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Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, insbesondere in einem eine Brennkraftmaschine aufweisenden Kraftfahrzeug, mit einem Abgaskanal und mit einem mindestens einen Einspritzstrahl in den Abgaskanal abgebenden Einspritzelement. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in einen Abgaskanal einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, wie sie oben beschrieben ist.
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Stand der Technik
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Abgasnachbehandlungsvorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere in einem eine Dieselbrennkraftmaschine aufweisenden Kraftfahrzeug wird einem Oxidationskatalysator die Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Nachbehandlung von Stickoxiden nachgeschaltet. In der Abgasnachbehandlungsvorrichtung wird, beispielsweise mittels einer Dosierpumpe, durch das Einspritzelement ein Reduktionsmittel in den Abgaskanal eingespritzt, das sich dort mit dem Abgas vermischt. Das in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung eingespritzte Reduktionsmittel reagiert in einem nachgeschalteten SCR-Katalysator, das heißt in einem selektiven katalytischen Reduktions-Katalysator mit den Stickoxiden zu Stickstoff. Somit kann die Konzentration der Stickoxide im Abgas erheblich verringert werden. Eine vollständige Umsetzung des Reduktionsmittels in dem SCR-Katalysator ist relevant, da sonst Reduktionsmittel als Schadstoff aus dem Kraftfahrzeug austreten kann. Eine Voraussetzung für die vollständige Umsetzung ist eine optimale Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas. Bei den Abgasnachbehandlungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik ist der Einspritzwinkel des Reduktionsmittels relativ zum Abgaskanal festgelegt. Das Reduktionsmittel wird dabei je nach Ausführungsform der Abgasnachbehandlungsvorrichtung entweder senkrecht oder schräg zu einer Abgasströmungsrichtung in den Abgaskanal eingespritzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung sieht vor, dass das Einspritzelement für eine Einstellung des Einspritzwinkels des Einspritzstrahls relativ zu dem Abgaskanal verlagerbar angeordnet ist. Das Einspritzelement ist hierbei insbesondere eine Düse, mittels der das insbesondere flüssige Reduktionsmittel eingespritzt wird. Die Verlagerbarkeit des Einspritzelements erlaubt hier vorteilhafterweise sowohl eine rotatorische als auch eine translatorische Bewegung. Durch die Einstellung des Einspritzwinkels relativ zu dem Abgaskanal wird eine Optimierung der Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas erzielt. Durch die Optimierung der Durchmischung wird eine Konzentration der Stickoxide im Abgas minimiert und/oder es wird Reduktionsmittel eingespart. Bei einer Montage der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist das Einspritzelement verlagerbar und somit der Einspritzwinkel einstellbar. Für unterschiedliche Bauformen des Abgaskanals ergibt sich ein unterschiedlicher optimaler Einspritzwinkel; der mit der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung einstellbar ist. Beispielsweise kann der Abgaskanal gerade oder in unterschiedlichen Krümmungsradien gekrümmt sein. Besonders bevorzugt ist das Einspritzelement auch während des Betriebs der Brennkraftmaschine und somit während des Betriebs einer Abgasanlage verlagerbar, so dass der Einspritzwinkel auch nach der Montage der Abgasanlage noch variabel einstellbar ist. Die variable Einstellung des Einspritzwinkels wird insbesondere mittels eines Aktors, der die Verlagerung des Einspritzelements bewirken kann, realisiert. Insbesondere ist eine Regelvorrichtung für einen Betrieb des Aktors vorgesehen, die besonders bevorzugt unter anderem Informationen eines Motorsteuergeräts verwertet.
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Bevorzugt ist es, dass das Einspritzelement um einen Drehpunkt schwenkbar gelagert ist. Mittels der Schwenkbarkeit des Einspritzelements ergibt sich eine Schwenkbarkeit des Einspritzstrahls und somit eine einfache Einstellbarkeit des Einspritzwinkels.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Drehpunkt innerhalb des Umrisses des Einspritzelements liegt. Alternativ ist es denkbar, dass der Drehpunkt außerhalb des Umrisses des Einspritzelements liegt, beispielsweise in einem Halteelement, das das Einspritzelement hält. Es ist insbesondere eine Veränderung des Einspritzwinkels um bis zu 15° relativ zu einer Ausgangsposition vorgesehen. Bevorzugt ist zur drehbaren Lagerung des Einspritzelements ein Gleitlager vorgesehen. Alternativ ist es denkbar, dass das Einspritzelement mittels eines Wälzlagers gelagert ist, zum Beispiel derart, dass das Einspritzelement an mindestens einer Stange befestigt ist, die drehbar an mindestens einem Stangenende in einem Kugellager gelagert ist, wobei mindestens ein mit dem Abgaskanal verbundenes, in einer festen Orientierung zum Abgaskanal vorliegendes Bauteil das Kugellager aufweist.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Einspritzelement mittels mindestens eines Kalottengleitlagers verlagerbar gehalten ist. Insbesondere ist das Einspritzelement an der dem Abgaskanal zugewandten Seite verlagerbar gehalten. Alternativ ist es denkbar, dass das Einspritzelement auf einer senkrecht zu dem Einspritzstrahl stehenden Achse an einer oder an zwei seiner Seiten verlagerbar gehalten ist oder an der von dem Abgaskanal abgewandten Seite.
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Besonders bevorzugt ist es, dass das Kalottengleitlager ein Kugelelement und ein Kapselelement aufweist, wobei das Einspritzelement dem Kugelelement und das Kapselelement dem Abgaskanal zugeordnet ist. Alternativ ist es denkbar, dass das Einspritzelement dem Kapselelement und das Kugelelement dem Abgaskanal zugeordnet ist. Das Kugelelement ist ein Bauteil, das eine kugelabschnittsförmige Ausbuchtung aufweist, dabei kann die Ausbuchtung massiv oder hohl ausgebildet sein. Das Kapselelement ist ein Bauteil, das eine kugelabschnittsförmige Aussparung aufweist, welche im Wesentlichen denselben Kugelradius wie die kugelabschnittsförmige Ausbuchtung des Kugelelements besitzt. Bevorzugt greift das Kugelelement in das Kapselelement ein, wobei diese gleitbar aneinander angeordnet sind. Das Kalottengleitlager weist insbesondere zwischen dem Kugelelement und dem Kapselelement ein Schmiermittel auf, das eine verbesserte Gleitfähigkeit bewirkt. Insbesondere ist das Schmiermittel hochtemperaturbeständig, beispielsweise ist es ein Hochtemperaturöl oder Graphit.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Kapselelement und/oder das Kugelelement als Dichtung, insbesondere als Glimmerdichtung, ausgebildet ist oder die Dichtung aufweist. Die Dichtung kann alternativ zu einem Glimmer aus einem anderen keramischen Material bestehen. Die Dichtung ist insbesondere zwischen dem Einspritzelement und dem Abgaskanal angeordnet. Besonders bevorzugt bildet das Kapselelement die Dichtung, an der das das Kugelelement aufweisende Einspritzelement gelagert ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass dem Abgaskanal eine Aufnahme zugeordnet ist, in der ein das Einspritzelement aufweisendes Halteteil zur Einstellung des Einspritzwinkels verlagerbar aufgenommen ist. Das Einspritzelement ist insbesondere mit dem Halteteil verbunden, beispielsweise daran festgeschraubt oder damit verlötet. Das Halteteil kann einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Bei der Variante des mehrstückigen Halteteils ist das Einspritzelement insbesondere in dem Halteteil eingeklemmt. Die Aufnahme ist eine Aussparung, die an einem einstückigen oder mehrstückigen Aufnahmeteil ausgebildet ist. Das Aufnahmeteil ist dabei mit dem Abgaskanal direkt oder mittels mindestens eines weiteren Teils verbunden.
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Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, dass die Aufnahme einen mit Durchspritzöffnung versehenen Boden aufweist, der das Kapselelement bildet. Die Durchspritzöffnung ist dabei an einem Teil des Bodens der Aufnahme insbesondere mittig ausgebildet, wobei das Kapselelement ringförmig an dem Boden ausgebildet ist. Insbesondere ist der Boden als Dichtung ausgebildet. Bei der Verlagerung des Halteteils an der Dichtung wird somit eine Dichtigkeit gewährleistet.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Aufnahme eine eine vorzugsweise gerundete Stufe ausbildende Querschnittserweiterung aufweist, in die ein vorzugsweise gerundeter Vorsprung des Halteteils eingreift. Die gerundete Stufe wird insbesondere von einer viertelkugelförmigen Aussparung ausgebildet. Der vorzugsweise gerundete Vorsprung des Halteteils ist insbesondere halbkugelförmig ausgebildet. Der Vorsprung kann einstückig oder mehrstückig mit dem Halteteil ausgebildet sein. Bei der Variante der mehrstückigen Ausbildung wird der Vorsprung insbesondere von einer kugelhälftenförmigen Hülse gebildet, die an dem Halteteil befestigt ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Querschnittserweiterung ein vorzugsweise mit gerundeter Flanke versehener Sprengring zugeordnet ist, wobei der Vorsprung zwischen Stufe und Sprengring liegt. Der Sprengring fixiert in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung insbesondere das Halteteil axial in der Querschnittserweiterung der Aufnahme. Um die Verlagerbarkeit, insbesondere die Schwenkbarkeit, des Einspritzelements zu ermöglichen, weist der Sprengring als gerundete Flanke insbesondere eine viertelkugelförmige Aussparung auf. Diese Aussparung bildet besonders bevorzugt zusammen mit der gerundeten Stufe der Aufnahme eine halbkugelförmige Aussparung aus, in die der gerundete Vorsprung des Halteelements eingreift.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der Einspritzwinkel mindestens eines Einspritzstrahls des Reduktionsmittels eingestellt wird. Der Einspritzwinkel wird dabei relativ zu dem Abgaskanal und somit zu einer Abgasströmungsrichtung eingestellt. Dadurch wird eine optimale Einspritzung und somit eine optimale Durchmischung des Reduktionsmittels mit einem Abgas erzielt. Der Einspritzwinkel wird insbesondere um bis zu 15° relativ zu einer nicht verstellten Position verstellt. Das Reduktionsmittel dient einer Reduktion von Stickoxiden in dem Abgas. Dabei wird als Reduktionsmittel vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung, besonders bevorzugt eine 32%ige wässrige Harnstofflösung verwendet. Alternativ wäre auch eine wässrige Ammoniaklösung oder eine wässrige Lösung eines Ammoniumsalzes, wie Ammoniumcarbamat, oder ein anderes Reduktionsmittel denkbar.
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Eine Weiterbildung des vorteilhaften Verfahrens sieht vor, dass der Einspritzwinkel bei der Herstellung oder Montage der Abgasanlage auf einen vorgebbaren Wert fest eingestellt wird oder in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter, insbesondere einem Betriebszustand von Brennkraftmaschine und/oder Abgasanlage, variabel eingestellt wird. Eine feste Einstellung des Einspritzwinkels bei der Herstellung oder Montage ist sinnvoll, um den Einspritzwinkel insbesondere für eine vorliegende, beispielsweise gekrümmte oder gerade Bauform des Abgaskanals optimal einzustellen. Nach der Einstellung des Einspritzwinkels wird das Einspritzelement insbesondere mittels mindestens einer Feststellungsvorrichtung fixiert. Bei einer variablen Einstellung in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter erfolgt die Einstellung des Einspritzwinkels insbesondere während eines Betriebs eines Kraftfahrzeugs, das die Brennkraftmaschine und die Abgasanlage aufweist. Bevorzugt wird als Parameter ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Lastbetrieb der Brennkraftmaschine, eine Zusammensetzung des verbrannten Gemisches oder die Temperatur der Brennkraftmaschine berücksichtigt. Besonders bevorzugt ist der Parameter ein Betriebszustand der Abgasanlage, der wiederum auch von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängt. Beispielsweise ist ein Betriebszustand der Abgasanlage die Temperatur der Abgasanlage, das durchströmende Volumen des Abgases oder die Zusammensetzung des Abgases.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung in einer Ausgangsposition, und
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2 die Abgasnachbehandlungsvorrichtung in einer verlagerten Position.
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Die 1 zeigt eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 mit einem Einspritzelement 2 und einem Abgaskanal 3. Das Einspritzelement 2 ist als Düse 4 ausgebildet, durch die ein Reduktionsmittel 5 in Pfeilrichtung in den Abgaskanal 3 einspritzbar ist. Die Düse 4 weist eine darin verlagerbare Nadel 36 zum Verschließen einer Einspritzöffnung 37 auf. Das Reduktionsmittel 5 dient einer Reduktion von Stickoxiden in einem Abgas 6 in dem Abgaskanal 3 einer Abgasanlage 7. Ein Einspritzstrahl 8, der das Reduktionsmittel 5 aufweist, bildet mit einer Abgasströmungsrichtung 9 in dem Abgaskanal 3 einen Einspritzwinkel 10, wobei die Abgasströmungsrichtung 9 parallel zu dem Abgaskanal 3 verläuft. Das Einspritzelement 2 ist in einem Halteteil 11 gehalten, das ein Bodenelement 12 und ein Mantelelement 13 aufweist, wobei das Bodenelement 12 das Einspritzelement 2 teilweise mit ausbildet. Zwischen dem Bodenelement 12 und einer Blechabschirmung 14 des Abgaskanals 3 ist eine Dichtung 15, die vorteilhafterweise als Glimmerdichtung 16 ausgebildet ist, angeordnet. Die Dichtung 15 bildet zusammen mit einem Aufnahmeteil 17 eine Aufnahme 18 für das Halteteil 11 aus. Das Aufnahmeteil 17 kann dabei einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Die Aufnahme 18 weist an der Dichtung 15, die als Boden 19 der Aufnahme 18 ausgebildet ist, eine Durchspritzöffnung 20 für das Reduktionsmittel 5 auf. Die Aufnahme 18 weist eine Querschnittserweiterung 21 an dem Aufnahmeteil 17 auf. Die Querschnittserweiterung 21 weist eine gerundete Stufe 22 auf, die insbesondere von einer viertelkugelförmigen Aussparung 23 ausgebildet ist. In die Aussparung 23 greift ein gerundeter Vorsprung 24 des Halteteils 11 des Einspritzelements 2 ein. Der Vorsprung 24 ist insbesondere kugelhälftenförmig ausgebildet. Ein Sprengring 25 ist in der Querschnittserweiterung 21 der Aufnahme 18 angeordnet und dient einer axialen Fixierung des Halteteils 11 in der Aufnahme 18. Der Sprengring 25 weist eine gerundete Flanke 26 auf, die insbesondere von einer viertelkugelförmigen Aussparung 27 ausgebildet ist. Der Vorsprung 24 greift in die Aussparung 27 ein. Für eine Verlagerbarkeit, insbesondere eine Schwenkbarkeit, des Einspritzelements 2 ist das Halteteil 11 in einem Kalottengleitlager 28 an der Aufnahme 18 gelagert. Dabei ist die Dichtung 15 als Kapselelement 29 und das Bodenelement 12 des Halteteils 11 als Kugelelement 30 ausgebildet. Die Aufnahme 18 erweitert sich zweckmäßigerweise im Bereich in Spritzrichtung hinter der Querschnittserweiterung 21 zum Abgaskanal 3 hin auf beiden Seiten des Einspritzelements 2. Alternativ ist es vorteilhaft (hier nicht gezeigt), dass sich die Aufnahme 18 nur auf der den Vorsprung 24 aufweisenden Seite des Einspritzelements 2 erweitert und auf der anderen Seite in dem genannten Bereich parallel zum Einspritzelement 2 in seiner gezeigten Ausgangsposition verläuft, um vorzugsweise einen (Verschwenk-)Anschlag für die Ausgangsposition zu bilden.
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Die 2 zeigt die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 gemäß 1. Im Unterschied zur 1 ist in der 2 eine verlagerte Position des Einspritzelements 2 gezeigt, in der das Einspritzelement 2 um einen Drehpunkt 31 gedreht angeordnet ist. Die Position des Einspritzelements 2 ist um einen Drehwinkel 32 verschieden von der Ausgangsposition in der 1. Dadurch ist der Einspritzwinkel 10 kleiner als in der 1. Das Halteteil 11 des Einspritzelements 2 ist an der Dichtung 15 verlagert angeordnet. Das Halteteil 11 greift in eine Aussparung 33 des Aufnahmeteils 17 ein. Des Weiteren ist der Vorsprung 24 des Halteteils 11 in der Aussparung 23 und in der Aussparung 27 verlagert angeordnet. Die Position des Halteteils 11 ist durch eine Feststellungsvorrichtung 34, die als Keil 35 ausgebildet ist, fixiert. Der Keil 35 erstreckt sich insbesondere zumindest teilweise ringförmig um das insbesondere im Wesentlichen zylindersymmetrische Halteteil 11.
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Im Folgenden soll die Funktion anhand eines Beispiels erläutert werden: Um den optimalen Einspritzwinkel 10 des Reduktionsmittels 5, bevorzugt einer Harnstoff-Wasser-Lösung, zu der Abgasströmungsrichtung 9 in dem Abgaskanal 3 einzustellen, wird das Einspritzelement 2 bei der Montage der Abgasanlage 7 in Abhängigkeit von der Bauform des Abgaskanals 3 um den Drehpunkt 31 verschwenkt. Dabei wird das Einspritzelement von der Ausgangsposition der 1 in die verschwenkte Position der 2 verlagert. Während der Verschwenkung gleitet das Bodenelement 12 des Halteteils 11 des Einspritzelements 2 als Kugelelement 30 des Kalottengleitlagers 28 auf der Dichtung 15, die das Kapselelement 29 des Kalottengleitlagers 28 ist. Mittels des Gleitens des Halteteils 11 auf der Dichtung 15 ist eine Abdichtung zwischen dem Einspritzelement 2 und dem Abgaskanal 3 während der Verschwenkung gewährleistet. Des Weiteren findet bei der Verschwenkung eine Verlagerung des Halteteils 11 in der Aufnahme 18 statt. Dabei wird der Vorsprung 24 des Halteteils 11 in einer Aussparung in der Aufnahme 18, die aus der Aussparung 23 und der Aussparung 27 gebildet ist, verlagert. Ferner greift die dem Abgaskanal 3 zugewandte Seite des Halteteils 11 in die Aussparung 33 ein. Um die Position des Einspritzelements 2 nach der Verschwenkung zu fixieren, wird der Keil 35 zwischen dem Halteteil 11 und dem Aufnahmeteil 17, das in einer festen Orientierung zum Abgaskanal 3 vorliegt, plaziert.
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Im Folgenden soll die Funktion anhand eines weiteren Beispiels erläutert werden: Um eine optimale Einspritzung des Reduktionsmittels 5 während eines Betriebs eines Kraftfahrzeugs, das eine Brennkraftmaschine und die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 aufweist, zu gewährleisten, wird der Einspritzwinkel 10 während des Betriebs des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter, insbesondere einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine und/oder der Abgasanlage 7, variabel eingestellt. Dabei ist der Betriebszustand insbesondere die Temperatur und/oder ein Lastbetrieb der Brennkraftmaschine und/oder die Temperatur der Abgasanlage 7 und/oder die Zusammensetzung des Abgases 6 in der Abgasanlage 7 und/oder das durch die Abgasanlage 7 durchströmende Volumen des Abgases 6. Die variable Einstellung des Einspritzwinkels 10 erfolgt mittels der Verlagerung des Einspritzelements 2, dabei zeigt die 2 ein Beispiel einer verlagerten Position des Einspritzelements 2. Für die variable Einstellung des Einspritzwinkels 10 ist ein Aktor, insbesondere ein Servomotor (hier nicht gezeigt), vorgesehen, der beispielsweise mit dem Keil 35 verbunden ist und diesen verlagern kann. Durch die Verlagerung des Keils 35 in Richtung des Einspritzelements 2 bewirkt der Servomotor eine Drehung des Einspritzelements 2 um den Drehpunkt 31 derart, dass eine Verkleinerung des Einspritzwinkels 10 erfolgt. Entsprechend bewirkt der Servomotor mittels der Verlagerung des Keils 35 in die dazu entgegengesetzte Richtung eine Drehung des Einspritzelements 2 derart, dass eine Vergrößerung des Einspritzwinkels 10 erfolgt. Hierzu ist beispielsweise weiterhin eine auf das Einspritzelement 2 wirkende Rückstellfeder (hier nicht gezeigt) oder dergleichen vorgesehen, gegen deren Federkraft das Einspritzelement 2 mittels des Servomotors in eine der Richtungen verlagert wird. Eine Einstellung des Servomotors zur Verlagerung des Keils 35 und somit zur variablen Einstellung des Einspritzwinkels 10 wird insbesondere von einem Servoregler (hier nicht gezeigt) geregelt, wobei die Regelung in Abhängigkeit von dem/den Parameter/n erfolgt.
