DE112020004364T5

DE112020004364T5 - Abgas- und reduktionsmittelmischer für ein nachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE112020004364T5
Application number: DE112020004364.9T
Authority: DE
Inventors: Z. Gerald Liu; Apoorv Kalyankar; Niklas Schmidt; Achuth Munnannur
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-06-15
Also published as: GB2607398A; WO2021050819A1; GB202203488D0; GB2607398B; BR112022004604A2; US11761365B2; CN114761676B; US20220349331A1; CN114761676A

Abstract

Einrichtung und Verfahren zum Mischen von Reduktionsmittel in einen Abgasstrom unter Verwendung von faktischem Abfangen. Ausführungsformen beinhalten einen Abgas- und Reduktionsmittelmischer, der einen Körper, eine erste Strömungsvorrichtung und eine Reduktionsmitteleintrittsöffnung umfasst. Der Körper definiert einen Abgasströmungsweg mit einem Mittelabschnitt. Die erste Strömungsvorrichtung verwirbelt das Abgas in eine Umfangsrichtung in Bezug auf den Gasströmungsweg. Die Reduktionsmitteleintrittsöffnung führt das Reduktionsmittel in den Gasströmungsweg an einer Stelle stromabwärts von der ersten Strömungsvorrichtung und in einer Einführungsrichtung (1) versetzt von dem Mittelabschnitt und (2) entgegengesetzt zu der Umfangsrichtung ein.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität gegenüber der vorläufigen US-Anmeldung S/N 62/899,979 mit dem Titel „EXHAUST GAS AND REDUCTANT MIXER FOR AN AFTERTREATMENT SYSTEM“, eingereicht am 13. September 2019, deren gesamte Offenbarung hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung betrifft im Allgemeinen Nachbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren. Insbesondere betrifft die Offenbarung Mischer und Verfahren zum Mischen von Abgasen und Reduktionsmittel in Nachbehandlungssystemen.
STAND DER TECHNIK
Verbrennungsmotoren wie etwa Dieselmotoren erzeugen Stickoxid(NO_x)-Verbindungen, die im Abgas emittiert werden können. Um die NO_x-Emissionen zu verringern, können die Motorabgase Nachbehandlungssystemen zugeführt werden, die Prozesse der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) umsetzen. SCR-Verfahren wandeln die NO_x-Verbindungen mit Hilfe eines Katalysators und eines Reduktionsmittels in neutralere Verbindungen um, wie beispielsweise zweiatomigen Stickstoff oder Wasser. Der Katalysator kann in einer Katalysatorkammer des Nachbehandlungssystems enthalten sein. Das Reduktionsmittel, wie wasserfreies Ammoniak, wässriges Ammoniak, Dieselabgasflüssigkeit (DEF) oder wässriger Harnstoff, wird typischerweise durch Dosiermodule in den Abgasstrom eingeführt. Die Dosiermodule können sich stromaufwärts oder vor der Katalysatorkammer befinden und das Reduktionsmittel in den Abgasstrom verdampfen oder sprühen.
Systeme und Verfahren zum Mischen der Abgase und des Reduktionsmittels sind allgemein bekannt und zum Beispiel in der internationalen PCT-Veröffentlichung Nr. WO 2018/226626 offenbart, die hier in ihrer Gesamtheit und für alle Zwecke aufgenommen wird. Es bleibt jedoch ein fortwährender Bedarf an verbesserten Nachbehandlungssystemen. Zum Beispiel besteht ein Bedarf an verbesserten Systemen und Verfahren zum Verbessern der Wirksamkeit und Effektivität des SCR-Prozesses.
KURZDARSTELLUNG
Offenbarte Ausführungsformen der Erfindung beinhalten eine Einrichtung und ein Verfahren zum Mischen von Reduktionsmittel in einen Abgasstrom unter Verwendung von faktischem Abfangen. Die Vorrichtung und das Verfahren können Reduktionsmitteltröpfchen faktisch abfangen und neu verteilen, um hochgradig gleichmäßige Strömungs- und Reduktionsmittelprofile zu liefern, wodurch die Wirksamkeit und Effektivität von SCR-Prozessen verbessert werden.
Zum Beispiel beinhalten Ausführungsformen einen Abgas- und Reduktionsmittelmischer, der einen Körper, eine erste Strömungsvorrichtung und eine Reduktionsmitteleintrittsöffnung umfasst. Der Körper definiert einen Abgasströmungsweg, wobei der Abgasströmungsweg einen Mittelabschnitt aufweist. Die erste Strömungsvorrichtung verwirbelt das Abgas in eine Umfangsrichtung in Bezug auf den Gasströmungsweg. Die Reduktionsmitteleintrittsöffnung führt das Reduktionsmittel in den Gasströmungsweg an einer Stelle stromabwärts von der ersten Strömungsvorrichtung und in einer Einführungsrichtung (1) versetzt von dem Mittelabschnitt und (2) entgegengesetzt zu der Umfangsrichtung ein. Ausführungsformen können durch einen Winkelversatz zwischen einer Achse der Reduktionsmitteleinführrichtung und einer Mischerachse, die sich von dem Mittelabschnitt des Strömungswegs durch die Reduktionsmitteleintrittsöffnung erstreckt, gekennzeichnet sein. Ausführungsformen können auch durch einen räumlichen Versatz zwischen der Achse der Einlassrichtung und einer parallelen Mischerachse, die sich von dem Mittelabschnitt des Abgasströmungswegs erstreckt, gekennzeichnet sein.
Ausführungsformen beinhalten auch ein Verfahren zum Mischen von Reduktionsmittel in einen Abgasstrom. Der Abgasstrom wird bezüglich eines Strömungswegs in eine Umfangsrichtung verwirbelt. Das Reduktionsmittel wird in den wirbelnden Abgasstrom in eine Richtung eingeführt, die von einem Mittelabschnitt der Strömung versetzt ist und der Umfangsrichtung der Strömung entgegengesetzt ist.
Ein weiteres Beispiel für einen Abgas- und Reduktionsmittelmischer gemäß Ausführungsformen umfasst: einen Körper, der einen Abgasströmungsweg definiert, wobei der Abgasströmungsweg einen Mittelabschnitt aufweist; eine erste Strömungsvorrichtung, um das Abgas in eine Umfangsrichtung bezüglich des Gasströmungswegs zu verwirbeln; und eine Reduktionsmitteleintrittsöffnung zum Einführen des Reduktionsmittels in den Gasströmungsweg an einer Stelle stromabwärts von der ersten Strömungsvorrichtung und in einer Einführungsrichtung (1) versetzt von dem Mittelabschnitt und (2) entgegengesetzt zu der Umfangsrichtung.
In Ausführungsformen dieses Beispiels umfasst die erste Strömungsvorrichtung mehrere Strömungsteiler. Jeder der Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung kann bezogen auf den Gasströmungsweg einen Strömungsteilerwinkel zwischen 45° und 89° definieren. Jeder der Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung kann bezogen auf den Gasströmungsweg einen Strömungsteilerwinkel zwischen 65° und 85° definieren. Jeder der Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung kann bezogen auf den Gasströmungsweg einen Strömungsteilerwinkel zwischen 70° und 80° definieren.
In beliebigen der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen überlappen zwei oder mehr der Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung einander in Umfangsrichtung. Alternativ oder zusätzlich weisen zwei oder mehr der Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung in Ausführungsformen benachbarte Kanten auf, die einen Spalt in der Umfangsrichtung definieren. In beliebigen der vorstehenden beispielhaften Ausführungsfbrmen sind die Reduktionsmitteleintrittsöffnung und die erste Strömungsvorrichtung konfiguriert, um die Mischgleichmäßigkeit des Reduktionsmittels in dem Abgasstrom zu optimieren. In Ausführungsformen erstrecken sich zum Beispiel die Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung um einen Abschnitt von weniger als 360° eines Umfangs des Gasströmungswegs. Zum Beispiel erstrecken sich in Ausführungsformen die Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung um einen Abschnitt zwischen 130° und 230° eines Umfangs des Gasströmungswegs. In Ausführungsformen erstrecken sich die Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung um einen Abschnitt zwischen 170° und 190° eines Umfangs des Gasströmungswegs.
Beliebige der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen können ein erstes Blockierelement in einem Umfangsabschnitt des Gasströmungswegs, an dem sich die Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung nicht erstrecken, und stromaufwärts von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung beinhalten. In Ausführungsformen befindet sich das erste Blockierelement zum Beispiel in einem Umfangsabschnitt des Gasströmungswegs, der der Stelle der Reduktionsmitteleintrittsöffnung entspricht. In Ausführungsformen befindet sich das Blockierelement im Allgemeinen parallel zu der ersten Strömungsvorrichtung.
In beliebigen der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen ist die Einführungsrichtung eine Richtung um eine Achse zwischen 5° und 85° weg von einer Achse, die sich von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung zu dem Mittelabschnitt des Gasströmungswegs erstreckt. Zum Beispiel ist die Einführungsrichtung in Ausführungsformen eine Richtung um eine Achse zwischen 25° und 35° weg von einer Achse ist, die sich von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung zu dem Mittelabschnitt des Gasströmungswegs erstreckt.
Beliebige der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen können einen Dosierer zum Einführen eines konischen oder fächerförmigen Bolus des Reduktionsmittels durch die Reduktionsmitteleintrittsöffnung beinhalten.
In beliebigen der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet der Körper einen Abgaseinlassabschnitt stromaufwärts von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung; und die erste Strömungsvorrichtung befindet sich an dem Abgaseinlassabschnitt.
Beliebige der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen können eine zweite Strömungsvorrichtung an einer Stelle stromabwärts von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung beinhalten, um das Abgas in eine Umfangsrichtung zu verwirbeln. In Ausführungsformen verwirbelt die zweite Strömungsvorrichtung das Abgas in die gleiche Umfangsrichtung, in die die erste Strömungsvorrichtung das Abgas verwirbelt. In Ausführungsformen verwirbelt die zweite Strömungsvorrichtung das Abgas in die entgegengesetzte Umfangsrichtung, in die die erste Strömungsvorrichtung das Abgas verwirbelt.
In beliebigen der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen kann die zweite Strömungsvorrichtung mehrere Strömungsteiler umfassen. In Ausführungsformen definiert zum Beispiel jeder der Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung einen Strömungsteilerwinkel zwischen 45° und 89° in Bezug auf den Gasströmungsweg. In Ausführungsformen definiert jeder der Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung einen Strömungsteilerwinkel zwischen 55° und 75° und gegebenenfalls etwa 60° in Bezug auf den Gasströmungsweg. In beliebigen dieser beispielhaften Ausführungsformen überlappen zwei oder mehr der Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung einander in Umfangsrichtung. Alternativ oder zusätzlich weisen zwei oder mehr der Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung benachbarte Kanten auf, die einen Spalt in der Umfangsrichtung definieren.
In beliebigen der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen sind die Reduktionsmitteleintrittsöffnung und die zweite Strömungsvorrichtung konfiguriert, um die Mischgleichmäßigkeit des Reduktionsmittels in dem Abgasstrom zu optimieren.
In beliebigen der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen erstrecken sich die Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung um einen Abschnitt von weniger als 360° eines Umfangs des Gasströmungswegs. In Ausführungsformen erstrecken sich die Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung zum Beispiel um einen Abschnitt zwischen 200° und 280° eines Umfangs des Gasströmungswegs. In Ausführungsformen erstrecken sich die Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung zum Beispiel um einen Abschnitt zwischen 220° und 260° eines Umfangs des Gasströmungswegs.
Beliebige der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen können ein zweites Blockierelement in einem Umfangsabschnitt des Gasströmungswegs, an dem sich die Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung nicht erstrecken, und stromabwärts von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung beinhalten. In Ausführungsformen befindet sich das zweite Blockierelement in einem Umfangsabschnitt des Gasströmungswegs, der der Stelle der Reduktionsmitteleintrittsöffnung entspricht. In Ausführungsformen befindet sich das zweite Blockierelement im Allgemeinen parallel zu den Strömungsteilern der zweiten Strömungsvorrichtung.
In beliebigen der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen ist eine Nabe von einer oder beiden der ersten Strömungsvorrichtung und der zweiten Strömungsvorrichtung radial von einer Mischermittelachse versetzt.
In beliebigen der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen ist der Mischer frei von Spritzblechen.
Andere Beispiele umfassen ein Abgasnachbehandlungssystem, das den Mischer gemäß einer der vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet.
Noch andere Beispiele umfassen ein Verfahren zum Mischen von Reduktionsmittel in einen Abgasstrom, beinhaltend: Verwirbeln des Abgasstroms in eine Umfangsrichtung in Bezug auf einen Strömungsweg; und Einführen des Reduktionsmittels in den wirbelnden Abgasstrom in eine Richtung, die von einem Mittelabschnitt der Strömung versetzt ist und der Umfangsrichtung der Strömung entgegengesetzt ist.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines Abgasnachbehandlungssystems, in das eine Einrichtung und Verfahren gemäß offenbarten Ausführungsformen eingebaut oder in dem diese verwendet werden können.
2A ist eine Querschnittsansicht eines Mischers gemäß Ausführungsformen, aus Sicht von einer Seite des Mischers.
2B ist die Querschnittsansicht des in 2A gezeigten Mischers und zeigt auch in den Mischer eingeführtes Reduktionsmittel.
3 ist eine Teilquerschnittsansicht des in 2A gezeigten Mischers, aus Sicht von einem Einlassöffnungsende des Mischers, und veranschaulicht Parameter einer Konvention, die verwendet werden kann, um Merkmale von Ausführungsformen zu charakterisieren.
4 ist eine detaillierte Darstellung von Ausführungsformen einer ersten Strömungsvorrichtung des Mischers.
5 ist eine detaillierte Darstellung von Ausführungsformen einer zweiten Strömungsvorrichtung des Mischers.
6 ist eine Teilquerschnittsansicht des in 2A gezeigten Mischers, aus Sicht von einem Einlassöffnungsende des Mischers, und veranschaulicht Parameter einer Konvention, die verwendet werden kann, um Merkmale von Ausführungsformen zu charakterisieren.
7 ist eine Teilquerschnittsansicht des in 2A gezeigten Mischers, aus Sicht von einem Einlassöffnungsende des Mischers, und veranschaulicht Parameter einer Konvention, die verwendet werden kann, um Merkmale von Ausführungsformen zu charakterisieren.
8A und 8B sind vergleichende Darstellungen von modellierten Strömungsgeschwindigkeitskonturen eines Mischers gemäß Ausführungsformen und eines Mischers ohne faktisches Abfangen.
9A und 9B sind vergleichende Darstellungen von modellierten Reduktionsmittelpartikelverteilungen eines Mischers gemäß Ausführungsformen und eines Mischers ohne faktisches Abfangen.
10A und 10B sind vergleichende Darstellungen von modellierten Reduktionsmittelwandfilmdicken eines Mischers gemäß Ausführungsformen und eines Mischers ohne faktisches Abfangen.
11 ist ein Vergleichsdiagramm einer modellierten normalisierten Reduktionsmittelwandfilmmasse eines Mischers gemäß Ausführungsformen und eines Mischers ohne faktisches Abfangen.
12 ist ein Vergleichsdiagramm eines modellierten normalisierten Reduktionsmittelgleichförmigkeitsindex eines Mischers gemäß Ausführungsformen und eines Mischers ohne faktisches Abfangen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhaftes Nachbehandlungssystem
1 stellt ein Beispiel eines Abgasnachbehandlungssystems 100 dar, in das Mischer und Verfahren für Abgas und Reduktionsmittel gemäß dieser Offenbarung eingebaut und in dem diese verwendet werden können. Das Nachbehandlungssystem 100 weist ein beispielhaftes Reduktionsmittelabgabesystem 110 für ein Abgassystem 190 auf. Das Nachbehandlungssystem 100 beinhaltet einen Partikelfilter, zum Beispiel einen Dieselpartikelfilter (DPF) 102, das Reduktionsmittelabgabesystem 110, eine Zersetzungskammer oder einen Zersetzungsreaktor 104, einen SCR-Katalysator 106 und einen Sensor 150. In einigen Ausführungsformen beinhaltet der SCR-Katalysator 106 einen Ammoniakschlupf-Katalysator (ASC).
Der DPF 102 ist konfiguriert, um Partikel, wie etwa Ruß, aus dem im Abgassystem 190 strömenden Abgas zu entfernen. Der DPF 102 beinhaltet einen Einlass, an dem das Abgas aufgenommen wird, und einen Auslass, an dem das Abgas austritt, nachdem Partikel im Wesentlichen aus dem Abgas gefiltert wurden und/oder Partikel in Kohlendioxid umgewandelt wurden. In einigen Implementierungen kann der DPF 102 weggelassen werden.
Die Zersetzungskammer 104 ist konfiguriert, um ein Reduktionsmittel, wie beispielsweise Harnstoff oder wässrige Harnstofflösung oder Dieselabgasflüssigkeit (DEF), in Ammoniak umzuwandeln. Die Zersetzungskammer 104 beinhaltet ein Reduktionsmittelabgabesystem 110 mit einem Dosierer oder Dosiermodul 112, der/das konfiguriert ist, um das Reduktionsmittel in die Zersetzungskammer 104 zu dosieren (zum Beispiel über einen Injektor, wie den unten beschriebenen Injektor). In einigen Implementierungen wird das Reduktionsmittel stromaufwärts des SCR-Katalysators 106 eingespritzt. Die Reduktionsmitteltröpfchen werden dann den Prozessen der Verdampfung, Thermolyse und Hydrolyse unterzogen, um innerhalb des Abgassystems 190 gasförmiges Ammoniak zu bilden. Die Zersetzungskammer 104 beinhaltet einen Einlass in Fluidverbindung mit dem DPF 102, um das NOx-Emissionen enthaltende Abgas aufzunehmen, und einen Auslass, damit das Abgas, die NOx-Emissionen, Ammoniak und/oder das Reduktionsmittel zum SCR-Katalysator 106 strömen.
Die Zersetzungskammer 104 beinhaltet das Dosiermodul 112, das an der Zersetzungskammer 104 montiert ist, derart dass das Dosiermodul 112 das Reduktionsmittel in die Abgase dosieren kann, die in dem Abgassystem 190 strömen. Das Dosiermodul 112 kann einen Isolator 114 beinhalten, der zwischen einem Abschnitt des Dosiermoduls 112 und dem Abschnitt der Zersetzungskammer 104 angeordnet ist, an dem das Dosiermodul 112 montiert ist. Das Dosiermodul 112 ist mit einer oder mehreren Reduktionsmittelquellen 116 fluid gekoppelt. In einigen Implementierungen kann eine Pumpe 118 verwendet werden, um das Reduktionsmittel von den Reduktionsmittelquellen 116 zur Abgabe an das Dosiermodul 112 unter Druck zu setzen.
Das Dosiermodul 112 und die Pumpe 118 sind auch elektrisch oder kommunikativ an eine Steuerung 120 gekoppelt. Die Steuerung 120 ist konfiguriert, um das Dosiermodul 112 zu steuern, um Reduktionsmittel in die Zersetzungskammer 104 zu dosieren. Die Steuerung 120 kann auch konfiguriert sein, um die Pumpe 118 zu steuern. Die Steuerung 120 kann einen Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) usw. oder Kombinationen davon beinhalten. Die Steuerung 120 kann einen Speicher beinhalten, der elektronische, optische, magnetische oder beliebige andere Speicher- oder Übertragungsvorrichtungen beinhalten kann, aber nicht darauf beschränkt ist, die in der Lage sind, einen Prozessor, ASIC, FPGA usw. mit Programmanweisungen zu versorgen. Der Speicher kann einen Speicherchip, einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM), einen löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM), einen Flash-Speicher oder jeden anderen geeigneten Speicher beinhalten, aus dem die Steuerung 120 Anweisungen lesen kann. Die Anweisungen können Code aus jeder geeigneten Programmiersprache beinhalten.
Der SCR-Katalysator 106 ist konfiguriert, um die Reduktion der NOx-Emissionen zu unterstützen, indem ein NOx-Reduktionsprozess zwischen dem Ammoniak und dem NOx des Abgases in zweiatomigen Stickstoff und Wasser beschleunigt wird. Der SCR-Katalysator 106 beinhaltet einen Einlass in Fluidverbindung mit der Zersetzungskammer 104, aus der Abgas und Reduktionsmittel aufgenommen werden, und einen Auslass in Fluidverbindung mit einem Ende des Abgassystems 190.
Das Abgassystem 190 kann ferner einen Oxidationskatalysator (zum Beispiel einen Dieseloxidationskatalysator (DOC)) in Fluidverbindung mit dem Abgassystem 190 (z. B. stromaufwärts des SCR-Katalysators 106 oder des DPF 102) beinhalten, um Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid im Abgas zu oxidieren.
In einigen Implementierungen kann der DPF 102 stromabwärts der Zersetzungskammer oder des Zersetzungsreaktors 104 positioniert sein. Beispielsweise können der DPF 102 und der SCR-Katalysator 106 zu einer einzigen Einheit kombiniert werden. In einigen Implementierungen kann das Dosiermodul 112 stattdessen stromabwärts eines Turboladers oder stromaufwärts eines Turboladers positioniert sein.
Der Sensor 150 kann an das Abgassystem 190 gekoppelt sein, um einen Zustand des durch das Abgassystem 190 strömenden Abgases zu erfassen. In einigen Implementierungen kann der Sensor 150 einen Abschnitt aufweisen, der innerhalb des Abgassystems 190 angeordnet ist; zum Beispiel kann sich eine Spitze des Sensors 150 in einen Abschnitt des Abgassystems 190 erstrecken. In anderen Implementierungen kann der Sensor 150 Abgas durch eine andere Leitung empfangen, wie etwa ein oder mehrere Probenrohre, die sich von dem Abgassystem 190 erstrecken. Zwar ist der Sensor 150 als stromabwärts des SCR-Katalysators 106 positioniert dargestellt, jedoch versteht es sich, dass der Sensor 150 an jeder anderen Position des Abgassystems 190 positioniert sein kann, einschließlich stromaufwärts des DPF 102, innerhalb des DPF 102, zwischen dem DPF 102 und der Zersetzungskammer 104, innerhalb der Zersetzungskammer 104, zwischen der Zersetzungskammer 104 und dem SCR-Katalysator 106, innerhalb des SCR-Katalysators 106 oder stromabwärts des SCR-Katalysators 106. Zusätzlich können zwei oder mehr Sensoren 150 zum Erfassen eines Zustands des Abgases verwendet werden, wie etwa zwei, drei, vier, fünf oder sechs Sensoren 150, wobei sich jeder Sensor 150 an einer der vorhergehenden Positionen des Abgassystems 190 befindet.
Beispielhafter Mischer
Ein Mischer 200 gemäß Ausführungsformen kann unter Bezugnahme auf 2A, 2B, 3, 4 und 5 beschrieben werden. Es versteht sich jedoch, dass die relevante Struktur in diesen und ähnlichen Ausführungsformen andere Nachbehandlungskomponenten wie etwa einen SCR-Katalysator, ein perforiertes Rohr, ein Rohr, einen Verteiler, eine Zersetzungskammer oder einen Zersetzungsreaktor, einen Dosierer, ein Dosiermodul und andere darstellen kann. Der Mischer 200 ist konfiguriert, um Abgase (z. B. Verbrennungsgase von einem Verbrennungsmotor usw.) aufzunehmen und den Abgasen stromabwärts eine im Wesentlichen gleichmäßige Strömungsverteilung (z. B. Strömungsprofil usw.) bereitzustellen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist der Mischer 200 zusätzlich konfiguriert, um zu den Abgasen selektiv ein Reduktionsmittel (z. B. Harnstoff, Dieselabgasflüssigkeit (DEF), AdBlue® usw.) zuzudosieren. Da der Mischer 200 eine im Wesentlichen gleichmäßige Strömungsverteilung der Abgase bereitstellt und das Mischen zwischen Abgasen und Reduktionsmittel durch faktisches Abfangen fördert, kann der Mischer 200 auch den Abgasen stromabwärts eine im Wesentlichen gleichmäßige Reduktionsmittelverteilung (z. B. Reduktionsmittelprofil usw.) bereitstellen. Die dargestellte Ausführungsform des Mischers 200 beinhaltet keine Spritzbleche, um das Mischen des Reduktionsmittels zu fördern. Andere Ausführungsformen (nicht gezeigt) können ein oder mehrere Spritzbleche beinhalten.
Wie gezeigt, beinhaltet der Mischer 200 einen Körper 202 mit einem Einlassabschnitt oder einer Einlassöffnung 204 und einem Auslassabschnitt der Öffnung 206. Die Reduktionsmitteleintrittsöffnung 203 erstreckt sich zwischen der Einlassöffnung 204 und der Auslassöffnung 206 durch den Körper 202. Eine erste oder stromaufwärtige Strömungsvorrichtung 205 befindet sich stromaufwärts von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung 203 und ist in der dargestellten Ausführungsform in der Einlassöffnung 204 gezeigt. Eine zweite oder stromabwärtige Strömungsvorrichtung 207 befindet sich stromabwärts von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung 203 und ist in den dargestellten Ausführungsformen in der Auslassöffnung 206 gezeigt. Andere Ausführungsformen des Mischers 200 (nicht gezeigt) weisen keine zweite Strömungsvorrichtung wie 207 auf.
Der Körper 202 definiert und beschränkt einen Abgasströmungsweg 208 (durch unterbrochene Pfeile dargestellt), der sich zwischen der Einlassöffnung 204 und der Auslassöffnung 206 erstreckt. Der Abgasströmungsweg 208 weist einen Mittelabschnitt 210 und periphere Abschnitte 212 auf. Der Körper 202 ist ein röhrenförmiges Element mit einer Außenwand 214, die innerhalb eines Gehäuses 216 durch Strukturen wie etwa Flansche 218 getragen wird. Der Körper 202 weist einen im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt auf und definiert in den dargestellten Ausführungsformen einen im Allgemeinen linearen Abgasströmungsweg 208. In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann der Körper andere Querschnittsformen aufweisen und der Gasströmungsweg kann nicht linear sein oder nichtlineare Komponenten aufweisen. Zum Beispiel kann der Körper 202 konische, kegelstumpfförmige, aerodynamische oder andere Formen aufweisen. Der Körper 202 ist in der dargestellten Ausführungsform als ein Venturi-Körper konfiguriert und weist einen Durchmesser Dv der Einlassöffnung 204 auf, der größer ist als der Durchmesser Ds der Auslassöffnung 206.
Die Einlassöffnung 204 nimmt einen Abgasstrom auf, der dann entlang des Abgasströmungswegs 208 geleitet wird. Die erste Strömungsvorrichtung 205 ist konfiguriert, dem Abgasstrom innerhalb des Mischers 200 eine Wirbelbewegung zu verleihen. Wie durch die Pfeile 220 dargestellt, verläuft der Wirbel in eine erste Umfangsrichtung (z. B. im Uhrzeigersinn in der dargestellten Ausführungsform und Ansicht) und im Allgemeinen senkrecht in Bezug auf den Abgasströmungsweg 208. Reduktionsmittel 222 wird (z. B. durch Injektion oder Sprühen) durch die Reduktionsmitteleintrittsöffnung 203 in den wirbelnden Abgasstrom stromabwärts von der ersten Strömungsvorrichtung 205 eingeführt. In den dargestellten Ausführungsformen wird das Reduktionsmittel 222 als ein konisch geformter Bolus mit zunehmendem Durchmesser mit zunehmendem Abstand von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung 203 eingeführt. Die Einführungsrichtung 224 des Reduktionsmittels 222 ist eine Richtung, die im Allgemeinen der Umfangsrichtung des Abgaswirbels entgegengesetzt ist. Wie in 3 gezeigt, ist eine Achse der Einführungsrichtung 224 des Reduktionsmittels 222 von dem Mittelabschnitt 210 des Abgasströmungswegs 208 in eine Richtung versetzt, die der Umfangsrichtung des Abgaswirbels entgegengesetzt ist. In der in 3 gezeigten Ausführungsform und Ansicht mit der Reduktionsmitteleintrittsöffnung 203 im oberen linken Quadranten des Gasströmungswegs (d. h. zwischen 9:00 und 12:00 Uhr, wie durch eine Uhrkonvention definiert) und mit dem Abgaswirbel im Uhrzeigersinn ist die Einleitungsrichtung 224 auf und in den oberen linken Quadranten des Gasströmungswegs gerichtet. Die Einführungsrichtung 224 kann zum Beispiel so definiert sein, dass sie von dem Mittelabschnitt 210 des Abgasströmungswegs 208 (z. B. von einer Richtung, die durch eine Mischerachse 225 definiert ist, die sich von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung 203 durch den Mittelabschnitt erstreckt) einem Winkel A und in einer Richtung versetzt ist, die der ersten Umfangsrichtung 210 entgegengesetzt ist (wie unten angemerkt, kann die Einführungsrichtung 224 unter Verwendung anderer Konventionen beschrieben werden). Die Strömung des Reduktionsmittels 222 weist daher beim Eintritt in den Mischer 200 Komponenten auf, die in einer der Wirbelrichtung entgegengesetzten Richtung verlaufen. In 3 zum Beispiel, die den Mischer 200 von der Seite der Einlassöffnung 204 zeigt, ist die Einführungsrichtung 224 eine Richtung weg von und auf der linken Seite einer Achse 225, die sich zwischen der Reduktionsmitteleintrittsöffnung 203 und dem Mittelabschnitt 210 des Abgasströmungswegs 208 erstreckt. In Ausführungsformen und durch diese Konvention liegt die Einführungsrichtung 224 in einem Winkel A zwischen etwa 5° und 85° weg von dem Mittelabschnitt des Abgasströmungswegs 208. In anderen Ausführungsformen liegt die Einleitungsrichtung 224 in einem Winkel A zwischen etwa 25° und 35° weg von dem Mittelabschnitt des Abgasströmungswegs. In noch anderen Ausführungsformen liegt die Einführungsrichtung 224 in einem Winkel A von etwa 30° von dem Mittelabschnitt des Abgasströmungswegs (z. B. im Allgemeinen parallel zu einer vertikalen Achse durch den Mittelabschnitt in der Ansicht von 3).
Die erste Strömungsvorrichtung 205 beinhaltet mehrere Strömungsteiler 230, um dem Abgasstrom in der dargestellten Ausführungsform die Wirbelbewegung zu verleihen. Zwar sind in den dargestellten Ausführungsformen drei Strömungsteiler 230 gezeigt, jedoch weisen andere Ausführungsformen mehr oder weniger Strömungsteiler auf. Wie zum Beispiel in 4 gezeigt, erstrecken sich Strömungsteiler 230 radial von einer Mittelnabe 232 und sind in Umfangsrichtung um die Nabe herum angeordnet. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Nabe 232 der ersten Strömungsvorrichtung 205 radial von der Mischermittelachse 225 und/oder dem Mittelabschnitt 210 des Abgasströmungswegs 208 versetzt. In anderen Ausführungsformen (z. B. den in 2A, 2B, 6 und 7 gezeigten) befindet sich die Nabe 232 auf der Mittelachse 225 und/oder dem Mittelabschnitt 210 des Abgasströmungswegs 208. Die Strömungsteiler 230 sind in Strömungsteilerwinkeln in Bezug auf die Nabe 232 ausgerichtet. In Ausführungsformen liegen die Strömungsteilerwinkel der Strömungsteiler 230 zwischen 45° und 89° in Bezug auf die Achse des Gasströmungswegs 208 (durch eine Konvention, bei der im Falle von 90° die Hauptfläche der Strömungsteiler senkrecht zu dem Gasströmungsweg ist). In anderen Ausführungsformen liegen die Strömungsteilerwinkel der Strömungsteiler 230 zwischen 65° und 85° in Bezug auf die Achse des Gasströmungswegs 208. In noch anderen Ausführungsformen liegen die Strömungsteilerwinkel der Strömungsteiler 230 zwischen 70° und 80° und gegebenenfalls bei etwa 75° in Bezug auf die Achse des Gasströmungswegs 208. Jeder der Strömungsteiler der mehreren Strömungsteiler in der ersten Strömungsvorrichtung kann einen Winkel aufweisen, der sich von einem anderen unterscheidet (z. B. innerhalb des oben angegebenen Bereichs).
Die dargestellten Ausführungsformen des Mischers 200 beinhalten eine erste Strömungsvorrichtung 205 mit Strömungsteilern 230, die sich um einen Abschnitt des Gasströmungswegs 208 herum erstrecken, der weniger als 360° des Umfangs des Gasströmungswegs beträgt. In diesen Ausführungsformen erstreckt sich ein Blockierelement 234, das die Strömung des Abgases blockiert oder ihr anderweitig widersteht, um einen Abschnitt des Gasströmungswegs 208, der nicht von dem Abschnitt bedeckt ist, um den sich die Strömungsteiler 230 erstrecken. Wie vielleicht am besten in 2A und 2B gezeigt, befindet sich das Blockierelement 234 stromaufwärts von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung 203 auf einer Seite des Mischers 200, auf der sich die Reduktionsmitteleintrittsöffnung befindet. In den dargestellten Ausführungsformen ist das Blockierelement 234 eine Wand, die sich von der Nabe 232 der ersten Strömungsvorrichtung 205 erstreckt. In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) ist das Blockierelement eine Komponente, die von der ersten Strömungsvorrichtung 205 getrennt ist. In Ausführungsformen erstrecken sich die Strömungsteiler 230 der ersten Strömungsvorrichtung 205 um einen Abschnitt zwischen 130° und 230° des Umfangs des Gasströmungswegs 208. In anderen Ausführungsformen erstrecken sich die Strömungsteiler 230 der ersten Strömungsvorrichtung 205 um einen Abschnitt zwischen 170° und 190° des Umfangs des Gasströmungswegs 208. In den dargestellten Ausführungsformen erstrecken sich zum Beispiel die Strömungsteiler 230 der ersten Strömungsvorrichtung um einen Abschnitt von etwa 180° herum.
Die Flügel 230 weisen erste oder Vorderkanten 240 auf (d. h. in Bezug auf die Wirbelrichtung), die benachbart zu gegenüberliegenden zweiten oder Hinterkanten 242 der benachbarten Flügel sind. In den dargestellten Ausführungsformen gibt es keine Lücke oder Überlappung zwischen den ersten und zweiten Kanten 240, 242 benachbarter Flügel 230 der ersten Strömungsvorrichtung 205. In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) befinden sich die benachbarten Strömungsteiler so, dass die jeweiligen ersten und zweiten Kanten 240, 242 einander in der Wirbelrichtung überlappen. Diese und andere Ausführungsformen können auch benachbarte Strömungsteiler beinhalten, wobei die jeweiligen ersten und zweiten Kanten durch Lücken in der Wirbelrichtung voneinander beabstandet sind. Der Mischer 200 arbeitet nach einem Prinzip, das als faktisches Abfangen beschrieben werden kann, um das Reduktionsmittel in den Gasstrom einzumischen. Tröpfchen des Reduktionsmittels werden dadurch stromaufwärts der SCR-Katalysatoren in einer hochgradig gleichmäßigen Weise im Gasstrom verteilt, während gleichzeitig Druckabfälle und Risiken im Zusammenhang mit Reduktionsmittelaufbau auf Oberflächen wie Innenwänden des Mischers 200 minimiert werden. Wirksamkeit und Effektivität des SCR-Prozesses werden durch dieses verbesserte Mischen verbessert. Parameter von einem oder mehreren Merkmalen des Mischers 200 können ausgewählt werden, um die Mischgleichmäßigkeit zu optimieren. Parameter, die angepasst werden können, beinhalten zum Beispiel die Größe, Anzahl und den Strömungsteilerwinkel der Strömungsteiler 230, den Überlappungsbetrag (oder keine Überlappung) der Strömungsteiler, die Größe jeglicher Lücken zwischen den Strömungsteilern, das Takten der Strömungsteiler 230 bezogen auf die Reduktionsmitteleintrittsöffnung 203, die Größe und Position irgendeines Blockierelements, wie etwa 234, und die Einführungsrichtung des Reduktionsmittels.
5 stellt ein Beispiel der zweiten Strömungsvorrichtung 207 dar. Ähnlich wie die erste Strömungsvorrichtung 205 beinhaltet die zweite Strömungsvorrichtung 207 mehrere Strömungsteiler 250, um dem Abgasstrom eine Wirbelbewegung zu verleihen. Zwar sind in den dargestellten Ausführungsformen vier Strömungsteiler 250 gezeigt, jedoch weisen andere Ausführungsformen mehr oder weniger Strömungsteiler auf. Strömungsteiler 250 erstrecken sich radial von einer Mittelnabe 252 und sind in Umfangsrichtung um die Nabe herum angeordnet. Wie die Nabe 232 der ersten Strömungsvorrichtung 207 kann die Nabe 252 der zweiten Strömungsvorrichtung 207 radial von der Mittelachse 225 des Mischers 200 versetzt sein. Die Strömungsteiler 250 sind in Strömungsteilerwinkeln in Bezug auf die Nabe 252 ausgerichtet. In Ausführungsformen liegen die Strömungsteilerwinkel der Strömungsteiler 250 zwischen 45° und 89° in Bezug auf die Achse des Gasströmungswegs 208. In anderen Ausführungsformen liegen die Strömungsteilerwinkel der Strömungsteiler 250 zwischen 55° und 75° in Bezug auf die Achse des Gasströmungswegs 208. In noch anderen Ausführungsformen liegen die Strömungsteilerwinkel der Strömungsteiler 230 zwischen 60° und 70° und gegebenenfalls bei etwa 65° in Bezug auf die Achse des Gasströmungswegs 208. In den dargestellten Ausführungsformen ist die zweite Strömungsvorrichtung 207 konfiguriert, um das Abgas in dem Abgasströmungsweg 208 stromabwärts der Reduktionsmitteleintrittsöffnung 203 in eine Richtung zu verwirbeln, die dieselbe Richtung ist, in die die erste Strömungsvorrichtung 205 das Abgas verwirbelt. In anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist die zweite Strömungsvorrichtung konfiguriert, um das Abgas in eine Richtung zu verwirbeln, die der Wirbelrichtung entgegengesetzt ist, die von der ersten Strömungsvorrichtung 205 erzeugt wird. Noch andere Ausführungsformen (nicht gezeigt) beinhalten keine zweite Verwirbelungsvorrichtung wie 207. Ebenfalls ähnlich wie bei der oben beschriebenen ersten Strömungsvorrichtung 205 kann jeder der Strömungsteiler 250 der mehreren Strömungsteiler in der zweiten Strömungsvorrichtung 207 einen Winkel aufweisen, der sich von einem anderen unterscheidet.
Die dargestellten Ausführungsformen des Mischers 200 beinhalten eine erste Strömungsvorrichtung 207 mit Strömungsteilern 250, die sich um einen Abschnitt des Gasströmungswegs 208 herum erstrecken, der weniger als 360° des Umfangs des Gasströmungswegs beträgt. In diesen Ausführungsformen erstreckt sich ein Blockierelement 254, das die Strömung des Abgases blockiert oder ihr anderweitig widersteht, um einen Abschnitt des Gasströmungswegs 208, der nicht von dem Abschnitt bedeckt ist, um den sich die Strömungsteiler 250 erstrecken. Wie vielleicht am besten in 2A und 2B gezeigt, befindet sich das Blockierelement 254 stromabwärts von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung 203 auf einer Seite des Mischers 200, auf der sich die Reduktionsmitteleintrittsöffnung befindet. In den dargestellten Ausführungsformen ist das Blockierelement 254 eine Wand, die sich von der Nabe 252 der zweiten Strömungsvorrichtung 207 erstreckt. In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) ist das Blockierelement eine Komponente, die von der zweiten Strömungsvorrichtung 207 getrennt ist.
In Ausführungsformen erstrecken sich die Strömungsteiler 250 der zweiten Strömungsvorrichtung 207 um einen Abschnitt zwischen 200° und 280° des Umfangs des Gasströmungswegs 208. In anderen Ausführungsformen erstrecken sich die Strömungsteiler 250 der zweiten Strömungsvorrichtung 207 um einen Abschnitt zwischen 220° und 260° des Umfangs des Gasströmungswegs 208. In den dargestellten Ausführungsformen erstrecken sich zum Beispiel die Strömungsteiler 250 der ersten Strömungsvorrichtung um einen Abschnitt von etwa 240° herum.
Die Flügel 250 weisen erste oder Vorderkanten 260 auf (d. h. in Bezug auf die Wirbelrichtung), die benachbart zu gegenüberliegenden zweiten oder Hinterkanten 262 der benachbarten Flügel sind. In den dargestellten Ausführungsformen befinden sich die benachbarten Strömungsteiler 250 so, dass die jeweiligen ersten und zweiten Kanten 260, 262 einander überlappen. In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) gibt es keine Überlappung zwischen den ersten und zweiten Kanten benachbarter Flügel 250 der zweiten Strömungsvorrichtung 207. In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) befinden sich die benachbarten Strömungsteiler so, dass die jeweiligen ersten und zweiten Kanten durch Lücken in der Wirbelrichtung voneinander beabstandet sind. Ausführungsformen des Mischers 200 wie die gezeigten, die die zweite Strömungsvorrichtung 207 beinhalten, können das Mischen des Reduktionsmittels in das Abgas verbessern. Parameter der zweiten Strömungsvorrichtung 207 können in ähnlicher Weise wie diejenigen der ersten Strömungsvorrichtung 205 wie oben beschrieben ausgewählt werden, um die Funktionalität der zweiten Strömungsvorrichtung zu optimieren.
Merkmale des Mischers 200, die die faktische Abfangfunktionalität bereitstellen, können auch beschrieben und charakterisiert werden, wie in den 6 und 7 gezeigt, in denen die Mischerachse 225 parallel zu und um einen Dosiererversatzabstand d₀ von der Sprüh- oder Injektionsachse (d. h. der Achseninjektionsrichtung 224) versetzt gezeigt ist. 6 stellt bestimmte Abmessungsbeziehungen und -bereiche des Mischers 200 dar, wenn er durch diese Konvention gekennzeichnet ist. Unter Bezugnahme auf 6 kann die Leistung von Ausführungsformen des Mischers 200 mit den folgenden Merkmalen und Parametern optimiert werden:

Venturi-Durchmesser Dv, 0,25Dm ≤ Dv ≤ 0,95Dm
Manteldurchmesser Ds, 0,65Dv ≤ Ds ≤ Dv
Dosiererversatzabstand d_o, 0,05Dv ≤ do ≤ 0,45Dv
Nabendurchmesser D_h, 0 ≤ D_h ≤ 0,3Dv
Nabenversatz h_o, 0 ≤ h_o ≤ 0,4Dv

Abstand von der nächsten Strömungsteileröffnung zur Spitze des Dosierers, $d_{t} = h_{d} + \sqrt{(0,25 D_{m}^{2} - d_{0}^{2})} - \frac{d_{0}}{t a n α}$
Höhe der Dosiererhalterung h_d, 0 ≤ h_d ≤ 25 mm
Versatzwinkel α der nächsten Strömungsteilerspitze für Faktisches Abfangen,
30° ≤ α ≤ 150°
Unter Bezugnahme auf 7 kann die Leistung von Ausführungsformen des Mischers 200 mit den folgenden Merkmalen und Parametern optimiert werden: $S t r a h l i m p u l s v e r h \ddot{a} l t n i s, q = \frac{F l \ddot{u} s s i g k e i t s s t r a h l - o d e r S p r \ddot{u} h i m p u l s}{I m p u l s d e s G a s s t r o m s f \ddot{u} r f a k t i s c h e s A b f a n g e n}$

Wenn q zu hoch ist, wird das Reduktionsmittelspray durch das Abfangen von Gas nicht beeinträchtigt, während wenn q zu niedrig ist, das Eindringen des Sprays in den Mischer schlecht sein wird.
Strömungsteilerwinkel 0 und der Versatzwinkel der nächsten Strömungsteilerspitze für das faktische Abfangen α sind auserwählt, um 30 ≤ q ≤ 1000 zu ergeben, um die Flugbahn von Sprühtröpfchen selektiv zu verändern und sie in verschiedenen Anwendungen neu zu verteilen
Die Leistung anderer Ausführungsformen kann durch Merkmale und Parameter optimiert werden, die sich von den unmittelbar oben beschriebenen unterscheiden.
Das faktische Abfangen des gesprühten oder auf andere Weise eingeführten Reduktionsmittels unter Verwendung bevorzugt und innig geführter Ströme von wirbelnden Abgasen ermöglicht ein selektives Ändern der Flugbahn der Reduktionsmitteltröpfchen und eine Umverteilung der Tröpfchen ohne die Verwendung von Spritzblechen oder anderen festen Vorrichtungen. In Ausführungsformen kann ein relativ kleinerer Venturi-Durchmesser Dv in Bezug auf den Mischerdurchmesser Dm die Wandscherung erhöhen; ein niedrigerer Strömungsteilerwinkel kann Druckabfälle akzeptabel halten; und überlappende Strömungsteilern können den Abgasstrom und das Reduktionsmittel effektiv führen. Die Wirbelgeschwindigkeit ist eine Funktion der Strömungsteilerwinkel und der Abgasströmungsgeschwindigkeit. Die Auswahl der Taktung der zweiten Strömungsvorrichtung bezogen auf die erste Strömungsvorrichtung kann erfolgen, um eine Soll-Reduktionsmittelgleichmäßigkeit innerhalb eines Soll-Druckabfalls des Mischers zu optimieren.
Vergleichsbeispiele
8A und 8B, 9A und 9B, 10A und 10B, 11 und 12 stellen modellierte Betriebseigenschaften eines Mischers wie etwa 200 gemäß oben beschriebenen Ausführungsformen im Vergleich zu einem Mischer ohne faktisches Abfangen dar, bei dem das Reduktionsmittel in einer Richtung eingeführt wird, die nicht entgegengesetzt zur Umfangswirbelrichtung des Abgases ist. 8A, 9A und 10A stellen den Mischer 200 dar, wohingegen die entsprechenden 8B, 9B und 10B den anderen Mischer ohne faktisches Abfangen darstellen. Wie in 8A und 8B gezeigt, die Geschwindigkeitskonturen vergleichen, fängt das Abgas in Mischern wie 200 den Reduktionsmittelsprühstrahl faktisch ab und verteilt die Tröpfchen in einem wesentlich höheren Ausmaß neu (z. B. Ausbreitung der räumlichen Verteilung) als in dem anderen Mischer. Wie in 9A und 9B gezeigt, die die Verteilung von Reduktionsmitteltröpfchen mit unterschiedlichen Durchmessern vergleichen, wird die Verteilung durch die Mischer wie 200 erheblich verbessert. 10A und 10B stellen relative Wandfilmdicken dar. Aufgrund der verbesserten räumlichen Verteilung durch Mischer wie 200 wird der Reduktionsmittelgleichmäßigkeitsindex um 2,5 % verbessert und die Wandfilmmasse wird wesentlich reduziert (z. B. 4,4 %, dargestellt durch 10A gegenüber 21,4 %, dargestellt durch 10B).
Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung der Darstellung dient und nicht einschränkend sein soll. Viele andere Ausführungsformen werden Fachleuten beim Lesen und Verstehen der vorstehenden Beschreibung offensichtlich sein. Zum Beispiel wird in Betracht gezogen, dass in Verbindung mit einer Ausführungsform beschriebene Merkmale optional zusätzlich oder als Alternative zu Merkmalen verwendet werden, die in Verbindung mit einer anderen Ausführungsform beschrieben werden. Der Umfang der Erfindung sollte daher unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche bestimmt werden, zusammen mit dem vollen Umfang der Äquivalente, auf die solche Ansprüche Anspruch haben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/899979 [0001]
WO 2018/226626 [0004]

Claims

Ein Abgas- und Reduktionsmittelmischer, umfassend: einen Körper, der einen Abgasströmungsweg definiert, wobei der Abgasströmungsweg einen Mittelabschnitt aufweist; eine erste Strömungsvorrichtung zum Verwirbeln des Abgases in eine Umfangsrichtung in Bezug auf den Gasströmungsweg; und eine Reduktionsmitteleintrittsöffnung zum Einführen des Reduktionsmittels in den Gasströmungsweg an einer Stelle stromabwärts von der ersten Strömungsvorrichtung und in eine Einführungsrichtung (1) versetzt von dem Mittelabschnitt und (2) entgegengesetzt zu der Umfangsrichtung.
Der Mischer nach Anspruch 1, wobei die erste Strömungsvorrichtung mehrere Strömungsteiler umfasst.
Der Mischer nach Anspruch 2, wobei jeder der Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung einen Strömungsteilerwinkel zwischen 45° und 89° in Bezug auf den Gasströmungsweg definiert.
Der Mischer nach Anspruch 2, wobei jeder der Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung einen Strömungsteilerwinkel zwischen 65° und 85° in Bezug auf den Gasströmungsweg definiert.
Der Mischer nach Anspruch 2, wobei jeder der Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung einen Strömungsteilerwinkel zwischen 70° und 80° in Bezug auf den Gasströmungsweg definiert.
Der Mischer nach Anspruch 2, wobei zwei oder mehr der Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung einander in Umfangsrichtung überlappen.
Der Mischer nach Anspruch 2, wobei zwei oder mehr der Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung benachbarte Kanten aufweisen, die einen Spalt in der Umfangsrichtung definieren.
Der Mischer nach Anspruch 2, wobei die Reduktionsmitteleintrittsöffnung und die erste Strömungsvorrichtung konfiguriert sind, um die Mischgleichmäßigkeit des Reduktionsmittels in dem Abgasstrom zu optimieren.
Der Mischer nach Anspruch 2, wobei sich die Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung um einen Abschnitt von weniger als 360° eines Umfangs des Gasströmungswegs erstrecken.
Der Mischer nach Anspruch 2, wobei sich die Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung um einen Abschnitt zwischen 130° und 230° eines Umfangs des Gasströmungswegs erstrecken.
Der Mischer nach Anspruch 2, wobei sich die Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung um einen Abschnitt zwischen 170° und 190° eines Umfangs des Gasströmungswegs erstrecken.
Der Mischer nach Anspruch 9, der ferner ein erstes Blockierelement in einem Umfangsabschnitt des Gasströmungswegs, in dem sich die Strömungsteiler der ersten Strömungsvorrichtung nicht erstrecken, und stromaufwärts von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung beinhaltet.
Der Mischer nach Anspruch 12, wobei sich das erste Blockierelement in einem Umfangsabschnitt des Gasströmungswegs befindet, der der Stelle der Reduktionsmitteleintrittsöffnung entspricht.
Der Mischer nach Anspruch 12, wobei sich das Blockierelement im Allgemeinen parallel zur ersten Strömungsvorrichtung befindet.
Der Mischer nach Anspruch 1, wobei die Einführungsrichtung eine Richtung um eine Achse zwischen 5° und 85° weg von einer Achse ist, die sich von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung zu dem Mittelabschnitt des Gasströmungswegs erstreckt.
Der Mischer nach Anspruch 1, wobei die Einführungsrichtung eine Richtung um eine Achse zwischen 25° und 35° weg von einer Achse ist, die sich von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung zu dem Mittelabschnitt des Gasströmungswegs erstreckt.
Der Mischer nach Anspruch 1, der ferner einen Dosierer zum Einführen eines konischen oder fächerförmigen Bolus des Reduktionsmittels durch die Reduktionsmitteleintrittsöffnung beinhaltet.
Der Mischer nach Anspruch 1, wobei: der Körper einen Abgaseinlassabschnitt stromaufwärts von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung beinhaltet; und die erste Strömungsvorrichtung sich am Abgaseinlassabschnitt befindet.
Der Mischer nach Anspruch 1, der ferner eine zweite Strömungsvorrichtung an einer Stelle stromabwärts von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung beinhaltet, um das Abgas in eine Umfangsrichtung zu verwirbeln.
Der Mischer nach Anspruch 19, wobei die zweite Strömungsvorrichtung das Abgas in die gleiche Umfangsrichtung verwirbelt, in die die erste Strömungsvorrichtung das Abgas verwirbelt.
Der Mischer nach Anspruch 19, wobei die zweite Strömungsvorrichtung das Abgas in eine entgegengesetzte Umfangsrichtung verwirbelt, in die die erste Strömungsvorrichtung das Abgas verwirbelt.
Der Mischer nach Anspruch 19, wobei die zweite Strömungsvorrichtung mehrere Strömungsteiler umfasst.
Der Mischer nach Anspruch 22, wobei jeder der Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung einen Strömungsteilerwinkel zwischen 45° und 89° in Bezug auf den Gasströmungsweg definiert.
Der Mischer nach Anspruch 22, wobei jeder der Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung einen Strömungsteilerwinkel zwischen 55° und 75° und gegebenenfalls etwa 60° in Bezug auf den Gasströmungsweg definiert.
Der Mischer nach Anspruch 22, wobei zwei oder mehr der Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung einander in Umfangsrichtung überlappen.
Der Mischer nach Anspruch 22, wobei zwei oder mehr der Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung benachbarte Kanten aufweisen, die einen Spalt in der Umfangsrichtung definieren.
Der Mischer nach Anspruch 22, wobei die Reduktionsmitteleintrittsöffnung und die zweite Strömungsvorrichtung konfiguriert sind, um die Mischgleichmäßigkeit des Reduktionsmittels in dem Abgasstrom zu optimieren.
Der Mischer nach Anspruch 22, wobei sich die Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung um einen Abschnitt von weniger als 360° eines Umfangs des Gasströmungswegs erstrecken.
Der Mischer nach Anspruch 22, wobei sich die Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung um einen Abschnitt zwischen 200° und 280° eines Umfangs des Gasströmungswegs erstrecken.
Der Mischer nach Anspruch 22, wobei sich die Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung um einen Abschnitt zwischen 220° und 260° eines Umfangs des Gasströmungswegs erstrecken.
Der Mischer nach Anspruch 28, der ferner ein zweites Blockierelement in einem Umfangsabschnitt des Gasströmungswegs, in dem sich die Strömungsteiler der zweiten Strömungsvorrichtung nicht erstrecken, und stromabwärts von der Reduktionsmitteleintrittsöffnung beinhaltet.
Der Mischer nach Anspruch 31, wobei sich das zweite Blockierelement in einem Umfangsabschnitt des Gasströmungswegs befindet, der der Stelle der Reduktionsmitteleintrittsöffnung entspricht.
Der Mischer nach Anspruch 31, wobei sich das zweite Blockierelement im Allgemeinen parallel zu den Strömungsteilern der zweiten Strömungsvorrichtung befindet.
Der Mischer nach Anspruch 19, wobei eine Nabe von einer oder beiden der ersten Strömungsvorrichtung und der zweiten Strömungsvorrichtung radial von einer Mischermittelachse versetzt ist.
Der Mischer nach Anspruch 1, wobei der Mischer frei von Spritzblechen ist.
Ein Abgasnachbehandlungssystem, beinhaltend den Mischer nach einem der Ansprüche 1-35.
Ein Verfahren zum Mischen von Reduktionsmittel in einen Abgasstrom, umfassend: Verwirbeln des Abgasstroms in eine Umfangsrichtung in Bezug auf einen Strömungsweg; und Einführen des Reduktionsmittels in den wirbelnden Abgasstrom in eine Richtung, die von einem Mittelabschnitt der Strömung versetzt ist und der Umfangsrichtung der Strömung entgegengesetzt ist.