SE538332C2 - Anordning för mätning av innehåll i avgaser - Google Patents

Abstract

Sammandrag En anordning (2) anpassad att anvandas for provtagning i samband med matning av innehallet i avgaser i ett avgasflode (4) i en avgasledning (6) fran en forbranningsmotor, innefattar en givare (8) anordnad i en matkammare (10). Anordningen (2) innefattar vidare atminstone tva uppsamlingsror (12) anordnade i avgasledningen vilka är utformade med Oppningar (14) riktade mot avgasflodet (4), och vilka Oppningar (14) är anordnade i ett plan (C-C) som är vdsentligen vinkelrdtt mot en stromningsriktningen for avgasflodet (4). UppsamlingsrOren (12) är anpassade att avleda olika delar av avgasflodet till matkammaren (10) i syfte att majliggara for att givaren (8) att avkanna ett medelvdrde representerande halten av exempelvis NOx i avgaserna. Med ett representativt medelvarde pa halten NOx i avgasema kan ett avgasreningssystem baserat pa SCR-teknik regleras med god noggrannhet

Description

Anordning för mätning av innehåll i avgaser Uppfinningens område Föreliggande uppfinning avser en anordning enligt ingressen av det oberoendepatentkravet. Mera specifikt avser uppfinningen en anordning avsedd att i forsta handförbättra mätningen av NOx-halten i avgaserna från en förbränningsmotor i syfie att möjliggöra en mer noggrann reglering av ett avgasefterbehandlingssystem.

Bakgrund till uppfinningen En förbränningsmotor förbränner en luft- och bränsleblandning och genererar avgaser sombland annat innehåller kväveoxider (NOx), koldioxid (C02), kolmonoxid (CO) ochpartiklar. NOX är ett samlingsnamn som används för i första hand kväveoxid (NO) ochkvävedioxid (N02). För att minska utsläppen av skadliga beståndsdelar är det vanligt attanordna ett avgasefterbehandlingssystem i avgasledningen från motorn. För att reducerahalten av NOx är det vid dieselmotorer vanligt att avgasefterbehandlingssystemetinnefattar en SCR-katalysator i kombination med ett system för insprutning av ettreduktionsmedel uppströms SCR-katalysatom. Reduktionsmedlet reagerar i SCR-katalysatom med kväveoxidema och reducerar NOX-mängderna som släpps ut iatmosfären. Mera specifikt bryts reduktionsmedlet ner och bildar ainmoniak (NH3) som i sin tur reagerar med NOX för att bilda vatten och kvävgas (NZ).

För att åstadkomma den beskrivna NOX-reduktionen måste NH; lagras i SCR-katalysatom. För att SCR-katalysatom skall arbeta effektivt måste lagringsnivån ligga påen adekvat nivå. Mera i detalj är NOX-reduktionen, eller omvandlingseffektiviteten,beroende av lagringsnivån. För att bibehålla en hög omvandlingseffektivitet under olikadrifttillstånd måste NHg-lagret bibehållas. Emellertid, i takt med att temperaturen för SCR-katalysatom ökar, måste NH3-nivån minskas för att undvika NH3-utsläpp (dvs. attöverskott av NH3 släpps ut från SCR-katalysatom), vilket kan minska omvandlingseffektiviteten för katalysatom. 2 Avgasreningsstrategin bör således ta hänsyn till att tillräckligt mycket NOX omvandlassamtidigt som man inte vill spruta in för mycket reduktionsmedel, av hänsyn både till körekonomin och till miljön.

Avgasema ut från en SCR-katalysator har olika NOX-koncentration över SCR-katalysatoms tvärsnittsyta till följd av ojämn fördelning av reduktionsmedel uppströmsSCR-katalysatoms. Detta resulterar i en skev NOX-koncentrationsfördelning i avgasflödetnedströms SCR-katalysatom i de fall mätning av NOX-halten sker där. För att återkopplaoch korrekt styra mängden tillsatt reduktionsmedel med avseende på NOX-koncentrationmed en NOX- givare krävs att denna mäter medelvärdet av NOX-halten i avgasflödet vilket är svårt då mätningen ofta endast sker i en punkt i avgasflödet.

Det finns olika generella tekniker för mätning av innehåll i gaser.

DD-249096 visar en anordning för mätning av olika gaser, exempelvis andningsluft, somströmmar genom ett rör. Enligt denna anordning har tre mätrör anordnats som har sammaströmningsmotstånd och genom vilka rör gas strömmar från olika ställen i röret till enmätkammare där gasema blandas och där mätningen sker. Därifrån återleds gasen till röret via ett utloppsrör.

DE-1 93 l l70U visar en mätanordning med olika långa mätrör i vilka gas leds till ettblandningshus som innehåller ett filter som via ett rör leder gasen till en sensor. Sedan återleds gasen via ett utloppsrör.

EP-0658756 visar en mätanordning där en aerosol inleds via fem kanaler till en mätkammare.

GB 2 135 462 visar hur ett pitotrör utnyttjas för att i en avgasström leda avgaserna till en SCIISOT. 3 US-6,843,l04 visar en lösning där ett tvärgående rör i avgaskanalen är försett med ettantal inlopp med syfte att leda avgaser från olika radier och blandas innan de leds till en sensor. Därefter leds avgaserna tillbaka till avgasröret.

US 7,497,l38 visar en lösning som till stora delar liknar systemet i US-6,843,l04.Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en förbättrad anordning förprovtagning av avgasema och som ger ett värde på uppmätt halt av ett ämne i avgasema som väsentligen överensstämmer med ett medelvärde för halten av ämnet i avgasema.

Härigenom möjliggörs att ett avgasreningssystem kan regleras med bättre noggrannhet.

Sammanfattning av uppfinningen Ovan nämnda syften åstadkommes med uppfinningen definierad av det oberoende patentkravet. Föredragna utföringsforrner definieras av de beroende patentkraven.

Enligt en anordning för provtagning enligt föreliggande uppfinning samlas avgaser in frånflera punkter över tvärsnittet av avgasflödet och dessa blandas innan mätningen sker av engivare. På så sätt erhålles ett mer representativt medelvärde av den gaskomponent som skall mätas än då mätningen enbart baseras på värden från en enda mätpunkt.

Anordningen enligt föreliggande uppfinning är i synnerhet anpassad att användas isamband med mätning av NOX-halten i avgaser från förbränningsmotorer. Anordningenomfattar åtminstone två uppsamlingsrör, med fördel utformade som pitotrör, medöppningar riktade mot avgasflödet, anpassade att anordnas i anslutning till enavgasledning för att avleda en del av avgasflödet till en NOX-givare. Nämndauppsamlingsrör är anordnade i samma plan vinkelrätt mot avgasflödets huvudsakligaströmningsriktning, och nämnda öppningar är företrädesvis likforrnigt fördelade i nämndaplan, på ett förutbestämt avstånd längs en radie från avgasledningens längsgående centrumaxel. 4 Anordningen innefattar en blandningskammare anordnad så att den omsluteravgasledningen med de strömmande avgaserna. En fördel med en sådanblandningskammare är att den inte kräver stort utrymme samt att avståndet från de olikamätpunktema till blandningskammaren blir minimalt då uppsamlingsrören kan gå radielltut till avgasledningens mantelyta. Detta ger mindre längd ledning i avgasströmmen och därmed lägre strömningsmotstånd.

Enligt uppfinningen utnyttjas den så kallade venturiverkan för att återföra gasen fiånmätkammaren till avgasledningen. Denna verkan åstadkoms genom att förseavgasledningen med en förträngning i anslutning till positionen för återföringen avavgaserna. Tack vara detta åstadkoms en bättre genomströmning och dänned bättre blandning av den avledda gasen.

Ytterligare särdrag och fördelar framgår av bifogade beskrivning exemplifierande ett antal olika utföringsforrner av uppfinningen.

Kort ritningsbeskrivning Fig. l visar en schematisk tvärsnittsvy i längdled av en avgasledning där anordningenenligt en första utföringsform av uppfinning anordnats, ochFig. 2 - 5 visar schematiska tvärsnittsvyer längs linjen B-B i fig. 1 av den forsta, en andra en tredje, respektive en fjärde utföringsform av uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer av uppfinningen I figurerna visas samma eller likartade delar med samma hänvisningssiffror.

I figur l och 2 visas en första utföringsform av uppfinningen. Figur l visar därvid ett tvärsnitt A-A enligt figur 2 och figur 2 visar ett tvärsnitt B-B enligt figur 1.

Figurema l och 2 visar en anordning 2 för provtagning och anpassad att användas i samband med mätning av innehållet i avgaser i ett avgasflöde 4. Enligt en utföringsfonn är givaren anpassad att mäta NOX-halten för avgaserna. Avgaser från enförbränningsmotor, exempelvis en dieselmotor, leds i en avgasledning, exemplifierad avett avgasrör 6, vid vilket anordningen 2 är anordnad. Anordningen 2 innefattar en givare 8 anordnad i en mätkammare 10.

Anordningen 2 innefattar vidare två uppsamlingsrör 12 där vardera uppsamlingsrör 12 ärdelvis anordnat i avgasröret 6 och innefattar åtminstone en öppning 14 riktad motavgasflödet 4. I figur 1 är avgasflödet 4 visat i form av pilar. Öppningama 14 harföreträdesvis samma storlek och är anordnade i ett plan C-C som är väsentligen vinkelrättmot en huvudsaklig strömningsriktning för avgasflödet 4. Företrädesvis är Öppningarna 14likformigt fördelade i nämnda plan C-C. Uppsamlingsrören 12 är anpassade att avleda endel av avgasflödet 4 till nämnda mätkammare 10 där givaren 8 mäter halten, exempelvisav NOX, i de avgaser som avletts till mätkammaren 10. Givaren 8 är förbunden med ochingår i ett avgasreningssystem baserat på SCR-teknik (ej visat) där uppmätta värde från givaren 8 utnyttjas bland annat för dosering av reduktionsmedel.

Att Öppningarna 14 är likformigt fördelade i ett plan C-C vinkelrätt mot avgasemasströmningsriktning innebär, enligt ett antal olika utföringsfonner, att öppningama 14 ärjämt fördelade på åtminstone en cirkel 16 vinkelrät mot avgasflödets 4 strömningsriktningoch där cirkelns 16 centrum sammanfaller med en längsgående centrumaxel 18 för avgasröret 6. Se exempelsvis utföringsforrnema visade i figur 2, 3, 4 och 5.

Den första utföringsfonnen som visas i figur 2 avser en anordning som innefattar två likartade uppsamlingsrör 12.

De alternativa utföringsformer som visas i figurerna 3 och 4 skiljer sig i förhållande tillden som visas i figur 2 enbart vad avser antalet uppsamlingsrör 12. Utföringsformen visadi figur 3 avser således en anordning 2 som innefattar tre uppsamlingsrör 12 och den som visas i figur 4 en anordning som innefattar fyra uppsamlingsrör 12. Detväsentliga är att det finns åtminstone två uppsamlingsrör 12, ju fler desto bättremätnoggrannhet men samtidigt desto komplexare lösning. Fler är fyra uppsarnlingsrör 12 medför enbart marginellt bättre mätnoggrannhet. Men om ännu bättre no ggramihet önskas 6 kan i stället uppsamlingsrören 12 rören utformas enligt vad som nedan beskriv med hänvisning till figur 5. Öppningen 14 för vardera av dessa uppsamlingsrör 12 är placerad ett förutbestämt avståndfrån centrumaxeln 18 för avgasröret 6. Detta avstånd är i fi gurema i storleksordningen halva radien för röret 6. Likaså är öppningama 14 i omkretsled likforrnigt fördelade.

Figur 5 visar en utföringsform där vardera uppsamlingsrör 12 är försett med två öppningar14, vilka är placerade längs en radie för uppsamlingsröret 12. Den illustreradeutföringsforrnen omfattar fyra uppsamlingsrör 12. Vissa detaljer, exempelvismätkammaren med givaren, visas inte i figur 5. Enligt ytterligare utföringsformer är äveni detta fall öppningarna 14 likfonnigt fördelade genom att vara belägna på ett förutbeståmtavstånd längs en radie från en längsgående centrumaxel 18 för avgasröret 6, samt dessutom likformigt fördelade i omkretsled.

Enligt den utföringsfonn som visas i figurema 1-4 innefattar anordningen 2 enblandningskammare 20, varvid uppsamlingsrören 12 är anpassade att föra det avleddaavgasflödet 4 till mätkammaren 10 via blandningskammaren 20. Blandningskammaren 20är ringfonnad i ett tvärsnitt av avgasröret 6 och är anpassad att omsluta avgasröret 6.Avgaser från de respektive öppningama 14 leds på detta sätt till blandningskammare 20som är gemensam för samtliga uppsamlingsrör, och i vilken avgaser med olika innehåll avNOx kommer att blandas. Denna blandning av avgaser med olika koncentrationer av NOxkommer efter blandning att avkännas av givaren 8, som därvid avkänner ett representativtmedelvärde av NOx-halten i avgaserna i avgasledningen 6, och som är baserat på olika halter av NOx i olika delar av avgasledningen.

Uppsamlingsrören 12 har i avgasröret 6 en väsentligen radiell utsträckning relativtavgasröret 6 och har väsentligen samma längd. Därigenom kommer flödet från respektiveuppsamlingsrör 12 att nå blandningskammaren 20 ungefär vid samma tidpunkt, vilket är fördelaktigt för att åstadkomma ett korrekt mätvärde. 7 Som framgår av figur 1 är insticker uppsamlingsrören 12 i avgasröret dels med en radielldel som via en 90- graders böj övergår i en axiell riktning, där den radiellt yttre delen äransluten till blandningskammaren 20 och där den radiellt inre, axiella delen avslutas med en mot avgasflödet riktad öppning 14.

Avgaserna som avletts via uppsamlingsrören 12 till blandningskammaren 20 och vidaretill mätkammaren 10 måste sedan återföras till avgasröret 6. Detta sker genom åtminstoneett återföringsrör 24 anpassat/anpassade att återföra avgaser från mätkammaren 10 tillavgasröret 4. I figur 1 utgörs återföringsröret av en anslutning från mätkammaren 10 ochutgörs enbart av en öppning 24 genom väggen av avgasröret 6. Återföringsröret/öppningen22 är i avgasröret 6 anordnade i en position nedströms uppsamlingsrörens 12 respektive öppningar 14.

Med fördel är avgasröret 6 är försett med en förträngning 22 i anslutning till den positiondär avgasema återförs från mätkammaren 10. Lämpligen kan förträngningen 22 utgöras aven inbuktning av avgasröret 6 vid öppningen 24 genom vilken avgasema återförs. Syftetmed förträngning 22 är att utnyttja den så kallade ”venturieffekten” som innebär att vidförträngningen 22 av avgasröret 6 kommer trycket att vara lägre än uppströmsförträngningen 22 vilket därigenom åstadkommer en sugeffekt som bidrar till en bättregenomströmning av avgasema förbi givaren 8. Förträngriingen 22 behöver inte varabelägen vid öppningen 24 där avgasema återförs utan kan till exempel vara belägen någonstans längs innerytan av avgasröret 6 i ett tvärsnitt där öppningen 24 är belägen.

Vid tillämpningar av uppfinningen för en dieselmotor för ett tyngre fordon såsom enlastbil är ett typiskt mått på avgasrörets diameter av storleksordningen 120-130 mm,exempelvis 127 mm. Uppsamlingsrören 12 bör ha så små dimensioner som möjligt för attpåverka avgasflödet 4 från motom så lite som möjligt. Exempelvis har uppsamlingsrören12 en diameter som ligger i intervallet 2-10 mm. Öppningama 14 på uppsamlingsrören 12 är företrädesvis lika stora.

Uppsamlingsrören 12 har utefter väsentligen hela sin utsträckning samma innerdiameter, och är i anslutning till öppningama 14 utformade i likhet med pitotrör. Detta medför att 8 uppsamlingsrörens 12 ytterdiameter i området kring öppningama 14 är avsmalnande ochdärmed koniskt utformade så att de avgaser som ej inleds i öppningama 14 kan strömma förbi på ett strömningstekniskt gynnsamt sätt.

Uppsamlingsrören 12 kan lämpligen placeras utefter avgasröret 6 i en position där temperaturen för avgaserna ligger inom intervallet 150-450 grader C.

Inom ramen för uppfmningstanken är det även möjligt att utesluta blandningskammaren20 och att leda avgaserna från uppsamlingsrören 12 direkt till mätkammaren 10. Detta ikombination med förträngningen 24 som beskrivits ovan ger bra ett flöde forbi givaren 8 och därmed ger ett bra mätresultat.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till ovan beskrivna föredragna utföringsformer.

Olika altemativ, modifieringar och ekvivalenter kan användas.

Uppfinningen har beskrivits i ett exempel där anordningen ingår i ett SCR-system föravgasrening och där den uppmätta halten NOx utnyttjas som en parameter för att reglerahalten insprutning av ett reduktionsmedel. Ett exempel på ett sådant reduktionsmedel är enflytande vattenlösning av urea, kommersiellt tillgänglig som AdBlue®. Denna vätska ären icke-toxisk urealösning som används för att kemiskt reducera utsläpp av kväveoxid (NOX), i synnerhet för tunga dieseldrivna fordon.

Anordningen kan i altemativa utföringsformer i altemativa syfien i avgasledningen varaanordnad före eller efter en SCR-katalysator, och i avgasledningen kan ingå ytterligare komponenter såväl före som efier anordningen.

Anordningen kan i andra applikationer utnyttjas för att mäta andra beståndsdelar än NOx ien avgasström från en förbränningsmotor. Givaren behöver inte heller vara en NOx-givaresom direkt avkänner koncentrationen av NOx, utan kan vara någon annan typ av givaresom indirekt kan avkänna koncentrationen av NOx. Det kan exempelvis också vara engivare som avkänner koncentrationen av NO eller N02. Det är också möjligt att givaren är avsedd att mäta halten av kolväten (HC) i avgaserna.

Anordningen kan i alternativa utfóringsfonner på analogt sätt utnyttjas i avgasledningarsom har annan tvärsnittsforrn än den cirkulära form som exemplifierats med ett avgasrör, exempelvis vilken godtycklig tvärsnittsform som helst.

Claims (8)

1. Patentkrav 1.

2. Anordning anpassad -for provtagning ax./- avgaser och att anvandas i samband med maiming av mnehallet i avgaser i ett avgasflode (4) fran en forbranningsmotor, varvid anordningen (2) ar anordnad i anslutning till en avg-asledning- (6) och innefattar en givare (8) anordnad i en matkammare (10) anordningen innefattar atminstone tva oppningar (14) riktade mot avgasflodet (4) for att avieda en del av avgasflodet och fOra Oct till n'aranda matkammare (10) via en blandningskamrnare (20) som ir ringformad och iir anpassad att otrishita nam.nda avgasledning (6), anordningen är anpassad att dterfora avgaser fran naranda matkammare (10) till avgasledningen (6) i en position nedstroms oppningarna (14), kannetecknad a v att oppningarna (14) är anordnade i ett plan (C-C) som ar vasentligen vinkelratt mot en huvadsaklig stromningsriktning for avgasflodet (4), att oppningarna (14) utgi:-irs av atminstone tvd uppsamlingsror (12) dar vardera uppsamlingsror (12) ar atminstone delvis anordnat i avgasledningen (6), och all anordningen ar forsedd med en fortrangning (22) i anslutning till den position i avgasledningen (6) dal- avgaserna fran matkammaren (10) dterfOrs till avgasied.ningen (6) for att utnyttja en venturieffekt for att forhattra genomstromningen forbi givaren (8) , Anordningen enligt krav 1, varvid oppningarna (14) ar iikformigt fOrdelade i niimnda plan (C-C).

3. Anordningen enhgt krav 2, varvid Oppningarna (1.4) ar likformigt fordelade genom att vara jam.t ford.elade pa atminstone en cirkel (16) vinkelrat mot avgasflodets stromningsriktning och dar cirkelns (16) centrum sammanfaller med en langsgdende centrumaxel (18) for avgasledningen (6).

4. Anordningen eniigt krav 2 eller 3, varvid oppningarna (14) är Ilikformigt fOrdelade genom att vara belagna pa ett forutbestamt avstand langs en radie frdn en langsghende centrumaxel (18) for avgasiedningen (6).

5. Anordningen enUgt nagot av- kra -en 1-4, varvid anordningen innefattar tvã, tre eller fvra likartade uppsanilingsror (12).

6. Anordningen entigt nagot v kraven 1-5, -varvid respektive uppsarnlingsror (12) fran en radiellt .yttre ande utstracker sig radiell mot en radiellt inre Linde sum dr avvinklad och utstracker sig i riktning mot avgasflodet (4).

7. Anordningen enligt nagot av kraven 1-6, varvid anordningen innefattar atminstone ett aterforingsror (24) eller anpassat att aterfora avgaser frail nananda matkammare (10) till avgasledningen (.6).

8. An.ordningen enligt nagot av .foregaende krav, varvici nthnnda givare (8) är anpassad an mata NOx-halten for avgaserna. 11 1/1