SE536791C2 - Termiskt isolerad förångningsanordning avsedd att ingå i ettavgassystem för en förbränningsmotor - Google Patents

Abstract

ll Sammanfattning En förängningsanordning (2) i ett avgassystem for en forbränningsmotor innefattar en förängningsdel (4) och ett rörsystem (6) for att leda avgaser (8) till forängningsdelen(4) och ett rörsystem (l0) for att leda avgaser från forängningsdelen (4). En injektor (l2)är anordnad att spruta in ett reduktionsmedel (l4) i avgasema. För att säkerställaforängning av reduktionsmedlet och forhindra nedkylning av de väggytor somreduktionsmedlet kan träffa omfattar forängningsanordningen (2) en iso leringsdel (l6)anordnad att termiskt isolera forängningsdelen (4) frän det rörsystemet (l0) som leder avgasema från forängningsdelen. (Figur 2)

Description

20 25 30 536 791 en adekvat nivå. Mera i detalj är NOX -reduktionen, eller omvandlingseffektiviteten, beroende av lagringsnivån. För att bibehålla en hög omvandlingseffektivitet under olika drifistillstånd måste NHg-lagret bibehållas. Emellertid, i takt med att temperaturen fór SCR-katalysatom ökar, måste NHg-nivån minskas för att undvika NH3-utsläpp (dvs. att överskott av NH; släpps ut från SCR-katalysatom), vilket kan minska omvandlingseffektiviteten för katalysatom.

Sammanfattningsvis, för att möta striktare miljökrav använder allt fler fordonstillverkare SCR katalysstorsystem fór att rena dieselavgaser från kväveoxider (NOX). Detta görs genom att spruta in ammoniaklösning i en SCR katalysator som hjälper till att omvandla NOX -partiklar till kvävgas och vatten. Avgasreningsstrategin bör ta hänsyn till att tillräckligt mycket NOX omvandlas samtidigt som man inte vill spruta in for mycket ammoniak, av hänsyn både till körekonomin och miljön.

Temperaturen för avgasflödet skall normalt ligga inom intervallet 400-500 °C för att reduktionsmedlet skall förångas och för att den efterföljande katalysatom skall fungera optimalt.

Man har noterat att vid insprutning av ett reduktionsmedel vid låga avgasflöden och låga temperaturer hinner inte medlet, t.ex. urea, att förångas utan fastnar på fórångningsväggen och börjar växa till ureasten - detta illustreras schematiskt i figur 1. Detta inträffar exempelvis vid temperaturer som understiger 280 °C vid användning av AdBlue®.

Om denna tillväxt tillåts fortsätta kommer funktionen att försämras efiersom avgasema inte kommer fram.

US 2006/0008397 och US 2008/0041036 visar hur man kan värrneisolera fórångningsdelen bland annat genom att applicera ett värmeisolerande material utanpå förångningsdelen. 10 15 20 25 30 536 791 Syfiet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en förbättrad förångningsanordning som undanröjer problemet med att exempelvis ureasten bildas i anslutning till förångningsdelen, vilket kan orsaka drifisstörningar och i värsta fall driftsstopp.

Sammanfattning av uppfinningen Ovan nämnda syften uppnås med uppfinningen definierad av det oberoende patentkravet.

Föredragna utfóringsforrner definieras av de beroende patentkraven.

Enligt föreliggande uppfinning åstadkommes en termisk isolering med en isoleringsdel mellan rörsysternet och förångningsdelen vilket förhindrar att vännen sprids från förångningsdelen till rörsystemet. Därigenom förbättras förutsättningama för förångning av reduktionsmedlet i avgaserna när de träffar förångningsdelen.

Genom att tillämpa föreliggande uppfinning bevaras en jämnare ternperatur i förångningsdelen och energin i avgaserna kan utnyttjas bättre.

Enligt en utföringsfonn är en uppvärrnningsanordning anordnad för uppvärmning av förångningsdelen. Exempelvis utgörs uppvärrnningsanordningen av en elektrisk uppvärmningsanordning som vid tillämpning i samband med föreliggande uppfinning kräver en relativt liten effekt då värmen koncentreras till förångningsdelen och inte leds bort till rördelama eftersom isoleringsdelen förhindrar detta.

Enligt ytterliggare en utföringsforrn är förångningsdelen tillverkad av ett material med hög värmeledningsförmåga, till exempel koppar.

Ytterligare särdrag och fördelar framgår av bifogade beskrivning exemplifierande ett antal olika utföringsforrner av uppfinningen. 10 15 20 25 30 536 791 Kort ritningsbeskrivning Fig. 1 visar ett schematisk längdsnitt av en del av ett avgassystem enligt den kända tekniken.

Fig. 2 visar ett schematisk längdsnitt av en del av ett avgassystem som illustrerar en förångningsanordning enligt föreliggande uppfinning.

F ig. 3 visar ett schematisk längdsnitt av en del av ett avgassystem som illustrerar annan utföringsform av en förångningsanordning enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 4 visar ett schematisk längdsnitt av en del av ett avgassystem som illustrerar ytterligare en annan utföringsform av en förångningsanordning enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 5 visar ett schematisk tvärsnitt A-A av förångningsanordningen enligt figur 2.

Fig. 6 visar ett schematiskt längdsnitt som visar hur isoleringsdelen monterats vid den andra rördelen och isoleringsdelen.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer av uppfinningen I de bifogade figurema visas samma eller likartade delar med samma hänvisningssiffror.

Figur 1 visar ett schematisk längdsnitt av en del av ett avgassystem enligt den kända tekniken. Avgassystemet innefattar en förångningsanordning med ett yttre rör 7, ett koncentriskt anordnat inre rör 5 och en fórångningsdel 3 anslutet till det yttre röret 7. En injektor 12 finns anordnad i det inre röret för att spruta in ett reduktionsmedel, t.ex. urea, i avgasema 8 som förs genom det inre röret, förbi injektom 12, mot förångningsdelen 3 och sedan tillbaka längs kanalen som bildas mellan det inre rörets 5 yttervägg och det yttre rörets 7 innervägg.

Vid för låga temperaturer på avgasema, exempelvis vid temperaturer som understiger 280 °C vid användning av AdBlue, är det risk att reduktionsmedel som inte förångats samlas och tillväxer på förångningsdelen. Om denna tillväxt 9 tilläts fortsätta kommer funktionen för avgassystemet att försämras eftersom avgasemas strömning försämras, vilket kan få driftsstömingar och driftsstopp som följd. 10 15 20 25 30 536 791 Figur 2 visar ett schematisk längdsnitt av en förångningsanordning enligt föreliggande uppfinning. F örångriingsanordning 2 avsedd att ingå i ett avgassystem för en förbränningsmotor (inte visad), exempelvis en dieselmotor för ett fordon.

Förångningsanordningen 2 omfattar en förångningsdel 4, ett rörsystem omfattande en första rördel 6 för att leda avgaser från förbränningsmotom mot förångningsdelen 4, och en andra rördel 10 fór att leda avgaser från nämnda förångningsdel. Företrädesvis är den första rördelen 6 koncentriskt anordnad i den andra fördelen 10 så att det bildas en kanal för avgasema, som strömmar bort från förängningsdelen, mellan den yttre väggen av den forsta fördelen 6 och den inre väggen av den andra rördelen 10. Som framgår av figurerna kommer således avgasema, vars strömningar är illustrerade med pilar 8, att vända strömningsriktning när de passerar förångningsdelen 4.

Ytterdiametem för den andra rördelen är företrädesvis i storleksordningen 130-150 mm och godstjockleken är ligger i intervallet l-5 mm. Rördelama är tillverkade av till exempel järn.

Den första rördelen 6 är anpassad för montering av en injektor 12 anordnad att spruta in ett reduktionsmedel 14, t.ex. urea, i avgasema 8. Injektorn är kopplad till en tank (inte visad) med reduktionsmedel och insprutningen styrs av en kontrollenhet (inte visad) på ett för fackmannen känt sätt.

Det insprutade reduktionsmedlet kommer vid normal drift av motom att åtminstone delvis att förångas redan när det insprutas i de varma avgasema men en viss del förångas också när det träffar varma väggytor i avgassystemet. Det är därför väsentligt att väggytoma har en hög temperatur, speciellt om avgasema har en relativt låg temperatur vilket kan förekomma vid låga motorvarvtal och/eller vid låg motorbelastning. Avsikten med förångr1ingsanordningen 2 är att säkerställa att de väggytor som kan komma i kontakt med oiörångat reduktionsmedel har en hög temperatur. Normalt uppvärrns väggytoma av avgasema men väggytoma är samtli gt utsatta för kylning genom bortledning till andra delar av avgassystemet. För att förhindra att så sker omfattar förångningsanordningen 2 en isoleringsdel 16 anordnad att terrniskt isolera den andra rördelen 10 från förångningsdelen 4. Isoleringsdelen 16 är tillverkad av en dålig värmeledare, dvs av ett 10 15 20 25 30 536 791 material med låg värrneledningskoefficient, såsom keramik eller glas, för att säkerställa den terrniska isoleringen. Därigenom säkerställs att värmen i förångningsdelen 4 inte leds bort via den andra rördelen 10, utan i stället kan bibehålla en hög temperatur som säkerställer att det insprutade reduktionsmedlet kan förångas.

F öreträdesvis har isoleringsdelen 16 en form som överensstämmer med tvärsnittet för den andra rördelen 10, som företrädesvis har ett väsentligen cirkulärt tvärsnitt. Naturligtvis kan andra tvärsnitt förekomma, exempelvis elliptiska eller kvadratiska. Det som är centralt är att isoleringsdelen 16 terrniskt isolerar förångningsdelen 4 från den andra rördelen 10.

Som framgår utgör isoleringsdelen således en del som är anordnad mellan den andra rördelen 10 och förångningsdelen och dessa delar är således mekaniskt isolerade från varandra vilket i sin tur förhindrar värmeöverföring genom ledning.

Figur 5 är en schematisk tvärsnitt vid A-A i figur 2 av en del av ett avgassystem som illustrerar en förångningsanordning enligt figur 2. I figur 5 visas en utföringsforrn där isoleringsdelen 16 är ringforrnad.

Förångningsdelen 4 är, enligt en utföringsform skålformad på ett sådant sätt att avgasflödet 8 från den första rördelen 6 leds in i kanalen mellan nämnda första rördel 6 och nämnda andra rördel 10. Den skålforrnade förångningsdelen 4 uppvisar företrädesvis en konvex central del 15 vilken underlättar för avgasflödet att strömma ut mot den inre väggen av den andra rördelen 10. F örångningsdelen kan även utformas utan denna konvexa centrala del, och då ha formen av exempelvis en halvsfär.

Figur 6 visar ett schematiskt längdsnitt hur isoleringsdelen 16 monterats vid mellan en änddel 18 för den andra rördelen 10 och förångningsdelen 4, så att den andra rördelen och förångningsdelen ej står i direkt kontakt med varandra. Änddelen 18 kan exempelvis utgöras av en utåtgående fläns. F örångningsdelen 4 är på motsvarande sätt försedd med en kant 26, anpassad att monteras mot isoleringsdelen 16. För att hålla samman den andra rördelen vid isoleringsdelen och förångningsdelen kan exempelvis ett skruvförband 28 användas. Skruvarna är företrädesvis av ett material som leder värme dåligt. 10 15 20 25 30 536 791 För att ytterligare förbättra funktionen för förångningsanordningen 2 innefattar den, enligt en utföringsforrn som visas i figur 3, en uppvännningsanordning 20 anordnad för uppvärmning av förångningsdelen 4. Uppvärmningsanordningen kan exempelvis utgöras av en resistor eller en glödtråd som avger värme då en ström flyter genom den. För att överföra vännen till iörångningsdelen 4 är resistom/glödtråden exempelvis ingjuten i en applikator som har en form som överrensstämmer med förångningsdelens utsida.

Förångningsanordningen omfattande enligt denna utföringsform en styrenhet 22 anpassad att styra uppvärmningen av uppvärmingsenheten via en styrsignal 24 som avges till uppvärmningsenheten 20, varvid uppvärmningen initieras om förutbestämda uppvärmningskriterier är uppfyllda.

Uppvärrnningskriteriema är valda att omfatta tillstånd och parametrar som avspeglar situationer då avgasernas temperatur riskerar att bli för låg för att reduktionsmedlet skall förångas. Dessa uppvärmningskriterier kan exempelvis omfatta varvtalsgränser för motorn, och att uppvärmningen initieras om aktuellt motorvarvtal understiger en förutbestämd nivå. Uppvärmningskriteriema kan även omfatta temperaturen för avgaserna, och att uppvärmningen initieras om aktuellt avgastemperatur understiger en förutbestämd nivå.

För att ytterligare möjliggöra att så stor del som möjligt av reduktionsmedlet verkligen träffar förångningsdelen 4 och förångas är, enligt en utföringsforrn som schematiskt visas i figur 4, en spänningsgenerator 26 anordnad för att påföra en hög elektrisk spänning 28 mellan törångningsdelen 4 och jord. Eftersom dropparna av reduktionsmedlet uppvisar en polaritet kommer den påförda spänningen, med en polaritet vald i beroende av valt reduktionsmedel, att attrahera reduktionsmedlet som alltså sugs in mot törångningsdelen.

Storleken på spänningen beror av hur väl törångningsdelen är isolerad från den andra rördelen 10, dvs. tjockleken av isoleringsdelen 16. En lämplig spärming är ca 1 kV/mm isolering vilket medför att ca 10 kV kan vara lämpligt om isoleringsdelen har en tjocklek på 10 mm.

Enligt ytterligare en utföringsforrn är förångningsanordningen 4 tillverkad av ett material med hög värmeledningsförrnåga, till exempel koppar eller lämpliga legeringar. 10 536 791 Efier det att avgaserna passerat fórångningsanordningen som beskrivits ovan leds avgaserna vidare i avgassystemet till en SCR-katalysator där det sker en reducering av de i avgaserna befintliga kväveoxiderna.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till ovan-beskrivna föredragna utföringsformer.

Olika altemativ, modifieringar och ekvivalenter kan användas. Ovan utföringsforrner skall därför inte betraktas som begränsande uppfinningens skyddsomfång vilket definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (15)

10 15 20 25 30 536 791 Patentkrav

1. l. Förångningsanordning (2) avsedd att ingå i ett avgassystem för en förbränningsmotor omfattande en förångningsdel (4), ett rörsystem omfattande en första rördel (6) för att leda avgaser (8) från nämnda törbränningsmotor mot nämnda fórångningsdel (4), en andra rördel (10) för att leda avgaser från nämnda förångningsdel (4) , och en injektor (12) anordnad att spruta in ett reduktionsmedel (14) i avgaserna som leds i den första rördelen (6), k ä n n e t e c k n a d a v att fórångningsanordningen (2) omfattar en isoleringsdel (16) anordnad att terrniskt isolera nämnda andra rördel (10) från nämnda förångningsdel (4).

2. Förångningsanordningen enligt krav 1, varvid nämnda isoleringsdel (16) är tillverkad av en dålig värmeledare, såsom keramik eller glas.

3. Förångningsanordningen enligt krav 1 eller 2, varvid nämnda isoleringsdel (16) har en form som överensstämmer med tvärsnittet för den andra rördelen (10).

4. F örångningsanordningen enligt något av kraven 1-3, varvid den andra rördelen (10) har ett väsentligen cirkulärt tvärsnitt.

5. F örångningsanordningen enligt något av kraven 1-4, varvid isoleringsdelen (16) är ringfonnad.

6. Förångningsanordningen enligt något av kraven 1-5, varvid isoleringsdelen (16) är anpassad att monteras mellan en änddel (18) för den andra rördelen (10) och förångningsdelen (4), så att den andra rördelen (10) och förångningsdelen (4) ej står i direkt kontakt med varandra.

7. Förångningsanordningen enligt något av kraven 1-6, varvid den första rördelen (6) är koncentriskt anordnad i den andra rördelen (10). 10 15 20 25 30 536 791

8. Förångningsanordningen enligt något av kraven 1-7, varvid förångningsdelen (4) är skålformad på ett sådant sätt att avgasflödet från den första rördelen (6) leds in i nämnda andra rördel (10), och är vidare försedd med en kant (26) anpassad att monteras mot isoleringsdelen (16).

9. Förångningsanordningen enligt något av kraven 1-8, varvid förångningsanordningen innefattar en uppvärmningsanordning (20) anordnad för uppvännning av förångningsdelen (4).

10. Förångr1ingsanordningen enligt något av kraven 1-9, omfattande en styrenhet (22) anpassad att styra uppvärmningen via en styrsignal (24) till uppvärrnningsenheten (20), varvid uppvärmningen initieras om förutbestämda uppvärmningskriterier är uppfyllda.

11. Förångningsanordningen enligt krav 10, varvid nämnda uppvärmningskriterier omfattar varvtalsgränser för förbränningsmotorn, och att uppvärmningen är anordnad att initieras om aktuellt motorvarvtal understiger en förutbestämd nivå.

12. Förångningsanordningen enligt krav 10 eller 11, varvid nämnda uppvärrnningskriterier omfattar temperaturen för avgasema, och att uppvärmningen är anordnad att initieras om aktuellt avgastemperatur understiger en förutbestämd nivå.

13. Förångningsanordningen enligt något av föregående krav, varvid förångningsanordningen (4) en spänningsgenerator 26 anordnad att påföra en hög elektrisk spänning 28 mellan förångningsdelen och den andra rördelen kopplad till jord.

14. F örångningsanordningen enligt något av föregående krav, varvid förångningsanordningen (4) är tillverkad av ett material med hög värmeledningsförrnåga, till exempel koppar eller lämpliga legeringar.

15. Avgassystem för en förbränningsmotor innefattande en förångningsanordning (4) enligt något av föregående krav. 10