DE112008000557B4

DE112008000557B4 - Abgasnachbehandlungssystem, abgasnachbehandlungseinrichtung und verfahren zum optimieren der abgasströmungsverteilung zu einem nachbehandlungselement in einer abgasnachbehandlungseinrichtung

Info

Publication number: DE112008000557B4
Application number: DE112008000557.5T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey T. Sedlacek; Jay V. Warner
Original assignee: Cummins Filtration IP Inc
Current assignee: Cummins Filtration IP Inc
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2028-01-25
Also published as: WO2008112343A2; WO2008112343A3; US8745979B2; US20100263354A1; US20120260995A1; US7748212B2; DE112008000557T5; US20080216470A1

Abstract

Ein Abgasnachbehandlungssystem weist einen Seiteneinlaß-Strömungsdiffusor auf und stellt eine gleichmäßige Strömungsabgasverteilung zu einem Nachbehandlungselement bereit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für Verbrennungsmotorabgas mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Um sich mit Fragen der Motoremission zu befassen, werden für die wesentliche Reduktion von verschiedenen Emissionen, einschließlich NOx und Partikulatemissionen, ständig neue Standards vorgeschlagen. Zunehmend strenge Standards erfordern den Einbau von Nachbehandlungseinrichtungen in Motorabgassysteme. Einige der Nachbehandlungstechnologien erfordern das Einspritzen bestimmter chemischer Spezies in das Abgassystem. Beispielsweise wird HC oder Kraftstoff in einige aktive Mager-NOx-Systeme zur NOx-Reduktion eingespritzt oder in aktive Dieselpartikelfilter (DPF), damit eine Regeneration stattfindet (Oxidieren des Rußes und Reinigen des Filters), und eine Urealösung wird in Systeme zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zur NOx-Reduktion eingespritzt. Diese eingespritzten chemischen Spezies müssen mit dem Abgas gut gemischt werden und gleichmäßig verteilt werden, bevor sie Katalysatoren oder Filter erreichen, damit das System ordnungsgemäß arbeitet.
Das bekannte Abgasnachbehandlungssystem, von dem die Erfindung ausgeht ( US 4,209,493 A ), weist einen Strömungsverteiler auf mit einer Querschnittsströmungsfläche, die vom Einlassende zum distalen Ende hin ansteigt. Der Strömungsverteiler hat eine perforierte Seitenwand, die sich zum distalen Ende hin erweitert.
Weiterer Stand der Technik zeigt Abgasnachbehandlungssysteme mit Strömungsverteilern, die kein gleichmäßig verteiltes Strömungsmuster generieren ( GB 2 381 218 A ; US 2003/0079467 A1 ).
Der Lehre liegt das Problem zugrunde, bei dem Abgasnachbehandlungssystem der in Rede stehenden Art das Mischergebnis zum Nachbehandlungselement hin zu optimieren.
Das zuvor aufgezeigte Problem ist bei einem Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Eine bevorzugte Modifikation dieses Abgasnachbehandlungssystems ist Gegenstand des Anspruchs 2.
Eine nebengeordnete Lösung ergibt sich mit dem Abgasnachbehandlungssystem von Anspruch 3.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren gemäß Anspruch 4 zum Optimieren der Abgasströmungsverteilung zu einem Nachbehandlungselement in einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, umfassend ein Gehäuse, das sich axial entlang einer Achse erstreckt und einen stromaufwärtigen Einlass zum Empfangen von Abgas aufweist und einen stromabwärtigen Auslass zum Austragen von Abgas aufweist, wobei der Einlass ein Seiteneinlass ist, der seitlich in das Gehäuse relativ zu der Achse strömendes Abgas empfängt, und wobei ein Nachbehandlungselement in dem Gehäuse Abgas axial dort hindurch und dann zum Auslass lässt. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgendes umfasst:

- Bereitstellen eines konisch geformten Diffusorrohrs, das stromabwärts seitlich weg vom Einlass zeigt,
- Bereitstellen des Diffusorrohrs mit einer perforierten Seitenwand, die sich konisch konvergierend verjüngt, während sie sich seitlich weg vom Einlass erstreckt,
- gleichmäßiges Optimieren der Abgasströmungsverteilung durch Justieren des Kegelwinkels des konisch geformten Diffusorrohrs zum Optimieren und Erreichen einer gleichmäßigen Strömungsverteilung von axial zum Nachbehandlungselement strömendem Abgas.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Diskussion der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Zeichnung zeigt Folgendes: 1 ist eine schematische Seitenschnittansicht eines
1 zeigt ein Abgasnachbehandlungssystem 10 mit einem Abgaskanal 12, das Verbrennungsmotorabgas vom Motor 14 und Seiteneinlaß 16 zu einem das Abgas behandelnden Abgasnachbehandlungselement 18 trägt, beispielsweise einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und/oder einem Oxidationskatalysator (z.B. einem Dieseloxidationskatalysator DOC). Eine Einspritzdüse 20 ist vor dem Nachbehandlungselement 18 vorgesehen und spritzt chemische Spezies ein, die sich mit dem Abgas mischt, bevor die Mischung das Nachbehandlungselement 18 erreicht. Beispielsweise wird bei einer Ausführungsform wäßrige Urealösung aus einem Reservoir oder Tank 22 eingespritzt. Der Abgaskanal weist eine L-förmige Biegung bei 24 für den Abgasströmungsweg auf, wobei sich ein erster und zweiter Schenkel 26 und 28 an einem L-förmigen Übergang 30 treffen. Der zweite Schenkel 28 erstreckt sich axial entlang einer Achse 32 entlang einer axialen Richtung und lenkt Abgas zum Nachbehandlungselement 18. Der erste Schenkel 26 erstreckt sich seitlich entlang einer seitlichen Richtung 34 relativ zur Achse 32 und lenkt Abgas zum zweiten Schenkel 28. Ein Strömungsverteiler 36 ist an dem erwähnten L-förmigen Übergang vorgesehen und verteilt Abgasströmung vom ersten Schenkel 26 zum zweiten Schenkel 28 in einem gleichmäßig verteilten Strömungsmuster 38, um axial entlang dem zweiten Schenkel 28 zum Nachbehandlungselement 18 zu strömen.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Strömungsverteiler 36 ein perforiertes Glied, das seitlich entlang dem ersten Schenkel 26 strömendes Abgas empfängt und das Abgas axial entlang dem zweiten Schenkel 28 durch Perforationen 40 austrägt. Der Strömungsverteiler 36 weist ein Einlaßende 42 auf, das ein seitlich dort hineinströmendes Abgas empfängt, und ein seitlich distal gegenüber dem Einlaßende 42 beabstandetes distales Ende 44. Der Strömungsverteiler 36 besitzt eine Querschnittsströmungsfläche, die abnimmt, wenn das Abgas vom Einlaßende 42 zum distalen Ende 44 strömt. Das Einlaßende 42 des Strömungsverteilers 36 besitzt eine erste Querschnittsfläche, die in einer ersten Ebene liegt, die sich entlang einer axialen Richtung und entlang einer Querrichtung erstreckt, wobei sich die Querrichtung in die Seite von 1 erstreckt, wobei die Querrichtung normal zur axialen Richtung 32 und normal zur seitlichen Richtung 34 ist. Der Strömungsverteiler 36 weist eine zweite Querschnittsfläche an einem Punkt zwischen dem Einlaßende 42 und dem distalen Ende 44 auf, wobei diese zweite Querschnittsfläche in einer zweiten Ebene liegt, die sich entlang der axialen Richtung 32 und entlang der erwähnten Querrichtung in die Seite von 1 erstreckt. Die erwähnte zweite Ebene ist seitlich von der erwähnten ersten Ebene beabstandet. Die erwähnte zweite Querschnittsfläche ist kleiner als die erwähnte erste Querschnittsfläche. Der Strömungsverteiler 36 ist entlang einer perforierten Seitenwand 46 verjüngt, die sich relativ zu jeder der erwähnten axialen und seitlichen Richtungen 32 bzw. 34 schräg erstreckt. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Strömungsverteiler 36 ein konisch geformtes Diffusorrohr, das seitlich weg vom Einlaßende 42 weist, und die L-förmige Biegung 24 beträgt 90°.
Der Abgaskanal oder das Abgasgehäuse 12 erstreckt sich axial entlang der erwähnten Achse 32 und weist einen stromaufwärtigen Einlaß bei 16 zum Empfangen von Abgas vom Motor 14 auf und weist einen stromabwärtigen Auslaß bei 48 zum Austragen von Abgas auf. Der Einlaß 16 ist ein Seiteneinlaß, der seitlich in das Gehäuse 12 relativ zur Achse 32 strömendes Abgas empfängt. Das Nachbehandlungselement 18 in dem Gehäuse läßt Abgas axial dort hindurch und dann zum Auslaß 48. Der Strömungsverteiler 36 empfängt seitlich vom Einlaß 16 strömendes Abgas und verteilt das Abgas um, damit es in einem gleichmäßig verteilten Strömungsmuster 38 axial zum Nachbehandlungselement 18 strömt. Wie erwähnt ist der Strömungsverteiler 36 ein konisch geformtes Diffusorrohr, das stromabwärts seitlich weg vom Einlaß zeigt, und enthält eine perforierte Seitenwand, die sich konisch konvergierend verjüngt, während sie sich seitlich weg vom Einlaß erstreckt.
In der vorausgegangenen Beschreibung sind bestimmte Ausdrücke aus Gründen der Kürze, Klarheit und des Verständnisses verwendet worden. Daraus sollen keine unnötigen Beschränkungen abgeleitet werden, die über die Anforderung des Stands der Technik hinausgehen, weil solche Ausdrücke zu beschreibenden Zwecken verwendet werden und breit ausgelegt werden sollen. Die verschiedenen Konfigurationen, Systeme und Verfahrensschritte, die hierin beschrieben sind, können alleine oder in Kombination mit anderen Konfigurationen, Systemen und Verfahrensschritten verwendet werden.

Claims

Abgasnachbehandlungssystem umfassend einen Abgaskanal (12), der Abgas zu einem Nachbehandlungselement (18) trägt, das das Abgas behandelt, wobei der Kanal (12) eine L-förmige Biegung (24) mit einem ersten und zweiten Schenkel (26; 28) umfasst, die sich an einem L-förmigen Übergang (30) treffen, wobei sich der zweite Schenkel (28) axial entlang einer Achse (32) entlang einer axialen Richtung erstreckt und Abgas zum Nachbehandlungselement (18) lenkt, wobei sich der erste Schenkel (26) seitlich entlang einer seitlichen Richtung (34) relativ zur Achse (32) erstreckt und Abgas zum zweiten Schenkel (28) lenkt, und einen Strömungsverteiler (36) an dem L-förmigen Übergang (30), der Abgas umverteilt, damit es vom ersten Schenkel (26) zum zweiten Schenkel (28) in einem gleichmäßig verteilten Strömungsmuster fließt, um axial entlang dem zweiten Schenkel (28) zum Nachbehandlungselement (18) zu strömen, wobei der Strömungsverteiler (36) ein perforiertes Glied ist, das seitlich vom ersten Schenkel (26) strömendes Abgas empfängt und das Abgas axial entlang dem zweiten Schenkel (28) austrägt, wobei der Strömungsverteiler (36) ein Einlassende (42), das ein seitlich dort hinein strömendes Abgas empfängt, und ein seitlich distal gegenüber vom Einlassende (42) beabstandetes distales Ende (44) aufweist, wobei der Strömungsverteiler (36) eine erste Querschnittsfläche an dem Einlassende (42) aufweist, die in einer ersten Ebene liegt, die sich entlang der axialen Richtung und entlang einer Querrichtung erstreckt, wobei die Querrichtung normal zur axialen Richtung und normal zur seitlichen Richtung ist, und wobei der Strömungsverteiler (36) eine zweite Querschnittsfläche an einem Punkt zwischen dem Einlassende (42) und dem distalen Ende (44) aufweist, die in einer zweiten Ebene liegt, die sich entlang der axialen Richtung und entlang der Querrichtung erstreckt, wobei die zweite Ebene seitlich von der ersten Ebene beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsverteiler (36) eine Querschnittsströmungsfläche aufweist, die vom Einlassende (42) zum distalen Ende (44) hin abnimmt, so dass die zweite Querschnittsfläche kleiner als die erste Querschnittsfläche ist, und dass der Strömungsverteiler (36) entlang einer perforierten Seitenwand verjüngt ist, die relativ zu jeder der axialen und seitlichen Richtungen schräg verläuft.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die L-förmige Biegung (24) einen Winkel von 90° aufweist.
Abgasnachbehandlungseinrichtung, umfassend ein Gehäuse (12), das sich axial entlang einer Achse (32) erstreckt und einen stromaufwärtigen Einlass (16) zum Empfangen von Abgas aufweist und einen stromabwärtigen Auslass (48) zum Austragen von Abgas aufweist, wobei der Einlass (16) ein Seiteneinlass ist, der seitlich in das Gehäuse (12) relativ zu der Achse (32) strömendes Abgas empfängt, wobei ein Nachbehandlungselement (18) in dem Gehäuse (12) Abgas axial dort hindurch und dann zum Auslass (48) lässt, wobei ein Strömungsverteiler (36) die Abgasströmung seitlich vom Einlass (16) empfängt und Abgas umverteilt, damit es in einem gleichmäßig verteilten Strömungsmuster axial zum Nachbehandlungselement (18) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsverteiler (36) ein konisch geformtes Diffusorrohr umfasst, das stromabwärts seitlich weg vom Einlass (16) zeigt, und dass das Diffusorrohr eine perforierte Seitenwand (46) umfasst, die sich konisch konvergierend verjüngt, während sie sich seitlich vom Einlass (16) weg erstreckt.
Verfahren zum Optimieren der Abgasströmungsverteilung zu einem Nachbehandlungselement in einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, umfassend ein Gehäuse, das sich axial entlang einer Achse erstreckt und einen stromaufwärtigen Einlass zum Empfangen von Abgas aufweist und einen stromabwärtigen Auslass zum Austragen von Abgas aufweist, wobei der Einlass ein Seiteneinlass ist, der seitlich in das Gehäuse relativ zu der Achse strömendes Abgas empfängt, und wobei ein Nachbehandlungselement in dem Gehäuse Abgas axial dort hindurch und dann zum Auslass lässt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgendes umfasst: - Bereitstellen eines konisch geformten Diffusorrohrs, das stromabwärts seitlich weg vom Einlass zeigt, - Bereitstellen des Diffusorrohrs mit einer perforierten Seitenwand, die sich konisch konvergierend verjüngt, während sie sich seitlich weg vom Einlass erstreckt, - gleichmäßiges Optimieren der Abgasströmungsverteilung durch Justieren des Kegelwinkels des konisch geformten Diffusorrohrs zum Optimieren und Erreichen einer gleichmäßigen Strömungsverteilung von axial zum Nachbehandlungselement strömendem Abgas.