DE112007001958T5

DE112007001958T5 - Abgasnachbehandlungssystem mit Spiralmischer

Info

Publication number: DE112007001958T5
Application number: DE112007001958T
Authority: DE
Inventors: David W. McFarland Kapsos; Cary D. Madison Bremigan; Mark P. Madison Adams; Patrick M. Madison Klein
Original assignee: Universal Silencer Stoughton LLC; Universal Silencer LLC
Current assignee: Durr Universal Inc
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2009-07-23
Also published as: GB0903107D0; US7712305B2; GB2455014A; US20080047260A1; WO2008024535A2; WO2008024535A3

Abstract

Abgasnachbehandlungssystem umfassend einen Abgaskanal, der Abgas zu einem Nachbehandlungselement führt, das das Abgas behandelt, einen Injektor, der chemische Spezies injiziert, die sich mit dem Abgas vermischt, bevor es das Nachbehandlungselement erreicht, einen Mischer in dem Abgassystem vor dem Nachbehandlungselement, der die chemische Spezies und das Abgas vermischt, wobei der Mischer eine Spiralkammer ist.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK UND KURZE DARSTELLUNG
Die Erfindung betrifft Nachbehandlungssysteme für Verbrennungsmotorabgas und insbesondere das Injektionsmischen von chemischen Spezies.
Zur Behandlung von Fragen der Motoremission werden ständig neue Standards zur substantiellen Reduktion von verschiedenen Emissionen einschließlich NOx und Partikelemissionen vorgeschlagen. Zunehmend strengere Standards erfordern die Installation von Nachbehandlungseinrichtungen in Motorabgassystemen. Einige der Nachbehandlungstechnologien erfordern das Injizieren von bestimmten chemischen Spezies in das Abgassystem. Beispielsweise wird HC oder Brennstoff in gewisse aktive NOx-Markersysteme zur NOx-Reduktion oder in aktive Dieselpartikelfilter (DPF) injiziert, damit eine Regeneration stattfindet (wobei der Ruß oxidiert und der Filter gereinigt wird), und eine Urealösung wird in Systeme zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zur NOx-Reduktion injiziert. Diese injizierten chemischen Spezies müssen gut mit dem Abgas gemischt werden, bevor sie Katalysatoren oder Filter erreichen, damit die Systeme ordnungsgemäß arbeiten.
Die vorliegende Erfindung ergab sich während anhaltender Entwicklungsbemühungen, die auf die obigen Abgasnachbehandlungssysteme gerichtet waren. Bei einem Aspekt wird ein kompakter Mischer bereitgestellt. Bei einem System mit einem Abgasfluß entlang einer axialen Richtung wird eine längere Mischstrecke/-zeit ermöglicht, ohne die axiale Länge zu vergrößern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Schnittansicht eines Abgasnachbehandlungssystems gemäß der Erfindung.
2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von 1.
3 ist wie 1 und zeigt eine weitere Ausführungsform.
4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 von 3.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die 1 und 2 zeigen ein Abgasnachbehandlungssystem 10, das einen Abgaskanal 12 enthält, der Verbrennungsmotorabgas von einem Motor 14 zu einem Nachbehandlungselement 16 (2) führt, wobei das Abgas behandelt wird, beispielsweise ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und/oder ein Oxidationskatalysator (z. B. ein Dieseloxidationskatalysator DOC). Ein Injektor 18 ist vor dem Nachbehandlungselement 16 vorgesehen und injiziert chemische Spezies, die sich mit dem Abgas vermischt, bevor es das Nachbehandlungselement 16 erreicht. Beispielsweise wird bei einer Ausführungsform wäßrige Urealösung aus einem Behälter oder Tank 20 injiziert. Ein Mischer 22 ist in dem Abgassystem vor dem Nachbehandlungssystem 16 vorgesehen und vermischt die chemische Spezies und das Abgas. Die injizierte chemische Spezies muß vor dem Erreichen des Nachbehandlungselements 16 gut mit dem Abgas vermischt werden, um eine optimale Leistung zur chemischen Reaktion sicherzustellen. Der Mischer 22 ist eine Spiralkammer 24.
Die Spiralkammer 24 besitzt einen spiralförmigen Abgasströmungsdurchgang 26 um eine zentrale Achse 28 herum. Der spiralförmige Abgasströmungsdurchgang besitzt einen radial außerhalb von der zentralen Achse 28 beabstandeten äußeren Bereich 30 und einen radial innerhalb des äußeren Bereichs 30 beabstandeten inneren Bereich 32. Die Spiralkammer 24 besitzt einen ersten und zweiten Abgasströmungsport 34 und 36 für eine Abgasströmung dort hindurch. Bei der offenbarten Ausführungsform ist der Abgasströmungsport 34 ein Einlaßabgasströmungsport, der Abgas vom Motor 14 empfängt, wie bei Pfeil 38 gezeigt, und der Abgasströmungsport 36 ist ein Auslaßabgasströmungsport, der Abgas zum Nachbehandlungselement oder Katalysator 16 austrägt, wie bei Pfeil 40 gezeigt. Der innere Bereich 32 liefert das Zentrum der Spirale an der zentralen Achse 28. Der Abgasströmungsport 34 befindet sich am äußeren Bereich 30. Der Abgasströmungsport 36 befindet sich am inneren Bereich 32. Abgas strömt von dem inneren Bereich 32 der Spirale durch den Auslaßabgasströmungsport 36 entlang einer axialen Strömungsrichtung 40 entlang der zentralen Achse 28. Bei der Ausführungsform der 1, 2 verläuft ein Auslaßabgasrohr 42 axial von der Spiralkammer 24 am Auslaßabgasströmungsport 36. Das Auslaßabgasrohr 42 besitzt einen äußeren Abschnitt 44, der axial außerhalb der Spiralkammer 24 verläuft und Abgas axial dort hindurch zur Übertragung zum Nachbehandlungselement 16 leitet. Das Auslaßabgasrohr 42 besitzt einen inneren Abschnitt 46, der axial innerhalb der Spiralkammer 24 verläuft. Der innere Abschnitt 46 des Auslaßabgasrohrs 42 ist perforiert, wie bei 48 gezeigt, und empfängt Abgas durch solche Perforationen von der Spiralkammer 24 am inneren Bereich 32 davon.
Abgas strömt durch den Abgasströmungsport 34 entlang einer ersten Strömungsrichtung, wie bei Pfeil 38 gezeigt. Das Abgas strömt durch den Abgasströmungsport 36 entlang einer zweiten Strömungsrichtung, wie bei Pfeil 40 gezeigt. Die Strömungsrichtungen 38 und 40 verlaufen nicht parallel zueinander. Abgas strömt durch den Abgasströmungsport 36 entlang einer axialen Strömungsrichtung 40. Abgas strömt durch den Abgasströmungsport 34 entlang einer seitlichen Strömungsrichtung 38 entlang einer seitlichen Ebene quer zur Achse 28. Der spiralförmige Abgasdurchgang 26 führt Abgasströmung entlang eines auf der erwähnten seitlichen Ebene liegenden spiralförmigen Musters. Abgas strömt durch den Abgasströmungsport 34 entlang der erwähnten Strömungsrichtung 38 radial relativ zur Achse 28. Eine abgewinkelte Führungswand 49 kann optional an dem spiralförmigen Eingang beim Port 34 vorgesehen sein. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Abgasströmungsport 34 statt dessen wie in der gestrichelten Linie bei 34a gezeigt so orientiert, daß Abgas durch den Abgasströmungsport 34a entlang der Strömungsrichtung 38a tangential zu der erwähnten Spirale aus spiralförmigem Abgasdurchgang 26 fließt, für einen reduzierten Druckabfall.
In der Ausführungsform der 1, 2 verläuft ein Einlaßabgasrohr 50 von der Spiralkammer 24 am Einlaßabgasströmungsport 34, und der Injektor 18 ist ein Einlaßabgasrohr 50 und injiziert chemische Spezies in das Abgas vor der Spiralkammer 24. Bei einer alternativen Ausführungsform befindet sich der Injektor 18a in der Spiralkammer 24 und injiziert die chemische Spezies von dem Tank 20a in das in der Spiralkammer 24 strömende Abgas.
Die Spiralkammer 24 besitzt eine innere Schneckenwand 52, die den spiralförmigen Abgasströmungsdurchgang 26 definiert. Die Schneckenwand 52 kann optional von einer Heizeinrichtung erhitzt werden, z. B. von einer elektrischen Widerstandsheizung von einer Spannungsquelle wie etwa eine Batterie 54, die die Schneckenwand erhitzt, um die Wechselwirkung der chemischen Spezies und des Abgases zu verbessern und um Verdampfung und Hydrolyse zu unterstützen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Schneckenwand 52 für eine verbesserte akustische Leistung perforiert sein, beispielsweise wie bei 56 gezeigt. Die Spiralkammer 24 besitzt eine erste und zweite axial beabstandete Kammerendwand 58 und 60, 2, und besitzt eine äußere Umfangsgehäusewand 62, die axial dazwischen verläuft. Die innere Schneckenwand 52 ist axial zwischen den Kammerendwänden 58 und 60 angeordnet.
Die 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform und verwenden gleiche Bezugszahlen von oben, wo angebracht, um das Verständnis zu erleichtern. Das Abgasnachbehandlungssystem 70 enthält einen Abgaskanal 72, der Abgas vom Motor 14 zum Nachbehandlungselement 16, 4, trägt, wo das Abgas behandelt wird. Der Injektor 18 injiziert chemische Spezies vom Tank 20, wobei er es mit dem Abgas vermischt, bevor es das Nachbehandlungselement 16 erreicht. Ein Mischer 74 vermischt die chemische Spezies und das Abgas. Der Mischer 74 ist eine Spiralkammer 76 mit einem spiralförmigen Abgasströmungsdurchgang 78 um die zentrale Achse 28 herum. Der spiralförmige Abgasströmungsdurchgang 78 besitzt einen radial außerhalb der zentralen Achse 28 beabstandeten äußeren Bereich 80 und einen radial innerhalb des äußeren Bereichs 80 beabstandeten inneren Bereich 82. Die Spiralkammer 76 besitzt einen ersten und zweiten Abgasströmungsport 84 und 86 für eine Abgasströmung dort hindurch. Bei den Ausführungsformen von 3, 4 ist der Abgasströmungsport 84 ein Einlaßabgasströmungsport, der Abgas vom Motor 14 erhält, wie bei Pfeil 88 gezeigt. Der Abgasströmungsport 86 ist ein Auslaßabgasströmungsport, und Abgas strömt von der Spiralkammer 76 durch den Auslaßabgasströmungsport 86 entlang einer axialen Strömungsrichtung 90. Der innere Bereich 82 liefert das Zentrum der Spirale an der zentralen Achse 28. Der Abgasströmungsport 84 befindet sich am äußeren Bereich 80. Der Abgasströmungsport 86 befindet sich am inneren Bereich 82 und ebenfalls entlang der stromabwärtigen Kammerendwand 92, die sich zwischen dem inneren Bereich 82 und dem äußeren Bereich 80 erstreckt, die noch beschrieben werden. Bei der Ausführungsform der 3, 4 ist das Auslaßabgasrohr 42 von 2 eliminiert, und statt dessen ist die Kammerwand 92 perforiert und liefert eine Abgasströmung dort hindurch zum Nachbehandlungselement 16.
In den 3, 4 strömt Abgas durch den Abgasströmungsport 84 entlang der Strömungsrichtung 88 und Abgas durch den Abgasströmungsport 86 entlang der Strömungsrichtung 90. Die erste und zweite Strömungsrichtung 88 und 90 verlaufen nicht parallel zueinander. Abgas strömt durch den Abgasströmungsport 86 entlang der axialen Strömungsrichtung 90. Abgas strömt durch den Abgasströmungsport 84 entlang einer Querströmungsrichtung 88 entlang einer seitlichen Ebene quer zur Achse 28. Der spiralförmige Abgasdurchgang 78 führt Abgasströmung entlang einem in der erwähnten seitlichen Ebene liegenden spiralförmigen Muster. Abgas strömt durch den Abgasströmungsport 84 entlang der erwähnten Strömungsrichtung 88 radial relativ zur Achse 28. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Abgasströmungsport 84 statt dessen orientiert sein wie der bei 34a in 1 bei der gestrichelten Linie gezeigte, so daß Abgas durch den Abgasströmungsport in einer Strömungsrichtung tangential relativ zur Spirale strömt. Der Injektor 18 kann in einem Einlaßabgasrohr 94 vorgesehen sein, das von der Spiralkammer am Einlaßabgasströmungsport 84 verläuft, so daß sich der Injektor 18 im Einlaßabgasrohr 94 befindet und chemische Spezies in das Abgas vor der Spiralkammer 76 injiziert. Alternativ kann der Injektor in der Spiralkammer 76 vorgesehen sein, als Beispiel wie bei 18a in 1 in einer gestrichelten Linie gezeigt, so daß der Injektor die chemische Spezies in das in der Spiralkammer 76 strömende Abgas injiziert.
Die Spiralkammer 76 in 3, 4 besitzt eine innere Schneckenwand 96, die den spiralförmigen Abgasströmungsdurchgang 78 definiert. Eine Heizeinrichtung wie etwa die Heizeinrichtung 54 in 1 kann zum Erhitzen der Schneckenwand 96 vorgesehen sein, um die Wechselwirkung der chemischen Spezies und des Abgases zu verstärken, z. B. durch Unterstützen der Verdampfung und Hydrolyse von Urea. Die Schneckenwand 96 kann perforiert sein, beispielsweise wie bei 98 gezeigt, um eine zusätzliche akustische Leistung zu erhalten. Die Spiralkammer 76 besitzt den erwähnten ersten und zweiten Abgasströmungsport 84, 86 für eine Abgasströmung dort hindurch. Die Spiralkammer 76 besitzt eine erste und zweite axial beabstandete Kammerendwand 100 und 92 und eine äußere Umfangsgehäusewand 102, die sich axial dazwischen erstreckt. Die innere Schneckenwand 96 ist axial zwischen den Kammerendwänden 100 und 92 angeordnet. Die Kammerwand 92 ist bei 104 perforiert und liefert den erwähnten Abgasströmungsport 86 für eine Abgasströmung dort hindurch, wie bei Pfeilen 90 gezeigt. Dies liefert eine verbesserte Strömungsverteilung vor dem Eintritt in die Nachbehandlungskatalysatorsektion 16, um die Optimierung der Katalysatorleistung zu unterstützen. Die Perforationen 104 der Kammerendwand 92 erstrecken sich mindestens teilweise zwischen dem erwähnten inneren und äußeren Bereich 82 und 80 des spiralförmigen Abgasströmungsdurchgangs 78 und liefern den erwähnten Abgasströmungsport 86. Bei der Ausführungsform von 3, 4 ist der Abgasströmungsport 86 ein Auslaßabgasströmungsport, der Abgas an das Nachbehandlungselement 16 liefert, und die Perforationen 104 der Kammerendwand 92 verteilen die Strömung vom Auslaßabgasport 86 zum Nachbehandlungselement 16.
In der vorausgegangenen Beschreibung sind wegen der Kürze, der Klarheit und dem Verständnis bestimmte Ausdrücke verwendet worden. Keine unnötigen Begrenzungen sind daraus abzuleiten über die Anforderung des Stands der Technik hinaus, weil solche Ausdrücke zu beschreibenden Zwecken verwendet werden und breit ausgelegt werden sollen. Die hierin beschriebenen verschiedenen Konfigurationen, Verfahren und Systeme können alleine oder in Kombination mit anderen Konfigurationen, Verfahren und Systemen verwendet werden. Es ist zu erwarten, daß verschiedene Aquivalente, Alternativen und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche möglich sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Ein Abgasnachbehandlungssystem, einschließlich Injektion von chemischen Spezies, enthält einen durch eine Spiralkammer bereitgestellten Mischer.

Claims

Abgasnachbehandlungssystem umfassend einen Abgaskanal, der Abgas zu einem Nachbehandlungselement führt, das das Abgas behandelt, einen Injektor, der chemische Spezies injiziert, die sich mit dem Abgas vermischt, bevor es das Nachbehandlungselement erreicht, einen Mischer in dem Abgassystem vor dem Nachbehandlungselement, der die chemische Spezies und das Abgas vermischt, wobei der Mischer eine Spiralkammer ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Spiralkammer einen spiralförmigen Abgasströmungsdurchgang um eine zentrale Achse herum aufweist, wobei der spiralförmige Abgasströmungsdurchgang einen radial außerhalb der zentralen Achse beabstandeten äußeren Bereich aufweist und einen radial innerhalb des äußeren Bereichs beabstandeten inneren Bereich aufweist, wobei die Spiralkammer einen ersten und zweiten Abgasströmungsport für eine Abgasströmung dort hindurch aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2, wobei der erste Abgasströmungsport ein Einlaßabgasströmungsport ist und der zweite Abgasströmungsport ein Auslaßabgasströmungsport ist und wobei Abgas von der Spiralkammer durch den Auslaßabgasströmungsport entlang einer axialen Strömungsrichtung strömt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2, wobei der innere Bereich das Zentrum der Spirale an der zentralen Achse liefert, wobei der erste Abgasströmungsport sich an dem äußeren Bereich befindet und der zweite Abgasströmungsport sich an dem inneren Bereich befindet.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 4, wobei der erste Abgasströmungsport ein Einlaßabgasströmungsport ist und der zweite Abgasströmungsport ein Auslaßabgasströmungsport ist, und wobei Abgas von dem inneren Bereich der Spirale durch den Auslaßabgasströmungsport entlang einer axialen Strömungsrichtung entlang der zentralen Achse strömt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 5, umfassend ein Auslaßabgasrohr, das axial von der Spiralkammer an dem Auslaßabgasströmungsport aus verläuft, wobei das Auslaßabgasrohr einen äußeren Abschnitt aufweist, der axial außerhalb von der Spiralkammer verläuft und Abgas axial dort hindurch zur Übertragung zu dem Nachbehandlungselement leitet, wobei das Auslaßabgasrohr einen inneren Abschnitt aufweist, der axial innerhalb der Spiralkammer verläuft, wobei der innere Abschnitt des Auslaßabgasrohrs perforiert ist und Abgas durch solche Perforationen von der Spiralkammer an dem inneren Bereich davon erhält.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2, wobei Abgas durch den ersten Abgasströmungsport entlang einer ersten Strömungsrichtung strömt und Abgas durch den zweiten Abgasströmungsport entlang einer zweiten Strömungsrichtung strömt, wobei die erste und zweite Strömungsrichtung nicht parallel zueinander verlaufen.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei Abgas durch den zweiten Abgasströmungsport entlang einer axialen, der zweiten Strömungsrichtung strömt und Abgas durch den ersten Abgasströmungsport entlang einer seitlichen, der ersten Strömungsrichtung entlang einer seitlichen Ebene quer zur Achse strömt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, wobei der spiralförmige Abgasdurchgang die Abgasströmung entlang einem in der seitlichen Ebene liegenden Spiralmuster führt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, wobei Abgas durch den ersten Abgasströmungsport entlang der ersten Strömungsrichtung radial relativ zur Achse strömt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, wobei Abgas durch den ersten Abgasströmungsport entlang der ersten Strömungsrichtung tangential relativ zur der Spirale strömt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Spiralkammer einen spiralförmigen Abgasströmungsdurchgang um eine zentrale Achse herum aufweist, wobei der spiralförmige Abgasströmungsdurchgang einen radial außerhalb der zentralen Achse beabstandeten äußeren Bereich aufweist und einen die Mitte der Spirale an der zentralen Achse liefernden inneren Bereich aufweist, wobei die Spiralkammer einen ersten Abgasströmungsport an dem äußeren Bereich und einen zweiten Abgasströmungsport an dem inneren Bereich aufweist, wobei Abgas durch den zweiten Abgasströmungsport an dem inneren Bereich entlang einer axialen Strömungsrichtung entlang der zentralen Achse strömt und wobei Abgas durch den ersten Abgasströmungsport an dem äußeren Bereich entlang einer seitlichen Strömungsrichtung entlang einer seitlichen Ebene quer zu der Achse strömt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Spiralkammer einen ersten und zweiten Abgasströmungsport für eine Abgasströmung dort hindurch aufweist, wobei einer des ersten und zweiten Abgasströmungsports ein Einlaßabgasströmungsport ist, und umfassend ein Einlaßabgasrohr, das von der Spiralkammer an dem Einlaßabgasströmungsport aus verläuft, und wobei sich der Injektor in dem Einlaßabgasrohr befindet und die chemische Spezies in das Abgas vor der Spiralkammer injiziert.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei sich der Injektor in der Spiralkammer befindet und die chemische Spezies in das in der Spiralkammer strömende Abgas injiziert.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Spiralkammer eine innere Schneckenwand aufweist, die einen spiralförmigen Abgasströmungsdurchgang definiert, und umfassend eine Heizeinrichtung, die die Schneckenwand erhitzt, um die Wechselwirkung der chemischen Spezies und des Abgases zu verbessern.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Spiralkammer eine innere Schneckenwand aufweist, die einen spiralförmigen Abgasströmungsdurchgang definiert, und wobei die Schneckenwand perforiert ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Spiralkammer eine innere Schneckenwand aufweist, die einen spiralförmigen Abgasströmungsdurchgang definiert, und wobei die Spiralkammer einen ersten und zweiten Abgasströmungsport für eine Abgasströmung dort hindurch aufweist, wobei die Spiralkammer eine erste und zweite axial beabstandete Kammerwand aufweist mit der axial dazwischen angeordneten Schneckenwand.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 17, wobei die zweite Kammerwand perforiert ist und den zweiten Abgasströmungsport für die Abgasströmung dort hindurch liefert.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 18, wobei der spiralförmige Abgasströmungsdurchgang einen radial außerhalb einer zentralen Achse beabstandeten äußeren Bereich aufweist und einen radial innerhalb des äußeren Bereichs beabstandeten inneren Bereich aufweist, wobei sich der erste Abgasströmungsport an dem äußeren Bereich befindet und sich die Perforationen der zweiten Kammerwand mindestens teilweise zwischen dem inneren und äußeren Bereich erstrecken und den zweiten Abgasströmungsport liefern.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 19, wobei der zweite Abgasströmungsport ein Auslaßabgasströmungsport ist, der Abgas an das Nachbehandlungselement liefert, und die Perforationen der zweiten Kammerwand die Strömung von dem Auslaßabgasströmungsport zu dem Nachbehandlungselement verteilen.