DE102015015505A1

DE102015015505A1 - Nachbehandlungsmodul mit austauschbarem Katalysatorgehäuse

Info

Publication number: DE102015015505A1
Application number: DE102015015505.9A
Authority: DE
Inventors: Raymond Upano ISADA; Kurtis Edward Chenoweth; Eric SPAETH; Ping XIANG; Yung T. Bui
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2016-06-09
Also published as: CN105673177A; US20170241322A1; US9976470B2; CN105673177B; US9677447B2; US20160160727A1

Abstract

Es ist ein Nachbehandlungsmodul (12) zur Verwendung mit einer Kraftmaschine (10) offenbart. Das Nachbehandlungsmodul kann ein Einlassgehäuse (18), das zumindest teilweise einen Einlassdurchgang (32) für das Abgas festlegt, und zumindest einen Mischer (38), der in dem Einlassdurchgang (32) vorgesehen ist, aufweisen. Das Nachbehandlungsmodul kann auch ein Auslassgehäuse (20), das zumindest teilweise einen Auslassdurchgang (44) für das Abgas festlegt, und ein Katalysatorgehäuse (22), das lösbar zwischen dem Einlassgehäuse (18) und dem Auslassgehäuse (20) verbunden ist, aufweisen. Das Nachbehandlungsmodul kann ferner mehrere Katalysatorsubstrate (52) aufweisen, die dazu ausgebildet sind, in dem Katalysatorgehäuse montiert zu werden, das Abgas von dem Einlassdurchgang parallel aufzunehmen und das Abgas zu dem Auslassgehäuse parallel abzugeben.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung ist auf ein Nachbehandlungsmodul und insbesondere auf ein Nachbehandlungsmodul mit einem austauschbaren Katalysatorgehäuse gerichtet.
Hintergrund
Brennkraftmaschinen umfassend Dieselkraftmaschinen, Benzinkraftmaschinen, mit Gaskraftstoff angetriebene Kraftmaschinen und andere bekannte Kraftmaschinen stoßen ein komplexes Gemisch von Luftschadstoffen aus. Diese Luftschadstoffe bestehen aus gasförmigen Bestandteilen umfassend u. a. Stickoxide (NO_x). Aufgrund des gesteigerten Umweltbewusstseins sind Abgasemissionsstandards strenger geworden und die Menge von NO_x, die von einer Kraftmaschine in die Atmosphäre abgegeben wird, kann in Abhängigkeit von dem Typ der Kraftmaschine, der Größe der Kraftmaschine und/oder der Klasse der Kraftmaschine reguliert sein.
Um die NO_x-Regulierungen zu erfüllen, haben einige Kraftmaschinenhersteller eine Strategie namens selektive katalytische Reduktion (engl. „selective catalytic reduction” (SCR)) implementiert. SCR ist ein Abgasbehandlungsverfahren, in dem ein Reduktionsmittel, am häufigsten Harnstoff ((NH₂)₂CO) oder eine Wasser-/Harnstofflösung, selektiv in den Abgasstrom einer Kraftmaschine eingespritzt und auf einem nachgeschalteten bzw. stromabwärts vorgesehenen Substrat adsorbiert wird. Die eingespritzte Harnstofflösung zersetzt sich in Ammoniak (NH₃), das mit dem NO_x in dem Abgas zum Bilden von Wasser (H₂O) und zweiatomigen Stickstoff (N₂) reagiert.
In einigen Anwendungen kann es erforderlich sein, dass das für die SCR-Zwecke verwendete Substrat sehr groß ist, sodass gewährleistet ist, dass es genügend Oberfläche oder effektives Volumen zum Adsorbieren von genügenden Mengen des Ammoniaks, das für eine ausreichende Reduktion von NO_x benötigt wird, aufweist. Diese großen Substrate können teuer sein und signifikante Mengen an Platz in dem Kraftmaschinenabgassystem benötigen. Zusätzlich muss das Substrat weit genug stromabwärts von der Einspritzstelle für die Harnstofflösung positioniert sein, sodass Zeit zum Zersetzen in das Ammoniakgas und zum gleichmäßigen Verteilen in dem Abgasstrom für die effiziente Reduktion von NO_x zur Verfügung steht. Dieser Abstand kann die Packungsschwierigkeiten des Abgassystems weiter erhöhen.
Ein Abgasgegendruck, der durch die Verwendung des oben beschriebenen SCR-Substrats hervorgerufen wird, kann in einigen Situationen problematisch sein. Insbesondere kann das SCR-Substrat den Abgasstrom in einem gewissen Ausmaß beschränken und damit eine Erhöhung des Drucks des die Kraftmaschine verlassenden Abgases bewirken. Wenn dieser Abgasgegendruck zu hoch ist, kann die Atemfähigkeit und nachfolgend die Leistung der Kraftmaschine negativ beeinflusst werden. Folglich sollten Maßnahmen zum Vermeiden der übermäßigen Beschränkung des Abgasstroms bei der Implementierung von SCR unternommen werden.
Ein beispielhaftes Nachbehandlungsmodul ist in dem US-Patent mit der Nummer 8,747,788 von Baig et al. vom 10. Juni 2014 (das „788-Patent”) offenbart. Insbesondere offenbart das 788-Patent ein Nachbehandlungsmodul aufweisend ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, und eine Katalysatorbank, die den Einlass von dem Auslass trennt. Die Katalysatorbank weist eine Fläche auf, die in einem schiefen Winkel relativ zu einer Strömungsrichtung durch den Einlass und den Auslass vorgesehen ist. Durchgänge mit sich verkleinernden Querschnittsflächen erstrecken sich von dem Einlass zu der Katalysatorbank und von der Katalysatorbank zu dem Auslass.
Obwohl das Nachbehandlungsmodul des 788-Patents in vielen Anwendungen funktionsfähig sein kann, kann es dennoch suboptimal sein. Insbesondere kann die Katalysatorbank nach einer Zeitspanne verschleißen, und die Katalysatorbank kann nicht auf einfache Weise wartbar sein.
Das Nachbehandlungsmodul der vorliegenden Offenbarung widmet sich einem oder mehreren der oben angegebenen Bedürfnisse und/oder anderen Problemen des Stands der Technik.
Zusammenfassung
Gemäß einem ersten Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Nachbehandlungsmodul gerichtet. Das Nachbehandlungsmodul kann ein Einlassgehäuse, das zumindest teilweise einen Einlassdurchgang für das Abgas festlegt, und zumindest einen Mischer, der in dem Einlassdurchgang vorgesehen ist, aufweisen. Das Nachbehandlungsmodul kann auch ein Auslassgehäuse, das zumindest teilweise einen Auslassdurchgang für das Abgas festlegt, und ein Katalysatorgehäuse, das lösbar zwischen dem Einlassgehäuse und dem Auslassgehäuse verbunden ist, aufweisen. Das Nachbehandlungsmodul kann ferner mehrere Katalysatorsubstrate, die dazu ausgebildet sind, in dem Katalysatorgehäuse montiert zu werden, das Abgas von dem Einlassdurchgang parallel aufzunehmen und das Abgas zu dem Auslassgehäuse parallel abzugeben, aufweisen.
Gemäß einem anderen Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein anderes Nachbehandlungsmodul gerichtet. Das Nachbehandlungsmodul kann ein Einlassgehäuse, das zumindest teilweise einen Einlassdurchgang mit einer ersten Achse festlegt, und einen ersten Montageflansch, der in einem schiefen Winkel relativ zu der ersten Achse ausgerichtet ist, aufweisen. Das Nachbehandlungsmodul kann auch ein Auslassgehäuse, das zumindest teilweise einen Auslassdurchgang mit einer zweiten Achse festlegt, und einen zweiten Montageflansch, der in einem schiefen Winkel relativ zu der zweiten Achse ausgerichtet ist, aufweisen. Das Nachbehandlungsmodul kann ferner ein Katalysatorgehäuse aufweisen, das lösbar zwischen dem ersten Montageflansch und den zweiten Montageflansch verbunden ist.
Gemäß einem weiteren anderen Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Nachbehandlungsmodul für ein Fahrzeug mit einer Montageplattform, die dazu ausgebildet ist, im Wesentlichen parallel mit einer Bodenfläche, die das Fahrzeug trägt, gerichtet. Das Nachbehandlungsmodul kann ein Einlassgehäuse, ein Auslassgehäuse und ein Katalysatorgehäuse, das lösbar zwischen dem Einlassgehäuse und dem Auslassgehäuse verbunden ist, aufweisen. Das Nachbehandlungsmodul kann ferner eine Montagehalterung mit einer Bodentragevorrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen Boden des Auslassgehäuses mit der Montageplattform zu verbinden, und eine Seitentragevorrichtung, die von der Bodentragevorrichtung in einem schiefen Winkel vorsteht und dazu ausgebildet ist, eine Seite des Auslassgehäuses und eine Seite des Katalysatorgehäuses zu halten, aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine bildliche Darstellung eines beispielhaft offenbarten Leistungssystems,
2 ist eine beispielhafte Montageanordnung von zwei beispielhaft offenbarten Nachbehandlungsmodulen, die mit dem Leistungssystem von 1 verwendet werden können,
3 ist eine Explosionsansichtsdarstellung eines anderen beispielhaft offenbarten Nachbehandlungsmoduls, das in Verbindung mit dem Leistungssystem von 1 genutzt werden kann,
4 ist eine Querschnittsdarstellung des Nachbehandlungsmoduls von 3.
Ausführliche Beschreibung
1 stellt ein beispielhaftes Leistungssystem 10 dar. Für die Zwecke dieser Offenbarung ist das Leistungssystem 10 als eine mobile Maschine, zum Beispiel ein Lastkraftwagen mit einem oder mehreren Mehrzylinderbrennkraftmaschinen (nicht gezeigt), dargestellt und beschrieben. Jede Kraftmaschine kann dazu ausgebildet sein, ein Gemisch von Luft und Kraftstoff, zum Beispiel Diesel, Benzin oder ein Gaskraftstoff, zu verbrennen und eine mechanische Ausgabe zu erzeugen. Die mechanische Ausgabe von der (den) Kraftmaschine(n) kann zum Antreiben der mobilen Maschine weitergeleitet werden. Alternativ kann (können) die Kraftmaschine(n), wenn gewünscht, als die Haupt- oder Hilfsleistungsquelle eines stationären Leistungssystems 10, wie beispielsweise eine Pumpe, ausgebildet sein.
Das Leistungssystem 10 kann mit einem oder mehreren (Abgas-)Nachbehandlungsmodulen („Module”) 12 mit Komponenten, die zum Fördern der Leistungsproduktion und zum gleichzeitigen Steuern der Emission von Schadstoffen von der (den) Kraftmaschine(n) zu der Atmosphäre zusammenarbeiten, ausgestattet sein. In der Ausführungsform von 1 weist das Leistungssystem 10 ein einzelnes Modul 12 auf, das an bzw. auf einer Plattform 14 montiert ist, die dazu ausgebildet ist, im Wesentlichen parallel zu einer Bodenfläche, auf dem das Leistungssystem 10 getragen wird, zu sein. In dieser Ausführungsform ist die Plattform 14 mit Bezug zur Schwerkraft über jeglicher (jeglichen) zugeordneter Kraftmaschine(n) positioniert und ein Kanalsystem (nicht gezeigt) kann das Modul 12 mit der (den) Kraftmaschine(n) verbinden. Eine Montagehalterung (oder ein System von Halterungen) 16 kann zum Verbinden des Moduls 12 mit der Plattform 14 verwendet werden.
Ein beispielhaftes Montageanordnungsmodul 12 ist in 1 gezeigt. In dieser Anordnung ist die Montagehalterung 16 dazu ausgebildet, zwei Hauptflächen eines einzelnen Moduls 12 zu halten bzw. zu greifen und das Modul 12 in einer Ausrichtung bzw. Orientierung zu halten, die eine Beeinträchtigung mit anderen Merkmalen des Leistungssystems 10 vermeidet. Insbesondere kann die Montagehalterung 16 eine Bodentragevorrichtung 16a, die dazu ausgebildet ist, mit einem Gehäuseboden oder einem untersten Teil des Moduls 12 verbunden zu werden, und eine Seitentragevorrichtung 16b, die dazu ausgebildet ist, mit einer Gehäuseseite oder einem stehenden bzw. senkrechten Teil des Moduls 12 verbunden zu werden, aufweisen. Die Seitentragevorrichtung 16b kann in einem schiefen Winkel von der Bodentragevorrichtung 16a vorstehen, sodass das Modul 12 nach vorne bzw. in Vorwärtsrichtung (relativ zu einer Normalbewegungsrichtung des Leistungssystems 10) und weg von einem Bett bzw. Fundament des Leistungssystems 10 geneigt ist. Ein Abstand kann zwischen dem Modul 12 und dem Bett des Leistungssystems 10 während des Betriebs beibehalten werden. Die Boden- und Seitentragevorrichtung 16a, 16b kann einstückig bzw. integral als eine einzelne Komponente durch ein Gieß- oder Fertigungsverfahren ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen können mehrere Montagehalterungen 16 (zum Beispiel eine an jedem Ende) zum Sichern des Moduls 12 an der Plattform 14 verwendet werden.
Eine alternative Montageanordnung ist in 2 gezeigt. In dieser Anordnung sind zwei Module 12 als zusammengepackt bzw. zusammengebündelt dargestellt, sodass eine Kraftmaschinenkonfiguration mit einem erhöhten Abgasstrom und/oder Schadstoffkonzentration berücksichtigt wird. In dieser Anordnung können die Module 12 zusammengestapelt (zum Beispiel Seite an Seite bzw. nebeneinander) und in einer vertikalen Ausrichtung bzw. Orientierung an jeglicher geeigneter Stelle an Bord des Leistungssystems 10, zum Beispiel auf einem Oberteil eines Kraftstofftanks (nicht gezeigt), montiert sein. Vier im Wesentlichen identische Montagehalterungen 16 (zwei an jeder Seite der Module 12, mit einem an jedem Ende des entsprechenden Moduls 12), die einzig Seitentragevorrichtungen 16b aufweisen, können in dieser Ausführungsform verwendet werden. Es ist vorgesehen, dass jegliche Anzahl von Modulen 12 an jeglicher Position und/oder in jeglicher Ausrichtung an Bord des Leistungssystems 10, wie gewünscht, zusammengepackt bzw. -gebündelt sein können.
Wie in 3 gezeigt ist, kann jedes Modul 12 eine Baugruppe von Komponenten sein, die lösbar miteinander verbunden sind. Für die Zwecke dieser Offenbarung kann der Ausdruck „lösbar verbunden” ein Verbindungsmittel betreffen, das kein verformendes oder zerstörendes Verfahren (zum Beispiel Schneiden, Reißen, Schleifen, Biegen, Schmelzen etc.) zum Rückgängigmachen bzw. Lösen benötigt. Das Modul 12 kann unter anderem ein Einlassgehäuse 18, ein Auslassgehäuse 20 und ein Katalysatorgehäuse 22, das zwischen dem Einlass- und Auslassgehäuse 18, 20 angeordnet ist, aufweisen. Eine oder mehrere Dichtungen oder Dichtringe 24 können zwischen aneinander angrenzenden Gehäusen (zum Beispiel zwischen Montageflanschen bzw. Montagekragen 25 von aneinander angrenzenden Gehäusen) positioniert sein, und mehrere Befestigungselemente 26 können zum lösbaren Miteinanderverbinden der Gehäuse verwendet werden.
Wie in 3 und 4 sichtbar ist, können das Einlass- und Auslassgehäuse 18, 20 jeweils eine Höhe h₁ bzw. h₂ aufweisen, die sich in einer Längsrichtung verändert, während das Katalysatorgehäuse 22 eine Höhe h₃ aufweisen kann, die im Wesentlichen entlang dessen Länge konstant bleibt. Insbesondere kann ein Querschnitt (gezeigt in 4) des Einlass- und Auslassgehäuses 18, 20 im Wesentlichen dreieckig sein, während ein Querschnitt des Katalysatorgehäuses 22 im Wesentlichen viereckig bzw. rechteckig sein kann. Die dreieckigen Formen des Einlass- und Auslassgehäuses 18, 20 können sowohl vertikal als auch horizontal umgekehrt sein (relativ zu der Perspektive von 3 und 4), sodass ein Gesamtquerschnitt des Moduls 12 im Wesentlichen viereckig bzw. rechteckig sein kann. Mit dieser Konfiguration können die Montageflansche bzw. -kragen 25 in einem schiefen Winkel relativ zu Achsen 28 und 30 orientiert sein. Sobald das Katalysatorgehäuse 22 zwischen den Kragen bzw. Flanschen 25 zusammengebaut wird, kann das Katalysatorgehäuse 22 relativ zu dem Oberteil, dem Boden und den Seiten des Moduls 12 geneigt sein.
In der in 3 und 4 gezeigten Ausführungsform kann Abgas in das Modul 12 in einer ersten Richtung einströmen und aus dem Modul 12 in einer zweiten Richtung ausströmen, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung ist. Insbesondere kann der einströmende Abgasstrom mit einer Achse 28 ausgerichtet sein, die sich durch eine Seite des Moduls 12 erstreckt, während der austretende Abgasstrom mit einer Achse 30, die sich durch einen Boden des Moduls 12 erstreckt, ausgerichtet sein kann. Es ist allerdings vorgesehen, dass, wenn gewünscht, die eintretenden und austretenden Abgasströme alternativ in die gleiche oder entgegengesetzte Richtungen (siehe 2) ausgerichtet sein können, sodass unterschiedliche Kraftmaschinen-/Leistungssystemführungsanforderungen berücksichtigt werden.
Das Einlassgehäuse 18 kann zumindest teilweise einen Einlassdurchgang 32 und einen Verteilungsraum 34, der unter dem Einlassdurchgang 32 positioniert ist (das heißt, näher zu einem offenen Boden des Einlassgehäuses 18) definieren bzw. festlegen. Abgas kann in den Einlassdurchgang 32 an einer Seite des Einlassgehäuses 18 eintreten und sich entlang der Länge des Einlassgehäuses 18 zu einer gegenüberliegenden Seite bewegen. An der gegenüberliegenden Seite kann der Abgasstrom die Richtung umkehren, während er in den Verteilungsraum 34 eintritt.
In der offenbarten Ausführungsform ist der Einlassdurchgang 32 eine zylindrische Leitung bzw. Rohr mit einer Querschnittsfläche, die im Wesentlichen konstant entlang dessen Länge bleibt. Ein oder mehrere Reduktionsmittelinjektoren 36 (zum Beispiel zwei bis vier Injektoren, die in verschiedenen Axial- und/oder Umfangspositionen beabstandet sind) können an einem Eingang zu dem Einlassdurchgang 32 positioniert sein und ein oder mehrere Mischer 38 (zum Beispiel drei Mischer unterschiedlichen Typs und/oder Orientierung bzw. Ausrichtung) können innerhalb des Einlassdurchgangs 32 an verschiedenen Positionen stromabwärts von den Injektoren 36 vorgesehen sein. Die Mischer 38 können dazu ausgebildet sein, das eingespritzte Reduktionsmittel mit dem Abgas gleichmäßig zu vermischen, während es in das Modul 12 einströmt, und das Reduktionsmittel am Auftreffen und/oder Kondensieren an dessen Wänden zu hindern. In dem Beispiel von 3 und 4 sind der (die) Injektor(en) 36 zum direkten Einsprühen eines Reduktionsmittels in einen Teil des am weitesten stromaufwärts gelegenen Mischers 38 angeordnet und ausgerichtet. Es sollte allerdings beachtet werden, dass andere Konfigurationen und Anordnungen der Injektoren 36 und der Mischer 38 möglich sind.
Der Verteilungsraum 34 kann zum Verteilen des von dem Einlassdurchgang 32 empfangenen Abgases gleichmäßig über den offenen Boden des Einlassgehäuses 18 aufgebaut sein. Insbesondere kann der Verteilungsraum 34 eine sich verringernde Querschnittsfläche entlang einer Strömungsrichtung aufweisen. Diese Strömungsfläche kann sich in einem Ausmaß verringern, die zu einem Druck entlang einer Länge und Breite des Verteilungsraums 34 führt, der über demselben gehalten wird. In der offenbarten Ausführungsform kann ein Diffusor 40 (z. B. eine perforierte Platte bzw. Lochplatte) an einem Schnittpunkt bzw. einer Verbindungstelle des Einlassdurchgangs 32 und des Verteilungsraums 34 angeordnet sein (z. B. an einer Stelle, wo der Abgasstrom die Richtung umkehrt). Der Diffusor 40 kann so funktionieren, dass ein Großteil des Abgasstroms in Richtung auf ein gegenüberliegendes Ende des Verteilungsraums 34, wo die Querschnittsfläche kleiner wird, umgelenkt wird. Eine Länge und/oder Porosität des Diffusors 40 kann zum Vorsehen einer gewünschten Verteilung des Abgases für eine bestimmte Anwendung angepasst werden. Zusätzlich kann in einigen Anwendungen ein Begrenzer bzw. Durchflussbegrenzer 42 (zum Beispiel ein Voll- bzw. solider Streifen) von dem Einlassdurchgang 32 in Richtung nach unten in den Verteilungsraum 34 an einem stromabwärts gelegenen Ende des Diffusors 40 vorstehen. Die Position, Höhe und/oder Breite des Begrenzens 42 kann zum Vorsehen von gewünschten Abgasverteilungseigenschaften angepasst werden.
Das Auslassgehäuse 20 kann zumindest teilweise einen Auslassdurchgang 44, der entlang einer Langen- und Breitenrichtung zentriert ist, und einen Sammelraum 46, der über dem Auslassdurchgang 44 positioniert ist (d. h. näher zu einem offenen Oberteil des Auslassgehäuses 20), aufweisen. Das Abgas kann in den Sammelraum 46 entlang der Länge des Auslassgehäuses 20 eintreten und sich nach innen in Richtung auf den Auslassdurchgang 44 in der Mitte des Auslassgehäuses 20 bewegen.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Auslassdurchgang 44 eine zylindrische Leitung bzw. Rohr mit einer Querschnittsfläche, die im Wesentlichen konstant entlang dessen Länge bleibt. Eine Drallendkappe bzw. Wirbelendkappe 48 kann an einem Eingang zu dem Auslassdurchgang 44 positioniert sein und eine oder mehrere Sensorlochrohrstücke bzw. Sensormessrohre („sensor flutes”) 50 können innerhalb des Auslassdurchgangs 44 an Positionen stromabwärts der Wirbelendkappe 48 vorgesehen sein. Die Wirbelendkappe 48 kann eine Lochplatte sein, die Schaufeln bzw. Flügel an einer Auslassseite aufweist, die dazu ausgebildet sind, einen Wirbel bzw. Drall in dem Abgas zu erzeugen, während das Abgas das Modul 12 verlässt. Der Wirbel kann dabei helfen, eine Konsistenz der Auslesungen bzw. Messaufnahmen zu verbessern, die von den Sensoren (nicht gezeigt), die innerhalb der Messrohre bzw. Lochrohrstücke 50 vorgesehen oder anderweitig mit diesen verbunden sind, aufgenommen werden.
Der Sammelraum 46 kann zum Sammeln von Abgas entlang des offenen Oberteils des Auslassgehäuses 20, während ein im Wesentlichen konstanter Druck und Durchflussrate entlang dessen Länge gehalten wird, aufgebaut sein. Aus diesem Grund kann der Sammelraum 46 eine sich verringernde Querschnittsfläche entlang dessen Länge aufweisen. Insbesondere kann an einer Axialposition, die im Wesentlichen dem Eingang des Verteilungsraums 34 entspricht (d. h., wo die Strömungen und Drücke größer sind), die Strömungsfläche innerhalb des Verteilungsraums 46 am kleinsten sein. Und an eine Axialposition, die im Wesentlichen dem Ende des Verteilungsraums 34 entspricht (d. h., wo die Strömungen und Drücke kleiner sind), kann die Strömungsfläche innerhalb des Verteilungsraums 46 am größten sein. Dieses Strömungsflächenprofil kann einen gleichmäßigen Abgasstrom durch das Katalysatorgehäuse 22 fördern.
Das Katalysatorgehäuse 22 kann ein im Wesentlichen vierwändiger Aufbau mit einem offenen bzw. geöffneten Oberteil, das dem Einlassgehäuse 18 zugewandt ist, und einem offenen bzw. geöffneten Boden, der dem Auslassgehäuse 20 zugewandt ist, sein. Eine Rohr- bzw. Röhrentragevorrichtung 51 kann innerhalb des Katalysatorgehäuses 22 ausgebildet sein, die dazu ausgebildet ist, mehrere Katalysatorsubstrate bzw. Katalysatorträger („Substrate” bzw. „Träger”) 52 aufzunehmen. Insbesondere kann die Tragevorrichtung 51 mehrere Rohre (zum Beispiel sechs) aufweisen, die parallel zueinander relativ zu dem Abgasstrom, der durch das Katalysatorgehäuse 22 verläuft, angeordnet sind, wobei jedes Rohr dazu ausgebildet ist, eines oder mehrere (zum Beispiel zwei) Substrate 52, die in Reihe angeordnet sind, aufzunehmen. Jedes der Substrate 52 kann ein Substrat 52 vom SCR-Typ sein, und durch Anordnen mehrerer Substrate 52 innerhalb jedes Rohrs kann eine Verteilung des Abgases über die Endflächen der Substrate 52 und eine Wirksamkeit bzw. ein Wirkungsgrad der Substrate 52 verbessert werden. Es sollte allerdings beachtet werden, dass in anderen Ausführungsformen, die Substrate 52, die in einem gemeinsamen Rohr aufgenommen sind, alternativ andere Typen von Substrate sein können. Zum Beispiel können die stromaufwärts vorgesehenen Substrate 52 ein Dieseloxidationskatalysator-(engl. diesel Oxidation catalyst, DOC)Substrate sein, während die stromabwärts gelegenen Substrate 52 ein SCR-Substrat sein können. Andere Konfigurationen sind auch möglich.
Als ein SCR-Substrattyp kann jedes Substrat 52 aus einem keramischen Material wie beispielsweise Titanoxid, einem Basismetalloxid wie beispielsweise Vanadium und Wolfram, Zeolithen und/oder Edelmetallen hergestellt oder andererseits beschichtet sein. Damit kann zersetztes Reduktionsmittel, das mit dem durch die Mischer 38 und den Verteilungsraum 34 strömenden Abgas mitströmt bzw. mitgerissen wird, auf der Oberfläche adsorbiert und/oder innerhalb jedes Substrat 52 absorbiert werden. Das Reduktionsmittel kann dann mit dem NO_x (NO und NO₂) in dem Abgas zum Bilden von Wasser (H₂O) und zweiatomigen Stickstoff (N₂) reagieren, bei denen es sich um unregulierte Substanzen handeln kann.
Als DOC-Substrattyp kann jedes Substrat 52 aus einem Edelmetall wie beispielsweise Palladium, Platin, Vanadium oder eine Mischung davon hergestellt oder andererseits beschichtet sein. Mit diesem Aufbau kann das Substrat 52 eine chemische Reaktion zum Verändern des Abgases, das durch das Nachbehandlungsmodul 12 strömt, katalysieren. Zum Beispiel können die Substrate 52 dabei helfen, CO, NO, HC und/oder andere Bestandteile des Abgases von der (den) Kraftmaschine(n) in harmlose Substanzen wie beispielsweise CO₂, NO₂ und H₂O umzuwandeln. In einer anderen Ausführungsform können die Substrate 52, wenn gewünscht, alternativ oder zusätzlich Partikelfilterfunktionen bzw. Partikelfangfunktionen durchführen (d. h., die Substrate 52 können katalysierende Partikelfallen sein).
Das Katalysatorgehäuse 22 kann zum Aufnehmen der dreieckigen Formen des Einlass- und Auslassgehäuses 18, 20 geneigt sein (d. h., zum Ausbilden der abgestuften bzw. sich verändernden Strömungsflächen, die einen gleichmäßigen Abgasstrom durch die Substrate 52 fördern). Insbesondere können die Substrate 52 jeweils eine stromaufwärts vorgesehene Endfläche, die in einer gemeinsamen Ebene liegt und die in einem schiefen Winkel relativ zu der Strömungsrichtung durch den Einlassdurchgang 32 ausgerichtet ist (d. h., relativ zu der Achse 28), und eine stromabwärts vorgesehene Endfläche, die in einer gemeinsamen Ebene liegt und die in einem schiefen Winkel relativ zu einer Strömungsrichtung durch den Auslassdurchgang 44 ausgerichtet ist (d. h., relativ zu der Achse 30), aufweisen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das Nachbehandlungsmodul der vorliegenden Offenbarung kann auf jegliche, eine Abgasbestandteilbehandlung erfordernde Leistungssystemkonfiguration, wo die Komponentenpackung und Wartbarkeit wichtige Themen sind, anwendbar sein. Das offenbarte Nachbehandlungsmodul kann die Packung durch Verwenden mehrerer kleiner Substrate und durch effizientes Verwenden des verfügbaren Raums an Bord verbessern. Das offenbarte Nachbehandlungsmodul kann die Wartbarkeit durch Vorsehen eines separaten Austauschs des Katalysatorgehäuses 22 verbessern. Der Betrieb des Leistungssystems 10 wird nun beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 kann das von der (den) Kraftmaschine(n) des Leistungssystems 10 erzeugte Abgas horizontal nach innen durch das Einlassgehäuse 18 in einer ersten Richtung über den Einlassdurchgang 32 strömen. Während das Abgas durch den Einlassdurchgang 32 strömt, kann ein Reduktionsmittel in das Abgas durch die Injektoren 36 eingesprüht und mit dem Abgas durch die Mischer 38 zusammengemischt werden. Wenn das mit dem Reduktionsmittel beladene Abgas das Ende des Einlassdurchgangs 32 erreicht, kann es nach unten über ungefähr 180° zum Eintreten in den Verteilungsraums 34 umgelenkt werden. Ein Teil des Abgases kann auf den Diffusor 40 auftreffen und ein Teil kann durch den Diffusor 40 zu dem Substrat 52, das direkt darunter positioniert ist, strömen. Das Abgas, das auf den Diffusor 40 auftrifft, kann in eine zweite Richtung umgelenkt werden, die im Wesentlichen entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist. Das Abgas kann dann der Länge des Verteilungsraums 34 nach nach unten strömen und in Richtung nach unten durch die übrigen Substrate 52 durch Verengen der Querschnittsfläche des Verteilungsraums 34 gedrückt werden.
Während das Abgas durch die Substrate 52 strömt, kann sich das darin mitströmende Reduktionsmittel in NH₃ zersetzen und absorbiert und/oder darin absorbiert werden. Dies kann eine katalytische Reaktion innerhalb der Substrate 52 ermöglichen, die das NO_x in dem Abgas zu harmlosen Substanzen umwandelt. Das Abgas kann dann aus den Substraten 52 in den Sammelraum 46 strömen und nach innen in Richtung auf den Auslassdurchgang 44 umgelenkt werden. Das Abgas kann dann durch die Wirbelendkappe 48 strömen, wobei deren Schaufeln ein Wirbeln bzw. Drall des Abgases zum Erzeugen eines im Wesentlichen homogen Abgasgemischs erzeugen. Das Vermischen kann vorteilhaft sein, da das durch jedes Rohr der Substrate 52 strömende Abgas eine leicht unterschiedliche Zusammensetzung haben kann. Zum Erhalten von verlässlichen und konsistenten Sensormessungen an den Messrohren 50 kann es notwendig sein, die unterschiedlichen Abgasströme in einen stärker homogenen Strom zu vermischen. Das Abgas kann dann den Auslassdurchgang 44 in einer Richtung verlassen, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten und zweiten Richtung ist.
Das Katalysatorgehäuse 22, zusammen mit der Röhrentragevorrichtung 51 und den Substraten 52, kann dazu ausgebildet sein, auf einfache Weise als eine einzelne Einheit ersetzt zu werden (zum Beispiel im Feld oder in der Werkstatt). Insbesondere kann sich die Effizienz der Substrate 52 nach einer Zeitdauer verringern. Und damit das Leistungssystem 10 weiterhin die staatlichen Regularien erfüllt, kann es notwendig sein, dass die Substrate 52 ausgetauscht werden. In einem konventionellen Nachbehandlungsmodul wird, wenn dies passiert, das gesamte Modul durch ein vollständig neues Modul ersetzt. Dies kann teuer und arbeitsintensiv sein. Allerdings kann es in dem offenbarten Nachbehandlungsmodul möglich sein, nur das Katalysatorgehäuse 22 zu ersetzen.
Zum Ersetzen des Katalysatorgehäuses 22 können die Befestigungselemente 26 gelöst bzw. entfernt werden und das Einlass- und das Auslassgehäuse 18, 20 können von dem Katalysatorgehäuse 22 getrennt werden. Ein neues (oder aufbereitetes) Katalysatorgehäuse 22 kann dann zwischen den Flanschen 25 der bestehenden Einlass- und Auslassgehäuse 18, 20 positioniert werden, und die Befestigungselemente 26 können wieder eingesetzt werden. In einigen Anwendungen können die Dichtringe 24 auch zu diesem Zeitpunkt ersetzt werden. Eine oder mehrere Hebeöffnungen (nicht gezeigt) können dem Katalysatorgehäuse 22 zugeordnet sein und beispielsweise mit der Röhrentragevorrichtung 51 verbunden sein. Die Hebeöffnungen können zum Heben des Katalysatorgehäuses 22 während des Entfernens und der Installation verwendet werden. Diese Wartung kann nur wenig Zeit in Anspruch nehmen und nur geringe zugeordnete Kosten haben.
Das Nachbehandlungsmodul 12 kann zur Verwendung in vielen unterschiedlichen Anwendungen ausgebildet sein, auch wenn einige Anwendungen mehr Abgasbehandlung als andere Anwendungen benötigen. Insbesondere kann das Katalysatorgehäuse 22 dazu ausgebildet sein, Substrate 52 mit unterschiedlichen Langen aufzunehmen, wobei die Längen so ausgewählt werden, dass sie der bestimmten Anwendung entsprechen. Zum Beispiel können, wenn das Nachbehandlungsmodul 12 in einem Leistungssystem 10 mit geringeren Abgasströmungsraten und/oder Schadstoffkonzentrationen angewendet wird, kürzere Substrate 52 innerhalb der Röhrentragevorrichtung 51 des Katalysatorgehäuses 22 installiert sein. Im Gegensatz dazu können, wenn das Nachbehandlungsmodul 12 in einem Leistungssystem 10 mit höheren Abgasströmungsraten und/oder Schadstoffkonzentrationen angewendet wird, längere Substrate 52 innerhalb der Röhrentragevorrichtung 51 des Katalysatorgehäuses 22 installiert sein. Das Nachbehandlungsmodul 12 kann so aufgebaut sein, dass eine Gesamtgröße und -form von diesem sich nicht verändert, wenn es mit Substraten unterschiedlicher Längen verwendet wird. Auf diese Weise kann die Teilegleichheit zwischen den Anwendungen erhöht werden, was zu einer Einheit führt, die eine geringere vorrätige Teileanzahl benötigt. Dies kann zu einer Kostenreduktion in den meisten Situationen führen. Es ist allerdings zu berücksichtigen, dass, wenn gewünscht, die Katalysatorgehäuse 22 mit unterschiedlichen Höhen auf austauschbare Weise mit demselben Einlass- und Auslassgehäuse 18, 20 verwendet werden können.
Fachleute werden erkennen, dass unterschiedliche Modifikationen und Variationen an dem Nachbehandlungsmodul der vorliegenden Offenbarung ohne Verlassen des Umfangs der Offenbarung vorgenommen werden können. Andere Ausführungsformen werden Fachleute aus der Berücksichtigung der Beschreibung und Anwendung des hier offenbarten Moduls erkennen. Die Beschreibung und Beispiele sind dazu gedacht, nur als beispielhaft angesehen zu werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8747788 [0006, 0007]

Claims

Nachbehandlungsmodul (12) mit: einem Einlassgehäuse (18), das zumindest teilweise einen Einlassdurchgang (32) für das Abgas festlegt, zumindest einem Mischer (38), der in dem Einlassdurchgang (32) vorgesehen ist, einem Auslassgehäuse (20), das zumindest teilweise einen Auslassdurchgang (44) für das Abgas festlegt, einem Katalysatorgehäuse (22), das zwischen dem Einlassgehäuse (18) und dem Auslassgehäuse (20) lösbar verbunden ist, und mehrere Katalysatorsubstrate (52), die dazu ausgebildet sind, in dem Katalysatorgehäuse (22) montiert zu werden, das Abgas von dem Einlassdurchgang (32) parallel aufzunehmen und das Abgas zu dem Auslassgehäuse (20) parallel abzugeben.
Nachbehandlungsmodul (12) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Mischer (38) mehrere in Reihe vorgesehene Mischer (38) aufweist.
Nachbehandlungsmodul (12) nach Anspruch 2, ferner aufweisend einen Reduktionsmittelinjektor (36), der mit dem Einlassgehäuse (18) verbunden und dazu ausgebildet ist, ein Reduktionsmittel in einen stromaufwärts vorgesehenen Mischer der mehreren Mischer (38) einzuspritzen.
Nachbehandlungsmodul (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend einen Diffusor (40), der innerhalb des Einlassgehäuses (12) angeordnet ist und stromabwärts von dem zumindest einen Mischer (38) angeordnet ist.
Nachbehandlungsmodul (12) nach Anspruch 4, wobei der Diffusor (40) außerhalb des Einlassdurchgangs (32) und in einem Abgasströmungspfad, der nur zu einem stromaufwärts vorgesehenen Katalysatorsubstrat der mehreren Katalysatorsubstrate (52) führt, vorgesehen ist.
Nachbehandlungsmodul (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jedes der mehreren Katalysatorsubstrate (52) eine stromaufwärts vorgesehene Endfläche aufweist, die in einem schiefen Winkel relativ zu einem Abgasstrom durch den Einlassdurchgang (32) ausgerichtet ist.
Nachbehandlungsmodul (12) nach Anspruch 6, wobei jedes der mehreren Katalysatorsubstrate (52) eine stromabwärts vorgesehene Endfläche aufweist, die in einem schiefen Winkel relativ zu einem Abgasstrom durch den Auslassdurchgang (44) ausgerichtet ist.
Nachbehandlungsmodul (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend eine Auslasswirbelkappe (48), die an einem Eingang des Auslassdurchgangs (44) angeordnet ist.
Nachbehandlungsmodul (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend ein Messrohr (50), das sich in den Auslassdurchgang (44) erstreckt und dazu ausgebildet ist, eine Montageposition für einen Abgassensor bereitzustellen.
Nachbehandlungsmodul (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend: eine Dichtung (24), die zwischen dem Katalysatorgehäuse (22) und sowohl dem Einlassgehäuse (18) als auch dem Auslassgehäuse (20) vorgesehen ist, und/oder mehrere Befestigungselemente (26), die dazu ausgebildet sind, das Katalysatorgehäuse (22) mit sowohl dem Einlassgehäuse (18) als auch dem Auslassgehäuse (20) lösbar zu verbinden.