SE536833C2 - Arrangemang för att införa ett vätskeformigt medium i avgaser från en förbränningsmotor - Google Patents

Description

536 833 tiska omvandlingen i SCR-katalysatorn. Ammoniaken ackumule- ras i katalysatorn genom att adsorberas på aktiva säten i kataly- satorn och i avgaserna förekommande NOX omvandlas till kväv- gas och vatten då det i katalysatorn bringas i kontakt med acku- mulerad ammoniak pà de aktiva sätena i katalysatorn.

När urea används som reduktionsmedel insprutas detta i avgas- ledningen i form av en vätskeformig urealösning med hjälp av ett insprutningsorgan. lnsprutningsorganet innefattar ett munstycke via vilket urealösningen under tryck insprutas i avgasledningen i finfördelad form som en spray. Under stora delar av en diesel- motors driftstillstånd har avgaserna en tillräckligt hög temperatur för att kunna förånga urealösningen så att ammoniak bildas. Det är dock svårt att undvika att en del av den tillförda urealösningen kommer i kontakt med och fastnar på avgasledningens ínvändiga väggyta i ett oförångat tillstånd. Då en förbränningsmotor drivs på ett likformigt sätt under en tidsperiod, dvs under ett stationärt driftförhàllande, uppträder inga nämnvärda variationer hos av- gasflödet och den i avgaserna insprutade urealösningen kommer därför att träffa väsentligen samma område av avgasledningen under hela denna tidsperiod. Under verkan av den förhållandevis svala urealösningen kan temperaturen sänkas lokalt i detta om- råde av avgasledningen till en temperatur lägre än 100°C, vilket i sin tur kan leda till att det i detta område bildas en film av urea- lösning som sedan dras med av avgasflödet. Efter att denna film har förflyttats en viss sträcka i avgasledningen kommer vattnet i urealösningen att koka bort under verkan av de heta avgaserna.

Kvar blir fast urea som långsamt förängas av värmen i avgasled- ningen. Om tillförseln av fast urea är större än förångningen sker en ansamling av fast urea i avgasledningen. Om skiktet av urea 536 833 blir tillräckligt tjockt kommer urean och dess sönderdelningspro- dukter att reagera med varandra till bildande av primitiva polyme- rer på ureabas, så kallade ureaklumpar. Sådana ureaklumpar kan med tiden blockera en avgasledning.

UPPFINNINGENS SYFTE Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett arran- gemang av den inledningsvis angivna typen som skapar förbätt- rade möjligheter att säkerställa en god förångning av det inspru- tade reduktionsmedlet.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Enligt föreliggande uppfinning uppnås nämnda syfte med hjälp av ett arrangemang uppvisande de i patentkravet 1 definierade sär- dragen.

Det uppfinningsenliga arrangemanget innefattar: - en blandningskammare avsedd att genomströmmas av avgaser, varvid blandningskammaren är avgränsad i radiell riktning utåt av en första rörformig vägg av metall, - ett insprutningsorgan för insprutning av det vätskeformiga me- diet som en spray i blandningskammaren, och - en nedströms blandningskammaren anordnad och till bland- ningskammaren angränsande avgaskanal, vilken är avsedd att genomströmmas av avgaser och sträcker sig längs med utsidan av den första rörformiga väggen, varvid avgaskanalen är avgrän- sad från blandningskammaren av den första rörformiga väggen och avgränsad i radiell riktning utåt av en andra rörformig vägg, 536 833 vilken är utformad att styra de genom avgaskanalen strömmande avgaserna att passera på utsidan av den del av den första rör- formiga väggen som är avsedd att träffas av nämnda spray av vätskeformigt medium från insprutningsorganet. Avgaskanalen är ansluten till blandningskammaren via ett flödesomkastningsor- gan, vilket är anordnat att kasta om flödesriktningen hos de från blandningskammaren utströmmande avgaserna så att dessa bringas att flöda genom avgaskanalen i en flödesriktning som är motsatt avgasernas flödesriktning i blandningskammaren.

Den del av den första rörformiga väggen som träffas av sprayen från insprutningsorganet kommer således att värmas från sin baksida av de avgaser som strömmar genom nämnda avgaska- nal.

Enligt uppfinningen är en strypning anordnad i det parti av av- gaskanalen som är beläget på utsidan -av nämnda väggdel hos den första rörformiga väggen för att i detta avgaskanalparti åstadkomma en acceleration hos de genom avgaskanalen strömmande avgaserna så att dessa strömmar med förhöjd has- tighet över utsidan av denna väggdel. Värmeövergångstalet med avseende på värmeöverföringen från en strömmande gas till en yta ökar med ökande flödeshastighet hos gasen. Genom att av- gaserna i avgaskanalen bringas att strömma över den aktuella väggdelen med ökad hastighet åstadkoms således en ökad vär- meöverföring från avgaserna till denna väggdel, vilket bidrar till en effektiv uppvärmning av väggdelen. Härigenom blir det möjligt att på ett effektivt sätt motverka den nedkylning som orsakas av det insprutade medium som träffar nämnda väggdel. Den ökade värmeöverföringen från avgaserna till den aktuella väggdelen bi- 536 833 drar även till en ökad förångning av det insprutade medium som träffar denna väggdel. Den uppfinningsenliga lösningen kräver ej användning av några värmeflänsar eller andra värmeöverförings- organ och är därigenom synnerligen enkel och fördelaktig.

Enligt en utföringsform av uppfinningen uppvisar den första rör- formiga väggen en varierande väggtjocklek sett i blandnings- kammarens längdriktning, varvid nämnda väggdel uppvisar en väggtjocklek som är större än väggtjockleken hos de till denna väggdel angränsande delarna av den första rörformiga väggen.

Genom den ökade väggtjockleken hos den del av den första rör- formiga väggen som träffas av sprayen från insprutningsorganet blir denna väggdel kapabel att ta upp och lagra en större värme- mängd från de passerande avgaserna jämfört med de övriga tun- nare väggdelarna. Härigenom får den förtjockade väggdelen bättre förmåga att motverka den nedkylning som orsakas av det insprutade medium som träffar denna väggdel. Den lagrade vär- men bidrar även till en ökad förångning av det insprutade me- dium som träffar den aktuella väggdelen. Genom sin ökade väggtjocklek får den aktuella väggdelen dessutom en bättre vär- meledningsförmåga, vilket leder till att den kylverkan som orsa- kas av det insprutade medium som träffar väggdelen sprids över ett större område. Denna utspridning av det insprutade mediets kylverkan leder till en reducerad nedkylning i det område som träffas av sprayen från insprutningsorganet.

Andra fördelaktiga särdrag hos arrangemanget enligt uppfin- ningen framgår av de osjälvständiga patentkraven och den nedan följande beskrivningen. 536 833 KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas med hjälp av utföringsexempel, med hänvisning till bifogade ritning.

Det visas i: Fig 1 ett schematiskt längdsnitt genom ett arrangemang en- ligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, och Fig 2 ett snitt enligt linjen II-II i Fig 1.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN l Fig 1-2 illustreras ett arrangemang 1 enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning för att införa ett vätskeformigt medium i avgaser från en förbränningsmotor. Arrangemanget kan exem- pelvis vara anordnat i en avgasledning uppströms en SCR-kata- lysator för att införa ett vätskeformigt reduktionsmedel i form av urea eller ammoniak i avgasledningen uppströms SCR-kataly- satorn, eller vara anordnat i en avgasefterbehandlingsanordning för att införa ett vätskeformigt reduktionsmedel i form av urea eller ammoniak uppströms en i avgasefterbehandlingsanord- ningen ingående SCR-katalysator.

Arrangemanget 1 innefattar en blandningskammare 2 som är av- sedd att mottaga avgaser från en förbränningsmotor och leda dessa avgaser vidare i riktning mot en avgasefterbehandlingsen- het, exempelvis i form av en SCR-katalysator. Blandningskamma- ren 2 är således avsedd att genomströmmas av avgaser. Bland- 536 833 ningskammaren 2 uppvisar en uppströmsände 4 och en ned- strömsände 5. Blandningskammaren 2 är avgränsad i radiell rikt- ning utåt av en första rörformig vägg 6 av metall, vilken sträcker sig mellan blandningskammarens uppströmsände 4 och ned- strömsände 5. Blandningskammaren 2 har ett inlopp 7 för mot- tagning av avgaser vid sin uppströmsände och ett utlopp 8 för avgivning av avgaser vid sin nedströmsände. lnloppet 7 är lämp- ligen ringformigt och anordnat att sträcka sig runt blandnings- kammarens centrumaxel 9. Blandningskammaren 2 har lämpligen en cirkulär tvärsnittsform, såsom illustreras i Fig 2.

Ett insprutningsorgan 10 för insprutning av det vätskeformiga mediet är anordnat i centrum av blandningskammarens upp- strömsände 4 för att spruta in det vätskeformiga mediet i riktning mot blandningskammarens nedströmsände 5. insprutningsorga- net 10, vilket exempelvis kan innefatta ett insprutningsmun- stycke, är anordnat att under tryck spruta in det vätskeformiga mediet i blandningskammaren 2 i finfördelad form som en spray 11.

Arrangemanget 1 innefattar en till blandningskammaren 2 an- gränsande och i tvärsnitt ringformig avgaskanal 12, vilken är av- sedd att genomströmmas av avgaser och sträcker sig längs med utsidan av den första rörformiga väggen 6. Avgaskanalen 12 om- ger blandningskammaren 2 och är koncentriskt med denna, så- som illustreras i Fig 2. Avgaskanalen 12 och blandningskamma- ren 2 är avgränsade från varandra av den första rörformiga väg- gen 6. Avgaskanalen 12 är avgränsad i radiell riktning inåt av den första rörformiga väggen 6 och i radiell riktning utåt av en andra rörformig vägg 13, vilken är utformad att styra de genom 536 833 avgaskanalen 12 strömmande avgaserna att passera på utsidan av den del 6a av den första rörformiga väggen som är avsedd att träffas av nämnda spray 11 av vätskeformigt medium från insprutningsorganet 10.

En strypning 14 är anordnad i det parti 12a av avgaskanalen som är beläget på utsidan av nämnda väggdel 6a för att i detta av- gaskanalparti 12a åstadkomma en acceleration hos de genom avgaskanalen 12 strömmande avgaserna så att dessa strömmar med förhöjd hastighet över utsidan av denna väggdel 6a. Vid strypningen 14 uppvisar avgaskanalen 12 en tvärsnittsarea som är mindre än tvärsnittsarean hos den uppströms strypningen be- lägna delen av avgaskanalen.

I det illustrerade exemplet är avgaskanalen 12 anordnad ned- ströms blandningskammaren 2 och ansluten till blandningskam- maren 2 via ett flödesomkastningsorgan 15, vilket är anordnat att kasta om flödesriktningen hos de från blandningskammaren 2 ut- strömmande avgaserna så att dessa bringas att flöda genom av- gaskanalen 12 i en flödesriktning som är motsatt avgasernas flö- desriktning i blandningskammaren 2. Hos den illustrerade utfö- ringsformen är flödesomkastningsorganet 15 anordnat mittemot blandningskammarens utlopp 8 och försett med ett mittenparti 15a och ett ringformigt kantparti 15b som omger mittenpartiet 15a. Den mot blandningskammaren 2 vända sidan av nämnda mittenparti 15a har lämpligen konvex form, såsom illustreras i Fig 1. Den mot blandningskammaren 2 vända sidan av nämnda kant- parti 15b bildar en styryta 16 som är rundad för att styra in de mot flödesomkastningsorganet 15 strömmande avgaserna i ett 536 833 flöde riktat mot avgaskanalens ringformiga inlopp 17 under om- kastning av flödesriktningen hos dessa avgaser.

Hos den illustrerade utföringsformen uppvisar den första rörfor- miga väggen 6 en varierande väggtjocklek sett i blandningskam- marens längdriktning, varvid den del 6a av den första rörformiga väggen som är avsedd att träffas av nämnda spray 11 av väts- keformigt medium från insprutningsorganet 10 uppvisar en vägg- tjocklek som är större än väggtjockleken hos de till denna vägg- del 6a angränsande delarna 6b av den första rörformiga väggen.

I sitt tjockaste parti har den förtjockade väggdelen 6a lämpligen en tjocklek som är minst 30 % större, företrädesvis 1,5-3 gånger större, än tjockleken hos väggens tunnare delar 6b. Väggens tunnare delar 6b kan exempelvis ha en tjocklek av ca 0,5-2 mm.

Den första rörformiga väggen 6 skulle alternativt kunna uppvisa en konstant väggtjocklek i hela sin utsträckning.

Den spray 11 av vätskeformigt medium som insprutas i bland- ningskammaren 2 via insprutningsorganet 10 kommer i bland- ningskammaren i kontakt med avgaser som via blandningskam- marens inlopp 7 strömmar in i blandningskammaren i ett väsent- ligen symmetriskt flöde kring denna spray 11. De i blandnings- kammaren 2 inströmmande avgaserna för med sig det vätskefor- miga mediet nedströms i blandningskammaren. Vid sin förflytt- ning nedströms i blandningskammaren 2 sprids det vätskeformiga mediet ut i avgaserna och förängas under verkan av avgasernas värme. Vätskeformigt medium som inte hunnit förängas träffar den ovan nämnda delen 6a av den första ringformiga väggen 6.

Det vätskeformiga medium som träffar denna väggdel 6a kommer att förängas under verkan av den heta väggytan och de heta av- 536 833 gaserna. Från blandningskammaren 2 leds avgaserna vidare till avgaskanalen 12. Vid sin passage genom strypningen 14 i avgas- kanalen 12 accelereras avgaserna och strömmar med förhöjd hastighet längs med utsidan av nämnda väggdel 6a under avgi- vande av värme till denna.

Det uppfinningsenliga arrangemanget är särskilt avsett att an- vändas i ett tungt motorfordon, såsom exempelvis en buss, ett dragfordon eller en lastbil.

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna, utan en mängd möjligheter till mo- difikationer därav torde vara uppenbara för en fackman på områ- det, utan att denne för den skull avviker från uppfinningens grundtanke sådan denna definieras i bifogade patentkrav.

Claims (4)

1. 536 833 PATENTKRAV 1.

2. Arrangemang för att införa ett vätskeformigt medium, exempel- 10 15 20 25 vis urea, i avgaser från en förbränningsmotor, vilket arrange- mang (1) innefattar: - en blandningskammare (2) avsedd att genomströmmas av avgaser, varvid blandningskammaren (2) är avgränsad i radiell riktning utåt av en första rörformig vägg (6) av metall, och - ett insprutningsorgan (10) för insprutning av det vätskefor- miga mediet som en spray (11) i blandningskammaren (2), kännetecknat därav, - att arrangemanget (1) innefattar en nedströms blandnings- kammaren (2) anordnad och till blandningskammaren (2) an- gränsande avgaskanal (12), vilken är avsedd att genom- strömmas av avgaser och sträcker sig längs med utsidan av den första rörformiga väggen (6), varvid avgaskanalen (12) är avgränsad från blandningskammaren (2) av den första rörfor- miga väggen (6) och är ansluten till blandningskammaren (2) via ett flödesomkastningsorgan (15), vilket är anordnat att kasta om flödesriktningen hos de från blandningskammaren (2) utströmmande avgaserna så att dessa bringas att flöda genom avgaskanalen (12) i en flödesriktning som är motsatt avgasernas flödesriktning i blandningskammaren (2), - att avgaskanalen (12) är avgränsad i radiell riktning utåt av en andra rörformig vägg (13), vilken är utformad att styra de genom avgaskanalen (12) strömmande avgaserna att passera på utsidan av den del (6a) av den första rörformiga väggen (6) som är avsedd att träffas av nämnda spray (11) av vätskefor- migt medium från insprutningsorganet (10), och 11 10 15 20 536 833 - att en strypning (14) är anordnad i det parti (12a) av avgas- kanalen som är beläget på utsidan av nämnda väggdel (6a) för att i detta avgaskanalparti (12a) åstadkomma en acceleration hos de genom avgaskanalen (12) strömmande avgaserna så att dessa strömmar med förhöjd hastighet över utsidan av nämnda väggdel (6a). _ Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat därav, att avgas- kanalen (12) och blandningskammaren (2) är koncentriska.

3. Arrangemang enligt krav 1 eller 2, kännetecknat därav, att den första rörformiga väggen (6) uppvisar en varierande väggtjocklek sett i blandningskammarens längdriktning, varvid nämnda väggdel (6a) uppvisar en väggtjocklek som är större än väggtjockleken hos de till denna väggdel (6a) angränsande delarna av den första rörformiga väggen (6).

4. Arrangemang enligt något av kraven 1-3, kännetecknat därav, att insprutningsorganet (10) är anordnat i centrum av bland- ningskammarens uppströmsände (4) och anordnat att spruta in det vätskeformiga mediet i riktning mot blandningskammarens nedströmsände (5). 12