DE102014112651A1

DE102014112651A1 - Abgasanlage einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014112651A1
Application number: DE102014112651.3A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schmidt; Dennis Sailer; Stefan Sauer
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2016-03-03
Also published as: US20160061078A1

Abstract

Eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine umfasst einen im Abgasstrang der Abgasanlage liegenden Rohrabschnitt, dem ein Abgas enthaltendes Hauptfluid insbesondere in einem Winkel zur Strömungsachse des Rohrabschnitts zugeführt wird. Die Abgasanlage umfasst eine Einrichtung zum Eindüsen eines weiteren Fluids, insbesondere eines Wasser-Harnstoff-Gemisches oder eines Flüssigkraftstoffs, in den Rohrabschnitt. Im Eintrittsbereich des Rohrabschnitts sind insbesondere stationäre Mittel zur Erzeugung eines Dralls vorgesehen, durch den vorzugsweise der Spraykegel des eingedüsten weiteren Fluids aufgezogen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem im Abgasstrang der Abgasanlage liegenden Rohrabschnitt, dem ein Abgas enthaltendes Hauptfluid insbesondere in einem Winkel zur Strömungsachse des Rohrabschnitts zugeführt wird.
Aufgrund strenger werdender Abgasvorschriften für Verbrennungsmotoren müssen Stickoxide (NO_x) im Abgas reduziert werden. Eine bekannte Möglichkeit besteht darin, die Stickoxide in einer sogenannten selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zu Stickstoff und Wasser zu reduzieren. Dies erfolgt in einem sogenannten SCR-Katalysator unter Verwendung eines in das Abgas eingedüsten Reduktionsmittels. Hierfür kann insbesondere ein Wasser-Harnstoff-Gemisch verwendet werden, dessen Harnstoff im Abgas zu Ammoniak zerfällt, das mit dem Stickoxid reagiert. Des Weiteren kann auch Flüssigkraftstoff in Form unterschiedlicher Kohlenwasserstoffverbindungen (HC) in das Abgas eingedüst werden.
Wünschenswert bei derartigen Reduktionsverfahren ist grundsätzlich, dass einerseits das Reduktionsmittel möglichst gleichmäßig mit dem Abgas vermischt wird und andererseits eine möglichst vollständige Verdampfung bzw. Thermolyse des flüssigen Reduktionsmittels erzielt wird, um einen hohen Wirkungsgrad bei der Reduktion sowie einen ablagerungsfreien Betrieb zu erreichen.
Insbesondere bei einer Zufuhr des Abgas enthaltenden Hauptfluids in einem Winkel zur Strömungsachse des betreffenden Rohrabschnitts, bei dem es sich beispielsweise um ein in einen Schacht mit einem Katalysator laufendes sogenanntes Tauchrohr handeln kann, kann eine Reihe von Problemen auftreten. So kann es bei der Eindüsung eines jeweiligen Reduktionsmittels zu einer Sprayverwehung kommen, was eine lokal überhöhte Wandbenetzung mit sich bringen kann. Zudem kann eine inhomogene Einströmung des Reduktionsmittels in den Rohrabschnitt zu einem erhöhten Gegendruck führen und wiederum eine nicht erwünschte Sprayverwehung verursachen. Schließlich können sich infolge der Richtungsänderung am Rohrabschnitt bzw. Tauchrohr Totwassergebiete ergeben, oder es werden durch Litzungen oder Bohrungen Kanten erzeugt, die eine erhöhte Ablagerungsbildung mit sich bringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Abgasanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die zuvor genannten Probleme beseitigt sind. Dabei sollen insbesondere auch im Fall einer in einem Winkel zur Strömungsachse des Rohrabschnitts erfolgenden Zufuhr des Abgas enthaltenden Hauptfluids eine möglichst hohe Verdampfung eines eingedüsten weiteren Fluids bzw. Reduktionsmittels, eine möglichst optimale Dosierung des weiteren Fluids unter Vermeidung einer einseitigen Sprayverwehung zur Innenwand des Rohrabschnitts hin sowie eine möglichst optimale Vermischung der Fluide gewährleistet werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abgasanlage sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Einrichtung zum Eindüsen eines weiteren Fluids, insbesondere eines Wasser-Harnstoff-Gemisches oder eines Flüssigkraftstoffs, in den Rohrabschnitt umfasst und dass im Eintrittsbereich des Rohrabschnitts insbesondere stationäre Mittel zur Erzeugung eines zur Erzeugung eines Dralls vorgesehen sind, durch den vorzugsweise der Spraykegel des eingedüsten weiteren Fluids aufgezogen wird.
Außerdem kann dadurch die Strömung beschleunigt und entsprechend der Wärmeeintrag in das Innere des Rohrabschnitts erhöht werden.
Dabei umfasst der Rohrabschnitt bevorzugt ein Außenrohr und ein dazu insbesondere konzentrisches Innenrohr, wobei die wenigstens eine Düse umfassende Eindüseinrichtung zur Eindüsung des weiteren Fluids ausschließlich in das Innenrohr angeordnet und ausgeführt ist und im Eintrittsbereich des Außenrohres und/oder im Eintrittsbereich des Innenrohres insbesondere stationäre Mittel zur Erzeugung eines Dralls vorgesehen sind.
Aufgrund dieser Ausbildung ist die Strömung innerhalb des Abgassystems insbesondere auch bei einer in einem Winkel zur Strömungsachse des Rohrabschnitts erfolgenden Zufuhr des weiteren Fluids so geführt, dass sich innerhalb des Rohrabschnitts eine hohe Verdampfung des weiteren Fluids ergibt. Die Gefahr einer einseitigen Sprayverwehung zur Innenwand des Rohrabschnitts hin bei der Dosierung des weiteren Fluids ist auf ein Minimum reduziert. Durch den Drall wird der Spraykegel des eingedüsten weiteren Fluids aufgezogen, sodass möglichst keine flüssige eingebrachte Phase unberührt das Innenrohr passieren kann. Schließlich wird auch eine gute Vermischung der Fluide erreicht.
Die drallerzeugenden Mittel sind bevorzugt so angeordnet und ausgeführt, dass möglichst wenig Kernströmung innerhalb des Rohrabschnitts bzw. des Innenrohres entsteht und der Spraykegel des eingedüsten weiteren Fluids radial aufgezogen wird.
Von Vorteil ist auch, wenn die wenigstens eine Düse umfassende Eindüseinrichtung so angeordnet und ausgeführt ist, dass das weitere Fluid achsmittig in den Rohrabschnitt bzw. das Innenrohr des Rohrabschnitts eingedüst wird.
Vorteilhafterweise ist die Eindüseinrichtung so angeordnet und ausgeführt, dass das weitere Fluid homogen in die Eintrittsebene des Rohrabschnitts bzw. des Innenrohres des Rohrabschnitts eindringt.
Die drallerzeugenden Mittel umfassen bevorzugt mehrere insbesondere gleichmäßig über den Innenumfang des Rohrabschnitts bzw. über den Innenumfang des Außen- bzw. Innenrohres des Rohrabschnitts verteilte stationäre drallerzeugende Leitschaufeln, die sich jeweils ausgehend von der Innenwand des Rohrabschnitts bzw. der Innenwand des Außen- bzw. Innenrohres des Rohrabschnitts allgemein radial nach innen erstrecken. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch beispielsweise auch stationäre drallerzeugende Leitschaufeln denkbar, die sich ausgehend von der Außenwand des Innenrohres des Rohrabschnitts allgemein radial nach außen in den zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr des Rohrabschnitts gebildeten Ringspalt erstrecken.
Die radiale Eindringtiefe der drallerzeugenden Leitschaufeln kann insbesondere größer als 10 % des Innendurchmessers des Rohrabschnitts bzw. des Außen- bzw. Innenrohres des Rohrabschnitts sein. Die obere Grenze kann insbesondere dadurch vorgegeben sein, dass dieses statische Drallelement nicht zu stark vom Spraykegel des eingedüsten weiteren Fluids beaufschlagt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasanlage sind die drallerzeugenden Leitschaufeln zumindest teilweise durch Einschnitte im Mantel des Rohrabschnitts bzw. im Mantel des Außen- bzw. Innenrohres des Rohrabschnitts erzeugt, wobei die mit dem betreffenden Mantel integralen Leitschaufeln nach innen gebogen sind.
Bevorzugt erstrecken sich die drallerzeugenden Leitschaufeln ausgehend vom eintrittsseitigen Rand des Rohrabschnitts bzw. ausgehend vom eintrittsseitigen Rand des Außen- bzw. Innenrohres des Rohrabschnitts in Richtung der Strömungsachse des Rohrabschnitts nach innen.
Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn die drallerzeugenden Leitschaufeln gegenüber dem Innenumfang des Rohrabschnitts bzw. gegenüber dem Innenumfang des Außen- bzw. Innenrohres des Rohrabschnitts entsprechend einem Winkel kleiner oder gleich 90° nach innen gebogen sind.
Die drallerzeugenden Leitschaufeln bzw. die in den Mantel des Rohrabschnitts bzw. in den Mantel des Außen- bzw. Innenrohres des Rohrabschnitts eingebrachten Schlitze besitzen bevorzugt eine in Richtung der Strömungsachse des Rohrabschnitts gemessene Höhe im Bereich von 10 % bis 75 % des Innendurchmessers des Rohrabschnitts bzw. des Innendurchmessers des Außenrohres des Rohrabschnitts.
Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr des Rohrabschnitts gebildeten Ringspalts zum Innenquerschnitt des Außenrohres des Rohrabschnitts kleiner oder gleich 9:16 ist und/oder der Rohrabschnitt so ausgeführt und in den Abgasstrang integriert ist, dass der Massenstrom durch den zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr des Rohrabschnitts gebildeten Ringspalt kleiner ist als 25 % des Massenstroms durch das Innenrohr des Rohrabschnitts.
Das Außenrohr und das Innenrohr des Rohrabschnitts können eine gleiche oder eine unterschiedliche in Richtung der Strömungsachse des Rohrabschnitts gemessene Länge besitzen.
Die Eintrittsöffnungen und/oder der Austrittsöffnungen des Außenrohres und des Innenrohres des Rohrabschnitts können in derselben Ebene oder auch in unterschiedlichen Ebenen liegen.
Der Eintrittsbereich des Innenrohres des Rohrabschnitts kann innerhalb oder außerhalb des Außenrohres des Rohrabschnitts liegen. Zudem kann der Austrittsbereich des Innenrohres des Rohrabschnitts innerhalb oder außerhalb des Außenrohres des Rohrabschnitts liegen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist der Rohrabschnitt zwischen zwei weiteren Komponenten der Abgasanlage angeordnet, wobei der Fluidstrom sowohl im Übergangsbereich zwischen der vorangehenden Komponente und dem Rohrabschnitt als auch im Übergangsbereich zwischen dem Rohrabschnitt und der nachfolgenden Komponente bevorzugt jeweils im Bereich einer für einen gasdichten Abschluss nach außen sorgenden Umlenkschale umgelenkt wird. Dabei kann der Rohrabschnitt beispielsweise als Tauchrohr vorgesehen sein, das in einen Schacht mit einer der beiden weiteren Komponenten der Abgasanlage läuft.
Bei den beiden weiteren Komponenten der Abgasanlage, zwischen denen der Rohrabschnitt angeordnet ist, kann es sich beispielsweise jeweils um einen Katalysator, beispielsweise einen SCR-Katalysator handeln.
Die Anzahl der drallerzeugenden Leitschaufeln kann insbesondere im Bereich zwischen 8 und 24 liegen.
Bevorzugt sind die drallerzeugenden Leitschaufeln in einem gleichen Abstand zueinander über den Umfang des Rohrabschnitts bzw. über den Umfang des Außen- bzw. Innenrohres des Rohrabschnitts verteilt.
Die in Umfangsrichtung des Rohrabschnitts gemessene Breite der drallerzeugenden Leitschaufeln ist insbesondere durch die Anzahl der drallerzeugenden Leitschaufeln und die Umfangsfläche der nicht geschlitzten Rohrwandung im Bereich der betreffenden drallerzeugenden Mittel bestimmt.
Der Rohrabschnitt kann mit weiteren Strömungsöffnungen versehen sein, womit eine weitere Optimierung insbesondere hinsichtlich der Durchmischung der Fluide erreicht bzw. der Drall modifiziert und/oder erhalten wird.
Wie bereits erwähnt, können die Drallerzeugungsmittel auch sich ausgehend vom Außenumfang des Innenrohres des Rohrabschnitts allgemein radial in Richtung nach außen zur Innenwand des Außenrohres des Rohrabschnitts hin erstreckende drallerzeugende Leitschaufeln umfassen.
Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn die in den Ringspalt zwischen dem Außen- und dem Innenrohr des Rohrabschnitts ragenden drallerzeugenden Leitschaufeln sich radial zumindest im Wesentlichen über den gesamten Ringspalt erstrecken.
Die bevorzugte Ausführung des Rohrabschnitts mit einem Außen- und einem Innenrohr bringt nicht nur den Vorteil eines beidseitigen Wärmeeintrags mit sich, der maßgeblich von einem hohen Drall beeinflusst wird, der Ringspalt zwischen dem Außen- und dem Innenrohr kann insbesondere im Fall einer Verblockung im Innenrohr infolge einer übermäßigen Dosierung des weiteren Fluids auch als Notlauf dienen.
Das Außenrohr des Rohrabschnitts ist vorteilhafterweise mittels Fixierschaufeln am Innenrohr fixiert.
Dabei können die Fixierschaufeln insbesondere eine mit der Geometrie von in den Ringspalt zwischen dem Außen- und dem Innenrohr des Rohrabschnitts ragenden drallerzeugenden Leitschaufeln vergleichbare Geometrie aufweisen.
Bevorzugt sind die Fixierschaufeln stromabwärts des Bereichs der Spraybeaufschlagung durch das eingedüste weitere Fluid angeordnet.
Die in Richtung der Strömungsachse des Rohrabschnitts gemessene Gesamtlänge des Außenrohres des Rohrabschnitts ist bevorzugt größer als 400 % des Innendurchmessers des Außenrohres.
Insbesondere zur Verbesserung der Gleichverteilung des Hauptfluids und des eingedüsten weiteren Fluids kann das Innenrohr des Rohrabschnitts in Richtung der Strömungsachse des Rohrabschnitts betrachtet beispielsweise kürzer sein als das Außenrohr des Rohrabschnitts.
In bestimmten Fällen kann es von Vorteil sein, wenn nur das Außenrohr oder nur das Innenrohr des Rohrabschnitts mit drallerzeugenden Leitschaufeln versehen ist. Es sind jedoch auch solche Ausführungen der erfindungsgemäßen Abgasanlage denkbar, die denen sowohl das Außenrohr als auch das Innenrohr des Rohrabschnitts mit drallerzeugenden Leitschaufeln versehen ist. Im letzteren Fall können die äußeren und inneren drallerzeugenden Leitschaufeln einen gleichgerichteten oder auch einen gegenläufigen Drall erzeugen.
Die drallerzeugenden Leitschaufeln können zumindest teilweise asymmetrisch angeordnet sein, Zudem können die drallerzeugenden Leitschaufeln zumindest teilweise insbesondere auch in einem Winkel zur Strömungsachse des Rohrabschnitts angeordnet sein.
Insbesondere im Fall einer asymmetrischen Anordnung von drallerzeugenden Leitschaufeln können die Leitschaufeln zumindest teilweise auch mit unterschiedlichen Winkeln zur Strömungsachse des Rohrabschnitts angestellt sein. Dabei können die drallerzeugenden Leitschaufeln beispielsweise so angeordnet und ausgeführt sein, dass sich eine schneckenartige Eintrittsströmung in das Außen- bzw. Innenrohr des Rohrabschnitts ergibt.
In bestimmten Fällen ist es auch von Vorteil, wenn die drallerzeugenden Leitschaufeln zumindest teilweise eine Dreiecksform oder eine Segelform besitzen.
Die drallerzeugenden Leitschaufeln können zumindest teilweise auch zusätzlich mit integralen Leitelementen versehen sein. dabei kann ein solches integrales Leitelement insbesondere aus der betreffenden Leitschaufel ausgeschnitten und aus dieser herausgebogen sein.
Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn der Übergangsbereich zwischen zumindest einem Teil der drallerzeugenden Leitschaufeln und dem Rohrabschnitt gerundet ist.
In bestimmten Fällen kann es auch von Vorteil sein, wenn die wenigstens eine Düse umfassende Eindüseinrichtung so angeordnet und ausgeführt ist, dass die Mittelachse des Sprühstrahls des in den Rohrabschnitt bzw. in dessen Innenrohr eingedüsten weiteren Fluids einen Winkel bis zu 35° mit der Strömungsachse des Rohrabschnitts bildet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind im Rohrabschnitt bzw. in dessen Innenrohr zumindest ein und insbesondere höchstens drei statische Mischer vorgesehen. Dabei können diese Mischer beispielsweise in einem in Richtung der Strömungsachse des Rohrabschnitts mittleren Bereich des Rohrabschnitts aus der Wandung des Rohrabschnitts bzw. der Wandung des Innenrohrs des Rohrabschnitts freigeschnitten und nach innen gebogen oder auch als separate Mischer vorgesehen sein.
Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn zur Vermischung des Fluidstromes durch das Innenrohr des Rohrabschnitts mit dem Fluidstrom durch den zwischen dem Außen- und dem Innenrohr des Rohrabschnitts gebildeten Ringspalt über den Querschnitt des Außenrohres sich das Innenrohr durch die Austrittsöffnung des Außenrohres hindurch nach außen erstreckt.
Im Rohrabschnitt können als weitere Drall- und Verdampferelemente insbesondere auch mehrere Mischer in Reihe geschaltet sein. Dabei können die Mischer mit insbesondere mittigen Querschnittsöffnungen versehen sein, die so gestalten sind, dass eine vorgebbare kritische Spraybeaufschlagung pro Fläche nicht überschritten wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Fluidstrom durch den zwischen dem Außen- und dem Innenrohr des Rohrabschnitts gebildete Ringspalt durch eine Zwangsströmungsführung dieses Fluidstroms in das Innenrohr des Rohrabschnitts mit dem Fluidstrom durch das Innenrohr zusammengeführt. Dazu kann das Innenrohr insbesondere mit Durchtrittsöffnungen versehen sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:
1 eine schematische Teildarstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage,
2 eine schematische Draufsicht des Außenrohres des Rohrabschnitts der Abgasanlage gemäß 1,
3 eine schematische perspektivische Darstellung des Außenrohres gemäß 2,
4 eine schematische perspektivische Darstellung eines Außenrohres mit einer eine Dreiecksform besitzenden drallerzeugenden Leitschaufel,
5 eine schematische perspektivische Darstellung eines Außenrohres mit einer drallerzeugenden Leitschaufel, wobei der Übergangsbereich zwischen der Leitschaufel und dem Außenrohr gerundet ist,
6 eine schematische perspektivische Darstellung eines Außenrohres mit einer drallerzeugenden Leitschaufel, die durch zwei zueinander parallele, beispielsweise schräg zur Strömungsachse des Außenrohres verlaufende Schlitze aus dem Mantel des Außenrohres ausgeschnitten und um eine untere Kante nach innen gebogen ist,
7 eine schematische perspektivische Darstellung eines Außenrohres mit einer Leitschaufel, die in Richtung der Strömungsachse des Rohrabschnitts in einem Abstand vom eintrittsseitigen Rand des Außenrohres angeordnet ist,
8 eine schematische perspektivische Darstellung eines Außenrohres mit einer Leitschaufel, die zusätzlich mit einem integralen Leitelement versehen ist,
9 eine schematische Teildarstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage mit einem Rohrabschnitt, dessen Innenrohr in Richtung der Strömungsachse des Rohrabschnitts betrachtet kürzer ist als dessen Außenrohr und bei dem nur das Außenrohr mit drallerzeugenden Leitschaufeln versehen ist,
10 eine schematische Teildarstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage mit einem Rohrabschnitt, bei dem sowohl das Außenrohr als auch das Innenrohr jeweils mit drallerzeugenden Leitschaufeln versehen ist,
11 eine schematische Teildarstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage mit einem Rohrabschnitt, bei dem nur das Innenrohr mit drallerzeugenden Leitschaufeln versehen ist,
12 eine schematische Teildarstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage mit einem Rohrabschnitt, der mit sich ausgehend vom Außenumfang des Innenrohres des Rohrabschnitts allgemein radial in Richtung nach außen zur Innenwand des Außenrohrs des Rohrabschnitts hin erstreckenden drallerzeugenden Leitschaufel versehen ist,
13 eine schematische Teildarstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage mit einem Rohrabschnitt, dessen Außenrohr mittels Fixierschaufeln am Innenrohr fixiert ist,
13a, 13b weitere rein schematische Darstellungen der Fixierschaufeln gemäß 13,
14 eine schematische Draufsicht des Rohrabschnitts einer weiteren beispielhaften Ausführungsform,
15 eine schematische Teildarstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage, bei der die Mittelachse des Sprühstrahls des in das Innenrohr des Rohrabschnitts eingedüsten weiteren Fluids einen Winkel mit der Strömungsachse des Rohrabschnitts bildet,
16 eine schematische Teildarstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage, bei der im Rohrabschnitt als weitere Drall- und Verdampferelemente zum Beispiel drei separate statische Mischer vorgesehen sind,
16a eine schematische Draufsicht des mit den separaten Mischern versehenen Rohrabschnitts,
16b eine schematische Draufsicht eines Rohrabschnitts mit Mischern, die aus dem Rohrabschnitt freigeschnitten und nach innen gebogen sind, und
17 eine schematische Teildarstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage, bei der der Fluidstrom durch den zwischen dem Außen- und dem Innenrohr des Rohrabschnitts gebildeten Ringspalt durch eine Zwangsströmungsführung dieses Fluidstroms in das Innenrohr des Rohrabschnitts mit dem Fluidstrom durch das Innenrohr zusammengeführt wird.
1 zeigt in schematischer Teildarstellung eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 10 einer Brennkraftmaschine. Die Abgasanlage 10 umfasst einen im Abgasstrang der Abgasanlage 10 liegenden Rohrabschnitt 12, dem ein Abgas enthaltendes Hauptfluid 14 in einem Winkel zur Strömungsachse 16 des Rohrabschnitts 12 zugeführt wird. Dabei wird dem Rohrabschnitt 12 das Hauptfluid im vorliegenden Fall beispielsweise in einem Winkel von 90° zugeführt.
Zudem umfasst die Abgasanlage 10 eine Einrichtung 18 zum Eindüsen eines weiteren Fluids 20, insbesondere eines Wasser-Harnstoff-Gemisches oder eines Flüssigkraftstoffs, in den Rohrabschnitt 12. Im Eintrittsbereich des Rohrabschnitts 12 sind insbesondere stationäre Mittel 22 zur Erzeugung eines Dralls vorgesehen, durch den die Strömung beschleunigt und entsprechend der Wärmeeintrag in das Innere des Rohrabschnitts 12 erhöht und vorzugsweise der Spraykegel des eingedüsten weiteren Fluids 20 aufgezogen wird.
Der Rohrabschnitt 12 ist im vorliegenden Fall zwischen zwei weiteren Komponenten 24, 26 der Abgasanlage 10 angeordnet, wobei der Fluidstrom sowohl im Übergangsbereich zwischen der vorangehenden Komponente 24 und dem Rohrabschnitt 12 als auch im Übergangsbereich zwischen dem Rohrabschnitt 12 und der nachfolgenden Komponente 26 jeweils im Bereich einer Umlenkschale 28, 30 umgelenkt wird, die im jeweiligen Übergangsbereich für einen gasdichten Abschluss nach außen sorgt. Dabei erfolgt auch im Übergangsbereich zwischen dem Rohrabschnitt 12 und der nachfolgenden Komponente 26 beispielsweise wieder eine Umlenkung um 90°. Bei den Komponenten 24, 26 kann es sich z.B. um Katalysatoren, beispielsweise um SCR-Katalysatoren handeln.
Die wenigstes eine Düse umfassende Eindüseinrichtung 18 ist im so angeordnet und ausgeführt, dass das über eine Zuleitung 32 zugeführte weitere Fluid 20 achsmittig in den Rohrabschnitt 12 eingedüst wird und homogen in die Eintrittsebene des Rohrabschnitts 12 eindringt.
Die drallerzeugenden Mittel 22 umfassen mehrere insbesondere gleichmäßig über den Innenumfang des Rohrabschnitts 12 bzw. den Außenmantel des Rohrabschnitts 12 verteilte stationäre drallerzeugenden Leitschaufeln 34, die sich jeweils ausgehend von der Innenwand des Rohrabschnitts 12 bzw. dem Außenmantel allgemein radial nach innen erstrecken.
2 zeigt in schematischer Draufsicht den Rohrabschnitt 12 bzw. den Außenmantel oder das Außenrohr des Rohrabschnitts 12 der Abgasanlage 10 gemäß 1.
Wie insbesondere anhand der 2 zu erkennen ist, sind die drallerzeugenden Leitschaufeln 34 durch Einschnitte im Mantel des Rohrabschnitts 12 erzeugt, wobei diese mit dem Mantel integralen Leitschaufeln 34 nach innen gebogen sind. dabei können die Leitschaufeln 34 insbesondere um einen Winkel α im Bereich von 10° bis 90° nach innen gebogen sein. Die obere Grenze kann insbesondere dadurch bestimmt sein, dass der Spraykegel des eingedüsten weiteren Fluids noch durchsprüht und die Leitschaufeln 34 nicht zu stark vom Spray beaufschlagt werden.
3 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung nochmals den Rohrabschnitt 12 bzw. das Außenrohr gemäß 2, wobei der Einfachheit halber jedoch nur eine Leitschaufel 34 dargestellt ist. Einander entsprechenden Teilen sind gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
Während die in den 2 und 3 dargestellten drallerzeugenden Leitschaufeln 34 in Draufsicht einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen, zeigt 4 in schematischer perspektivischer Darstellung eine einem Rohrabschnitt 12 bzw. einen Außenrohr zugeordnete drallerzeugende Leitschaufel 34 mit einer eine Dreiecksform besitzenden. Auch im vorliegenden Fall ist der Einfachheit halber wieder nur eine solche Leitschaufel 34 dargestellt.
5 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung eine einem Rohrabschnitt 12 bzw. einem Außenrohr zugeordnete drallerzeugende Leitschaufel 34, bei der der Übergangsbereich 36 zwischen der Leitschaufel 34 und dem Außenrohr gerundet ist. Auch im vorliegenden Fall ist der Einfachheit halber wieder nur eine solche Leitschaufel 34 dargestellt.
6 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung eine einem Rohrabschnitt 12 bzw. einem Außenrohr zugeordnete drallerzeugende Leitschaufel 34, die durch zwei zueinander parallele, beispielsweise schräg zur Strömungsachse 16 des Außenrohrs verlaufende Schlitze aus dem Mantel des Rohrabschnitt bzw. Außenrohres ausgeschnitten und um eine untere Kante 38 nach innen gebogen ist. Auch im vorliegenden Fall ist der Einfachheit halber wieder nur eine solche Leitschaufel 34 dargestellt.
7 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung eine einem Rohrabschnitt 12 bzw. einem Außenrohr zugeordnete insbesondere drallerzeugende Leitschaufel 40, die in Richtung der Strömungsachse 16 des Rohrabschnitts 12 bzw. des Außenrohres in einem Abstand vom eintrittsseitigen Rand 42 des Außenrohres angeordnet ist. Auch im vorliegenden Fall ist der Einfachheit halber wieder nur eine solche Leitschaufel 34 dargestellt.
8 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung eine einem Rohrabschnitt 12 bzw. einem Außenrohr zugeordnete Leitschaufel 34, die zusätzlich mit einem integralen Leitelement 44 versehen ist, das aus der Leitschaufel 34 ausgeschnitten und aus dieser herausgebogen ist. Der Einfachheit halber ist auch hier wieder nur eine solche Leitschaufel 34 dargestellt.
9 zeigt in schematischer Teildarstellung eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 10 mit einem ein Außenrohr 46 und ein dazu konzentrisches Innenrohr 48 umfassenden Rohrabschnitt 12. Dabei ist das Innenrohr 48 in Richtung der Strömungsachse 16 des Rohrabschnitts 12 betrachtet kürzer als das Außenrohr 46 und vollständig innerhalb des Außenrohres 46 angeordnet. Die Eindüseinrichtung 18 ist so angeordnet und ausgeführt, dass das weitere Fluid ausschließlich in das Innenrohr 48 eingedüst wird. Im vorliegenden Fall sind nur im Eintrittsbereich des Außenrohres 46 stationäre Mittel 22 bzw. drallerzeugenden Leitschaufeln 34 zur Erzeugung eines Dralls vorgesehen. Im Übrigen kann diese Abgasanlage 10 zumindest im Wesentlichen insbesondere wieder so ausgeführt sein wie zuvor beschrieben. Einander entsprechenden Teilen sind gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
10 zeigt in schematischer Teildarstellung eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 10 mit einem Rohrabschnitt 12, bei dem sowohl das Außenrohr 46 als auch das Innenrohr 48 jeweils mit Drallerzeugungsmitteln 22 bzw. drallerzeugenden Leitschaufeln 34 versehen ist. Im vorliegenden Fall ragt das Innenrohr 48 mit seiner Eintrittsöffnung nach oben aus dem Außenrohr 46 heraus. Dagegen liegt das Innenrohr 48 mit seinem Austrittsbereich innerhalb des Außenrohres 46. Im Übrigen kann auch diese Abgasanlage 10 zumindest im Wesentlichen insbesondere wieder denselben Aufbau wie die Abgasanlage 10 gemäß 1 besitzen. Einander entsprechenden Teilen sind gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
11 zeigt in schematischer Teildarstellung eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 10 mit einem Rohrabschnitt 12, bei dem nur das Innenrohr 48 mit Drallerzeugungsmitteln 22 bzw. drallerzeugenden Leitschaufeln 34 versehen ist. Das Innenrohr 48 ragt im vorliegenden Fall wieder nach oben aus dem Außenrohr 46 heraus. Das Innenrohr 48 jedoch exzentrisch zum Außenrohr 46 angeordnet. Im Übrigen kann auch diese Abgasanlage 1 zumindest im Wesentlichen insbesondere wieder so ausgeführt sein, wie zuvor beschrieben. Einander entsprechenden Teilen sind wieder gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
12 zeigt in schematischer Teildarstellung eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 10 mit einem Rohrabschnitt 12, dessen Innenrohr 48 vollständig innerhalb des Außenrohrs 46 angeordnet und mit sich ausgehend von seinem Außenumfang allgemein radial in Richtung nach außen zur Innenwand des Außenrohres 46 hin erstreckenden drallerzeugenden Leitschaufeln 34 versehen ist. Die Leitschaufeln 34 sind im vorliegenden Fall beispielsweise aus dem Innenrohr 48 freigeschnitten und nach außen gebogen, wobei sie grundsätzlich jedoch auch aus dem Außenrohr 46 freigeschnitten und nach innen gebogen sein können. Im Übrigen kann auch diese Abgasanlage 10 zumindest im Wesentlichen insbesondere wieder so ausgeführt sein wie zuvor beschrieben. Einander entsprechenden Teilen sind gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
13 zeigt in schematischer Teildarstellung eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 10 mit einem Rohrabschnitt 12, dessen Außenrohr 48 mittels Fixierschaufeln 50 am Innenrohr 48 fixiert ist. Die Fixierschaufeln 50 können beispielsweise durch zusätzliche eingeschweißte Elemente gebildet sein. Im vorliegenden Fall erstreckt sich das Innenrohr 48 sowohl nach oben als auch nach unten aus dem Außenrohr 46 nach außen. In den 13a und 13b sind die Fixierschaufeln 50 in weiteren schematischen Darstellungen wiedergegeben, nämlich in einer schematischen Seitenansicht bzw. einer schematischen Draufsicht. Im Übrigen kann auch diese Abgasanlage 10 zumindest im Wesentlichen insbesondere wieder so ausgeführt sein wie zuvor beschrieben. Einander entsprechenden Teilen sind wieder gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
14 zeigt den Rohrabschnitt 12 einer weiteren beispielhaften Ausführungsform. Dabei sind im vorliegenden Fall Fixierschaufeln 50 in Form von Zwischenelementen vorgesehen, die beispielsweise aus dem Außenrohr 46 freigeschnitten in nach innen gebogen sind. Es ist jedoch beispielsweise auch eine solche Ausführung denkbar, bei der die betreffenden Zwischenelemente bzw. Fixierschaufeln 50 aus dem Innenrohr 48 freigeschnitten und nach außen gebogen sind.
15 zeigt in schematischer Teildarstellung eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 10, bei der die Mittelachse 52 des Sprühstrahls des in das Innenrohr 48 des Rohrabschnitts 12 eingedüsten weiteren Fluids 20 einen Winkel α mit der Strömungsachse 16 des Rohrabschnitts 12 bildet. Auch im vorliegenden Fall ragt das Innenrohr sowohl oben als auch unten wieder aus dem Außenrohr 46 nach außen. Im Übrigen kann diese Abgasanlage 10 zumindest im Wesentlichen insbesondere wieder so ausgeführt sein, wie zuvor beschrieben. Einander entsprechenden Teilen sind gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
16 zeigt in schematischer Teildarstellung eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 1, bei der im Rohrabschnitt 12 als weitere Drall- und Verdampferelemente zum Beispiel drei separate statische Mischer 54 integriert sind. In 16a ist dieser Rohrabschnitt 12 nochmals in einer schematischen Draufsicht wiedergegeben. Alternativ können die statischen Mischer 54 jedoch beispielsweise auch aus dem Rohrabschnitt 12 freigeschnitten und nach innen gebogen sein, wie dies in der schematischen Draufsicht gemäß 16b gezeigt ist. Im Übrigen kann auch diese Abgasanlage 10 zumindest im Wesentlichen insbesondere wieder so ausgeführt sein, wie dies zuvor beschrieben wurde.
17 zeigt in schematischer Teildarstellung eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 10, bei der der Fluidstrom durch den zwischen dem Außenrohr 46 und dem Innenrohr 48 des Rohrabschnitts 12 gebildeten Ringspalt 56 durch eine Zwangsströmungsführung dieses Fluidstroms in das Innenrohr 48 des Rohrabschnitts 12 mit dem Fluidstrom durch das Innenrohr 48 zusammengeführt wird. Wie anhand der 17 zu erkennen ist, ist das Innenrohr 48 dazu mit Durchtrittsöffnungen 58 versehen. Das Außenrohr 46 endet unmittelbar stromabwärts dieser Durchtrittsöffnungen 58 und ist am betreffenden Ende nach außen hermetisch abgedichtet, so dass der Fluidstrom durch den Ringspalt 56 in diesem Bereich ausschließlich über die Durchtrittsöffnungen 58 weitergeführt und damit zwangswiese in das Innenrohr 48 überführt wird.
Auch im vorliegenden Fall bildet die Mittelachse 52 des Sprühstrahls des in das Innenrohr 48 des Rohrabschnitts 12 eingedüsten weiteren Fluids 20 wieder einen Winkel α mit der Strömungsachse 16 des Rohrabschnitts 12. Die Strömungsrichtung, mit der das Hauptfluid 14 dem Rohrabschnitt 12 zugeführt wird, ist im vorliegenden Fall zur Strömungsrichtung des über das Innenrohr 48 zur darauffolgenden Komponente weitergeführten Fluids entgegengesetzt. Zudem ist in dieser 17 auch wieder eine Fixierschaufel 50 zu erkennen. Im Übrigen kann auch diese Abgasanlage 10 zumindest im Wesentlichen insbesondere wieder so ausgeführt sein, wie dies zuvor beschrieben wurde.
Bezugszeichenliste

10: Abgasanlage
12: Rohrabschnitt
14: Hauptfluid
16: Strömungsachse
18: Eindüseinrichtung
20: weiteres Fluid
22: Mittel zur Drallerzeugung
24: Komponente
26: Komponente
28: Umlenkschale
30: Umlenkschale
32: Zuleitung
34: Leitschaufel
36: Übergangsbereich
38: Kante
40: Leitschaufel
42: eintrittsseitiger Rand
44: Leitelement
46: Außenrohr
48: Innenrohr
50: Fixierschaufel
52: Mittelachse
54: Mischer
56: Ringspalt
58: Durchtrittsöffnung
α: Winkel

Claims

Abgasanlage (10) einer Brennkraftmaschine mit einem im Abgasstrang der Abgasanlage (10) liegenden Rohrabschnitt (12), dem ein Abgas enthaltendes Hauptfluid (14), insbesondere in einem Winkel zur Strömungsachse (16) des Rohrabschnitts (12), zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (10) eine Einrichtung (18) zum Eindüsen eines weiteren Fluids (20), insbesondere eines Wasser-Harnstoff-Gemisches oder eines Flüssigkraftstoffs, in den Rohrabschnitt (12) umfasst und dass im Eintrittsbereich des Rohrabschnitts (12), insbesondere stationäre, Mittel (22) zur Erzeugung eines Dralls vorgesehen sind, durch den vorzugsweise der Spraykegel des eingedüsten weiteren Fluids (20) aufgezogen wird.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt (12) ein Außenrohr (46) und ein dazu insbesondere konzentrisches Innenrohr (48) umfasst, wobei, bevorzugt, die wenigstens eine Düse umfassende Eindüseinrichtung (18) zur Eindüsung des weiteren Fluids (20) ausschließlich in das Innenrohr angeordnet und ausgeführt ist, und dass im Eintrittsbereich des Außenrohres (46) und/oder im Eintrittsbereich des Innenrohres (48), insbesondere stationäre, Mittel (22) zur Erzeugung eines Dralls vorgesehen sind.
Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drallerzeugenden Mittel (22) so angeordnet und ausgeführt sind, dass möglichst wenig Kernströmung innerhalb des Rohrabschnitts (12) bzw. des Innenrohres (48) entsteht und der Spraykegel des eingedüsten weiteren Fluids (20) radial aufgezogen wird.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Düse umfassende Eindüseinrichtung (18) so angeordnet und ausgeführt ist, dass das weitere Fluid (20) achsmittig in den Rohrabschnitt (12) bzw. das Innenrohr (48) des Rohrabschnitts (12) eingedüst wird und/oder das weitere Fluid (20) homogen in die Eintrittsebene des Rohrabschnitts (12) bzw. des Innenrohres (48) des Rohrabschnitts (12) eindringt.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drallerzeugenden Mittel (22) mehrere insbesondere gleichmäßig über den Innenumfang des Rohrabschnitts (12) bzw. über den Innenumfang des Außen- bzw. Innenrohres (46, 48) des Rohrabschnitts (12) verteilte stationäre drallerzeugende Leitschaufeln (34) umfassen, die sich jeweils ausgehend von der Innenwand des Rohrabschnitts (12) bzw. der Innenwand des Außen- bzw. Innenrohres (46, 48) des Rohrabschnitts (12) allgemein radial nach innen erstrecken.
Abgasanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Eindringtiefe der drallerzeugenden Leitschaufeln (34) jeweils größer als 10 % des Innendurchmessers des Rohrabschnitts (12) bzw. des Außen- bzw. Innenrohres (46, 48) des Rohrabschnitts (12) ist.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drallerzeugenden Leitschaufeln (34) zumindest teilweise durch Einschnitte im Mantel des Rohrabschnitts (12) bzw. im Mantel des Außen- bzw. Innenrohres (46, 48) des Rohrabschnitts (12) erzeugt und diese mit dem betreffenden Mantel integralen Leitschaufeln (34) nach innen gebogen sind.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die drallerzeugenden Leitschaufeln (34) ausgehend vom eintrittsseitigen Rand (42) des Rohrabschnitts (12) bzw. ausgehend vom eintrittsseitigen Rand (42) des Außen- bzw. Innenrohres des Rohrabschnitts (46, 48) in Richtung der Strömungsachse (16) des Rohrabschnitts (12) nach innen erstrecken.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drallerzeugenden Leitschaufeln (34) gegenüber dem Innenumfang des Rohrabschnitts (12) bzw. gegenüber dem Innenumfang des Außen- bzw. Innenrohres (46, 48) des Rohrabschnitts (12) entsprechend einem Winkel kleiner oder gleich 90° nach innen gebogen sind.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drallerzeugenden Leitschaufeln (34) bzw. die in den Mantel des Rohrabschnitts (12) bzw. in den Mantel des Außen- bzw. Innenrohres (46, 48) des Rohrabschnitts (12) eingebrachten Schlitze eine in Richtung der Strömungsachse (16) des Rohrabschnitts (12) gemessene Höhe im Bereich von 10 % bis 75 % des Innendurchmessers des Rohrabschnitts (12) bzw. des Innendurchmessers des Außenrohres (46) des Rohrabschnitts (12) besitzen.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des zwischen dem Außenrohr (46) und dem Innenrohr (48) des Rohrabschnitts (12) gebildeten Ringspalts (56) zum Innenquerschnitt des Außenrohres (46) des Rohrabschnitts (12) kleiner oder gleich 9:16 ist und/oder dass der Rohrabschnitt (12) so ausgeführt und in den Abgasstrang integriert ist, dass der Massenstrom durch den zwischen dem Außenrohr (46) und dem Innenrohr (48) des Rohrabschnitts (12) gebildeten Ringspalt (56) kleiner als 25 % des Massenstroms durch das Innenrohr (48) des Rohrabschnitts (12) ist.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (46) und das Innenrohr (48) des Rohrabschnitts (12) eine gleiche oder eine unterschiedliche, in Richtung der Strömungsachse (16) des Rohrabschnitts (12) gemessene Länge besitzen.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen und/oder die Austrittsöffnungen des Außenrohres (46) und des Innenrohres (48) des Rohrabschnitts (12) in derselben Ebene liegen.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen und/oder die Austrittsöffnungen des Außenrohres (46) und des Innenrohres (48) des Rohrabschnitts (12) in unterschiedlichen Ebenen liegen.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsbereich des Innenrohres (48) des Rohrabschnitts (12) innerhalb oder außerhalb des Außenrohres (46) des Rohrabschnitts (12) liegt und/oder dass der Austrittsbereich des Innenrohres (48) des Rohrabschnitts (12) innerhalb oder außerhalb des Außenrohres des Rohrabschnitts (12) liegt.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt (12) zwischen zwei weiteren Komponenten (24, 26) der Abgasanlage (10) angeordnet ist, wobei der Fluidstrom sowohl im Übergangsbereich zwischen der vorangehenden Komponente (24) und dem Rohrabschnitt (12) als auch im Übergangsbereich zwischen dem Rohrabschnitt (12) und der nachfolgenden Komponente (26) bevorzugt jeweils im Bereich einer Umlenkschale (28, 30) umgelenkt wird.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rohrabschnitt (12) als weitere Drall- und Verdampferelemente mehrere Mischer in Reihe geschaltet sind.
Abgasanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischer mit insbesondere mittigen Querschnittsöffnungen versehen sind, die so gestaltet sind, dass eine vorgebbare kritische Spraybeaufschlagung pro Fläche nicht überschritten wird.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (48) des Rohrabschnitts (12) mit Durchtrittsöffnungen (58) versehen ist, über die der Fluidstrom durch den zwischen dem Außenrohr (46) und dem Innenrohr (48) des Rohrabschnitts (12) gebildeten Ringspalt (56) mit dem Fluidstrom durch das Innenrohr 48 zusammengeführt wird.