CH711045A1 - Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine, die eine Abgasleitung, die einen Auslass der Brennkraftmaschine mit einem Einlass eines Katalysators verbindet, und eine Additivzuführeinrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, der Abgasleitung zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine und dem Einlass des Katalysators ein Additiv über einen Additivauslass (6) zuzuführen. Die Vorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Additivzuführeinrichtung dazu ausgelegt ist, einen Sprühwinkel des der Abgasleitung zuzuführenden Additivs zu verändern. Vorzugsweise erfolgt die Veränderung des Sprühwinkels durch eine Positionsveränderung des Additivauslasses. Dadurch wird verhindert, dass bei einem geringen Abgasmassenstrom Additiv die Innenfläche der Abgasleitung berührt und sich daran ablegt. Umgekehrt kann bei einem grossen Abgasmassestrom der Sprühwinkel aufgeweitet werden, sodass auch im Randbereich der Innenfläche der Abgasleitung strömendes Abgas mit Additiv in Kontakt kommt.

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 Beachtung 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 (im Folgenden als SCR-Katalysator bezeichnet) die während des Verbrennungsvorgangs in der Brennkraftmaschine erzeugten Stickstoffoxide, NOx, bedeutend verringert. Um zufriedensteliende 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 SCR-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 nordamerikanischen 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 nicht vollständige Umwandlung des Additivs in die zur selektiven katalytischen Reduktion notwendigen Bestandteile, wodurch die NOx-Konvertierungsrate sinkt und eine Beschädigung des SCR-Katalysators auftreten kann.

[0005] Dabei ist es wünschenswert, wenn das Additiv entlang seiner Ausbreitungsstrecke im Abgaspfad möglichst homogen verteilt ist. Problematisch ist dies im Fall kleinerer Abgasmassenströme, da beim Einspritzen des Additivs oftmals die Innenfläche des Abgasrohrs mit Additiv in Berührung kommt und das Additiv sich hieran ablagert. Von daher ist es notwendig, dass im Nahbereich der Additiveinführung der Sprühwinkel zwischen der Hauptströmungsrichtung des Abgases und des Additivausbreitungsbereichs ausreichend klein ist. Bei einem zunehmenden Abgasmassenstrom, also einem vermehrten Ausstoss von Abgas durch die Brennkraftmaschine, führt dies jedoch dazu, dass das Additiv quasi gar nicht in den äusseren Bereich des Abgaspfads, d.h. in den Nahbereich des Abgasrohres gelangt. Es wird zuvor mit dem Abgas mitgerissen und in Abgasströmungsrichtung fortgetragen. Zudem tritt dann bei einem grossen Abgasmassenstrom eine Rezirkulation des Additivs um eine Additiveinführvorrichtung herum auf. Bei einer Rezirkulation wird nach einem Abgeben des Additivs mit einem bestimmten Sprühwinkel das Additv durch äussere Einflüsse wie einem besonders hohen Abgasmassenstrom erneut konvergiert und erst im Anschluss daran wieder aufgespreizt.

[0006] Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der die oben stehend aufgeführten Probleme überwunden werden.

[0007] Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst, gelöst.

[0008] Demnach ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Abgasleitung, die einen Auslass der Brennkraftmaschine mit einem Einlass eines Katalysators verbindet, und eine Additivzuführeinrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, der Abgasleitung zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine und dem Einlass des Katalysators ein Additiv über einen Additivauslass zuzuführen. Die Vorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Additivzuführeinrichtung dazu ausgelegt ist, einen Sprühwinkel des der Abgasleitung zuzuführenden Additivs zu verändern.

[0009] 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. Die Additivzuführeinrichtung bringt ein Additiv in die Abgasleitung ein und befindet sich in Strömungsrichtung des Abgases stromaufwärts vom Katalysator. Bevor also das Abgas auf den Katalysator trifft, wird ein Additiv beigemischt.

[0010] Als Sprühwinkel wird ganz allgemein die nach einem bestimmten Abstand von dem Additivauslass erfasste Fläche durch das abgegebene Additiv betrachtet. Je grösser diese Fläche, desto grösser der Sprühwinkel des Additivs. In der Regel entspricht die Auslassform des Additivs in etwa der Grundform eines Kegels, bei dem der Sprühwinkel vereinfacht gesagt dem Kegelwinkel entspricht.

[0011] Vorzugsweise ist der Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion geeignet, also ein SCR-Katalysator. Dabei entsteht durch die Abgastemperatur aus einer chemischen Reaktion des Additivs ein Stoff, der im Katalysator die Stickoxide NOxin die Stickstoff, N2und Wasser, H2O umwandelt.

[0012] Da die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eine Additivzuführeinrichtung vorsieht, die dazu ausgelegt ist, einen Sprühwinkel des der Abgasleitung zuzuführenden Additivs zu verändern, ist es bspw. möglich, den Sprühwinkel des Additivs an den gerade jeweils herrschenden Abgasmassenstrom anzupassen. So kann die Anbehaftung von Additiv an der Innenfläche des Abgasrohrs bei einem kleinen Abgasmassenstrom durch Verringerung des Sprühwinkels verhindert werden. Bei einem grossen Abgasmassenstrom kann der Sprühwinkel aufgeweitet werden, sodass auch Additiv an den äusseren Bereich des Abgaspfads, d.h. in die Nähe des Abgasrohrs gelangt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Additiv gut mit dem Abgasstrom durchmischt wird und auch Abgas, das nahe am Randbereich des Abgasrohrs strömt mit Additiv in Berührung kommt.

[0013] Um den Sprühwinkel zu ändern, kann die Additiv-Zuführeinrichtung bspw. ein bewegbares Teil aufweisen, das die Auslassöffnung des Additivs verkleinern oder vergrössern kann.

[0014] Vorzugsweise umfasst die Additivzuführeinrichtung eine Additivzuleitung zum Einbringen des Additivs in die Abgasleitung, und eine mit der Additivzuleitung verbundene Düse als Additivauslass. Die Düse ist dabei dazu ausgelegt, das Additiv in die Abgasleitung einzubringen bzw. einzuspritzen, wobei die Düse vorzugsweise vollständig innerhalb der Abgasleitung angeordnet ist.

[0015] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düse in der Abgasleitung so angeordnet, dass sie achsparallel zur Längsrichtung der Abgasleitung ist. D.h. das Additiv weist in der Düse bzw. der Zuführung zur Düse eine Strömungsrichtung auf, die parallel zu einer Abgasströmungsrichtung von der Brennkraftmaschine zu dem Katalysator in der Abgasleitung ist. Diese ist demnach parallel zur Längsrichtung der Abgasleitung. Um dies zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn die Additivzuleitung einen gewinkelten Abschnitt in der Abgasleitung aufweist.

[0016] Dabei ist vorzugsweise die Düse dazu ausgelegt, das Additiv mit einem veränderbaren Sprühwinkel abzugeben.

[0017] Der veränderbare Sprühwinkel der Düse kann durch ein bewegbares Element der Düse zum Variieren des Sprühwinkels des in die Abgasleitung einzuführenden Additivs verwirklicht sein.

[0018] Nach einem weiteren vorteilhaften, optionalen Merkmal umfasst die Vorrichtung einen Verdichter zum Erzeugen von Druckluft, und eine mit dem Verdichter verbundene Druckluftzuleitung zum Einbringen der Druckluft in die Abgasleitung.

[0019] Der Verdichter kann jede Ausgestaltung einer Luftförderpumpe, eines Kompressors oder einer vergleichbaren Einheit annehmen. Der Verdichter dient dazu, Druckluft zu erzeugen, mit Hilfe der das Additiv in dem Abgasstrom verteilt werden kann.

[0020] Vorzugsweise ist die Düse zur Abgabe des Additivs oder der Additivauslass ganz oder teilweise in der Druckluftzuleitung angeordnet. Dabei kann der Additivauslass oder die Düse auch an der Druckluftzuleitung befestigt sein.

[0021] Nach einem weiteren vorteilhaften, optionalen Merkmal der Erfindung sind die Abgasleitung, die Druckluftzuleitung und der Additivauslass achsparallel zueinander ausgerichtet. Vorzugsweise sind deren Achsen koaxial zueinander. Durch diese Anordnung wird eine besonders gleichmässige Verteilung des durch den Additivauslass abgegebenen Additivs in der Abgasleitung erreicht.

[0022] Dabei kann die Druckluftzuleitung starr an der Abgasleitung befestigt sein. Dies geschieht typischerweise über Befestigungsstege, die von der Innenseite der Abgasleitung nach zu deren Mitte ragen, wobei an denen zur Innenseite der Abgasleitung entgegengesetzten Enden der Befestigungsstege die Druckluftzuleitung gehalten oder gestützt wird. Auch das Vorsehen lediglich eines Befestigungsstegs zum Befestigen der Druckluftzuleitung in der Abgasleitung ist ausreichend. Die Düse wird also von der Druckluft vollständig umströmt.

[0023] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Position des Additivauslasses der Additivzuleitung bezüglich der Abgasleitung veränderbar, um einen Sprühwinkel des zuzuführenden Additivs mit Hilfe eines starr mit der Abgasleitung verbundenen Elements zu variieren. Dabei wird die Veränderung der Position des Additivauslasses vorzugsweise über eine axiale Verschiebung des Additivauslasses bezüglich der Abgasleitung bzw. des starr mit der Abgasleitung verbundenen Elements umgesetzt. Mit einer axialen Verschiebung des Additivauslasses ist vorzugsweise eine Verschiebung der Additivauslassposition in Längsrichtung der Abgasleitung gemeint. Durch das Zusammenwirken des in seiner Position veränderten Additivauslasses mit dem starr mit der Abgasleitung verbundenen Element kann der Sprühwinkel des Additivs variiert werden, so dass dieser an die jeweiligen Anforderungen optimal angepasst werden kann.

[0024] Dabei ist auch denkbar, dass anstelle des Additivauslasses die Druckluftzufuhr in ihrer Position geändert wird, um eine Relativbewegung zwischen Additivauslass und Druckluftzufuhr zu erreichen.

[0025] Vorzugsweise ist das starr mit der Abgasleitung verbundene Element eine Druckluftzuleitung oder ein Abgasstromverwirbler.

[0026] Ein Abgasstromverwirbler ist ein in der Abgasleitung vorhandenes passives Element, das aufgrund seiner Form die Strömung eines Abgasstroms derart beeinflusst, dass eine gute Durchmischung von Additiv- und Abgasstrom erhalten wird. Ändert man nun die Position des Additivauslasses bezüglich des Abgasstromverwirblers ist es auch möglich, damit den Sprühwinkel des abgegebenen Additivs zu beeinflussen. Analoge Überlegungen gelten auch für die Positionsänderung bezüglich der Druckluftzuleitung. Vorzugsweise entspricht der Abgasstromverwirbler der Mantelfläche eines Kegelstumpfs. Dabei tritt dann typischerweise das Additiv vollständig oder zu grossen Teilen durch den mittels der Innenfläche definierten Bereich und wird durch einen von dem Abgasstromverwirbler erzeugten Druckunterschied mit dem Abgasstrom verwirbelt.

[0027] Vorteilhafterweise ist die Additivzuführeinrichtung ferner dazu ausgelegt, das Additiv der Abgasleitung in Tröpfchenform zuzuführen und die mittlere Tröpfchengrösse des der Abgasleitung zuzuführenden Additivs zu verändern.

[0028] Als mittlere Tröpfchengrösse ist der mittlere Durchmesser aller Additivtröpfchen zu betrachten, die stromabwärts des Additivauslasses in der Abgasleitung in Richtung des Katalysators geführt werden. Die Tröpfchengrösse des Additivs beeinflusst die Leistungsfähigkeit des stromabwärts angeordneten Katalysators.

[0029] Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein von einem Verdichter erzeugter Luftvolumenstrom zum Einleiten in die Abgasleitung veränderbar, um eine mittlere Tröpfchengrösse des von dem Additivauslass abgegebenen Additivs entsprechend zu einer Veränderung des Luftvolumenstroms des Verdichters zu verändern. Die Tröpfchengrösse des Additivs ändert sich in einem umgekehrt proportionalen Verhältnis zur Veränderung des Luftvolumenstroms. Bei einem kleiner werdenden Luftvolumenstrom des Verdichters vergrössert sich die mittlere Tröpfchengrösse des in die Abgasleitung von dem Additivauslass eingebrachten Additivs. Umgekehrt verkleinert sich die Tröpfchengrösse des Additivs bei einem grösser werdenden Luftvolumenstrom.

[0030] Alternativ ist auch möglich, dass die Tröpfchengrösse über ein bewegbares Teil der Düse bzw. des Additivauslasses variiert werden kann, ohne dass dabei ein Verändern eines Luftvolumenstroms von Druckluft notwendig ist. Der bewegbare Teil der Düse bzw. des Additivauslasses kann beispielsweise die Austrittsöffnung oder die Austrittsöffnungen des Additivauslasses verringern oder vergrössern, um dabei die mittlere Tröpfchengrösse des in die Abgasleitung zugeführten Additivs zu verändern.

[0031] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Additiv eine wässrige Harnstofflösung, die 31,8 bis 33, 2 Gewichtsprozent, vorzugsweise 32,5 Gewichtsprozent Harnstoff enthält. Mit einem so ausgebildeten Additiv ist ein SCR-Katalysator besonders effektiv bei der Umwandlung von Stickoxiden.

[0032] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Additivzuführeinrichtung ferner dazu ausgelegt ist, den Sprühwinkel und/oder eine mittlere Tröpfchengrösse des Additivs in Abhängigkeit eines Zustands der Brennkraftmaschine oder der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung zu verändern. Beispielsweise kann hierbei der Sprühwinkel und/oder die mittlere Tröpfchengrösse in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur, einem Abgasgegendruck, einem NOx-Massenstrom, einer Abgasstrommenge und/oder einem Additivmassenstrom festgelegt werden. Dadurch lässt sich ein besonders gutes Ergebnis der Abgasnachbehandlung erreichen, bei dem gleichzeitig eine Anhaftung von additiv an der Innenfläche des Abgasrohrs vermieden wird.

[0033] Vorzugsweise ist der Katalysator ein Katalysator für eine selektive katalytische Reduktion.

[0034] Obwohl die vorliegende Erfindung teilweise in Zusammenhang mit einem System zur selektiven katalytischen Reduktion beschrieben wird, ist die erfindungsgemässe Vorrichtung nicht hierauf beschränkt. Vielmehr ergeben sich bei jeder Art von Eindüsung eines Additivs in die Abgasleitung vergleichbare Probleme.

[0035] Weitere Ausführungsformen und Details der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>ein aus dem Stand der Technik bekanntes Abgasnachbehandlungssystem, <tb>Fig. 2<SEP>die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung in einer Schnittansicht, <tb>Fig. 3<SEP>eine Prinzipskizze der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Erläuterung der Positionsverschiebung des Additivauslasses, <tb>Fig. 4<SEP>eine weitere Prinzipskizze der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Erläuterung der Positionsveränderung des Additivauslasses, <tb>Fig. 5<SEP>eine Querschnittsansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung, <tb>Fig. 6<SEP>eine Detailansicht einer Querschnittansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung, <tb>Fig. 7<SEP>das Sprühbild der erfindungsgemässen Vorrichtung bei einer spezifischen Anordnung von Additivauslass und Druckluftzuleitung, <tb>Fig. 8<SEP>das Sprühbild der erfindungsgemässen Vorrichtung bei einer zweiten spezifischen Anordnung von Additivauslass und Druckluftzuleitung, <tb>Fig. 9<SEP>ein weiteres Sprühbild der erfindungsgemässen Vorrichtung bei einer spezifischen Anordnung von Additivauslass und Druckluftzuleitung, <tb>Fig. 10<SEP>ein weiteres Sprühbild der erfindungsgemässen Vorrichtung bei einer zweiten spezifischen Anordnung von Additivauslass und Druckluftzuleitung, <tb>Fig. 11<SEP>eine beispielhafte Kennlinie zur Verdeutlichung des Zusammenhangs von Sprühwinkel und mittlere Tröpfchengrösse, und <tb>Fig. 12 :<SEP>ein beispielhafter Arbeitspunktbereich zur Verdeutlichung, dass Sprühwinkel und mittlere Tröpfchengrösse auch unabhängig voneinander eingestellt werden können.

[0036] Fig. 1 zeigt einen schematischen Grundaufbau einer Vorrichtung für eine Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine aus dem Stand der Technik. Ausgehend von der Brennkraftmaschine 1 wird ein Abgas (die Strömungsrichtung des Abgases ist in Fig. 1 mit Pfeilen angegeben) durch eine Abgasleitung 2 zu einem Katalysator 3 geführt. Zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Katalysator 3 ist eine Additivzuführeinrichtung 4 vorgesehen, die ein Additiv 5 in die Abgasleitung 2 einbringt. Die Additivzuführeinrichtung 4 enthält eine das Additiv 5 in den Abgasstrom abgebende Auslassöffnung 6, zu der von einem Verdichter 8 erzeugte Druckluft und das in einem Vorratsbehälter 10 gelagerte Additiv 5 strömt. Der Verdichter 8 wird dabei in einem Konstantbetrieb betrieben und führt demnach eine gleichbleibende Menge an Druckluft in die Abgasleitung 2 ein. Das mit Hilfe der Druckluft in dem Abgasstrom verwirbelte Additiv 5 trifft dann in einem durchmischten Zustand auf den Katalysator 3, der Schadstoffe aus dem von der Brennkammer 1 erzeugten Abgas entfernt.

[0037] Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung. Man erkennt die Abgasleitung 2, die Druckluftzufuhr 9 und die Additivzuleitung 7, die mit dem Additivauslass 6 bzw. der Düse 61 verbunden ist. Die Druckluftzuleitung 9 tritt senkrecht durch die Längsrichtung der Abgasleitung 2 durch dessen Mantelfläche und macht dann einen Knick um ca. 90°, sodass ein Endabschnitt der Druckluftzuleitung 9 in etwa parallel zur Längsrichtung der Abgasleitung 2 verläuft. Der Endabschnitt der Druckluftzuleitung ist über Befestigungsstege 21 mit der Innenseite der Abgasleitung 2 verbunden und an diesen gelagert. Der Additivauslass 6 bzw. die Düse 61 steht mit der Additivzuleitung 7 in Verbindung. Der Additivauslass 6 ist teilweise oder vollständig innerhalb der Druckluftzuleitung 9 angeordnet. Der Additivauslass 6 ist dabei über eine Befestigungsvorrichtung 91 an der Druckluftzuleitung 9 befestigt. Das offene Ende der Druckluftzuleitung 9 und das Auslassende des Additivauslasses 6 sind dabei in Strömungsrichtung eines Abgases der Abgasleitung 2 angeordnet. Darüber hinaus sind die Längsrichtung der Abgasleitung 2 sowie die Achsen des Additivauslasses 6 und des Endabschnitts der Druckluftzuleitung 9 achsparallel. Vorzugsweise können diese Achsen zueinander auch koaxial sein, wobei die Druckluftzuleitung 9 im Inneren der Abgasleitung und der Additivauslass im Inneren der Druckluftzuleitung angeordnet ist.

[0038] In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird der Sprühwinkel des der Abgasleitung 2 zuzuführenden Additivs 5 durch eine Positionsveränderung des Additivauslasses 6 bzw. der Düse 61 bezüglich des Endabschnitts der Druckluftzuleitung 9 erreicht. Da der Endabschnitt der Druckluftzuleitung fest mit der Abgasleitung verbunden ist, verschiebt sich der Additivauslass auch bezüglich der Abgasleitung. Bei einem Verschieben des Additivauslasses 6 in Richtung des offenen Endes der Druckluftzuleitung ergibt sich eine Veränderung in dem Sprühwinkel des Additivs 5. Diese Positionsveränderung wird mit Hilfe der Befestigungsvorrichtung 91 und einer entsprechenden Aktorik erreicht. Die Bewegungsrichtung des Additivauslasses ist in der Figur mit einem auf dem Additivauslass bzw. der Düse 61 eingezeichneten Pfeil dargestellt.

[0039] Die Fig. 3 und 4 zeigen die Positionsveränderung der Düse bezüglich des Endabschnitts der Druckluftzuleitung 9. Bei einem Vergleich der beiden Figuren erkennt man, dass die Düse 61 in der Fig. 3 nahezu vollständig innerhalb des Endabschnitts der Druckluftzuleitung aufgenommen ist. Im Gegensatz dazu steht die Spitze der Düse 61 in Fig. 4 aus der Druckluftzuleitung 9 hervor. Diese Positionsänderung der Düse 61 bezüglich der starr an der Abgasleitung 2 angebrachten Druckluftzuleitung 9 bewirkt eine Veränderung in dem Sprühwinkel des in die Abgasleitung abzugebenden Additivs 5. Dabei ist die Strömungsrichtung des Abgases mit einem Pfeil 71 gekennzeichnet und die Strömungsrichtung der Druckluft mit einem Pfeil 72 gekennzeichnet.

[0040] Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht der Erfindungsgemässen Vorrichtung. Der äussere Kreis beschreibt dabei die Abgasleitung 2, von deren Innenseite Befestigungsstege 21 zur Mitte der Abgasleitung 2 hin verlaufen. An den von der Innenseite der Abgasleitung 2 abgewandten Enden der Befestigungsstege 21 befindet sich die Druckluftzuleitung 9. Diese dient wiederum dazu, die Düse 61 mit Hilfe einer Befestigungsvorrichtung 91 zu lagern. Man erkennt auch die radial zur Querschnittsfläche der Abgasleitung 2 verlaufenden Zuleitungen 9, 7 für Druckluft und Additiv 5. Diese sind in der Figur nur schematisch dargestellt. Man erkennt erneut, dass die Düse 61, der Endabschnitt der Druckluftzuleitung 9 als auch die Abgasleitung achsparallel, in der dargestellten Figur sogar koaxial, zueinander ausgerichtet sind.

[0041] Fig. 6 zeigt eine vergrösserte Darstellung der Druckluftzuleitung 9 und der Düse 61 in einer Querschnittsansicht. Die Befestigungsvorrichtung 91 mit der die Düse 61 an dem Endabschnitt der Druckluftzuleitung 9 befestigt ist, ist dabei so ausgelegt, dass die Düse 61 in seiner Axialposition verrückt werden kann. Die axiale Verrückung der Düse 61 entspricht in der Darstellung der Fig. 6 einer Bewegung, die sich aus der Blattebene der Figur heraus erstreckt.

[0042] Die Fig. 7 bis 10 zeigen jeweils ein Sprühbild eines Additivs, das mit der erfindungsgemässen Vorrichtung erzeugt worden ist. Zum besseren Verständnis sind in diesen Figuren sind einige Elemente darin nicht massstabsgetreu dargestellt.

[0043] Die Fig. 7 und 9 geben jeweils eine Darstellung wieder, bei der der Additivauslass bezüglich der Druckluftzuleitung 9 bündig mit dem Ende der Druckluftzuleitung 9 angeordnet ist. Die Fig. 8 und 10 hingegen zeigen ein Sprühbild, in dem eine relative Positionsveränderung von Düse bzw. Additivauslass zur Druckluftzuleitung vorgenommen worden ist. Die Relativbewegung der beiden Elemente wird mit x bezeichnet. Der Abgasmassenstrom, der in der (nicht dargestellten) Abgasleitung strömt, ist bei beiden Fig. 7 und 8 identisch. Fig. 7 zeigt dabei eine erste axiale Position des Additivauslasses 6 bezüglich der Druckluftzuleitung 9, welche in der Figur mit X = 0 mm bezeichnet wird. Man erkennt, dass das ausgegebene Additiv sich in einem Abstand von 30 cm zum Ende der Druckluftzuleitung 9 auf ca. 25 mm Breite aufgespreizt hat. Die Auslassöffnung des Additivs befindet sich in der Fig. 7 auf gleicher Höhe wie das Ende der Druckluftzuleitung.

[0044] Fig. 8 hingegen zeigt das Sprühbild des Additivs bei einer Positionsverschiebung des Additivauslasses um 4 mm aus der Druckluftzuleitung heraus Dem Fachmann ist klar, dass hier selbstverständlich auch eine Bewegung der Druckluftzuleitung zu der Positionsverschiebung beitragen oder führen kann. Im Vergleich zu Fig. 7 ist die Düse nun um einen Betrag x, der in der Figur 4mm entspricht, aus der gezeigten Position versetzt angeordnet. Die Positionsverschiebung erfolgt dabei in eine Richtung aus der Druckluftzuleitung 9 heraus. Hierbei erkennt man, dass das Additiv 30 cm nach dem Ende der Druckluftzuleitung nur in einem Bereich von 8,5 mm aufgespreizt wird.

[0045] Um den Einfluss des Abgasmassenstroms auf das Additiv darzustellen wird in den Fig. 9 und 10 die identische Konfiguration der Fig. 7 und 8 bei einem dazu verringerten Abgasmassenstrom dargestellt. Die Fig. 9 und 10 zeigen denselben Zusammenhang einer Positionsveränderung des Additivauslasses bezüglich des Endes der Druckluftzuleitung 9 wie die Fig. 7 und 8 . Grundsätzlich lassen sich an den Fig. 9 und 10 dieselben Änderungstendenzen des Additivsprühwinkels wie im Fall der Fig. 7 und 8 erkennen. Es wird also bei einem Herausbewegen des Additivauslasses (bzw. der Düse) aus der Druckluftleitung der Sprühwinkel des Additivs im Vergleich zu einem nicht herausbewegten Zustand verringert. Der verringerte Abgasmassenstrom führt insgesamt jedoch zu einem grösseren Aufweiten des Additivs.

[0046] Man sieht im Vergleich der Figuren, dass das Additiv bei einem geringeren Abgasmassenstrom (Fig. 9 und 10 ) sehr viel weiter aufgespreizt wird und dadurch eher mit der Innenfläche der Abgasleitung in Berührung kommt und an dieser anhaftet. Bei einem grösseren Abgasmassenstrom hingegen wird das Additiv derart umströmt, dass die Randbereiche der Abgasleitung kaum mit Additiv in Berührung kommen.

[0047] Zudem kann sich bei einer Positionsveränderung des Additivauslasses auch der mittlere Tröpfchendurchmesser des in Tröpfchenform in die Abgasleitung 2 zugeführten Additivs ändern. So ist beispielsweise der mittlere Tröpfchendurchmesser bei der Konfiguration nach Fig. 7 bei 300 µm, in der Konfiguration nach Fig. 8 bei 290 µm, in der Konfiguration nach Fig. 9 bei 310 µm und in der Konfiguration nach Fig. 10 bei 230 µm. Aus den Fig. 7 bis 10 ist demnach zu entnehmen, dass die axiale Positionsänderung des Additivauslasses zu einer Änderung des Additivsprühwinkelbereichs und zu einer Änderung der mittleren Additivtröpfchengrösse führt. Daraus ergibt sich, dass bei einer konstanten Druckluftzufuhr durch die Veränderung der axialen Position des Additivauslasses eine Kennlinie gebildet wird, die den Zusammenhang zwischen Sprühwinkel und mittlere Tröpfchengrösse des Additivs beschreibt.

[0048] Fig. 11 zeigt eine solche Kennlinie, in der der Zusammenhang von Sprühwinkel und mittlerer Tröpfchengrösse dargestellt ist. Die Kennlinie weist zwei Arbeitspunkte AP1, AP2 auf, die auf der Kennlinie liegen. Die Arbeitspunkte der Kennlinie können erreicht werden, indem die Position des Additivauslasses bezüglich der Druckluftzuleitung variiert wird. Die Druckluftmenge wird dabei nicht variiert. Bei einer solchen Variation der Position wandert der Arbeitspunkt auf der Kennlinie entlang. So entspricht bspw. die Konfiguration der Fig. 7 im Arbeitspunkt AP2 und die Konfiguration der Fig. 8 im Arbeitspunkt AP1. D.h. mit einem Ansteigen des Abstands des Additivauslasses von dem Endabschnitt der Druckluftzuleitung bewegt sich der Arbeitspunkt von oben rechts nach unten links entlang der Kennlinie.

[0049] Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Sprühwinkel des Additivs und die mittlere Tröpfchengrösse des Additivs unabhängig voneinander zu beeinflussen. Dies wird beispielsweise durch die variable Erzeugung von Druckluft bzw. der variablen Zufuhr dieser erreicht. Bei der Zuleitung einer grösseren Menge von Druckluft verringert sich die mittlere Tröpfchengrösse, wohingegen bei einer Verringerung der Menge von zugeleiteter Druckluft die mittlere Tröpfchengrösse ansteigt.

[0050] Kombiniert man nun diese Erkenntnis mit der Positionsvariabilität des Additivauslasses, ist es möglich, sowohl den Sprühwinkel als auch die mittlere Tröpfchengrösse des Additivs unabhängig voneinander zu beeinflussen. Dann ist es möglich, den optimalen Arbeitspunkt hinsichtlich Sprühwinkel und mittlere Tröpfchengrösse des in die Abgasleitung einzubringenden Additivs in Abhängigkeit eines Zustands der Brennkraftmaschine oder der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung zu verändern. So kann der Sprühwinkel und/oder die Tröpfchengrösse des Additivs in Abhängigkeit einer Abgastemperatur, eines Abgasgegendrucks, eines NOx-Massenstrom und/oder eines Additivmassenstroms bestimmt werden. D.h. dass aufgrund der Momentanzustände mindestens eines der vorstehend genannten Parameter der optimale Arbeitspunkt hinsichtlich Sprühwinkel und mittlerer Tröpfchengrösse des Additivs bestimmt wird.

[0051] Als weitere Zustände, die einen Einfluss auf den optimalen Arbeitspunkt (hinsichtlich Sprühwinkel und mittlerer Tröpfchengrösse) des Additivs haben, also von den Veränderungen des Sprühwinkels und der mittleren Tröpfchengrösse ebenfalls abhängen und die zur Bestimmung dieser Grössen des Additivs ebenfalls herangezogen werden können, ist zu nennen: Der Drehzahl-Drehmomenten-Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine, der Abgasmassenstrom, die Abgaszusammensetzung (insbesondere bezüglich Stickstoffmonoxid, NO, Stickstoffdioxid, NO2, Kohlendioxid, CO2, enthaltener Feinstaub und/oder enthaltene Feinstaubmenge), die Kraftstoffqualität, die Einsatzhöhe der erfindungsgemässen Vorrichtung über Meeresniveau, bzw. den Umgebungsluftdruck, der Additivzuführungsdruck, die Additivqualität, die Umgebungslufttemperatur und/oder die Umgebungsluftfeuchtigkeit.

[0052] Es ist demnach denkbar, mindestens einen der vorstehend genannten Zustände zur Bestimmung des Arbeitspunktes hinsichtlich optimaler Tröpfchengrösse und optimalem Sprühwinkel des Additivs heranzuziehen. Dabei ist es nicht notwendig, dass die vorstehend genannten Parameter durch entsprechende Messvorrichtungen gemessen werden. Es ist denkbar, einige der Zuständige innerhalb einer Softwareländereinstellung zu hinterlegen, wie beispielsweise die Kraftstoffqualität und beispielsweise die Einsatzhöhe von Betreibern der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine von Hand in ein Steuergerät einzugeben.

[0053] Dieses Steuergerät kann dann aufgrund der zur Verfügung stehenden Zustandswerte das Additivzuführmittel derart steuern, dass die hierfür bestimmte optimale Teilchengrösse und der optimale Sprühwinkel des Additivs entsprechend geändert werden. Die hierzu notwendigen Aktuatoren sind dem Fachmann bekannt und bedürfen daher keiner näheren Erläuterung.

[0054] Fig. 12 zeigt das Arbeitsfeld einer solchen Ausführungsform der Erfindung, die den Sprühwinkel und die mittlere Tröpfchengrösse des Additivs unabhängig voneinander verändern kann. In der Figur ist ein Arbeitsfeld AF zu erkennen, in dem ein Arbeitspunkt AP3 beliebig gesetzt werden kann. Zudem ist zur besseren Verständlichkeit die Kennlinie aus Fig.  11 gestrichelt eingetragen. Möchte man nun einen im Vergleich zum Arbeitspunkt AP2 grösseren Sprühwinkel bei einer gleichbleibenden mittleren Tröpfchengrösse, kann dies über eine Positionsänderung des Additivauslasses und gleichzeitiger Änderung der Druckluftmenge, die der Abgasleistung zugeführt wird, erreicht werden. Die Variation der zuzuführenden Druckluftmenge ist dem Umstand geschuldet, dass eine Positionsänderung des Additivauslasses zur Vergrösserung des Sprühwinkels eine Vergrösserung der mittleren Tröpfchengrösse mit sich bringt (vgl. Fig. 11 ).

[0055] Durch das Vorsehen der variablen Druckluftzufuhr ergibt sich also ein kombinatorischer Effekt, der im Zusammenspiel mit der Veränderbarkeit des Sprühwinkels das unabhängige Einstellen von Sprühwinkel und Tröpfchengrösse auf den gewünschten Arbeitspunkt der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung ermöglicht. Die vormals bestehende Verbindung von Tröpfchengrösse und Sprühwinkel bei einigen der vorgestellten Ausführungsformen kann somit aufgelöst werden, was zu einer Steigerung der Leistungsfähigkeit der Abgasnachbehandlung führt.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine (1), umfassend: eine Abgasleitung (2), die einen Auslass der Brennkraftmaschine (1) mit einem Einlass eines Katalysators (3) verbindet, und eine Additiv-Zuführeinrichtung (4), die dazu ausgelegt ist, der Abgasleitung (2) zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine (1) und dem Einlass des Katalysators (3) ein Additiv (5) über einen Additivauslass (6) zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Additiv-Zuführeinrichtung (4) ferner dazu ausgelegt ist, einen Sprühwinkel des der Abgasleitung (2) zuzuführenden Additivs (5) zu verändern.

2. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, wobei die Additiv-Zuführeinrichtung (4) umfasst: eine Additivzuleitung (7) zum Einbringen des Additivs (5) in die Abgasleitung (2), und eine mit der Additivzuleitung (7) verbundene Düse (61) als Additivauslass (6), wobei die Düse (61) dazu ausgelegt ist, das Additiv (5) in die Abgasleitung (2) einzudüsen, und vorzugsweise die Düse (61) vollständig innerhalb der Abgasleitung (2) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Düse (61) dazu ausgelegt ist, das Additiv (5) mit einem veränderbaren Sprühwinkel abzugeben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Düse (61) ein bewegbares Element zum Variieren des Sprühwinkels des in die Abgasleitung (2) einzuführenden Additivs (5) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Verdichter (8) zum Erzeugen von Druckluft, und eine mit dem Verdichter (8) verbundene Druckluftzuleitung (9) zum Einbringen der Druckluft in die Abgasleitung (2).

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 5, wobei die Düse (61) zur Abgabe des Additivs (5) ganz oder teilweise in der Druckluftzuleitung (9) angeordnet und an dieser befestigt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Abgasleitung (2), die Druckluftzuleitung (9) und der Additivauslass (6) achsparallel zueinander ausgerichtet sind, und wobei deren Achsen vorzugsweise koaxial zueinander sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Druckluftzuleitung (9) starr an der Abgasleitung (2) befestigt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Relativposition des Additivauslasses (6) der Additivzuleitung (7) bezüglich der Abgasleitung (2) veränderbar ist, um einen Sprühwinkel des zuzuführenden Additivs (5) mit Hilfe eines starr mit der Abgasleitung (2) verbundenen Elements zu variieren, wobei die Veränderung der Position des Additivauslasses (6) vorzugsweise über eine axiale Verschiebung des Additivauslasses (6) bezüglich des starr mit der Abgasleitung (2) verbundenen Elements erfolgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das starr mit der Abgasleitung (2) verbundene Element eine Druckluftzuleitung (9) oder ein Abgasstromverwirbler ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Additiv-Zuführeinrichtung (4) ferner dazu ausgelegt ist, das Additiv (5) der Abgasleitung (2) in Tröpfchenform zuzuführen und die mittlere Tröpfchengrösse des der Abgasleitung (2) zuzuführenden Additivs (5) zu verändern.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei ein von einem Verdichter (8) erzeugter Luftvolumenstrom zum Einleiten in die Abgasleitung (2) veränderbar ist, um eine mittlere Tröpfchengrösse des von dem Additivauslass (6) abgegebenen Additivs (5) entsprechend zu einer Veränderung des Luftvolumenstroms zu verändern.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Additiv (5) eine wässrige Harnstofflösung ist, deren Harnstoffgehalt im Bereich von 31,8 bis 33,2 Gewichtsprozent, vorzugsweise bei 32,5 Gewichtsprozent, liegt.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Additiv-Zuführeinrichtung (4) ferner dazu ausgelegt ist, den Sprühwinkel und/oder eine mittlere Tröpfchengrösse des Additivs (5) in Abhängigkeit eines Zustands der Brennkraftmaschine (1) oder der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung zu verändern, vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur, einem Abgasgegendruck, einem NOx-Massenstrom und/oder einem Additiv-Massenstrom.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator ein Katalysator für eine selektive katalytische Reduktion ist.