DE102020201727A1 - System and procedure for exhaust gas aftertreatment - Google Patents

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Abstract

Ein System zur Abgasnachbehandlung umfasst ein Abgasrohr zur Führung eines Abgasstroms; und einen Reduktionsmitteleinspritzer, welcher in das Abgasrohr hineinragt und dazu ausgebildet ist, über eine Einspritzdüse ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen; wobei die Einspritzdüse einen Düsenstift umfasst, welcher innerhalb eines Düsengehäuses derart angeordnet ist, dass ein Einspritzkanal zwischen einer Außenfläche des Düsenstifts und einer Innenfläche des Düsengehäuses gebildet wird, durch den das Reduktionsmittel in den Abgasstrom ausgestoßen wird, wobei der Einspritzkanal derart geformt ist, dass das Reduktionsmittel durch ihn beschleunigt wird.An exhaust gas aftertreatment system comprises an exhaust pipe for guiding an exhaust gas flow; and a reducing agent injector which protrudes into the exhaust pipe and is designed to inject a reducing agent into the exhaust gas flow via an injection nozzle; wherein the injection nozzle comprises a nozzle pin which is arranged within a nozzle housing such that an injection channel is formed between an outer surface of the nozzle pin and an inner surface of the nozzle housing through which the reducing agent is ejected into the exhaust gas stream, the injection channel being shaped such that the Reducing agent is accelerated by it.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung sowie ein Kraftfahrzeug, welches ein derartiges System umfasst.The present invention relates to a system and a method for exhaust gas aftertreatment and a motor vehicle which comprises such a system.

Hintergrundbackground

Ein Katalysator ist eine Abgasreinigungsvorrichtung, die toxische Gase und Schadstoffe im Abgas eines Verbrennungsmotors in weniger giftige oder ungiftige Substanzen umwandelt und/oder solche Substanzen aus dem Abgasstrom filtert. Katalysatoren werden insbesondere bei Verbrennungsmotoren verwendet, die entweder mit Benzin, Diesel oder einem anderen geeigneten Kraftstoff betrieben werden.A catalytic converter is an exhaust gas purification device that converts toxic gases and pollutants in the exhaust gas of an internal combustion engine into less toxic or non-toxic substances and / or filters such substances from the exhaust gas flow. Catalysts are used in particular in internal combustion engines that run on either gasoline, diesel or another suitable fuel.

Die selektive katalytische Reduktion (SCR) ist eine bekannte Technik, die in Katalysatoren verwendet wird, bei der Stickoxide, die als NOx bezeichnet werden, mit Hilfe eines Katalysators in zweiatomigen Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Ein gasförmiges und/oder flüssiges Reduktionsmittel, z.B. wasserfreies Ammoniak, wässriges Ammoniak oder Harnstoff, wird einem Abgasstrom zugesetzt und an dem Katalysator adsorbiert.Selective Catalytic Reduction (SCR) is a well-known technique used in catalytic converters, in which nitrogen oxides, known as NOx, are converted into diatomic nitrogen and water with the help of a catalytic converter. A gaseous and / or liquid reducing agent, e.g. anhydrous ammonia, aqueous ammonia or urea, is added to an exhaust gas stream and adsorbed on the catalyst.

Traditionell wurde bei der Ammoniakeinspritzung eines SCR-Systems häufig ein einzelner, in den Abgasstrom hineinragender Einspritzer und ein weiter stromabwärts in dem Abgasstrom angeordneter Gasmischer zur Verteilung des eingespritzten Ammoniaks in dem Abgas verwendet, siehe z.B. die Druckschrift WO 2014/154936 A1 .Traditionally, in the ammonia injection of an SCR system, a single injector protruding into the exhaust gas flow and a gas mixer arranged further downstream in the exhaust gas flow were used to distribute the injected ammonia in the exhaust gas, see eg the publication WO 2014/154936 A1 .

Um den von einem solchen Gasmischer erzeugten Gegendruck zu verringern und damit die Kraftstoffeinsparung zu erhöhen, wurden Mehrrohr-Einspritzer eingeführt, bei denen jeder Einspritzer mit einer gabelartigen Geometrie mit einer Vielzahl von Einspritzlöchern versehen ist, um das Reduktionsmittel bereits während der Einspritzung zu verteilen, siehe z.B. die Druckschrift DE 2009 030 927 A1 . Aufgrund der verbesserten Reduktionsmittelverteilung ist in diesem Fall kein Gasmischer mehr erforderlich. Allerdings ist es schwierig, Druckgleichheit über die einzelnen Zinken der Gabelgeometrie zu erreichen, was die Verteilungsleistung eines solchen Systems beeinträchtigen kann.In order to reduce the back pressure generated by such a gas mixer and thus to increase fuel economy, multi-pipe injectors were introduced, in which each injector is provided with a fork-like geometry with a large number of injection holes in order to distribute the reducing agent during the injection, see e.g. the printed matter DE 2009 030 927 A1 . Due to the improved distribution of the reducing agent, a gas mixer is no longer required in this case. However, it is difficult to achieve pressure equality across the individual prongs of the fork geometry, which can impair the distribution performance of such a system.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Somit besteht ein Bedarf, effektivere und flexiblere Lösungen für den Betrieb eines Reduktionsmitteleinspritzsystems eines Abgasnachbehandlungssystems zu finden.Thus, there is a need to find more effective and flexible solutions for the operation of a reducing agent injection system of an exhaust gas aftertreatment system.

Zu diesem Zweck stellt die vorliegende Erfindung ein System gemäß Anspruch 1, ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 und ein Verfahren gemäß Anspruch 11 bereit.To this end, the present invention provides a system according to claim 1, a motor vehicle according to claim 10 and a method according to claim 11.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein System zur Abgasnachbehandlung ein Abgasrohr zur Führung eines Abgasstroms; und einen Reduktionsmitteleinspritzer, welcher in das Abgasrohr hineinragt und dazu ausgebildet ist, über eine Einspritzdüse ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen; wobei die Einspritzdüse einen Düsenstift umfasst, welcher innerhalb eines Düsengehäuses derart angeordnet ist, dass ein Einspritzkanal zwischen einer Außenfläche des Düsenstifts und einer Innenfläche des Düsengehäuses gebildet wird, durch den das Reduktionsmittel in den Abgasstrom ausgestoßen wird, wobei der Einspritzkanal derart geformt ist, dass das Reduktionsmittel durch ihn beschleunigt wird.According to one aspect of the invention, a system for exhaust gas aftertreatment comprises an exhaust pipe for guiding an exhaust gas flow; and a reducing agent injector which protrudes into the exhaust pipe and is designed to inject a reducing agent into the exhaust gas flow via an injection nozzle; wherein the injection nozzle comprises a nozzle pin which is arranged within a nozzle housing such that an injection channel is formed between an outer surface of the nozzle pin and an inner surface of the nozzle housing through which the reducing agent is ejected into the exhaust gas stream, the injection channel being shaped such that the Reducing agent is accelerated by it.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung Einspritzen von Reduktionsmittel mit einer Einspritzdüse eines Reduktionsmitteleinspritzers in einen durch ein Abgasrohr geführten Abgasstrom, wobei das Reduktionsmittel durch einen Einspritzkanal in den Abgasstrom ausgestoßen und beschleunigt wird, wobei der Einspritzkanal zwischen einer Innenfläche eines Düsengehäuses des Reduktionsmitteleinspritzers und einer Außenfläche eines Düsenstifts des Reduktionsmitteleinspritzers gebildet wird, welcher innerhalb des Düsengehäuses angeordnet ist.According to a further aspect of the invention, a method for exhaust gas aftertreatment comprises injecting reducing agent with an injection nozzle of a reducing agent injector into an exhaust gas flow guided through an exhaust pipe, the reducing agent being ejected and accelerated through an injection channel into the exhaust gas flow, the injection channel being between an inner surface of a nozzle housing of the Reducing agent injector and an outer surface of a nozzle pin of the reducing agent injector is formed, which is arranged within the nozzle housing.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor und ein System zur Abgasnachbehandlung gemäß der Erfindung. According to a further aspect of the invention, a motor vehicle comprises an internal combustion engine and a system for exhaust gas aftertreatment according to the invention.

Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die üblicherweise verwendeten einfachen Einspritzlöcher durch eine ausgeklügeltere Konstruktion zu eliminieren, welche auf dem Prinzip einer Strahldüse basiert. Bei einer Strahldüse wird ein Fluid kurz vor dem Austritt in ein umgebendes Medium auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, um einen kohärenten und weit verteilten Fluidstrom zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem das Fluid durch einen Kanalabschnitt mit verringerter Querschnittsfläche geführt wird. Zusätzlich können Turbulenzeffekte die Ausbreitung des eingespritzten Reduktionsmittels weiter erhöhen. Durch den Einsatz relativ hoher Drücke kann eine gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels am Eingang der Einspritzdüse erreicht werden, was zu einer gleichmäßigen Druckverteilung am Düsenausgang führt. Dadurch kann der Massenstrom und die Massenverteilung des Reduktionsmittels im Abgasstrom gegenüber konventionellen Systemen deutlich verbessert werden. Somit kann die Leistung des gesamten Abgasnachbehandlungssystems verbessert werden.One idea of the present invention is to eliminate the simple injection holes commonly used by a more sophisticated construction based on the principle of a jet nozzle. In the case of a jet nozzle, a fluid is accelerated to high speeds shortly before it emerges into a surrounding medium in order to generate a coherent and widely distributed fluid flow. This is achieved by guiding the fluid through a channel section with a reduced cross-sectional area. In addition, turbulence effects can further increase the spread of the injected reducing agent. By using relatively high pressures, a uniform distribution of the reducing agent at the inlet of the injection nozzle can be achieved, which leads to a uniform pressure distribution at the nozzle outlet. As a result, the mass flow and the mass distribution of the reducing agent in the exhaust gas flow can be significantly improved compared to conventional systems. Thus, the Performance of the entire exhaust aftertreatment system can be improved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements and developments result from the subclaims.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Düsenstift beweglich innerhalb des Düsengehäuses dazu ausgebildet sein, eine Form des Einspritzkanals entsprechend einem Betriebsmodus anzupassen. Dadurch können Einspritzparameter des Reduktionsmitteleinspritzers einstellbar sein. Entsprechend kann das Verfahren Bewegen des Düsenstifts innerhalb des Düsengehäuses umfassen, um eine Form des Einspritzkanals entsprechend einem Betriebsmodus anzupassen.According to a further development of the invention, the nozzle pin can be designed to be movable within the nozzle housing in order to adapt a shape of the injection channel in accordance with an operating mode. In this way, injection parameters of the reducing agent injector can be set. Accordingly, the method can include moving the nozzle pin within the nozzle housing in order to adapt a shape of the injection channel in accordance with an operating mode.

Der Düsenstift kann beispielsweise zwischen mehreren diskreten Betriebspositionen bewegt werden, die jeweils einen bestimmten Betriebsmodus definieren, indem die Form des Einspritzkanals auf der Grundlage des Zusammenspiels zwischen der äußeren Form des Düsenstifts und der inneren Form des Düsengehäuses festgelegt wird. In einem anderen Beispiel kann der Düsenstift jedoch kontinuierlich bewegt werden, sodass eine graduelle Anpassung der Einspritzparameter möglich sein kann.For example, the nozzle pin can be moved between several discrete operating positions, each defining a particular operating mode by determining the shape of the injection channel based on the interaction between the outer shape of the nozzle pin and the inner shape of the nozzle housing. In another example, however, the nozzle pin can be moved continuously so that a gradual adjustment of the injection parameters can be possible.

In einer ersten Betriebsposition eines bestimmten Beispiels kann der Düsenstift den Einspritzkanal und/oder einen Einlass des Einspritzkanals vollständig verschließen, sodass kein Reduktionsmittel in den Abgasstrom eingespritzt wird. Diese erste Betriebsposition kann somit einen „Aus“-Modus des Reduktionsmitteleinspritzers darstellen. In einer zweiten Betriebsposition dieses Beispiels kann der Düsenstift derart positioniert werden, dass eine laminare Strömung des Reduktionsmittels durch den Einspritzkanal erreicht wird. In einer dritten Betriebsposition des Düsenstifts kann der Einspritzkanal derart geformt werden, dass eine turbulente Strömung des Reduktionsmittels erreicht wird. In einer vierten Betriebsposition kann das Reduktionsmittel stabile Strömungswirbel innerhalb einer allgemein turbulenten Strömung bilden, d.h. die Flüssigkeit kann Bereiche aufweisen, in denen die Strömung um eine Achse, die gerade oder gekrümmt sein kann, rotiert. Diese zirkulierenden Bereiche können sich entlang des Einspritzkanals ausbreiten und können in Form und/oder Verhalten gesteuert werden, z.B. durch Anpassung der Geometrie der Einspritzkanäle. Solche Wirbel können zur Anpassung der Reduktionsmittelverteilung entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall genutzt werden, z.B. unterschiedliche Betriebs- und/oder Fahrbedingungen, unterschiedliche Motorgrößen usw.In a first operating position of a specific example, the nozzle pin can completely close the injection channel and / or an inlet of the injection channel, so that no reducing agent is injected into the exhaust gas flow. This first operating position can thus represent an “off” mode of the reducing agent injector. In a second operating position of this example, the nozzle pin can be positioned in such a way that a laminar flow of the reducing agent through the injection channel is achieved. In a third operating position of the nozzle pin, the injection channel can be shaped in such a way that a turbulent flow of the reducing agent is achieved. In a fourth operating position the reducing agent can form stable flow eddies within a generally turbulent flow, i.e. the liquid can have regions in which the flow rotates about an axis which can be straight or curved. These circulating areas can spread along the injection channel and can be controlled in terms of shape and / or behavior, e.g. by adapting the geometry of the injection channels. Such eddies can be used to adapt the reducing agent distribution according to the respective application, e.g. different operating and / or driving conditions, different engine sizes, etc.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können die Einspritzparameter einen Reduktionsmitteleinspritzwinkel, eine Reduktionsmittel-Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Reduktionsmittel-Strömungstyp umfassen.According to a development of the invention, the injection parameters can include a reducing agent injection angle, a reducing agent flow rate and / or a reducing agent flow type.

Der Reduktionsmitteleinspritzwinkel definiert den Winkel, unter dem das Reduktionsmittel relativ zu dem Abgasstrom ausgestoßen wird. Beispielsweise können hohe Einspritzwinkel zu einer hohen Spreizung und damit zu einer gleichmäßigen Verteilung des Reduktionsmittels im Abgas führen. Eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Reduktionsmittels hingegen kann ebenfalls zu einer guten Verteilung im Abgas führen, da das Reduktionsmittel besser in das Abgas eindringen kann. Die Strömungsgeschwindigkeit des Reduktionsmittels bei der Einspritzung kann ebenfalls den Einspritzwinkel beeinflussen, z.B. kann eine größere Geschwindigkeit zu einem kleineren Einspritzwinkel führen. Die Reduktionsmittel-Strömungstypen können ohne Einschränkung verschiedene Formen von turbulenter Strömung mit oder ohne instabilen und/oder stabilen Wirbeln, aber auch laminare Strömung umfassen.The reductant injection angle defines the angle at which the reductant is expelled relative to the exhaust gas stream. For example, high injection angles can lead to a wide spread and thus to a uniform distribution of the reducing agent in the exhaust gas. A higher flow rate of the reducing agent, on the other hand, can also lead to good distribution in the exhaust gas, since the reducing agent can penetrate better into the exhaust gas. The flow rate of the reducing agent during the injection can also influence the injection angle, e.g. a higher speed can lead to a smaller injection angle. The reducing agent flow types can include, without limitation, various forms of turbulent flow with or without unstable and / or stable eddies, but also laminar flow.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Einspritzkanal eine Wirbelkammer aufweisen, welche zwischen einem durch die Außenfläche des Düsenstifts definierten Innenradius und einem durch die Innenfläche des Düsengehäuses definierten Außenradius gebildet ist. Die Wirbelkammer kann derart geformt sein, dass sie Strömungswirbel innerhalb des Reduktionsmittels erzeugt, indem das Reduktionsmittel bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zwischen dem Innenradius und dem Außenradius geführt wird. Entsprechend können in einer Weiterbildung des Verfahrens Strömungswirbel innerhalb des Reduktionsmittels erzeugt werden, indem das Reduktionsmittel durch eine Wirbelkammer in dem Einspritzkanal mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zwischen einem durch die Außenfläche des Düsenstiftes definierten Innenradius und einem durch die Innenfläche des Düsengehäuses definierten Außenradius geführt wird.According to a further development of the invention, the injection channel can have a swirl chamber which is formed between an inner radius defined by the outer surface of the nozzle pin and an outer radius defined by the inner surface of the nozzle housing. The vortex chamber can be shaped in such a way that it generates flow vortices within the reducing agent by guiding the reducing agent at different flow speeds between the inner radius and the outer radius. Correspondingly, in a further development of the method, flow vortices can be generated within the reducing agent by passing the reducing agent through a vortex chamber in the injection channel at different flow speeds between an inner radius defined by the outer surface of the nozzle pin and an outer radius defined by the inner surface of the nozzle housing.

Wirbel beschreiben eine spezielle Art von Strömung, bei der sich die Partikel eines Fluids kreisförmig entlang einer definierten Achse in einem virtuellen Zentrum bewegen. Die Rotation der Wirbel kann ihre eigene Stabilität unterstützen, d.h. die zirkulierende Fluidstruktur kann quasi konstant bleiben. Im umgekehrten Fall strömen die Partikel in undefinierte Richtungen und bilden somit keine kohärenten Strukturen innerhalb der Strömung des Fluids. Das Aussehen und Verhalten der Wirbel kann auf der Grundlage der zugrundeliegenden mathematischen Beschreibung der teilweise gelösten Navier-Stokes-Gleichung berechnet und vorhergesagt werden, z.B. auf der Grundlage der Lamb-Oseen-Lösung bzw. des Lamb-Oseen-Modells, welches eine technisch detaillierte Beschreibung des Wirbelverhaltens und die Möglichkeit eröffnet, die notwendigen Bedingungen für die Modifikation seines Erscheinungsbildes festzulegen. Mit anderen Worten erlaubt dies die Kontrolle eines Wirbels in seiner Form und/oder seinem Verhalten, z.B. seine Größe/Radius, Fokus und Ausbreitungsrichtung.Vortices describe a special type of flow in which the particles of a fluid move in a circle along a defined axis in a virtual center. The rotation of the eddies can support their own stability, ie the circulating fluid structure can remain more or less constant. In the opposite case, the particles flow in undefined directions and thus do not form any coherent structures within the flow of the fluid. The appearance and behavior of the eddies can be calculated and predicted on the basis of the underlying mathematical description of the partially solved Navier-Stokes equation, e.g. on the basis of the Lamb-Oseen solution or the Lamb-Oseen model, which is a technically detailed Description of the vortex behavior and the possibility opens up the necessary conditions for the modification of its To determine the appearance. In other words, this allows the shape and / or behavior of a vortex to be controlled, for example its size / radius, focus and direction of propagation.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Düsenstift dazu ausgebildet sein, eine Form der Wirbelkammer durch Bewegung innerhalb des Düsengehäuses anzupassen. Dadurch kann eine Wirbelform und/oder ein Wirbelströmungsverhalten der erzeugten Strömungswirbel anpassbar sein. Entsprechend kann in einer Weiterbildung des Verfahrens eine Form der Wirbelkammer durch Bewegen des Düsenstiftes innerhalb des Düsengehäuses angepasst werden, wodurch eine Wirbelform und/oder ein Wirbelströmungsverhalten der erzeugten Strömungswirbel angepasst wird.According to a further development of the invention, the nozzle pin can be designed to adapt a shape of the swirl chamber by movement within the nozzle housing. As a result, a vortex shape and / or a vortex flow behavior of the flow vortices generated can be adapted. Correspondingly, in a further development of the method, a shape of the vortex chamber can be adapted by moving the nozzle pin within the nozzle housing, whereby a vortex shape and / or a vortex flow behavior of the flow vortices generated is adapted.

Durch Verschieben des Düsenstiftes relativ zum Düsengehäuse können Größe, Durchmesser und allgemeine Geometrie der Wirbelkammer oder allgemeiner die des Einspritzkanals und damit des von dem Reduktionsmittel durchströmten Volumens variiert und angepasst werden, um bestimmte Wirbelströmungseigenschaften oder allgemeiner verschiedene Einspritzparameter für das Reduktionsmittel einzustellen, die den Einspritzwinkel des Reduktionsmittels, die Strömungsgeschwindigkeit des Reduktionsmittels und/oder den Typ des Reduktionsmittelflusses umfassen.By moving the nozzle pin relative to the nozzle housing, the size, diameter and general geometry of the swirl chamber or, more generally, that of the injection channel and thus of the volume through which the reducing agent flows can be varied and adapted in order to set certain vortex flow properties or, more generally, different injection parameters for the reducing agent that affect the injection angle of the Reducing agent, the flow rate of the reducing agent and / or the type of reducing agent flow include.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Düsenstift dazu ausgebildet sein, eine Form eines Düsenauslasses der Einspritzdüse durch Bewegung innerhalb des Düsengehäuses anzupassen. Entsprechend kann in einer Weiterbildung des Verfahrens eine Form eines Düsenauslasses der Einspritzdüse durch Bewegen des Düsenstiftes innerhalb des Düsengehäuses angepasst werden.According to a further development of the invention, the nozzle pin can be designed to adapt a shape of a nozzle outlet to the injection nozzle by movement within the nozzle housing. Accordingly, in a further development of the method, a shape of a nozzle outlet of the injection nozzle can be adapted by moving the nozzle pin within the nozzle housing.

Der Einspritzwinkel des Reduktionsmittels kann z.B. dadurch verändert werden, dass der Düsenstift an dem Düsenauslass teilweise aus dem Düsengehäuse herausbewegt wird, so dass der Düsenstift gegenüber dem Düsengehäuse einen Vorsprung bildet, der dann den Reduktionsmittelstrahl von einer Mittelachse der Einspritzdüse weg ablenkt.The injection angle of the reducing agent can be changed, for example, by partially moving the nozzle pin at the nozzle outlet out of the nozzle housing, so that the nozzle pin forms a projection opposite the nozzle housing, which then deflects the reducing agent jet away from a central axis of the injection nozzle.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Einspritzdüse entlang einer zentralen Achse des Abgasrohres angeordnet und stromabwärts in Bezug auf den Abgasstrom ausgerichtet sein.According to a development of the invention, the injection nozzle can be arranged along a central axis of the exhaust pipe and aligned downstream with respect to the exhaust gas flow.

Diese Ausführung kombiniert eine hohe Mischgüte des Reduktionsmittels mit einem sehr niedrigen Gegendruck des Reduktionsmitteleinspritzers, da eine einzige zentralisierte Strahldüse mit minimalem Querschnitt vorgesehen ist, die dennoch in der Lage ist, einen gleichmäßigen Reduktionsmittelstrom über den gesamten Querschnitt des Abgasrohres zu erzeugen. Druckschwankungen, wie sie von konventionellen gabelförmigen Systemen bekannt sind, werden so vermieden. Außerdem ist kein Gasmischer erforderlich.This design combines a high mixing quality of the reducing agent with a very low counter pressure of the reducing agent injector, since a single centralized jet nozzle with a minimal cross-section is provided, which is nevertheless able to generate a uniform flow of reducing agent over the entire cross-section of the exhaust pipe. Pressure fluctuations, as they are known from conventional fork-shaped systems, are thus avoided. In addition, no gas mixer is required.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Reduktionsmitteleinspritzer ferner einen Düsenaktor umfassen, welcher dazu ausgebildet ist, eine Bewegung des Düsenstifts zu veranlassen.According to a development of the invention, the reducing agent injector can further comprise a nozzle actuator which is designed to cause the nozzle pin to move.

So kann z.B. ein elektromechanischer und/oder elektromagnetischer Aktor verwendet werden, z.B. auf der Basis eines Magnetantriebs. Es können jedoch andere Aktortechnologien verwendet werden, welche ohne Beschränkung mechanische Varianten, z.B. auf der Basis einer Schraube (ähnlich z.B. der Einstellung eines Vergasers), hydraulische Aktoren, pneumatische Aktoren oder andere druckregulierte Geräte usw. umfassen.For example, an electromechanical and / or electromagnetic actuator can be used, e.g. on the basis of a magnetic drive. However, other actuator technologies can be used, which include, without limitation, mechanical variants, e.g. on the basis of a screw (similar e.g. to the setting of a carburetor), hydraulic actuators, pneumatic actuators or other pressure-regulated devices, etc.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Düsenaktor entlang einer zentralen Achse des Abgasrohres angeordnet und stromaufwärts in Bezug auf den Abgasstrom relativ zu der Einspritzdüse ausgerichtet sein.According to a development of the invention, the nozzle actuator can be arranged along a central axis of the exhaust pipe and aligned upstream with respect to the exhaust gas flow relative to the injection nozzle.

Der Aktor kann somit direkt hinter der Einspritzdüse relativ zu dem Abgasstrom derart angeordnet werden, dass eine möglichst geringe Querschnittsfläche erzeugt wird, um die Gegen-/Rückdrücke des Einspritzsystems zu minimieren.The actuator can thus be arranged directly behind the injection nozzle relative to the exhaust gas flow in such a way that the smallest possible cross-sectional area is generated in order to minimize the back pressures of the injection system.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.The present invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments specified in the schematic figures.

FigurenlisteFigure list

Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Erfindung vermitteln und bilden einen Bestandteil der vorliegenden Offenbarung. Sie veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen der Erfindung und viele der genannten Vorteile der Erfindung ergeben sich im Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes ausgeführt ist.

  • 1 zeigt schematisch ein System zur Abgasnachbehandlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem ersten Betriebsmodus.
  • 2 zeigt das System aus 1 in einem zweiten Betriebsmodus.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Abgasnachbehandlung unter Verwendung des Systems aus 1 und 2.\
  • 4 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug umfassend das System zur Abgasnachbehandlung von 1 und 2.
  • 5 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Einspritzdüse, wie sie in dem System aus 1 und 2 in dem ersten Betriebsmodus verwendet wird.
  • 6 zeigt schematisch die Einspritzdüse aus 5 in dem zweiten Betriebsmodus.
  • 7 zeigt schematisch eine detaillierte Querschnittsansicht der Einspritzdüse aus 5.
  • 8 zeigt schematisch eine detaillierte Querschnittsansicht der Einspritzdüse aus 6.
  • 9 zeigt schematisch eine weitere detaillierte Querschnittsansicht der Einspritzdüse aus 5.
  • 10 zeigt schematisch eine weitere detaillierte Querschnittsansicht der Einspritzdüse aus 6.
The accompanying figures are intended to provide a further understanding of the invention and form part of the present disclosure. They illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain principles and concepts of the invention. Other embodiments of the invention and many of the recited advantages of the invention will become apparent in view of the following detailed description. The elements of the drawings are not necessarily shown to scale with one another. In the figures, the same reference symbols denote the same or functionally identical elements, unless stated otherwise.
  • 1 shows schematically a system for exhaust gas aftertreatment according to an embodiment of the invention in a first operating mode.
  • 2 shows the system 1 in a second operating mode.
  • 3 FIG. 13 shows a flow diagram of a method for exhaust gas aftertreatment using the system from FIG 1 and 2 . \
  • 4th shows schematically a motor vehicle comprising the exhaust gas aftertreatment system from 1 and 2 .
  • 5 FIG. 11 shows schematically a cross-sectional view of an injection nozzle as used in the system of FIG 1 and 2 is used in the first mode of operation.
  • 6th shows schematically the injection nozzle from 5 in the second mode of operation.
  • 7th FIG. 11 shows schematically a detailed cross-sectional view of the injection nozzle from FIG 5 .
  • 8th FIG. 11 shows schematically a detailed cross-sectional view of the injection nozzle from FIG 6th .
  • 9 FIG. 11 schematically shows a further detailed cross-sectional view of the injection nozzle from FIG 5 .
  • 10 FIG. 11 schematically shows a further detailed cross-sectional view of the injection nozzle from FIG 6th .

Obwohl hierin spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben werden, wird dem Fachmann klar sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichwertigen Implementierungen die dargestellten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ersetzen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen deckt die Anmeldung sämtliche Anpassungen oder Variationen der hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ab.Although specific exemplary embodiments are illustrated and described herein, it will be apparent to those skilled in the art that a variety of alternative and / or equivalent implementations can be substituted for the specific exemplary embodiments illustrated and described without departing from the scope of the present invention. In general, the application covers any adaptations or variations of the specific exemplary embodiments described herein.

Detaillierte Beschreibung der AusführungsbeispieleDetailed description of the exemplary embodiments

1 zeigt schematisch ein System 10 zur Abgasnachbehandlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem ersten Betriebsmodus. Das System wird in 2 in einem zweiten Betriebsmodus gezeigt. 1 shows schematically a system 10 for exhaust gas aftertreatment according to an embodiment of the invention in a first operating mode. The system is in 2 shown in a second operating mode.

Im Einzelnen umfasst das System 10 ein Abgasrohr 1 zur Führung eines Abgasstroms 3 und einen Reduktionsmitteleinspritzer 2, welcher mit einem Einspritzkörper 15 in das Abgasrohr 1 hineinragt und dazu ausgebildet ist, ein Reduktionsmittel 8 über eine Einspritzdüse 4 in den Abgasstrom 3 einzuspritzen, die an einem distalen Ende des Einspritzkörpers 15 angeordnet ist. Die Einspritzdüse 4 ist entlang einer zentralen Achse 3 des Abgasrohrs 1 angeordnet und in Bezug auf den Abgasstrom 3 stromabwärts ausgerichtet.In detail, the system includes 10 an exhaust pipe 1 for guiding an exhaust gas flow 3 and a reducing agent injector 2 , which with an injection body 15th into the exhaust pipe 1 protrudes and is designed to be a reducing agent 8th via an injection nozzle 4th into the exhaust gas flow 3 inject that at a distal end of the injection body 15th is arranged. The injector 4th is along a central axis 3 of the exhaust pipe 1 arranged and in relation to the exhaust gas flow 3 aligned downstream.

Das System 10 ist dazu ausgebildet, den Abgasstrom 3 zu reinigen, welcher z.B. von einem Verbrennungsmotor 101, z.B. einem Dieselmotor, eines Kraftfahrzeugs 100, z.B. wie in 4 dargestellt, ausgestoßen wird. Zu diesem Zweck kann das System 10 ferner eine Folge von Abgasnachbehandlungseinrichtungen umfassen, zu denen insbesondere eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) gehört (nicht dargestellt). Der Reduktionsmitteleinspritzer 2 ist stromaufwärts von der SCR-Vorrichtung angeordnet, um Reduktionsmittel, z.B. in flüssiger Form, in den Abgasstrom 3 einzuspritzen, das beim katalytischen Prozess innerhalb der SCR-Vorrichtung in üblicher Weise als Reduktionsmittel dient.The system 10 is designed to control the exhaust gas flow 3 to clean, which for example from an internal combustion engine 101 , for example a diesel engine, a motor vehicle 100 , e.g. as in 4th represented, is ejected. To this end, the system can 10 furthermore comprise a sequence of exhaust gas aftertreatment devices, to which in particular a device for selective catalytic reduction (SCR) belongs (not shown). The reducing agent injector 2 is arranged upstream of the SCR device in order to introduce reducing agents, for example in liquid form, into the exhaust gas flow 3 injected, which is used in the catalytic process within the SCR device in the usual way as a reducing agent.

Die Einspritzdüse 4 umfasst einen Düsenstift 5 in einer rotationssymmetrischen Konfiguration um eine in Richtung des Abgasstroms 3 weisende Axialrichtung. Der Düsenstift 5 ist innerhalb eines Düsengehäuses 6 derart positioniert, dass ein Einspritzkanal 7 zwischen einer Außenfläche 5a des Düsenstiftes 5 und einer Innenfläche 5b des Düsengehäuses 6 gebildet wird. Dies ist im Detail in 5 bis 10 zu sehen, die schematische Querschnittsansichten der in dem System der 1 und 2 verwendeten Einspritzdüse 4 entlang der axialen Richtung des Düsenstiftes 5 zeigen. Wie hier zu sehen ist, umschließt das Düsengehäuse 6 den Düsenstift 5 in Umfangsrichtung.The injector 4th includes a nozzle pin 5 in a rotationally symmetrical configuration around one in the direction of the exhaust gas flow 3 pointing axial direction. The nozzle pin 5 is inside a nozzle housing 6th positioned so that an injection port 7th between an outer surface 5a of the nozzle pin 5 and an inner surface 5b of the nozzle housing 6th is formed. This is in detail in 5 until 10 to see the schematic cross-sectional views of the in the system of FIG 1 and 2 used injector 4th along the axial direction of the nozzle pin 5 show. As can be seen here, the nozzle housing encloses 6th the nozzle pin 5 in the circumferential direction.

Ein Reduktionsmittel 8 wird an einem Düseneinlass 16 in den Einspritzkanal 7 geleitet, wobei die kombinierte Anordnung von Düsenstift 5 und Düsengehäuse 6 die Funktion einer Strahldüse erfüllt. Konkret ist der Einspritzkanal 7 derart geformt, dass er das Reduktionsmittel 8 beschleunigt, indem er die Strömungsfläche des Reduktionsmittels 8 reduziert, d.h. die Querschnittsfläche, die das Reduktionsmittel 8 beim Eintritt in die Einspritzdüse 4 durchströmt. Das Reduktionsmittel 8 wird von dem Düseneinlass 16 durch den Einspritzkanal 7 geleitet und an einem Düsenauslass 12 aus der Einspritzdüse 4 in den Abgasstrom 3 ausgestoßen. Dabei wird das Reduktionsmittel 8 durch das Düsengehäuse 6 um den Düsenstift 5 herum, also durch den Einspritzkanal 7 gespült.A reducing agent 8th is at a nozzle inlet 16 into the injection port 7th directed, the combined arrangement of nozzle pin 5 and nozzle housing 6th fulfills the function of a jet nozzle. The injection port is concrete 7th shaped so that it contains the reducing agent 8th accelerated by increasing the flow area of the reducing agent 8th reduced, ie the cross-sectional area that the reducing agent 8th when entering the injector 4th flows through. The reducing agent 8th is from the nozzle inlet 16 through the injection port 7th and at a nozzle outlet 12th from the injector 4th into the exhaust gas flow 3 pushed out. Thereby the reducing agent 8th through the nozzle housing 6th around the nozzle pin 5 around, i.e. through the injection port 7th flushed.

Durch die Anwendung des Prinzips einer Strahldüse ist es möglich, eine sehr gleichmäßige und breite Verteilung des Reduktionsmittels 8 in dem Abgasstrom 3 zu erreichen. Dazu kann das Reduktionsmittel 8 mit einem hohen Druck von z.B. ca. 9 bar bis 15 bar in den Düseneinlass 16 gepumpt werden, um eine gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels 8 an dem Düseneinlass 16 und an dem Düsenauslauslass 12 zu gewährleisten.By using the principle of a jet nozzle, it is possible to achieve a very even and broad distribution of the reducing agent 8th in the exhaust stream 3 to reach. The reducing agent can do this 8th with a high pressure of, for example, approx. 9 bar to 15 bar into the nozzle inlet 16 be pumped to ensure an even distribution of the reducing agent 8th at the nozzle inlet 16 and at the nozzle outlet 12th to guarantee.

Ferner ist der Düsenstift 5 innerhalb des Düsengehäuses 6 beweglich ausgebildet, um eine Form des Einspritzkanals 7 entsprechend verschiedener Betriebsmodi anzupassen und dadurch die Einspritzparameter des Reduktionsmitteleinspritzers 2 zu verändern, wie im Folgenden erläutert wird.Further is the nozzle pin 5 inside the nozzle housing 6th designed to be movable to a shape of the injection channel 7th adapt accordingly to different operating modes and thereby the injection parameters of the reducing agent injector 2 as explained below.

Als Beispiel sind in 1 und 2 zwei Betriebsmodi des Systems 10 dargestellt, ein erster Betriebsmodus (1) und ein zweiter Betriebsmodus (2). 5, 7 und 9 zeigen Detailansichten der Einspritzdüse 4 für den ersten Betriebsmodus, während 6, 8 und 10 die Einspritzdüse 4 in dem zweiten Betriebsmodus zeigen.As an example, in 1 and 2 two modes of operation of the system 10 shown, a first operating mode ( 1 ) and a second operating mode ( 2 ). 5 , 7th and 9 show detailed views of the injection nozzle 4th for the first operating mode while 6th , 8th and 10 the injector 4th show in the second operating mode.

Der erste Betriebsmodus wird im Folgenden als „fokussierter Modus“ bezeichnet, während der zweite Betriebsmodus als „defokussierter Modus“ bezeichnet wird. In dem fokussierten Betriebsmodus wird das Reduktionsmittel 8 unter einem negativen Reduktionsmitteleinspritzwinkel α ausgestoßen, was bedeutet, dass der Strom des Reduktionsmittels 8 zur Mittelachse 13 des Auspuffrohrs 1 hin fokussiert oder kollabiert wird (vgl. 1). In dem defokussierten Modus hingegen wird das Reduktionsmittel 8 unter einem positiven Reduktionsmitteleinspritzwinkel α in Richtung Abgasrohr 1 ausgestoßen. Der Reduktionsmitteleinspritzwinkel α kann variiert werden (vgl. 2).The first operating mode is referred to below as “focused mode”, while the second operating mode is referred to as “defocused mode”. In the focused operating mode, the reducing agent 8th at a negative reductant injection angle α ejected, which means that the flow of the reducing agent 8th to the central axis 13th of the exhaust pipe 1 is focused or collapsed (cf. 1 ). In the defocused mode, however, the reducing agent is 8th at a positive reductant injection angle α in the direction of the exhaust pipe 1 pushed out. The reductant injection angle α can be varied (cf. 2 ).

Beide Betriebsmodi entsprechen unterschiedlichen Positionen des Düsenstiftes 5 innerhalb des Düsengehäuses 6. In dem ersten Betriebsmodus wird der Düsenstift 5 nach innen in das Düsengehäuse 6 bewegt, d.h. stromabwärts in Bezug auf die Strömungsrichtung des Reduktionsmittels 8 und damit des Abgasstroms 3. In dem zweiten Betriebsmodus wird der Düsenstift 5 gegenüber dem ersten Betriebsmodus aus dem Düsengehäuse 6 herausbewegt. Der Düsenstift 5 und das Düsengehäuse 6 sind derart geformt, dass der Einspritzkanal 7 beim Herausbewegen des Düsenstiftes 5 aus dem Düsengehäuse (linke Seite in 6) in einigen Abschnitten aufgeweitet wird. Dies hat zur Folge, dass sich das Fließverhalten des Reduktionsmittels 8 innerhalb des Einspritzkanals 7 gegenüber der Position des Düsenstiftes 5 in 5 verändert. Darüber hinaus wird auch die Geometrie des Düsenaustritts 12 angepasst (rechte Seite in 6).Both operating modes correspond to different positions of the nozzle pin 5 inside the nozzle housing 6th . In the first mode of operation, the nozzle pin 5 inside into the nozzle housing 6th moved, ie downstream with respect to the direction of flow of the reducing agent 8th and thus the exhaust gas flow 3 . In the second mode of operation, the nozzle pin 5 compared to the first operating mode from the nozzle housing 6th moved out. The nozzle pin 5 and the nozzle housing 6th are shaped so that the injection port 7th when moving the nozzle pin out 5 from the nozzle housing (left side in 6th ) is expanded in some sections. This has the consequence that the flow behavior of the reducing agent 8th inside the injection channel 7th opposite the position of the nozzle pin 5 in 5 changes. In addition, the geometry of the nozzle outlet is also determined 12th adapted (right side in 6th ).

Aufgrund der unterschiedlichen Formen und Anordnungen des Einspritzkanals 7 und des Düsenauslasses 12 in beiden Betriebsmodi sind das Fließverhalten und damit die Einspritzparameter in beiden Fällen unterschiedlich. Durch geeignete Konfiguration der Außenfläche 5a des Düsenstiftes 5 und der Innenfläche 6a des Düsengehäuses 6 können die Einspritzparameter einschließlich des Reduktionsmitteleinspritzwinkels a, der Reduktionsmittel-Strömungsgeschwindigkeit v1-v3 und des Reduktionsmittel-Strömungstyps variiert werden. Dadurch kann der Einspritzvorgang durch einfaches Verschieben des Düsenstiftes 5 innerhalb des Düsengehäuses 6 auf bequeme Weise angepasst werden. Dies kann während des Betriebs des Abgasnachbehandlungssystems 10, d.h. während des Betriebs des Fahrzeugs 100, erfolgen.Due to the different shapes and arrangements of the injection channel 7th and the nozzle outlet 12th In both operating modes, the flow behavior and thus the injection parameters are different in both cases. By appropriately configuring the outer surface 5a of the nozzle pin 5 and the inner surface 6a of the nozzle housing 6th the injection parameters including the reducing agent injection angle α, the reducing agent flow rate v1-v3 and the reducing agent flow type can be varied. This enables the injection process to be carried out by simply moving the nozzle pin 5 inside the nozzle housing 6th can be adjusted in a convenient way. This can occur during the operation of the exhaust aftertreatment system 10 , ie while the vehicle is in operation 100 , respectively.

Um die Bewegung des Düsenstiftes 5 zu erleichtern, umfasst der Reduktionsmitteleinspritzer 2 weiterhin einen Düsenaktor 14, der dazu ausgebildet ist, die Bewegung des Düsenstiftes 5 zu veranlassen. In der hier beispielhaft beschriebenen Ausführung ist der Düsenaktor 14 entlang der zentralen Achse 13 des Abgasrohres 1 angeordnet und in Bezug auf den Abgasstrom 3 stromaufwärts von der Einspritzdüse 4 ausgerichtet, um eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Reduktionsmitteleinspritzers 2 und damit des Strömungswiderstandes zu vermeiden.About the movement of the nozzle pin 5 To facilitate, includes the reductant injector 2 furthermore a nozzle actuator 14th , which is designed to control the movement of the nozzle pin 5 to cause. In the embodiment described here as an example, the nozzle actuator is 14th along the central axis 13th of the exhaust pipe 1 arranged and in relation to the exhaust gas flow 3 upstream of the injector 4th aligned to increase the cross-sectional area of the reductant injector 2 and thus to avoid the flow resistance.

Die abgebildete beispielhafte Ausführung der Einspritzdüse 4 besteht zusätzlich aus einer Wirbelkammer 9, die als Vertiefung innerhalb des Düsengehäuses 6 ausgebildet ist und in axialer Richtung um den Düsenstift 5 umlaufend entlang der Innenfläche 6a des Düsengehäuses 6 verläuft (die Wirbelkammer 9 dieser Ausführung hat also eine ringförmige Gestalt). Die Wirbelkammer 9 dient der weiteren Modifikation des Reduktionsmittelstroms 8 durch den Einspritzkanal 7. Zu diesem Zweck ist die Wirbelkammer 9 zwischen einem Innenradius, der durch die Außenfläche 5a des Düsenstiftes 5 definiert ist, und einem Außenradius, der durch die Innenfläche 6a des Düsengehäuses 6 definiert ist, angeordnet und derart geformt, dass sie Strömungswirbel 11 innerhalb des Reduktionsmittels 8 erzeugt, indem sie das Reduktionsmittel 8 bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zwischen dem Innenradius und dem Außenradius führt.The illustrated exemplary embodiment of the injection nozzle 4th also consists of a vortex chamber 9 as a recess inside the nozzle housing 6th is formed and in the axial direction around the nozzle pin 5 all around the inner surface 6a of the nozzle housing 6th runs (the vortex chamber 9 this version thus has an annular shape). The vortex chamber 9 serves to further modify the reducing agent flow 8th through the injection port 7th . The vortex chamber is for this purpose 9 between an inner radius passing through the outer surface 5a of the nozzle pin 5 is defined, and an outer radius passing through the inner surface 6a of the nozzle housing 6th is defined, arranged and shaped such that they flow vortices 11 within the reducing agent 8th generated by using the reducing agent 8th leads at different flow velocities between the inner radius and the outer radius.

Es versteht sich, dass die dargestellte Ausführung lediglich beispielhaften Charakter hat und dass der Fachmann Wirbelkammern mit anderen Formen vorsehen kann. Darüber hinaus können bei bestimmten Anwendungen mehr als eine Wirbelkammer vorteilhaft sein, z.B. mehrere ringförmige Wirbelkammern, die in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Darüber hinaus kann der Einspritzkanal 7 in mehrere separate Kanäle aufgeteilt werden, die sich an dem Düseneinlass 16 und/oder Düsenauslass 12 vereinigen können oder auch nicht.It goes without saying that the embodiment shown is merely an example and that the person skilled in the art can provide vortex chambers with other shapes. In addition, more than one vortex chamber can be advantageous in certain applications, for example several annular vortex chambers which are arranged one behind the other in the axial direction. In addition, the injection port 7th be divided into several separate channels, which are located at the nozzle inlet 16 and / or nozzle outlet 12th may or may not unite.

Die Wirbelkammer der vorliegenden beispielhaften Ausführung ist in 7 und 9 für den fokussierten Modus genauer dargestellt, bei dem das Reduktionsmittel 8 die Wirbelkammer 9 entlang eines Außenradius mit einer ersten Geschwindigkeit v1 durchläuft, die höher ist als eine zweite Geschwindigkeit v2 des Reduktionsmittels 8, das sich entlang eines Innenradius bewegt. Der innere Radius entspricht einem viel kürzeren Strömungsweg als der Weg entlang des äußeren Radius. Wenn diese verschiedenen Strömungswege am Ende der Wirbelkammer 9 wieder zusammengeführt werden, induzieren die unterschiedlichen Geschwindigkeiten eine Drehbewegung innerhalb des Stroms des Reduktionsmittels 8, wodurch unter bestimmten Bedingungen stabile Strömungswirbel 11 entstehen. Diese Strömungswirbel 11 können sich dann entlang des Einspritzkanals 7 ausbreiten und am Düsenauslass 12 ausgestoßen werden (vgl. 9). Die Strömungswirbel 11 können sich während des Strömungsvorgangs des Reduktionsmittels 8 ausdehnen (vgl. 9). Die Form des Düsenauslasses 12 kann ferner dazu verwendet werden, die Richtung der Strömungswirbel 11 und deren Fokus zu definieren.The vortex chamber of the present exemplary embodiment is shown in FIG 7th and 9 for the focused mode in which the reducing agent 8th the vortex chamber 9 runs along an outer radius at a first speed v1 which is higher than a second speed v2 of the reducing agent 8th moving along an inner radius. The inner radius corresponds to a much shorter flow path than the path along the outer radius. When these different flow paths at the end of the vortex chamber 9 are brought together again, the different speeds induce a rotary movement within the stream of reducing agent 8th whereby under certain Conditions stable flow vortices 11 develop. These vortices 11 can then move along the injection channel 7th spread out and at the nozzle outlet 12th be expelled (cf. 9 ). The flow vortices 11 can occur during the flow process of the reducing agent 8th expand (cf. 9 ). The shape of the nozzle outlet 12th can also be used to determine the direction of the flow vortex 11 and define their focus.

Durch Verschieben des Düsenstiftes 5 relativ zu dem Düsengehäuse 6 können die Bedingungen der Wirbelerzeugung verändert werden. So kann der Düsenstift 5 bewegt werden, um verschiedene Eigenschaften des Wirbelstroms anzupassen, z.B. eine Wirbelform und/oder ein Wirbelströmungsverhalten der erzeugten Strömungswirbel 11. By moving the nozzle pin 5 relative to the nozzle housing 6th the conditions of vortex generation can be changed. So can the nozzle pin 5 are moved in order to adapt various properties of the eddy current, for example a vortex shape and / or a vortex flow behavior of the flow vortices generated 11 .

Dies kann zur weiteren Anpassung des Ausstoßvorgangs des Reduktionsmittels 8 genutzt werden.This can be used to further adapt the process of discharging the reducing agent 8th be used.

In dem defokussierten Modus der 2, 6, 8 und 10 erzeugt das Reduktionsmittel 8 keine stabilen Wirbel, da die Differenz der Geschwindigkeiten v1-v3 innerhalb der Wirbelkammer 9 nicht groß genug ist, um stabile Strömungswirbel 11 zu induzieren. Es können zwar Wirbel erzeugt werden, aber diese sind instabil und kollabieren schließlich. Die Strömung des Reduktionsmittels 8 kann jedoch immer noch turbulent sein. Durch allmähliches Bewegen des Düsenstiftes 5 innerhalb des Düsengehäuses 6 und geeignete Konfiguration der Innenfläche 6a des Düsengehäuses 6 und der Außenfläche 5a des Düsenstiftes 5 kann das Verhalten der Strömungswirbel 11 variiert werden. Variationen von „scharfen“ und stabilen Wirbeln über normale turbulente Strömung mit instabilen Wirbeln bis hin zu laminarer Strömung sind möglich.In the defocused mode of the 2 , 6th , 8th and 10 generates the reducing agent 8th no stable eddies because of the difference in speeds v1-v3 inside the vortex chamber 9 is not large enough to produce stable flow vortices 11 to induce. Vortices can be created, but they are unstable and eventually collapse. The flow of the reducing agent 8th however, it can still be turbulent. By gradually moving the nozzle pin 5 inside the nozzle housing 6th and appropriate configuration of the inner surface 6a of the nozzle housing 6th and the outer surface 5a of the nozzle pin 5 can be the behavior of the flow vortex 11 can be varied. Variations from "sharp" and stable eddies to normal turbulent flow with unstable eddies up to laminar flow are possible.

In dem fokussierten Modus kann eine geeignete Konfiguration des Düsenauslasses 12 verwendet werden, um den Kollisions-/Fokuspunkt des Reduktionsmittels 8 innerhalb des Abgasrohres 1 einzustellen. Allgemeiner gesagt, kann der Düsenauslass 12 auch in dem defokussierten Modus zur Einstellung des Reduktionsmitteleinspritzwinkels α verwendet werden. Im Allgemeinen wird der Reduktionsmitteleinspritzwinkel α eine Funktion des Durchmessers des Abgasrohres 1 und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms 3, der Form des Düsenauslasses 12 und des Strömungsverhaltens des Reduktionsmittels 8 innerhalb des Einspritzkanals 7 sein, welches wiederum durch die Geschwindigkeitsunterschiede der verschiedenen Strömungswege innerhalb des Einspritzkanals 7 bestimmt wird.In the focused mode, a suitable configuration of the nozzle outlet 12th used to be the collision / focus point of the reductant 8th inside the exhaust pipe 1 to adjust. More generally speaking, the nozzle outlet 12th also in the defocused mode for adjusting the reducing agent injection angle α be used. In general, the reducing agent injection angle becomes α a function of the diameter of the exhaust pipe 1 and the flow rate of the exhaust gas stream 3 , the shape of the nozzle outlet 12th and the flow behavior of the reducing agent 8th inside the injection channel 7th This in turn is due to the differences in speed of the various flow paths within the injection channel 7th is determined.

Als Ergebnis steht ein Reduktionsmitteleinspritzer nach dem Strahlprinzip zur Verfügung, der eine gleichmäßige Ausdehnung des eingespritzten Reduktionsmittels über den Querschnitt des Abgasrohres und damit der SCR-Vorrichtung erreicht und damit die SCR-Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Systemen effektiv verbessert. Das System kann eine einzelne Düse in zentraler Position mit minimaler Querschnittsfläche und damit minimalem Strömungswiderstand verwenden. In anderen Ausführungsformen können jedoch auch mehrere Einspritzdüsen verwendet werden, die jeweils als Strahldüse konfiguriert sind.As a result, a reducing agent injector based on the jet principle is available, which achieves a uniform expansion of the injected reducing agent over the cross section of the exhaust pipe and thus the SCR device and thus effectively improves the SCR efficiency compared to conventional systems. The system can use a single nozzle in a central position with minimal cross-sectional area and thus minimal flow resistance. In other embodiments, however, a plurality of injection nozzles can also be used, each of which is configured as a jet nozzle.

Darüber hinaus bietet das System eine verbesserte Kontrolle über die Einspritzparameter durch die Nutzung eines Wirbelprinzips innerhalb einer Strahldüse. Dies ermöglicht die Anpassung der Düsenkonstruktion für unterschiedliche Anwendungen (z.B. unterschiedliche Rohrdurchmesser oder Motorgrößen) und für unterschiedliche Betriebspunkte durch aktive Bewegung des Düsenstiftes während des Betriebs.In addition, the system offers improved control over the injection parameters through the use of a vortex principle within a jet nozzle. This enables the nozzle design to be adapted for different applications (e.g. different pipe diameters or motor sizes) and for different operating points by actively moving the nozzle pin during operation.

Ein entsprechendes Verfahren M für die Abgasnachbehandlung ist in 3 schematisch dargestellt. Das Verfahren M umfasst unter M0 Bewegen des Düsenstifts 5 innerhalb des Düsengehäuses 6, um eine Form des Einspritzkanals 7 entsprechend einem Betriebsmodus anzupassen, wodurch Einspritzparameter des Reduktionsmitteleinspritzers 2 eingestellt werden. Das Verfahren M umfasst ferner unter M1 Einspritzen von Reduktionsmittel 8 mit der Einspritzdüse 4 des Reduktionsmitteleinspritzers 2 in den durch das Abgasrohr 1 geführten Abgasstrom 3. Hierbei wird das Reduktionsmittel 8 durch den Einspritzkanal 7 in den Abgasstrom 3 ausgestoßen und beschleunigt. Strömungswirbel 11 können innerhalb des Reduktionsmittels 8 erzeugt werden, indem das Reduktionsmittel 8 durch die Wirbelkammer 9 in dem Einspritzkanal 7 mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zwischen einem durch die Außenfläche 5a des Düsenstiftes 5 definierten Innenradius und einem durch die Innenfläche 6a des Düsengehäuses 6 definierten Außenradius geführt wird.A corresponding procedure M. for exhaust aftertreatment is in 3 shown schematically. The procedure M. includes moving the nozzle pin under M0 5 inside the nozzle housing 6th to find a shape of the injection port 7th adapt according to an operating mode, whereby injection parameters of the reducing agent injector 2 can be set. The procedure M. further comprises under M1 injection of reducing agent 8th with the injector 4th of the reducing agent injector 2 into the through the exhaust pipe 1 guided exhaust gas flow 3 . Here is the reducing agent 8th through the injection port 7th into the exhaust gas flow 3 ejected and accelerated. Vortex 11 can within the reducing agent 8th can be generated by the reducing agent 8th through the vortex chamber 9 in the injection port 7th with different flow rates between one through the outer surface 5a of the nozzle pin 5 defined inner radius and one through the inner surface 6a of the nozzle housing 6th defined outer radius is performed.

In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, nicht jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung unmittelbar klar sein. Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis darstellen zu können, sodass Fachleuten ermöglicht wird, die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal zu modifizieren und zu nutzen.In the preceding detailed description, various features for improving the stringency of the presentation have been summarized in one or more examples. It should be clear, however, that the above description is merely illustrative, but not restrictive in nature. It serves to cover all alternatives, modifications and equivalents. Many other examples will be immediately apparent to those skilled in the art on the basis of their technical knowledge in view of the above description. The exemplary embodiments were selected and described in order to be able to illustrate the principles on which the invention is based and its possible applications in practice so that those skilled in the art will be able to understand the invention and its various To optimally modify and use exemplary embodiments in relation to the intended purpose.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
AbgasrohrExhaust pipe
22
ReduktionsmitteleinspritzerReducing agent injector
33
AbgasstromExhaust gas flow
44th
EinspritzdüseInjector
55
DüsenstiftNozzle pin
5a5a
Außenfläche des DüsenstiftesOuter surface of the nozzle pin
66th
DüsengehäuseNozzle housing
6a6a
Innenfläche des DüsengehäusesInner surface of the nozzle housing
77th
EinspritzkanalInjection port
88th
ReduktionsmittelReducing agent
99
WirbelkammerVortex chamber
1010
System zur AbgasnachbehandlungExhaust aftertreatment system
1111
StrömungswirbelVortex
1212th
DüsenauslassNozzle outlet
1313th
zentrale Achsecentral axis
1414th
DüsenaktorNozzle actuator
1515th
EinspritzkörperInjection body
1616
DüseneinlassNozzle inlet
v1-v3v1-v3
Reduktionsmittel-StrömungsgeschwindigkeitenReductant flow rates
αα
ReduktionseinspritzwinkelReduction injection angle
100100
KraftfahrzeugMotor vehicle
101101
VerbrennungsmotorInternal combustion engine
MM.
Verfahrenprocieedings
M0-M1M0-M1
VerfahrensschrittProcess step

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • WO 2014/154936 A1 [0004]WO 2014/154936 A1 [0004]
  • DE 2009030927 A1 [0005]DE 2009030927 A1 [0005]

Claims (15)

System (10) zur Abgasnachbehandlung umfassend: ein Abgasrohr (1) zur Führung eines Abgasstroms (3); und einen Reduktionsmitteleinspritzer (2), welcher in das Abgasrohr (1) hineinragt und dazu ausgebildet ist, über eine Einspritzdüse (4) ein Reduktionsmittel (8) in den Abgasstrom (3) einzuspritzen; wobei die Einspritzdüse (4) einen Düsenstift (5) umfasst, welcher innerhalb eines Düsengehäuses (6) derart angeordnet ist, dass ein Einspritzkanal (7) zwischen einer Außenfläche (5a) des Düsenstifts (5) und einer Innenfläche (6a) des Düsengehäuses (6) gebildet wird, durch den das Reduktionsmittel (8) in den Abgasstrom (3) ausgestoßen wird, wobei der Einspritzkanal (7) derart geformt ist, dass das Reduktionsmittel (8) durch ihn beschleunigt wird.System (10) for exhaust gas aftertreatment comprising: an exhaust pipe (1) for guiding an exhaust gas flow (3); and a reducing agent injector (2) which protrudes into the exhaust pipe (1) and is designed to inject a reducing agent (8) into the exhaust gas flow (3) via an injection nozzle (4); wherein the injection nozzle (4) comprises a nozzle pin (5) which is arranged within a nozzle housing (6) in such a way that an injection channel (7) between an outer surface (5a) of the nozzle pin (5) and an inner surface (6a) of the nozzle housing ( 6), through which the reducing agent (8) is ejected into the exhaust gas flow (3), the injection channel (7) being shaped in such a way that the reducing agent (8) is accelerated through it. System (10) nach Anspruch 1, wobei der Düsenstift (5) beweglich innerhalb des Düsengehäuses (6) dazu ausgebildet ist, eine Form des Einspritzkanals (7) entsprechend einem Betriebsmodus anzupassen und dadurch Einspritzparameter des Reduktionsmitteleinspritzers (2) einzustellen.System (10) according to Claim 1 , wherein the nozzle pin (5) is movably designed within the nozzle housing (6) to adapt a shape of the injection channel (7) according to an operating mode and thereby to set injection parameters of the reducing agent injector (2). System (10) nach Anspruch 2, wobei die Einspritzparameter zumindest einen der folgenden Parameter umfassen: einen Reduktionsmitteleinspritzwinkel (a), eine Reduktionsmittel-Strömungsgeschwindigkeit (v1-v3) und einen Reduktionsmittel-Strömungstyp.System (10) according to Claim 2 wherein the injection parameters include at least one of the following parameters: a reductant injection angle (α), a reductant flow rate (v1-v3), and a reductant flow type. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Einspritzkanal (7) eine Wirbelkammer (9) aufweist, welche zwischen einem durch die Außenfläche (5a) des Düsenstifts (5) definierten Innenradius und einem durch die Innenfläche (6a) des Düsengehäuses (6) definierten Außenradius gebildet ist, wobei die Wirbelkammer (9) derart geformt ist, dass sie Strömungswirbel (11) innerhalb des Reduktionsmittels (8) erzeugt, indem das Reduktionsmittel (8) bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zwischen dem Innenradius und dem Außenradius geführt wird.System (10) according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the injection channel (7) has a swirl chamber (9) which is formed between an inner radius defined by the outer surface (5a) of the nozzle pin (5) and an outer radius defined by the inner surface (6a) of the nozzle housing (6), the Vortex chamber (9) is shaped in such a way that it generates flow vortices (11) within the reducing agent (8) in that the reducing agent (8) is guided at different flow speeds between the inner radius and the outer radius. System (10) nach Anspruch 4, wobei der Düsenstift (5) dazu ausgebildet ist, eine Form der Wirbelkammer (9) durch Bewegung innerhalb des Düsengehäuses (6) anzupassen und dadurch eine Wirbelform und/oder ein Wirbelströmungsverhalten der erzeugten Strömungswirbel (11) anzupassen.System (10) according to Claim 4 wherein the nozzle pin (5) is designed to adapt a shape of the vortex chamber (9) by movement within the nozzle housing (6) and thereby adapt a vortex shape and / or a vortex flow behavior of the flow vortices (11) generated. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Düsenstift (5) dazu ausgebildet ist, eine Form eines Düsenauslasses (12) der Einspritzdüse (4) durch Bewegung innerhalb des Düsengehäuses (6) anzupassen.System (10) according to one of the Claims 1 until 5 wherein the nozzle pin (5) is designed to adapt a shape of a nozzle outlet (12) of the injection nozzle (4) by movement within the nozzle housing (6). System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Einspritzdüse (4) entlang einer zentralen Achse (13) des Abgasrohres (1) angeordnet und stromabwärts in Bezug auf den Abgasstrom (3) ausgerichtet ist.System (10) according to one of the Claims 1 until 6th wherein the injection nozzle (4) is arranged along a central axis (13) of the exhaust pipe (1) and is oriented downstream with respect to the exhaust gas flow (3). System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Reduktionsmitteleinspritzer (2) ferner einen Düsenaktor (14) umfasst, welcher dazu ausgebildet ist, eine Bewegung des Düsenstifts (5) zu veranlassen.System (10) according to one of the Claims 1 until 7th wherein the reducing agent injector (2) further comprises a nozzle actuator (14) which is designed to cause a movement of the nozzle pin (5). System (10) nach Anspruch 8, wobei der Düsenaktor (14) entlang einer zentralen Achse (13) des Abgasrohres (1) angeordnet und stromaufwärts in Bezug auf den Abgasstrom (3) relativ zu der Einspritzdüse (4) ausgerichtet ist.System (10) according to Claim 8 wherein the nozzle actuator (14) is arranged along a central axis (13) of the exhaust pipe (1) and is oriented upstream with respect to the exhaust gas flow (3) relative to the injection nozzle (4). Kraftfahrzeug (100) mit einem Verbrennungsmotor (101) und einem System (10) zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Motor vehicle (100) with an internal combustion engine (101) and a system (10) for exhaust gas aftertreatment according to one of the Claims 1 until 9 . Verfahren (M) zur Abgasnachbehandlung, umfassend: Einspritzen (M1) von Reduktionsmittel (8) mit einer Einspritzdüse (4) eines Reduktionsmitteleinspritzers (2) in einen durch ein Abgasrohr (1) geführten Abgasstrom (3), wobei das Reduktionsmittel (8) durch einen Einspritzkanal (7) in den Abgasstrom (3) ausgestoßen und beschleunigt wird, wobei der Einspritzkanal (7) zwischen einer Innenfläche (6a) eines Düsengehäuses (6) des Reduktionsmitteleinspritzers (2) und einer Außenfläche (5a) eines Düsenstifts (5) des Reduktionsmitteleinspritzers (2) gebildet wird, welcher innerhalb des Düsengehäuses (6) angeordnet ist.Method (M) for exhaust gas aftertreatment, comprising: Injection (M1) of reducing agent (8) with an injection nozzle (4) of a reducing agent injector (2) into an exhaust gas flow (3) guided through an exhaust pipe (1), the reducing agent (8) through an injection channel (7) into the exhaust gas flow ( 3) is ejected and accelerated, the injection channel (7) between an inner surface (6a) of a nozzle housing (6) of the reducing agent injector (2) and an outer surface (5a) of a nozzle pin (5) of the reducing agent injector (2) is formed, which is arranged inside the nozzle housing (6). Verfahren (M) nach Anspruch 11, ferner umfassend: Bewegen (M0) des Düsenstifts (5) innerhalb des Düsengehäuses (6), um eine Form des Einspritzkanals (7) entsprechend einem Betriebsmodus anzupassen, wodurch Einspritzparameter des Reduktionsmitteleinspritzers (2) eingestellt werden.Procedure (M) according to Claim 11 , further comprising: moving (M0) the nozzle pin (5) within the nozzle housing (6) in order to adapt a shape of the injection channel (7) according to an operating mode, whereby injection parameters of the reducing agent injector (2) are set. Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 11 und 12, wobei Strömungswirbel (11) innerhalb des Reduktionsmittels (8) erzeugt werden, indem das Reduktionsmittel (8) durch eine Wirbelkammer (9) in dem Einspritzkanal (7) mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zwischen einem durch die Außenfläche (5a) des Düsenstiftes (5) definierten Innenradius und einem durch die Innenfläche (6a) des Düsengehäuses (6) definierten Außenradius geführt wird.Method (M) according to one of the Claims 11 and 12th , wherein flow vortices (11) are generated within the reducing agent (8) by the reducing agent (8) defined by a vortex chamber (9) in the injection channel (7) with different flow velocities between one defined by the outer surface (5a) of the nozzle pin (5) Inner radius and an outer radius defined by the inner surface (6a) of the nozzle housing (6). Verfahren (M) nach Anspruch 13, wobei eine Form der Wirbelkammer (9) durch Bewegen des Düsenstiftes (5) innerhalb des Düsengehäuses (6) angepasst wird, wodurch eine Wirbelform und/oder ein Wirbelströmungsverhalten der erzeugten Strömungswirbel (11) angepasst wird.Procedure (M) according to Claim 13 , wherein a shape of the vortex chamber (9) is adjusted by moving the nozzle pin (5) within the nozzle housing (6), whereby a vortex shape and / or a vortex flow behavior of the generated flow vortices (11) is adapted. Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei eine Form eines Düsenauslasses (12) der Einspritzdüse (4) durch Bewegen des Düsenstiftes (5) innerhalb des Düsengehäuses (6) angepasst wird.Method (M) according to one of the Claims 12 until 14th wherein a shape of a nozzle outlet (12) of the injection nozzle (4) is adjusted by moving the nozzle pin (5) within the nozzle housing (6).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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