DE102017213954A1 - Mixture preparation device, exhaust aftertreatment system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Gemischaufbereitung für ein Abgasnachbehandlungssystem, umfassend eine Einspritzeinrichtung (2) zum Einspritzen eines flüssigen Reduktionsmittels (3) in einen Abgasstrom sowie ein den Abgasstrom führendes Mischrohr (4) mit statischen Strömungsleitelementen (10) zum Verdampfen und Vermischen des Reduktionsmittels (3) mit dem Abgas. Erfindungsgemäß mündet das Mischrohr (4) in Strömungsrichtung des Abgases in eine zylinderförmige Wirbelkammer (5), wobei das Mischrohr (4) zumindest im Bereich der Mündung im Wesentlichen tangential in Bezug auf den Querschnitt der Wirbelkammer (5) ausgerichtet ist.Ferner betrifft die Erfindung ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator (7) und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1).The invention relates to a device (1) for mixture preparation for an exhaust aftertreatment system, comprising an injection device (2) for injecting a liquid reducing agent (3) into an exhaust gas stream and a mixing tube (4) leading to the exhaust gas stream with static flow guide elements (10) for vaporizing and mixing of the reducing agent (3) with the exhaust gas. According to the invention, the mixing tube (4) opens into a cylindrical vortex chamber (5) in the flow direction of the exhaust gas, wherein the mixing tube (4) is oriented substantially tangentially with respect to the cross section of the vortex chamber (5), at least in the region of the mouth an exhaust aftertreatment system with an SCR catalyst (7) and a device according to the invention (1).
Description
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 Verdampfung und Vermischung eines Reduktionsmittels mit Abgas.The invention relates to a device for mixture preparation with the features of the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an exhaust aftertreatment system with a device for mixture preparation, in particular for the evaporation and mixing of a reducing agent with exhaust gas.
Stand der TechnikState of the art
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.In order to reduce nitrogen oxide emissions, exhaust gases from internal combustion engines, in particular from diesel engines, are subjected to exhaust gas aftertreatment. Here, SCR catalysts are used (SCR = Selective Catalytic Reduction), in which nitrogen oxide molecules with the aid of ammonia (NH 3 ), which serves as a reducing agent, are reduced to elemental nitrogen. To provide the reducing agent, a urea-water solution (HWL) is introduced into the exhaust gas flow upstream of the SCR catalytic converter by means of an injection device.
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 vermischtIn order to achieve a sufficient mixing of the urea-water solution with the exhaust gas, static mixers are usually used. The liquid jets of urea-water solution are aligned directly on the static mixer, so that it comes in contact of the drops with the mixer to break up the drops into smaller drops. Smaller drops have the advantage that the urea-water solution evaporates faster and mixes with the exhaust gas
Aus der Offenlegungsschrift
Bekannte Vorrichtungen zur Gemischaufbereitung in einem Abgasnachbehandlungssystem weisen üblicherweise ein Mischrohr mit einer Länge zwischen 400 mm und 1000 mm auf. Mit der Länge des Mischrohrs steigt auch der Grad der Vermischung. Der zur Verfügung stehende Bauraum ist jedoch in der Regel begrenzt, so dass keine optimale Vermischung erreicht wird.Known devices for mixture preparation in an exhaust aftertreatment system usually have a mixing tube with a length between 400 mm and 1000 mm. The length of the mixing tube also increases the degree of mixing. However, the available space is usually limited, so that no optimal mixing is achieved.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Gemischaufbereitung für ein Abgasnachbehandlungssystem anzugeben, die besonders kompakt bauend ist und zugleich eine optimale Vermischung ermöglicht, um die Effizienz der Abgasreinigung zu steigern.The present invention is therefore based on the object of specifying a device for mixture preparation for an exhaust aftertreatment system, which is particularly compact and at the same time allows optimal mixing in order to increase the efficiency of the exhaust gas purification.
Zur Lösung der Aufgabe werden die Vorrichtung zur Gemischaufbereitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the device for mixture preparation with the features of claim 1 and the exhaust aftertreatment system with the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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 Verdampfen und Vermischen des Reduktionsmittels mit dem Abgas. Erfindungsgemäß mündet das Mischrohr in Strömungsrichtung des Abgases in eine zylinderförmige Wirbelkammer, wobei das Mischrohr zumindest im Bereich der Mündung im Wesentlichen tangential in Bezug auf den Querschnitt der Wirbelkammer ausgerichtet ist.The device proposed for mixture preparation comprises an injection device for injecting a liquid reducing agent into an exhaust gas stream and a mixing tube leading the exhaust gas flow with static flow guide elements for vaporising and mixing the reducing agent with the exhaust gas. According to the invention, the mixing tube opens into a cylindrical vortex chamber in the flow direction of the exhaust gas, wherein the mixing tube is oriented substantially tangentially with respect to the cross section of the vortex chamber, at least in the region of the mouth.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung schließt demnach in Strömungsrichtung des Abgases eine Wirbelkammer an das Mischrohr an. Die Wirbelkammer verlängert die Mischstrecke, da das Gasgemisch in der Wirbelkammer eine weitere Vermischung erfährt. Entsprechend wird die Vermischung und damit die Gemischaufbereitung optimiert, die zu einer effizienten Abgasreinigung in einem nachgeschalteten SCR-Katalysator führt.In the device according to the invention accordingly includes in the flow direction of the exhaust gas, a swirl chamber to the mixing tube. The vortex chamber lengthens the mixing section, since the gas mixture undergoes further mixing in the vortex chamber. Accordingly, the mixing and thus the mixture preparation is optimized, which leads to an efficient exhaust gas purification in a downstream SCR catalytic converter.
Die weitere Vermischung in der Wirbelkammer beruht auf einer zusätzlichen Verwirbelung des Gasgemisches, die durch weitere Misch- und/oder Strömungsleitelemente in der Wirbelkammer, der Geometrie der Wirbelkammer und/oder auf den im Wesentlichen tangentialen Anschluss des Mischrohrs an die Wirbelkammer zurückzuführen ist.The further mixing in the vortex chamber is based on an additional turbulence of the gas mixture, which is due to further mixing and / or Strömungsleitelemente in the vortex chamber, the geometry of the vortex chamber and / or on the substantially tangential connection of the mixing tube to the vortex chamber.
Im Wesentlichen tangential bedeutet im Sinne der Anmeldung, dass der in die Wirbelkammer mündende Rohrabschnitt des Mischrohrs radial exzentrisch bzw. parallel versetzt zu einer Radialen in Bezug auf den Querschnitt der Wirbelkammer angeordnet ist.In the context of the application, substantially tangential means that the pipe section of the mixing tube which opens into the vortex chamber is arranged radially eccentrically or parallel offset relative to a radial with respect to the cross section of the vortex chamber.
Über die im Wesentlichen tangentiale Ausrichtung des Mischrohrs in Bezug auf die Wirbelkammer wird der Gemischstrom beim Einströmen in die Wirbelkammer in einen Drall versetzt, wodurch sich der Grad der Vermischung weiter erhöht. Stromaufwärts der Wirbelkammer werden vorzugsweise die statischen Strömungsleitelemente dazu genutzt, den Gemischstrom in einen Drall zu versetzen, so dass bereits im Mischrohr ein die Vermischung fördernder Drehimpuls erzeugt wird. Das heißt, dass bevorzugt eine erste Verwirbelung des Gasgemisches im Mischrohr und eine weitere Verwirbelung in der Wirbelkammer erfolgt, wodurch die Gemischaufbereitung weiter optimiert wird.About the substantially tangential orientation of the mixing tube with respect to the vortex chamber, the mixture flow when flowing into the Whirl chamber added to a swirl, which further increases the degree of mixing. Upstream of the vortex chamber, the static flow guide elements are preferably used to set the mixture flow into a twist, so that an angular momentum promoting the mixing is already generated in the mixing tube. This means that preferably a first turbulence of the gas mixture in the mixing tube and a further turbulence takes place in the vortex chamber, whereby the mixture preparation is further optimized.
Um den Bauraumbedarf der Vorrichtung zu senken, wird vorgeschlagen, dass das Mischrohr einen gebogenen Rohrabschnitt und einen gerade verlaufenden Rohrabschnitt aufweist, wobei der gerade verlaufende Rohrabschnitt eine Längsachse A besitzt, die gegenüber einer Längsachse B der Wirbelkammer in einem Winkel α < 90° angestellt ist. Das heißt, dass sich die Längsachsen des Mischrohrs und der Wirbelkammer in einem Winkel α < 90° schneiden. Auf diese Weise kann eine kompakte Anordnung bei zugleich verlängerter Mischstrecke erreicht werden. Um den Bauraumbedarf weiter zu senken, kann auch ein Winkel α < 60°, vorzugsweise ein Winkel α = 45° gewählt werden.To reduce the space requirement of the device, it is proposed that the mixing tube has a bent pipe section and a straight pipe section, wherein the straight pipe section has a longitudinal axis A, which is employed with respect to a longitudinal axis B of the vortex chamber at an angle α <90 ° , This means that the longitudinal axes of the mixing tube and the vortex chamber intersect at an angle α <90 °. In this way, a compact arrangement can be achieved at the same time extended mixing distance. To further reduce the space requirement, an angle α <60 °, preferably an angle α = 45 ° can be selected.
Des Weiteren bevorzugt weist das Mischrohr einen gebogenen Rohrabschnitt zur Verbindung mit einem Abgasrohr auf. Das Abgas strömt in diesem Fall über den gebogenen Rohrabschnitt in das Mischrohr ein, so dass die im Mischrohr vorgesehenen statischen Strömungsleitelemente optimal angeströmt werden. Das Abgasrohr besitzt eine Längsachse C, die vorzugsweise gegenüber der Längsachse A des gerade verlaufenden Rohrabschnitts des Mischrohrs in einem Winkel β angestellt ist, der ebenfalls kleiner 90° ist. Vorzugsweise wird ein Winkel β < 60°, weiterhin vorzugsweise ein Winkel β = 45° gewählt. Auf diese Weise kann der Bauraumbedarf der Vorrichtung weiter reduziert werden.Furthermore, the mixing tube preferably has a curved pipe section for connection to an exhaust pipe. In this case, the exhaust gas flows via the curved tube section into the mixing tube, so that the static flow guidance elements provided in the mixing tube are optimally flown. The exhaust pipe has a longitudinal axis C, which is preferably set against the longitudinal axis A of the straight pipe section of the mixing tube at an angle β, which is also smaller than 90 °. Preferably, an angle β <60 °, further preferably an angle β = 45 ° is selected. In this way, the space requirement of the device can be further reduced.
Bevorzugt ist die Einspritzeinrichtung zum Einspritzen des Reduktionsmittels an dem der Wirbelkammer gegenüberliegenden Ende des Mischrohrs angeordnet. Beispielsweise im Bereich des gebogenen Rohrabschnitts, welcher der Verbindung des Mischrohrs mit dem Abgasrohr dient. Dadurch ist eine erste Vermischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas stromaufwärts der statischen Strömungsleitelemente sichergestellt. Weiterhin bevorzugt ist die Einspritzeinrichtung koaxial zur Längsachse A des gerade verlaufenden Rohrabschnitts des Mischrohrs ausgerichtet, um zu gewährleisten, dass die Tropfen des Reduktionsmittels auf die statischen Strömungsleitelemente treffen. Denn beim Auftreffen werden die Tropfen in kleinere Tropfen aufgebrochen, so dass das Reduktionsmittel schneller verdampft.Preferably, the injection device for injecting the reducing agent at the opposite end of the vortex chamber of the mixing tube is arranged. For example, in the region of the bent pipe section, which serves to connect the mixing pipe to the exhaust pipe. This ensures a first mixing of the reducing agent with the exhaust gas upstream of the static flow guide elements. Further preferably, the injection device is aligned coaxially with the longitudinal axis A of the straight tube section of the mixing tube, in order to ensure that the drops of the reducing agent strike the static flow guide elements. Because when hitting the drops are broken up into smaller drops, so that the reducing agent evaporates faster.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die statischen Strömungsleitelemente des Mischrohrs flügelartig ausgestaltet sind. Das heißt, dass sie flächig ausgebildet sind, um eine ausreichend große Trefffläche für die Tropfen auszubilden. Die flügelartigen statischen Strömungsleitelemente sind vorzugsweise gegenüber einer Radialebene angestellt, um den hindurch strömenden Abgasstrom in einen Drall zu versetzen, wobei der Abgasstrom die Tropfen mitreißt. Vorzugsweise ragen die flügelartigen statischen Strömungsleitelemente von radial außen nach radial innen in das Mischrohr hinein, wobei sie radial außen an der Innenumfangseite des Mischrohrs oder eines hierin eingesetzten Rohrstücks befestigt sein können.It is also proposed that the static flow guide elements of the mixing tube are designed like a wing. This means that they are designed flat to form a sufficiently large hit area for the drops. The wing-like static flow guide elements are preferably employed with respect to a radial plane in order to set the exhaust gas flow flowing therethrough into a swirl, wherein the exhaust gas flow entrains the droplets. Preferably, the wing-like static Strömungsleitelemente protrude from radially outward to radially inward into the mixing tube, wherein they can be mounted radially outward on the inner peripheral side of the mixing tube or a tube piece inserted therein.
Das darüber hinaus vorgeschlagene Abgasnachbehandlungssystem weist einen SCR-Katalysator und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gemischaufbereitung auf. Die Vorrichtung zur Gemischaufbereitung ist dabei dem SCR-Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases vorgeschaltet, so dass im SCR-Katalysator eine verbesserte Abgasreinigung aufgrund der guten Gemischaufbereitung erzielt wird. Auf diese Weise kann die Effizienz des Abgasnachbehandlungssystems gesteigert werden.The additionally proposed exhaust aftertreatment system has an SCR catalyst and a device according to the invention for mixture preparation. The device for mixture preparation is upstream of the SCR catalyst in the flow direction of the exhaust gas, so that in the SCR catalyst improved exhaust gas purification is achieved due to the good mixture preparation. In this way, the efficiency of the exhaust aftertreatment system can be increased.
Vorteilhafterweise ist der Vorrichtung zur Gemischaufbereitung selbst ein Oxidationskatalysator und/oder ein Partikelfilter in Strömungsrichtung des Abgases vorgeschaltet, so dass die Abgasreinigung weiter optimiert wird. Insbesondere kann durch einen vorgeschalteten Partikelfilter die Feinstaubbelastung gesenkt werden.Advantageously, the device for mixture preparation itself is preceded by an oxidation catalyst and / or a particle filter in the flow direction of the exhaust gas, so that the exhaust gas purification is further optimized. In particular, the particulate matter load can be reduced by an upstream particle filter.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Abgasnachbehandlungssystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gemischaufbereitung, -
2 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung zur Gemischaufbereitung des Abgasnachbehandlungssystems der1 und -
3 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung zur Gemischaufbereitung des Abgasnachbehandlungssystems der1 .
-
1 a schematic representation of an exhaust aftertreatment system with a device according to the invention for mixture preparation, -
2 a schematic side view of the device for mixture preparation of the exhaust aftertreatment system of1 and -
3 a schematic plan view of the device for mixture preparation of the exhaust aftertreatment system of1 ,
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Das in der
Die Vorrichtung
Das mittels der Einspritzeinrichtung
Wie insbesondere der
Der Bauraumbedarf der Vorrichtung
Über den gebogenen Rohrabschnitt
Um neben der Reduktion von Stickoxiden ferner die Feinstaubbelastung zu senken, kann - wie in der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |