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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gemischaufbereitung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Abgasnachbehandlungssystem mit einer Vorrichtung zur Gemischaufbereitung, insbesondere zur Vermischung eines Reduktionsmittels mit Abgas.
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Stand der Technik
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Zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen werden Abgase von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, einer Abgasnachbehandlung unterzogen. Hierbei werden SCR-Katalysatoren eingesetzt (SCR = Selective Catalytic Reduction), in denen Stickoxidmoleküle unter Zuhilfenahme von Ammoniak (NH3), das als Reduktionsmittel dient, zu elementarem Stickstoff reduziert werden. Zur Bereitstellung des Reduktionsmittels wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) mittels einer Einspritzeinrichtung vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrom eingebracht.
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Um eine ausreichende Vermischung der Harnstoff-Wasser-Lösung mit dem Abgas zu erzielen, werden üblicherweise statische Mischer eingesetzt. Die Flüssigkeitsstrahlen der Harnstoff-Wasser-Lösung werden direkt auf den statischen Mischer ausgerichtet, so dass es bei Kontakt der Tropfen mit dem Mischer zum Aufbruch der Tropfen in kleinere Tropfen kommt. Kleinere Tropfen besitzen den Vorteil, dass die Harnstoff-Wasser-Lösung schneller verdampft und sich mit dem Abgas vermischt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 208 743 A1 geht beispielhaft ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Abgasrohr und einer dem Abgasrohr zugeordneten Einspritzeinrichtung für ein Abgasnachbehandlungsmittel hervor. Stromabwärts der Einspritzeinrichtung ist eine Einrichtung vorgesehen, die dazu dient, das Abgasnachbehandlungsmittel mit dem Abgas zu vermischen, um eine optimale Gemischaufbereitung stromaufwärts eines Katalysators zu erzielen. Die Einrichtung umfasst hierzu eine Mischvorrichtung mit mehreren flügelartigen Luftleitelementen, die statisch sind und sich von radial außen nach radial innen eines Mischrohrs erstrecken. Über die Luftleitelemente wird der Abgasstrom in eine Drallbewegung versetzt, welche die Vermischung mit dem Abgasnachbehandlungsmittel im Mischrohr fördert.
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Üblicherweise besitzt das Mischrohr einer Vorrichtung zur Gemischaufbereitung eine Länge zwischen 400 mm und 1000 mm. Mit der Länge des Mischrohrs steigt in der Regel auch der Grad der Vermischung. Der zur Verfügung stehende Bauraum ist jedoch häufig begrenzt, so dass keine optimale Vermischung erreicht wird.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Gemischaufbereitung für ein Abgasnachbehandlungssystem anzugeben, die vergleichsweise kompakt aufgebaut ist und zugleich eine homogene Verteilung des Reduktionsmittels im Abgasstrom gewährleistet.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung zur Gemischaufbereitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Abgasnachbehandlungssystem mit einer solchen Vorrichtung angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die zur Gemischaufbereitung vorgeschlagene Vorrichtung umfasst eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen eines flüssigen Reduktionsmittels in einen Abgasstrom sowie ein den Abgasstrom führendes Mischrohr mit statischen Strömungsleitelementen zum Vermischen des Reduktionsmittels mit dem Abgas. Erfindungsgemäß ist die Einspritzeinrichtung einem Dosierraum zugeordnet, der im Mischrohr zwischen axial zueinander beabstandet angeordneten ersten und zweiten statischen Strömungsleitelementen ausgebildet ist. Mittels der ersten statischen Strömungsleitelemente ist der Abgasstrom in eine Bewegung versetzbar, die von einer Hauptströmungsrichtung parallel zur Längsachse des Mischrohrs abweicht. Bevorzugt sind die ersten statischen Strömungsleitelemente derart ausgestaltet und/oder angeordnet, dass der Abgasstrom in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Die Einspritzung des Reduktionsmittels erfolgt demnach in den bewegten bzw. rotierenden Abgasstrom hinein, so dass der Abgasstrom das Reduktionsmittel mitreißt und optimal verteilt.
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Weiterhin bevorzugt sind die ersten statischen Strömungsleitelemente einlassseitig in Bezug auf das Mischrohr angeordnet. Das heißt, dass der Abgasstrom bereits zu Beginn des Mischrohrs in Bewegung bzw. in Rotation versetzt wird, so dass eine im Mischrohr zur Verfügung stehende Mischstrecke optimal genutzt wird.
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Vorteilhafterweise sind die ersten statischen Strömungsleitelemente als im Wesentlichen radial ausgerichtete und gegenüber einer Hauptströmungsrichtung des Abgases in einem Winkel angestellte Flügel ausgebildet. Das zwischen diesen Strömungsleitelementen hindurchströmende Abgas wird dadurch in eine Rotationsbewegung versetzt. Um eine gleichmäßige Rotationsbewegung des Abgases zu erzielen, sind vorzugsweise die radial ausgerichteten Strömungsleitelemente in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet.
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Die zweiten statischen Strömungsleitelemente umfassen bevorzugt ein Leitblech, das den Dosierraum in axialer Richtung begrenzt und einen in den Dosierraum hineinragenden Trichter ausbildet. Das Leitblech bewirkt somit eine Umlenkung des rotierenden Abgas- bzw. Gemischstroms. Denn vorzugsweise wird das Reduktionsmittel zwischen den ersten Strömungsleitelementen und dem Leitblech in den Abgasstrom eingespritzt. Die Umlenkung über das Leitblech führt zu einer Verlängerung der Mischstrecke innerhalb des Mischrohrs, und zwar ohne das Mischrohr verlängern zu müssen. Auf diese Weise kann eine maximale Mischstrecke auf kleinstem Bauraum realisiert werden.
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Vorzugsweise wird der Gemischstrom über den Trichter in eine Strömungsrichtung gelenkt, die der Hauptströmungsrichtung des Abgases im Wesentlichen entgegengesetzt ist. Zunächst wird hierzu der Gemischstrom über den Trichter in Richtung des Zentrums des Mischrohrs gelenkt, so dass er an dem rotierenden Abgasstrom bzw. Gemischstrom vorbeigeführt wird.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die zweiten statischen Strömungsleitelemente ein Rohrstück umfassen, das im Dosierraum angeordnet ist und den Dosierraum in radialer Richtung begrenzt. Über das Rohrstück wird demnach eine Trennung der Strömungspfade im Mischrohr bewirkt. Ein erster Strömungspfad wird dabei - radial außenliegend - zwischen dem Mischrohr und dem Rohrstück ausgebildet und ein zweiter Strömungspfad - radial innen in Bezug auf den ersten Strömungspfad liegend - innerhalb des Rohrstücks, und zwar vorzugsweise zwischen dem Rohrstück und dem Trichter. Das Rohrstück wird demnach beidseitig von heißem Abgas umströmt, wodurch die Gefahr von Ablagerungen sinkt.
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An seinem dem Trichter abgewandten Ende ist das Rohrstück bevorzugt geschlossen ausgeführt, so dass der über den Trichter in das Rohrstück hineingelenkte Gemischstrom über das geschlossene Ende des Rohrstücks eine weitere Umlenkung erfährt. Der Gemischstrom bewegt sich nunmehr wieder in Richtung des Trichters.
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Um den Gemischstrom aus dem Abschnitt des Mischrohrs herauszuführen, in dem der Dosierraum ausgebildet ist, weist der Trichter eine zentrale Öffnung auf, über welche der Gemischstrom in einen weiteren Abschnitt des Mischrohrs gelangt. Die zentrale Öffnung des Trichters kann zur besseren Trennung der innerhalb des Rohrstücks ausgebildeten Strömungspfade durch ein weiteres Rohrstück begrenzt sein. Das weitere Rohrstück ist hierzu bevorzugt mit dem Trichter verbunden oder es wird durch den Trichter selbst ausgebildet.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zweiten statischen Strömungsleitelemente ferner ein Leitblech umfassen, das stromabwärts des Dosierraums bzw. stromabwärts der zentralen Öffnung des Trichters angeordnet und im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet ist. Der die zentrale Öffnung des Trichters durchströmende Gemischstrom wird auf diese Weise wieder nach radial außen, vorzugsweise in Richtung auslassseitig angeordneter weiterer statischer Strömungsleitelemente gelenkt.
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Die zweiten Strömungsleitelemente, zu denen insbesondere das den Trichter ausbildende erste Leitblech, das mindestens eine Rohrstück sowie das weitere kegelförmige Leitblech gehören, sind vorzugsweise jeweils koaxial in Bezug auf die Längsachse des Mischrohrs angeordnet. Dadurch ist ein über den Umfang jeweils gleichbleibender Strömungsquerschnitt der gegeneinander geführten Strömungspfade innerhalb des Mischrohrs sichergestellt. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die zweiten Strömungsleitelemente in axialer Richtung einander übergreifend angeordnet sind. Durch diese verschachtelte Anordnung kann der Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen Vorrichtung in axialer Richtung weiter gesenkt werden.
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Stromabwärts der zweiten statischen Strömungsleitelemente sind vorzugsweise dritte statische Strömungsleitelemente angeordnet. Über die dritten statischen Strömungsleitelemente soll insbesondere ein gleichmäßiges Anströmen eines SCR-Katalysators gefördert werden, welcher der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachgeschaltet ist. Die dritten statischen Strömungsleitelemente sind hierzu bevorzugt auslassseitig in Bezug auf das Mischrohr der Vorrichtung angeordnet.
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Vorteilhafterweise sind die dritten statischen Strömungsleitelemente als im Wesentlichen radial ausgerichtete und gegenüber einer Hauptströmungsrichtung des Abgases in einem Winkel angestellte Flügel ausgebildet. Das heißt, dass die dritten statischen Strömungsleitelemente im Wesentlichen gleich den ersten statischen Strömungsleitelementen ausgebildet sein können. Der Gemischstrom wird somit erneut in eine Rotationsbewegung versetzt, die unter anderem dazu führt, dass ein nachgeschalteter SCR-Katalysator gleichmäßig angeströmt wird.
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Darüber hinaus wird ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gemischbildung vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung zur Gemischbildung dem SCR-Katalysator in Hauptströmungsrichtung des Abgases vorgeschaltet ist. Die Vorrichtung trägt damit zu einer verbesserten Abgasreinigung im SCR-Katalysator bei, so dass die Effizienz des Abgasnachbehandlungssystems gesteigert wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung der 1,
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform und
- 4 eine perspektivische Schnittdarstellung der Vorrichtung der 3.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Gemischaufbereitung umfasst ein Mischrohr 4, durch den ein Abgasstrom 9 hindurchführbar ist. Im Mischrohr 4 ist ein Dosierraum 8 ausgebildet, dem eine Einspritzeinrichtung 2 zum Einspritzen eines Reduktionsmittels 3, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, in den Abgasstrom 9 zugeordnet ist. Die Einspritzeinrichtung 2 ist hierzu umfangseitig am Mischrohr 4 angeordnet. Der mit dem Reduktionsmittel vermischte Abgasstrom 9 bildet einen Gemischstrom 10 aus.
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Das Mischrohr 4 weist einlassseitig erste statische Strömungsleitelemente 5 auf, die als Flügel ausgebildet und in einer Radialebene in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind (siehe 2). Die einzelnen Flügel sind jeweils in einem Winkel gegenüber einer Hauptströmungsrichtung des Abgases angestellt, so dass der in das Mischrohr 4 eintretende Abgasstrom 9 in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Der rotierende Abgasstrom 9 reißt das über die Einspritzeinrichtung 2 eingespritzte Reduktionsmittel 3 mit, so dass eine homogene Verteilung des Reduktionsmittels 3 im Dosierraum 8 erreicht wird.
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Der Dosierraum 8 wird in axialer Richtung durch ein Leitblech 6.1 begrenzt, das einen in den Dosierraum 8 hineinragenden Trichter bildet. Über den Trichter wird der Gemischstrom 10 in ein Rohrstück 6.2 umgelenkt, das an seinem anderen Ende geschlossen ist. Entsprechend wird der Gemischstrom 10 erneut umgelenkt, und zwar in Richtung einer zentralen Öffnung 11 des Trichters, die vorliegend durch ein weiteres Rohrstück 6.4 begrenzt wird. Stromabwärts des Rohrstücks 6.4 ist ein kegelförmiges weiteres Leitblech 6.3 angeordnet, das den Gemischstrom 10 nach radial außen lenkt. Die Leitbleche 6.1 und 6.3 sowie die Rohrstücke 6.2 und 6.4 sind jeweils koaxial in Bezug auf eine Längsachse A des Mischrohrs 4 angeordnet. Um eine in axialer Richtung kompakt bauende Anordnung zu schaffen, sind sie in axialer Richtung einander übergreifend angeordnet. Gemeinsam bilden die Leitbleche 6.1, 6.3 und die Rohrstücke 6.2, 6.4 zweite statische Strömungsleitelemente 6 aus.
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Stromabwärts der zweiten statischen Strömungsleitelemente 6, und zwar auslassseitig in Bezug auf das Mischrohr 4, sind dritte statische Strömungsleitelemente 7 angeordnet. Diese sind wiederum als Flügel ausgebildet und in einer Radialebene in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet. Die einzelnen Flügel sind jeweils in einem Winkel gegenüber der Hauptströmungsrichtung des Abgases angestellt, so dass der aus dem Mischrohr 4 austretende Gemischstrom 10 erneut in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Auf diese Weise wird ein gleichmäßiges Anströmen eines nachgeschalteten SCR-Katalysators (nicht dargestellt) gefördert.
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Eine Abwandlung der Ausführungsform der 1 und 2 ist in den 3 und 4 dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 und 2 wird das weitere Rohrstück 6.4 durch das Leitblech 6.1 bzw. den Trichter gebildet. Die zweiten statischen Strömungsleitelemente 6 umfassen demnach lediglich das Leitblech 6.1, ein im Dosierraum 8 angeordnetes Rohrstück 6.2 sowie ein außerhalb des Dosierraums 8 angeordnetes weiteres Leitblech 6.3, das kegelförmig ausgeführt ist. Das Rohrstück 6.2 ist dabei mit den ersten statischen Strömungsleitelementen 5 verbunden. Das Leitblech 6.3 ist demgegenüber an den dritten statischen Strömungsleitelementen 7 abgestützt. Auf diese Weise kann eine in axialer Richtung besonders kompakt bauende Anordnung erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014208743 A1 [0004]
