrom detektiert, welche eine im Speicher in den Abgassystem-Betriebsbefehlen hinterlegte Höhe überschreiten, weist die ECU eine Einspritzung einer vorgegebenen Menge DEF aus der DEF-Versorgung 27 durch den Injektor 29 in den Abgasstrom an. Wie im Folgenden diskutiert, ist der Abgasmischer derart konfiguriert, um eine verbesserte Verwirbelung und Durchmischung des Abgasstroms und des eingespritzten DEF zu erzeugen, um eine Durchmischung des DEF mit dem Abgasstrom zu verbessern. Die verbesserte Mischung von DEF mit Abgas erlaubt dem SCR effizienter mehr des NO_x in H₂O und N₂ umzuwandeln, was zu niedrigeren NO_x-Emissionen führt. Der Abgasmischer erlaubt es ebenfalls geringere Mengen DEF zu verwenden, um die gewünschte Reduzierung der NO_x-Emissionen zu erreichen.
Anhand der 2A bis 4 wird der Abgasmischer nun beschrieben. Konkret ist ein Gehäuse 32 gezeigt, welches von jeder Form sein kann und hier röhrenförmig gezeigt ist. Das Gehäuse hat voneinander beabstandete entgegengesetzte Enden 34 und 36, eine innere Oberfläche 31 und eine äußere Oberfläche 37 welche sich im wesentlichen ununterbrochen zwischen den Enden erstrecken und somit einen Innenraum 38 definieren, welcher einen inneren Durchmesser 40 hat, der mindestens gleich dem des Abgassystems ist, um den Abgasstrom nicht zu behindern.
Ein Abgasmischersubstrat 42, 45 ist an jedem der entgegengesetzten Enden des Gehäuses angebracht und in den Innenraum des Gehäuses eingepasst. In einem Beispiel hat das Abgassubstrat eine Länge 43, die etwas geringer ist als 1/2-mal die Gehäuselänge 41. Eine Manschette 56 ist in dem Gehäuse zwischen den Abgassubstraten so fest angebracht, dass ein Zwischenraum 57 an jeder Seite der Manschette zwischen der Manschette und dem Substrat gebildet wird. Die Manschette und der Zwischenraum erzeugen die Niedrigdruckzone 49 im Inneren des Gehäuses. Die Manschette kann buckelverschweißt oder auf jede andere Art befestigt sein, um ortsfest zwischen den Substraten gehalten zu werden. Somit ist verständlich, dass sich die Substrate von dem Abgasmischereinlass oder dem Abgasmischerauslass so in Richtung zueinander erstrecken, dass eine Niedrigdruckzone 49 zwischen den Substraten auftrifft, um den Zug des Abgasstroms vom Einlass zum Auslass des Abgasmischers zu verstärken. Das Gehäuse ist an seinen Enden gestanzt und ein Haltering 58, 60 ist eingepasst, um das Substrat im Gehäuse zu halten. Dem Fachmann ist klar, dass das Design der Abgasmischers in den Größenverhältnissen des Substrats oder der Manschette, oder den Größenverhältnissen der verschiedenen Komponenten in Abhängigkeit der allgemeinen Anforderungen an das Abgassystem variieren kann.
Die Abgasmischersubstrate 42, 45 haben eine Fischgrätstruktur 46 und können umlaufend mit einem Haltering 48, 50 an einem ersten oder zweiten Ende eingespannt sein, um das Substrat in kompakter Form, zur einfachen Handhabung und Herstellung, einzufassen. Es ist jedoch verständlich, dass die Halteringe nicht notwendig sind und dass es denkbar ist, dass das Substrat direkt in das Gehäuseinnere des Mischers eingepasst werden könnte, ohne die Verwendung von Halteringen. Die Abgassubstrate sind aus Metall oder einem anderen festen Material gemacht, das aus einem zusammenhängenden, gewellten Folien-Metallkatalysator mit einer Länge und einer Breite, welcher gewellt und in Zick-Zack-Konfiguration gefaltet ist, um die Fischgrätstruktur des Substrats zu bilden, konstruiert ist, wie offenbart in der anhängigen Anmeldung PCT/US2015/055440, eingereicht am 14. Oktober 2015, welche hiermit durch Verweis vollständig mit eingeschlossen ist, oder sie können aus einzelnen Platten gewellten Metallsubstrats gebildet sein, welche an ihren Ecken verbunden und in einer Fischgrätstruktur angeordnet sind. Das Substrat kann auch mittels Cut&Stack-Methode oder einer Wickelkonstruktion hergestellt werden. Der wichtige Aspekt des Substrats ist die Fischgrätstruktur jedes Substrats relativ zueinander und zum Abgasfluss, wie im Folgenden beschrieben.
Wie in den 2A und 2B zu sehen ist, sind die Abgassubtrate so in dem Gehäuse orientiert, dass die Fischgrätstruktur des Einlass-Substrats, wie in 2A gezeigt, um 90° gegenüber der Fischgrätstruktur des Auslass-Substrats, wie in 2B gezeigt, gedreht ist. Auf diese Weise tritt der Abgasstrom durch den Abgasmischereinlass ein und wird beim Durchlaufen der Fischgrätstruktur in der X–Y-Ebene verwirbelt und gemischt. Der Abgasstrom wird dann durch die Niedrigdruckzone gezogen und trifft auf das Auslass-Abgassubstrat, welches um 90° gegenüber dem Einlass-Abgassubstrat gedreht ist. Beim Durchlaufen des Auslass-Abgassubstrats wird Durchmischung und Verwirbelung in der X–Z-Ebene hervorgerufen, was eine maximale Durchmischung des Abgasstroms bedeutet. Wenn der NO_x-Sensor einen NO_x-Wert im Abgasstrom gemessen hat, welcher stromaufwärts des Abgasmischers die Einspritzung einer Menge DEF erfordert, wird das DEF auch mit dem Abgasstrom vermischt. Diese Durchmischung erlaubt es, eine kleinere Menge DEF in den Abgasstrom einzuspritzen, um die gleichen chemischen Reaktionen beim Durchlaufen des Abgasstroms durch den SCR auszulösen, wie die größere Menge DEF, die in den Abgasstrom eingespritzt werden müsste ohne die Verwendung des Abgasmischers wie beschrieben.
Die Begriffe, welche zur Beschreibung der gezeigten Ausführungsformen verwendet werden, sollen als Begriffe der Beschreibung verstanden werden und sind keine einschränkenden Begriffe. Während eine Ausführungsform beschrieben wurde, ist es dem Fachmann klar, dass viele Variationen und Modifikationen möglich sind, ohne von dem Umfang und Geist der Erfindung, wie in den Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.

Claims

Abgasmischer zur Vermittlung von Drall, Durchmischung und Verwirbelung in einem Abgasstrom eines internen Verbrennungsmotors, wobei der Abgasmischer umfasst: ein Gehäuse mit gegenüberliegenden, voneinander beabstandeten und durch eine Niedrigdruckzone getrennten ersten und zweiten Enden, wobei das erste Ende einen Einlass und das zweite Ende einen Auslass aufweist, das Gehäuse eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche umfasst, welche sich im Wesentlichen ununterbrochen zwischen den ersten und zweiten Enden erstrecken und einen Innenraum definieren, und der Einlass und der Auslass jeweils einen Durchmesser aufweisen, der im Wesentlichen gleich dem Durchmesser eines Abgasrohrs ist, und das Gehäuse desweitern an seinem ersten Ende ein erstes Abgassubstrat in Fischgrätstruktur umfasst und an seinem zweiten Ende ein zweites Abgassubstrat in Fischgrätstruktur umfasst, und das erste und zweite Abgassubstrat durch die Niedrigdruckzone getrennt sind und so gegeneinander verdreht angeordnet sind, dass ein Substrat Verwirbelung und Drall eines Abgasstroms in einer X–Y-Ebene hervorruft und das andere Substrat Verwirbelung und Drall des Abgasstroms in einer X–Z-Ebene hervorruft.
Abgasmischer nach Anspruch 1, wobei jedes der Abgassubstrate aus einem zusammenhängenden, gewellten Folien-Metallkatalysator mit einer Länge und Breite an festgelegten Punkten zu einer zusammenhängenden gewellten Zick-Zack-Folienstruktur zick-zack-gefaltet ist, wobei diese Struktur mindestens zwei Lagen sich gegenüberliegender, entgegengesetzt gewellter Folien aufweist, und die Wellungen jeder Lage so zueinander positioniert sind, dass ein im Wesentlichen konsistentes Muster zwischen den Lagen gebildet wird, und die Struktur eine Längsseite und eine Stirnseite aufweist; und das Substrat eine Längsseite und eine Stirnseite aufweist, und jede Längsseite des Substrats sich von dem Einlass oder dem Auslass zu der Niedrigdruckzone erstreckt.
Abgassystem für einen internen Verbrennungsmotor, das umfasst: ein Abgasrohr mit einer Länge, einem Einlass und einem Auslass, einem Abgasstromsensor, einem Partikelfilter der an einem Einlass mit dem Abgasrohr verbunden ist und einen Auslass aufweist; einen Abgasmischer, welcher ein Gehäuse umfasst, welches gegenüberliegende, voneinander beabstandete und durch eine Niedrigdruckzone voneinander getrennte erste und zweite Enden aufweist, wobei das erste Ende einen Einlass und das zweite Ende einen Auslass aufweist und das Gehäuse eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, die sich im Wesentlichen ununterbrochen zwischen den gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden erstrecken und einen Innenraum definieren und wobei der Einlass und Auslass jeweils einen Durchmesser aufweisen, welcher im Wesentlichen gleich dem Durchmesser des Abgasrohrs ist, und das Gehäuse desweiteren an seinem ersten Ende mit einem ersten Abgassubstrat in Fischgrätstruktur und an seinem zweiten Ende mit einem zweiten Abgassubstrat in Fischgrätstruktur ausgestattet ist, und das erste und zweite Abgassubstrat durch die Niedrigdruckzone getrennt und zueinander verdreht positioniert sind, so dass ein Substrat Drall, Durchmischung und Verwirbelung eines Abgasstroms in einer X–Y-Ebene bedingt und das andere Substrat Drall, Durchmischung und Verwirbelung des Abgasstroms in einer X–Z-Ebene bedingt.
Abgassystem nach Anspruch 3, wobei der Partikelfilter ein Dieselpartikelfilter ist.
Abgassystem nach Anspruch 4, das umfasst: eine DEF(Diesel Exhaust Fluid)-Versorgung, welche mittels Flüssigkeitsleitung mit dem Abgasrohr nach dem Auslass des Dieselpartikelfilters verbunden ist; und einen SCR-Katalysator.