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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine, aufweisend eine einen Abgasstrom führende Abgasleitung der Brennkraftmaschine und einen ein Reduktionsmittel in die Vorrichtung einleitenden Injektor zur Einspeisung des Hilfsmittels in die Vorrichtung stromaufwärts einer Nachbehandlungseinrichtung und einer stromaufwärts des Injektors angeordneten Abgasmischeinrichtung für das Abgas.
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Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine. Beim Verbrennen von Kraftstoff unter Zuführung von Verbrennungsluft in einer Brennkraftmaschine entsteht Abgas, welches vor dem Verlassen des Abgasstrangs gereinigt werden muss, um Anforderungen an die Umweltverträglichkeit der beispielsweise als selbstzündende Brennkraftmaschine ausgebildeten und mit Dieselkraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine einzuhalten. Bekannt ist in diesem Segment ein System, bei dem ein Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, das in einem nachfolgenden Katalysator gewünschte chemische Reaktionen bewirkt.
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Stand der Technik
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der
DE 100 60 808 A1 bekannt. Diese Vorrichtung weist einen SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion auf, der in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine eingebaut ist. Um diese selektive katalytische Reduktion durchführen zu können, wird in das Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators ein Reduktionsmittel eingeführt. Um eine Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom zu erreichen, ist weiter stromaufwärts des Injektors zur Einbringung des Reduktionsmittels in die Abgasleitung eine Abgasmischeinrichtung eingesetzt, die in ein eigenes Gehäuse eingebaut ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine anzugeben, die bei einfachem Aufbau wirkungsvoller als bekannte Vorrichtungen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Abgasmischeinrichtung eine Drallerzeugungseinrichtung ist und dass die Drallerzeugungseinrichtung in eine topfförmige Umlenkungseinrichtung für den Abgasstrom eingelassen beziehungsweise eingebaut ist. Bei Versuchen hat sich nämlich herausgestellt, dass eine Verdrallung des Abgasstromes vor einer Eindosierung von Reduktionsmittel eine besonders intensive Vermischung des Abgasstroms mit dem Dosiermittel bewirkt, was wiederum eine effektive katalytische Reduktion in einem nachfolgenden Katalysator, insbesondere einem SCR-Katalysator begünstigt. Bevorzugt ist dabei die Form der Turbinenschaufeln der tiefgezogenen Mulde der Umlenkungseinrichtung angepasst.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Drallerzeugungseinrichtung in Form von Turbinenschaufeln ausgebildet. Solche Turbinenschaufeln lassen sich einfach als Tiefziehteil oder Stanzteil ausbilden und dem entsprechend ist eine derartige Drallerzeugungseinrichtung kostengünstig umsetzbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind 5 bis 40, vorzugsweise 15 bis 25, ganz bevorzugt 20 Turbinenschaufeln vorgesehen. Hier richtet sich die entsprechende Auslegung insbesondere nach dem Rohrdurchmesser der Abgasmischeinrichtung, der Fertigbarkeit der Turbinenschaufeln, weiterhin nach der Größe der Brennkraftmaschine und der erzeugten Abgasmenge. Eine Auslegung mit 20 Turbinenschaufeln ist beispielsweise für die Anwendung bei in Pkw oder kleineren Nutzfahrzeugen eingebauten Brennkraftmaschinen zielführend. Grundsätzlich ist aber eine beliebige andere Anzahl von Turbinenschaufeln möglich.
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In Weiterbildung der Erfindung weisen die Turbinenschaufeln einen Winkel von 15° bis 75°, insbesondere von 45° zur Strömungsrichtung des Abgases beziehungsweise des Abgasstroms auf. Der genaue Winkel hängt insbesondere davon ab, wie stark der Drall für eine ausreichende Gemischaufbereitung ohne zu hohen Gegendruck für das Abgas zu verursachen, ausgelegt sein muss. Hierzu kann beispielsweise eine sogenannte Drallzahl als Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit zu Axialgeschwindigkeit herangezogen werden.
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Durch eine Simulationen wurde gezeigt, dass eine verdrallte Strömung innerhalb des Mischrohrs entsteht, wenn Turbinenschaufeln bevorzugt mit 45° Winkel eingesetzt werden. In diese verdrallte Strömung wurde in der Simulation das Reduktionsmittel eindosiert. Aufgrund intensiver Durchmischung lagen Gleichverteilungen am nachfolgenden SCR-Katalysator nahe dem idealen Gleichverteilungswert von 1,0 in allen simulierten Betriebspunkten. Dabei ist der durch die Turbinenschaufeln verursachte Gegendruck in der 45°-Stellung minimal (beispielsweise bei einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine nahe Volllast bei etwa 25 mbar über die gesamte Mischstrecke einschließlich der Turbinenschaufeln, während in einem Mischrohr ohne Turbinenschaufeln ein Gegendruck etwa 18 mbar gemessen wird). Weiterhin sind die Flächenlasten, die auf die innere Oberfläche des Mischrohrs einwirken, gering, da durch die verdrallte Gasströmung das durch den Injektor eingespritzte Reduktionsmittel über eine sehr große Fläche in dem Mischrohr verteilt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Umlenkeinrichtung ein aus einem Blech hergestelltes Tiefziehteil. Eine solchermaßen hergestellte Umlenkeinrichtung ist problemlos fertigbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Turbinenschaufeln mit ihrem äußeren Umfang direkt oder indirekt an der Umlenkungseinrichtung angebunden. Dabei sind die Turbinenschaufeln vorzugsweise einstückig an einem Befestigungskranz angebunden, wobei der Befestigungskranz nach der entsprechenden Formgebung der Turbinenschaufeln an der Umlenkungseinrichtung oder an der Umlenkung befestigt, beispielsweise durch ein thermisches Verbindungsverfahren angebunden wird. Die Turbinenschaufeln können zusammen mit dem Befestigungskranz beispielsweise durch einen Stanzvorgang aus einem blechförmigen Material hergestellt sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Umlenkungseinrichtung an einer Umlenkung angebunden, die wiederum an einem die Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase aufnehmenden Gehäuse befestigt ist. Die Umlenkung und das Gehäuse können ebenfalls aus einem blechförmigen Material hergestellt sein.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Injektor ein luftunterstützter Injektor. Es ist aber im Rahmen der Erfindung auch möglich, den Injektor als nicht luftunterstützten Injektor auszugestalten.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Injektor mittig in der Drallerzeugungseinrichtung angeordnet. Diese Ausgestaltung ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Drallerzeugungseinrichtung, die an ihrem Außenumfang an der Umlenkungseinrichtung befestigt ist, möglich. Dabei ragt die Injektorspitze, an der das Reduktionsmittel aus dem Injektor austritt durch die Drallerzeugungseinrichtung hindurch, wodurch eine innige Vermischung des Dosiermittels mit dem drallbeaufschlagten Abgas erreicht wird.
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In Weiterbildung der Erfindung kann der Injektor aber auch in einem Bogen angeordnet sein, der zur Zuführung des Abgases in die Drallerzeugungseinrichtung verbaut ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist.
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Es zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine,
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2 eine perspektivische Detailansicht zu 1 und
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3 einen Querschnitt durch eine an einer topfförmigen Umlenkeinrichtung angeordneten Dralleinrichtung.
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1 zeigt ein Systemlayout einer Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine. Der Brennkraftmaschine, die beispielsweise eine selbstzündende mit Dieselkraftstoff betriebene Brennkraftmaschine ist, wird über ein Einspritzsystem, das beispielsweise als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet ist, aus einem Tank Kraftstoff zugeführt, der in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Gleichzeitig wird in den Brennraum über eine Ladeluftleitung Brennluft zugeführt und verdichtet. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine verbrennt der Kraftstoff mit der Brennluft unter Erzeugung von Arbeitsleistung und das verbrannte Abgas wird in eine Abgasleitung 2 abgeleitet. Die Abgasleitung 2 mündet in ein Gehäuse 1, wobei das Gehäuse 1 wesentliche Komponenten einer Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase aufnimmt und beispielsweise aus einem metallischen Material, beispielsweise Blech hergestellt ist. Das Gehäuse 1 mit den Komponenten zur Nachbehandlung der Abgase wird nachfolgend detailliert erläutert.
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Ein von der Brennkraftmaschine durch die Abgasleitung 2 geführter Abgasstrom 10 gelangt eingangsseitig des Gehäuses 1 in einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 12 und durchströmt nachfolgend einen Partikelfilter 5. Danach gelangt der Abgasstrom 10 zu einer Umlenkung 6, die in dem Ausführungsbeispiel aus einer topfförmigen Umlenkungseinrichtung 4 und einer Drallerzeugungseinrichtung 8 besteht. Im Ausführungsbeispiel ist die Drallerzeugungseinrichtung 8 von Turbinenschaufeln 9 gebildet. In der Drallerzeugungseinrichtung 8 wird der Abgasstrom 10 verdrallt und homogen um einen Injektor 11 geführt, der durch die Drallerzeugungseinrichtung 8 hindurch ragt. Weiterhin hat die Drallerzeungseinrichtung 4 den Zweck, den Abgasstrom 10 zentrisch in ein nachfolgendes Mischrohr 7 einzuleiten, in dem eine innige Durchmischung des Abgasstroms 10 mit einem durch den Injektor 11 eindosiertes Reduktionsmittel erfolgt. Ausgangsseitig des Mischrohrs gelangt der Abgasstrom 10 mit dem eindosierten und vermischten Reduktionsmittel gegebenenfalls über eine weitere Umlenkung in einen Katalysator, insbesondere einen SCR-Katalysator 3. In dem SCR-Katalysator 3 erfolgt eine selektive katalytische Reduktion, bevor der Abgasstrom 10 in die Umgebung oder weitere Einrichtungen zur Nachbehandlung des Abgases abgeführt wird.
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Die topfförmige Umlenkeinrichtung 4 kann ein vorzugsweise aus Blech hergestelltes Tiefziehteil sein, das an der Umlenkung 6 befestigt ist. Die topfförmige Umlenkeinrichtung 4 trägt beziehungsweise beinhaltet die Drallerzeugungseinrichtung 8, wobei die Drallerzeugungseinrichtung 8 an der Umlenkeinrichtung 4 oder auch direkt an der Umlenkung 6 angebunden sein kann. Das Mischrohr 7 ist vorzugsweise mit der Umlenkeinrichtung 4 und /oder der nochmaligen Umlenkung vor dem SCR-Katalysator 3 verbunden.
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Eingangsseitig des Mischrohrs 7 ist die als Drallerzeugungseinrichtung 8 ausgebildete Abgasmischeinrichtung angeordnet. Die Drallerzeugungseinrichtung 8 weist eine Anzahl von Turbinenschaufeln 9 (siehe auch 2 und 3) auf, die beziehungsweise deren äußerer Umfang direkt oder unter Zwischenschaltung eines Tragrings mit der als Tiefziehteil ausgebildeten Umlenkeinrichtung 4 verbunden sind. Die beispielsweise zwölf Turbinenschaufeln 9 (3) sind unter einem Winkel von beispielsweise 45° zur Strömungsrichtung des Abgases ausgerichtet und bewirken die Verdrallung des durch das Mischrohr 7 durchströmenden Abgasstroms 10.
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Vorzugsweise mittig ragt durch die Drallerzeugungseinrichtung 8 eine Injektorspitze des Injektors 11 hindurch, durch die das Reduktionsmittel, das beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung ist, in den drallbeaufschlagten Abgasstrom 10 eingespritzt wird. Der Injektor 11 arbeitet – wie dargestellt – ohne Luftunterstützung und ist daher gegenüber einem luftunterstützten Injektor 11 besonders einfach ausgebildet. Der Injektor 11 kann aber grundsätzlich auch luftunterstützt sein, wobei dann dem Injektor über einen ersten Eintritt Reduktionsmittel und übe einen zweiten Eintritt, insbesondere Druckluft zugeführt wird. Wesentlich ist bei beiden möglichen Ausgestaltungen, dass die Drallerzeugung des Abgasstroms 10 vor der Eindosierung des Reduktionsmittels erfolgt.
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2 zeigt eine perspektivische Ausschnittsvergrößerung aus 1 und es wird entsprechend auf die Beschreibung zu 1 verwiesen.
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3 zeigt einen Querschnitt durch die an der Umlenkeinrichtung 4 angeordneten und bei diesem Ausführungsbeispiel zwölf Turbinenschaufeln 9 aufweisenden Drallerzeugungseinrichtung 8 mit der mittig hindurch ragenden Injektorspitze des Injektors 11.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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