DE102005006426A1

DE102005006426A1 - Vorrichtung zur Abgabe eines Zuschlagstoffes in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005006426A1
Application number: DE102005006426A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Espey; Uwe Dr. Gärtner; Peter Dr.-Ing. Kozuch; Stephan Dr. Schenkel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-02-12
Filing date: 2005-02-12
Publication date: 2006-08-24
Also published as: WO2006084570A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgabe eines Zuschlagstoffes, insbesondere eines Reduktionsmittels, umfassend mehrere ringförmig angeordnete Abgabestellen (11) in einer Abgasleitung (3) einer Brennkraftmaschine (1). DOLLAR A Erfindungsgemäß sind die Abgabestellen (11) auf einem Abgasleitungsabschnitt (4) entlang einer Umfangslinie angeordnet und mit dem Abgasleitungsabschnitt (4) ist ein Profil (7) derart verbunden, dass ein vom Profil (7) und der Außenwand des Abgasleitungsabschnitts (4) begrenzter und die Abgabestellen überdeckender Ringkanal (10) ausgebildet ist. Aus dem Ringkanal (10) kann über einen Zulauf (8) zugeführter Zuschlagstoff aus den Abgabestellen ins Innere des Abgasleitungsabschnitts (4) abgegeben werden. DOLLAR A Anwendung insbesondere in Nutzfahrzeugen mit einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgabe eines Zuschlagstoffes, insbesondere eines Reduktionsmittels, in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, zur Zugabe beispielsweise von wässriger Harnstofflösung in eine Abgasleitung in die Abgasleitung eine Düse einzubringen, aus welcher die Harnstofflösung versprüht werden kann. Es ist jedoch schwierig, auf diese Weise eine gleichmäßige Verteilung der Harnstofflösung über den gesamten Abgasleitungsquerschnitt erzielen. Zur Behebung dieser Schwierigkeit wird in der DE 197 38 859 A1 vorgeschlagen, einen ringförmigen Sprühkörper in die Abgasleitung derart einzufügen, dass sich beiderseits die Abgasleitung anschließt. Dabei ist im Inneren des Sprühkörpers ein ringförmiger Verteilerkanal mit einer Innenwand vorgesehen, an der das Abgas vorbei strömt. An der Innenwand münden mehrere mit dem Verteilerkanal in Verbindung stehende Sprühkanäle, aus denen die Harnstofflösung radial nach innen abgesprüht wird. Somit wird aus mehreren ringförmig verteilten Sprühöffnungen abgesprüht, wodurch sich eine gleichmäßige Verteilung der abgesprühten Flüssigkeit in der vom Verteilerring umschlossenen Fläche ergibt. Die in der DE 197 38 859 A1 vorgeschlagene Vorrichtung ist jedoch kompliziert aufgebaut und dementsprechend aufwändig in der Fertigung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur gleichmäßig verteilten Abgabe eines Zuschlagstoffes in eine Abgasleitung anzugeben, welche einfacher aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß sind die Abgabestellen für den Zuschlagstoff auf einem Abgasleitungsabschnitt entlang einer Umfangslinie angeordnet, und mit dem Abgasleitungsabschnitt ist ein Profil derart verbunden, dass ein vom Profil und der Außenwand des Abgasleitungsabschnitts begrenzter Ringkanal ausgebildet ist und dem Ringkanal über einen Zulauf zugeführter Zuschlagstoff aus den Abgabestellen ins Innere des Abgasleitungsabschnitts abgegeben werden kann.

Infolge dieser Ausführung kann der Abgasleitungsabschnitt einstückig ausgeführt sein. Das zusammen mit der Außenwand den Ringkanal begrenzende Profil ist außen am Abgasleitungsabschnitt angeordnet und überdeckt die ringförmig angeordneten Abgabestellen. Diese können als in den Abgasleitungsabschnitt eingebrachte Düsenkörper ausgebildet sein, welche in den Abgasleitungsabschnitt hineinragen oder abgabeseitig bündig mit der Innenwand des Abgasleitungsabschnitts abschließen. Vorzugsweise sind die Düsenkörper in entsprechende Öffnungen im Abgasleitungsabschnitt eingepresst oder eingelötet. Das Profil ist vorzugsweise etwa U-förmig ausgebildet und am offenen Ende an den Schenkeln mit der Außenwand der Abgasleitung verschweißt oder verlötet. Zur Fertigung der Vorrichtung braucht daher lediglich das Profil um die Abgabestellen herum gelegt und mit dem Abgas leitungsabschnitt dicht verbunden zu werden. Es kann daher auf einfache Weise eine Abgabevorrichtung hergestellt werden, welche es erlaubt, einen Zuschlagstoff gleichmäßig verteilt in eine Abgasleitung abzugeben.

Unter einem Zuschlagstoff ist hier ein im Abgas verteilbarer Stoff zu verstehen, welcher hauptsächlich der Abgasreinigung dient. Obschon der Zuschlagstoff auch als Feststoff, insbesondere als Pulver vorliegen kann, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise zur Abgabe eines flüssigen Mediums, beispielsweise eines organischen Reduktionsmittels vorgesehen. Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgabe einer wässrigen Harnstofflösung oder einer anderen Lösung eines zur selektiven Reduktion von Stickoxiden geeigneten Reduktionsmittels eingesetzt. Hierfür ist stromab der Vorrichtung bzw. des Abgasleitungsabschnitts ein entsprechender Abgaskatalysator vorgesehen. Die wässrige Harnstofflösung kann vor der Zuführung zum Ringkanal auch in vernebelter Form vorliegen, d.h. aerosolartig aufbereitet sein. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Harnstofflösung bzw. das Reduktionsmittel unter einem erhöhten Druck dem Ringkanal zuzuführen und daher unter Druck durch die Abgabestellen abzusprühen.

Weist die Vorrichtung mehrere Abgabestellen auf, so kann eine besonders gleichmäßige Verteilung des Zuschlagstoffes über dem Abgasleitungsquerschnitt erreicht werden. Es sind daher vorzugsweise wenigstens vier Abgabestellen vorgesehen.

In Ausgestaltung der Erfindung sind die Abgabestellen als eine Wand des Abgasleitungsabschnitts durchsetzende Öffnungen ausgebildet. Daraus resultiert eine besonders einfache Fertigung, da die Öffnungen auf einfache Weise beispielsweise als Bohrungen ringsum angebracht werden können. Die Öffnungen können schlitzförmig ausgebildet sein oder eine beliebige andere Form aufweisen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die die Wand des Abgasleitungsabschnitts durchsetzenden Öffnungen wenigstens annähernd kreisrund ausgebildet. Vorzugsweise weisen sie einen kleinen Durchmesser auf, der im Millimeterbereich oder darunter liegt. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 0,3 mm bis 3,0 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,5 mm. Insbesondere eine unter Druck stehende Reduktionsmittelflüssigkeit kann so fein verteilt abgegeben bzw. versprüht werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Abgasleitungsabschnitt einen Flansch zum Anschluss an die Abgasleitung auf. Vorzugsweise ist an beiden Enden des Abgasleitungsabschnitts ein Flansch vorgesehen. Der Abgasleitungsabschnitt kann daher für unterschiedliche Abgassysteme in unterschiedlichen Ausführungen vorgefertigt werden, wodurch eine hohe Flexibilität erreicht wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ringkanal über 360° umlaufend ausgebildet und in einer noch weiteren Ausgestaltung sind die Abgabestellen mit gleichmäßigem Abstand zueinander entlang der Umfangslinie angeordnet. Auf diese Weise kann eine besonders gleichmäßige Verteilung des abgegebenen Zuschlagstoffs in der Abgasleitung erreicht werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dem Abgasleitungsabschnitt eine verschiebliche Innenhülse zugeordnet, mit der die Abgabestellen abgabeseitig abgedeckt werden können. Durch Abdecken der Abgabestellen mittels Verschieben der Innenhülse nach Beendigung einer Abgabe von Zuschlagstoff kann ein Nachtropfen von Reduktionsmittelflüssigkeit vermieden werden. Hierfür liegt die Innenhülse vorzugsweise eng an der Innenwand des Abgasleitungsabschnitts an. Durch die erfindungsgemäße Ausführung kann weiterhin die Ablagerung von Rückständen an bzw. in den Öffnungen verhindert werden, wodurch eine hohe Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Reduktionsmitteldosierung erreicht wird.

Die Verschieblichkeit der Innenhülse kann in axialer Richtung in Bezug auf den Abgasleitungsabschnitt gegeben sein und/oder durch eine drehbare Ausführung realisiert sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein das Profil wenigstens abschnittsweise umschließender Kühlkanal vorgesehen, dem ein Kühlfluid zuführbar ist. Auf diese Weise ist eine Wärmeabfuhr vom im Ringkanal vorhandenen Zuschlagstoff durch das Kühlfuid ermöglicht und es kann eine zu starke Erwärmung durch Kontakt des Zuschlagstoffs mit der heißen Wand des Abgasleitungsabschnitts vermieden werden. Insbesondere bei Verwendung von Harnstoff-Wasserlösung als Zuschlagstoff wird dadurch einer thermischen Zersetzung oder einer Auskristallisierung vorgebeugt, welche eine zuverlässige Dosierung beeinträchtigen können.

In weiterer Ausgestaltung ist das Kühlfluid ein Betriebsmittel der Brennkraftmaschine. Vorzugsweise dient ein Kühlmittel oder ein Schmierstoff der Brennkraftmaschine oder Luft als Kühlfluid. Hierfür kann in vorteilhafter Weise eine entsprechende Betriebsstoffversorgung der Brennkraftmaschine genutzt werden.

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 Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem, in welchem die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgabe eines Zuschlagstoffes installiert ist,
2 eine erste vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgabe eines Zuschlagstoffes,
3 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgabe eines Zuschlagstoffes und
4 eine dritte vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgabe eines Zuschlagstoffes.
Die in 1 dargestellte Anordnung umfasst eine vorzugsweise als Dieselmotor ausgeführte Brennkraftmaschine 1, welche ihre Verbrennungsluft über eine Luftleitung 2 erhält und Verbrennungsabgase über eine Abgasleitung 3 an die Umgebung abgibt. Zur Abgasreinigung ist in der Abgasleitung 3 ein Abgaskatalysator 9 angeordnet. Stromauf des Abgaskatalysators 9 ist eine Vorrichtung 6 zur Abgabe eines Zuschlagstoffes, nachfolgend kurz als Abgabevorrichtung 6 bezeichnet, in die Abgasleitung 3 eingefügt. Die Abgabevorrichtung 6 kann zur Abgabe eines beliebigen, vorzugsweise jedoch fluiden Zuschlagstoffes, wie Kraftstoff oder Luft ausgebildet sein. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird nachfolgend jedoch davon ausgegangen, dass es sich bei der Abgabevorrichtung 6 um eine Vorrichtung zur Abgabe von Harnstoff handelt. Dementsprechend ist der Abgaskatalysator 9 als so genannter SCR-Katalysator zur Reduktion von Stickoxiden mittels des von der Abgabevorrichtung 6 abgegebenen Harnstoffs ausgebildet. Hierfür ist die Abgabevorrichtung 6 über eine Zugabeleitung 8 an eine nicht dargestellte Dosiereinrichtung angeschlossen, welche die bedarfsgerechte Abmessung des Harnstoffs vornimmt. Die Dosiereinrichtung kann für eine Abgabe des Harnstoffs in einphasiger, flüssiger Form oder als fein verteiltes Aerosol ausgelegt sein, wobei im letztgenannten Fall zweckmäßigerweise eine nicht dargestellte Druckluftunterstützung vorgesehen ist. Die Abgabevorrichtung 6 umfasst einen Abgasleitungsabschnitt 4, welcher mittels endseitigen Flanschen 5 und 5^` in die Abgasleitung 3 eingefügt ist. In den Abgasleitungsabschnitt 4 abgegebener Harnstoff wird von der Abgasströmung zum Katalysator 9 transportiert, wo eine Umsetzung des Harnstoffs bzw. von auf dem Transportweg daraus freigesetzten Ammoniaks mit im Abgas enthaltenen Stickoxiden erfolgt.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Abgabevorrichtung 6 werden nachfolgend unter Bezug auf die 2 bis 4 näher erläutert, wobei gleiche oder sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
In 2 ist eine erste vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgabevorrichtung 6 im Längsschnitt und im Querschnitt, entsprechend der Schnittlinie A-A dargestellt. Wie ersichtlich, weist der Abgasleitungsabschnitt 4 auf einer Umfangslinie gleichmäßig verteilt vier als Öffnungen mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildete Abgabestellen 11 auf, durch welche Harnstofflösung in den Abgasleitungsabschnitt 4 eingedüst werden kann. Die Öffnungen 11 sind dabei in radialer Richtung in Bezug auf den Abgasleitungsabschnitt 4 sich düsenförmig verengend bzw. konisch ausgeführt, wodurch ein besonders günstiges Absprühverhalten erreicht wird. In nicht näher dargestellter Weise können als Abgabestellen 11 auch spezielle Sprühkörper oder Sprühdüsen in Öffnungen des Abgasleitungsabschnitts 4 eingebracht sein. Die Eindüsung erfolgt somit vorzugsweise in radialer Richtung in Bezug auf durch den Abgasleitungsabschnitt 4 geführtes Abgas, was zu einer Verwirbelung der eingedüsten Harnstofflösung führt und deren Vermischung und Verdampfung unterstützt. Die Verteilung der über die Zuleitung 8 zugeführten Harnstofflösung auf die Öffnungen 11 erfolgt über einen umlaufenden Ringkanal 10, der von der Außenwand des Abgasleitungsabschnitts 4 und dem Profil 7 begrenzt ist.
Die in 3 dargestellte Abgabevorrichtung 6 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten durch eine Innenhülse 12, welche, wie durch den Doppelpfeil 12 angedeutet, axial verschieblich ist und eng an der Innenwand des Abgasleitungsabschnitts 4 anliegt. Es ist vorgesehen, dass bei abgestellter bzw. beendeter Dosierung die Innenhülse 12 in eine Stellung verschoben wird, in welcher die Öffnungen 11 abgedeckt sind. Auf diese Weise kann ein unerwünschtes Eindringen bzw. Nachtropfen von Harnstofflösung aus dem Verteilerkanal 10 über die Öffnungen 11 in den Abgasleitungsabschnitt 4 und das nachgeschaltete Abgassystem vermieden werden. Außerdem wird ein Auskristallisieren von Harnstoff in den Öffnungen 11 und damit ein Verstopfen der Öffnungen 11 vermieden. Dies ist besonders vorteilhaft, da auf diese Weise ein reproduzierbares und zuverlässiges Absprüh- und Dosierverhalten der Abgabevorrichtung 6 erreicht wird. Weiterhin ist vorteilhaft, dass durch Verschieben der Innenhülse 12 eventuell vorhandene Ablagerungen an der Innenwand des Abgasleitungsabschnitts 4 mechanisch entfernt werden können. Soll Harnstofflösung dosiert werden, so wird die Innenhülse 12 wieder zurück geschoben, so dass die Öffnungen 11 freigegeben werden.
Anstelle der axial verschieblichen Innenhülse 12 können auch andere Mittel zum Verschließen der Öffnungen 11 vorgesehen sein. Vorteilhaft ist beispielsweise eine verdrehbare Innenhülse. Vorzugsweise weist diese sich in Umfangsrichtung erstreckende Langlöcher auf, welche bei einer Dosierung über den Öffnungen 11 angeordnet sind, so dass Harnstofflösung ungehindert abgesprüht werden kann. Sollen die Öffnungen 11 abgedeckt werden, so wird die Innenhülse verdreht, so dass die Öffnungen abgedeckt werden.
In 4 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgabevorrichtung 6 dargestellt, welche sich durch einen Kühlkanal 14 von der in 2 dargestellten Abgabevorrichtung unterscheidet. Der Kühlkanal 14 umschließt das Profil 7 wenigstens abschnittsweise, vorzugsweise jedoch wie dargestellt vollständig längs seiner Erstreckung, so dass eine konzentrische Anordnung resultiert. Der Kühlkanal 14 wird vorzugsweise wie dargestellt durch ein ebenfalls etwa U-förmiges Profil 15 begrenzt, in welches eine Zulaufleitung 16 und eine Ablaufleitung 17 für ein Kühlfluid eingebracht sind. Diese sind vorzugsweise an diametral entgegengesetzten Stellen angebracht, so dass das Kühlfluid ringsum zirkulieren kann. Als Kühlfluid wird vorzugsweise Kühlwasser oder Schmieröl der Brennkraftmaschine 1 eingesetzt. Es kann aber auch Kühlluft oder Pressluft verwendet werden. Durch die Kühlung der Harnstofflösung über den Kühlkanal 14 wird deren übermäßige Erhitzung infolge einer Wärmeübertragung durch Kontakt mit dem sich gegebenenfalls stark erhitzenden Abgasleitungsabschnitt 4 vermieden. Somit können auf einfache Weise temperaturbedingte Veränderungen wie Ausflockungen oder Blasenbildung vermieden werden, welche die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Harnstoffdosierung beeinträchtigen könnten.

Claims

Vorrichtung zur Abgabe eines Zuschlagstoffes, insbesondere eines Reduktionsmittels, umfassend mehrere ringförmig angeordnete Abgabestellen (11) in einer Abgasleitung (3) einer Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabestellen (11) auf einem Abgasleitungsabschnitt (4) entlang einer Umfangslinie angeordnet sind und mit dem Abgasleitungsabschnitt (4) ein Profil (7) derart verbunden ist, dass ein vom Profil (7) und der Außenwand des Abgasleitungsabschnitts (4) begrenzter und die Abgabestellen überdeckender Ringkanal (10) ausgebildet ist, und dem Ringkanal (10) über einen Zulauf (8) zugeführter Zuschlagstoff aus den Abgabestellen ins Innere des Abgasleitungsabschnitts (4) abgegeben werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabestellen (11) als eine Wand des Abgasleitungsabschnitts (4) durchsetzende Öffnungen ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Wand des Abgasleitungsabschnitts (4) durchsetzenden Öffnungen (11) wenigstens annähernd kreisrund ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasleitungsabschnitt (4) einen Flansch (5; 5') zum Anschluss an die Abgasleitung (3) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (10) über 360° umlaufend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, die Abgabestellen (11) mit gleichmäßigem Abstand zueinander entlang der Umfangslinie angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abgasleitungsabschnitt (4) eine verschiebliche Innenhülse (12) zugeordnet ist, mit der die Abgabestellen (11) abgabeseitig abgedeckt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhülse (12) axial verschieblich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhülse (12) drehbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Profil (7) wenigstens abschnittsweise umschließender Kühlkanal (14) vorgesehen ist, dem ein Kühlfluid zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid ein Betriebsmittel der Brennkraftmaschine (1) ist.