DE102021134473A1

DE102021134473A1 - Vorrichtung zum Behandeln von Abgas III

Info

Publication number: DE102021134473A1
Application number: DE102021134473.5A
Authority: DE
Inventors: Rafal Wróbel; Peter Räsch; Volker Grünig; Markus Schuster
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-06-29

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung 1 zum Leiten und zum Behandeln eines Abgasstroms mit einem Außengehäuse 2 und einem an das Außengehäuse 2 anschließenden Einlassrohr 10 und einem an das Außengehäuse 2 anschließenden Auslassrohr 11, einem im Außengehäuse 2 angeordneten und den Abgasstrom leitenden Strömungskanal K mit einer Kanalwand und mit mehreren Kanalabschnitten, der das Einlassrohr 10 mit dem Auslassrohr 11 verbindet, einer in den Strömungskanal K integrierten ersten SCR-Katalysator-Einheit 31 und einer stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit 31 im Strömungskanal K angeordneten zweiten SCR-Katalysator-Einheit 32, einer stromauf der ersten SCR-Katalysator-Einheit 31 vorgesehenen ersten Öffnung 41 im Strömungskanal K für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungskanal K. Es soll die vom Abgasstrom in das Außengehäuse eingebrachten Wärmeenergie die Hydrolysereaktion maximieren und gleichzeitig zusätzliche Energie gespart werden. Hierzu ist stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit 31 und stromauf der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 32 eine zweite Öffnung 42 im Strömungskanal K für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungskanal K vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Leiten und zum Behandeln eines Abgasstroms mit einem Außengehäuse, einem an das Außengehäuse anschließenden Einlassrohr und einem an das Außengehäuse anschließenden Auslassrohr und einem im Außengehäuse angeordneten und den Abgasstrom leitenden Strömungskanal mit einer Kanalwand und mit mehreren Kanalabschnitten, der das Einlassrohr mit dem Auslassrohr verbindet. Die Vorrichtung zum Leiten und zum Behandeln eines Abgasstroms weist zudem eine erste SCR-Katalysator-Einheit und eine stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit angeordnete zweite SCR-Katalysator-Einheit sowie eine stromauf der ersten SCR-Katalysator-Einheit vorgesehene erste Öffnung im Außengehäuse für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungskanal auf.
Ein Strömungskanal im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung, die den Abgasstrom leitet und die durch die das Abgas führenden Kanalwände und gegebenenfalls auch inklusive der Wand des Außengehäuses gebildet wird. Das Außengehäuse, in dem der Strömungskanal angeordnet ist, ist als Box ausgebildet. Das Abgas durchströmt den Strömungskanal in einer Strömungsrichtung. Alle Komponenten wie beispielsweise auch SCR-Katalysator-Einheiten sind im Strömungskanal angeordnet. Diese Kanalwände werden gebildet durch Wände von Rohren oder Wände von Gehäusen und dem Außengehäuse oder durch sonstige Bauteile wie Substrate etc., die mit Innen- und/oder Außenflächen den Abgasstrom führen und die den Strömungskanal hauptsächlich in rechtwinkliger Richtung zur Strömungsrichtung, aber auch grundsätzlich begrenzen. Dabei begrenzt die jeweilige Wand den Strömungskanal in Bezug auf die jeweilige mittige Strömungsachse nach innen oder nach außen. In dem besonderen Fall einer Wärmetransferzone begrenzt dieselbe Wand einen Kanalabschnitt des Strömungskanals nach innen und einen anderen Kanalabschnitt des Strömungskanals nach außen. Oder zumindest begrenzt dieselbe Wand einen Kanalabschnitt einer Wärmetransferzone in eine andere Richtung als einen anderen Kanalabschnitt der Wärmetransferzone. Als Kanalabschnitt ist ein Teilstück des Strömungskanals in Strömungsrichtung zu verstehen. Unter der Strömungsrichtung ist die grundsätzliche Hauptströmungsrichtung innerhalb des Strömungskanals zu verstehen. Die Strömungsrichtung ändert sich relativ zur zentralen Achse des Außengehäuses. Sonstige von der Hauptströmungsrichtung abweichenden Strömungsrichtungen sind für die hier maßgebliche Definition der gegenständlichen Merkmale nur dann relevant, wenn explizit darauf Bezug genommen wird. Einzelne in Strömungsrichtung nacheinander angeordnete Punkte werden als stromab angeordnet bezeichnet. Entsprechend werden entgegen der Strömungsrichtung angeordnete Punkte als stromauf angeordnet bezeichnet. Einzelne Bauteile sind dünn- oder einwandige Blechteile, insbesondere die Wärmetransferzonen.
Grundsätzlich können die Rohre und Katalysatoren neben einem runden Querschnitt auch einen ovalen Querschnitt oder auch einen Querschnitt mit mehreren geraden Seitenflächen in Form eines Polygons aufweisen. Jedes den Strömungskanal bildende Bauteil steht unmittelbar in Kontakt mit dem Abgasstrom.
Je nach Prozess innerhalb dieser Vorrichtung hat der Abgasstrom auf der einen Seite eines beidseitig umströmten Bauteils eine andere Temperatur als auf der anderen Seite. Die Bauweise aus Blech ermöglicht einen Wärmeübertrag durch das jeweilige Bauteil von dem heißeren Abgasstrom in den relativ kälteren Abgasstrom. Dieser Wärmeeintrag wird nicht nur beeinflusst durch die Temperaturdifferenz von der Innenseite zu der Außenseite und durch die Länge des jeweiligen Abschnitts in Strömungsrichtung oder der Verweildauer des Abgasstroms, sondern auch durch die Strömungsrichtung. Werden die Innen- und die Außenseite in gleicher Richtung durchströmt, dann nimmt die Temperaturdifferenz in Strömungsrichtung ab. Bei einer entgegengesetzten Durchströmung bleibt die Temperaturdifferenz konstanter. Stromab, stromauf bezieht sich auf den Strömungskanal und die im Strömungskanal gegebene Strömungsrichtung. Dabei gilt per Definition stromab und stromauf auch in Bezug auf ein Abgasteilchen, das sich im Strömungskanal in einer sich ändernden Strömungsrichtung bewegt. Das Teilchen ist beispielsweise zu einem Zeitpunkt t1 an einer Position in axialer Richtung eines Rohrs auf der Innenseite des Rohrs und zu einem Zeitpunkt t2 größer t1 an einer Position in axialer Richtung auf der Außenseite des Rohrs.
Ineinander angeordnete Kanalabschnitte werden auch als „duct-in-duct“ bezeichnet. Im Sinne dieser Erfindung definiert eine solche „duct-in-ducf”-Konstruktion zwei stromab nacheinander und nebeneinander angeordnete Kanalabschnitte, die eine gemeinsame Kanalwand aufweisen, durch die die Wärme geleitet wird. Nebeneinander bedeutet im Wesentlichen in einer Richtung rechtwinklig zur Strömungsrichtung nebeneinander. Über die gemeinsame Kanalwand wird unmittelbar Wärme von einem heißeren Abgas in einem der beiden Kanalabschnitte auf ein kühleres Abgas in dem anderen Kanalabschnitt übertragen. Mittel zur Vergrößerung der Oberfläche der Wand des jeweiligen Kanalabschnitts sind dabei wahlweise miterfasst. Die gemeinsame Kanalwand ist bevorzugt einwandig, sie kann aber auch doppel- oder mehrwandig sein. Im Sinne dieser Erfindung ist mit dem Merkmal „duct-in-duct“ auch eine Anordnung erfasst, bei der der Abgasstrom von einem Kanal auf mehrere Kanäle aufgeteilt wird, solange das Merkmal einer gemeinsamen Kanalwand für alle Kanäle und für den gesamten Abgasstrom zu demselben Zeitpunkt t erfüllt ist.
Abgasbehandlungseinrichtungen mit zwei hintereinander geschalteten SCR-Katalysatoren sind aus der US 6,444,177 B1 bekannt.
Aufgabe ist es, mit der vom Abgasstrom in das Außengehäuse eingebrachten Wärmeenergie die Hydrolysereaktion zu maximieren und gleichzeitig zusätzliche Energie zu sparen. Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit und stromauf der zweiten SCR-Katalysator-Einheit eine zweite Öffnung im Außengehäuse für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungskanal vorgesehen ist. Das Abgasgehäuse in Form einer Box weist hintereinander geschaltete SCR-Einheiten auf, bei der für jede der beiden hintereinander geschalteten SCR-Einheiten eine separate Einspritzung für Reduktionsmittel vorgesehen ist. Das Außengehäuse bildet insbesondere im Bereich der Öffnung einen Teil des Strömungskanals. Durch das Einbringen des Reduktionsmittels an mehreren Positionen entlang des Strömungskanals wird eine ähnliche Wirkung erreicht wie durch die Verlängerung der Messstrecke. Denn an jeder der Positionen wird eine entsprechend kleinere Menge an Reduktionsmittel eingebracht, für die der notwendige Strömungsweg für eine gleichmäßige Verteilung und Hydrolyse entsprechend kleiner ist. Erfindungswesentlich ist es dabei, dass die beiden ersten SCR-Einheiten in einem als Box gestalteten Außengehäuse angeordnet sind. Die Box hat den thermischen Vorteil, dass die Wärme, die über die Kanalwände entlang des gesamten Strömungskanals abgegeben wird, zunächst für ein relativ hohes Temperaturniveau des gesamten Abgasstroms in der Box sorgt, weil sie eine thermisch geschlossene Einheit bildet.
Dieser Vorteil überwiegt gegenüber dem Nachteil des geringen Platzangebots in einem als Box gestalteten Außengehäuse.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Öffnung im Außengehäuse vorgesehen ist und das Außengehäuse im Bereich der Öffnung einen Teil des Strömungskanals bildet. Dadurch wird erreicht, dass kein zusätzliches Bauteil im Außengehäuse zum Anschließen des Injektors an den Strömungskanal notwendig ist.
Ergänzend kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass stromab der Öffnung und stromauf der SCR-Katalysator-Einheit ein Mischrohr oder ein Mischer als statisches Mischelement vorgesehen ist. Das Mischrohr bildet dabei weder eine Aufnahme noch ein Lager für den Injektor.
Ferner kann es zur Nutzung der übertragenen Wärme vorteilhaft sein, wenn der Strömungskanal zwei vordere Kanalabschnitte mit einer gemeinsamen vorderen Kanalwand aufweist, wobei die beiden vorderen Kanalabschnitte in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung nebeneinander und in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind und ein vorderes Paar bilden. Eine solche Geometrie wird als „duct-in-duct“ bezeichnet und dient als Wärmetransferzone für Wärme von einem heißen Abgasstrom zu einem relativ kälteren Abgasstrom. Diese Art der Wärmezufuhr in den relativ kälteren Abgasstrom wird mit passiver Wärmezufuhr umschrieben. Im Gegenteil dazu wird mit Hilfe einer zusätzlichen Einrichtung zum Erzeugen von thermischer Energie wie beispielsweise einem Brenner eine aktive Wärmezufuhr im Sinne dieser Erfindung umschrieben.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Strömungskanal zwei weitere ein hinteres Paar bildende Kanalabschnitte mit einer gemeinsamen hinteren Kanalwand aufweist, wobei die beiden hinteren Kanalabschnitte in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung im Strömungskanal nebeneinander und in Strömungsrichtung stromab nacheinander angeordnet sind. Durch den hintereinander geschalteten zweifachen Wärmeaustausch innerhalb des Abgasstroms wird es möglich, die passive Wärmezufuhr im Strömungskanal zu verbessern und gleichzeitig über die gesamte Länge des Strömungskanals eine relativ ausgeglichene, aber auch für die Hydrolysereaktion ausreichend hohe Temperatur zu erreichen.
Das Abgasgehäuse in Form einer Box weist erfindungsgemäß zwei unabhängig voneinander funktionierende und als System hintereinander geschaltete „duct-in-duct“-Zonen auf. Durch den hintereinander geschalteten zweifachen Wärmeaustausch innerhalb des Abgasstroms wird es möglich, die passive Wärmezufuhr im Strömungskanal zu verbessern und gleichzeitig über die gesamte Länge des Strömungskanals eine relativ ausgeglichene, aber auch für die Hydrolysereaktion ausreichend hohe Temperatur zu erreichen. Es wurde ermittelt, dass eine ausreichend hohe Temperatur in der zweiten „duct-in-duct“-Zone gewährleistet werden kann, wenn in der ersten „duct-in-duct“-Zone nicht der maximal mögliche, sondern nur der für eine Reaktion notwendige Wärmeaustausch realisiert wird. Für die zweite „duct-in-duct“-Zone bleibt auch aufgrund der Geometrie der Box ausreichend Wärme übrig. Die Geometrie des Außengehäuses als Box ist wesentlich, weil die Box eine thermisch geschlossene Einheit bildet, in der sich grundsätzlich die Wärme hält und über den Strömungskanal verteilt. In der Box werden ausreichend hohe Temperaturen in wichtigen Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine erreicht, um das gesamte eingebrachte Reaktionsmittel einer Hydrolysereaktion zuzuführen und die nachgeordnete Reaktion mit einzelnen Komponenten des Abgases zu gewährleisten. Die Trennung der beiden Kanalabschnitte der jeweiligen „duct-in-duct“-Zone durch nur eine und bevorzugt einfache oder einwandige Kanalwand ermöglicht einen optimalen Wärmeaustausch in der Wärmetransferzone, in der die Wärmeenergie mit wenig Verlusten und schnell durch die Kanalwand geleitet werden kann.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn alle Kanalabschnitte in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind. Die Kanalabschnitte sind derart angeordnet, dass jedes theoretische Strömungsteilchen des Abgasstroms in dem Strömungskanal alle Kanalabschnitte durchströmt. Dabei ist es nicht vorgesehen, dass der Abgasstrom in mehrere Kanalabschnitte aufgeteilt wird.
Erfindungsgemäß ist wesentlich, dass die Strömungsrichtungen in den beiden vorderen Kanalabschnitten entgegengesetzt und in den beiden hinteren Kanalabschnitten gleichgerichtet sind. Durch die unterschiedliche Wahl der relativen Strömungsrichtungen kann auf die Temperaturdifferenzen Einfluss genommen werden, die sich entlang des jeweiligen Kanalabschnitts zwischen dem heißen Abgasstrom und dem kalten Abgasstrom einstellen. Damit kann die auszutauschende Wärmemenge gleichmäßig auf beide „duct-in-duct“-Zonen bzw. beide Paare von Kanalabschnitten verteilt werden.
In Bezug auf nicht ausreichende Wärme aufgrund von kritischen Betriebsparametern im System kann es vorteilhaft sein, dass eine Einrichtung für eine aktive Wärmezufuhr in den Strömungskanal vorgesehen ist. An dem Abgasgehäuse in Form einer Box ist die Einrichtung zum Erzeugen thermischer Energie angeordnet und derart gestaltet, dass die thermische Energie gleichzeitig vor der ersten SCR-Einheit und vor der zweiten SCR-Einheit eingebracht wird.
In Bezug auf separat eingebrachte aktive Wärmeenergie kann es von besonderer Bedeutung für die vorliegende Erfindung sein, wenn der Strömungskanal zwei weitere obere Kanalabschnitte mit einer gemeinsamen oberen Kanalwand aufweist, wobei die beiden oberen Kanalabschnitte in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung nebeneinander und in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind und ein oberes Paar bilden. Dadurch wird es möglich, die separate aktive Wärmezufuhr zweifach zu nutzen, nämlich einmal in dem Kanal, in dem sie eingebracht wird, und ein zweites Mal an der indirekt erhitzten Außenseite dieser Kanalwand. Der Abgasstrom im Inneren der beiden oberen Kanäle kann ein erstes Mal direkt durch das heiße Gas von einem Brenner oder durch eine elektrische Wärmequelle erhitzt und einer ersten Hydrolysereaktion zugeführt werden. Die Kanalwand des entsprechenden oberen Abschnitts des Strömungskanals, in den die aktive Wärme eingebracht wird, wird dadurch ebenfalls erhitzt. Die Wärme dieser erhitzten Kanalwände wird über die Kanalwände nach außen vom inneren Strömungskanal auf die andere äußere Seite der Kanalwand zum äußeren Strömungskanal weggeführt. Dort wird die Wärme erfindungsgemäß durch den Abgasstrom weiter stromab ein zweites Mal abgegriffen, der dann einer zweiten Hydrolysereaktion zugeführt wird.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn der erste Kanalabschnitt des hinteren Paares stromauf der ersten SCR-Katalysator-Einheit und der zweite Kanalabschnitt des hinteren Paares stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass noch ausreichend passive Wärme stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit vorhanden ist, um die Hydrolyse vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit und nicht die vor der ersten SCR-Katalysator-Einheit zu unterstützen. Diese Maßnahme dient dazu, die passive Wärmezufuhr im Strömungskanal besser zu verteilen.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn der erste Kanalabschnitt des oberen Paares stromauf des ersten Kanalabschnitts des vorderen Paares und der zweite Kanalabschnitt des oberen Paares stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit angeordnet ist. Hierdurch wird auch erreicht, dass noch ausreichend passive Wärme stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit vorhanden ist, um die Hydrolyse vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit und nicht die vor der ersten SCR-Katalysator-Einheit zu unterstützen. Diese Maßnahme dient ebenfalls dazu, die passive Wärmezufuhr im Strömungskanal besser zu verteilen.
Dabei kann es von Vorteil sein, wenn der zweite Kanalabschnitt des oberen Paares stromauf des zweiten Kanalabschnitts des hinteren Paares angeordnet ist. Hierdurch wird mit einer dritten Maßnahme erreicht, dass noch ausreichend passive Wärme stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit vorhanden ist, um die Hydrolyse vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit und nicht die vor der ersten SCR-Katalysator-Einheit zu unterstützen. Auch dadurch wird die passive Wärmezufuhr im Strömungskanal besser verteilt.
Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn stromauf der SCR-Katalysator-Einheit eine Öffnung im Strömungskanal für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungskanal vorgesehen ist. Der Zugang zu der jeweiligen SCR-Katalysator-Einheit durch das Außengehäuse in den Strömungskanal ist unabhängig davon vorzusehen, ob das Außengehäuse einen Teil des Strömungskanals bildet oder im Bereich der Öffnung der Strömungskanal beispielsweise durch das Mischrohr begrenzt wird.
In Bezug auf einen möglichst langen Strömungskanal ist es von Vorteil, wenn stromauf der Strömungskanal derart aufgebaut ist, dass der Strömungskanal den Abgasstrom vier- bis achtmal, bevorzugt sechsmal um 180° umlenkt oder faltet. Das Falten oder die Umlenkung erfolgt im Bereich oder in Richtung der Stirnseiten des Außengehäuses, sodass die hauptsächliche Strömungsrichtung im Wesentlichen entlang der zentralen Achse in beide Richtungen verläuft und der Richtungswechsel durch das Falten oder Umlenken gegeben ist.
Die Ortsbezeichnungen „vorne“, „hinten“ und „oben“ dienen allein einer klaren Differenzierung der Bauteile. Hinsichtlich der Funktion und der erfindungsgemäßen Wechselwirkung kommt es nicht auf die geometrische Lage der Bauteile an.
Weitere vorteilhafte Merkmale sind nachstehend aufgelistet, die in einer speziellen Ausgestaltung auch in den Figuren dargestellt, aber nicht auf diese Ausgestaltungen beschränkt sind:

- der Zusatzstoff wird durch die erste Öffnung in einer Richtung eingespritzt, die der Richtung entgegengesetzt ist, in die der Zusatzstoff durch die zweite Öffnung eingespritzt wird;
- an der jeweiligen Öffnung sind ein oder mehrere Injektoren oder eine Aufnahme für einen oder mehrere Injektoren oder mehrere Öffnungen im Bereich der jeweiligen Einspritzstelle vorgesehen;
- der Strömungskanal verbindet das Zentralrohr mit dem ersten Mantelrohr und das erste Mantelrohr mit der ersten SCR-Katalysator-Einheit;
- der Strömungskanal verbindet die erste SCR-Katalysator-Einheit mit dem zweiten Mantelrohr;
- das erste Mantelrohr ist stromauf und das zweite Mantelrohr stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit angeordnet;
- die zweite SCR-Katalysator-Einheit ist stromab des zweiten Mantelrohrs angeordnet;
- das Zwischengehäuse ist mit einer Einrichtung für eine aktive Wärmezufuhr gekoppelt;
- zwischen dem Zentralrohr und der ersten Öffnung ist eine Filtereinheit mit einem Filterkörper und einem Filtergehäuse im Strömungskanal vorgesehen, wobei das Filtergehäuse einen Teil des Strömungskanals bildet;
- zwischen 8 und 12, bevorzugt 9 Kanalabschnitte sind vorgesehen, die gerade und parallel zueinander sowie in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind und die durch jeweils einen den Abgasstrom mindestens um 90° umlenkenden Kurvenabschnitt getrennt sind.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren einer speziellen Ausgestaltung dargestellt. Es zeigen:

1 eine stilisierte Schnittansicht einer Vorrichtung mit einem Außengehäuse in Form einer Box;
2 eine vergrößerte Darstellung eines Zentralrohrs mit zwei Mantelrohren und endseitigen Kragen;
3-5 Schnittdarstellungen A-C gemäß 1;
6-8 Prinzipskizzen der Abgasbehandlung;
9-10 Darstellungen von jeweils zwei Innengehäusen.

Eine Vorrichtung 1 zum Leiten und zum Behandeln eines Abgasstroms weist wie in 1 dargestellt ein Außengehäuse 2 in Form einer Box auf. In das Außengehäuse 2 wird der Abgasstrom über ein Einlassrohr 10 eingeleitet und über ein Auslassrohr 11 ausgeleitet. Das Einlassrohr 10 und das Auslassrohr 11 schließen jeweils am Au-ßengehäuse 2 an. Im Außengehäuse 2 ist ein Strömungskanal K angeordnet, der den Abgasstrom leitet und der das Einlassrohr 10 mit dem Auslassrohr 11 verbindet. Der Strömungskanal K beziehungsweise die Kanalwand des Strömungskanals K wird durch unterschiedliche Bauteile gebildet, wie Rohre, Gehäuse im Außengehäuse 2 und das Außengehäuse 2 selbst. Gemäß 1 wird der Strömungskanal K ausgehend vom Ende des Einlassrohrs 10 im Wesentlichen durch folgende in Strömungsrichtung S nacheinander angeordnete Bauteile gebildet: Verbindungsrohr 29, Kanalsegment 27 bestehend aus Zwischengehäuse 28 und Verbindungsrohr 29, Zentralrohr 20, Leitblech 23, Filtereinheit 6, Außengehäuse 2, erstes Mischrohr 25, Innengehäuse 50, erstes Mantelrohr 21, Kragen 203, erste SCR-Katalysator-Einheit 31, Außengehäuse 2, zweites Mischrohr 26, Innengehäuse 51, zweites Mantelrohr 22, Kragen 204, zweite SCR-Katalysator-Einheit 32, Außengehäuse 2 und Rohr 30. Das Außengehäuse 2 bildet mit verschiedenen nicht näher bezifferten Teilen der Gehäusewand unterschiedliche Abschnitte des Strömungskanals K.
Die Vorrichtung 1 ist teilweise symmetrisch zu einer zentralen Achse Z aufgebaut. Das Zentralrohr 20, die beiden Mantelrohre 21, 22, die Filtereinheit 6 sowie das Zwischengehäuse 28 sind ebenso koaxial zu der zentralen Achse Z angeordnet wie eine separate Einrichtung 7 zum Zuführen von Brennstoff, die von außen an das Außengehäuse 2 angesetzt ist. Jede der beiden SCR-Katalysator-Einheiten 31, 32 umfasst jeweils vier Katalysatoren 31a-d, 32a-d, die gemäß der Schnittansicht A-A nach 3 symmetrisch um jeweils 90° versetzt um die zentrale Achse Z umlaufend positioniert sind. Im Außengehäuse 2 sind mehrere Zwischenböden zur Lagerung der Komponenten vorgesehen. Zwischenböden 241, 242 sind beispielhaft dargestellt.
In dem Strömungskanal K sind insgesamt drei Wärmetransferzonen zum Übertragen von Wärme von einem heißen Abgasstrom zu einem relativ zum heißen Abgasstrom kälteren Abgasstrom vorgesehen. Speziell sind die Wärmetransferzonen als „duct-in-duct“ ausgebildet. Am Beispiel der vorderen Wärmetransferzone umfasst die „ductin-duct“-Konstruktion zwei Kanalabschnitte K1a, K1b mit einer gemeinsamen vorderen Kanalwand KW1. Der Kanalabschnitt K1a wird durch einen vorderen Teil des Zentralrohrs 20 gebildet. Der Kanalabschnitt K1b wird durch den äußeren vorderen Teil des Zentralrohrs 20 nach innen begrenzt und durch die Innenseite des ersten Mantelrohrs 21 nach außen begrenzt. Die beiden Kanalabschnitte K1a, K1b sind durch das Zentralrohr 20 und damit durch eine gemeinsame Kanalwand KW1 voneinander getrennt. Die beiden Kanalabschnitte K1a, K1b sind in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung S, in diesem Fall in radialer Richtung zu der zentrale Achse Z nebeneinander angeordnet. Zudem sind die beiden Kanalabschnitte K1a, K1b in Strömungsrichtung S derart nacheinander angeordnet, dass der Abgasstrom nach dem ersten Kanalabschnitt K1a zunächst weitere Bauteile des Strömungskanals K durchströmt, bevor er den zweiten Kanalabschnitt K1b durchströmt. Diese beiden vorderen Kanalabschnitte K1a, K1b bilden ein vorderes Paar P1 von Kanalabschnitten.
Ein zweites und hinteres Paar P2 von Kanalabschnitten K2a, K2b, die eine hintere Wärmetransferzone nach dem „duct-in-duct“-Prinzip bilden, umfasst den hinteren Teil des Zentralrohrs 20 sowie das zweite Mantelrohr 22. Auch hier begrenzt das Zentralrohr 20 den Kanalabschnitt K2a nach außen und den Kanalabschnitt K2b nach innen. Das zweite Mantelrohr 22 begrenzt den Kanalabschnitt K2b nach außen. Aus dieser Anordnung ergibt sich die rechtwinklig zur Strömungsrichtung S angeordnete benachbarte Geometrie mit nur einer gemeinsamen Kanalwand KW2. Nach dem Kanalabschnitt K2a werden auch bei dem hinteren Paar zunächst weitere Bauteile des Strömungskanals K durchströmt, bevor der zweite Kanalabschnitt K2b durchströmt wird.
Die dritte Wärmetransferzone mit einer gemeinsamen Kanalwand KW3 wird durch das obere Paar P3 von Kanalabschnitten K3a, K3b gebildet. Der Kanalabschnitt K3a wird durch das Kanalsegment 27 gebildet, das das Verbindungsrohr 29 und das Zwischengehäuse 28 umfasst und das den Kanalabschnitt K3a nach außen begrenzt und die gemeinsame Kanalwand KW3 bildet. Der Kanalabschnitt K3b wird nach innen durch das Verbindungsrohr 29 und das Zwischengehäuse 28 begrenzt. Nach außen bildet im Wesentlichen die Innenseite des Außengehäuses 2 die Grenze für den Kanalabschnitt K3b.
Zudem sind zwei SCR-Katalysator-Einheiten 31, 32 vorgesehen und stromauf jeder SCR-Katalysator-Einheit 31, 32 ist jeweils ein Injektor 41a, 42a zum Einspritzen von Zusatzstoff angeordnet.
Die Art der Wärmeübertragung in den Wärmetransferzonen zu dem relativ kälteren Abgasstrom wird mit passiver Wärmezufuhr umschrieben. Im Gegenteil dazu wird mit Hilfe der zusätzlichen am Außengehäuse 2 angeordneten Einrichtung 7 zum Erzeugen von thermischer Energie eine aktive Wärmezufuhr in den Abgasstrom erreicht. Hierzu ist im Zwischengehäuse 28 ein Flammrohr 70 vorgesehen, das vom Abgasstrom um- und durchströmt wird. Der heiße Abgasstrom durchströmt unmittelbar nacheinander den oberen Kanalabschnitt K3a, den vorderen Kanalabschnitt K1a und den hinteren Kanalabschnitt K2a. Zum ersten passiven Wärmeaustausch kommt es in dem vorderen Paar P1 im vorderen, äußeren Kanalabschnitt K1b im ersten Mantelrohr 21, nachdem dem Abgasstrom über einen Injektor 41a Reduktionsmittel zugeführt wurde und bevor er in die erste SCR-Katalysator-Einheit 31 einströmt. Nachfolgend ist der hintere, äußere Kanalabschnitt K2b vorgesehen, um den Abgasstrom nach dem Zuführen von Reduktionsmittel mit einem Injektor 42a erneut passiv zu erwärmen, bevor er in die zweite SCR-Katalysator-Einheit 32 einströmt. Der obere, äußere Kanalabschnitt K3b ermöglicht, den Abgasstrom zusätzlich mit passiver Wärme an der Stelle zu versorgen, an der mit Hilfe der Einrichtung 7 dem Abgasstrom aktiv Wärme zugeführt wird. Die aktive Wärme wird im oberen Kanalabschnitt K3a zugeführt und über die gemeinsame Kanalwand KW3 passiv im oberen Kanalabschnitt K3b an den Abgasstrom übertragen. Mit dem dritten Paar ist auch erreicht, dass der Abgasstrom vor der zweiten Behandlung mit Reduktionsmittel und nach einem entsprechend langen Strömungsweg ein zweites Mal mit passiver Wärme versorgt wird. Das erste Mal vor dem zweiten Injektor 42a vor dem Mischrohr 26 und das zweite Mal nach dem zweiten Mischrohr 26 unmittelbar vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 32.
Mit dieser Architektur wird erreicht, dass der Wärmetransfer in den drei „duct-in-duct“-Wärmetransferzonen nacheinander durchgeführt wird. Ein theoretisches Strömungsteilchen wird dem hinteren Wärmetransfer erst dann zugeführt, wenn der vordere Wärmetransfer abgeschlossen ist. Entsprechend findet der obere Wärmetransfer erst dann statt, wenn der hintere Wärmetransfer abgeschlossen ist. Ein weiterer maßgeblicher Aspekt der Architektur ist es, dass der Abgasstrom insgesamt sechs Mal gefaltet, also um 180° umgelenkt wird. Ein dafür maßgebliches Bauteil ist der jeweils am Ende des Zentralrohrs 20 angeordnete und in 2 verdeutlicht dargestellte Kragen 203, 204, der eine Faltung des Abgasstroms bewirkt, der aus dem jeweiligen Mantelrohr 21, 22 austritt und nach der Faltung in die Katalysatoren 31a-d, 32a-d einströmt. Der Kragen 203, 204 lenkt mit seiner Außenseite 203a, 204a den aus dem Mantelrohr 21, 22 ausströmenden Abgasstrom um 180° um. Der Kragen 203 bildet an der Einlassseite 201 mit seiner Innenseite 203i einen Trichter für das in das Zentralrohr 20 einströmende Abgas und der Kragen 204 bildet an der Auslassseite 202 mit seiner Innenseite 204i einen Diffusor für das aus dem Zentralrohr 20 ausströmende Abgas.
Die zahlreichen Strömungswege sind auch in den 3-5 verdeutlicht, welche jeweils einen Schnitt in einer Ebene zeigen, wie sie in 1 erkennbar ist. Die dargestellten Öffnungen sind, soweit sie keine Bezugsziffern tragen, nicht näher beschriebene Öffnungen in einem der Zwischenböden. 3, ein Schnitt A-A durch die hintere Wärmetransferzone, lässt die vier Katalysatoren 32a-d erkennen, die um das Zentralrohr 20 und das zweite Mantelrohr 22 angeordnet sind. Im oberen Bereich ist das erste Mischrohr 25 im Schnitt dargestellt. Im unteren Bereich erkennt man in der Flucht das Rohr 30, welches den Abgasstrom im Außengehäuse 2 sammelt und in das Auslassrohr 11 führt. Der Schnitt B-B liegt in einem Zwischenboden 241 unmittelbar vor den vier Katalysatoren 32a-d. Der Abgasstrom strömt im oberen Bereich aus dem ersten Mischrohr 25 in das Innengehäuse 50. Im unteren Bereich strömt das Abgas aus dem Innengehäuse 51 in das zweite Mantelrohr 22. Zudem strömt ein weiterer Teil des Abgasstroms aus den Katalysatoren 32a-d heraus und findet seinen Weg durch mehrere Öffnungen in dem Zwischenboden nach unten hin zum Rohr 30. Nach dem Schnitt C-C bewegt sich der Abgasstrom gemäß 5 aus dem Verbindungsrohr 29 heraus in das Zwischengehäuse 28 hinein und umströmt das im Zwischengehäuse 28 angeordnete Flammrohr 70, welches koaxial zum Zentralrohr 20 angeordnet ist. Der aus den in diesem Schnitt nicht dargestellten Katalysatoren 31 a-d austretende Abgasstrom findet seinen Weg durch nicht näher bezifferte Öffnungen in einem Zwischenboden hin zu dem zweiten Mischrohr 26. Stromab des Zentralrohrs 20 ist ein Leitblech 23 vorgesehen, durch das eine Verteilung des Abgasstroms auf einen wiederum stromab vorgesehenen Filterkörper 60 der Filtereinheit 6 erfolgt, der in einem Filtergehäuse 61 gelagert ist.
In den 6 bis 8 sind verschiedene vereinfachte Modelle für die passive und aktive Wärmezufuhr dargestellt, die sich mit der vorstehend beschriebenen konkreten Geometrie einer Box verwirklichen lassen. Für eine bessere Übersicht wird bei diesen Modellen auf die Darstellung von Außengehäuse, Einlassrohr, Auslassrohr, Kanalsegment und Zwischengehäuse sowie weiteren Bauteilen verzichtet. Nach 6 strömt das noch relativ heiße Abgas in das Zentralrohr 20 und wird nach der Injektion mit dem ersten Injektor 41 a mit Reduktionsmittel in der vorderen „duct-in-duct“-Anordnung durch die gemeinsame vordere Kanalwand KW1 das erste Mal im ersten Mantelrohr 21 passiv erwärmt, bevor es in die erste SCR-Katalysator-Einheit 31 einströmt. Danach erfolgt die zweite Injektion mit dem Injektor 42a im zweiten Mischrohr 26 und die zweite passive Erwärmung in der hinteren „duct-in-duct“-Anordnung durch die zweite gemeinsame Kanalwand KW2, bevor es die zweite SCR-Katalysator-Einheit 32 durchströmt. Ergänzend zu den passiven Erwärmungen wird gemäß 7 dem Abgasstrom unmittelbar nach dem Einströmen in die Box aktive Wärme über die Einrichtung 7 zugeführt. Die weitere Möglichkeit, von dem aktiv erhitzten Abgasstrom passive Wärme über eine „duct-in-duct“-Anordnung abzugreifen, ist in 8 dargestellt, nach der der Abgasstrom vor dem Eintreten in das zweite Mischrohr 26 durch die gemeinsame dritte Kanalwand KW3 passive Wärme aufnimmt.
Das Herzstück der Box-Geometrie, wie sie in den 1 bis 5 dargestellt ist, bilden die beiden Innengehäuse 50, 51, die in den 9 und 10 dargestellt sind. Das jeweilige Innengehäuse 50, 51 verbindet das Mischrohr 25, 26 mit dem Mantelrohr 21, 22, auf das folgend stromab die Katalysatoren 32a-32d angeordnet sind. Die das Mantelrohr 21, 22 umgreifende Gestaltung der beiden Innengehäuse 50, 51 ermöglicht es, die beiden Gehäuse um das Mantelrohr 21, 22 herum aneinander anzuordnen und gleichzeitig zwei Abgasströme unabhängig voneinander und entgegengesetzt in Richtung der zentralen Achse Z durch das Außengehäuse 2 zu führen.
Das jeweilige Innengehäuse 50, 51 ist um die zentrale Achse Z herum angeordnet und schließt ein Volumen ein, das das Mischrohr 25, 26 in seiner Funktion als Einlassstutzen sowie das Mantelrohr 21, 22 in seiner Funktion als Auslassstutzen verbindet. Das Innengehäuse begrenzt völlig unabhängig vom Außengehäuse ein separates oder eigenes Volumen. Der Einlassstutzen 25, 26 ist parallel und azentrisch zu der zentralen Achse Z und der Auslassstutzen 21, 22 relativ zum Innengehäuse 50, 51 und in axialer Richtung der zentralen Achse Z gegenüberliegend zum Einlassstutzen 25, 26 und koaxial zu der zentralen Achse Z angeordnet. Das Innengehäuse 50, 51 ist mit dem Zentralrohr 20 derart kombiniert, dass das Zentralrohr 20 das Innengehäuse 50, 51 vollständig durchsetzt, wobei das Innengehäuse 50, 51 gegenüber dem Zentralrohr 20 abgedichtet ist. Zwei gleiche Innengehäuse 50, 51 in radialer Richtung zur zentralen Achse Z aneinander positioniert bilden ein punktsymmetrisches Gesamtgehäuse G mit zwei getrennten Kammern, wobei das Gesamtgehäuse G eine um die gleiche zentrale Achse Z umlaufende Kontur zum Befestigen in einem Außengehäuse 2 aufweist. Die Innengehäuse 51, 52 weisen jeweils eine gleiche randseitige Außenkontur auf, die zu dem Gesamtgehäuse G zusammengesetzt einen um die zentrale Achse Z kreisförmig, elliptisch oder stetig umlaufenden äußeren Kragen 52 ergibt. Das Außengehäuse 2 weist einen Zwischenboden 242 auf, in den die Innengehäuse 50, 51 eingesetzt sind. Das Innengehäuse 50, 51 weist eine um den Auslassstutzen 21, 22 umlaufende und halbkreisförmige, das Volumen begrenzende Kontur auf, die konzentrisch zu der zentralen Achse Z ist. Die Geometrie eines einzelnen Zwischengehäuses 50 ist in 10 näher dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6444177 B1 [0006]

Claims

Vorrichtung (1) zum Leiten und zum Behandeln eines Abgasstroms mit a) einem Außengehäuse (2) und einem an das Außengehäuse (2) anschließenden Einlassrohr (10) und einem an das Außengehäuse (2) anschließenden Auslassrohr (11), b) einem im Außengehäuse (2) angeordneten und den Abgasstrom leitenden Strömungskanal (K) mit einer Kanalwand und mit mehreren Kanalabschnitten, der das Einlassrohr (10) mit dem Auslassrohr (11) verbindet, c) einer in den Strömungskanal (K) integrierten ersten SCR-Katalysator-Einheit (31) und einer stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit (31) im Strömungskanal (K) angeordneten zweiten SCR-Katalysator-Einheit (32), d) einer stromauf der ersten SCR-Katalysator-Einheit (31) vorgesehenen ersten Öffnung (41) im Strömungskanal (K) für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungskanal (K), dadurch gekennzeichnet, dass e) stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit (31) und stromauf der zweiten SCR-Katalysator-Einheit (32) eine zweite Öffnung (42) im Strömungskanal (K) für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungskanal (K) vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (41, 42) im Außengehäuse (2) vorgesehen ist und das Außengehäuse (2) im Bereich der Öffnung (41, 42) einen Teil des Strömungskanals (K) bildet.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Öffnung (41, 42) und stromauf der SCR-Katalysator-Einheit (31, 32) ein Mischrohr (25, 26) oder ein Mischer als statisches Mischelement vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (K) zwei Kanalabschnitte (K1a/b) mit einer gemeinsamen vorderen Kanalwand (KW1) aufweist, wobei die beiden Kanalabschnitte (K1a/b) in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung (S) in diesem Strömungskanal (K) nebeneinander und in Strömungsrichtung (S) nacheinander angeordnet sind und ein vorderes Paar (P1) bilden.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (K) zwei hintere Kanalabschnitte (K2a/b) mit einer gemeinsamen hinteren Kanalwand (KW2) aufweist, wobei die beiden hinteren Kanalabschnitte (K2a/b) in einer Richtung rechtwinklig zu der Strömungsrichtung (S) nebeneinander und in Strömungsrichtung (S) nacheinander angeordnet sind und ein hinteres Paar (P2) bilden.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (7) für eine aktive Wärmezufuhr in den Strömungskanal (K) vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (K) zwei weitere obere Kanalabschnitte (K3a/b) mit einer gemeinsamen oberen Kanalwand (KW3) aufweist, wobei die beiden oberen Kanalabschnitte (K3a/b) in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung nebeneinander und in Strömungsrichtung (S) nacheinander angeordnet sind und ein oberes Paar (P3) bilden.
Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanalabschnitt (K2a) des hinteren Paares (P2) stromauf der ersten SCR-Katalysator-Einheit (31) und der zweite Kanalabschnitt (K2b) des hinteren Paares (P2) stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit (31) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanalabschnitt (K3a) des oberen Paares (P3) stromauf des ersten Kanalabschnitts (K1a) des vorderen Paares (P1) und der zweite Kanalabschnitt (K3b) des oberen Paares (P3) stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit (31) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanalabschnitt (K3b) des oberen Paares (P3) stromauf des zweiten Kanalabschnitts (K2b) des hinteren Paares (P2) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Öffnungen (41, 42) in Bezug zu einer zentralen Achse (Z) gegenüberliegend am Außengehäuse (2) und/oder in radialer Richtung versetzt am Außengehäuse (2) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (S) zwischen jeweils zwei der folgenden Bauteile das vordere Paar (P1) und zwischen jeweils zwei der folgenden Bauteile jeweils das hintere Paar (P2) angeordnet ist: erste Öffnung (41) erstes Mischrohr (25) erste SCR-Katalysator-Einheit (31) zweite Öffnung (42) zweites Mischrohr (26) zweite SCR-Katalysator-Einheit (32).
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (K) derart aufgebaut ist, dass der Strömungskanal (K) den Abgasstrom vier- bis achtmal, bevorzugt sechsmal um 180° umlenkt oder faltet.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Paar (P1) durch ein Zentralrohr (20) und ein um das Zentralrohr (20) herum oder koaxial zu dem Zentralrohr (20) angeordnetes erstes Mantelrohr (21) gebildet ist, wobei ein erster Teil des Zentralrohrs (20) die gemeinsame vordere Kanalwand (KW1) bildet, das Zentralrohr (20) koaxial zu der zentralen Achse (Z) angeordnet ist und das hintere Paar (P2) durch das Zentralrohr (20) und ein um das Zentralrohr (20) herum oder koaxial zu dem Zentralrohr (20) angeordnetes zweites Mantelrohr (22) gebildet ist und ein zweiter Teil des Zentralrohrs (20) die gemeinsame hintere Kanalwand (KW2) bildet.
System bestehend aus einer Vorrichtung zum Behandeln von Abgas nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei die Abgasanlage ein Krümmersystem, ein System mit einem Oxidationskatalysator, ein Rohrsystem und ein Schalldämpfersystem sowie Sensoren umfasst.