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DE10306134A1 - Abgasnachbehandlungseinrichtung - Google Patents

Abgasnachbehandlungseinrichtung

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DE10306134A1
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DE
Germany
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aftertreatment device
exhaust
tube
mixing tube
exhaust aftertreatment
Prior art date
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Application number
DE10306134A
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English (en)
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Z Gerald Liu
Michael T Zuroski
Cary D Bremigan
Kenneth J Kicinski
C Raymond Cheng
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Cummins Filtration Inc
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Fleetguard Inc
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Publication date
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einem Gehäuse (12), das sich entlang einer Achse (14) erstreckt und einen stromaufwärts gelegenen Einlaß (16) zum Einleiten der Abgase und einen stromabwärts gelegenen Auslaß (20) zum Ausleiten der Abgase aufweist, einem Nachbehandlungselement (24) im Gehäuse (12) zur Behandlung der Abgase, einem Injektor (26) im Gehäuse (12) stromaufwärts des Nachbehandlungselements (24), der chemische Stoffe einspritzt, die sich vor dem Erreichen des Nachbehandlungselements (24) mit den Abgasen vermischen. Diese ist gekennzeichnet durch eine Verwirbelungseinrichtung (36) im Gehäuse (12) stromaufwärts des Nachbehandlungselements (24), die die Abgase verwirbelt, um das Vermischen stromaufwärts des Nachbehandlungselements (24) zu verbessern. Zusätzlich ist vorzugsweise vorgesehen ein Akustikrohr (40) im Gehäuse (12) zur Abgasschalldämmung, das in bestimmter Weise relativ zum Vermischungsrohr (38) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Nachbehandlungseinrichtung für Abgase von Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und/oder von Anspruch 20 und insbesondere eine Kombination von chemischem Vermischen und akustischen Effekten.
  • Was Motoremissionen angeht, werden nach wie vor neue Normen bzw. Maßstäbe für die deutliche Verringerung verschiedener Emissionen, einschließlich NOx- und Partikelemissionen, vorgeschlagen. Die zunehmend strengeren Normen erfordern den Einbau von Nachbehandlungseinrichtungen in Motorabgassysteme. Einige der Nachbehandlungstechnologien erfordern das Einspritzen bestimmter chemischer Stoffe in das Abgassystem. Z. B. werden Kohlenwasserstoff oder Kraftstoff in einige aktive magere NOx-Systeme sowie Additive wie Cerium und Eisen für die Dieselpartikelfilterregeneration und Harnstofflösung in selektive katalytische Reduktionssysteme (SCR-Systeme) zur NOx-Reduktion eingespritzt. Diese eingespritzten chemischen Stoffe müssen gut mit den Auspuffabgasen vermischt werden, bevor sie Katalysatoren oder Filter erreichen, damit die Systeme einwandfrei arbeiten.
  • Perforierte Rohre sind in Motorabgassystemen zur Geräuschreduzierung weit verbreitet. Wenn sie in geeigneter Weise ausgelegt sind, können perforierte Rohre auch eine hochintensive turbulente Strömung erzeugen. Die turbulente Strömung unterstützt die turbulente Diffusion der chemischen Stoffe und verbessert damit den Vermischungsprozeß.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, eine verbesserte chemische Vermischung bereitzustellen, - Ansprüche 1 bis 19.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird bei der Erfindung ein Rohr zum turbulenten Vermischen mit einem akustischen Rohr in ein Motorabgassystem eingebunden, - Ansprüche 20 bis 30.
  • Dabei stellt die Erfindung ein Motorabgassystem mit zweistufigen perforierten Rohren bereit. Das System ist nicht nur zum Reduzieren des Geräuschpegels gedacht, sondern auch für die Verbesserung der Vermischungsprozesse der chemischen Stoffe, die in das Abgassystem eingespritzt werden, und für die Regeneration von Dieselpartikelfiltern und für das Steuern der NOx-Emissionen des Motors.
  • Die vorliegende Patentanmeldung steht im Zusammenhang mit einer älteren Patentanmeldung (DE 102 48 294 A1, nachveröffentlicht), deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der grundlegenden Lehre der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Im übrigen wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung weiter näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
  • Fig. 1 eine seitliche schematische Teilansicht einer Einrichtung zur Abgasnachbehandlung gemäß der Erfindung,
  • Fig. 2 einen Abschnitt aus Fig. 1 und zeigt eine andere Ausführungsform,
  • Fig. 3 einen Abschnitt aus Fig. 1 und zeigt eine weitere Ausführungsform.
  • Fig. 1 zeigt eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 10, umfassend ein Gehäuse 12, das sich axial entlang einer Achse 14 erstreckt und einen stromaufwärts gelegenen Einlaß 16 zum Einleiten der Motorabgase, wie mit Pfeil 18 gezeigt, und einen stromabwärts gelegenen Auslaß 20 zum Ausleiten der Abgase, wie mit Pfeil 22 gezeigt, aufweist. Ein Nachbehandlungselement 24, z. B. ein SCR- Katalysator und/oder ein Oxydationskatalysator und/oder ein Partikelfilter, ist in dem Gehäuse 12 zur Behandlung der Abgase vorgesehen. Ein Injektor 26 ist im Gehäuse 12 zum Einspritzen chemischer Stoffe vorgesehen, wie bei 28 gezeigt, die sich mit dem Abgas vor dem Erreichen des Nachbehandlungselements 24 vermischen. Z. B. wird in einem Ausführungsbeispiel wäßrige Harnstofflösung von einem Reservoir oder Tank 30 durch eine Leitung 32 geleitet und bei der Düse oder Spitze 34 eingespritzt, wobei auch andere chemische Stoffe verwendet werden können.
  • In dem Gehäuse 12 ist stromaufwärts des Nachbehandlungselements 24 eine Verwirbelungseinrichtung 36 vorgesehen, die die Abgase verwirbelt, um das genannte chemische Vermischen stromaufwärts vom Nachbehandlungselement 24 zu verbessern. Die Verwirbelungseinrichtung 36 ist mit einem perforierten Vermischungsrohr 38 versehen. Auch ist in dem Gehäuse 12 ein perforiertes Akustikrohr 40 vorgesehen, das als Schallschutz für den Auspuffdient.
  • Es wurde herausgefunden, daß die Wirksamkeit verbessert wird, wenn die Rohre 36 und 40 mit unterschiedlichen Perforationslochgrößen versehen sind, genauer gesagt, wenn das Vermischungsrohr 36 mit größeren Perforationslochgrößen als das Akustikrohr 40 versehen ist. In einer speziellen Situation wurde herausgefunden, daß die Wirksamkeit verbessert wird, wenn das Vermischungsrohr 36 eine Perforationslochgröße hat, die größer als oder gleich einem viertel Zoll (6,35 mm) ist, und wenn das Akustikrohr 40 eine Perforationslochgröße hat, die kleiner als ein viertel Zoll (6,35 mm), vorzugsweise weniger als oder gleich einem achtel Zoll (3,175 mm) ist. Es wurde herausgefunden, daß die erwähnte Perforationslochgröße für das Vermischungsrohr 36, die größer als oder gleich einem viertel Zoll ist, eine verbesserte turbulente Diffusion und Vermischung der eingespritzten chemischen Stoffe mit sich bringt und daß die genannte Perforationslochgröße für das Akustikrohr 40 von weniger als einem viertel Zoll strömungsbedingte akustische Effekte verringert. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Perforationslöcher 48 der Verwirbelungseinrichtung 36 quadratisch geformt, wie bei 47 dargestellt, um homogene und isotrope Turbulenzen zu erzeugen, obwohl kreisförmige Löcher auch brauchbar sind, wie zusätzlich bei 49 gezeigt. Die Perforationslöcher 52 und 54 des Akustikrohrs sind vorzugsweise kreisförmig.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Vermischungsrohr 36 konisch, vorzugsweise kegelstumpfförmig, mit einem geschlossenen, nicht perforierten, stromabwärts gelegenen Ende 42 ausgebildet. Darüber hinaus ist in der bevorzugten Ausführungsform das Akustikrohr 40 zylindrisch mit einem geschlossenen, nicht perforierten, stromabwärts gelegenen Ende 44 ausgebildet. Das konische Vermischungsrohr 38 hat eine bezüglich der Achse 14 geneigt verlaufende Seitenwand 46 mit einer einheitlichen Porosität, wie bei den Perforationen 48gezeigt. Das zylindrische Akustikrohr 40 hat eine Seitenwand 50 mit einer sich verändernden Porosität, z. B. wie bei den stromaufwärts gelegenen Perforationen 52 gezeigt, die eine höhere Dichte als die stromabwärts gelegenen Perforationen 54 haben. Es wurde festgestellt, daß die variierende Porosität entlang einer zylindrischen Seitenwand 50 eine gleichmäßigere Strömung daran entlang zur Folge hat. Die Porosität kann auch variiert werden, indem man die Größe, den Abstand und die Anzahl von Perforationslöchern ändert. Das Vermischungsrohr 38 ist im Akustikrohr 40 angeordnet und konzentrisch davon umgeben. Jedes der Rohre 38 und 40 liegt stromaufwärts des Nachbehandlungselements 24. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung liegt das Vermischungsrohr 38 stromaufwärts des Akustikrohrs 40 und das Vermischungsrohr 38 ist innerhalb des Akustikrohrs 40 angeordnet.
  • Das Vermischungsrohr 38 hat ein stromaufwärts gelegenes Ende 56 und ein stromabwärts gelegenes Ende 58, wobei sich die perforierte Seitenwand 46 dazwischen erstreckt. Die Seitenwand 46 ist an den Perforationen 48 mit einer solchen Porosität perforiert, daß ein im wesentlichen gleichbleibender Widerstand und eine gleichmäßige Strömung entlang des Vermischungsrohrs 38 bereitgestellt wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der genannte im wesentlichen gleichbleibende Widerstand und die gleichmäßige Strömung durch Kombination mit einer bezüglich der Achse 14 geneigt verlaufende Seitenwand 46 erreicht, die mit einer gleichmäßigen Porosität perforiert ist. Die konische Form ist stromabwärts gerichtet, so daß sich das Vermischungsrohr 38 zu kleineren Querschnittsbereichen verengt, während das Vermischungsrohr 36 vom stromaufwärts gelegenen Ende 56 zum stromabwärts gelegenen Ende 58 verläuft. Wie oben erwähnt, ist die konische Form bei 42 am stromabwärts gelegenen Ende 58 kegelstumpfartig geformt.
  • In Fig. 2 erstreckt sich ausgehend vom Injektor 26 an der Düse oder Spitze 34 ein Sieb 60 und ist im Vermischungsrohr 38 angeordnet. Der Injektor 26 an der Düse 34 spritzt den chemischen Stoff entlang eines Sprühmusters, wie bei 28 in Fig. 1 gezeigt, mit einer Einspritzgrenze 62 ein. Das Sieb 60 in Fig. 2 erstreckt sich vom Injektor 26 entlang der Einspritzgrenze 62. Wie oben erwähnt hat das Vermischungsrohr 38 eine konische Form, die stromabwärts zeigt. Das Sieb 60 hat eine konische Form, die stromaufwärts zeigt, genauer gesagt zu einem Scheitelpunkt oder einem kegelstumpfförmigen Scheitelpunkt an der Spitze oder Düse 34. Das konische Vermischungsrohr 38 verläuft an seiner Seitenwand 46 konvergierend, während es stromabwärts verläuft. Das Sieb 62 verjüngt sich divergierend, während es stromabwärts verläuft.
  • In Fig. 3 ist das konische Sieb 60 aus Fig. 2 durch ein kugelförmiges Sieb 64 ersetzt worden, das um die Injektorspitze 34 herum und davon weg verlaufend angeordnet ist.
  • Wie bekannt ist, werden die eingespritzten chemischen Stoffe beim Vermischen mit den Abgasen chemischen Prozessen unterzogen, umfassend Zersetzung, Reaktion und Phasenwechsel. In einer weiteren Ausführungsform wird der Injektor 26 zusätzlich zum Erhitzen durch die Abgase durch eine Wärmequelle erhitzt. In einer Ausführungsform ist die Wärmequelle mit einer Spannungsquelle 70 außerhalb des Gehäuses 12 und einem Paar von elektrischen Leitern 72, 74 versehen, die die Spannungsquelle 70 mit dem Injektor 26 verbinden. Die Heizeinrichtung 70 ist vorgesehen, um den Injektor 26 zu erhitzen und die erwähnten chemischen Prozesse zu beschleunigen.
  • Wie ebenfalls bekannt ist, sind die eingespritzten chemischen Stoffe einer Koagulation bzw. einem Festwerden und einer Koaleszenz bzw. einem Zusammenwachsen ausgesetzt. In einer weiteren Ausführungsform ist ein Sieb wie 60 oder 64, das vom Injektor 26 ausgeht, und eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des Siebs, um die genannte Koagulation und Koaleszenz zu minimieren, vorgesehen. In einer Ausführungsform ist eine solche Wärmequelle mit derselben Spannungsquelle 70 wie oben erwähnt und einem Paar von elektrischen Leitern 76, 78 versehen, die die Spannungsquelle 70 mit dem Sieb 60 oder 64 verbinden.

Claims (30)

1. Abgasnachbehandlungseinrichtung mit
einem Gehäuse (12), das sich entlang einer Achse (14) erstreckt und einen stromaufwärts gelegenen Einlaß (16) zum Einleiten der Abgase und einen stromabwärts gelegenen Auslaß (20) zum Ausleiten der Abgase aufweist, einem Nachbehandlungselement (24) im Gehäuse (12) zur Behandlung der Abgase,
einem Injektor (26) im Gehäuse (12) stromaufwärts des Nachbehandlungselements (24), der chemische Stoffe einspritzt, die sich vor dem Erreichen des Nachbehandlungselements (24) mit den Abgasen vermischen, gekennzeichnet durch
eine Verwirbelungseinrichtung (36) im Gehäuse (12) stromaufwärts des Nachbehandlungselements (24), die die Abgase verwirbelt, um das Vermischen stromaufwärts des Nachbehandlungselements (24) zu verbessern.
2. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungseinrichtung (36) ein perforiertes Vermischungsrohr (38) aufweist.
3. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das perforierte Vermischungsrohr (38) eine Perforationslochgröße hat, die größer als oder gleich einem viertel Zoll (6,35 mm) ist.
4. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das perforierte Vermischungsrohr (38) quadratische Perforationslöcher aufweist.
5. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vermischungsrohr (38) ein stromaufwärts gelegenes Ende (56) und ein stromabwärts gelegenes Ende (58) sowie eine perforierte Seitenwand (46) hat, die sich vom stromaufwärts gelegenen Ende (56) zum stromabwärts gelegenen Ende (58) erstreckt.
6. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand (46) mit einer solchen Porosität perforiert ist, daß ein im wesentlichen gleichbleibender Widerstand und eine gleichmäßige Strömung entlang des Vermischungsrohrs (38) gewährleistet ist.
7. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen gleichbleibende Widerstand und die gleichmäßige Strömung in Kombination mit einer bezüglich der Achse (14) geneigt verlaufenden Seitenwand (46) erreicht werden, die mit einer gleichmäßigen Porosität perforiert ist.
8. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vermischungsrohr (38) konisch geformt ist, wobei, vorzugsweise die konische Form am stromabwärts gelegenen Ende kegelstumpfförmig ist.
9. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Form des Vermischungsrohrs (38) stromabwärts gerichtet ist, so daß sich das Vermischungsrohr (38) vom stromaufwärts gelegenen Ende (56) zum stromabwärts gelegenen Ende (58) zu kleineren Querschnitten verengt.
10. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungseinrichtung (36) neben dem Vermischungsrohr (38) ein Sieb (60) aufweist, das sich vom Injektor (26) aus erstreckt und im Vermischungsrohr (38) angeordnet ist.
11. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (26) die chemischen Stoffe mit einem Sprühmuster mit einer Einspritzgrenze (62) einspritzt und ein Sieb (60) aufweist, das sich vom Injektor (26) aus entlang der Einspritzgrenze (62) erstreckt.
12. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach den Ansprüchen 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Vermischungsrohr (38) eine konische Form hat, die stromabwärts zuläuft, und das Sieb (60) eine konische Form hat, die stromaufwärts zuläuft.
13. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Vermischungsrohr (38) stromabwärts konvergiert und das Sieb (60) stromabwärts divergiert.
14. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Sieb (64) kugelförmig um den Injektor (26) herum und davon weg verlaufend ausgebildet ist.
15. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die eingespritzten chemischen Stoffe beim Vermischen mit dem Abgas chemischen Prozessen unterzogen werden, umfassend chemische Zersetzung, chemische Reaktion und Phasenwechsel.
16. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, insbesondere nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeinrichtung (70) vorgesehen ist, die den Injektor (26) erhitzt und eventuelle chemische Prozesse beschleunigt.
17. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die eingespritzten chemischen Stoffe einer Koagulation und einer Koaleszenz ausgesetzt sind, daß ein Sieb (60; 64) vorzusehen ist, das sich vom Injektor (26) aus erstreckt, sowie eine Heizeinrichtung (70), die das Sieb (60; 64) erhitzt, um die Koagulation und die Koaleszenz zu minimieren.
18. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (26) stromaufwärts von der Verwirbelungseinrichtung (36) liegt.
19. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachbehandlungselement (24) ein Katalysatorelement und/oder ein Filterelement ist.
20. Abgasnachbehandlungseinrichtung mit
einem Gehäuse (12), das sich entlang einer Achse (14) erstreckt und einen stromaufwärts gelegenen Einlaß (10) zum Einleiten von Abgasen und einen stromabwärts gelegenen Auslaß (20) zum Ausleiten der Abgasen aufweist, einem Injektor (26) im Gehäuse (12) zum Einspritzen von chemischen Stoffen, die sich mit dem Abgas vermischen,
einem Rohr (38) zum turbulenten Vermischen der Abgase im Gehäuse (32), das die Abgase verwirbelt und die Vermischung verbessert, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch ein Akustikrohr (40) im Gehäuse (12) zur Abgasschalldämmung.
21. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Rohre (38, 40) perforiert ist.
22. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (38; 40) eine andere Perforationslochgröße als das andere Rohr (40; 38) aufweist.
23. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Vermischungsrohr (38) eine größere Perforationslochgröße als das Akustikrohr (40) hat.
24. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Vermischungsrohr (38) eine Perforationslochgröße hat, die größer oder gleich einem viertel Zoll ist, um eine turbulente Diffusion und Vermischung der eingespritzten chemischen Stoffe zu erzeugen, und daß das Akustikrohr (40) eine Perforationslochgröße hat, die kleiner als ein viertel Zoll ist, um strömungsbedingte Akustikeffekte zu minimieren.
25. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (38) zum turbulenten Vermischen mit quadratischen Perforationslöchern und das Akustikrohr (40) mit kreisförmigen Perforationslöchern perforiert ist.
26. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Vermischungsrohr (38) konisch und das Akustikrohr (40) zylindrisch ist.
27. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das konische Vermischungsrohr (38) eine bezüglich der Achse (14) geneigt verlaufende Seitenwand mit gleichmäßiger Porosität und das zylindrische Akustikrohr (40) eine Seitenwand mit variierender Porosität aufweist.
28. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, insbesondere nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Vermischungsrohr (38) im Akustikrohr (40) angeordnet und konzentrisch davon umgeben ist.
29. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nachbehandlungselement (24) im Gehäuse (12) zur Behandlung der Abgase vorgesehen ist und die Rohre (38; 40) stromaufwärts vom Nachbehandlungselement (24) liegen.
30. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Vermischungsrohr (38) stromaufwärts vom Akustikrohr (40) liegt.
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