SE532906C2 - Hydrolyskatalysator med större kanaltvärsnitt i den perifera delen än i den centrala delen samt sätt för hydrolys av ett urinämne - Google Patents

Description

*S35 I den kända tekniken finns lösningar som beskriver hur en törbiledning är anordnad att leda avgaser förbi en hydrolyskatalysator. Exempelvis EP 1052009 visar en lösning med en fórbiledning anordnad så att endast ett delflöde av avgaserna passerar hydro- lyskatalysatom. Detta medför att urean i de avgaser som passerar genom hydrolyskata- lysatorn bättre hinner reagera och mer fullständigt omvandla urean till ammoniak.

Mängden avgaser som leds genom törbiledningen styrs under inverkan av en spjällan- ordning i beroende av avkända motorparametrar såsom avgasflöde, avgashastighet och/eller avgastryck. Genom att derma anordning innefattar ett flertal tillkommande komponenter blir detta en lösning som är båda utrymmeskrävande och kostsarn.

Ett krav fór fullgod funktion hos en hydrolyskatalysator är att urinämnet fullständigt tillåts omvandlas till ammoniak och koldioxid. Även om det är möjligt att förlänga uppehållstiden i katalysatorn på det sätt som beskriv i ovannämnda EP 1052009 krävs att dess aktiva yta är tillräckligt stor. I praktiken görs detta genom att anordna så många cellväggar som möjligt inom ett begränsat område vilket leder till att de kanaler som dessa väggar bildar får relativt små tvärsnittsareor. Tyvärr leder detta till att tryckfallet över en hydrolyskatalysator kan bli omfattande.

För att en hydrolyskatalysator ska fungera på avsett sätt förutsätts vidare att den har uppnått en avsedd drifisternperatur. Detta medför att fiinlttionen under uppvärmningen och vid körning med låg belastning är reducerad, vilket kan lösas t ex genom extern uppvärmning på elektrisk väg. Detta medför nackdelen att de nödvändiga tillkomman- de komponenterna kräver utrymme och att kostnaderna ökar.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning har till syfte att på ett betydligt billigare och enklare sätt än kända lösningar förhindra att det blir stopp eller annat driftstörriing i en avgasledning innehållande en hydrolyskatalysator beroende på att insprutad urea eller annat urinärn- ne kristalliserar.

I enlighet med uppfinningen åstadkoms detta genom att hydrolyskatalysatom utformas enligt patentkravets l kännetecknade del. l0 532 QÜE Genom att anordna katalysatorelernentet med kanaler olika tvärsnittsareor medges möj- lighet för avgasströmmen att passera genom hydrolyskatalysatorn även om avgas- strömmen innehåller urea som kristalliserats och som därav orsakat ett mer eller mind- re stopp i kanalerna med mindre tvärsnittsarea. Ett av kristalliserad urea orsakat stopp i kanalerna med mindre tvärsnittsarea medför att således att avgasströmmen fortfarande kan passera genom de kanaler som har större tvärsnittsarea, och dessutom underlättas fortsatt hydrolys genom att dessa kanaler år belagda med katalysatormaterial. Efier det att temperaturen på avgaserna nått tillräckligt hög temperatur kommer kristallerna suc- cessivt att upplösas och kanalerna med mindre tvärsnittsarea kommer åter möjliggöra passage. Passage genom katalysatorelementets olika delar regleras således helt automa- tiskt utan behov av ventiler eller dylikt.

Enligt en fórdelaktig utföringsforrn är den totala tvärsnittsarean för de perifera kanaler- na lika stora som tvärsnittsarean för utloppet från den hydrolyskatalysatorn inrymman- de behållaren. Detta medför att även vid blockering av kanalerna med mindre tvär- snittsareor så kommer avgasströmmen kunna passera utan att större mottryck.

Enligt en fördelaktig utiöringsforrn är kanalerna med större tvärsnittsareor anordnade vridna i sin axiella utsträckning. Därigenom åstadkoms ett roterande avgastlöde som förbättras blandningen av avgaserna och ammoniak som omvandlats i hydrolyskataly- satorn, vilket i sin tur är gynnsamt för ftmktionen av den eñerfólj ande SCR- katalysatorn.

Ytterligare uppfinningen utmärkande särdrag och fördelar framgår av efterföljande beskrivningsexeinpel av en fórdelaktig utföringsfonn.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs, såsom ett exempel, en föredragen utföringsfonn av uppfinning- en med hänvisning till bifogad ritning, på vilken Fig.l visar schematiskt en förbränningsmotor och dess avgassystem, Fig.2 visar i ett längdsnitt en i avgassystemet ingående hydrolyskatalysator, och Fig.3 visar en i hydrolyskatalysatom ingående aktivt katalysator-element. 532 SÜE DETALJERAD BESKRIVNING Av EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM Av UPPFINNINGEN Fig. 1 visar schematiskt ett avgassystem för en flercylindri g förbränningsmotor 1, ex- empelvis en dieselmotor som utnyttjas som drivmotor i ett tyngre fordon. På motorns l avgassida är anordnat en avgassamlare 2 från vilken avgaserna fórst leds till en avgas- turbin 3 ingående i en turbokompressor 4, vilken tillika innefattar en kompressor 5 för överladdning av inloppsluft till motorn. Motorns inloppslufi leds från kompressom 5 till motorn 1 via en laddluñkylare 6 och ett inloppsgrenrör 7. Efier det att avgaserna passerat turbinen 3 leds dei en avgasledning 8 till en hydrolyskatalysator 9 och en SCR-katalysator 10 för vidare transport i avgasledningen 8 till en ej visad ljuddämpare.

I omedelbar anslutning till och uppströms hydrolyskatalysatom 9 är anordnat en ventil 11 för insprutning av ett lämpligt urinämne, vilket i detta exempel utgörs av urea, i hydrolyskatalysatorn 9 från en härför anordnad behållare 12. Ventilen ll är förbunden med en styrenhet 14 som i beroende av olika avkända motorpararnetrar styr insprut- ningen av mängden urea. För att åstadkomma ett fór insprutningen lämpligt högt tryck innefattar ledningen mellan behållaren 12 och ventilen 11 en pump 15.

Fi g. 2 och fig 3 visar båda den närmare utformningen av hydrolyskatalysatom 9. Hyd- rolyskatalysatom är anordnad för att på i sig känt sätt omvandla urea till ammoniak som också på i sig känt sätt utnyttjas fór omvandling av kväveoxider i den elterfölj an- de SCR-katalysatorn 10.

Hydrolyskatalysatom innefattar en separat, cylindrisk behållare 20 med ett inlopp 21 och ett utlopp 22. Axiellt och centralt i behållaren är anordnat hydrolyskatalysatoms aktiva element 23 som innefattar en central cylinderforrnad del 24 och en perifer ring- formad del 25, vilka båda är belagda med samma aktiva katalysatorrnaterial. Den cen- trala delen 24 innefattar ett flertal sig axiellt utsträckande kanaler 26 med vardera rela- tivt liten tvärsnittsarea. Detta möjliggör att en stor yta erhålls för effektiv omvandling av urea. Den radiella utsträckningen av den centrala delen 24 är av väsentligen samma storleksordning som inloppet 21 och utloppet 22, vilka båda har samma diameter.

Den perifera delen 25 innefattar likaså ett flertal sig axiell utsträckande kanaler 27 vil- ka dock har en väsentligt större tvärsnittsyta än kanalerna 26 i den centrala delen 24.

Dessa kanaler 27 är betydligt färre än antalet kanaler 26 i den centrala delen 24. Den totala tvärsnittsytan av den ringforrnade perifera delen 25 är av samma storleksordning 5553.? SÜE som den centrala delen 24, och således också av samma storleksordning som inloppet 21 och utloppet 22 från hydrolyskatalysatoms behållare 20. lnloppet 21 till och utlop- pet 22 från hydrolyskatalysatoms behållare 20 är lämpligen cylindriska och har samma tvärsnittsfonn och samma tvärsnittsyta. Med fördel är den perifera delen 25 anordnad koncentriskt omkring den centrala delen 24 såsom visas i fi g 2 och fig 3.

Som exempel på lämpliga dimensionsfórhållanden kan nämnas att tvärsnittsarean hos de centrala kanalerna 26 är av storleksordningen 0, 01-O,30 em2 med fördel omkring 0,025 crn2 medan storleksordningen av de perifera kanalerna 27 är av storleksordning- en 0,9 -2 cm2 med fördel omkring 1 cm2. Detta gäller för en hydrolyskatalysator vars behållare 20 har en diameter av storleksordningen 10-20 cm med fördel omkring 15 cm. Tvärsnittsarean på kanalerna i den perifera delen 25 är således av storleksordning- en åtminstone 3 gånger större än kanalema i den centrala delen 24, men med fördel är de ca 40 gånger större.

Pig. 2 visar ventilen 11 fór insprutning av urea och den strålbild 28 som bildas. Venti- len är 1 1 till största delen belägen utanför hydrolyskatalysatoms behållare 20 och en- dast ett munstycke av densamma insticker i behållaren 20. Munstycket är utfonnat att ge en konisk strålbild 28 av insprutad urea och strålbilden är riktad så att väsentligen all insprutad urea träffar inloppet till den centrala delen 24.

Fig.3 visar att kanalerna 27 i den periferiella delen 25 är något vridna relativt sina axiella utsträckningar. Denna vridning är av storleksordningen 5 grader. Det framgår äen av fig. 3. att kanaler 27 i den perifera delen 25 är så stora att det i radiell riktning endast ryms en kanal mellan den centrala delen 24 och behållarens 20 periferi. Mellan- väggarna 30 mellan de perifera kanalerna 27 består av plana väggar vilka är anordnade med närnnda vridning så att kanalema 27 verkar som ledskenor som åstadkommer det roterade flödet efter att avgaserna passerat kanalerna 27.

Funktionen av det visade arrangemanget är den följande. Vid normal drift av motorn 1 insprutas i strömmen av avgaser från motorn urea utefter den strålbild 28 som visas i fig.2 varvid på i sig känt sätt urean omvandlas till ammoniak och koldioxid, Avgas- strömmen och inblandade ammoniaken leds sedan leds vidarei avgasledningen 8 till SCR-katalysatom 10 för omvandling av kväveoxidema i avgasema till kvävgas och vatten. 996 Skulle motorn l av någon anledning drivas med låg belastning eller i annat drifisfall som resulterar i låga avgastemperaturer föreligger en risk att den insprutade mängden urea eller delar därav kristalliseras. Detta medfór med stor sannolikhet att kristallerna helt eller delvis kommer att blockera de centrala kanalerna 26 i hydrolyskatalysatoms centrala del 24. Emellertid är tvärsnittsarena hos de perifera kanalerna 27 betydligt större vilket medfór att avgasströmmen kan passera genom hydrolyskatalysatom 9 även om den innehåller kristalliserad urea. Genom att den totala ringformade arean hos den perifera delen 25 av samma storleksordning som inloppet 21 och utloppet 22 kommer avgasströmmen att kunna passera utan nämnvärt motstånd genom hydrolyskatalysatorn 9. Genom att katalysatorns perifera del 25 är belagd med katalysatormaterial kommer åtminstone vissa delar av urea som insprutats att kunna omvandlas till ammoniak, vil- ket i sin tur medfiir att SCR-katalysatorn 10 kan fungera med endast begränsat nersatt funktion. Genom att kanalerna 27 i den perifera delen 25 är något vridna i sin axiella utsträckning kommer avgasströmmen efier passagen att erhålla en rotation som under- lättar avgaserna att blandas med ammoniaken.

Efier det att temperaturen hos motorns 1 avgaser åtgått till mer normalt höga värden, exempelvis vid drivning med högre belastning, kommer successivt den kristalliserade urean att upplösas av värmen och blockeringen av kanalerna 26 i den centrala delen 24 av hydrolyskatalysatorn att upphöra.

Den perifera delen 25 av katalysatorn fungerar inte bara som en fórbiledning fórbi den centrala delens 24 kanaler 26 utan den kommer genom katalysatorbeläggningen att ha en fortsatt, om än något begränsad, funktion som hydrolyskatalysator. Vidare kommer funktionen att vara självreglerande och inga ventiler eller styrorgan erfordras fór att leda avgasströmmen genom den centrala eller den periferiella delen 24 resp 25 av kata- lysatorn. Vid normal drift av motorn när ingen andel av insprutad urea kristalliseras kommer ändock en viss andel av avgaserna att passera genom den perifera delen 25 och dessa avgaser kommer på grund av att dessa kanaler är vridna åstadkomma ett avgasflöde som roterar. Detta medför att avgasema efter hydrolyskatalysatorn blandas väl med avgaser som innehåller av urean omvandlad ammoniak vilket är gynnsamt fór uppnå god funktion i den efterföljande SCR-katalysatom 10. Likaså medför de perifera kanalerna 27 att de avgaser som passerar genom de centrala kanalerna 26 får en något längre uppehållstid i katalysatorn vilken medför goda förutsättningar fór att aktuella kemiska reaktioner ska äga rum fór omvandling av urea till ammoniak. Alternativt medför det att hydrolyskatalysatorn kan utformas med relativ mindre dimensioner än vad som annars vore nödvändigt.

Uppfinningen kan inom ramen av efterföljande patentkrav modifieras och utformas på andra sätt än vad som angivits i ovanstående beslcrivningsexempel. l stället för att ut- forma hydrolyskatalysatorn 9 och SCR-katalysatom 10 som separata enheter förbundna med varandra kan i stället båda dessa katalysatorer var inrymda i samma behållare. Det är dock en fördel om dessa ej är anordnade alltför nära varandra för att säkerställa att den omvandlade amrnoniaken hinner blandas väl i avgasströmmen innan dessa leds in i SCR-katalysatorn.

I beskrivningen anges att det är urea som omvandlas i hydrolyskatalysatom eftersom det är det ämne som är vanligast förekommande för avsedd funktion. Emellertid kan uppfinningen utnyttjas även vid utnyttjande av andra vattenlösningar av urinämnen fór omvandling till ammoniak.

I exemplet anges att vridningen av de perifera kanalerna är 5 grader, vilket visat sig vara gynnsamt. Dock kan i alternativa utförande derma vridning vara mellan 3 och 10 grader.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 532 905 Patentkrav

1. Hydrolyskatalysator avsedd att ingå i ett avgassystem för en lörbränningsmotor (1) för katalytisk omvandling av ett urinärnne till ammoniak för utnyttjande i en efierlig- gande SCR-katalysator (10) varvid hydrolyskatalysatorn (9) innefattar ett aktivt kataly- satorelement (23) som är inrymd i en behållare (20) och att en ventil (1 1) är anordnad att inspruta urinänmet i avgasströmrnen från motorn (1) uppströms det aktiva katalysa- torelementet (23), kännetecknad av att hydrolyskatalysatorns aktiva katalysatorelement (23) innefattar en central del (24) och en perifer del (25), vilka båda är belagda med samma katalysatormaterial, och att tvärsnittsarean på de separata kanalerna (27) i den perifera delen (25) är större än tvärsnittsarean hos de separata kanalerna (24) i den cen- trala delen (24).

2. Hydrolyskatalysator enligt patentkrav l kännetecknad av att tvärsnittsarean hos de separata kanalerna (27) i den perifera delen (25) är åtminstone 40 gånger större än tvär- snittsarean av de separata kanalerna (26) i den centrala delen (24).

3. Hydrolyskatalysator enligt patentkrav l kännetecknad av att tvärsnittsarean hos de separata kanalerna (27) i den perifera delen är lika med eller större än 0,9 cm2.

4. Hydrolyskatalysator enligt patentkrav 1 kännetecknad av att tvärsnittsarean på de separata kanalerna (26) i den centrala delen (24) är lika med eller mindre än 0,3 cm2

5. Hydrolyskatalysator enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att den totala tvärsnittsarean av kanalerna (26) i den centrala delen (24) är lika stor som den totala tvärsnittsarean av kanalerna (27) iden perifera delen (25)

6. Hydrolyskatalysator enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att den totala tvärsnittsarean av kanalerna (27) i den perifera delen (25) är lika stor som tvär- snittsarean av behållarens (20) utlopp (22).

7. Hydrolyskatalysator enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att kana- lerna (27) i den perifera delen (25) utefter sin axiella utsträckning är vridna i syfle att åstadkomma ett roterande flöde av avgaser som passerar genom desamma. 10 15 20 25 30 35 533. BÜE

8. Hydrolyskatalysator enligt patentkrav 7 kännetecknad av att vridningen är mellan 3 och 10 grader, med fördel 5 grader.

9. Hydrolyskatalysator enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att urin- änmet utgörs av en vattenlösning av urea.

10. Hydrolyskatalysator enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att ventilen (l 1) är anordnad att inspruta urinänmet med ett flöde med en konforrnad strål- bild (28) som är riktad så att hela det insprutade flödet träffar inloppet till kanalerna (26) i den centrala delen (24).

11. ll. Hydrolyskatalysator enligt något av föregående patentkrav kärmetecknad av att den perifera delen (27) är ringformad och anordnad koncentriskt kring den centrala delen (24).

12. Metod för att medelst en hydrolyskatalysator ingående i ett avgassystem för en tör- bränningsmotor katalytisk omvandla ett urinämne till ammoniak fór utnyttjande i en efterliggande SCR-katalysator (10) vilken hydrolyskatalysator (9) innefattar ett aktivt katalysatorelement (23) som är inrymd i en behållare (20) varvid en ventil (1 1) inspru- tar urinäinnet i avgasströmmen från motorn (1) uppströrns det aktiva katalysatorele- mentet (23), kännetecknad av avgasströmmen innehållande insprutat urinämrie leds dels genom kanaler (26) i en central del (24) av katalysatorelement (23) dels genom kanaler (25) i en perifer del (27) av katalysatorelementet (23), vilka kanaler (27) i den perifera delen (25) är utformade med större tvärsnittsareor än kanalerna (26) i den cen- trala delen (24), samt att kanalerna (27) den perifera delen (25) är belagda med samma katalysatormaterial som kanalerna (26) i den centrala delen (24).

13. Metod enligt patentkrav 12 kärmetecknat av att insprutningen av urinämnet från ventilen (l 1) sker med riktning mot enbart kanalerna (26) i den centrala delen (24).

14. Metod enligt patentkrav 12 kännetecknat av att avgaserna vid stopp eller hinder i kanalerna (26) i den centrala delen (24) leds genom kanalerna (27) i den perifera delen (25).