DE102006043225A1 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine (3), mit wenigstens einem abgasführenden Abgasstrang (2) und mit einer Einspritzeinrichtung (4) zum Eindüsen einer Flüssigkeit in den Abgasstrang (2). Stromab der Einspritzeinrichtung (4) ist im Abgasstrang (2) eine Verdampfereinrichtung (7) vorgesehen, die wenigstens einen rohrförmig ausgebildeten Blechkörper (8) aufweist, der sich in einer Längsrichtung des Abgasstranges (2) erstreckt und eine verbesserte Verdampfung der eingespritzten Flüssigkeit bewirkt. Darüber hinaus ist wenigstens eine federartig ausgebildete Klammereinrichtung (12) vorgesehen, welche die Verdampfereinrichtung (7) im Abgasstrang (2) fixiert bzw. elastisch gegen diesen verspannt.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Fahrzeug.
- Eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine weist üblicherweise wenigsten einen Abgasstrang auf, der die im Betrieb der Brennkraftmaschine anfallenden Abgase abführt und in eine Umgebung der Brennkraftmaschine bzw. eine Umgebung eines mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs ausstößt. Desweiteren sind in modernen Abgasanlagen auch Einrichtungen zur Abgasreinigung vorgesehen, beispielsweise ein SCR-Katalysator zur katalytischen Reduktion. Bei einer derartigen Abgaseinrichtung werden die Stickoxide des Abgases unter Zuhilfenahme eines zuvor in den Abgasstrang über eine Einspritzeinrichtung eingedüsten Reduktionsmittels umgesetzt und dadurch eine Stickoxidemission (NOx) reduziert. Als Reduktionsmittel, wird beispielsweise Harnstoff eingesetzt. Durch die Hitze im Abgasstrom verdampft das Reduktionsmittel und zersetzt sich unter anderem zu einer Ammoniak-Vorstufe, welche im SCR-Katalysator mit den Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser reagiert. Dabei ist die im SCR-Katalysator ablaufende chemische Reaktion umso erfolgreicher, je besser die Umsetzung des eingedüsten Reduktionsmittels in Dampf oder Gas ist.
- Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Abgasanlage der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine besonders gute Verdampfung der eingedüsten Flüssigkeit und eine einfache Montage auszeichnet.
- Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, im Abgasstrang stromab der Einspritzeinrichtung eine Verdampfereinrichtung mit wenigstens einem rohrförmig ausgebildeten Blechkörper anzuordnen, welcher gezielt mit einem Reduktionsmittel besprüht und an seiner Innenseite und an seiner Außenmitte mit Abgas beaufschlagt ist, wodurch eine besonders schnelle Verdampfung des Reduktionsmittels erfolgen kann. Dabei erstreckt sich die Verdampfereinrichtung in der Längsrichtung des Abgasstrangs, wodurch sie den Strömungswiderstand im Abgasstrang nicht oder nur geringfügig erhöht. Außerdem nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass sich die eingespritzte Flüssigkeit zum größten Teil auf der Verdampfereinrichtung niederschlägt und nicht an eine kalte Innenwand des Abgasstranges gelangt, so dass die Flüssigkeit einerseits schnell verdampfen kann und andererseits Ablagerungen durch auf der kalten Innenwand des Abgasstranges auf treffende Flüssigkeit vermieden werden können. Fixiert wird die Verdampfereinrichtung dabei über wenigstens eine Klammereinrichtung, wobei sich die Klammereinrichtung federartig zwischen einer Innenwand des Abgasstrangs und der Verdampfereinrichtung verspannt, so dass die Verdampfereinrichtung über die Klammereinrichtung elastisch im Abgasstrang gehalten ist. Eine derartige Fixierung der Verdampfereinrichtung über die erfindungsgemäße Klammereinrichtung erleichtert eine Montage der Abgasanlage und wirkt sich darüber hinaus besonders günstig auf mögliche Temperaturdehnungen aus, welche von der federnden Klammereinrichtung besser aufgenommen werden können. Dabei kann die Klammereinrichtung einerseits mit der Verdampfereinrichtung und/oder andererseits mit dem Abgasstrang verbunden, insbesondere verschweißt sein.
- In der Folge der verbesserten Verdampfung des Reduktionsmittels kann die jeweils nachfolgend erwünschte chemische Reaktion im SCR-Katalysator mit erhöhter Effizienz ablaufen, wodurch eine höhere Umsetzungsrate für NOx erzielt und dadurch eine geringere NOx-Emission erreicht werden kann.
- Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Verdampfereinrichtung ein Paket von im wesentlichen parallelen Blechkörpern, insbesondere von drei Blechkörpern auf. Drei derartige, eng aneinander anliegende rohrförmige Blechkörper bieten zum einen den Vorteil, eine große innere und äußere Oberfläche zu schaffen, wodurch eine große Verdampferfläche bereit gestellt werden kann und zum anderen bieten drei rohrförmige Blechkörper die Möglichkeit, diese platzsparend im Abgasstrang anzuordnen.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Einspritzeinrichtung und die Verdampfereinrichtung so aufeinander abgestimmt, dass die Einspritzeinrichtung die Flüssigkeit zumindest teilweise auf eine Innenseite oder auf eine Außenseite des wenigstens einen Blechkörpers der Verdampfereinrichtung aufsprüht. Hierdurch wird gezielt eine Verdampfung der eingespritzten Flüssigkeit an der Innen- bzw. an der Außenseite des wenigstens einen Blechkörpers herbeigeführt, die aufgrund ihrer exponierten Lage eine im Vergleich zu einer Innenwand des Abgasstranges höhere Temperatur aufweist und dadurch eine bessere Verdampfung bewirkt.
- Zweckmäßig weist eine Wand des wenigstens einen Blechkörpers Perforationsöffnungen und/oder Strömungsumlenkelemente auf. Sowohl Perforationsöffnungen als auch Strömungsumlenkelemente bewirken Turbolenzen und Wirbelbildungen, welche zum einen die Verdampfungswirkung unterstützt und zum anderen eine besonders homogene Durchmischung des verdampften Reduktionsmittels mit dem Abgas bewirken. Daraus folgt im stromab gelegenen SCR-Katalysator eine hohe Umsetzungsrate von Stickoxiden, so dass die NOx-Emission gesenkt werden kann.
- Vorzugsweise ist bei einer Ausführungsform die Verdampfereinrichtung zwischen ihren sich in Längsrichtung des Abgasstrangs erstreckenden Längsenden von einer Innenwand des Abgasstrangs beabstandet angeordnet. Hierdurch wird gewähr leistet, dass die Verdampfereinrichtung beidseitig vom Abgas umströmt wird, was zu einer intensiven Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und der Verdampfereinrichtung führt, so dass dieser ununterbrochen Wärme zugeführt wird. Die ununterbrochene Wärmezuführung bewirkt ein verbessertes Verdampfen der eingesprühten Flüssigkeit und gleicht den beim Verdampfen erfolgenden Energieverlust rasch aus. Die Verdampfung wird somit unterstützt.
- 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 Querschnitt durch die Abgasanlage im Bereich einer Verdampfereinrichtung, -
3 einen Längsschnitt durch die Abgasanlage im Bereich der Verdampfereinrichtung. - Entsprechend
1 weist eine Abgasanlage1 wenigstens einen Abgasstrang2 auf, welcher Abgas von einer Brennkraftmaschine3 in die Umgebung abführt. Die Brennkraftmaschine3 ist dabei vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Darüber hinaus umfasst die Abgasanlage1 zumindest eine Einspritzeinrichtung4 , mit Hilfe welcher eine Flüssigkeit in den Abgasstrang2 eingespritzt bzw. eingedüst werden kann. Wie der1 zu entnehmen ist, ist der Abgasstrang2 unterbrochen und nicht vollständig dargestellt, da zum einen zwischen dem mit der Brennkraftmaschine3 verbundenen Abschnitt und dem der Einspritzeinrichtung4 zugeordneten Abschnitt, sowie zum anderen stromab des dargestellten, mit der Einspritzeinrichtung4 gekoppelten Abschnitts weitere Komponenten in die Abgasanlage1 eingebunden sein können, wie beispielsweise ein Katalysator oder ein Schalldämpfer. - An ihrem, dem Abgasstrang
2 abgewandten Ende ist die Einspritzeinrichtung4 beispielsweise mit einer Dosiereinrichtung5 verbunden, welche der Einspritzeinrichtung4 die Flüssigkeit zum Eindüsen zuführt. Bei der Flüssigkeit handelt es sich beispielsweise um ein flüssiges Reduktionsmittel, wie beispielsweise wässrige Lösungen von Harnstoff oder Harnstoff-Ammoniumformiat-Gemischen (z.B. DenoxiumTM, von der Firma. Kemira, Finnland). Stromab der Einspritzeinrichtung4 , also stromab des Injektionsortes der Flüssigkeit, ist im Abgasstrang2 ein SCR-Katalysator6 angeordnet, der mit Hilfe des über die Einspritzeinrichtung4 eingedüsten Reduktionsmittel Stickoxide, welche im Abgas mitgeführt werden, reduziert und dadurch eine Stickoxid-Emission (NOx-Emission) verringert. Die in den Abgasstrang2 eingedüste Flüssigkeit, insbesondere das Reduktionsmittel, verdampft im heißen Gasstrom des Abgases und zersetzt sich unter anderem zu einer Ammoniak-Vorstufe, die im SCR-Katalysator6 mit den Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser reagiert. - Selbstverständlich kann die Einspritzeinrichtung
4 bei einer anderen Ausführungsform auch zum Eindüsen einer anderen Flüssigkeit, insbesondere eines Brennstoffes, vorgesehen werden, mit welchem die Brennkraftmaschine3 betrieben wird. Bei einer derartigen Ausführungsform ist dann stromab der Einspritzeinrichtung4 ein Oxidationskatalysator angeordnet, welcher mit Hilfe des eingespritzten Brennstoffes aufgeheizt werden kann, um eine Kaltstartphase der Brennkraftmaschine3 zu verkürzen. - Erfindungsgemäß ist nun im Abgasstrang
2 stromab der Einspritzeinrichtung4 und stromauf des SCR-Katalysators6 eine Verdampfereinrichtung7 mit wenigstens einem rohrförmig ausgebildeten Blechkörper8 angeordnet, der sich in einer Längsrichtung des Abgasstranges2 erstreckt und sowohl innen- als auch außenseitig einer im Abgasstrang2 transpor tierten Abgasströmung ausgesetzt ist. Der zumindest eine Blechkörper8 der Verdampfereinrichtung7 fungiert dabei als Verdampfungshilfe und verbessert den Verdampfungsgrad der eingespritzt Flüssigkeit. - Gemäß den
2 und3 weist die Verdampfereinrichtung7 insgesamt drei rohrförmige Blechkörper8 auf, welche sich in einer Längsrichtung des Abgasstranges2 erstrecken. Dabei ist die Strömungsrichtung des im Betrieb der Brennkraftmaschine3 im Abgasstrang2 strömenden Abgases durch einen Pfeil symbolisiert und mit9 bezeichnet (vgl.3 ). - Sämtliche Wände
11 der Blechkörper8 sind, wie oben erwähnt, sowohl innenseitig als auch außenseitig der im Abgasstrang2 strömenden Abgasströmung ausgesetzt und erwärmen sich dadurch relativ rasch. Insbesondere erfolgt eine Erwärmung deutlich schneller als die Erwärmung einer Innenwand10 des Abgasstranges2 . Durch die schnellere Erwärmung der Wände11 der Blechkörper8 wirken diese auch in der Kaltstartphase als Verdampfungshilfe, sofern über die Einspritzeinrichtung4 Flüssigkeit, insbesondere ein Reduktionsmittel, mit den Wänden11 in Kontakt kommt bzw. auf diese aufgesprüht wird. - Generell weisen die Verdampfereinrichtungen
7 gemäß den2 und3 jeweils insgesamt drei Blechkörper8 auf, wobei auch ein größeres oder kleineres Paket von im wesentlichen parallel angeordneten Blechkörpern8 von der Erfindung mit umfasst sein soll. - Eine Fixierung der Verdampfereinrichtung
7 bzw. der dazu gehörigen Blechkörper8 im Abgasstrang2 erfolgt über zumindest eine federartig ausgebildete Klammereinrichtung12 , welche die Verdampfereinrichtung7 federnd gegen die Innenwand10 des Abgasstranges2 verspannt. Die Klammereinrichtung12 erleichtert dabei den Einbau der Verdampfereinrichtung7 in den Abgasstrang2 erheblich, da ein bisher erforderliches Verschweißen der Verdampfereinrichtung7 mit dem Abgasstrang2 entfallen kann. Gleichzeitig ist die Klammereinrichtung12 in der Lage, Temperaturspannungen, die aufgrund der unterschiedlichen Betriebstemperaturen im Abgasstrang2 auftreten können, elastisch aufzunehmen, wodurch insbesondere kritische Spannungsspitzen abgemildert werden können. Im Vergleich zu einer mit dem Abgasstrang2 über eine Schweißverbindung verbundene Verdampfereinrichtung7 können durch die elastische Klammereinrichtung12 kritische Zwangszustände verhindert werden. Die Klammereinrichtung12 kann dabei aus einem hitzebeständigen Material, beispielsweise aus Blech- oder Federstahl, ausgebildet sein. - Um im SCR-Katalysator
6 eine möglichst hohe NOx-Umsetzungsrate erreichen zu können, ist es wichtig, dass die Aufbereitung des Reduktionsmittels bis zum Katalysator soweit fortgeschritten ist, dass es vorzugsweise vollständig verdampft und homogen im Abgas verteilt ist. Je nach Spraygüte und Betriebsbedingungen werden hierfür jedoch relativ lange Verdampfungs- bzw. Zersetzungsstrecken benötigt. Um diese deutlich verkürzen zu können, ist die erfindungsgemäße Verdampfereinrichtung7 stromab der Einspritzeinrichtung4 angeordnet. Dabei stellen die einzelnen Blechkörper8 der Verdampfereinrichtung7 eine große Prall- und Verdampfungsoberfläche für das über Einspritzeinrichtung4 eingespritzte flüssige Reduktionsmittel zu Verfügung, wodurch dieses auf einer relativ kurzen Strecke, spätestens jedoch bis zum Eintritt in den SCR-Katalysator6 verdampft ist. Durch die sowohl innenseitige als auch außenseitige Umströmung der Verdampfereinrichtung7 erwärmt sich diese, wie oben erwähnt, deutlich schneller als die Innenwand10 des Abgasstranges2 , so dass auch in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine3 bereits eine zufriedenstellende Verdampfung des Reduktionsmittels erreicht werden kann. Insbesondere werden durch die erfindungsgemäße Verdampfereinrichtung7 auch Ablagerungen, wie sie beim Aufsprühen von Reduktionsmittel auf die kalte Innenwand10 des Abgasstranges2 entstehen würden, verhindert werden. - Gemäß der
3 sind die Einspritzeinrichtung4 und die Verdampfereinrichtung7 so aufeinander abgestimmt, dass die Einspritzeinrichtung4 die Flüssigkeit, z.B. das Reduktionsmittel, zumindest teilweise auf eine Innenseite und/oder auf eine Außenseite des wenigstens einen Blechkörpers8 aufsprüht. Um dabei einen bestmöglichen Ein- bzw. Auftrag der Flüssigkeit in bzw. auf die Verdampfereinrichtung7 erreichen zu können, sind die Blechkörper8 an einem der Einspritzeinrichtung4 zugewandten Ende schräg angeschnitten. Denkbar ist auch, dass sie anderweitige Ausschnitte aufweisen, welche eine verbesserte Einspritzung bzw. einen verbes serten Auftrag des flüssigen Reduktionsmittels in bzw. auf die Blechkörper8 bewirken. - Um neben dem ausreichenden Verdampfen auch eine ausreichende Homogenität des Abgasgemisches erreichen zu können, kann in zumindest einer Wand
11 des Blechkörpers8 wenigstens eine Perforationsöffnung vorgesehen sein oder es können Strömungsumlenkelemente13 , wie beispielsweise Laschen oder Flügel, an zumindest einem Blechkörper8 angeordnet sein, welche zusätzliche Turbolenzen bzw. Verwirbelungen und dadurch ein gutes Vermischen des Abgasgemisches bewirken. - Generell ist die Verdampfereinrichtung
7 zwischen ihren sich in Längsrichtung des Abgasstranges2 erstreckenden Längsenden von der Innenwand10 des Abgasstranges2 beabstandet angeordnet. Dies gewährleistet, dass die Wände11 der Blechkörper8 beidseitig vom Abgas umströmt werden und so eine intensive Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und den Blechkörpern8 erreicht wird. Dies ist insbesondere von großem Vorteil, da hierdurch der Verdampfungsprozess kontinuierlich aufrecht erhalten werden kann und die beim Verdampfen der eingesprühten Flüssigkeit abgehende Verdampfungswärme rasch ausgeglichen werden kann. - Entsprechend der
3 ist ein stromauf liegendes Stirnende der Blechkörper8 der Verdampfereinrichtung7 als Anströmkante ausgebildet, welche das Umströmen der jeweiligen Wände11 der Blechkörper8 erleichtert und dadurch den Strömungswiderstand reduziert. Auf entsprechende Weise kann auch ein stromab abliegendes, hier nicht erkennbares Stirnende der jeweiligen Blechkörper8 als Abströmkante ausgestaltet sein, wodurch ebenfalls der Strömungswiderstand reduziert wird. - Wie in der
2 und3 dargestellt, ist die Verdampfereinrichtung7 im wesentlichen zentral im Abgasstrang2 angeordnet und achsparallel bzw. koaxial zum Abgasstrang2 ausgerichtet. Die achsparallele bzw. koaxiale Anordnung der Verdampfereinrichtung7 im Abgasstrang2 reduziert dabei zusätzlich den Strömungswiderstand. Die zentrale Anordnung der Verdampfereinrichtung7 im Abgasstrang2 ist zudem lediglich als eine mögliche Ausführungsform zu betrachten, so dass auch eine desaxierte bzw. dezentrale Anordnung der Verdampfereinrichtung7 im Abgasstrang2 von der Erfindung mit umfasst sein soll, sofern diese einen günstigen Einfluss auf die Verdampferleistung bzw. auf den Strömungswiderstand bewirkt.
Claims (10)
- Abgasanlage (
1 ) 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 ) eine Verdampfereinrichtung (7 ) mit oder aus wenigstens einem rohrförmig ausgebildeten Blechkörper (8 ) angeordnet ist, der sich in einer Längsrichtung des Abgasstrangs (2 ) erstreckt und sowohl innen- als auch außenseitig einer im Abgasstrang (2 ) transportierten Abgasströmung ausgesetzt ist, – wobei wenigstens eine federartig ausgebildete Klammereinrichtung (12 ) vorgesehen ist, die die Verdampfereinrichtung (7 ) im Abgasstrang (2 ) fixiert. - Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinrichtung (
7 ) ein Paket von im wesentlichen parallelen Blechkörpern (8 ), insbesondere von drei Blechkörpern aufweist. - Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzeinrichtung (
4 ) und die Verdampfereinrichtung (7 ) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Einspritzeinrichtung (4 ) die Flüssigkeit zumindest teilweise auf eine Innenseite oder auf eine Außenseite des wenigstens einen Blechkörpers (8 ) aufsprüht. - Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinrichtung (
7 ) zwischen ihren sich in Längsrichtung des Abgasstrangs (2 ) erstreckenden Längsenden von einer Innenwand (10 ) des Abgasstrangs (2 ) beabstandet angeordnet ist. - Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Blechkörper (
8 ) an zumindest einem sich in der Längsrichtung des Abgasstrangs (2 ) erstreckenden Längsende schräg angeschnitten ist oder einen Ausschnitt aufweist. - Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wand (
11 ) des wenigstens einen Blechkörpers (8 ) Perforationsöffnungen und/oder Strömungsumlenkelemente (13 ) aufweist. - Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, – dass ein stromauf liegendes Stirnende wenigstens eines Blechkörpers (
8 ) der Verdampfereinrichtung (7 ) als Anströmkante ausgestaltet ist, und/oder – dass ein stromab liegendes Stirnende wenigstens eines Blechkörpers (8 ) der Verdampfereinrichtung (/) als Abströmkante ausgestaltet ist. - Abgasanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass sich die wenigstens eine Klammereinrichtung (
12 ) einerseits an der Verdampfereinrichtung (7 ) und andererseits an der Innenwand (10 ) des Abgasstrangs (2 ) abstützt, und/oder – dass die wenigstens eine Klammereinrichtung (12 ) die Verdampfereinrichtung (7 ) federelastisch gegenüber der Innenwand (10 ) des Abgasstrangs (2 ) verspannt. - Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, – dass die Verdampfereinrichtung (
7 ) im wesentlichen zentral im Abgasstrang (2 ) angeordnet ist, und/oder – dass die Verdampfereinrichtung (7 ) achsparallel und/oder koaxial im Abgasstrang (2 ) angeordnet ist. - Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (
2 ) stromab der Verdampfereinrichtung (7 ) ein SCR-Katalysator (6 ) angeordnet ist.
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