DE102018109871A1

DE102018109871A1 - Abgasanlage

Info

Publication number: DE102018109871A1
Application number: DE102018109871.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Knaf
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 2018-04-24
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2019-11-21

Abstract

Eine Abgasanlage zum Führen und Behandeln eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine umfasst einen Abgaskrümmer, der zum Anschluss an Abgasauslässe der Brennkraftmaschine ausgebildet ist, und einen Injektor zum Einbringen eines fließfähigen Zusatzstoffs in den Abgasstrom. Der Injektor ist derart angeordnet und ausgestaltet, dass beim Einbringen des fließfähigen Zusatzstoffs in den Abgasstrom eine Verdampfungsfläche des Abgaskrümmers oder einer direkt an den Abgaskrümmer angrenzenden Einbringkammer mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage zum Führen und Behandeln eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine, mit einem Abgaskrümmer, der zum Anschluss an Abgasauslässe der Brennkraftmaschine ausgebildet ist, und mit einem Injektor zum Einbringen eines fließfähigen Zusatzstoffs in den Abgasstrom.
Die Abgase von Brennkraftmaschinen werden im Allgemeinen vor dem Ausstoß in die Atmosphäre einem Reinigungsprozess oder mehreren Reinigungsprozessen unterzogen, um die Umweltbelastung zu begrenzen. Häufig erfordern solche Reinigungsprozesse das Einbringen und Verteilen flüssiger Zusatzstoffe in den Abgasstrom. Die Zusatzstoffe werden im Allgemeinen mittels des Injektors in den heißen Abgasstrom eingesprüht. Beispielsweise ist es zur Reduzierung von Stickoxiden im Abgas von Dieselmotoren bekannt, eine selektive katalytische Reduktion (SCR von selective catalytic reduction) durchzuführen, die in einem sogenannten SCR-Katalysator unter Verwendung eines Reduktionsmittels durchgeführt wird. Speziell kann eine wässrige Harnstofflösung ins Abgas eingespritzt werden. Der Harnstoff zerfällt im Abgas zu Ammoniak, welches mit den Stickoxiden des Abgases reagiert. Auch zum Zweck der Abgaskühlung kann ein flüssiger Zusatzstoff in den Abgasstrom eingebracht werden. Als einzubringendes Kühlmittel kommt hierbei insbesondere Wasser in Betracht.
Im Sinne einer effektiven Abgasbehandlung ist es wichtig, dass der Zusatzstoff möglichst gleichmäßig mit dem Abgas vermischt wird und möglichst vollständig in die Gasphase überführt wird. Eine schnelle Verdampfung setzt ein ausreichendes Temperaturniveau voraus. Insbesondere im Teillastbereich der zugehörigen Brennkraftmaschine sind die Abgastemperaturen jedoch häufig zu gering, um eine effektive Abgasbehandlung zu gewährleisten. Temperaturerhöhende Maßnahmen wie zum Beispiel eine Anfettung des Verbrennungsgemischs oder eine katalytische Nacheinspritzung können hier Abhilfe schaffen, verbrauchen aber in unerwünschter Weise zusätzlichen Kraftstoff.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln ein effektiveres Verteilen und Verdampfen fließfähiger Zusatzstoffe in den Abgasstrom einer Abgasanlage zu ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist der Injektor derart angeordnet und ausgestaltet, dass beim Einbringen des fließfähigen Zusatzstoffs in den Abgasstrom eine Verdampfungsfläche, bevorzugt eine Oberfläche oder Wandfläche des Abgaskrümmers, insbesondere eine Oberfläche einer Wandung des Krümmers, oder einer direkt an den Abgaskrümmer angrenzenden Einbringkammer mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagbar ist. Es wird also eine Oberfläche des Abgaskrümmers oder einer krümmernahen Einbringkammer als Verdampfer- und Zerstäuberoberfläche genutzt. Insbesondere bildet ein Abschnitts einer Wandung des Krümmers (z.B. ein Abschnitt einer Innen- oder einer Außenwand eines oder mehrerer Bauteile des Krümmers) eine Verdampfungsfläche, die zur Beaufschlagung mit dem Zusatzstoff vorgesehen ist. Eine an den Abgaskrümmer angrenzende Einbringkammer kann parallel zum Strömungskanal des Abgaskrümmers verlaufen oder dem Abgaskrümmer in Strömungsrichtung in Reihe nachgeschaltet sein.
Der Abgaskrümmer ist im Allgemeinen für einen direkten Anschluss an die Abgasauslässe der Brennkraftmaschine ausgebildet und stellt somit die den Zylindern der Brennkraftmaschine am nächsten liegende Komponente der Abgasanlage dar.
Demgemäß weist der Abgaskrümmer während des Betriebs der Brennkraftmaschine durch den Wärmeeintrag des ausströmenden Abgases in den Abgaskrümmer ein besonders hohes Temperaturniveau auf. Flüssigkeiten, die auf die Wandung des Abgaskrümmers auftreffen, werden somit besonders schnell und effektiv verdampft und verteilt. Für eine am oder im Abgaskrümmer befindliche Zusatzkomponente gilt dies ebenfalls. Außerdem ist die Strömung im Abgaskrümmer besonders turbulent und impulsbehaftet, was die Verdampfung weiter verbessert und die Reaktionskinetik beschleunigt. Die Erfindung ermöglicht daher eine effektive Abgasbehandlung ohne zusätzliche temperaturerhöhende Maßnahmen wie z. B. eine äußere Energiezufuhr.
Der Injektor kann eine ansteuerbare Einspritzdüse umfassen. Vorzugsweise ist der Injektor zum Versprühen des Zusatzstoffs ausgebildet.
Unter dem Beaufschlagen einer Verdampfungsfläche ist im Sinne der vorliegenden Offenbarung ein derartiges Aufbringen gemeint, dass der Zusatzstoff noch vor der vollständigen Verdampfung in einen Kontakt mit der betreffenden Oberfläche gelangt. Ein Beaufschlagen setzt also voraus, dass der Zusatzstoff wenigstens zum Teil in flüssiger Form auf die Verdampfungsfläche auftrifft.
Vorzugsweise ist die zur Beaufschlagung vorgesehene Verdampfungsfläche zumindest im Wesentlichen gasundurchlässig. Das heißt die zur Beaufschlagung vorgesehene Verdampfungsfläche ist bevorzugt an einem nicht porösen Substrat ausgebildet, in das der verdampfende fließfähige Stoff im Unterschied zu offenporigen Substraten nicht eindringen kann.
Die zur Beaufschlagung vorgesehene Verdampfungsfläche kann eine Strukturierung aufweisen, insbesondere eine Anordnung von Vorsprüngen und/oder Vertiefungen. Eine solche Strukturierung führt zu mindestens lokal verringerten Flüssigkeitsfilmdicken und erhöht gleichzeitig die Kontaktfläche zwischen dem betreffenden Bauteil und dem fließfähigen Stoff. Dies verbessert letztlich den Wärmetransfer. Somit wird durch eine Oberflächenstrukturierung, also das gezielte Vorsehen von Rauhigkeiten, Rippen, Noppen oder dergleichen an der zur Beaufschlagung vorgesehenen Oberfläche der Wärmetransfer in den fließfähigen Stoff intensiviert.
Die zur Beaufschlagung vorgesehene Verdampfungsfläche kann ein Wandabschnitt eines gasführenden Abschnitts des Abgaskrümmers oder einer direkt an den Abgaskrümmer angrenzenden Einbringkammer sein. Das heißt der Injektor kann insbesondere derart angeordnet und ausgestaltet sein, dass die Krümmerwand oder die Kammerwand direkt angesprüht wird. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Konstruktion. Grundsätzlich kann die zur Beaufschlagung vorgesehene Verdampfungsfläche jedoch auch durch eine Oberfläche eines im Abgaskrümmer oder in der Einbringkammer angeordneten Bauteils wie zum Beispiel einer oder mehrerer Prallplatten, Trennbleche oder Strömungsleitschaufeln gebildet sein.
Vorzugsweise ist der Injektor - direkt oder indirekt - am Abgaskrümmer befestigt, woraus ein besonders kompakter Aufbau resultiert.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Abgasanlage einen Turbolader umfasst und der Injektor stromaufwärts des Turboladers angeordnet ist. Eine solche „Vor-Turbo-Anordnung“ ermöglicht eine effektivere Verteilung und Verdampfung des Zusatzstoffs als eine Konfiguration, bei welcher der Zusatzstoff nach dem Turbolader eingebracht wird.
Vorzugsweise ist auch eine Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere ein SCR-Katalysator oder ein katalytisch beschichteter Partikelfilter, stromaufwärts des Turboladers angeordnet. Eine solchermaßen angeordnete Abgasreinigungsvorrichtung nutzt das hohe Temperaturniveau, das während des Betriebs der Brennkraftmaschine in den vor dem Turbolader gelegenen Bereichen der Abgasanlage herrscht. Vorzugsweise ist ein vollständiges SCR-System zwischen der Brennkraftmaschine und dem Turbolader angeordnet. Dieses sieht eine Eindosierung von Reduktionsmittel, die Verdampfung von Reduktionsmittel auf einer Oberfläche des Abgaskrümmers oder eines in diesem angeordneten Bauteils, eine Tropfen-Gas-Interaktion einschließlich einer Verteilung von Reduktionsmittel und eine Reduktion von Stickoxiden vor.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Injektor derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass der fließfähige Zusatzstoff in den Abgaskrümmer einbringbar ist und hierbei ein Wandabschnitt des Abgaskrümmers von innen mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagbar ist. Beim Einbringen wird der Zusatzstoff somit einerseits mit dem strömenden Abgas vermischt und andererseits wenigstens zum Teil auf die Innenseite der Krümmerwand aufgesprüht, wo aufgrund des hohen Temperaturniveaus eine effektive Verdampfung erfolgt und die Reaktionskinetik verbessert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass der Abgaskrümmer als luftspaltisolierter Abgaskrümmer mit einer inneren Wandung, einer diese zumindest abschnittsweise umschließenden oder umgebenden äußeren Wandung und einem dazwischen ausgebildeten Luftspalt ausgeführt ist, wobei der Injektor derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass der fließfähige Zusatzstoff in den Luftspalt einbringbar ist und hierbei ein Abschnitt der inneren Wandung mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagbar ist. Bei dieser Ausgestaltung wird der Zusatzstoff also in einen Luftspalt eingesprüht. Von dem Luftspalt kann der Zusatzstoff, gegebenenfalls nach einer wenigstens teilweisen Verdampfung, durch wenigstens eine Aussparung der inneren Wandung in den Abgasstrom gelangen.
Eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass stromabwärts des Abgaskrümmers eine Umlenkkammer vorgesehen ist, die aus dem Abgaskrümmer austretendes Abgas umlenkt und an einem Wandabschnitt des Abgaskrümmers entlangführt, wobei der Injektor derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass der fließfähige Zusatzstoff in die Umlenkkammer einbringbar ist und hierbei der Wandabschnitt des Abgaskrümmers von außen mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagbar ist. Bei dieser Ausgestaltung wird also nicht die Innenseite der Krümmerwand beaufschlagt, sondern die Außenseite. Dies kann bei bestimmten Anwendungen in konstruktiver Hinsicht günstig sein. Die Umlenkkammer kann als einfaches Metallbauteil, insbesondere als Blechbauteil oder als Gussbauteil, ausgeführt sein.
Die Umlenkkammer kann weiterhin durch einen Kanal gebildet sein, der an einer Außenseite des Abgaskrümmers angebracht ist, wobei der Kanal eine zu der Außenseite weisende Öffnung aufweist und um die Öffnung abgedichtet ist. Der Krümmer bildet somit abschnittsweise eine Wandung der Umlenkkammer. Da der Kanal zur Außenseite des Abgaskrümmers hin geöffnet ist, kann beim Einbringen des Zusatzstoffs in den Kanal die Außenseite des Abgaskrümmers direkt angesprüht werden. Die heiße Außenseite wirkt als effektive Verdampfungsfläche. Der Kanal kann je nach Bauraumbeschränkung seitlich, oben oder unten am Abgaskrümmer angebracht sein. Vorzugsweise ist der Kanal am Abgaskrümmer angeschweißt.
Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Umlenkkammer den Abgaskrümmer zumindest bereichsweise umgibt. Die Umlenkkammer und der Abgaskrümmer können also zumindest bereichsweise koaxial zueinander verlaufen. Dies ermöglicht eine effiziente Ausnutzung der hohen Temperatur der Krümmerwand.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist stromabwärts des Abgaskrümmers eine Einbringkammer vorgesehen, wobei der Injektor derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass der fließfähige Zusatzstoff in die Einbringkammer einbringbar ist und hierbei ein Wandabschnitt der Einbringkammer von innen mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagbar ist. Bei der Einbringkammer kann es sich um eine beliebige gasführende Komponente handeln, die selbst nicht mehr Teil des Abgaskrümmers ist, aber insbesondere unmittelbar an diesen anschließt und somit ebenfalls ein besonders hohes Temperaturniveau aufweist. Beispielsweise kann die Einbringkammer im Bereich eines Auslasses des Abgaskrümmers an diesem befestigt, insbesondere an diesen angeschweißt sein.
Stromaufwärts oder stromabwärts des Injektors kann ein statischer Mischer, insbesondere ein drallerzeugendes oder drallunterstützendes Trenn- oder Trapezblech, angeordnet sein. Hierdurch kann die Verteilung des Zusatzstoffs im Abgasstrom verbessert werden. Außerdem können Oberflächen des statischen Mischers selbst als Verdampfungsflächen wirksam sein. Statische Mischer sind in vielfältigen Ausgestaltungen bekannt. Vorzugsweise ist der statische Mischer zur Erzeugung einer Verwirbelung und/oder eines Dralls oder Mehrfachdralls im Abgasstrom ausgebildet.
Es ist bevorzugt, dass der statische Mischer im Abgaskrümmer oder in einer direkt an den Abgaskrümmer angrenzenden Einbringkammer angeordnet ist. Dadurch weist er während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine besonders hohe Temperatur auf und wirkt nicht nur vermischend, sondern auch verdampfend.
Es kann vorgesehen sein, dass der Injektor einer Einrichtung für selektive katalytische Reduktion zugeordnet ist und zum Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrom ausgebildet ist. Eine solche Ausgestaltung eignet sich insbesondere zur Stickoxidverringerung bei Dieselmotoren und Magermotoren.
Alternativ kann der Injektor einer Abgaskühleinrichtung zugeordnet und zum Einbringen von Kühlmittel, insbesondere Wasser, in den Abgasstrom ausgebildet sein. Eine Abgaskühlung ist häufig in Hochlastsituationen zum Schutz von Bauteilen der Abgasanlage erforderlich. Eine Abgaskühlung mittels Anfettung des Verbrennungsgemischs ist insofern unerwünscht, als dadurch dampfförmige Emissionen entstehen. Durch Einbringen eines flüssigen Kühlmittels in den Abgaskrümmer können die Bauteile der Abgasanlage auch ohne Anfettung wirksam geschützt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Einbringen eines fließfähigen Zusatzstoffs in einen Abgasstrom einer Abgasanlage, die einen zum Anschluss an Abgasauslässe einer Brennkraftmaschine ausgebildeten Abgaskrümmer umfasst, insbesondere einer wie vorstehend beschriebenen Abgasanlage, mittels wenigstens eines Injektors.
Erfindungsgemäß wird beim Einbringen des fließfähigen Zusatzstoffs in den Abgasstrom eine Oberfläche des Abgaskrümmers oder einer direkt an den Abgaskrümmer angrenzenden Einbringkammer mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagt. Der Zusatzstoff wird also derart in den Abgasstrom eingebracht, dass flüssige Anteile desselben in Kontakt mit einer aufgeheizten Oberfläche des Abgaskrümmers oder eines krümmernahen Bauteils gelangen. Gegenüber einem Einbringen des Zusatzstoffs in nachfolgende Abschnitte des Abgasstrangs ergibt sich aufgrund des hohen Temperaturniveaus eine besonders schnelle und vollständige Verdampfung der Flüssigkeit.
Vorzugsweise wird der fließfähige Zusatzstoff mittels des Injektors von außen oder von innen auf einen Wandabschnitt des Abgaskrümmers oder der Einbringkammer aufgesprüht. Dies ist auf besonders einfache Weise durch eine geeignete Positionierung des Injektors am Abgaskrümmer oder an der Einbringkammer sowie durch eine geeignete Dimensionierung des Injektors zu bewerkstelligen.
Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der beigefügten Zeichnung zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

1 ist eine vereinfachte Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gestalteten Abgasanlage.
2 zeigt eine Abgasanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine Abgasanlage gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
4 ist eine Teilschnittdarstellung einer Abgasanlage ähnlich der gemäß 2.
5 zeigt eine Abgasanlage gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine Abgasanlage gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
7 ist eine Teilschnittdarstellung der Abgasanlage gemäß 6.
8 zeigt eine Abgasanlage gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt eine Abgasanlage gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt eine Oberfläche eines Abgaskrümmers einmal ohne Strukturierung und einmal mit einer Strukturierung.

Die in 1 teilweise und vereinfacht dargestellte Abgasanlage 11 ist einer Brennkraftmaschine 13 zugeordnet, beispielsweise einem Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs. Die Abgasanlage 11 umfasst einen Abgaskrümmer 15, eine stromabwärts des Abgaskrümmers 15 angeordnete Abgasreinigungsvorrichtung 17 sowie einen stromabwärts der Abgasreinigungsvorrichtung 17 angeordneten Turbolader 19. Die Abgasreinigungsvorrichtung 17 ist vorzugsweise als SCR-Katalysator oder als katalytisch beschichteter Partikelfilter ausgeführt.
Der Abgaskrümmer 15 ist in grundsätzlich bekannter Weise als Gusskrümmer, Schalenkrümmer mit oder ohne Luftspaltisolierung oder dergleichen ausgeführt und derart an der Brennkraftmaschine 13 angebracht, dass mehrere Abgasauslässe 21 der Brennkraftmaschine 13 in den Abgaskrümmer 15 münden, ggf. über kurze Rohrabschnitte oder Stutzen. Der Abgaskrümmer 15 sammelt also das Abgas verschiedener Zylinder der Brennkraftmaschine 13. Grundsätzlich könnte der Abgaskrümmer 15 auch das Abgas eines Zylinders sammeln. Bei einer solchen Ausgestaltung mündet nur ein Abgasauslass 21 der Brennkraftmaschine 13 in den Abgaskrümmer 15. Ein erster Krümmerauslass 22 des Abgaskrümmers 15 steht über einen Leitungsabschnitt 20 mit der Abgasreinigungsvorrichtung 17 in Strömungsverbindung. Ein zweiter Krümmerauslass 23 (optional) des Abgaskrümmers 15 steht mit einer nicht dargestellten Abgasrückführungsleitung in Verbindung, welche einen Teil des Abgasstroms bedarfsweise der Brennkraftmaschine 13 erneut zuführt.
An dem Abgaskrümmer 15 ist eine Einspritzvorrichtung in Form eines Injektors 27 befestigt. Der Injektor 27 steht mit einer nicht dargestellten Quelle für wässrige Harnstofflösung in Verbindung und ist dazu ausgebildet, bei Empfang eines Aktivierungssignals wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrom 25 einzusprühen, wie in 1 durch einen Sprühkegel 30 gezeigt ist. Anstelle einer wässrigen Harnstofflösung könnte auch ein anderes flüssiges Reduktionsmittel oder ein entsprechender Vorläufer zum Einsatz kommen.
Der Injektor 27 ist derart angeordnet und ausgestaltet, dass ein innerer Wandabschnitt 31 des Abgaskrümmers 15 mit der Harnstofflösung beaufschlagbar ist. Wenn also während des Betriebs der Brennkraftmaschine 13 der Injektor 27 aktiviert wird, so gelangt wässrige Harnstofflösung auf den Wandabschnitt 31, der aufgrund der Nähe zu den Zylindern der Brennkraftmaschine 13 eine hohe Temperatur aufweist. Es kommt zu einer Verdampfung der wässrigen Harnstofflösung. Diese Verdampfung ist wesentlich schneller und vollständiger, als dies bei einem Einbringen der wässrigen Harnstofflösung in motorfernere Teile der Abgasanlage 11 möglich wäre. Die verdampften Anteile der wässrigen Harnstofflösung verteilen sich im Abgasstrom 25. Durch Zersetzung entsteht Ammoniak, das mit den Stickoxiden des Abgases reagiert und diese in der Vorrichtung 17 zu Stickstoff und Wasser reduziert.
2 zeigt eine Brennkraftmaschine 13 mit einer Abgasanlage 41 gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausgestaltung ist eine Umlenkkammer 43 vorgesehen, die das aus dem ersten Krümmerauslass 22 austretende Abgas empfängt, umlenkt und an einem äußeren Wandabschnitt 33 des Abgaskrümmers 15 entlangführt. Ein Kammerauslass 45 der Umlenkkammer 43 steht über einen Leitungsabschnitt 20 mit der Abgasreinigungsvorrichtung 17 in Strömungsverbindung.
Der Injektor 27 ist bei der Ausgestaltung gemäß 2 nicht am Abgaskrümmer 15 selbst, sondern an der Umlenkkammer 43 befestigt, und zwar derart, dass die wässrige Harnstofflösung beim Einsprühen in die Umlenkkammer 43 auf den äußeren Wandabschnitt 33 des Abgaskrümmers 15 auftrifft, an dem das Abgas durch die Umlenkkammer 43 entlang geführt wird. Um ein direktes Besprühen des Abgaskrümmers 15 von außen zu ermöglichen, ist die Umlenkkammer 43 zur Außenseite des Abgaskrümmers 15 hin geöffnet, wobei z. B. eine umlaufende Schweißnaht einen Gasaustritt verhindert. Aufgrund der während des Betriebs der Brennkraftmaschine 13 hohen Temperatur des Abgaskrümmers 15 ergibt sich auch für die in 2 dargestellte Variante eine besonders schnelle und vollständige Verdampfung der eingesprühten Harnstofflösung.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Umlenkkammer 43 an einer Oberseite 47 des Abgaskrümmers 15 angebracht. Demgegenüber zeigt die 3 eine Abgasanlage 51, bei welcher die Umlenkkammer 43 an einer Seitenwand 49 des Abgaskrümmers 15 befestigt ist. Die Wandung des Abgaskrümmers 15 wird hier also seitlich angesprüht.
In der Schnittdarstellung der 4 ist genauer erkennbar, wie der Tröpfchen enthaltende Sprühkegel 30 aus dem Injektor 27 auf den äußeren Wandabschnitt 33 des Abgaskrümmers 15 auftrifft, dabei weiter zerstäubt wird und nachfolgend verdampft. Die Verdampfung wird durch den Wärmetransport aus dem Abgaskrümmer 15 unterstützt, wie durch den Pfeil 52 angegeben ist. Um eine nachfolgende Durchmischung von Reduktionsmittel, Reduktionsmittel-Vorläufer und Abgas zu fördern, kann ein in 4 nicht dargestellter statischer Mischer vorgesehen sein, um beispielsweise einen Doppeldrall 55 zu erzeugen. Der Doppeldrall 55 kann auch durch die Wandgestaltung der Umlenkkammer 43 erzeugt werden.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 61. Der Injektor 27 ist hier an einer Einbringkammer 63 befestigt, welche selbst nicht zum Abgaskrümmer 15 gehört, aber unmittelbar an diesen anschließend angeordnet ist und in einem wärmeleitenden Kontakt mit diesem steht. Insbesondere kann die Einbringkammer 63 an den Abgaskrümmer 15 angeschweißt sein.
Der Injektor 27 ist wie dargestellt derart angeordnet und ausgestaltet, dass er die wässrige Harnstofflösung auf einen Innenwandabschnitt 65 der Einbringkammer 63 aufsprühen kann. Beispielsweise kann die Einbringkammer 63 als zumindest im Wesentlichen zylindrisches Metallbauteil ausgeführt sein. Aufgrund des direkten Kontakts mit dem Abgaskrümmer 15 weist der Innenwandabschnitt 65 der Einbringkammer 63 während des Betriebs der Brennkraftmaschine 13 ein besonders hohes Temperaturniveau auf. Die Verdampfung der Harnstofflösung wird daher ebenso unterstützt wie bei den unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung.
6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 71, bei welcher ähnlich wie bei der Variante gemäß 3 und 4 eine Umlenkkammer 72 seitlich am Abgaskrümmer 15 angebracht ist. Durch nicht gezeigte Öffnungen strömt das Abgas (siehe Pfeile 25) aus dem Krümmer 15 in die den Krümmer 15 teilweise umgebende Kammer 72. Zumindest im Bereich des ersten Krümmerauslasses 22 ist ein Trennblech 73 angeordnet, das einen Doppeldrall 55 erzeugt (7). Der Doppeldrall 55 verteilt das Ammoniak im Abgasstrom und erhöht die Verweilzeit. Dadurch, dass sich das Trennblech 73 in räumlicher Nähe zu dem Abgaskrümmer 15 befindet, weist es eine besonders hohe Temperatur auf und unterstützt somit die Verdampfung zusätzlich. Stromabwärts des Injektors 27 können weitere Mischeinrichtungen und/oder Trennbleche angeordnet sein.
Bei der in 8 gezeigten erfindungsgemäßen Abgasanlage 81 ist der Abgaskrümmer 85 luftspaltisoliert ausgeführt, das heißt er weist eine innere Wandung 87, eine diese zumindest abschnittsweise umgebende äußere Wandung 88 und einen dazwischen ausgebildeten Luftspalt 90 auf. Der Injektor 27 ist derart am Abgaskrümmer 85 angeordnet, dass die wässrige Harnstofflösung in den Luftspalt 90 einbringbar ist. Über Aussparungen 89 der inneren Wandung 87 gelangen Harnstoff und/oder Ammoniak vom Luftspalt 90 in das Innere des Abgaskrümmers 85. Durch Bildung von Engstellen kann hierbei eine Saugwirkung erzeugt werden.
Die in 9 gezeigte erfindungsgemäße Abgasanlage 81' ist weitgehend identisch zu der in 8 dargestellten Abgasanlage 81, sieht jedoch im Unterschied hierzu einen teilweise durchspülten Luftspalt 90 vor. Hierfür sind Klappen 95 vorgesehen, welche es ermöglichen, dass ein Teil des Abgasstroms in den Luftspalt 90 gelangt. Anstelle der Klappen 95 könnten auch einfache Öffnungen vorgesehen sein.
Wie im rechten Teil von 10 gezeigt ist, kann die zur Beaufschlagung mit wässriger Harnstofflösung vorgesehene Oberfläche 97 mit einer Anordnung von Rippen 98 oder einer ähnlichen Strukturierung zur Intensivierung des Wärmetransfers versehen sein. Im linken Teil von 10 ist zum Vergleich eine glatte Oberfläche 97 dargestellt. Die Rippen 98 bewirken eine lokale Verringerung der Dicke des durch die wässrige Harnstofflösung auf der Oberfläche 97 gebildeten Films 96, wie bei 99 gezeigt ist. Darüber hinaus ergibt sich eine Vergrößerung der Kontaktfläche. Somit wird durch die Rippen 98 der Wärmetransfer in den Film 96 verbessert und die Verdampfungswirkung erhöht.
Eine nicht dargestellte Variante der Erfindung sieht vor, dass der Injektor zum Einbringen eines flüssigen Kühlmittels, insbesondere Wasser, in den Abgasstrom ausgebildet ist. Ein solcher kühlender Injektor kann auch zusätzlich vorgesehen sein. Eine derartige Abgaskühlung kann insbesondere in Hochlastbereichen des Brennkraftmaschinenbetriebs sinnvoll sein, um die Bauteile der Abgasanlage vor unzulässig hoher Temperaturbelastung zu schützen.
Durch das direkte Besprühen einer heißen Wand, die zum Abgaskrümmer oder zu einem direkt an diesen anschließenden Bauteil der Abgasanlage gehört, kann das Verteilen und Verdampfen flüssiger Zusatzstoffe unterschiedlicher Art in Abgasströmen von Abgasanlagen beträchtlich verbessert werden.
Bezugszeichenliste

11: Abgasanlage
13: Brennkraftmaschine
15: Abgaskrümmer
17: Abgasreinigungsvorrichtung
19: Turbolader
20: Leitungsabschnitt
21: Abgasauslass
22: erster Krümmerauslass
23: zweiter Krümmerauslass
25: Abgasstrom
27: Injektor
30: Sprühkegel
31: innerer Wandabschnitt
33: äußerer Wandabschnitt
41: Abgasanlage
43: Umlenkkammer
45: Kammerauslass
47: Oberseite
49: Seitenwand
51: Abgasanlage
52: Richtung des Wärmetransports
55: Doppeldrall
61: Abgasanlage
63: Einbringkammer
65: Innenwandabschnitt
71: Abgasanlage
72: Umlenkkammer
73: Trennblech
81, 81': Abgasanlage
85: Abgaskrümmer
87: innere Wandung
88: äußere Wandung
89: Aussparung
90: Luftspalt
95: Klappe
96: Film
97: Oberfläche
98: Rippe
99: Dickenverringerung

Claims

Abgasanlage (11, 41, 51, 61, 71, 81, 81') zum Führen und Behandeln eines Abgasstroms (25) einer Brennkraftmaschine (13), mit einem Abgaskrümmer (15, 85), der zum Anschluss an Abgasauslässe (21) der Brennkraftmaschine (13) ausgebildet ist, und mit einem Injektor (27) zum Einbringen eines fließfähigen Zusatzstoffs in den Abgasstrom (25), dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (27) derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass beim Einbringen des fließfähigen Zusatzstoffs in den Abgasstrom (25) eine Verdampfungsfläche (97), insbesondere Oberfläche oder Wandfläche des Abgaskrümmers (15, 85) oder einer direkt an den Abgaskrümmer angrenzenden Einbringkammer (43, 63, 72) mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagbar ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Beaufschlagung vorgesehene Verdampfungsfläche (97) zumindest im Wesentlichen gasundurchlässig ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Beaufschlagung vorgesehene Verdampfungsfläche (97) eine Strukturierung aufweist, insbesondere eine Anordnung von Vorsprüngen (98) und/oder Vertiefungen.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Beaufschlagung vorgesehene Verdampfungsfläche (97) ein Wandabschnitt (31, 33, 65) eines gasführenden Abschnitts des Abgaskrümmers (15, 85) oder einer direkt an den Abgaskrümmer angrenzenden Einbringkammer (43, 63, 72) ist.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (27) am Abgaskrümmer (15, 85) befestigt ist.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (11, 41, 51, 61, 71, 81, 81') einen Turbolader (19) umfasst und der Injektor (27) stromaufwärts des Turboladers (19) angeordnet ist.
Abgasanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasreinigungsvorrichtung (17), insbesondere ein SCR-Katalysator oder ein katalytisch beschichteter Partikelfilter, stromaufwärts des Turboladers (19) angeordnet ist.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (27) derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass der fließfähige Zusatzstoff in den Abgaskrümmer (15) einbringbar ist und hierbei ein Wandabschnitt (31) des Abgaskrümmers (15) von innen mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagbar ist.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (85) als luftspaltisolierter Abgaskrümmer mit einer inneren Wandung (87), einer diese zumindest abschnittsweise umschließenden oder umgebenden äußeren Wandung (88) und einem dazwischen ausgebildeten Luftspalt (90) ausgeführt ist, wobei der Injektor (27) derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass der fließfähige Zusatzstoff in den Luftspalt (90) einbringbar ist und hierbei ein Abschnitt der inneren Wandung (87) mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagbar ist.
Abgasanlage nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Abgaskrümmers (15) eine Umlenkkammer (43, 72) vorgesehen ist, die aus dem Abgaskrümmer (15) austretendes Abgas umlenkt und an einem Wandabschnitt (33) des Abgaskrümmers (15) entlangführt, wobei der Injektor (27) derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass der fließfähige Zusatzstoff in die Umlenkkammer (43, 72) einbringbar ist und hierbei der Wandabschnitt (33) des Abgaskrümmers (15) von außen mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagbar ist.
Abgasanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkkammer (43, 72) durch einen Kanal gebildet ist, der an einer Außenseite des Abgaskrümmers (15) angebracht ist, wobei der Kanal eine zu der Außenseite weisende Öffnung aufweist und um die Öffnung abgedichtet ist.
Abgasanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkkammer den Abgaskrümmer zumindest bereichsweise umgibt.
Abgasanlage nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Abgaskrümmers eine Einbringkammer (63) vorgesehen ist, wobei der Injektor (27) derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass der fließfähige Zusatzstoff in die Einbringkammer (63) einbringbar ist und hierbei ein Wandabschnitt (65) der Einbringkammer (63) von innen mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagbar ist.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts oder stromabwärts des Injektors (27) ein statischer Mischer (73), insbesondere ein drallerzeugendes oder drallunterstützendes Trenn- oder Trapezblech, angeordnet ist.
Abgasanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der statische Mischer (73) im Abgaskrümmer (15, 85) oder in einer direkt an den Abgaskrümmer (15, 85) angrenzenden Einbringkammer (63) angeordnet ist.
Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (27) einer Einrichtung für selektive katalytische Reduktion zugeordnet ist und zum Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrom (25) ausgebildet ist.
Abgasanlage nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor einer Abgaskühleinrichtung zugeordnet ist und zum Einbringen eines Kühlmittels, insbesondere Wasser, in den Abgasstrom ausgebildet ist.
Abgaskrümmer (15, 85) für eine Abgasanlage (11, 41, 51, 61, 71, 81, 81'), insbesondere für eine Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer gasführenden Wandung und wenigstens einem an der Wandung befestigten Injektor (27), dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (27) derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass eine Verdampfungsfläche der Wandung mit einem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagbar ist.
Verfahren zum Einbringen eines fließfähigen Zusatzstoffs in einen Abgasstrom (25) einer Abgasanlage (11, 41, 51, 61, 71, 81, 81'), die einen zum Anschluss an Abgasauslässe (21) einer Brennkraftmaschine (13) ausgebildeten Abgaskrümmer (15, 85) umfasst, insbesondere einer Abgasanlage nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, mittels wenigstens eines Injektors (27), dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbringen des fließfähigen Zusatzstoffs in den Abgasstrom (25) eine Oberfläche des Abgaskrümmers (15, 85) oder einer direkt an den Abgaskrümmer angrenzenden Einbringkammer (63) mit dem fließfähigen Zusatzstoff beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der fließfähige Zusatzstoff mittels des Injektors (27) von außen oder von innen auf einen Wandabschnitt (31, 33, 65) des Abgaskrümmers (15, 85) oder der Einbringkammer (63) aufgesprüht wird.