DE102011115844A1 - Abgasstrang mit Dralleinrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftwagens - Google Patents

Abgasstrang mit Dralleinrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftwagens Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang (1) für einen Verbrennungsmotor eines Kraftwagens, mit wenigstens einer innerhalb eines Abgasrohrabschnitts (11) angeordneten Drallernrichtung (12) und mit wenigstens einem stromabwärts, innerhalb eines Abgasrohrabschnitts (17) angeordneten Katalysator (18), wobei zwischen dem die Dralleinrichtung (12) aufnehmenden Abgasrohrabschnitt (11) und dem den Katalysator (18) aufnehmenden Abgasrohrabschnitt (17) ein weiterer Abgasrohrabschnitt (14) vorgesehen ist, dessen Rohrquerschnitt bezogen auf einen Rohrquerschnitt des die Dralleinrichtung (12) aufnehmenden Abgasrohrabschnitts (11) verengt ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang für einen Verbrennungsmotor eines Kraftwagens der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
  • Derartige Abgasstränge sind hinlänglich bekannt. So offenbart die DE 10 2008 034 993 A1 einen Abgasstrang mit einer Katalysatoranordnung zur Reinigung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, der an bis zu drei Abgasrohrabschnitten eine Dralleinrichtung aufweist, wobei zwei Katalysatoren vorgesehen sind, die jeweils stromabwärts von einer der Dralleinrichtungen angeordnet sind. Des Weiteren ist im Ein gangsbereich des Abgasstrangs eine Dosiervorrichtung für ein Abgasnachbehandlungsmittel vorgesehen, das dem Abgasstrom beigemischt wird.
  • Innerhalb einer relativ kurzen Abgaslaufstrecke, gemessen ab dem Injektionspunkt des Abgasnachbehandlungsmittels, muss eine sehr gute Durchmischung des Abgasnachbehandlungsmittels mit dem Abgas erreicht werden. Eine entsprechende Länge eines Durchmischungsbereichs ist daher vor Eintritt in einen Katalysator erforderlich, wobei diese Länge aufgrund von Bauraumbeschränkungen nicht immer in ausreichendem Maße zur Verfügung steht.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasstrang bereitzustellen, mit dem eine verbesserte Durchmischung eines Abgasnachbehandlungsmittels mit einem Abgas auch bei eingeschränkten Bauraumbedingungen und somit auch kürzerer Durchmischungsstrecke erzielt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Abgasstrang für einen Verbrennungsmotor eines Kraftwagens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Ein erfindungsgemäßer Abgasstrang für einen Verbrennungsmotor eines Kraftwagens zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem die Dralleinrichtung aufnehmenden Abgasrohrabschnitt und dem den Katalysator aufnehmenden Abgasrohrabschnitt ein weiterer Abgasrohrabschnitt vorgesehen ist, dessen Rohrquerschnitt bezogen auf einen Rohrquerschnitt des die Dralleinrichtung aufnehmenden Abgasrohrabschnitts verengt ausgebildet ist. Während also beim Gegenstand gemäß der DE 10 2008 034 993 A1 die Dralleinrichtungen nicht unmittelbar vor einer Verengung des Rohrquerschnitts des Abgasstrangs angeordnet sind, ist es demgegenüber erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Dralleinrichtung unmittelbar vor der Verengung angeordnet ist.
  • Hierdurch wird der Strömung des Abgasnachbehandlungsmittel-Abgasgemisches ein Drall aufgezwängt, infolgedessen sich die Strömung stärker an die Wandung des Abgasrohrs anlegt. Eine Verengung des Abgasrohrabschnitts kann über eine kürzere Länge des betreffenden Abgasrohrabschnitts erfolgen, ohne dass die Strömung ablöst. Damit lässt sich die Länge des sich verengenden Abgasrohrabschnitts deutlich reduzieren und die gesamte Aufbereitungsstrecke für das Abgasaufbereitungsmittel-Abgasgemisch des Abgasstrangs kann signifikant verkürzt werden. Infolgedessen ist eine gute Durchmischung des Abgasnachbehandlungsmittels und des Abgases auch bei eventuell gegebenen Bauraumbeschränkungen gegeben.
  • Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Katalysator ein SCR-Katalysator ist. Die chemische Reaktion am SCR-Katalysator ist selektiv, so dass bevorzugt Stickoxide reduziert werden, ohne dass unerwünschte Nebenreaktionen, wie zum Beispiel eine Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid, auftreten. Zudem stellt sich im Gegensatz zur Anwendung eines Dieselpartikelfilters kein Kraftstoffmehrverbrauch ein.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Abgasstrang in einem der Dralleinrichtung vorgeschalteten Bereich eine Dosiervorrichtung für ein Reduktionsmittel, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, angeordnet ist. Aus dieser Lösung entstehen durch eine Hydrolysereaktion Ammoniak und Kohlenstoffdioxid. Das Ammoniak reagiert in dem SCR-Katalysator bei einer entsprechenden Temperatur mit den Stickoxiden im Abgas, so dass der Stickoxidanteil im Abgas effektiv reduziert wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Abgasrohrabschnitt, dessen Rohrquerschnitt bezogen auf den Rohrquerschnitt des die Dralleinrichtung aufnehmenden Abgasrohrabschnitts verengt ausgebildet ist, und dem Katalysator ein Element mit einer Querschnittsaufweitung, insbesondere einer kegelförmigen Querschnittsaufweitung, angeordnet ist. Mithilfe des eine Querschnittsaufweitung aufweisenden Elements wird das Gemisch aus dem Abgasreduktionsmittel und dem Abgas in einer möglichst homogenen Verteilung dem Katalysator zugeführt, was für eine effektive Ausnutzung des Katalysators und somit auch für eine effektive Stickoxidreduktion wesentlich ist.
  • Schließlich sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass der Abgasrohrabschnitt, dessen Rohrquerschnitt bezogen auf den Rohrquerschnitt des die Dralleinrichtung aufnehmenden Abgasrohrabschnitts verengt ausgebildet ist, in einem Bereich stromabwärts von seinem kleinsten Querschnitt eine Aufweitung, insbesondere eine kegelförmige Aufweitung des Querschnitts, aufweist. Diese Anordnung kann zusätzlich zu einer verbesserten Durchmischung von Abgasreduktionsmittel und Abgas führen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowohl anhand der Zeichnung. 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.
  • Die Zeichnung zeigt in:
  • 1 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht auf einen Abgasstrang mit einer Dosiervorrichtung für eine wässrige Harnstofflösung, eine stromabwärts davon nachgeschaltete Dralleinrichtung, an die sich ein Rohrabschnitt anschließt, dessen Querschnitt sich zunächst verengt, sich diesen verengten Querschnitt aufweisend über eine gewisse Länge erstreckt und dann wiederum eine Querschnittsaufweitung aufweist, wobei sich stromabwärts daran ein kegelförmiger Einlauftrichter anschließt, der in einen nur teilweise angedeuteten SCR-Katalysator mündet;
  • 2 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht auf einen Abgasstrang, wobei sich der Abgasstrang dadurch von dem in 1 gezeigten Abgasstrang unterscheidet, dass der Einlauftrichter kugelförmig ausgebildet ist; und
  • 3 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht auf einen Abgasstrang, bei welchem sich der der Dralleinrichtung nachgeschaltete Rohrquerschnitt im Gegensatz zu den in 1 und 2 gezeigten Abgassträngen lediglich verengt, der verengte Querschnitt sich über eine gewisse Rohrlänge erstreckt und dann unmittelbar im Anschluss in einen kegelförmigen Einlauftrichter mündet, der wiederum an einem nur schematisch angedeuteten SCR-Katalysator angeordnet ist.
  • Ein Teil eines Abgasstrangs 1 eines Kraftwagens ist in 1 in einer schematischen, teilweise geschnittenen Seitenansicht gezeigt. Eine Dosiervorrichtung 10 ist an einem ersten Abgasrohrabschnitt angeordnet, an den sich unmittelbar ein weiterer Abgasrohrabschnitt 11 anschließt, in dem eine Dralleinrichtung 12 angeordnet ist, die in einer teilweise geschnittenen Ansicht gezeigt ist. An den die Dralleinrichtung 12 aufweisenden Abgasrohrabschnitt 11 schließt sich direkt ein Abgasrohrabschnitt 14 an, an dessen Austrittsseite unmittelbar ein Einlauftrichter 16 angeordnet ist. Schließlich ist der Einlauftrichter 16 an seiner Austrittsseite direkt an einen innerhalb eines Abgasrohrabschnitts 17 angeordneten Katalysator 18 angeschlossen.
  • Die Dosiervorrichtung 10 dient dazu, einem Abgasstrom, der den Abgasstrang 1 durchströmt, eine wässrige Harnstofflösung beizumischen. Bei einer solchen Harnstofflösung kann es sich um eine wasserklare, synthetisch hergestellte 32,5%ige Lösung von hochreinem Harnstoff in demineralisiertem Wasser handeln, die zur Nachbehandlung von Abgasen in einem SCR-Katalysator genutzt wird.
  • Bei der Dralleinrichtung 12 kann es sich vorzugsweise um eine Anordnung von Leitschaufeln 13 handeln, die beispielsweise in Form eines feststehenden Axialventilators ausgebildet sind. Die Dralleinrichtung 12 kann ebenfalls aus an der Innenseite der Wandung des Abgasrohrabschnitts 11 angeordneten Leitschaufeln bestehen.
  • Der Abgasrohrabschnitt 14 zeichnet sich dadurch aus, dass dessen Rohrquerschnitt bezogen auf einen Rohrquerschnitt des die Dralleinrichtung 12 aufnehmenden Abgasrohrabschnitts 11 verengt ausgebildet ist. Der Durchmesser D1 des Abgasrohrabschnitts 14 verengt sich über eine bestimmte Länge L1 bis auf einen Durchmesser D2. Dies kann, wie in 1 gezeigt, beispielsweise kegelförmig erfolgen, wobei der Durchmesser D2 idealerweise 85% des Durchmessers D1 beträgt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die kegelförmige Wandung des sich verjüngenden Abgasrohrabschnitts 14 einen Winkel α von 10° gegenüber der Längsachse des Abgasstrangs 1 in diesem Abgasrohrabschnitt 14 auf. Der Abgasrohrabschnitt 14 weist des Weiteren einen Abgasrohrabschnitt der Länge L2 auf, der sich bei einem konstanten Durchmesser D2 in axialer Richtung erstreckt. Die Länge L1 beträgt dabei idealerweise 60% der Länge L2. Im Anschluss an den Abgasrohrabschnitt mit der Länge L1 schließt sich in Strömungsrichtung des Abgasstrangs 1 ein Abgasrohrabschnitt an, bei dem sich der Rohrquerschnitt wiederum von dem Durchmesser D2 auf den Durchmesser D1 aufweitet.
  • Im Anschluss an den Abgasrohrabschnitt 14 schließt sich ein Einlauftrichter 16 an. Der Einlauftrichter 16 weist idealerweise eine kegelförmige Querschnittsaufweitung auf, wobei sich der Durchmesser des Abgasstrangs 1 entlang des Einlauftrichters 16 von einem Durchmesser D1 auf einen Durchmesser D3 aufweitet. An den Einlauftrichter 16 schließt sich unmittelbar der Katalysator 18 an, der im vorliegenden Fall ein SCR-Katalysator ist.
  • Aus einem in 1 nicht dargestellten Verbrennungsmotor strömt ein Abgasstrom in den Abgasstrang 1, dem mittels der Dosiervorrichtung 10 in axial-radialer Richtung die wässrige Harnstofflösung beigemischt wird. Der Abgasstrom und die wässrige Harnstofflösung vermischen sich zumindest teilweise und durchströmen die Dralleinrichtung 12, wodurch dem Abgas-Harnstoffgemisch eine tangentiale Bewegungskomponente aufgezwungen wird, so dass das Abgas-Harnstoffgemisch nach Durchströmen der Dralleinrichtung 12 eine spiralwirbelförmige Strömung aufweist. Dadurch erfolgt eine weitere Durchmischung von Abgas und beigefügtem Harnstoff und bewirkt zudem eine stärkere Anlegung der Strömung an die Wandung des Abgasstrangs 1.
  • Das Abgas-Harnstoffgemisch durchströmt anschließend den sich verengenden und wieder aufweitenden Bereich des Abgasrohrabschnitts 14, wobei durch den Drall der Strömung verhindert wird, dass es zu Strömungsablösungen kommt. Das Abgas-Harnstoffgemisch wird dabei in Strömungsrichtung beschleunigt, während es durch den sich von dem Durchmesser D1 auf den Durchmesser D2 verengenden Abgasrohrquerschnitt strömt. Beim Durchströmen des sich wieder aufweitenden Abgasrohrabschnitts von dem Durchmesser D2 auf den Durchmesser D1 wird das Abgas-Harnstoffgemisch in Strömungsrichtung gedrosselt.
  • Im Anschluss an die Durchströmung des Abgasrohrquerschnitts 14 strömt das Abgas-Harnstoffgemisch durch den Einlauftrichter 16, wobei das Abgas-Harnstoffgemisch aufgrund der Querschnittserweiterung des Einlauftrichters 16 von dem Durchmesser D1 an seinem Eintrittsquerschnitt bis auf den Durchmesser D3 an seinem Austrittsquerschnitt eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit erfährt. Zudem wird mittels des Einlauftrichters 16 eine weitere Durchmischung und vergleichmäßigte Verteilung des Abgas-Harnstoffgemisches bis zum Austrittsquerschnitt des Einlauftrichters 16 erzielt. Dadurch wird dem SCR-Katalysator 18, der dem Einlauftrichter 16 unmittelbar nachgeschaltet angeordnet ist, das Abgas-Harnstoffgemisch so zuführt, dass eine möglichst effektive selektive katalytische Reduktion des Abgases erfolgen kann, was in einer entsprechend starken Reduzierung des Stickoxidgehalts im Abgasstrom beim Verlassen des SCR-Katalysators 18 resultiert.
  • Durch die Anordnung der Dralleinrichtung 12 vor dem Abgasrohrabschnitt 14 legt sich die Strömung starker an die Rohrverengung beziehungsweise Rohrwandung an und es kann ein wesentlich steilerer Winkel α für die Verengung des Abgasrohrabschnittes 14 vorgesehen werden, ohne dass es zu unerwünschten Strömungsablösungen kommt. Damit ist es möglich, die Länge des Abgasrohrabschnitts 14 deutlich zu reduzieren. Infolgedessen kann die Vermischungsstrecke für den Abgasstrom und Harnstoff erheblich reduziert werden, so dass auch bei eventuellen Bauraumbeschränkungen eine immer noch ausreichende Durchmischung des Abgases mit dem beigefügten Harnstoff erzielt werden kann, bevor das Abgas-Harnstoffgemisch in den SCR-Katalysator 18 eintritt.
  • In 2 ist ein im Wesentlichen gleicher Abgasstrang 1 wie in 1 dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden daher im nachfolgenden nicht näher erläutert. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Abgasstrang 1, weist der Einlauftrichter 16 im vorliegen Fall eine kugelige Form auf. Mit anderen Worten weist die Wandung des Einlauftrichters 16 einen gekrümmten Verlauf auf. Bei bestimmten Geometrien des Abgasrohrabschnitts 14 kann ein kugeliger Einlauftrichter 16 gegenüber einem kegelförmigen Einlauftrichter 16 eine bessere Durchmischung des Abgases mit dem Harnstoffgemisch bewirken.
  • In 3 ist ein im Wesentlichen gleicher Abgasstrang 1 wie in 1 gezeigt. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden daher im nachfolgenden nicht näher erläutert. Der Abgasrohrabschnitt 14 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei in dem hier vorliegenden Fall der Abgasrohrabschnitt 14 in Strömungsrichtung nur eine Querschnittsverengung von dem Durchmesser D1 auf den Durchmesser D2 aufweist, ohne dass sich dieser Querschnitt im Verlauf des Abgasrohrabschnitts 14 wieder aufweitet. Der Abgasrohrabschnitt 14 weist einen Abschnitt der Länge L1 auf, über den sich der Abgasrohrabschnitt 14 mit einem konstanten Durchmesser D2 erstreckt. Im Anschluss an diesen Abschnitt schließt sich unmittelbar der Einlauftrichter 16 an, der in dem hier vorliegenden Fall kegelförmig ausgebildet ist und wiederum unmittelbar in den innerhalb des Abgasrohrabschnitts 17 angeordneten Katalysator 18 mündet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008034993 A1 [0002, 0006]

Claims (5)

  1. Abgasstrang (1) für einen Verbrennungsmotor eines Kraftwagens, mit wenigstens einer innerhalb eines Abgasrohrabschnitts (11) angeordneten Dralleinrichtung (12) und mit wenigstens einem stromabwärts, innerhalb eines Abgasrohrabschnitts (17) angeordneten Katalysator (18), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem die Dralleinrichtung (12) aufnehmenden Abgasrohrabschnitt (11) und dem den Katalysator (18) aufnehmenden Abgasrohrabschnitt (17) ein weiterer Abgasrohrabschnitt (14) vorgesehen ist, dessen Rohrquerschnitt bezogen auf einen Rohrquerschnitt des die Dralleinrichtung (12) aufnehmenden Abgasrohrabschnitts (11) verengt ausgebildet ist.
  2. Abgasstrang (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (18) ein SCR-Katalysator ist.
  3. Abgasstrang (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Dralleinrichtung (12) des Abgasstrangs (1) vorgeschalteten Bereich eine Dosiervorrichtung (10) für ein Reduktionsmittel, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, angeordnet ist.
  4. Abgasstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abgasrohrabschnitt (14), dessen Rohrquerschnitt bezogen auf den Rohrquerschnitt des die Dralleinrichtung (12) aufnehmenden Abgasrohrabschnitts (11) verengt ausgebildet ist, und dem Katalysator (18) ein Element (16) mit einer Querschnittsaufweitung, insbesondere einer kegelförmigen Querschnittsaufweitung, angeordnet ist.
  5. Abgasstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrohrabschnitt (14), dessen Rohrquerschnitt bezogen auf den Rohrquerschnitt des die Dralleinrichtung (12) aufnehmenden Abgasrohrabschnitts (11) verengt ausgebildet ist, in einem Bereich stromabwärts von seinem kleinsten Querschnitt eine Aufweitung, insbesondere eine kegelförmige Aufweitung des Querschnitts, aufweist.
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