DE102019208824A1

DE102019208824A1 - Abgasstrang zur Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102019208824A1
Application number: DE102019208824.4A
Authority: DE
Inventors: Bjoern Damson
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-06-18
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2020-12-24
Also published as: CN112096490A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang (1) für einen Verbrennungsmotor (25), insbesondere für einen Verbrennungsmotor (25) in einem Kraftfahrzeug, wobei der Abgasstrang (1) aufweist einen Abgaskanal (2), der dazu vorgesehen ist, von Abgasen des Verbrennungsmotors (25) durchströmt zu werden; ein Dosiermodul (7), das zum Einspeisen eines Fluids (9), insbesondere eines fluiden Reduktionsmittels, in den Abgaskanal (2) ausgebildet ist; und ein mit Öffnungen (10) versehenes Mischelement (6), das zum Vermischen des in den Abgaskanal (2) eingespeisten Fluids (9) mit den durch den Abgaskanal (2) strömenden Abgasen ausgebildet ist; wobei das eingespeiste Fluid (9) in einer ungleichmäßigen Fluidauftreffdichte auf das Mischelement (6) trifft und wobei das Mischelement (6) so ausgebildet ist, dass in Bereichen (11) mit einer hohen Fluidauftreffdichte ein größerer Wärmeübertrag von den durch den Abgaskanal (2) strömenden Abgase auf das Mischelement (6) stattfindet, als in Bereichen (12) mit einer geringeren Fluidauftreffdichte. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren des Einspeisens eines Fluids (9), insbesondere eines fluiden Reduktionsmittels, in den Abgaskanal (2) eines erfindungsgemäßen Abgasstrangs (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug, wobei der Abgasstrang einen Abgaskanal, ein Dosiermodul und ein Mischelement aufweist. Der Abgaskanal ist dazu vorgesehen, von Abgasen des Verbrennungsmotors durchströmt zu werden. Das Dosiermodul ist dazu ausgebildet, ein Fluid, insbesondere ein fluides Reduktionsmittel, in den Abgaskanal einzuspeisen. Das Mischelement ist dazu ausgebildet, das in den Abgaskanal eingespeiste Fluid mit den durch den Abgaskanal strömenden Abgasen zu vermischen. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Einspeisen eines Fluids, insbesondere eine fluiden Reduktionsmittels in einen Abgaskanal des erfindungsgemäßen Abgasstrangs.
Stand der Technik
Die Nachbehandlung von Abgasen ist notwendig, um die Luftverschmutzung, welche durch die ausgestoßenen Abgase entsteht, möglichst gering zu halten. Für solche Nachbehandlungen der Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, haben sich unter anderem sogenannte SCR-Systeme (SCR = „Selective Catalytic Reduction“) bewährt, mit denen die in den Abgasen enthaltenen Stickoxide (NO_x) reduziert werden.
Zur Reduktion von Stickoxiden in den Abgasen wird häufig ein harnstoffhaltiges Reduktionsmittel in die durch einen Abgasstrang strömenden Abgasen über ein sogenanntes Dosiermodul eingespeist. Um eine optimale Vermischung des eingespeisten Reduktionsmittels mit den durch den Abgasstrang strömenden Abgasen zu erreichen, können Mischelemente vorgesehen sein, die innerhalb des Abgasstrangs angeordnet sind.
Es hat sich jedoch, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, gezeigt, dass das Risiko besteht, dass ein Teil des in den Abgasstrang eingespeisten Reduktionsmittels nicht vollständig verdampft und bspw. auf den Mischelementen und/oder den Begrenzungen des Abgasstrangs, bzw. eines Abgaskanals, haften bleibt und Ablagerungen bildet, die die Schadstoffreduktion negativ beeinflussen können. Dadurch kann sich bspw. der Kraftstoffverbrauch erhöhen und/oder ein erhöhter Schadstoffausstoß verursacht werden. Ablagerungen können sogar zu einer Verblockung des Abgasstrangs führen.
Offenbarung der Erfindung:
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Abgasnachbehandlung in einem Abgasstrang so zu verbessern, dass Ablagerungen des Reduktionsmittels in dem Abgasstrang reduziert oder gar verhindert werden.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Abgasstrang erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. So weist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasstrangs in einem Kraftfahrzeug einen Abgaskanal, ein Dosiermodul und ein Mischelement auf. Der Abgaskanal ist dazu vorgesehen, von Abgasen des Verbrennungsmotors durchströmt zu werden. Das Dosiermodul ist zum Einspeisen bzw. Einspritzen eines Fluids, insbesondere eine fluiden Reduktionsmittels, in den Abgaskanal ausgebildet. Das Mischelement, das zum Vermischen des in den Abgaskanal eingespeisten Fluids mit den durch den Abgaskanal strömenden Abgasen ausgebildet ist, ist mit Öffnung versehen. Das Fluid trifft in einer ungleichmäßigen Fluidauftreffdichte, d.h., das Fluid trifft unregelmäßig verteilt, auf das Mischelement. Dabei ist das Mischelement so ausgebildet, dass in Bereichen mit einer hohen Fluidauftreffdichte ein größerer Wärmeübertrag von den durch den Abgaskanal strömenden Abgasen auf das Mischelement stattfindet als in Bereichen mit einer geringeren Fluidauftreffdichte.
Durch eine solche Anordnung wird die Wärmeenergie des Abgases wesentlich besser genutzt, indem die Abgase derart am Mischelement vorbeigeleitet werden, dass die Verteilung des Abgases und somit die Verteilung des Wärmeübertrags der Verteilung des fluiden Reduktionsmittels auf dem Mischelement entspricht. Die verbesserte Nutzung der Wärmeenergie des Abgases ermöglicht es, entweder die Dosierung des fluiden Reduktionsmittels, das in den Abgaskanal eingespeist wird, zu erhöhen, ohne dass Ablagerungen auftreten, oder bei gleichbleibender Dosierung gegenüber bekannten Systemen das fluide Reduktionsmittel auch noch bei niedrigeren Temperaturen einzuspeisen, ohne dass Ablagerungen entstehen.
Unter dem Begriff „Fluidauftreffdichte“ wird in diesem Zusammenhang das Verhältnis zwischen einem Flächenbereich und der Menge des darauf auftreffenden Fluids verstanden. Eine hohe Fluidauftreffdichte beschreibt somit den Fall, dass auf den Flächenbereich eine große Menge des Fluids auftrifft, und eine geringe Fluidauftreffdichte beschreibt den gegenteiligen Fall, nämlich dass auf den Flächenbereich lediglich eine geringe Menge des Fluids, die insbesondere kleiner als die große Menge ist, auftrifft.
Die abhängigen Patentansprüche beanspruchen weitere Ausführungsformen, die nachfolgend erläutert werden.
In einer Ausführungsform sind das Dosiermodul und das Mischelement so aufeinander abgestimmt, dass in Oberflächenbereichen des Mischelements mit hoher Fluidauftreffdichte mehr Öffnungen und/oder größere Öffnungen ausgebildet sind als in Oberflächenbereichen mit einer geringeren Fluidauftreffdichte.
Somit kann in Bereichen mit hoher Fluidauftreffdichte ein größerer Wärmeübertrag von den Abgasen auf das Mischelement stattfinden, wodurch in diesen Bereichen mehr dort auftreffendes Fluid verdampfen kann als in Bereichen mit geringerem Wärmeübertrag.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass in Oberflächenbereichen mit hoher Fluidauftreffdichte 30% - 50% der Fläche des Bereichs als Öffnungen ausgebildet ist und in Oberflächenbereichen mit geringerer Fluidauftreffdichte 5%-15% der Fläche des Bereichs als Öffnungen ausgebildet ist. Dabei können die Öffnungen insbesondere einen Öffnungsquerschnitt von weniger als 0,5 cm² aufweisen.
Je größer der Anteil der Fläche des Oberflächenbereichs, der als Öffnungen ausgebildet ist, desto höher ist der Wärmeübertrag von den Abgasen auf das Mischelement. In Bereichen, in denen die Fluidauftreffdichte hoch ist, ist mehr Wärmeübertrag notwendig, um das dort auftreffende Fluid vollständig zu verdampfen, als in Bereichen mit geringer Fluidauftreffdichte. Daher ist in Bereichen mit geringer Fluidauftreffdichte ein geringerer Anteil an Öffnungen bereits ausreichend, um das dort auftreffende Fluid zu verdampfen. Der Öffnungsquerschnitt der Öffnungen sollte dabei so gewählt werden, dass der Wärmeübertrag der durch die Öffnungen strömenden Abgase auf das Mischelement ausreichend hoch ist, um die Verdampfung des in dem Bereich auftreffenden Fluids zu gewährleisten und gleichzeitig die Menge an Fluid, welche durch die Öffnungen fliegt, zu reduzieren oder gar ganz zu verhindern.
Zusätzlich oder alternativ sieht eine Ausführungsform vor, dass das Mischelement so ausgebildet und im Abgasstrang angeordnet ist, dass der Auftreffwinkel des Fluids auf das Mischelement in Bereichen mit hoher Fluidauftreffdichte flacher/kleiner ist als in Bereichen mit geringerer Fluidauftreffdichte. Bei einem flacheren Auftreffwinkel verteilt sich das Fluid auf einer größeren Fläche als in Bereichen, in denen das Fluid mit einem steilen Winkel auftrifft, also Flächen, die im Wesentlichen quer zur Fluidflugbahn ausgerichtet sind.
Eine Ausführungsform sieht hierbei vor, dass der Auftreffwinkel des Fluids in Bereichen mit hoher Fluidauftreffdichte zwischen 5° und 45°, insbesondere zwischen 10° und 35°, weiter insbesondere zwischen 15° und 30°, beträgt, und der Auftreffwinkel des Fluids in Bereichen mit geringerer Fluidauftreffdichte zwischen 45° und 90°, insbesondere 50° und 85°, weiter insbesondere zwischen 60° und 80°, beträgt.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Mischelement als Lochblech, insbesondere als gebogenes Lochblech, ausgebildet ist. Das Mischelement kann auch als ein Drahtgitter oder eine Gitterstruktur aus mehreren miteinander verbundenen Blechen ausgebildet sein.
Ein Lochblech ist eine kostengünstige Variante zur Herstellung eines mit Öffnungen versehenen Mischelements. Ebenso sind Drahtgitter in den verschiedensten Ausführungsformen als Massenware und daher kostengünstig erhältlich. Eine Gitterstruktur aus mehreren miteinander verbundenen Blechen ist individuell herstellbar, ohne mit hohen Kosten verbunden zu sein, da die Bleche als vorgefertigte Ware kostengünstig zu erwerben sind.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Mischelement wenigstens einen Bereich aufweist, in dem keine Öffnungen ausgebildet sind. Bereiche, auf die kein Fluid auftrifft, müssen keine Öffnungen aufweisen, da dort im Wesentlichen kein Wärmeübertrag von den Abgasen auf das Mischelement benötigt wird. Das Vorsehen solcher Bereiche bedingt auch, dass die Abgase durch die vorhandenen Öffnungen hindurchströmen muss, und somit kein Verlust von Wärmeenergie in Bereichen entsteht, auf die kein Fluid auftrifft. Somit kann durch das Vorsehen solcher Bereiche ohne Öffnungen die Effizienz des Wärmübertrags von den Abgasen auf das Mischelement weiter erhöht werden.
Eine Ausführungsform beinhaltet, dass sich der Abgaskanal entlang einer Achse erstreckt und das Mischelement im Wesentlichen kegelförmig oder napfförmig um diese Achse ausgebildet ist. Dabei weist das Mischelement insbesondere Bereiche auf, die sich im Wesentlichen orthogonal zur Achse erstrecken und insbesondere Bereiche, die sich im Wesentlichen parallel zur Achse erstrecken.
Auf die Bereiche, die sich im Wesentlichen orthogonal zur Achse des Abgaskanals erstrecken, treffen die Abgase im Wesentlichen mit einem steilen/großen Auftreffwinkel auf. Dies kann dazu führen, dass das in der Regel in Tröpfchen auftreffende Fluid beim Auftreffen auf das Mischelement von diesem abprallt. Um auch das abgeprallte Fluid zu verdampfen, ist das Mischelement insbesondere so ausgebildet, dass die Verteilung der Bereiche mit steilem/großen Auftreffwinkel und die Bereiche mit flachem/kleinen Auftreffwinkel so ausgewählt ist, dass das von den Bereichen mit großem Auftreffwinkel abprallende Fluid anschließend möglichst auf den Bereichen mit kleinem Auftreffwinkel auftrifft und dort durch die Wärme des Mischelements verdampft wird.
Hierbei hat sich gezeigt, dass eine gekrümmte Form des Mischelements hilfreich sein kann, so dass sich die Verteilung des Fluid mit Abprallen von der (theoretischen) Verteilung ohne Abprallen im Ergebnis kaum unterscheidet. Darüber hinaus kann eine solche Form des Mischelements dazu beitragen, thermische Spannungen im Mischelement und in den das Mischelement umgebenden Bauteilen zu reduzieren, wodurch die Lebensdauer dieser Bauteile erhöht bzw. verlängert werden kann.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Öffnungen mit Ausklappungen, insbesondere mit von Bimetallelementen angetriebenen Ausklappungen, ausgebildet sind. Die Ausklappungen sind bspw. in Form von Anformungen an den Öffnungsrändern ausgebildet und derart ausgestaltet, dass ein Hindurchfliegen von Fluid durch die Öffnungen reduziert oder sogar verhindert wird und die Strömungsdynamik der Abgase so gering wie möglich negativ beeinflusst wird. Eine negative Beeinflussung der Strömungsdynamik ist bspw. das Erzeugen von Verwirbelungen. Die Verwendung von Bimetallelementen für die Ausklappungen ermöglicht eine Selbstadaption des Systems, da die Bimetallelemente aufgrund ihrer Eigenschaften bei starker Abkühlung eine größere Öffnung freigeben als bei hohen Temperaturen.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass das Dosiermodul im Abgaskanal angeordnet ist, und die Abgase das Dosiermodul im Wesentlichen radialsymmetrisch umströmen. Eine solche Anordnung hat zur Folge, dass die Verteilung des Fluids bei einer Veränderung der Abgasströmung möglichst wenig beeinflusst wird. Bei einer solchen radialsymmetrischen Anordnung kann die An- und/oder Abströmung der Abgase bspw. durch eine ringförmige Führung rings um das Dosiermodul erfolgen.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Dosiermodul in Abgasströmungsrichtung vor dem Mischelement angeordnet und dazu ausgebildet ist, das fluide Reduktionsmittel in Abgasströmungsrichtung in den Abgaskanal einzuspeisen. Bei einer solchen Anordnung ist das Mischelement somit zwischen einem im Abgasstrang angeordneten SCR-Katalysator und dem Dosiermodul angeordnet, wobei das Dosiermodul in Abgasströmungsrichtung stromaufwärts, also vor dem Mischelement angeordnet ist und der SCR-Katalysator in Abgasströmungsrichtung stromabwärts, als hinter dem Mischelement angeordnet ist.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass das Dosiermodul in Abgasströmungsrichtung hinter dem Mischelement angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, das fluide Reduktionsmittel entgegen der Abgasströmungsrichtung in den Abgaskanal einzuspeisen. Bei einer solchen Anordnung ist somit das Dosiermodul zwischen dem Mischelement und dem SCR-Katalysator angeordnet, wobei das Mischelement in Abgasströmungsrichtung stromaufwärts, also vor dem Dosierelement angeordnet ist und der SCR-Katalysator in Abgasströmungsrichtung stromabwärts, als hinter dem Dosierelement angeordnet ist.
In beiden Fällen ist darauf zu achten, dass das Mischelement ausreichend Abstand zu sowohl vorhergehenden, also stromaufwärts angeordneten, Katalysatoren, bspw. Dieseloxidationskatalysatoren (DOC), als auch zu den nachfolgenden, also stromabwärts angeordneten, Katalysatoren, bspw. dem SCR-Katalysator, aufweist, so dass die gleichmäßige Abgasströmungsverteilung in diesen Katalysatoren gar nicht oder zumindest nur sehr gering beeinflusst wird.
Eine mögliche Ausführungsform sieht vor, dass das Mischelement schräg zur Strömungsrichtung der Abgase und/oder in einem Bereich des Abgaskanals angeordnet ist, der einen vergrößerten Querschnitt hat, wobei sich das Mischelement insbesondere über den kompletten Querschnitt des Abgaskanals erstreckt.
Die Erstreckung über den gesamten Querschnitt des Abgaskanals ermöglicht es, den kompletten Wärmestrom des Abgases zu nutzen. Der vergrößerte Querschnitt des Abgaskanals ermöglicht es, dass die Abgasströmungsverteilung durch das Mischelement und/oder das Dosiermodul weniger stark beeinflusst wird, als es bei einem kleineren Querschnitt der Fall wäre. Eine schräge Anordnung des Mischelements begünstigt die Vorsehung von Bereichen mit flachem Auftreffwinkel für das Fluid.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Mischelement aus einer Stahllegierung oder aus Nickel, insbesondere aus reinem Nickel ausgebildet ist. Für eine möglichst gleichmäßige bzw. homogene Temperaturverteilung auf dem Mischelement eignen sich Materialien, die eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Nickel ist ein Material, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, und kann daher dazu beitragen, dass die Temperaturunterschiede auf dem Mischelement möglichst gering sind. Hierfür kann das Mischelement aus einer Stahllegierung, insbesondere einer nickelhaltigen Stahllegierung, oder aus reinem Nickel ausgebildet sein.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass sich der Abgaskanal entlang einer Achse erstreckt und das Dosiermodul dazu ausgebildet ist, das Fluid im Wesentlichen symmetrisch zur Achse in den Abgaskanal einzuspeisen. Dies trägt dazu bei, dass das Fluid möglichst gleichmäßig auf dem Mischelement verteilt wird, da das Mischelement symmetrisch zur Achse angeordnet ist. So wird vermieden, dass aufgrund einer versetzten Anordnung von Dosiermodul und Mischelement komplette Teilbereiche des Mischelements nicht mit Fluid in Berührung kommen.
Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren des Einspeisens eines Fluids, insbesondere eines fluiden Reduktionsmittels in den Abgaskanal eines erfindungsgemäßen Abgasstrangs, wobei das Verfahren umfasst, den Einspeisedruck des Fluids zu variieren und insbesondere an die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im Abgaskanal anzupassen. Anpassen des Einspeisedrucks für das Fluid ermöglicht es, bei unterschiedlichen und/oder variierenden Strömungsgeschwindigkeiten der Abgase im Abgaskanal eine möglichst unveränderte Verteilung des Fluids auf dem Mischelement zu erhalten. Das bedeutet, dass die Anpassung des Einspeisedrucks an die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase dazu führt, dass sich das Fluid immer auf dieselbe Weise auf dem Mischelement verteilt, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit der Abgase.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasstrangs, mit zwei Anordnungsmöglichkeiten eines Dosiermoduls und eines Mischelements in dem Abgasstrang.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Verteilung von Öffnungen auf dem Mischelement.
3 zeigt unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Öffnungen mit und ohne Ausklappungen.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Mischelements.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Mischelements.

Figurenbeschreibung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
1 zeigt einen Abgasstrang 1 eines Verbrennungsmotors 25 in einer schematischen Darstellung. Der Abgasstrang 1 umfasst einen Abgaskanal 2, in dem ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) 4 sowie ein SCR-Katalysator 5 angeordnet sind, wobei der DOC-Katalysator 4 in Abgasströmungsrichtung 3 stromaufwärts des SCR-Katalysators 5 angeordnet ist. Zwischen dem DOC-Katalysator 4 und dem SCR-Katalysator 5 sind zwei Beispiele 100, 200 für eine Anordnung eines Mischelements 6 und eines Dosiermoduls 7 dargestellt, welche zusammen auch als Mischeinheit 8 bezeichnet werden. In der Regel ist lediglich eine Mischeinheit 8 in dem Abgaskanal 2 angeordnet. Die Darstellung der zwei Beispiele 100, 200 der Mischeinheit 8 dient lediglich der Veranschaulichung verschiedener Anordnungsmöglichkeiten.
Das Anordnungsbeispiel 100 sieht vor, dass das Dosiermodul 7 ein Fluid 9, in der Regel ein fluides Reduktionsmittel auf Harnstoffbasis, entgegen der Abgasströmungsrichtung 3 in den Abgaskanal 2 einspeist. Daher ist das Mischelement 6 hierbei stromaufwärts des Dosiermoduls 7 angeordnet.
In dem Anordnungsbeispiel 200 speist das Dosiermodul 7 das Fluid 9 in Abgasströmungsrichtung 3 in den Abgaskanal 2 ein, und das Mischelement 6 ist stromabwärts des Dosiermoduls 7 angeordnet.
Für beide Anordnungen 100, 200 ist darauf zu achten, dass die Mischeinheit 8 einen ausreichend großen Abstand zu sowohl dem vorgeschalteten, also stromaufwärts angeordneten, DOC-Katalysator 4 als auch zu dem nachgeschalteten, also stromabwärts angeordneten, SCR-Katalysator 5 angeordnet ist, um die Strömungsverteilung der Abgase in den Katalysatoren 4, 5, insbesondere durch das Einspeisen des Fluids 9, möglichst wenig oder gar nicht zu beeinflussen.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Mischelements 6 in einer Draufsicht. Das Mischelement 6 weist eine Vielzahl an Öffnungen 10 auf, die über eine Fläche des Mischelements 6 ungleichmäßig verteilt sind. Es gibt Bereiche 11 mit einer hohen Öffnungsdichte, Bereiche 12 mit einer geringen Öffnungsdichte und Bereiche 13, die gar keine Öffnungen 10 aufweisen.
Das hier dargestellte Mischelement 6 wird zusammen mit einem Dosiermodul 7, das drei Austrittsöffnungen aufweist (3-Loch-Dosiermodul) verwendet. Es ist zu erkennen, dass das Mischelement 6 drei Bereiche 11 mit hoher Öffnungsdichte besitzt, die in etwa dem Bereich um den Mittelpunkt eines jeden Lochs des 3-Loch-Dosiermoduls herum entsprechen. Die Bereiche 11 mit hoher Öffnungsdichte entsprechen Bereichen mit hoher Fluidauftreffdichte, weshalb diese Bereiche ebenfalls mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichnet sind.
Analog gilt, dass die Bereiche 12 mit geringer Öffnungsdichte Bereichen mit geringer Fluidauftreffdichte, und Bereiche 13 ohne Öffnungen Bereichen ohne Fluidkontakt entsprechen.
3 zeigt unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Öffnungen 10 mit und ohne Ausklappungen 14. Um die Wärmeenergie des gesamten Abgases nutzen zu können, erstreckt sich das Mischelement 6 in der Regel über den gesamten Querschnitt des Abgaskanals 2, wodurch die Abgase gezwungen sind, durch die in dem Mischelement 6 ausgebildeten Öffnungen 10 zu strömen. Dabei findet ein Wärmeübertrag von den Abgasen auf das Mischelement 6 statt. Die Wärme wird dazu benötigt, das auf das Mischelement 6 auftreffende Fluid 9 zu verdampfen. Daher ist es von Vorteil, wenn in Bereichen 11 mit hoher Fluidauftreffdichte eine hohe Öffnungsdichte vorgesehen ist. Die hohe Öffnungsdichte kann durch eine hohe Anzahl an kleinen Öffnungen 10 und/oder größere Öffnungen 10 umgesetzt sein, wobei ein Öffnungsquerschnitt jeder einzelnen Öffnung 10 in der Regel nicht größer als 0,5 cm² ist.
Wie vorstehend erläutert, sind die Öffnungen 10 notwendig für die Abgasströmung, jedoch besteht auch das Risiko, dass das Fluid 9, welches von dem Dosiermodul 7 in Form von Tropfen in den Abgaskanal eingespeist wird, durch die Öffnungen 10 hindurchfliegt und somit nicht auf dem Mischelement 6 verdampft, sondern sich an anderer Stelle im Abgaskanal 2 ablagern.
Um dies zu verhindern, können die Öffnungen 10 mit sogenannten Ausklappungen 14 versehen sein, die unterschiedlich ausgebildet sein können, um ein Durchströmen der Abgase weiterhin zu ermöglichen, aber ein Hindurchfliegen des Fluids 9 zu verhindern. Beispielsweise kann eine einseitige Ausklappung 15 vorgesehen sein, die den Öffnungsquerschnitt für senkrecht auftreffende Fluidtropfen verkleinert und dadurch ein Hindurchfliegen der Fluidtropfen verhindert.
Ein anderes Ausführungsbeispiel umfasst eine beidseitige Ausklappung 16, die so ausgestaltet ist, dass um die Öffnung 10 herum ein in Richtung Öffnungsmittelpunkt angestellter Rand 17 vorgesehen ist, der den Öffnungsquerschnitt verkleinert, oder derart, dass eine Hälfte des Randes der Öffnung 10 mit einem schräg nach innen und oben angestellten Rand 18 versehen ist und die andere Hälfte des Randes der Öffnung 10 mit einem schräg nach innen und unten angestellten Rand 19 versehen ist. Die beiden Ränder 18, 19 sind dabei vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet, so dass sich im Querschnitt eine Art schräg zur Oberfläche des Mischelements 6 verlaufender Führungskanal 20 ergibt.
Die Gestaltung der Öffnungen 10 ist individuell und unter anderem davon abhängig, wie das Fluid 9 in dem Bereich der jeweiligen Öffnung 10 auf das Mischelement 6 auftrifft.
Darüber hinaus können die Ausklappungen 14 jeweils aus oder mit einem Bimetallelement ausgebildet sein, das sich temperaturabhängig verformt. Durch die Verwendung von Bimetallelementen ist es bspw. möglich, dass sich die Ausklappungen 14 bei niedrigeren Temperaturen aufdehnen, um den Öffnungsquerschnitt zu vergrößern, damit mehr Abgase hindurchströmen können, um so den Wärmeübertrag von den Abgasen auf das Mischelement 6 zu erhöhen. Bei steigenden Temperaturen werden die Öffnungen 10 durch Verformen der Bimetallelemente teilweise geschlossen.
Die 4 und 5 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines Mischelements 6 in einer Schnittdarstellung entlang der Erstreckungsachse 21 des Abgaskanals 2. Das Mischelement 6 ist in beiden Ausführungsbeispielen rotationssymmetrisch um die Erstreckungsachse 21 und so ausgebildet, dass es sich über den gesamten Querschnitt des Abgaskanals 2 erstreckt.
In dem in 4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel besitzt das Mischelement 6 eine napfähnliche Form mit einem in Richtung des Dosiermoduls 7 bauchigen Mittelteils 22 und einem in Richtung des Dosiermoduls 7 geneigten flanschähnlichen Rand 23. Eine gedachte Ebene 24, in der ein Scheitelpunkt 33 des bauchigen Mittelteils 22 liegt, ist entlang der Erstreckungsachse 21 gesehen parallel in einem Abstand a zu einer Ebene 26 angeordnet, in der freie Enden des flanschartigen Randes 23 liegen.
Durch diese besondere Form weist das Mischelement 6 sowohl Bereiche 27 auf, in denen das Fluid 9 mit einem großen Auftreffwinkel α auf das Mischelement 6 auftrifft, als auch Bereiche 28, in denen das Fluid 9 mit einem kleinen Auftreffwinkel β auf das Mischelement 6 auftrifft. Die Bereiche 27, in denen das Fluid 9 mit einem großen Auftreffwinkel α auf das Mischelement 6 auftrifft, sind im Wesentlichen orthogonal, zumindest mit einem steilen/großen Winkel, zur Erstreckungsachse 21 des Abgaskanals 2 angeordnet. Die Bereiche 28, in denen das Fluid 9 mit einem kleinen Fluidauftreffwinkel β auf das Mischelement 6 auftrifft, sind im Wesentlichen parallel, zumindest mit einem flachen/kleinen Winkel, zur Erstreckungsachse 21 des Abgaskanals 2 angeordnet.
Da sich das Fluid 9 in den Bereichen 28 auf eine größere Fläche verteilt und in den Bereichen 27 das Risiko besteht, dass das Fluid 9 beim Auftreffen auf das Mischelement 6 wieder abprallt, ist es bevorzugt, die Bereiche 11 mit hoher Fluidauftreffdichte möglichst als Bereiche 28 mit kleinem Fluidauftreffwinkel β zu gestalten.
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Mischelements 6, das ebenfalls rotationssymmetrisch um die Erstreckungsachse 21 ausgebildet ist und sich über den gesamten Querschnitt des Abgaskanals 2 erstreckt. Das Mischelement 6 weist ebenfalls einen bauchigen Mittelteil 22 und einen in Richtung des Dosiermoduls 7 geneigten flanschähnlichen Rand 23 auf. Zwischen dem bauchigen Mittelteil 22 und dem flanschähnlichen Rand 23 weist das Mischelement 6 einen im Querschnitt zackenartig ausgebildeten, umlaufenden Bereich auf, dessen Spitze 30 zumindest leicht zur Erstreckungsachse 21 geneigt ist. Der Bereich besitzt eine äußere Flanke 31 und eine innere Flanke 32.
Auf die innere Flanke 32 trifft kein Fluid 9 auf, weshalb die innere Flanke 32 als ein Bereich 13 ohne Öffnungen 10 ausgebildet ist. Die äußere Flanke 31 ist so ausgerichtet, dass sie einen Bereich 28 mit kleinem Fluidauftreffwinkel β ausbildet.
Durch das Vorsehen eines oder mehrerer solche zackenartig ausgebildeten Bereiche zwischen dem bauchigen Mitteilteil 22 und dem flanschartigen Rand 23 kann die Gesamtoberfläche des Mischelements 6 vergrößert werden, und der Anteil an Bereichen 28 mit flachem Fluidauftreffwinkel β kann erhöht werden.
Darüber hinaus kann durch das Vorsehen der Bereiche ein Abstand a' zwischen der Ebene 24, in der der Scheiteilpunkt 33 des bauchigen Mittelteils 22 liegt, und der Ebene 26, in der die freien Enden des flanschartigen Rands 23 angeordnet sind, gegenüber dem Abstand a in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel verkleinert werden.
Dies ist insbesondere dann wünschenswert, wenn der Bereich entlang der Erstreckungsachse 21 im Abgaskanal 2, in dem die Mischeinheit 8 angeordnet werden soll, begrenzt ist und ein Mindestabstand zu etwaigen vor- und oder nachgeschaltet angeordneten Katalysatoren 4, 5, wie bspw. dem DOC-Katalysator 4 und dem SCR-Katalysator 5 aus 1, eingehalten werden muss, um die Abgasströmung in den Katalysatoren 4, 5, nicht zu beeinträchtigen.

Claims

Abgasstrang (1) für einen Verbrennungsmotor (25), insbesondere für einen Verbrennungsmotor (25) in einem Kraftfahrzeug, wobei der Abgasstrang (1) aufweist: einen Abgaskanal (2), der dazu vorgesehen ist, von Abgasen des Verbrennungsmotors (25) durchströmt zu werden; ein Dosiermodul (7), das zum Einspeisen eines Fluids (9), insbesondere eines fluiden Reduktionsmittels, in den Abgaskanal (2) ausgebildet ist; und ein mit Öffnungen (10) versehenes Mischelement (6), das zum Vermischen des in den Abgaskanal (2) eingespeisten Fluids (9) mit den durch den Abgaskanal (2) strömenden Abgasen ausgebildet ist; wobei das eingespeiste Fluid (9) in einer ungleichmäßigen Fluidauftreffdichte auf das Mischelement (6) trifft und wobei das Mischelement (6) so ausgebildet ist, dass in Bereichen (11) mit einer hohen Fluidauftreffdichte ein größerer Wärmeübertrag von den durch den Abgaskanal (2) strömenden Abgase auf das Mischelement (6) stattfindet, als in Bereichen (12) mit einer geringeren Fluidauftreffdichte.
Abgasstrang (1) nach Anspruch 1, wobei das Dosiermodul (7) und das Mischelement (6) so aufeinander abgestimmt sind, dass in Oberflächenbereichen (11) des Mischelements mit hoher Fluidauftreffdichte mehr Öffnungen (10) und/oder größere Öffnungen (10) ausgebildet sind als in Oberflächenbereichen (12) mit einer geringeren Fluidauftreffdichte.
Abgasstrang (1) nach Anspruch 2, wobei in Oberflächenbereichen (11) mit hoher Fluidauftreffdichte 30% - 50% der Fläche als Öffnungen (10) ausgebildet sind und in Oberflächenbereichen (12) mit geringerer Fluidauftreffdichte 5%-15% der Fläche als Öffnungen (10) ausgebildet sind, und/oder wobei die Öffnungen (10) einen Öffnungsquerschnitt von weniger als 0,5 cm² aufweisen.
Abgasstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mischelement (6) so ausgebildet und im Abgasstrang (1) angeordnet ist, dass der Auftreffwinkel (α, β) des Fluids (9) auf das Mischelement (6) in Bereichen (11) mit hoher Fluidauftreffdichte kleiner ist als in Bereichen (12) mit geringerer Fluidauftreffdichte.
Abgasstrang (1) nach Anspruch 4, wobei der Auftreffwinkel (β) des Fluids (9) in Bereichen (11) mit hoher Fluidauftreffdichte zwischen 5° und 45° beträgt, und wobei der Auftreffwinkel (a) des Fluids (9) in Bereichen (12) mit geringerer Fluidauftreffdichte zwischen 45° und 90° beträgt.
Abgasstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mischelement (6) als Lochblech, insbesondere als gebogenes Lochblech, ausgebildet ist; oder wobei das Mischelement (6) als ein Drahtgitter oder eine Gitterstruktur aus mehreren miteinander verbundenen Blechen ausgebildet ist.
Abgasstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mischelement (6) wenigstens einen Bereich (13) aufweist, in dem keine Öffnungen (10) ausgebildet sind.
Abgasstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich der Abgaskanal (2) entlang einer Achse (21) erstreckt und wobei das Mischelement (6) im Wesentlichen kegelförmig oder napfförmig um diese Achse (21) ausgebildet ist; wobei das Mischelement (6) insbesondere Bereiche (27) aufweist, die sich im Wesentlichen orthogonal zur Achse (21) erstrecken und wobei das Mischelement (6) insbesondere Bereiche (28) aufweist, die sich im Wesentlichen parallel zur Achse (21) erstrecken.
Abgasstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (10) mit Ausklappungen (14), insbesondere mit von Bimetallelementen angetriebenen Ausklappungen (14), ausgebildet sind.
Abgasstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Dosiermodul (7) im Abgaskanal (2) angeordnet ist, und wobei das Abgas das Dosiermodul (7) im Wesentlichen radialsymmetrisch umströmt.
Abgasstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Dosiermodul (7) in Abgasströmungsrichtung (3) vor dem Mischelement (6) angeordnet und dazu ausgebildet ist, das Fluid (9) in Abgasströmungsrichtung (3) in den Abgaskanal (2) einzuspeisen oder wobei das Dosiermodul (7) in Abgasströmungsrichtung (3) hinter dem Mischelement (6) angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, das Fluid (9) entgegen der Abgasströmungsrichtung (3) in den Abgaskanal (2) einzuspeisen.
Abgasstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mischelement (6) schräg zur Abgasströmungsrichtung (3) und/oder in einem Bereich des Abgaskanals (2) angeordnet ist, der einen vergrößerten Querschnitt hat, wobei sich das Mischelement (6) insbesondere über den kompletten Querschnitt des Abgaskanals (2) erstreckt.
Abgasstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mischelement (6) aus einer Stahllegierung oder aus Nickel ausgebildet ist.
Abgasstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich der Abgaskanal (2) entlang einer Achse (21) erstreckt und wobei das Dosiermodul (7) dazu ausgebildet ist, das Fluid (9) im Wesentlichen symmetrisch zur Achse (21) in den Abgaskanal (2) einzuspeisen.
Verfahren des Einspeisens eines Fluids (9), insbesondere eines fluiden Reduktionsmittels in den Abgaskanal (2) eines Abgasstrangs (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren umfasst, den Einspeisedruck des Fluids (9) in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im Abgaskanal (2) zu variieren.