DE112015005872T5

DE112015005872T5 - Direktgekoppeltes einmoduliges Nachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE112015005872T5
Application number: DE112015005872.9T
Authority: DE
Inventors: Yi Liu; Qiang Liu; Arvind V. Harinath; Changsheng C. Su; Behnam Bahrami; A. Carl McDonald; Stephen M. Holl
Original assignee: Cummins Emission Solutions Inc
Current assignee: Cummins Emission Solutions Inc
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-09-14
Also published as: US10436097B2; GB2547873A; CN107250498A; US20190353077A1; GB201710437D0; CN112901319A; CN112901319B; US10989096B2; CN107250498B; GB2547873B; US20180266300A1; WO2016109323A1

Abstract

Ein Nachbehandlungssystem schließt eine Filter- und Reduktionseinheit ein. Die Filter- und Reduktionseinheit umfasst ein Gehäuse, das ein Innenvolumen festlegt. Ein Filter ist im Innenvolumen angeordnet und konfiguriert, um Schwebstoffteilchen im Wesentlichen aus dem Abgas zu entfernen. Ein selektives katalytisches Reduktionssystem ist im Innenvolumen dem Filter nachgelagert angeordnet und ist konfiguriert, um einen Teil des Abgases selektiv zu reduzieren. Ein erster Katalysator ist formuliert, um mindestens einen Teil des Abgases zu oxidieren. Ein Ansaugrohr ist der Filter- und Reduktionseinheit vorgelagert angeordnet und konfiguriert, um das Abgas zur Filter- und Reduktionseinheit zu leiten. Der erste Katalysator ist im Ansaugrohr angeordnet. Ein Abgasrohr ist der Filter- und Reduktionseinheit nachgelagert angeordnet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber und den Vorteil der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/098.653, eingereicht am 31. Dezember 2014, mit dem Titel „Direktgekoppeltes einmoduliges Nachbehandlungssystem“, deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Abgas-Nachbehandlungssysteme zur Verwendung mit Verbrennungsmotoren (IC-Motoren).
HINTERGRUND
Während des Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsmotor (beispielsweise ein Dieselmotor) wird Schwefel gleichzeitig mit Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC), wie verschiedene Schwefeloxide (SO_x), gebildet. Üblicherweise beinhaltet 97–99 % der in dem Abgas vorhandenen Gesamtmenge an SO_x Schwefeldioxid (SO₂) und 1–3 % beinhaltet Schwefeltrioxid (SO₃). So neigen Kraftstoffe mit einem höheren Schwefelgehalt dazu, größere Mengen an SO₃ zu produzieren. Zum Beispiel kann ein Kraftstoff mit einem Schwefelgehalt von 1000 ppm etwa 1–3 ppm SO₃ bilden.
Abgas-Nachbehandlungssysteme werden zur Aufnahme und Behandlung von durch IC-Motoren erzeugtem Abgas verwendet. Herkömmliche Abgas-Nachbehandlungssysteme beinhalten eine beliebige Anzahl mehrerer unterschiedlicher Komponenten zum Reduzieren des Anteils an schädlichen Abgasemissionen in Abgas. Beispielsweise können bestimmte Abgas-Nachbehandlungssysteme für dieselbetriebene Verbrennungsmotoren einen selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (SCR) zur Umwandlung von NO_x (NO und NO₂ in geringfügigem Anteil) in harmloses Stickstoffgas (N₂) und Wasserdampf (H₂O) in Gegenwart von Ammoniak (NH₃) einschließen. Im Allgemeinen wird in solchen Nachbehandlungssystemen nach dem Stand der Technik ein Abgasreduktionsmittel (z. B. ein Dieselabgasfluid wie Harnstoff) in das Nachbehandlungssystem eingespritzt, um eine Ammoniakquelle bereitzustellen, und mit dem Abgas gemischt, um die SO_x und/oder NO_x-Gase teilweise zu reduzieren. Die Nebenprodukte der Reduktion des Abgases werden dann fluidisch an den Katalysator übermittelt, der in das SCR-Nachbehandlungssystem eingeschlossen ist, um im Wesentlichen alle SO_x- und NO_x-Gase in relativ harmlose Nebenprodukte zu zersetzen, die aus solchen SCR-Nachbehandlungssystemen nach dem Stand der Technik ausgestoßen werden.
Nachbehandlungssysteme nach dem Stand der Technik können auch einen oder mehrere Katalysatoren für die Vorbehandlung und/oder Nachbehandlung des Abgases einschließen. Beispielsweise können einige Nachbehandlungssysteme nach dem Stand der Technik für die Behandlung von Dieselabgas auch einen Dieseloxidationskatalysator und/oder einen Ammoniumoxidationskatalysator einschließen. Andere Komponenten können auch einen Filter einschließen. Jede dieser Komponenten ist in Nachbehandlungssystemen nach dem Stand der Technik innerhalb der Längenbeschränkungen des Nachbehandlungssystems angeordnet, die von den Maßen (z. B. Länge) der Maschine, die das Abgas erzeugt, auferlegt sind. Während es wünschenswert ist, dass die Verweilzeit des Abgases im SCR-System maximiert wird, können Längenbeschränkungen der Nachbehandlung die Maße der Komponenten des Nachbehandlungssystems begrenzen.
KURZFASSUNG
Hier beschriebene Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf Abgasnachbehandlungssysteme zur Verwendung mit Verbrennungsmotoren und insbesondere auf Abgasnachbehandlungssysteme, die einen ersten Oxidationskatalysator einschließen, der in einem Ansaugrohr des Nachbehandlungssystems angeordnet ist.
In einem ersten Satz von Ausführungsformen schließt ein Nachbehandlungssystem eine Filter- und Reduktionseinheit ein. Die Filter- und Reduktionseinheit umfasst ein Gehäuse, das ein Innenvolumen festlegt. Ein Filter ist im Innenvolumen angeordnet und konfiguriert, um Schwebstoffteilchen im Wesentlichen aus dem Abgas zu entfernen. Ein selektives katalytisches Reduktionssystem ist im Innenvolumen dem Filter nachgelagert angeordnet und ist konfiguriert, um einen Teil des Abgases selektiv zu reduzieren. Ein erster Katalysator ist formuliert, um mindestens einen Teil des Abgases zu oxidieren. Ein Ansaugrohr ist der Filter- und Reduktionseinheit vorgelagert angeordnet und konfiguriert, um das Abgas zur Filter- und Reduktionseinheit zu leiten. Der erste Katalysator ist im Ansaugrohr angeordnet. Ein Abgasrohr ist der Filter- und Reduktionseinheit nachgelagert angeordnet.
In bestimmten Ausführungsformen kann der erste Katalysator einen Dieseloxidationskatalysator einschließen. In anderen Ausführungsformen umfasst das Ansaugrohr ein erstes Ansaugrohr und ein zweites Ansaugrohr, sodass der erste Katalysator in jedem des ersten Ansaugrohrs und des zweiten Ansaugrohrs angeordnet ist. Das Nachbehandlungssystem kann auch einen zweiten Katalysator einschließen, der formuliert ist, um ein Abgasreduktionsmittel zu oxidieren. Der zweite Katalysator kann einen Ammoniumoxidationskatalysator einschließen. Der zweite Katalysator kann im Abgasrohr angeordnet sein.
In einem anderen Satz an Ausführungsformen umfasst ein Nachbehandlungssystem ein Gehäuse, das einen Einlass und einem Auslass einschließt und ein Innenvolumen festlegt. Ein Ansaugrohr ist fluidisch mit dem Einlass gekoppelt. Ein SCR-System ist im durch das Gehäuse festgelegten Innenvolumen angeordnet. Der erste Katalysator ist ferner im Ansaugrohr angeordnet.
In noch einem anderen Satz von Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Vergrößern eines Raums, der innerhalb eines Gehäuses eines Nachbehandlungssystems verfügbar ist, das ein Innenvolumen festlegt, ein Positionieren eines selektiven katalytischen Reduktionssystems innerhalb des vom Gehäuse festgelegten Innenvolumens. Ein Ansaugrohr ist fluidisch mit einem Einlass des Gehäuses gekoppelt. Der erste Katalysator ist ferner im Ansaugrohr angeordnet.
Es sei klargestellt, dass alle Kombinationen der vorstehenden Konzepte und weiterer Konzepte, die nachfolgend eingehender erörtert werden (vorausgesetzt, dass diese Konzepte nicht gegenseitig unvereinbar sind), als Teil des hierin offenbarten, erfindungsgemäßen Gegenstands erachtet werden. Insbesondere werden alle Kombinationen des beanspruchten Gegenstands, die am Ende dieser Offenbarung aufgeführt sind, als Teil des hierin offenbarten, erfindungsgemäßen Gegenstands erachtet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden und weiteren Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden Beschreibung und beigefügten Ansprüche deutlicher, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zu lesen sind. Unter der Voraussetzung, dass diese Zeichnungen nur einige Implementierungen entsprechend der Offenlegung darstellen und diese darum nicht als beschränkend in dem Umfang anzusehen sind, wird die Offenlegung mit zusätzlicher Genauigkeit und Detail mittels der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Nachbehandlungssystems, das einen ersten Katalysator und optional einen zweiten Katalysator gemäß einer Ausführungsform beinhaltet.
2 ist eine Seitenquerschnittsansicht eines Nachbehandlungssystems gemäß einer anderen Ausführungsform.
3 ist eine Seitenquerschnittsansicht eines Nachbehandlungssystems gemäß noch einer anderen Ausführungsform.
4 ist ein schematisches Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Vergrößern eines Raums, der innerhalb eines Innenvolumens verfügbar ist, das von einem Gehäuse eines Nachbehandlungssystems festgelegt ist, zum darin Aufnehmen verschiedener Nachbehandlungskomponenten.
In der gesamten, folgenden, ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen kennzeichnen ähnliche Symbole normalerweise ähnliche Komponenten, sofern der Kontext nichts anderes vorgibt. Die veranschaulichenden Ausführungen, die in der ausführlichen Beschreibung, in den Zeichnungen und Ansprüchen beschrieben sind, sind nicht einschränkend gedacht. Andere Ausführungen können genutzt werden, und es können andere Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken oder Schutzbereich des hier vorgestellten Gegenstands abzuweichen. Es wird vorausgesetzt, dass die Aspekte der vorliegenden Offenlegung wie allgemein hier beschrieben und in den Zeichnungen illustriert, in vielen verschiedenen Konfigurierungen angeordnet, ersetzt, kombiniert und konzipiert werden können, die alle ausdrücklich berücksichtigt sind und Teil dieser Offenlegung sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Hier beschriebene Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf Abgasnachbehandlungssysteme zur Verwendung mit Verbrennungsmotoren und insbesondere auf Abgasnachbehandlungssysteme, die einen Oxidationskatalysator einschließen, der in einem Ansaugrohr des Nachbehandlungssystems angeordnet ist. Die hier beschriebenen Ausführungsformen können bestimmte Vorteile bieten, wie beispielsweise: (1) Anordnen eines ersten Oxidationskatalysators in einem Ansaugrohr, wodurch mehr Raum erlaubt wird, damit ein SCR-Systemfilter und/oder ein Statikmischer innerhalb des Nachbehandlungssystems angeordnet wird; (2) Anordnen eines zweiten Oxidationskatalysators in einem Abgasrohr, wodurch noch mehr Raum zum Anordnen des SCR-Systems, Filters und/oder Statikmischers innerhalb des Nachbehandlungssystems bereitgestellt wird; (3) Zulassen einer Erhöhung bei den Maßen (z. B. Länge und/oder Breite) des SCR-Systems und/oder Statikmischers relativ zu Nachbehandlungssystemen nach dem Stand der Technik ohne Vergrößern der Gesamtlänge des Nachbehandlungssystems; (4) Verlängern der Verweilzeit des Abgases oder der Abgas-/Abgasreduktionsmittel-Mischung innerhalb des Nachbehandlungssystems, was zu besserer Mischung, erhöhter Effizienz der SCR-Katalysatoren, höheren Temperaturen, weniger Ablagerungen und/oder geringerem Gegendruck führen kann; (5) Reduzieren des Wärmeverlustes, wodurch die Menge und Kosten von Isolierung reduziert werden; und (6) Bereitstellen von besserer Verteilung der Schwebstoffe (z. B. Ruß), die im Abgas, das durch das Nachbehandlungssystem fließt, mitgenommen werden.
1 zeigt ein Abgasnachbehandlungssystem 100 zur Behandlung eines Abgases (z.B. eines Dieselabgases), das von einem Verbrennungsmotor (z.B. einem Dieselmotor) erzeugt wird. Das Nachbehandlungssystem 100 schließt ein Ansaugrohr 102, einen ersten Katalysator 110, eine Filter- und Reduktionseinheit 118, die einen Filter 120 und ein selektives katalytisches Reduktionssystem (SCR) 150 einschließt, und ein Abgasrohr 180 ein. Das Nachbehandlungssystem 100 kann optional auch einen zweiten Katalysator 170 einschließen.
Das Ansaugrohr 102 ist der Filter- und Reduktionseinheit 118 vorgelagert angeordnet. Das Ansaugrohr 102 ist so konfiguriert, dass es ein Abgas (z. B. ein Dieselabgas) von einem Verbrennungsmotor (z. B. einem Dieselmotor) aufnimmt und das Abgas zur Filter- und Reduktionseinheit 118 leitet. Das Ansaugrohr 102 kann aus festem, steifem, wärme- und/oder korrosionsbeständigem Material wie Metallen (z. B. Edelstahl, Aluminiumlegierungen usw.), Keramik, jeglichem anderen geeigneten Material oder einer Kombination davon hergestellt sein. Das Ansaugrohr 102 kann einen geeigneten Querschnitt, beispielsweise einen kreisförmigen, quadratischen, rechteckigen, polygonalen, ovalen oder jeglichen anderen geeigneten Querschnitt aufweisen.
Der erste Katalysator 110, beispielsweise ein erster Oxidationskatalysator, ist formuliert, um mindestens einen Teil des Abgases, das durch den ersten Katalysator 120 fließt, zu oxidieren. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen das Abgas ein Dieselabgas ist, kann der erste Katalysator 120 beispielsweise einen Dieseloxidationskatalysator einschließen. Der Dieseloxidationskatalysator kann formuliert sein, um Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und/oder Schwebstoffe, die in dem Abgasstrom enthalten sind, zu oxidieren. Darüber hinaus kann der Dieseloxidationskatalysator formuliert sein, um eine niedrige Anspringtemperatur und/oder eine hohe Toleranz für Schwefel (z. B. SOx-Gase, die in dem Abgas enthalten sind) aufzuweisen. Geeignete Dieseloxidationskatalysatoren können beispielsweise Platin, Palladium, Aluminiumoxid oder eine Kombination davon einschließen.
Der erste Katalysator 110 ist innerhalb eines Strömungspfads angeordnet, der durch das Ansaugrohr 102 festgelegt ist. In einer Ausführungsformen kann der erste Katalysator 110 fest in dem Ansaugrohr 102 angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen kann der erste Katalysator 110 herausnehmbar in dem Ansaugrohr 102 angeordnet sein, beispielsweise um einen Austausch des ersten Katalysators 110 ohne einen Austausch des Ansaugrohrs 102 zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen kann das Ansaugrohr 102 sich in eine Mehrzahl von Ansaugrohren teilen oder anderweitig spalten, von denen jedes fluidisch mit der Filter- und Reduktionseinheit 118 verbunden ist. Anders ausgedrückt kann das Ansaugrohr 102 den Abgasstrom in eine Mehrzahl von Mengen teilen, die dann an die Filter- und Reduktionseinheit 118 geliefert werden. In derartigen Ausführungsformen kann der erste Katalysator 110 in jedem der Mehrzahl von Ansaugrohren angeordnet sein, die in die Filter- und Reduktionseinheit 118 führen. In einer Ausführungsformen kann sich das Ansaugrohr 102 beispielsweise in ein erstes Ansaugrohr und ein zweites Ansaugrohr teilen und der erste Katalysator 110 kann in jedem des ersten Ansaugrohrs und des zweiten Ansaugrohrs angeordnet sein. Eine Mehrzahl von Temperatursensoren kann auch in dem Ansaugrohr 102 angeordnet sein, um eine Temperatur des Abgases an verschiedenen Orten innerhalb des Ansaugrohrs (z. B. bevor Berühren des ersten Katalysators 110 und/oder nach Strömen durch den ersten Katalysator 110) zu messen.
Die Filter- und Reduktionseinheit 118 schließt ein Gehäuse (nicht gezeigt) ein, das ein Innenvolumen festlegt. Das Gehäuse kann aus einem beliebigen, geeigneten Material gebildet sein, zum Beispiel aus Metallen oder Keramiken. Das Gehäuse kann einen beliebigen geeigneten Querschnitt, beispielsweise einen kreisförmigen, quadratischen, rechteckigen, polygonalen, elliptischen oder jeglichen anderen geeigneten Querschnitt bestimmen.
Der Filter 120 ist im durch das Gehäuse festgelegten Innenvolumen angeordnet. Der Filter 120 ist dafür eingerichtet, den Abgasstrom (z. B. ein Dieselabgas) von dem Ansaugrohr 102 zu empfangen. Der Filter 120 kann jeden geeigneten Filter (z. B. einen Dieselpartikelfilter) einschließen, der dafür eingerichtet ist, jegliche Schwebstoffteilchen, die in dem Abgasstrom mitgerissen werden, herauszufiltern und zu entfernen und zu verhindern, dass derartige Schwebstoffteilchen in das SCR-System 150 eintreten. Solche Partikel können zum Beispiel Staub, Ruß, organische Partikel, Kristalle oder andere feste Partikel beinhalten, die in dem Abgas enthalten sind. Der Filter 120 kann ein Filtergehäuse einschließen, das aus einem festen und starren Material, wie beispielsweise hochdichtes Polypropylen (HDPP), hergestellt ist und das ein Innenvolumen festlegen kann, um ein Filterelement zu beherbergen. Jedes geeignete Filterelement kann verwendet werden, wie beispielsweise ein Baumwollfilterelement, ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-(ABS-)Filterelement, ein beliebiges anderes geeignetes Filterelement oder eine Kombination davon. Das Filterelement kann eine beliebige geeignete Porengröße aufweisen, beispielsweise etwa 10 Mikron, etwa 5 Mikron oder etwa 1 Mikron.
Ein oder mehrere Temperatursensoren können in oder anderweitig nahe dem Filter 120 (z. B. am Eingang des Filters 120) angeordnet sein, um die Temperatur des Abgases zu messen. Ferner kann auch ein Drucksensor auf dem Filter 120 angeordnet sein, um jegliche Druckveränderungen des durch den Filter 120 strömenden Abgases zu messen. In einigen Ausführungsformen kann der Drucksensor einen Differenzialdrucksensor einschließen, der über den Filter 120 angeordnet ist, um einen Differenzialdruck darüber zu bestimmen. In anderen Ausführungsformen kann der Drucksensor einen ersten Drucksensor, der dem Filter 120 vorgelagert positioniert ist, und einen zweiten Drucksensor, der dem Filter 120 nachgelagert positioniert ist, einschließen. Der erste Drucksensor misst einen ersten Druck vor dem Filter 120 und der zweite Drucksensor misst einen zweiten Druck nach dem Filter 120. Die Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck stellt den Druckabfall über den Filter 120 dar. Änderung des Drucks des Abgases oder der Druckabfall über den Filter 120 kann beispielsweise Informationen zu der Menge der innerhalb des Filters 110 eingefangenen Schwebstoffteilchen und/oder der verbleibenden Lebensdauer des Filters 110 bereitstellen. Eine Änderung des Abgasdrucks über einem vorbestimmten Schwellenwert kann beispielsweise anzeigen, dass der Filter 120 beträchtlich verstopft ist und ersetzt werden sollte.
In einigen Ausführungsformen kann auch ein Statikmischer (nicht gezeigt) in dem Nachbehandlungssystem 100 eingeschlossen sein. In derartigen Ausführungsformen kann der Statikmischer innerhalb des Innenvolumens angeordnet sein, das von dem Gehäuse festgelegt wird. Der Statikmischer kann dem Filter 120 nachgelagert und dem SCR-System 150 vorgelagert angeordnet sein und so konfiguriert sein, dass er den Filter 120 fluidisch mit dem SCR-System 150 koppelt. Der Statikmischer kann ein Statikmischergehäuse einschließen, das ein Innenvolumen bestimmt. Eine Einspritzöffnung kann auf einer Seitenwand des Statikmischergehäuses angeordnet sein und dafür eingerichtet sein, ein Abgasreduktionsmittel in den Statikmischer zu leiten. Bei einigen Ausführungsformen kann das Abgas ein Dieselabgas beinhalten und das Abgasreduktionsmittel kann ein Dieselabgas-Fluid beinhalten. Das Diesel-Emissions-Fluid kann Harnstoff, eine wässrige Harnstofflösung oder jedes andere Ammoniak enthaltende Fluid, Nebenprodukte oder beliebige andere Diesel-Emissions-Fluide umfassen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind (z. B. das Diesel-Emissions-Fluid, das unter dem Namen ADBLUE^® vermarktet wird).
Der Statikmischer kann strukturiert sein, um effizientes Mischen des Abgasreduktionsmittels mit dem Abgas zu ermöglichen, bevor das Abgas in das SCR-System 150 geleitet wird. Der Statikmischer kann jegliche geeignete Strukturen enthalten, wie beispielsweise Durchgänge, Störkörper, Leitwände, Trennwände oder jegliche andere Elemente oder Strukturen, um das Mischen des Abgasreduktionsmittels mit dem Abgas zu erleichtern.
Das SCR-System 150 ist innerhalb des Innenvolumens angeordnet, das von dem Gehäuse der Filter- und Reduktionseinheit 118 bestimmt ist. Das SCR-System 150 ist dem Filter 120 nachgelagert angeordnet und dafür ausgelegt, ein Abgas (z. B. ein Dieselabgas) zu behandeln, das durch das SCR-System 150 strömt. Das SCR-System 150 ist dafür konfiguriert, einen Teil des Abgases selektiv zu reduzieren. Das Abgasreduktionsmittel kann beispielsweise mit dem Abgas reagieren, um eine oder mehrere Komponenten des Gases (z. B. SOx und NOx) zumindest teilweise zu reduzieren oder die Reduktion einer oder mehrerer Komponenten in Gegenwart eines oder mehrerer Katalysatoren, die im SCR-System 150 enthalten sind, zu fördern. Ein oder mehrere Temperatursensoren können auch im SCR-System 150 angeordnet sein, um eine Temperatur des Abgases zu messen.
Das SCR-System 150 umfasst einen oder mehrere Katalysatoren, die dafür ausgelegt sind, das Abgas selektiv zu reduzieren. Es kann jeder beliebige, geeignete Katalysator verwendet werden, wie beispielsweise ein platin-, palladium-, rhodium-, cer-, eisen-, mangan-, kupfer-, vanadiumbasierter Katalysator, jeder beliebige, andere, geeignete Katalysator, oder eine Kombination daraus. Der Katalysator kann auf einem geeigneten Substrat angeordnet sein, wie beispielsweise einem keramischen (z. B. Cordierit) oder metallischen (z. B. Kanthal) Monolithkern, der beispielsweise eine Wabenstruktur aufweisen kann. Ein Washcoat (Zwischenschicht) kann ebenfalls als ein Trägermaterial für die Katalysatoren verwendet werden. Solche Washcoat-Materialien können beispielsweise Aluminiumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, jedes andere geeignete Washcoat-Material, oder eine Kombination daraus einschließen. Das Abgas (z. B. Diesel-Abgas) kann derart über und um den Katalysator strömen, dass alle im Abgas enthaltenen SOx- oder NOx-Gase weiter reduziert werden, sodass ein Abgas entsteht, das im Wesentlichen frei von Kohlenmonoxid und SOx- oder NOx-Gasen ist.
Das Abgasrohr 180 ist der Filter- und Reduktionseinheit 118 nachgelagert angeordnet. Das Abgasrohr 180 kann aus im Wesentlichen denselben Materialien wie das Ansaugrohr 102 gebildet sein. Das Abgasrohr 180 ist konfiguriert, um das behandelte Abgas (oder anderweitige Mischung aus behandeltem Abgas und jeglichem überflüssigem Abgasreduktionsmittel (z. B. Harnstoff) oder seinen Nebenprodukten (z. B. Ammoniak)) aufzunehmen und an die äußere Umgebung abzugeben. Ein oder mehrere Sensoren können auch im Abgasrohr 180 angeordnet sein, um eine Konzentration von einer oder mehr Komponenten des Abgases zu messen. In einigen Ausführungsformen, in denen das Abgas ein Dieselabgas einschließt, können beispielsweise NOx-Sensoren, SOx-Sensoren und/oder Abgasreduktionsmittelsensoren (z. B Ammoniak) im Abgasrohr 180 angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen kann das Nachbehandlungssystem 100 auch einen zweiten Katalysator 170 (z. B. einen zweiten Oxidationskatalysator) einschließen. In einer Ausführungsform kann der zweite Katalysator 170 im vom Gehäuse der Filter- und Reduktionseinheit 118 bestimmten Innenvolumen dem SCR-System 150 nachgelagert und dem Abgasrohr 180 vorgelagert angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen kann der zweite Katalysator 170 in dem Abgasrohr 180 angeordnet sein.
Der zweite Katalysator 170 kann formuliert sein, um jegliches überflüssiges Abgasreduktionsmittel, das im das SCR-System 150 verlassenden Abgas enthalten ist, zu oxidieren. Beispielsweise kann das Abgasreduktionsmittel ein Dieselabgasfluid (z. B. eine wässrige Lösung aus Harnstoff, wie hierin beschrieben) sein, das eine Ammoniakquelle zum Teilnehmen an der selektiven katalytischen Reduktion im SCR-System 150 bereitstellt. In derartigen Ausführungsformen kann der zweite Katalysator 170 einen Ammoniumoxidationskatalysator einschließen, der zum Oxidieren von Ammoniak zu Stickstoff formuliert ist. Geeignete Katalysatoren können Platin, Palladium, Iridium, Ruthenium, Silber, Metalloxide (z. B. Co₃O₄, MnO₂, V₂O₅ usw.), Ni, Fe und/oder Mn, gestützt auf Al₂O₃, CuO/Al₂O₃, Fe₂O₃/Al₂O₃, Fe₂O₃/TiO₂, Fe₂O₃/ZrO₂, Zeolite (z. B. Mordenit, Ferrierit, Chabazit), jeglichen anderen geeigneten Ammoniakoxidationskatalysator oder eine Kombination davon einschließen.
Wie hierin beschrieben ist der erste Katalysator 110 im Ansaugrohr 102 angeordnet. Ferner kann der zweite Katalysator 170 auch in dem Abgasrohr 180 angeordnet sein. Dies kann ermöglichen, dass ein Maß (z. B. eine Länge) der Filter- und Reduktionseinheit 118 (z. B. das Gehäuse der Filter- und Reduktionseinheit 118 oder eine Länge des Filters 120 und/oder des SCR-Systems 150) vergrößert werden kann, ohne das Gesamtmaß (z. B. Länge) des Gehäuses der Filter- und Reduktionseinheit 118 des Nachbehandlungssystems 100 zu vergrößern.
Der Abstand zwischen einem Auslass des Ansaugrohrs (d. h. das Ende, das mit dem Gehäuse des Nachbehandlungssystems 100 verbunden ist) und einem Einlass des Abgasrohrs (d. h. das Ende, das mit dem Gehäuse des Nachbehandlungssystems 100 verbunden ist) bestimmt die Länge eines Körpers eines Nachbehandlungssystems, beispielsweise das Gehäuse der Filter- und Reduktionseinheit 118. In Nachbehandlungssystemen nach dem Stand der Technik ist jede Komponente des Nachbehandlungssystems, beispielsweise ein erster Katalysator (z. B. ein Dieseloxidationskatalysator), ein Filter (z. B. ein Dieselpartikelfilter), ein Mischer, ein SCR-System und/oder der zweite Katalysator (z. B. ein Ammoniumoxidationskatalysator) zwischen dem Ansaugrohr und dem Abgasrohr angeordnet. Dies erzeugt eine Grenze für die Länge des SCR-Systems, des Filters und des Statikmischers.
Demgegenüber erlaubt das Nachbehandlungssystem 100, dass der erste Katalysator 110 innerhalb des Ansaugrohrs 102 angeordnet ist und der zweite Katalysator 170 innerhalb des Abgasrohrs 180 angeordnet ist. Auf diese Weise bleibt der Abstand zwischen dem Auslass des Ansaugrohrs 102 und dem Einlass des Abgasrohrs 180 gleich, aber jetzt ist die gesamte Länge des Gehäuses der Filter- und Reduktionseinheit 118 zum Anordnen des Filters 120, des Statikmischers und des SCR-Systems 150 verfügbar. Dies ermöglicht, dass eine Länge der Filter- und Reduktionseinheit 118 (d. h. die Länge des SCR-Systems 150, des Statikmischers und/oder des Filters 110) relativ zu Nachbehandlungssystemen nach dem Stand der Technik vergrößert ist.
Die vergrößerte Länge kann die Verweilzeit des Abgases (oder anderweitig einer Mischung des Abgases und des Abgasreduktionsmittels) innerhalb des Filters 110, des Statikmischers und/oder des SCR-Systems 150 verlängern. Die verlängerte Verweilzeit kann mehrere Vorteile bereitstellen, beispielsweise effizienteres Mischen des Abgasreduktionsmittels mit dem Abgas, effizientere Reduktion der SOx- und/oder NOx-Gase, die im Abgas (z. B. Dieselabgas) enthalten sind, erhöhte Temperatur und/oder reduzierter Gegendruck. Ferner kann Positionieren des ersten Katalysators 110 im Ansaugrohr 102 Wärmeverlust verhindern, indem die Nutzung der Wärme der Oxidationsreaktion erlaubt wird, die in oder auf dem ersten Katalysator 110 (z. B. innerhalb von Poren, die vom ersten Katalysator 110 bestimmt werden, oder auf einer Oberfläche des ersten Katalysators 110) stattfindet.
2 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht eines Nachbehandlungssystems 200, das zur Behandlung eines Abgases (z. B. eines Dieselabgases), das von einem Verbrennungsmotor (z. B. einem Dieselmotor) erzeugt wird, verwendet werden kann. Das Nachbehandlungssystem 200 schließt ein Ansaugrohr 202, einen ersten Katalysator 210, eine Filter- und Reduktionseinheit 218, die einen Filter 220, einen Statikmischer 230 und ein SCR-System 250 einschließt, einen zweiten Katalysator 270 und ein Abgasrohr 280 ein.
Das Ansaugrohr 202 ist der Filter- und Reduktionseinheit 218 vorgelagert angeordnet und ist so konfiguriert, dass es ein Abgas (z. B. ein Dieselabgas) von einem Verbrennungsmotor (z. B. einem Dieselmotor) aufnimmt und das Abgas zum Filter 220 leitet. Das Ansaugrohr 202 kann aus festem, steifem, wärme- und/oder korrosionsbeständigem Material wie Metallen (z. B. Edelstahl, Aluminiumlegierungen usw.), Keramik, jeglichem anderen geeigneten Material oder einer Kombination davon hergestellt sein. Das Ansaugrohr 202 kann einen geeigneten Querschnitt, beispielsweise einen kreisförmigen, quadratischen, rechteckigen, polygonalen, ovalen oder jeglichen anderen geeigneten Querschnitt aufweisen.
Der erste Katalysator 210 ist formuliert, um mindestens einen Teil des Abgases, das durch den ersten Katalysator 210 strömt, zu oxidieren. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen das Abgas ein Dieselabgas ist, kann der erste Katalysator 210 beispielsweise einen Dieseloxidationskatalysator einschließen. Der Dieseloxidationskatalysator kann formuliert sein, um Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und/oder Schwebstoffe, die in dem Abgasstrom enthalten sind, zu oxidieren. Darüber hinaus kann der Dieseloxidationskatalysator formuliert sein, um eine niedrige Anspringtemperatur und eine hohe Toleranz für Schwefel (z. B. SOx-Gase, die in dem Abgas enthalten sind) aufzuweisen. Geeignete Dieseloxidationskatalysatoren können beispielsweise Platin, Palladium, Aluminiumoxid oder eine Kombination davon einschließen.
Wie in 2 gezeigt, ist der erste Katalysator 210 innerhalb eines Strömungspfads angeordnet, der durch das Ansaugrohr 202 festgelegt ist. Der erste Katalysator 210 kann fest oder herausnehmbar in dem Strömungspfad angeordnet sein, beispielsweise um einen Austausch des ersten Katalysators 210 ohne einen Austausch des Ansaugrohrs 202 zu ermöglichen. Ein erster Temperatursensor 216a ist im Ansaugrohr 202 dem ersten Katalysator 210 vorgelagert angeordnet und ein zweiter Temperatursensor 216b ist ebenfalls im Ansaugrohr 202 dem ersten Katalysator 210 nachgelagert angeordnet.
Der erste Temperatursensor 216a und der zweite Temperatursensor 216b sind konfiguriert, um die Temperatur des Abgases zu messen, das in das Ansaugrohr 202 eintritt bzw. das Ansaugrohr 202 verlässt, nachdem es durch den ersten Katalysator 210 geströmt ist.
Die Filter- und Reduktionseinheit 218 schließt ein Gehäuse 219 ein, das ein Innenvolumen definiert. Das Gehäuse 219 kann aus einem beliebigen, geeigneten Material gebildet sein, zum Beispiel aus Metallen oder Keramiken. Das Gehäuse 219 kann darüber hinaus einen geeigneten Querschnitt, beispielsweise einen kreisförmigen, quadratischen, rechteckigen, polygonalen, elliptischen oder jeglichen anderen geeigneten Querschnitt bestimmen.
Der Filter 220 ist im durch das Gehäuse 219 festgelegten Innenvolumen angeordnet. Der Filter 220 ist dem Ansaugrohr 202 nachgelagert und dem Statikmischer 230 vorgelagert angeordnet. Der Filter 220 ist dafür eingerichtet, den Abgasstrom (z. B. ein Dieselabgas) von dem Ansaugrohr 202 zu empfangen. Der Filter 220 kann jeden geeigneten Filter (z. B. einen Dieselpartikelfilter) einschließen, der dafür eingerichtet ist, jegliche Schwebstoffteilchen, die in dem Abgasstrom mitgerissen werden, herauszufiltern und zu entfernen und zu verhindern, dass derartige Schwebstoffteilchen in das SCR-System 250 eintreten. Solche Partikel können zum Beispiel Staub, Ruß, organische Partikel, Kristalle oder andere feste Partikel beinhalten, die in dem Abgas enthalten sind. Der Filter 220 kann ein Filtergehäuse einschließen, das aus einem festen und starren Material, wie beispielsweise hochdichtes Polypropylen (HDPP), hergestellt ist und das ein Innenvolumen festlegen kann, um ein Filterelement zu beherbergen. Jedes geeignete Filterelement kann verwendet werden, wie beispielsweise ein Baumwollfilterelement, ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-(ABS-)Filterelement, ein beliebiges anderes geeignetes Filterelement oder eine Kombination davon. Das Filterelement kann eine beliebige geeignete Porengröße aufweisen, beispielsweise etwa 10 Mikron, etwa 5 Mikron oder etwa 1 Mikron.
Ein Temperatursensor 226 ist nahe einem Einlass des Filters 220 angeordnet und konfiguriert, um eine Temperatur des in den Filter 220 strömenden Abgases zu messen. Ein Drucksensor 222 ist über dem Filter 220 angeordnet und kann beispielsweise einen Differenzialdrucksensor einschließen. Der Drucksensor 222 ist konfiguriert, um einen Differenzialdruck oder einen Druckabfall des durch den Filter 220 strömenden Abgases zu messen. Der Drucksensor 222 kann beispielsweise verwendet werden, um eine Leistungseffizienz oder anderweitig verbleibende Lebensdauer des Filters 220 zu bestimmen. Beispielsweise kann ein Abfall des Abgasdrucks über einem vorbestimmten Schwellenwert anzeigen, dass der Filter 220 verstopft ist und/oder ersetzt werden muss.
Der Statikmischer 230 ist in dem vom Gehäuse 219 bestimmten Innenvolumen dem Filter 220 nachgelagert und dem SCR-Systems 250 vorgelagert angeordnet und koppelt den Filter 220 fluidisch mit dem SCR-System 250. Der Statikmischer 230 kann ein Statikmischergehäuse einschließen, das ein Innenvolumen bestimmt. Eine Einspritzöffnung 240 ist auf einer Seitenwand des Statikmischers 230 angeordnet und dafür eingerichtet, ein Abgasreduktionsmittel in den Statikmischer 230 zu leiten. Bei einigen Ausführungsformen kann das Abgas ein Dieselabgas beinhalten und das Abgasreduktionsmittel kann ein Dieselabgas-Fluid beinhalten. Das Diesel-Emissions-Fluid kann Harnstoff, eine wässrige Harnstofflösung oder jedes andere Ammoniak enthaltende Fluid, Nebenprodukte oder beliebige andere Diesel-Emissions-Fluide umfassen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind (z. B. das Diesel-Emissions-Fluid, das unter dem Namen ADBLUE® vermarktet wird). Ein Temperatursensor 236 ist nahe einem Einlass des Statikmischers 230 angeordnet. Der Temperatursensor 236 kann konfiguriert sein, um eine Temperatur des in den Statikmischer 230 strömenden Abgases zu messen.
Der Statikmischer 230 ist strukturiert, um effizientes Mischen des Abgasreduktionsmittels mit dem Abgas zu ermöglichen, bevor das Abgas in das SCR-System 250 geleitet wird. Der Statikmischer 230 kann jegliche geeignete Strukturen enthalten, wie beispielsweise Durchgänge, Störkörper, Leitwände, Trennwände oder jegliche andere Elemente oder Strukturen, um das Mischen des Reduktionsmittels mit dem Abgas zu erleichtern, die Verweilzeit zu verlängern, die Temperatur zu erhöhen, Ablagerung des Abgasreduktionsmittels zu verringern und/oder Gegendruck zu reduzieren.
Das SCR-System 250 ist innerhalb des vom Gehäuse 219 definierten Innenvolumens dem Statikmischer 230 nachgelagert angeordnet und dafür ausgelegt, ein Abgas (z. B. ein Dieselabgas) zu behandeln, das durch das SCR-System 250 strömt. Das SCR-System 250 ist dafür konfiguriert, einen Teil des Abgases selektiv zu reduzieren. Das Abgasreduktionsmittel reagiert beispielsweise in Gegenwart der Katalysatoren, die im SCR-System 250 enthalten sind, mit dem Abgas, um eine oder mehrere Komponenten des Gases (z. B. SOx- und/oder NOx-Gase) zumindest teilweise zu reduzieren oder die Reduktion einer oder mehrerer Komponenten in Gegenwart eines oder mehrerer Katalysatoren zu fördern. Ein Temperatursensor 256 ist nahe einem Auslass des SCR-Systems 250 angeordnet. Der Temperatursensor 256 kann konfiguriert sein, um eine Temperatur des aus der Filter- und Reduktionseinheit 218 in das Abgasrohr 280 strömenden Abgases zu messen.
Das SCR-System 250 umfasst einen oder mehrere Katalysatoren, die dafür ausgelegt sind, das Abgas selektiv zu reduzieren. Es kann jeder beliebige, geeignete Katalysator verwendet werden, wie beispielsweise ein platin-, palladium-, rhodium-, cer-, eisen-, mangan-, kupfer-, vanadiumbasierter Katalysator, jeder beliebige, andere, geeignete Katalysator, oder eine Kombination daraus. Der Katalysator kann auf einem geeigneten Substrat angeordnet sein, wie beispielsweise einem keramischen (z. B. Cordierit) oder metallischen (z. B. Kanthal) Monolithkern, der beispielsweise eine Wabenstruktur aufweisen kann. Ein Washcoat (Zwischenschicht) kann ebenfalls als ein Trägermaterial für die Katalysatoren verwendet werden. Solche Washcoat-Materialien können beispielsweise Aluminiumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, jedes andere geeignete Washcoat-Material, oder eine Kombination daraus einschließen. Das Abgas (z. B. Diesel-Abgas) kann derart über und um den Katalysator strömen, dass alle im Abgas enthaltenen SOx- oder NOx-Gase weiter reduziert werden, sodass ein Abgas entsteht, das im Wesentlichen frei von Kohlenmonoxid und SOx- oder NOx-Gasen ist.
Das Abgasrohr 280 ist der Filter- und Reduktionseinheit 218 nachgelagert angeordnet. Das Abgasrohr 280 kann aus im Wesentlichen denselben Materialien wie das Ansaugrohr 202 gebildet sein. Das Abgasrohr 280 ist konfiguriert, um das behandelte Abgas (oder anderweitige Mischung des behandelten Abgases und jegliches überflüssiges Abgasreduktionsmittel (z. B. Harnstoff) oder seine Nebenprodukte (z. B. Ammoniak)) aufzunehmen und an die äußere Umgebung abzugeben.
Der zweite Katalysator 270 ist in dem Abgasrohr 280 angeordnet. Der zweite Katalysator 270 kann konfiguriert sein, um jegliches überflüssiges Abgasreduktionsmittel, das im das SCR-System 250 verlassenden Abgas verbleibt, zu oxidieren.
In einigen Ausführungsformen kann das Abgasreduktionsmittel ein Dieselabgasfluid (z. B. eine wässrige Lösung aus Harnstoff, wie hierin beschrieben) sein, das eine Ammoniakquelle zum Teilnehmen an der selektiven katalytischen Reduktion im SCR-System 250 bereitstellt. In derartigen Ausführungsformen kann der zweite Katalysator 270 einen Ammoniumoxidationskatalysator einschließen, der zum Oxidieren von Ammoniak zu Stickstoff formuliert ist. Geeignete Katalysatoren können Platin, Palladium, Iridium, Ruthenium, Silber, Metalloxide (z. B. Co₃O₄, MnO₂, V₂O₅ usw.), Ni, Fe und/oder Mn, gestützt auf Al₂O₃, CuO/Al₂O₃, Fe₂O₃/Al₂O₃, Fe₂O₃/TiO₂, Fe₂O₃/ZrO₂, Zeolite (z. B. Mordenit, Ferrierit, Chabazit), jeglichen anderen geeigneten Ammoniakoxidationskatalysator oder eine Kombination davon einschließen.
Ein Temperatursensor 276 ist in dem Abgasrohr 280 angeordnet und konfiguriert, um eine Temperatur des Abgases zu messen, das das Abgasrohr 280 nach Strömen durch den zweiten Katalysator 270 verlässt. Ferner sind auch ein erster Gassensor 272 und ein zweiter Gassensor 274 in dem Abgasrohr 280 angeordnet, die konfiguriert sein können, um eine Konzentration eines Teils eines Gases zu messen, das in dem das Abgasrohr 280 verlassenden Abgas enthalten ist. In einigen Ausführungsformen kann das Abgas ein Dieselabgas sein. In derartigen Ausführungsformen kann der erste Gassensor 272 einen NOx-Sensor und/oder einen SOx-Sensor einschließen, die konfiguriert sind, um eine Konzentration von NOx- und/oder SOx-Gasen zu messen, die in dem das Abgasrohr 280 verlassenden Abgas enthalten sind. Darüber hinaus kann der zweite Gassensor 274 einen Ammoniaksensor einschließen, der konfiguriert ist, um eine Ammoniakkonzentration in dem Abgas (z. B. ein Zerfallsprodukt eines Dieselabgasfluids wie Harnstoff) zu messen.
Wie hierin beschrieben ist der erste Katalysator 210 in dem Ansaugrohr 202 angeordnet und der zweite Katalysator 270 in dem Abgasrohr 280 angeordnet. Dies kann ermöglichen, dass ein Maß (z. B. eine Länge) des SCR-Systems 250, des Statikmischers 230 und/oder des Filters 220 vergrößert werden kann, ohne das Gesamtmaß (z. B. Länge) der Filter- und Reduktionseinheit 218 zu vergrößern. Auf diese Weise kann die Filter- und Reduktionseinheit 218 verlängerte Verweilzeit des Abgases, höhere Temperatur des Abgases, effektivere Entfernung der NOx- und SOx-Gase vom Abgas und/oder reduzierten Gegendruck bereitstellen.
3 ist eine Seitenquerschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Nachbehandlungssystems 300, das zur Behandlung eines Abgases (z. B. eines Dieselabgases), das von einem Verbrennungsmotor (z. B. einem Dieselmotor) erzeugt wird, verwendet werden kann. Das Nachbehandlungssystem 300 schließt ein Ansaugrohr 302, einen ersten Katalysator 310, eine Filter- und Reduktionseinheit 318, die einen Filter 320, einen Statikmischer 330 und ein SCR-System 350 einschließt, einen zweiten Katalysator 370 und ein Abgasrohr 380 ein.
Das Ansaugrohr 302 ist der Filter- und Reduktionseinheit 318 vorgelagert angeordnet und ist so konfiguriert, dass es ein Abgas (z. B. ein Dieselabgas) von einem Verbrennungsmotor (z. B. einem Dieselmotor) aufnimmt und das Abgas zur Filter- und Reduktionseinheit 318 leitet. Das Ansaugrohr 302 kann aus festem, steifem, wärme- und/oder korrosionsbeständigem Material wie Metallen (z. B. Edelstahl, Aluminiumlegierungen usw.), Keramik, jeglichem anderen geeigneten Material oder einer Kombination davon hergestellt sein. Das Ansaugrohr 302 kann einen beliebigen geeigneten Querschnitt, beispielsweise einen kreisförmigen, quadratischen, rechteckigen, polygonalen, ovalen oder jeglichen anderen geeigneten Querschnitt aufweisen.
Das Ansaugrohr 302 teilt sich an einer Y-Verbindung in ein erstes Ansaugrohr 302a und ein zweites Ansaugrohr 302b. Das erste Ansaugrohr 302a und das zweite Ansaugrohr 302b sind konfiguriert, um den Ansaugstrom des Abgases in einen ersten Ansaugstrom und einen zweiten Ansaugstrom zu teilen, die anschließend an die Filter- und Reduktionseinheit 318 geleitet werden.
Der erste Katalysator 310 ist in einem ersten Strömungspfad, der von dem ersten Ansaugrohr 302a festgelegt ist, und auch in einem zweiten Strömungspfad, der von dem zweiten Ansaugrohr 302b festgelegt ist, angeordnet. Der erste Katalysator 310 ist formuliert, um mindestens einen Teil des Abgases, das durch das erste Ansaugrohr 302a und das zweite Ansaugrohr 302b strömt, zu oxidieren. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen das Abgas ein Dieselabgas ist, kann der erste Katalysator 310 beispielsweise einen Dieseloxidationskatalysator einschließen. Der Dieseloxidationskatalysator kann formuliert sein, um Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und/oder Schwebstoffe, die in dem Abgasstrom enthalten sind, zu oxidieren. Darüber hinaus kann der Dieseloxidationskatalysator formuliert sein, um eine niedrige Anspringtemperatur und eine hohe Toleranz für Schwefel (z. B. SOx-Gase, die in dem Abgas enthalten sind) aufzuweisen. Geeignete Dieseloxidationskatalysatoren können beispielsweise Platin, Palladium, Aluminiumoxid oder eine Kombination davon einschließen.
Ein erster Temperatursensor 316a ist im ersten Ansaugrohr 302a dem ersten Katalysator 310 vorgelagert angeordnet und ein zweiter Temperatursensor 316b ist im ersten Ansaugrohr 302a dem ersten Katalysator 310 nachgelagert angeordnet. Ferner ist ein dritter Temperatursensor 316c im zweiten Ansaugrohr 302b dem ersten Katalysator 310 vorgelagert angeordnet und ein vierter Temperatursensor 316d ist auch im zweiten Ansaugrohr 302b dem ersten Katalysator 310 nachgelagert angeordnet. Der erste Temperatursensor 316a und der zweite Temperatursensor 316b sind konfiguriert, um die Temperatur des Abgases zu messen, das in das erste Ansaugrohr 302a eintritt bzw. das erste Ansaugrohr 302a verlässt, nachdem es durch den ersten Katalysator 310 geströmt ist. Der dritte Temperatursensor 316c und der vierte Temperatursensor 316d sind auf ähnliche Weise konfiguriert, um die Temperatur des Abgases zu messen, das in das zweite Ansaugrohr 302b eintritt bzw. das zweite Ansaugrohr 302b verlässt, nachdem es durch den ersten Katalysator 310 geströmt ist.
Während es als sich in das erste Ansaugrohr 302a und das zweite Ansaugrohr 302b teilend gezeigt ist, kann das Ansaugrohr 302 in eine Anzahl von Ansaugrohren geteilt oder anderweitig gespalten werden, um den Ansaugstrom des Abgases in eine Mehrzahl von Ansaugströmen zu teilen. Teilen des Stroms kann beispielsweise den Gegendruck des Abgases reduzieren oder effizientere Interaktion des Ansaugstroms mit dem ersten Katalysator 310 ermöglichen.
Die Filter- und Reduktionseinheit 318 schließt ein Gehäuse 319 ein, das ein Innenvolumen definiert. Das Gehäuse 319 kann im Wesentlichen ähnlich wie das in Bezug auf das Nachbehandlungssystem 200 beschriebene Gehäuse 219 sein und wird daher hier nicht detaillierter beschrieben.
Der Filter 320 ist im durch das Gehäuse 319 definierten Innenvolumen dem Statikmischer 330 vorgelagert angeordnet. Der Filter 320 ist konfiguriert, um den Strom des Abgases (z. B. ein Dieselabgas) vom ersten Ansaugrohr 302a und vom zweiten Ansaugrohr 302b aufzunehmen und im Wesentlichen Schwebstoffteilchen aus dem Abgas zu entfernen. Der Filter 320 kann im Wesentlichen ähnlich wie der in Bezug auf das Nachbehandlungssystem 200 beschriebene Filter 220 sein und wird daher hier nicht detaillierter beschrieben.
Ein Temperatursensor 326 ist nahe einem Einlass des Filters 320 angeordnet und konfiguriert, um eine Temperatur des in den Filter 320 strömenden Abgases zu messen. Ein Drucksensor 322, beispielsweise ein Differenzialdrucksensor, ist außerdem über dem Filter 320 angeordnet. Der Drucksensor 322 kann konfiguriert sein, um einen Druckunterschied des durch den Filter 320 strömenden Abgases zu messen. Der Drucksensor 322 kann beispielsweise verwendet werden, um Leistungseffizienz oder anderweitig verbleibende Lebensdauer des Filters 320 zu bestimmen. Beispielsweise kann ein Abfall des Abgasdrucks über einem vorbestimmten Schwellenwert anzeigen, dass der Filter 320 verstopft ist und/oder ersetzt werden muss.
Der Statikmischer 330 ist in dem vom Gehäuse 319 bestimmten Innenvolumen dem Filter 320 nachgelagert und dem SCR-Systems 350 vorgelagert angeordnet und koppelt den Filter 320 fluidisch mit dem SCR-System 350. Der Statikmischer 230 kann ein Statikmischergehäuse einschließen, das ein Innenvolumen bestimmt. Eine Einspritzöffnung 340 ist auf einer Seitenwand des Statikmischers 330 angeordnet und dafür eingerichtet, ein Abgasreduktionsmittel in den Statikmischer 330 zu leiten.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Abgas ein Dieselabgas beinhalten und das Abgasreduktionsmittel kann ein Dieselabgas-Fluid beinhalten. Das Diesel-Emissions-Fluid kann Harnstoff, eine wässrige Harnstofflösung oder jedes andere Ammoniak enthaltende Fluid, Nebenprodukte oder beliebige andere Diesel-Emissions-Fluide umfassen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind (z. B. das Diesel-Emissions-Fluid, das unter dem Namen ADBLUE^® vermarktet wird). Ein Temperatursensor 336 ist nahe einem Einlass des Statikmischers 330 angeordnet. Der Temperatursensor 336 kann konfiguriert sein, um eine Temperatur des in den Statikmischer 330 strömenden Abgases zu messen.
Der Statikmischer 330 ist strukturiert, um effizientes Mischen des Abgasreduktionsmittels mit dem Abgas zu ermöglichen, bevor das Abgas in das SCR-System 350 geleitet wird. Der Statikmischer 330 kann jegliche geeignete Strukturen enthalten, wie beispielsweise Durchgänge, Störkörper, Leitwände, Trennwände oder jegliche andere Elemente oder Strukturen, um das Mischen des Reduktionsmittels mit dem Abgas zu erleichtern, die Verweilzeit zu verlängern, die Temperatur zu erhöhen, Ablagerung des Abgasreduktionsmittels zu verringern und/oder Gegendruck zu reduzieren.
Das SCR-System 350 ist innerhalb des vom Gehäuse 319 definierten Innenvolumens dem Statikmischer 330 nachgelagert angeordnet und dafür ausgelegt, ein Abgas (z. B. ein Dieselabgas) zu behandeln, das durch das SCR-System 350 strömt. Das SCR-System 350 ist dafür konfiguriert, einen Teil des Abgases selektiv zu reduzieren. Das SCR-System 350 kann im Wesentlichen ähnlich wie das in Bezug auf das Nachbehandlungssystem 200 beschriebene SCR-System 250 sein und wird daher hier nicht detaillierter beschrieben. Ein Temperatursensor 356 ist nahe einem Auslass des SCR-Systems 350 angeordnet. Der Temperatursensor 356 kann konfiguriert sein, um eine Temperatur des aus dem SCR-System in das Abgasrohr 380 strömenden Abgases zu messen.
Das Abgasrohr 380 ist der Filter- und Reduktionseinheit 318 nachgelagert angeordnet. Das Abgasrohr 380 kann aus im Wesentlichen denselben Materialien wie das Ansaugrohr 302 gebildet sein. Das Abgasrohr 380 ist konfiguriert, um das behandelte Abgas (oder anderweitige Mischung des behandelten Abgases und jegliches überflüssiges Abgasreduktionsmittel (z. B. Harnstoff) oder seine Nebenprodukte (z. B. Ammoniak)) aufzunehmen und an die äußere Umgebung abzugeben. Der zweite Katalysator 370 ist in dem Abgasrohr 380 angeordnet. Der zweite Katalysator 370 kann konfiguriert sein, um jegliches überflüssiges Abgasreduktionsmittel, das im das SCR-System 350 verlassenden Abgas verbleibt, zu oxidieren.
In einigen Ausführungsformen kann das Abgasreduktionsmittel ein Dieselabgasfluid (z. B. eine wässrige Lösung aus Harnstoff, wie hierin beschrieben) sein, das eine Ammoniakquelle zum Teilnehmen an der selektiven katalytischen Reduktion im SCR-System 350 bereitstellt. In derartigen Ausführungsformen kann der zweite Katalysator 370 einen Ammoniumoxidationskatalysator einschließen, der formuliert ist, um Ammoniak zu Stickstoff zu oxidieren, wie hierin in Bezug auf den zweiten Katalysator 270 beschrieben, der in dem Nachbehandlungssystem 200 enthalten ist.
Ein Temperatursensor 376 ist in dem Ansaugrohr 302 angeordnet und konfiguriert, um eine Temperatur des Abgases zu messen, das das Abgasrohr 380 nach Strömen durch den zweiten Katalysator 370 verlässt. Ferner sind auch ein erster Gassensor 372 und ein zweiter Gassensor 374 in dem Abgasrohr 380 angeordnet und können konfiguriert sein, um eine Konzentration eines Teils eines Gases zu messen, das in dem das Abgasrohr 380 verlassenden Abgas enthalten ist. In einigen Ausführungsformen kann das Abgas ein Dieselabgas sein. In derartigen Ausführungsformen kann der erste Gassensor 372 einen NOx-Sensor und/oder einen SOx-Sensor einschließen, die konfiguriert sind, um eine Konzentration von NOx- und/oder SOx-Gasen zu messen, die in dem das Abgasrohr 380 verlassenden Abgas enthalten sind. Darüber hinaus kann der zweite Gassensor 374 einen Ammoniaksensor einschließen, der konfiguriert ist, um eine Ammoniakkonzentration in dem Abgas (z. B. ein Zerfallsprodukt eines Dieselabgasfluids wie Harnstoff) zu messen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Teil des Abgasrohrs 380 in der Nähe der Filter- und Reduktionseinheit 318 auch in eine Mehrzahl von Abgasrohren gespalten oder anderweitig geteilt sein. Beispielsweise können zwei, drei oder sogar mehr Abgasrohre an einen Auslass der Filter- und Reduktionseinheit 318 gekoppelt und konfiguriert sein, um einen Teil des behandelten Abgases vom SCR-System 350 zu erhalten. Die Mehrzahl der Abgasrohre kann dann am Abgasrohr 380 zusammenlaufen. In derartigen Ausführungsformen kann der zweite Katalysator 370 in jedem der Mehrzahl von Abgasrohren angeordnet sein.
4 ist ein schematisches Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zum Vergrößern eines Raums, der innerhalb eines Innenvolumens verfügbar ist, das von einem Gehäuse (z. B. dem Gehäuse 219/319) eines Nachbehandlungssystems (z. B. des Nachbehandlungssystems 100/200/300) festgelegt ist. Der größere Raum, der innerhalb des vom Gehäuse festgelegten Innenvolumens verfügbar ist, ermöglicht Vergrößerung der Maße eines SCR-Systems (z. B. des SCR-Systems 150/250/350), eines Filters (z. B. des Filters 120/220/320) und/oder eines Statikmischers (z. B. des Statikmischers 230/330), die innerhalb des vom Gehäuse 219/319 oder jeglichem anderen, hierin beschriebenen Gehäuses festgelegten Innenvolumens positionierbar sind.
Das Verfahren 400 schließt Positionieren eines SCR-Systems innerhalb des Innenvolumens des Gehäuses bei 402 ein. Beispielsweise ist das SCR-System 150/250/350 oder anderweitig ein SCR-Katalysator innerhalb des vom Gehäuse 219/319 oder jeglichem anderen, hierin beschriebenen Gehäuse festgelegten Innenvolumens positioniert. In einigen Ausführungsformen ist ein Filter dem SCR-System vorgelagert innerhalb des vom Gehäuse festgelegten Innenvolumens bei 404 positioniert. Der Filter 120/220/320 ist dem SCR-System vorgelagert innerhalb des Innenvolumens des Gehäuses 219/319 oder jeglichen anderen, hierin beschriebenen Gehäuses derart positioniert, dass der Filter 120/220/320 nahe dem Einlass positioniert ist und das SCR-System nahe einem Auslass des Gehäuses 219/319 oder jeglichen anderen, hierin beschriebenen Gehäuses positioniert ist. In besonderen Ausführungsformen kann das Verfahren 400 auch Positionieren eines Differenzialdrucksensors (z. B. der Differenzialdrucksensor 222/322) über den Filter 120/220/320 einschließen.
In besonderen Ausführungsformen ist ein Statikmischer dem SCR-System vorgelagert und dem Filter nachgelagert innerhalb des vom Gehäuse definierten Innenvolumens bei 406 positioniert. Der Statikmischer 230/330 ist beispielsweise zwischen dem Filter 120/220/320 und dem SCR-System 150/250/350 innerhalb des Innenvolumens des Gehäuses 219/319 oder eines jeglichen anderen, hierin beschriebenen Gehäuses positioniert. Der Statikmischer 230/330 kann strukturiert sein, um ein Reduktionsmittel aufzunehmen, beispielsweise über eine Einführeinheit (z. B. eine Reduktionsmittel-Einspritzdüse), die fluidisch an das Gehäuse 219/319 oder jegliches anderes, hierin beschriebenes Gehäuse gekoppelt ist, und Mischung des Reduktionsmittels mit einem Abgas (z. B. einem Dieselabgas) zu erleichtern, das durch das Nachbehandlungssystem 100/200/300 strömt.
Ein Ansaugrohr ist fluidisch mit einem Einlass des Gehäuses bei 408 gekoppelt. Das Ansaugrohr 102/202/302 ist beispielsweise fluidisch an einen Einlass des Gehäuses 219/319 oder eines jeglichen anderen, hierin beschriebenen Gehäuses gekoppelt. Ein erster Katalysator ist im Ansaugrohr bei 410 angeordnet. Der erste Katalysator 110/210/310 ist beispielsweise innerhalb des Ansaugrohrs 102/202/302 angeordnet. In besonderen Ausführungsformen kann das Ansaugrohr (z. B. Ansaugrohr 302) in eine Mehrzahl von Ansaugrohren geteilt sein, die fluidisch an den Einlass des Gehäuses 219/319 oder eines beliebigen anderen, hierin beschriebenen Gehäuses gekoppelt ist. In derartigen Ausführungsformen ist der erste Katalysator 110/210/310 innerhalb jedes der Mehrzahl von Ansaugrohren angeordnet. In einigen Ausführungsformen schließt der erste Katalysator 110/210/310 einen Dieseloxidationskatalysator ein, wie hierin beschrieben.
In einigen Ausführungsformen schließt das Verfahren 400 auch Koppeln eines Abgasrohres an einen Auslass des Gehäuses bei 412 ein. Das Abgasrohr 180/280/380 ist beispielsweise an einen Auslass des Gehäuses 219/319 oder eines jeglichen anderen, hierin beschriebenen Gehäuses gekoppelt. Ein zweiter Katalysator kann im Abgasrohr bei 414 angeordnet sein. Der zweite Katalysator 170/270/370 kann beispielsweise innerhalb des Abgasrohrs 180/280/380 angeordnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen schließt der zweite Katalysator 170/270/370 einen Ammoniakoxidationskatalysator ein.
Die hierin verwendeten Einzahlformen „ein/eine“ und „der/die/das“ schließen auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht ausdrücklich anderweitig vorgibt. Daher soll zum Beispiel der Begriff „ein Element“ ein einzelnes Element oder eine Kombination von Elementen bedeuten, und „ein Material“ soll ein oder mehrere Materialien oder eine Kombination davon bedeuten.
Es gilt zu beachten, dass der Begriff „beispielhaft“ oder „Beispiel“, wie hier zur Beschreibung verschiedener Ausführungsformen verwendet, anzeigen soll, dass solche Ausführungsformen mögliche Beispiele, Darstellungen und/oder Veranschaulichungen möglicher Ausführungsformen sind (und dass ein solcher Begriff nicht notwendigerweise darauf schließen lassen soll, dass solche Ausführungsformen außergewöhnliche oder hervorragende Beispiele sind).
Die Begriffe „gekoppelt“, „verbunden“ und dergleichen bedeuten im hierin verwendeten Sinne das direkte oder indirekte Verbinden zweier Elemente miteinander. Diese Verbindung kann stationär (z. B. permanent) oder beweglich (z. B. entfernbar oder lösbar) geschehen. Diese Verbindung kann dadurch erreicht werden, dass die beiden Elemente oder die beiden Elemente und beliebige weitere Zwischenelemente untereinander integral als ein einheitlicher Körper ausgebildet sind, oder dadurch, dass die beiden Elemente oder die beiden Elemente und beliebige weitere Zwischenelemente aneinander befestigt sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Aufbau und die Anordnung der verschiedenen, beispielhaften Ausführungsformen lediglich der Veranschaulichung dienen. Obwohl nur einige Ausführungsformen in dieser Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, erkennt die Fachwelt bei Lesen dieser Offenbarung unschwer, dass viele Modifikationen möglich sind (z. B. Variationen in Größen, Dimensionen, Strukturen, Formen und Abschnitten der verschiedenen Elemente, Werte von Parametern, Montageanordnungen, Verwendung von Materialien, Farben, Orientierungen usw.), ohne erheblich von den neuen Lehren und Vorteilen des hierin beschriebenen Gegenstands abzuweichen. Weitere Ersetzungen, Modifikationen, Änderungen und Auslassungen können ebenfalls in der Konstruktion, den Betriebsbedingungen und der Anordnung der verschiedenen, beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Obgleich diese Patentschrift viele spezielle Ausführungseinzelheiten enthält, sollten diese nicht als Einschränkung des Umfangs aller Erfindungen oder der Ansprüche gedacht sein, jedoch vielmehr als Beschreibungen von Merkmalen, die für bestimmte Ausführungen von bestimmten Erfindungen spezifisch sind. Bestimmte, in dieser Patentschrift im Kontext separater Ausführungen beschriebene Merkmale können auch in Kombination in einer einzigen Ausführung umgesetzt werden. Im Gegensatz dazu können verschiedene, im Kontext einer einzigen Ausführung beschriebene Merkmale auch in mehreren Ausführungen separat oder in einer beliebigen, geeigneten Unterkombination umgesetzt werden. Zudem können, obwohl vorstehende Merkmale möglicherweise so beschrieben sind, dass sie in bestimmten Kombinationen fungieren und auch anfänglich als solche beansprucht sind, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in manchen Fällen aus der Kombination ausgesondert werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variationen einer Unterkombination gerichtet sein.

Claims

Nachbehandlungssystem, umfassend: eine Filter- und Reduktionseinheit, umfassend: ein Gehäuse, das ein Innenvolumen bestimmt; einen Filter, der im Innenvolumen des Gehäuses angeordnet ist; ein selektives katalytisches Reduktionssystem, das in dem Innenvolumen des Gehäuses dem Filter nachgelagert angeordnet ist, wobei das selektive katalytische Reduktionssystem konfiguriert ist, um Bestandteile eines durch das Nachbehandlungssystem strömenden Abgases selektiv zu zersetzen; einen ersten Katalysator, der formuliert ist, um mindestens einen Teil des Abgases zu oxidieren; ein Ansaugrohr, das der Filter- und Reduktionseinheit vorgelagert angeordnet und konfiguriert ist, um das Abgas zur Filter- und Reduktionseinheit zu leiten, den ersten Katalysator, der im Ansaugrohr angeordnet ist; und ein Abgasrohr, das der Filter- und Reduktionseinheit nachgelagert angeordnet ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der erste Katalysator ein Dieseloxidationskatalysator ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Ansaugrohr umfasst: ein erstes Ansaugrohr und ein zweites Ansaugrohr, wobei der erste Katalysator in jedem des ersten Ansaugrohrs und des zweiten Ansaugrohrs angeordnet ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Nachbehandlungssystem ferner einen zweiten Katalysator umfasst, der formuliert ist, um ein Abgasreduktionsmittel zu oxidieren.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 4, wobei der zweite Katalysator ein Ammoniumoxidationskatalysator ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 4, wobei der zweite Katalysator im Abgasrohr angeordnet ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner einen Differenzialdrucksensor umfassend, der über dem Filter positioniert ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Filter- und Reduktionseinheit weiterhin umfasst: einen Statikmischer, der innerhalb des Gehäuses zwischen dem Filter und dem selektiven katalytischen Reduktionssystem angeordnet ist.
Nachbehandlungssystem, umfassend: ein Gehäuse, das einen Einlass und einen Auslass einschließt und ein Innenvolumen bestimmt; ein Ansaugrohr, das fluidisch mit dem Einlass gekoppelt ist; ein selektives katalytisches Reduktionssystem, das im durch das Gehäuse festgelegten Innenvolumen angeordnet ist; und einen ersten Katalysator, der im Ansaugrohr angeordnet ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 9, das ferner Folgendes umfasst: einen Filter, der in dem vom Gehäuse festgelegten Innenvolumen angeordnet ist, wobei der Filter dem selektiven katalytischen Reduktionssystem vorgelagert angeordnet ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 10, das ferner Folgendes umfasst: einen Statikmischer, der dem Filter nachgelagert und dem selektiven, katalytischen Reduktionssystem vorgelagert in dem vom Gehäuse festgelegten Innenvolumen angeordnet ist, wobei der Statikmischer strukturiert ist, um ein Reduktionsmittel mit einem durch das Nachbehandlungssystem strömenden Abgas zu mischen.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 10, ferner einen Differenzialdrucksensor umfassend, der über dem Filter positioniert ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei das Ansaugrohr in eine Mehrzahl von Ansaugrohren geteilt ist, wobei jedes der Mehrzahl von Ansaugrohren fluidisch mit dem Gehäuse gekoppelt ist, das strukturiert ist, um einen Teil eines Abgases in das Gehäuse zu leiten, und wobei der erste Katalysator in jedem der Mehrzahl von Ansaugrohren positioniert ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei der erste Katalysator einen Dieseloxidationskatalysator umfasst.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 9, das ferner Folgendes umfasst: ein Ansaugrohr, das fluidisch mit dem Auslass des Gehäuses gekoppelt ist; und einen zweiten Katalysator, der im Abgasrohr angeordnet ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 15, wobei der zweite Katalysator einen Ammoniumoxidationskatalysator umfasst.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 16, wobei mindestens einer eines NOx-Sensors und eines Ammoniaksensors wirkungsmäßig mit dem Abgasrohr, das dem zweiten Katalysator nachgeordnet ist, gekoppelt ist.
Verfahren zum Vergrößern eines im Gehäuse eines Nachbehandlungssystems verfügbaren Raums, wobei das Gehäuse ein Innenvolumen festlegt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Positionieren eines selektiven katalytischen Reduktionssystems im durch das Gehäuse festgelegten Innenvolumen; fluidisches Koppeln eines Ansaugrohrs an einen Gehäuseeinlass und Positionieren eines ersten Katalysators im Ansaugrohr.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der erste Katalysator einen Dieseloxidationskatalysator umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Ansaugrohr sich in eine Mehrzahl von Ansaugrohren teilt, die fluidisch mit dem Einlass des Gehäuses gekoppelt ist, und wobei der erste Katalysator in jedem der Mehrzahl von Ansaugrohren positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend: Positionieren eines Filters in dem vom Gehäuse festgelegten Innenvolumen vor dem selektiven katalytischen Reduktionssystem.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend: Positionieren eines Differenzialdrucksensors über den Filter.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend: Positionieren eines Statikmischers vorgelagert dem selektiven katalytischen Reduktionssystem und nachgelagert dem Filter.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend: fluidisches Koppeln eines Abgasrohrs an einen Gehäuseeinlass und Positionieren eines zweiten Oxidationskatalysators im Abgasrohr.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der zweite Katalysator einen Ammoniakoxidationskatalysator umfasst.