DE102005008855A1

DE102005008855A1 - Zugabevorrichtung zur Zugabe von Reduktionsmittel in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005008855A1
Application number: DE102005008855A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Espey; Uwe Dr. Gärtner; Armin Kassel; Klaus-Jürgen Dipl.-Ing. Marquardt; Frank Noack; Stephan Dr. Schenkel
Original assignee: DaimlerChrysler AG; Purem Abgassysteme GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-02-26
Filing date: 2005-02-26
Publication date: 2006-08-31
Also published as: WO2006089704A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zugabevorrichtung (1) zur Zugabe von Reduktionsmittel in eine Abgasleitung (11) einer Brennkraftmaschine. DOLLAR A Die Zugabevorrichtung (1) umfasst eine Düsenleitung (2) zur Führung des Reduktionsmittels und einen die Düsenleitung (2) wenigstens abschnittsweise umgebenden Isolierschichtmantel (7; 10). DOLLAR A Erfindungsgemäß ist die Düsenleitung (2) im Wesentlichen innerhalb der Abgasleitung (2) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zugabevorrichtung zur Zugabe von Reduktionsmittel in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine mit einer Düsenleitung zur Führung des Reduktionsmittels.

Aus der EP 0 562 866 B1 ist es bekannt, ein Reduktionsmittel zur Stickoxidreduktion über eine Düse in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine einzubringen. Dabei ist die Düse als Doppelröhrenkonstruktion aus zwei konzentrischen Röhren ausgebildet. Das als wässrige Lösung eines Feststoffes vorliegende Reduktionsmittel wird der inneren Röhre zugeführt, während zur Kühlung der Düse Treibgas und/oder Wasser durch den Ringspalt zwischen innerer und äußerer Röhre geleitet wird. Dabei ist die Düse derart an einer Seite der Abgasleitung angebracht, dass die Spitze der äußeren Röhre bündig mit der inneren Oberfläche der Abgasleitung abschließt und die Spitze der inneren Röhre 1 mm bis 5 mm über die Spitze der äußeren Röhre hinausragt. Durch die Kühlung mit Treibgas und/oder Wasser wird einer Auskristallisation des Reduktionsmittels und damit einer Verstopfung der Düse vorgebeugt. Die Anordnung der Düse bedingt jedoch eine in Bezug auf die Abgasleitung randnahe Einbringung des Reduktionsmittels, was für dessen Verteilung in der Abgasleitung nachteilig ist. Als Verbesserung wird daher der Einsatz mehrerer, auf dem Umfang der Abgasleitung verteilter Düsen vorgeschlagen, was jedoch einen entsprechenden apparativen Mehraufwand zur Folge hat.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Zugabevorrichtung zur Zugabe eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung anzugeben, bei welcher einerseits eine Verstopfung vermieden wird und die andererseits auf einfache Weise eine gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels in der Abgasleitung gewährleistet.

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

Gemäß Anspruch 1 umfasst die Zugabevorrichtung eine Düsenleitung zur Führung des Reduktionsmittels, wobei die Düsenleitung wenigstens abschnittsweise einen Isolierschichtmantel aufweist, wobei die Düsenleitung im wesentlichen innerhalb der Abgasleitung angeordnet ist. Die Düsenleitung ragt somit ins Innere der Abgasleitung hinein, was eine gleichmäßige Verteilung des endseitig von der Düsenleitung abgegebenen Reduktionsmittels in der Abgasleitung gewährleistet. Der Gefahr einer Verstopfung der Düsenleitung infolge der Anordnung innerhalb der Abgasleitung und der damit erhöhten Wärmebelastung wird durch den Isolierschichtmantel vermieden.

Unter einem Reduktionsmittel ist hier insbesondere ein für die Stickoxidreduktion geeignetes Medium zu verstehen, welches vorzugsweise als organische Flüssigkeit oder als wässrige Harnstofflösung aus der Zugabeleitung abgegeben und dem Abgas zugegeben werden kann. Zur Stickoxidreduktion ist stromab der Abgabestelle ein entsprechender Abgaskatalysator vorgesehen.

Die Zugabe des Reduktionsmittels in das Abgas erfolgt vorzugsweise aus einem düsenartig ausgebildeten Ende der Zugabeleitung.

Durch den Isolierschichtmantel kann die Düsenleitung auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau gehalten werden. Hierzu kann der Isolierschichtmantel prinzipiell beliebig gestaltet werden, so dass eine aktive Kühlfunktion und/oder eine passive Wärmeisolierungsfunktion erhalten wird. Der Isolierschichtmantel kann axiale Abschnitte und/oder Abschnitte der Düsenleitung in Umfangsrichtung umgeben. Vorzugsweise ist der Isolierschichtmantel jedoch ringsum geschlossen ausgeführt, so dass er die Düsenleitung ringsum umgibt. Bevorzugt weist die Düsenleitung den Isolierschichtmantel längs des überwiegenden Teils ihrer innerhalb der Abgasleitung verlaufenden Erstreckung auf. Auf diese Weise ist ein wirksamer Wärmeschutz für das dem heißen Abgas ausgesetzte Teil der Zugabevorrichtung gegeben. Im Falle eines als Harnstofflösung ausgeführten Reduktionsmittels kann somit ein Auskristallisieren des Harnstoffs vermieden werden. Bei einem organischen Reduktionsmittel wie beispielsweise einem Kohlenwasserstoff können infolge der Kühlfunktion bzw. der Wärmeisolierungsfunktion des Isolierschichtmantels Verkokungen vermieden werden.

In Ausgestaltung der Erfindung ist als Isolierschichtmantel eine koaxial zur Düsenleitung geführte Fluidströmung vorgesehen. Durch die Fluidströmung erfolgt eine aktive Kühlung der Düsenleitung, so dass deren Temperatur unterhalb der für Verstopfungen oder Ablagerungen kritischen Temperatur gehalten wird. Als Fluid sind sowohl Gase wie beispielsweise Luft als auch Flüssigkeiten wie Wasser oder Schmieröl geeignet. Das eingesetzte Fluid kann in einem Kreislauf geführt werden oder in das Abgas abgegeben werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist als Isolierschichtmantel ein wärmeisolierender Feststoff vorgesehen. Der Isolierschichtmantel kann beispielsweise in Form einer Umwicklung der Düsenleitung mit einem faserartigen Isoliermaterial, einer Dämmmatte oder als aufgespritzte Isolierschicht vorgesehen sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind ein erster innerer und ein zweiter äußerer Isolierschichtmantel vorgesehen, wobei der erste innere Isolierschichtmantel als eine koaxial zur Düsenleitung geführte Fluidströmung ausgebildet ist und der zweite äußere Isolierschichtmantel als wärmeisolierender Feststoff ausgebildet ist, der den ersten inneren Isoliermantel umgibt. Durch den ersten inneren Isolierschichtmantel erfolgt eine aktive Kühlung der Düsenleitung mittels der die Düsenleitung wenigstens abschnittsweise umströmenden Fluidströmung. Durch den zweiten äußeren Isoliermantel ist eine zusätzliche Wärmeisolierung gegeben. Auf diese Weise wird eine besonders wirksame Temperaturschutzfunktion der Zugabevorrichtung bzw. der Düsenleitung erzielt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist als Isolierschichtmantel ein wässriges Fluid oder Luft vorgesehen. Vorzugsweise wird die Fluidströmung mittels einer Fördereinrichtung bewirkt, wobei das Fluid im Kreislauf geführt oder nach seinem Kontakt mit der Düsenleitung ins Abgas abgegeben werden kann. Für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug kommen insbesondere Wasser oder Druckluft als Fluid in Frage.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung strömt die als Isolierschichtmantel vorgesehene Fluidströmung im Endbereich der Düsenleitung in die Abgasleitung aus. Vorzugsweise wird die Fluidströmung unter Druck aufrecht erhalten, so dass das Fluid mit vergleichsweise großer Strömungsgeschwindigkeit ausströmt und damit das aus der Düsenleitung austretende Reduktionsmittel mitreisst und dadurch dessen Verteilung im Abgas verbessert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung mündet die Düsenleitung der Zugabevorrichtung im radial mittleren Bereich der Abgasleitung aus. Auf diese Weise erfolgt eine in Bezug auf den Abgasleitungsquerschnitt zentrale Zugabe des Reduktionsmittels zum Abgas, so dass eine gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels im Abgas gewährleistet ist.

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 Längsschnittdarstellung einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zugabevorrichtung,
2 eine schematische Längsschnittdarstellung einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zugabevorrichtung und
3 eine schematische Längsschnittdarstellung einer dritten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zugabevorrichtung.
In 1 ist eine erste vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zugabevorrichtung 1 in einem in einer Abgasleitung 11 eingebauten Zustand dargestellt, wobei von der Abgasleitung 11 lediglich schematisch ein Wandungsabschnitt gezeigt ist. Die Abgasleitung 11 nimmt Abgas einer vorzugsweise als Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs ausgeführten Brennkraftmaschine auf und leitet es einem in der Abgasleitung stromab der Zugabevorrrichtung 1 angeordneten Stickoxidreduktionskatalysator zu. Die Brennkraftmaschine und der Stickoxidreduktionskatalysator sind in den Figuren nicht gesondert dargestellt.
Die Zugabevorrichtung 1 dient der Zugabe eines für die katalytische Stickoxidreduktion geeigneten Reduktionsmittels zum Abgas der Brennkraftmaschine. Die erfindungsgemäße Zugabevorrichtung 1 umfasst eine ins Innere der Abgasleitung 11 geführte Düsenleitung 2, an welcher endseitig eine Düsenkappe 3 mit vorzugsweise mehreren Düsenöffnungen für den Austritt des Reduktionsmittels befestigt ist. Bevorzugt erfolgt die Befestigung der Düsenkappe 3 mittels einer Schraubverbindung, so dass die Düsenkappe 3 auf einfache Weise ausgewechselt werden kann. Vorzugsweise erstreckt sich die Düsenleitung 2 bis in einen radial mittleren Bereich der Abgasleitung 11 und ist in ihrem Endbereich 9 in Richtung der Abgasströmung abgebogen ausgeführt. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Verteilung des dem Abgas zugeführten Reduktionsmittels gewährleistet.
Einlassseitig ist die Düsenleitung 2 mit einem von der Abgasleitung 11 abragenden Anschlussteil 4 verbunden, an welches eine nicht dargestellte Reduktionsmittelzufuhrleitung angeschlossen werden kann. Vorzugsweise wird als Reduktionsmittel für die katalytische Stickoxidreduktion am Stickoxidreduktionskatalysator eine hochkonzentrierte wässrige Harnstofflösung eingesetzt, welche von einer nicht dargestellten Dosiereinrichtung bedarfsgerecht abgegeben und der Düsenleitung 2 zugeführt wird. Die Dosiereinrichtung kann für eine Abgabe des Reduktionsmittels in einphasiger, flüssiger Form oder zur Abgabe des Reduktionsmittels als fein verteiltes Aerosol ausgelegt sein, wobei im letztgenannten Fall zweckmäßigerweise eine Zerstäubung mittels Druckluft vorgesehen ist.
Zur Befestigung der Zugabevorrichtung 1 an der Abgasleitung 11 ist ein Flansch 5 vorgesehen, welcher wie dargestellt vorzugsweise mit dem Anschlussteil 4 fest verbunden ist. Erfindungsgemäß ist die Düsenleitung 2 über einen wesentlichen Teil ihrer Erstreckung in der Abgasleitung 11 mit einem wärmeisolierenden Isolierschichtmantel 10 versehen, so dass die Düsenleitung vor einer übermäßigen Erwärmung durch heiße Abgase geschützt ist. Auf diese Weise wird ein Auskristallisieren von Harnstoff und somit eine Verstopfung der Düsenleitung 2 und der Düsenkappe 3 vermieden. Der Isolierschichtmantel 10 kann als Umwicklung oder Umhüllung der Düsenleitung 2 mit einem beliebigen, ausreichend beständigen wärmeisolierenden Material ausgebildet sein. Vorteilhaft ist eine Ausführung als auf die Düsenleitung 2 aufgespritzte Isolierschicht.
Eine zweite vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zugabevorrichtung 1 ist in 2 dargestellt, wobei Bauteile, soweit sie denen der 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Isolier schichtmantel der Zugabevorrichtung 1 hier als Fluidkanal 7 für eine Fluidströmung ausgebildet, welcher die Düsenleitung 2 ringförmig umgibt. Das Fluid ist der Zugabevorrichtung 1 über einen außerhalb der Abgasleitung 11 am Anschlussteil 4 angeordneten und seitlich abragenden Zufuhrstutzen 6 zuführbar. Zur Führung der Fluidströmung ist eine äußere Rohrleitung 8 vorgesehen, welche die Düsenleitung 2 mit einem Abstand umgibt und koaxial zu dieser angeordnet ist, so dass sich der genannte Fluidkanal 7 gebildet ist. Der Fluidkanal 7 bildet auf diese Weise einen die Düsenleitung 2 umgebenden Isolierschichtmantel, wobei zusätzlich zur wärmeisolierenden Abschirmwirkung ein Kühlwirkung durch die Fluidströmung gegeben ist.
Die Fluidströmung kann in einem Kreislauf geführt werden, wobei in diesem Fall neben dem Zufuhrstutzen 6 ein weiterer nicht dargestellter Anschluss zur Abfuhr des Fluids aus dem Fluidkanal 7 vorgesehen ist. Auf diese Weise kann die Zugabevorrichtung 1 an einen Betriebsstoffvorrat der entsprechenden Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einen Brauch- oder Kühlwasserbehälter oder einen Schmierölbehälter angeschlossen werden. Für eine besonders wirksame aktive Kühlung der Düsenleitung 2 kann dabei zusätzlich vorgesehen sein, das entsprechende Fluid vor oder nach Durchströmung des Fluidkanals 7 mittels einer nicht dargestellten Kühleinrichtung zu kühlen.
Vorzugsweise ist jedoch der Fluidkanal 7 wie in 2 dargestellt an seinem auslassseitigen Ende im Bereich der Düsenkappe 3 offen ausgeführt, so dass das über den Zufuhrstutzen 6 zugeführte Fluid frei ausströmen kann. Vorzugsweise endet die äußere Rohrleitung 8 annähernd bündig mit der Düsenkappe 3 oder weist einen geringen Überstand auf. Auf diese Weise kann eine wirksame Verwirbelung des aus der Düsenkappe 3 austretenden Reduktionsmittels mit dem austretenden Fluid erfolgen, wodurch die Verteilung des Reduktionsmittels in der Abgasleitung 11 weiter verbessert ist. Die Fluidströmung erfüllt in diesem Fall eine Doppelfunktion, indem einerseits eine aktive Kühlung der Düsenleitung 2 und andererseits eine weitere Zerstäubung und Verteilung des Reduktionsmittels erreicht wird. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das Fluid unter Druck der Zugabevorrichtung 1 zugeführt wird, so dass es mit hoher Strömungsgeschwindigkeit austritt. Obschon mit einem wässrigen Fluid eine wirksamere Kühlung der Düsenleitung 2 erreicht werden kann, ist es aus Gründen der Verfügbarkeit bevorzugt, als Fluid Druckluft einzusetzen.
Ein weiter verbesserter Temperaturschutz und damit eine weiter verringerte Verstopfungsneigung der Zugabevorrichtung 1 ist durch eine Kombination einer aktiven Kühlung mit einer passiv wirkenden Wärmeisolierung erzielbar. Hierfür ist es bevorzugt, die in den 1 und 2 dargestellten Maßnahmen zu kombinieren. Eine darauf basierende bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zugabevorrichtung 1 ist in 3 dargestellt, wobei Bauteile, soweit sie denen der 1 bzw. 2 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Gemäß der in 3 gezeigten schematischen Längsschnittsdarstellung weist die Zugabevorrichtung 1 einen ersten inneren Isolierschichtmantel in Form eines Fluidkanals 7 und einen zweiten äußeren Isolierschichtmantel 10 in Form eine wärmeisolierenden Feststoffumhüllung auf. Dabei sind der Fluidkanal 7 und der äußere Isolierschichtmantel 10 koaxial in Bezug auf die Düsenleitung 2 ausgeführt. Wie der 3 zu entnehmen ist, steht das über den Zufuhrstutzen 6 zuführbare Fluid in Wärmeübergangskontakt mit der Düsenleitung 2, während der äußere Isolierschichtmantel 10 auf der äußeren Rohrleitung 8 angebracht ist. Dabei erstrecken sich der Fluidkanal 7 und der äußere Isolierschichtmantel vorzugsweise über einen wesentlichen Teil des dem Abgasstrom ausgesetzten Bereichs der Zugabevorrichtung 1. Auf diese Weise ist ein wirksamer Temperaturschutz für die dem Abgasstrom ausgesetzten reduktionsmittelführenden Bauteile gegeben. Da die Düsenkappe 3 in Wärmeleitungsverbindung mit der Düsenleitung 2 steht und vom ausströmenden Fluid mit gekühlt wird, können temperaturbedingte Ablagerungen in den reduktionsmittelführenden Bauteile wirksam vermieden werden. Entsprechend kann eine hohe Betriebzuverlässigkeit der Zugabevorrichtung 1 erzielt werden.

Claims

Zugabevorrichtung (1) zur Zugabe von Reduktionsmittel in eine Abgasleitung (11) einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Düsenleitung (2) zur Führung des Reduktionsmittels und einen die Düsenleitung (2) wenigstens abschnittsweise umgebenden Isolierschichtmantel (7; 10), wobei die Düsenleitung (2) im Wesentlichen innerhalb der Abgasleitung (2) angeordnet ist.
Zugabevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolierschichtmantel (7) eine koaxial zur Düsenleitung (2) geführte Fluidströmung vorgesehen ist.
Zugabevorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolierschichtmantel (10) ein wärmeisolierender Feststoff vorgesehen ist.
Zugabevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster innerer Isolierschichtmantel (7) und ein zweiter äußerer Isolierschichtmantel (10) vorgesehen sind, wobei der erste innere Isolierschichtmantel (7) als eine koaxial zur Düsenleitung (2) geführte Fluidströmung ausgebildet ist und der zweite äußere Isolierschichtmantel (10) als wärmeisolierender Feststoff ausgebildet ist, der den ersten inneren Isolierschichtmantel (7) umgibt.
Zugabevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als Isolierschichtmantel (7) vorgesehene Fluidströmung durch ein wässriges Fluid oder durch Luft gebildet ist.
Zugabevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die als Isolierschichtmantel (7) vorgesehene Fluidströmung im Endbereich der Düsenleitung (2) in die Abgasleitung (11) ausströmt.
Zugabevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenleitung (2) im radial mittleren Bereich der Abgasleitung (11) ausmündet.