DE102013102918B4 - ultrasonic evaporator - Google Patents
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Abstract
System (1) bestehend aus einer Vernebelungseinrichtung (2) und mindestens einem abgasführenden Abgaselement (3) als Teil einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass die Vernebelungseinrichtung (2) eine Sonotrode (5) aufweist, wobei die Sonotrode (5) gebildet ist aus einem Ultraschallgenerator (5.1) und einer daran gekoppelten Masse (5.2) und einer Lanze (2.2) mit einem Kanal (2.4), in dem ein zu zerstäubendes Medium transportierbar ist, wobei die Vernebelungseinrichtung (2) zumindest mit einem Teil der Lanze (2.2) in dem Abgaselement (3) angeordnet ist und das zu zerstäubende Medium in das Abgaselement (3) vernebelt einbringbar ist.System (1) comprising a nebulization device (2) and at least one exhaust gas-carrying exhaust element (3) as part of an exhaust system of an internal combustion engine, characterized in that the nebulization device (2) has a sonotrode (5), wherein the sonotrode (5) is formed from an ultrasound generator (5.1) and a mass coupled thereto (5.2) and a lance (2.2) with a channel (2.4) in which a medium to be atomized can be transported, wherein the atomiser (2) at least with a part of the lance (2.2 ) is arranged in the exhaust gas element (3) and the medium to be atomized in the exhaust gas element (3) is introduced nebulizable.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein System bestehend aus einer Vernebelungs- bzw. Zerstäubungseinrichtung und mindestens einem abgasführenden Abgaselement bzw. Abgasrohr als Teil einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors.The invention relates to a system consisting of a nebulizing or atomizing device and at least one exhaust-carrying exhaust element or exhaust pipe as part of an exhaust system of an internal combustion engine.
Von Vernebelung bzw. Zerstäubung wird gesprochen, wenn eine Tröpfchengröße kleiner als 100 μm erreicht wird. Das schließt kleinste Tröpfchengrößen inklusive der Verdampfung aufgrund von Kavitationseffekten mit ein.Nebulization or atomization is spoken of when a droplet size smaller than 100 μm is achieved. This includes smallest droplet sizes including evaporation due to cavitation effects.
Aus der
Aus der
Sonotroden sind Werkzeuge, die durch das Einleiten von hochfrequenten mechanischen Schwingungen wie Ultraschall in Resonanzschwingungen versetzt werden. Der Ultraschall wird hierbei durch einen elektrischen Ultraschallgenerator erzeugt.Sonotrodes are tools that are put into resonance vibrations by the introduction of high-frequency mechanical vibrations such as ultrasound. The ultrasound is generated by an electric ultrasound generator.
Aus
Aus
In der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit einer Vernebelungseinrichtung versehenes System derart auszubilden und anzuordnen, dass bei Verwendung eines Reduktionsmittels wie einer Harnstoff-Wasser-Lösung bei höheren Temperaturen die Dauerbelastbarkeit optimiert werden.The object of the invention is to design and arrange a system provided with a nebulising device in such a way that, when a reducing agent such as a urea-water solution is used, the continuous load capacity is optimized at higher temperatures.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Vernebelungseinrichtung eine Sonotrode aufweist, wobei die Sonotrode gebildet ist aus einem Ultraschallgenerator und einer daran gekoppelten, einen Grundkörper bildenden Masse und einer Lanze mit einem Kanal, in dem ein zu zerstäubendes Medium transportierbar ist, wobei die Vernebelungseinrichtung zumindest mit einem Teil der Lanze in dem Abgaselement angeordnet ist und das zu zerstäubende Medium in das Abgaselement vernebelt einbringbar ist. Dem Vernebelungsprozess liegt auch ein Kavitationsprozess zu Grunde, der eine direkte Verdampfung bzw. Vernebelung des Mediums mit bewirkt.The object is achieved according to the invention in that the nebulization device has a sonotrode, wherein the sonotrode is formed from an ultrasonic generator and coupled thereto, a body forming mass and a lance with a channel in which a medium to be atomized can be transported, wherein the nebulizer at least with a part of the lance is arranged in the exhaust gas element and the medium to be atomized in the exhaust gas element is introduced nebulizable. The nebulization process is also based on a cavitation process, which causes a direct evaporation or atomization of the medium.
Die Vernebelung erfolgt ohne Anwendung weiteren Druckmittels wie Druckluft oder Wasserdampf. Das zu zerstäubende Medium wird der Sonotrode über eine Zuführleitung unter Druck zugeführt. Für die Bestimmung des Druckes ist der Gasgegendruck in der Abgasanlage hinreichend. Allenfalls ist ein geringer Überdruck vorgesehen, um Druckschwankungen des Gasgegendrucks Rechnung zu tragen.The atomization is carried out without the use of additional pressure medium such as compressed air or water vapor. The medium to be atomized is fed to the sonotrode via a supply line under pressure. For the determination of the pressure of the gas back pressure in the exhaust system is sufficient. At best, a slight overpressure is provided to account for pressure fluctuations in the gas back pressure.
Die Lanze ist vorzugsweise Teil der Masse, die durch den Ultraschallgenerator angeregt wird. Die Lanze kann aber auch an die Masse angekoppelt sein.The lance is preferably part of the mass that is excited by the ultrasonic generator. The lance can also be coupled to the mass.
Durch Anwendung einer Lanze wird erreicht, dass lediglich der Teil der Sonotrode, also die Lanze oder nur ein Teil der Lanze, mit dem Austrittsende mit dem Abgasstrom in Kontakt treten muss und der übrige Teil der Sonotrode bzw. der Vernebelungseinrichtung außerhalb des Abgasrohres platziert werden kann. Ferner wird nur der Kanal der Lanze mit dem zu vernebelnden Mittel beaufschlagt, wobei der Kanal nur 2,4 mm Durchmesser bzw. Breite aufweist. Insbesondere bei den im Abgas herrschenden Temperaturen von etwa 350°C bis 500°C ist bei der Anwendung von Diesel als Kohlenwasserstoff mit einer Verkokung der kohlenwasserstoffführenden Elemente zu rechnen. Dies insbesondere bei kleinen dieselführenden Querschnitten wie der vorstehend genannte Kanal der Lanze. Während der Entwicklung hat sich gezeigt, dass dies durch Einsatz einer Sonotrode aufgrund der Ultraschallbewegung auf ein sehr gutes Maß reduziert wird. Entsprechendes gilt bei der Anwendung von Reduktionsmittel wie einer Harnstoff-Wasser-Lösung zur Nachbehandlung von Abgasen in einem SCR-Katalysator. Die damit einhergehenden Ablagerungen werden durch Einsatz einer Sonotrode ebenfalls auf ein sehr gutes Maß beschränkt. Die von der Verkokung bzw. den Ablagerungen betroffenen Bereiche sind bei Einsatz einer Sonotrode mit mittelführender Lanze beschränkt auf die Lanze. Somit werden weitere Ablagerungen in sonstigen Bereichen der Sonotrode, die sich nachhaltig auf die Standzeit bzw. Funktionsfähigkeit der Vernebelungseinrichtung auswirken, verhindert. Eine gesonderte Versorgung mit Druckluft oder anderen Druck-Hilfsmitteln zur Vernebelung ist nicht notwendig.By using a lance is achieved that only the part of the sonotrode, so the Lance or only part of the lance, must come into contact with the outlet end of the exhaust stream and the remaining part of the sonotrode or the nebulizer can be placed outside the exhaust pipe. Furthermore, only the channel of the lance is loaded with the agent to be nebulised, wherein the channel has only 2.4 mm in diameter or width. In particular, at the temperatures prevailing in the exhaust gas of about 350 ° C to 500 ° C is expected in the use of diesel as a hydrocarbon with a coking of the hydrocarbon-carrying elements. This particular for small diesel-conducting cross sections as the above-mentioned channel of the lance. During development it has been shown that this is reduced to a very good level by the use of a sonotrode due to the ultrasonic movement. The same applies to the use of reducing agents such as a urea-water solution for the aftertreatment of exhaust gases in an SCR catalyst. The associated deposits are also limited to a very good level by using a sonotrode. The areas affected by the coking or deposits are limited to the lance when using a sonotrode with a medium-guiding lance. Thus, further deposits in other areas of the sonotrode, which have a lasting effect on the service life or functionality of the nebulizer prevented. A separate supply of compressed air or other pressure aids for nebulization is not necessary.
Je nach Ausbildung der Lanze weist die Sonotrode ergänzend eine Zuführleitung auf, über die ein zu zerstäubendes Medium der Sonotrode zugeführt wird. Die Zuführleitung ist an die Lanze bzw. deren Masse angeschlossen.Depending on the design of the lance, the sonotrode additionally has a supply line, via which a medium to be atomized is supplied to the sonotrode. The supply line is connected to the lance or its mass.
Gelöst wird die Aufgabe auch durch die Verwendung einer Vernebelungseinrichtung mit einer elektrischen Sonotrode zum Vernebeln von Reduktionsmittel, wie UREA oder Diesel oder anderen flüssigen Kohlenwasserstoffen. Die elektrische Sonotrode weist einen piezoelektrischen Antrieb auf, der die Ultraschallschwingung generiert.The object is also achieved by the use of a nebuliser with an electric sonotrode for atomizing reducing agent, such as UREA or diesel or other liquid hydrocarbons. The electric sonotrode has a piezoelectric drive which generates the ultrasonic vibration.
Vorteilhaft kann es hierzu sein, wenn Kühlmittel und/oder Isolationsmittel vorgesehen sind, mittels derer die Sonotrode gekühlt und/oder isoliert wird. Es hat sich gezeigt, dass die Vernebelungsleistung der Sonotrode bei tieferen Temperaturen für Diesel und Reduktionsmittel erheblich verbessert ist.It may be advantageous for this purpose if coolant and / or insulation means are provided, by means of which the sonotrode is cooled and / or isolated. It has been shown that the atomization power of the sonotrode is significantly improved at lower temperatures for diesel and reducing agent.
Zudem kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Lanze im Bereich eines Austrittsendes eine Masse aufweist, die ergänzend zu der rohrförmigen Grundform der Lanze vorgesehen ist. Die Masse am Lanzenende begünstigt das Schwingungsverhalten der Lanze, mithin die Vernebelungseigenschaften insgesamt. Die ergänzende Masse kann gebildet sein durch eine Erweiterung des Außendurchmessers der Lanze am Lanzenende um 20% bis 200% bspw. von 6 mm auf 10 mm. Dabei sind für die Masse kegelige, teilkugelförmige oder quaderförmige Grundformen vorgesehen. Die ergänzende Masse erstreckt sich über eine Länge von 5% bis 30% oder 10% bis 15% der Lanzenlänge.In addition, it may also be advantageous if the lance in the region of an outlet end has a mass which is provided in addition to the tubular basic shape of the lance. The mass at the end of the lance promotes the oscillation behavior of the lance, hence the total atomization properties. The additional mass may be formed by an extension of the outer diameter of the lance at the end of the lance by 20% to 200%, for example. From 6 mm to 10 mm. In this case, conical, part-spherical or cuboid basic shapes are provided for the mass. The supplemental mass extends over a length of 5% to 30% or 10% to 15% of the lance length.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Lanze mit Bezug zur Förderrichtung zumindest teilweise geneigt oder horizontal verlaufend angeordnet ist. Dadurch, dass die Zuführleitung weiter oben angeordnet ist, bildet sich eine stetige Verteilung des Mediums innerhalb der Lanze bzw. des Kanals aus. Dies ist insbesondere bei Diesel und UREA vorteilhaft, weil diese Medien bei angestellter Sonotrode leichter der Schwerkraft nach entgegen der eigentlichen Förderrichtung aus der Lanze herauslaufen könnten. Dies würde die Vernebelungseigenschaften nachteilig beeinflussen.It may also be advantageous if the lance is at least partially inclined or horizontally extending with respect to the conveying direction. The fact that the supply line is arranged further up, a continuous distribution of the medium forms within the lance or of the channel. This is particularly advantageous in diesel and UREA, because these media could easily run out of the lance with the sonotrode in the opposite direction to the actual conveying direction of gravity. This would adversely affect the fogging properties.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Lanze gegenüber der Horizontalen in einem Winkel α zwischen 0° und 180°, zwischen 5° und 175°, zwischen 80° und 100° oder von 90° angeordnet ist. Dieser Winkelbereich hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Grundsätzlich ist auch eine Anordnung in dem gesamten Winkelbereich von 360° möglich.Furthermore, it may be advantageous if the lance is arranged relative to the horizontal at an angle α between 0 ° and 180 °, between 5 ° and 175 °, between 80 ° and 100 ° or of 90 °. This angular range has proved to be particularly advantageous. In principle, an arrangement in the entire angular range of 360 ° is possible.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Lanze ausgehend vom Grundkörper bis zu einem Austrittsende eine Länge a1 aufweist, die ein Einführen der Lanze in das Abgaselement gewährleistet. Die Länge a1 der Lanze ist dabei derart gewählt, dass die Lanze in Bezug auf das Austrittsende in verschiedenen Bereichen der Abgasströmung platziert werden kann. Im Bereich einer Rohr- bzw. Abgaswand, also in einer Randzone der Strömung, in einer Mitte des abgasführenden Abgaselements, also im Zentrum der Strömung oder auch zwischen diesen beiden Positionen. Wie bereits ausgeführt ist eine umfassende Anordnung der Vernebelungseinrichtung innerhalb des Gasstroms nachteilig. Dies führt zu erhöhter Verschmutzung der Vernebelungseinrichtung insgesamt. Zudem wird die Gasströmung nachteilig beeinflusst.It may also be advantageous if the lance, starting from the main body up to an outlet end, has a length a1 which ensures insertion of the lance into the exhaust gas element. The length a1 of the lance is chosen such that the lance can be placed in relation to the outlet end in different regions of the exhaust gas flow. In the region of a pipe wall or exhaust wall, that is to say in an edge zone of the flow, in a center of the exhaust gas-carrying exhaust gas element, ie in the center of the flow or between these two positions. As already stated, a comprehensive arrangement of the nebulizer within the gas stream is disadvantageous. This leads to increased pollution of the nebulizer overall. In addition, the gas flow is adversely affected.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Lanze bzw. der Kanal einen Leitungsdurchmesser D1 aufweist und am Austrittsende eine Verjüngung mit einem Durchmesser D2 aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser D1.It may advantageously be provided that the lance or the channel has a line diameter D1 and at the outlet end has a taper with a diameter D2, which is smaller than the diameter D1.
Von Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn die Lanze einen Durchmesser D1 zwischen 1 mm und 4 mm oder zwischen 1,5 mm und 2,5 mm oder 2,4 mm oder 1,6 mm hat. Hierdurch wird eine sehr gute Vernebelungswirkung, insbesondere für Dieselkraftstoff und UREA gewährleistet. Bei der Auswahl des Durchmessers D1 sind die Dichte des Mediums und die Fördermenge von Relevanz.Of importance may be for the present invention, when the lance has a diameter D1 between 1 mm and 4 mm or between 1.5 mm and 2.5 mm or 2.4 mm or 1.6 mm. This ensures a very good fogging effect, especially for diesel fuel and UREA. In the Selection of the diameter D1 is the density of the medium and the delivery rate of relevance.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn es sich bei dem Teil der Abgasanlage um einen Oxidationskatalysator, einen katalytisch beschichteten Dieselpartikelfilter, um einen SCR-Katalysator, einen LNT-Katalysator oder einen Mischer handelt. Zwecks Regeneration des Partikelfilters wird erfindungsgemäß Diesel als Oxidationsmittel über die Vernebelungseinrichtung zugeführt. Der SCR-Katalysator (SCR = Selective Catalytic Reduction) sowie der LNT-Katalysator (LNT = Lean NOx Trap) dient der Nachbehandlung des Abgases zur Reduktion des Stickoxidanteils.It can also be advantageous if the part of the exhaust system is an oxidation catalytic converter, a catalytically coated diesel particulate filter, an SCR catalytic converter, an LNT catalytic converter or a mixer. For the purpose of regeneration of the particulate filter, diesel is supplied as an oxidizing agent via the nebuliser. The SCR catalytic converter (SCR = Selective Catalytic Reduction) and the LNT catalytic converter (LNT = Lean NOx Trap) are used for post-treatment of the exhaust gas to reduce the nitrogen oxide content.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn der Abstand b zwischen der schwingenden Masse des Ultraschallgenerators und dem Austrittsende der Lanze ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der durch den Ultraschallgenerator erzeugten Ultraschallwelle ist.Moreover, it may be advantageous if the distance b between the oscillating mass of the ultrasonic generator and the exit end of the lance is an integral multiple of half the wavelength of the ultrasonic wave generated by the ultrasonic generator.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:Further advantages and details of the invention are explained in the patent claims and in the description and illustrated in the figures. It shows:
Eine Vernebelungseinrichtung
Am rückwärtigen Ende der Sonotrode
Das Austrittsende
Nach
Hierzu ist die Lanze
Bei der Anbauweise nach
Während hier die Eintauchtiefe zwischen 40% und 60% des Durchmessers d des Abgaselements
Nach Ausführungsbeispiel
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Systemsystem
- 22
- Vernebelungseinrichtungatomizer
- 2.12.1
- Gehäusecasing
- 2.22.2
- Lanzelance
- 2.32.3
- Verjüngungrejuvenation
- 2.42.4
- Kanalchannel
- 2.52.5
- Austrittsendeexit end
- 2.62.6
- Masse, LanzenspitzeMass, lance tip
- 2.72.7
- Lager-, Dämpfungs- und DichtmittelBearing, damping and sealant
- 33
- Abgaselement, AbgasrohrExhaust element, exhaust pipe
- 44
- SCR-Katalysator, DieselpartikelfilterSCR catalytic converter, diesel particulate filter
- 55
- Sonotrodesonotrode
- 5.15.1
- Ultraschallgeneratorultrasonic generator
- 5.25.2
- Masse, GrundkörperMass, basic body
- 5.35.3
- elektrischer Anschlusselectrical connection
- 66
- Zuführleitungfeed
- 77
- Kühlmittelcoolant
- 88th
- Isolationsmittelinsulation materials
- a1a1
- Länge, AbstandLength, distance
- a2a2
- Länge, EintauchtiefeLength, immersion depth
- bb
- Abstanddistance
- cc
-
Wandstärke von
3 Wall thickness of3 - dd
-
Durchmesser von
3 diameter of3 - D1D1
- Durchmesserdiameter
- D2D2
- Durchmesserdiameter
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