DE102007051510B4

DE102007051510B4 - Baugruppe zur Einbringung eines Reduktionsmittels in die Abgasleitung einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102007051510B4
Application number: DE102007051510.5A
Authority: DE
Inventors: Rolf Kaiser
Original assignee: Emcon Technologies Germany Augsburg GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2021-02-25
Anticipated expiration: 2027-10-30
Also published as: DE102007051510A1

Abstract

Baugruppe zur Einbringung eines Reduktionsmittels in die Abgasleitung (12) einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, miteinem Zuführstutzen (14), der in die Abgasleitung (12) mündet und eine Wandung (16) aufweist,einer Zuführeinrichtung (18) für Reduktionsmittel, die in den Zuführstutzen (14) mündet, dadurch gekennzeichnet, daßan der Wandung (16) des Zuführstutzens (14) innenseitig wenigstens eine vorstehende Rippe (20, 22, 25, 26) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur Einbringung eines Reduktionsmittels in die Abgasleitung einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
Zur Einhaltung umweltgesetzlicher Vorgaben müssen die Abgase z.B. von verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen einer Reinigung unterzogen werden. Insbesondere kommen zur Stickoxidminderung zunehmend sogenannte SCR-Katalysatoren (auch als Denitrierungskatalysatoren bezeichnet) zum Einsatz, die bei der Verbrennung im Motor erzeugte Stickoxide (NO_x) unter Zuhilfenahme von im SCR-Katalysator zwischengespeichertem Ammoniak (NH₃) selektiv zu Wasser und Stickstoff reduzieren. Die Bereitstellung des für die selektive katalytische Reduktion benötigten Ammoniaks erfolgt durch Thermolyse und Hydrolyse von Harnstoff, der dem Abgas für gewöhnlich in gelöster Form zugegeben wird.
Ein System zur Behandlung von Motorverbrennungsabgasen ist beispielsweise aus der EP 1 481 719 A2 bekannt. In diesem System wird zur Minderung von NOx Harnstoff als Reduktionsmittel eingesetzt, da dieser unabhängig von den Motorbetriebsbedingungen einfach zu handhaben ist. Im Abgasströmungskanal sind Verteiler angeordnet, um die Abgase in einen Einspritzverdampfer für die Harnstofflösung zu bringen, wodurch die Lösung durch Hitze zu Ammoniak umgewandelt wird. Dieses Ammoniak wird anschließend den Abgasen zugegeben.
Aus dem Stand der Technik bekannte Systeme nutzen also ein Einspritzventil, beispielsweise ein Niederdruck-Kraftstoffeinspritzventil, um wäßrige Harnstofflösung stromaufwärts eines SCR-Katalysators in die Abgasleitung einzubringen. Derartige Ventile erzeugen im Bereich der Ventilspitze einen feinen Nebel aus Harnstofflösung, der sich an der Wandung der Abgasleitung ablagern kann. Dies ist insbesondere im Niedriglast-Niedrigtemperatur-Betrieb der Verbrennungskraftmaschine problematisch, bei dem die Ablagerungen nicht wieder verdampft werden und so die Abgasleitung letztlich vollständig blockieren können.
Die Erfindung schafft eine Baugruppe zur Einbringung eines Reduktionsmittels in die Abgasleitung einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, durch die sich Reduktionsmittel-, insbesondere Harnstoffablagerungen vermeiden oder zumindest stark reduzieren lassen.
Dies wird durch eine Baugruppe erreicht, mit einem Zuführstutzen, der in die Abgasleitung mündet und eine Wandung aufweist, einer Zuführeinrichtung für Reduktionsmittel, die in den Zuführstutzen mündet, und wenigstens einer an der Wandung des Zuführstutzens innenseitig vorstehenden Rippe. Diese Rippe, die in die Reduktionsmittelströmung ragt, sorgt dafür und ist so angeordnet, dass ein Zurückdrängen des Reduktionsmittels in den Zuführstutzen durch das an der Stutzenmündung entlang strömende Abgas zumindest erschwert wird. Eine Rezirkulation des Reduktionsmittels im Zuführstutzen, die zu einer Ablagerung des Reduktionsmittels an der Wand, deren Korrosion und zu Störungen der Motorabgassteuerung führen kann, wird dadurch wirksam reduziert. Versuche haben gezeigt, dass die Reduktionsmittelablagerungen dramatisch reduziert werden können, z.T. sogar vollständig vermieden werden.
Die Wand selbst sowie die Rippen sind der Reduktionsmittelströmung unmittelbar ausgesetzt.
Wenn sich die Rippe senkrecht oder quer zur Längsachse des Stutzens erstreckt, bildet sie eine besonders wirksame Barriere gegen zu starke Rezirkulation.
Bevorzugt sollte sich die Rippe längs des Innenumfangs erstrecken, insbesondere umfangsmäßig durchgehend, als einwärts weisender, umlaufender Ring.
Zusätzlich oder alternativ hierzu können natürlich auch Längsrippen vorgesehen sein.
Die Rippe kann als separates, an der Innenseite der Wand befestigtes Teil ausgeführt sein, als angeformter, z.B. beim Gießen des Rohres hergestellter einstückiger Rohrabschnitt, oder sie kann durch plastisches Umformen der Wandung des Zuführstutzens gebildet sein.
Mehrere in Längsrichtung des Zuführstutzens beabstandete Rippen sorgen für eine noch bessere Verringerung der Rezirkulation.
Normalerweise ist der Zuführstutzen unter einem Winkel zur Abgasleitung angeordnet und besitzt einen entsprechend abgeschrägten Zwickelabschnitt, mit dem er an die Abgasleitung angekoppelt ist. Auch dieser Abschnitt wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform verwendet, um hier wenigstens eine Rippe vorzusehen.
Insbesondere ist der Zuführstutzen unter einem Winkel von 20° bis 70° zur Abgasleitung angeordnet, wodurch sich eine besonders günstige Verteilung des zugeführten Reduktionsmittels ergibt.
Um eine bessere Vermischung des zugeführten Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom zu erreichen, ist vorteilhaft stromabwärts des Zuführstutzens ein Mischelement in der Abgasleitung angeordnet, welches eine Verwirbelung des Abgasstroms bewirkt.
Die Abgasleitung kann im Bereich des Zuführstutzens eine Biegung von etwa 20° bis 70° aufweisen. Bevorzugt entspricht die Biegung der Abgasleitung in etwa dem Winkel zwischen der Abgasleitung und dem Zuführstutzen. Ebenso ist die Anordnung des Zuführstutzens an einem geradlinig verlaufenden Abschnitt der Abgasleitung möglich.
Wie bereits eingangs erwähnt, handelt es sich bei dem Reduktionsmittel insbesondere um wäßrige Harnstofflösung oder eine Lösung anderer ammoniakfreisetzender Substanzen. Die Erfindung ist jedoch auch im Falle von Kraftstoff als Reduktionsmittel mit Vorteil einsetzbar.
Eine besonders kostengünstige Ausgestaltung ergibt sich dadurch, daß die Zuführeinrichtung ein Einspritzventil, insbesondere ein Niederdruck-Kraftstoffeinspritzventil ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:

- 1 eine schematische Schnittansicht einer Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine Schnittansicht einer Baugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
- 3 eine perspektivische Ansicht der aufgeschnittenen Abgasleitung nach 2, wobei die Schnittebene stromabwärts der Zuführstutzens liegt und in den Zuführstutzen hineingesehen werden kann.

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Baugruppe 10 zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung 12 einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, Insbesondere handelt es sich um die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs. Der Abgasstrom in der Abgasleitung 12 ist mit S bezeichnet. Die Baugruppe 10 weist einen Zuführstutzen 14 auf, der vorzugsweise unter einem Winkel α zwischen 20° und 70°, hier etwa 60°, in die Abgasleitung 12 mündet. Die Wandung des Zuführstutzens 14 trägt das Bezugszeichen 16.
An dem der Abgasleitung 12 entgegengesetzten Ende des Zuführstutzens 14 ist eine Zuführeinrichtung 18 für Reduktionsmittel angeordnet, die in den Zuführstutzen 14 mündet und bei der es sich um ein Einspritzventil, hier ein Niederdruck-Kraftstoffeinspritzventil, handelt. Das Reduktionsmittel ist vorzugsweise wäßrige Harnstofflösung, die stromaufwärts eines in 1 nicht gezeigten SCR-Katalysators in die Abgasleitung 12 eingebracht wird. Abweichend von der gezeigten Ausgestaltung ist es nicht zwingend notwendig, eine Aufnahme für die Zuführeinrichtung 18 vorzusehen, letztere kann beispielsweise auch mit dem Zuführstutzen 14 verschweißt sein. Um bei der Einbringung der Harnstofflösung Harnstoffablagerungen zu vermeiden, weist die Wandung 16 innenseitig eine oder vorzugsweise mehrere axial voneinander beabstandete Rippen 20, 22 auf, die die Rezirkulation des in den Zuführstutzen 14 eingespritzten Reduktionsmittels innerhalb des Zuführstutzens 14 reduziert, so dass kaum Reduktionsmittelablagerungen auftreten. Mit kleinen Pfeilen ist in den 1 und 2 diese Rezirkulationsströmung dargestellt.
Die Rippe 20 ist umfangsmäßig durchgehend und verläuft wie ein einwärts weisender Ring. Vorliegend liegt diese Rippe 20 senkrecht oder leicht quer zur Längsachse des Zuführstutzens 14.
Der Zuführstutzen 14 hat einen umfangsmäßig durchgehenden Abschnitt, in dem die Rippe 20 liegt, und einen an die Krümmung der Abgasleitung 12 angepaßten Zwickelabschnitt 24, in dem eine weitere Rippe 22 liegt. Die Rippe 22 läuft aufgrund des umfangsmäßig nicht durchgehenden Zwickels folglich auch nicht als geschlossener Ring um.
Zusätzlich oder alternativ können auch weitgehend axial verlaufende Längsrippen 25 vorgesehen sein.
Um einem der Baugruppe 10 nachgeschalteten SCR-Katalysator das zur Entstickung benötigte Ammoniak zuzuführen, wird das Reduktionsmittel mit Hilfe der Zuführeinrichtung 18 in den Zuführstutzen 14 und dadurch in die Abgasleitung 12 eingespritzt, wobei die Rippen 20, 22 verhindern, dass sich der bildende feine Harnstoffnebel an der Wandung 16 ablagern kann.
Die 2 und 3 zeigen eine weitere, gegenüber 1 leicht abgewandelte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Baugruppe 10. Dabei tragen im folgenden gleiche oder funktionsgleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen, und es wird lediglich auf die Unterschiede zur bisher beschriebenen Baugruppe 10 eingegangen.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 sind drei axial voneinander beabstandete Rippen 20, 22, 26 vorgesehen, wobei die Rippen 22, 26 im Zwickelbereich 24 liegen und umfangsmäßig nicht geschlossen umlaufen. Zur verbesserten Vermischung des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom S ist stromabwärts der Mündung des Zuführstutzens 14 ein statisches Mischelement 30 in der Abgasleitung 12 angeordnet.
Die Abgasleitung 12 hat im Bereich des Zuführstutzens 14 eine Biegung, deren Winkel β ebenfalls zwischen 20° und 70°, hier 55°, beträgt. Aufgrund der Biegung der Abgasleitung 12 sowie der gewinkelten Anordnung des Zuführstutzens 14 zur Abgasleitung 12 wird das Mischelement 30 von der Reduktionsmittelströmung in etwa senkrecht angeströmt. Natürlich kann der Zuführstutzen 14 ebenso an einem geradlinig verlaufenden Abschnitt der Abgasleitung 12 angeordnet sein (nicht gezeigt).
Die Rippen 20, 22, 26 könnten alternativ aus umfangsmäßig voneinander beabstandeten Abschnitten gebildet sein, was für eine turbulentere Strömung sorgen würde.
Zur Herstellung der Rippen 20, 22, 26 sind verschiedene Verfahren denkbar. Beispielsweise könnten die Rippen 20, 22, 26 an der Innseite der Wandung 16 angeschweißt oder angelötet sein. Diese Ausführungsform könnte eine Rippe 28 aus einer Wendel (in unterbrochenen Linien dargestellt) aufweisen, die an die Wandung angeschweißt oder angelötet wird. Die Wendel kann auch in den Zwickelbereich hineinragen und an ihrem Ende frei in das Innere des Zuführstutzens 14 ragen (Wendel hat hier z.B. kleineren Durchmesser) und wie ein Lenkblech wirken. Ferner könnten sie bei der Herstellung bereits einstückig angeformt werden, z.B. beim Gießen des Zuführstutzens 14. Ferner könnten die Rippen 20, 22, 26 durch plastisches Umformen der Wandung 16 hergestellt werden.
Es liegt im Ermessen des Fachmanns, alle beschriebenen Merkmale sowohl einzeln wie auch in Kombination miteinander einzusetzen, um die erfindungsgemäße Aufgabe zu lösen.
Bezugszeichenliste

10: Baugruppe
12: Abgasleitung
14: Zuführstutzen
16: Wandung
18: Zuführeinrichtung
20: Rippe
22: Rippe
24: Zwickelabschnitt
25: Längsrippen
26: Rippe
28: Rippe
30: Mischelement
S: Abgasstrom
α: Winkel zwischen Zuführstutzen und Abgasleitung
β: Winkel der Biegung der Abgasleitung

Claims

Baugruppe zur Einbringung eines Reduktionsmittels in die Abgasleitung (12) einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Zuführstutzen (14), der in die Abgasleitung (12) mündet und eine Wandung (16) aufweist, einer Zuführeinrichtung (18) für Reduktionsmittel, die in den Zuführstutzen (14) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wandung (16) des Zuführstutzens (14) innenseitig wenigstens eine vorstehende Rippe (20, 22, 25, 26) vorgesehen ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippe (20, 22, 26) senkrecht oder quer zur Längsachse des Stutzens erstreckt.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippe (20, 22, 26) längs des Innenumfangs erstreckt.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippe (20) umfangsmäßig durchgehend, als umlaufender Ring nach innen erstreckt.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (20, 22, 25, 26, 28) durch Anformen oder plastisches Umformen der Wandung (16) des Zuführstutzens gebildet ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (28) eine Wendel ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Längsrichtung des Zuführstutzens (14) beabstandete Rippen (20, 22, 26) vorgesehen sind.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführstutzen (14) unter einem Winkel (a) zur Abgasleitung (12) angeordnet ist und einen entsprechend abgeschrägten Zwickelabschnitt (24) besitzt, mit dem er an die Abgasleitung (12) angekoppelt ist, wobei im Zwickelabschnitt (24) wenigstens eine Rippe (22, 25, 26, 28) vorgesehen ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführstutzen (14) unter einem Winkel (α) von 20° bis 70° zur Abgasleitung (12) angeordnet ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts des Zuführstutzens (14) ein statisches Mischelement (30) in der Abgasleitung (12) angeordnet ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (12) im Bereich des Zuführstutzens (14) eine Biegung von etwa 20° bis 70° aufweist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Reduktionsmittel um wäßrige Harnstofflösung handelt.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung (18) ein Einspritzventil, insbesondere ein Niederdruck-Kraftstoffeinspritzventil, ist.