DE102011012401B4

DE102011012401B4 - Abgasbehandlungssystem für einen verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102011012401B4
Application number: DE102011012401.2A
Authority: DE
Inventors: Eric D. Thomas
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2031-02-26
Also published as: US20110214415A1; CN102191975A; US8621846B2; DE102011012401A1

Abstract

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), umfassend: eine Abgasleitung (14), die derart konfiguriert ist, dass sie Abgas (16) von einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors (12) aufnimmt und das Abgas (16) stromabwärts zu einer Abgasbehandlungsvorrichtung (22, 28) liefert; eine stromaufwärts der Abgasbehandlungsvorrichtung (22, 28) angeordnete Injektoreinbuchtung (40), die in der Abgasleitung (14) geformt oder daran befestigt ist und sich von der Abgasleitung (14) in Richtung des Äußeren der Abgasleitung (14) erstreckt; einen Abgasfluidinjektor (26), der durch eine Öffnung (44) in der Injektoreinbuchtung (40) in Fluidkommunikation mit dem Abgas (16) in der Abgasleitung (14) montiert und in einer stromaufwärtigen Richtung orientiert ist, um ein Abgasfluid an das stromabwärts strömende Abgas (16) in der stromaufwärtigen Richtung zu liefern; und eine Abgasströmungsablenkeinrichtung (65), die sich von der Injektoreinbuchtung (40) in die Abgasleitung (14) hinein in einer stromaufwärtigen Richtung erstreckt, wobei die Abgasströmungsablenkeinrichtung (65) stromaufwärts des Abgasfluidinjektors (26) angeordnet ist und eine bogenförmige stromaufwärtige Seite sowie eine konvexe stromabwärtige Seite aufweist, wobei die bogenförmige stromaufwärtige Seite derart konfiguriert ist, dass sie die Strömung von Abgas (16) in ein Feld mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit und in ein turbulentes Feld mit geringem Druck und geringer Geschwindigkeit trennt, und die konvexe stromabwärtige Seite derart konfiguriert ist, dass sie das turbulente Feld mit geringem Druck und geringer Geschwindigkeit stromabwärts der Abgasströmungsablenkeinrichtung (65) und benachbart zu dem Abgasfluidinjektor (26) definiert, wobei die Abgasströmungsablenkeinrichtung (65) dazu dient, dass das von dem Abgasfluidinjektor (26) gelieferte Abgasfluid von dem Feld mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit mitgeführt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor.
HINTERGRUND
Hersteller von Verbrennungsmotoren müssen Kundenanforderungen erfüllen und verschiedenen Regulierungen bezüglich reduzierter Emissionen und verbesserter Kraftstoffwirtschaftlichkeit nachkommen. Ein Beispiel eines Weges der Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit besteht darin, einen Motor mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu betreiben, das unterstöchiometrisch (Sauerstoffüberschuss) ist. Beispiele von mager verbrennenden Motoren umfassen Kompressionszündungs-(Diesel-) sowie mager verbrennende Funkenzündungsmotoren. Während mager verbrennende Motoren eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit besitzen können, ist das Abgas, das von einem solchen Motor, insbesondere einem Dieselmotor, ausgestoßen wird, jedoch ein heterogenes Gemisch, das gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid (”CO”), nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (”HC”) und Stickoxide (”NO_x”), wie auch Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe) aufweist, die Partikelmaterial (”PM”) bilden. Die kommerzielle Anwendung von Magerverbrennungsmotoren ist aufgrund eines Mangels effektiver Verfahren zur ausreichenden Entfernung von NO_x von dem mageren Abgasstrom, bevor er den Auspuff verlässt, zur Erfüllung von Regulierungen beschränkt gewesen. Somit ist die effiziente Reduzierung von NO_x von Magerverbrennungs-Benzin- und Dieselabgas, bevor es den Auspuff verlässt, wichtig, um zukünftige Emissionsstandards zu erfüllen und die Fahrzeugkraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern.
Es sind verschiedene potentielle Abgasbehandlungssysteme für Fahrzeuganwendungen vorgeschlagen worden. Diese Systeme verwenden verschiedene Abgasbehandlungsvorrichtungen. Ein derartiges Abgasbehandlungssystem verwendet einen Katalysator für harnstoffselektive katalytische Reduktion (SCR) sowie ein NO_x-Reduktionsmittel (beispielsweise Harnstoff), das stromaufwärts des Katalysators unter Verwendung eines allgemein stromabwärts weisenden Fluidinjektors injiziert wird. Das NO_x-Reduktionsmittel wird in Ammoniak umgewandelt, das dazu verwendet wird, NO_x in N₂ zu reduzieren. Die Verwendung von Harnstoff als Reduktionsmittel erfordert eine Harnstoffverteilungsinfrastruktur und ein am Fahrzeug befindliches Überwachungssystem für dieses Sekundärfluid. Derartige Systeme erfordern eine periodische Katalysatorregeneration, die eine Kraftstoffinjektion oder Injektion von Reduktionsmittel betrifft, um das Speichermaterial des Katalysators zu regenerieren.
Eine Abgasbehandlungstechnologie in Gebrauch für hohe Niveaus von Partikelmaterialreduktion ist die Dieselpartikelfiltervorrichtung (”DPF”). Es existieren verschiedene bekannte Filterstrukturen, die in DPFs verwendet sind und eine Wirksamkeit bei der Entfernung des Partikelmaterials von dem Abgas gezeigt haben, wie Keramikwaben-Wandströmungsfilter, Filter mit gewickelter oder gepackter Faser, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc. Keramikwandströmungsfilter haben in Kraftfahrzeuganwendungen eine signifikante Akzeptanz erfahren. Der Filter ist ein physikalischer Aufbau zur Entfernung von Partikeln von Abgas, und infolge dessen besitzt die Ansammlung gefilterter Partikel die Wirkung der Erhöhung des Abgassystemgegendrucks, dem der Motor ausgesetzt ist. Um Gegendruckzunahmen, die durch die Ansammlung von Abgaspartikeln bewirkt werden, zu berücksichtigen, wird der DPF periodisch gereinigt oder regeneriert. Eine Regeneration eines DPF in Fahrzeuganwendungen erfolgt typischerweise automatisch und wird durch einen Motor- oder anderen Controller auf Grundlage von Signalen, die durch Motor- und Abgassystemsensoren erzeugt werden, gesteuert. Das Regenerationsereignis betrifft die Erhöhung der Temperatur des DPF auf Niveaus, die oftmals über 600°C liegen, um die angesammelten Partikel zu verbrennen.
Ein Verfahren zur Erzeugung der Temperaturen, die in dem Abgassystem zur Regeneration des DPF erforderlich sind, besteht darin, nicht verbrannte HC an eine Oxidationskatalysatorvorrichtung, die stromaufwärts des DPF angeordnet ist, zu liefern. Die HC können durch Injektion von Kraftstoff direkt in das Abgassystem typischerweise unter Verwendung eines stromabwärts weisenden Abgasfluidinjektors geliefert werden. Die HC werden in der Oxidationskatalysatorvorrichtung oxidiert, was in einer exothermen Reaktion resultiert, die die Temperatur des Abgases erhöht. Das erwärmte Abgas gelangt stromabwärts zu dem DPF und verbrennt die Partikelansammlung.
Während Systeme, die SCR-Katalysatoren und DPFs verwenden, zur NO_x- und Partikelreduktion in Strömen einer Abgasströmung verwendet worden sind, ist der Einbau der verschiedenen Vorrichtungen, insbesondere bei relativ kleineren Fahrzeugen mit relativ kürzeren Radständen aufgrund des reduzierten Raumes problematisch geworden, der verfügbar ist, um die gewünschten Kombinationen von Vorrichtungen und die zugeordneten Injektionssysteme, die für die Einführung verschiedener Abgasbehandlungsfluide erforderlich sind, einzubauen. In einigen Fällen existiert nicht ausreichend Raum zum Einbau der Katalysator- und Filtervorrichtungen, während auch die erforderliche Mischlänge für die Umwandlung des injizierten Harnstoffs in Ammoniak und Verdampfung von HC bereitgestellt wird, insbesondere, wenn das System auch mehrere Abgasbehandlungsvorrichtungen für die Reduktion von oder Oxidation von anderen Abgasbestandteilen verwendet, einschließlich Kohlenmonoxid (CO), verschiedene Kohlenwasserstoffe (HC), Partikelmaterial (PM) und dergleichen.
In der Druckschrift US 2008/0 302 088 A1 ist ein herkömmliches Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasbehandlungsvorrichtung, einer stromaufwärts der Abgasbehandlungsvorrichtung vorgesehenen Injektoreinbuchtung sowie einem in der Injektoreinbuchtung angeordneten Abgasfluidinjektor beschrieben. Gemäß der Druckschrift US 2008/0 302 088 A1 wird der Abgasfluidinjektor auf eine im Abgasstrom befindliche Zielfläche gerichtet. Das von dem Abgasfluidinjektor injizierte Abgasfluid trifft auf die Zielfläche auf und verdampft dabei.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem aus der Druckschrift US 2008/0 302 088 A1 bekannten Abgasbehandlungssystem verbessertes Abgasbehandlungssystem zu schaffen, bei welchem insbesondere ein Aufsprühen auf eine Zielfläche wie in der Druckschrift US 2008/0 302 088 A1 nicht erforderlich ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor eine Abgasleitung, die derart konfiguriert ist, dass sie Abgas von einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors aufnimmt und das Abgas stromabwärts an eine Abgasbehandlungsvorrichtung liefert. Stromaufwärts der Abgasbehandlungsvorrichtung ist eine Injektoreinbuchtung angeordnet, die in der Abgasleitung geformt oder daran befestigt ist und sich von der Abgasleitung in Richtung des Äußeren der Abgasleitung erstreckt. Ein Abgasfluidinjektor ist durch eine Öffnung in der Injektoreinbuchtung in Fluidkommunikation mit dem Abgas in der Abgasleitung montiert und in einer stromaufwärtigen Richtung orientiert, um ein Abgasfluid an das stromabwärts strömende Abgas in der stromaufwärtigen Richtung zu liefern. Eine Abgasströmungsablenkeinrichtung erstreckt sich von der Injektoreinbuchtung in die Abgasleitung hinein in einer stromaufwärtigen Richtung. Die Abgasströmungsablenkeinrichtung ist stromaufwärts des Abgasfluidinjektors angeordnet und weist eine bogenförmige stromaufwärtige Seite sowie eine konvexe stromabwärtige Seite auf. Die bogenförmige stromaufwärtige Seite ist derart konfiguriert, dass sie die Strömung von Abgas in ein Feld mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit und in ein turbulentes Feld mit geringem Druck und geringer Geschwindigkeit trennt. Die konvexe stromabwärtige Seite ist derart konfiguriert, dass sie das turbulente Feld mit geringem Druck und geringer Geschwindigkeit stromabwärts der Abgasströmungsablenkeinrichtung und benachbart zu dem Abgasfluidinjektor definiert. Die Abgasströmungsablenkeinrichtung dient dazu, dass das von dem Abgasfluidinjektor gelieferte Abgasfluid von dem Feld mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit mitgeführt wird.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen offensichtlich, wobei die Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
1 eine schematische teilweise Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Verbrennungsmotors und eines Abgasbehandlungssystems ist, wie hier offenbart ist;
2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht teilweise im Schnitt des Abgasbehandlungssystems von 1 bei Kreis 2 mit gewissen Merkmalen ist, die zu Zwecken der Beschreibung gestrichelt gezeigt sind;
3 eine vergrößerte Seitenansicht teilweise im Schnitt des Abgasbehandlungssystems von 1 bei Kreis 2 ist;
4 eine vergrößerte Seitenansicht teilweise im Schnitt des Abgasbehandlungssystems von 1 bei Kreis 2 ist, die Abgasströmungscharakteristiken darin zeigt; und
5 eine vergrößerte Draufsicht teilweise im Schnitt des Abgasbehandlungssystems von 1 bei Kreis 2 ist, die Abgasströmungscharakteristiken darin zeigt.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur. Es sei zu verstehen, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Nun Bezug nehmend auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung auf ein Abgasbehandlungssystem, das allgemein mit 10 bezeichnet ist, für die Reduktion geregelter Abgasbestandteile eines Verbrennungsmotors, wie eines Dieselmotors 12, gerichtet. Es sei angemerkt, dass der Dieselmotor 12 lediglich beispielhafter Natur ist, und dass die hier beschriebene Erfindung in verschiedenen Motorsystemen implementiert sein kann, die einen Abgaspartikelfilter implementieren. Derartige Motorsysteme können, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Benzindirektinjektionssysteme sowie Kompressionszündungssysteme mit homogener Ladung aufweisen. Zur Vereinfachung der Beschreibung und Diskussion ist die Offenbarung im Kontext eines Dieselmotors 12 diskutiert.
Das Abgasbehandlungssystem weist eine Abgasleitung 14 auf, die verschiedene Segmente umfassen kann, die dazu dienen, Abgas 16 von dem Dieselmotor 12 an die verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 10 zu transportieren. Die Abgasbehandlungsvorrichtungen können eine erste Dieseloxidationskatalysatorvorrichtung (”DOC1”) 18 aufweisen. Die DOC1 kann ein Durchström-Metall- oder Keramik-Monolithsubstrat 20 aufweisen, das in eine anschwellende bzw. intumeszente Matte (nicht gezeigt) gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat gesichert und isoliert wird, das in einer Ummantelung oder einem Kanister 21 aus rostfreiem Stahl eingebaut ist, die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 aufweist. Das Substrat 20 besitzt eine Oxidationskatalysatorverbindung (nicht gezeigt), die daran angeordnet ist. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen werden und kann Platingruppenmetalle enthalten, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) und andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus. Die DOC1 18 ist bei der Behandlung nicht verbrannter gasförmiger und nicht flüchtiger HC und CO verwendbar, die oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden.
Eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (”SCR”) 22 kann stromabwärts der DOC1 18 angeordnet sein. Auf eine Weise ähnlich der DOC1 kann die SCR 22 auch ein Durchström-Keramik- oder Metallmonolithsubstrat 24 aufweisen, das in eine intumeszente Matte (nicht gezeigt) gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat gesichert und isoliert wird, das in eine Ummantelung oder einen Kanister 25 aus rostfreiem Stahl eingebaut ist, die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 besitzt. Das Substrat 24 besitzt eine daran aufgetragene SCR-Katalysatorzusammensetzung (nicht gezeigt). Die SCR-Katalysatorzusammensetzung enthält bevorzugt einen Zeolit sowie ein oder mehrere Grundmetallkomponenten, wie Eisen (”Fe”), Kobalt (”Co”), Kupfer (”Cu”) oder Vanadium, die effizient dazu dienen können, NO_x-Bestandteile in dem Abgas 16 in der Anwesenheit eines injizierten Abgasfluides, wie einem Ammoniak-(”NH₃”)-Reduktionsmittel umzuwandeln. Das NH₃-Reduktionsmittel 23, das von dem Reduktionsmittelliefertank 19 durch die Leitung 17 geliefert wird, kann in die Abgasleitung 14 an einer Stelle stromaufwärts des SCR 22 unter Verwendung eines stromaufwärts orientierten oder stromaufwärts weisenden Injektors 26 injiziert werden. Das Reduktionsmittel kann in der Form einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Harnstofflösung vorliegen, wenn es an das Abgas 16 durch den stromaufwärts orientierten oder stromaufwärts weisenden Injektor 26 geliefert wird. Ein Mischer oder Turbolator 27 kann ebenfalls in der Abgasleitung 14 in enger stromabwärtiger Nähe zu dem stromaufwärts weisenden Injektor 26 angeordnet sein, um eine vollständige Mischung des Reduktionsmittels 23 mit dem Abgas 16 weiter zu unterstützen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist eine Abgasfilteranordnung, in diesem Fall eine Dieselpartikelfiltervorrichtung (”DPF”) 28, in dem Abgasbehandlungssystem 10 stromabwärts des SCR 22 angeordnet und dient dazu, das Abgas 16 von Kohlenstoff und anderen Partikeln zu filtern. Der DPF 28 kann unter Verwendung eines keramischen Wandströmungsmonolithfilters 30 aufgebaut sein, der in eine intumeszente Matte gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei der Filter gesichert und isoliert wird, der in eine Ummantelung oder einen Kanister 31 aus rostfreiem Stahl eingebaut ist, die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 besitzt. Abgas 16, das in den Filter 30 eintritt, wird durch benachbarte, sich in Längsrichtung erstreckende Wände (nicht gezeigt) getrieben, und durch diesen Wandströmungsmechanismus wird das Abgas 16 von Kohlenstoff und anderen Partikeln gefiltert. Die gefilterten Partikel werden in dem Filter 30 abgeschieden und besitzen mit der Zeit die Wirkung einer Erhöhung des Abgasgegendruckes, dem der Dieselmotor 12 ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass ein keramischer Wandströmungsmonolithfilter 30 lediglich beispielhafter Natur ist, und dass der DPF 28 andere Filtervorrichtungen aufweisen kann, wie Filter aus gewickelter oder gepackter Faser, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform erfordert die Zunahme des Abgasgegendruckes, der durch die Ansammlung von Partikelmaterial bewirkt wird, dass der DPF 28 periodisch gereinigt oder regeneriert wird. Die Regeneration betrifft die Oxidation oder das Verbrennen des angesammelten Kohlenstoffs und anderer Partikel typischerweise in einer Hochtemperaturumgebung (> 600°C). Zu Regenerationszwecken kann eine zweite Dieseloxidationskatalysatorvorrichtung (”DOC2”) 58 stromaufwärts des Filters 30 nahe ihrem stromaufwärtigen Ende angeordnet sein. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der DOC2 58 ein Durchström-Metall- oder Keramikmonolithsubstrat 60, das in eine intumeszente Matte (nicht gezeigt) gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat gesichert und isoliert wird, das in dem Kanister 31 des DPF 28 eingebaut ist. Das Substrat 20 besitzt eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung (nicht gezeigt). Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen werden und kann Platingruppenmetalle enthalten, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) und andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus. Während die beschriebene Ausführungsform den DOC2 58, der in dem Kanister 31 des DPF 28 angeordnet ist, enthält, ist es denkbar, dass abhängig von dem Einbau und anderen Systembeschränkungen der DOC2 58 auch in einem separaten Kanister (nicht gezeigt) angeordnet sein kann, der stromaufwärts des DPF 28 positioniert ist.
Stromaufwärts des DPF 28 in Fluidkommunikation mit dem Abgas 16 in der Abgasleitung 14 ist ein stromaufwärts orientierter oder stromaufwärts weisender HC- oder Kraftstoffinjektor 62 angeordnet. Der Kraftstoffinjektor 62 ist in Fluidkommunikation mit HC 65 in dem Kraftstoffliefertank 63 durch die Kraftstoffleitung 61 derart konfiguriert, dass nicht verbranntes HC 65 in den Abgasstrom zur Lieferung an den DOC2 58, der dem DPF 28 zugeordnet ist, eingeführt wird. Ein Mischer oder Turbolator 64 kann ebenfalls in der Abgasleitung 14 in enger stromabwärtiger Nähe zu dem HC-Injektor 62 angeordnet sein, um ein vollständiges Mischen des HC mit dem Abgas 16 weiter zu unterstützen.
Ein Controller, wie ein Fahrzeugcontroller 66, ist funktionell mit dem Abgasbehandlungssystem 10 durch eine Signalkommunikation mit einer Anzahl von Sensoren verbunden und überwacht dieses. Der hier verwendete Begriff ”Controller” kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, die ein oder mehrere Soft- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung oder andere geeignete Komponenten aufweisen, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform erzeugt ein Gegendrucksensor 68, der stromaufwärts des DPF 28 angeordnet ist, ein Signal, das die Kohlenstoff- und Partikelbeladung in dem Keramik-Wandströmungsmonolithfilter 30 angibt. Bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, dass den Bedarf angibt, den DPF 28 zu regenerieren, aktiviert der Controller 66 den HC-Injektor 62, um HC 65 in die Abgasleitung 14 zur Mischung mit dem Abgas 16 zu liefern. Das Kraftstoff/Abgasgemisch tritt in den DOC2 58 ein, wobei eine Oxidation des HC in dem Abgas 16 bewirkt und die Abgastemperatur auf ein Niveau (beispielsweise > 600°C) angehoben wird, das zur Regeneration des Kohlenstoffs und Partikelmaterials in dem Filter 30 geeignet ist. Der Controller 66 kann die Temperatur der exothermen Oxidationsreaktion in dem DOC2 58 und dem Keramik-Wandströmungsmonolithfilter 30 durch den Temperatursensor 70 überwachen und die HC-Lieferrate des Injektors 62 einstellen, um eine vorbestimmte Temperatur aufrecht zu erhalten.
Ähnlicherweise erzeugt ein NO_x-Sensor 72, der stromabwärts des SCR 22 angeordnet ist, ein Signal, das die NO_x-Niveaus in dem den SCR 22 verlassenden Abgas 16 abgibt. Bei einer Bestimmung, dass die NO_x-Niveaus ein vorbestimmtes Niveau erreicht haben, aktiviert der Controller 66 den Injektor 26, um Reduktionsmittel 23 in die Abgasleitung 14 zur Mischung mit dem Abgas 16 zu liefern. Das Ammoniak-Abgasgemisch tritt in den SCR 22 ein, wo das Ammoniak die NO_x zu N₂ reduziert.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die 2 und 3 sind vergrößerte Ansichten eines Abschnitts der Abgasleitung 14 des Abgasbehandlungssystems 10 gezeigt, in dem der Ammoniakreduktionsmittelinjektor 26 in einer stromaufwärts weisenden Konfiguration angeordnet ist. Die Ansichten sind so gewählt worden, dass sie Merkmale des Ammoniakreduktionsmittelinjektors 26 veranschaulichen; jedoch können ähnliche Merkmale und Beschreibungen auch für die Montage, Orientierung und den Betrieb des HC-Injektors 62 Anwendung finden. Die Abgasleitung 14 weist eine Injektoreinbuchtung 40 auf, die in der Leitung geformt oder daran, wie durch Schweißen oder dergleichen, befestigt sein kann. Die Injektoreinbuchtung 40 umfasst einen Injektorbefestigungsflansch 42 mit einer darin geformten Öffnung 44 zur Aufnahme des Injektorabschnittes oder der Spitze 46 des Injektors 26 darin. Ein Dichtkragen 48 umgibt den Injektor 26, um eine Dichtung zwischen dem Injektor und der Abgasleitung 14 zu definieren, wodurch eine Leckage von Abgas 16 dazwischen verhindert wird, während der Injektor 26 an der Stelle fixiert wird. Die Konfiguration der Injektoreinbuchtung 40 und Orientierung des Befestigungsflansches 42 wirken zusammen, um den Injektor 26 in einer stromaufwärts weisenden Art und Weise zu orientieren, sodass die Achse 52 des Injektors 26 unter einem Winkel α, 3, bezüglich der Achse 54 der Abgasleitung 14 liegt. Der Winkel α (Alpha) liegt bevorzugt im Bereich von etwa 40° bis etwa 70° abhängig von Abgascharakteristiken, wie Strömungsvolumen und -geschwindigkeit.
Eine Abgasströmungsablenkeinrichtung 65 erstreckt sich auswärts von der Injektoreinbuchtung 40 in die Strömung des Abgases 16 stromaufwärts des Injektorabschnittes oder der Spitze 46 des Injektors 26. Die Ablenkeinrichtung 65 erstreckt sich in einer stromaufwärtigen Richtung unter einem Winkel γ (Gamma), der die Ablenkeinrichtung in der Strömung des Abgases 16 allgemein parallel zu der Achse 52 des Injektors 26 konfiguriert. Die stromaufwärts weisende Fläche 72 der Abgasströmungsablenkeinrichtung 65 besitzt eine (in der Stromaufwärtsrichtung) nach außen weisende konvexe bogenförmige Konfiguration, die in bestimmten Aspekten der Rückseite eines Schuhlöffels ähnelt. Die bogenförmige stromaufwärtige Seite 72 ist derart konfiguriert, dass sie die stromabwärtige Strömung von Abgas 16 um die Abgasströmungsablenkeinrichtung 65 trennt. Die Trennung der Strömung des Abgases 16 um die Abgasströmungsablenkeinrichtung 65 besitzt den Effekt der Erhöhung sowohl der Geschwindigkeit als auch des Drucks des Abgases 16 in Zonen 78 mit höherem Druck und höherer Geschwindigkeit relativ zu dem Abgasdruck stromaufwärts der Ablenkeinrichtung 65. Eine stromabwärts weisende Fläche 74 der Abgasströmungsablenkeinrichtung 65 ist konvex oder C-förmig und definiert ein turbulentes Feld 76 mit geringem Druck und geringer Geschwindigkeit, 5, stromabwärts der Abgasströmungsablenkeinrichtung, in die das Ammoniakreduktionsmittel 23 mit einer stromaufwärtigen Orientierung gesprüht wird. Das turbulente Feld 76 mit geringem Druck und geringer Geschwindigkeit ist eine relativ stagnierende Zone stromabwärts der Abgasströmungsablenkeinrichtung 65, in die das Feld 78 mit höherer Abgasgeschwindigkeit zu dem Zentrum der Abgasleitung 14 hin zusammenfällt, wodurch die Tröpfchen des Ammoniakreduktionsmittels 23 in die Strömung des Abgases 16 in einer gleichförmigen Verteilung ohne Auftreffen des Sprühnebels auf Flächen des Abgasbehandlungssystems 10 mitgeführt werden. Das Zusammenfallen des Feldes 78 mit hoher Abgasgeschwindigkeit stromabwärts der Abgasströmungsablenkeinrichtung 65 verleiht dem turbulenten Feld 76 mit geringem Druck und geringer Geschwindigkeit eine Druckcharakteristik, die an ein Saugen grenzt, wodurch ermöglicht wird, dass das mitgeführte Ammoniakreduktionsmittel 23 oder andere Abgasfluidtröpfchen (z. B. HC in dem Falle eines HC-Injektors 62) darin räumlich verteilt und anschließend durch das Hochgeschwindigkeitsfeld 78 an der Grenzfläche 77 mitgeführt und stromabwärts zu dem SCR 22 oder einer anderen Katalysatorvorrichtung des Abgasbehandlungssystems 10 getragen werden.
Die Verwendung eines stromaufwärts weisenden Injektors 26, 62 mit der Ablenkeinrichtung 65 erlaubt die Injektion von Abgasfluiden, wie Ammoniakreduktionsmittel 23 oder HC 65, in einer kürzeren axialen Länge und mit weniger Strömungswiderstand für die Strömung von Abgas 16 als mit herkömmlicheren Mischvorrichtungen 27, 64, die anderweitig stromabwärts oder rechtwinklig zu der Strömung von Abgas 16 orientiert sein müssen. In einigen Fällen können die herkömmlichen Mischervorrichtungen 27, 64 weggelassen werden. Zusätzlich sieht das Mitführen des Sprühnebels von Ammoniak 23 beispielsweise eine angemessene Transportzeit in dem Abgas zum Stattfinden erforderlicher Reaktionen (beispielsweise Umwandlung zu NH₃) vor Eintritt des Abgases in den SCR 22 vor. Zusätzlich unterstützt die Verwendung der Ablenkeinrichtung 65 die Verwendung eines stromaufwärts weisenden oder orientierten Injektors 26 oder 62, was aufgrund einer Abscheidungsbildung und übermäßigen Temperaturen an der Injektionsspitze 46 anderweitig nicht möglich wäre, die durch nicht abgeschirmtes Auftreffen des Abgases 16 daran bewirkt werden.

Claims

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), umfassend: eine Abgasleitung (14), die derart konfiguriert ist, dass sie Abgas (16) von einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors (12) aufnimmt und das Abgas (16) stromabwärts zu einer Abgasbehandlungsvorrichtung (22, 28) liefert; eine stromaufwärts der Abgasbehandlungsvorrichtung (22, 28) angeordnete Injektoreinbuchtung (40), die in der Abgasleitung (14) geformt oder daran befestigt ist und sich von der Abgasleitung (14) in Richtung des Äußeren der Abgasleitung (14) erstreckt; einen Abgasfluidinjektor (26), der durch eine Öffnung (44) in der Injektoreinbuchtung (40) in Fluidkommunikation mit dem Abgas (16) in der Abgasleitung (14) montiert und in einer stromaufwärtigen Richtung orientiert ist, um ein Abgasfluid an das stromabwärts strömende Abgas (16) in der stromaufwärtigen Richtung zu liefern; und eine Abgasströmungsablenkeinrichtung (65), die sich von der Injektoreinbuchtung (40) in die Abgasleitung (14) hinein in einer stromaufwärtigen Richtung erstreckt, wobei die Abgasströmungsablenkeinrichtung (65) stromaufwärts des Abgasfluidinjektors (26) angeordnet ist und eine bogenförmige stromaufwärtige Seite sowie eine konvexe stromabwärtige Seite aufweist, wobei die bogenförmige stromaufwärtige Seite derart konfiguriert ist, dass sie die Strömung von Abgas (16) in ein Feld mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit und in ein turbulentes Feld mit geringem Druck und geringer Geschwindigkeit trennt, und die konvexe stromabwärtige Seite derart konfiguriert ist, dass sie das turbulente Feld mit geringem Druck und geringer Geschwindigkeit stromabwärts der Abgasströmungsablenkeinrichtung (65) und benachbart zu dem Abgasfluidinjektor (26) definiert, wobei die Abgasströmungsablenkeinrichtung (65) dazu dient, dass das von dem Abgasfluidinjektor (26) gelieferte Abgasfluid von dem Feld mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit mitgeführt wird.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Abgasfluidinjektor (26) in der stromaufwärtigen Richtung unter einem Winkel α zu einer Achse der Abgasleitung (14) orientiert ist.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 2, wobei der Winkel α im Bereich von 40° bis 70° liegen kann.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abgasströmungsablenkeinrichtung (65) in der stromaufwärtigen Richtung unter einem Winkel γ zu einer Achse der Abgasleitung (14) orientiert ist.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 4, wobei der Winkel γ im Bereich von 40° bis 70° liegen kann.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 4, wobei der Abgasfluidinjektor (26) in der stromaufwärtigen Richtung unter einem Winkel α zu einer Achse der Abgasleitung (14) orientiert ist, und wobei die Abgasströmungsablenkeinrichtung (65) in der stromaufwärtigen Richtung unter einem Winkel γ zu einer Achse der Abgasleitung (14) orientiert ist.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 6, wobei der Winkel α und der Winkel γ etwa gleich sind.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die stromabwärtige Abgasbehandlungsvorrichtung (22, 28) eine Vorrichtung (22) für selektive katalytische Reduktion umfasst und das Abgasfluid ein Ammoniakreduktionsmittel umfasst.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die stromabwärtige Abgasbehandlungsvorrichtung (22, 28) eine Oxidationskatalysatorvorrichtung (58) umfasst und das Abgasfluid Kohlenwasserstoff umfasst.