DE112012005233T5

DE112012005233T5 - Fluideinspritzlanze mit ausgewogener Strömungsverteilung

Info

Publication number: DE112012005233T5
Application number: DE112012005233.1T
Authority: DE
Inventors: Yung T. Bui; Arvind Jujare; Jay Venkataraghavan
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-09-04
Also published as: WO2013090484A1; CN103998736A; CN103998736B; US20130152555A1

Abstract

Ein Injektor ist zum Einleiten eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom ausgebildet, wobei der Injektor aufweist: einen Körper aufweisend einen Kanal mit einem ersten Durchmesser, eine Düse (162), die in Fluidverbindung mit dem Kanal steht und an einem distalen Ende des Körpers angeordnet ist, und eine Verlängerung, die sich von dem distalen Ende des Körpers erstreckt, wobei sich die Verlängerung von dem distalen Ende des Körpers um mindestens eine Strecke erstreckt, die gleich dem ersten Durchmesser ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Abgassystem und insbesondere auf ein Nachbehandlungsmodul und eine Fluideinspritzlanze.
Hintergrund
Verbrennungsmotoren wie Dieselmotoren, Benzinmotoren, gasangetriebene Motoren und andere im Stand der Technik bekannte Motoren erzeugen ein komplexes Gemisch von Abgasen und Partikeln. Bestandteile der Abgase können neben anderen Dingen Stickoxide (NOx) aufweisen. Abgasemissionsstandards sind strenger geworden und die Menge NOx, die durch einen Motor in die Atmosphäre abgegeben wird, kann in Abhängigkeit des Typs, der Größe und/oder der Klasse des Motors reguliert sein.
Zum Verringern von NOx haben einige Motorenhersteller eine Strategie implementiert, die selektive katalytische Reduktion (SCR) genannt wird. SCR ist ein Abgasnachbehandlungsprozess, in dem ein Reduktionsmittel, am häufigsten Harnstoff ((NH₂)₂CO) oder eine Wasser-Harnstoff-Lösung, selektiv in den Abgasstrom eines Motors eingespritzt und von einem nachgeschalteten Substrat adsorbiert wird. Die eingespritzte Harnstofflösung zersetzt sich in Ammoniak (NH₃), das mit NOx in dem Abgas zum Bilden von Wasser (H₂O) und zweiatomigem Stickstoff (N₂) reagiert.
Zum Maximieren einer Umwandlungseffizienz des NOx sollte das Reduktionsmittel gleichmäßig in dem Strom des Abgases verteilt (dispersiert) sein. Dies kann aufgrund von Beschränkungen in der Größe eines Nachbehandlungsmoduls problematisch sein. Das heißt, aufgrund von Packungserfordernissen für das Leistungssystem mit dem Nachbehandlungsmodul kann die Länge des Abgaskanals zwischen dem Injektor und dem nachgeschalteten Substrat relativ kurz sein. Somit ist es vorteilhaft, eine gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels auf eine kurze Distanz zu erhalten, um eine gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels auf dem nachgeschalteten Substrat zu gewährleisten.
Die US 7,784,276 offenbart einen Abgasreiniger und ein Verfahren zum Steuern desselben.
Zusammenfassung der Offenbarung
Ein Injektor, der zum Einleiten eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom ausgebildet ist, wobei der Injektor aufweist: einen Körper aufweisend einen Kanal mit einem ersten Durchmesser, eine Düse, die mit dem Kanal in Fluidverbindung steht und an einem distalen Ende des Körpers angeordnet ist, und eine Verlängerung, die sich von dem distalen Ende des Körpers erstreckt, wobei sich die Verlängerung von dem distalen Ende des Körpers um mindestens eine Strecke erstreckt, die gleich dem ersten Durchmesser ist.
Weitere Merkmale und Aspekte der Offenbarung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den anhängigen Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines offenbarten Leistungssystems,
2 ist eine isometrische aufgeschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines Nachbehandlungsmoduls des offenbarten Leistungssystems,
3 ist eine Plandraufsicht einer ersten Ausführungsform eines Diffusors, einer Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe und eines Mischrohs der Ausführungsform eines Nachbehandlungsmoduls des offenbarten Leistungssystems,
4 ist eine Seitendarstellung der ersten Ausführungsform des Diffusors, der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe und des Mischrohrs des offenbarten Nachbehandlungsmoduls,
5 ist eine teilweise Schnittansicht der ersten Ausführungsform des Mischrohrs und der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe des offenbarten Systems,
6 ist eine teilweise Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Mischrohrs und einer Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe des offenbarten Systems,
7 ist eine teilweise Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines Mischrohrs und einer Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe des offenbarten Systems,
8 ist eine Seitendarstellung einer vierten Ausführungsform eines Mischrohrs und einer Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe des offenbarten Systems, und
9 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie 9-9' der 8 der vierten Ausführungsform eines Mischrohrs und einer Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe des offenbarten Systems.
Detaillierte Beschreibung
1 stellt ein beispielhaftes Leistungssystem 10 dar. Zum Zwecke dieser Offenbarung ist das Leistungssystem 10 als ein Generatorsatz (Genset) mit einem Generator 12, der durch einen Mehrzylinderverbrennungsmotor 14 angetrieben wird, dargestellt und beschrieben. Der Generator 12 und der Motor 14 können allgemein durch einen Rahmen 16 verbunden sein. Es ist allerdings in Betracht zu ziehen, dass das Leistungssystem 10, wenn gewünscht, als ein anderer Typ eines Leistungssystems ausgebildet sein kann, wie eines, das einen Diesel-, Benzin- oder gasangetriebenen Motor, der einer mobilen Maschine, wie einer Lokomotive, oder einer stationären Maschine, wie einer Pumpe, zugeordnet ist.
Mehrere separate Teilsysteme können in dem Leistungssystem 10 zum Fördern einer Leistungserzeugung aufgenommen sein. Zum Beispiel kann das Leistungssystem 10 neben anderen Dingen ein Luftzufuhrsystem 18 und ein Abgassystem 20 aufweisen. Das Luftzufuhrsystem 18 kann zum Leiten von Luft oder eines Luft/Kraftstoffgemischs in die Verbrennungskammer(n) des Leistungssystems 10 für eine nachfolgende Verbrennung ausgebildet sein. Das Abgassystem 20 kann Nebenprodukte des Verbrennungsprozesses behandeln und diese in die Atmosphäre abgeben. Das Luftzufuhr- und Abgassystem 18, 20 können mechanisch miteinander durch einen oder mehrere Turbolader 21 verbunden sein.
Das Abgassystem 20 kann Komponenten aufweisen, die das Abgas von den Zylindern des Motors 14 aufbereiten und in die Atmosphäre leiten. Zum Beispiel kann das Abgassystem 20 einen oder mehrere Abgasdurchgänge 22, die in Fluidverbindung mit den Zylindern des Motors 14 stehen, eine oder mehrere Turbinen der Turbolader 21, die durch das durch den Abgasdurchgang 22 strömende Abgas angetrieben werden, und ein Nachbehandlungsmodul 24, das zum Empfangen und Behandeln von Abgas von dem Abgasdurchgang 22 nach dem Strömen durch eine oder mehrere Turbinen der Turbolader 21 verbunden sind, aufweisen. Wenn die heißen Abgase, die die Zylinder des Motors 14 verlassen, durch die eine oder mehrere Turbinen strömen und sich gegen deren Schaufeln (nicht gezeigt) entspannen, können die eine oder mehreren Turbinen rotieren und einen oder mehrere Kompressoren der Turbolader 21 des Luftzufuhrsystems 18 zum Verdichten von Einlassluft antreiben. Das Nachbehandlungsmodul 24 kann Bestandteile des durch den Motor 14 erzeugten Abgases behandeln, aufbereiten und/oder anderweitig reduzieren, bevor das Abgas in die Atmosphäre abgegeben wird.
Wie in 2 gezeigt, kann das Nachbehandlungsmodul 24 einen Basisträger 30, ein grundsätzlich kastenförmiges Gehäuse 32 (dessen Elemente transparent dargestellt sind, um innere Elemente des Nachbehandlungsmoduls 24 klarer zu zeigen), eines oder mehrere Einlässe 34 und einen oder mehrere Auslässe 36 (auch in 1 dargestellt) aufweisen. Der Basisträger 30 kann beispielsweise aus einem Baustahl hergestellt sein und mit dem Rahmen 16 des Leistungssystems 10 starr verbunden sein (unter Bezugnahme auf 1). Das Gehäuse 32 kann beispielsweise aus einem geschweißten Edelstahl hergestellt sein und mit dem Basisträger 30 auf eine solche Weise verbunden sein, dass sich das Gehäuse 32 um einen gewissen Grad relativ zu dem Basisträger 30 thermisch erweitern kann, wenn das Gehäuse 32 erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist. Die Einlässe 34 und die Auslässe 36 können an einem Ende des Gehäuses 32 angeordnet sein, so dass Abgasströmungen das Gehäuse 32 in eine Richtung verlassen, die im Wesentlichen senkrecht zu der in das Gehäuse 32 eintretenden Abgasströmung ist. Die Einlässe 34 können mit den Abgasdurchgängen 22 (unter Bezugnahme auf 1) funktional verbunden sein, während die Auslässe 36 funktional mit Durchgängen, die zu der Atmosphäre führen (zum Beispiel, zusätzliche Abgasrohre, die zu einem Außenraum führen (nicht gezeigt) verbunden sein können. Eine oder mehrere Zugangsblenden (Zugangsdeckel), zum Beispiel ein Paar an Oxidationskatalysatorzugangsblenden 40 und ein Paar an SCR-Katalysatorzugangsblenden 42, können an strategischen Stellen an dem Gehäuse 32 zum Bereitstellen eines Wartungszugangs zu Innenkomponenten des Nachbehandlungsmoduls 24 angeordnet sein.
Das Nachbehandlungsmodul 24 kann mehrere Abgasbehandlungsvorrichtungen aufnehmen (unterbringen). Zum Beispiel stellt 2 das Abgasnachbehandlungsmodul 24 dar, wie es eine erste Nachbehandlungsvorrichtung bestehend aus einer oder mehreren Bänken von Dieseloxidationskatalysatoren („DOCs”) 44, eine zweite Nachbehandlungsvorrichtung bestehend aus einer Reduktionsmitteldosieranordnung 46 und eine dritte Nachbehandlungsvorrichtung bestehend aus einer oder mehreren Bänken von SCR-Katalysatoren 48 aufnimmt. Es ist in Erwägung zu ziehen, dass das Nachbehandlungsmodul 24, wenn gewünscht, eine größere oder kleinere Anzahl an Nachbehandlungsvorrichtungen von jeglichen im Stand der Technik bekannten Typ aufweisen kann. Die DOCs 44 können den Einlässen 34 nachgeschaltet und einem Diffusor 50 vorgeschaltet angeordnet sein.
Das Abgas tritt in das Nachbehandlungsmodul 24 über die Einlässe 34 ein. Das Abgas strömt in die DOCs 44. Nach dem Strömen durch die DOCs 44 und den Diffusor 50, ist das Abgas der Reduktionsmitteldosieranordnung 46 durch ein Mischrohr 51 ausgesetzt. Nach dem Strömen durch die Reduktionsmitteldosieranordnung 46 strömt das Abgas durch die SCR-Katalysatoren 48. Danach kann das Abgas durch Reinigungskatalysatoren (nicht gezeigt) strömen, bevor es das Nachbehandlungsmodul 24 durch die Auslässe 36 verlässt.
Die DOCs 44 können jeweils eine poröse Keramikhonigwabenstruktur, ein Metallgitter, einen Metall- oder Keramikschaum oder ein anderes geeignetes Substrat, das beschichtet ist mit oder anderweitig ein Katalysatormaterial, zum Beispiel ein Edelmetall, das eine chemische Reaktion zum Verändern einer Zusammensetzung des durch die DOCs 44 strömenden Abgases katalysiert, aufweisen. In einer Ausführungsform können die DOCs 44 Palladium, Platin, Vanadium oder eine Mischung davon, die eine Umwandlung von NO zu NO₂ ermöglicht, aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können die DOCs 44 alternativ oder zusätzlich Partikelfangfunktionen (d. h., die DOCs 44 können eine katalysierende Partikelfalle sein), Kohlenwasserstoffreduktionsfunktionen, Kohlenmonoxidreduktionsfunktionen und/oder andere im Stand der Technik bekannte Funktionen durchführen.
In der dargestellten Ausführungsform sind drei separate Bänke von DOCs 44 offenbart als zum parallelen Empfangen von Abgas von einem Paar von Einlässen 34 angeordnet. Jede Bank der DOCs 44 kann zwei oder mehr Substrate, die in Serie angeordnet und zum Empfangen von Abgas von den Einlässen 34 ausgebildet sind, aufweisen. In einem Beispiel kann, wenn gewünscht, ein Raum zwischen Substraten einer einzelnen Bank von DOCs 44 bestehen, wobei der Raum simultan eine Abgasverteilung und eine Geräuschdämpfung fördert. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn gewünscht, jegliche Anzahl an Bänken der DOCs 44 mit jeglicher Anzahl von Substraten, die in Serie oder parallel angeordnet sind, in dem Nachbehandlungsmodul 24 verwendet werden können.
Das Mischrohr 51 hat ein vorgeschaltetes offenes Ende 52, das in Fluidkommunikation mit dem Ausgang der DOCs 44 steht, und ein nachgeschaltetes Ende 53, das in Fluidkommunikation mit einem oder mehreren Bänken der SCR-Katalysatoren 48 steht. In der dargestellten Ausführungsform ist der Diffusor 50 als ein Zylinder mit einem Prallplattentyp-Diffusorbauteil ausgebildet, das an einem Ende davon distal zu dem Mischrohr 51 angeordnet ist, obwohl jegliche im Stand der Technik bekannt Diffusorgeometrie verwendet werden kann. In der Anordnung von 2 kann der Diffusor 50 zum Verteilen von Abgas auf eine im Wesentlichen gleichförmige Weise über das vorgeschaltete offene Ende 52 des Mischrohrs 51 ausgebildet sein. Eine Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 kann an, in, oder nahe dem vorgeschalteten offenen Ende 52 angeordnet und zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in das durch das Mischrohr 51 strömende Abgas ausgebildet sein. Ein gasförmiges oder flüssiges Reduktionsmittel, am häufigsten eine Wasser/Harnstoff-Lösung, Ammoniakgas, verflüssigtes wasserfreies Ammoniak, ein Aminsalz oder ein Kohlenwasserstoff wie Dieselkraftstoff, kann in das durch das Mischrohr 51 strömende Abgas gesprüht oder anderweitig gefördert werden.
Die Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 kann in einem Abstand vor den SCR-Katalysatoren 48 vorgeschaltet und an einem Einlassbereich des Mischrohrs 51 angeordnet sein, um eine ausreichenden Zeit für das eingespritzte Reduktionsmittel zum Mischen mit dem Abgas von dem Leistungssystem 10 und zum genügenden Zersetzen vor dem Eintritt in die SCR-Katalysatoren 48 zu ermöglichen. Das heißt, eine gleichmäßige Verteilung von genügend zersetztem Reduktionsmittel in dem durch die SCR-Katalysatoren 48 strömenden Abgas kann die NO_x-Reduktion darin verbessern. Der Abstand zwischen der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 und den SCR-Katalysatoren 48 kann die NO_x-Reduktion darin verbessern. Der Abstand zwischen der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 und den SCR-Katalysatoren 48 (d. h., ungefähr die Länge des Mischrohrs 51) kann auf einer Durchflussrate des das Leistungssystem 10 verlassenden Abgases und/oder auf einer Querschnittsfläche des Mischrohrs 51 basieren. In dem in den 2 und 3 dargestellten Beispiel kann sich das Mischrohr 51 entlang eines Großteils einer Länge des Gehäuses 32 erstrecken, mit einer Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54, die an dem vorgeschalteten offenen Ende 52 angeordnet ist. Das Mischrohr 51 kann einen Kanal mit einem Innendurchmesser 55 und einem Außendurchmesser 56, wie detailreicher in den 5–7 dargestellt ist, sein. Die Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 kann zum Bereitstellen bevorzugter Strömungscharakteristika ausgebildet sein, wie detaillierter unter Bezugnahme auf die 3–9 beschrieben wird.
Jeder SCR-Katalysator 48 kann im Wesentlichen identisch in Form, Größe und Zusammensetzung sein. Insbesondere kann jeder SCR-Katalysator 48 ein allgemein zylindrisches Substrat aufweisen, das hergestellt ist aus oder anderweitig beschichtet ist mit einem keramischen Material wie Titanoxid, einem Basismetalloxid wie Vanadium und Wolfram, Zeolithen und/oder einem Edelmetall. Mit dieser Zusammensetzung kann das zersetzte Reduktionsmittel, das in dem durch das Mischrohr 51 strömenden Abgas mitgeführt wird, auf der Oberfläche adsorbiert und/oder in jedem SCR-Katalysator 48 adsorbiert werden, in dem das Reduktionsmittel mit NO_x (entweder NO, NO₂ oder beides) in dem Abgas zum Bilden von Wasser (H₂O) und zweiatomigem Stickstoff (N₂) reagiert.
Die 3–5 stellen eine erste Ausführungsform eines Diffusors 50, der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 und des Mischrohrs 51 in der Ausführungsform eines Nachbehandlungsmoduls 24 des offenbarten Leistungssystems 10 dar. 5 stellt eine teilweise Schnittansicht der ersten Ausführungsform des Mischrohrs 51 und der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 gesehen von dem Mischrohr 51 in Richtung der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 dar. Die Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 und das Mischrohr 51, aufweisend das vorgeschaltete offene Ende 52 und das nachgeschaltete Ende 53, bilden zusammen die Reduktionsmitteldosieranordnung 46. Die Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 weist einen Lanzenkörper 60, eine Düse 62 und eine Lanzenverlängerung (Lanzenerweiterung) 64 auf.
Der Lanzenkörper 60 kann einen Innenreduktionsmittelkanal aufweisen (dargestellt in 9), der sich durch diesen erstreckt, um Reduktionsmittel zu der Düse 62 zu fördern, das heißt, der Lanzenkörper 60 kann hohl sein, mit einem Außendurchmesser 61 und einem Innendurchmesser 63 (dargestellt in 9). Der Reduktionsmittelkanal kann einen vorbestimmten Durchmesser aufweisen, der gemäß den gewünschten Reduktionsmitteldurchflussraten basierend auf der spezifischen Anwendung des Leistungssystems 10 und einer gewünschten Leistung des Nachbehandlungsmoduls 24 bestimmt ist. In einer Ausführungsform kann der Durchmesser des Reduktionsmittelkanals 2,5 cm sein. Der Lanzenkörper 60 erstreckt sich entlang einer Längsachse in eine erste Richtung 66.
Die Düse 62 erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Lanzenkörpers 60 an einem distalen Ende des Lanzenkörpers 60. Das heißt, die Düse 62 erstreckt sich nachgeschaltet (stromabwärts) von dem Lanzenkörper 60 in den Abgasstrom. Die Düse 62 empfängt ein Reduktionsmittel von dem Lanzenkörper 60 und spritzt das Reduktionsmittel in das in dem Mischrohr 51 strömende Abgas. In einer Ausführungsform kann die Düse 62 als eine luftunterstützte Einspritzdüse ausgebildet sein, so dass eine Kombination von Luft oder anderem Gas und Reduktionsmittel in das Abgas eingespritzt wird. In einigen Ausführungsformen ist die luftunterstütze Einspritzung von Reduktionsmittel vorteilhaft zum Erhöhen einer Reduktionsmitteldurchflussrate und einer Ausbreitung des Reduktionsmittels entlang des Mischrohrs 51; allerdings weisen alternative Ausführungsformen Konfigurationen auf, in denen luftunterstütze Einspritzung weggelassen wird und ein Reduktionsmittel exklusiv über alternative Mittel, zum Beispiel eine Reduktionsmittelpumpe, zugeführt wird. In einigen Ausführungsformen stellt das Anordnen der Düse 62 senkrecht nachgeschaltet von dem Lanzenkörper 60 Vorteile für eine Reduktionsmittelausbreitung bereit, da die Düse 62 weiter von einer turbulenten Strömung in dem Abgas, die durch den Lanzenkörper 60 bewirkt wird, wegbewegt wird. Wenn die Düse 62 in dem Lanzenkörper 60 selbst ausgebildet wäre, kann diese turbulente Strömung ungewünschte Ablagerungen auf dieser bewirken, was zu einer Verringerung im Reduktionsmitteldurchfluss durch diese führen könnte. In einer Ausführungsform kann die Düse 62 eine Einzeldüse 62 sein. In einer solchen Ausfürungsform kann die Düse 62 zentriert in dem Mischrohr 51 sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Düse 62 mehr als eine Düse 62 aufweisen.
Die Lanzenverlängerung 64 erstreckt sich von dem Lanzenkörper 60. In einer Ausführungsform erstreckt sich die Lanzenverlängerung 64 parallel zu der ersten Richtung 66. Alternative Ausführungsformen weisen Konfigurationen auf, in denen die Lanzenverlängerung 64 sich in andere Richtungen erstreckt, zum Beispiel in eine Richtung, die bezüglich des Lanzenkörpers 60 angewinkelt ist, wie ein Erstrecken unter einem Winkel in den Abgasstrom oder unter einem Winkel in Richtung des Mischrohrs 51. Wie in 3–5 dargestellt, erstreckt sich der Lanzenkörper 60 in die Düse 62, während sich die Lanzenverlängerung 64 über die Düse 62 hinaus erstreckt. Die Lanzenverlängerung 64 kann sich von dem Lanzenkörper 60 über eine Strecke erstrecken, die mindestens gleich dem vorbestimmten Durchmesser des Innenreduktionsmittelkanals des Lanzenkörpers 60 ist. Wenn die Lanzenverlängerung 64 sich bis zu dieser Strecke oder darüber hinaus erstreckt, kann eine verbesserte Mischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas erreicht werden, wie untenstehend detaillierter beschrieben wird. In einer Ausführungsform (nicht gezeigt) können sich der Lanzenkörper 60 und die Lanzenverlängerung 64 zusammen über eine Strecke erstrecken, die im Wesentlichen gleich zu dem gesamten Innendurchmesser 55 des Mischrohrs 51 ist.
In einer Ausführungsform kann die Lanzenverlängerung 64 in Fluidverbindung mit dem Innenreduktionsmittelkanal des Lanzenkörpers 60 stehen; das heißt, die Lanzenverlängerung 64 kann auch einen Innenreduktionsmittelkanal aufweisen (nicht gezeigt), der an einer äußersten Erweiterung des Lanzenkörpers 60 in der ersten Richtung verschlossen ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Lanzenverlängerung 64 fluidtechnisch von dem Lanzenkörper 60 isoliert sein, so dass die Lanzenverlängerung 64 keinen Innenreduktionsmittelkanal aufweist und die Lanzenverlängerung 64 kann hohl oder massiv (durchgehend) sein.
Unter Bezugnahme auf die 3–5 kann die Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 mit dem Nachbehandlungsmodul 24 durch ein Durchgangsloch 70 in dem Gehäuse 32 verbunden sein. Das Durchgangsloch 70 kann ausgebildet sein zum Aufweisen einer gleichen Form wie ein Querschnitt der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54, so dass die Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 in das Nachbehandlungsmodul 24 durch dieses hindurch eingesetzt werden kann. In einer Ausführungsform kann die Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 mit einem Kopfstück 72 verbunden sein. Das Kopfstück 72 kann das Nachbehandlungsmodul 24 abdichten, so dass Abgas nicht über das Durchgangsloch 70 ausströmt. Das Kopfstück 72 kann ebenso mit dem Innenreduktionsmittelkanal des Lanzenkörpers 60 der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 in Fluidverbindung stehen (fluidtechnisch verbunden sein). Ein Verbindungsanschluss 74 kann an dem Kopfstück 72 zum Zuführen von Reduktionsmittel zu dem Innenreduktionsmittelkanal des Lanzenkörpers 60 angeordnet sein.
Die 6 stellt eine teilweise Schnittansicht des Mischrohrs 51 und eine zweite Ausführungsform einer Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 154 gesehen von dem Mischrohr 51 in Richtung der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 154 dar. Die Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 154 weist einen Lanzenkörper 160, eine Düse 162 und eine Lanzenverlängerung 164 ähnlich der vorherigen Ausführungsform auf und weist eine Querstrebe 167, die mit dem Lanzenkörper 160 verbunden ist und sich in eine zweite Richtung 68, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung 66 ist, auf. Die Querstrebe 167 kann zu einer verbesserten Mischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas führen, wie untenstehend detaillierter beschrieben wird.
Die 7 stellt eine teilweise Schnittansicht des Mischrohrs 51 und eine dritte Ausführungsform einer Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 254 gesehen von dem Mischrohr 51 in Richtung der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 254 dar. Die Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 254 weist einen Lanzenkörper 260, eine Düse 262 und eine Lanzenverlängerung 264 ähnlich den vorherigen Ausführungsformen auf und weist auch einen Ringmischer 267, der mit dem Lanzenkörper 260 verbunden ist, auf. In einer Ausführungsform ist der Ringmischer 267 derart angeordnet, dass ein Mittelpunkt des Ringmischers 267 axial mit einem Mittelpunkt der Düse 262 ausgerichtet ist. Der Ringmischer 267 kann zu einer verbesserten Mischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas führen, wie detaillierter untenstehend beschrieben wird.
Die 8 ist eine Seitenansichtsdarstellung eines Mischrohrs und einer vierten Ausführungsform einer Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 354 des offenbarten Systems gesehen von dem Mischrohr 51 in Richtung der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 354. 9 ist eine Schnittdarstellung entlang einer Linie 9-9' der 8. Die Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 354 weist einen Lanzenkörper 360, eine Düse 362 und eine Lanzenverlängerung 364 ähnlich den vorherigen Ausführungsformen auf und weist auch ein Leitteil (Lenkblech) 367, das mit dem Lanzenkörper 360 verbunden ist, auf. In einer Ausführungsform ist das Leitteil 367 mit dem Lanzenkörper 360 und/oder der Lanzenverlängerung 364 verbunden. Ausführungsformen weisen Konfigurationen auf, in denen das Leitteil 367 separat von dem Lanzenkörper 360 und der Lanzenverlängerung 364 ausgebildet ist, und Konfigurationen, in denen das Leitteil 367 aus einer einzelnen, einheitlichen und unteilbaren Komponente entweder des Lanzenkörpers 360, der Lanzenverlängerung 364 oder beider ausgebildet ist. Das Leitteil 367 ist zum Steuern der Strömung des entlangströmenden Abgases vorgesehen, zum Beispiel, kann das Leitteil 367 in einer Ausführungsform einer Tribulation in dem entlangströmenden Abgas verringern. In einer Ausführungsform bilden das Leitteil 367 und der Lanzenkörper 360 und/oder die Lanzenverlängerung 364 zusammen einen tränenförmigen Querschnitt. Das Leitteil 367 führt zu einer verbesserten Mischung des Reduktionsmittels mit Abgas, wie untenstehend näher beschrieben wird.
Während die obige Beschreibung vier Ausführungsformen einer Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54, 154, 254 und 354 beschrieben hat, sind zusätzliche Ausführungsformen, die Aspekte der vorherigen Ausführungsformen kombinieren, ebenso in den Umfang dieser Offenbarung eingeschlossen. Zum Beispiel kann eine andere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ein Leitteil 367, das an dem Ringmischer 267 oder der Querstrebe 167 angeordnet ist, aufweisen. Gleichermaßen kann die Querstrebe 167 mit dem Ringmischer 267 usw. kombiniert werden. Die Vorteile dieser Konfigurationen sind untenstehend näher beschrieben.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das Nachbehandlungsmodul 24 der vorliegenden Offenbarung kann in jeglicher Konfiguration des Leistungssystems 10 anwendbar sein, in dem Abgasaufbereitung gewünscht ist. Das Nachbehandlungsmodul 24 weist mindestens eine der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54, 154, 254 und/oder 354 auf. Die verschiedenen Ausführungsformen führen zu einer verbesserten Mischung des Reduktionsmittels mit Abgas, wie untenstehend näher beschrieben ist.
Wenn das Leistungssystem 10 betrieben wird, strömt Abgas zum wie oben beschriebenen Behandeln durch das Nachbehandlungsmodul 24; das Nachbehandlungsmodul 24 weist die Reduktionsmitteldosieranordnung 46 und die SCR-Katalysatoren 48 auf. Das Abgas strömt durch die Reduktionsmitteldosieranordnung 46 und trägt eingespritztes Reduktionsmittel auf die SCR-Katalysatoren 48. Zum Maximieren der Effizienz der SCR-Katalysatoren 48 und zum Minimieren der Gesamtmenge an benötigtem Reduktionsmittel zum Erreichen einer zufriedenstellenden Sättigung aller SCR-Katalysatoren 48 ist eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung des Reduktionsmittels über jeden SCR-Katalysator 48 gewünscht. Allerdings kann das Anordnen von Komponenten, wie eines Reduktionsmittelinjektors, in dem Abgasstrom zu Ungleichgewichten (Unausgewogenheiten) in der Strömung führen, die nicht effektiv entlang der Länge des Mischrohrs 51 verteilt (ausgeglichen) werden. Solch ein Phänomen kann zu einer ungleichen Verteilung des Reduktionsmittels auf die SCR-Katalysatoren 48 führen.
In einer Konfiguration mit einer Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe (nicht gezeigt) ohne eine Lanzenverlängerung, kann ein Abgasstrom über den äußersten distalen Bereich des Lanzenkörpers ungewünschte Wirbelablösungen bewirken, die eingespritztes Reduktionsmittel in Richtung einer Seite des Mischrohrs 51, von dem sich die Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppen 54, 154, 254 und/oder 354 erstrecken, ablenken. In solch einer Konfiguration kann eine Schwankung von Katalysator zu Katalysator von bis zu 20% beobachtet werden. Allerdings können in Ausführungsformen, in denen eine Lanzenverlängerung 64, 164, 264 oder 364 aufgenommen ist, die ungewünschten Wirbelablösungen verringert, eliminiert oder wesentlich von der Düse 62, 162, 262 oder 362 wegbewegt werden, so dass ein Ablenken des Reduktionsmittels von der Düse 62, 162, 262 oder 362 verringert oder beseitigt wird.
Unter spezifischer Bezugnahme auf die 3–5 und die erste Ausführungsform der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54 kann die Lanzenverlängerung 64 an dem distalen Ende des Lanzenkörpers 60 angeordnet sein und sich in einer Ausführungsform von dem Lanzenkörper 60 über eine Strecke (Länge) erstrecken, die mindestens gleich einem Durchmesser des Innenreduktionsmittelkanals des Lanzenkörpers 60 ist. Wenn die Lanzenverlängerung 64 sich wesentlich weniger als diese Größe erstreckt, kann eine Verringerung in der Ablenkung des Reduktionsmittels von der Düse 62 nicht zu einer signifikant erhöhten gleichförmigen Verteilung des Reduktionsmittels auf den Katalysator 48 führen. Allerdings kann, wenn die Länge der Lanzenverlängerung 64 erhöht wird, eine entsprechende Erhöhung in einer Verringerung der Ablenkung des Reduktionsmittels aus der Düse 62, was zu einer gleichmäßigeren Verteilung des Reduktionsmittels auf den Katalysator 48 führt, beobachtet werden.
Gleichermaßen unter Bezugnahme auf die 6–9 können die Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppen 154, 254 und 354 auch Lanzenverlängerungen 164, 264 und 364 aufweisen. Zusätzlich weist jede der Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 154, 254 und 354 ein zusätzliches Merkmal zum Verbessern der Vermischung des Reduktionsmittels mit Abgas auf. Unter Bezugnahme auf die 6 führt die Querstrebe 167 zu einer (Nach-)Strömung in dem Abgasstrom, die ähnlich der (Nach-)Strömung der Lanzenverlängerung 164 ist, so dass ähnliche Abgasströmungscharacteristika an der Düse 162 von mindestens vier Seiten vorliegen, die dem Lanzenkörper 160, der Lanzenverlängerung 164 und den zwei Bereichen der Querstrebe 167, die an gegenüberliegenden Seiten der Düse 162 angeordnet sind, entsprechen. Unter Bezugnahme auf die 7 bietet der Ringmischer 267 auf ähnliche Weise eine (Nach-)Strömung in der Abgasströmung, die eine gleichförmigere Abgasströmung über die Düse 262 von mehreren Seiten ermöglicht, wie einem Umfang, der die Düse 262 umgibt. Das heißt, der Ringmischer 267 kann mit einem Mittelpunkt desselben axial mit einem Mittelpunkt der Düse 262 ausgerichtet angeordnet sein. Unter Bezugnahme auf die 8 und 9 bietet das Leitteil 367 eine Oberfläche, die eine Laminarströmung des Abgases entlang desselben in eine dritte Richtung 69 ermöglicht. Diese Leitung (Umlenkung) kann Ungleichförmigkeiten von Reduktionsmittelablagerungen durch Fluktuationen in der Geschwindigkeit des Abgases in der zweiten Richtung verringern. Das Leitteil 367 übt einen Glätteffekt auf das darüber strömende Abgas aus.
Die vorliegende Offenbarung bietet ebenso Ausführungsformen von Reduktionsmittelinjektorlanzenbaugruppe 54, 154, 254 und 354, die ausgebildet sind zum Einleiten eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom, wobei die Injektorlanzenbaugruppen 154, 254 und 354 Lanzenkörper 60, 160, 260 und 360, Düsen 62, 162, 262 und 362, die in Fluidverbindung stehen mit und an einem distalen Ende der Lanzenkörper 60, 160, 260 und 360 angeordnet sind, und Lanzenverlängerungen 64, 164, 264 und 364, die sich von dem distalen Ende des Lanzenkörpers 60, 160, 260 und 360 erstrecken, wobei die Lanzenverlängerungen 64, 164, 264 und 364 zum Vergleichmäßigen einer Geschwindigkeit des Abgasstroms über die Düsen 62, 162, 262 und 362 in mindestens zwei Richtungen ausgebildet sind, aufweist. Das heißt, die Lanzenverlängerungen 64, 164, 264 und 364 sind derart ausgebildet, dass ein Abgasstrom über die Düsen 62, 162, 262 und 362 gleichmäßiger ist, zum Beispiel ist eine Strömungsgeschwindigkeit aus einer Richtung, die den Lanzenkörpern 60, 160, 260 und 360 entspricht, im Wesentlichen gleich einer Strömungsgeschwindigkeit aus einer Richtung, die den Lanzenverlängerungen 64, 164, 264 und 364 entspricht. Die Ausführungsform mit der Querstrebe 167 kann eine Geschwindigkeit des Abgasstroms über die Düse 162 in mindestens vier Richtungen vergleichmäßigen. Die Ausführungsform mit dem Ringmischer 267 kann eine Geschwindigkeit des Abgasstroms über die Düse 262 in im Wesentlichen alle Richtungen vergleichmäßigen.
Fachleute werden erkennen, dass unterschiedliche Modifikationen und Variationen an dem Abgassystem 20 und dem Nachbehandlungsmodul 24 der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen. Andere Ausführungsformen werden Fachleute aus der Berücksichtigung der Beschreibung und Anwendung des Systems und der Module, die hier offenbart sind, erkennen. Die Beschreibung und Beispiele sind dazu gedacht, nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der vorliegenden Offenbarung durch die nachfolgenden Ansprüche und ihre Äquivalente angegeben ist.

Claims

Injektor, der zum Einleiten eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom ausgebildet ist, wobei der Injektor aufweist: einen Körper aufweisend einen Kanal mit einem ersten Durchmesser, eine Düse (162), die mit dem Kanal in Fluidverbindung steht und an einem distalen Ende des Körpers angeordnet ist, und eine Verlängerung, die sich von dem distalen Ende des Körpers erstreckt, wobei sich die Verlängerung von dem distalen Ende des Körpers um mindestens eine Strecke erstreckt, die gleich dem ersten Durchmesser ist.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Körper sich in eine erste Richtung (66) erstreckt und die Verlängerung sich in eine zweite Richtung (68) erstreckt, die im Wesentlichen parallel zu der ersten Richtung (66) ist.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 2, ferner mit einer Querstrebe (167), die mit dem Körper verbunden ist und sich in eine dritte Richtung (69) erstreckt, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung (66) ist.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 2, ferner mit einem Ringmischer (267), der mit dem Körper verbunden ist.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 4, wobei der Ringmischer (267) derart angeordnet ist, dass ein Mittelpunkt des Ringmischers (267) axial mit einem Mittelpunkt der Düse (162) ausgerichtet ist.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Körper und/oder die Verlängerung einen tropfenförmigen Querschnitt aufweisen.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Verlängerung fluidtechnisch von dem Körper isoliert ist.
Nachbehandlungsmodul (24) zum Behandeln von Bestandteilen von Abgasen eines Verbrennungsmotors (14), wobei das Nachbehandlungsmodul (24) aufweist: ein Gehäuse (32), einen Injektor, der in dem Gehäuse (32) angeordnet ist, wobei der Injektor aufweist: einen Körper, der mit dem Gehäuse (32) verbunden ist und einen Kanal mit einem ersten Durchmesser aufweist, eine Düse (162), die in Fluidverbindung mit dem Kanal des Körpers steht und an einem distalen Ende des Körpers angeordnet ist, und eine Verlängerung, die sich von dem distalen Ende des Körpers erstreckt, wobei sich die Verlängerung von dem distalen Ende des Körpers um mindestens eine Strecke erstreckt, die gleich dem ersten Durchmesser ist, und ein Mischrohr (51), das dem Injektor nachgeschaltet und in dem Gehäuse (32) angeordnet ist.
Nachbehandlungsmodul (24) nach Anspruch 8, wobei sich der Körper in eine erste Richtung (66) erstreckt und sich die Verlängerung in eine zweite Richtung (68) erstreckt, die im Wesentlichen parallel zu der ersten Richtung (66) ist.
Nachbehandlungsmodul (24) nach Anspruch 9, wobei sich der Körper und die Verlängerung zusammen über eine Strecke erstrecken, die im Wesentlichen gleich einem Gesamtdurchmesser des Mischrohrs (51) ist.
Nachbehandlungsmodul (24) nach Anspruch 9, ferner aufweisend eine Querstrebe (167), die mit dem Körper verbunden ist und sich in eine dritte Richtung (69) erstreckt, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung (66) ist.
Nachbehandlungsmodul (24) nach Anspruch 8, wobei sich der Körper und die Verlängerung zusammen um weniger als eine Strecke erstrecken, die im Wesentlichen gleich einem Gesamtdurchmesser des Mischrohrs (51) ist.
Nachbehandlungsmodul (24) nach Anspruch 10, ferner aufweisend ein Kopfstück (72), das in Fluidverbindung mit dem inneren Reduktionsmittelkanal des Injektorkörpers steht.
Nachbehandlungsmodul (24) nach Anspruch 8, wobei der Injektor in dem Mischrohr (51) angeordnet ist.
Injektor, der zum Einleiten eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom ausgebildet ist, wobei der Injektor aufweist: einen Körper, eine Düse (162), die in Fluidverbindung steht mit und an einem distalen Ende des Körpers angeordnet ist, und eine Verlängerung, die sich von dem distalen Ende des Körpers erstreckt, wobei die Verlängerung zum Vergleichmäßigen einer Geschwindigkeit des Abgasstroms über die Düsen (162) in mindestens zwei Richtungen ausgebildet ist.