DE102005052064A1

DE102005052064A1 - Abgasanlage

Info

Publication number: DE102005052064A1
Application number: DE102005052064A
Authority: DE
Inventors: Julia Halbei; Remus Boriga
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-31

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem abgasführenden Abgasstrang (2) und mit einer Einspritzeinrichtung (4) zum Eindüsen einer Flüssigkeit in den Abgasstrang (2).
Um die Verdampfung der in den Abgasstrang (2) eingedüsten Flüssigkeit zu verbessern, ist im Abgasstrang (2) stromab der Einspritzeinrichtung (4) ein Blechkörper (7) angeordnet, der wenigstens eine Wand (8) aufweist, die sich in einer Längsrichtung des Abgasstrangs (2) erstreckt und die beidseitig einer im Abgasstrang (2) transportierten Abgasströmung (9) ausgesetzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.

Eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine weist üblicherweise wenigstens einen Abgasstrang auf, der die im Betrieb der Brennkraftmaschine anfallenden Abgase von der Brennkraftmaschine abführt und in eine Umgebung der Brennkraftmaschine bzw. eines damit ausgestatteten Fahrzeugs emittiert. Üblicherweise ist eine derartige Abgasanlage mit Einrichtungen zur Abgasreinigung sowie zur Schalldämpfung ausgestattet, wobei diese Einrichtungen in den Abgasstrang eingebunden sind. Beispielsweise kann die Abgasanlage mit einer Einspritzeinrichtung ausgestattet sein, mit deren Hilfe eine Flüssigkeit in den Abgasstrang eingedüst werden kann. Beispielsweise kann mit Hilfe einer derartigen Einspritzeinrichtung ein flüssiger Brennstoff stromauf eines Oxidationskatalysators eingedüst werden, um bei einem Warmlaufbetrieb der Brennkraftmaschine den Oxidationskatalysator möglichst rasch auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Ebenso ist es möglich, mit Hilfe einer derartigen Einspritzeinrichtung stromauf eines mit selektiver katalytischer Reduktion arbei tenden Katalysators, kurz SCR-Katalysator, ein flüssiges Reduktionsmittel einzudüsen, mit dessen Hilfe der SCR-Katalysator im Abgas mitgeführte Stickoxide reduzieren kann. Für die beispielhafte genannten chemischen Reaktionen ist es dabei vorteilhaft, wenn die in das heiße Abgas eingedüste Flüssigkeit verdampft. Je besser die Umsetzung der Flüssigkeit in Dampf oder Gas ist, desto effektiver kann die erwünschte nachfolgende chemische Reaktion ablaufen.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Abgasanlage der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen hohen Verdampfungsgrad der eingedüsten Flüssigkeit auszeichnet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, im Abgasstrang stromab der Einspritzeinrichtung eine Verdampfungshilfe anzuordnen, und zwar in Form eines Blechkörpers, der wenigstens eine vom Abgas beaufschlagte Wand aufweist. Dabei erstreckt sich diese wenigstens eine Wand in der Längsrichtung der Abgasstrangs, wodurch sie den Strömungswiderstand im Abgasstrang nicht oder nur geringfügig erhöht. Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass sich die eingespritzte Flüssigkeit zu einem großen Teil zunächst an einer Wandung des Abgasstrangs niederschlägt und erst anschließend durch die Wärme der Wandung und die Beaufschlagung mit Abgas verdampft. Durch die Bereitstellung der wenigstens einen Wand des Blechkörpers wird im Abgasstrang zusätzliche Oberfläche bzw. Wandfläche geschaffen, an der sich die eingedüste Flüssigkeit niederschlagen kann. Da sich die eingedüste Flüssigkeit insbesondere auf mehr Oberfläche verteilen kann, wird die anschließende Verdampfung erleichtert bzw. beschleunigt. Hinzu kommt, dass die vom Abgas beaufschlagte wenigstens eine Wand tendenziell eine höhere Temperatur aufweist als die Wandung des Abgasstrangs, was zusätzlich zur Beschleunigung der Verdampfung beiträgt.

Der stromab der Einspritzeinrichtung im Abgasstrang angeordnete Blechkörper erhöht mit seiner wenigstens einen Wand den Verdampfungsgrad der eingedüsten Flüssigkeit. In der Folge kann die jeweils nachfolgend erwünschte chemische Reaktion mit erhöhter Effizienz ablaufen. Beispielsweise kann so ein Oxidationskatalysator schneller und/oder mit einem reduzierten Brennstoffverbrauch aufgeheizt werden. Ebenso kann beispielsweise ein SCR-Katalysator eine höhere Umsetzungsrate für NO_x erzielen und/oder weniger Reduktionsmittel verbrauchen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform können Einspritzeinrichtung und Blechkörper so aufeinander abgestimmt sein, dass die Einsritzeinrichtung die Flüssigkeit zumindest teilweise auf die wenigstens eine Wand aufsprüht. Hierdurch wird gezielt eine Verdampfung der eingespritzten Flüssigkeit an der wenigstens einen Wand des Blechkörpers herbeigeführt, die aufgrund ihrer erhöhten Temperatur eine bessere Verdampfungswirkung zeigt.

Vorzugsweise ist bei einer Ausführungsform die wenigstens eine Wand zwischen ihren sich in der Längsrichtung des Abgasstrangs erstreckenden Längsenden von einer Wandung des Abgasstrangs beabstandet angeordnet. Hierdurch wird gewährleistet, dass die wenigstens eine Wand beidseitig vom Abgas umströmt wird, was zu einer intensiven Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und der wenigstens einen Wand führt. Der wenigstens einen Wand kann somit permanent Wärme zugeführt werden, um so die beim Verdampfen der eingesprühten Flüssigkeit abgehende Verdampfungswärme rasch auszugleichen. Die Verdampfung wird dadurch unterstützt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Wandung des Abgasstrangs im Bereich wenigstens eines Längsendes der wenigstens einen Wand zumindest eine Öffnung aufweisen, durch die hindurch die wenigstens eine Wand an besagtem Längsende mit der Wandung verschweißt ist. Diese Bauweise vereinfacht die Montage und senkt die Herstellungskosten.

Bei einer besonders einfachen Ausführungsform kann der Blechkörper nur eine einzige solche Wand aufweisen. Diese Wand kann beispielsweise im wesentlichen zentral im Abgasstrang angeordnet sein und kann zur Reduzierung von thermisch bedingten Spannungen im Profil S-förmig ausgestaltet sein.

Bei einer anderen Ausführungsform kann der Blechkörper mehrere solche Wände aufweisen, die an ihren Längsenden miteinander verbunden sind. Insbesondere können die Wände einen Hohlraum umschließen, so dass der Blechkörper als Hohlkörper oder Rohrkörper ausgestaltet ist. Durch die erhöhte Anzahl an Wänden kann die zur Verdampfung bereitgestellte Oberfläche besonders groß gewählt werden, was die Effizienz dieser Verdampfungshilfe erhöht.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer Abgasanlage,
2 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch die Abgasanlage im Bereich eines Blechkörpers,
3 eine Ansicht wie in 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
4a bis 4c Querschnitte der Abgasanlage im Bereich des Blechkörpers entsprechend Schnittlinien IV in 2,
5 ein Querschnitt der Abgasanlage im Bereich des Blechkörpers entsprechend Schnittlinien V in 3.
Entsprechend 1 umfasst eine Abgasanlage 1 zumindest einen Abgasstrang 2, mit dessen Hilfe sie Abgas von einer Brennkraftmaschine 3, die vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, abführt. Die Abgasanlage 1 umfasst außerdem zumindest eine Einspritzeinrichtung 4, die es ermöglicht, eine Flüssigkeit in den Abgasstrang 2 einzudüsen. Der Abgasstrang 2 ist hier unterbrochen und nicht vollständig dargestellt, da zum einen zwischen dem mit der Brennkraftmaschine 3 verbundenen Abschnitt und dem der Einspritzeinrichtung 4 zugeordneten Abschnitt, sowie zum anderen stromab des dargestellten, mit der Einspritzeinrichtung 4 gekoppelten Abschnitts weitere Komponenten in die Abgasanlage 1 einge bunden sein können, wie z.B. Katalysator, Partikelfilter, Schalldämpfer.
Die Einspritzeinrichtung 4 ist beispielsweise mit einer Dosiereinrichtung 5 gekoppelt, die der Einspritzeinrichtung 4 die Flüssigkeit zum Eindüsen zuführt. Bei der Flüssigkeit handelt es sich beispielsweise um ein Reduktionsmittel, wie z.B. Harnstoff oder Ammoniak oder ein Harnstoff-Amoniumformiat-Gemisch. Die Abgasanlage 1 enthält dann stromab der Einspritzeinrichtung 4, also stromab des Injektionsortes, einen SCR-Katalysator 6, der mit Hilfe des Reduktionsmittels Stickoxide, die im Abgas mitgeführt werden, reduziert. Grundsätzlich kann die Einspritzeinrichtung 4 bei einer anderen Ausführungsform auch zum Eindüsen einer anderen Flüssigkeit vorgesehen sein. Beispielsweise kann es sich bei der Flüssigkeit auch um einen Brennstoff handeln, bei dem es sich vorzugsweise um den Kraftstoff handelt, mit dem die Brennkraftmaschine 3 betrieben wird. Die Abgasanlage 1 enthält dann stromab der Einspritzeinrichtung 4 einen Oxidationskatalysator, der mit Hilfe des Brennstoff aufgeheizt werden kann, um diesen beispielsweise bei einem Warmlaufbetrieb der Brennkraftmaschine 3 rasch auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Ebenso kann die Einspritzeinrichtung 4 zur Eindüsung einer anderen Flüssigkeit vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß ist nun im Abgasstrang 1 stromab der Einspritzeinrichtung 4, also stromab des Injektionsortes, ein Blechkörper 7 angeordnet. Dieser Blechkörper 7 funktioniert dabei als Verdampfungshilfe und verbessert somit den Ver dampfungsgrad der eingespritzten Flüssigkeit. Der Blechkörper 7 ist dabei im Abgasstrang 2 stromauf des SCR-Katalysators 6 bzw. stromauf des Oxidationskatalysators angeordnet, sofern ein Brennstoff eingespritzt wird.
Entsprechend den 2 bis 5 weist der Blechkörper 7 zumindest eine Wand 8 auf, die sich in einer Längsrichtung des Abgasstrangs 2 erstreckt. Der Abgasstrang 2 ist zumindest im Bereich des Blechkörpers 7 rohrförmig ausgestaltet. Die Strömungsrichtung des im Betrieb der Brennkraftmaschine 3 im Abgasstrang 2 strömenden Abgases ist durch einen Pfeil symbolisiert und mit 9 bezeichnet. Die wenigstens eine Wand 8 des Blechkörpers 7 ist innerhalb des rohrförmigen Abgasstrangs 2 so angeordnet, dass sie der Abgasströmung 9 beidseitig ausgesetzt ist. Im wesentlichen ergibt sich dadurch eine tangentiale Umströmung der wenigstens einen Wand 8 an beiden Seiten der wenigstens einen Wand 8.
Bei den in den 2 und 4 gezeigten Ausführungsformen weist der Blechkörper 7 genau drei derartige Wände 8 auf. Diese Wandzahl ist jedoch nur exemplarisch, so dass auch mehr oder weniger derartige Wände 8 vorgesehen sein können. Wie den 4a bis 4c zu entnehmen ist, besitzt jede Wand 8 jeweils zwei Längsenden 10, die sich in der Längsrichtung des Abgasstrangs 2 erstrecken und über die je zwei benachbarte Wände 8 miteinander verbunden sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind alle drei Wände 8 über ihre Längsenden 10 miteinander verbunden, wodurch sich ein in Umfangsrichtung geschlossenes Profil für den Blechkörper 7 ergibt. Der Blechkörper 7 ist somit als Hohlkörper oder Rohr ausgestaltet. Durch die drei Wände 8 besitzt der rohrförmige Blechkörper 7 einen dreieckigen Querschnitt. Der rohrförmige Blechkörper 7 ist innerhalb des rohrförmigen Abgasstrangs 2 achsparallel und vorzugsweise koaxial angeordnet.
Die Wände 8 umschließen einen Hohlraum 11 in Umfangsrichtung. Entsprechend 2 können die Einspritzeinrichtung 4 und der Blechkörper 7 so aufeinander abgestimmt sein, dass die Einspritzeinrichtung 4 die Flüssigkeit teilweise oder wie hier vollständig in den Hohlraum 11 eindüst. Diese Ausführungsform kann vorteilhaft sein, da die Wände 8 nur an ihren dem Hohlraum 11 zugewandten Innenseiten zum Verdampfen der Flüssigkeit dienen, während sie gleichzeitig an ihren vom Hohlraum 11 abgewandten Außenseiten von den heißen Abgasen beaufschlagt sind. Auf diese Weise kann die beim Verdampfen den Wänden 8 an ihren Innenseiten entzogene Verdampfungswärme über die Abgase an den Außenseiten permanent zugeführt werden.
Um nicht nur die Innenseiten der Wände 8, sondern auch deren Außenseiten mit der Abgasströmung 9 zu beaufschlagen, sind die Wände 8 im Abgasstrang 2 so angeordnet, dass sie zwischen ihren Längsenden 10 von einer Wandung 12 des Abgasstrangs 2 beabstandet sind. Bei der in 4a gezeigten Ausführungsform erstrecken sich die Wände 8 zwischen ihren Längsenden 10 geradlinig. Im Unterschied dazu sind die Wände 8 bei der in 4b gezeigten Ausführungsform zur Wandung 12 hin konvex gekrümmt. Bei der in 4c gezeigten Ausfüh rungsform besitzen die Wände 8 zur Wandung 12 hin eine konkave Krümmung. Andere Ausgestaltungen und Formgebungen für die Wände 8 sind ebenso möglich. Bei den gekrümmten Wänden sind Spannungen, die aufgrund thermischer Ausdehnungseffekte auftreten können, reduziert.
3 und 5 zeigen eine andere Ausführungsform, bei der der Blechkörper 7 nur eine einzige derartige Wand 8 aufweist. Diese Wand 8 ist dann vorzugsweise im rohrförmigen Abgasstrang 2 zentral, also mittig angeordnet. Wie 5 zu entnehmen ist, kann die Wand 8 zwischen ihren Längsenden 10 ein gekrümmtes Profil aufweisen, was thermische Spannungen reduziert. Im Beispiel ist die Wand 8 im Profil S-förmig gekrümmt.
Entsprechend 3 sind die Einspritzeinrichtung 4 und der Blechkörper 7 vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass die Einspritzeinrichtung 4 die Flüssigkeit zum Teil oder wie hier vollständig auf diese eine Wand 8 aufsprüht. Auch hier kann es sich als vorteilhaft herausstellen, dass nur die eine Seite der Wand 8 mit der Flüssigkeit besprüht wird, um so die der Wand 8 entzogene Verdampfungswärme über das Abgas an der anderen Seite der Wand 8 wieder rasch zuzuführen.
Jedenfalls ist auch die eine Wand 8 so im Abgasstrang 2 angeordnet, dass sie von der Wandung 12 beabstandet ist. Auch diese eine Wand 8 ist an ihren Längsenden 10 an der Wandung 12 befestigt.
Vorzugsweise sind die Wände 8 bei den hier gezeigten Ausführungsformen so ausgestaltet, dass sie in der Längsrichtung des Abgasstrangs 2 ein konstantes Profil aufweisen. Die Wände 8 bestehen zweckmäßig aus Blech, insbesondere aus Stahlblech. Die Wände 8 können perforiert ausgestaltet sein oder unperforiert sein.
Entsprechend den 2 und 3 ist ein stromauf liegendes Stirnende der jeweiligen Wand 8 als Anströmkante 13 ausgestaltet. Eine derartige Anströmkante 13 erleichtert das Umströmen der jeweiligen Wand 8 und reduziert dabei den Strömungswiderstand. Auf entsprechende Weise kann auch ein stromabliegendes, hier nicht erkennbares Stirnende der jeweiligen Wand 8 als Abströmkante ausgestaltet sein, wodurch ebenfalls der Strömungswiderstand des Blechkörpers 7 reduziert wird. Darüber hinaus ist eine Wandstärke 14 der jeweiligen Wand 8 relativ klein gewählt; sie kann, muss jedoch nicht, kleiner als eine Wandstärke 15 der Wandung 12 des Abgasstrangs 2 sein. Die Ausgestaltung des Blechkörpers 7 ist vorzugsweise somit so gewählt, dass sich für die Durchströmung des Abgasstrangs 2 im Bereich des Blechkörpers 7 kein oder nur ein geringer Druckanstieg ausbildet. Die Durchströmung des Abgasstrangs 2 wird somit durch den Blechkörper 7 nicht oder nur geringfügig behindert. Insbesondere ist der als Hohlkörper oder Rohr ausgestaltete Blechkörper 7 an seinen Stirnseiten beidseitig offen und frei durchströmbar.
Entsprechend den 4 und 5 sind die Wände 8 an der Wandung 12 des Abgasstrangs 2 vorzugsweise durch Verschweißen befestigt.
Um diese in den 4 und 5 mit 16 bezeichneten Schweißverbindungen besonders einfach herstellen zu können, kann vorgesehen sein, die Wandung 12 im Bereich des jeweiligen Längsendes 10 mit wenigstens einer Öffnung 17 zu versehen. Durch diese Öffnung 17 hindurch, die beispielsweise als Loch oder als Längsschlitz ausgestaltet sein kann, erfolgt die Schweißverbindung 16. D.h., das jeweilige Längsende 10 ist durch die Öffnung 17 hindurch mit der Wandung 12 verschweißt.

Claims

Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine (3), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, – mit wenigstens einem abgasführenden Abgasstrang (2), – mit einer Einspritzeinrichtung (4) zum Eindüsen einer Flüssigkeit in den Abgasstrang (2), – wobei im Abgasstrang (2) stromab der Einspritzeinrichtung (4) ein Blechkörper (7) angeordnet ist, der wenigstens eine Wand (8) aufweist, die sich in einer Längsrichtung des Abgasstrangs (2) erstreckt und die beidseitig einer im Abgasstrang (2) transportierten Abgasströmung (9) ausgesetzt ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzeinrichtung (4) und der Blechkörper (7) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Einspritzeinrichtung (4) die Flüssigkeit zumindest teilweise auf die wenigstens eine Wand (8) aufsprüht.
Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wand (8) zwischen ihren sich in der Längsrichtung des Abgasstrangs (2) erstreckenden Längsenden (10) von einer Wandung (12) des Abgasstrangs (2) beabstandet angeordnet ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wand (8) an ihren sich in der Längsrichtung des Abgasstrangs (2) erstreckenden Längsenden (10) an einer Wandung (12) des Abgasstrangs (2) befestigt ist.
Abgasanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (12) im Bereich wenigstens eines Längsendes (10) der wenigstens einen Wand (8) zumindest eine Öffnung (17) aufweist, durch die hindurch die wenigstens eine Wand (8) an besagtem Längsende (10) mit der Wandung (15) verschweißt ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, – dass ein stromauf liegendes Stirnende der wenigstens einen Wand (8) als Anströmkante (13) ausgestaltet ist, und/oder dass ein stromab liegendes Stirnende der wenigstens einen Wand (8) als Abströmkante ausgestaltet ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, – dass die wenigstens eine Wand (8) ein in der Längsrichtung des Abgasstrangs (2) konstantes Profil aufweist, und/oder – dass die wenigstens eine Wand (8) perforiert oder unperforiert ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass der Blechkörper (7) nur eine einzige solche Wand (8) aufweist, und/oder – dass die Wand (8) im wesentlichen zentral im Abgasstrang (2) angeordnet ist, und/oder – dass die Wand (8) zwischen ihren sich in der Längsrichtung des Abgasstrangs (2) erstreckenden Längsenden (10) im Profil S-förmig gekrümmt ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass der Blechkörper (7) mehrere solche Wände (8) aufweist, die an ihren sich in der Längsrichtung des Abgasstrangs (2) erstreckenden Längsenden (10) miteinander verbunden sind, und/oder – dass die Wände (8) einen Hohlraum (11) umschließen, und/oder – dass die Einspritzeinrichtung (4) und der Blechkörper (7) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Einspritzeinrichtung (4) die Flüssigkeit zumindest teilweise in den Hohlraum (11) eindüst, und/oder – dass zumindest eine der Wände (8) zwischen ihren Längsenden (10) geradlinig oder zur Wandung (12) hin konkav oder konvex verläuft, und/oder – dass der Blechkörper (7) als Rohr ausgestaltet ist, das achsparallel und/oder koaxial im Abgasstrang (2) angeordnet ist, und/oder – dass der als Rohr ausgestaltete Blechkörper (7) einen mehreckigen oder dreieckigen Querschnitt aufweist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, – dass im Abgasstrang (2) stromab des Blechkörpers (7) ein SCR-Katalysator (6) angeordnet ist, und/oder – dass eine Dosiereinrichtung (5) vorgesehen ist, die mit der Einspritzeinrichtung (4) gekoppelt ist und dieser Harnstoff oder Ammoniak oder ein Harnstoff-Amoniumformiat-Gemisch zum Einspritzen in den Abgasstrang (2) zuführt.