DE102006060658A1 - Baugruppe zur Vermischung eines Mediums mit dem Abgasstrom einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Eine Baugruppe (10) zur Vermischung eines Mediums mit dem Abgasstrom einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer mehrflutigen Abgasanlage, hat ein erstes und ein zweites Abgasrohr (12, 14), von denen eines eine Vorrichtung (24) zur Einbringung des Mediums aufweist, ein Verbindungselement (16), in das beide Abgasrohre (12, 14) unter Zusammenführung ihrer Abgasströme münden, und einen Störkörper (30), der einen im Verbindungselement (16) ausgebildeten Strömungskanal (18) durchragt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur Vermischung eines Mediums mit dem Abgasstrom einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer mehrflutigen Abgasanlage.
  • Bei modernen Abgassystemen ist es manchmal erforderlich, in den Abgasstrom ein Medium einzubringen, um bestimmte Reaktionen hervorzurufen. Beispielsweise kann stromaufwärts eines SCR-Katalysators Harnstoff in gelöster Form eingespritzt werden, um Ammoniak als Reduktionsmittel für die im Abgas vorhandenen Stickoxide bereitzustellen. Auch kann stromaufwärts eines Partikelfilters Reduktionsmittel wie z. B. Kraftstoff zugeführt werden, um die im Filter zurückgehaltenen Partikel kontrolliert abzubrennen. Allgemein gilt dabei, daß das einzubringende Medium möglichst homogen im Abgasstrom verteilt werden soll, damit eine gleichmäßige Wirkung eintritt.
  • Dies gilt insbesondere auch für zwei- oder mehrflutige Abgasanlagen (z. B. bei einem 6- oder 8-Zylinder Motor), bei denen aus Kostengründen oftmals nur eine einzige Harnstoffeinspritzvorrichtung (für SCR-Anwendungen) vorgesehen ist. Diese wird dann üblicherweise stromaufwärts eines Verbindungselements angeordnet, welches die Abgasströme aus den beiden Abgasrohren zusammenführt. Auch hier stellt sich das Problem, eine intensive Vermischung des Abgases mit dem eingebrachten Medium zu erreichen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, mit geringem Aufwand und hoher Zuverlässigkeit eine gleichmäßige Verteilung eines eingebrachten Mediums im Abgasstrom zu erreichen, insbesondere im Abgasstrom einer zwei- oder mehrflutigen Abgasanlage.
  • Erfindungsgemäß ist hierzu eine Baugruppe der eingangs genannten Art vorgesehen, mit einem ersten und einem zweiten Abgasrohr, von denen eines eine Vorrichtung zur Einbringung des Mediums aufweist, einem Verbindungselement, in das beide Abgasrohre unter Zusammenführung ihrer Abgasströme münden, und einen Störkörper, der in einen im Verbindungselement ausgebildeten Strömungskanal hineinragt und ihn vorzugsweise durchragt. Das Medium wird also zunächst dem Abgasstrom in einem der beiden Abgasrohre zugeführt und gelangt mit diesem in das Verbindungselement, in dem es zu einer Vermischung mit dem Abgasstrom aus dem zweiten Abgasrohr kommt. Dabei sorgt der Störkörper, der den gemeinsamen Strömungskanal durchragt, für eine Verwirbelung und eine besonders gute und zuverlässige Vermischung der beiden Abgasströme, so daß sich das Medium gleichmäßig im vereinigten Abgasstrom verteilt. Die erfindungsgemäße Baugruppe eignet sich insbesondere für eine zwei- oder mehrflutige Abgasanlage, wobei nur eine einzige Vorrichtung zur Einbringung des Mediums benötigt wird und dadurch Kosten gespart werden können. Sie kann jedoch in jeder Abgasanlage eingesetzt werden, deren Abgasstrom zumindest abschnittsweise auf zwei Rohre aufgeteilt wird (mehrflutige Abgasanlage).
  • Vorzugsweise erstreckt sich das erste Abgasrohr über den Mündungsbereich des zweiten Abgasrohrs hinaus in das Innere des Verbindungselements. Der Abgasstrom aus dem zweiten Abgasrohr trifft also zunächst auf die Wandung des ersten Abgasrohrs und wird dadurch gezwungen, den ersten Abgasstrom zu umschließen.
  • Insbesondere verjüngt sich das sich in das Verbindungselement erstreckende Ende des ersten Abgasrohrs, wodurch der Abgasstrom aus dem ersten Abgasrohr beschleunigt wird.
  • Eine besonders gute Vermischung der Abgasströme wird erreicht, wenn das sich in das Verbindungselement erstreckende Ende des ersten Abgasrohrs im Querschnitt tropfenförmig ausgebildet ist. Dabei zeigt die Spitze des „Tropfens" vorzugsweise zum Mündungsbereich des zweiten Abgasrohrs.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist der Störkörper langgestreckt und durchsetzt den Strömungskanal quer zur Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms. Dabei kann der Störkörper senkrecht zu der durch das erste und das zweite Abgasrohr gebildeten Ebene angeordnet oder leicht schräg in Strömungsrichtung des Abgasstroms gekippt sein.
  • Der langgestreckte Störkörper ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, wobei seine Grundfläche nicht kreisförmig sein muß.
  • Eine Verringerung des Strömungswiderstands bei gleichzeitig guter Vermischung der beiden Abgasströme ergibt sich, wenn sich die Grundfläche des Zylinders in Strömungsrichtung verbreitert. Auch eine Verjüngung könnte jedoch vorteilhafte Strömungsverhältnisse hervorrufen.
  • Um eine hohe Verwirbelung des Abgasstroms und dadurch eine besonders gleichmäßige Verteilung des Mediums zu erreichen, können im Strömungskanal mehrere Ablenkelemente angeordnet sein. Diese weisen vorzugsweise eine geringe thermisch wirksame Masse auf und heizen sich daher im heißen Abgasstrom schnell auf, weshalb im Fall eines flüssigen Mediums kleine Tröpfchen verdampft werden, wenn sie die Oberfläche der Ablenkelemente treffen. Größere Tropfen treffen auf die Oberfläche der Ablenkelemente und bersten aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie in viele kleine Tröpfchen, die ebenfalls zuverlässig verdampft werden. Dadurch wird verhindert, daß sich verbleibende Tropfen an den kälteren Wänden des abgasdurchströmten Verbindungselements bzw. der Rohre festsetzen oder das Substrat eines nachgeschalteten Katalysators schädigen.
  • Insbesondere sind die Ablenkelemente im wesentlichen trapezförmig ausgebildet, wobei ihr freies Ende verjüngt ist und ihre Fläche gegen die Strömung steht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ablenkelemente in Strömungsrichtung gesehen seitlich neben dem Störkörper angeordnet. Da der Strömungskanal im Bereich des Störkörpers eine „Engstelle" aufweist, ist auf diese Weise für eine besonders effektive Verwirbelung des Abgasstroms gesorgt.
  • Die Ablenkelemente können in Richtung der Längsachse des Störkörpers gesehen abwechselnd am Störkörper und an der Wandung des Verbindungselements angeordnet sein.
  • Insbesondere sind am Störkörper angeordnete Ablenkelemente stromaufwärts von an der Wandung angeordneten Ablenkelementen befestigt.
  • Die Ablenkelemente sind bevorzugt in Strömungsrichtung geneigt, wodurch sich ein geringerer Strömungswiderstand ergibt.
  • Insbesondere ist vorgesehen, daß das Verbindungselement auf seiner stromabwärtigen Seite mit wenigstens zwei Abgasrohren verbunden ist. Im Fall einer mehrflutigen, insbesondere einer zweiflutigen Abgasanlage findet also stromabwärts des Verbindungselements wieder eine Aufteilung in mehrere Abgasströme statt. Allgemein wirkt sich eine abschnittsweise Verbindung von ansonsten separaten Abgassträngen positiv auf die Abläufe in den Zylinderräumen aus.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Vorrichtung beispielsweise eine Harnstoffeinspritzvorrichtung oder eine Verdampfungsvorrichtung, etwa für Kraftstoff.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt:
  • 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Baugruppe, wobei diese teilweise durchscheinend dargestellt ist;
  • 2 eine Perspektivansicht der Baugruppe aus 1, wiederum teilweise durchscheinend dargestellt;
  • 3 eine weitere Perspektivansicht der Baugruppe aus 1, wiederum teilweise durchscheinend dargestellt; und
  • 4 eine Schnittansicht der Baugruppe längs der Linie IV-IV in 1.
  • Die 1 bis 4 zeigen eine erfindungsgemäße Baugruppe 10, die in einer mehrflutigen, hier zweiflutigen Abgasanlage eines nicht gezeigten Kraftfahrzeugs angeordnet ist und ein erstes Abgasrohr 12 sowie ein zweites Abgasrohr 14 aufweist, die jeweils in Richtung der Pfeile P1 von Abgas durchströmt werden. Die Abgasströme aus den beiden Abgasrohren 12, 14 werden in einem Verbindungselement 16 zusammengeführt, in dessen Innerem ein Strömungskanal 18 ausgebildet ist, der im wesentlichen in einer Hauptströmungsrichtung P2 vom Abgas durchströmt wird. Auf seiner stromabwärtigen Seite ist das Verbindungselement 16 mit zwei Abgasrohren 20, 22 verbunden, d. h. der zunächst zusammengeführte Abgasstrom aus dem Verbindungselement 16 teilt sich anschließend wieder auf zwei Teilströme auf. In jedem Abgasrohr 20, 22 ist wenigstens eine in den Figuren nicht gezeigte Abgasreinigungsvorrichtung in Form eines SCR-Katalysators oder eines Partikelfilters angeordnet.
  • Stromaufwärts des Verbindungselements 16 ist eine Vorrichtung 24 zur Einbringung eines Mediums vorgesehen, die als Harnstoffeinspritzvorrichtung oder Verdampfungsvorrichtung für Kraftstoff ausgebildet sein kann. Die Vorrichtung 24 ist wahlweise im ersten Abgasrohr 12 oder im zweiten Abgasrohr 14 angeordnet. In den Figuren ist exemplarisch eine Anordnung im ersten Abgasrohr 12 gezeigt.
  • Wie weiterhin aus den Figuren ersichtlich ist, weist das erste Abgasrohr 12 ein Ende 26 auf, das sich über den Mündungsbereich 28 des zweiten Abgasrohrs 14 hinaus in das Innere des Verbindungselements 16 erstreckt. Das Ende 26 verjüngt sich in Strömungsrichtung des Abgases, insbesondere ist es im Querschnitt tropfenförmig ausgebildet (siehe insbesondere 3). Die Spitze des Tropfens zeigt dabei zum Mündungsbereich 28 des zweiten Abgasrohrs 14 hin, d. h. der Tropfen ist „liegend" angeordnet. Durch die Verjüngung wird eine randseitige Beschleunigung des Abgasstroms aus dem ersten Abgasrohr 12 erreicht.
  • Im Strömungskanal 18 ist in etwa in der Mitte des Verbindungselements 16 (bezüglich der Richtung P2) ein langgestreckter zylindrischer Störköper 30 angeordnet, der den Strömungskanal 18 quer zur Hauptströmungsrichtung P2 durchragt. Insbesondere verläuft der Störkörper 30 senkrecht zu der durch die Abgasrohre 20 und 22 definierten Ebene. Die Grundfläche 31 des zylindrischen Störkörpers 30 verbreitert sich in Strömungsrichtung P2, so daß sich eine Art Oval ergibt. Wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist, ist der Störkörper 30 gegenüber der Mitte des Strömungskanals geringfügig verschoben, und zwar zu der Seite hin, in die das zweite Abgasrohr 14 mündet und zu der die Spitze der tropfenförmigen Querschnittsfläche des ersten Abgasrohrs 12 zeigt.
  • Im Strömungskanal sind in Strömungsrichtung P2 gesehen seitlich neben dem Störkörper 30 mehrere flügelartige Ablenkelemente 32 angeordnet, die im wesentlichen trapezförmig ausgebildet und in Strömungsrichtung P2 geneigt sind (siehe insbesondere 1 und 4). Bei der gezeigten Ausgestaltung sind auf jeder Seite des Störkörpers 30 drei Ablenkelemente 32 angeordnet, die in Richtung der Längsachse L des Störkörpers gesehen abwechselnd am Störkörper 30 und an der den Strömungskanal 18 begrenzenden Wandung 34 des Verbindungselements 16 befestigt sind. Dabei ist auf jeder Seite das mittlere Ablenkelement 32 am Störkörper 30 und stromaufwärts von den an der Wandung 34 angeordneten Ablenkelementen 32 befestigt. Sämtliche Ablenkelemente 32 sind um etwa 45° in Strömungsrichtung geneigt.
  • Im Betrieb der Abgasanlage wird von Zeit zu Zeit durch die Vorrichtung 24 ein Medium in den Abgasstrom des Abgasrohrs 12 eingebracht, das den stromabwärts des Verbindungselements 16 angeordneten Abgasreinigungsvorrichtungen zuge führt werden soll. Der Abgasstrom aus dem ersten Abgasrohr 12 gelangt aufgrund des verjüngten Endes 26 beschleunigt in das Verbindungselement 16 bzw. den Strömungskanal 18. Der Abgasstrom aus dem zweiten Abgasrohr 14 trifft zunächst auf das Ende 26 des ersten Abgasrohrs 12 und wird dadurch zu einer kreisenden Bewegung um das Ende 26 gezwungen. Der kombinierte Abgasstrom aus den beiden Abgasrohren 12, 14 trifft im Strömungskanal 18 auf den Störkörper 30 sowie die Ablenkelemente 32 und wird dadurch vermischt und verwirbelt. Auf diese Weise wird das eingebrachte Medium besonders gleichmäßig verteilt. Am stromabwärtigen Ende des Verbindungselements 16 erfolgt schließlich eine Aufteilung in zwei mit dem Medium angereicherte Teilströme in die Abgasrohre 20 und 22.

Claims (15)

  1. Baugruppe zur Vermischung eines Mediums mit dem Abgasstrom einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer mehrflutigen Abgasanlage, mit einem ersten und einem zweiten Abgasrohr (12, 14), von denen eines eine Vorrichtung (24) zur Einbringung des Mediums aufweist, einem Verbindungselement (16), in das beide Abgasrohre (12, 14) unter Zusammenführung ihrer Abgasströme münden, und einem Störkörper (30), der einen im Verbindungselement (16) ausgebildeten Strömungskanal (18) hineinragt und ihn vorzugsweise durchragt.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das erste Abgasrohr (12) über den Mündungsbereich (28) des zweiten Abgasrohrs (14) hinaus in das Innere des Verbindungselements (16) erstreckt.
  3. Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das sich in das Verbindungselement (16) erstreckende Ende (26) des ersten Abgasrohrs (12) verjüngt.
  4. Baugruppe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das sich in das Verbindungselement (16) erstreckende Ende (26) des ersten Abgasrohrs (12) im Querschnitt tropfenförmig ausgebildet ist.
  5. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Störkörper (30) langgestreckt ist und den Strömungskanal (18) quer zur Hauptströmungsrichtung (P2) durchsetzt.
  6. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Störkörper (30) zylindrisch ausgebildet ist.
  7. Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Grundfläche (31) des Zylinders in Strömungsrichtung verbreitert.
  8. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungskanal (18) mehrere Ablenkelemente (32) angeordnet sind.
  9. Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelemente (32) im wesentlichen trapezförmig ausgebildet sind.
  10. Baugruppe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß Ablenkelemente (32) in Strömungsrichtung (P2) gesehen seitlich neben dem Störkörper (30) angeordnet sind.
  11. Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelemente (32) in Richtung der Längsachse (L) des Störkörpers (30) gesehen abwechselnd am Störkörper (30) und an der Wandung (34) des Verbindungselements (16) angeordnet sind.
  12. Baugruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß am Störkörper (30) angeordnete Ablenkelemente (32) stromaufwärts von an der Wandung (34) angeordneten Ablenkelementen (32) befestigt sind.
  13. Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelemente (32) in Strömungsrichtung (P2) geneigt sind.
  14. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (16) auf seiner stromabwärtigen Seite mit wenigstens zwei Abgasrohren (20, 22) verbunden ist.
  15. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (24) eine Harnstoffeinspritzvorrichtung oder eine Verdampfungsvorrichtung ist.
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