CH710416A1 - Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasstromverwirbler. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine 1. Die Vorrichtung umfasst eine Abgasleitung 2, die einen Auslass der Brennkraftmaschine 1 mit einem Einlass des Katalysators 5 verbindet, und eine Additivzuführeinrichtung 6, die dazu ausgelegt ist, zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine 1 und dem Einlass des Katalysators 5 ein Additiv 4 in die Abgasleitung 2 einzubringen. Darüber hinaus ist die Vorrichtung durch einen Abgasstromverwirbler 3 gekennzeichnet, der innerhalb der Abgasleitung 2 zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine 1 und dem Einlass des Katalysators 5 angeordnet ist und einen Eingang sowie einen Ausgang für einen Teil des Abgasstroms umfasst. Zudem verringert sich oder vergrössert sich Eingang zum Ausgang des Abgasstromverwirblers 3 die Innenquerschnittsfläche. Durch diese Anordnung innerhalb der Abgasleitung 2 wird eine effektive Durchmischung eines der Abgasleitung 2 zugeführten Additivs 4 mit dem Abgasstrom erreicht, sodass ein im Katalysator 5 ablaufender Prozess, der eine gute Durchmischung des Abgasstroms mit einem Additiv benötigt, in einer effektiven Weise vollzogen werden kann.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine.

[0002] In jüngerer Vergangenheit wurden grosse Anstrengungen unternommen, um die von Brennkraftmaschinen ausgestossenen Schadstoffe zu verringern. Teilweise sind diese Anstrengungen darauf zurückzuführen, dass es in immer mehr Ländern Emissionsgrenzwerte für von Brennkraftmaschinen ausgestossene Schadstoffe gibt, ohne deren Beachtung eine Positionierung am Markt nicht mehr möglich ist. Besondere Aufmerksamkeit haben in diesem Zusammenhang Stickstoffoxide erlangt. Diese gelten als Vorläuferstoffe für Ozon und in höheren Konzentrationen als gesundheits- und vegetationsschädlich.

[0003] So ist es inzwischen üblich, dass bestimmte Motorentypen mit einem Abgasnachbehandlungssystem ausgestattet sind, in dem eine selektive katalytische Reduktion (englisch: selective catalytic reduction, SCR) der in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe stattfindet. Hierbei wird mit Hilfe eines die selektive katalytische Reduktion umsetzenden Katalysators, wie einem SCR-Katalysator, die während des Verbrennungsvorgangs in der Brennkraftmaschine erzeugten Stickstoffoxide, NOx, bedeutend verringert. Um zufriedenstellende Ergebnisse zu erreichen, wird dem vom Motor abgegebenen Abgas ein Additiv hinzugefügt, sodass unter Wirkung der Abgastemperatur aus den Bestandteilen des Additivs in einer chemischen Reaktion Ammoniak, NH3, erzeugt wird, der im SCR-Katalysator die Stickoxide, NOx, in Distickstoff, N2, und Wasser, H2O, umwandelt. Als Additiv, das dem Abgas vor dem Katalysator zugeführt wird, wird meist eine ca. 32,5%-ige Lösung von hochreinem Harnstoff in demineralisiertem Wasser verwendet, die im europäischen Sprachraum auch oftmals mit dem Markennamen AdBlue und im amerikanischen Sprachraum als Diesel Exhaust Fluid oder DEF bezeichnet wird.

[0004] Die Zuführung des Additivs zu dem Abgasstrom erfolgt erst ab Überschreiten eines bestimmten Abgastemperaturschwellenwerts, wobei nach Überschreiten des Abgastemperaturschwellenwerts bei steigenden Abgastemperaturen die Menge des zugeführten Additivs bis zur Erreichung eines Sättigungswertes ebenfalls gesteigert wird. Nach Erreichen des Sättigungswertes ist die Additivzugabe temperaturunabhängig. Sollte das Additiv vor Erreichen des bestimmten unteren Abgastemperaturschwellenwerts dem Abgas zugeführt werden, erfolgt eine unvollständige Umwandlung des Additivs in die zur selektiven katalytischen Reduktion notwendigen Bestandteile, wodurch die NOx-Konvertierungsrate sinkt und eine Beschädigung des Katalysators auftreten kann.

[0005] Der Stand der Technik offenbart zwei unterschiedliche Vorgehensweisen, um das Additiv der Abgasleitung zuzuführen.

[0006] Gemäss einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise erfolgt die Zuführung des Additivs über eine Dosierpumpe. Da der SCR-Katalysator bei einem gut durchmischten Additiv-Abgasgemisch mit grösserer Effektivität arbeitet, ist für eine möglichst gute Verwirbelung des Additivs im Abgasstrom, beziehungsweise eine möglichst gute Vermischung des Additivs mit dem Abgasstrom, eine separate Druckluftzufuhr in den Abgaspfad vorgesehen. Diese dient zur Verwirbelung des in dem Abgasstrom vorhandenen Additivs, damit die Schadstoffe des Abgasstroms mit einer hohen Konversionsrate in der nachfolgenden katalytischen Reduktion aus dem Abgas entfernt werden können.

[0007] Nach einer weiteren herkömmlichen Vorgehensweise wird das Additiv in einem ersten Schritt mit einem Druckluftstrom gemischt und anschliessend über eine Art Düse in die Abgasleitung eingebracht. Die gewünschte Durchmischung des Additivs mit dem Abgas wird durch den Einbringvorgang des mit Druckluft versetzten Additivs in die Abgasleitung erreicht.

[0008] Die beiden aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen benötigen zum Zuführen des Additivs in die Abgasleitung eine separate Drucklufterzeugungseinheit, die Druckluft aus der Umgebungsluft erzeugt. Hierfür wird im Stand der Technik eine im Konstantbetrieb arbeitende Luftpumpe zur Erzeugung der notwendigen Druckluft verwendet. Bei beiden aus dem Stand der Technik bekannten Varianten zur Abgasnachbehandlung mit einem Additiv wird also eine aktive Komponente zur Drucklufterzeugung benötigt.

[0009] Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine zu entwickeln, die die oben beschriebenen Funktionen vollständig enthält, dabei aber weniger kostenintensiv ist, beziehungsweise weniger Ressourcen benötigt.

[0010] Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1 gelöst.

[0011] Demnach ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine eine Abgasleitung, die einen Auslass der Brennkraftmaschine mit einem Einlass des Katalysators verbindet, und eine Additivzuführeinrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine und dem Einlass des Katalysators ein Additiv in die Abgasleitung einzubringen. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Abgasstromverwirbler, der innerhalb der Abgasleitung zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine und dem Einlass des Katalysators angeordnet ist und einen Eingang sowie einen mit dem Eingang in Verbindung stehenden Ausgang umfasst, wobei sich eine Innenquerschnittsfläche vom Eingang zu Ausgang des Abgasstromverwirblers verringert oder vergrössert. Der Eingang und der Ausgang des Abgasstromverwirblers sind über eine durch den Abgasstromverwirbler verlaufende Passage miteinander verbunden.

[0012] Der Ausdruck Brennkraftmaschine umfasst sämtliche Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren für verschiedene Anwendungsgebiete. Die mit einem Auslass der Brennkraftmaschine in Verbindung stehende Abgasleitung befördert ein von der Brennkraftmaschine erzeugtes Abgas in Richtung eines Katalysators, vorzugsweise eines SCR-Katalysators, der das Abgas einer selektiven katalytischen Reduktion zur Verminderung der in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe unterziehen kann. Die Additivzuführeinrichtung bringt ein Additiv in die Abgasleitung ein und befindet sich in Strömungsrichtung des Abgases stromaufwärts des Katalysators. Bevor also das von der Brennkraftmaschine wegströmende Abgas auf den Katalysator trifft, wird ein Additiv beigemischt.

[0013] Da für eine effektive katalytische Reduktion der Schadstoffe, insbesondere der Stickstoffoxide, das Additiv gut mit dem Abgasstrom vermischt sein muss, weist der erfindungsgemässe Abgasstromverwirbler eine Innenquerschnittsfläche auf, die sich vom Eingang zum Ausgang des Abgasstromverwirblers verringert oder vergrössert. Im Zusammenspiel mit den Innenwänden der Abgasleitung bewirkt dies einen Staudruck-Aufbau bei einem in Richtung des Katalysators strömenden Abgas.

[0014] Durch die Kombination eines Aufeinandertreffens von Unter- und Überdruck, die durch die Veränderung des Innenquerschnitts des Abgasstromverwirblers erzeugt werden, wird ein den Abgasstromverwirbler in Richtung Katalysator passierendes Fluid (im Betrieb Vorrichtung ein Abgasstrom oder ein Additiv-Abgasgemisch) stark verwirbelt. Durch Zuleiten des Additivs in einen Abgaspfad, in dem eine solche Verwirbelung auftritt, lässt sich eine gute Gemischbildung, d.h. eine gute Ausprägung vieler kleiner gleichmässig im Abgasstrom verteilter Additivtröpfchen, erzielen, die für die nachfolgenden Reaktionen in dem Katalysator besonders gut geeignet ist.

[0015] Das Additiv ist vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung, deren Harnstoffgehalt im Bereich von 31,8 bis 33,2 Gewichtsprozent, vorzugsweise bei 32,5 Gewichtsprozent, liegt.

[0016] Die vom Eingang zum Ausgang des Abgasstromverwirblers sich verringernde oder vergrössernde Innenquerschnittsfläche ist in Bezug auf eine Hauptströmungsrichtung eines vom Eingang zum Ausgang des Abgasstromverwirblers strömenden Fluides definiert. Im Ergebnis bedeutet dies, dass ein den Abgasstromverwirbler durchströmendes Fluid durch Verringerung oder Vergrösserung der Innenquerschnittsfläche entlang des Strömungspfads vom Eingang zum Ausgang gestaut ist, im Falle eines sich verringernden Innenquerschnitts also der maximale Volumenstrom des eintretenden Fluides an einen Punkt der Verbindung vom Eingang zum Ausgang des Abgasstromverwirblers verringert wird. Dadurch entsteht ein Druckunterschied, der dazu führt, dass beim Passieren der verringerten Innenquerschnittsfläche ein Fluid bzw. das Abgas verwirbelt wird.

[0017] Selbiges gilt auch für den Fall einer Vergrösserung des Innenquerschnitts. Hierbei wird im Zusammenspiel mit den Innenwänden der Abgasleitung ein auf den Abgasstromverwirbler zuströmendes Fluid gestaut und es entstehen dieselben vorteilhaften Effekte wie bei einer Verminderung der Innenquerschnittsfläche des Abgasstromverwirblers.

[0018] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird festgelegt, dass nur ein Teil des in der Abgasleitung vorhandenen Abgases dem Eingang des Abgasstromverwirblers zugeführt wird. Dadurch, dass durch eine nicht durch den Abgasstromverwirbler verlaufende Verbindung des Eingangs und des Ausgangs des Abgasstromverwirblers ein anderer Teil eines Abgases den Abgasstromverwirbler ohne Eintreten in diesen passieren kann, entstehen in Kombination mit der sich verringernden oder vergrössernden Innenquerschnittsfläche des Abgasstromverwirblers vom Eingang zum Ausgang besonders effektive Zonen von Unter- und Überdruck, die zu einer besonders guten Durchmischung oder Verwirbelung des Abgasstroms beitragen. Dadurch kann die Effektivität einer nachgeschalteten selektiven katalytischen Reduktion der Schadstoffe aus dem Abgasstrom in einem druckluftlosen Abgasnachbehandlungssystem weiter erhöht werden.

[0019] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Abgasstromverwirbler rotationssymmetrisch aufgebaut, und weist vorzugsweise die Form eines Konus auf. Der rotationssymmetrische Aufbau des Abgasstromverwirblers ermöglicht eine besonders kosteneffiziente Herstellung dieses Bauteils beispielsweise mit Hilfe eines bekannten Drehverfahrens.

[0020] Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Rotationsachse des Abgasstromverwirblers parallel zu der Längsachse der Abgasleitung verläuft. Da der Abgasstrom im Regelfall sich entsprechend der Längsachse der Abgasleitung fortbewegt, trifft dieser in einem besonders vorteilhaften Winkel auf den Abgasstromverwirbler, sodass der Abgasstrom wirkungsvoll verwirbelt wird. Für den Fall, dass die Abgasleitung zylinderförmig ist, ist es vorteilhaft, wenn die Zylinderachse der Abgasleitung koaxial zur Rotationsachse des Abgasstromverwirblers ist.

[0021] In einer weiteren Ausführungsform weist der Abgasstromverwirbler die Form eines Konus mit zwei Enden auf, eines davon mit einem kleineren Durchmesser als das andere. In dem Spezialfall, in dem der Konus einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes entspricht, stimmt das kleinere Ende des Konus mit der Deckfläche des durch die Mantelfläche definierten Kegelstumpfes überein. Das grössere Ende des Konus, also das Ende des Konus, das im Vergleich zu dem anderen Ende einen grösseren Durchmesser aufweist, entspricht in dem Spezialfall, in dem der Abgasstromverwirbler die Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist, der Grundfläche des durch die Mantelfläche definierten Kegelstumpfes.

[0022] Vorzugsweise ist das Ende des Konus mit grösserem Durchmesser entlang der Abgasleitung näher zur Brennkraftmaschine angeordnet. Das bedeutet, dass auf einem Pfad entlang der Abgasleitung der Abgasstromverwirbler so angeordnet ist, dass das Ende mit grösserem Durchmesser des konusförmigen Abgasstromverwirblers auf einem Weg innerhalb der Abgasleitung näher an der Brennkraftmaschine ist. Ein von der Brennkraftmaschine ausgegebenes Abgas strömt demnach zuerst in das Ende des Konus mit grösserem Durchmesser, passiert den konusförmigen Körper und tritt an dem Ende mit kleinerem Durchmesser wieder aus. Durch diese Orientierung des konusförmigen Abgasstromverwirblers wird ein Staudruck aufgebaut, welcher den Abgasmassenstrom um den Konus herum beschleunigen lässt. Auf der Konusaussenseite entsteht ein Unterdruck und auf dessen Innenseite ein Überdruck. Diese Kombination von Unter- und Überdruck bewirkt im Abgaspfad eine ausgeprägte Verwirbelung des Abgasstroms.

[0023] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Abgasstromverwirbler die Form von zwei Konen auf, die an ihren jeweiligen Enden mit kleinerem Durchmesser miteinander verbunden sind.

[0024] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Additiv-Zuführeinrichtung eine Zuführleitung, die das Additiv in die Abgasleitung einbringt. Vorzugsweise ist die Zuführleitung senkrecht zur Längsrichtung der Abgasleitung angeordnet, eine in der Abgasleitung gewinkelte Leitung, bei der ein Endstück der Zuführleitung parallel zur Längsrichtung der Abgasleitung verläuft, und/oder schräg zur Längsrichtung der Abgasleitung angeordnet.

[0025] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Ende der Zuführleitung zwischen dem Eingang und dem Ausgang innerhalb des Abgasverwirblers angeordnet, so dass das Additiv innerhalb des Abgasstromverwirblers in die Abgasleitung eingebracht wird.

[0026] Es ist jedoch auch möglich, das Additiv vor oder hinter dem Abgasstromverwirbler, also zwischen Brennkraftmaschine und Abgasstromverwirbler (vor) oder zwischen Abgasstromverwirbler und Katalysator (hinter) der Abgasleitung zuzuführen.

[0027] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Ende der Zuführleitung, also der Einspeisepunkt des Additivs in die Abgasleitung, in einer Ebene angeordnet, die durch die kleinste Innenquerschnittsfläche des Abgasstromverwirblers definiert ist.

[0028] Weiter ist es auch möglich, das Ende der Zuführleitung in einem zur Richtung des Katalysators hin verjüngenden Bereich des Abgasstromverwirblers anzuordnen. Der Ausdruck «verjüngend» wird aus Sicht eines im normalen Betriebszustand von der Brennkraftmaschine strömenden Abgasstroms definiert, der in den Eingang des Abgasstromverwirblers eintritt und aus dem Ausgang des Abgasstromverwirblers ausstritt, um nachfolgend in Richtung des Katalysators zu strömen.

[0029] Es ist jedoch auch denkbar, das Ende der Zuführleitung in einem zur Richtung des Katalysators hin ausweitenden Bereichs des Abgasstromverwirblers anzuordnen. Der Ausdruck «ausweitend» wird in einer ähnlichen Weise wie im vorausgehenden Absatz definiert. Demzufolge ist aus Sicht eines von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgasstroms, der in den Eingang des Abgasstromverwirblers eintritt und aus dem Ausgang des Abgasstromverwirblers austritt, um nachfolgend zu dem Katalysator zu strömen, das Ende der Zuführleitung in einem für den Abgasstrom grösser werdenden Innenquerschnitt des Abgasstromverwirblers angeordnet.

[0030] Als besonders bevorzugte Ausführungsform ist das Ende der Zuführleitung in einer am Ausgang des Abgasstromverwirblers gebildeten Innenquerschnittsfläche angeordnet. Hierbei ist es ausreichend, wenn die Öffnung der Zuführleitung, an der das Additiv austritt, mit der besagten Innenquerschnittsfläche am Ausgang des Abgasstromverwirblers einen gemeinsamen Punkt aufweist.

[0031] Darüber hinaus ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Abgasleitung ein ihre Innenquerschnittsfläche verengendes Element oder ein ihre Innenquerschnittsfläche aufweitendes Element aufweist. Dadurch ist es möglich, dass der Abgasstrom in Bezug auf den in der Abgasleitung angeordneten Abgasstromverwirbler modifiziert wird, damit eine besonders vorteilhafte Verwirbelung des Abgasstroms, bzw. Durchmischung mit dem Additiv erreicht wird.

[0032] Dabei ist das den Innenquerschnitt verengende Element oder das den Innenquerschnitt aufweitende Element innerhalb eines Nahbereichs zu dem Abgasstromverwirbler an der Innenseite der Abgasleitung angeordnet. Der Nahbereich zu dem Abgasstromverwirbler ist ein Bereich, der durch eine zur Längsrichtung der Abgasleitung lotrechte Projektionsfläche des Abgasstromverwirblers auf die Innenfläche der Abgasleitung und deren Ausweitung in Längsrichtung der Abgasleitung um das Fünffache, vorzugsweise das Dreifache, besonders vorzugsweise das 1,5-fache oder in einer weiteren besonders bevorzugten Weise um das 1-fache der Projektionsfläche auf der Innenfläche der Abgasleitung zu erreichen ist. In anderen Worten ist also die Ausdehnung des Abgasstromverwirblers in Längsrichtung der Abgasleitung ein Mass, das zur Definition des Nahbereichs herangezogen wird. Dadurch wird sichergestellt, dass das den Innenquerschnitt verengende/aufweitende Element wirkungsvoll mit dem Abgasstromverwirbler interagiert. Bei einer Anordnung des den Innenquerschnitt verengenden/aufweitenden Elements, das weiter entfernt in der Abgasleitung vorgesehen ist, ergibt sich kein oder ein weniger stark ausgeprägter kombinatorischer Effekt zwischen dem den Innenquerschnitt verengenden/aufweitenden Element und dem Abgasstromverwirbler.

[0033] In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich das den Innenquerschnitt verengende/aufweitende Element über den gesamten Innenumfang der Abgasleitung.

[0034] Darüber hinaus ist auch denkbar, dass die Zuführleitung, die vorzugsweise in der Form eines Zylinders ausgeführt ist, an ihrem in Längsrichtung angeordneten Endabschnitt verschlossen ist und eine zur Längsrichtung der Leitung orthogonale Austrittsöffnung zur Abgabe des Additivs aufweist. Dies ermöglicht eine Abgabe des Additivs mit einem besonders kleinen mittleren Tröpfchendurchmesser und steigert somit die Wahrscheinlichkeit einer guten Durchmischung mit dem Abgas.

[0035] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Zuführleitung zusätzlich zu der Austrittsöffnung eine weitere Austrittsöffnung für das Additiv auf, die in Längsrichtung der Zuführleitung von der ersten Austrittsöffnung versetzt ist.

[0036] Einer der wesentlichen Vorteile der Erfindung ist demnach darin zu sehen, dass im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik keine von aussen zugeführte Druckluft benötigt wird, um eine ausreichende Durchmischung des Additivs mit dem Abgasstrom zu erreichen.

[0037] Wie die Erfinder herausgefunden haben, kann eine ausreichend gute Durchmischung auch durch einen in dem Abgasstrom angeordneten Verwirbler ohne von aussen zugeführte Druckluft in einer zufriedenstellenden Art und Weise erfolgen. Auch führt die normalerweise in den Abgasstrom eingeführte Druckluft, die typischerweise eine Temperatur von 50 °Celsius bis 100 °Celsius aufweist, zu einer Absenkung der Abgastemperatur, die eine Verringerung der NOx-Konversionsrate im Katalysator mit sich bringt. Ausserdem werden durch die aus der Umgebungsluft erzeugte Druckluft trotz Filtrierung oftmals Fremdpartikel in das Abgasnachbehandlungssystem eingeführt, die unerwünschte Effekte und Schäden mit sich bringen können.

[0038] Die Vorteile der Vorrichtung nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 liegen also in einer Verringerung der Produktionskosten aufgrund des damit einhergehenden ressourcenschonenderen Aufbaus eines Abgasnachbehandlungssystems sowie einem verringertem Konstruktionsaufwand, da die zur Erzeugung der Druckluft notwendigen Komponenten nicht länger benötigt werden. Darüber hinaus werden auch keine in der Umgebungsluft vorhandenen Fremdkörper in die Abgasleitung eingebracht, wodurch weitere Verunreinigungen sowie damit im Zusammenhang stehende Schäden in dem Abgasnachbehandlungssystem vermieden werden.

[0039] Anzumerken ist, dass mit der erfindungsgemässen Vorrichtung eine Vermischung des Additivs mit dem Abgasstrom erreicht wird, die mit einer im Stand der Technik erreichbaren Vermischung gleichwertig ist, sodass der Katalysator wirkungsvoll arbeiten kann.

[0040] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: <tb>Fig. 1<SEP>einen schematischen Grundaufbau der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine nach einem Ausführungsbeispiel, <tb>Fig. 2<SEP>eine schematische Darstellung eines Abgasstromverwirblers in einer Abgasleitung nach einer Ausführungsform der Erfindung, <tb>Fig. 3<SEP>eine Anordnung des Abgasstromverwirblers in einer Abgasleitung aus Sicht eines auf den Abgasstromverwirbler zuströmenden Abgases nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, <tb>Fig. 4<SEP>eine zweidimensionale Darstellung eines Simulationsergebnis einer Additivverteilung in einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einer Ausführungsform der Erfindung, <tb>Fig. 5<SEP>vier verschiedene Ausführungsformen eines Abgasstromverwirblers gemäss der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 6<SEP>vier verschiedene Ausführungsformen der Additivzuführleitung nach gemäss der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 7<SEP>vier verschiedene Anordnungspositionen der Additivzuführleitung bezüglich dem Abgasstromverwirbler nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, <tb>Fig. 8<SEP>vier verschiedene Ausführungsformen eines den Innenquerschnitt der Abgasleitung verengenden Elements, <tb>Fig. 9<SEP>weitere vier verschiedene Ausführungsformen eines den Innenquerschnitt der Abgasleitung verengenden Elements, <tb>Fig. 10<SEP>drei weitere Ausführungsformen eines den Innenquerschnitt der Abgasleitung verengenden Elements, und <tb>Fig. 11<SEP>eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung aus dem Stand der Technik.

[0041] Die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 11 näher erklärt.

[0042] Von der Brennkraftmaschine 1 erstreckt sich eine Abgasleitung 2 hin zu einem Katalysator 5. Hierbei werden die von der Brennkraftmaschine 1 ausgegebenen Abgase mittels der Abgasleitung 2 in Richtung des Katalysators 5 befördert. Damit der Katalysator die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe wirkungsvoll reduzieren kann, ist es erforderlich, dass das Abgas mit einem Additiv 4 gemischt wird. Hierzu befindet sich zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Katalysator 5 eine Additivzuführeinrichtung 6, die das in einem Reservoir 7 gespeicherte Additiv 4 mit Hilfe eines Kompressors 111 und der dadurch erzeugten Druckluft über eine Tröpfchendüse 112 in die Abgasleitung 2 einbringt. Mit Hilfe der Tröpfchendüse 112 und dem im Konstantbetrieb arbeitenden Kompressor 111 wird das Additiv 4 mit dem Abgasstrom durchmischt, sodass im Katalysator die Schadstoffe dem Abgasstrom entzogen werden können.

[0043] Nachfolgend wird anhand der Fig. 1 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Hierbei ist ebenfalls eine Abgasleitung 2 zwischen dem Auslass einer Brennkraftmaschine 1 und dem Einlass eines Katalysators 5 angeordnet. Zudem ist zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Katalysator 5 ein Abgasstromverwirbler 3 innerhalb der Abgasleitung 2 angeordnet. Dieser dient dazu, ein in die Abgasleitung 2 eingeführtes Additiv 4 mit dem von der Brennkraftmaschine 1 in Richtung Katalysator 5 zu strömenden Abgas zu vermischen, damit der nachfolgende Katalysator 5 Schadstoffe aus dem Additiv-Abgasgemisch verringern kann. Zum Einführen des Additivs 4 ist ein das Additiv aufnehmende Reservoir 7 mit einer Zuführleitung 6 verbunden, wobei das Ende 8 der Zuführleitung 6 innerhalb der Abgasleitung 2 angeordnet ist, sodass hierüber ein Additiv 4 in die Abgasleitung 2 eingebracht werden kann.

[0044] Im Gegensatz zum Stand der Technik ist aufgrund des Abgasstromverwirblers 3 eine separate Zufuhr von Druckluft in die Abgasleitung 2 nicht mehr erforderlich.

[0045] Der Abgasstromverwirbler 3 verwirbelt das in die Abgasleitung 2 eingeführte Additiv 4 ausreichend gut mit einem Abgasstrom, sodass der Katalysator 5 dem Additiv-Abgasgemisch die Schadstoffe entziehen kann. Die Verwirbelung des Additivs mit dem Abgasstrom wird dadurch erreicht, dass der Abgasstromverwirbler 3 einen Eingang 31 sowie einen Ausgang 32 für einen Teil des Abgasstroms umfasst, und sich eine Innenquerschnittsfläche in der durch den Abgasstromverwirbler 3 verlaufenden Verbindung des Eingangs 31 zu dem Ausgang 32 des Abgasstromverwirblers 3 verringert oder vergrössert. Dadurch wird ein Staudruck aufgebaut, der zu einer wirkungsvollen Durchmischung des in die Abgasleitung 2 eingeführten Additivs 4 mit dem von der Brennkraftmaschine 1 erzeugten Abgasstrom führt.

[0046] Fig. 2 zeigt den Abgasstromverwirbler 3 innerhalb der Abgasleitung 2 in einer etwas vergrösserten Darstellung. Die Zuführleitung 6 bringt das in dem Reservoir 7 gelagerte Additiv 4 in die Abgasleitung 2 ein. Das Ende 8 der Zuführleitung 6 ist in der Ausführungsform nach der Fig. 2 in einer Ebene angeordnet, die durch die minimale Innenquerschnittsfläche des Abgasstromverwirblers 3 definiert ist. Der Abgasstromverwirbler 3 entspricht einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Die Mantelfläche ist innerhalb der Abgasleitung 2 so orientiert, dass die Grundfläche des der Mantelfläche entsprechenden Kegelstumpfes einen Eingang 31 für einen Brennkraftmaschine 1 abgegebenen Abgasstrom darstellt und die Deckfläche des der Mantelfläche entsprechenden Kegelstumpfes einen Ausgang 32 des Abgasstromverwirblers 3 definiert.

[0047] Das von der Brennkraftmaschine 1 abgegebene Abgas verläuft hierbei im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung der Abgasleitung in Richtung des Katalysators 5 und ist mit Pfeilen in der Abgasleitung angedeutet. Hierbei trifft ein Teil des Abgasstroms auf den Eingang 31 des Abgasstromverwirblers 3 und ein anderer Teil des Abgasstroms passiert den Abgasstromverwirbler 3 durch einen Spalt, der zwischen den Aussenabmessungen des Abgasstromverwirblers 3 und den Innenabmessungen der Abgasleitung 2 definiert ist. Somit tritt nur ein Teil des Abgasstroms in den Eingang 31 des Abgasstromverwirblers 3, wird dort durch den sich verringernden Innenquerschnitt des Abgasstromverwirblers 3 gestaut und tritt dann durch den Ausgang 32 aus dem Abgasstromverwirbler 3 heraus. Durch die spezifische Form des Innenquerschnitts des Abgasstromverwirblers 3 entsteht ein Staudruck, der im Vergleich mit dem Bereich, der in Strömungsrichtung des Abgases dem Ausgang 32 folgt, einen Überdruck aufweist. Der an der Aussenseite der Mantelfläche des Abgasstromverwirblers 3 herrschende Unterdruck beschleunigt den Teil des Abgasstroms, der nicht in den Abgasstromverwirbler 3 eintritt, was bei einem Aufeinandertreffen der unterschiedlich schnellen Abgasströme zu einer Verwirbelung führt.

[0048] Die Verwirbelung des Abgasstroms führt dazu, dass ein bereits in dem Abgasstrom vorhandenes Additiv 4 oder ein stromabwärts des Abgasstromverwirblers 3 in die Abgasleitung 3 eingeführtes Additiv 4 mit dem Abgas gut durchmischt wird.

[0049] Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Abgasstromverwirbler 3 aus Sicht eines auf den Abgasstromverwirbler 3 zuströmenden Abgases. In dieser Ausführungsform weist die Abgasleitung 2 einen zylinderförmigen Grundaufbau auf. Von der Innenseite der Abgasleitung 2 stehen den Abgasstromverwirbler 3 stützende Verbindungsstege 21 ab, die den konusförmigen Abgasstromverwirbler 3 derart in der Abgasleitung 2 anordnen, dass der konusförmige Abgasstromverwirbler 3 und die zylinderförmige Abgasleitung 2 koaxial zueinander ausgerichtet sind. Ebenfalls koaxial zu der Abgasleitung 2 und dem Abgasstromverwirbler 3 ist das Ende 8 der Zuführleitung 6 angeordnet. Bei einer im Wesentlichen zur Längsrichtung der Abgasleitung 2 parallelen Strömungsrichtung des Abgases erzielt diese Ausführungsform eine besonders gleichmässige Verteilung des in die Abgasleitung 2 eingebrachten Additivs 4, sowie eine besonders gute Durchmischung mit dem Abgas.

[0050] Fig. 4 zeigt die Ergebnisse einer Strömungssimulation, die sich nicht auf die in Fig. 4 dargestellten Teile beschränkt, sondern auf ein komplettes Abgasnachbehandlungssystem bezieht. Das Ergebnis dieser Simulation wurde in einer zweidimensionalen Darstellung in Fig. 4 widergegeben.

[0051] Der Eintrittsdurchmesser des Konus, also der Durchmesser des Eingangs 31 beträgt etwa 6 cm und die Länge etwa 2 cm. Die Additivzufuhr erfolgt über ein koaxial zur Abgasleitung angeordnetes Rohr, das einen Innendurchmesser von etwa 1 mm aufweist. Die Fig. 4 gibt die Grössenverhältnisse der einzelnen Bauteile nicht massstabsgetreu wieder.

[0052] Das sich vom Ende 8 der Zuführleitung 6 erstreckende keulenförmige Gebilde auf der Austrittsseite (in der Fig. rechts von dem Ausgang 32 des Abgasstromverwirblers 3) beschreibt auf ca. 12 cm Länge das Additiv-Spraybild im Abgas, d.h. eine Verteilung der Additivtröpfchen in der Abgasleitung entsprechend der vorgenommenen Strömungssimulation. Die in der Nähe des Endes 8 der Zuführleitung 6 sichtbare Asymmetrie des Spraybilds ist auf ein stromaufwärts angeordnetes abgewinkeltes Abgasrohrsegment, das nicht dargestellt ist, zurückzuführen.

[0053] Die einzelnen durch eingefügte Striche in dem keulenförmigen Spraybild voneinander abgetrennten Bereiche beschreiben Bereiche, in denen die mittlere Partikelgrösse des Additivs einen bestimmten Wert annimmt. Ausserhalb der in A–J dargestellten Bereiche ist die Konzentration der Additivtröpfchen vernachlässigbar.

[0054] So ist die mittlere Partikelgrösse des Additivs in einem unmittelbar an dem Ende 8 der Zuführleitung 6 anschliessenden Bereich J gleich dem Durchmesser der Additivzuführleitung 6, nämlich genau 1,0 mm. Im Gegensatz dazu ist beispielsweise im Bereich B der mittlere Tröpfchendurchmesser des Additivs nur noch 0,2 mm. Man erkennt, dass mit weiter ansteigender Entfernung von dem Ende 8 der Zuführleitung 6 die mittlere Grösse der Tröpfchen stetig kleiner wird. Dies unterstützt eine gute Durchmischung mit dem Abgas und fördert eine effektive selektive katalytische Reduktion der Schadstoffe in dem Abgas.

[0055] Der Umstand, dass hier jeweils ganze Zahlen ohne Nachkommastellen als mittlere Tröpfchendurchmesser des Additivs verwendet werden, ergibt sich aus der Wahl der gedachten Abgrenzungen, die die einzelnen Bereiche A–J voneinander abtrennen.

[0056] Das Ergebnis der Simulation zeigt, dass durch den erfindungsgemässen Aufbau eine Aufweitung des Spraybildes des Additivs sowie eine Verkleinerung der Additivtröpfchen erfolgt und eine für die katalytische Reduktion ausreichende Durchmischung des Additivs mit dem Abgas erhalten wird.

[0057] Fig. 5a bis 5d zeigen verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemässen Abgasstromverwirblers 3.

[0058] Fig. 5a zeigt den Abgasstromverwirbler 3 in der Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes.

[0059] Fig. 5b zeigt den Abgasstromverwirbler 3 ebenfalls in der Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes, jedoch mit einem anderen Höhen-Deckflächenverhältnis.

[0060] Fig. 5c zeigt den Abgasstromverwirbler 3 in einer etwas allgemeineren Konusform, wobei ein Ende davon eine kleinere Innenquerschnittsfläche aufweist als das andere.

[0061] Fig. 5d zeigt den Abgasstromverwirbler 3 als eine Kombination von miteinander verbundenen Mantelflächen eines Kegelstumpfes. In dieser Konfiguration sind die Deckflächen, die durch die beiden Mantelfläche definiert werden, miteinander verbunden.

[0062] Die Fig. 6a bis 6d zeigen jeweils einen Abgasstromverwirbler nach der vorliegenden Erfindung sowie die Additivzuführleitung 6 und das Ende 8 der Additivzuführleitung 6, das in allen Fig. 6a bis 6b zentrisch entlang der Längsachse der Abgasleitung 2 angeordnet ist. Fig. 6a zeigt eine Additivzuführleitung 6, deren Ende 8 innerhalb der Querschnittsverengung des Abgasstromverwirblers 3 angeordnet ist. Die Additivzuführleitung weist die gleiche Richtung wie die Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms auf, d.h. das Ende 8 der Additivzuführleitung liegt auf der Leeseite des Abgasstroms.

[0063] Fig. 6b zeigt eine Zuführung des Additivs stromaufwärts der Querschnittsverengung, also zwischen Brennkraftmaschine 1 und dem Eingang des Abgasstromverwirblers 3, in einem spitzen Winkel zur Längsrichtung der Abgasleitung 2.

[0064] Fig. 6c zeigt eine Additivzuleitung, die durch die Mantelfläche des Abgasstromverwirblers 3 hindurch in das Innere der Querschnittsverengung tritt. Die Additivzuführleitung steht senkrecht zu der Längsrichtung der Abgasleitung.

[0065] Fig. 6d zeigt eine Additivzuführung, die hinter (zwischen dem Abgasstromverwirbler und dem Katalysator) dem Abgasstromverwirbler erfolgt. Darüber hinaus schliesst die Additivzuführleitung 6 mit der Längsrichtung der Abgasleitung 2 einen stumpfen Winkel ein, d.h. die Additivströmung aus dem Ende 8 der Additivzuführleitung 6 verläuft zum Teil entgegen der Abgasströmung ist als ganz oder teilweise luvseitig zur Abgasströmung orientiert.

[0066] Die Fig. 7a bis 7d zeigen jeweils exemplarisch eine aus zwei aufeinander gesetzten Konen zusammengesetzten Abgasstromverwirbler 3 nach einer Ausführungsform. Die gestrichelt gezeichneten Linien stellen die Additivzuführleitung 6 dar, an dessen Ende 8 das Additiv in die Abgasleitung 2 eingebracht wird. In den Fig. 7a bis 7d werden verschiedene Positionen des Eintrittsorts des Additivs in die Abgasleitung 2 in Bezug auf die Querschnittsverengung des Abgasstromverwirblers 3 dargestellt.

[0067] Fig. 7a zeigt einen Eintrittsort des Additivs 4 vor dem Minimaldurchmesser der Querschnittsverengung.

[0068] Fig. 7b zeigt einen Eintrittsort des Additivs exakt am Minimaldurchmesser, d.h. an der minimalen Innenquerschnittsfläche, des Abgasstromverwirblers 3.

[0069] Fig. 7c zeigt einen Eintrittsort des Additivs hinter dem Minimaldurchmesser des Abgasstromverwirblers 3.

[0070] Fig. 7d zeigt einen Eintrittsort des Additivs exakt am Austritt des zweiten Konus des Abgasstromverwirblers 3.

[0071] Die Fig. 8a bis 8d zeigen jeweils ein den Innenquerschnitt der Abgasleitung 2 verengendes Element 9. In den jeweiligen Fig. 8a bis 8d werden verschieden ausgeformte den Innenquerschnitt der Abgasleitung 2 verengende Elemente 9 gezeigt. Das den Innenquerschnitt verengende Element 9 kann, muss aber nicht, entlang des gesamten Innenumfangs der Abgasleitung 2 verlaufen.

[0072] Fig. 8a zeigt, das den Innenquerschnitt verengende Element 9 als eine von der Innenfläche der Abgasleitung 2 ansteigende und wieder abfallende Rampe.

[0073] Fig. 8b zeigt das Element 9 in der Konfiguration einer Stauwand.

[0074] Fig. 8c zeigt eine weitere geometrische Form, die das Element 9 zur Verengung des Innenquerschnitts der Abgasleitung annehmen kann.

[0075] Fig. 8d zeigt eine zum Abgasstromverwirbler 3 hin ansteigende Rampe als das Element 9.

[0076] In den Fig. 9a bis 9d ist jeweils ein Abgasstromverwirbler 3 in eine Abgasleitung 2 dargestellt. Zudem ist ein an der Innenfläche der Abgasleitung 2 angeordnetes den Innenquerschnitt der Abgasleitung 2 verengendes Element 9 vorgesehen. In den verschiedenen Fig. 9a bis 9d wird dargestellt, dass das Element 9, das den Innenquerschnitt der Abgasleitung 2 verringert, in einem Nahbereich des Abgasstromverwirblers 3 angeordnet werden kann. Der Nahbereich ist der Bereich, der durch eine zur Längsrichtung der Abgasleitung 2 lotrechte Projektionsfläche des Abgasstromverwirblers 3 und deren Ausweitung in Längsrichtung der Abgasleitung um das Fünffache erreicht werden kann.

[0077] Die Fig. 10a bis 10c zeigen jeweils eine Abgasleitung 2 und einen darin angeordneten Abgasstromverwirbler 3. Zudem ist das den Innenquerschnitt der Abgasleitung 2 verengende Element 9 als eine Stauwand ausgeführt. Die verschiedenen Fig. 10a bis 10c unterscheiden sich in Länge, Anströmungswinkel als auch Strömungsprofil der Stauwand.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine (1), umfassend: eine Abgasleitung (2), die einen Auslass der Brennkraftmaschine (1) mit einem Einlass eines Katalysators (5) verbindet, und eine Additiv-Zuführeinrichtung (6, 7, 8), die dazu ausgelegt ist, zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine (1) und dem Einlass des Katalysators (5) ein Additiv (4) in die Abgasleitung (2) einzubringen, gekennzeichnet durch einen Abgasstromverwirbler (3), der innerhalb der Abgasleitung (2) zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine (1) und dem Einlass des Katalysators (5) angeordnet ist und einen Eingang (31) sowie einen mit dem Eingang (31) in Verbindung stehenden Ausgang (32) umfasst, wobei sich eine Innenquerschnittsfläche des Abgasstromverwirblers (3) vom Eingang (31) zum Ausgang (32) verringert oder vergrössert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Innenquerschnittsfläche des Abgasstromverwirblers (3) in Bezug auf eine Hauptströmungsrichtung eines vom Eingang (31) zum Ausgang (32) des Abgasstromverwirblers (3) strömenden Fluids bestimmt wird.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abgasstromverwirbler (3) in der Abgasleitung (2) so angeordnet ist, dass es innerhalb der Abgasleitung (2) eine Verbindung von dem Eingang (31) zu dem Ausgang (32) des Abgasstromverwirblers (3) gibt, die nicht durch den Abgasstromverwirbler (3) verläuft.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abgasstromverwirbler (3) rotationssymmetrisch zu einer Achse ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Längsachse der Abgasleitung (2) und die Rotationsachse des Abgasstromverwirblers (3) parallel zueinander sind, vorzugsweise die Abgasleitung (2) die Grundform eines Zylinders hat, dessen Zylinderachse koaxial zur Rotationsachse des Abgasstromverwirblers (3) ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abgasstromverwirbler (3) die Form eines Konus aufweist, und vorzugsweise das Ende des Konus mit grösserem Durchmesser entlang der Abgasleitung (2) näher zur Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Abgasstromverwirbler (3) die Form von zwei Konen aufweist, die an ihren jeweiligen Enden mit kleinerem Durchmesser miteinander verbunden sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Additiv-Zuführeinrichtung eine Zuführleitung (6, 8) ist, die das Additiv (4) in die Abgasleitung (2) einbringt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Ende (8) der Zuführleitung (6) zwischen dem Eingang (31) und dem Ausgang (32) innerhalb des Abgasstromverwirblers (3) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Ende (8) der Zuführleitung (6) in einer Ebene angeordnet ist, die durch die kleinste Innenquerschnittsfläche des Abgasstromverwirblers (3) definiert ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abgasleitung (2) ein ihre Innenquerschnittsfläche verengendes Element (9) und/oder ein ihre Innenquerschnittsfläche aufweitendes Element aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das den Innenquerschnitt verengende Element (9) oder das den Innenquerschnitt aufweitende Element innerhalb eines Bereichs an der Innenseite der Abgasleitung (2) angeordnet ist, der durch eine zur Längsrichtung der Abgasleitung (2) lotrechte Projektionsfläche des Abgasstromverwirblers (3) und deren Ausweitung in Längsrichtung der Abgasleitung (2) um das 5-fache, vorzugsweise das 3-fache, besonders vorzugsweise das 1,5-fache oder in einer weiteren besonders bevorzugten Weise um das 1-fache der Projektionsfläche zu erreichen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei sich das den Innenquerschnitt verengende Element (9) oder das den Innenquerschnitt aufweitende Element über den gesamten Innenumfang der Abgasleitung (2) erstreckt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei die Zuführleitung (6) an ihrem in Längsrichtung angeordneten Endabschnitt verschlossen ist und eine zur Längsrichtung der Leitung orthogonale Austrittsöffnung zur Abgabe des Additivs (4) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei zusätzlich zu der Austrittsöffnung eine weitere Austrittsöffnung für das Additiv (4) in der Zuführleitung (6) vorgesehen ist, die in Längsrichtung der Leitung von der ersten Austrittsöffnung versetzt ist.