DE102004029679A1 - Injektordüse sowie Verfahren und Verwendung einer Innjektordüse zur Einbringung von Harnstoff in ein Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Injektordüse (1) sowie ein Verfahren und eine Verwendung einer Injektordüse (1) zur Einbringung von Harnstoff in ein Abgas einer Brennkraftmaschine. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Injektordüse (1) weist einen Düsenstock (2) und eine endseitig am Düsenstock (2) angeordnete Düsenkappe (3) mit mehreren Düsenbohrungen (4) auf, wobei die Düsenbohrungen (4) ein Verhältnis von Düsenbohrungsdurchmesser (D) zu Düsenbohrungslänge (L) von größer als eins aufweisen. Die Injektordüse (1) wird erfindungsgemäß zur Einbringung von Harnstoff in ein Abgas einer Brennkraftmaschine verwendet. DOLLAR A Anwendung vorzugsweise in Abgasreinigungsanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Nutzfahrzeugen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Injektordüse mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Einbringung von Harnstoff in ein Abgas einer Brennkraftmaschine sowie eine Verwendung einer Injektordüse.
• Zum Problem der fein verteilten Einbringung bzw. Zerstäubung von Flüssigkeiten in Gase sind eine Vielzahl von verfahrenstechnischen Lösungen bekannt. So ist es aus der DE 43 15 385 A1 bekannt, zur Eindüsung von Ammoniakwasser in Rauchgase eine Zweistoffdüse einzusetzen. Die Düse wird pulsierend betrieben. Dabei wird das Ammoniakwasser in einem zum Hüllrohr der Düse koaxial angeordneten Innenrohr und die zur Zerstäubung eingesetzte Druckluft in einem Ringspalt zwischen Innenrohr und Hüllrohr geführt. Ammoniakwasser und Druckluft treffen nahe der Austrittsstelle in einer Resonanzkammer aufeinander. Dabei liegt das Mengenstromverhältnis von Druckluft/Ammoniakwasser zwischen 0,01 und 0,2. Durch die spezielle Betriebsart und Ausführungsform der Düse wird eine gleichmäßige Verteilung des Ammoniakwassers im Rauchgas erreicht.
• Zur Verbesserung des Spritzbilds bei der Einspritzung von Dieselkraftstoff in einen Brennraum eines Dieselmotors ist es aus der DE 198 38 771 A1 bekannt, das Spritzloch einer Einspritzdüse mit einem Stufendiffusor zu versehen und das Spritzloch mit einer Länge auszuführen, die etwa das 2 bis 2,5-fache des Spritzloch-Durchmessers beträgt.
• Insbesondere bei der Zerstäubung von flüssigen Feststofflösungen tritt häufig eine Verstopfung der Spritzöffnungen der eingesetzten Düsen durch Ablagerung des Feststoffs auf. Zur Sauberhaltung einer für die Zerstäubung von Harnstofflösung eingesetzten Spritzdüse ist es aus der DE 102 23 766 A1 bekannt, von Zeit zu Zeit eine Reinigung der Spritzdüse durch Einbringung einer Reinigungsflüssigkeit durchzuführen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Injektordüse sowie ein Verfahren zur Einbringung von Harnstoff in ein Abgas einer Brennkraftmaschine anzugeben, welche einen zuverlässigen Betrieb und eine feine und gleichmäßige Verteilung des zu dosierenden Mediums ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird durch eine Injektordüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Das Problem wird auch durch eine Verwendung einer Injektordüse mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
• Die erfindungsgemäße Injektordüse weist einen Düsenstock und eine endseitig daran angeordnete Düsenkappe mit mehreren vorzugsweise runden Düsenbohrungen auf. Dabei ist der Düsenbohrungsdurchmesser größer als die Düsenbohrungslänge ausgeführt. Aufgrund der vergleichsweise kleinen Wandfläche der Düsenbohrung weist die Düse eine große Fähigkeit zur Selbst reinigung auf, so dass Ablagerungen, welche die Düsenbohrung verstopfen könnten vermieden werden. Die Injektordüse ist daher insbesondere zur Verdüsung von wässeriger Harnstofflösung in heiße Abgase einer Brennkraftmaschine geeignet, da Ablagerungen von Harnstoff oder von dessen Zersetzungsprodukten zuverlässig vermieden werden. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Düsenbohrungsgeometrie eine gleichmäßige Verteilung des zu verdüsenden Mediums erreicht.
• In Ausgestaltung der Erfindung sind die Düsenbohrungen auf einer Kreislinie auf der Düsenkappe angeordnet. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiges Absprühverhalten, was insbesondere bei der Verdüsung in eine Abgasrohrleitung mit kreisförmigem Querschnitt vorteilhaft ist.
• Um eine gute Selbstreinigung zu erreichen, ist es vorteilhaft die Düsenbohrungen im äußersten Rand der Düsenkappe anzuordnen. Dadurch können Verschmutzungen entlang der Wandung in die Düsenbohrung transportiert und ausgespült werden, bevor sie zu größeren Partikeln agglomerieren können, welche die Bohrung verstopfen könnten. Hierzu ist es vorteilhaft, etwa eine Hälfte der insbesondere schräg zur Längsachse des Düsenstocks ausgeführten Bohrungen durch den Endbereich des Düsenstockmaterials zu führen.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung schließt die Mittelachse der Düsenbohrungen mit der Mittelachse des Düsenstocks einen spitzen Winkel ein. Dadurch wird eine kegelförmige Aufweitung des Sprühstrahls erreicht, wobei über die Größe des Winkels die Öffnung des Sprühkegels festgelegt werden kann.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Düsenbohrungen konisch mit sich nach außen erweiterndem Durchmesser ausgeführt. An der Mündung weisen die Düsenbohrungen demnach einen geringfügig größeren Durchmesser als innenseitig der Düsenkappe auf. Dadurch wird die Verstopfungsneigung ebenfalls drastisch vermindert, da festgesetzte Ablagerungen leichter mit dem verdüsten Medium aus der Düsenbohrung ausgespült werden können. Ferner resultiert aus der konischen Düsenbohrung eine kegelförmige Aufweitung eines jeweiligen Sprühkegels, wodurch insgesamt eine gleichmäßige Verteilung des zu verdüsenden Mediums erreicht wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einbringung von Harnstoff in ein Abgas einer Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Harnstoff über eine Injektordüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zugegeben wird. Dabei wird in Ausgestaltung der Erfindung der Injektordüse Harnstoff in einer zweiphasigen Gas-Flüssigkeitsmischung zugeführt. Vorzugsweise wird in einer Dosiereinheit durch Zusammenführung von Druckluft und wässeriger Harnstofflösung eine aerosolartige zweiphasige Luft-Flüssigkeitsmischung erzeugt und diese über eine Leitung dem Düsenstock der Injektordüse zugeführt. In der Dosiereinheit erfolgt vorzugsweise eine bedarfsgerechte Zugabe der zu dosierenden Harnstoffmenge in einen im wesentlichen gleichmäßigen Luftstrom.
• Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:
• 1 eine bevorzugte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Injektordüse in einer schematischen Schnittdarstellung und
• 2 eine bevorzugte zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Injektordüse in einer schematischen Schnittdarstellung.
• Die in 1 dargestellte Injektordüse 1 ist im wesentlichen aus einem als Hohlrohr ausgebildeten Düsenstock 2 und einer endseitig auf den Düsenstock aufgesetzten Düsenkappe 3 gebildet. Die Abschlussfläche der Düsenkappe 3 ist hier als stumpfwinkliger Kegelabschnitt ausgebildet. Vorzugsweise ist die Befestigung der Düsenkappe 3 am Düsenstock 2 als Lötverbindung ausgeführt. Die Düsenkappe 3 weist mehrere Düsenbohrungen 4 auf, die gleichmäßig auf der Düsenkappe 3 verteilt sein können, vorzugsweise jedoch auf einer Kreislinie am radial äußeren Bereich der Düsenkappe 3 angeordnet sind. Vorteilhaft ist es, wenn die Düsenkappe 3 vier bis acht Düsenbohrungen 4 aufweist. Vorzugsweise weisen die Düsenbohrungen 4 einen Durchmesser im Bereich von 0,3 mm bis 0,7 mm auf.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Durchmesser D der Düsenbohrungen 4 größer auszuführen als deren Länge L. Ferner ist vorgesehen, die Düsenbohrungen 4 konisch mit einem endseitig der Düsenkappe 3 geringfügig größeren Durchmesser D als innenseitig auszuführen. Dabei ist ein Verhältnis von Durchmesser D zu Länge L im Bereich von D : L von 1,2 bis 2,0 vorteilhaft. Die Konizität liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 10 %.
• Weiterhin ist vorgesehen, die Düsenbohrungen 4 schräg in bezug auf die Längsachse 5 des Düsenstocks 2 auszuführen. Die Bohrungsachse 6 der Düsenbohrungen 4 schließt mit der Längsachse 5 des Düsenstocks 2 einen spitzen Winkel α von etwa 5° bis 20° ein. Um taschenartige Toträume im Bereich des Düsenbohrungseinlaufs zwischen der Innenseite der Düsenkappe 3 und dem Ende des Düsenstocks 2 zu vermeiden, ist es vorteilhaft wenn der Düsenstock 2 wie dargestellt endseitig innen angephast ausgeführt ist.
• In 2 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Injektordüse 1 in einer schematischen Schnittdarstellung dargestellt, wobei die entsprechenden Bauteile, soweit sie mit den Teilen der 1 übereinstimmen, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die in 2 dargestellte Injektordüse ist ähnlich aufgebaut wie die in 1 dargestellte Injektordüse. Im Unterschied zu dieser weist sie jedoch eine Düsenkappe 3 mit einer ebenen Abschlussfläche mit einer parallel zur Längsachse 5 des Düsenstocks 2 orientierten Flächennormalen auf. Die Düsenkappe 3 ist unter Vermeidung von Toträumen stumpf mit dem Düsenstock 2 verschweißt oder an diesen angelötet. Die Mittelpunkte der Düsenbohrungen 4 sind vorzugsweise innenseitig zur Injektordüse gesehen am äußersten Rand der Düsenkappe angeordnet. Sie liegen hier auf einem Teilkreis, dessen Mittelpunkt auf der Längsachse des Düsenstocks 2 liegt. Der Teilkreis weist dabei einen Durchmesser auf, der dem Innendurchmesser des Düsenstocks 2 entspricht. Etwa die Hälfte der jeweiligen Bohrlöcher ist daher durch den endseitigen Bereich des Düsenstocks 2 geführt. Gegebenenfalls an der Wand des Düsenstocks 2 haftende Rückstände können so entlang der Wand abgespült werden und durch die Bohrungen 4 transportiert werden. Vorteilhaft ist dabei ein sehr spitzer Winkel α zwischen den jeweiligen Bohrungsachsen 6 und der Längsachse 5 des Düsenstocks 2, wodurch strömungsmäßige Toträume im Endbereich des Düsenstocks 2 besonders wirksam vermieden werden.
• Obschon die erfindungsgemäße Injektordüse 1 zur Verdüsung verschiedenster Medien geeignet ist, wird nachfolgend davon ausgegangen, dass sie zur Verdüsung einer vorwiegend als Aerosol vorliegenden zweiphasigen Mischung von Luft und wässeriger Harnstofflösung verwendet wird. Die eingesetzte wässerige Harnstofflösung weist vorzugsweise einen Harnstoffanteil von etwa 32 % in bezug auf das Lösungsmittel Wasser auf. Die Verdüsung erfolgt in nicht näher dargestellter Weise in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine stromauf eines zur Stickoxidverminderung vorgesehenen Katalysators. Hierzu ist der Düsenstock 2 mit der Abgasleitung fest verbunden und ragt bis etwa in die Mitte der Abgasleitung hinein. Obschon der Düsenstock 2 hier gerade ausgeführt ist, kann er auch eine gebogene Form aufweisen, wodurch eine in bezug auf die Abgasleitung axiale Absprühung des zu dosierenden Mediums erreicht wird.
• Mit Blick auf die genannte Anwendung ist es von besonderer Bedeutung, die Abmessungen der Injektordüse 1 auf das zu verdüsende Medium und die auftretenden Durchsatzverhältnisse abzustimmen. Die maßgebenden Abmessungen, wie Verhältnis von Durchmesser D zu Länge L der Düsenbohrungen 4, deren Anzahl, Konizität, Durchmesser und Bohrungswinkel in bezug auf die Düsenstockachse 5 sind untereinander und in Abhängigkeit von den auftretenden Durchsatzverhältnissen geeignet zu wählen.
• Nachfolgend sind besonders bevorzugte Geometrien und die entsprechenden Durchsatzverhältnisse genannt, mit welchen ein besonders vorteilhaftes Absprühverhalten und ein zuverlässiger und verstopfungsfreier Betrieb der Injektordüse bei dem in Rede stehenden Einsatzfall erzielt wird.
• Die Injektordüse 1 wird vorzugsweise mit einem Aerosol aus wässeriger Harnstofflösung und Druckluft versorgt, wobei der Luftdurchsatz im Bereich von etwa 20 l/min bis 30 l/min, vorzugsweise etwa 22 l/min annähernd konstant gehalten wird.
• Je nach angestrebter Stickoxidreduktion beträgt der Durchsatz der wässerigen Harnstofflösung etwa 250 g/h bis 7000 g/h. Diese wird in einer nicht dargestellten Dosiereinheit dosiert und mit zugeführter Druckluft vernebelt. Dabei erfolgt die Vermischung vorzugsweise in einer Mischkammer der Dosiereinheit. Gegebenenfalls können spezielle Mittel zur Vernebelung bzw. Vermischung vorgesehen sein. Falls keine Harnstoffzugabe erforderlich ist, wird der Luftdurchsatz vorzugsweise aufrechterhalten, was der Kühlung der Injektordüse 1 dient und zu deren Reinhaltung beiträgt. Das gebildete Aerosol mit dem zudosierten Anteil an wässeriger Harnstofflösung wird dem Düsenstock 2 der Injektordüse zugeführt und in das Abgas gedüst.
• Im Zusammenhang mit den genannten Durchsatzwerten und dem zu verdüsenden Medium ist es besonders vorteilhaft, wenn die Injektordüse 1 sechs Düsenbohrungen 4 aufweist. Ein besonders gleichmäßiges Absprühverhalten ergibt sich, wenn die sechs Düsenbohrungen 4 einen Bohrungsdurchmesser von 0,5 mm und ein Verhältnis von Durchmesser D zu Länge L von D : L von etwa 1,7 und eine Konizität von etwa 10 % aufweisen. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel α zwischen Bohrungsachse 6 und Mittelachse 5 des Düsenstocks 2 etwa 10°. Mit einem Innendurchmesser des Düsenstocks 2 von etwa 6 mm und einem Absolutdruck von etwa 1,8 bar bis 2,3 bar der Druckluft im Endbereich des Düsenstocks 2 werden im Zusammenhang mit den genannten Daten besonders gute Absprühergebnisse erzielt.

Claims (7)

1. Injektordüse (1), insbesondere zur Einbringung von Harnstoff in ein Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einem Düsenstock (2) und einer endseitig am Düsenstock (2) angeordneten Düsenkappe (3) mit mehreren Düsenbohrungen (4), wobei die Düsenbohrungen (4) ein Verhältnis von Düsenbohrungsdurchmesser (D) zu Düsenbohrungslänge (L) von größer als eins aufweisen.
2. Injektordüse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenbohrungen (4) auf einer Kreislinie auf der Düsenkappe (3) angeordnet sind.
3. Injektordüse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (6) der Düsenbohrungen (4) mit der Mittelachse (5) des Düsenstocks (2) einen spitzen Winkel (α) einschließt.
4. Injektordüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenbohrungen (4) konisch mit sich nach außen erweiterndem Durchmesser (D) ausgeführt sind.
5. Verfahren zur Einbringung von Harnstoff in ein Abgas einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Harnstoff dem Abgas über eine Injektordüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zugegeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Harnstoff in einer zweiphasigen Gas-Flüssigkeitsgemischung der Injektordüse (1) zugeführt wird.
7. Verwendung einer Injektordüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Einbringung von Harnstoff in ein Abgas einer Brennkraftmaschine.