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Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Gemischs von Druckluft und flüssigem Reduktionsmittel.
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Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich werden zur Reinigung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen Abgasbehandlungsverfahren eingesetzt, bei welchen dem Abgas ein Fluid zugeführt wird, welches bei der Umsetzung von Schadstoffen im Abgas unterstützend wirkt. Ein besonders häufig eingesetztes Abgasbehandlungsverfahren, bei welchem ein Fluid zugeführt wird, ist das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion [SCR-Verfahren, SCR = Selective Catalytic Reduction]. Bei diesem Verfahren wird dem Abgas ein Reduktionsmittel zugeführt, unter dessen Zuhilfenahme Stickstoffoxidverbindung im Abgas reduziert werden können. Ein besonders häufig eingesetztes Reduktionsmittel ist Ammoniak. Ammoniak wird in Kraftfahrzeugen normalerweise nicht direkt bevorratet, sondern in Form einer Reduktionsmittelvorläuferlösung, die zu Ammoniak umgesetzt werden kann. Dies geschieht thermisch im Abgas und/oder unter Zuhilfenahme eines katalytischen Reaktors der abgasintern und/oder abgasextern angeordnet sein kann. Als Reduktionsmittelvorläuferlösung kann beispielsweise eine wässrige Harnstoff-Lösung eingesetzt werden. Besonders häufig eingesetzt wird eine 32,5-prozentige Harnstoff-Wasser-Lösung, welche unter dem Handelsnamen AdBlue® erhältlich ist. Die Begriffe „Reduktionsmittel” und „Reduktionsmittelvorläufer” werden nachfolgend synonym füreinander verwendet.
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Das Reduktionsmittel wird einer Abgasbehandlungsvorrichtung normalerweise mit Hilfe einer Einspritzvorrichtung zugeführt. Es hat sich herausgestellt, dass es gegebenenfalls vorteilhaft ist, das Reduktionsmittel nicht in reiner Form, sondern als Gemisch von Reduktionsmittel und Luft einzudüsen. Dies ist einerseits vorteilhaft, weil im Bereich der Abgasbehandlungsvorrichtung besonders hohe Temperaturen auftreten. Diese hohen Temperaturen übertragen sich häufig auf die Einspritzvorrichtung zur Einspritzung des Reduktionsmittels. Hierdurch kann bereits in der Einspritzvorrichtung eine chemische Veränderung bzw. teilweisen Umsetzung des Reduktionsmittels in Ammoniak auftreten. Durch die Einspritzung des Reduktionsmittels zusammen mit Druckluft als Trägermedium wird eine besonders gute Spülung und Kühlung der Einspritzvorrichtung erreicht. Außerdem verbleibt das Reduktionsmittel relativ kurz in der Einspritzvorrichtung. Eine chemische Reaktion des Reduktionsmittels in der Einspritzvorrichtung wird hierdurch vermieden.
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Die Einspritzung des Reduktionsmittels zusammen mit Druckluft verbessert zudem die Verteilung des Reduktionsmittels in der Abgasbehandlungsvorrichtung. Der bei der Einspritzung entstehende Sprühnebel wird durch die Druckluft feiner.
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Darüber hinaus kann bei einer Einspritzung des Reduktionsmittels mit Druckluft nach dem Betriebsstopp der Abgasbehandlungsvorrichtung eine Spülung der Einspritzvorrichtung mit reiner Druckluft erfolgen. Hierdurch kann das in der Einspritzvorrichtung vorliegende Gemisch aus der Einspritzvorrichtung hinausgefördert werden. Da übliche Reduktionsmittel (wie beispielsweise AdBlue®) bei Temperaturen von –11°C einfrieren, ist es vorteilhaft, das Reduktionsmittel bzw. das Gemisch bei Betriebsstop aus der Einspritzvorrichtung hinauszufördern. Durch die Entleerung der Einspritzvorrichtung kann vermieden werden, dass das Reduktionsmittel in der Einspritzvorrichtung gefriert und die Einspritzvorrichtung dabei beschädigt wird.
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Problematisch für die Zuführung des Reduktionsmittels gemeinsam mit Luft ist regelmäßig die Erzeugung des Gemischs. Das Reduktionsmittel-Luft-Gemisch sollte möglichst homogen in der Abgasbehandlungsvorrichtung verteilt werden. Gleichzeitig ist es erforderlich, dass im Bereich der Mischstelle, an der die Mischung von Reduktionsmittel und Luft erfolgt, Ablagerungen von Reduktionsmittel vermieden werden. Ablagerungen können beispielsweise in Form von kristallinen Harnstoffausscheidungen aus dem Reduktionsmittel auftreten. Solche Ablagerungen verstopfen die Mischstelle und verändern die Strömungsbedingungen. Darüber hinaus können solche Ablagerungen sich lösen und sowohl in der Mischstelle als auch in der Einspritzvorrichtung Schäden hervorrufen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zu lindern bzw. zu lösen. Es soll insbesondere eine besonders kostengünstige und besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Bereitstellung eines Gemischs von Druckluft und flüssigem Reduktionsmittel offenbart werden. Darüber hinaus soll ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Erzeugung eines Gemischs von flüssigem Reduktionsmittel und Druckluft beschrieben werden.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Gemischs von Druckluft und flüssigem Reduktionsmittel, aufweisend einen ersten Zulaufkanal für Reduktionsmittel und einen zweiten Zulaufkanal für Druckluft, einen Auslasskanal für das Gemisch sowie eine Mischstelle, an welcher Druckluft und Reduktionsmittel zusammengeführt werden. Weiter ist ein Mischkanal vorgesehen, welcher sich an die Mischstelle anschließt und der die Mischstelle und den Auslasskanal verbindet, wobei der erste Zulaufkanal mit einer axialen Richtung in die Mischstelle mündet und der zweite Zulaufkanal über zumindest einen Eindüskanal mit der Mischstelle verbunden ist, wobei der zumindest eine Eindüskanal mit einer tangentialen Richtung in die Mischstelle einmündet. Vorzugsweise mündet der zumindest eine Eindüskanal über einen Umfangsabschnitt der Mischstelle und/oder des Mischkanals und/oder des ersten Zulaufkanals in die Mischstelle ein.
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Sowohl der erste Zulaufkanal als auch der zweite Zulaufkanal können jeweils ein Ventil aufweisen, welches zur Dosierung der Menge an Druckluft bzw. an Reduktionsmittel dient. Diese Ventile müssen keine Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein. Die Ventile können beispielsweise auch Bestandteil eines Pumpenmoduls sein, an welches die erfindungsgemäße Vorrichtung anschließbar ist. Das Reduktionsmittel wird dem ersten Zulaufkanal typischerweise mit einem Druck von 3 bis 7 bar zugeführt. Die Druckluft wird dem zweiten Zulaufkanal typischerweise mit einem Druck von 3 bis 5 zugeführt. Insbesondere der Druck des Reduktionsmittels kann während des Betriebs der Vorrichtung stark schwanken. Der mittlere Druck des Reduktionsmittels während des Betriebs ist regelmäßig niedriger als der mittlere Druck der Druckluft. Der mittlere Druck des Reduktionsmittels an dem ersten Zulaufkanal beträgt vorzugsweise zwischen 3,0 und 3,5 bar. Der mittlere Druck der Druckluft an dem zweiten Zulaufkanal beträgt vorzugsweise zwischen 3,5 und 4,0 bar.
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Die Mischstelle ist vorzugsweise ein Bereich eines Strömungspfades für das Reduktionsmittel durch die Vorrichtung, in welchem die Druckluft zugeführt wird. Der mindestens eine Mischkanal ist vorzugsweise unmittelbar anschließend an die Mischstelle ausgebildet. Der erste Zulaufkanal für Reduktionsmittel und der Mischkanal gehen vorzugsweise unmittelbar ineinander über, wobei die Mischstelle den Übergang von dem ersten Zulaufkanal zu dem Mischkanal bildet und der erste Zulaufkanal und der Mischkanal den Strömungspfad für Reduktionsmittel vorgeben. Die genaue Position der Mischstelle bzw. der genaue Ort, an dem der durchgehende Strömungspfad nicht mehr erster Zulaufkanal sondern Mischkanal genannt wird, kann durch die Position der Zufuhr der Druckluft definiert werden. Die Position der Mischstelle kann somit durch die Einmündung des zumindest einen Eindüskanals definiert werden. Ebenso kann eine Erweiterung im Strömungspfad des ersten Zulaufkanals und/oder des Mischkanals als Mischstelle definiert werden.
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Die Druckluft wird der Mischstelle über zumindest einen Eindüskanal zugeführt Ein Eindüskanal wird über einen zweiten Zulaufkanal für Druckluft mit Druckluft versorgt. Gegenüber dem zweiten Zulaufkanal ist der zumindest eine Eindüskanal vorzugsweise wenigstens abschnittwseise verengt. Das bedeutet, dass der zumindest eine Eindüskanal bzw. die Mehrzahl der Eindüskanäle eine Gesamtquerschnittsfläche aufweist, welche geringer ist als die Querschnittsfläche des zweiten Zulaufkanals für Druckluft. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Druckluft im Bereich des zumindest einen Eindüskanals beschleunigt wird und der Mischstelle somit beschleunigt zugeführt wird. Hierdurch wird eine besonders feine Zerstäubung des Reduktionsmittels durch die Druckluft erreicht.
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Der zweite Zulaufkanal mündet vorzugsweise zunächst in einen Sammelbereich, von welchem der zumindest eine Eindüskanal abzweigt. Der Eindüskanal mündet in die Mischstelle vorzugsweise über einen Umfangsabschnitt. Das heißt insbesondere, dass der zumindest eine Eindüskanal in eine gedachte Umfangsfläche des Kanals um die Mischstelle herum einmündet. Die Strömungsrichtung des Reduktionsmittels bzw. die Ausrichtung des ersten Zulaufkanals und die Ausrichtung des Mischkanals geben eine axiale Richtung vor, von welcher ausgehend die tangentiale Richtung definiert ist. Bei dieser Betrachtungsweise hat der erste Zulaufkanal bzw. der Mischkanal im Bereich der Mischstelle die Form eines Rohres mit einer Umfangsfläche und einer Achse oder Mittellinie. Die Achse oder Mittellinie definiert die axiale Richtung. Der zumindest eine Eindüskanal mündet dann in einen Umfangsabschnitt der Umfangsfläche des Rohres, der Mischstelle, des Mischkanals oder des ersten Zulaufkanals.
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Besonders vorteilhaft ist die Vorrichtung, wenn die Druckluft der Mischstelle derart zugeführt wird, dass im Bereich der Mischstelle ein Druckluftmantel um das Reduktionsmittel herum ausgebildet ist. Wenn die Druckluft der Mischstelle über die Eindüskanäle über einen Umfangsabschnitt zugeführt wird, befindet sich die Druckluft in der Mischstelle unmittelbar nach der Eindüsung durch die Eindüskanäle bereits außen um das Reduktionsmittel, bzw. um einen Reduktionsmittelstrom herum. Die Mischstelle, der erste Zulaufkanal, der Mischkanal und/oder die Eindüskanäle sind nun vorzugsweise so gestaltet, dass dieser Zustand wenigstens überwiegend aufrecht erhalten bleibt. Das Reduktionsmittel verbleibt hierdurch vorzugsweise in einem zentralen Bereich der Mischstelle bzw. des Mischkanals. Die Druckluft bildet einen das Reduktionsmittel wenigstens teilweise oder abschnittsweise einschließenden Druckluftmantel aus. Eine solche Gestaltung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Druckluft das Reduktionsmittel hin zu einem zentralen Bereich der Mischstelle drückt und die Mischstelle so gestaltet ist, das Verwirbelungen zwischen Reduktionsmittel und Druckluft bis in einen äußeren Randbereich der Mischstelle im Wesentlichen unterdrückt werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist die Vorrichtung, wenn in die Mischstelle in einen Umfangsabschnitt zwei Eindüskanäle tangential münden, wobei zwischen den Eindüskanälen eine Leitstruktur angeordnet ist, welche dazu geeignet ist, die durch die Eindüskanäle in die Mischstelle eintretenden Druckluftströme in eine zum Reduktionsmittelstrom radiale Richtung umzulenken.
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Durch eine solche Gestaltung kann erreicht werden, dass die Druckluft das Reduktionsmittel in einen zentralen Bereich der Mischstelle drückt und so ein Druckluftmantel um das Reduktionsmittel herum ausgebildet wird. Hierdurch entsteht ein Mantelstrom mit einem zentralen Reduktionsmittelstrom und einem darum herum liegenden Druckluftmantel. Generell ist die Ausgestaltung der Vorrichtung mit zwei Eindüskanälen bevorzugt. Allerdings ist es auch möglich, die Vorrichtung mit einer anderen Anzahl an Eindüskanälen, beispielsweise ein Eindüskanal, drei Eindüskanäle oder vier Eindüskanäle, auszustatten.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn der Mischkanal zu der axialen Richtung des ersten Zulaufkanals einen ersten Winkel von 45° bis 85° aufweist. Vorzugsweise befindet sich dieser erste Winkel unmittelbar hinter der Mischstelle oder noch im Bereich der Mischstelle. Der Reduktionsmittelstrom wird so mit dem Druckluftstrom gemischt und gleichzeitig umgelenkt. Vorzugsweise erfolgt diese Umlenkung entgegen der tangentialen Richtung, mit welcher der zumindest eine Eindüskanal in die Mischstelle mündet. Darüber hinaus erfolgt die durch den ersten Winkel erreichte Umlenkung allerdings in Richtung einer radialen Richtung, in welcher die Druckluftströme von einer Leitstruktur in der Mischstelle umgelenkt werden. Hierdurch kann die Umlenkung des Reduktionsmittels um den ersten Winkel von 45° bis 85° durch die Druckluft unterstützt werden. Die Druckluft drückt das Reduktionsmittel in die Richtung des ersten Winkels. So kann ein Kontakt des Reduktionsmittels mit der Mischstelle oder dem Mischkanal und/oder mit der Wand der Mischstelle oder der Wand des Mischkanals vermieden werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist die Vorrichtung, wenn der Mischkanal einen von dem Auslasskanal weg gekrümmten Verlauf aufweist und zwischen dem Auslasskanal und dem Mischkanal ein zweiter Winkel von 50° bis 90° vorliegt.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Auslasskanal parallel zu dem ersten Zulaufkanal ausgerichtet ist.
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Nach dem ersten Winkel erfolgt dementsprechend vorzugsweise noch eine weitere Umlenkung des Reduktionsmittels bzw. des Gemischs um einen zweiten Winkel. Diese Umlenkung erfolgt im Anschluss an den Mischkanal bzw. zwischen dem Mischkanal und dem Auslasskanal. Der Mischkanal hat vorzugsweise einen (zur axialen Richtung) gekrümmten Verlauf. Die durch den ersten Winkel vorgegebene Krümmung im Bereich der Mischstelle wird vorzugsweise im Mischkanal ähnlich fortgesetzt. Der Mischkanal weist über seine gesamte Länge vorzugsweise eine Krümmung von 5° bis 10° auf. Der zweite Winkel ist daher vorteilhafterweise etwas größer als der erste Winkel. Der zweite Winkel beträgt vorzugsweise zwischen 50° und 90°. Der erste Zulaufkanal sowie der Mischkanal sind zusammen betrachtet vorzugsweise S-förmig gestaltet. So kann eine besonders kompakte Bauform der Vorrichtung erreicht werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, wenn der erste Zulaufkanal und der zweite Zulaufkanal parallel zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise weisen der erste Zulaufkanal und der zweite Zulaufkanal unmittelbar nebeneinander angeordnete Anschlüsse auf. So kann die Vorrichtung besonders einfach auf eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Druckluft und zur Bereitstellung von Reduktionsmittel bzw. auf einer ebenen oder planen Montageplatte montiert werden. Eine solche Vorrichtung zur Bereitstellung von Druckluft und Reduktionsmittel kann beispielsweise ein Pumpenmodul sein, welches eine Anlagefläche für die erfindungsgemäße Vorrichtung hat.
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Die Vorrichtung ist außerdem vorteilhaft, wenn die Mischstelle und der Mischkanal mit einem Polymer gebildet sind. Mit einem Polymer ist beispielsweise ein Kunststoffmaterial und/oder ein Gummimaterial gemeint. Vorzugsweise wird hierzu ein beständiger Hochleistungskunststoff verwendet. Ein besonders vorteilhafter Kunststoff in diesem Zusammenhang ist PPS (Polyphenylensulfid), welcher beispielsweise unter dem Handelsnamen Fortron® erhältlich ist.
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Vorzugsweise weist der Kunststoff in dem Druckbereich, welcher in dem Mischkanal auftritt, eine gewisse Flexibilität auf. Der Druckbereich liegt zwischen 3 und 8 bar. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Oberflächen der Mischstelle und des Mischkanals flexibel und leicht beweglich sind. Falls sich Ablagerungen auf diesen Oberflächen bilden sollten, werden diese durch die Flexibilität bzw. die Bewegung der Materialoberflächen gegebenenfalls gelöst. Darüber hinaus ist Reduktionsmittel chemisch sehr aggressiv. Der beschriebene Kunststoff ist gegenüber Reduktionsmittel chemisch besonders widerstandsfähig.
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Im Rahmend der Erfindung wird auch ein Verfahren zur Mischung von flüssigem Reduktionsmittel und Druckluft zu einem Gemisch beansprucht, aufweisend zumindest die folgenden Schritte:
- a) Erzeugen eines Reduktionsmittelstroms,
- b) Erzeugen eines Druckluftmantels um den Reduktionsmittelstrom herum, so dass ein Mantelstrom entsteht,
- c) Einleiten des Mantelstroms in einen Mischkanal,
- d) Mischen des Druckluftmantels und des Reduktionsmittelstroms in dem Mischkanal, so dass ein Gemischstrom entsteht und
- e) Bereitstellen des Gemischstroms an einem Auslasskanal.
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Die für die erfindungsgemäße Vorrichtung erläuterten Vorteile und besonderen Ausgestaltungsmerkmale sind auf das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar und übertragbar. Gleiches gilt für die im Folgenden für das erfindungsgemäße Verfahren geschilderten Ausgestaltungen und Vorteile. Diese sind auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragbar.
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Die Schritte a) bis e) werden vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge entlang der Strömungsrichtung des Reduktionsmittels ausgeführt.
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In Schritt a) wird der Reduktionsmittelstrom z. B. dadurch erzeugt, dass flüssiges Reduktionsmittel durch einen ersten Zulaufkanal bereitgestellt wird. In Schritt b) kann dann ein Druckluftmantel um den Reduktionsmittelstrom herum dadurch erzeugt werden, in dem die Druckluft an einer Mischstelle über einen Umfangsabschnitt mit einer tangentialen Richtung zugeführt wird. Die Druckluft befindet sich dann im Wesentlichen um das Reduktionsmittel herum. Somit entsteht ein besonders gut ausgeprägter Mantelstrom.
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Bei der Einleitung des Mantelstroms in den Mischkanal während Schritt c) ist es bevorzugt, dass der Druckluftmantel im Wesentlichen nicht durchbrochen wird, damit das Reduktionsmittel nicht übermäßig in den Außenbereich des Mantelstroms gelangt. So können Ablagerungen von Reduktionsmittel in der Vorrichtung, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren abläuft, wirkungsvoll reduziert oder sogar vermieden werden.
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Die Mischung von Druckluftmantel und Reduktionsmittelstrom in Schritt d) erfolgt vorzugsweise zumindest über einen Abschnitt des gemeinsamen Strömungspfades nicht turbulent sondern laminar bzw. durch Diffusion. So kann vermieden werden, dass Reduktionsmittel unkontrolliert in den Außenbereich des Mantelstroms gelangt.
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Der Mischkanal ist vorzugsweise so gestaltet, dass er unmittelbar nach der Mischstelle, dort wo Schritt b) erfolgt, eine annähernd kreisrunde Querschnittsform hat. So ist es besonders einfach, den Mantelstrom mit dem Druckluftmantel zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Hin zu einem Auslasskanal, wo ein Gemischstrahl bereitgestellt wird, wird der Querschnitt des Mantelstroms bevorzugt abgeflacht. Entsprechendes wird beispielsweise durch eine Gestaltung eines Mischkanals erreicht, bei der der Mischkanal auf der Seite der Mischstelle kreisrund ausgeführt ist und kontinuierlich in eine abgeflachte Form auf der Seite des Auslasskanals übergeht.
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Die Abflachung des Mischkanals erschwert zwar die Aufrechterhaltung des Druckluftmantels um den Reduktionsmittelstrom herum, andererseits wird aber eine Durchmischung von Reduktionsmittel und Druckluft begünstigt. Durch die Abflachung des Querschnitts des Mischkanals werden insbesondere Diffusionswege für die Druckluft in das Reduktionsmittel hinein verkürzt. Die im abgeflachten Bereich vergrößerte Gefahr, dass Reduktionsmittel durch den Druckluftmantel tritt, wird in der Nähe des Auslasskanals dadurch abgemildert, dass bereits eine weitgehende Durchmischung von Druckluft und Reduktionsmittel erfolgt ist. Konzentriertes Reduktionsmittel liegt dort nicht mehr vor, sondern nur noch bereits teilweise mit Druckluft durchmischtes Reduktionsmittel. Konzentriertes Reduktionsmittel kann daher in diesem Bereich nicht mehr durch den Druckluftmantel treten.
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Die Bereitstellung des Gemischstroms in Schritt e) erfolgt vorzugsweise über einen Anschluss, an welchen eine Leitung zur Führung des Gemischs zu einer Einspritzvorrichtung anschließbar ist. Die Eindüsvorrichtung ist vorzugsweise dazu eingereichtet, das Gemisch einer Abgasbehandlungsvorrichtung zuzuführen.
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Durch die Ausbildung eines Druckluftmantels um den Reduktionsmittelstrom herum wird auch die Erosionswirkung reduziert, die das Reduktionsmittel gegebenenfalls auf die Vorrichtung und insbesondere auf die Mischstelle und/oder den Mischkanal sonst haben würde. Die Strömungsrichtung des Reduktionsmittelstroms wird durch den Druckluftmantel zumindest teilweise parallel zu der Wand der Mischstelle und/oder des Mischkanals ausgerichtet. In dem Reduktionsmittelstrom können kristalline Ausscheidungen vorhanden sein, die beispielsweise (festen) Harnstoff und/oder Ammoniakvorläufer umfassen. Wenn diese (festen) Ausscheidungen mit großer Geschwindigkeit und entsprechender kinetischer Energie auf die Wand der Mischstelle und/oder des Mischkanals treffen, führt dies zur Erosion der Wand. Durch die zumindest teilweise parallele Ausrichtung der Strömung entlang der Wand kann ein Auftreffen von Ausscheidungen im Reduktionsmittelstrom auf die Wand mit hoher kinetischer Energie wirkungsvoll reduziert oder sogar vermieden werden, weil insbesondere die Geschwindigkeitskomponente der Ausscheidungen senkrecht zu der Wand deutlich reduziert wird.
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Der Druckluftmantel reduziert auch die chemische Wirkung des Reduktionsmittels auf die Vorrichtung und insbesondere auf die Mischstelle und/oder den Mischkanal. Der Druckluftmantel schirmt die Wand der Mischstelle und/oder des Mischkanals zumindest teilweise von dem Reduktionsmittelstrom ab. Zudem kann das Reduktionsmittel dann auch nicht chemisch auf die Wand wirken.
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Durch das Verhältnis der Druckluftmenge im Druckluftstrom zu der Reduktionsmittelmenge im Reduktionsmittelstrom kann eine maximale Konzentration an Reduktionsmittel im Gemischstrom eingestellt werden. Diese maximale Konzentration kann so festgelegt sein, dass im Gemischstrom die Bildung von kristallinen Ausscheidungen weitgehend vermieden wird.
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Durch den Druckluftstrom wird das Reduktionsmittel bzw. der Reduktionsmittelstrom auch aus der Mischstelle und/oder aus dem Mischkanal hinaus gefördert. Insbesondere kann bei Beendigung der Bereitstellung des Gemischs zunächst eine Deaktivierung des Reduktionsmittelstroms und erst anschließend (zeitlich verzögert) eine Deaktivierung des Druckluftstroms durchgeführt werden. So kann erreicht werden, dass der Druckluftstrom das Reduktionsmittel vollständig aus der Vorrichtung, insbesondere aus der Mischstelle und dem Mischkanal, hinaus fördert.
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Auch vorteilhaft ist das Verfahren, wenn der Mantelstrahl vor Schritt c) um einen Winkel von 45° bis 85° umgelenkt wird. Es hat sich herausgestellt, dass der Mantelstrom insbesondere durch eine Umlenkung unmittelbar nach seiner Erzeugung besonders stabil wird und Turbulenzen im Mantelstrom besonders wirkungsvoll vermieden werden können.
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Weiterhin vorteilhaft ist das Verfahren, wenn in Schritt d) der Druckluftmantel dem Reduktionsmittelstrom so zugeführt wird, dass der Reduktionsmittelstrom bevorzugt kontinuierlich in einen Gemischstrom umgewandelt wird, wobei der Gemischstrom während der Umwandlung aufgeweitet und der Druckluftmantel abgebaut wird, wobei der Gemischstrom erst dann mit dem Mischkanal in Kontakt kommt, wenn der Druckluftmantel zu zumindest 90% abgebaut ist.
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Beim Abbau des Druckluftmantels wird der Druckluftmantel dem Reduktionsmittelstrom bzw. dem Gemischstrom zugeführt. Der Abbau des Druckluftmantels bzw. die Zufuhr der Druckluft zu dem Gemischstrom geschieht vorzugsweise durch im Wesentlichen laminare Strömungen bzw. durch Diffusion. Dass eine laminare Strömung von Reduktionsmittel und Druckluft vorliegt, kann über eine geeignete Wahl der Reynolds-Zahl, der Reduktionsmittelströmung bzw. der Druckluftströmung und der Gemischströmung erreicht werden. Die Reynoldszahl ist wiederum durch die Gestaltung der Mischkammer beeinflussbar.
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Dadurch, dass der Reduktionsmittelstrahl mit dem Mischkanal und/oder mit der Wand des Mischkanals erst in Kontakt kommt, wenn der Druckluftmantel zu zumindest 90% abgebaut ist und damit insbesondere der Reduktionsmittelstrom bzw. der Gemischstrom zu zumindest 90% mit dem Druckluftmantel durchmischt sind, kann erreicht werden, dass sich keine Ablagerungen von Reduktionsmittel in dem Mischkanal bzw. insbesondere auch an der Mischstelle ausbilden können.
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Im Rahmen der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug beansprucht, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine, eine Abgasbehandlungsvorrichtung zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine, eine Reduktionsmittelquelle sowie eine Druckluftquelle und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Gemischs von Reduktionsmittel und Druckluft, welches der Abgasbehandlungsvorrichtung zugeführt werden kann. Die Vorrichtung in dem Kraftfahrzeug ist insbesondere auch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
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1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
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2: eine Ansicht von oben auf ein zweites Bauteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3: eine Ansicht von unten auf ein erstes Bauteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4: eine Ansicht von oben auf ein erstes Bauteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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5: eine Ansicht von unten auf ein zweites Bauteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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6: eine Illustration des Mantelstroms,
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7: einen Schnitt durch die 6 und
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8: ein Kraftfahrzeug aufweisend eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 besteht aus einem unteren ersten Bauteil 23 und aus einem oberen zweiten Bauteil 24, welche zusammen auf einer Grundplatte 27 montiert werden können. Die Grundplatte 27 kann beispielsweise Bestandteil eines Pumpenmoduls sein, welches zur Förderung des Reduktionsmittels und/oder zur Förderung der Luft dient. Luft gelangt über einen ersten Zulaufkanal 2 in die Vorrichtung 1. Reduktionsmittel gelangt über einen zweiten Zulaufkanal 3 in die Vorrichtung 1. Die Zufuhr von Reduktionsmittel ist über ein erstes Ventil 21 in dem ersten Zulaufkanal 2 regelbar. Die Zufuhr von Luft ist über ein zweites Ventil 22 in dem zweiten Zulaufkanal 3 regelbar. Der erste Zulaufkanal 2 mündet in eine Mischstelle 4 in der Vorrichtung 1. Von der Mischstelle 4 zweigt ein Mischkanal 5 ab. Der Mischkanal 5 ist eine Art Fortsetzung des ersten Zulaufkanals 2. Zwischen dem ersten Zulaufkanal 2 und dem Mischkanal 5 existiert ein erster Winkel 10, der 45° bis 85° beträgt. Der Mischkanal 5 hat eine Krümmung 32. Die Krümmung beträgt vorzugsweise zwischen 5° und 10° über die gesamte Länge des Mischkanals 5. Der Mischkanal 5 mündet in einen Auslasskanal 12. Zwischen dem Mischkanal 5 und dem Auslasskanal 12 liegt ein zweiter Winkel 11 vor. Der zweite Zulaufkanal 3 mündet zunächst in einen Sammelbereich 33. Von dem Sammelbereich 33 aus zweigen in der 1 nicht dargestellte Eindüskanäle ab, welche in die Mischstelle 4 tangential einmünden. In der 1 ist noch eine Leitstruktur 18 zu erkennen, welche sich in die Mischstelle 4 hinein erstreckt.
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Die 2 bis 5 erläutern das erste Bauteil 23 und das zweite Bauteil 24 der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Detail und werden hier gemeinsam beschrieben. Die 3 und 4 zeigen jeweils das erste Bauteil 23, während die 2 und 5 das zweite Bauteil 24 darstellen. In den 2 und 4 sind das erste Bauteil 23 und das zweite Bauteil 24 jeweils von oben dargestellt. Die 3 und 5 zeigen jeweils eine Ansicht von unten des ersten Bauteils 23 bzw. des zweiten Bauteils 24.
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In der 3 zu erkennen ist der Sammelbereich 33, in welchen der zweite Zulaufkanal für Druckluft einmündet. Auch ist die Mischstelle 4 zu erkennen, in welche der erste Zulaufkanal für Reduktionsmittel einmündet. Als Pfeil dargestellt ist der Reduktionsmittelstrom 9, welcher mit einer axialen Richtung 25 in die Mischstelle 4 einmündet. Ausgehend von der Mischstelle 4 erstreckt sich der Mischkanal 5, dessen Anfang in der 3 zu erkennen ist. Die Fortsetzung des Mischkanals 5 ist in der 4 zu erkennen, welche das erste Bauteil 23 aus 3 in einer Ansicht von oben darstellt.
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Die Druckluft gelangt aus dem Sammelbereich 33 über die beiden Eindüskanäle 7 in die Mischstelle 4. Die Druckluft strömt dabei als Druckluftstrom 8 durch die Eindüskanäle 7 mit einer tangentialen Richtung 19 in die Mischstelle 4 hinein. Der Umfangsabschnitt der Mischstelle 4 ist in 3 nicht dargestellt. Der Umfangsabschnitt ist hier z. B. ein Abschnitt eines gedachten Zylinders rund um die Mischstelle 4 herum. In der Mischstelle 4 weist das erste Bauteil 23 eine Leitstruktur 18 auf. Durch die Leitstruktur 18 werden die Druckluftströme 8 in eine radiale Richtung 20 umgelenkt. Dadurch unterstützen die Druckluftströme 8 eine Umlenkung des Reduktionsmittelstroms 9 in den Mischkanal 5 hinein.
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Das erste Bauteile 23 weist eine plane erste Anlagefläche 28 auf, über welche es an der in 1 dargestellten Grundplatte montierbar ist. Die Grundplatte ist in 1 dargestellt. Sie weist vorzugsweise eine plane Anlagefläche auf, welche Anschlüsse für Druckluft und Reduktionsmittel hat, die den ersten Zulaufkanal und den zweiten Zulaufkanal bilden bzw. zum ersten Zulaufkanal und/oder zum zweiten Zulaufkanal passen. Diese erste Anlagefläche 28 kann an diese plane Anlagefläche angelegt werden. Außerdem weist das erste Bauteil 23 eine in 4 dargestellte zweite Anlagefläche 29 auf, an welche das zweite Bauteil 24 mit einer dritten Anlagefläche 30 montierbar ist. Die dritte Anlagefläche 30 des zweiten Bauteils 24 ist in 5 zu sehen. In den 2 und 5 ist außerdem zu erkennen, wie der Mischkanal 5 sich ausgehend von der in 3 dargestellten Mischstelle 4 fortsetzt und in den Auslasskanal 12 mündet, an welchem das Gemisch aus Reduktionsmittel und Luft bereitgestellt wird.
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Die 6 zeigt ein schematisches Diagramm, welches die Bereitstellung des Gemischs in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren veranschaulichen soll. Zu erkennen ist, wie in dem Verfahrensschritt a) ein Reduktionsmittelstrom 9 erzeugt wird. Weiter ist zu erkennen, wie gemäß Verfahrensschritt b) ein Druckluftmantel 6 um den Reduktionsmittelstrom 9 herum erzeugt wird, so dass ein Mantelstrom 34 entsteht. Dazu wird ein Druckluftstrom 8 tangential zugeführt. Der Mantelstrom 34 wird in dem Schritt c) einem hier nicht dargestellten Mischkanal 5 zugeführt. In dem Mischkanal 5 werden in dem Verfahrensschritt d) der Druckluftmantel 6 und der Reduktionsmittelstrom 9 des Mantelstroms 34 miteinander gemischt. Dazu wird die Druckluft aus dem Druckluftmantel 6 dem Reduktionsmittelstrom 9 zugeführt, so dass der Reduktionsmittelstrom 9 zunehmend oder kontinuierlich in einem Gemischstrom 26 umgewandelt wird. Dies ist mit Pfeilen dargestellt, die zeigen, wie die Druckluft in den Reduktionsmittelstrom 9 eingeleitet wird. Der Druckluftmantel 6 wird dabei immer dünner, während der Gemischstrom 26 immer dicker wird.
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Zwischen Schritt b) und Schritt c) bzw. Schritt d) wird der Mantelstrom 34 um einen ersten Winkel 10 umgelenkt. Zwischen Schritt d) und e) wird der Gemischstrom 26 um einen zweiten Winkel 11 umgelenkt. Gegebenenfalls kann auch Schritt d) von einer leichten Umlenkung der Ströme begleitet werden, die von einer Krümmung des Mischkanals vorgegeben wird.
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7 zeigt den in 6 markierten Schnitt A-A durch die Mischstelle 4. Zu erkennen ist, wie die Druckluftströme 8 über einen Umfangsabschnitt 31 der Mischstelle 4 mit einer tangentialen Richtung 19 zugeführt werden. Auch zu erkennen ist der zentral in der Mischstelle 4 angeordnete Reduktionsmittelstrom 9. Die Druckluftströme werden von einer Leitstruktur 18 in eine zu dem Reduktionsmittelstrom 9 radiale Richtung 20 umgelenkt. Die Druckluft bildet um den Reduktionsmittelstrom 9 herum den Druckluftmantel 6.
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8 zeigt ein Kraftfahrzeug 13 aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine 14 sowie eine Abgasbehandlungsvorrichtung 15 zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine. Das Kraftfahrzeug 13 weist außerdem eine Reduktionsmittelquelle 16 und eine Druckluftquelle 17 auf. Die Druckluft aus der Druckluftquelle 17 und das Reduktionsmittel aus der Reduktionsmittelquelle 16 werden in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 vermischt und der Abgasbehandlungsvorrichtung 15 zugeführt. Die Reduktionsmittelquelle 16 kann beispielsweise ein Tank sowie eine Fördervorrichtung für Reduktionsmittel sein. Die Druckluftquelle 17 kann beispielsweise durch eine eigens für die Reduktionsmittelbereitstellung vorgesehene Druckluftquelle, wie ein kleiner Kompressor realisiert sein. Alternativ ist auch möglich, dass beispielsweise von einem Turbolader der Verbrennungskraftmaschine 14 erzeugte Druckluft als Druckluftquelle 17 verwendet wird. Auch Druckluft im Bremssystem des Kraftfahrzeugs 13 kann als Druckluftquelle 17 verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- erster Zulaufkanal
- 3
- zweiter Zulaufkanal
- 4
- Mischstelle
- 5
- Mischkanal
- 6
- Druckluftmantel
- 7
- Eindüskanal
- 8
- Druckluftstrom
- 9
- Reduktionsmittelstrom
- 10
- erster Winkel
- 11
- zweiter Winkel
- 12
- Auslasskanal
- 13
- Kraftfahrzeug
- 14
- Verbrennungskraftmaschine
- 15
- Abgasbehandlungsvorrichtung
- 16
- Reduktionsmittelquelle
- 17
- Druckluftquelle
- 18
- Leitstruktur
- 19
- tangentiale Richtung
- 20
- radiale Richtung
- 21
- erstes Ventil
- 22
- zweites Ventil
- 23
- erstes Bauteil
- 24
- zweites Bauteil
- 25
- axiale Richtung
- 26
- Gemischstrom
- 27
- Grundplatte
- 28
- erste Anlagefläche
- 29
- zweite Anlagefläche
- 30
- dritte Anlagefläche
- 31
- Umfangsabschnitt
- 32
- Krümmung
- 33
- Sammelbereich
- 34
- Mantelstrom
