SE0850019A1 - Hydrolyskatalysator med större kanaltvärsnitt i den perifera delen än i den centrala delen samt sätt för hydrolys av ett urinämne - Google Patents

Description

lysatom. Detta medför att urean i de avgaser som passerar genom hydrolyskatalysatom bättre hinner reagera och mer fullständigt omvandla urean till ammoniak. Mängden av- gaser som leds genom förbiledningen styrs under inverkan av en spjällanordning i bero- ende av avkända motorparametrar såsom avgasflöde, avgashastighet och/eller avgas- tryck. Genom att denna anordning innefattar ett flertal tillkommande komponenter blir detta en lösning som är båda utrymmeskrävande och kostsam.

Ett krav för fullgod filnktion hos en hydrolyskatalysator är att urinämnet fullständigt tillåts omvandlas till ammoniak och koldioxid. Även om det är möjligt att förlänga up- pehållstiden i katalysatom på det sätt som beskriv i ovannämnda EP 1052009 krävs att dess aktiva yta är tillräckligt stor. I praktiken görs detta genom att anordna så många cellväggar som möjligt inom ett begränsat område vilket leder till att de kanaler som dessa väggar bildar får relativt små tvärsnittsareor. Tyvärr leder detta till att tryckfallet över en hydrolyskatalysator kan bli omfattande.

För att en hydrolyskatalysator ska filngera på avsett sätt förutsätts vidare att den har uppnått en avsedd driftstemperatur. Detta medför att funktionen under uppvärmningen och vid köming med låg belastning är reducerad, vilket kan lösas t ex genom extem uppvärmning på elektrisk väg. Detta medför nackdelen att de nödvändiga tillkommande komponentema kräver utrymme och att kostnaderna ökar.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning har till syfte att på ett betydligt billigare och enklare sätt än kända lösningar förhindra att det blir stopp eller annat driftstöming i en avgasledning innehållande en hydrolyskatalysator beroende på att insprutad urea eller annat urinämne kristalliserar.

I enlighet med uppfinningen åstadkoms detta genom att hydrolyskatalysatom utformas enligt patentkravets l kännetecknade del.

Genom att anordna katalysatorelementet med kanaler olika tvärsnittsareor medges möj- lighet för avgasströmmen att passera genom hydrolyskatalysatom även om avgas- strömmen innehåller urea som kristalliserats och som därav orsakat ett mer eller mindre stopp i kanalema med mindre tvärsnittsarea. Ett av kristalliserad urea orsakat stopp i kanalerna med mindre tvärsnittsarea medför att således att avgasströmmen fortfarande kan passera genom de kanaler som har större tvärsnittsarea, och dessutom underlättas fortsatt hydrolys genom att dessa kanaler är belagda med katalysatorrnaterial. Efter det att temperaturen på avgasema nått tillräckligt hög temperatur kommer kristallema suc- cessivt att upplösas och kanalema med mindre tvärsnittsarea kommer åter möjliggöra passage. Passage genom katalysatorelementets olika delar regleras således helt automa- tiskt utan behov av ventiler eller dylikt.

Enligt en fördelaktig utföringsform är den totala tvärsnittsarean för de perifera kanaler- na lika stora som tvärsnittsarean för utloppet från den hydrolyskatalysatom inrymmande behållaren. Detta medför att även vid blockering av kanalema med mindre tvärsnitts- areor så kommer avgasströmmen kunna passera utan att större mottryck.

Enligt en fördelaktig utföringsform är kanalema med större tvärsnittsareor anordnade förvridna i sin axiella utsträckning. Därigenom åstadkoms ett roterande avgasflöde som förbättras blandningen av avgasema och ammoniak som omvandlats i hydrolyskatalysa- tom, vilket i sin tur är gynnsamt för filnktionen av den efterföljande SCR-katalysatom.

Ytterligare uppfinningen utmärkande särdrag och fördelar framgår av efterföljande be- skrivningsexempel av en fördelaktig utföringsforrn.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följ ande beskrivs, såsom ett exempel, en föredragen utföringsfonn av uppfinningen med hänvisning till bifogad ritning, på vilken Fig.1 visar schematiskt en förbränningsmotor och dess avgassystem, Fig.2 visar i ett längdsnitt en i avgassystemet ingående hydrolyskatalysator, och Figß visar en i hydrolyskatalysatom ingående aktivt katalysatorelement.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar schematiskt ett avgassystem för en flercylindrig forbränningsmotor l, ex- empelvis en dieselmotor som utnyttjas som drivmotor i ett tyngre fordon. På motoms 1 avgassida är anordnat en avgassamlare 2 från vilken avgasema först leds till en avgas- turbin 3 ingående i en turbokompressor 4, vilken tillika innefattar en kompressor 5 för överladdning av inloppsluft till motorn. Motoms inloppsluft leds från kompressom 5 till motorn 1 via en laddluftkylare 6 och ett inloppsgrenrör 7. Efter det att avgaserna passe- rat turbinen 3 leds de i en avgasledning 8 till en hydrolyskatalysator 9 och en SCR- katalysator 10 för vidare transport i avgasledningen 8 till en ej visad ljuddämpare. I omedelbar anslutning till och uppströrns hydrolyskatalysatom 9 är anordnat en ventil 11 för insprutning av ett lämpligt urinämne, vilket i detta exempel utgörs av urea, i hydro- lyskatalysatom 9 från en härför anordnad behållare 12. Ventilen 11 är förbunden med en styrenhet 14 som i beroende av olika avkända motorparametrar styr insprutningen av mängden urea. För att åstadkomma ett för insprutningen lämpligt högt tryck innefattar ledningen mellan behållaren 12 och ventilen 11 en pump 15.

Fig. 2 och fig 3 visar båda den närmare utformningen av hydrolyskatalysatom 9. Hydro- lyskatalysatom är anordnad för att på i sig känt sätt omvandla urea till ammoniak som också på i sig känt sätt utnyttjas för omvandling av kväveoxider i den efterföljande SCR-katalysatom 10.

Hydrolyskatalysatom innefattar en separat, cylindrisk behållare 20 med ett inlopp 21 och ett utlopp 22. Axiellt och centralt i behållaren är anordnat hydrolyskatalysatoms aktiva element 23 som innefattar en central cylinderforrnad del 24 och en perifer ring- formad del 25, vilka båda är belagda med samma aktiva katalysatormaterial. Den cen- trala delen 24 innefattar ett flertal sig axiellt utsträckande kanaler 26 med vardera rela- tivt liten tvärsnittsarea. Detta möjliggör att en stor yta erhålls för effektiv omvandling av urea. Den radiella utsträckningen av den centrala delen 24 är av väsentligen samma storleksordning som inloppet 21 och utloppet 22, Vilka båda har samma diameter.

Den perifera delen 25 innefattar likaså ett flertal sig axiell utsträckande kanaler 27 vilka dock har en väsentligt större tvärsnittsyta än kanalema 26 i den centrala delen 24. Dessa kanaler 27 är betydligt färre än antalet kanaler 26 i den centrala delen 24. Den totala tvärsnittsytan av den ringformade perifera delen 25 är av samma storleksordning som den centrala delen 24, och således också av samma storleksordning som inloppet 21 och utloppet 22 från hydrolyskatalysatoms behållare 20. Inloppet 21 till och utloppet 22 från hydrolyskatalysatoms behållare 20 är lämpligen cylindriska och har samma tvär- snittsforrn och samma tvärsnittsyta. Med fördel är den perifera delen 25 anordnad kon- centriskt omkring den centrala delen 24 såsom visas i fig 2 och fig 3.

Som exempel på lämpliga dimensionsförhållanden kan nämnas att tvärsnittsarean hos de centrala kanalerna 26 är av storleksordningen 0, 01-0,30 cmz med fördel omkring 0,025 cmz medan storleksordningen av de perifera kanalerna 27 är av storleksordningen 0,9 -2 cmz med fördel omkring 1 cmz. Detta gäller för en hydrolyskatalysator vars behållare 20 har en diameter av storleksordningen 10-20 cm med fördel omkring 15 cm. Tvärsnitts- arean på kanalerna i den perifera delen 25 är således av storleksordningen åtminstone 3 gånger större än kanalema i den centrala delen 24, men med fördel är de ca 40 gånger större.

Fig. 2 visar ventilen ll för insprutning av urea och den strålbild 28 som bildas. Ventilen är ll till största delen belägen utanför hydrolyskatalysatoms behållare 20 och endast ett munstycke av densamma insticker i behållaren 20. Munstycket är utformat att ge en konisk strålbild 28 av insprutad urea och strålbilden är riktad så att väsentligen all in- sprutad urea träffar inloppet till den centrala delen 24.

Fig.3 visar att kanalema 27 i den periferiella delen 25 är något förvridna relativt sina axiella utsträckningar. Denna förvridning är av storleksordningen 5 grader. Det framgår äen av fig. 3. att kanaler 27 i den perifera delen 25 är så stora att det i radiell riktning endast ryms en kanal mellan den centrala delen 24 och behållarens 20 periferi. Mellan- väggama 30 mellan de perifera kanalema 27 består av plana väggar vilka är anordnade med nämnda förvridning så att kanalema 27 verkar som ledskenor som åstadkommer det roterade flödet efter att avgasema passerat kanalema 27.

Funktionen av det visade arrangemanget är den följande. Vid normal drift av motom l insprutas i strömmen av avgaser från motom urea utefter den strålbild 28 som visas i f1g.2 varvid på i sig känt sätt urean omvandlas till ammoniak och koldioxid, Avgas- strömmen och inblandade ammoniaken leds sedan leds vidare i avgasledningen 8 till SCR-katalysatom 10 för omvandling av kväveoxiderna i avgasema till kvävgas och vatten.

Skulle motom l av någon anledning drivas med låg belastning eller i annat driftsfall som resulterar i låga avgastemperaturer föreligger en risk att den insprutade mängden urea eller delar därav kristalliseras. Detta medför med stor sannolikhet att kristallema helt eller delvis kommer att blockera de centrala kanalema 26 i hydrolyskatalysatoms cen- trala del 24. Emellertid är tvärsnittsarena hos de perifera kanalema 27 betydligt större vilket medför att avgasströmmen kan passera genom hydrolyskatalysatom 9 även om den innehåller kristalliserad urea. Genom att den totala ringforrnade arean hos den peri- fera delen 25 av samma storleksordning som inloppet 21 och utloppet 22 kommer av- gasströmmen att kunna passera utan nämnvärt motstånd genom hydrolyskatalysatom 9.

Genom att katalysatoms perifera del 25 är belagd med katalysatormaterial kommer åt- minstone vissa delar av urea som insprutats att kunna omvandlas till ammoniak, vilket i sin tur medför att SCR-katalysatom 10 kan fungera med endast begränsat nersatt funk- tion. Genom att kanalema 27 i den perifera delen 25 är något vridna i sin axiella ut- sträckning kommer avgasströmmen efter passagen att erhålla en rotation som underlät- tar avgasema att blandas med ammoniaken.

Efter det att temperaturen hos motoms 1 avgaser åtgått till mer normalt höga värden, exempelvis vid drivning med högre belastning, kommer successivt den kristalliserade urean att upplösas av värmen och blockeringen av kanalema 26 i den centrala delen 24 av hydrolyskatalysatom att upphöra.

Den perifera delen 25 av katalysatom fungerar inte bara som en förbiledning förbi den centrala delens 24 kanaler 26 utan den kommer genom katalysatorbeläggningen att ha en fortsatt, om än något begränsad, filnktion som hydrolyskatalysator. Vidare kommer funktionen att vara självreglerande och inga ventiler eller styrorgan erfordras för att leda avgasströmmen genom den centrala eller den periferiella delen 24 resp 25 av kata- lysatom. Vid normal drift av motom när ingen andel av insprutad urea kristalliseras kommer ändock en viss andel av avgasema att passera genom den perifera delen 25 och dessa avgaser kommer på grund av att dessa kanaler är forvridna åstadkomma ett av- gasflöde som roterar. Detta medför att avgasema efter hydrolyskatalysatom blandas väl med avgaser som innehåller av urean omvandlad ammoniak vilket är gynnsamt för upp- nå god funktion i den efterföljande SCR-katalysatorn 10. Likaså medför de perifera kanalema 27 att de avgaser som passerar genom de centrala kanalema 26 får en något längre uppehållstid i katalysatom vilken medför goda förutsättningar för att aktuella kemiska reaktioner ska äga rum för omvandling av urea till ammoniak. Altemativt med- för det att hydrolyskatalysatom kan utformas med relativ mindre dimensioner än vad som annars vore nödvändigt.

Uppfinningen kan inom ramen av efterföljande patentkrav modifieras och utformas på andra sätt än vad som angivits i ovanstående beskrivningsexempel. I stället för att ut- forma hydrolyskatalysatom 9 och SCR-katalysatom 10 som separata enheter förbundna med varandra kan i stället båda dessa katalysatorer var inrymda i samma behållare. Det är dock en fördel om dessa ej är anordnade alltför nära varandra för att säkerställa att den omvandlade ammoniaken hinner blandas väl i avgasströmmen innan dessa leds in i SCR-katalysatom.

I beskrivningen anges att det är urea som omvandlas i hydrolyskatalysatom eftersom det är det ämne som är Vanligast förekommande för avsedd funktion. Emellertid kan uppfinningen utnyttjas även vid utiiyttj ande av andra vattenhaltiga urinämnen för om- vandling till ammoniak.

I exemplet anges att förvridningen av de perifera kanalema är 5 grader, vilket visat sig vara gynnsamt. Dock kan i altemativa utförande denna förvridning vara mellan 3 och 10 grader.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 Patentkrav

1. Hydrolyskatalysator avsedd att ingå i ett avgassystem fór en fórbränningsmotor (1) fór katalytisk omvandling av ett urinämne till ammoniak för utnyttjande i en efterliggan- de SCR-katalysator (10) varvid hydrolyskatalysatom (9) innefattar ett aktivt katalysa- torelement (23) som är inrymd i en behållare (20) och att en ventil (11) är anordnad att inspruta urinämnet i avgasströmmen från motom (1) uppströms det aktiva katalysator- elementet (23), kännetecknad av att hydrolyskatalysatoms aktiva katalysatórelement (23) innefattar en central del (24) och en perifer del (25), vilka båda är belagda med samma katalysatonnaterial, och att tvärsnittsarean på de separata kanalerna (27) i den perifera delen (25) är större än tvärsnittsarean hos de separata kanalema (24) i den cen- trala delen (24).

2. Hydrolyskatalysator enligt patentkrav kännetecknad av att tvärsnittsarean hos de separata kanalema (27) i den perifera delen (25) är åtminstone 40 gånger större än tvär- snittsarean av de separata kanalema (26) i den centrala delen (24).

3. Hydrolyskatalysator enligt patentkrav 1 kännetecknad av att tvärsnittsarean hos de separata kanalema (27) i den perifera delen är lika med eller större än 0,9 cmz.

4. 5. Hydrolyskatalysator enligt patentkrav 1 kännetecknad av att tvärsnittsarean på de separata kanalema (26) i den centrala delen (24) är lika med eller mindre än 0,3 cmz

5. Hydrolyskatalysator enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att den totala tvärsnittsarean av kanalema (26) i den centrala delen (24) är lika stor som den totala tvärsnittsarean av kanalema (27) iden perifera delen (25)

6. Hydrolyskatalysator enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att den totala tvärsnittsarean av kanalema (27) i den perifera delen (25) är lika stor som tvär- snittsarean av behållarens (20) utlopp (22).

7. Hydrolyskatalysator enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att kanalema (27) i den perifera delen (25) utefter sin axiella utsträckning är fórvridna i syfte att åstadkomma ett roterande flöde av avgaser som passerar genom desamma. 10 15 20 25 30 35

8. Hydrolyskatalysator enligt patentkrav 7 kännetecknad av att förvridningen år mel- lan 3 och 10 grader, med fördel 5 grader.

9. Hydrolyskatalysator enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att urinämnet utgörs av vattenhaltig urea.

10. Hydrolyskatalysator enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att ventilen (1 1) år anordnad att inspruta urinåmnet med ett flöde med en konforrnad strål- bild (28) som år riktad så att hela det insprutade flödet träffar inloppet till kanalerna (26) i den centrala delen (24).

11. Hydrolyskatalysator enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att den perifera delen (27) år ringforrnad och anordnad koncentriskt kring den centrala delen (24).

12. Metod för att medelst en hydrolyskatalysator ingående i ett avgassystem for en för- brånningsmotor katalytisk omvandla ett urinåmne till ammoniak for utnyttjande i en efterliggande SCR-katalysator (10) vilken hydrolyskatalysator (9) innefattar ett aktivt katalysatorelement (23) som år imymd i en behållare (20) varvid en ventil (1 1) insprutar urinämnet i avgasströmmen från motom (1) uppströms det aktiva katalysatorelementet (23), kännetecknad av avgasströmmen innehållande insprutat urinåmne leds dels ge- nom kanaler (26) i en central del (24) av katalysatorelement (23) dels genom kanaler (25) i en perifer del (27) av katalysatorelementet (23), vilka kanaler (27) i den perifera delen (25) är utformade med större tvårsnittsareor än kanalema (26) i den centrala de- len (24), samt att kanalema (27) den perifera delen (25) år belagda med samma kataly- satormaterial som kanalema (26) i den centrala delen (24).

13. Metod enligt patentkrav 12 kännetecknat av att insprutningen av urinämnet från ventilen (11) sker med riktning mot enbart kanalema (26) i den centrala delen (24).

14. Metod enligt patentkrav 12 kännetecknat av att avgasema vid stopp eller hinder i kanalema (26) i den centrala delen (24) leds genom kanalema (27) i den perifera delen (25).