DE102005006053A1

DE102005006053A1 - Abgabevorrichtung zur Abgabe eines Zugschlagmediums in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005006053A1
Application number: DE102005006053A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr.-Ing. Gärtner; Peter Dr.-Ing. Kozuch
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-17
Also published as: WO2006084551A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgabevorrichtung (1) zur Abgabe eines insbesondere flüssigen Zuschlagmediums in eine Abgasleitung (10) einer Brennkraftmaschine (13) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Abgabevorrichtung (1) einen im Inneren der Abgasleitung (10) angeordneten Leitungsarm (3) für das Zuschlagmedium aufweist. DOLLAR A Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist aus dem Leitungsarm (3) das Zuschlagmedium im Wesentlichen in einem spitzen Winkel zu einer Umfangslinie (9) der Abgasleitung (10) abgebbar. DOLLAR A Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist der Leitungsarm (3) von strömendem Abgas und/oder von aus dem Leitungsarm (3) abgegebenem Zuschlagmedium in eine Drehbewegung versetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgabevorrichtung zur Abgabe eines insbesondere flüssigen Zugschlagmediums in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Abgabevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Aus der DE 197 26 392 A1 ist eine Gemischabgabevorrichtung zur Einführung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Gemischabgabevorrichtung umfasst eine in die Abgasleitung geführte Zugabeleitung mit einem quer zur Abgasströmung verlaufenden ersten Abschnitt und einem konzentrisch zu einer Längsachse der Abgasleitung verlaufenden zweiten Abschnitt. Endseitig weist der zweite Abschnitt radiale Ausblaseöffnungen für das Reduktionsmittel auf. Infolge dieser Konstruktion erfolgt eine in Bezug auf die Abgasleitung radiale Abgabe des Reduktionsmittels.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Abgabevorrichtung zur Abgabe eines insbesondere flüssigen Zugschlagmediums in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs anzugeben, welche eine bessere Verteilung des Zuschlagmediums insbesondere in den radial äußeren Bereichen der Abgasleitung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Abgabevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder durch eine Abgabevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 weist die Abgabevorrichtung einen im Inneren der Abgasleitung angeordneten Leitungsarm für das Zuschlagmedium auf, wobei aus dem Leitungsarm das Zuschlagmedium im Wesentlichen in einem spitzen Winkel zu einer Umfangslinie der Abgasleitung abgebbar ist. Im Gegensatz zu einer axial gerichteten Abgabe des Zuschlagmediums ermöglicht dies eine gleichmäßige Verteilung des Zuschlagmediums im Abgas, wobei insbesondere die radial äußeren Bereiche der Abgasleitung erfasst werden. Im Vergleich mit einer radial gerichteten Abgabe wird ein senkrechtes Auftreffen des Zuschlagmediums auf die Abgasleitungsinnenwand vermieden. Dadurch können Kondensationsverluste und hang-up-Effekte vermieden werden.

Vorzugsweise endet der Leitungsarm mit geringem Abstand zur Innenwand der Abgasleitung und der Austritt des Zuschlagmediums aus einer vorzugsweise düsenartig verengten Düsenöffnung des Leitungsarms erfolgt im Wesentlichen in einer Ebene, deren Normalenvektor parallel zur Mittelachse orientiert ist, d.h. in einer Ebene, welche etwa parallel zur Mittelachse der Abgasleitung orientiert ist. Dabei erfolgt die Abgabe des Zuschlagmediums in annähernd tangentialer Richtung in Bezug auf eine Umfangslinie der Abgasleitung.

Es kann vorgesehen sein, die Orientierung der Austrittsöffnungsfläche an der Spitze des Leitungsarms geneigt zur Richtung des Leitungsarmendes auszuführen. Es können ein oder mehrere Düsenöffnungen an einem oder an mehreren Leitungs armen vorgesehen sein. Vom Abgasstrom wird das aus den Düsenöffnungen des Leitungsarms austretende Zuschlagmedium mitgerissen und verteilt sich weiter im Abgas. Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Abgabevorrichtung wird die Schwierigkeit einer in Bezug auf die Abgasleitung mittigen Abgabe vermieden, das Zuschlagmedium auch in den radial äußeren Bereichen zu verteilen.

Unter einem Zuschlagmedium ist hier ein im Abgas verteilbares Medium zu verstehen, welches hauptsächlich der Abgasreinigung dient. Obschon das Zuschlagmedium auch als Feststoff, insbesondere als Pulver vorliegen kann, ist die erfindungsgemäße Abgabevorrichtung vorzugsweise zur Abgabe eines flüssigen Mediums, beispielsweise eines organischen Reduktionsmittels vorgesehen. Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Abgabevorrichtung zur Abgabe einer wässrigen Harnstofflösung oder einer anderen Lösung eines zur selektiven Reduktion von Stickoxiden geeigneten Reduktionsmittels eingesetzt. Hierfür ist stromab der Abgabevorrichtung ein entsprechender Abgaskatalysator vorgesehen.

Dem Leitungsarm ist das Zuschlagmedium vorzugsweise mittels einer in radialer Richtung bis in den mittleren Bereich der Abgasleitung führenden Zufuhrleitung zuführbar.

Gemäß Anspruch 2 weist die Abgabevorrichtung einen im Inneren der Abgasleitung angeordneten Leitungsarm auf, wobei der Leitungsarm von strömendem Abgas und/oder von aus dem Leitungsarm abgegebenem Zuschlagmedium in eine Drehbewegung versetzbar ist. Infolge der Drehung ist eine besonders gleichmäßige Verteilung des Zuschlagstoffes ermöglicht. Vorzugsweise ist der Leitungsarm in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse der Abgasleitung angeordnet und die Drehbewegung des Leitungsarms erfolgt daher in dieser Ebene. Es ist vorzugsweise vorgese hen, dass die Abgabe des Zuschlagstoffes im Wesentlichen azimutal, d.h. in Umfangsrichtung in Bezug auf eine vorzugsweise runde Abgasleitung bzw. tangential und in einem spitzen Winkel in Bezug auf eine Umfangslinie der Abgasleitung erfolgt. Die Drehbewegung kann durch den Impuls des abgegebenen Zuschlagstoffes verursacht sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch vorgesehen sein, den Leitungsarm so zu gestalten, dass er vom strömenden Abgas in eine Drehbewegung versetzt wird.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführung der Abgabevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei der Leitungsarm zusätzlich drehbar gelagert ist, so dass er vom strömenden Abgas und/oder durch Abgabe des Zuschlagmediums in Drehung versetzt werden kann. Damit weist die Abgabevorrichtung neben den genannten Eigenschaften und Vorteilen einer Abgabevorrichtung gemäß Anspruch 1 mit einem unbeweglichen Leitungsarm zusätzlich die Eigenschaft eines umlaufenden Abgabeorts für das Zuschlagmedium auf. Infolge des sich auf einer Kreisbahn bewegenden Orts der Abgabe des Zuschlagmediums in das Abgas wird jedoch auch bei einer andersartigen Ausführung des Leitungsarms eine besonders gleichmäßige Verteilung des abgegebenen Zuschlagstoffes über den Abgasleitungsquerschnitt erzielt.

Mit der erfindungsgemäßen Abgabevorrichtung wird somit eine Beaufschlagung der Eingangsfläche eines nachfolgenden Katalysators auch in dessen Randzone erreicht, so dass eine besonders gute Ausnützung des gesamten Katalysatorvolumens erreicht wird.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Leitungsarm endseitig in Umfangsrichtung der Abgasleitung abgebogen. Auf diese Weise kann die azimutal gerichtete Abgabe des Zuschlags mediums sichergestellt werden. Das vorzugsweise unter Druck aus der endseitigen Spitze des Leitungsarms austretende Zuschlagmedium hat ein auf den Leitungsarm wirkendes Drehmoment zur Folge, wodurch im Falle eines drehbar gelagerten Leitungsarms dieser entgegen der Abgaberichtung des Zuschlagmediums in Drehung versetzt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Leitungsarm ein Strömungsleitmittel zur Verwirbelung von strömendem Abgas auf. Auf diese Weise ist eine besonders gute und gleichmäßige Verteilung des Zuschlagmediums über den Abgasleitungsquerschnitt ermöglicht. Als Strömungsleitmittel kann insbesondere ein schaufelförmiges Tragblatt vorgesehen sein, welches am Leitungsarm angebracht ist.

In weitere Ausgestaltung der Erfindung ist das Strömungsleitmittel derart ausgebildet, dass vom strömendem Abgas ein Drehmoment auf den Leitungsarm ausgeübt wird. Der drehbar gelagerte Leitungsarm wird somit vom strömenden Abgas angetrieben, wobei die Drehgeschwindigkeit mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ebenfalls zunimmt. Als Strömungsleitmittel kann beispielsweise ein ähnlich einer Turbinenschaufel geformtes Formteil vorgesehen sein, welches am Leitungsarm angebracht ist. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Drehachse des Leitungsarms wenigstens annähernd parallel zur Abgasleitungslängsachse orientiert ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Entleerung des Leitungsarms nach einer Beendigung der Abgabe des Zuschlagmediums vorgesehen. Dadurch wird sichergestellt, dass nach Beendigung der Zugabe keine Reste des Zuschlagmediums im Leitungsarm verbleiben, so dass dessen Verstopfung vermieden wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Entleerung des Leitungsarms eine Verbindungsleitung, über welche der Leitungsarm mit der Abgasleitung verbindbar ist. Insbesondere bei sich nach Beendigung der Zugabe des Zuschlagmediums weiterhin drehendem Leitungsarm wird das Zuschlagmedium abgeschleudert und kann infolge der Belüftung des Leitungsarms vollständig durch Abgas ersetzt werden, so dass der Leitungsarm entleert wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Dabei zeigen:
1 Eine schematische Querschnittsdarstellung einer Anordnung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgabevorrichtung in einer Abgasleitung,
2 die Anordnung gemäß 1 in einer schematischen Längsschnittdarstellung und
3 eine schematische Darstellung einer Anordnung der Abgabevorrichtung im Abgassystem einer Brennkraftmaschine.
Zur näheren Erläuterung wird nachfolgend zunächst auf die 1 und 2 Bezug genommen. Dabei zeigt 1 eine schematischen Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgabevorrichtung 1 und 2 die in 1 dargestellte Anordnung im Längsschnitt, wobei sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. gemäß 1 und 2 ist eine Zufuhrleitung 2 für ein in ein Abgas einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine zu dosierendes Zuschlagmedium von außen bis etwa in den mittleren Bereich einer Abgasleitung 10 geführt. Die Zufuhrleitung 2 ist endseitig in Richtung der Mittelachse 11 der Abgasleitung 10 abgebogen und mit einem Leitungsarm 3 für das Zuschlagmedium versehen, welcher etwa rechtwinklig zum abgebogenen Ende 2a der Zufuhrleitung 2 in einer Querschnittsebene der Abgasleitung 10 angeordnet ist. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform weist der Leitungsarm 3 einen ersten Teil 3a und einen zweiten Teil 3b auf, wobei sich die Leitungsarmteile 3a, 3b zunächst radial in die Abgasleitung 10 erstrecken und anschließend in ihrem jeweiligen Endbereich 5 in Richtung einer Umfangslinie 9 der Abgasleitung 10 abgebogen ausgeführt sind. Die Leitungsarmteile 3a, 3b münden jeweils in einer düsenartig verengten Spitze 4 aus, durch welche das über die Zufuhrleitung 2 zugeführte Zuschlagmedium ins Abgas abgegeben werden kann. Vorzugsweise sind die Spitzen 4 der Leitungsarmteile 3a, 3b in einem radialen Abstand von der Umfangslinie 9 der Abgasleitung 10 angeordnet, der etwa 10 % bis 30 % des Abgasleitungsdurchmessers beträgt.
Infolge dieser Anordnung der Leitungsarme 3a, 3b erfolgt die Abgabe des Zuschlagmediums ins Abgas im Wesentlichen in azimutaler Richtung bzw. in einem spitzen Winkel in Bezug auf die Umfangslinie 9 der Abgasleitung 10. Obschon die Leitungsarmteile 3a, 3b auch starr mit der Zufuhrleitung 2 verbunden sein können, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass diese drehbar am Ende der Zufuhrleitung 2 befestigt sind. Da austretendes Zuschlagmedium eine Rückstoßwirkung auf den Leitungsarm 3 ausübt, wird der Leitungsarm 3 in eine Drehung entsprechend der durch den Pfeil 6 gekennzeichneten Richtung versetzt. Auf diese Weise ist eine besonders gleichmäßige Verteilung des abgegebenen Zuschlagmediums über den Querschnittsbereich der Abgasleitung 10 ermöglicht. Insbesondere wird auf diese Weise eine Unterversorgung des Zuschlagmediums in den radial äußeren Bereichen der Abgasleitung 10 vermieden.
Zur weiteren Verbesserung der Gleichverteilung des dosierten Zuschlagmediums ist vorgesehen, an den Leitungsarmteilen 3a, 3b Strömungsleitmittel 7, 8 anzuordnen, welche eine Verwirbelung von strömendem Abgas bewirken. Vorzugsweise sind die Strömungsleitmittel 7, 8 als Tragblätter ausgebildet. Die Tragblätter 7, 8 weisen vorzugsweise eine Form ähnlich der von Turbinenschaufeln auf. In der mit dem Pfeil 12 gekennzeichneten Richtung strömendes Abgas übt daher ein Drehmoment auf den Leitungsarm 3 aus. Infolgedessen wird die Drehbewegung des Leitungsarms 3 in Richtung des Pfeils 6 durch strömendes Abgas unterstützt, bzw. auch veranlasst, wenn keine Dosierung des Zuschlagmediums erfolgt.
Bei einer drehbaren Ausführung des Leitungsarms 3 ist eine punktsymmetrische Anordnung der Leitungsarmteile 3a, 3b sowie der Tragblätter 7, 8 in Bezug auf den Drehpunkt vorgesehen. Auf diese Weise ist eine statische und dynamische Auswuchtung dieser Teile und damit eine vibrationsfreie Drehbewegung gewährleistet.
Obschon die erfindungsgemäße Abgabevorrichtung 1 zur Dosierung verschiedenster, insbesondere in flüssiger Form vorliegender Zuschlagmedien geeignet ist, wird sie vorzugsweise zur Einbringung von Harnstoff in das Abgas einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Dabei wirkt der Harnstoff als selektives Reduktionsmittel zur katalytischen Stickoxidverminderung. Der Harnstoff liegt für eine Dosierung mit der erfindungsgemäßen Abgabevorrichtung 1 vorzugsweise in Form einer wässrigen Lösung vor oder wird als aerosolartiger Nebel ins Abgas eingedüst. In 3 ist schematisch eine hierfür vorgesehene Anordnung dargestellt, wobei Bauteile, soweit sie mit denen der 1 und 2 übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind und nachfolgend auf diese Figuren ebenfalls Bezug genommen wird.
Die in 3 dargestellte Anordnung umfasst eine vorzugsweise als Dieselmotor ausgeführte Brennkraftmaschine 13, welche ihre Verbrennungsluft über eine Luftleitung 14 erhält und Verbrennungsabgase über die Abgasleitung 10 an die Umgebung abgibt. Zur Stickoxidverminderung ist in der Abgasleitung 10 ein hierfür geeigneter Abgaskatalysator 15 angeordnet. Stromauf des Abgaskatalysators 15 ist über die Abgabevorrichtung 1 ein für die Stickoxidverminderung geeignetes Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, dem Abgas zuführbar. Hierfür ist die Abgabevorrichtung 1 an die Zufuhrleitung 2 angeschlossen, über welche die bedarfsgerecht abgemessene Harnstoffmenge zugeführt wird. Zu diesem Zweck sind im einzelnen nicht näher dargestellte geeignete Hilfsmittel, wie beispielsweise eine Dosiereinrichtung oder eine Druckluftunterstützung vorgesehen. Nach Beendigung einer Harnstoffdosierung kann die Zufuhrleitung 2 über ein darin angeordnetes erstes Ventil 18 abgesperrt werden.
Nach Beendigung der Dosierung besteht jedoch die Gefahr eines unkontrollierten Nachtropfens oder einer Verstopfung der Düsenöffnungen 4 der Abgabevorrichtung 1, beispielsweise durch Auskristallisieren von Harnstoff. Um dies zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Abgabevorrichtung 1 nach Beendigung der Harnstoffzugabe freizublasen oder zu belüften. Hierzu ist die Zufuhrleitung 2 stromab des ersten Ventils mit einem Leitungsabschnitt 16 verbunden, welcher nach Beendigung der Dosierung mittels eines zweiten Ventils zur Entleerung der Abgabevorrichtung 1 geöffnet wird und ansonsten geschlossen ist.
In der in 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform mit einer Abgabevorrichtung 1 mit drehbarem Leitungsarm 3 ist der Leitungsabschnitt 16 an die Abgasleitung 10 angeschlossen. Wird die Dosierung von Harnstofflösung beendet, so wird im Leitungsarm vorhandene Harnstofflösung abgeschleudert und es ist infolge des geöffneten zweiten Ventils 17 ein Nachströmen von Abgas ermöglicht. Der Leitungsarm 3 wird daher entleert und auf diese Weise ein Nachtropfen oder ein Verstopfen vermieden. Anstelle eines Anschlusses der Verbindungsleitung 16 an die Abgasleitung 10 kann auch vorgesehen sein, die Verbindungsleitung einströmseitig frei in die Umgebung zu führen. Es kann gleichfalls vorgesehen sein, die Verbindungsleitung 16 einströmseitig an eine nicht dargestellte Pressluftversorgung anzuschließen und die Abgabevorrichtung 1 nach Beendigung einer Dosierung freizublasen. Diese Ausführungsvariante ist insbesondere bei einem starren Leitungsarm 3 bevorzugt, da in diesem Fall im Leitungsarm 3 vorhandene Harnstofflösung nicht abgeschleudert werden kann.

Claims

Abgabevorrichtung zur Abgabe eines insbesondere flüssigen Zugschlagmediums in eine Abgasleitung (10) einer Brennkraftmaschine (13) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Abgabevorrichtung (1) einen im Inneren der Abgasleitung (10) angeordneten Leitungsarm (3) für das Zuschlagmedium aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Leitungsarm (3) das Zuschlagmedium im Wesentlichen in einem spitzen Winkel zu einer Umfangslinie (9) der Abgasleitung (10) abgebbar ist.
Abgabevorrichtung, insbesondere nach Anspruch 1, zur Abgabe eines insbesondere flüssigen Zugschlagmediums in eine Abgasleitung (10) einer Brennkraftmaschine (13) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Abgabevorrichtung (1) einen im Inneren der Abgasleitung (10) angeordneten Leitungsarm (3) für das Zuschlagmedium aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsarm (3) von strömendem Abgas und/oder von aus dem Leitungsarm (3) abgegebenem Zuschlagmedium in eine Drehbewegung versetzbar ist.
Abgabevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsarm (3) endseitig in Umfangsrichtung der Abgasleitung (10) abgebogen ausgeführt ist.
Abgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsarm (3) ein Strömungsleitmittel (7; 8) zur Verwirbelung von strömendem Abgas aufweist.
Abgabevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitmittel (7; 8) derart ausgebildet ist, dass vom strömenden Abgas ein Drehmoment auf den Leitungsarm (3) ausgeübt wird.
Abgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der Drehbewegung des Leitungsarms (3) wenigstens annähernd parallel zur Abgasleitungslängsachse (11) orientiert ist.
Abgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Entleerung des Leitungsarms (3) nach einer Beendigung der Abgabe des Zuschlagmediums vorgesehen sind.
Abgabevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Entleerung des Leitungsarms (3) eine Verbindungsleitung (16) umfassen, über welche der Leitungsarm (3) mit der Abgasleitung (10) verbindbar ist.