DE102008046439A1 - Device for inserting medium for waste gas treatment for pollutant control equipment in exhaust gas flow guided in exhaust strand of internal combustion engine, has mixing chamber for mixing medium with exhaust gas flow - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einbringung eines Mediums zur Abgasbehandlung in einen in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine geführten Abgasstrom, mit einem als Mischkammer ausgebildeten Bereich des Abgasstrangs zur Vermischung des Mediums mit dem Abgasstrom, wobei die Mischkammer einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich für den Abgasstrom sowie einen Eintrittsabschnitt für das Medium aufweist.The The invention relates to a device for introducing a medium for exhaust gas treatment in one in an exhaust line of an internal combustion engine guided exhaust stream, with a designed as a mixing chamber Area of the exhaust gas line for mixing the medium with the exhaust gas flow, wherein the mixing chamber has an entrance area and an exit area for the exhaust gas flow and an inlet section for having the medium.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.Further The invention relates to a method for operating such Contraption.
Eine
derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der
Solche Vorrichtungen finden ihren Einsatz bei Abgasreinigungsanlagen von Kraftfahrtzeugen mit einem Dieselmotor.Such Devices are used in emission control systems of Motor vehicles with a diesel engine.
Auf Grund einer unvollkommenen Verbrennung enthält das Abgas eines Kraftfahrzeugs zusätzlich zu Kohlendioxid CO2, Wasser H2O, Sauerstoff O2 und Stickstoff N2 schädliche Komponenten wie unverbrannte bzw. teilverbrannte Kohlenwasserstoffe CnHm, Kohlenmonoxid CO, Stickoxide NOx und Partikel. Um die Menge der bereits benannten schädlichen Komponenten im Abgas von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, werden unterschiedliche Abgasnachbehandlungsmaßnahmen vorgenommen, wobei es sich versteht, dass bei modernen Pkw vor allem katalytische Verfahren zum Einsatz kommen.Due to imperfect combustion, the exhaust gas of a motor vehicle contains, in addition to carbon dioxide CO 2 , water H 2 O, oxygen O 2 and nitrogen N 2 harmful components such as unburned or partially combusted hydrocarbons C n H m , carbon monoxide CO, nitrogen oxides NO x and particles. In order to reduce the amount of harmful components already mentioned in the exhaust of motor vehicles, different exhaust aftertreatment measures are made, it being understood that in modern cars, especially catalytic processes are used.
Bei einem bekannten katalytischen Verfahren wird ein 3-Wege-Katalysator verwendet. Der 3-Wege-Katalysator kann jedoch nur bei Kraftfahrzeugen mit einem Ottomotor eingesetzt werden, da für das Verfahren ein nahezu konstantes Luft-Kraftstoff-Gemisch im stöchiometrischen Verhältnis (λ = 1) vorausgesetzt ist.at a known catalytic process is a 3-way catalyst used. However, the 3-way catalyst can only be used on motor vehicles be used with a gasoline engine, as for the process a nearly constant air-fuel mixture in the stoichiometric Ratio (λ = 1) is assumed.
Da der Dieselmotor prinzipbedingt mit Luftüberschuss arbeitet, ist bei Kraftfahrzeugen mit einem Dieselmotor die vom Ottomotor bekannte 3-Wege-Katalysatortechnologie zur Abgasreinigung nicht einsetzbar. Bei derartigen Kraftfahrzeugen werden die Abgasgrenzwerte für Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasserstoffe CnHm mit Hilfe von Oxidationskatalysatoren verringert, bei den die Oxidation von Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasserstoffen CnHm im Sauerstoffüberschuss (λ > 1) durchgeführt wird. Zur Einhaltung der Grenzwerte für Stickoxide NOx kann bei Kraftfahrzeugen mit einem Dieselmotor ein selektiv arbeitender SCR-Katalysator verwendet werden.Since the diesel engine inherently works with excess air, in motor vehicles with a diesel engine, the gasoline engine known 3-way catalyst technology for emission control can not be used. In such motor vehicles, the exhaust gas limit values for carbon monoxide CO and hydrocarbons C n H m are reduced by means of oxidation catalysts, in which the oxidation of carbon monoxide CO and hydrocarbons C n H m in excess oxygen (λ> 1) is performed. To comply with the limit values for nitrogen oxides NO x can be used in motor vehicles with a diesel engine, a selectively operating SCR catalyst.
Bei der SCR-Katalysatortechnologie wird ein Reduktionsmittel eingesetzt, das die Stickoxide NOx selektiv zum Stickstoff N2 reduziert. Für den Einsatz bei Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen wird ein System favorisiert, bei dem Harnstoff als ammoniak-abspaltende Vorstufe zur Anwendung kommt, der gesundheitlich völlig unbedenklich ist.SCR catalyst technology uses a reducing agent that selectively reduces the nitrogen oxides NO x to nitrogen N 2 . For use in internal combustion engines of motor vehicles, a system is favored in which urea is used as ammonia-splitting precursor to the application, which is completely harmless to health.
Bei SCR-Systemen wird der Harnstoff als wässrige Lösung oder in Pulverform direkt vor dem SCR-Katalysator mit dem zu behandelnden Abgas in Kontakt gebracht. Wenn Harnstoff als ammoniakabspaltende Vorstufe verwendet wird, wird zur dessen thermischen Zersetzung die Energie des Abgases genutzt. Der erste Reaktionsschritt (Thermolyse), bei dem der Harnstoff zu Ammoniak NH3 und Isocyansäure HNCO zerfällt, kann vollständig vor dem SCR-Katalysator ablaufen. Wird wässrige Harnstofflösung verwendet, muss zuvor noch das Wasser verdampft werden. Bei der anschließenden katalytischen Hydrolyse reagiert die Isocyansäure mit gasförmigem Wasser, das in dem Abgas vorliegt, zu Ammoniak NH3 und Kohlendioxid CO2.In SCR systems, the urea is brought into contact with the exhaust gas to be treated as an aqueous solution or in powder form directly in front of the SCR catalyst. When urea is used as the ammonia-releasing precursor, the energy of the exhaust gas is utilized for its thermal decomposition. The first reaction step (thermolysis), in which the urea decomposes into ammonia NH 3 and isocyanic acid HNCO, can proceed completely before the SCR catalyst. If aqueous urea solution is used, the water must first be evaporated. In the subsequent catalytic hydrolysis, the isocyanic acid reacts with gaseous water present in the exhaust gas to ammonia NH 3 and carbon dioxide CO 2 .
Um zum einen die Umwandlung des Harnstoffs in das Reduktionsmittel, Ammoniak NH3, zu begünstigen und zum anderen um die Reduktion von Stickoxiden NOx durch das aus dem Harnsstoff gewonnene Reduktionsmittel (NH3) zu beschleunigen, muss das dem Abgas zugeführte, Harnstoff aufweisende Medium mit dem Abgas vollständig vermischt werden. Hierzu kommen die eingangs genannten Vorrichtungen zum Einsatz.In order to promote the conversion of the urea into the reducing agent, ammonia NH 3 , and to accelerate the reduction of nitrogen oxides NO x by the reducing agent (NH 3 ) obtained from the urea, the urea-containing medium has to be added to the exhaust gas be completely mixed with the exhaust gas. For this purpose, the devices mentioned above are used.
Aus
der eingangs genannten
Es hat sich nun bei praktischem Einsatz herausgestellt, dass es bei herkömmlichen Vorrichtungen, die ein Vermischungselement aufweisen, das im Abgasstrom angeordnet ist, zu einer Behinderung des Abgasstroms kommen kann. Ferner kann bei Verwendung von herkömmlichen Vorrichtungen ein erheblicher Druckverlust entstehen. Dadurch wird der Gegendruck der Abgasreinigungsanlage erhöht und damit die Effizienz des Motors verschlechtert. Darüber hinaus hat es sich herausgestellt, dass die Vermischung des Reduktionsmittels mit dem zu behandelnden Abgas unvollständig sein kann, was dazu führt, dass die sehr schädlichen Stickoxide NOx nicht zum Stickstoff N2 reduziert werden und demnach in die Atmosphäre freigesetzt werden.It has now been found in practical use that it can come in conventional devices having a mixing element, which is arranged in the exhaust stream, to a hindrance of the exhaust gas flow. Furthermore, when using conventional devices, a significant pressure loss can occur. As a result, the back pressure of the emission control system is increased and thus the efficiency of the engine deteriorates. In addition, it has been found that the mixing of the reducing agent with the exhaust gas to be treated can be incomplete, which means that the very harmful nitrogen oxides NO x are not reduced to nitrogen N 2 and are therefore released into the atmosphere.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Stand der Technik weiterzuentwickeln, so dass auf eine konstruktiv einfache und wenig kostenaufwendige Weise eine vollständige Vermischung des zugeführten Mediums zur Abgasbehandlung mit dem zu behandelnden Abgas gewährleistet wird, ohne dass eine direkte Behinderung des Abgasstroms stattfindet.It is therefore an object of the present invention, the prior art continue to develop, leaving a constructively simple and little costly way of completely mixing the supplied medium for the exhaust gas treatment with the treated Exhaust gas is guaranteed without any direct obstruction the exhaust stream takes place.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.According to the invention the object with the features of the independent claims solved.
Hinsichtlich einer Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Mischkammer im Bereich zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich einen erweiterten Strömungsquerschnitt Q1 aufweist. Die Mischkammer weist zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich über einen Bereich mit einer Länge L1 in Hauptrichtung (H) des Abgasstroms einen gegenüber dem Strömungsquerschnitt Q2 erweiterten Strömungsquerschnitt Q1 mit einem Durchmesser Dmax auf. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Abgasstrangs im Bereich der Mischkammer zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich wird eine teilweise Rückströmung des Abgases erreicht, durch die eine verbesserte Vermischung des eingeführten Mediums mit dem Abgas erreicht wird, ohne dass eine Behinderung der Abgasströmung erfolgt.With regard to a device, it is provided that the mixing chamber has an extended flow cross section Q 1 in the area between the inlet area and the outlet area. The mixing chamber has between the input region and the output region over a region having a length L1 in the main direction (H) of the exhaust gas flow, a flow cross-section Q 1 with a diameter Dmax which is wider than the flow cross-section Q 2 . The inventive construction of the exhaust gas line in the region of the mixing chamber between the input area and the outlet area, a partial backflow of the exhaust gas is achieved, through which an improved mixing of the introduced medium with the exhaust gas is achieved, without obstructing the flow of exhaust gas takes place.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als erweiterter Abschnitt des Abgasstrangs besonders konstruktiv einfach und kostengünstig herstellbar.The Device according to the invention is as extended Section of the exhaust system particularly simple design and inexpensive produced.
Vorzugsweise ist zur Verbesserung der Vermischung von Medium und Abgas L1 > Dmax – D2 und optional L1 < 4·D2 gewählt. Die Mischkammer weist ferner über den Bereich mit der Länge L1 entlang einer x-Achse einen Durchmesser Dmin und entlang einer vorzugsweise zur x-Achse senkrechten y-Achse den Durchmesser Dmax auf, wobei Dmin < Dmax gilt.Preferably is to improve the mixing of medium and exhaust gas L1> Dmax - D2 and optional L1 <4 · D2 selected. The mixing chamber also has over the Area with the length L1 along an x-axis a diameter Dmin and along a preferably perpendicular to the x-axis y-axis the diameter Dmax, where Dmin <Dmax.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Länge L1 um einen Faktor 1.2, 1.5 oder 1.8 größer als die Differenz der maximalen Durchmesser der Querschnitte Q1 und Q2 ist.It is particularly preferred if the length L 1 is greater than the difference between the maximum diameters of the cross sections Q 1 and Q 2 by a factor of 1.2, 1.5 or 1.8.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Mischkammer stellt einen durch den Eingangsbereich und den Ausgangsbereich räumlich begrenzten Raum mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit bereit, in dem physikalisch-chemische Prozesse zwischen dem Medium zur Abgasbehandlung und dem zu behandelnden Abgas über eine längere Zeit stattfinden können. Durch eine Verlängerung der Einwirkungszeit des Mediums, beispielsweise Harnstoff als ammoniakabspaltende Vorstufe des Reduktionsmittels wird sichergestellt, dass die in dem Abgas vorliegenden Stickoxide NOx in einem stromab angeordneten SCR-Katalysator vollständig zum Stickstoff N2 reduziert werden können.The mixing chamber designed according to the invention provides a space with limited flow rate, which space is limited by the entrance area and the exit area, in which physicochemical processes between the medium for the exhaust gas treatment and the exhaust gas to be treated can take place over a longer time. By extending the exposure time of the medium, for example, urea as ammonia-releasing precursor of the reducing agent ensures that the present in the exhaust gas nitrogen oxides NO x can be completely reduced in a downstream SCR catalyst to nitrogen N 2 .
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Mischkammer in Bezug auf einen Strömungsquerschnitt des Eingangsbereichs und einen Strömungsquerschnitt des Ausgangsbereichs eine unsymmetrische Aufweitung auf.In advantageous embodiment of the invention, the mixing chamber with respect to a flow area of the entrance area and a flow area of the output area is an unbalanced one Expansion on.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das durchströmende Abgas vermehrt teilweise rückströmt.These Measure has the advantage that the flowing through Exhaust gas increasingly partially flows back.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein Querschnittswechselabschnitt von dem Strömungsquerschnitt des Eingangsbereichs zu dem erweiteten Strömungsquerschnitt der Mischkammer mit einem sprungartigen Verlauf in die Hauptrichtung des Abgasstroms vorgesehen.In Furthermore, an advantageous embodiment of the invention is a cross-sectional change section from the flow area of the entrance area to the extended flow cross-section of the mixing chamber with a provided jump-like course in the main direction of the exhaust stream.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein Querschnittswechselabschnitt von dem erweiteten Strömungsquerschnitt der Mischkammer zu dem Strömungsquerschnitt des Ausgangsbereichs mit einem sprungartigen Verlauf in die Hauptrichtung des Abgasstroms vorgesehen.In Furthermore, an advantageous embodiment of the invention is a cross-sectional change section from the expanded flow area of the mixing chamber to the flow area of the exit area with a provided jump-like course in the main direction of the exhaust stream.
Durch eine sprungartige Querschnittserweiterung bzw. Querschnittsverkleinerung kann eine noch weiter erhöhte Rückströmung des zu behandelnden Abgases in der Mischkammer und insbesondere in deren unsymmetrischer Aufweitung erzeugt werden, um das Medium zur Abgasbehandlung mit dem zu behandelnden Abgas zu vermischen.By a sudden cross-sectional enlargement or cross-sectional reduction can be an even higher backflow the exhaust gas to be treated in the mixing chamber and in particular are generated in their asymmetrical expansion to the medium for the treatment of exhaust gas to be mixed with the exhaust gas to be treated.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Eintrittsabschnitt für das Medium stromabwärts des Eingangsbereichs der Mischkammer angeordnet.In Furthermore, an advantageous embodiment of the invention is the inlet section for the medium downstream of the entrance area the mixing chamber arranged.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Eintrittsabschnitt eine Anschlussstelle für eine Eindosiervorrichtung für das Medium auf.In Furthermore, an advantageous embodiment of the invention, the inlet portion a connection point for a metering device for the medium up.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Anschlussstelle im Bereich der unsymmetrischen Aufweitung der Mischkammer angeordnet.In Furthermore, an advantageous embodiment of the invention is the connection point arranged in the region of asymmetrical widening of the mixing chamber.
Diese Maßnahmen haben einzeln oder in Kombination den Vorteil, dass durch die Einbringung des Mediums direkt in die Mischkammer, Bereiche mit einer turbulenten Strömung erzeugt werden, die zur Vermischung des Mediums mit dem Abgas beitragen. Ferner wird durch die reduzierte Strömungsgeschwindigkeit erzielt, dass die Einwirkungszeit zwischen dem Medium und dem zu behandelnden Abgas verlängert wird.These measures, individually or in combination, have the advantage that they are brought in by the introduction of the medium directly into the mixing chamber, regions with a turbulent flow are generated, which contribute to the mixing of the medium with the exhaust gas. Furthermore, it is achieved by the reduced flow rate that the exposure time between the medium and the exhaust gas to be treated is prolonged.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Eindosiervorrichtung derart angeordnet, dass die Einbringung des Mediums in die Mischkammer in die Hauptrichtung des Abgasstroms erfolgt.In Furthermore, an advantageous embodiment of the invention is the metering device arranged such that the introduction of the medium into the mixing chamber takes place in the main direction of the exhaust stream.
Ein derartig eingebrachtes Medium wird durch das rückströmende Abgas in die Hauptrichtung des Abgasstroms geleitet. Gleichzeitig wird es gegen das teilweise rückströmende Abgas geführt. Diese beiden Effekte unterstützen die Vermischung des Mediums mit dem Abgas.One such introduced medium is through the backflow Exhaust gas directed in the main direction of the exhaust stream. simultaneously it is against the partially backflowing exhaust gas guided. These two effects support the Mixing of the medium with the exhaust gas.
Darüber
hinaus bewirkt das rückströmende Abgas ein Spülen
der Anschlussstelle (
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Abgasstrang in einem stromabwärts des Ausgangsbereichs und beabstandet von diesem angeordneten Bereich einen erweiterten Strömungsquerschnitt auf. Vorzugsweise ist in diesem Bereich ein Reduktionskatalysator angeordnet.In Furthermore, an advantageous embodiment of the invention, the exhaust line in a downstream of the exit region and spaced from this region arranged an extended flow cross-section on. Preferably, in this area is a reduction catalyst arranged.
Vorgenannte Aufgabe wird – insbesondere in Verbindung mit vorgenannten Merkmalen – weiterhin durch eine Abgasreinigungsanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Abgasstrang, durch den ein zu behandelndes Abgas geführt ist oder führbar ist, mit zumindest einer Katalysatoreinrichtung mit abgasreinigender Funktion umfassend zumindest einen Reduktionskatalysator, dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorgesehen ist.The aforementioned Task is - especially in conjunction with the above Features - continue through an emission control system for an internal combustion engine, with an exhaust gas line, through which an exhaust gas to be treated is guided or feasible is, with at least one catalyst device with exhaust gas cleaning Function comprising at least one reduction catalyst, characterized solved that a device according to one of the claims 1 to 10 is provided.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist in der Abreinigungsanlage zumindest ein Oxidationskatalysator angeordnet.In Advantageous embodiment of the invention is in the cleaning system at least one oxidation catalyst arranged.
Die Aufgabe wird ferner mit einem Verfahren zur Einbringung eines Mediums zur Abgasbehandlung in einen in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine geführten Abgasstrom, bei dem eine Vermischung des Mediums mit dem Abgasstrom in einer Mischkammer des Abgasstrangs erfolgt. Die Mischkammer weist einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich für den Abgasstrom sowie einen Eintrittsabschnitt für das Medium auf, wobei das Abgas im Bereich der Mischkammer zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich in einem erweiterten Strömungsquerschnitt Q1 strömt, wobei im Bereich der Mischkammer eine Rückströmung im Abgas relativ zur Hauptströmungsrichtung (H) erfolgt.The object is further provided by a method for introducing a medium for the treatment of exhaust gas in a guided in an exhaust line of an internal combustion engine exhaust gas flow, in which a mixing of the medium with the exhaust gas flow takes place in a mixing chamber of the exhaust system. The mixing chamber has an inlet region and an outlet region for the exhaust gas flow and an inlet section for the medium, wherein the exhaust gas flows in the region of the mixing chamber between the inlet region and the outlet region in an enlarged flow cross section Q 1 , wherein in the mixing chamber a backflow in the exhaust gas relative to the main flow direction (H) takes place.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines ausgewählten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben und erläutert. Es zeigt:The Invention will be described below with reference to a selected embodiment described and explained in connection with the drawing. It shows:
In
In
dem Abgasstrang
Stromabwärts
des Oxidationskatalysators
Wie
insbesondere aus der vergrößerten Darstellung
in
Die
Mischkammer
Bei
dem in
Die
dargestellte Mischkammer
Ein
Querschnittswechselabschnitt zwischen Eingangsbereich
Die
Mischkammer
Der
Abgasstrang
Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung
wird nachfolgend in Zusammenhang mit
Von
der Verbrennungskraftmaschine
In
Bereich der Mischkammer
Wenn
als Medium Harnstoff in Pulverform verwendet wird, findet in der
Mischkammer
Da
in der Mischkammer
- 11
- Abgasreinigungsanlageemission control system
- 22
- VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
- 33
- Abgasstrangexhaust gas line
- 44
- Oxidationskatalysatoroxidation catalyst
- 55
- Vorrichtungcontraption
- 66
- Mischkammermixing chamber
- 77
- Eingangsbereichentrance area
- 88th
- Ausgangsbereichoutput range
- 99
- Aufweitungwidening
- 1010
- Längsachselongitudinal axis
- 1111
- Eintrittsabschnittentry section
- 1212
- Anschlussstellejunction
- 1313
- EindosiervorrichtungEindosiervorrichtung
- 1414
- BereichArea
- 1515
- Reduktionskatalysatorreduction catalyst
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 19922959 A1 [0003, 0011] - DE 19922959 A1 [0003, 0011]
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