WO2023117455A1 - Innengehäuse und vorrichtung zum behandeln von abgas - Google Patents

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WO2023117455A1
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Rafal Wróbel
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Tenneco Gmbh
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    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F01N3/2892—Exhaust flow directors or the like, e.g. upstream of catalytic device

Definitions

  • the invention relates to an inner housing for conducting an exhaust gas flow and for arranging and fastening within an outer housing, the inner housing enclosing a volume arranged around a central axis and the inner housing having an inlet connection piece and an outlet connection piece, the inlet connection piece and the outlet connection piece connect to the inner case and are connected through the inner case.
  • the inner housing forms part of a flow channel within an outer housing. The inner housing thus delimits a separate or dedicated volume completely independently of the outer housing and can be integrated into a flow channel.
  • a flow duct within the meaning of the invention is a device that directs the flow of exhaust gas and is formed by the duct walls that carry the exhaust gas and possibly also including the wall of the outer housing.
  • the outer housing, in which the flow channel is arranged, is designed as a box.
  • the exhaust gas flows through the flow channel in a flow direction.
  • All components, such as the SCR catalytic converter units, are arranged in the flow channel.
  • These duct walls are formed by walls of pipes or walls of housings and the outer housing or by other components such as substrates, etc., which guide the exhaust gas flow with inner and/or outer surfaces and which mainly direct the flow duct in a direction perpendicular to the direction of flow, but also fundamentally limit.
  • the respective wall delimits the flow channel in relation to the respective central flow axis inwards or outwards.
  • the same wall delimits one channel section of the flow channel inwards and another channel section of the flow channel outwards.
  • at least the same wall delimits a channel section of a heat transfer zone in a different direction than another channel section of the heat transfer zone.
  • a section of the flow channel in the direction of flow is to be understood as a channel section.
  • the direction of flow is to be understood as meaning the basic main direction of flow within the flow channel. The flow direction changes relative to the central axis of the outer housing.
  • the tubes and catalytic converters can have not only a round cross section but also an oval cross section or a cross section with a plurality of straight side surfaces in the form of a polygon.
  • Each component forming the flow channel is in direct contact with the flow of exhaust gas.
  • the exhaust gas flow has a different temperature on one side of a component around which flow occurs on both sides than on the other side.
  • the sheet metal construction enables heat to be transferred through the respective component from the hotter exhaust gas stream to the relatively colder exhaust gas stream.
  • This heat input is not only influenced by the temperature difference from the inside to the outside and by the length of the respective section in the flow direction or the dwell time of the exhaust gas flow, but also by the flow direction. If the air flows through the inside and outside in the same direction, the temperature difference in the direction of flow decreases. If the flow is in the opposite direction, the temperature difference remains more constant. Downstream, upstream refers to the flow channel and the flow direction given in the flow channel.
  • downstream and upstream also apply in relation to an exhaust gas particle that moves in a changing flow direction in the flow channel.
  • the particle is, for example, at a time t1 at a position in the axial direction of a tube on the inside of the tube and at a time t2 greater than t1 at a position in the axial direction on the outside of the tube.
  • Channel sections arranged one inside the other are also referred to as "duct-in-duct".
  • duct-in-duct For the purposes of this invention, such a “duct-in-duct” construction defines two duct sections which are arranged one after the other and next to one another downstream and have a common duct wall through which the heat is conducted.
  • Side by side means essentially side by side in a direction perpendicular to the direction of flow. Heat is transferred directly from a hotter exhaust gas in one of the two duct sections to a cooler exhaust gas in the other duct section via the common duct wall.
  • Means for enlarging the surface of the wall of the respective channel section are optionally also included.
  • the common channel wall is preferably single-walled, but it can also be double-walled or multi-walled.
  • the "duct-in-duct” feature also includes an arrangement in which the exhaust gas flow is divided from one duct to several ducts, as long as the feature of a common duct wall applies to all ducts and to the entire exhaust gas flow same point in time t is fulfilled.
  • DE 10 2010 021438 A1 which has a central tube with a coaxially surrounding jacket tube.
  • DE 10 2013 210 799 A1 like DE 10 2020 114 917 A1 and US 2014/0 311 137 A1, describes an outer housing with an inlet connection which is arranged parallel and acentrically to the outlet connection and relative to the outer housing opposite the inlet connection.
  • the invention is based on the object of designing and arranging a device for treating exhaust gas in such a way that the exhaust gas and reducing agent are mixed more effectively and at the same time are thermally treated more effectively.
  • the inlet connection is arranged parallel and acentrically to the central axis and the outlet connection relative to the inner housing and in the axial direction of the central axis opposite to the inlet connection and coaxially to the central axis
  • the inner housing with is combined with a central tube and the central tube is arranged coaxially to the central axis and in the outlet nozzle in such a way that the central tube completely penetrates the inner housing and/or the outlet nozzle. Due to the acentric arrangement, the exhaust gas flow is deflected twice, which serves to mix it. At the same time, however, the basic transport direction in the direction of the central axis is maintained by the opposite arrangement.
  • the inner housing is not fluidically connected to the central tube. This allows Form "duct-in-duct" arrangements in which the central tube is arranged inside the outlet nozzle.
  • two identical inner housings positioned next to one another in the radial direction to the central axis form a point-symmetrical overall housing with two chambers, the overall housing having a contour running around the same central axis for fastening in an outer housing.
  • the inner housings each have the same outer contour at the edge, which, when combined to form the overall housing, results in an outer collar that is circular, elliptical or continuous around the central axis.
  • the volume of the inner housing is formed without components of the outer housing, so that the inner housing can be arranged as a separate component in the outer housing.
  • an outer housing in which the entire housing is arranged, with the inlet connection and/or the outlet connection opening into the outer housing.
  • the outer housing is in the form of a box and has a flow channel which incorporates both inner housings one after the other in the direction of flow. The reversing direction of flow in the two inner housings allows the exhaust gas flow to be folded several times within the box and thus a relatively long flow path relative to the length of the outer housing.
  • the outlet connection designed as a casing tube, at least partially surrounds the central tube, and the inlet connection, designed as a mixing tube, accommodates a reducing agent.
  • a system for injecting reducing or oxidizing agents can be combined.
  • the outer housing has an intermediate base and the inner housing is inserted into the intermediate base.
  • the intermediate floor is used to attach the collar that runs around the entire housing. It can be of particular importance for the present invention if it has a volume-defining contour that runs around the outlet connector and is semicircular in shape and that is concentric to the central axis.
  • the inner housings thus have a geometry that makes it possible to place two identical inner housings next to one another, at least in the radial direction to the central axis, in such a way that both outlet nozzles are bordered in the circumferential direction around the central axis.
  • an inlet pipe and an outlet pipe are connected to the outer housing and a flow duct conducting the exhaust gas flow is provided in the outer housing with a duct wall and with several duct sections, which connects the inlet pipe with the outlet pipe, with the inner - housing forms part of the flow channel.
  • the flow channel has two channel sections with a common front channel wall, the two channel sections being arranged next to one another in a direction perpendicular to a flow direction in this flow channel and one after the other in the flow direction and forming a front pair. This allows a first “duct-in-duct” zone to be implemented for passive heat supply and the transfer of heat within the outer housing.
  • the flow duct has two rear duct sections with a common rear duct wall, the two rear duct sections being arranged next to one another in a direction at right angles to the direction of flow and one after the other in the direction of flow and a rear make pair.
  • This allows a second "duct-in-duct” zone to be implemented for passive heat supply and the transfer of heat within the outer housing.
  • the flue gas housing in the form of a box thus has two “duct-in-duct” zones that function independently of one another and are connected in series as a system.
  • the twofold heat exchange in series within the exhaust gas stream makes it possible to passively supply heat in the To improve the flow channel and at the same time to achieve a relatively balanced temperature over the entire length of the flow channel, but one that is also sufficiently high for the hydrolysis reaction
  • the flow channel has two further upper channel sections with a common upper channel wall, the two upper channel sections being arranged next to one another in a direction at right angles to a direction of flow and one after the other in the direction of flow and forming an upper pair.
  • This allows a third "duct-in-duct" zone to be implemented for passive heat supply and the transfer of heat within the outer housing. It is also possible to use the separate active supply of heat twice, namely once in the channel in which it is introduced and a second time on the indirectly heated outside of this channel wall.
  • the exhaust gas flow inside the two upper channels can be heated a first time directly by the hot gas from a burner or by an electrical heat source and fed to a first hydrolysis reaction.
  • the channel wall of the corresponding upper section of the flow channel into which the active heat is introduced is also heated as a result.
  • the heat from these heated channel walls is conducted away via the channel walls to the outside from the inner flow channel to the other outer side of the channel wall to the outer flow channel.
  • the heat is tapped off there a second time further downstream by the exhaust gas flow, which is then fed to a second hydrolysis reaction.
  • a device is provided on the outer housing for actively supplying heat into the flow channel, with the device being arranged in the channel section upstream of the first SCR catalytic converter unit.
  • the device for generating thermal energy is arranged on the exhaust housing in the form of a box and is designed in such a way that the thermal energy can be introduced in front of several SCR units at the same time.
  • a first SCR catalytic converter unit integrated into the flow channel and a first opening provided upstream of the first SCR catalytic converter unit are provided in the flow channel for injecting additive into the flow channel the ones in the front Use pair and rear pair heat transferred for hydrolysis for an SCR catalytic converter unit.
  • a second SCR catalytic converter unit integrated in the flow channel downstream of the first SCR catalytic converter unit and a second opening in the flow channel downstream of the first SCR catalytic converter unit and upstream of the second SCR catalytic converter unit for the Injection of additive is provided in the flow channel.
  • the exhaust housing in the form of a box has SCR units connected in series, in which a separate injection for reducing agent is provided for each of the two SCR units connected in series.
  • the outer housing forms part of the flow channel, particularly in the area of the opening.
  • the first two SCR units are arranged in an outer housing designed as a box.
  • the box has the thermal advantage that the heat emitted via the channel walls along the entire flow channel initially ensures a relatively high temperature level for the entire exhaust gas flow in the box because it forms a thermally closed unit. This advantage outweighs the disadvantage of the limited space available in an outer housing designed as a box.
  • the opening is provided in the outer housing and the outer housing forms part of the flow channel in the area of the opening. This means that no additional component is required in the outer housing to connect the injector to the flow channel.
  • the flow channel upstream is constructed in such a way that the flow channel deflects or folds the exhaust gas flow four to eight times, preferably six times by 180°.
  • the folding or the deflection takes place in the area or in the direction of the end faces of the outer housing, so that the main flow direction is essentially runs in both directions along the central axis and the change of direction is given by the folding or deflection.
  • the additive is injected through the first port in a direction opposite to the direction in which the additive is injected through the second port;
  • the two openings are arranged opposite one another on the outer housing in relation to the central axis and/or offset in the radial direction on the outer housing;
  • the two openings are provided in the outer housing and the outer housing forms part of the flow channel in the region of the respective opening;
  • one or more injectors or a receptacle for one or more injectors or more openings in the area of the respective injection point are provided at the respective opening;
  • a mixer is provided as a static mixing element downstream of the opening and upstream of the SCR catalytic converter unit;
  • the flow channel connects the central tube to the first jacket tube and the first jacket tube to the first SCR catalytic converter unit;
  • the flow channel connects the first SCR catalytic converter unit with the second jacket tube;
  • the first jacket tube is arranged upstream and the second jacket tube downstream of the first SCR catalytic converter unit;
  • the second SCR catalytic converter unit is arranged downstream of the second jacket tube;
  • the intermediate housing is coupled with a device for an active supply of heat
  • a filter unit with a filter body and a filter housing is provided in the flow channel between the central tube and the first opening, the filter housing forming part of the flow channel;
  • channel sections are provided, which are arranged straight and parallel to one another and one after the other in the direction of flow and which are each separated by a curve section which deflects the exhaust gas flow by at least 90°.
  • FIG. 1 shows a stylized sectional view of a device with an outer housing in the form of a box
  • FIG. 2 shows an enlarged view of a central tube with two casing tubes and collars at the ends;
  • FIG. 3-5 sectional views A-C according to Figure 1;
  • FIG. 6-8 Schematic sketches of the exhaust gas treatment
  • FIG. 9-10 representations of two inner housings.
  • a device 1 for guiding and treating an exhaust gas flow has an outer housing 2 in the form of a box.
  • the exhaust gas flow is introduced into the outer housing 2 via an inlet pipe 10 and discharged via an outlet pipe 11 .
  • the inlet pipe 10 and the outlet pipe 11 close respectively Outer case 2 on.
  • a flow channel K is arranged in the outer housing 2 , which conducts the flow of exhaust gas and which connects the inlet pipe 10 to the outlet pipe 11 .
  • the flow channel K or the channel wall of the flow channel K is formed by different components, such as tubes, housing in the outer housing 2 and the outer housing 2 itself. According to FIG.
  • Components arranged one after the other in direction S connecting pipe 29, duct segment 27 consisting of intermediate housing 28 and connecting pipe 29, central pipe 20, baffle plate 23, filter unit 6, outer housing 2, first mixing pipe 25, inner housing 50, first casing pipe 21, collar 203, first SCR catalyst unit 31, outer housing 2, second mixing tube 26, inner housing 51, second jacket tube 22, collar 204, second SCR catalyst unit 32, outer housing 2 and tube 30.
  • the outer housing 2 forms with various unspecified Divide the housing wall into different sections of the flow channel K.
  • the device 1 is constructed partially symmetrically to a central Z axis.
  • the central tube 20, the two jacket tubes 21, 22, the filter unit 6 and the intermediate housing 28 are also arranged coaxially to the central axis Z, as is a separate device 7 for supplying fuel, which is attached to the outer housing 2 from the outside .
  • Each of the two SCR catalytic converter units 31, 32 comprises four catalytic converters 31a-d, 32a-d, which are positioned circumferentially around the central axis Z, symmetrically offset by 90° in each case according to the sectional view A-A according to FIG.
  • Several shelves are provided in the outer housing 2 for storing the components. Shelves 241, 242 are shown as examples.
  • the “duct-in-duct” construction comprises two channel sections K1a, K1b with a common front channel wall KW1.
  • the channel section K1a is formed by a front part of the central tube 20 .
  • the channel section K1b is bounded on the inside by the outer front part of the central tube 20 and bounded on the outside by the inside of the first jacket tube 21 .
  • the two channel sections K1a, K1b are separated from one another by the central tube 20 and thus by a common channel wall KW1.
  • the two channel sections K1a, K1b are arranged next to one another in a direction at right angles to a direction of flow S, in this case in a radial direction to the central axis Z.
  • the two duct sections K1a, K1b are arranged one after the other in the flow direction S such that the exhaust gas flow after the first duct section K1a first flows through other components of the flow duct K before it flows through the second duct section K1b.
  • These two front channel sections K1a, K1b form a front pair P1 of channel sections.
  • a second and rear pair P2 of channel sections K2a, K2b which form a rear heat transfer zone according to the "duct-in-duct" principle, includes the rear part of the central tube 20 and the second jacket tube 22.
  • the central tube 20 delimits the channel section K2a to the outside and the channel section K2b to the inside.
  • the second jacket tube 22 delimits the channel section K2b to the outside.
  • the third heat transfer zone with a common channel wall KW3 is formed by the upper pair P3 of channel sections K3a, K3b.
  • the duct section K3a is formed by the duct segment 27, which includes the connecting pipe 29 and the intermediate housing 28 and which outwardly delimits the duct section K3a and forms the common duct wall KW3.
  • the channel section K3b is bounded on the inside by the connecting pipe 29 and the intermediate housing 28. On the outside, essentially the inside of the outer housing 2 forms the boundary for the channel section K3b.
  • two SCR catalytic converter units 31, 32 are provided and upstream of each SCR catalytic converter unit 31, 32 there is an injector 41a, 42a for injecting additive.
  • the type of heat transfer in the heat transfer zones to the relatively colder exhaust gas stream is described as passive heat input.
  • an active supply of heat into the exhaust gas flow is achieved with the aid of the additional device 7 arranged on the outer housing 2 for generating thermal energy.
  • a flame tube 70 is provided in the intermediate housing 28, through which the exhaust gas stream flows. The hot exhaust gas stream flows through the upper duct section K3a, the front duct section K1a and the rear duct section K2a in immediate succession.
  • the first passive heat exchange occurs in the front pair P1 in the front, outer channel section K1b in the first jacket tube 21 after the exhaust gas flow has been supplied with reducing agent via an injector 41a and before it flows into the first SCR catalytic converter unit 31 .
  • the rear, outer channel section K2b is then provided in order to again passively heat the exhaust gas flow after the supply of reducing agent with an injector 42a, before it flows into the second SCR catalytic converter unit 32.
  • the upper, outer channel section K3b makes it possible to additionally supply the exhaust gas flow with passive heat at the point at which heat is actively supplied to the exhaust gas flow with the aid of the device 7 .
  • the active heat is supplied in the upper channel section K3a and passively transferred to the exhaust gas flow in the upper channel section K3b via the common channel wall KW3.
  • the third pair also ensures that the exhaust gas flow is supplied with passive heat a second time before the second treatment with reducing agent and after a correspondingly long flow path.
  • the first time before the second injector 42a before the mixing tube 26 and the second time after the second mixing tube 26 immediately before the second SCR catalytic converter unit 32.
  • the collar 203, 204 deflects the exhaust gas stream flowing out of the jacket pipe 21, 22 by 180° with its outer side 203a, 204a.
  • the collar 203 forms on the inlet side 201 with its inside 203i a funnel for the exhaust gas flowing into the central tube 20 and the collar 204 forms on the outlet side 202 with its inside 204i a diffuser for the exhaust gas flowing out of the central tube 20.
  • FIGS. 3-5 show a section in a plane as can be seen in FIG.
  • the openings shown are, insofar as they do not have reference numbers, openings in one of the intermediate bases that are not described in detail.
  • FIG. 3 a section A-A through the rear heat transfer zone, shows the four catalysts 32a-d arranged around the central tube 20 and the second casing tube 22.
  • FIG. The first mixing tube 25 is shown in section in the upper area. In the lower area, the pipe 30 can be seen in alignment, which collects the flow of exhaust gas in the outer housing 2 and leads it into the outlet pipe 11 .
  • Section B-B is in an intermediate floor 241 immediately in front of the four catalytic converters 32a-d.
  • the exhaust gas stream flows out of the first mixing tube 25 into the inner housing 50.
  • the exhaust gas flows out of the inner housing 51 into the second jacket tube 22.
  • Another part of the exhaust gas stream also flows out of the catalytic converters 32a-d and finds its way through several openings in the intermediate floor downwards to the pipe 30.
  • the exhaust gas flow moves out of the connecting pipe 29 into the intermediate housing 28 according to FIG is arranged to the central tube 20.
  • a baffle plate 23 is provided downstream of the central tube 20, through which the exhaust gas flow is distributed to in turn downstream provided filter body 60 of the filter unit 6 takes place, which is mounted in a filter housing 61.
  • the still relatively hot exhaust gas flows into the central pipe 20 and, after being injected with the first injector 41a with reducing agent in the front "duct-in-duct” arrangement, is pumped through the common front duct wall KW1 for the first time in the first jacket pipe 21 passively heated before it flows into the first SCR catalytic converter unit 31 .
  • the second injection then takes place with the injector 42a in the second mixing tube 26 and the second passive heating in the rear "duct-in-duct" arrangement through the second common duct wall KW2 before it flows through the second SCR catalytic converter unit 32 .
  • the passive heating is shown in FIG.
  • the core of the box geometry is formed by the two inner housings 50, 51, which are shown in FIGS. 9 and 10.
  • the respective inner housing 50, 51 connects the mixing tube 25, 26 to the casing tube 21, 22, on which the catalytic converters 32a-32d are arranged downstream.
  • the design of the two inner housings 50, 51 encompassing the jacket tube 21, 22 makes it possible to arrange the two housings around the jacket tube 21, 22 next to one another and at the same time to have two exhaust gas flows independently of one another and in opposite directions in the direction of the central axis Z to lead the outer housing 2.
  • the respective inner housing 50, 51 is arranged around the central axis Z and encloses a volume which connects the mixing tube 25, 26 in its function as an inlet connection and the jacket tube 21, 22 in its function as an outlet connection.
  • the inner housing delimits a separate or dedicated volume, which is completely independent of the outer housing.
  • the inlet port 25, 26 is parallel and acentric to the central axis Z and the outlet port 21, 22 relative to the inner housing 50, 51 and in the axial direction of the central axis Z opposite to the inlet port zen 25, 26 and coaxial with the central axis Z .
  • the inner housing 50, 51 is combined with the central tube 20 in such a way that the central tube 20 completely penetrates the inner housing 50 , 51 , the inner housing 50 , 51 being sealed off from the central tube 20 .
  • Two identical inner housings 50, 51 positioned next to one another in the radial direction to the central axis Z form a point-symmetrical overall housing G with two separate chambers, the overall housing G having a contour running around the same central axis Z for fastening in an outer housing 2.
  • the inner housings 51, 52 each have the same outer contour on the edge side, which, when combined to form the overall housing G, results in an outer collar 52 that runs around the central axis Z in a circular, elliptical or continuous manner.
  • the outer housing 2 has an intermediate base 242 into which the inner housings 50, 51 are inserted.
  • the inner housing 50, 51 has a volume-limiting semi-circular contour which runs around the outlet socket 21, 22 and is concentric with the central axis Z.
  • the geometry of an individual intermediate housing 50 is shown in more detail in FIG.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Innengehäuse (50, 51) zum Leiten eines Abgasstroms und zum Anordnen und Befestigen innerhalb eines Außengehäuses (2), wobei das Innengehäuse (50, 51) um eine zentrale Achse (Z) herum angeordnet ein Volumen einschließt und das Innengehäuse (50, 51) einen Einlassstutzen (25, 26) sowie einen Auslassstutzen (21, 22) aufweist. Der Einlassstutzen (25, 26) und der Auslassstutzen (21, 22) schließen an das Innengehäuse (50, 51) an und sind durch das Innengehäuse (50, 51) verbunden. Es soll eine Umverteilung des Abgasstroms in radialer Richtung zu einer zentralen Achse ermöglicht werden. Hierzu ist vorgesehen, dass der Einlassstutzen (25, 26) parallel und azentrisch zu der zentralen Achse (Z) und der Auslassstutzen (21, 22) relativ zum Innengehäuse (50, 51) und in axialer Richtung der zentralen Achse (Z) gegenüberliegend zum Einlassstutzen (25, 26) und koaxial zu der zentralen Achse (Z) angeordnet ist.

Description

Innengehäuse und Vorrichtung zum Behandeln von Abgas
Die Erfindung bezieht sich auf ein Innengehäuse zum Leiten eines Abgasstroms und zum Anordnen und Befestigen innerhalb eines Außengehäuses, wobei das Innenge- häuse um eine zentrale Achse herum angeordnet ein Volumen einschließt und das Innengehäuse einen Einlassstutzen sowie einen Auslassstutzen aufweist, wobei der Einlassstutzen und der Auslassstutzen an das Innengehäuse anschließen und durch das Innengehäuse verbunden sind. Das Innengehäuse bildet einen Teil eines Strö- mungskanals innerhalb eines Außengehäuses. Damit begrenzt das Innengehäuse völlig unabhängig vom Außengehäuse ein separates oder eigenes Volumen und kann in einen Strömungskanal eingebunden werden.
Ein Strömungskanal im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung, die den Abgasstrom leitet und die durch die das Abgas führenden Kanalwände und gegebenenfalls auch inklusive der Wand des Außengehäuses gebildet wird. Das Außengehäuse, in dem der Strömungskanal angeordnet ist, ist als Box ausgebildet. Das Abgas durchströmt den Strömungskanal in einer Strömungsrichtung. Alle Komponenten wie beispiels- weise auch SCR-Katalysator-Einheiten sind im Strömungskanal angeordnet. Diese Kanalwände werden gebildet durch Wände von Rohren oder Wände von Gehäusen und dem Außengehäuse oder durch sonstige Bauteile wie Substrate etc., die mit In- nen- und/oder Außenflächen den Abgasstrom führen und die den Strömungskanal hauptsächlich in rechtwinkliger Richtung zur Strömungsrichtung, aber auch grund- sätzlich begrenzen. Dabei begrenzt die jeweilige Wand den Strömungskanal in Be- zug auf die jeweilige mittige Strömungsachse nach innen oder nach außen. In dem besonderen Fall einer Wärmetransferzone begrenzt dieselbe Wand einen Kanalab- schnitt des Strömungskanals nach innen und einen anderen Kanalabschnitt des Strö- mungskanals nach außen. Oder zumindest begrenzt dieselbe Wand einen Kanalab- schnitt einer Wärmetransferzone in eine andere Richtung als einen anderen Kanal- abschnitt der Wärmetransferzone. Als Kanalabschnitt ist ein Teilstück des Strö- mungskanals in Strömungsrichtung zu verstehen. Unter der Strömungsrichtung ist die grundsätzliche Hauptströmungsrichtung innerhalb des Strömungskanals zu ver- stehen. Die Strömungsrichtung ändert sich relativ zur zentralen Achse des Außenge- häuses. Sonstige von der Hauptströmungsrichtung abweichenden Strömungsrichtungen sind für die hier maßgebliche Definition der gegenständlichen Merkmale nur dann relevant, wenn explizit darauf Bezug genommen wird. Einzelne in Strömungsrichtung nacheinander angeordnete Punkte werden als stromab ange- ordnet bezeichnet. Entsprechend werden entgegen der Strömungsrichtung angeord- nete Punkte als stromauf angeordnet bezeichnet. Einzelne Bauteile sind dünn- oder einwandige Blechteile, insbesondere die Wärmetransferzonen.
Grundsätzlich können die Rohre und Katalysatoren neben einem runden Querschnitt auch einen ovalen Querschnitt oder auch einen Querschnitt mit mehreren geraden Seitenflächen in Form eines Polygons aufweisen. Jedes den Strömungskanal bil- dende Bauteil steht unmittelbar in Kontakt mit dem Abgasstrom.
Je nach Prozess innerhalb dieser Vorrichtung hat der Abgasstrom auf der einen Seite eines beidseitig umströmten Bauteils eine andere Temperatur als auf der anderen Seite. Die Bauweise aus Blech ermöglicht einen Wärmeübertrag durch das jeweilige Bauteil von dem heißeren Abgasstrom in den relativ kälteren Abgasstrom. Dieser Wärmeeintrag wird nicht nur beeinflusst durch die Temperaturdifferenz von der In- nenseite zu der Außenseite und durch die Länge des jeweiligen Abschnitts in Strö- mungsrichtung oder der Verweildauer des Abgasstroms, sondern auch durch die Strömungsrichtung. Werden die Innen- und die Außenseite in gleicher Richtung durchströmt, dann nimmt die Temperaturdifferenz in Strömungsrichtung ab. Bei einer entgegengesetzten Durchströmung bleibt die Temperaturdifferenz konstanter. Stromab, stromauf bezieht sich auf den Strömungskanal und die im Strömungskanal gegebene Strömungsrichtung. Dabei gilt per Definition stromab und stromauf auch in Bezug auf ein Abgasteilchen, das sich im Strömungskanal in einer sich ändernden Strömungsrichtung bewegt. Das Teilchen ist beispielsweise zu einem Zeitpunkt t1 an einer Position in axialer Richtung eines Rohrs auf der Innenseite des Rohrs und zu einem Zeitpunkt t2 größer t1 an einer Position in axialer Richtung auf der Außenseite des Rohrs.
Ineinander angeordnete Kanalabschnitte werden auch als „duct-in-duct“ bezeichnet. Im Sinne dieser Erfindung definiert eine solche „duct-in-duct“-Konstruktion zwei stromab nacheinander und nebeneinander angeordnete Kanalabschnitte, die eine gemeinsame Kanalwand aufweisen, durch die die Wärme geleitet wird. Nebeneinander bedeutet im Wesentlichen in einer Richtung rechtwinklig zur Strö- mungsrichtung nebeneinander. Über die gemeinsame Kanalwand wird unmittelbar Wärme von einem heißeren Abgas in einem der beiden Kanalabschnitte auf ein küh- leres Abgas in dem anderen Kanalabschnitt übertragen. Mittel zur Vergrößerung der Oberfläche der Wand des jeweiligen Kanalabschnitts sind dabei wahlweise miter- fasst. Die gemeinsame Kanalwand ist bevorzugt einwandig, sie kann aber auch dop- pel- oder mehrwandig sein. Im Sinne dieser Erfindung ist mit dem Merkmal „duct-in- duct“ auch eine Anordnung erfasst, bei der der Abgasstrom von einem Kanal auf mehrere Kanäle aufgeteilt wird, solange das Merkmal einer gemeinsamen Kanal- wand für alle Kanäle und für den gesamten Abgasstrom zu demselben Zeitpunkt t erfüllt ist.
Es ist bereits eine Vorrichtung zum Behandeln von Abgas aus der DE 10 2010 021438 A1 bekannt, die ein Zentralrohr mit einem koaxial umlaufenden Mantelrohr aufweist. Die DE 10 2013 210 799 A1 beschreibt ebenso wie die DE 10 2020 114 917 A1 und die US 2014/ 0 311 137 A1 ein Außengehäuse mit einem Einlassstutzen, der parallel und azentrisch zu dem Auslassstutzen und relativ zum Außengehäuse gegenüberliegend zum Einlassstutzen angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Behandeln von Ab- gas derart auszubilden und anzuordnen, dass das Abgas und Reduktionsmittel ef- fektiver vermischt und gleichzeitig effektiver thermisch behandelt wird.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Einlassstutzen parallel und azentrisch zu der zentralen Achse und der Auslassstutzen relativ zum Innenge- häuse und in axialer Richtung der zentralen Achse gegenüberliegend zum Einlass- stutzen und koaxial zu der zentralen Achse angeordnet ist, wobei das Innengehäuse mit einem Zentralrohr kombiniert ist und das Zentralrohr koaxial zu der zentralen Achse und derart im Auslassstutzen angeordnet ist, dass das Zentralrohr das Innen- gehäuse und/oder den Auslassstutzen vollständig durchsetzt. Durch die azentrische Anordnung wird der Abgasstrom zweimal umgelenkt, was der Durchmischung dient. Gleichzeitig wird jedoch durch die gegenüberliegende Anordnung die grundsätzliche Transportrichtung in Richtung der zentralen Achse beibehalten. Das Innengehäuse ist strömungstechnisch nicht mit dem Zentralrohr verbunden. Dadurch lassen sich „duct-in-duct“-Anordnungen bilden, bei denen das Zentralrohr innerhalb des Auslass- stutzens angeordnet ist.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn zwei gleiche Innengehäuse in radialer Richtung zur zentralen Achse aneinander positioniert ein punktsymmetrisches Gesamtge- häuse mit zwei Kammern bilden, wobei das Gesamtgehäuse eine um die gleiche zentrale Achse umlaufende Kontur zum Befestigen in einem Außengehäuse auf- weist. Dadurch ist es möglich, gleichzeitig zwei Abgasströme unabhängig voneinan- der und entgegengesetzt in Richtung der zentrale Achse Z durch das Außengehäuse 2 zu führen. Dabei weisen die Innengehäuse jeweils eine gleiche randseitige Außen- kontur auf, die zu dem Gesamtgehäuse zusammengesetzt einen um die zentrale Achse kreisförmig, elliptisch oder stetig umlaufenden äußeren Kragen ergibt. Das Volumen des Innengehäuses wird ohne Bauteile des Außengehäuses gebildet, so- dass das Innengehäuse als separates Bauteil im Außengehäuse angeordnet werden kann.
In Bezug auf den Einsatz ist es vorteilhaft, dass ein Außengehäuse vorgesehen ist, in dem das Gesamtgehäuse angeordnet ist, wobei der Einlassstutzen und/oder der Auslassstutzen in dem Außengehäuse münden. Das Außengehäuse ist als Box aus- gebildet und weist einen Strömungskanal auf, der beide Innengehäuse in Strömungs- richtung nacheinander einbindet. Die sich umkehrende Strömungsrichtung in den bei- den Innengehäusen ermöglicht ein mehrfaches Falten des Abgasstroms innerhalb der Box und damit einen relativ langen Strömungsweg relativ zur Länge des Außen- gehäuses.
In Kombination mit den Mischeigenschafen ist es vorteilhaft, dass der Auslassstutzen als Mantelrohr ausgebildet das Zentralrohr zumindest teilweise umgibt und der Ein- lassstutzen als Mischrohr ausgebildet ein Reduktionsmittel aufnimmt. Dadurch lässt sich ein System zum Einspritzen von Reduktions- oder Oxidationsmittel kombinieren.
In Bezug auf die Integration des Gesamtgehäuses ist es vorteilhaft, dass das Außen- gehäuse einen Zwischenboden aufweist und das Innengehäuse in den Zwischenbo- den eingesetzt ist. Der Zwischenboden dient als Befestigung des Kragens, der um das Gesamtgehäuse umläuft. Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn eine um den Auslassstutzen umlaufende und halbkreisförmige, das Volumen begrenzende Kontur aufweist, die konzentrisch zu der zentralen Achse ist. Die Innengehäuse wei- sen somit eine Geometrie auf, die es ermöglicht, zwei gleiche Innengehäuse zumin- dest in radialer Richtung zur zentralen Achse derart aneinander zu setzen, dass beide Auslassstutzen in Umfangsrichtung um die zentrale Achse umlaufend eingefasst sind.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn an das Außengehäuse ein Einlassrohr und ein Auslassrohr anschließen und im Außengehäuse ein den Abgasstrom leiten- der Strömungskanal mit einer Kanalwand und mit mehreren Kanalabschnitten vorge- sehen ist, der das Einlassrohr mit dem Auslassrohr verbindet, wobei das Innenge- häuse einen Teil des Strömungskanals bildet. Dadurch kann der Vorteil eines Innen- gehäuses in einem als Box ausgebildeten Außengehäuse als klassische Abgasan- lage genutzt werden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Strömungskanal zwei Kanalabschnitte mit einer gemeinsamen vorderen Kanalwand aufweist, wobei die beiden Kanalabschnitte in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung in diesem Strömungskanal nebeneinander und in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind und ein vor- deres Paar bilden. Dadurch kann eine erste „duct-in-duct“-Zone für eine passive Wär- mezufuhr und das Übertragen von Wärme innerhalb des Außengehäuses realisiert werden.
Letztlich kann es von Vorteil sein, wenn der Strömungskanal zwei hintere Kanalab- schnitte mit einer gemeinsamen hinteren Kanalwand aufweist, wobei die beiden hin- teren Kanalabschnitte in einer Richtung rechtwinklig zu der Strömungsrichtung ne- beneinander und in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind und ein hinte- res Paar bilden. Dadurch kann eine zweite „duct-in-duct“-Zone für eine passive Wär- mezufuhr und das Übertragen von Wärme innerhalb des Außengehäuses realisiert werden. Das Abgasgehäuse in Form einer Box weist dadurch zwei unabhängig von- einander funktionierende und als System hintereinander geschaltete „duct-in-duct“- Zonen auf. Durch den hintereinander geschalteten zweifachen Wärmeaustausch in- nerhalb des Abgasstroms wird es möglich, die passive Wärmezufuhr im Strömungskanal zu verbessern und gleichzeitig über die gesamte Länge des Strö- mungskanals eine relativ ausgeglichene, aber auch für die Hydrolysereaktion ausrei- chend hohe Temperatur zu erreichen
Dabei kann es von Vorteil sein, wenn der Strömungskanal zwei weitere obere Kanal- abschnitte mit einer gemeinsamen oberen Kanalwand aufweist, wobei die beiden oberen Kanalabschnitte in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung nebeneinander und in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind und ein oberes Paar bilden. Dadurch kann eine dritte „duct-in-duct“-Zone für eine passive Wärmezufuhr und das Übertragen von Wärme innerhalb des Außengehäuses reali- siert werden. Auch wird es möglich, die separate aktive Wärmezufuhr zweifach zu nutzen, nämlich einmal in dem Kanal, in dem sie eingebracht wird, und ein zweites Mal an der indirekt erhitzten Außenseite dieser Kanalwand. Der Abgasstrom im Inne- ren der beiden oberen Kanäle kann ein erstes Mal direkt durch das heiße Gas von einem Brenner oder durch eine elektrische Wärmequelle erhitzt und einer ersten Hyd- rolysereaktion zugeführt werden. Die Kanalwand des entsprechenden oberen Ab- schnitts des Strömungskanals, in den die aktive Wärme eingebracht wird, wird dadurch ebenfalls erhitzt. Die Wärme dieser erhitzten Kanalwände wird über die Ka- nalwände nach außen vom inneren Strömungskanal auf die andere äußere Seite der Kanalwand zum äußeren Strömungskanal weggeführt. Dort wird die Wärme erfin- dungsgemäß durch den Abgasstrom weiter stromab ein zweites Mal abgegriffen, der dann einer zweiten Hydrolysereaktion zugeführt wird.
Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn eine Einrichtung am Außengehäuse für eine aktive Wärmezufuhr in den Strömungskanal vorgesehen ist, wobei die Einrich- tung in dem Kanalabschnitt stromauf der ersten SCR-Katalysator-Einheit angeordnet ist. An dem Abgasgehäuse in Form einer Box ist die Einrichtung zum Erzeugen ther- mischer Energie angeordnet und derart gestaltet, dass die thermische Energie gleich- zeitig vor mehreren SCR-Einheiten eingebracht werden kann.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn eine in den Strömungskanal integrierte erste SCR-Katalysator-Einheit sowie eine stromauf der ersten SCR-Katalysator- Einheit vorgesehene erste Öffnung im Strömungskanal für das Einspritzen von Zu- satz-stoff in den Strömungskanal vorgesehen ist Dadurch lässt sich die im vorderen Paar und im hinteren Paar übertragene Wärme für die Hydrolyse für eine SCR- Katalysator-Einheit einsetzen.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn eine stromab der ersten SCR-Katalysator- Einheit im Strömungskanal integrierte zweite SCR-Katalysator-Einheit sowie stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit und stromauf der zweiten SCR-Katalysator- Einheit eine zweite Öffnung im Strömungskanal für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungskanal vorgesehen ist. Das Abgasgehäuse in Form einer Box weist hintereinander geschaltete SCR-Einheiten auf, bei der für jede der beiden hinterei- nander geschalteten SCR-Einheiten eine separate Einspritzung für Reduktionsmittel vorgehsehen ist. Das Außengehäuse bildet insbesondere im Bereich der Öffnung ei- nen Teil des Strömungskanals. Durch das Einbringen des Reduktionsmittels an meh- reren Positionen entlang des Strömungskanals wird eine ähnliche Wirkung erreicht wie durch die Verlängerung der Messstrecke. Denn an jeder der Positionen wird eine entsprechend kleinere Menge an Reduktionsmittel eingebracht, für die der notwen- dige Strömungsweg für eine gleichmäßige Verteilung und Hydrolyse entsprechend kleiner ist. Erfindungswesentlich ist es dabei, dass die beiden ersten SCR-Einheiten in einem als Box gestalteten Außengehäuse angeordnet sind. Die Box hat den ther- mischen Vorteil, dass die Wärme, die über die Kanalwände entlang des gesamten Strömungskanals abgegeben wird, zunächst für ein relativ hohes Temperaturniveau des gesamten Abgasstroms in der Box sorgt, weil sie eine thermisch geschlossene Einheit bildet. Dieser Vorteil überwiegt gegenüber dem Nachteil des geringen Platz- angebots in einem als Box gestalteten Außengehäuse.
Letztlich kann es von Vorteil sein, wenn die Öffnung im Außengehäuse vorgesehen ist und das Außengehäuse im Bereich der Öffnung einen Teil des Strömungskanals bildet. Dadurch wird erreicht, dass kein zusätzliches Bauteil im Außengehäuse zum Anschließen des Injektors an den Strömungskanal notwendig ist.
In Bezug auf einen möglichst langen Strömungskanal ist es von Vorteil, wenn strom- auf der Strömungskanal derart aufgebaut ist, dass der Strömungskanal den Ab- gasstrom vier- bis achtmal, bevorzugt sechsmal um 180° umlenkt oder faltet. Das Falten oder die Umlenkung erfolgt im Bereich oder in Richtung der Stirnseiten des Außengehäuses, sodass die hauptsächliche Strömungsrichtung im Wesentlichen entlang der zentralen Achse in beide Richtungen verläuft und der Richtungswechsel durch das Falten oder Umlenken gegeben ist.
Weitere vorteilhafte Merkmale sind nachstehend aufgelistet, die in einer speziellen Ausgestaltung auch in den Figuren dargestellt, aber nicht auf diese Ausgestaltungen beschränkt sind:
- eine stromauf der ersten SCR-Katalysator-Einheit vorgesehene erste Öffnung im Strömungskanal für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungskanal, wobei stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit und stromauf der zweiten SCR- Katalysator-Einheit eine zweite Öffnung im Strömungskanal für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungskanal vorgesehen ist.
- der Zusatzstoff wird durch die erste Öffnung in einer Richtung eingespritzt, die der Richtung entgegengesetzt ist, in die der Zusatzstoff durch die zweite Öffnung ein- gespritzt wird;
- die beiden Öffnungen sind in Bezug zu der zentralen Achse gegenüberliegend am Außengehäuse und/oder in radialer Richtung versetzt am Außengehäuse ange- ordnet;
- die beiden Öffnungen sind im Außengehäuse vorgesehen und das Außengehäuse bildet im Bereich der jeweiligen Öffnung einen Teil des Strömungskanals;
- an der jeweiligen Öffnung sind ein oder mehrere Injektoren oder eine Aufnahme für einen oder mehrere Injektoren oder mehrere Öffnungen im Bereich der jeweili- gen Einspritzstelle vorgesehen;
- stromab der Öffnung und stromauf der SCR-Katalysator-Einheit ist ein Mischer als statisches Mischelement vorgesehen;
- der Strömungskanal verbindet das Zentralrohr mit dem ersten Mantelrohr und das erste Mantelrohr mit der ersten SCR-Katalysator-Einheit;
- der Strömungskanal verbindet die erste SCR-Katalysator-Einheit mit dem zweiten Mantelrohr; - das erste Mantelrohr ist stromauf und das zweite Mantelrohr stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit angeordnet;
- die zweite SCR-Katalysator-Einheit ist stromab des zweiten Mantelrohrs angeord- net;
- das Zwischengehäuse ist mit einer Einrichtung für eine aktive Wärmezufuhr ge- koppelt;
- zwischen dem Zentralrohr und der ersten Öffnung ist eine Filtereinheit mit einem Filterkörper und einem Filtergehäuse im Strömungskanal vorgesehen, wobei das Filtergehäuse einen Teil des Strömungskanals bildet;
- zwischen 8 und 12, bevorzugt 9 Kanalabschnitte sind vorgesehen, die gerade und parallel zueinander sowie in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind und die durch jeweils einen den Abgasstrom mindestens um 90° umlenkenden Kurvenabschnitt getrennt sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
Figur 1 eine stilisierte Schnittansicht einer Vorrichtung mit einem Außenge- häuse in Form einer Box;
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Zentralrohrs mit zwei Mantelrohren und endseitigen Kragen;
Figur 3-5 Schnittdarstellungen A-C gemäß Figur 1 ;
Figur 6-8 Prinzipskizzen der Abgasbehandlung;
Figur 9-10 Darstellungen von jeweils zwei Innengehäusen.
Eine Vorrichtung 1 zum Leiten und zum Behandeln eines Abgasstroms weist wie in Figur 1 dargestellt ein Außengehäuse 2 in Form einer Box auf. In das Außengehäuse 2 wird der Abgasstrom über ein Einlassrohr 10 eingeleitet und über ein Auslassrohr 11 ausgeleitet. Das Einlassrohr 10 und das Auslassrohr 11 schließen jeweils am Außengehäuse 2 an. Im Außengehäuse 2 ist ein Strömungskanal K angeordnet, der den Abgasstrom leitet und der das Einlassrohr 10 mit dem Auslassrohr 11 verbindet. Der Strömungskanal K beziehungsweise die Kanalwand des Strömungskanals K wird durch unterschiedliche Bauteile gebildet, wie Rohre, Gehäuse im Außengehäuse 2 und das Außengehäuse 2 selbst. Gemäß Figur 1 wird der Strömungskanal K ausge- hend vom Ende des Einlassrohrs 10 im Wesentlichen durch folgende in Strömungs- richtung S nacheinander angeordnete Bauteile gebildet: Verbindungsrohr 29, Ka- nalsegment 27 bestehend aus Zwischengehäuse 28 und Verbindungsrohr 29, Zent- ralrohr 20, Leitblech 23, Filtereinheit 6, Außengehäuse 2, erstes Mischrohr 25, Innen- gehäuse 50, erstes Mantelrohr 21 , Kragen 203, erste SCR-Katalysator-Einheit 31 , Außengehäuse 2, zweites Mischrohr 26, Innengehäuse 51 , zweites Mantelrohr 22, Kragen 204, zweite SCR-Katalysator-Einheit 32, Außengehäuse 2 und Rohr 30. Das Außengehäuse 2 bildet mit verschiedenen nicht näher bezifferten Teilen der Gehäu- sewand unterschiedliche Abschnitte des Strömungskanals K.
Die Vorrichtung 1 ist teilweise symmetrisch zu einer zentralen Achse Z aufgebaut. Das Zentralrohr 20, die beiden Mantelrohre 21 , 22, die Filtereinheit 6 sowie das Zwi- schengehäuse 28 sind ebenso koaxial zu der zentralen Achse Z angeordnet wie eine separate Einrichtung 7 zum Zuführen von Brennstoff, die von außen an das Außen- gehäuse 2 angesetzt ist. Jede der beiden SCR-Katalysator-Einheiten 31 , 32 umfasst jeweils vier Katalysatoren 31 a-d, 32a-d, die gemäß der Schnittansicht A-A nach Figur 3 symmetrisch um jeweils 90° versetzt um die zentrale Achse Z umlaufend positio- niert sind. Im Außengehäuse 2 sind mehrere Zwischenböden zur Lagerung der Kom- ponenten vorgesehen. Zwischenböden 241 , 242 sind beispielhaft dargestellt.
In dem Strömungskanal K sind insgesamt drei Wärmetransferzonen zum Übertragen von Wärme von einem heißen Abgasstrom zu einem relativ zum heißen Abgasstrom kälteren Abgasstrom vorgesehen. Speziell sind die Wärmetransferzonen als „duct-in- duct“ ausgebildet. Am Beispiel der vorderen Wärmetransferzone umfasst die „duct- in-duct“-Konstruktion zwei Kanalabschnitte K1a, K1 b mit einer gemeinsamen vorde- ren Kanalwand KW1. Der Kanalabschnitt K1a wird durch einen vorderen Teil des Zentralrohrs 20 gebildet. Der Kanalabschnitt K1 b wird durch den äußeren vorderen Teil des Zentralrohrs 20 nach innen begrenzt und durch die Innenseite des ersten Mantelrohrs 21 nach außen begrenzt. Die beiden Kanalabschnitte K1a, K1 b sind durch das Zentralrohr 20 und damit durch eine gemeinsame Kanalwand KW1 vonei- nander getrennt. Die beiden Kanalabschnitte K1a, K1 b sind in einer Richtung recht- winklig zu einer Strömungsrichtung S, in diesem Fall in radialer Richtung zu der zent- rale Achse Z nebeneinander angeordnet. Zudem sind die beiden Kanalabschnitte K1a, K1 b in Strömungsrichtung S derart nacheinander angeordnet, dass der Ab- gasstrom nach dem ersten Kanalabschnitt K1a zunächst weitere Bauteile des Strö- mungskanals K durchströmt, bevor er den zweiten Kanalabschnitt K1 b durchströmt. Diese beiden vorderen Kanalabschnitte K1a, K1 b bilden ein vorderes Paar P1 von Kanalabschnitten.
Ein zweites und hinteres Paar P2 von Kanalabschnitten K2a, K2b, die eine hintere Wärmetransferzone nach dem „duct-in-duct“-Prinzip bilden, umfasst den hinteren Teil des Zentralrohrs 20 sowie das zweite Mantelrohr 22. Auch hier begrenzt das Zentral- rohr 20 den Kanalabschnitt K2a nach außen und den Kanalabschnitt K2b nach innen. Das zweite Mantelrohr 22 begrenzt den Kanalabschnitt K2b nach außen. Aus dieser Anordnung ergibt sich die rechtwinklig zur Strömungsrichtung S angeordnete be- nachbarte Geometrie mit nur einer gemeinsamen Kanalwand KW2. Nach dem Ka- nalabschnitt K2a werden auch bei dem hinteren Paar zunächst weitere Bauteile des Strömungskanals K durchströmt, bevor der zweite Kanalabschnitt K2b durchströmt wird.
Die dritte Wärmetransferzone mit einer gemeinsamen Kanalwand KW3 wird durch das obere Paar P3 von Kanalabschnitten K3a, K3b gebildet. Der Kanalabschnitt K3a wird durch das Kanalsegment 27 gebildet, das das Verbindungsrohr 29 und das Zwi- schengehäuse 28 umfasst und das den Kanalabschnitt K3a nach außen begrenzt und die gemeinsame Kanalwand KW3 bildet. Der Kanalabschnitt K3b wird nach in- nen durch das Verbindungsrohr 29 und das Zwischengehäuse 28 begrenzt. Nach außen bildet im Wesentlichen die Innenseite des Außengehäuses 2 die Grenze für den Kanalabschnitt K3b.
Zudem sind zwei SCR-Katalysator-Einheiten 31 , 32 vorgesehen und stromauf jeder SCR-Katalysator-Einheit 31 , 32 ist jeweils ein Injektor 41a, 42a zum Einspritzen von Zusatzstoff angeordnet. Die Art der Wärmeübertragung in den Wärmetransferzonen zu dem relativ kälteren Abgasstrom wird mit passiverWärmezufuhr umschrieben. Im Gegenteil dazu wird mit Hilfe der zusätzlichen am Außengehäuse 2 angeordneten Einrichtung 7 zum Erzeu- gen von thermischer Energie eine aktive Wärmezufuhr in den Abgasstrom erreicht. Hierzu ist im Zwischengehäuse 28 ein Flammrohr 70 vorgesehen, das vom Ab- gasstrom um- und durchströmt wird. Der heiße Abgasstrom durchströmt unmittelbar nacheinander den oberen Kanalabschnitt K3a, den vorderen Kanalabschnitt K1a und den hinteren Kanalabschnitt K2a. Zum ersten passiven Wärmeaustausch kommt es in dem vorderen Paar P1 im vorderen, äußeren Kanalabschnitt K1 b im ersten Man- telrohr 21 , nachdem dem Abgasstrom über einen Injektor 41a Reduktionsmittel zu- geführt wurde und bevor er in die erste SCR-Katalysator-Einheit 31 einströmt. Nach- folgend ist der hintere, äußere Kanalabschnitt K2b vorgesehen, um den Abgasstrom nach dem Zuführen von Reduktionsmittel mit einem Injektor 42a erneut passiv zu erwärmen, bevor er in die zweite SCR-Katalysator-Einheit 32 einströmt. Der obere, äußere Kanalabschnitt K3b ermöglicht, den Abgasstrom zusätzlich mit passiver Wärme an der Stelle zu versorgen, an der mit Hilfe der Einrichtung 7 dem Abgasstrom aktiv Wärme zugeführt wird. Die aktive Wärme wird im oberen Kanalabschnitt K3a zugeführt und über die gemeinsame Kanalwand KW3 passiv im oberen Kanalab- schnitt K3b an den Abgasstrom übertragen. Mit dem dritten Paar ist auch erreicht, dass der Abgasstrom vor der zweiten Behandlung mit Reduktionsmittel und nach ei- nem entsprechend langen Strömungsweg ein zweites Mal mit passiver Wärme ver- sorgt wird. Das erste Mal vor dem zweiten Injektor 42a vor dem Mischrohr 26 und das zweite Mal nach dem zweiten Mischrohr 26 unmittelbar vor der zweiten SCR- Katalysator-Einheit 32.
Mit dieser Architektur wird erreicht, dass der Wärmetransfer in den drei „duct-in-duct“- Wärmetransferzonen nacheinander durchgeführt wird. Ein theoretisches Strömungs- teilchen wird dem hinteren Wärmetransfer erst dann zugeführt, wenn der vordere Wärmetransfer abgeschlossen ist. Entsprechend findet der obere Wärmetransfer erst dann statt, wenn der hintere Wärmetransfer abgeschlossen ist. Ein weiterer maßgeb- licher Aspekt der Architektur ist es, dass der Abgasstrom insgesamt sechs Mal gefal- tet, also um 180° umgelenkt wird. Ein dafür maßgebliches Bauteil ist der jeweils am Ende des Zentralrohrs 20 angeordnete und in Figur 2 verdeutlicht dargestellte Kragen 203, 204, der eine Faltung des Abgasstroms bewirkt, der aus dem jeweiligen Mantel- rohr 21 , 22 austritt und nach der Faltung in die Katalysatoren 31a-d, 32a-d einströmt. Der Kragen 203, 204 lenkt mit seiner Außenseite 203a, 204a den aus dem Mantelrohr 21 , 22 ausströmenden Abgasstrom um 180° um. Der Kragen 203 bildet an der Ein- lassseite 201 mit seiner Innenseite 203i einen Trichter für das in das Zentralrohr 20 einströmende Abgas und der Kragen 204 bildet an der Auslassseite 202 mit seiner Innenseite 204i einen Diffusor für das aus dem Zentralrohr 20 ausströmende Abgas.
Die zahlreichen Strömungswege sind auch in den Figuren 3-5 verdeutlicht, welche jeweils einen Schnitt in einer Ebene zeigen, wie sie in Figur 1 erkennbar ist. Die dar- gestellten Öffnungen sind, soweit sie keine Bezugsziffern tragen, nicht näher be- schriebene Öffnungen in einem der Zwischenböden. Figur 3, ein Schnitt A-A durch die hintere Wärmetransferzone, lässt die vier Katalysatoren 32a-d erkennen, die um das Zentralrohr 20 und das zweite Mantelrohr 22 angeordnet sind. Im oberen Bereich ist das erste Mischrohr 25 im Schnitt dargestellt. Im unteren Bereich erkennt man in der Flucht das Rohr 30, welches den Abgasstrom im Außengehäuse 2 sammelt und in das Auslassrohr 11 führt. Der Schnitt B-B liegt in einem Zwischenboden 241 un- mittelbar vor den vier Katalysatoren 32a-d. Der Abgasstrom strömt im oberen Bereich aus dem ersten Mischrohr 25 in das Innengehäuse 50. Im unteren Bereich strömt das Abgas aus dem Innengehäuse 51 in das zweite Mantelrohr 22. Zudem strömt ein weiterer Teil des Abgasstroms aus den Katalysatoren 32a-d heraus und findet seinen Weg durch mehrere Öffnungen in dem Zwischenboden nach unten hin zum Rohr 30. Nach dem Schnitt C-C bewegt sich der Abgasstrom gemäß Figur 5 aus dem Verbin- dungsrohr 29 heraus in das Zwischengehäuse 28 hinein und umströmt das im Zwi- schengehäuse 28 angeordnete Flammrohr 70, welches koaxial zum Zentralrohr 20 angeordnet ist. Der aus den in diesem Schnitt nicht dargestellten Katalysatoren 31a- d austretende Abgasstrom findet seinen Weg durch nicht näher bezifferte Öffnungen in einem Zwischenboden hin zu dem zweiten Mischrohr 26. Stromab des Zentralrohrs 20 ist ein Leitblech 23 vorgesehen, durch das eine Verteilung des Abgasstroms auf einen wiederum stromab vorgesehenen Filterkörper 60 der Filtereinheit 6 erfolgt, der in einem Filtergehäuse 61 gelagert ist.
In den Figuren 6 bis 8 sind verschiedene vereinfachte Modelle für die passive und aktive Wärmezufuhr dargestellt, die sich mit der vorstehend beschriebenen konkreten Geometrie einer Box verwirklichen lassen. Für eine bessere Übersicht wird bei diesen Modellen auf die Darstellung von Außengehäuse, Einlassrohr, Auslassrohr, Ka- nalsegment und Zwischengehäuse sowie weiteren Bauteilen verzichtet. Nach Figur
6 strömt das noch relativ heiße Abgas in das Zentralrohr 20 und wird nach der Injek- tion mit dem ersten Injektor 41a mit Reduktionsmittel in der vorderen „duct-in-duct“- Anordnung durch die gemeinsame vordere Kanalwand KW1 das erste Mal im ersten Mantelrohr 21 passiv erwärmt, bevor es in die erste SCR-Katalysator-Einheit 31 ein- strömt. Danach erfolgt die zweite Injektion mit dem Injektor 42a im zweiten Mischrohr 26 und die zweite passive Erwärmung in der hinteren „duct-in-duct“-Anordnung durch die zweite gemeinsame Kanalwand KW2, bevor es die zweite SCR-Katalysator- Einheit 32 durchströmt. Ergänzend zu den passiven Erwärmungen wird gemäß Figur
7 dem Abgasstrom unmittelbar nach dem Einströmen in die Box aktive Wärme über die Einrichtung 7 zugeführt. Die weitere Möglichkeit, von dem aktiv erhitzten Ab- gasstrom passive Wärme übereine „duct-in-duct“-Anordnung abzugreifen, ist in Figur
8 dargestellt, nach der der Abgasstrom vor dem Eintreten in das zweite Mischrohr 26 durch die gemeinsame dritte Kanalwand KW3 passive Wärme aufnimmt.
Das Herzstück der Box-Geometrie, wie sie in den Figuren 1 bis 5 dargestellt ist, bilden die beiden Innengehäuse 50, 51 , die in den Figuren 9 und 10 dargestellt sind. Das jeweilige Innengehäuse 50, 51 verbindet das Mischrohr 25, 26 mit dem Mantelrohr 21 , 22, auf das folgend stromab die Katalysatoren 32a-32d angeordnet sind. Die das Mantelrohr 21 , 22 umgreifende Gestaltung der beiden Innengehäuse 50, 51 ermög- licht es, die beiden Gehäuse um das Mantelrohr 21 , 22 herum aneinander anzuord- nen und gleichzeitig zwei Abgasströme unabhängig voneinander und entgegenge- setzt in Richtung der zentralen Achse Z durch das Außengehäuse 2 zu führen.
Das jeweilige Innengehäuse 50, 51 ist um die zentrale Achse Z herum angeordnet und schließt ein Volumen ein, das das Mischrohr 25, 26 in seiner Funktion als Ein- lassstutzen sowie das Mantelrohr 21 , 22 in seiner Funktion als Auslassstutzen ver- bindet. Das Innengehäuse begrenzt völlig unabhängig vom Außengehäuse ein sepa- rates oder eigenes Volumen. Der Einlassstutzen 25, 26 ist parallel und azentrisch zu der zentralen Achse Z und der Auslassstutzen 21 , 22 relativ zum Innengehäuse 50, 51 und in axialer Richtung der zentralen Achse Z gegenüberliegend zum Einlassstut- zen 25, 26 und koaxial zu der zentralen Achse Z angeordnet. Das Innengehäuse 50, 51 ist mit dem Zentralrohr 20 derart kombiniert, dass das Zentralrohr 20 das Innen- gehäuse 50, 51 vollständig durchsetzt, wobei das Innengehäuse 50, 51 gegenüber dem Zentralrohr 20 abgedichtet ist. Zwei gleiche Innengehäuse 50, 51 in radialer Richtung zur zentralen Achse Z aneinander positioniert bilden ein punktsymmetri- sches Gesamtgehäuse G mit zwei getrennten Kammern, wobei das Gesamtgehäuse G eine um die gleiche zentrale Achse Z umlaufende Kontur zum Befestigen in einem Außengehäuse 2 aufweist. Die Innengehäuse 51 , 52 weisen jeweils eine gleiche randseitige Außenkontur auf, die zu dem Gesamtgehäuse G zusammengesetzt einen um die zentrale Achse Z kreisförmig, elliptisch oder stetig umlaufenden äußeren Kra- gen 52 ergibt. Das Außengehäuse 2 weist einen Zwischenboden 242 auf, in den die Innengehäuse 50, 51 eingesetzt sind. Das Innengehäuse 50, 51 weist eine um den Auslassstutzen 21 , 22 umlaufende und halbkreisförmige, das Volumen begrenzende Kontur auf, die konzentrisch zu der zentralen Achse Z ist. Die Geometrie eines ein- zelnen Zwischengehäuses 50 ist in Figur 10 näher dargestellt.

Claims

Patentansprüche Innengehäuse (50, 51 ) zum Leiten eines Abgasstroms und zum Anordnen und Befestigen innerhalb eines Außengehäuses (2), wobei das Innengehäuse (50, 51 ) um eine zentrale Achse (Z) herum angeordnet ein Volumen einschließt und das Innengehäuse (50, 51 ) einen Einlassstutzen (25, 26) sowie einen Auslassstutzen (21 , 22) aufweist, wobei der Einlassstutzen (25, 26) und der Auslassstutzen (21 , 22) an das Innengehäuse (50, 51 ) anschließen und durch das Innengehäuse (50, 51 ) verbunden sind, wobei der Einlassstutzen (25, 26) parallel und azentrisch zu der zentralen Achse (Z) und der Auslassstutzen (21 , 22) relativ zum Innengehäuse (50, 51 ) und in axialer Richtung der zentralen Achse (Z) gegenüberliegend zum Einlassstutzen (25, 26) und koaxial zu der zentralen Achse (Z) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Innen- gehäuse (50, 51 ) mit einem Zentralrohr (20) kombiniert ist und das Zentralrohr (20) koaxial zu der zentralen Achse (Z) und derart im Auslassstutzen (21 , 22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralrohr (20) das Innen- gehäuse (50, 51 ) und/oder den Auslassstutzen (21 , 22) vollständig durchsetzt. Innengehäuse (50, 51 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei gleiche Innengehäuse (50, 51 ) in radialer Richtung zur zentralen Achse (Z) an- einander positioniert ein punktsymmetrisches Gesamtgehäuse (G) mit zwei Kammern bilden, wobei das Gesamtgehäuse (G) einen um die gleiche zent- rale Achse (Z) umlaufenden Kragen (52) zum Befestigen in einem Außenge- häuse (2) aufweist. Innengehäuse (50, 51 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außengehäuse (2) vorgesehen ist, in dem das Gesamtgehäuse (G) angeord- net ist, wobei der Einlassstutzen (25, 26) und/oder der Auslassstutzen (21 , 22) in dem Außengehäuse (2) münden. Innengehäuse (50, 51 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassstutzen (21 , 22) als Mantelrohr ausgebildet das Zentralrohr (20) zumindest teilweise umgibt und der Einlassstutzen (25, 26) als Mischrohr ausgebildet ein Reduktionsmittel aufnimmt. Innengehäuse (50, 51 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Außengehäuse (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (2) ei- nen Zwischenboden (23) aufweist und das Innengehäuse (50, 51 ) in den Zwi- schenboden (242) eingesetzt ist. Innengehäuse (50, 51 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (50, 51 ) eine um den Auslassstutzen (21 , 22) umlaufende und halbkreisförmige, das Volumen begrenzende Kontur aufweist, die konzentrisch zu der zentralen Achse (Z) ist. Vorrichtung (1 ) zum Leiten und zum Behandeln eines Abgasstroms mit einem Innengehäuse (50, 51 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einem Außen- gehäuse (2), das das Innengehäuse (50, 51 ) aufnimmt, mit a) einem an das Außengehäuse (2) anschließenden Einlassrohr (10) und ei- nem an das Außengehäuse (2) anschließenden Auslassrohr (11 ), b) einem im Außengehäuse (2) angeordneten und den Abgasstrom leitenden Strömungskanal (K) mit einer Kanalwand und mit mehreren Kanalabschnitten, der das Einlassrohr (10) mit dem Auslassrohr (11 ) verbindet, wobei c) das Innengehäuse (50, 51 ) einen Teil des Strömungskanals (K) bildet. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strö- mungskanal (K) zwei Kanalabschnitte (K1 a, K1 b) mit einer gemeinsamen vor- deren Kanalwand (KW1 ) aufweist, wobei die beiden Kanalabschnitte (K1a, K1 b) in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung (S) in diesem Strömungskanal (K) nebeneinander und in Strömungsrichtung (S) nacheinan- der angeordnet sind und ein vorderes Paar (P1 ) bilden. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (K) zwei hintere Kanalabschnitte (K2a, K2b) mit einer ge- meinsamen hinteren Kanalwand (KW2) aufweist, wobei die beiden hinteren Kanalabschnitte (K2a, K2b) in einer Richtung rechtwinklig zu der Strömungs- richtung (S) nebeneinander und in Strömungsrichtung (S) nacheinander ange- ordnet sind und ein hinteres Paar (P2) bilden. - 18 - Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (K) zwei weitere obere Kanalabschnitte (K3a, K3b) mit einer gemeinsamen oberen Kanalwand (KW3) aufweist, wobei die beiden oberen Kanalabschnitte (K3a, K3b) in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung nebeneinander und in Strömungsrichtung (S) nacheinan- der angeordnet sind und ein oberes Paar (P3) bilden. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (7) am Außengehäuse (2) für eine aktive Wärmezufuhr in den Strömungskanal (K) vorgesehen ist, wobei die Einrichtung (7) in dem Kanalab- schnitt (K3a) stromauf der ersten SCR-Katalysator-Einheit (31 ) angeordnet ist. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass a) eine in den Strömungskanal (K) integrierte erste SCR-Katalysator-Einheit
(31 ) sowie eine stromauf der ersten SCR-Katalysator-Einheit (31 ) vorgese- hene erste Öffnung (41 ) im Strömungskanal (K) für das Einspritzen von Zu- satzstoff in den Strömungskanal (K) vorgesehen ist und/oder b) eine stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit (31 ) im Strömungskanal (K) integrierte zweite SCR-Katalysator-Einheit sowie stromab der ersten SCR- Katalysator-Einheit (31 ) und stromauf der zweiten SCR-Katalysator-Einheit
(32) eine zweite Öffnung (42) im Strömungskanal (K) für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungskanal (K) vorgesehen ist, wobei c) die Öffnung (41 , 42) im Außengehäuse (2) vorgesehen ist und das Außen- gehäuse (2) im Bereich der Öffnung (41 , 42) einen Teil des Strömungskanals (K) bildet. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (K) derart aufgebaut ist, dass der Strömungskanal (K) den Abgasstrom vier- bis achtmal, bevorzugt sechsmal um 180° umlenkt oder faltet. - 19 - System bestehend aus einer Vorrichtung zum Behandeln von Abgas nach ei- nem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 7 und einer Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei die Abgasanlage ein Krümmersystem, ein System mit einem Oxidationskatalysator, ein Rohrsystem und ein Schalldämp- fersystem sowie Sensoren umfasst.
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