DE102010050473B4

DE102010050473B4 - Diffusor zum Unterstützen eines Verdampfens und Mischens eines eingespritzten Reaktanden mit dem Abgaszustrom eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102010050473B4
Application number: DE102010050473.4A
Authority: DE
Inventors: Raj P. Ranganathan; Sandro Balestrino; Robert D. Straub; Xiaobin Sharon Li
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: DE102010050473A1; US8683790B2; CN102052127A; US20110107743A1; CN102052127B

Abstract

Diffusor (42) zum Unterstützen eines Verdampfens und Mischens eines eingespritzten Reaktanden (40) mit dem Abgaszustrom (20) eines Abgasnachbehandlungssystems (12) eines Verbrennungsmotors (10), umfassend: einen Diffusor (42), der konfiguriert ist, um in einer Abgasleitung (44) des Abgasnachbehandlungssystems (12) angeordnet zu werden, mit einem stromaufwärts liegenden Ende (41) und einem stromabwärts liegenden Ende (43); eine Aufprallfläche (46), die sich an dem Diffusor (42) zwischen dem stromaufwärts liegenden Ende (41) und dem stromabwärts liegenden Ende (43) befindet; ein Schwallblech (48), das benachbart zu dem stromabwärts liegenden Ende (43) des Diffusors (42) und benachbart zu der Aufprallfläche (46) angeordnet ist, wobei sich das Schwallblech (48) von der Aufprallfläche (46) nach außen erstreckt, um an einer Schwallblechspitze (54) zu enden, die sich zwischen dem Diffusor (42) und einer Innenwand (74) der Abgasleitung (44) befindet, und dazu dient, einen Teil eines Abgaszustroms (20) und einen darin vorhandene Reaktanden (40) zurückzuhalten, um das Verdampfen und die Verweilzeit des Reaktanden (40) in dem Abgaszustrom (20) zu steigern; und Strömungsstreifen (72), die sich von der Schwallblechspitze (54) nach außen erstrecken und voneinander beabstandet sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Diffusor zum Unterstützen eines Verdampfens und Mischens eines eingespritzten Reaktanden mit dem Abgaszustrom eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors.
Hintergrund
Das durch die Verbrennung von Luft und Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor erzeugte Abgas umfasst geregelte Bestandteile wie Kohlenmonoxid („CO”), unverbrannte Kohlenwasserstoffe („HC”) Stickoxide („NO_x”) und im Fall von Dieselmotoren Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe), die Partikelmaterial bilden. Hersteller von Verbrennungsmotoren konzentrieren sich zunehmend auf die Entwicklung von Motorsteuerungsstrategien, die sowohl Kundenforderungen nach Leistung als auch verschiedene staatliche Bestimmungen bezüglich Abgasemissionen und Kraftstoffwirtschaftlichkeit erfüllen. Eine solche Motorsteuerungsstrategie umfasst das Betreiben eines Verbrennungsmotors bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das überstöchiometrisch ist, um Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und Treibhausgasemissionen zu verringern. Ein solcher Betrieb ist bei Verwenden sowohl eines Kompressionszündungsmotors (Dieselmotors) als auch eines mager verbrennenden Fremdzündungsmotors (Benzinmotors) möglich. Wenn ein Motor mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis (überschüssiger Sauerstoff) arbeitet, kann das Abgas höhere Werte von NO_x-Rohemissionen enthalten. Eine kommerzielle Nutzung, insbesondere eine Nutzung von mager arbeitenden Motoren im Kraftfahrzeugsektor, war aufgrund eines Fehlens von wirksamen Verfahren zum Beseitigen von NO_x unter einer mageren Abgasbedingung beschränkt. Somit ist die effiziente Verringerung von NO_x (NO_x = NO + NO₂) aus Dieselabgas und Magermixbenzinabgas wichtig, um künftige Abgasnormen zu erfüllen und Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern.
Die Verringerung von NO_x-Emissionen aus einem Abgaszustrom, der überschüssigen Sauerstoff enthält, ist für Fahrzeughersteller eine Herausforderung. Für Fahrzeuganwendungen wurden mehrere mögliche Nachbehandlungssysteme vorgeschlagen. Ein Vorgehen umfasst das Verwenden eines Nachbehandlungssystems, das das Einspritzen eines NO_x-Reduktionsmittels (z. B. von wässrigem Harnstoff) stromaufwärts eines Harnstoff-SCR-Katalysators beinhaltet, um NO_x zu N₂ zu reduzieren. Die Verwendung von Harnstoff als Reduktionsmittel erfordert die Realisierung eines Harnstoffspeicher- und Harnstoffverteilungssystems an Bord des Fahrzeugs. Ein Teil eines solchen Speicher- und Verteilungssystems umfasst eine Einrichtung für die wirksame Einleitung des Harnstoffs in den Abgaszustrom in einer Weise, die eine Verdunstung und ein Mischen des Harnstoffs mit dem Abgas ermöglicht. Der Harnstoff erfordert ausreichendes Mischen und eine ausreichende Verweilzeit in dem heißen Abgasstrom, um sich zu zersetzen, um als Reaktionsnebenprodukt Ammoniak („NH₃”) zu erzeugen, da es das NH₃ ist, das in den katalytischen Reaktionen, die in der Harnstoff-SCR-Katalysatorvorrichtungen auftreten, als Reaktandenspezies verwendet wird. Das Einleiten des Harnstoffs in den Abgaszustrom kann durch eine Einspritzvorrichtung ähnlich einem Kraftstoffinjektor erfolgen, die mit einer Quelle flüssigen Harnstoffs in Fluidverbindung steht. Da Harnstoff eine latente Verdampfungswärme hat, die signifikant größer als die von Kraftstoff ist, können zum Beispiel zusätzliche Vorrichtungen in dem Abgaszustrom stromabwärts des Einspritzungsorts positioniert werden, um eine Verdunstung und ein Mischen zu unterstützen. Eine solche Vorrichtung ist eine Aufprallplatte oder ein Düsendiffusor, die/der konfiguriert ist, um für letztendliche Verdunstung, die durch Einwirken des Abgasstroms hervorgerufen wird, größere Tropfen des eingespritzten Harnstoffs auf ihrer/seiner Oberfläche festzuhalten. Während solche Düsendiffusoren von gewissem Erfolg gekrönt waren, hat die Verdampfungsrate von Harnstoff von 50 bis 70% geschwankt. Eine solche Rate führt einem Verbrauch des Harnstoffreaktanden, der höher als erwünscht ist, sowie zu Abscheiden von flüssigem Harnstoff auf der stromabwärts befindlichen Harnstoff-SCR-Katalysatorvorrichtung, was deren Leistung verschlechtern kann.
Herkömmliche Diffusoren für Abgasnachbehandlungssysteme sind aus den Druckschriften US 2009/0 071 133 A1 , DE 10 2004 004 738 A1 und JP 2005-155 404 A bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßer Diffusor dient zum Unterstützen des Verdampfens und Mischens eines eingespritzten Reaktanden mit dem Abgaszustrom eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors. Der Diffusor ist in einer Abgasleitung des Abgasnachbehandlungssystems angeordnet und weist ein stromaufwärts liegendes Ende und ein stromabwärts liegendes Ende auf. Eine Aufprallfläche befindet sich auf dem Diffusor zwischen dem stromaufwärts liegenden Ende und dem stromabwärts liegenden Ende, und ein Schwallblech ist benachbart zu dem stromabwärts liegenden Ende und zu der Aufprallfläche angeordnet. Das Schwallblech erstreckt sich von dem Diffusor nach außen, um an einer Schwallblechspitze zu enden, die zwischen dem Diffusor und einer Innenwand der Abgasleitung positioniert ist. Das Schwallblech dient dazu, einen Teil eines Abgaszustroms und einen darin vorhandenen Reaktanden zurückzuhalten, um die Verdampfung und Verweilzeit des Reaktanden in dem Abgaszustrom zu steigern.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst der Diffusor Strömungsstreifen, die sich von der Schwallblechspitze nach außen erstrecken und voneinander beabstandet sind.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das Schwallblech beabstandete Perforationen benachbart zu der Aufprallfläche auf.
Gemäß noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Schwallblech aus einem Metallschaummaterial gebildet.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen ohne Weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung von Ausführungsformen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Andere Aufgaben Merkmale, Vorteile und Einzelheiten gehen lediglich beispielhaft aus der folgenden eingehenden Beschreibung der Ausführungsformen hervor, wobei die eingehende Beschreibung sich auf die Zeichnungen bezieht. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors und eines zugeordneten Abgasbehandlungssystems, das Merkmale der vorliegenden Erfindung verkörpert;
2 einen vergrößerten Abschnitt des Abgasbehandlungssystems von 1;
3A, 3B, 3C beispielhafte Ausführungsformen eines Abgasdiffusors, der Merkmale der vorliegenden Erfindung verkörpert;
4A, 4B, 4C schematisch den Betrieb eines Abgasdiffusors, der Merkmale der vorliegenden Erfindung verkörpert; und
5 eine zusätzliche beispielhafte Ausführungsform eines Abgasdiffusors, der Merkmale der vorliegenden Erfindung verkörpert.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur. Es versteht sich, dass in den gesamten Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
Unter Bezug auf 1 stellt ein schematisches Schaubild eine beispielhafte Ausführungsform eines Verbrennungsmotors 10 dar, der zur Verwendung in vielen Arten von (nicht gezeigten) motorisierten Fahrzeugen wie Kraftfahrzeugen und Leicht- und Schwerlastkraftwagen sowie in fahrzeugfremden Anwendungen wie für Marinegebrauch und stationären Gebrauch besonders geeignet ist. Der Motor 10 kann einen bekannten Kompressionszündungs- oder Dieselmotor mit einem Betriebsmodell umfassen, das vorrangig mager verbrennend ist. Somit wird er mit einem Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben, bei dem die Kraftstoffmenge geringer oder magerer als für stöchiometrische Verbrennung erforderlich ist. Alternativ kann der Motor 10 einen Benzinmotor einschließen, der eine einer Anzahl von Motorsteuerungsstrategien nutzt, die überstöchiometrisch arbeiten. Während des Betriebs erzeugt der Verbrennungsmotor 10 einen Abgaszustrom oder -durchsatz 20, der geregelte Bestandteile als Verbrennungsnebenprodukte enthält. Diese Abgasbestandteile müssen vor Freisetzung in die Umwelt in ungeregelte Bestandteile umgewandelt werden. Die Bestandteile des Abgaszustroms 20, die von dem Motor 10 unter mageren Verbrennungsbedingungen erzeugt werden, können u. a. HC, CO, NO_x und Partikelmaterial umfassen.
Der Verbrennungsmotor 10 nutzt ein Abgasnachbehandlungssystem 12, das erfindungsgemäß konstruiert wurde. In einer in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Abgasnachbehandlungssystem 12 eine Oxidationskatalysatorvorrichtung 14, die sich stromaufwärts einer NO_x-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16, beispielsweise einer Harnstoff-SCR-Katalysatorvorrichtung, befindet. Im Fall eines Verbrennungsmotors 10, der ein Dieselmotor ist, kann das Abgasnachbehandlungssystem 12 auch einen Partikelfilter 18 umfassen. Eine Abgasleitung 44 verbindet den Motor 10 fluidisch jeweils mit der Oxidationskatalysatorvorrichtung 14, der NO_x-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16 und dem Partikelfilter 18 und leitet den Abgaszustrom 20 vor dessen Freisetzung an die Atmosphäre von dem Motor zu jeder der Vorrichtungen. Die Oxidationskatalysatorvorrichtung 14 kann jedes geeignete Katalysatormaterial umfassen, das eine selektive Reduktion von HC und CO in dem Abgaszustrom 20 vorsieht. Der Katalysator kann als Washcoat auf einem geeigneten Substrat 22 angeordnet sein, das eine Keramik- oder eine Metall-Wabenstruktur umfassen kann. Abgaskanäle, die im Wesentlichen gerade Pfade von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass des Substrats 22 sind, sind durch Wände festgelegt, auf denen das katalytische Material aufgebracht ist, so dass der durch die Oxidationskatalysatorvorrichtung 14 strömende Abgaszustrom mit dem katalytischen Material in Kontakt kommt, um dadurch den Umwandlungsprozess auszulösen. Wenn der Abgaszustrom 20 die Länge der Oxidationskatalysatorvorrichtung 14 zurücklegt, katalysiert der Katalysator die Oxidation von CO zu CO₂, wobei er auch die Oxidation von verschiedenen Kohlenwasserstoffen, einschließlich von gasförmigen HC- und flüssigen HC-Partikeln einschließlich von unverbranntem Kraftstoff oder Öl, sowie von HC-Reduktionsmitteln katalysiert, die in den Abgasstrom 20 eingeleitet worden sein können, um CO₂ und H₂O zu bilden.
Die NO_x-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16 kann ein beliebiges geeignetes Katalysatormaterial umfassen, das eine selektive Reduktion von NO_x in dem Abgaszustrom 20 vorsieht. Der Katalysator kann als Washcoat auf einem geeigneten Substrat 24 angeordnet sein, das eine Keramik- oder Metall-Wabenstruktur umfassen kann. In ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben sind Abgaskanäle durch Wände festgelegt, auf denen das katalytische Material aufgebracht ist, so dass der durch die NO_x-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16 strömende Abgasstrom mit dem katalytischen Material in Kontakt kommt, um dadurch den Umwandlungsprozess auszulösen. Wenn der Abgaszustrom 20 die Länge der NO_x-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16 zurücklegt, katalysiert der Katalysator die Reduktion von NO_x bei Vorhandensein eines ammoniakbasierten Reduktionsmittels, beispielsweise von Harnstoff im Fall einer Harnstoff-SCR-Katalysatorvorrichtung, das in den Abgaszustrom 20 eingeleitet worden ist.
Die Partikelfiltervorrichtung 18 ist, falls vorhanden, konfiguriert, um den Abgaszustrom zu filtern, um Kohlenstoff und andere darin suspendierte Partikel zu entfernen. Die Partikelfiltervorrichtung kann ein keramisches Wandstromsubstrat 26 nutzen. Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Substraten wird in die Partikelfiltervorrichtung 18 eindringendes Abgas 20 gezwungen, vor dem Austreten aus dem Filter durch sich in Längsrichtung erstreckende poröse Wände zu wandern. Durch diesen Wandstrommechanismus werden Kohlenstoff und andere Partikel aus dem Abgas gefiltert.
Unter Bezug auf 1 und 2 ist die NO_x-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16 in einer bevorzugten Ausführungsform Teil eines NO_x-Reduktionssystems, das einen Sensor 30 umfasst, der sich stromabwärts der NO_x-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16 befindet und mit dem Abgaszustrom 20 in Fluidverbindung steht. Der Sensor 30 steht mit einem Steuergerät 32, beispielsweise einem Motorsteuergerät oder einem anderen geeigneten Fahrzeugsteuergerät, das durch eine Anzahl von Sensoren mit dem Abgasbehandlungssystem 12 funktionell verbunden ist und diese überwacht, in Signalverbindung. Der Begriff Steuergerät, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, kurz vom engl. Application Specific Integrated Circuit), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Der Sensor 30 dient dazu, Informationen zu dem Steuergerät zu übermitteln, die den Wert von NO_x-Bestandteilen, die in dem Abgaszustrom 20 stromabwärts der NO_x-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16 vorhanden oder suspendiert sind, anzeigen. Eine Reduktionsmittelspeichervorrichtung, beispielsweise ein Reduktionsmitteltank 34, ist durch eine Reduktionsmittelzufuhrleitung 36 mit einer Vorrichtung, beispielsweise einem Reduktionsmittelinjektor 38, der mit dem Abgaszustrom 20 in Fluidverbindung steht, fluidverbunden. Wie bei dem Sensor 30 steht der Reduktionsmittelinjektor mit dem Steuergerät 32 in Signalverbindung und kann durch das Steuergerät eingeschaltet werden, um eine Zufuhr von Reduktionsmittel 40 in den Abgaszustrom 20 auszulösen, wenn NO_x-Werte in dem Abgas einen vorbestimmten Wert erreichen, der von dem Sensor 30 angezeigt wird.
Wie gezeigt kann das Reduktionsmittel 40 ein ausreichendes Mischen und eine ausreichende Verweilzeit in dem heißen Abgasstrom erfordern. Im Fall eines Harnstoff-SCR-Katalysators als NO_x-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16 kann ein wässriger Harnstoff als Reduktionsmittel 40 verwendet werden. Der Harnstoff muss in dem Abgaszustrom 20 verdampfen und sich zersetzen, um Ammoniak („NH₃”) als Reaktionsnebenprodukt zu erzeugen, da es NH₃ ist, das als Reduktionsmittelspezies in den katalytischen Reaktionen verwendet wird, die in der Harnstoff-SCR-Katalysatorvorrichtung auftreten. In bestimmten Anwendungen, bei denen aufgrund von Fahrzeugraumangebot oder anderen Anforderungen der Platz minimal ist, kann eine halbkonische (3A), eine konische (2), eine Flachplatten- (3B und 3C) oder eine andere Konfiguration des Diffusors 42 in der Abgasleitung 44 des Abgasnachbehandlungssystems 12 an einer Stelle stromaufwärts der NO_x-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16 und benachbart zu dem Reduktionsmittelinjektor 38 positioniert sein. Der Diffusor 42 weist ein stromaufwärts liegendes Ende 41, ein stromabwärts liegendes Ende 43 auf und umfasst eine Aufprallfläche 46, die dazu dient, Tropfen von Reduktionsmittel 40 zu sammeln, die bei Austreten aus dem Injektor 38 eventuell nicht sofort verdampfen. Der Diffusor 42 kann aus Metall (z. B. Edelstahl, Stahlblech, etc.) oder Keramik oder einem anderen geeigneten Material für Hochtemperaturanwendungen konstruiert sein.
Das Strömen des heißen Abgaszustroms 20 über die Aufprallfläche 46 unterstützt die Verdampfung/Verdunstung des Reduktionsmittels 40, bevor es stromabwärts und zu der NOx-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16 strömt. Aufgrund der hohen latenten Wärme der Verdampfung von einigen Reduktionsmitteln, beispielsweise Harnstoff, kann etwas unverdampftes Fluid der Aufprallfläche 46 des Diffusors 42 entgehen, bevor es vollständig verdampft wird.
In einer in 2, 3A–C und 4A–C veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform ist zum Steigern der Verdunstungsrate des Reduktionsmittels 40 nach Aufprallen auf die Aufprallfläche 46 ein Schwallblech oder eine Klappe 48 am stromabwärts liegenden Ende oder Austrittsende 43 des Diffusors 42 befestigt. Das Schwallblech 48 erstreckt sich von der Aufprallfläche 46 nach außen (in den Abgaszustrom 20), um an einer Schwallblechspitze 54 zu enden, die sich zwischen dem Diffusor 42 und der Innenwand 74 der Abgasleitung 44 befindet. Das Schwallblech 48 kann sich senkrecht zu der Richtung des Abgaszustroms 20 erstrecken oder kann bei einem Winkel α, 3B, ausgerichtet sein, der von der Senkrechten in der Größenordnung von 0° bis etwa 15° in jede Richtung von der Senkrechten variieren kann. Insbesondere unter Bezug auf 4A–C erzeugt das Schwallblech 48 eine stromaufwärts weisende Stufe, die einen Teil 20' des Abgaszustroms 20 in Form eines schwachen oder allgemein ungeordneten positiven Wirbels zurückhält. Der zurückgehaltene Teil 20' des Abgaszustroms 20 kann nicht unmittelbar oberhalb oder über dem Schwallblech 48 entweichen, da dies erforderlich machen würde, dass er die sich schneller bewegende Grenzschicht 52 des Abgaszustroms 20 überquert. Das Zurückhalten eines Teils 20' des Abgaszustroms 20 dient dazu, die Verweilzeit des flüssigen Reduktionsmittels 40 auf der Aufprallfläche 46 und signifikanter stromaufwärts der NO_x-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16 zu steigern, was die Verdunstung desselben signifikant verbessert. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Schwallblech aus Metallblech konstruiert sein oder kann aus einer Metallschaumstruktur 62, 3C, konstruiert sein, die die Verdampfung des Reaktanden 40 noch weiter verbessert. Im Fall eines Schwallblechs 48, das aus Metallschaum 62 konstruiert ist, erlaubt die poröse Matrix des Metallschaums einen gewissen Betrag an Abgasstrom 64 durch das Schwallblech 48, ohne die bereits beschriebene Funktion der Platte zu beeinträchtigen. Die poröse Matrix der Metallschaumstruktur 62 legt einen gewundenen Pfad für etwaiges verbleibendes flüssiges Reduktionsmittel 40 fest, wodurch eine vollständige Verdampfung des Reduktionsmittels gefördert wird, wenn es mitgeführt von dem beschränkten Abgasstrom 64 durch das Metallschaum-Schwallblech 48 tritt.
Nach einer gewissen Verzögerung, die ein Faktor der Höhe „h” und eines Winkels „α” des Schwallblechs 48 sein kann, wächst der zurückgehaltene Teil 20' des Abgaszustroms 20, der sich stromaufwärts des Schwallblechs 48 als positiver Wirbel 51 gesammelt hat, räumlich sowohl von der Aufprallfläche 46 (wie in 4A–C in Folge ersichtlich) nach außen hin zu der Spitze 54 des Schwallblechs 48 sowie in die Richtung stromaufwärts, bis das Wachstum stromaufwärts nahe dem der Höhe „h” des Schwallblechs liegt. Wenn dies eintritt, erhält der zurückgehaltene Teil 20' des Abgaszustroms 20 genügend Energie, um die Grenzschicht 52 direkt oberhalb der Spitze 54 des Schwallblechs 48 zu durchdringen. Das Durchdringen der Grenzschicht 52 des Abgaszustroms 20 zeigt sich in einer Zunahme der Geschwindigkeit 56 senkrecht zu der Richtung des Abgaszustroms 20 direkt oberhalb des Schwallblechs 48, wenn der zurückgehaltene Teil 20' des Abgaszustroms 20 seinen zurückgehaltenen oder blockierten Zuständ verlässt, indem er über die Spitze 54 des Schwallblechs 48 und in den stromabwärts befindlichen Wirbel überströmt. Die Zunahme der Geschwindigkeit 56 senkrecht zur Richtung des Abgaszustroms 20 induziert eine ähnliche Geschwindigkeitskomponente 58 an den Fluid- und Wirbelstrukturen direkt stromabwärts des Schwallblechs 48, was zu einem Induzieren von Drehverwirbelung in dem Abgaszustrom 20 führt. Die Drehverwirbelung stellt weiterhin ein gründliches Mischen und eine erhöhte Verweilzeit des Reaktanden 40 in dem Abgaszustrom 20 vor dessen Eintritt in die NO_x-Reduktionskatalysatorvorrichtung 16 sicher. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung des Diffusors 42 mit dem Schwallblech 48 die Harnstoff-Verdunstungsrate von 50 bis 70% (ohne das Schwallblech) auf 85 bis 100% angehoben hat.
In einer in 5 veranschaulichten anderen beispielhaften Ausführungsform ist ein Düsendiffusor 42 mit einem Schwallblech 48 zum Verbessern der Verdunstung und des Mischens des eingespritzten Reduktionsmittels 40 mit dem Abgaszustrom 20 veranschaulicht. In der gezeigten Ausführungsform befinden sich eine Reihe von beabstandeten Perforationen 70 in dem Schwallblech 48 an einer Stelle benachbart zu der Aufprallfläche 46 an dem Auslassende 43 des Diffusors 42. Ferner können sich eine Reihe von beabstandeten Strömungsstreifen 72 von der Spitze 54 des Schwallblechs radial nach außen erstrecken. Das Hinzufügen der Perforationen 70 kann dazu dienen, den von dem positiven Wirbel der bereits beschriebenen Ausführungsform abzuschwächen. Dadurch kann die Höhe „h” des Schwallblechs 48 vergrößert werden, wodurch der Flächeninhalt des Blechs vergrößert wird, das auf den Abgaszustrom 20 wirkt, um ein Verdampfen und Mischen des Harnstoffs 40 darin zu fördern. Die beabstandeten Strömungsstreifen 72 sehen in dem Abgaszustrom eine zusätzliche „Mischverwirbelung” vor, was dem Schwallblech 48 die zusätzliche Funktion eines Wirbelelements verleiht und das Mischen des Reduktionsmittels 40 mit dem Abgaszustrom verbessert. Ferner können sich die Strömungsstreifen 72 zu der Innenwand 74 der Abgasleitung 44 erstrecken und diese berühren, wobei sie durch Schweißen oder ein anderes geeignetes Befestigungsverfahren an der Leitung festgemacht werden können, um dadurch an dem Schwallblech 48 Auskragungsspannungen zu beseitigen, wodurch spannungsbedingter Verschleiß und Haltbarkeit, die geringer als gewünscht ist, reduziert oder beseitigt werden.
Während der Düsendiffusor und das zugehörige Schwallblech vorrangig unter Bezug auf das Einleiten eines Reduktionsmittels in den Abgaszustrom eines Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor beschrieben wurden, dürfte die Einrichtung über das NO_x-Reduktionssystem hinaus Anwendung finden. Die Vorrichtung kann zum Beispiel ausgelegt werden, um das Verdampfen und Mischen von eingespritztem Harnstoff stromaufwärts eines Oxidationskatalysators oder eines Dieselpartikelfilters während Regeneration zu unterstützen.

Claims

Diffusor (42) zum Unterstützen eines Verdampfens und Mischens eines eingespritzten Reaktanden (40) mit dem Abgaszustrom (20) eines Abgasnachbehandlungssystems (12) eines Verbrennungsmotors (10), umfassend: einen Diffusor (42), der konfiguriert ist, um in einer Abgasleitung (44) des Abgasnachbehandlungssystems (12) angeordnet zu werden, mit einem stromaufwärts liegenden Ende (41) und einem stromabwärts liegenden Ende (43); eine Aufprallfläche (46), die sich an dem Diffusor (42) zwischen dem stromaufwärts liegenden Ende (41) und dem stromabwärts liegenden Ende (43) befindet; ein Schwallblech (48), das benachbart zu dem stromabwärts liegenden Ende (43) des Diffusors (42) und benachbart zu der Aufprallfläche (46) angeordnet ist, wobei sich das Schwallblech (48) von der Aufprallfläche (46) nach außen erstreckt, um an einer Schwallblechspitze (54) zu enden, die sich zwischen dem Diffusor (42) und einer Innenwand (74) der Abgasleitung (44) befindet, und dazu dient, einen Teil eines Abgaszustroms (20) und einen darin vorhandene Reaktanden (40) zurückzuhalten, um das Verdampfen und die Verweilzeit des Reaktanden (40) in dem Abgaszustrom (20) zu steigern; und Strömungsstreifen (72), die sich von der Schwallblechspitze (54) nach außen erstrecken und voneinander beabstandet sind.
Diffusor (42) zum Unterstützen des Verdampfens und Mischens eines eingespritzten Reaktanden (40) mit dem Abgaszustrom (20) eines Abgasnachbehandlungssystems (12) eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 1, wobei der Diffusor (42) als halbkonische Düse konfiguriert ist und das Schwallblech (48) sich umlaufend um das stromabwärts liegende Ende (43) desselben erstreckt.
Diffusor (42) zum Unterstützen des Verdampfens und Mischens eines eingespritzten Reaktanden (40) mit dem Abgaszustrom (20) eines Abgasnachbehandlungssystems (12) eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 1, wobei der Diffusor (42) als flache Platte konfiguriert ist und das Schwallblech (48) sich quer über das stromabwärts liegende Ende (43) desselben erstreckt.
Diffusor (42) zum Unterstützen des Verdampfens und Mischens eines eingespritzten Reaktanden (40) mit dem Abgaszustrom (20) eines Abgasnachbehandlungssystems (12) eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 1, wobei sich die Strömungsstreifen (72) zu der Innenwand (74) der Abgasleitung (44) erstrecken und daran befestigt sind.
Diffusor (42) zum Unterstützen eines Verdampfens und Mischens eines eingespritzten Reaktanden (40) mit dem Abgaszustrom (20) eines Abgasnachbehandlungssystems (12) eines Verbrennungsmotors (10), umfassend: einen Diffusor (42), der konfiguriert ist, um in einer Abgasleitung (44) des Abgasnachbehandlungssystems (12) angeordnet zu werden, mit einem stromaufwärts liegenden Ende (41) und einem stromabwärts liegenden Ende (43); eine Aufprallfläche (46), die sich an dem Diffusor (42) zwischen dem stromaufwärts liegenden Ende (41) und dem stromabwärts liegenden Ende (43) befindet; und ein Schwallblech (48), das benachbart zu dem stromabwärts liegenden Ende (43) des Diffusors (42) und benachbart zu der Aufprallfläche (46) angeordnet ist, wobei sich das Schwallblech (48) von der Aufprallfläche (46) nach außen erstreckt, um an einer Schwallblechspitze (54) zu enden, die sich zwischen dem Diffusor (42) und einer Innenwand (74) der Abgasleitung (44) befindet, und dazu dient, einen Teil eines Abgaszustroms (20) und einen darin vorhandene Reaktanden (40) zurückzuhalten, um das Verdampfen und die Verweilzeit des Reaktanden (40) in dem Abgaszustrom (20) zu steigern, wobei das Schwallblech (48) beabstandete Perforationen (70) benachbart zu der Aufprallfläche (46) aufweist.
Diffusor (42) zum Unterstützen eines Verdampfens und Mischens eines eingespritzten Reaktanden (40) mit dem Abgaszustrom (20) eines Abgasnachbehandlungssystems (12) eines Verbrennungsmotors (10), umfassend: einen Diffusor (42), der konfiguriert ist, um in einer Abgasleitung (44) des Abgasnachbehandlungssystems (12) angeordnet zu werden, mit einem stromaufwärts liegenden Ende (41) und einem stromabwärts liegenden Ende (43); eine Aufprallfläche (46), die sich an dem Diffusor (42) zwischen dem stromaufwärts liegenden Ende (41) und dem stromabwärts liegenden Ende (43) befindet; und ein Schwallblech (48), das benachbart zu dem stromabwärts liegenden Ende (43) des Diffusors (42) und benachbart zu der Aufprallfläche (46) angeordnet ist, wobei sich das Schwallblech (48) von der Aufprallfläche (46) nach außen erstreckt, um an einer Schwallblechspitze (54) zu enden, die sich zwischen dem Diffusor (42) und einer Innenwand (74) der Abgasleitung (44) befindet, und dazu dient, einen Teil eines Abgaszustroms (20) und einen darin vorhandene Reaktanden (40) zurückzuhalten, um das Verdampfen und die Verweilzeit des Reaktanden (40) in dem Abgaszustrom (20) zu steigern, wobei das Schwallblech (48) aus einem Metallschaummaterial gebildet ist.