DE102006031545A1 - Baugruppe mit einer Verdampfungseinheit - Google Patents

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Abstract

Eine Baugruppe (10), insbesondere für eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine oder eine Reformierungseinrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, weist eine Hauptleitung (12), in der ein Gasstrom geführt ist, sowie eine Verdampfungseinheit (14) zum Verdampfen einer oxidierbaren Flüssigkeit und zum Einleiten eines aus der oxidierbaren Flüssigkeit erzeugten Dampfes in den Gasstrom auf. Um eine bessere Vermischung des Dampfes mit dem Gasstrom zu erzielen, hat die Verdampfungseinheit (14) gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Gehäuse (16) mit einem ersten Abschnitt (18), in dem die Flüssigkeit verdampft wird, un einem nachgeschalteten zweiten Abschnitt (22), der in die Hauptleitung (12) ragt und mehrere Austrittsöffnungen (28) für den Dampf aufweist. Ein zweiter Aspekt der Erfindung sieht vor, daß nur im ersten Abschnitt (18) ein Heizelement angeordnet ist und der zweite Abschnitt (22) entlang seiner Länge wenigstens eine Einlaßöffnung (24) für den Gasstrom, eine Mischzone (26) sowie eine Austrittsöffnung (28) für den Dampf aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Baugruppe mit einer Hauptleitung, in der ein Gasstrom geführt ist, sowie einer Verdampfungseinheit zum Verdampfen einer oxidierbaren Flüssigkeit und zum Einleiten eines aus der oxidierbaren Flüssigkeit erzeugten Dampfes in den Gasstrom, der insbesondere stromauf- oder stromabwärts eines Verbrauchers liegt. Eine solche Baugruppe ist insbesondere für eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine (wobei letztere in diesem Fall den Verbraucher darstellt) oder für eine Reformierungseinrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, die ebenfalls mit einem Verbraucher gekoppelt ist, der z. B. von einer zwischengeschalteten Brennstoffzelle angetrieben wird, geeignet.
  • Eine gattungsgemäße Baugruppe ist beispielsweise aus der EP 1 369 557 A1 bekannt. Deren Verdampfungseinheit weist ein Heizelement in Form einer Glühkerze auf, mittels der Dieselkraftstoff verdampft und stromaufwärts eines Dieselpartikelfilters oder NOx-Speicherkatalysators in einen Abgasstrom einer Kfz-Abgasanlage eingebracht wird, um den Filter bzw. Katalysator in periodischen Abständen zu regenerieren. Zu diesem Zweck ragt ein an die Verdampfungseinheit angeformtes Röhrchen, das eine Auslaßöffnung für den Kraftstoffdampf aufweist, teilweise in den Abgasstrom hinein.
  • Ist die eingebrachte Dampfmenge im Vergleich zum Gasstrom gering und arbeitet die Verdampfungseinheit mit niedrigem Druck, so findet keine optimale Vermischung des Kraftstoffdampfes mit dem Gasstrom statt.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Baugruppe mit einer Verdampfungseinheit zu schaffen, die sich gegenüber dem Stand der Technik durch eine bessere Vermischung des Dampfes mit dem Gasstrom sowie geringe Herstellungskosten auszeichnet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bei einer Baugruppe der eingangs genannten Art vorgesehen, daß die Verdampfungseinheit ein Gehäuse mit einem ersten Abschnitt, in dem die Flüssigkeit verdampft wird, und einem nachgeschalteten zweiten Abschnitt aufweist, der in die Hauptleitung ragt und mehrere Austrittsöffnungen für den Dampf aufweist. Gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Verdampfungseinheit, die lediglich eine Austrittsöffnung aufweist, zeichnet sich die erfindungsgemäße Baugruppe durch eine bessere Verteilung des Dampfes im Nahfeld der Verdampfungseinheit aus, da der Dampf nicht in einem Punkt konzentriert ist, sondern über mehrere Austrittsöffnungen, die bevorzugt voneinander beabstandet sind, in den Gasstrom eingebracht wird.
  • Vorzugsweise ist der zweite Abschnitt zylindrisch ausgebildet und senkrecht zur Strömungsrichtung des Gasstroms in der Hauptleitung angeordnet. Um einen möglichst geringen Gegendruck in der Hauptleitung aufzubauen, wird dabei der Querschnitt des zweiten Abschnitts so gering wie möglich gewählt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Austrittsöffnungen in wenigstens einer Reihe angeordnet, die insbesondere parallel zur Längsachse des zweiten Abschnitts orientiert ist.
  • Um eine besonders gleichmäßige Verteilung des Dampfes über den gesamten Hauptleitungsquerschnitt zu erzielen, sind die Austrittsöffnungen über nahezu die gesamte Länge des zweiten Abschnitts verteilt. Zusätzlich sollten die Austrittsöffnungen in etwa gleiche Abstände voneinander aufweisen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Reihen von Austrittsöffnungen vorgesehen, die bezüglich einer Mittelachse des zweiten Abschnitts einen Winkel miteinander einschließen. Auf diese Weise wird bei der Einleitung des Dampfes auch eine zweite Dimensionen erfaßt.
  • Eine besonders günstige Ausgestaltung ergibt sich dadurch, daß die Reihen bezüglich der Strömungsrichtung des Gasstroms in der Hauptleitung symmetrisch angeordnet sind.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung sieht eine Baugruppe der eingangs genannten Art vor, deren Verdampfungseinheit ein Gehäuse mit einem ersten Abschnitt, in dem ein Heizelement angeordnet ist, und einem nachgeschalteten zweiten, heizelementfreien Abschnitt aufweist, der von außerhalb der Hauptleitung in diese hineinragt und entlang seiner Länge wenigstens eine Einlaßöffnung für den Gasstrom, eine Mischzone sowie eine Austrittsöffnung für den Dampf aufweist. Durch die Einlaßöffnung kann ein Teil des Gasstroms in den zweiten Abschnitt der Verdampfungseinheit eintreten und sich in diesem mit dem Dampf, der im ersten Abschnitt durch das Heizelement erzeugt wird, vermischen, bevor die Mischung über die Austrittsöffnung das Gehäuse der Verdampfungseinheit verläßt. Da im zweiten Abschnitt kein Heizelement angeordnet ist und nur dieser in die Hauptleitung hineinragt, kann der zweite Abschnitt wiederum so schmal wie möglich ausgebildet werden, um einen möglichst geringen Gegendruck zu erzeugen. Durch diese Ausgestaltung verläßt der Dampf die Verdampfungseinheit in einem bereits vorgemischten Zustand, wodurch die verbleibende nötige Vermischung außerhalb der Verdampfungseinheit verringert wird. Die Vormischrate kann innerhalb gewisser Grenzen variiert werden, so sind beispielsweise Vormischraten von 50 % im Inneren der Verdampfungseinheit möglich. Ein weiterer Vorteil der Ausgestaltung besteht darin, daß die Strömungsenergie des Gasstroms genutzt wird, die sich auf den vorvermischten Dampf überträgt, der dann mit einem höheren Druck über die Austrittsöffnung in die Hauptleitung strömt.
  • Vorzugsweise zeigt die Einlaßöffnung gegen die Strömungsrichtung des Gasstroms, um eine besonders große Gasmenge in die Mischzone zu leiten.
  • Eine gute Vermischung des Dampfes mit dem Gasstrom läßt sich durch Kombination beider Maßnahmen erreichen, indem sowohl eine Einlaßöffnung für den Gasstrom mit Mischzone als auch mehrere Austrittsöffnungen vorgesehen werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Hauptleitung und dem Gehäuse der Verdampfungseinheit eine Verdrehsicherung vorgesehen, die eine vorbestimmte Winkelausrichtung der Öffnungen im zweiten Abschnitt relativ zur Hauptleitung bei der Montage vorgibt. Eine solche Verdrehsicherung gewährleistet den richtigen Einbau der Verdampfungseinheit und sichert im Betrieb die korrekte Ausrichtung der Öffnungen im zweiten Abschnitt relativ zum Gasstrom in der Hauptleitung. Es versteht sich von selbst, daß eine solche Verdrehsicherung bei einer beliebigen Baugruppe mit einer Verdampfungseinheit vorteilhaft eingesetzt werden kann, um die Verdampfungseinheit lagedefiniert an einem Tragteil zu befestigen, und nicht zwingend auf die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Baugruppen beschränkt ist.
  • Eine besonders einfache Ausgestaltung, die zugleich kostengünstig ist, ergibt sich dadurch, daß die Verdrehsicherung eine Nut und einen in die Nut hineinragenden Fortsatz, z.B. einen Spannstift oder eine Schraube, aufweist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
  • 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Baugruppe;
  • 2 einen Schnitt längs der Linie 11-11 in 1, wobei nur die Verdampfungseinheit dargestellt wurde;
  • 3 einen Schnitt längs der Linie 111-111 in 1, der die Verdrehsicherung zwischen der Hauptleitung und dem Gehäuse der Verdampfungseinheit zeigt;
  • 4 einen schematischen Längsschnitt des zweiten Abschnitts des Gehäuses einer Verdampfungseinheit, die in einer Baugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform eingesetzt wird; und
  • 5 einen Querschnitt durch den zweiten Abschnitt des Gehäuses einer Verdampfungseinheit, die in einer Baugruppe gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Baugruppe 10, die eine Hauptleitung 12 aufweist, in der ein Gasstrom geführt ist. Insbesondere ist die Baugruppe 10 Teil einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine oder einer Reformierungseinrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases. Die Baugruppe 10 umfaßt eine Verdampfungseinheit 14, die in der 2 noch einmal separat dargestellt ist.
  • Die Verdampfungseinheit 14 hat ein Gehäuse 16 mit einem ersten Abschnitt 18, in dem ein Heizelement 20 in Form einer Glühkerze angeordnet ist, und einen nachgeschalteten zweiten Abschnitt 22, der sich in die Hauptleitung 12 erstreckt (1). Der erste Abschnitt 18 ist vollständig außerhalb der Hauptleitung 12 angeordnet, so daß der zweite Abschnitt 22 von außen in die Hauptleitung 12 hineinragt. Der zweite Abschnitt 22 ist zylindrisch ausgebildet und senkrecht zur Strömungsrichtung des Gasstroms, die durch den Pfeil P angedeutet ist, in der Hauptleitung 12 orientiert. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der zweite Abschnitt 22 als längliches, dünnes Rohr ausgebildet und weist kein Heizelement auf. Entlang seiner Länge sind im zweiten Abschnitt 22 eine Einlaßöffnung 24 für den Gasstrom, die gegen die Strömungsrichtung P des Gasstroms zeigt, eine dieser nachgeschaltete Mischzone 26 sowie eine Austrittsöffnung 28 für den Dampf vorgesehen, wobei letztere in Strömungsrichtung P des Gasstroms zeigt und bezüglich des Querschnitts der Hauptleitung 12 in etwa mittig angeordnet ist.
  • Zwischen der Hauptleitung 12 und dem Gehäuse 16 der Verdampfungseinheit 14 ist eine Verdrehsicherung 30 vorgesehen (siehe insbesondere 3), die bei der Montage eine bestimmte Winkelausrichtung der Öffnungen 24, 28 im zweiten Abschnitt 22 relativ zur Hauptleitung 12 vorgibt. Die Verdrehsicherung 30 ist durch eine in einer Befestigungsbuchse 32 vorgesehene Nut 34 und einen in die Nut 34 hineinragenden Fortsatz 36 gebildet, der bei der gezeigten Ausführungsform als Spannstift ausgeführt ist. Alternativ ist die Verwendung einer Schraube möglich.
  • Im Betrieb der Verdampfungseinheit 14 wird eine oxidierbare Flüssigkeit, insbesondere Kraftstoff, über eine Zuführleitung 38 in einen im ersten Abschnitt 18 ausgebildeten Verdampfungsraum 40, der das Heizelement 20 umgibt, eingeleitet und dort verdampft. Der Dampf gelangt über eine Öffnung 42 in den zweiten Abschnitt 22, wo er sich mit einem Teil des Gasstroms, der durch die Einlaßöffnung 24 ins Innere des zweiten Abschnitts 22 gelangt, vermischt. Zu diesem Zweck ist zwischen der Einlaßöffnung 24 und der Austrittsöffnung 28 die Mischzone 26 vorgesehen. Der mit dem Gasstrom vorvermischte Dampf verläßt schließlich über die Austrittsöffnung 28 das Gehäuse der Verdampfungseinheit 14. Es ist zu beachten, daß die Einlaßöffnung 24 zwischen der Öffnung 42 und der Mischzone 26 angeordnet ist.
  • 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung des zweiten Abschnitts 22, wobei gleiche oder funktionsgleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen und im folgenden nur auf die Unterschiede zur bisher beschriebenen Baugruppe eingegangen wird.
  • In der Ausgestaltung der 4 weist der zweite Abschnitt 22 mehrere Austrittsöffnungen 28 auf, die in einer Reihe angeordnet und über nahezu die gesamte Länge des zweiten Abschnitts 22 verteilt sind, der sich wiederum nahezu über den gesamten Querschnitt der Hauptleitung 12 erstreckt. Sämtliche Austrittsöffnungen 28 sind hier in Strömungsrichtung orientiert. Wieder ist zwischen der Einlaßöffnung 24 und den Austrittsöffnungen 28 die Mischzone 26 (dunkel dargestellt) angeordnet, wobei in diesem Bereich kein Heizelement vorgesehen ist.
  • 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des zweiten Abschnitts 22, bei der mehrere (hier zwei) Reihen von Austrittsöffnungen 28 vorgesehen sind, wobei in der Figur von jeder Reihe jeweils nur eine Austrittsöffnung 28 zu sehen ist. Die Reihen sind bezüglich der Strömungsrichtung P des Gasstroms in der Hauptleitung 12 symmetrisch angeordnet und schließen bezüglich einer Mittelachse M des zweiten Abschnitts 22 einen Winkel α von etwa 135° miteinander ein. Auf diese Weise wird eine noch bessere Verteilung des Dampfes erreicht, insbesondere wird dadurch eine zweite Dimension angesprochen.
  • Natürlich kann bei der Ausgestaltung gemäß den 4 und 5 auch auf die Einlaßöffnung 24 verzichtet werden. Ebenso bietet die Verdrehsicherung 30 auch unabhängig von der Ausgestaltung des zweiten Abschnitts 22 Vorteile, ist jedoch insbesondere bei den gezeigten Ausführungsformen günstig, da sie die korrekte Winkelausrichtung bei der Montage und im Betrieb der Verdampfungseinheit gewährleistet.
    • 10
    Baugruppe
    12
    Hauptleitung
    14
    Verdampfungseinheit
    16
    Gehäuse
    18
    erster Abschnitt
    20
    Heizelement
    22
    zweiter Abschnitt
    24
    Einlaßöffnung
    26
    Mischzone
    28
    Austrittsöffnung
    30
    Verdrehsicherung
    32
    Befestigungsbuchse
    34
    Nut
    36
    Fortsatz
    38
    Zuführleitung
    40
    Verdampfungsraum
    42
    Öffnung
    M
    Mittelachse
    P
    Strömungsrichtung

Claims (10)

  1. Baugruppe mit einer Hauptleitung (12), in der ein Gasstrom geführt ist, sowie einer Verdampfungseinheit (14) zum Verdampfen einer oxidierbaren Flüssigkeit und zum Einleiten eines aus der oxidierbaren Flüssigkeit erzeugten Dampfes in den Gasstrom, der insbesondere stromauf- oder stromabwärts eines Verbrauchers liegt, insbesondere für eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine oder eine Reformierungseinrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungseinheit (14) ein Gehäuse (16) mit einem ersten Abschnitt (18), in dem die Flüssigkeit verdampft wird, und einem nachgeschalteten zweiten Abschnitt (22) aufweist, der in die Hauptleitung (12) ragt und mehrere Austrittsöffnungen (28) für den Dampf aufweist.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (22) zylindrisch ausgebildet und senkrecht zur Strömungsrichtung (P) des Gasstroms in der Hauptleitung (12) angeordnet ist.
  3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (28) in wenigstens einer Reihe angeordnet sind.
  4. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (28) über nahezu die gesamte Länge des zweiten Abschnitts (22) verteilt sind.
  5. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Reihen von Austrittsöffnungen (28) vorgesehen sind, die bezüglich einer Mittelachse (M) des zweiten Abschnitts (22) einen Winkel (α) miteinander einschließen.
  6. Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen bezüglich der Strömungsrichtung (P) des Gasstroms in der Hauptleitung (12) symmetrisch angeordnet sind.
  7. Baugruppe, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Hauptleitung (12), in der ein Gasstrom geführt ist, sowie einer Verdampfungseinheit (14) zum Verdampfen einer oxidierbaren Flüssigkeit und zum Einleiten eines aus der oxidierbaren Flüssigkeit erzeugten Dampfes in den Gasstrom, der insbesondere stromauf- oder stromabwärts eines Verbrauchers liegt, insbesondere für eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine oder eine Reformierungseinrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungseinheit (14) ein Gehäuse (16) mit einem ersten Abschnitt (18), in dem ein Heizelement (20) angeordnet ist, und einem nachgeschalteten zweiten, heizelementfreien Abschnitt (22) aufweist, der von außerhalb der Hauptleitung (12) in diese hineinragt und entlang seiner Länge wenigstes eine Einlaßöffnung (24) für den Gasstrom, eine Mischzone (26) sowie wenigstens eine Austrittsöffnung (28) für den Dampf aufweist.
  8. Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (24) gegen die Strömungsrichtung (P) des Gasstroms zeigt.
  9. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Hauptleitung (12) und dem Gehäuse (16) der Verdampfungseinheit (14) eine Verdrehsicherung (30) vorgesehen ist, die eine vorbestimmte Winkelausrichtung der Öffnungen (24, 28) im zweiten Abschnitt (22) relativ zur Hauptleitung (12) bei der Montage vorgibt.
  10. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehsicherung (30) eine Nut (34) und einen in die Nut (34) hineinragenden Fortsatz (36) aufweist.
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