DE102007052262B4

DE102007052262B4 - Einrichtung zum Mischen und/oder Verdampfen eines Reduktionsmittels sowie Einrichtung zur Beaufschlagung eines Abgasstroms mit einem Reduktionsmittel

Info

Publication number: DE102007052262B4
Application number: DE102007052262.4A
Authority: DE
Inventors: Klaus Schönberger; Dr. Tangemann Rüdiger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2027-11-03
Also published as: DE102007052262A1

Abstract

Einrichtung (100) zum Mischen eines Reduktionsmittels mit einem und/oder zum Verdampfen eines Reduktionsmittels in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine umfassend eine im Abgaskanal (102, 202) angeordnete, abgasdurchströmbare, reduktionsmittelbeaufschlagbare und asymmetrisch aufgebaute Struktur (114, 214) mit mehreren Leitelementen (116, 118, 216, 218), dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (114, 214) ein Gitter mit zwei Scharen von orthogonalen Gitterstegen und von den Gitterstegen getragenen, sich stromabwärts erstreckenden Leitelementen (116, 118, 216, 218) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Mischen eines Reduktionsmittels mit einem und/oder zum Verdampfen eines Reduktionsmittels in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine umfassend eine im Abgaskanal angeordnete, abgasdurchströmbare, reduktionsmittelbeaufschlagbare und asymmetrisch aufgebaute Struktur mit mehreren Leitelementen sowie eine Einrichtung zur Beaufschlagung eines Abgasstroms mit einem Reduktionsmittel.
Bei der selektiven katalytischen Reduktion oder SCR (Selective Catalytic Reduction) wird zur Verminderung des Stickoxidanteils im Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kohlenwasserstoffbetriebenen Brennkraftmaschinen, wie diesel- oder benzinbetriebenen Brennkraftmaschinen, aber auch von gasbetriebenen Brennkraftmaschinen, wie wasserstoffbetriebenen Brennkraftmaschinen, eine Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrang zudosiert. Der Harnstoff der eingedüsten Lösung wird im Abgasstrang selbst oder in einem ggf. im Abgasstrang angeordneten Hydrolysekatalysator zu Ammoniak (NH₃) umgesetzt, das die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NO_X) in einem nachgeschalteten SCR-Katalysator unter Bildung von Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) reduziert. Da die Stickoxide (NO_X) auf diese Weise nahezu vollständig aus dem Abgas entfernt werden können, lassen sich Brennkraftmaschinen mit einem relativ mageren Gemisch betreiben, was einen kraftstoffsparenden Betrieb der Brennkraftmaschinen ermöglicht. An Stelle einer Harnstoff- Wasser-Lösung können ggf. auch andere Ammoniak- oder Reduktionsmittel-Vorläufer zudosiert werden, aus denen unter den Bedingungen im Abgasstrang gasförmiges Ammoniak (NH₃) oder ein anderes zur Reduktion von Stickoxiden geeignetes Reduktionsmittel entsteht.
Um das gewünschte Ziel zu erreichen, ist jedoch eine homogene Verteilung des Reduktionsmittels im Abgas von großer Bedeutung. Wenn das Reduktionsmittel beim Eintritt in den SCR-Katalysator in Form von sogenannten „Stromfäden“ ungleichmäßig im Abgas verteilt ist, wird der SCR-Katalysator nicht gleichmäßig mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt, sodass es an einigen Stellen zu einem Reduktionsmitteldefizit und an anderen Stellen zu einem Reduktionsmittelüberschuss kommen kann. Dies führt an den zuerst genannten Stellen zu einer unvollständigen Umsetzung der Stickoxide (NO_X), während Ammoniak als Reduktionsmittel an den zuletzt genannten Stellen zum Auftreten von Ammoniakschlupf führen kann, das heißt zu einem Hindurchtritt des Ammoniaks durch den SCR-Katalysator und zu einem Austritt durch den Auspuff, was eine Geruchsbelästigung zur Folge hat.
Zur Lösung dieses Problems wird gemäß der DE 10 2005 063 081 A1 vorgeschlagen, in einem Abgaskanal stromab eines Dosiermoduls zum dosierten Einspritzen einer Harnstoff-Wasser-Lösung einen statischen Mischer anzuordnen, der durch Umlenkung und Verwirbelung des Abgasstroms für eine verbesserte Durchmischung des Abgases und des darin enthaltenen Reduktionsmittels sorgt. Außerdem soll der Mischer als Oberflächenverdampfer wirken, dessen Oberfläche gleichzeitig als Prallfläche für den Reduktionsmittel-Vorläufer dient. Der Mischer weist einen symmetrischen Aufbau auf, indem er gitterartig mit zwei Scharen von orthogonalen Gitterstegen und von den Gitterstegen getragene Leitschaufeln ausgestaltet ist, wobei die Leitschaufeln unter demselben Anstellwinkel zur Abgaskanalachse geneigt sind und reihenweise entgegengesetzte Neigungsrichtungen besitzen. Die Leitschaufeln sind im Wesentlichen gleich groß und weisen dieselbe Form auf, der Mischer weist in Abgaskanalachsrichtung über den Abgaskanalquerschnitt einen konstanten Durchtrittsweg auf. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die mit dem bekannten Mischer erreichbaren NO_X-Umsätze im dynamischen Fahrzeugbetrieb nicht immer ausreichend sind. Außerdem bilden sich an der Abgasanlage im Inneren des Abgaskanals Wandfilme der Harnstoff-Wasser-Lösung durch direktes Auftreffen von Harnstoff-Wasser-Lösungs-Teilstrahlen an die Innenwand des Abgaskanals stromab des Mischers, indem der Mischer bereichsweise „durchspritzt“ wird und der bekannte Mischer bedingt im Abgaskanal einen hohen Druckverlust, der zur Reduktion der Brennkraftmaschinenleistung führt.
Aus der US 2007/0036694 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem bekannt, das eine Harnstoff-Wasser-Lösung nutzt. Der US 2007/0036694 A1 zufolge wird die Harnstoff-Wasser-Lösung entlang einer Richtung einer Abgasströmung in einen Abgaskanal eingespritzt. In einem Bereich des Abgaskanals sind poröse Platten in mehreren Stufen unterschiedlich geneigt angeordnet, sodass Tröpfchen der eingespritzten Harnstoff-Wasser-Lösung nacheinander auf die porösen Platten aufprallen, bevor sie eine Wandoberfläche des Abgaskanals erreichen. Oberflächen der porösen Platten, an denen die Tröpfchen aufprallen, sind bezogen auf die Abgasströmung stomabwärts gerichtet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine eingangs genannte Einrichtung bereitzustellen, mit der ein Durchspritzen auch von Teilstrahlen der Harnstoff-Wasser-Lösung wirksam vermieden ist und welche einen minimierten Strömungswiderstand im Abgaskanal darstellt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei die Struktur ein Gitter mit zwei Scharen von orthogonalen Gitterstegen und von den Gitterstegen getragenen, sich stromabwärts erstreckenden Leitelementen aufweist. Dadurch wird bei Verwendung einer zum Abgaskanal asymmetrisch angeordneten Reduktionsmittelzuführeinrichtung der Tatsache Rechnung getragen, dass die Teilstrahlen der Harnstoff-Wasser-Lösung unter unterschiedlichen Winkeln auftreffen und ein Durchspritzen auch von Teilstrahlen der Harnstoff-Wasser-Lösung wirksam vermieden, sodass eine gleichmäßige Verteilung der Harnstoff-Wasser-Lösung im Abgaskanal ohne Bildung von Wandfilme an der Innenwand des Abgaskanals stromab der Struktur und damit eine vollständige Umsetzung der Stickoxide (NO_X) bei gleichzeitiger Vermeidung eines Ammoniakschlupfs gewährleistet ist.
Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einer Einrichtung zur Beaufschlagung eines Abgasstroms mit einem Reduktionsmittel, wobei die Einrichtung eine zum Abgaskanal asymmetrisch angeordnete Reduktionsmittelzuführeinrichtung und eine derartige Einrichtung aufweist.
Besonders zu bevorzugende Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorzugsweise ist die Asymmetrie der Struktur durch unterschiedliche Anstellwinkel der Leitelemente erreicht, was insbesondere eine optimierte Zerstäubung gewährleistet. Alternativ oder zusätzlich wir erfindungsgemäß die Asymmetrie der Struktur insbesondere zur Optimierung der Verdampfung der Harnstoff-Wasser-Lösung durch unterschiedliche Größe der Leitelemente und/oder durch eine unterschiedliche Form der Leitelemente erreicht.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Leitelemente verstell- und/oder verformbar sind, sodass eine Anpassung an den Massendurchsatz im Abgaskanal erfolgen kann, wobei es sich anbietet, dann die Leitelemente aus einem flexiblen Material wie Federstahl herzustellen oder Gelenkmechanismen vorzusehen.
Bevorzugt ist bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Verwendung mit einer zum Abgaskanal asymmetrisch angeordneten Reduktionsmittelzuführeinrichtung der asymmetrische Aufbau der Struktur an der Reduktionsmittelzuführeinrichtung orientiert.
Nachfolgend ist unter Bezugnahme auf Figuren ein besonders zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, dabei zeigen schematisch und beispielhaft

1 eine Einrichtung zur Beaufschlagung eines Abgasstroms mit einem Reduktionsmittel mit einer zum Abgaskanal asymmetrisch angeordneten Reduktionsmittelzuführeinrichtung und einem asymmetrisch aufgebauten Mischer/Verdampfer und
2 einen Schnitt entlang der in 1 mit A-A bezeichneten Linie.

1 zeigt eine Einrichtung 100 zur Beaufschlagung eines Abgasstroms a mit einem Reduktionsmittel 110 mit einer zum Abgaskanal 102 asymmetrisch angeordneten als Reduktionsmittel-Injektor ausgeführten Reduktionsmittelzuführeinrichtung 108 und einer asymmetrisch aufgebauten als Mischer/Verdampfer ausgeführten Struktur 114, ein Schnitt entlang der in 1 mit A-A bezeichneten Linie ist in 2 dargestellt.
Die Einrichtung 100 ist als Einbauteil zur Montage in einem von einem Abgasstrom a einer hier nicht näher gezeigten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs von einem Strömungseingang 104 zu einem Strömungsausgang 106 hin durchströmten Abgaskanal 102, 202 ausgeführt und zur Anordnung stromaufwärts eines SCR-Katalysators des Kraftfahrzeugs bestimmt, der zur Reduktion von im Abgas enthaltenen Stickoxiden (NO_X) durch Umsetzung mit Ammoniak (NH₃) unter Bildung von Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) dient.
Die als Reduktionsmittel-Injektor ausgeführte Reduktionsmittelzuführeinrichtung 108 ist von außen winklig in Abgasströmungsrichtung gerichtet am Angaskanal 102, 202 angeordnet, mittels einer Leitung mit einem Reduktionsmittel-Tank verbunden und wird unter Einbeziehung von Parametern der Brennkraftmaschine und/oder in einer Steuereinrichtung hinterlegter Parameter mittels einer Steuereinrichtung gesteuert, die baulich gesondert und mit einer Brennkraftmaschinensteuerung verbunden oder Teil einer Brennkraftmaschinensteuerung oder einer sonstigen Steuerung ist.
Mittels der als Reduktionsmittel-Injektors ausgeführten Reduktionsmittelzuführeinrichtung 108 ist eine Harnstoff-Wasser-Lösung als Vorläufer für das zur Reduktion der Stickoxide (NO_X) im Katalysator benötigte Ammoniak (NH₃) stromaufwärts vom Katalysator gleichförmig dem Abgasstrom a zudosierbar. Die als Mischer/Verdampfer ausgeführte Struktur 114, 214 dient zur Zerstäubung und Verdampfung der zudosierten Harnstoff-Wasser-Lösung und zu Unterstützung bzw. Beschleunigung deren Umsetzung zu Ammoniak und gleichzeitig zur gleichförmigen Verteilung des erzeugten Ammoniaks im Abgasstrom.
Die als Mischer/Verdampfer ausgeführte Struktur 114, 214 umfasst ein sich über zumindest annähernd den gesamten Abgaskanalquerschnitt erstreckendes Gitter mit zwei Scharen von orthogonalen Gitterstegen und von den Gitterstegen getragene, sich stromabwärts erstreckende Strömungsleitelemente 116, 118, 216, 218. Dabei sind alternierend in Abgaskanalachsrichtung gerichtete gerade Strömungsleitelemente 118, 218 sowie gebogene Strömungsleitelemente 116, 216 vorgesehen. Temperaturbedingt wirken die Strömungsleitelemente 116, 118, 216, 218 der als Mischer/Verdampfer ausgeführten Struktur 114, 214 nicht nur als Zerstäuber und Mischer, sondern auch als Verdampfer.
Die gebogenen Strömungsleitelemente 116, 216 setzen in ihrem dem Gitter zugeordneten Wurzelbereich in Abgaskanalachsrichtung an und ihre stromabwärts gerichteten Enden sind in Richtung der Abgaskanal-Innenwand gebogen. In radialer Richtung sind die Strömungsleitelemente 116, 216 in Richtung der als Reduktionsmittel-Injektor ausgeführten Reduktionsmittelzuführeinrichtung 108 gebogen und bilden so einzelne Prallbleche zur Zerstäubung einzelner Harnstoff-Wasser-Lösungs-Teilstrahlen 120 des von der als Reduktionsmittel-Injektor ausgeführten Reduktionsmittelzuführeinrichtung 108 ausgehenden Reduktionsmittel-Sprühkegels 110.
Mittels der geraden Strömungsleitelemente 118, 218 ist ein Durchspritzen einzelner Harnstoff-Wasser-Lösungs-Teilstrahlen 120 zwischen den gebogenen Strömungsleitelementen 116, 216 hindurch verhindert, indem diese in Abgaskanalachsrichtung länger als die gebogenen Strömungsleitelementen 116, 216 ausgeführt sind. Dabei weisen die in radialer Richtung der als Reduktionsmittel-Injektor ausgeführten Reduktionsmittelzuführeinrichtung 108 zugewandten geraden Strömungsleitelemente 118, 218 eine zunehmend größere Länge auf als die in radialer Richtung der als Reduktionsmittel-Injektor ausgeführten Reduktionsmittelzuführeinrichtung 108 abgewandten Strömungsleitelemente 118, 218, sodass nicht nur Harnstoff-Wasser-Lösungs-Teilstrahlen 120, die zwischen den gebogenen Strömungsleitelementen 116, 216 hindurch in einem vergleichsweise spitzen Winkel auf die als Mischer/Verdampfer ausgeführte Struktur 114, 214 treffen, zerstäubt und verdampft werden, sondern auch Harnstoff-Wasser-Lösungs-Teilstrahlen 120, die zwischen den gebogenen Strömungsleitelementen 116, 216 hindurch in einem vergleichsweise stumpfen Winkel auf die als Mischer/Verdampfer ausgeführte Struktur 114, 214 treffen. Die als Mischer/Verdampfer ausgeführte Struktur 114, 214 wird so auch von einzelnen Harnstoff-Wasser-Lösungs-Teilstrahlen 120 nicht durchspritzt, er ist „durchspritzungsdicht.“
Insbesondere für den Fall, dass aufgrund dieser optimierten Ausgestaltung der als Mischer/Verdampfer ausgeführten Struktur 114, 214 eine zu starke Abkühlung erfolgt und dadurch der Verdampfungswirkungsgrad zu stark reduziert wird, kann eine Beheizung der als Mischer/Verdampfer ausgeführten Struktur 114, 214 vorgesehen sein, beispielsweise mittels einer elektrischen Widerstandsheizung.
Insbesondere aufgrund der in Abgaskanalachsrichtung gerichteten geraden Strömungsleitelemente 118, 218 stellt die als Mischer/Verdampfer ausgeführte Struktur 114, 214 gegenüber bekannten Einrichtungen einen stark verringerten Strömungswiderstand dar, sodass die Leistung der Brennkraftmaschine wenn überhaupt nur unwesentlich verringert ist.
Gegebenenfalls ist die als Mischer/Verdampfer ausgeführte Struktur 114, 214 zumindest bereichsweise mit einer katalytischen Beschichtung versehen, die bei den im Angasstrang herrschenden Temperaturen eine vollständige Umsetzung von Harnstoff durch Hydrolyse in seine Folgeprodukte sicherstellt.

Claims

Einrichtung (100) zum Mischen eines Reduktionsmittels mit einem und/oder zum Verdampfen eines Reduktionsmittels in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine umfassend eine im Abgaskanal (102, 202) angeordnete, abgasdurchströmbare, reduktionsmittelbeaufschlagbare und asymmetrisch aufgebaute Struktur (114, 214) mit mehreren Leitelementen (116, 118, 216, 218), dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (114, 214) ein Gitter mit zwei Scharen von orthogonalen Gitterstegen und von den Gitterstegen getragenen, sich stromabwärts erstreckenden Leitelementen (116, 118, 216, 218) aufweist.
Einrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der Struktur (114, 214) durch unterschiedliche Anstellwinkel der Leitelemente (116, 118, 216, 218) erreicht ist.
Einrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der Struktur (114, 214) durch unterschiedliche Größe der Leitelemente (116, 118, 216, 218) erreicht ist.
Einrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der Struktur (114, 214) durch unterschiedliche Form der Leitelemente (116, 118, 216, 218) erreicht ist.
Einrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (116, 118, 216, 218) verstell- und/oder verformbar sind.
Einrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung mit einer zum Abgaskanal (102, 202) asymmetrisch angeordneten Reduktionsmittelzuführeinrichtung (108), dadurch gekennzeichnet, dass der asymmetrische Aufbau der Struktur (114, 214) an der Reduktionsmittelzuführeinrichtung (108) orientiert ist.
Einrichtung zur Beaufschlagung eines Abgasstroms mit einem Reduktionsmittel, die Einrichtung aufweisend eine zum Abgaskanal (102, 202) asymmetrisch angeordnete Reduktionsmittelzuführeinrichtung (108), gekennzeichnet durch eine Einrichtung (100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.