DE102005016645B4

DE102005016645B4 - Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen

Info

Publication number: DE102005016645B4
Application number: DE102005016645.8A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Kästner Thomas
Original assignee: Eberspaecher Exhaust Technology GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Exhaust Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2025-04-13
Also published as: DE102005016645A1

Abstract

Eine Vorrichtung (3) zur Nachbehandlung von Abgasen bei Brennkraftmaschinen weist ein Gehäuse (6) auf, welches eine Eintrittsöffnung (7) für die Abgase, wenigstens ein Abgasreinigungselement (9), eine sich an das wenigstens ein Abgasreinigungselement (9) anschließende Zwischenkammer (10) und eine mittels einer Zwischenwand (12) von der Zwischenkammer (10) getrennte Austrittskammer (11) aufweist, aus der die gereinigten Abgase in die Umgebung ausströmen. Die Zwischenwand (12) weist wenigstens eine Öffnung (13a) zum Übertritt der gereinigten Abgase von der Zwischenkammer (10) in die Austrittskammer (11) auf. An die wenigstens eine Öffnung (13a) in der Zwischenwand (12) schließt sich ein Strömungsleitelement (18) an, welches gemeinsam mit einem Teil einer Außenwand (16) des Gehäuses (6) einen Strömungskanal (19) bildet. In dem Strömungskanal (19) ist ein Sensor (17) angeordnet, der in der Lage ist, den Anteil von zumindest einem Abgasbestandteil innerhalb der Abgase zu messen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen bei Brennkraftmaschinen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus der Offenlegungsschrift EP 0 992 659 A2 ist ein Abgasleitelement mit mindestens zwei Zuleitungen zum Verbinden mit einem Verbrennungsmotor und einer Wandung bekannt. Die Wandung weist zwei Wandelemente mit je zwei metallischen Schalen und einer zwischen diesen vorhandenen Schicht aus wärmedämmendem Material auf. Die zwei Wandelemente haben miteinander verbundene Randabschnitte und umschließen zusammen im Querschnitt Innenräume aller Zuleitungen.
Die Offenlegungsschrift DE 196 26 980 A1 offenbart einen Schalldämpfer für das Abgas von Dieselmotoren bei Kraftfahrzeugen, der zwei im wesentlichen zueinander parallel angeordnete und über einen Mantel miteinander verbundene Böden und zumindest ein Abgaseintrittsrohr sowie Abgasaustrittsrohr und wenigstens einem Katalysator aufweist. Der Schalldämpfer weist weiter zumindest eine erste Zwischenwand unter Bildung von Kammern auf. Der Katalysator ist an zumindest der ersten Zwischenwand festgelegt.
Das nachveröffentlichte Dokument mit älterem Zeitrang DE 10 2005 021 194 A1 offenbart eine Abgasreinigungseinrichtung für Verbrennungsmotoren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Die Abgasreinigungseinrichtung weist zumindest eine Einlassöffnung und wenigstens eine Auslassöffnung auf, wobei die Einlassöffnung und die Auslassöffnung über ein Abgasleitsystem miteinander in Wirkverbindung stehen und das Abgasleitsystem aus einer Vielzahl von Filtern und wenigstens einer die Filter miteinander verbindender Einströmkammer besteht. Die Filter werden über Zwischenwände in einem die Einlassöffnung und die Auslassöffnung aufnehmenden Gehäuse abgestützt. Die Einströmkammer und zumindest eine Zwischenwand eines Filters bilden zwischen sich einen Überströmkanal aus.
Aus der DE 101 40 295 A1 ist eine gattungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung bekannt. Um die Wirksamkeit der dabei eingesetzten Abgasreinigungselemente, die in diesem Fall als Katalysatormodule ausgebildet sind, zu prüfen, wird bei derartigen Vorrichtungen in das aus dem Gehäuse austretende Abgas-Austrittsrohr meist ein Sensor eingesetzt, mit dem beispielsweise der NOx-Gehalt der gereinigten, die Vorrichtung verlassenden Luft gemessen wird.
Bei verschiedenen Anwendungen bzw. Ausführungsformen solcher Abgasnachbehandlungsvorrichtungen ist dieses Austrittsrohr jedoch so kurz, dass der Sensor nur so eingebaut werden kann, dass er sehr nah am Ende des Austrittsrohrs und damit entsprechend nah an der Umgebung angeordnet ist. Dies kann jedoch zu Beeinflussungen des Messergebnisses durch die Umgebungsluft führen.
Als Konsequenz wäre es bei solchen Vorrichtungen daher erforderlich, den Sensor in demjenigen Bereich des Austrittrohrs anzubringen, der sich innerhalb des Gehäuses befindet. Dies ist jedoch sehr problematisch, da ein solcher Einbau des Sensors das Durchstoßen der meist aus mehreren Schichten bestehenden Außenwand des Gehäuses und des Austrittsrohrs erfordert. Sämtliche der hierfür geschaffenen Öffnungen müssen selbstverständlich anschließend abgedichtet werden, um den unkontrollierten Austritt von ungereinigten Abgasen oder bereits gereinigter Luft aus dem Gehäuse zu vermeiden. Außerdem ergäben sich bei einer solchen Vorgehensweise erhebliche Toleranzprobleme.
Des Weiteren müssen beim Einbau derartiger Sensoren bestimmte Vorschriften beachtet werden, insbesondere was den Winkel des Sensors gegenüber der Vertikalen als auch gegenüber der Hauptströmungsrichtung der zu messenden Luft anbelangt. Ein weiteres Problem sind die innerhalb des Gehäuses herrschenden hohen Temperaturen, da solche Sensoren bzw. deren Verkabelung meist nur mit Temperaturen von bis zu ca. 200°C belastet werden dürfen.
Schließlich besteht eine weitere Schwierigkeit bei der Anordnung dieser Sensoren darin, dass diese nur dann brauchbare Messergebnisse liefern, wenn sie in einer gerichteten, definierten Strömung angeordnet sind, wohingegen Verwirbelungen die Messergebnisse erheblich verfälschen können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen bei Brennkraftmaschinen zu schaffen, bei welcher ein Sensor mit möglichst einfachen Mitteln so in das Gehäuse der Vorrichtung integriert wird, dass dieser in der Lage ist, in jedem Betriebsbereich korrekte Messergebnisse zu liefern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Das erfindungsgemäße Strömungsleitelement bildet gemeinsam mit der Außenwand des Gehäuses einen Strömungskanal, durch welchen die mittels der Abgareinigungselemente gereinigten Abgase von der Zwischenkammer in die Austrittskammer überströmen können. Aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion herrscht in diesem Strömungskanal unabhängig von der in der Austrittskammer ansonsten vorliegenden, diffusen Strömung eine gerichtete, definierte Strömung, welche es ermöglicht, dass der in diesem Strömungskanal angeordnete Sensor exakte Messergebnisse bezüglich des Gehalts von eventuell in den gereinigten Abgasen sich befindlichen Schadstoffen erlangen kann.
Erfindungsgemäß ist somit die Integration eines bezüglich seiner Anströmung sensiblen Sensors in das Gehäuse der Abgasnachbehandlungsvorrichtung möglich, ohne die für derartige Sensoren bestehenden Einbauvorschriften zu verletzen. Durch die erfindungsgemäße Integration des Sensors in das Gehäuse kann des Weiteren auf eine ansonsten erforderliche Verlängerung eines gegebenenfalls vorgesehenen, die gereinigten Abgase in die Umgebung befördernden Austrittsrohrs verzichtet werden. Dadurch ist es möglich, den für die gesamte Vorrichtung benötigten Bauraum zu verringern.
Außerdem ermöglicht die Anbringung des Sensors an dem Gehäuse, denselben über steckerlose Kabelverbindungen mit zum Betrieb des Sensors erforderlichen Steuergeräten zu verbinden, da auch diese meist an oder in dem Gehäuse untergebracht sind. Dadurch können alle zur Überwachung der Funktion der Abgasnachbehandlungsvorrichtung erforderlichen Informationen an einer definierten Schnittstelle an dem Gehäuse abgegriffen werden.
Bezüglich der Messergebnisse des Sensors besonders gute Strömungsverhältnisse ergeben sich, wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Strömungsleitelement einen kreissegmentförmigen Querschnitt aufweist.
Wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Sensor an der Außenwand des Gehäuses befestigt ist und in den Strömungskanal ragt, so stellt dies eine besonders einfache Art der Anbringung des Sensors dar, die eine relativ großzügige Tolerierung ermöglicht und bei der derselbe außerdem sehr gut von außen zugänglich ist, beispielsweise um ihn mit einem Steuergerät oder dergleichen zu verbinden.
Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Dabei zeigen:
1 Eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer derselben nachgeschalteten, erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine weitere Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Strömungsleitelement und einem Sensor;
4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV aus 3; und
5 einen Schnitt nach der Linie V-V aus 43.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, die mit einer Abgasleitung 2 versehen ist, über welche die in der Brennkraftmaschine 1 erzeugten Abgase abgeführt werden. In der Abgasleitung 2 befindet sich eine Vorrichtung 3 zur Nachbehandlung der in der Brennkraftmaschine 1 erzeugten Abgase, deren prinzipielle Bauart und Funktionsweise zum Beispiel aus der DE 101 40 295 A1 bekannt sein kann. Zu der Abgasleitung 2 führt des Weiteren eine Leitung 4, die von einem Tank 5 ausgeht und zur Zuführung von Harnstoff oder Ammoniak in die Vorrichtung 3 dient. Durch die Zuführung von Ammoniak oder Harnstoff, der dann innerhalb der Abgasleitung 2 zu Ammoniak umgewandelt wird, sollen die NO_X-Moleküle, die sich in dem Abgas befinden, zu Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Da die hierbei ablaufenden Reaktionen an sich bekannt sind, wird im Folgenden nicht näher darauf eingegangen.
Die Vorrichtung 3 zur Nachbehandlung der Abgase ist in den 2–5 detaillierter dargestellt. So weist die Vorrichtung 3 ein Gehäuse 6 auf, welches mit einer Eintrittsöffnung 7 versehen ist, in welche die Abgasleitung 2 mündet, um die Abgase aus der Abgasleitung 2 in das Gehäuse 6 einströmen zu lassen. An die Eintrittsöffnung 7 schließt sich eine Eintrittskammer 8 an, in welcher im vorliegenden Fall als Katalysatorelemente ausgebildete Abgasreinigungselemente 9 angeordnet sind. Die Abgasreinigungselemente 9 können zum Beispiel von der Art sein, wie sie in der DE 101 40 295 A1 beschrieben sind. Prinzipiell kann eine beliebige Anzahl an Abgasreinigungselementen 9 vorgesehen sein, welche vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können auch Partikelfilter als Abgasreinigungselemente 9 vorgesehen sein.
Die Abgasreinigungselemente 9 erstrecken sich durch das Gehäuse 6 bis zu einer Zwischenkammer 10, die sich auf der der Eintrittsöffnung 7 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 6 befindet. Des weiteren weist das Gehäuse 6 eine Austrittskammer 11 auf, die zwar räumlich zwischen der Eintrittskammer 8 und der Zwischenkammer 10, in Strömungsrichtung der Abgase bzw. der gereinigten Abgase durch die Abgasreinigungselemente 9 betrachtet jedoch nach der Zwischenkammer 10 angeordnet ist. Die Bezeichnung der Kammern 8, 10 und 11 richtet sich also nach deren Funktion und nicht nach ihrer räumlichen Anordnung.
Die Austrittskammer 11 ist von der Zwischenkammer 10 mittels einer ersten Zwischenwand 12 abgetrennt, welche mehrere, in 4 deutlicher dargestellte Öffnungen 13 zum Übertritt der gereinigten Abgase von der Zwischenkammer 10 in die Austrittskammer 11 aufweist. In 2 ist erkennbar, dass in der Austrittskammer 11 ein aus dem Gehäuse 6 führendes Austrittsrohr 14 angeordnet ist, durch welches die gereinigten Abgase in die Umgebung ausströmen können. Gegebenenfalls könnte auch auf das Austrittsrohr 14 verzichtet werden, wenn dafür gesorgt wird, dass die Abgase über eine entsprechende Öffnung aus der Austrittskammer 11 in die Umgebung austreten können. Aus 2 geht des Weiteren hervor, dass zwischen der Eintrittskammer 8 und der Austrittskammer 11 eine zweite Zwischenwand 15 vorgesehen ist, die diese beiden Kammern voneinander abtrennt. Sowohl die erste Zwischenwand 12 als auch die zweite Zwischenwand 15 erstrecken sich jeweils bis zu einer Außenwand 16 des Gehäuses 6 und sind in nicht dargestellter Weise mit derselben dicht verbunden.
Um die zu einem späteren Zeitpunkt detaillierter erläuterte Funktion eines an der Außenwand 16 des Gehäuses 6 angebrachten Sensors 17 zu gewährleisten, ist ein Strömungsleitelement 18 vorgesehen, das sich an eine mit dem Bezugszeichen 13a bezeichnete Öffnung der Öffnungen 13 in der ersten Zwischenwand 12 anschließt und innerhalb der Austrittskammer 11 angeordnet ist. Durch die Öffnung 13a in dem Strömungskanal 19, an die sich das Strömungsleitelement 18 anschließt, kann auf eine der bislang in der Zwischenwand 12 vorgesehenen Öffnungen 13 verzichtet werden, ohne einen Verlust hinsichtlich der Überströmfläche von der Zwischenkammer 10 in die Austrittskammer 11 hinnehmen zu müssen.
Wie in 4 erkennbar ist, bildet das Strömungsleitelement 18 zusammen mit einem Teil der Außenwand 16 des Gehäuses 6 einen Strömungskanal 19, über den das sich in der Zwischenkammer 10 befindliche, gereinigte Abgas in die Austrittskammer 11 übertreten kann. Im vorliegenden Fall weist das als Rohrsegment ausgeführte Strömungsleitelement 18 einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf und ist an den beiden Zwischenwänden 12 und 15 angebracht. Gegebenenfalls sind selbstverständlich auch andere Bauformen des Strömungsleitelements 18 möglich. Die Verbindung des Strömungsleitelements 18 mit den Zwischenwänden 12 und 15 sowie der Außenwand 16 kann beispielsweise durch Löten, Kleben oder ein anderes geeignetes Verbindungsverfahren erfolgen, wobei eine Dichtheit dieser Verbindung nicht unbedingt erforderlich ist.
Die erste Zwischenwand 12 weist also mehrere Öffnungen 13 zum Übertritt der gereinigten Abgase von der Zwischenkammer 10 in die Austrittskammer 11 auf, wobei das Strömungsleitelement 18 mit dem innerhalb des Strömungskanals 19 vorgesehenen Sensor 17 lediglich einer der Öffnungen 13 zugeordnet ist. Gegebenenfalls könnten selbstverständlich auch mehrere Strömungsleitelemente 18 mit entsprechenden Sensoren 17 an geeigneten Stellen innerhalb des Gehäuses 6 vorgesehen sein.
An seiner der zweiten Zwischenwand 15 zugerichteten Seite weist das Strömungsleitelement 18 eine Ausströmöffnung 20 auf, die im vorliegenden Fall V-förmig ausgeführt ist, wie in 3 erkennbar ist. Andere Querschnittsgeometrien sind ebenfalls möglich. Die Abgase strömen also über die Öffnung 13a in den Strömungskanal 19 ein und verlassen denselben durch die Ausströmöffnung 20. Hierdurch entsteht in dem Strömungskanal 19 eine gerichtete, definierte Strömung, die es ermöglicht, dass der in dem Strömungskanal 19 angeordnete Sensor 17 die Menge von zumindest einem Bestandteil der Abgase in hinreichend genauer Weise messen kann. Um eine einfache Befestigung des Sensors 17 zu ermöglichen, ist dieser an der Außenwand 16 des Gehäuses 6 angebracht und ragt durch eine nicht bezeichnete Öffnung in den Strömungskanal 19. Zum Zwecke der Befestigung an dem Gehäuse 6 kann der Sensor 17 beispielsweise ein Gewinde aufweisen. Außerhalb des Gehäuses 6 kann der Sensor 17 in nicht dargestellter Weise mit einem Steuergerät oder dergleichen verbunden sein, welches die von dem Sensor 17 erzeugten Messwerte verarbeitet. Auch das Steuergerät kann in nicht dargestellter Weise an dem Gehäuse 6 angebracht sein, um mit dem Sensor 17 eine Funktionseinheit zu bilden, beispielsweise zum Zwecke einer Onboard-Diagnose.
Wie in 4 zu erkennen ist, ist der Sensor 17 in einem Winkel von ca. 70° zur Senkrechten eingebaut, wodurch die Einbauanforderungen an denselben, nämlich ein Einbau in einem Winkel von +/–80° zur Senkrechten, erfüllt sind. Eine weitere Einbauvorschrift, nämlich einen Winkel 90° +/– 10° zur Gasströmungsrichtung kann ebenfalls durch den dargestellten Aufbau, insbesondere durch die Schaffung des Strömungskanals 19, erreicht werden. Schließlich wird dadurch, dass sich ein Teil des Sensors 17 außerhalb des Gehäuses 6 befindet, insbesondere nämlich der vorzugsweise mit dem Steuergerät verkabelte Teil, gewährleistet, dass eine Maximaltemperatur von ca. 200°C an dieser Stelle eingehalten wird.
Der Sensor 17 kann bei der dargestellten Ausführung der Vorrichtung 3 als NO_X-Sensor oder als NH₃-Sensor ausgebildet sein, um mit demselben feststellen zu können, ob die oben beschriebene Zuführung von Harnstoff oder Ammoniak den gewünschten Effekt bei der Nachbehandlung der Abgase erzielt. Durch diese Prüfung auf den NO_X- oder NH₃-Gehalt innerhalb der durch die Abgasreinigungselemente 9 gereinigten Abgase kann somit auch überprüft werden, ob der Tank 5 ordnungsgemäß mit Harnstoff bzw. Ammoniak gefüllt ist oder ob sich dort andere Substanzen befinden. Selbstverständlich wäre es jedoch auch möglich, einen Sensor 17 einzusetzen, mit dem beliebige andere sich eventuell in dem Abgas befindliche Bestandteile gemessen werden können.

Claims

Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen bei Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse (6), mit – einer Eintrittsöffnung (7) für die Abgase, – wenigstens einem Abgasreinigungselement (9), – einer sich an das wenigstens ein Abgasreinigungselement (9) anschließende Zwischenkammer (10) und – eine mittels einer Zwischenwand (12) von der Zwischenkammer (10) getrennte Austrittskammer (11), aus der die gereinigten Abgase in die Umgebung ausströmen, wobei die Zwischenwand (12) wenigstens eine Öffnung (13a) zum Übertritt der gereinigten Abgase von der Zwischenkammer (10) in die Austrittskammer (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die wenigstens eine Öffnung (13a) in der Zwischenwand (12) ein Strömungsleitelement (18) anschließt, welches gemeinsam mit einem Teil einer Außenwand (16) des Gehäuses (6) einen Strömungskanal (19) bildet, wobei in dem Strömungskanal (19) ein Sensor (17) angeordnet ist, der in der Lage ist, den Anteil von zumindest einem Abgasbestandteil innerhalb der Abgase messtechnisch zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (18) einen kreissegmentförmigen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (17) an der Außenwand (16) des Gehäuses (6) befestigt ist und in den Strömungskanal (19) ragt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwand (12) mehrere Öffnungen (13, 13a) zum Übertritt der gereinigten Abgase von der Zwischenkammer (10) in die Austrittskammer (11) aufweist, wobei an lediglich einer der Öffnungen (13a) das Strömungsleitelement (18) mit dem Sensor (17) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer sich an die Eintrittsöffnung (7) anschließenden Eintrittskammer (8) und der Austrittskammer (11) eine zweite Zwischenwand (15) vorgesehen ist, wobei das Strömungsleitelement (18) an den beiden Zwischenwänden (12, 15) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (18) an seiner der zweiten Zwischenwand (15) zugerichteten Seite eine Ausströmöffnung (20) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmöffnung (20) eine V-Form aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (17) als NO_x-Sensor oder als NH₃-Sensor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Abgasreinigungselement (9) als Katalysatorelement ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Abgasreinigungselemente (9) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Austrittskammer (11) ein aus dem Gehäuse (6) führendes Austrittsrohr (14) angeordnet ist, durch welches die gereinigten Abgase in die Umgebung ausströmen.