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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen einer Flüssigkeit in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine mit einer Zerstäubungsplatte sowie die Zerstäubungsplatte gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Zur Nachbehandlung der Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere zur Nachbehandlung des Abgases von Dieselmotoren finden Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, bei denen eine Flüssigkeit zur Reduktion von Stickstoffoxiden oder zur Regeneration eines Katalysators oder eines Partikelfiltern in den Abgaskanal eindosiert wird. Zur Reduzierung der Stickoxid-Emission finden sogenannte Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysatoren) Verwendung, bei denen wässrige Harnstofflösung in den Abgaskanal eindosiert wird, wobei durch Hydrolyse im Abgaskanal aus der Harnstofflösung Ammoniak gebildet wird, welcher mit den Stickoxide zu umweltunbedenklichen Stoffen wie Stickstoff und Wasser reagiert. Aus der
DE 10 2008 001 212 ist bekannt, ein Fangmedium im Abgasstrang anzuordnen, um eine Ablagerung der eindosierten Flüssigkeit auf einer der Einspritzdüse gegenüberliegenden Kanalwand des Abgaskanals zu verhindern.
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Offenbarung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einbringen einer Flüssigkeit in einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Oberfläche der Zerstäubungsplatte im Wesentlichen parallel zur Mittelachse des Abgasstrangs angeordnet ist. Durch die strömungswiderstandsoptimierte, parallele Anordnung der Zerstäubungsplatte zur Mittelachse des Abgaskanals wird eine Versperrung des Abgasstrangs reduziert, wodurch es nur zu einer geringfügigen Erhöhung des Abgasgegendrucks durch die Zerstäubungsplatte und ein Mehrverbrauch durch einen erhöhten Abgasgegendruck vermieden werden kann.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der angegebenen Vorrichtung möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung besteht darin, dass die Zerstäubungsplatte siebförmig gelocht ist. Durch eine siebförmige Lochung wird ein erster Teilstrom an Tropfen der Eindosierten Flüssigkeit von der Zerstäubungsplatte reflektiert, während ein zweiter Teilstrom durch die Platte hindurch dringt und auf die der Einspritzdüse abgewandeten Seite der Zerstäubungsplatte gelangt. Dadurch wird lokale Ansammlungen von Tropfen, insbesondere aber ein übermäßiger Wandfilm an einer, der Einspritzdüse gegenüberliegenden, Wand des Abgasstrangs vermieden.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zerstäubungsplatte Löcher aufweist, deren Durchmesser zwischen 1mm und 10mm liegt, abhängig von Abgasmassenstrom, Temperatur und Abgasrohrdurchmesser. Durch ein derarte Ausgestaltung der Zerstäubungsplatte wird ein Teil der Flüssigkeitstropfen im oberen Teil der Zerstäubungsplatte gehalten, ein anderer Teil gelangt durch die Zerstäubungsplatte hindurch auf der unteren Seite der Zerstäubungsplatte zur Verdampfung und ein dritter, geringer Teil kann auf einer der Einspritzdüse gegenüberliegenden Rohrwand verdunsten, was zu einer weiteren Verbesserung der Gleichverteilung der Flüssigkeitstropfen im Abgasstrang führt.
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Ebenfalls ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Einspritzdüse in einem Winkel von 45° bis 90°, bevorzugt 60° bis 80° zu der Zerstäubungsplatte angeordnet ist. Durch eine Anordnung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Flüssigkeit aus der Einspritzdüse in schräg auf die Zerstäubungsplatte auftritt, so dass die Flüssigkeitstropfen in Bereiche des Abgasstrangs reflektiert werden, die außerhalb des Spraykegels der Einspritzdüse liegen. Auch durch diese Maßnahme kann die Gleichverteilung der Flüssigkeitstropfen im Abgasstrang weiter verbessert werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Zerstäubungsplatte als Stanzteil ausgeführt ist. Eine Herstellung der Zerstäubungsplatte als Stanzteil lässt sich besonders schnell und kostengünstig ausführen. Zudem kann durch eine entsprechende Orientierung der Zerstäubungsplatte beim Stanzen die Orientierung der Löcher zur Oberfläche festgelegt werden.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Löcher in der Zerstäuberplatte einen Winkel von 2° bis 20° gegenüber einer Senkrechten zur Oberfläche der Zerstäubungsplatte einnehmen. Dieser Winkel ist entscheidend dafür, wie viel Menge an Flüssigkeitstropfen auf der Unterseite der Zerstäubungsplatte verdampfen kann. Ferner entstehen an den Löchern Mikrowirbel, welche für eine weitreichendere Verteilung auf der Ober- wie auf der Unterseite der Zerstäubungsplatte verantwortlich sind.
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Ferner ist mit Vorteil vorgesehen, dass in der Oberfläche der Zerstäubungsplatte, insbesondere an Einlaufkanten der Löcher, kleine Vertiefungen ausgebildet sind. Dadurch kann neben den Tropfen der Flüssigkeit, die die Zerstäubungsplatte durchdringen und den Tropfen der Flüssigkeit, welche durch die Zerstäubungsplatte reflektiert werden, ein Teil der Flüssigkeit an der Oberfläche ansammeln und verdampfen. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Vertiefungen an den Einlaufkanten der Löcher ausgebildet sind, da so ein größere Ansammlung von Flüssigkeit durch den Ablauf durch das jeweils entsprechende Loch vermieden wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Zerstäubungsplatte Halteelemente zur Fixierung am Abgasstrang aufweist. Durch an der Zerstäubungsplatte ausgebildete Halteelemente kann in besonders vorteilhafter Weise die Positionierung und Fixierung der Zerstäubungsplatte im Abgaskanal vereinfacht werden.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zerstäubungsplatte über die Halteelemente extern beheizbar ist. Durch eine externe Beheizung der Zerstäubungsplatte kann das Verdampfen von auf die Zerstäubungsplatte auftreffenden Flüssigkeitstropfen beschleunigt werden, wobei durch eine Beheizung über die Halteelemente auf zusätzlich Heizleitungen verzichtet werden kann.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt ein Abgasstrang einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einbringen einer Flüssigkeit in den Abgasstrang
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2 und 3 zeigen jeweils einen Schnitt durch den Abgasstrang
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Zerstäubungsplatte der Vorrichtung
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5 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zerstäubungsplatte der Vorrichtung
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Kurze Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werde im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile oder Beuteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein Abgasstrang 20 einer Brennkraftmaschine 50 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Einbringen einer Flüssigkeit 15 in den Abgasstrang 20 der Brennkraftmaschine 50 dargestellt. Der Abgasstrang 20 führt von der Brennkraftmaschine 50 zu einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 60, beispielsweise einem Partikelfilter oder einem Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator). Der Abgasstrang 20 wird durch eine Abgaskanalwand 21 begrenzt, wobei an der Abgaskanalwand 21 eine Einspritzvorrichtung 23 mit einer Einspritzdüse 25 angeordnet ist, welche über Fixierelemente 28 an der Abgaskanalwand 21 des Abgasstrangs 20 fixiert ist. Durch ein Loch 24 in der Abgaskanalwand 21 ist die Einspritzdüse 25 mit dem abgasführenden Bereich des Abgasstrangs 20 fluidisch verbunden. Parallel zu einer Mittelachse 22 des Abgasstrangs 20 ist im Abgasstrang 20 eine Zerstäubungsplatte 30 angeordnet. Die Zerstäubungsplatte 30 weist jeweils senkrecht zu einer Abgasstromrichtung in der 1 mit Pfeilen gekennzeichnet Hauptstromrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine 50 Stirnflächen 36 auf, wobei eine Oberfläche 32 der Zerstäubungsplatte 30 im Wesentlichen parallel zur Abgasstromrichtung und damit parallel zur Mittelachse des Abgasstrangs 20 angeordnet ist. Unter im Wesentlichen parallel ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass ein mathematisch exakte Parallelität in Fertigungs- und Montageprozessen nicht erreicht werden kann und eine Verkippung von max. 5° gegenüber einer exakt parallelen Ebene als zulässig angesehen wird. Die Stirnfläche 36 ist dabei senkrecht zur Hauptstromrichtung angeordnet, um den Strömungswiderstand der Zerstäubungsplatte 30 im Abgasstrang minimal zu halten. Die Zerstäubungsplatte 30 ist dabei derart zur Einspritzdüse 25 positioniert, dass sich die Zerstäubungsplatte in einem Einspritzkegel der Einspritzdüse 25 befindet.
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Zur Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung 60 wird über die Einspritzdüse 25 in den abgasführenden Bereich des Abgasstrangs 20 eine Flüssigkeit 15 eingebracht, wobei die Flüssigkeit 15 beim Eintritt in den Abgasstrang 20 zumindest teilweise auf die Zerstäubungsplatte 30 auftrifft. Beim Auftreffen der Flüssigkeit 15, welche als Strahl oder in Tropfenform auf die Zerstäubungsplatte 30 auftreffen kann, wird die Flüssigkeit 15 zerstäubt, d.h. sie zerfällt Tropfen bzw. kleinere Tropfen. Die Zerstäubungsplatte 30 wird von allen Seiten von Abgas der Brennkraftmaschine umströmt, so dass sich die Zerstäubungsplatte 30 schneller als die Abgaskanalwand 21 aufheizt und auch im Betrieb der Brennkraftmaschine 5 eine höhere Temperatur als die Abgaskanalwand 21 aufweist, da die Zerstäubungsplatte nicht durch außen am Abgasstrang 20 vorbeiströmende Luft oder von außen auf den Abgasstrang 20 auftreffendes Wasser gekühlt wird. An der Zerstäubungsplatte anhaftende Flüssigkeit 15 kann somit schneller verdampfen und in einen gasförmigen Aggregatzustand überführt werden. Durch die Reflektion an der Zerstäubungsplatte 30 wird die Flüssigkeit 15 in Bereiche des Abgasstrangs 20 reflektiert, die außerhalb des Spraykegels der Einspritzdüse 25 liegen. Zusätzlich wird ein Wandfilm von Flüssigkeit 15 an einem der Einspritzdüse 25 gegenüberliegenden Bereich der Abgaskanalwand 21 vermieden. Durch eine siebförmige Lochung in der Zerstäubungsplatte 30, wie in 4 dargestellt, kann ein dritter Teilstrom der Flüssigkeit 15 in einen Bereich des Abgasstrangs 20 eingebracht werden, der aus Richtung der Einspritzdüse 25 kommend hinter der Zerstäubungsplatte 30 liegt, d.h. der sich auf der der Einspritzdüse 25 abgewandeten Seite der Zerstäubungsplatte 30 befindet. Durch diese dreifache Aufteilung der eingespritzten Flüssigkeit 15 wird eine sehr homogene Gleichverteilung von Flüssigkeitstropfen erreicht. In der Regel wird eine schnelle Überführung der Flüssigkeit 15 in den gasförmigen Aggregatzustand oder ein gasförmiges Reaktionsprodukt der Flüssigkeit 15 angestrebt, wobei ein solches Gas dann mit Abgaskomponenten des Abgases der Brennkraftmaschine 50 in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 60 reagiert.
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In 2 ist ein Schnitt durch den Abgasstrang 20 dargestellt, wobei die Abgaskanalwand 21 röhrenförmig ausgebildet ist. Das Zerstäubungsblech 30 wird von jeweils einem Halteelement 40 getragen, welche um 180° versetzt jeweils an der Abgaskanalwand 21 fixiert sind. Dabei sind Fixierpunkt 42 der Halteelemente 40 an der Abgaskanalwand 21 jeweils etwa in Höhe der Mittelachse 22 des Abgasstrangs 20 angeordnet. Die Oberfläche 32 der Zerstäubungsplatte 30 ist horizontal und plan ausgeführt, kann aber auch wie in 3 gewölbt ausgeführt sein. Dabei ist sowohl eine Auswölbung nach unten (wie in 3 dargestellt) als auch eine Auswölbung nach oben möglich, wobei durch eine leichte Wölbung in Abhängigkeit von der Position im Abgasstrang der Umsatz erhöht werden kann.
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In 4 ist die Zerstäubungsplatte 30 in einer Draufsicht, d.h. mit Sicht auf eine der beiden Oberflächen 32 der Zerstäubungsplatte 30 dargestellt. Die Zerstäubungsplatte 32 weist eine Vielzahl von Löchern 31 auf, welche jeweils die gleiche Größe haben und in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. Eine solche Lochung wird in dieser Patentanmeldung als siebförmige Lochung bezeichnet. Es sind jedoch auch andere Lochungen, beispielsweise mit unregelmäßigen Abständen oder ungleichmäßigen Lochabständen möglich. Ferner sind an der Zerstäubungsplatte 30 vier Halteelemente 40 ausgebildet, welche jeweils im Bereich der Ecken der Zerstäubungsplatte 30 ausgebildet sind. Die Geometrie einer solchen Zerstäubungsplatte 30 mit einer siebförmigen Lochung und entsprechenden Halteelementen 40 lässt sich beispielsweise als Stanzteil relativ einfach und kostengünstig. Alternativ lässt sich eine solche Zerstäubungsplatte 30 beispielsweise auch als Feinschneidteil herstellen.
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In 5 ist ein Schnitt durch die Zerstäubungsfläche 32 dargestellt. Die Löcher 31 sind dabei nicht senkrecht zur Oberfläche der Zerstäubungsplatte, sondern in einem Winkel von ca. 10° zur Senkrechten ausgeformt. An den Einlaufkanten 34 der Löcher 31 ist jeweils eine kleine Vertiefung 38 ausgebildet, welche Flüssigkeitstropfen an der Oberfläche der Zerstäubungsplatte sammelt und diese durch die jeweiligen Löcher 31 auf die der Einspritzdüse 25 abgewandten Seite der Zerstäubungsplatte 30 zuführt. Alternativ können solche kleinen Vertiefungen 38 auch an anderen Stellen der Oberfläche 32 ausgebildet sein, beispielsweise um die Strömungseigenschaften der Zerstäubungsplatte 30 im Sinne eines möglichst geringen Strömungswiderstandes zu optimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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