DE112010004962T5

DE112010004962T5 - Abgasanlage mit einem Nachbehandlungsmodul

Info

Publication number: DE112010004962T5
Application number: DE112010004962T
Authority: DE
Inventors: Raymond Upano ISADA; Stephan D. Roozenboom; Rajdeep D. Pradhan
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-11-22
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: CN102667080B; WO2011087550A2; US20110146253A1; CN102667080A; WO2011087550A3; US8596049B2; DE112010004962B4

Abstract

Es wird ein Nachbehandlungsmodul zur Benutzung mit einem Motor offenbart. Das Nachbehandlungsmodul kann eine Mehrzahl von Einlassöffnungen aufweisen, die dazu ausgebildet sind, Abgas in eine erste Strömungsrichtung in das Nachbehandlungsmodul zu leiten. Das Nachbehandlungsmodul kann auch einen Mischkanal aufweisen, der dazu ausgebildet ist, Abgas von der Mehrzahl von Einlassöffnungen zu empfangen, und einen mit dem Mischkanal in Fluidverbindung stehenden Verzweigungsdurchgang aufweisen. Der Verzweigungsdurchgang kann dazu ausgebildet sein, Abgas von dem Mischkanal in voneinander getrennte Ströme zu verzweigen, die das Nachbehandlungsmodul in eine zweite Strömungsrichtung verlassen, die der ersten Strömungsrichtung entgegen gerichtet ist,.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung ist auf eine Abgasanlage und insbesondere auf eine Abgasanlage mit einem Nachbehandlungsmodul gerichtet.
Hintergrund
Verbrennungsmotoren wie Dieselmotoren, Benzinmotoren, Gasmotoren und andere im Stand der Technik bekannte Motoren stoßen eine komplexe Mischung von Luftschadstoffen aus. Diese Luftschadstoffe bestehen aus gasförmigen Verbindungen wie unter anderem Stickoxide (NO_x). Aufgrund des gewachsenen Bewusstseins gegenüber der Natur sind Abgasemissionsstandards strenger geworden, und die Menge an NO_x, die in die Atmosphäre durch einen Motor abgegeben wird, kann abhängig von dem Motortyp, der Motorgröße und/oder der Motorklasse geregelt werden.
Um die Regulierung bezüglich NO_x einzuhalten, haben einige Motorenhersteller eine selektive katalytische Reduktion (SCR) genannte Vorgehensweise eingeführt. SCR ist ein Abgasbehandlungsprozess, in dem ein Reduktionsmittel, am häufigsten Harnstoff ((NH₂)₂CO) oder eine Wasser/Harnstoff-Lösung, selektiv in den Abgasstrom eines Motors eingespritzt und von einem stromabwärts gelegen Substrat adsorbiert wird. Die eingespritzte Harnstofflösung zerfällt zu Ammoniak (NH₃), welches mit NO_x in dem Abgas derart reagiert, dass Wasser (H₂O) und zweiatomiger Stickstoff (N₂) entsteht.
In einigen Anwendungen kann das für SCR-Zwecke genutzte Substrat sehr groß sein, um zu gewährleisten, dass es eine genügend große Oberfläche oder Effektivvolumen besitzt, um adäquate Mengen des Ammoniaks, welches für eine ausreichende Reduktion von NO_x benötigt wird, zu adsorbieren.
Diese großen Substrate können teuer sein und benötigen erhebliche Anteile des Raumes in der Abgasanlage des Motors. Zusätzlich muss das Substrat weit genug stromabwärts entfernt von der Einspritzstelle für die Harnstofflösung angeordnet sein, um der Harnstofflösung Zeit für eine Zersetzung in Ammoniakgas zu geben und sich zur effizienten Reduktion von NO_x gleichmäßig in dem Abgasstrom zu verteilen. Dieses Raumerfordernis kann ferner die Gehäusekonstruktionsschwierigkeiten der Abgasanlage vergrößern.
Der Abgasrückstaudruck, der durch die oben beschriebene Benutzung des SCR-Substrats hervorgerufen wird, kann in einigen Situationen problematisch sein. Insbesondere kann das SCR-Substrat eine Abgasströmung bis zu einem gewissen Grad begrenzen und dabei einen Anstieg des Drucks im den Motor verlassenden Abgas verursachen. Wenn dieser Abgasrückstaudruck zu groß ist, könnten das Luftansaugvermögen und nachfolgend die Leistung des Motors negativ beeinflusst werden. Daher sollten Messungen durchgeführt werden, um übermäßige Begrenzungen des Abgasstroms bei SCR-Implementation zu verhindern.
Die Abgasanlagen vieler Verbrennungsmotoren können auch mit Lärmdämpfungsvorrichtungen, wie beispielsweise Schalldämpfern, ausgestattet sein. Die Schalldämpfer sind typischerweise stromabwärts von den SCR-Substraten angeordnet, um übermäßigen Lärm des das Substrat verlassenden Abgasstroms zu dissipieren. Obwohl Schalldämpfer helfen können, Lärmverschmutzung etwas zu reduzieren, vergrößert die Aufnahme dieser seriell angeordneter Vorrichtungen häufig die Größe der Abgasanlage des Motors und daher die Schwierigkeit der Abgasanlagengehäusekonstruktion.
Die Abgasanlage der vorliegenden Offenbarung ist auf eine oder mehrere der oben genannten Erfordernisse gerichtet.
Zusammenfassung
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein Nachbehandlungsmodul gerichtet. Das Nachbehandlungsmodul kann eine Mehrzahl von Einlassöffnungen aufweisen, die dazu ausgebildet sind, Abgas in eine erste Strömungsrichtung in das Nachbehandlungsmodul zu leiten. Das Nachbehandlungsmodul kann auch einen Mischkanal aufweisen, der dazu ausgebildet ist, Abgas von der Vielzahl von Einlassöffnungen zu empfangen, und einen Verzweigungsdurchgang aufweisen, der in Fluidverbindung mit dem Mischrohr steht. Der Verzweigungsdurchgang kann dazu ausgebildet sein, Abgas von dem Mischrohr in voneinander getrennte Ströme zu verzweigen, die das Nachbehandlungsmodul in einer zweiten Strömungsrichtung verlassen, die der ersten Strömungsrichtung entgegengerichtet ist.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein anderes Nachbehandlungsmodul gerichtet. Dieses Nachbehandlungsmodul kann eine Mehrzahl von Abgaseinlassöffnungen, und einen Zwischenströmungsbereich mit einer ersten Strömungsrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Abgas von der Mehrzahl von Einlassöffnungen zu empfangen. Das Nachbehandlungsmodul kann auch eine erste Abgasbehandlungsvorrichtung aufweisen, die stromabwärts von der Mehrzahl von Einlassöffnungen und stromaufwärts von dem Zwischenströmungsbereich angeordnet ist, und einen Durchgang aufweisen, der dazu ausgebildet ist, Abgas von dem Zwischenströmungsbereich zu empfangen und Abgas in mehrere Strömungspfade in auf Bezug zu der ersten Strömungsrichtung schrägen Winkeln zu verzweigen. Das Nachbehandlungsmodul kann zusätzlich eine zweite Abgasbehandlungsvorrichtung aufweisen, die stromabwärts von dem Durchgang angeordnet ist.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf eine Energieversorgungsanlage gerichtet. Die Energieversorgungsanlage kann einen Verbrennungsmotor aufweisen, der eine Mehrzahl von Zylindern und eine Mehrzahl von Abgaseinlassöffnungen aufweist, die dazu ausgebildet sind, Abgas von der Mehrzahl von Zylindern zu empfangen, und eine Mehrzahl von Oxidationskatalysatoren aufweist, die stromabwärts von der Mehrzahl von Einlassöffnungen angeordnet sind. Die Energieversorgungsanlage kann auch einen Mischkanal aufweisen, der dazu ausgebildet ist, Abgas von der Mehrzahl von Oxidationskatalysatoren zu empfangen, ein Reduktionsmitteleinspritzventil aufweisen, das in Fluidverbindung mit dem Mischkanal steht, und einen Mischer aufweisen, der in dem Mischkanal stromabwärts von dem Reduktionsmitteleinspritzventil angeordnet ist. Die Energieversorgungsanlage kann zusätzlich eine erste Reihe von SCR-Katalysatoren aufweisen, die radial außerhalb von dem Mischkanal angeordnet und dazu ausgebildet sind, Abgas von dem Mischkanal zu empfangen, und die in Bezug auf eine Längsachse des Mischkanals angewinkelt sind, um Abgas radial nach innen auf eine Seite des Mischkanals abzugeben, und eine zweite Reihe von SCR-Katalysatoren aufweisen, die radial außerhalb von dem Mischkanal angeordnet und dazu ausgebildet sind, Abgas von dem Mischkanal zu empfangen, und in Bezug auf eine Längsachse des Mischkanals angewinkelt sind, um Abgas radial nach innen auf eine Seite des Mischkanals abzugeben. Die Energieversorgungsanlage kann ferner eine Auslasskammer aufweisen, die den Mischkanal umgibt und dazu ausgebildet ist, Abgas von der ersten und zweiten Reihe von SCR-Katalysatoren zu empfangen, und eine Wand aufweisen, die in Bezug auf eine Seite der ersten Reihe von SCR-Katalysatoren in einem schrägen Winkel angeordnet ist, so dass zusammen mit der ersten Reihe von SCR-Katalysatoren mindestens teilweise ein Abgasdurchgang mit einer sich in Strömungsrichtung verkleinernden Strömungsfläche gebildet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine bildliche Darstellung einer beispielhaft offenbarten Energieversorgungsanlage,
2 ist eine bildhafte Nahaufnahme der Darstellung der Energieversorgungsanlage aus 1,
3 ist eine bildhafte Darstellung eines beispielhaft offenbarten Nachbehandlungsmoduls, das zusammen mit der Energieversorgungsanlage aus 1 genutzt werden kann,
4 ist eine Schnittbilddarstellung des Nachbehandlungsmoduls aus 3, und
5 ist eine Querschnittsdarstellung des Nachbehandlungsmoduls aus 3.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine beispielhafte Energieversorgungsanlage 10. Für die Zwecke dieser Offenbarung ist die Energieversorgungsanlage 10 als ein Generatoraggregat dargestellt und beschrieben, welches einen Generator 12 aufweist, der durch einen Mehrzylinderverbrennungsmotor 14 angetrieben wird. Der Generator 12 und der Motor 14 können grundsätzlich in einem externen Rahmen 16 angeordnet und durch diesen getragen werden. Indes ist vorgesehen, dass, soweit gewünscht, die Energieversorgungsanlage 10 als jeglicher anderer Typ einer Energieversorgungsanlage ausgebildet sein kann wie ein Diesel-, Benzin- oder gasbetriebenen Motor, der mit einer beweglichen Maschine, wie zum Beispiel einer Lokomotive, oder einer stationären Maschine, wie zum Beispiel einer Pumpe, verbunden ist.
Mehrere voneinander getrennte Unteranlagen können in der Energieversorgungsanlage 10 vorgesehen sein, um die Energieerzeugung zu fördern. Beispielsweise kann die Energieversorgungsanlage 10 unter anderem eine Luftansauganlage 18 und eine Abgasanlage 20 aufweisen. Die Luftansauganlage 18 kann dazu ausgebildet sein, Luft oder ein Luft-/Kraftstoffgemisch in die Energieversorgungsanlage 10 für eine nachfolgende Verbrennung zu leiten. Die Abgasanlage 20 kann Nebenprodukte des Verbrennungsprozesses behandeln und in die Atmosphäre abgeben. Wie in 2 gezeigt, können die Luftansaug- und die Abgasanlage 18, 20 miteinander durch einen oder mehrere Turbolader 21 verbunden sein.
Die Abgasanlage 20 kann Komponenten aufweisen, die Abgas von den Zylindern des Motors 14 behandeln und in die Atmosphäre abgeben. Beispielsweise kann die Abgasanlage 20 ein oder mehrere Abgasdurchgänge 22 aufweisen, die in Fluidverbindung mit den Zylindern des Motors 14 stehen, eine oder mehrere Turbinen 24 aufweisen, die durch den durch die Durchgänge 22 strömenden Abgasstrom angetrieben werden, und ein verbundenes Nachbehandlungsmodul 26 aufweisen, um Abgas von den Durchgängen 22 zu empfangen und zu behandeln, nachdem dieses durch die Turbinen 24 geströmt ist. Wenn das heiße Abgas die Zylinder des Motors 14 durch die Turbinen 24 verlässt und sich in deren Schaufeln (nicht gezeigt) entspannt, können die Turbinen 24 rotieren und mit ihnen verbundene Verdichter 25 einer Luftansauganlage 18 antreiben, um Ansaugluft zu verdichten. Das Nachbehandlungsmodul 26 kann Verbindungen des die Turbinen 24 verlassenden Abgases behandeln, aufbereiten und/oder anderweitig reduzieren, bevor das Abgas über ein oder mehrere Ablassdurchgänge 28 (nur in 1 gezeigt, aus Klarheitsgründen aus 2 entfernt) in die Atmosphäre abgelassen wird.
Wie in 3 gezeigt, kann das Nachbehandlungsmodul 26 einen Grundträger 30, ein grundsätzlich kastenförmiges Gehäuse 32, ein oder mehrere Einlassöffnungen 34, und ein oder mehrere Auslassöffnungen 36 aufweisen. Der Grundträger 30 kann beispielsweise aus einem Baustahl hergestellt und fest mit einem Rahmen 16 der Energieversorgungsanlage 10 (unter Bezugnahme auf 1 und 2) verbunden sein. Das Gehäuse 32 kann beispielsweise aus geschweißtem Edelstahl hergestellt und mit dem Grundträger 30 derart verbunden sein, dass sich das Gehäuse 32 ein wenig relativ zu dem Grundträger 30 thermisch ausdehnen kann, wenn das Gehäuse 32 erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist. In einer Ausführungsform weist das Gehäuse 32 überdimensionierte Bohrungen oder Aussparungen (nicht gezeigt) auf, die dazu ausgebildet sind, mit einem Abstand mit den Verbindungselementen 38 des Grundträgers 30 in Eingriff zu gelangen. Die Einlassöffnungen 34 und die Auslassöffnungen 36 können an einem Ende des Gehäuses 32 angeordnet sein, so dass Abgasströme das Gehäuse 32 in einer Richtung die den Abgasströmen, die in das Gehäuse 32 einströmen, entgegengerichtet ist, verlassen können. Die Einlassöffnungen 34 können im Betrieb mit den Durchgängen 22 (unter Bezugnahme auf 2) verbunden sein, während die Auslassöffnungen 36 im Betrieb mit den Durchgängen 28 (unter Bezugnahme auf 1) verbunden sein können. Eine oder mehrere Zugangsblenden, beispielsweise ein Oxidationskatalysatorzugangsblendenpaar 40 und ein SCR-Katalysatorzugangsblendenpaar 42, können an strategischen Positionen am Gehäuse 32 angeordnet sein, um einen Wartungszugang zu den Innenkomponenten des Nachbehandlungsmoduls 26 bereitzustellen.
Das Nachbehandlungsmodul 26 kann eine Mehrzahl von Abgasbehandlungsvorrichtungen aufnehmen. So zeigt beispielsweise 4 ein Nachbehandlungsmodul 26, das eine erste Nachbehandlungsvorrichtung aufnimmt, die aus einer oder mehreren Reihen von Oxidationskatalysatoren 44 besteht, eine zweite Nachbehandlungsvorrichtung aufnimmt, die aus einer Reduktionsmitteldosierungsanordnung 46 besteht, und eine dritte Nachbehandlungsvorrichtung aufnimmt, die aus einer oder mehreren Reihen von SCR-Katalysatoren 48 besteht. Es ist vorgesehen, dass das Nachbehandlungsmodul 26, wie gewünscht, eine größere oder kleinere Anzahl von jeglichem im Stand der Technik bekannten Nachbehandlungsvorrichtungen aufweisen kann. Oxidationskatalysatoren 44 können stromabwärts von den Einlassöffnungen 34 und, in einer Ausführungsform, auch stromabwärts von einem Diffusor 50, der zu den Einlassöffnungspaaren 34 zugehörig ist, angeordnet sein. Die Reduktionsmitteldosieranordnung 46 kann stromabwärts von den Oxidationskatalysatoren 44 und stromaufwärts von den SCR-Katalysatoren 48 angeordnet sein.
Die Oxidationskatalysatoren 44 können beispielsweise Dieseloxidationskatalysatoren (DOC) sein. Die Oxidationskatalysatoren 44, die als DOCs ausgebildet sind, können jeweils eine durchlässige Keramikwabenstruktur, ein Metallnetz, einen Metallschaum- oder Keramikschaum, oder ein anderes geeignetes Substrat aufweisen, das mit einem katalysierenden Werkstoff beschichtet ist oder diesen andernfalls enthält, zum Beispiel ein Edelmetall, das eine chemische Reaktion katalysiert, um eine Zusammensetzung des durch die Oxidationskatalysatoren 44 strömenden Abgases zu verändern. In einer Ausführungsform können die Oxidationskatalysatoren 44 Palladium, Platin, Vanadium, oder eine Mischung dieser aufweisen, die eine Umwandlung von NO zu NO₂ ermöglicht. In einer anderen Ausführungsform können die Oxidationskatalysatoren 44 alternativ oder zusätzlich Partikelabscheidfunktionen (das heißt, die Oxidationskatalysatoren 44 können katalysierende Partikelabscheider sein), Kohlenwasserstoffreduktionsfunktionen, Kohlenmonoxidreduktionsfunktionen und/oder andere in dem Stand der Technik bekannte Funktionen ausführen.
In der dargestellten Ausführungsform sind zwei voneinander getrennte Reihen von Oxidationskatalysatoren 44 offenbart, die derart angeordnet sind, um Abgas parallelförmig von den Einlassöffnungspaaren 34 zu empfangen. Jede Reihe von Oxidationskatalysatoren 44 kann zwei oder mehr Substrate aufweisen, die in Reihe angeordnet und dazu ausgebildet sind, Abgas von einem Einlassöffnungspaar 34 und einem verbundenen Diffusor 50 zu empfangen. In der dargestellten Ausführungsform ist der Diffusor 50 als ein Konus oder als mehrere konzentrische Konen ausgebildet, wobei jegliche Diffusorgeometrie, die im Stand der Technik bekannt ist, genutzt werden kann. In der Anordnung der 1–5 kann jeder Diffusor 50 dazu ausgebildet sein, Abgas, das von den Einlassöffnungspaaren 34 empfangen wurde, in eine im Wesentlichen einheitlichen Weise über eine Seite eines vorderen Substrats der zugehörigen Reihe von Oxidationskatalysatoren 44 zu verteilen. In einem Beispiel kann, wenn gewünscht, zwischen den Substraten einer einzelnen Reihe von Oxidationskatalysatoren 44 ein Raum existieren, wobei der Raum gleichzeitig die Abgasverteilung und Geräuschdämpfung fördert. Es ist vorgesehen, dass, wie gewünscht, in einem Nachbehandlungsmodul 26 jegliche Anzahl von Reihen von Oxidationskatalysatoren 44 mit jeglicher Anzahl von Substraten, die in Reihe oder parallel angeordnet sind, genutzt werden können.
Die Reduktionsmitteldosiervorrichtung 46 kann einen Zwischenströmungsabschnitt ausbilden, der unter anderem einen Mischkanal 52 mit einem offenen Anströmende 54 aufweist, das in Fluidverbindung mit den Oxidationskatalysatoren 44 steht, und ein offenes Abströmende 56 aufweist, das in Fluidverbindung mit den SCR-Katalysatoren 48 steht. Ein Reduktionsmitteleinspritzventil 58 kann am oder nahe dem offenen Anströmende 54 angeordnet und dazu ausgebildet sein, Reduktionsmittel in das durch den Mischkanal 52 strömende Abgas einzuspritzen. Ein gasförmiges oder flüssiges Reduktionsmittel, am häufigsten eine Wasser-/Harnstofflösung, Ammoniak, verflüssigtes wasserfreies Ammoniak, Ammoniumcarbonat, ein Aminsalz, oder ein Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Dieselkraftstoff, kann in das den Mischkanal 52 durchströmende Abgas eingesprüht oder anderweitig vorteilhaft hinzugefügt werden.
Die Reduktionsmitteleinspritzventile 58 können stromaufwärts beabstandet von den SCR-Katalysatoren 48 und an einem Einlassabschnitt des Mischkanals 52 angeordnet sein, um dem eingespritzten Reduktionsmittel genügend Zeit zum Mischen mit dem Abgas aus der Energiequelle 10 zur Verfügung zu stellen und sich ausreichend zu zersetzen, bevor es in die SCR-Katalysatoren 48 eintritt. Das heißt, eine gleichmäßige Verteilung von genügend zersetztem Reduktionsmittel in dem Abgas, das durch die SCR-Katalysatoren 48 strömt, kann die NO_x-Reduktion darin erhöhen. Der Abstand zwischen den Reduktionsmitteleinspritzventilen 58 und den SCR-Katalysatoren 48 (das heißt, die Länge des Mischkanals 52) kann auf einer Durchflussmenge des die Energiequelle 10 verlassenden Abgases und/oder einer Querschnittsfläche des Mischkanals 52 beruhen. In dem in den 4 und 5 dargestellten Beispiel kann sich der Mischkanal 52 entlang einem Großteil einer Länge des Gehäuses 32 erstrecken, wobei das Reduktionsmitteleinspritzventil 58 am offenen Anströmende 54 angeordnet ist.
Um die Verbindung des Reduktionsmittels mit dem Abgas zu verbessern, kann ein Mischer 60 in dem Mischkanal 52 angeordnet sein. In einer Ausführungsform ist der Mischer 60 stromabwärts von dem Reduktionsmitteleinspritzventil 58 angeordnet und kann Schaufeln oder Blätter aufweisen, die angeschrägt sind, um eine drallförmige Bewegung des Abgases zu erzeugen, wenn dieses durch den Mischkanal 52 strömt.
In einer Ausführungsform kann die Dämpfungskammer 62 eine Fluidverbindung zwischen einer Auslassöffnung der Oxidationskatalysatoren 44 und dem offenen Anströmende 54 des Mischkanals 52 herstellen. In dem in den 4 und 5 dargestellten Beispiel kann die Dämpfungskammer 62 Abströmseitenwände 62a aufweisen, die zu dem offenen Anströmende 54 des Mischkanals 52 hin geneigt sind, damit sich das Abgas trichterförmig in den Mischkanal 52 erweitern kann. Die Dämpfungskammer 62 kann auch einen Teil 64 aufweisen, der in einigen Ausführungsformen die Dämpfungskammer 62 in seriell angeordnete erste und zweite Räume 66, 68 teilt. Ein Rohr 70 kann den ersten Raum 66 mit dem zweiten Raum 68 in Fluidverbindung setzen. Um die Geräuschdämpfung in dem ersten und zweiten Raum 66, 68 zu erhöhen, kann das Rohr 70 über eine Strecke D₁ in den ersten Raum 66 hineinragen, die ungefähr gleich der Hälfte einer Strecke von einem nachfolgend angeordneten Substrat der Oxidationskatalysatoren 44 zu dem Teil 64 beträgt, und das Mischrohr 52 kann ebenfalls in den zweiten Raum 68 über eine Strecke D₂ hineinragen, die ungefähr die Hälfte einer Strecke von dem Teil 64 zu einer Abströmendwand 62b der Dämpfungskammer 62 beträgt. In einem Beispiel kann die Gesamtlänge des Rohrs 70 ungefähr zweimal der Strecke D₁ entsprechen.
Das Nachbehandlungsmodul 26 kann erste und zweite Reihen 72, 74 von SCR-Katalysatoren 48 aufweisen, wobei jede der ersten und zweiten Reihen 72, 74 eine Mehrzahl von SCR-Katalysatoren 48 aufweist, die in Bezug aufeinander parallel angeordnet sind. In der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsform weist jede der ersten und zweiten Reihen 72, 74 sechs SCR-Katalysatoren 48 auf, die miteinander in einem gemeinsamen Halterungsrahmen 76 montiert sind. Indes ist vorgesehen, dass jegliche Anzahl von SCR-Katalysatoren in dem Nachbehandlungsmodul 26 und in jeglicher Anzahl von Reihen gehalten werden können.
Jeder der ersten und zweiten Reihe 72, 74 von SCR-Katalysatoren 48 kann radial außerhalb von dem Mischkanal 52 angeordnet sein, und in Bezug auf eine Längsachse des Mischkanals 52 in einem schrägen, spitzen Winkel α (nur in 5 gezeigt) positioniert sein. In einem Beispiel kann Winkel α in dem Bereich von ungefähr 10–45° liegen. Ein Durchgang 78, der an einem gegenüber der Einlassöffnungen 34 angeordneten Ende des Gehäuses 32 angeordnet ist, kann sich verzweigen und das den Mischkanal 52 verlassende Abgas radial nach außen auf die sich gegenüberliegenden Seitenwände 80 des Gehäuses 32 leiten. Jede Seitenwand 80 kann in Bezug auf eine Anströmseite einer Reihe der ersten und zweiten Reihen 72, 74 der SCR-Katalysatoren 48 in einem schrägen, spitzen Winkel β (nur in 5 gezeigt) angeordnet sein, so dass jede Seitenwand 80 zusammen mit der verbundenen Reihe der ersten und zweiten Reihen 72, 74 der SCR-Katalysatoren 48 einen Durchgang 82 ausbildet, der sich von einem stromaufwärts angeordneten SCR-Katalysator der SCR-Katalysatoren 48 zu einem stromabwärts angeordneten SCR-Katalysator der SCR-Katalysatoren 48 hin erstreckt und einen sich verringernden Querschnitt entlang der Strömungsrichtung hat. In einem Beispiel kann der Winkel β in dem Bereich von 10–45° liegen. Die sich verringernde Querschnittsfläche des Durchgangs 82 kann einen sich vergrößernden Widerstand gegen den durchströmenden Abgasstrom erzeugen, der zu einer im Wesentlichen gleichmäßigen Verteilung des Abgases zu allen SCR-Katalysatoren 48 führt.
Jeder SCR-Katalysator 48 kann im Wesentlichen identisch in der Form, Größe, und Zusammensetzung sein. Insbesondere kann jeder SCR-Katalysator 48 ein grundsätzlich zylindrisches Substrat aufweisen, das hergestellt aus oder beschichtet ist mit einem Keramikwerkstoff wie beispielsweise Titanoxid, einem Basismetalloxid wie beispielsweise Vanadium und Wolfram, Zeolithe und/oder einem Edelmetall. In dieser Zusammensetzung kann das zersetzte Reduktionsmittel, das in dem durch den Mischkanal 52 und die Durchgänge 78, 82 strömende Abgas enthalten ist, auf der Oberfläche adsorbiert und/oder in einem der SCR-Katalysatoren 48 absorbiert werden, in welchem das Reduktionsmittel mit NOx (NO und NO₂) in dem Abgas reagiert, um Wasser (H₂O) und zweiatomigen Stickstoff (N₂) zu bilden.
Zusätzlich zum Halten der SCR-Katalysatoren 48 kann der Halterungsrahmen 76 auch dazu genutzt werden, Lärm zu dämpfen. Insbesondere kann jeder Halterungsrahmen 76 eine oder mehrere Dämpfungskavitäten 84 aufweisen, die zwischen den SCR-Katalysatoren 48 einer einzelnen Reihe der ersten und zweiten Reihen 72, 74 ausgebildet sind. Jede der Dämpfungskavitäten 84 kann ein erstes Ende aufweisen, das an einer Anströmseite der entsprechenden Reihe 72, 74 von SCR-Katalysatoren 48 geschlossen ist, und ein zweites Ende aufweisen, das an einer Abströmseite der entsprechenden Reihe 72, 74 geöffnet ist. In dieser Konfiguration kann Schall von stromabwärts der SRC-Katalysatoren 48 in die Dämpfungskavitäten 84 gelangen, darin reflektiert und dissipiert werden, ohne dass es unbehandeltem Abgas ermöglicht wird, um die SCR-Katalysatoren 48 herumzuströmen.
Das Gehäuse 32 kann zusammen mit den ersten und zweiten Reihen 72, 74 von SCR-Katalysatoren 48 und den Stirnwänden 62a der Dämpfungskammer 62 eine Auslasskammer 86 ausbilden, die den Mischkanal 52 ringförmig umgibt. In einer Ausführungsform kann ein Raum um eine gesamten Außenseite des Mischkanals 52 freigehalten werden, so dass die Auslasskammer 86 radial nach innen gerichtete Abgasströme von allen SCR-Katalysatoren 48 der ersten und zweiten Reihen 72, 74 empfangen und vereinigen kann. Die Auslasskammer 52 kann dann das Abgas wieder in zwei voneinander getrennte Ströme teilen, die über die Auslassöffnungen 36 das Nachbehandlungsmodul 26 verlassen.
Eine Auslassdämpfungskammer 88 kann stromabwärts von der Auslasskammer 86 und nahe einer der Auslassöffnungen 36 angeordnet sein. Jede Auslassdämpfungskammer 88 kann zumindest teilweise durch einen Bereich der Seitenwand 80, einem Ende des Halterungsrahmens 76, und einer Wand 90, die in einem Winkel zwischen der Seitenwand 80 und dem Halterungsrahmen 76 angeordnet ist, ausgebildet werden. In der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsform kann jede Auslassdämpfungskammer 88 eine im Wesentlichen dreieckige Querschnittsfläche aufweisen, so dass die Raumausnutzung innerhalb des Nachbehandlungsmoduls 26 vergrößert werden kann. Indes sollte beachtet werden, dass die Dämpfungskammer 88, wenn gewünscht, auch eine andere Form aufweisen kann. Ein separater Durchgang 92 kann eine Strecke in jede Dämpfungskammer 88 hineinragen, um eine Fluidverbindung zwischen jeder Auslassdämpfungskammer 88 und einem austretenden Strom des Abgases herzustellen, wobei die Strecke des Hineinragens derart gewählt wird, um die Lärmdämpfung zu erhöhen.
Ein NOx-Sensor 94 kann untergebracht werden, um eine NOx-Konzentration in dem die SCR-Katalysatoren 48 verlassenden Abgas zu bestimmen. In einem Beispiel kann der NOx-Sensor 94 in Fluidverbindung mit der Auslasskammer 86 stehen, so dass die NOx-Konzentration in allen Strömen des durch das Nachbehandlungsmodul 26 strömenden Abgases überwacht werden kann. Beispielsweise kann NOx-Sensor 94 an einer Außenfläche des Mischkanals 52 angeordnet sein. Der NOx-Sensor 94 kann ein Signal erzeugen, das auf die NOx-Konzentration in dem durch die Auslasskammer 86 strömenden Abgas schließen lässt, und das Signal zu einem Abgas- oder einem Energieversorgungssteuergerät (nicht gezeigt) weiterleitet. Das Steuergerät kann dann reaktiv Parameter des Motors und/oder des Nachbehandlungsvorgangs anpassen, wie eine Mengenanpassung des eingespritzten Reduktionsmittels, so dass die NOx-Konzentration unter vorgeschriebenen Grenzwerten bleibt. Es ist vorgesehen, dass der NOx-Sensor 94 alternativ stromaufwärts der SCR-Katalysatoren 48 angeordnet sein kann, zum Beispiel, wenn gewünscht, auf einer Innenfläche des Mischkanals 52.
5 zeigt einen Abgasstrom durch das Nachbehandlungsmodul 26. 5 wird in größerem Detail in dem nachfolgenden Abschnitt diskutiert werden, um das offenbarte Nachbehandlungsmodul und dessen Betrieb zu veranschaulichen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das Nachbehandlungsmodul der vorliegenden Offenbarung kann in jeglicher Energieversorgungsanlagenanordnung angewendet werden, die eine Behandlung von Abgasbestandteilen erfordert und in denen Komponentengröße, Rückstaudruck, und Lärmdämpfung wichtige Punkte sind. Das offenbarte Nachbehandlungsmodul kann die Gehäusegrößenausnutzung verbessern, indem mehrere kleine Reduktionsvorrichtungen verwendet werden und der zur Verfügung stehende Raum für unterschiedliche Zwecke (zum Beispiel zur Reduktion von Bestandteilen und Lärmdämpfung) genutzt wird, während noch immer ein angemessener Raum für den Zerfall des Reduktionsmittels und eine gleichmäßige Verteilung des Abgasstroms und des Reduktionsmittels über geeignete Katalysatoren bereitgestellt wird. Das offenbarte Nachbehandlungsmodul kann auch einen niedrigen Rückstaudruck dadurch aufrecht erhalten, dass der Abgasstrom begrenzt wird. Nachfolgend wird der Betrieb der Energieversorgungsanlage 10 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird eine Luftansauganlage 18 gezeigt, welche Luft oder eine Mischung von Kraftstoff und Luft verdichten und in die Zylinder des Motors 14 für eine nachfolgende Verbrennung leiten kann. Die Kraftstoff- und Luftmischung kann durch den Motor 14 verbrannt werden, um eine mechanische Rotation zu generieren, die einen Generator 12 antreibt und einen Abgasstrom heißer Gase erzeugt. Der Abgasstrom kann eine komplexe Mischung von Luftschafstoffen enthalten, die unter anderem Stickoxide (NO_x) enthalten können. Das Abgas kann durch die Turbinen 24 und die Durchgänge 22 zu dem Nachbehandlungsmodul 26 geleitet werden.
Das Abgas kann von den Durchgängen 22 über vier unterschiedliche Einlassöffnungen 34 in das Nachbehandlungsmodul 26 strömen. Die Einlassöffnungen 34 können derart miteinander gepaart sein, dass ein Strom von zwei Einlassöffnungen 34 durch einen einzelnen gemeinsamen Diffusor 50 zu einer zugeordneten Reihe von Oxidationskatalysatoren 44 strömt. Die Diffusoren 50 können dabei helfen, einströmendes Abgas gleichmäßig über die Flächen der Oxidationskatalysatoren 44 zu verteilen. Wenn das Abgas durch die Oxidationskatalysatoren 44 strömt, kann ein Teil des NO in dem Abgas zu NO₂ umgewandelt werden. Alternativ oder zusätzlich können Feinstaub, Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxide in den Oxidationskatalysatoren 44 abgeschieden, umgewandelt und/oder reduziert werden.
Nachdem das Abgas die Oxidationskatalysatoren 44 durchquert hat, kann es in den ersten Raum 66 der Dämpfungskammer 62 und durch das Rohr 70 in den zweiten Raum 68 strömen. Wenn das Abgas durch den ersten und zweiten Raum 66, 68 strömt, kann mit dem Strom verbundener Schall darin reflektiert und dissipiert werden. Das Hineinragen des Rohrs 70 und des Mischkanals 52 in den ersten beziehungsweise zweiten Raum 66, 68 kann die Dämpfungswirkung des ersten und zweiten Raums 66, 68 vergrößern.
Den zweiten Raum 66 verlassendes Abgas kann trichterförmig in den Mischkanal 52 geleitet werden, wo Drall und/oder Turbulenzen des Abgases durch den Mischer 60 gefordert werden können. Das Reduktionsmittel kann in den Strom stromaufwärts vom Mischer 60 eingespritzt werden. Während des drallförmigen und/oder turbulenten Stroms des Abgases und des Reduktionsmittels entlang der Länge des Mischkanals 52, kann die Mischung sich weiter homogenisieren und das Reduktionsmittel anfangen, sich zu zersetzen. Zu dem Zeitpunkt, in dem die Mischung die SCR-Katalysatoren 48 erreicht, sollte der Großteil des Reduktionsmittels für Reduktionszwecke in den SCR-Katalysatoren 48 zersetzt sein.
Der Durchgang 78 kann Abgas vom Mischkanal 52 radial nach außen auf die Seitenwände 80 des Gehäuses 32 und in die parallelen Durchgänge 82 leiten. Aufgrund der sich verringernden Strömungsfläche der Durchgänge 82, kann das Abgas dazu gezwungen werden, durch alle SCR-Katalysatoren 48 in einer im Wesentlichen gleichen Weise zu strömen. Wenn das Abgas durch die SCR-Katalysatoren 48 strömt, kann NOx mit dem Reduktionsmittel reagieren und zu Wasser und zweiatomigem Stickstoff reduziert werden. Das Abgas kann die SCR-Katalysatoren 48 in die Auslasskammer 86 verlassen. Aufgrund eines zwischen einer Außenseite des Mischkanals 52 und den Wänden des Gehäuses 32 beibehaltenen Freiraums, kann sich das die SCR-Katalysatoren 48 von unterschiedlichen Reihen 72, 74 verlassende Abgas wieder in der Auslasskammer 86 vereinigen. Die NOx-Konzentration der Abgasmischung, die sich in der Auslasskammer 86 wiedervereinigt, kann durch den NOx-Sensor 94 bestimmt werden.
Der mit dem Strom des Abgases im Nachbehandlungsmodul 26 verbundene Lärm kann, sowohl wenn der Abgasstrom in die Auslasskammer 86 eintritt als auch aus dieser austritt, gedämpft werden. Insbesondere kann dem Lärm ermöglicht werden, von den Abströmseiten der SCR-Katalysatoren 48 in die Dämpfungskavitäten 84 einzutreten, reflektiert zu werden und in den Dämpfungskavitäten 84 zu dissipieren. Zusätzlich kann, kurz bevor das Abgas aus dem Nachbehandlungsmodul 26 über die Auslassöffnungen 36 austritt, mit dem Austritt verbundener Lärm des Abgasstroms in die Kammer 88 eintreten, wo der Lärm wiederum reflektiert und dissipiert werden kann. Das Abgas kann dann von dem gleichen Ende des Nachbehandlungsmoduls 26 austreten, wie es in das Nachbehandlungsmodul 26 in entgegen gesetzter Richtung ursprünglich eingetreten ist.
Das Nachbehandlungsmodul 26 kann eine gleichmäßige Abgasverteilung und eine ausreichende Reduktionsmittelzersetzung fördern. Beispielsweise können die Diffusoren 50 dabei helfen, Abgas gleichmäßig über die Anströmfläche der Oxidationskatalysatoren 44 zu verteilen. Der Raum zwischen den stromaufwärts und stromabwärts angeordneten Oxidationskatalysatoren 44 kann ebenso die Verteilung fördern. Zusätzlich kann der Mischer 60 helfen, Abgas mit Reduktionsmittel durch Drall und/oder Turbulenzen zu vermischen, und die Länge des Mischkanals 52 und des Durchgangs 78 kann ausreichend sein, um eine angemessene Vermischung und Reduktionsmittelzersetzung zu erreichen. Die Anordnung, Anzahl und Orientierung der SCR-Katalysatoren 48 in Bezug auf die Seitenwände 80 und den Mischkanal 52 kann eine gleichmäßige Verteilung des Abgases über die Flächen der SCR-Katalysatoren 48 fördern. Zusätzlich kann die parallele Anordnung von mehreren Oxidations- und SCR-Katalysatoren 44, 48 zu kleinen Begrenzungen des Abgasstroms durch das Nachbehandlungsmodul 26 führen, wodurch der Motorrückstaudruck und die Leistung verbessert wird.
Das Nachbehandlungsmodul 26 kann einige, wenn überhaupt, zweckbestimmte Durchgangswände aufweisen, wodurch Kosten reduziert werden können. Das heißt, die meisten Komponenten des Nachbehandlungsmoduls 26 können mehrere Funktionen ausführen wie die Darstellung von Durchgangswänden, die die Abgasströme in die gewünschten Richtungen kanalisieren. Beispielsweise kann die Dämpfungskammer 62 dazu genutzt werden, Lärm zu dämpfen und Abgas, das zu dem Mischkanal 52 strömt, trichterförmig zu erweitern. In einem anderen Beispiel kann der Mischkanal 52 sowohl dazu genutzt werden, Abgas mit Reduktionsmittel zu vermischen als auch Abgas von den Oxidationskatalysatoren 44 zu den SCR-Katalysatoren 48 zu leiten. Gleichermaßen können die SCR-Katalysatoren 48 dazu genutzt werden, Abgas zu behandeln und eine Wand eines begrenzenden Durchgangs darzustellen, der eine gleichmäßige Verteilung des Abgases über alle SCR-Katalysatoren 48 bewirkt. Abschließend kann die Dämpfungskammer 88 anderweitig ungenutzten Raum zum Dissipieren von Lärm nutzen. Die Einfachheit und Multifunktionalität der Komponenten des Nachbehandlungsmoduls 26 kann dessen Kosten senken.
Für Fachleute wird es offensichtlich sein, dass unterschiedliche Modifikationen und Variationen der Abgasanlage und des Nachbehandlungsmoduls der vorliegenden Offenbarung gemacht werden können, ohne dass der Umfang der Offenbarung verlassen wird. Andere Ausführungsformen werden für den Fachmann unter Berücksichtigung der Beschreibung und Anwendung der hierin offenbarten Anlage und des Moduls offensichtlich sein. Es ist vorgesehen, dass die Beschreibung und Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei auf den wahren Umfang der Offenbarung durch die nachfolgenden Ansprüche und ihre Äquivalente hingewiesen wird.

Claims

Nachbehandlungsmodul (26) mit: einer Mehrzahl von Einlassöffnungen (34), die dazu ausgebildet sind, Abgas in eine erste Strömungsrichtung in das Nachbehandlungsmodul zu leiten, einem Mischkanal (52), der dazu ausgebildet ist, Abgas von der Mehrzahl der Einlassöffnungen zu empfangen, und einem Verzweigungsdurchgang (78), der in Fluidverbindung mit dem Mischkanal steht und dazu ausgebildet ist, Abgas von dem Mischkanal in voneinander getrennte Ströme zu verzweigen, die das Nachbehandlungsmodul in eine zweite Strömungsrichtung verlassen, die der ersten Strömungsrichtung entgegengerichtet ist.
Nachbehandlungsmodul nach Anspruch 1, ferner mit: einer ersten Reihe von SCR-Katalysatoren (74), die radial außerhalb von dem Mischkanal angeordnet und dazu ausgebildet sind, Abgas von dem Mischkanal zu empfangen, einer zweiten Reihe von SCR-Katalysatoren (74), die radial außerhalb von dem Mischkanal angeordnet und dazu ausgebildet sind, Abgas von dem Mischkanal zu empfangen, und einer Auslasskammer (86), die den Mischkanal umgibt und dazu ausgebildet ist, Abgas von der ersten und zweiten Reihe von SCR-Katalysatoren zu empfangen.
Nachbehandlungsmodul nach Anspruch 1, ferner mit: einer Reihe von SCR-Katalysatoren (74), und einer Wand (80), die in Bezug auf eine Seite der Reihe von SCR-Katalysatoren in einem schrägen Winkel (β) angeordnet ist, und die zusammen mit der Reihe von SCR-Katalysatoren mindestens teilweise einen Abgasdurchgang (82) ausbildet, der eine abnehmende Strömungsfläche entlang einer Strömungsrichtung aufweist.
Nachbehandlungsmodul nach Anspruch 1, ferner mit einer Reihe von SCR-Katalysatoren (74), die in Bezug auf eine Längsachse des Mischkanals angewinkelt und dazu ausgebildet sind, Abgas radial nach innen auf den Mischkanal abzugeben.
Nachbehandlungsmodul nach Anspruch 1, ferner mit: einer Reihe von SCR-Katalysatoren (74), die dazu ausgebildet sind, Abgas von dem Mischkanal zu empfangen, und einer Mehrzahl von Dämpfungskavitäten (84), die zwischen den SCR-Katalysatoren (48) von der Reihe von SCR-Katalysatoren ausgebildet sind, wobei jede von der Mehrzahl von Dämpfungskavitäten ein erstes, geschlossenes Ende an einer Anströmseite der Reihe von SCR-Katalysatoren aufweist, und ein zweites, geöffnetes Ende an einer Abströmseite der Reihe von SCR-Katalysatoren aufweist.
Nachbehandlungsmodul nach Anspruch 1, ferner mit einer Mehrzahl von Auslassöffnungen (36), die stromabwärts von dem Mischkanal angeordnet sind.
Nachbehandlungsmodul nach Anspruch 1, ferner mit mindestens einem Oxidationskatalysator (44), der stromaufwärts von dem Mischkanal angeordnet ist.
Nachbehandlungsmodul nach Anspruch 9, ferner mit mindestens einem Diffusor (50), der dicht an mindestens einer von der Mehrzahl von Einlassöffnungen angeordnet und dazu ausgebildet ist, Abgas im Wesentlichen gleichmäßig über den mindestens einen Oxidationskatalysator zu verteilen, wobei der mindestens eine Oxidationskatalysator eine Mehrzahl von Reihen von Oxidationskatalysatoren aufweist, der mindestens eine Diffusor eine Mehrzahl von Diffusoren aufweist, und jede Reihe von der Mehrzahl von Reihen von Oxidationskatalysatoren zu einem von der Mehrzahl von Diffusoren zugehörig ist.
Nachbehandlungsmodul nach Anspruch 1, ferner mit: einer Dämpfungskammer (62), die zwischen der Mehrzahl von Einlassöffnungen und dem Mischkanal angeordnet ist, einer Wand (64), die in der Dämpfungskammer angeordnet ist und die Dämpfungskammer in einen ersten und zweiten Raum (66, 68) teilt, und einem Rohr (70), das eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum herstellt, wobei das Rohr in den ersten Raum über eine Strecke (D₁) hineinragt, die ungefähr genauso groß ist wie eine Hälfte der Strecke von der Wand zu einer Einlassöffnung des ersten Raums.
Energieversorgungsanlage (10) mit: einem Verbrennungsmotor (14) mit einer Mehrzahl von Zylindern, und dem Nachbehandlungsmodul (26) wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 beansprucht, das dazu ausgebildet ist, Abgas von der Mehrzahl von Zylindern zu empfangen.