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Stand der Technik
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Zur Entstickung der Abgase von selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen hat es sich bewährt, einen Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere ein Reduktionsmittel, beispielsweise Harnstoff in wässriger Lösung, als Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL), bekannt unter dem Handelsnamen Ad-Blue, vor einem SCR Katalysator in den Abgasstrom der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine einzudosieren. Unter SCR wird im vorstehenden Zusammenhang eine selektive katalytische Reduktion des Abgases verstanden. Zur Regeneration von im Abgastrakt selbstzündender Verbrennungskraftmaschine eingebauter Dieselpartikelfilter wird zur Abgastemperaturanhebung Kraftstoff in den Abgastrakt, insbesondere in das Abgasrohr vor den Oxidationskatalysator eingespritzt, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Die jeweils benötigte Dosiermenge wird dabei über ein Steuergerät ermittelt und über eine geeignete Dosiereinrichtung dem Abgasstrom zugemessen. Bei nur für diese Zwecke eingesetzten Dosiereinrichtung kann es sich beispielsweise um ein druckgesteuertes oder um ein elektrisch betätigtes Dosierventil handeln.
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Bei bisherigen Anwendungen werden im Abgastrakt selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen häufig Mischer eingebaut, die aufgrund ihrer geometrischen Beschaffenheit dafür sorgen, dass sich die eingespritzte Menge des Reduktionsmittels, insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung (Ad-Blue) gleichmäßig mit dem ein Abgasrohr durchströmenden Abgasstrom der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine vermischt. Die Mischeinrichtung wird als Bestandteil des Abgasnachbehandlungssytems in der Regel nicht vom Hersteller der Dosiereinrichtung hergestellt und eingebaut, muss aber in Wechselwirkung mit der Dosiereinrichtung des Abgasnachbehandlungssytems ihren Zweck erfüllen. Dies führt in der Praxis häufig zu Schwierigkeiten hinsichtlich von Schnittstellendefinitionen sowie der Zumessung bestimmter Systemverantwortungen.
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Außerdem können Mischeinrichtungen in manchen Anwendungsfällen aus Mangel an Bauraum nicht immer verbaut werden.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung der Durchmischung von Abgas und eines in dieses eindosiertes Medium, insbesondere ein Reduktionsmittel zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Vorrichtung zur Verbesserung einer Sprühnebelaufbereitung, d.h. zur Verbesserung der Aufbereitung der Mischung von Abgas und eindosiertem Medium, insbesondere Reduktionsmittel, unmittelbar nach der Dosiereinrichtung bereit zu stellen. Diese Einrichtung zur verbesserten Sprühnebelaufbereitung umfasst eine Prallfläche, die an der Vorrichtung zur Verbesserung der Sprayaufbereitung vorgesehen ist.
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In einer ersten Ausführungsvariante ist diese Vorrichtung zur Verbesserung der Aufbereitung eines Sprühnebels aus Abgas und Reduktionsmittel, beispielsweise als Prallwinkel ausgeführt. Der Prallwinkel hat ein bezogen auf die Axialerstreckung eines Dosierventils des Abgasnachbehandlungssystems, L-förmiges Aussehen. Der Längsschenkel des „L‘s“ dient dabei als Verlängerung, so dass am Ende der Verlängerung eine Prallfläche in einem wohldefinierten Abstand von einer Austrittsdüse für das Reduktionsmittel am Dosierventil angebracht werden kann. Diese Prallfläche kann beispielsweise eine der Austrittsdüse des Reduktionsmittels zuweisende konkav gerundete Fläche aufweisen. In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung, kann die konkav gerundete Prallfläche beispielsweise beheizt sein und bei Auftreffen des Reduktionsmittels teilweise dessen Verdampfung und damit dessen bessere Durchmischung mit dem Abgasstrom bewirken. Alternativ besteht die Möglichkeit, die konkav gerundet ausgebildete Prallfläche der Einrichtung zur Verbesserung der Aufbereitung des Sprühnebels mit einer Beschichtung zu versehen, sodass ein Aufbau von Rückständen des Reduktionsmittels unterbleibt und insbesondere Ablagerungen von Folgeprodukten wie zum Beispiel Biuret und Triuret verhindert werden können.
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Durch die Verlängerung kann die Prallfläche in einem wohldefinierten Abstand von der Austrittsdüse des Reduktionsmittels angeordnet werden. Nach Austritt des Reduktionsmittels aus der Austrittsdüse des Dosierventiles erfolgt eine leichte Aufweitung des Reduktionsmittelstrahls, sodass die Prallfläche über einen Großteil der der Austrittsdüse zuweisenden, insbesondere konkav gerundeten Prallfläche mit dem Reduktionsmittel in Kontakt tritt, demzufolge eine feine Verteilung des Reduktionsmittels in den strömenden Abgasstrom erreicht werden kann. Die Pralleinrichtung kann auch konvex oder eben ausgeführt werden und zur Strahlachse des austretenden Reduktionsmittelstrahls senkrecht oder geneigt angeordnet sein.
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Berücksichtigt man im vorliegenden Zusammenhang eine geneigte Einbaulage des Dosierventils mit daran aufgenommener Prallfläche in Strömungsrichtung des Abgastraktes durchströmenden Abgasstromes, so kann durch die in einem Abstand von der Austrittsdüse des Dosierventiles orientierte, insbesondere konkav gerundete Prallfläche erreicht werden, dass dem Reduktionsmittelstrahl, der auf die konkav gerundete Prallfläche auftritt, eine entgegen der Strömungsrichtung des Abgasstromes im Strömungsquerschnitt des Abgastraktes gerichtete Geschwindigkeitskomponente aufgeprägt wird, was die Durchmischung von Abgasstrom und Reduktionsmittel, insbesondere einer wässrigen Harnstoff-Wasser-Lösung, signifikant verbessert.
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In einer weiteren Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens, kann die Prallfläche in Form eines Kegels ausgebildet sein. Der Kegel wird mit seiner Kegelspitze der Austrittsdüse zuweisend, an seinem Boden durch mindestens ein Abstandselement in Bezug auf die Austrittsdüse des Dosierventiles montiert. Dadurch befindet sich die Kegelspitze und die von dieser ausgehende Kegelmantelfläche bis auf den Boden des Kegels in einem wohldefinierten Abstand von der Austrittsdüse des Dosierventiles, sodass bei Auftreffen des Reduktionsmittels auf die Kegelmantelfläche ebenfalls eine bessere Durchmischung von auf die Kegelmantelfläche auftreffendem Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine erreicht werden kann. Der Abstand und der Winkel des Kegelmantels hängen maßgeblich von den räumlichen Einbauverhältnissen der jeweiligen Anordnung im Abgassystem der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine sowie des Weiteren von der Form des Reduktionsmittelstrahls ab. Es lassen sich Abstände zwischen ein Millimeter und 50 Millimeter realisieren.
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In einer weiteren, dritten Ausführungsvariante der der Erfindung zugrunde liegenden Lösung besteht die Möglichkeit, die Prallfläche lösbar mit Austrittsdüse zu verbinden. Die Pralleinrichtung steht über einer Befestigungseinrichtung so zum Beispiel den besagten Klemmring in geometrisch definierter Position zur Austrittsdüse. Dadurch sind Anpassungen an das jeweilige System so zum Beispiel an unterschiedliche Kundenvariationen in einfacher Weise möglich. Der Klemmring kann in vorteilhafter Weise am Außenumfang des in den Abgastrakt hineinragenden Dosierventiles montiert werden. Bei der Montage an das Abgassystem können dann Dosiereinrichtung und Pralleinrichtung zusammen befestigt werden.
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Durch die wohldefinierte Länge der Verlängerung, kann die Prallfläche, die in dieser dritten Ausführungsvariante des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens eben ausgebildet ist, in einem bestimmten Abstand von der Austrittsdüse des Dosierventiles angeordnet werden. In vorteilhafter Weise liegt der Neigungswinkel, unter welchem die eben ausgebildete Prallfläche an der Verlängerung des Klemmringes angeordnet ist, in einem Winkelbereich zwischen 30° und 60°, insbesondere in einem Neigungswinkel von 45°.
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Gemäß aller drei Ausführungsvarianten wird das Dosiermedium, d.h. das Reduktionsmittel auf die Prallfläche gespritzt, prallt dort ab und vermischt sich mit dem dem Abgastrakt durchströmenden Abgas. Für die Qualität der Verteilung ist neben der Geometrie der Prallfläche die kinetische Energie des Dosiermediums, d.h. des Reduktionsmittels entscheidend. Weiterhin lässt sich die Qualität der Durchmischung von Reduktionsmittel in Sprühnebelform und dem Abgasstrom dadurch erhöhen, wenn die Temperatur der Prallfläche deutlich oberhalb der Siedetemperatur, beziehungsweise der Zersetzungstemperatur des in den Abgastrakt eindosierten Dosiermediums, d.h. des Reduktionsmittels liegt. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Teil des Reduktionsmittels beim Auftreffen auf die Prallfläche verdampft und dabei die noch vorliegenden Tropfen in vorteilhafter Weise zusätzlich mit dem Abgasstrom verwirbelt werden.
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Zum Schutz der Prallfläche gegen Ablagerungen von Folgeprodukten des Dosiermediums, insbesondere Reduktionsmittels kann, wie obenstehend bereits angedeutet, die Prallfläche mit einer Beschichtung versehen werden, wozu sich beispielsweise ein katalytisch aktives Material, wie beispielsweise Palladium oder Rhodium eignet, oder andererseits ein Material, an dem keine Ablagerungen haften bleiben. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Prallfläche auch zumindest teilweise zu beheizen, um deren Temperatur zu erhöhen und in vorteilhafter Weise eine teilweise Verdampfung des auf die Prallfläche auftreffenden Dosiermediums, insbesondere des Reduktionsmittels in Gestalt einer Harnstoff-Wasser-Lösung zu verbessern.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausführungsvarianten sind miteinander kombinierbar, was insbesondere dadurch erreicht wird, dass die Pralleinrichtung ungeachtet ihrer geometrischen Form auswechselbar und geometrisch definiert mit der Dosiereinrichtung in Bezug auf deren Austrittsdüse verbunden werden kann. Dies kann wie oben bereits erwähnt, über besagten Klemmring oder eine anders ausgebildete, gemeinsame Befestigungseinrichtung von Dosiereinrichtung und Pralleinrichtung erfolgen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 In schematischer Weise die Komponenten eines Abgasnachbehandlungssystems zur Eindosierung eines Betriebs-/Hilfsstoffes in einen Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine,
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2, 2.1 Eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einrichtung zur Verbesserung der Durchmischung von Reduktionsmittel und Abgasstrom,
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3 und 3.1 Eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einrichtung zur Verbesserung der Durchmischung von Reduktionsmittel und Abgas und
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4 Eine weitere, dritte Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Verbesserung der Durchmischung eines Reduktionsmittels mit einem einen Abgastrakt durchströmenden Abgasstrom.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 1 sind in schematischer Weise die Komponenten eines Abgasnachbehandlungssystems zur Reduzierung der NOX-Bestandteile des Abgases selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen zu entnehmen.
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Ein Abgasnachbehandlungssystem 10 gemäß der Darstellung in 1 umfasst ein Dosierventil 12, welches in einer geneigten Einbaulage 28 in einen Abgastrakt 20 einer in 1 nicht dargestellten, selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingebaut ist. Dem Dosierventil 12 des Abgasnachbehandlungssystems 10 wird über eine hier nur schematisch angedeutete Zumesseinheit 14 ein Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere ein Reduktionsmittel, bei dem es sich um Harnstoff oder um eine Harnstoff-Wasser-Lösung handelt, zugeführt. Der Zumesseinheit 14 ihrerseits wird das Reduktionsmittel über ein schematisch dargestelltes Förderaggregat 18 aus einem ebenfalls nur schematisch dargestellten Reduktionsmitteltank 16, indem das Reduktionsmittel bevorratet wird, zugeführt.
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Der Abgastrakt 20, bei dem es sich beispielsweise um ein Abgasrohr handelt, wird vom Abgas 22 einer in 1 nicht dargestellten, selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine durchströmt. Der Abgastrakt 20 ist symmetrisch zu einer Symmetrieachse 26 angeordnet. Im Rohrmantel 24 befindet sich das Dosierventil 12 in geneigter Einbaulage 28. Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass die Neigung, mit der das Dosierventil 12 in den Abgastrakt 20 der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist, in Strömungsrichtung des den Abgastrakt 20 durchströmenden Abgasstromes 22 ausgebildet ist. Über das Dosierventil 12, erfolgt eine Zerstäubung des Reduktionsmittels, bei dem es sich bevorzugt um Harnstoff oder um eine Harnstoff-Wasser-Lösung handelt, in Form eines Sprühnebels 30, sodass eine optimale Durchmischung von in den Abgastrakt 20 eingebrachtem Reduktionsmittel und dem Abgasstrom 22 der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine gewährleistet ist. Der Sprühnebel 30 tritt an einer Austrittsdüse 32, die an der Stirnseite des Dosierventiles 12 ausgebildet ist, aus und in einen Strömungsquerschnitt des Abgastraktes 20 ein.
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Den Darstellungen gemäß der 2 und 2.1 ist eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Eindosierung eines Betriebs/Hilfsstoffes, insbesondere eines Reduktionsmittels, in den Abgastrakt einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine zu entnehmen.
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2 zeigt, dass am Dosierventil 12 ein Prallwinkel 34 angeordnet ist. Am unteren Ende des Prallwinkels 34 befindet sich in einem wohldefinierten Abstand 38, vergleiche Darstellung gemäß der 2.1, eine Prallfläche 36, die beispielsweise mit einer konkav ausgebildeten Rundung 62 versehen sein kann. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante gemäß der 2 und 2.1 der vorliegenden Erfindung, beträgt die Länge des Prallwinkels 34 mehr als das Doppelte der Horizontalerstreckung der beispielsweise einer konkaven Rundung 62 aufweisenden Prallfläche 36.
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2.1 zeigt einen Schnitt durch die in 2 in der Draufsicht dargestellte Vorrichtung zur Eindosierung eines Betriebs-/Hilfsstoffes in dem Abgastrakt 20 einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine. Aus der Darstellung gemäß 2.1 geht hervor, dass sich die die konkave Rundung 62 aufweisende Prallfläche 36 in einem Abstand 38 in Bezug auf die Austrittsdüse 32 an der unteren Stirnseite des Dosierventiles 12 befindet. In vorteilhafter Weise kann die konkave Rundung 62 mit einer Beschichtung versehen sein, die beispielsweise aus einem katalytisch aktiven Material, so zum Beispiel Palladium oder Rhodium ausgebildet sein kann, sodass sich keine Ablagerungen des Reduktionsmittels aufbauen können. Dieses wird über die Austrittsdüse 32 unter Ausbildung einer Strahlaufweitung 40 in Richtung der Prallfläche 36 gespritzt, sodass sich eine möglichst große Überdeckung an der konkaven Rundung 62 der Prallfläche 36 ergibt. Alternativ oder zusätzlich zur Aufbringung einer Beschichtung auf die konkave Rundung 62 der Prallfläche 36, kann diese auch ein elektrisch beheiztes Element beinhalten, das bei Erwärmung der Prallfläche 36 über die Temperatur, bei der das Reduktionsmittel siedet, beziehungsweise über dessen Zersetzungstemperatur ein Teil des Mediums beim Auftreffen auf die Prallfläche 36 verdampft und die noch vorliegenden Tropfen zusätzlich in den Abgasstrom 22 verwirbelt werden können.
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Der in Darstellung gemäß der 3 und 3.1 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung zu entnehmen.
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Gemäß der Darstellung in 3 ist die Prallfläche 36 in Form eines Kegels 44 beschaffen. Der Kegel 44 wird mittels einer Anzahl von Halteelementen 42 in einem wohldefinierten Abstand 38 zwischen seiner Spitze und Austrittsdüse befestigt. Der als Prallfläche 36 dienende Kegel 44 weist eine Kegelhöhe 48 auf und erstreckt sich von einer der Austrittsdüse 32 des Reduktionsmittels zuweisenden Kegelspitze 46 zu einer beispielsweise kreisförmig ausgebildeten Bodenfläche 50. An der Bodenfläche 50 sind Halteelemente 42 befestigt. Aus der Darstellung gemäß 3.1 ergibt sich, dass am Umfang der kreisförmig ausgebildeten Bodenfläche 50 des Kegels 44 drei Halteelemente 42 in einer 120°-Teilung angeordnet sind. Abhängig vom Kegelwinkel 52, in welcher der Kegel 44, ausgehend von der Kegelspitze 46 zu dessen Bodenfläche 50 ausgebildet ist, ergibt sich eine Abstrahlrichtung des auf die Kegelspitze 46 auftreffenden Reduktionsmittelstrahls, der durch die Austrittsdüse 32 unmittelbar auf die Kegelspitze 46 und die sich an diese anschließende Kegelmantelfläche auftrifft. Die Kegelhöhe 48 sowie der Kegelwinkel 52 sind abhängig vom Systemaufbau hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Bauraumes, der Strahlform sowie der Abgasführung festzulegen. In einer möglichen Ausführungsvariante beträgt die Kegelhöhe 48 beispielsweise fünf Millimeter mit einem Kegelwinkel 52 von 60° wobei sich ein Abstand 38 zur Austrittsdüse 32 von 20 Millimeter wellen lässt.
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Der Darstellung gemäß 4 ist eine weitere, dritte Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung zu entnehmen.
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Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass ausgehend von einem Klemmring 54 eine Verlängerung 46 vorgesehen ist, an der sich eine in dieser Ausführungsvariante plan ausgebildete Prallfläche 58 anschließt. Bei der in 4 dargestellten Variante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist die Anbindung der Pralleinrichtung unterschiedlich, da die Anwendung in dieser Ausführungsvariante lösbar mit der Dosiereinrichtung verbunden ist. Über die Dosiereinrichtung erfolgt eine Zentrierung der Pralleinrichtung, wobei die Pralleinrichtung zusammen mit der Dosiereinrichtung montiert wird. Die Prallfläche 58 erstreckt sich vom unteren Ende der Verlängerung 46 in einem Neigungswinkel 60, der im Bereich zwischen 30° und 60° liegt. In einer bevorzugten Ausführungsvariante beträgt der Neigungswinkel 60, um den die plan ausgebildete Prallfläche 58 am unteren Ende der Verlängerung 56 geneigt ist, 45°. Der Neigungswinkel 60 ergibt sich aus der Einbausituation der Prall- und der Dosiereinrichtung in Bezug auf die Geometrie des Abgassystems.
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Analog zur in den 2 und 2.1 dargestellten ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Eindosierung eines Betriebs-/Hilfsstoffes in den Abgastrakt 20 einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine, kann auch die als Kegel 44 ausgebildete Prallfläche 36 gemäß der 3 und 3.1 beheizt werden und/oder der Kegelmantel des Kegels 44 mit einer katalytisch aktiven Schicht, so zum Beispiel Palladium oder Rhodium zur Vermeidung von Ablagerung des Reduktionsmittels versehen sein. In analoger Weise gilt dies für die Ausbildung der plan ausgebildeten, in einem Neigungswinkel 60 angeordneten, eben verlaufenden Planfläche 58 am unteren Ende der Verlängerung 56 gemäß der dritten Ausführungsvariante, die in 3 dargestellt ist. Die geneigt, plan ausgebildete Prallfläche 58 gemäß der dritten Ausführungsvariante, kann ebenfalls mit einer katalytisch aktiven Beschichtung, so zum Beispiel aus Palladium oder aus Rhodium beschichtet sein; daneben besteht die Möglichkeit, auch die plan ausgebildete Prallfläche 58 gemäß der dritten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung gemäß 3 zu beheizen, um eine Temperaturerhöhung zu erreichen, wobei die Temperatur über der Siedetemperatur beziehungsweise Zersetzungstemperatur des Reduktionsmittels, welches aus der Austrittsdüse 32 des Dosierventils 12 austritt, liegt.
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Durch sämtliche vorstehend anhand der 2–4 dargestellten Ausführungsvarianten des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens, kann die Qualität der Verwirbelung des Reduktionsmittels im Abgasstrom 22 erheblich gesteigert werden. Eben der Geometrie der Prallfläche 36 beziehungsweise 58 ist die kinetische Energie, mit der das Reduktionsmittel als fein verteilter Sprühnebel 30 in den Strömungsquerschnitt des Abgastraktes 20 von entscheidender Bedeutung. Weiterhin kann die Qualität der Durchmischung dadurch erhöht werden, dass die Temperatur einer beispielsweise die konkave Rundung 62 aufweisenden Prallfläche 36 beziehungsweise der plan verlaufenden Prallfläche 58 deutlich über der Siedetemperatur beziehungsweise der Zersetzungstemperatur des Reduktionsmittels liegt. Durch diese Temperaturerhöhung wird erreicht, dass ein Teil des Reduktionsmittels beim Auftreffen auf die Prallflächen 36 beziehungsweise 58 verdampft und dabei noch vorliegenden Tropfen zusätzlich dem Abgasstrom 22 verwirbelt werden können.
