DE102016000442A1

DE102016000442A1 - Vorrichtung zur Steuerung der Abgasströmung

Info

Publication number: DE102016000442A1
Application number: DE102016000442.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Karlsson
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2016-01-18
Publication date: 2016-07-28
Also published as: SE540312C2; SE1550061A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Steuerung der Strömung von Abgasen, die von einem Verbrennungsmotor (4) eines Fahrzeugs (1) erzeugt werden, welche dazu vorgesehen ist, vor einem Katalysator (17) des Fahrzeugs (1) angeordnet zu werden. Die Vorrichtung (10) umfasst eine erste Kammer (33), die dazu dient, die erzeugten Abgase über einen Abgaseinlass (30) aufzunehmen, und eine zweite Kammer (36), die dazu dient, die Abgase über einen Abgasauslass (39) einem Katalysator (in Fig. 17 dargestellt) zuzuführen. Die erste Kammer (33) und die zweite Kammer (36) sind so angeordnet, dass eine gemeinsame Grenzfläche (35) vorhanden ist, die für die Abgase durchlässig ist, so dass die Abgase von der ersten Kammer (33) in die zweite Kammer (36) strömen können. Die Grenzfläche (35) umfasst mehrere zueinander parallele längliche Öffnungen (37).

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine Vorrichtung zur Steuerung der Abgasströmung.
Hintergrund
Die EU-Gesetzgebung für Abgasemissionen von Verbrennungsmotoren wird normalerweise alle 4–6 Jahre verschärft. In der Vergangenheit wurden Verringerungen der Abgasemissionen durch verschiedene Maßnahmen erzielt, wie beispielsweise durch Filter oder durch verbessertes Management von Stickoxiden, die bei der Verbrennung erzeugt werden.
Die Steuerung der Abgasströmung, insbesondere ihres Geschwindigkeitsprofils, kann ebenfalls zur Verringerung der Abgasemissionen beitragen. Genauer gesagt ist eine gleichmäßigere Abgasströmung vor einem Katalysator günstig für die Leistung des Katalysators selbst. US 2003/0159414 beschreibt eine Zwei-Kammer-Struktur, welche die zentralisierte Abgasströmung vor einem Katalysatorelement defokussiert und das Strömungsprofil der Gasströmung durch ein solches Element vergleichmäßigt.
Die Struktur bezweckt, ein Herausschieben zu verhindern, d. h. es soll die Deformation des Katalysators oder des Filterelements aufgrund des Zustroms des konzentrierten Abgases mit hoher Geschwindigkeit vermieden werden. Ein weiterer Zweck von US 2003/0159414 besteht darin, den Druckabfall im Abgassystem zu mindern.
Die dort beschriebene Zwei-Kammer-Struktur ist durch eine perforierte Platte mit kreisförmigen, ziemlich gleichmäßig verteilten Perforationen unterteilt. Kreisförmige Perforationen mit kleinem Durchmesser, wie beispielsweise diejenigen der genannten Struktur, sind anfällig für Verstopfung aufgrund von Kristallisierung.
Vor diesem Hintergrund und mit dem Ziel, mindestens einige der Nachteile des bisherigen Stands der Technik zu mildern, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Abgasströmung zum Katalysator vergleichmäßigt und gleichzeitig das Kristallisierungsproblem löst.
Zusammenfassung
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Steuerung der Abgasströmung gelöst, die von einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs gemäß dem unabhängigen Anspruch erfüllt wird.
Die Vorrichtung wird somit vor einem Katalysator des Fahrzeugs positioniert und umfasst eine erste Kammer, die zur Aufnahme der erzeugten Abgase über einen Abgaseinlass dient, und eine zweite Kammer, die zur Abführung der Abgase zum Katalysator über einen Abgasauslass dient. Die erste und die zweite Kammer sind so angeordnet, dass eine gemeinsame Grenzfläche vorhanden ist. Diese Grenzfläche ist für Abgase durchlässig, so dass die Abgase aus der ersten Kammer in die zweite Kammer strömen können. Die Grenzfläche umfasst mehrere längliche Öffnungen.
Im Folgenden werden positive Wirkungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung beschrieben.
Die erste Kammer mindert die Turbulenz der Abgaszuströmung. Aufgrund eines Druckunterschieds zwischen der ersten und der zweiten Kammer strömen die Abgase anschließend durch die Öffnungen der Grenzfläche in die zweite Kammer. Die Turbulenz der Abgase wird dadurch verringert, so dass ihre Strömung vergleichmäßigt wird.
Dadurch ergeben sich mehrere günstige Effekte für den Betrieb des Katalysators. Insbesondere gestattet die Vergleichmäßigung der Strömung einen effizienteren Katalysevorgang. Dadurch kann ein kleinerer Katalysator eingesetzt werden oder die Leistung erhöht werden. Darüber hinaus ermöglicht ein verbesserter Katalysevorgang die Erzielung eines effizienteren Systems zur Nachbehandlung der Abgase.
Darüber hinaus wird durch räumliche Trennung der Kammern mittels der Grenzfläche eine günstige Lage zur Erzielung eines Reduktionsmittels geschaffen. Im genannten Zusammenhang wird aufgrund der länglichen Form der meisten Öffnungen, die zur Grenzfläche gehören, eine Kristallisierung des erzielten Reduktionsmittels vermieden.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug, das die beanspruchte Vorrichtung zur Steuerung der von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasströmung umfasst.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen und in der Detailbeschreibung beschrieben.
Zeichnungskurzbeschreibung
1 ist eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs.
2 ist eine kontextuelle, schematische Ansicht eines Teils eines Abgassystems eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine erste perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine zweite perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß derselben Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Weitere Vorteile und Merkmale von Ausführungsformen werden ersichtlich, wenn man die nachstehende ausführliche Beschreibung unter Zuhilfenahme der Zeichnungen liest.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen dargestellt sind. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt sein und ist nicht so zu verstehen, dass sie auf die hier beschriebenen Ausführungsformen begrenzt ist. Diese Ausführungsformen werden vielmehr angeführt, damit die vorliegende Beschreibung fundiert und vollständig ist und den Umfang der Erfindung Experten auf dem Gebiet der Erfindung vollständig vermittelt. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Kennzeichnungen auf dieselben Elemente.
1 ist eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs 1. Das dargestellte Fahrzeug 1 ist ein Lastkraftwagen oder eine Zugmaschine mit einem Anhänger mit einem Fahrgestell 9 sowie mit einem Vorderradpaar 10A und einem Hinterradpaar 10B. Das dargestellte Fahrzeug 1 ist nur ein Beispiel. Das Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch als Bus oder als Personenkraftwagen ausgeführt sein. Ganz vorne am Fahrzeug 1 befindet sich ein Fahrerhaus 7. Eine Steuereinheit 19, die sich unter dem Fahrerhaus 7 befindet, steuert den Betriebszustand eines Verbrennungsmotors 4 gemäß dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 4 und/oder Fahrereingaben. Während des Verbrennungsvorgangs erzeugte Abgase werden einem Abgassystem 11 zugeführt. Dementsprechend und wie in 1 schematisch dargestellt, steht der Verbrennungsmotor 4 in Strömungsverbindung mit dem Abgassystem 11. Der Betrieb des Abgassystems 11 wird normalerweise auch durch die Steuereinheit 19 gesteuert.
2 ist eine kontextuelle, schematische Darstellung eines Teils eines Abgassystems 11 eines Fahrzeugs 1, das in 1 dargestellt ist. Das Fahrzeug umfasst eine Vorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung zur Steuerung der Abgasströmung befindet sich in einem Kanal 12 für die Abgase eines Verbrennungsmotors 4. In diesem Zusammenhang ist die Strömung der abgeführten Abgase vorwiegend turbulent, was einem Experten auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist. Darüber hinaus haben die Abgase eine Temperatur von etwa 450–700°C.
Die Vorrichtung 10 befindet sich hinter dem Motor 4 und vor einem Katalysator 17. Die Vorrichtung 10 wird anhand der 3 und 4 ausführlicher beschrieben. Eine Einheit 13 zur Dosierung einer Dieselabgasflüssigkeit, die in Europa gemeinhin als AdBlue^® bezeichnet wird, in den Abgasstrom befindet sich zwischen dem Motor 4 und der Vorrichtung 10. Sobald die Abgasflüssigkeit in die heiße Strömung geleitet wird, verdampft die wässrige Fraktion der Flüssigkeit. Die zurückbleibende Verbindung ist Harnstoff (Reduktionsmittel), der später verdampft wird. Bei dieser Hydrolysereaktion entsteht Ammoniak, das im Katalysator 17 die in den Abgasen vorhandenen Stickoxide reduziert.
Das Abgassystem 11 umfasst außerdem eine Steuereinheit 19. An die Steuereinheit 19 sind mehrere Sensoren angeschlossen, wie beispielsweise Abgastemperatursensoren und Drucksensoren (nicht dargestellt). Die Ausgangssignale dieser Sensoren werden der Steuereinheit 19 zugeleitet. Wie aus 2 zu ersehen ist, steuert die Steuereinheit 19 den Betriebszustand der Einheit 13 zur Dosierung von Abgasflüssigkeit sowie den Katalysator 17. Dies geschieht gemäß dem Betriebszustand des Motors 4, der Einheit 13 und des Katalysators 17 und/oder gemäß Sensoreingaben. Dazu ist die Steuereinheit 19 normalerweise mit einer Prozessoreinheit 29 und mit einer an die Prozessoreinheit 29 angeschlossenen Speichereinheit 39 ausgestattet. Die Prozessoreinheit 29 kann eine oder mehrere CPU (CPU = Central Processing Unit/s) umfassen. Bei der Speichereinheit 39 kann es sich um eine nicht flüchtige Speichereinheit, wie beispielsweise einen Flashspeicher, oder um einen RAM-Speicher (RAM = Random Access Memory) handeln.
3 ist eine erste perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Demgemäß ist die Vorrichtung 10 dargestellt, die zur Steuerung der Abgasströmung geeignet ist, die von einem Verbrennungsmotor (in den 1 und 2 gezeigt) erzeugt wird. Die Vorrichtung 10 umfasst eine erste Kammer 33, die dazu dient, die erzeugten Abgase über einen Abgaseinlass 30 aufzunehmen, und eine zweite Kammer 36, die dazu dient, die Abgase über einen Abgasauslass 39 einem Katalysator (in 2 dargestellt) zuzuführen. Die vorliegende Vorrichtung besteht normalerweise aus einem sehr widerstandsfähigen Metall, wie beispielsweise Stahl.
4 ist eine zweite perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 10 gemäß der in 3 gezeigten Ausführungsform. Hierbei ist die Strömungsrichtung der Abgase mit Pfeilen angegeben. Es ist zu erkennen, dass die erste Kammer 33 und die zweite Kammer 36 so angeordnet sind, dass eine gemeinsame Grenzfläche 35 vorhanden ist, die für die Abgase durchlässig ist, so dass die Abgase von der ersten Kammer 33 in die zweite Kammer 36 strömen können. Darüber hinaus umfasst die Grenzfläche 35 mehrere zueinander parallele längliche Öffnungen 37. Durch räumliche Trennung der Kammern 33, 36 mittels der Grenzfläche 35 wird eine günstige Lage zur Erzielung von Harnstoff geschaffen. Im genannten Zusammenhang wird aufgrund der länglichen Form der meisten Öffnungen 37, die zur Grenzfläche 35 gehören, eine Kristallisierung des erzielten Harnstoffs zumindest erheblich verringert.
Die erste Kammer 33 mindert die Turbulenz der Abgaszuströmung. Aufgrund eines Druckunterschieds zwischen der ersten und der zweiten Kammer 33, 36 strömen die Abgase anschließend durch die Öffnungen 37 der Grenzfläche 35 in die zweite Kammer 36. Die Turbulenz der Abgase wird dadurch verringert, so dass ihre Strömung vergleichmäßigt wird. Dies gestattet einen effizienteren Katalyseprozess, so dass ein kleinerer Katalysator verwendet werden kann oder eine Leistungssteigerung erzielt wird. Darüber hinaus ermöglicht ein verbesserter Katalysevorgang die Erzielung eines effizienteren Systems zur Nachbehandlung der Abgase.
Wie aus 4 zu ersehen ist, bildet die Strömungsrichtung der Abgase an einem Abgaseinlass 30 im Wesentlichen einen rechten Winkel zur Strömungsrichtung der Abgase an einem Abgasauslass 39. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine kompaktere Vorrichtung 10 erzielt. Darüber hinaus kann die Grenzfläche 35, wie in 4 gezeigt, sich zum Abgaseinlass 33 hin verjüngen. Dadurch vergrößert sich mit der Zeit die Fläche, die für die Abgase zur Verfügung steht, um von der ersten Kammer 33 in die zweite Kammer 36 zu gelangen. Dies hat auch eine Verlangsamung der Abgase und eine ruhigere Gasströmung zur Folge. Dadurch wird der Übertritt der Abgase von der ersten Kammer 33 in die zweite Kammer 36 erleichtert.
In der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform hat die Grenzfläche 35 eine konvexe Form und ist so ausgerichtet, dass sie zur zweiten Kammer 36 eine Kurve bildet. Dadurch wird die strukturelle Steifigkeit der Vorrichtung 10 verbessert. Dies trägt zu einer erhöhten Eigenfrequenz der Vorrichtung 10 bei. Außerdem ergibt die Kombination der konvexen Form mit der oben genannten Ausrichtung eine geringere Volumenvergrößerung der ersten Kammer 33 im Vergleich zu einer völlig flachen Grenzfläche. Vor diesem Hintergrund sind in Anbetracht des geringen Platzangebots in einem modernen Fahrzeug auch geringfügige Verbesserungen wichtig. Wie aus den 3 und 4 zu ersehen ist, ist die erste Kammer 33 der Vorrichtung 10 kleiner als die zweite Kammer 36. Dies mindert die Abgasströmung und die Häufigkeit des Auftretens von Strudeln und Wirbeln. Eine auf diese Weise modifizierte Abgasströmung lässt sich leichter durch die Vorrichtung 10 zum Katalysator leiten.
Eine Werkstoffkante um jede Öffnung 35 besitzt einen Flansch (nicht dargestellt), der sich zur zweiten Kammer 36 hin erstreckt. Diese Flansche haben normalerweise raue Oberflächen. Die Ausrichtung des Flansches ist wichtig, da eine raue Fläche die Bildung von Harnstoffablagerungen begünstigt. Dabei wurde, wie in 2 gezeigt, festgestellt, dass die Umwandlung der Abgasflüssigkeit in Harnstoff größtenteils an der Grenzfläche zwischen der ersten Kammer 33 und der zweiten Kammer 36 erfolgt.
In einer Ausführungsform (nicht dargestellt) hat sowohl die erste als auch die zweite Kammer im Wesentlichen die Form einer Scheibe. In einer ähnlichen Ausführungsform hat die zweite Kammer 36 einen Durchmesser, der dem Durchmesser eines Rohres 44 entspricht, das mit dem Abgasauslass 39 verbunden ist und zum Katalysator (in 2 gezeigt) führt. Diese Merkmale gestatten eine bessere Steuerung der Strömung durch geringere Druckverluste in der Vorrichtung 10 und der dazugehörigen Verrohrung.
In einer Ausführungsform ist der Quotient aus der Gesamtfläche der Öffnungen 37 und der genannten Grenzfläche 35 kleiner als 0,7. Hierbei kann der Begriff „Gesamtfläche der Öffnungen” durch den Begriff „offene Frontfläche” (englisch „OFA” = „open frontal area”) ersetzt werden, was einem Experten auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist.
Die Vorrichtung 10 kann ein Bestandteil eines Schalldämpfers eines Fahrzeugs sein. Diese Konfiguration eignet sich insbesondere für Nutzfahrzeuge, wie beispielsweise Lastkraftwagen. Wenn die Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung in einem Personenkraftwagen eingesetzt wird, ist sie normalerweise an einem anderen Ort angeordnet.
In den Zeichnungen und in der technischen Beschreibung wurden typische bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung präsentiert. Obwohl dabei spezielle Begriffe verwendet werden, sind diese nur als generisch und beschreibend zu verstehen und sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken, der durch die folgenden Ansprüche festgelegt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2003/0159414 [0003, 0004]

Claims

Vorrichtung (10) zur Steuerung der Strömung von Abgasen, die von einem Verbrennungsmotor (4) eines Fahrzeugs (1) erzeugt werden, welche dazu vorgesehen ist, vor einem Katalysator (17) des Fahrzeugs (1) angeordnet zu werden, und Folgendes umfasst: eine erste Kammer (33) zur Aufnahme der erzeugten Abgase über einen Abgaseinlass (30), eine zweite Kammer (36), die dazu dient, die Abgase über einen Abgasauslass (39) dem Katalysator zuzuführen, wobei die erste Kammer (33) und die zweite Kammer (36) so angeordnet sind, dass eine gemeinsame Grenzfläche (35) entsteht, die für die Abgase durchlässig ist, so dass die Abgase von der ersten Kammer (33) in die zweite Kammer (36) strömen können, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Grenzfläche (35) mehrere zueinander parallele längliche Öffnungen (37) umfasst.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der die Strömungsrichtung der Abgase am Abgaseinlass (30) im Wesentlichen einen rechten Winkel zur Strömungsrichtung der Abgase am Abgasauslass (39) bildet.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine Werkstoffkante um mindestens eine Öffnung (37) einen Flansch besitzt, der sich zur zweiten Kammer (36) hin erstreckt.
Vorrichtung (10) nach einem der oben genannten Ansprüche, bei der die erste Kammer (33) und/oder die zweite Kammer (36) im Wesentlichen scheibenförmig sind.
Vorrichtung (10) nach einem der oben genannten Ansprüche, bei der die zweite Kammer (36) im Wesentlichen scheibenförmig ist und einen Durchmesser aufweist, der dem Durchmesser eines Rohres (44) entspricht, das mit dem Abgasauslass (39) verbunden ist.
Vorrichtung (10) nach einem der oben genannten Ansprüche, bei der die genannte Grenzfläche (35) eine konvexe Form hat und so ausgerichtet ist, dass sie zur zweiten Kammer (36) eine Kurve bildet.
Vorrichtung (10) nach einem der oben genannten Ansprüche, bei der die genannte Grenzfläche (35) sich zum Abgaseinlass (30) hin verjüngt.
Vorrichtung (10) nach einem der oben genannten Ansprüche, bei der die erste Kammer (33) kleiner ist als die zweite Kammer (36).
Vorrichtung (10) nach einem der oben genannten Ansprüche, bei welcher der Quotient aus der Gesamtfläche der Öffnungen (37) und der genannten Grenzfläche (35) kleiner als 0,7 ist.
Vorrichtung (10) nach einem der oben genannten Ansprüche, bei der die genannte Vorrichtung (10) ein Bestandteil eines Schalldämpfers des Fahrzeugs (1) ist.
Fahrzeug (1), das eine Vorrichtung (10) nach einem der oben genannten Ansprüche umfasst.