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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Entkoppelelement für eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einem äußeren, zumindest teilweise gewellten Metallbalg und mindestens einem im Inneren des Metallbalges angeordneten Leitungselement.
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Entkoppelelemente in Form von Metallbälgen werden insbesondere im Bereich der Automobiltechnik eingesetzt und in die Rohrleitungen von Abgasanlagen eingebaut. Sie dienen dazu, lastwechselbedingte Motorbewegungen, Vibrationen, Erschütterungen im Fahrbetrieb, temperaturbedingte Längenänderungen und dergleichen zu absorbieren. Des Weiteren werden Schwingungen unterschiedlichster Frequenzen, die im Verbrennungsmotor durch sich bewegende Teile und durch pulsierende Gasströme entstehen, von einem solchen Entkoppelelement aufgenommen und, soweit dessen Eigenschwingungen ausreichend bedämpft sind, nicht an die weiterführenden Teile der Abgasanlage weitergegeben. Dies verhindert, dass die Schwingungen des Verbrennungsmotors von der Abgasanlage als Körperschall abgestrahlt werden oder an eine Fahrzeugkarosserie weitergeleitet werden, was unerwünschte Brummgeräusche im Inneren des Fahrzeugs verursachen würde.
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Zur Verbesserung der Strömungsführung eines das Entkoppelelement durchströmenden Abgasstroms kann im Inneren des Metallbalgs konzentrisch ein Metallschlauch angeordnet sein. Er sorgt dafür, dass die thermische Belastung des Metallbalgs durch den Abgasstrom nicht zu hoch wird, und verhindert insbesondere Verwirbelungen des Abgasstroms in den Wellungen des Metallbalgs. Solche Verwirbelungen wären nachteilig, da sie zum einen den Strömungswiderstand erhöhen und zum anderen erhebliche Geräusche verursachen können.
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Entkoppelelemente der vorgennannten Art werden insbesondere in Kraftfahrzeugen schon lange erfolgreich eingesetzt, wobei sie oft motornah zwischen Abgaskrümmer und Katalysator eingebaut werden. Je nach den örtlichen Gegebenheiten des Einbauorts können Entkoppelelemente mit im Wesentlichen kreisrundem Querschnitt oder abgeflachte Entkoppelelemente mit ovalem oder stadionförmigem Querschnitt verwendet werden.
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Zur Verringerung von Stickoxidemissionen von Verbrennungsmotoren, insbesondere von in Fahrzeugen eingesetzten Dieselmotoren, werden verbreitet sogenannte SCR-Katalysatoren (Selective Catalytic Reduction Katalysatoren) in die Abgasanlagen eingebaut. Für den Betrieb des SCR-Katalysators wird Harnstoff in den heißen Abgasstrom eingedüst, der im Katalysator als Reduktionsmittel für die Stickoxide (NOx) fungiert. Hierbei kann es vorkommen, dass sich Harnstoff oder Harnstoffderivate an den Abgasleitungen absetzen.
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Erfolgt die Harnstoffeindüsung stromaufwärts eines Entkoppelelements, so kann das Problem auftreten, dass Ablagerungen in den Zwischenraum zwischen dem Metallschlauch und dem Metallbalg gelangen oder dort entstehen. Sammeln sich Harnstoffablagerungen in diesem Zwischenraum an, so können sie ihn mit der Zeit vollständig zusetzen. Spätestens dann leidet die Flexibilität des Metallschlauchs und/oder des Metallbalgs, so dass die Funktion des Entkoppelelements beeinträchtigt wird, und der Metallbalg bei entsprechender Beanspruchung sogar beschädigt werden kann.
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Zur Vermeidung dieses Effektes wurde vorgeschlagen, im Inneren des Metallschlauchs einen zusätzlichen strömungsführenden Schlauch vorzusehen, der von einem Teil des Abgasstroms hinterströmt wird, der keinen eingedüsten Harnstoff mit sich führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Entkoppelelement der vorgenannten Art zu schaffen, welches für eine stromaufwärtige Einleitung eines Abgaszusatzes geeignet ist und bei dem eine Vermischung eines eingeleiteten Abgaszusatzes mit den das Entkoppelelement durchströmenden Abgasen verbessert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Bei einem Entkoppelelement der eingangs genannten Art mit einem äußeren, zumindest teilweise gewellten Metallbalg sind in dessen Inneren zwei im Wesentlichen konzentrische Leitungselemente angeordnet, wobei die beiden konzentrischen Leitungselemente an einem stromaufwärts gelegenen Ende mit dem äußeren Metallbalg verbunden sind und in dem Verbindungsbereich mindestens ein Einlass vorgesehen ist, der in einem Spaltraum zwischen den beiden konzentrischen Leitungselementen mündet und der Zumischung eines Abgaszusatzes zu das Entkoppelelement durchströmenden Abgasen dient.
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Durch die Einspritzung des Abgaszusatzes in den Spaltraum zwischen den beiden konzentrischen Leitungselementen kann eine kontrollierte und gleichmäßigere Durchmischung der Abgase mit dem Abgaszusatz erreicht werden. Das äußere der beiden Leitungselemente sorgt außerdem dafür, dass der Abgaszusatz nicht in Kontakt mit den Wellungen des äußeren Metallbalgs gelangt und dort Ablagerungen bildet. Gleichzeitig wird durch den Spaltraum zwischen den beiden konzentrischen Leitungselementen eine zusätzliche Isolierwirkung erzielt.
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In Abkehr von der bisherigen Lehre, nach der versucht wurde, Abgaszusätze in den Hauptstrom durchströmender Abgase einzuleiten und einen Kontakt mit den kälteren Außenwandbereichen des Entkoppelelements zu verhindern, erfolgt bei der hier vorgeschlagenen Lösung eine Eindüsung des Abgaszusatzes in einen Abgasnebenstrom. Die vorliegende Erfindung nutzt hierbei auch den Umstand aus, dass durch verbesserte Einspritzsysteme für die Abgaszusätze eine bessere Dosierung ermöglicht wird, die zu einer Verringerung der Ablagerungsneigung führt. Wenn in dem Verbindungsbereich, vorzugsweise in einem konisch oder stufenförmig verlaufenden Leitungsabschnitt, der das Innere und das äußere Leitungselement verbindet, Durchlassöffnungen vorgesehen sind, die einen Teilstrom der Abgase in den Spaltraum zwischen den beiden konzentrischen Leitungselementen leiten, lässt sich eine Vormischung der Abgaszusätze mit dem Teilstrom erreichen.
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Vorzugsweise weist eines oder beide der konzentrischen Leitungselemente eine in den Spaltraum weisende Profilierung auf, die zu Verwirbelungen durchströmender Gase führt, und so eine Durchmischung durchströmender Gase und/oder Schwebteilchen bewirkt.
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Als Profilierung können diskrete oder im Umfang geschlossene Erhebungen auf der dem Spaltraum zugewandten Wandfläche des Leitungselements bzw. der Leitungselemente vorgesehen sein. Insbesondere kann als Profilierung auch eine wendelförmig umlaufende Wellung in die Außenwand mindestens eines der Leitungselemente eingeformt sein. Vorzugsweise weisen beide Leitungselemente eine wendelförmig umlaufende Wellung auf, wobei die Wellungen der beiden konzentrischen Leitungselemente gewindeartig ineinander greifen. In dem Spaltraum zwischen den ineinandergreifenden Wellungen erfolgt eine besonders gleichmäßige Durchmischung der durchströmenden Abgase mit den Abgaszusätzen, sowohl in longitudinaler als auch in lateraler Richtung.
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In der Außenwand des inneren Leitungselements können außerdem Öffnungen vorgesehen sein, durch die aufgrund der durchströmenden Abgase ein Unterdruck in dem Spaltraum zwischen den beiden konzentrischen Leitungselementen bewirkt wird. Hierdurch werden die in den Spaltraum eingedüsten Abgaszusätze sowie im Spaltraum möglicherweise entstehendes Kondensat in den Innenbereich des Entkoppelelementes hineingesaugt und mit dem heißeren Abgashauptstrom vermischt.
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Die beiden konzentrischen Leitungselemente können als im Wesentlichen starre Leitrohre ausgebildet sein, die nur am stromaufwärts gelegenen Ende mit dem Metallbalg verbunden sind und ansonsten im Inneren des Metallbalgs frei schwingen können. Alternativ können die beiden konzentrischen Leitungselemente auch als flexible Metallschläuche ausgebildet werden. In diesem Falle ist auch eine Fixierung der Metallschläuche an beiden Enden des Metallbalgs möglich.
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Als Abgaszusätze kommen Ammoniak oder zu Ammoniak reagierende Verbindungen in Betracht. Insbesondere wird in der Automobiltechnik zur Senkung der Oxidemissionen bei Dieselfahrzeugen wässrige Harnstofflösung als Abgaszusatz eingedüst, aus der unter der Temperatureinwirkung durch die heißen Abgase Ammoniak freigesetzt wird, der im nachfolgenden Katalysator eine Reduktion der Stickoxide bewirkt. Zum Abbau weiterer schädlicher Abgasbestandteile können auch andere Abgaszusätze, wie beispielsweise HC (Diesel oder sonstiger Kraftstoff), eingedüst werden.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Entkoppelelements in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 zeigt eine Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels;
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3 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Entkoppelelements in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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4 eine weitere Ansicht des Entkoppelelements aus 2 mit gestrichelt gezeigten Innenstrukturen,
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5 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Entkoppelelements in einem dritten Ausführungsbeispiel,
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6 eine weitere Ansicht des Entkoppelelements aus 4 mit gestrichelt gezeichneter Innenstruktur,
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7 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Entkoppelelements in einem vierten Ausführungsbeispiel, und
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8 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Entkoppelelements in einem fünften Ausführungsbeispiel.
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Das in 1 gezeigte Entkoppelelement eines ersten Ausführungsbeispiels umfasst einen ringgewellten Metallbalg 1 mit zwei Anschlussborden 2, 2'. Im Inneren des Balgs 1 befinden sich zwei konzentrische Leitrohre 3, 4, die sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Balgs 1 erstrecken und am in der Zeichnung linken Ende in einem Übergangsbereich 5 mit dem Metallbalg 1 verbunden sind. Die vorgesehene Strömungsrichtung für den Betrieb in einer Abgasanlage ist durch einen Pfeil angedeutet von links nach rechts. In dem Übergangsbereich 5 sind die beiden Leitrohre 3, 4 an der Innenseite des stromaufwärtigen Anschlussbords 2 angelegt und befestigt. Ausgehend vom Durchmesser des Anschlussbords 2 verjüngen sich die beiden konzentrischen Leitrohre 3, 4 zu ihren jeweiligen Enddurchmessern und weisen so im Übergangsbereich 5 konische Leitungsabschnitte 7, 8 auf, welche die beiden konzentrischen Rohre 3, 4 und den Anschlussbord 2 des Metallbalgs miteinander verbinden. Im rechten Endbereich 6 laufen die Leitrohre 3, 4 zum stromabwärtigen Anschlussbord 2' hin offen aus.
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Um den Metallbalg 1 kann außerdem ein umhüllender Gestrickeschlauch aus Metalldrähten angebracht werden, der in den Figuren jedoch nicht gezeigt ist. Ein solcher Gestrickeschlauch wird üblicherweise bei Entkoppelelementen zur Schwingungsdämpfung eingesetzt.
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Das innere Leitrohr 4 dient dazu, den Hauptabgasstrom durch das Entkoppelement zu führen und für möglichst laminare Strömungsverhältnisse zu sorgen, indem verhindert wird, dass es zu Verwirbelungen in den Wellungen des Metallbalgs kommt. Außerdem hält es die heißen Abgase von dem Metallbalg 1 ab und vermindert so dessen thermische Belastung. Das äußere Leitrohr 3 liegt konzentrisch um das innere Leitrohr 4 und begrenzt einen Spaltraum 9 zwischen den beiden Leitrohren 3, 4. Am stromaufwärtigen Ende ist der Spaltraum 9 durch den konischen Leitungsabschnitt 7 des inneren Leitrohres 4 im Wesentlichen geschlossen. Am stromabwärtigen Ende 6 ist der Spaltraum 9 zum Anschlussbord 2' hin offen.
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Das äußere Leitrohr 3 bewirkt einerseits durch Schaffung eines Luftspalts im Spaltraum 9 eine zusätzliche Isolation des Balgs 1 gegen die heißen Abgase, andererseits besteht ein erfindungsgemäßer Grundgedanke darin, in den vom Spaltraum 9 gebildeten Ringspalt Abgaszusätze wie etwa eine wässrige Harnstofflösung einzudüsen, und so möglichst gleichmäßig verteilt über den ganzen Umfang des Ringspalts zu dem im Inneren des Leitrohres 4 geführten Abgashauptstrom abzugeben. Erfindungsgemäß ist daher mindestens ein Einlass vorgesehen, der mit dem Spaltraum 9 in Verbindung steht oder in diesem mündet, und durch den Abgaszusätze in den Spaltraum 9 eingedüst werden können. In 1 ist dieser Einlass jedoch nicht gezeigt.
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2 zeigt eine Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels, bei dem neben einem als Kapillarrohr 10 ausgeführten Einlass für Abgaszusätze in dem konischen Leitungsabschnitt 7 mehrere über den Umfang des Entkoppelelements verteilte Öffnungen 11 vorgesehen sind, durch die ein Teilstrom der Abgase in den Spaltraum 9 gelangen kann. Der durch die Öffnungen 11 tretende Abgasteilstrom durchmischt sich im Spaltraum 9 mit den durch die Einlassöffnung 10 eingedüsten Abgaszusätzen und tritt am Ende 6 der Leitrohre 3, 4 über den ganzen Umfang verteilt zu dem von Leitrohr 4 geführten Abgashauptstrom und durchmischt diesen gleichmäßig. Selbstverständlich können anstatt nur eines Kapillarrohres 10 als Einlass für die Abgaszusätze weitere über den Umfang verteilte Kapillarrohre bzw. Einlässe vorgesehen sein, um so eine noch homogenere Durchmischung des Spaltraum 9 strömenden Abgasteilstromes zu erreichen.
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In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Entkoppelelementes gezeigt. Hierbei sind, wie in den anderen Figuren auch, gleiche und gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das hier gezeigte Entkoppelelement unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel darin, dass das innere Leitrohr 4 eine in den Spaltraum 9 weisende Profilierung in Form diskreter Ausbuchtungen 12, 13, 14, 15 unterschiedlicher Formgebung aufweist. Die Funktion dieser Profilierung besteht darin, durch Verwirbelung des eingedüsten Abgaszusatzes eine bessere Verteilung und gegebenenfalls Durchmischung mit einem in Spaltraum 9 geleiteten Abgasteilstrom zu bewirken.
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In 4 ist das Entkoppelelement des zweiten Ausführungsbeispiels nochmals in einer gedrehten Seitenansicht dargestellt, wobei verdeckte, innere Strukturen gestrichelt dargestellt sind. Es lässt sich erkennen, dass die Erhebungen bzw. Ausbuchtungen unterschiedliche Formgebung aufweisen. Die Abgasströmungsrichtung ist hier von oben nach unten gezeigt. So weist z. B. Erhebung 12 einen quadratischen, Erhebung 13 einen kreisrunden, Erhebung 14 einen dreieckigen und Erhebung 15 einen länglich rechteckigen Grundriss auf. Hierzu sei angemerkt, dass Formgebung und Anordnung der Erhebungen 12, 13, 14, 15 beispielhafter Natur sind, um die Möglichkeiten verschiedenartiger Strukturierungen aufzuzeigen. In einem tatsächlichen Anwendungsfall können eine Vielzahl derartiger Erhebungen über den gesamten Umfang verteilt in Reihen und Spalten, oder auch versetzt zueinander, auf der Außenseite des Leitrohres 4 vorgesehen sein.
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In den 5 und 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel für ein Entkoppelelement gezeigt. Dieses unterscheidet sich von den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen darin, dass sowohl auf der Innenseite des äußeren Leitrohres 3 als auch auf der Außenseite des inneren Leitrohres 4 eine Profilierung in Form diskreter Erhebungen mit kreisrundem Grundriss aufgebracht ist. Die Erhebungen auf den Leitrohren 3, 4 sind alternierend in Reihen angeordnet, wobei in 6 beispielhaft nur eine solche Reihe gezeigt ist. Es ist jedoch offensichtlich, dass bei einem derartigen Entkoppelelement eine Vielzahl von über den Umfang verteilten Reihen vorgesehen werden können.
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Bei einem in 7 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel ist eine Profilierung lediglich des äußeren Leitrohrs 3 vorgesehen, und zwar in Form einer wendelförmig umlaufenden Wellung 18. Die Wellung 18 weist dabei in Richtung des Spaltraumes 9. Die Steigung der Wendelgänge der Wellung 18 ist so gewählt, dass zwischen zwei angrenzenden Wendelgängen jeweils ein gerader Rohrabschnitt verbleibt, der in der Breite etwa einer Wellung entspricht. Durch die Wellung 18 verringert sich der verbliebene Spaltraum 9 bei jedem Wendelgang, so dass longitudinal den Spaltraum 9 durchströmende Gase an jeder Wellung auch eine laterale Transportkomponente erhalten. Durch diese longitudinale und spiralförmige Durchströmung des Spaltraums 9 erfolgt eine besonders gute Durchmischung, in der Art eines Zyklotrons.
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In 8 schließlich ist ein fünftes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem sowohl das innere Leitrohr 4 als auch das äußere Leitrohr 3 als Profilierung jeweils eine wendelförmig umlaufende Wellungen 18, 19 aufweisen. Die Steigung der Wendelgänge der Wellung ist so gewählt, dass zwischen zwei angrenzenden Wendelgängen jeweils ein gerader Rohrabschnitt verbleibt, der in der Breite etwa der Breite einer Wellung entspricht. Die Wellung der beiden Leitrohre 3, 4 weist jeweils in Richtung des Spaltraumes 9, also die Wellung 19 des inneren Leitrohres 4 nach außen und die Wellung 18 des äußeren Leitrohres 3 nach innen. Da die gewendelten Profile der Leitrohre 3, 4 komplementär zueinander ausgeformt sind, können die Wendelgänge 18, 19 gewindeartig ineinandergreifen, so dass jeweils die Wellung des einen Rohres dem verbliebenen geraden Rohrabschnitt des anderen Rohres gegenüberliegt, aber zwischen den beiden Leitrohren 3, 4 dennoch ein Spaltraum 9 verbleibt.
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Bei dieser Ausführungsform ergibt sich einerseits der Vorteil, dass durch die wendelgewellte Profilierung eine gewisse Flexibilität der Leitrohre erreicht wird, andererseits bewirkt die spiralförmig umlaufende Wellung auch einen lateralen Transport durchströmender Gase, so dass eine besonders gute Durchmischung in der Art eines Zyklotrons auftritt.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die konzentrischen Leitungselemente jeweils als im Wesentlichen starre Leitrohre ausgebildet, die einseitig mit dem Metallbalg verbunden sind, so dass dieser seine schwingungsabsorbierende Funktion behält. Alternativ können die beiden konzentrischen Leitungselemente aber wie eingangs erwähnt auch als flexible Metallschläuche ausgeführt werden. Solche Metallschläuche können Wickelschläuche aus gefalzten und aufgewickelten Haken- oder Agraffprofilen sein. Daneben können aber auch in der Art des dritten Ausführungsbeispiels wendelgewellte Metallschläuche, so genannte Wendelwellschläuche, verwendet werden, deren Wendelwellungen ähnlich zu 7 gewindeartig ineinandergreifen.
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Zur Vermeidung von Ablagerungen durch eingedüsten Harnstoff können die Leitrohre auch mit einer entsprechenden Beschichtung versehen werden, die ein Anhaften verhindert oder vermindert.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, in dem inneren Leitrohr 4 Öffnungen vorzusehen, welche bei Durchströmen des Leitrohres 4 nach dem Bernoullischen Effekt einen Unterdruck in dem Spaltraum 9 erzeugen. Hierdurch werden eingedüste Abgaszusätze sowie mögliches Kondensat aus dem Spaltraum 9 effektiv ins Innere des Leitrohres 4 hineingezogen und vermengen sich mit dem Abgashauptstrom.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung und Einspeisung der Abgaszusätze wie etwa Harnstoff, wird neben einer besseren Vermischung des eingedüsten Mediums mit dem Abgasstrom die Bildung von Ablagerungen an Balg oder Leitschlauch (Liner) effektiv vermindert. Auch kann auf diese Weise ein gegebenenfalls erforderlicher zusätzlicher Mixer zur Durchmischung der Abgase eingespart werden.
