DE102015119835B4 - Abgassystem für einen Dieselmotor - Google Patents

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Abstract

Abgassystem (16) für einen Dieselmotor (12), umfassend:einen Abgasdurchgang (18), der zur Befestigung an einem Dieselmotor (12) angepasst ist;einen Dieseloxidationskatalysator (20) in dem Abgasdurchgang (18);eine Vorrichtung (22) für selektive katalytische Reduktion, die stromabwärts von dem Dieseloxidationskatalysator (20) angeordnet ist; undein Mischsystem (24) für Dieselabgasfluid, das eine Einspritzdüse (26) für Dieselabgasfluid sowie eine Mischvorrichtung aufweist, die eine einzelne Einlassöffnung (34) und eine einzelne Auslassöffnung (36) definiert, die miteinander durch einen teilweise spiralförmigen Strömungsdurchgang (28) verbunden sind, wobei die Einspritzdüse (26) für Dieselabgasfluid das Dieselabgasfluid direkt in die Einlassöffnung (34) einspritzt,wobei der teilweise spiralförmige Strömungsdurchgang (28) ein Kontraktionsgebiet (38) mit einem abnehmenden Querschnitt stromabwärts der Einlassöffnung (34), ein Übergangsgebiet (40) stromabwärts des Kontraktionsgebietes (38) und ein Expansionsgebiet (42) stromabwärts des Übergangsgebietes (40) mit einem zunehmenden Querschnitt aufweist.

Description

  • GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgassystem für einen Dieselmotor.
  • HINTERGRUND
  • Dieselmotoren können mit einem magerverbrennenden Luft-Kraftstoff-Verhältnis (überstöchiometrischem Verhältnis) arbeiten, um eine vollständige Verbrennung von Ruß sicherzustellen und den Austrag von unverbranntem Kraftstoff zu verhindern. Der Überschuss an Sauerstoff führt zwangsläufig zur Erzeugung von Stickoxiden (NOx), die schädliche Schadstoffe sind, aus dem Stickstoff in der Luft. Es wird eine selektive katalytische Reduktion verwendet, um die Menge an NOx zu reduzieren, die in die Atmosphäre freigesetzt wird. Dieselabgasfluid (aus einem separaten DEF-Tank) wird in die Abgasleitung eingespritzt und der wässrige Harnstoff verdampft und zersetzt sich, um Ammoniak und Kohlendioxid zu bilden. Innerhalb des SCR- Katalysators wird das NOx katalytisch durch den Ammoniak (NH3) in Wasser (H2O) und Stickstoff (N2), die beide harmlos sind, reduziert; und diese werden dann durch den Auspuff freigesetzt. Dieselabgasfluid (DEF) ist eine emissionssteuernde Flüssigkeit, die von modernen Dieselmotoren benötigt wird. Es wird in den Abgasstrom eingespritzt. DEF wird niemals dem Dieselkraftstoff hinzugesetzt. Es ist eine ungefährliche Lösung aus 32,5% Harnstoff in 67,5% deionisiertem Wasser. DEF ist klar und farblos und sieht genauso aus wie Wasser. Es hat einen leichten Geruch von Ammoniak ähnlich Haushaltsreinigungsmitteln. DEF wird in der Technologie für selektive katalytische Reduktion (SCR) verwendet, um schädliche NOx-Emissionen von Dieselmotoren zu entfernen.
  • Vor kurzem führte die US-Umweltschutzbehörde (U.S. Environmental Protection Agency EPA) neue Emissonsstandards ein, die für Leichtnutz- und Schwerlastkraftfahrzeuge eine signifikante Reduzierung von Motoremissionen, insbesondere NOx und Partikelmaterial erfordern. Fahrzeughersteller verwenden SCR, um diese Standards einzuhalten. DEF wird in das Abgas eingespritzt, wobei NOx-Gase unter Verwendung eines fortschrittlichen Katalysatorsystems in Stickstoff und Wasser aufgebrochen werden. Infolgedessen werden die meisten neuen Diesellastwägen, Pritschenwägen, SUVs und Vans nun mit der SCR-Technologie ausgestattet und weisen einen DEF-Tank auf, der regelmäßig aufgefüllt werden muss.
  • Das Dieselabgasfluid wird stromaufwärts der SCR mit den Abgasen gemischt. Ein Problem mit gegenwärtigen Mischerkonstruktionen besteht darin, dass sie anfällig für einen Aufbau von Harnstoffablagerungen sind, die eine richtige Abgasströmung hindurch hemmen und daher eine Wartung erfordern können. Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu Mischen von Dieselabgasfluid bereitzustellen, die Harnstoffablagerungen reduziert und die Harnstoffmischung verbessert.
  • Herkömmliche Abgassysteme für Dieselmotoren sind aus den Druckschriften DE 11 2011 103 501 T5 , DE 10 2011 077 156 A1 , DE 102 47 987 A1 und DE 10 2008 032 110 A1 bekannt.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Erfindungsgemäß ist ein Abgassystem für einen Dieselmotor vorgesehen, das einen Abgasdurchgang aufweist, der zur Befestigung an dem Dieselmotor angepasst ist. Es ist ein Dieseloxidationskatalysator in dem Abgasdurchgang zusammen mit einer Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion vorgesehen, die stromabwärts von dem Dieseloxidationskatalysator angeordnet ist. Das System zum Mischen von Dieselabgasfluid weist eine Einspritzdüse für Dieselabgasfluid und eine Mischvorrichtung auf, die eine einzelne Einlassöffnung und eine einzelne Auslassöffnung definiert, die durch einen teilweise spiralförmigen Strömungsdurchgang miteinander verbunden sind. Die Einspritzdüse für Dieselabgasfluid spritzt Dieselabgasfluid direkt in die Einlassöffnung des teilweise spiralförmigen Strömungsdurchgangs. Der teilweise spiralförmige Strömungsdurchgang umfasst ein Kontraktionsgebiet mit einem abnehmenden Querschnitt stromabwärts der Einlassöffnung, ein Übergangsgebiet stromabwärts des Kontraktionsgebietes und ein Expansionsgebiet stromabwärts des Übergangsgebietes mit einem zunehmenden Querschnitt.
  • Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorgesehenen Beschreibung offensichtlich.
  • Figurenliste
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken gewählter Ausführungsformen.
    • 1 ist eine schematische Ansicht eines Fahrzeugmotors, der ein Dieselabgasfluidmischsystem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung enthält;
    • 2 ist eine schematische Ansicht eines Dieselabgasfluidmischers zwischen einem Dieseloxidationskatalysator und einem Filter für selektive katalytische Reduktion gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
    • 3 ist eine perspektivische Vorderansicht des in 2 gezeigten Dieselabgasfluidmischers;
    • 4 ist eine perspektivische Rückansicht des in 2 gezeigten Dieselabgasfluidmischers;
    • 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht des in 2 gezeigten Dieselabgasfluidmischers; und
    • 6 ist eine Schnittansicht des teilweise spiralförmigen Durchgangs durch den in 2 gezeigten Dieselabgasfluidmischer.
  • Entsprechende Bezugszeichen geben über die verschiedenen Ansichten der Zeichnungen hinweg entsprechende Teile an.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Nun werden beispielhafte Ausführungsformen anhand der begleitenden Zeichnungen umfassender beschrieben.
  • Es sind zahlreiche spezifische Details dargestellt, wie Beispiele spezifischer Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein vollständiges Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen sind gut bekannte Prozesse, gut bekannte Vorrichtungsstrukturen und gut bekannte Technologien nicht detailliert beschrieben.
  • Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und ist nicht zu deren Beschränkung bestimmt. Wie hier verwendet ist, können Singularformen „ein“, „eine“ und „der, die, das“ dazu bestimmt sein, genauso die Pluralformen zu enthalten, sofern es der Kontext nicht anderweitig deutlich angibt. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „einschließlich“ und „mit“ sind inklusive und legen daher die Anwesenheit festgelegter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritten, Betriebsabläufe, Elemente und/oder Komponenten fest, schließen jedoch nicht die Anwesenheit oder den Zusatz eines oder mehrerer anderer Merkmale, Aufgaben, Betriebsabläufe, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen daraus aus. Die Verfahrensschritte, Prozesse und Betriebsabläufe, die hier beschrieben sind, sind nicht so auszulegen, dass ihre Ausführung in der jeweiligen Reihenfolge, die diskutiert oder gezeigt ist, unbedingt notwendig ist, sofern es nicht deutlich als eine Reihenfolge zur Ausführung angegeben ist. Es sei auch zu verstehen, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
  • Wenn ein Element oder eine Schicht als „an“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben ist, kann sie sich direkt auf dem anderen Element oder der anderen Schicht, in Eingriff damit, verbunden damit oder gekoppelt damit befinden oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Im Gegensatz dazu braucht, wenn ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben ist, keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Ein anderer Wortlaut, der zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet ist, sei auf eine ähnliche Weise zu interpretieren (beispielsweise „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“, etc.). Der hier verwendete Begriff „und/oder“ umfasst jede und alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugeordneten aufgelisteten Objekte.
  • Räumlich relative Begriffe wie „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unten“, „untere“, „oben“, „obere“ und dergleichen können hierin zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren gezeigt ist. Räumlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, unterschiedliche Orientierungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren gezeigten Orientierung zu umschließen. Zum Beispiel sind, wenn die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, Elemente, die als „unter“ oder „unterhalb“ anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben sind, dann „über“ den anderen Elementen oder Merkmalen orientiert. Somit kann der beispielhafte Begriff „unten“ eine Orientierung von sowohl oben als auch unten umschließen. Die Vorrichtung kann anders orientiert (um 90 Grad gedreht oder in anderen Orientierungen) sein und die räumlich relativen Deskriptoren, die hierin verwendet sind, entsprechend interpretiert werden.
  • Mit Bezug auf 1 ist ein Abschnitt eines Fahrzeugs 10 gezeigt, das einen Motor 12 mit einem Luft- und Kraftstoffansaugsystem 14 und einem Abgassystem 16 aufweist. Das Abgassystem 16 kann einen Turbolader und einen Abgasdurchgang 18 aufweisen, der einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 20 und eine Vorrichtung 22 für selektive katalytische Reduktion aufweist, die sehr eng aneinander in einer sehr kleinen Raumgröße gepackt sind. Die Vorrichtung 22 für selektive katalytische Reduktion kann einen selektiven katalytischen Reduzierer (SCR) oder einen Filter für selektive katalytische Reduktion (SCRF) aufweisen. Ein Mischsystem 24 für Dieselabgasfluid ist in einem sehr kleinen Raum in dem Abgasdurchgang stromabwärts des DOC 20 und stromaufwärts der Vorrichtung 22 für selektive katalytische Reduktion zum Mischen von Dieselabgasfluid mit den Abgasen in dem Abgasdurchgang 18 eng gepackt, wie hier erläutert ist. Der Dieseloxidationskatalysator 20 ist mit der Vorrichtung 22 für selektive katalytische Reduktion linear ausgerichtet gezeigt, obwohl auch andere Anordnungen, wie L-Form und Winkelorientierungen, verwendet werden können.
  • Das Mischsystem 24 für Dieselabgasfluid ist in den 2-6 detaillierter gezeigt. Das Mischsystem 24 für Dieselabgasfluid (am besten in den 3, 4 und 6 gezeigt) weist eine Einspritzdüse 26 für Dieselabgasfluid sowie einen teilweise spiralförmigen Strömungsdurchgang 28 auf, der durch ein Paar gegenüberliegender Schalen 30, 32 definiert sein kann. Das Paar gegenüberliegender Schalen weist eine stromaufwärtige Schale 30 und eine stromabwärtige Schale 32 auf. Die stromaufwärtige Schale 30 definiert eine Einlassöffnung 34, und die stromabwärtige Schale 32 definiert eine Auslassöffnung 36. Der teilweise spiralförmige Strömungsdurchgang 28 kann einen Teilspiralwinkel zwischen 90 und 360 Grad und bevorzugter zwischen 120 und 270 Grad durchlaufen. Mit Bezug auf 6 kann der teilweise spiralförmige Strömungsdurchgang 28 ein Kontraktionsgebiet 38 mit einem abnehmenden Querschnitt stromabwärts der Einlassöffnung 34, ein Übergangsgebiet 40 stromabwärts des Kontraktionsgebietes 38 und ein Expansionsgebiet 42 mit einem zunehmenden Querschnitt aufweisen, das sich stromabwärts des Übergangsgebietes 40 befindet.
  • Die Auslassöffnung 36 des teilweise spiralförmigen Strömungsdurchgangs 28 öffnet sich mit einem breiten Querschnitt in einer Richtung allgemein rechtwinklig zu einer Achse der Strömung des Abgasdurchgangs 18. Die Einspritzdüse 26 für Dieselabgasfluid spritzt Dieselabgasfluid direkt in die Einlassöffnung 34 des teilweise spiralförmigen Strömungsdurchgangs 28 ein. Eine Prallplatte 44 kann in den teilweise spiralförmigen Strömungsdurchgang 28 stromabwärts der Einlassöffnung 34 angeordnet sein, so dass das Dieselabgasfluid direkt auf die Prallplatte 44 aufprallt. Die Prallplatte 44 kann Durchbrechungen und Zinken wie auch andere die Mischung fördernde Merkmale aufweisen. Die Prallplatte 44 erzeugt Fluidtröpfchen sowie eine Abgasturbulenz, um eine vollständige Mischung des Dieselabgasfluids und der Abgase in einem Gebiet mit hoher Strömungsgeschwindigkeit des teilweise spiralförmigen Strömungsdurchgangs 28 bereitzustellen. Die Hochgeschwindigkeitsströmung in dem Kontraktionsgebiet 38 bewirkt eine Verdampfung des Dieselabgasfluides, so dass keine Ablagerungen von Dieselabgasfluid auf der Prallplatte 44 verbleiben. Die Auslassöffnung 36 des Mischsystems 24 für Dieselabgasfluid ist relativ zu einer Mittenachse des Abgasdurchgangs 18 außerhalb des Zentrums angeordnet, wie in 4 gezeigt ist, so dass die austretenden Abgase, die den teilweise spiralförmigen Strömungsdurchgang 28 verlassen, eine Verwirbelung um eine Seite der Öffnung der SCR-Vorrichtung 22 erzeugen.
  • Der Sprühnebel aus Dieselabgasfluid wird auf einen Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit gerichtet, um eine Wandbenetzung zu reduzieren und eine Verdunstungsrate und Mischrate zu steigern. Eine kompakte axiale Länge des Spiralmischsystems nutzt effektiv den Raum, der zum Mischen und zur Strömungsverteilung verfügbar ist. Die Spiralströmung sowie die Kontraktions- und Expansionsgebiete des Strömungsdurchgangs 28 erzeugen Verwirbelungen und Turbulenzen zur Mischungsverbesserung. Das verbesserte Mischen beseitigt DEF-Ablagerungen, reduziert einen DEF-Verbrauch, verbessert eine NOx-Umwandlung und verbessert die Nutzung des Katalysatorvolumens.

Claims (6)

  1. Abgassystem (16) für einen Dieselmotor (12), umfassend: einen Abgasdurchgang (18), der zur Befestigung an einem Dieselmotor (12) angepasst ist; einen Dieseloxidationskatalysator (20) in dem Abgasdurchgang (18); eine Vorrichtung (22) für selektive katalytische Reduktion, die stromabwärts von dem Dieseloxidationskatalysator (20) angeordnet ist; und ein Mischsystem (24) für Dieselabgasfluid, das eine Einspritzdüse (26) für Dieselabgasfluid sowie eine Mischvorrichtung aufweist, die eine einzelne Einlassöffnung (34) und eine einzelne Auslassöffnung (36) definiert, die miteinander durch einen teilweise spiralförmigen Strömungsdurchgang (28) verbunden sind, wobei die Einspritzdüse (26) für Dieselabgasfluid das Dieselabgasfluid direkt in die Einlassöffnung (34) einspritzt, wobei der teilweise spiralförmige Strömungsdurchgang (28) ein Kontraktionsgebiet (38) mit einem abnehmenden Querschnitt stromabwärts der Einlassöffnung (34), ein Übergangsgebiet (40) stromabwärts des Kontraktionsgebietes (38) und ein Expansionsgebiet (42) stromabwärts des Übergangsgebietes (40) mit einem zunehmenden Querschnitt aufweist.
  2. Abgassystem (16) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (22) für selektive katalytische Reduktion mit dem Dieseloxidationskatalysator (20) linear ausgerichtet ist.
  3. Abgassystem (16) nach Anspruch 1, ferner mit einer Prallplatte (44) in dem teilweise spiralförmigen Strömungsdurchgang (28) stromabwärts von der Einlassöffnung (34).
  4. Abgassystem (16) nach Anspruch 1, wobei der teilweise spiralförmige Strömungsdurchgang (28) zwischen 90 und 180 Grad einer Spirale durchläuft.
  5. Abgassystem (16) nach Anspruch 1, wobei der teilweise spiralförmige Strömungsdurchgang (28) zwischen 120 und 150 Grad einer Spirale durchläuft.
  6. Abgassystem (16) nach Anspruch 1, wobei der teilweise spiralförmige Strömungsdurchgang (28) durch ein Paar gegenüberliegender Schalen (30, 32) definiert ist, die in dem Abgasdurchgang (18) aufgenommen sind.
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