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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Motorabgas-Nachbehandlungssysteme und insbesondere auf Abgasnachbehandlungssysteme, die Reduktionsmittel (auch als Reduktants oder Reduktor bezeichnet) für NOx-Reduktionstechnologien verwenden.
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Hintergrund
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Selektive katalytische Reduktions(SCR)-Systeme können bei der Abgasbehandlung oder in einem Nachbehandlungssystem für ein Leistungssystem verwendet werden, um Stickoxid(NOx oder NO)-Emissionen zu reduzieren, die vom Abgas eines Motors kommen. SCR-Systeme verwenden Reduktionsmittel, wie beispielsweise Harnsäure, die in den Abgasstrom eingeführt werden.
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US Patent 7 581 387 offenbart ein Mischsystem einschließlich Mischschaufeln zum Mischen von Harnstoff mit dem Abgasstrom.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Offenbarung sieht ein Motorabgas-Nachbehandlungssystem vor, welches einen Injektor oder eine Einspritzvorrichtung aufweist, und zwar konfiguriert zum Einführen eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung und ferner wird ein Ring in dem Abgasstrom angeordnet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Ansicht eines Leistungssystems einschließlich eines Motors und eines Nachbehandlungssystems mit einem Mischer.
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2 ist eine Vorderansicht des Mischers.
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3 ist eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Mischers.
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4 ist eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Mischers.
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5 ist eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Mischers.
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6 ist eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Mischers.
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7 ist eine schematische Ansicht eines zweischenkligen Nachbehandlungssystems unter Einschluss des Mischers.
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Detaillierte Beschreibung
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Ein Leistungssystem 10, vgl. 1, weist einen Motor 12 und ein Nachbehandlungssystem 14 auf, um einen Abgasstrom 16, produziert durch den Motor 12, zu behandeln. Der Motor 12 kann weiter nicht gezeigte Merkmale umfassen, wie beispielsweise Steuervorrichtungen, Brennstoffsysteme, Luftsysteme, Kühlsysteme, periphere Geräte, Antriebsstrangkomponenten, Turbocharger, Abgasrezirkulationssysteme usw.
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Der Motor 12 kann irgendeine Bauart eines Motors sein (interne Verbrennungsmaschine, Gas, Diesel, gasförmiger Kraftstoff, Erdgas, Propan usw.) und kann irgendeine Größe besitzen, und zwar mit irgendeiner Anzahl von Zylindern oder in irgendeiner Konfiguration („V”, „in Reihe”, radial, usw.). Der Motor kann verwendet werden, um irgendeine Maschine oder andere Vorrichtung anzutreiben einschließlich auf einer Straße zu verwendende Lastwagen oder Fahrzeuge, wie im Gelände zu verwendende Lastwagen oder Maschinen, Erdbewegungsgeräte, Generatoren, Raumanwendungen, Lokomotivenanwendungen, Seefahrtanwendungen, Pumpen, stationäre Ausrüstungen oder andere Anwendungen, die eine Motorleistung verwenden.
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Das Nachbehandlungssystem 14 weist eine Abgasleitung 18 auf und ferner ein selektives katalytisches Reduktions(SCR)-System 20. Das SCR-System 20 umfasst einen SCR-Katalysator 22, eine Mischleitung 24, einen Mischer 26 und ein Reduktionsmittelvorsorgungssystem 28.
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Der SCR-Katalysator 22 weist ein Katalysatormaterial auf, und zwar angeordnet auf einem Substrat. Das Substrat kann bestehen aus Cordierit, Siliziumcarbid, andere Keramikstoffe oder Metal. Das Substrat kann eine Vielzahl hindurch gehender Kanäle aufweisen und kann eine Honigwabenstruktur bilden.
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Das Reduktionsmittelversorgungssystem 28 kann ein Reduktionsmittel 30 aufweisen, eine Reduktionsmittelquelle 32, eine Pumpe 34, ein Ventil 36, eine Reduktionsmittelleitung 38 und eine Einspritzvorrichtung (Injektor) 40. Das Reduktionsmittel 30 wird über die Pumpe 34 von der Reduktionsmittelquelle 32 abgezogen und zur Einspritzvorrichtung 40 geliefert, und zwar gesteuert über das Ventil 36. Die Strömung des Reduktionsmittels 30 kann auch durch den Betrieb der Pumpe 34 gesteuert werden.
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Die Mischleitung 24 ist der Abschnitt der Abgasleitung 18, wo das Reduktionsmittel 30 eingeführt wird. Die Mischleitung 24 weist eine Innenwand 25 und eine Außenwand 27 auf. Die Mischleitung 24 wird auch durch eine innere Breite 29 definiert.
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Das Reduktionsmittelversorgungssystem 28 kann auch ein thermisches Managementsystem aufweisen, um gefrorenes Reduktionsmittel 30 aufzutauen, um zu verhindern, dass Reduktionsmittel 30 gefriert oder um zu verhindern, dass Reduktionsmittel 30 überhitzt wird. Komponenten des Reduktionsmittelversorgungssystems 28 können auch isoliert sein, um die Überhitzung des Reduktionsmittels 30 zu verhindern. Das Reduktionsmittelversorgungssystem 28 kann auch ein Luftunterstützungssystem aufweisen, um komprimierte Luft einzuführen, um die Bildung von kleinen Tröpfchen in dem Reduktionsspray 44 zu unterstützen. Das Luftunterstützungssystem kann auch dazu verwendet werden, um die Reduktionsmittelleitungen 38 und andere Reduktionsmittelversorgungssystem 28-Komponenten von Reduktionsmittel 30 zu spülen, wenn keine Benutzung vorliegt.
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Das Reduktionsmittel 30 kommt von einer Düse oder einer Injektorspitze 42 des Injektors 40 zur Bildung eines Reduktionsmittelsprays 44 oder wird in anderer Weise in den Abgasstrom 16 oder den SCR-Katalysator 22 eingeführt. Die Position der Injektorspitze 42 kann derart sein, dass der Reduktionsmittelspray 44 direkt nach unten auf die Mittellinie der Mischleitung 24 und dem Mischer 26 gerichtet wird.
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Das Nachbehandlungssystem 14 kann auch einen Dieseloxydationskatalysator (DOC) 46 aufweisen, ferner einen Dieselteilchenfilter (DPF = diesel particulate filter) 48 und einen Reinigungskatalysator 50 aufweisen. Der DOC 46 und der DPF 48 können in dem gleichen Kanister sich befinden wie dies gezeigt ist, oder sie können getrennt sein. Der SCR-Katalysator 22 und der Reinigungskatalysator 50 können auch in dem gleichen Kanister, wie gezeigt, sich befinden oder getrennt sein.
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Das Nachbehandlungssystem 14 ist konfiguriert zur Entfernung, zur Sammlung oder zur Umwandlung unerwünschter Bestandteile aus dem Abgasstrom 16. Der DOC 46 oxydiert Kohlenmonoxid (CO) und nicht verbrannte Hydrokohlenstoffe (HC) in Kohlendioxid (CO2). Der DPF 48 sammelt teilchenförmiges Material oder Ruß- oder Rußniederschlag (soot). Der SCR-Katalysator 22 ist konfiguriert zur Reduktion einer Menge des NOx in dem Abgasstrom 16 bei Anwesenheit des Reduktionsmittels 30.
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Eine Wärmequelle 52 kann auch vorgesehen sein, um den Ruß aus dem DPF 48 zu entfernen, thermisch den SCR-Katalysator 22 zu managen, ferner den DOC 46 oder den Katalysator 50 zu reinigen, um Schwefel aus dem SCR-Katalysator 22 zu entfernen oder um Abscheidungen des Reduktionsmittels 30 zu entfernen, die sich gebildet haben. Die Wärmequelle 52 kann einen Brenner umfassen, ein Kohlenwasserstoffdosiersystem zur Schaffung einer exothermen Reaktion auf dem DOC 46, ein elektrisches Heizelement, eine Mikrowellenvorrichtung oder eine andere Wärmequelle. Die Wärmequelle 52 kann auch verkörpert werden durch den Betrieb des Motors 12 bei Bedingungen zur Erzeugung eines erhöhten Abgasstroms 16 hinsichtlich der Temperaturen. Die Wärmequelle 52 kann auch ein Backpressure- oder Rückdruck- bzw. Gegendruckventil verkörpern oder eine andere Einschränkung in dem Abgas, um zu bewirken, dass der Abgasstrom 16 erhöhte Temperaturen erreicht.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel tritt der Abgasstrom 16 aus dem Motor 12 aus, läuft an der Wärmequelle 52 vorbei oder durch diese hindurch und läuft durch den DOC 46, den DPF 48 und läuft sodann durch das SCR-System 20 und läuft sodann durch den Reinigungskatalysator 50 über die Abgasleitung 18.
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Andere Abgasbehandlungsvorrichtungen können auch stromaufwärts, stromabwärts oder innerhalb des SCR-Systems 20 angeordnet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich das SCR-System 20 stromabwärts gegenüber dem DPF 48 und der DOC 46 liegt stromaufwärts gegenüber dem DPF 48. Die Wärmequelle 52 befindet sich stromaufwärts gegenüber dem DOC 46. Der Reinigungskatalysator 50 befindet sich stromabwärts gegenüber dem SCR-System 20. In anderen Ausführungsbeispielen können diese Vorrichtungen in einer Verschiedenheit von Ordnungen angeordnet werden oder können kombiniert werden miteinander. In einem Ausführungsbeispiel kann der SCR-Katalysator 22 mit dem DPF 48 kombiniert werden, und zwar mit Katalysatormaterial, abgeschieden auf dem DPF 48.
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Obwohl andere Reduktionsmittel 30 möglich sind, ist Harnstoff die üblichste Quelle eines Reduktionsmittels 30. Das Harnstoffreduktionsmittel 30 zerlegt sich oder hydrolysiert sich in Ammoniak (NH3) und wird sodann absorbiert oder in anderer Weise in dem SCR-Katalysator 22 gespeichert. Die Mischleitung 24 kann lang sein, um die Mischung zu unterstützen oder selbst die Verteilung des Reduktionsmittels 30 in dem Abgasstrom 16, um so eine Verweilzeit für das Harnstoffreduktionsmittel 30 zur Umwandlung in NH3 vorzusehen. Das NH3 wird in dem SCR-Katalysator 22 durch eine Reduktion von NOx in Stickstoffgas (N2) verbraucht.
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Der Reinigungskatalysator 50 kann einen Ammoniakoxidations-Katalysator (AMOR) verkörpern. Der Reinigungskatalysator 50 ist derart konfiguriert, dass er NH3, das am SCR-Katalysator 22 vorbeiläuft oder hindurchbricht, einfangen kann, speichern kann, oxydieren kann, reduzieren kann und/oder umwandeln kann. Dieser Reinigungskatalysator 50 kann auch derart konfiguriert sein, dass er andere vorhandene Bestandteile einfängt, speichert, oxydiert, reduziert und/oder umwandelt.
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Die Steuer- und Abfühlsysteme können auch umfasst sein, um den Motor 12, die Heizquelle 52, das Reduktionsmittelversorgungssystem 28 und die anderen Komponenten in dem Leistungssystem 10 oder seinem Anwendungsfall zu steuern.
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Der Mischer 26 umfasst ein umschließendes oder umkreisendes Glied oder einen Ring 54. Der Ring 54 ist, wie gezeigt, eben und zwar mit einer toroidförmigen Gestalt und mit einem rechteckigen Querschnitt, wie eine Scheibe. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Ring 54 unterschiedliche Querschnitte besitzen und zwar einschließlich des kreisförmigen.
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Der Ring 54 umfasst eine Stirnflächenoberfläche 55, eine Innenoberfläche 56 und eine Außenoberfläche 57. Der Ring 54 wird durch eine Dicke 58 in der Richtung der Strömung des Abgasstromes 16 definiert, ferner durch einen Innendurchmesser 60, einen Außendurchmesser 61 und eine Ringbreite 62. Die Ringbreite 62 ist die Breite des den Ring 54 formenden Gliedes und ist die Hälfte der Differenz zwischen dem Innendurchmesser 60 und dem Außendurchmesser 61. Der Innendurchmesser 60 des Rings 54 definiert eine Mittelöffnung 64.
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Da der Ring 54 eben oder planar ist, können die Oberflächen des Ringes konstant über die Dicke 58 hinweg sein und die gleiche wie Stirnflächenoberfläche 55. Eine Querebene 65 läuft durch den Mischer und schneidet durch die Mischleitung 24. Die Transversal- oder Querebene 65 umfasst eine Familie von dazu parallelen Ebenen. Die Querebene 65 kann entlang der Stirnflächenoberfläche 55 liegen oder kann sich durch einen anderen Teil des Mischers 26 erstrecken. Die Querebene 65 kann senkrecht zu der Strömung des Abgases 16 verlaufen, wie gezeigt. Die Querebene 65 kann auch senkrecht zu der Innenwand 25 der Mischleitung 24 verlaufen. In anderen Ausführungsbeispielen könnte die Querebene 65 unter einen Verschiedenheit von Winkeln gegenüber der Strömung des Abgases 16 und der Innenwand 25 angeordnet sein.
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Obwohl der Ring 54 als toroidförmig und kreisförmig beschrieben und gezeigt ist und ferner als einen „Durchmesser” aufweisend, könnte der Ring 54 auch rechteckig, oktogonal, dreieckig sein oder irgendeine andere Form aufweisen. Die Form des Rings 54 kann dem Innenumfang der Mischleitung 24 folgen und demgemäß angepasst sein mindestens an einen Teil der Form der Mischleitung 24, wo er untergebracht ist. Der Ring 54 kann auch eine unterschiedliche Form besitzen als die Mischleitung 24 und kann derart bemessen sein, dass er in die Mischleitung 24 passt (beispielsweise kann der Ring 54 eine quadratische Form besitzen, die in eine kreisförmige Mischleitung 24 passt). Die Ringbreite 52 kann konstant sein, braucht aber nicht konstant sein. Die Außenform des Rings 54 kann auch unterschiedlich sein von der Innenform (beispielsweise kann die Außenform kreisförmig sein, während die Innenform und die Mittelöffnung 64 rechteckig sind).
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Der Mischer 26 kann auch Abstandselemente 66 aufweisen, die den Ring 54 von der Innenwand 25 der Mischleitung 24 trennen. Die Abstandselemente 66 können auch dazu dienen, den Ring 54 anzubringen.
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Die Trennung zwischen der Außenoberfläche 57 des Rings 54 und der Innenwand 25 definiert einen Spalt 68. Der Spalt 68 kann ringförmig sein oder kann eine unterschiedliche Gestalt besitzen. Der Spalt 68 kann eine Spaltbreite 70 aufweisen. Die Spaltbreite 70 kann, muss aber nicht konstant um den Ring 54 herum verlaufen. In einigen Ausführungsbeispielen existiert kein Spalt 68 an einigen Teilen des Rings 54.
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Im Folgenden werden einige dimensionsmäßige Aspekte des Mischers 26 angegeben. Diese Dimensionsaspekte können abhängig von einer großen Anzahl von Variablen sein, die sich verändern können zwischen den unterschiedlichen Leistungssystemen 10. Beispielsweise können die richtigen Mischer 26-Dimensionen abhängig sein von den Abgasströmungs 16-Raten, der Mischleitungs 24-Größe, dem Zyklus des Motors 12 und den Gegendruckerfordernissen des Motors 12, der Tropfengröße des Reduktionssprays 44 und der Geschwindigkeit des Reduktionssprays 44. Um diese Variablen zu berücksichtigen, werden die unten definierten Dimensionen in Verhältnissen und Bereichen ausgedrückt angegeben.
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Die Spaltbreite 70 kann annähernd 1/8 Zoll sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Spaltbreite 70 zwischen 1/16 und ¼ eines Zolls liegen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Spaltbreite 70 zwischen 1/16 und ½ Zoll liegen.
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Die Größe der Spaltbreite 70 kann auch eine Funktion der inneren Breite 29 sein. In einem Ausführungsbeispiel ist die Fläche des Spaltes 68 entlang der Querebene 65 annähernd 1,3% der Fläche der Mischleitung entlang der Querebene 65. In anderen Ausführungsbeispielen ist die Fläche des Spaltes 68 entlang der Querebene 65 zwischen 0,5% und 5%, zwischen 0,1% und 10% oder zwischen 0,7% und 2% der Fläche der Mischleitung entlang der Querebene 65.
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Die Ringbreite 62 kann annähernd 2 Zoll betragen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Ringbreite 62 zwischen 1 und 3 Zoll liegen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Ringbreite 62 zwischen 0,5 und 5 Zoll liegen.
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Die Größe der Ringbreite 62 kann auch eine Funktion der inneren Breite 29 sein. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Ringbreite 62 annähernd 10% der Innenbreite 29. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Ringbreite 62 zwischen 5% und 15% oder zwischen 2% und 25% der Innenbreite 29 liegen.
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Die Spaltbreite 70 und Ringbreite 62 können auch derart gewählt werden, dass eine gegebene Größe der Mittelöffnung 64 erreicht wird, und zwar als eine Funktion der Innenbreite 29. In einem Ausführungsbeispiel ist die Fläche der Mittelöffnung 64 entlang der Querebene 65 annähernd 62% der Fläche der Mischleitung 24 entlang der Querebene 65. In anderen Ausführungsbeispielen ist die Fläche der Mittelöffnung 64 entlang der Querebene 65 zwischen 50% und 70%, zwischen 40% und 80%, zwischen 30% und 80% oder zwischen 20% und 90%, und zwar von der Fläche der Mischleitung 24 entlang der Querebene 65.
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Der Ring 54 kann aus Metallblech aufgebaut sein und daher eine relativ kleine Dicke 58 besitzen, obwohl er eine Verschiedenheit von Größen aufweisen könnte. In einem Ausführungsbeispiel kann die Dicke kleiner als 1 Zoll sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Dicke kleiner als ¼ Zoll sein. Die Dicke 58 kann auch kleiner sein als die Ringbereite 62.
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Die 2–6 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele des Mischers 26 mit verschiedenen Merkmalen wie unten beschrieben. Der Mischer 26 kann irgendeine Kombination von Merkmalen, die hier beschrieben sind, aufweisen. Die 2 zeigt den Ring 54 als eine solide bzw. massive Oberfläche. Die 2 zeigt auch, dass die Abstandselemente 66 als Punktschweißungen 72 gebildet sein können, die den Ring 54 von der Innenwand 25 trennen und an diese anbringen oder mit dieser verbinden.
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3 zeigt, dass der Ring 54 eine oder mehrere Öffnungen 73 durch die Stirnflächenoberfläche 55 aufweisen kann. Die Öffnungen 73 können an unterschiedlichen Stellen auf dem Ring 54 angeordnet sein und können eine Verschiedenheit von Mustern bilden. 3 zeigt auch, dass die Abstandselemente 66 durch Ansätze 74 gebildet sein können, die sich von der Außenoberfläche 57 des Rings 54 erstrecken. Ein entfernt gelegenes Ende der Ansätze 74 kann dann an die Mischleitung 24 angeschweißt sein, eingesetzt sein in die Mischleitung 24 oder in anderer Weise mit der Mischleitung 24 verbunden sein, um den Ring 54 mit der Innenwand 25 zu verbinden, daran anzubringen oder zu trennen, um so den Spalt 68 zu bilden.
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4 zeigt den Mischer 26 mit Mittelstrukturen 76, die sich in die Mittelöffnung 64 erstrecken. Diese Mittelstrukturen 76 können sich von der Innenoberfläche 56 des Rings 54 aus erstrecken oder von einer anderen Stelle oder von einem anderen Körper. Die Mittelstrukturen 76 können große Glieder, kleine Metalldrähte oder eine Masche von Drähten verwenden.
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5 zeigt, dass Prallplatten 78 dem Mischer 26 hinzugefügt werden können. Die Prallplatten 78 umfassen Prallöffnungen 80 und ein Ablenkmittel 82. Die Ablenkmittel 82 sind unter einem Winkel von mehr als 90° gegenüber dem Abgasstrom 16 angeordnet, um dadurch den Abgasstrom 16 durch die Prallöffnungen 80 mit einem Winkel zu leiten. Die Prallplatten 78 können durch Biegen eines Ausschnitts 84 oder durch Stanzen einer Muschelelements 86 gebildet werden. 6 zeigt, dass Ablenkmittel (Deflektoren) 82 auch von den Abstandselementen 66 oder den zentralen Strukturen 76 gebildet werden können.
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1 zeigt die Anordnung des Mischers 26 in der Mischleitung 24. Der Mischer 26 ist innerhalb der Innenwand 25 angeordnet, und zwar mit einem Mischerabstand 88 von der Einspritzspitze oder -düse 42. Der Mischerabstand 88 kann derart gewählt sein, dass die Größe des Reduktionssprays 44 relativ erweitert an die Größe der Mittelöffnung 64 dann ist, wenn der Spray 44 den Ring 54 erreicht.
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7 zeigt, dass der Mischer 26 in einem zweischenkligen Nachbehandlungssystem 90 verwendet werden kann. Das zweischenklige Nachbehandlungssystem 90 weist erste und zweite SCR-Schenkel 91 und 92 auf, und zwar zur Aufnahme des Abgasstroms 16 und des Reduktionsmittels 30 von dem Reduktionsmittelversorgungssystem 28.
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Der Abgasstrom 16 von der Mischleitung 24 wird aufgespaltet oder unterteilt in einen Unterteilungsabschnitt 93 der Abgasleitung 18. Der Unterteilungsabschnitt 93 kann an einem Teilabstand 94 stromabwärts gegenüber dem Mischer 26 angeordnet sein. Der Teilabstand 94 kann länger sein als der Mischerabstand 88. In einem Ausführungsbeispiel ist der Teilabstand eine Funktion der Innenbreite 29. Der Teilabstand 94 kann annähernd das 1,2-fache der Innenbreite 29 sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Teilabstand oder Teilungsabstand 94 mehr als das 1,2-fache sein, zwischen dem 1- und 2-fachen liegen oder zwischen dem 1- und 3-fachen der inneren Breite 29.
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Das zweischenklige Nachbehandlungssystem 90 kann auch erste und zweite Eintrittsschenkel 95 und 96 aufweisen, und zwar zur Lieferung des Abgasstromes 16 zu dem Reduktionsmittelversorgungssystem 28. Der Abgasstrom 16 von dem ersten und zweiten Eintrittschenkel 95 und 96 wird aufgespaltet oder unterteilt in einem Kombinierung- oder Kombinationsabschnitt 97 der Abgasleitung 18.
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Der erste und zweite Eintrittschenkel 95 und 96 ist dargestellt als das DPF 48 und den DOC 46 aufweisend, muss aber keines von beiden aufweisen oder kann noch andere Komponenten aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel sind erste und zweite Eintrittsschenkel 95, 96 ohne DPF 48 vorgesehen. Der erste und zweite Eintrittsschenkel 95, 96 ist ebenfalls wie gezeigt angeordnet, und zwar unter rechten Winkeln bezüglich den ersten und zweiten SCR-Schenkeln 91, 92, wobei aber auch andere Winkel vorgesehen sein können oder eine lineare Anordnung. Das zweischenklige Nachbehandlungssystem 90 kann auch in einer Kastenstruktur enthalten sein mit Innenwänden, die die Strömung des Abgases unterteilen.
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Die Komponenten des Mischers 26 können aus Stahl oder irgendeinem anderen einer Vielzahl von Materialien hergestellt sein. Der Mischer 26 kann auch mit Materialien beschichtet sein, die bei der Umwandlung oder Hydrolyse des Reduktionsmittels 30 in NH3 assistieren.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Der Mischer 26 hilft oder assistiert bei der gleichmäßigen Verteilung oder Mischung des Reduktionsmittels 30 in dem Abgasstrom 16, fördert die Umwandlung des Reduktionsmittels 30 in NH3 und verhindert die Bildung von Abscheidungen. Der Mischer 26 sollte preiswert, klein und einen minimalen Rückdruck erzeugend sein. Diese Merkmale stehen jedoch oftmals in Konflikt miteinander. Beispielsweise können große und komplexe Strukturen effektiv sein für die gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels 30 in den Abgasstrom 16 und zur Förderung der Umwandlung des Reduktionsmittels 30 in NH3, wobei diese aber nicht billig sind, zu viel Raum einnehmen und oftmals einen großen Gegendruck erzeugen.
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Gleichmäßig verteiltes Reduktionsmittel 30 im Abgasstrom 16 verbessert die Effizienz des SCR-Systems 20 durch gleichmäßige Einführung von NH3 zu allen Kanälen des SCR-Katalysators und daher kann eine größere Umwandlungsgröße oder -menge auftreten. Die gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels 30 im Abgasstrom 16 kann auch die Menge an Reduktionsmittel 30 reduzieren, die benötigt wird, um eine größere Effizienz zu erreichen. Die gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels 30 in dem Abgasstrom 16 kann auch verhindern, dass zuviel NH3 in einigen Gebieten des SCR-Katalysators auftritt, was einen NH3-Schlupf bewirken kann.
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Abscheidungen können sich dann bilden, wenn das Reduktionsmittel 30 nicht schnell in NH3 zerlegt wird und dicke Schichten an Reduktionsmittel 30 sammeln sich. Diese Schichten können sich aufbauen, wenn mehr Reduktionsmittel 30 eingesprüht wird oder gesammelt wird, was einen Kühleffekt haben kann, der die Zerlegung in NH3 verhindert. Infolgedessen sublimiert sich das Reduktionsmittel 30 in Kristalle oder wandelt sich in anderer Weise in feste oder solide Zusammensetzungen um, um eine Abscheidung zu bilden. Die Abscheidungszusammensetzung kann bestehen aus Biuret (NH2CONHCONH2) oder Cyanursäure ((NHCO)3) oder eine andere Zusammensetzung abhängig von den Temperaturen und anderen Bedingungen. Diese Abscheidungen können sich in Gebieten oder auch Oberflächen bilden, wo der Reduktionsmittelspray 44 auftrifft, sich absetzt oder stagniert.
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Diese Abscheidungen können negative Auswirkungen beim Betrieb des Leistungssystems 10 haben. Die Abscheidungen können die Strömung des Abgasstromes 16 verhindern, was höheren Gegendruck bewirkt und eine Verminderung der Leistungsfähigkeit und Effizienz von Motor 12 und Nachbehandlungssystem 14. Die Abscheidungen können die Strömung und die Mischung des Reduktionsmittels 30 in dem Abgasstrom 16 unterbrechen, wodurch die Zerlegung in NH3 reduziert wird und die NOx-Reduktionseffizienz vermindert wird. Die Bildung von Abscheidungen verbraucht auch Reduktionsmittel 30, macht die Steuerung der Einspritzung schwieriger und reduziert potenzieller Weise die NOx-Reduktionseffizienz. Die Abscheidungen können auch die Komponenten des SCR-Systems 20 korrodieren und degradieren.
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Die Begrenzung des Rück- oder Gegendruckanstiegs ist auch wichtig. Hoher Gegendruck kann die Leistungsfähigkeit des Motors 12 schädigen. Ein hoher Gegendruck kann auch dazu führen, dass sich Abscheidungen bilden und das Abgas leckt.
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Der Ring 54 kann einen begrenzten Gegendruck schaffen, während noch immer ein hohes Ausmaß des Mischens des Reduktionsmittels 30 in den Abgasstrom 16 erreicht wird. Die große Größe der Mittelöffnung 64 begrenzt Einschränkungen und schafft auch ein Tumbling oder Taumeln des Abgasstroms 16, was effektiv bei der Mischung des Reduktionsmittels 30 in den Abgasstrom 16 ist. Viele andere Mischerkonstruktionen erreichen die Mischung durch Verwirbeln oder durch Schaffen hoher Niveaus an Turbulenz. Diese Mischer besitzen Strukturen, die kompliziert und groß sind und die Tendenz besitzen, teuer zu sein und einen Gegendruck zu erzeugen. Im Gegensatz dazu wird das durch den Ring 54 erzeugte Tumbling bzw. Taumeln als effektiv erkannt beim Mischen, wobei es auch billig zu produzieren ist und keine große Gegendruckgröße wie andere Mischer erzeugt. Die ebene Form des Rings 54 erleichtert seine Herstellung durch Schneiden einfachen Blechmaterials, was billig ist. Darüber hinaus erfordern komplizierte Mischer kompliziertere Schnitte, Biegungen und Schweißungen, was teuer ist.
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Der Spalt 68 kann dazu verwendet werden, um zu gestatten, dass der Abgasstrom 16 vorbeifließt, wobei noch immer der oben beschriebene Tumbling- oder Taumeleffekt erreicht wird. Diese Nebenströmung verhindert die stagnierende Ansammlung von Reduktionsmittel 30, das ansonsten Abscheidungen bilden würde. Die Neben- oder Beiströmung hilft auch bei der Reduktion des Gegen- oder Rückdrucks. Wenn der Spalt 68 zu groß wäre, so würde der oben beschriebene Tumbling- oder Taumeleffekt verhindert, da eine signifikante Strömung einfach um den Ring 54 herum geht an Stelle durch die Mittelöffnung 64 zu taumeln. Wenn der Spalt 68 zu klein wäre, so kann die Nebenströmung nicht ausreichen, um Abscheidungen zu verhindern und signifikante Reduktionen beim Gegendruck zu erzeugen.
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Der Spalt 68 kann entlang des Umfangs sein entlang der Außenoberfläche 57 des Rings 54 angeordnet sein, da dies der Ort ist, wo sich das Reduktionsmittel sammeln würde. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Spalt 68 nur am Boden des Rings 24 vorgesehen sein, wo das Reduktionsmittel 30 sich ansonsten ansammeln würde.
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Der Mischerabstand 88 des Mischers 26 von der Einspritz- oder Injektorspitze 42 kann die Bildung der Abscheidungen beeinflussen und die Mischeffektivität. Wenn der Mischerabstand 88 zu kurz ist, dann wird der Reduktionsmittelspray 44 in einem kleinen Volumen konzentriert, da der Spray sich nicht erweitert hat. Demgemäß kann der Reduktionsmittelspray 44 nur durch die echte Mitte der Mittelöffnung 64 verlaufen. Da der Spray 44 in einem kleinen Volumen konzentriert wäre und nur durch die Mittel der Mittelöffnung verläuft, kann der oben beschriebene Tumbling- oder Taumeleffekt nicht effektiv sein und die Mischung des Reduktionsmittels 30 in den Abgasstrom 16 kann nicht in dem gewünschten Ausmaß erfolgen. Wenn der Mischabstand 88 zu lang ist, dann wird der Reduktionsmittelspray 44 sich auf ein größeres Volumen expandiert haben und kann auf den Ring 54 oder die Innenwand 25 auftreffen vor der Umwandlung in NH3. Dieses Auftreffen kann Abscheidungen hervorrufen, wie es oben beschrieben wurde.
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Die verwendeten Öffnungen 73 können helfen, den Gegendruck zu reduzieren und können auch das Gewicht reduzieren. Die Öffnungen 73 können auch verwendet werden, um Nebenströmungs- und Abflussgebiete zu erzeugen, wo Reduktionsmittel 30 sich ansammelt, wodurch Abscheidungen verhindert werden.
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Die Mittelstrukturen 76 können mithelfen, den Reduktionsspray 44 aufzubrechen und zu atomisieren, wodurch die Umwandlung in NH3 unterstützt wird. Die Mittelstrukturen 76 können Turbulenz in den Abgasströmen 16 einführen, die bei der Umwandlung zu NH3 hilfreich sein kann. Die Mittelstrukturen 76 formen keine Abscheidungen, da sie in einer Region auftreten, die hohe Strömungsraten und hohe Temperaturen aufweist. Die Mittelstrukturen 76 können auch die Starrheit erhöhen und die bauliche Festigkeit des Mischers 26.
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Die Prallplatten 78 können verwendet werden, um eine Wirbelbildung einzuführen, und zwar zusätzlich zu dem Tumbling- oder Taumeleffekt, und zwar in dem Abgasstrom 16 für eine zusätzliche Mischung. In einigen Ausführungsbeispielen erzeugen die Prallplatten 78 entgegenrotierende Wirbel. Wie die Öffnungen 73 können auch die Prallplatten 78 helfen, den Gegendruck zu reduzieren und können auch das Gewicht vermindern. Die Prallplatten 78 können auch verwendet werden, um die Neben- oder Beiströmung zu erzeugen und Gebiete schaffen, wo sich Reduktionsmittel 30 ansammelt, wodurch Abscheidungen verhindert werden.
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Der Mischer 26 kann auch geeignet sein für das Dualschenkel-Nachbehandlungssystem 90. Dualschenkel-Nachbehandlungssysteme 90 werden oftmals mit großen Motorsystemen verwendet. Die Dualschenkel-Nachbehandlungssysteme 90 gestatten die Verwendung kleinerer Nachbehandlungssubstrate. Da diese Substrate oftmals komplizierte Keramikkörper sind, können sie wirtschaftlich in kleineren Größen hergestellt werden. Die kleineren Größen können auch die Verpackungsoptionen verbessern und die Strömungsmittelverteilung über die Stirnfläche der Substrate verbessern.
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Da der Mischer 26 begrenzten Gegendruck einführt, kann er gleichförmig die Strömungen des Abgasstroms 16 von den ersten und zweiten Eintrittsschenkeln 95 und 96 kombinieren. Der durch den Mischer 26 erzeugte Tumbling- oder Taumeleffekt kann auch dabei helfen, die Strömungen in den ersten und zweiten Abgasschenkeln 91 und 92 des Abgasstromes 16 aufzuteilen. Mischer, die stark von der Wirbelbildung und Turbulenz abhängen, können eine vorgespannte Strömung erzeugen zu entweder den ersten oder den zweiten Austrittsschenkeln 91 und 92.
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Der Teilungsabstand 94 kann die gleichmäßige Unterteilung der Strömung des Abgasstroms 16 in die ersten und zweiten Austrittsschenkeln 91 und 92 beeinflussen und die Bildung von Abscheidungen verhindern.
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Der Unterteilungsabstand 94 kann die gleichmäßige Unterteilung der Strömung des Abgasstroms 16 in die ersten und zweiten Austrittsschenkel 91 und 92 verhindern. Wenn der Unterteilungsabstand 94 zu kurz ist, dann kann das Reduktionsmittel 30 nicht Zeit haben, um in NH3 sich umzuwandeln und der Tumblingeffekt von dem Mischer 26 kann groß sein. Eine schlechte Umwandlung in NH3 vor dem Unterteilungsabschnitt 93 kann die Abscheidungen bewirken, wenn das Reduktionsmittel auf die Wände auftrifft. Das große Tumbling kann eine Vorspannung hervorrufen, und zwar zu den ersten und zweiten Austrittsschenkeln 91 und 92. Wenn der Unterteilungsabstand zu lang ist, so kann dies zu Verpackungsherausforderungen des Dualschenkel-Nachbehandlungssystems 90 führen und kann bewirken, dass Wärme verloren geht, die benötigt wird, um den SCR-Katalysator 22 zu aktivieren und die Bildung von Abscheidungen zu verhindern.
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Der Mischer 26 wurde oben beschrieben bei der Unterstützung der Einführung eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom und es wurde auch ins Auge gefasst, dass der Mischer 26 dazu verwendet werden könnte, die Einführung von irgendeiner Verschiedenheit von Substanzen in irgendeine Verschiedenheit von Strömungen durchzuführen. Obwohl die offenbarten Ausführungsbeispiele, wie sie hier beschrieben sind, verkörpert werden können, ohne den Rahmen der Ansprüche zu verlassen, erkennt der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann bei Betrachtung der Beschreibung und der Durchführung der Offenbarung zugänglich sein. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele als beispielhaft angesehen werden und der wahre Bereich der Erfindung durch die Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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