DE102008052757B4 - Device for introducing a liquid into an exhaust gas flow - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Einbringen einer Flüssigkeit (2) in eine Abgasströmung (3) bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, – mit einem strömungsführenden Abschnitt (4) einer Abgasanlage (5) der Brennkraftmaschine, der einen Strömungspfad (10) für die Abgasströmung (3) bildet, – mit einem Anschlussstutzen (6), der mit dem strömungsführenden Abschnitt (4) kommunizierend verbunden ist, – mit einer Einspritzeinrichtung (8) zum Einspritzen der Flüssigkeit (2), die beabstandet vom strömungsführenden Abschnitt (4) am Anschlussstutzen (6) befestigt ist, so dass die Flüssigkeit (2) beim Einspritzen durch den Anschlussstutzen (6) in die Abgasströmung (3) gelangt, – wobei bezüglich der Abgasströmung (3) anströmseitig des Anschlussstutzens (6) ein Strömungshindernis (13) angeordnet ist, das zumindest in einem Umfangssegment, in dem sich auch der Anschlussstutzen (6) erstreckt, in den Strömungspfad (10) vorsteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungshindernis (13) entweder stationär ausgestaltet und so dimensioniert und positioniert ist, dass es bis zu einer vorbestimmten ersten Strömungsgeschwindigkeit der Abgasströmung (3) eine Anströmung einer Anschlussstelle (7), in der der Anschlussstutzen (6) an den strömungsführenden Abschnitt (4) angeschlossen ist, zulässt und dass es ab dieser Strömungsgeschwindigkeit oder ab einer höheren vorbestimmten zweiten Strömungsgeschwindigkeit die Abgasströmung von der Anschlussstelle (7) weglenkt, oder verstellbar ausgestaltet ist und zwischen einer Aktivstellung, in der es die Abgasströmung (3) von einer Anschlussstelle (7), in der der Anschlussstutzen (6) an den strömungsführenden Abschnitt (4) angeschlossen ist, weglenkt, und einer Passivstellung verstellbar ist, in der es eine Anströmung der Anschlussstelle (7) zulässt.Device for introducing a liquid (2) into an exhaust gas flow (3) in an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, with a flow-guiding section (4) of an exhaust system (5) of the internal combustion engine, which has a flow path (10) for the exhaust gas flow (3) forms, - with a connection piece (6) which is connected to the flow-guiding section (4) in a communicating manner, - with an injection device (8) for injecting the liquid (2), which is spaced from the flow-guiding section (4) on the connection piece (6) is attached so that the liquid (2) when injected through the connection piece (6) enters the exhaust gas flow (3), - with respect to the exhaust gas flow (3) on the inflow side of the connection piece (6) a flow obstacle (13) is arranged, which at least in a circumferential segment, in which the connecting piece (6) also extends, protrudes into the flow path (10), characterized in that the flow obstacle (13) either sta is designed and dimensioned and positioned in such a way that up to a predetermined first flow velocity of the exhaust gas flow (3) it allows a flow to a connection point (7) in which the connection piece (6) is connected to the flow-guiding section (4) and that From this flow rate or from a higher predetermined second flow rate, it directs the exhaust gas flow away from the connection point (7), or is designed to be adjustable and between an active position in which it removes the exhaust gas flow (3) from a connection point (7) in which the connection piece ( 6) is connected to the flow-guiding section (4), deflects it away, and is adjustable to a passive position in which it allows a flow to the connection point (7).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen einer Flüssigkeit in eine Abgasströmung bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer derartigen Vorrichtung.The present invention relates to a device for introducing a liquid into an exhaust gas flow in an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, having the features of the preamble of
Bei modernen Abgasanlagen ist es zur Durchführung chemischer Reaktionen erforderlich, ein flüssiges Edukt in die Abgasströmung einzubringen. Beispielsweise wird Ammoniak bzw. eine wässrige Harnstofflösung stromauf eines SCR-Katalysators in die Abgasströmung eingebracht, um im SCR-Katalysator Stickoxide umzusetzen. Des Weiteren kann es zum Aufheizen der Abgasströmung bzw. von Komponenten der Abgasanlage erwünscht sein, Kraftstoff in die Abgasströmung einzubringen, um diesen zum Beispiel an einen Oxidationskatalysator exotherm umzusetzen. Ebenso sind andere Anwendungen denkbar, bei denen eine Flüssigkeit in die Abgasströmung eingebracht werden soll. Für derartige Anwendungen kommen Vorrichtungen der eingangs genannten Art zum Einsatz. Sie umfassen üblicherweise einen strömungsführenden Abschnitt einer Abgasanlage, wobei dieser Abschnitt einen Strömungspfad für die Abgasströmung bildet. Ferner ist üblicherweise ein Anschlussstutzen vorgesehen, der mit dem strömungsführenden Abschnitt kommunizierend verbunden ist. Des Weiteren ist eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen der Flüssigkeit vorgesehen, zum Beispiel eine Einspritzdüse. Die Einspritzeinrichtung ist beabstandet vom strömungsführenden Abschnitt an besagtem Anschlussstutzen befestigt. Dementsprechend gelangt die eingespritzte Flüssigkeit durch den Anschlussstutzen in die Abgasströmung.In modern exhaust systems, it is necessary to carry out a chemical reaction to introduce a liquid reactant in the exhaust gas flow. For example, ammonia or an aqueous urea solution upstream of an SCR catalyst is introduced into the exhaust gas flow in order to convert nitrogen oxides in the SCR catalytic converter. Furthermore, it may be desirable for heating the exhaust gas flow or components of the exhaust system to introduce fuel into the exhaust gas flow in order to exothermically convert it, for example, to an oxidation catalytic converter. Likewise, other applications are conceivable in which a liquid is to be introduced into the exhaust gas flow. For such applications devices of the type mentioned are used. They usually comprise a flow-carrying section of an exhaust system, this section forming a flow path for the exhaust gas flow. Furthermore, a connecting piece is usually provided, which is communicatively connected to the flow-guiding portion. Furthermore, an injection device for injecting the liquid is provided, for example an injection nozzle. The injector is spaced from the flow-guiding portion attached to said spigot. Accordingly, the injected liquid passes through the connecting piece in the exhaust gas flow.
Einspritzeinrichtungen, insbesondere Düsen, die hierbei zum Einsatz kommen, sind üblicherweise nur bis zu einer bestimmten Maximaltemperatur, die beispielsweise bei etwa 150°C liegt, verwendbar. Bei höheren Temperaturen kann es zu einer thermischen Schädigung der jeweiligen Einspritzeinrichtung kommen. Bei zu niedrigen Temperaturen können sich im Anschlussstutzen Ablagerungen durch die eingespritzte Flüssigkeit bilden. Beispielsweise zerfällt eine eingespritzte flüssige Harnstoffwasserlösung in Isocyansäure und Wasser, wobei dann die Isocyansäure polymerisieren kann und einen festen, allmählich anwachsenden Belag bilden kann. Darüber hinaus variieren im Fahrzeugbetrieb die Abgastemperaturen in einem vergleichsweise weiten Bereich. Durch die Länge des Anschlussstutzens kann die Temperatur der Einspritzeinrichtung begrenzt werden. Wird beispielsweise ein vergleichsweise langer Anschlussstutzen vorgesehen, wird erreicht, dass die Einspritzeinrichtung auch bei Volllast der Brennkraftmaschine nicht überhitzt. Allerdings treten dann bei niedrigen Lastzuständen, die mit niedrigen Abgastemperaturen einhergehen, im Bereich der Einspritzeinrichtung vergleichsweise niedrige Temperaturen auf, wodurch sich das Risiko für die Bildung von störenden Ablagerungen erhöht. Verkürzt man den Anschlussstutzen, um das Risiko von derartigen Ablagerungen bei niedrigen Lastzuständen zu reduzieren, erhöht sich die Gefahr einer thermischen Beschädigung der Einspritzeinrichtung bei höheren Motorlasten. Parallel zur thermischen Ankopplung durch Konvektion ändert sich bei einem kurzen Anschlussstutzen auch der Stoffaustausch aus der Gasphase. Dies ist wichtig, da neben der Temperatur auch ein schneller Abtrabsport von Gasen, z. B. von gasförmiger Isocyansäure, für die Vermeidung von Ablagerungen vorteilhaft ist.Injection devices, in particular nozzles, which are used in this case, are usually only up to a certain maximum temperature, which is for example at about 150 ° C, used. At higher temperatures, thermal damage to the respective injection device may occur. If the temperatures are too low, deposits may form in the connecting piece due to the injected liquid. For example, an injected liquid urea water solution decomposes into isocyanic acid and water, in which case the isocyanic acid can polymerize and form a solid, gradually growing deposit. In addition, the exhaust gas temperatures vary in vehicle operation in a relatively wide range. The length of the connecting piece, the temperature of the injector can be limited. If, for example, a comparatively long connecting piece is provided, it is achieved that the injection device does not overheat even at full load of the internal combustion engine. However, at low load conditions associated with low exhaust gas temperatures, comparatively low temperatures then occur in the area of the injector, which increases the risk of formation of disturbing deposits. Shortening the port to reduce the risk of such deposits at low load conditions increases the risk of thermal damage to the injector at higher engine loads. Parallel to the thermal coupling by convection also changes the mass transfer from the gas phase with a short connection piece. This is important because in addition to the temperature and a faster Abtrabsport of gases, eg. As of gaseous isocyanic acid, for the prevention of deposits is advantageous.
Aus der
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Aus der
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Eine wassergekühlte Einspritzeinrichtung ist aus der
Die
Bei der
Die
Aus der
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bzw. für eine damit ausgestattete Abgasanlage eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass einerseits die Gefahr einer Überhitzung der Einspritzeinrichtung und andererseits die Gefahr von Ablagerungen reduziert ist.The present invention is concerned with the problem of providing an improved embodiment for a device of the type mentioned above or for an exhaust system equipped therewith, which is characterized in particular by reducing the risk of overheating of the injection device and the risk of deposits on the one hand ,
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Abgasströmung bei schädlichen Randbedingungen, insbesondere bei hohen Abgastemperaturen, mit Hilfe eines Strömungshindernisses so abzulenken, dass keine direkte Beaufschlagung bzw. Anströmung des Anschlussstutzens erfolgt. Hierdurch ist der Anschlussstutzen den heißen Abgasen nicht mehr direkt ausgesetzt, wodurch die thermische Belastung des Anschlussstutzens und somit der daran angeordneten Einspritzeinrichtung signifikant reduziert werden kann. In der Folge kann der Anschlussstutzen vergleichsweise kurz gebaut werden, ohne Überhitzungsgefahr für die Einspritzeinrichtung bei Volllast der Brennkraftmaschine. Bei niedrigen Lastzuständen ist jedoch eine direkte Anströmung des Anschlussstutzens möglich, so dass eine hinreichende Wärmeübertragung auf den Anschlussstutzen erreicht werden kann, um die Ausbildung von störenden Ablagerungen zu vermeiden.The invention is based on the general idea of diverting the exhaust gas flow under damaging boundary conditions, in particular at high exhaust gas temperatures, with the aid of a flow obstacle such that no direct admission or inflow of the connection nozzle takes place. As a result, the connecting piece is no longer directly exposed to the hot exhaust gases, whereby the thermal load of the connection piece and thus the injection device arranged thereon can be significantly reduced. As a result, the connecting piece can be built comparatively short, without risk of overheating the injector at full load of the internal combustion engine. At low load conditions, however, a direct flow of the connecting piece is possible, so that a sufficient heat transfer to the connecting piece can be achieved in order to avoid the formation of disturbing deposits.
Erreicht wird dies bei der Erfindung durch ein bezüglich des Anschlussstutzens anströmseitig angeordnetes Strömungshindernis, das in den Strömungspfad vorsteht.This is achieved in the invention by a respect to the connecting piece upstream arranged flow obstacle, which projects into the flow path.
Bei einer ersten erfindungsgemäßen Lösung ist das Strömungshindernis stationär ausgestaltet, also permanent vorhanden. Dabei ist es erfindungsgemäß so dimensioniert und positioniert, dass es bis zu einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit der Abgasströmung eine direkte Anströmung des Anschlussstutzens zulässt, während es oberhalb dieser vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit die Abgasströmung am Anschlussstutzen vorbeiführt, um eine direkte Beaufschlagung bzw. Anströmung des Anschlussstutzens zu vermeiden. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten kann die Abgasströmung das Hindernis mit einer vergleichsweise geringen Ablenkung umströmen, wobei sich die Abgasströmung stromab des Hindernisses relativ rasch wieder auf ihren ursprünglichen Querschnitt aufweiten kann. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto später kann sich die Abgasströmung wieder auf ihren ursprünglichen Querschnitt aufweiten. Durch gezielte Ausnutzung dieses Effekts kann der Anschlussstutzen gezielt in einem sogenannten „Totwasserbereich” der Abgasströmung stromab des Strömungshindernisses positioniert werden, wobei die in Strömungsrichtung gemessene Länge des Totwasserbereichs von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Bei oberhalb der vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit liegenden Strömungsgeschwindigkeiten erstreckt sich dieses Totwassergebiet bis über den gesamten Anschlussstutzen, das heißt, die Abgasströmung kann sich erst stromab des Anschlussstutzens wieder auf ihren ursprünglichen Querschnitt aufweiten.In a first solution according to the invention, the flow obstacle is designed to be stationary, ie permanently present. It is according to the invention dimensioned and positioned so that it allows a direct flow of the connecting piece up to a predetermined flow velocity of the exhaust gas, while above this predetermined flow velocity past the exhaust gas flow on the connection piece to avoid direct application or flow of the connecting piece. At low flow velocities, the exhaust gas flow may bypass the obstacle with a comparatively small deflection, whereby the exhaust gas flow downstream of the obstacle may relatively quickly expand back to its original cross-section. The higher the flow velocity, the later the exhaust gas flow can expand back to its original cross section. Through targeted utilization of this effect, the connection piece can be positioned in a targeted manner in a so-called "dead water area" of the exhaust gas flow downstream of the flow obstacle, wherein the length of the dead water area measured in the flow direction depends on the flow rate. At above the predetermined flow velocity flow velocities, this Totwassergebiet extends to over the entire connecting piece, that is, the exhaust gas flow can expand only downstream of the connecting piece back to its original cross-section.
Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Lösung ist das Strömungshindernis verstellbar ausgestaltet, so dass es zwischen einer Aktivstellung und einer Passivstellung verstellbar ist. In der Aktivstellung lenkt es die Abgasströmung vom Anschlussstutzen weg, während es in der Passivstellung die Anströmung des Anschlussstutzens zulässt. Das Strömungshindernis kann optional mittels einer Stellvorrichtung aktiv verstellbar ausgestalltet sein. Dieses aktiv verstellbare Strömungshindernis kann nun in Abhängigkeit grundsätzlich beliebiger Parameter verstellt werden. Denkbar ist beispielsweise eine Temperaturüberwachung der Einspritzeinrichtung. Ebenso kann das Strömungshindernis in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine betätigt werden. Beispielsweise ist das Strömungshindernis bei niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine in die Passivstellung verstellt, während es bei mittleren Lasten oder zumindest bei Volllast aktiviert wird. Ferner ist eine Überwachung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Temperatur der Abgasströmung denkbar, um das Strömungshindernis zu aktivieren bzw. zu deaktivieren.In a second solution according to the invention, the flow obstacle is made adjustable, so that it is adjustable between an active position and a passive position. In the active position, it directs the exhaust gas flow away from the connecting piece, while in the passive position, it allows the flow of the connecting piece. The flow obstacle may optionally be actively set by means of an adjusting device. This actively adjustable flow obstacle can now be adjusted depending on basically any parameters. It is conceivable, for example, a temperature monitoring of the injector. Likewise, the flow obstacle can be actuated depending on operating conditions of the internal combustion engine. For example, the flow obstruction is adjusted to the passive position at low loads of the internal combustion engine, while it is activated at medium loads or at least at full load. Furthermore, a monitoring of the flow velocity or the temperature of the exhaust gas flow is conceivable to activate or deactivate the flow obstacle.
Alternativ zu einem aktiv verstellbaren Strömungshindernis kann auch ein passiv verstellbares Strömungshindernis vorgesehen sein, das in Abhängigkeit der daran angreifenden, von der Abgasströmung erzeugten Strömungskräften zwischen seinen Schaltstellungen verstellt wird. Ein derartiges selbstschaltendes Strömungshindernis lässt sich einfacher realisieren als ein aktiv verstellbares Strömungshindernis und kann eine bessere Schaltcharakteristik als ein stationäres Strömungshindernis aufweisen. As an alternative to an actively adjustable flow obstruction, a passively adjustable flow obstruction may also be provided which is adjusted between its switching positions as a function of the flow forces acting thereon and generated by the exhaust gas flow. Such a self-switching flow obstruction can be realized more easily than an actively adjustable flow obstruction and can have a better switching characteristic than a stationary flow obstruction.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.
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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
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.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematischIt show, each schematically
Entsprechend den
Entsprechend
Entsprechend den
Bei den Ausführungsformen der
Im Unterschied dazu zeigt
Des Weiteren zeigt
Bei den Ausführungsformen der
Anstelle einer derartigen, in den
Bei der in den
Im Aktivzustand gemäß
Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist der strömungsführende Abschnitt
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