DE102011010743A1

DE102011010743A1 - Abgasstrang mit einer Mischeinrichtung

Info

Publication number: DE102011010743A1
Application number: DE102011010743A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Pepe Antonio
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang (10) mit einer Mischeinrichtung (14) zum Vermischen eines in den Abgasstrang (10) eingebrachten Reduktionsmittels mit Abgas. Die Mischeinrichtung (14) weist wenigstens ein auf einer Welle (18) angeordnetes Strömungsleitelement (16) auf, welches in Abhängigkeit von einer Strömungsgeschwindigkeit des Abgases bewegbar ist. Die Mischeinrichtung (14) weist zudem eine zweite Welle (24) mit wenigstens einem auf dieser angeordneten zweiten Strömungsleitelement (22) auf. Hierbei ist eine von den wenigstens zwei Strömungsleitelementen (16, 22) eingenommene Fläche im Wesentlichen dem durchströmbaren Querschnitt des Abgasstrangs (10) im Bereich der Mischeinrichtung (14) gleich.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang mit einer Mischeinrichtung zum Vermischen eines in den Abgasstrang eingebrachten Reduktionsmittels mit Abgas, wobei die Mischeinrichtung wenigstens ein auf einer Welle angeordnetes Strömungsleitelement aufweist, welches in Abhängigkeit von einer Strömungsgeschwindigkeit des Abgases bewegbar ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die im Abgas eines Kraftfahrzeugs enthaltenen Stickoxide in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion mit Ammoniak umzusetzen und so den Gehalt an Stickoxiden im Abgas zu verringern. Dies geschieht in der Regel in einem SCR-Katalysator (SCR = selective catalytic reduction, selektive katalytische Reduktion), stromaufwärts dessen das Reduktionsmittel Ammoniak oder eine das Reduktionsmittel freisetzende Verbindung zudosiert wird. Als Verbindung, aus welcher der Ammoniak freisetzbar ist, kommt hierbei insbesondere Harnstoff in Betracht, welcher in Form einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrang eingebracht werden kann.
Damit eine besonders weitgehende Umsetzung der Stickoxide mit dem Ammoniak erreichbar ist, ist in einem aus dem Stand der Technik bekannten Abgasstrang eine Mischeinrichtung vorgesehen, welche eine gute Verteilung des Reduktionsmittels in dem Abgas sicherstellt. Ein solcher Mischer bringt jedoch einen hohen Abgasgegendruck mit sich. Dieser wirkt sich negativ auf die Motorleistung und den Kraftstoffverbrauch aus.
Die EP 1 022 048 A1 schafft hier Abhilfe und beschreibt ein in einem Abgasstrang angeordnetes Leitblech, welches einer Dosiereinrichtung zum Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung in das Abgas nachgeschaltet ist. Das Leitblech ist um eine Achse drehbar in dem Abgasstrang angeordnet und mittels einer Feder gegen einen Anschlag gedrückt. Der Abgasstrom wirkt der Kraft der Feder entgegen und bewegt das Leitblech von dem Anschlag weg. Bei hoher Strömungsgeschwindigkeit des Abgases durch den Abgasstrang führt das Leitblech so zu einer intensiveren Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas als bei einem geringen Abgasdurchsatz. Das Leitblech kann alternativ nicht durch den Abgasstrom selber, sondern durch einen Elektromotor oder einem pneumatischen Steller bewegt werden und so den Drall beeinflussen, den das Leitblech dem Abgasstrom aufprägt.
Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass das Leitblech nicht immer zu der gewünschten gleichmäßigen Verteilung des Reduktionsmittels im Abgas führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Abgasstrang der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher ein verbessertes Vermischen des in den Abgasstrang eingebrachten Reduktionsmittels mit dem Abgas ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Abgasstrang mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Mischeinrichtung weist eine zweite Welle mit wenigstens einem auf dieser angeordneten zweiten Strömungsleitelement auf, wobei eine von den wenigstens zwei Strömungsleitelementen eingenommene Fläche im Wesentlichen dem durchströmbaren Querschnitt des Abgasstrangs im Bereich der Mischeinrichtung gleich ist. Es kann so durch die wenigstens zwei Strömungselemente eine besonders weitgehende Ablenkung und Verwirbelung des Abgases erreicht werden, indem wenigstens ein Strömungsleitelement im Bezug auf die Strömungsrichtung des Abgases angestellt wird.
Dadurch, dass über die Welle die Stellung des an dieser angeordneten Strömungsleitelements veränderbar ist, kann dafür gesorgt werden, dass die Mischwirkung der Mischeinrichtung lediglich dann voll zum Tragen kommt, wenn das Reduktionsmittel in den Abgasstrang eingebracht wird und so dessen Verwirbelung sichergestellt werden soll. Es kann so je nach Motorbetriebspunkt die Mischeinrichtung verstellt werden, so dass ein an sich unerwünschter, hoher Abgasgegendruck nur dann gegeben ist, wenn ein entsprechend großer Durchsatz von Abgas durch den Abgasstrang erfolgt und eine Durchmischung des Abgases mit dem Reduktionsmittel stattfinden soll.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine zweite Strömungsleitelement mittels der zweiten Welle bewegbar. Wenn nämlich die Stellung beider Strömungsleitelemente veränderbar ist, lässt sich die gewünschte Verwirbelung in einem besonders weiten Bereich bedarfsgerecht einstellen und der Abgasgegendruck gering halten.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die wenigstens zwei Strömungsleitelemente in eine Ruhestellung verbringbar sind, in welcher sie in Bezug auf den Abgasstrang durchströmendes Abgas strömungsparallel ausgerichtet sind. In dieser Ruhestellung stören nämlich die Strömungsleitelemente in dem Abgasstrang so gut wie gar nicht, und der Abgasgegendruck wird durch die Mischeinrichtung allenfalls äußerst geringfügig erhöht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Stellelement zum Bewegen zumindest einer der Wellen vorgesehen. Sind beide Strömungsleitelemente mittels der jeweils diesen zugeordneten Welle bewegbar, so kann je Welle ein Stellelement vorgesehen sein. Besonders wenig aufwendig ist es hingegen, wenn ein Stellelement vorgesehen ist, welches mechanisch auf beide Wellen einwirkt und so die an den Wellen angeordneten Strömungsleitelemente relativ zueinander bewegt.
Das wenigstens eine Stellelement kann die Welle oder die Wellen elektrisch oder pneumatisch ansteuern. Alternativ kann auch das Bewegen von zumindest einer der Wellen bewirkt werden, indem das Stellelement auf Grund einer Druckdifferenz verstellt wird. Bei einer solchen Ausbildung des Stellelements, etwa als Unterdruckdose, kann das durch den Abgasstrang strömende Abgas zum Einstellen der Druckdifferenz herangezogen werden, so dass der Abgasstrom selbsttätig die Stellung der Strömungsleitelemente steuert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die wenigstens zwei Strömungsleitelemente in eine Funktionsstellung verbringbar, in welcher sie einen Winkel miteinander einschließen. Eine solche Stellung sorgt für ein besonders gutes Vermischen des Reduktionsmittels mit dem Abgas und damit einhergehend für eine besonders gute Aufbereitung des Reduktionsmittels.
Als weiter vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn zumindest eines der zwei Strömungsleitelemente einen Mitnehmer aufweist, mittels welchem das andere der wenigstens zwei Strömungsleitelemente bewegbar ist. Alternativ kann ein solcher Mitnehmer an zumindest einer der beiden Wellen angeordnet sein. So braucht bloß eine der beiden Wellen bewegt zu werden und durch das Bewegen dieser Welle lässt sich das andere Strömungsleitelement ebenfalls bewegen. Durch Mitnehmer kann besonders einfach eine definierte Stellung der beiden Strömungsleitelemente relativ zueinander eingestellt werden. Zudem ist eine solche Art der Bewegung der Strömungsleitelemente technisch besonders einfach realisierbar. Als Mitnehmer kann ein Mitnehmerstift oder eine Stufe vorgesehen sein.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 einen Abgasstrang mit einem zwei halbkreisförmige Leitschaufeln umfassenden Mischer, wobei jede der beiden Leitschaufeln mittels einer dieser zugeordneten Welle im Abgasstrang verschwenkbar ist;
2 eine Ansicht des Abgasstrangs gemäß 1 in Richtung der Wellen bei gegenüber einander verschwenkten Leitschaufeln;
3 eine Ausgangsstellung beim Bewegen der Leitschaufeln, bei welcher diese in einer Ebene liegen;
4 eine Stellung, in welcher eine der beiden Leitschaufeln so weit bewegt ist, dass ein Mitnehmer in Anlage mit der zweiten Leitschaufel gerät;
5 eine Relativstellung der beiden Leitschaufeln gemäß 4, wobei die erste Leitschaufel und mit dieser die zweite Leitschaufel weiter bewegt sind, so dass die Leitschaufeln die in 2 gezeigte Endstellung einnehmen; und
6 eine Schnittansicht des Abgasstrangs und des Mischers, in welcher an den jeweiligen Leitschaufeln angebrachte Mitnehmer gezeigt sind.
1 zeigt schematisch einen Abgasstrang 10 eines Kraftwagens in einer Draufsicht, wobei den Abgasstrang 10 durchströmendes Abgas durch Strömungspfeile 12 veranschaulicht ist. Ein Mischer 14 ist stromabwärts einer Dosierstelle angeordnet, an welcher im Betrieb des Abgasstrangs 10 eine wässrige Harnstofflösung in das Abgas eingebracht wird. Bei der Durchmischung der wässrigen Harnstofflösung mit dem heißen Abgas wird aus dem Harnstoff Ammoniak freigesetzt. Stromabwärts des Mischers 14 ist ein (nicht gezeigter) SCR-Katalysator vorgesehen, in welchem die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit dem Ammoniak umgesetzt werden.
Der Mischer 14 umfasst eine erste Leitschaufel 16, welche drehfest mit einer Welle 18 verbunden ist. Die Welle 18 ist an einem außerhalb des Abgasstrangs 10 angeordneten Lagerelement 20 gelagert. Eine weitere Leitschaufel 22 des Mischers 14 ist ebenfalls drehfest an einer Welle 24 angeordnet, welche vorliegend als Hohlwelle ausgebildet ist, und durch welche die erste Welle 18 hindurchgeführt ist. Entsprechend sind beide Wellen 18, 24 gemeinsam an einem zweiten Lagerelement 26 gelagert, welches ebenfalls außerhalb des Abgasstrangs 10 angeordnet ist.
Die beiden Leitschaufeln 16, 22 sind gleich groß und jeweils halbkreisförmig. Hierbei ist die von den beiden Leitschaufeln 16, 22 eingenommene Fläche geringfügig kleiner als der durchströmbare Querschnitt des Abgasstrangs 10.
In der in 1 gezeigten Ruhestellung der beiden Leitschaufeln 16, 22 sind diese strömungsparallel ausgerichtet, so dass durch den Mischer 14 der Abgasgegendruck allenfalls marginal erhöht ist. Ein in 1 gezeigter Bewegungspfeil 28 veranschaulicht die Drehrichtung, in welche die Welle 18 bewegt werden kann, um eine Verwirbelung des Abgases mittels des Mischers 14 zu erreichen.
2 zeigt eine solche Stellung der beiden Leitschaufeln 16, 22, in welcher das Abgas mit der in dieses eingebrachten Harnstofflösung besonders gut durchmischt wird. Hierbei veranschaulichen Strömungspfeile 30 die durch die gegeneinander verdrehten Leitschaufeln 16, 22 bewirkte Ablenkung des Abgasstroms stromaufwärts der Wellen 18, 24 und ein Strömungspfeile 32 den auf Grund der verschränkten Stellung der beiden Leitschaufeln 16, 22 bewirkten Drall, welcher dem Abgasstrom aufgeprägt wird.
Die Wellen 18, 24 werden elektrisch, pneumatisch oder mittels Unterdruck angesteuert, so dass unterschiedliche Stellungen der Leitschaufeln 16, 22 einstellbar sind. Auf diese Weise kann je nach Motorbetriebspunkt eine Stellung der Leitschaufeln 16, 22 eingestellt werden, welche bei dem dann vorhandenen Abgasstrom zu einer guten Durchmischung von Abgas und Harnstofflösung führt. Zugleich können so unterschiedlich große Abgasgegendrücke eingestellt werden, welche durch den im Abgasstrang 10 angeordneten Mischer 14 bewirkt werden.
Es kann der Welle 18 ein erstes (nicht gezeigtes) Stellelement zugeordnet sein und der Welle 24 ein zweites (ebenfalls nicht gezeigtes) Stellelement, welche die Wellen 18, 24 so ansteuern, dass sich definierter Winkel zwischen den beiden Leitschaufeln 16, 22 einstellt. Es kann jedoch auch nur ein Stellelement vorgesehen sein, welches über eine Mechanik, die mit jeweiligen Wellenendstücken im Eingriff ist, beide Wellen 18, 24 zueinander verdreht.
Eine weitere Möglichkeit des Verdrehens der Leitschaufeln 16, 22 relativ zueinander ist in 3 bis 5 veranschaulicht. Hierbei befinden sich in 3 die beiden Leitschaufeln 16, 22 in ihrer Ruhestellung, in welcher sie miteinander fluchtend und strömungsparallel ausgerichtet sind. Nun wird über ein Stellelement die Welle 18 angesteuert und entsprechend die Leitschaufel 16 um einen Drehwinkel X verdreht, bis die beiden Leitschaufeln 16, 22 einen definierten Winkel Y miteinander einschließen (vgl. 4). In dieser Stellung erfasst nun ein an der Leitschaufel 16 angeordneten Mitnehmer 34 (vgl. 6) die Leitschaufel 22. Dadurch wird auch die Leitschaufel 22 von der Drehbewegung erfasst, welche das Stellelement auf die Welle 18 ausübt. Auf Grund des Mitnehmers 34 bewegen sich nun die den Winkel Y einschließenden Leitschaufeln 16, 22 gemeinsam weiter, bis die Endstellung beider Leitschaufeln 16, 22 erreicht ist, welche in 5 und in 2 gezeigt ist.
Die Rückstellung der beiden Leitschaufeln 16, 22 erfolgt in analoger Weise, indem zunächst durch Ansteuern des Stellelements die Welle 18 und mit dieser die Leitschaufel 16 gedreht wird, bis sie mit der zweiten Leitschaufel 22 fluchtet. Hier erfasst ein an der zweiten Leitschaufel 22 angeordneter Mitnehmer 36 (vgl. 6) die Leitschaufel 16 und sorgt dafür, dass beide Leitschaufeln 16, 22 gemeinsam in ihre in 1 und 3 gezeigte Ruhestellung bewegt werden.
Die Mitnehmer 36, 36 können, wie in 6 beispielhaft gezeigt, an der jeweiligen Leitschaufel 16, 22 angeordnet sein. Alternativ können Mitnehmerstifte oder Stufen an den Wellen 18, 24 angeordnet sein um das Mitnehmen einer der beiden Leitschaufeln 16, 22 mit der jeweils anderen Leitschaufel 16, 22 zu erreichen.
Wie aus 6 hervorgeht, weist der Mitnehmer 34 auf der Leitschaufel 16 einen Freigang auf, bis er mit der Leitschaufel 22 in Anlage gerät, also bis die beiden Leitschaufeln 16, 22 um den Winkel Y gegeneinander verdreht sind. Der vorliegend an der zweiten Leitschaufel 22 angebrachte Mitnehmer 36 sorgt für das gemeinsame Zurückdrehen der beiden Leitschaufeln 16, 22 in die Ruhestellung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1022048 A1 [0004]

Claims

Abgasstrang mit einer Mischeinrichtung (14) zum Vermischen eines in den Abgasstrang (10) eingebrachten Reduktionsmittels mit Abgas, wobei die Mischeinrichtung (14) wenigstens ein auf einer Welle (18) angeordnetes Strömungsleitelement (16) aufweist, welches in Abhängigkeit von einer Strömungsgeschwindigkeit des Abgases bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung (14) eine zweite Welle (24) mit wenigstens einem auf dieser angeordneten zweiten Strömungsleitelement (22) aufweist, wobei eine von den wenigstens zwei Strömungsleitelementen (16, 22) eingenommene Fläche im Wesentlichen dem durchströmbaren Querschnitt des Abgasstrangs (10) im Bereich der Mischeinrichtung (14) gleich ist.
Abgasstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine zweite Strömungsleitelement (22) mittels der zweiten Welle (24) bewegbar ist.
Abgasstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Strömungsleitelemente (16, 22) in eine Ruhestellung verbringbar sind, in welcher sie in Bezug auf den Abgasstrang (10) durchströmendes Abgas strömungsparallel ausgerichtet sind.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch wenigstens ein, insbesondere elektrisch, pneumatisch oder aufgrund einer Druckdifferenz wirkenden, Stellelement zum Bewegen zumindest einer der Wellen (18, 24).
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Strömungsleitelemente (16, 22) in eine Funktionsstellung verbringbar sind, in welcher sie einen Winkel (Y) miteinander einschließen.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der wenigstens zwei Strömungsleitelemente (16, 22) und/oder zumindest eine der beiden Wellen (18, 24) einen Mitnehmer (34, 36) aufweist, mittels welchem das andere der wenigstens zwei Strömungsleitelemente (16, 22) bewegbar ist.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die, insbesondere halbkreisförmigen, wenigstens zwei Strömungsleitelemente (16, 22) im Wesentlichen gleich groß sind.