DE102010049018A1

DE102010049018A1 - Stutzen zum Einbringen von Reduktionsmittel

Info

Publication number: DE102010049018A1
Application number: DE201010049018
Authority: DE
Inventors: Michael Wolf; Sascha Haverkamp; Thomas Groeschl; Andreas Lang; Stefan Kohrs
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-04-26
Also published as: WO2012052560A1; DE112011103529A5; DE112011103529B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stutzen 2 zum Anordnen an einer Öffnung 12 einer einen Abgasstrom führenden Abgasleitung 1 einer Abgasanlage und zum Einspritzen eines Reduktionsmittels. Das Reduktionsmittel wird über eine am Stutzen 2 montierte Einspritzdüse 3 in die Abgasleitung 1 eingespritzt. Der Stutzen 2 bildet einen um seine Mittelachse 20 umlaufenden, das Reduktionsmittel in die Abgasleitung 1 führenden und von der Einspritzdüse 3 bis an die Abgasleitung 1 geschlossenen Kanal 21. Die Verteilung des Reduktionsmittels soll verbessert werden. Hierzu weist der Stutzen 2 einen zumindest teilweise um den Kanal 21 umlaufenden Flanschkragen 23 auf und ragt mit dem Kanal 21 in die Abgasleitung 1 hinein.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stutzen zum Anordnen an einer Öffnung einer einen Abgasstrom führenden Abgasleitung einer Abgasanlage. Der Stutzen wird zum Einspritzen eines Reduktionsmittels verwendet, das über eine am Stutzen montierte Einspritzdüse in die Abgasleitung eingespritzt wird. Der Stutzen bildet einen um seine Mittelachse umlaufenden, das Reduktionsmittel in die Abgasleitung führenden und von der Einspritzdüse bis an die Abgasleitung geschlossenen Kanal.
Es ist bereits ein gattungsgemäßer Stutzen für eine Dosiervorrichtung aus der DE 10 2008 041 486 A1 bekannt. Neben dem Stutzen weist die Dosiervorrichtung eine Spülvorrichtung zur Spülung des Stutzens mit einem Hilfsfluid auf. Dabei wird als Hilfsfluid ein Teil des Abgases selbst verwendet. Ein Teil des Abgasmassenstroms wird aus dem Strömungsrohr über einen Einlauf in eine Spülleitung eingeleitet und über diese Spülleitung zu einer Mündungsstelle im oberen Bereich des Stutzens geführt. Die Spülleitung ist dabei teilweise separat von dem Stutzen ausgebildet. Der Einlauf ist stromaufwärts des Stutzens in dem Strömungsrohr angeordnet und derart ausgebildet, dass sich im Bereich des Einlaufs ein Staudruck des Abgases vor dem Einlauf bildet. Durch Einleiten des Abgases als Hilfsfluid in den Stutzen bildet sich innerhalb des Stutzens eine konvektive Strömung aus. Das schadstoffreduzierende Medium tritt aus dem Dosierventil aus und wird, sei es beispielsweise in flüssiger und/oder in gasförmiger Form, durch die konvektive Strömung rasch aus dem Stutzen abtransportiert. Der Stutzen selbst steht an dem der Einspritzdüse gegenüberliegenden Ende um den Kanal umlaufend auf der Abgasleitung auf und wird mit dieser verschweißt.
In der EP 1 748 162 A1 sind Lochbleche beschrieben, die in die Abgasleitung eingebracht sind und die Zerstäubung des Reduktionsmittels bewirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stutzen derart auszubilden und anzuordnen, dass das in die Abgasleitung eingespritzte Reduktionsmittel sich unter Einfluss der Strömung des Abgases möglichst schnell und gleichmäßig über den gesamten Querschnitt einer Abgasleitung verteilt.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Stutzen einen um den Kanal zumindest teilweise umlaufenden Flanschkragen aufweist und der Stutzen mit dem Flanschkragen auf die Öffnung aufsetzbar ist, wobei der Kanal in die Abgasleitung hinein ragt.
Hierdurch wird erreicht, dass nicht das gesamte Reduktionsmittel schon im Randbereich der Abgasleitung in die Abgasleitung eintritt und von der Abgasströmung erfasst und in Strömungsrichtung mitgeführt wird, sondern ein Großteil des Reduktionsmittels erst weiter im Inneren der Abgasleitung vor und hinter der mittleren Strömungsachse. Das Reduktionsmittel wird zwar teilweise schon im Randbereich der Abgasleitung vom Abgasstrom erfasst, jedoch in einer gegenüber dem relevanten Stand der Technik reduzierten Weise, weil der Abgasstrom in Strömungsrichtung durch den Kanal zunächst abgelenkt wird und somit das Reduktionsmittel nicht direkt, sondern im Strömungsschatten des Kanals erfasst.
Dadurch können die Vorteile eines im Randbereich der Abgasleitung breit gefächert eingespritzten Kegels von Reduktionsmittel und eines zentral in die Abgasleitung über eine Lanze punktförmig eingespritzten Strahls von Reduktionsmittel erfindungsgemäß kombiniert werden. Der breit gefächerte Kegel von Reduktionsmittel wird in die Rohrmitte eingebracht.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn zwischen der Mittelachse und einer mittleren Strömungsachse der Abgasleitung ein Winkel ms zwischen 25° und 65° gebildet wird. Eine gegenüber der Abgasleitung flache Ausrichtung des Kanals bewirkt, dass das Reduktionsmittel weniger stark von der Einspritzrichtung in die Strömungsrichtung abgelenkt werden muss und somit die auf Seiten des Reduktionsmittels strömungstechnischen Einflüsse auf die bevorzugte Verteilung in der Abgasleitung reduziert sind. Gleichzeitig wird durch den relativ zum Durchmesser der Abgasleitung breiten Auslassbereich des Kanals eine Verteilung des Reduktionsmittels über einen Großteil des Querschnitts der Abgasleitung schon zentral im Kanal erreicht. Durch diese Maßnahme kann die erforderliche Mischstrecke zur Verteilung des Reduktionsmittels in Strömungsrichtung gegenüber anderen Einspritzgeometrien verkürzt werden.
Entsprechend ist es vorteilhaft, dass der Kanal in radialer Richtung zur mittleren Strömungsachse um mindestens 30% eines Durchmessers Da der Abgasleitung in die Abgasleitung hinein ragt. Dadurch wird das Reduktionsmittel bis in die Mitte der Abgasleitung zur mittleren Strömungsachse hin eingebracht.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der in die Abgasleitung ragende Kanal einen Kanalabschnitt aufweist, der in Richtung einer Kanalwand eine Länge Lmax aufweist, die mindestens 80% eines maximalen Durchmessers Dmax der Öffnung entspricht. Strömungstechnisch ist ein langer Kanal vorteilhaft, weil sich die Abgasströmung entlang des Kanals ausbilden kann und die Möglichkeit besteht, den Kanal stärker durch das Abgas aufzuheizen.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Kanalabschnitt mit der Länge Lmax in radialer Richtung zur mittleren Strömungsachse unterhalb der Öffnung angeordnet ist. Dadurch werden Ablagerungen des Reduktionsmittels auf der dem Stutzen gegenüberliegenden Seite der Abgasleitung verhindert. Der Kanalabschnitt bildet eine Art Auffangschale für das Reduktionsmittel.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der in die Abgasleitung ragende Kanal regelmäßig oder unregelmäßig verteilte Bohrungen aufweist, die nach einem im Kanal erfassbaren Muster von speziellen Strömungsvektoren angeordnet sind. Durch die Bohrungen werden auf der Innenfläche des Kanals dort Strömungen in Richtung der Abgasleitung erzeugt, wo ohne solche Bohrungen Strömungen in Richtung der Einspritzdüse herrschen, die mit Strömungsvektoren abgebildet werden können. Zudem wird durch die Bohrungen ein Teil des Abgases in den Kanal geleitet und der Kanal innen aufgeheizt. Durch die erhöhte Temperatur im Kanal wird auch die Kristallisation des Reduktionsmittels verringert.
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn die Bohrungen in radialer Richtung zur Mittelachse oder in einem Winkel b zur radialen Richtung angestellt ausgerichtet sind. Die Ausrichtung der Bohrungen ist in erster Linie davon abhängig, welchen auf der Innenoberfläche wirkenden Strömungen in Richtung der Einspritzdüse entgegengewirkt werden muss. Je nach Orientierung des Strömungsvektors ist die jeweilige Bohrung mehr oder weniger angestellt.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn der in die Abgasleitung ragende Kanal zwischen 6 und 50 Bohrungen aufweist. Der Kanal dient als Führung für das Reduktionsmittel, sodass es zu vermeiden gilt, durch zu viele Bohrungen aus dem Kanal ein Lochblech zu gestalten, bei dem die Summe der Querschnitte der Bohrungen in etwa der verbleibenden Kanaloberfläche entspräche.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn der Kanal im Bereich des Kanalabschnitts unterhalb der Mittelachse frei von Bohrungen ist. Auch dadurch werden Ablagerungen des Reduktionsmittels auf der dem Kanal gegenüberliegenden Seite der Abgasleitung vermieden.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn in Strömungsrichtung des Abgases vor einer oder vor mehreren Bohrungen ein Spoiler am Kanal angeordnet ist, mit dem ein Teil des Abgasstroms abgezweigt und in die jeweilige Bohrung geleitet werden kann. Die durch die Bohrungen bewirkten Einflüsse auf die Strömung auf der Innenseite des Kanals werden durch den Spoiler verstärkt.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn eine Querschnittfläche Qk des Kanals am Ende des Stutzens in der Abgasleitung zwischen 30% und 80% einer Rohrquerschnittfläche Qa der Abgasleitung entspricht. Dabei ist die Rohrquerschnittfläche Qa der Abgasleitung in Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Stutzen maßgebend. Dadurch wird erreicht, dass ein schon relativ breiter Strom an Reduktionsmittel in die Rohrmitte der Abgasleitung eingeleitet wird und die weitere Verteilung des Reduktionsmittels über den gesamten Rohrquerschnitt auf einer relativ kurzen Mischstrecke ermöglicht wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
1 eine Seitenansicht eines an einer Abgasleitung angeordneten und in die Abgasleitung hinein ragenden Stutzens;
2 eine perspektivische Ansicht eines Stutzens mit einem Flanschkragen und Bohrungen im unteren Kanalabschnitt;
3 eine Draufsicht auf eine Abgasleitung mit einer Öffnung für einen Stutzen;
4 eine Schnittansicht des Stutzens gemäß 2;
5 eine Ansicht von unten auf den Stutzen gemäß 4;
6 eine perspektivische Ansicht des Stutzens gemäß 4.
In 1 ist ein Stutzen 2 dargestellt, der einen Kanal 21 zum Einleiten eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung 1 aufweist. Der Kanal 21 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch und kegelförmig zu seiner Mittelachse 20 ausgebildet. In den Kanal 21 ragt eine Einspritzdüse 3, über die das Reduktionsmittel in den Kanal 21 gespritzt wird. Die Einspritzdüse 3 ist in eine in 4 und 6 im Detail dargestellte Aufnahme 26 eingeschraubt.
An dem der Einspritzdüse 3 gegenüberliegenden Ende des Kanals 21 weist der Kanal 21 seinen größten Querschnitt Qk auf, dort tritt das Reduktionsmittel aus dem Stutzen 2 aus und in die Abgasleitung 1 ein. Der Stutzen 2 ist mit seiner Mittelachse 20 in einem Winkel ms von ca. 30° gegenüber einer mittleren Strömungsachse 11 der Abgasleitung 1 angestellt. Die mittlere Strömungsachse 11 bildet nach dem Ausführungsbeispiel in 1 die Mittelachse der Abgasleitung 1.
Der Stutzen 2 ist in einer in 3 von oben dargestellten Öffnung 12 in der Abgasleitung 1 angeordnet. Durch die sehr flache Anordnung des Stutzens 2 zu der Abgasleitung 1 weist die Öffnung 12 einen ovalen Querschnitt mit einem in Richtung der mittleren Strömungsachse 11 größten Durchmesser Dmax auf.
Der Stutzen 2 wird auf die Abgasleitung 1 aufgesetzt. Hierzu weist der Stutzen 2 wie in 2 und in den 4 bis 6 dargestellt einen Flanschkragen 23 auf, der in Umfangsrichtung um den Stutzen 2 in dem Bereich der Ebene der Öffnung 12 der Abgasleitung 1 umläuft. Mit dem Flanschkragen 23 wird der Stutzen 2 gegenüber der Abgasleitung 1 justiert und an der Abgasleitung 1 angeschweißt oder angelötet.
Der Kanal 21 ragt in Umfangsrichtung um den Kanal 21 mehr oder weniger weit in die Abgasleitung 1 hinein. Mit einem Kanalabschnitt 21a auf der Unterseite des Kanals 21 ist eine maximale Länge Lmax gegeben, um die der Kanal 21 in die Abgasleitung 1 hinein ragt. Dieser Kanalabschnitt 21a ragt in radialer Richtung über die mittlere Strömungsachse 11 hinweg nach unten um mehr als 50% eines Durchmessers Da der Abgasleitung 1 in die Abgasleitung 1 hinein.
Aufgrund der beschriebenen Geometrie ist die Länge Lmax größer als der maximale Durchmesser Dmax der Öffnung 12. Der Kanal 21 fängt somit die in Schwerkraftrichtung nach unten in Richtung der dem Stutzen 2 gegenüberliegenden Innenwand der Abgasleitung 1 orientierten Tröpfchen des Reduktionsmittels auf. Aufgrund der Temperatur des Stutzens 2 verdampft das Reduktionsmittel und eine Kristallisation an der Abgasleitung 1 wird verhindert.
Die gegenüber der Abgasleitung 1 flache Ausrichtung des Kanals 21 bewirkt auch, dass das Reduktionsmittel weniger stark von einer Einspritzrichtung E in eine Strömungsrichtung S des Abgases abgelenkt werden muss und somit die auf Seiten des Reduktionsmittels strömungstechnischen Einflüsse auf die bevorzugte Verteilung in der Abgasleitung 1 reduziert sind. Gleichzeitig wird durch die relativ zu einer Querschnittfläche Qa der Abgasleitung 1 große Querschnittfläche Qk des Kanals im Auslassbereich eine Verteilung des Reduktionsmittels über einen Großteil der Querschnittfläche Qa der Abgasleitung 1 schon zentral im Kanal 21 erreicht. In Strömungsrichtung S ist somit unmittelbar hinter dem Stutzen 2 ein Mischelement nicht dargestellt angeordnet.
Insgesamt können durch die Geometrie die Vorteile eines im Randbereich der Abgasleitung 1 breit gefächert eingespritzten Kegels von Reduktionsmittel und eines zentral in die Abgasleitung 1 über eine Lanze punktförmig eingespritzten Strahls von Reduktionsmittel kombiniert werden, weil der im Stutzen 2 breit gefächerte Kegel von Reduktionsmittel in die Rohrmitte eingebracht wird.
Der Kanal 21, der in die Abgasleitung 1 hinein ragt, weist gemäß 2, 4 und 5 unregelmäßig verteilte Bohrungen 25 auf, die mit ihrer Bohrachse nach einem im Vorfeld theoretisch und/oder praktisch im Kanal 21 erfassten Muster von besonderen Strömungsvektoren in unterschiedlichen Winkeln ausgerichtet sind. Durch die Bohrungen 25 werden auf der Innenfläche des Kanals 21 dort Strömungen in Richtung der Abgasleitung 1 erzeugt, wo vorher ohne solche Bohrungen Strömungen in Richtung der Einspritzdüse 3 herrschen, die mit Strömungsvektoren mit zumindest einer Komponente in Richtung der Einspritzdüse 3 abgebildet werden konnten. Dadurch, dass ein Teil des Abgases durch die Bohrungen 25 in den Kanal 21 geleitet wird, wird der Kanal 21 von innen durch das Abgas aufgeheizt. Durch die erhöhte Temperatur im Kanal 21 wird auch die Kristallisation des Reduktionsmittels verringert.
Die Bohrungen 25 sind entsprechend dem vorher ermittelten Vektorenbild in radialer Richtung zur Mittelachse 20 oder in einem Winkel b zur radialen Richtung angestellt ausgerichtet. Nach den Ausführungsbeispielen gemäß 4 bis 6 sind insgesamt 20 Bohrungen 25 angeordnet. Der Kanal 21 ist im Bereich des Kanalabschnitts 21a unterhalb der Mittelachse 20 frei von Bohrungen 25, wodurch Ablagerungen des Reduktionsmittels auf der dem Kanal 21 gegenüberliegenden Seite der Abgasleitung 1 vermieden werden.
Nach 4 ist in Strömungsrichtung des Abgases nach den oberen beiden Bohrungen 25 ein Spoiler 22 am Kanal 21 angeordnet, mit dem aktiv ein Teil des Abgasstroms abgezweigt und in die jeweilige Bohrung 25 geleitet werden kann. Der viertelkreisförmige Querschnitt des Spoilers 22 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008041486 A1 [0002]
EP 1748162 A1 [0003]

Claims

Stutzen (2) zum Anordnen an einer Öffnung (12) einer einen Abgasstrom führenden Abgasleitung (1) einer Abgasanlage und zum Einspritzen eines Reduktionsmittels, das über eine am Stutzen (2) montierte Einspritzdüse (3) in die Abgasleitung (1) eingespritzt wird, wobei der Stutzen (2) einen um seine Mittelachse (20) umlaufenden, das Reduktionsmittel in die Abgasleitung (1) führenden und von der Einspritzdüse (3) bis an die Abgasleitung (1) geschlossenen Kanal (21) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Stutzen (2) einen zumindest teilweise um den Kanal (21) umlaufenden Flanschkragen (23) aufweist und der Stutzen (2) mit dem Flanschkragen (23) auf die Öffnung (12) aufsetzbar ist, wobei der Kanal (21) in die Abgasleitung (1) hinein ragt.
Stutzen (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Mittelachse (20) und einer mittleren Strömungsachse (11) der Abgasleitung (1) ein Winkel ms zwischen 25° und 65° gebildet wird.
Stutzen (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (21) in radialer Richtung zur mittleren Strömungsachse (11) um mindestens 30% eines Durchmessers Da der Abgasleitung (1) in die Abgasleitung (1) hinein ragt.
Stutzen (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Abgasleitung (1) ragende Kanal (21) einen Kanalabschnitt (21a) aufweist, der in Richtung einer Kanalwand (24) eine Länge Lmax aufweist, die mindestens 80% eines maximalen Durchmessers Dmax der Öffnung (12) entspricht.
Stutzen (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalabschnitt (21a) mit der Länge Lmax in radialer Richtung zur mittleren Strömungsachse (11) unterhalb der Öffnung (12) angeordnet ist.
Stutzen (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Abgasleitung (1) ragende Kanal (21) regelmäßig oder unregelmäßig verteilte Bohrungen (25) aufweist, die nach einem im Kanal (21) erfassbaren Muster von speziellen Strömungsvektoren angeordnet sind.
Stutzen (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (25) in radialer Richtung zur Mittelachse (20) oder in einem Winkel b zur radialen Richtung angestellt ausgerichtet sind.
Stutzen (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Abgasleitung (1) ragende Kanal (21) zwischen 6 und 50 Bohrungen (25) aufweist.
Stutzen (2) nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (21) im Bereich des Abschnitts (21a) unterhalb der Mittelachse (20) frei von Bohrungen (25) ist.
Stutzen (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (S) des Abgases vor einer oder vor mehreren Bohrungen (25) ein Spoiler (22) am Kanal (21) angeordnet ist, mit dem ein Teil des Abgasstroms abgezweigt und in die jeweilige Bohrung (25) geleitet werden kann.
Stutzen (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittfläche Qk des Kanals (21) am Ende des Stutzens (2) in der Abgasleitung (1) zwischen 30% und 80% einer Querschnittfläche Qa der Abgasleitung (1) entspricht.
Stutzen (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Abgasanlage für Nutzfahrzeuge, wobei die Abgasanlage zumindest einen SCR-Katalysator und einen Schalldämpfer sowie wahlweise einen Partikelfilter und/oder Krümmerrohre und/oder einen Turbolader aufweist.