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Die Erfindung betrifft einen Abgastrakt für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Lastkraftwagens.
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STAND DER TECHNIK
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Im Zuge der fortschreitenden Absenkung von gesetzlich zulässigen Schadstoffgrenzwerten im Abgas von Kraftfahrzeugen steigen die Anforderungen an die Abgas-Nachbehandlungssysteme (EATS). Das gebräuchlichste Verfahren zur Reduktion von Stickoxid-Emissionen ist die selektive katalytische Reduktion (SCR), bei welcher die Stickoxide in einem sogenannten SCR-Katalysator zu elementarem Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Dafür ist eine Reduktionsmittellösung, insbesondere eine wässrige Harnstofflösung, notwendig, welche mittels einer Einspritzvorrichtung stromaufwärts des SCR-Katalysators in den Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors eingespritzt wird.
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Zur Anpassung an die Anforderungen beispielsweise der zukünftigen ELIRO7 Abgasnorm wird insbesondere bei Lastkraftwagen eine mehrstufige SCR-Abgasnachbehandlung benötigt. Ein möglicher Aufbau eines zugehörigen Abgastrakts sieht dazu vor, dass in das Abgasrohr zwischen Turbinenauslass des Turboladers und der EATS-Box mit den SCR-Katalysatoren eine zusätzliche Einspritzvorrichtung für Reduktionsmittellösung stromaufwärts des Kompensators angeordnet wird. Der Kompensator dient der Dämpfung bzw. dem Ausgleich von im Betrieb des Verbrennungsmotors auftretenden Vibrationen, sodass die fahrgestellseitig angeordnete EATS-Box schwingungstechnisch weitgehend vom Verbrennungsmotor entkoppelt wird. Kompensatoren weisen typischerweise einen Metallbalg auf, welcher zur Ausführung axialer, lateraler und angularer Kompensationsbewegungen ausgebildet ist. In dem vorgenannten Abgastrakt ist der Kompensator Teil der Mischstrecke für das eingespritzte Reduktionsmittel und ist somit einer inwendigen Beaufschlagung mit Reduktionsmittellösung ausgesetzt, wobei größere Mengen insbesondere durch unvollständig verdüste Tropfen der Reduktionsmittellösung eingetragen werden. Durch auskristallisierte Ablagerungen des Reduktionsmittels, typischerweise Harnstoff, insbesondere in den rillenförmigen Gründen des Metallbalgs, wird der Kompensator in seiner Beweglichkeit eingeschränkt und zudem einer korrosiven Belastung ausgesetzt, welche zu Beschädigung und damit einhergehender Undichtigkeit führen kann.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung offenbart gemäß Anspruch 1 einen Abgastrakt für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs wenigstens umfassend ein motorseitiges Abgasrohr, einen fahrgestellseitigen SCR-Katalysator und einen dazwischen angeordneten Kompensator zur Vibrationsdämpfung, wobei eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung einer Reduktionsmittellösung in einen Abgasmassenstrom stromaufwärts des Kompensators angeordnet ist, und wobei ein Abschirmrohr in einen einlassseitigen Abschnitt des Kompensators hineinragt, derart, dass der Kompensator mittels des Abschirmrohrs wenigstens abschnittsweise gegen inwendige Beaufschlagung mit eingespritzter Reduktionsmittellösung abgeschirmt ist.
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Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, das aus dem Abgasrohr ausströmende Gemisch aus Abgas und eingespritzter Reduktionsmittellösung im Übergang in den Kompensator durch das innenliegende Abschirmrohr zu leiten, sodass insbesondere unvollständig verdüste Tropfen des Reduktionsmittels auf die innere Wandung des Abschirmrohrs auftreffen und somit nicht zu unerwünschten, inwendigen Ablagerungen am Kompensator führen. Neben dieser Abschirmwirkung stellt das Abschirmrohr einen thermischen Widerstand dar, sodass die Abgaswärmeverluste beim Durchgang durch den Kompensator verringert werden. Dies birgt den Vorteil, dass der stromabwärts angeordnete SCR-Katalysator bzw. die gesamte EATS-Box insbesondere beim Kaltstart des Verbrennungsmotors eine raschere Aufwärmung auf Betriebstemperatur erfährt, wodurch die Effizienz der Abgasreinigung verbessert wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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In vorteilhafter Ausführungsform weist der in den Kompensator hineinragende Abschnitt des Abschirmrohrs eine kegelstumpfförmige Gestalt auf, d.h., dass sich der Durchmesser des Abschirmrohrs in Richtung des Abgasmassenstroms kontinuierlich verjüngt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Beweglichkeit des Kompensators, insbesondere die laterale und angulare Verformung, durch das innenliegende Abschirmrohr nicht behindert wird, d.h., dass in Betrieb des Kraftfahrzeugs keine Kollision zwischen dem Abschirmrohr und dem sich bewegenden Kompensator stattfinden kann. Beispielsweise entspricht der Innendurchmesser der Einlassöffnung des Abschirmrohrs im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Einlassöffnung des Kompensators, wobei der Innendurchmesser der Auslassöffnung des Abschirmrohrs und die Länge des in den Kompensator hineinragenden Abschnitts des Abschirmrohrs derart ausgelegt sind, dass eine zweckmäßige Optimierung vorliegt, hinsichtlich einer Maximierung der durch das Abschirmrohr abgeschirmten Oberfläche des Kompensators, einer Minimierung des Druckverlusts eines durch das Abschirmrohr durchströmenden Abgasmassenstroms, und einer Gewährleistung einer ungehinderten, d.h. kollisionsfreien Beweglichkeit des Kompensators relativ zum Abschirmrohr. Die Abmessungen des Abschirmrohrs stellen somit jeweils einen für den konkreten Anwendungsfall zweckmäßigen Kompromiss dar, wobei das Abschirmrohr insbesondere derart dimensioniert sein sollte, dass der im Abschirmrohr auftretende Druckverlust des Abgasmassenstroms möglichst gering ausfällt. Beispielsweise weist der in den Kompensator hineinragende Abschnitt des Abschirmrohrs eine Länge auf, welche 10% bis 100% der Länge des Kompensators entspricht, und/oder die Auslassöffnung des Abschirmrohrs weist einen Innendurchmesser auf, welcher 70% bis 95% des Innendurchmessers des Kompensators entspricht. Für den Druckverlust im Abgasmassenstrom ist insbesondere der Innendurchmesser der Auslassöffnung des Abschirmrohrs ausschlaggebend, sodass dieser unter Berücksichtigung der vorgenannten Randbedingungen möglichst groß dimensioniert sein sollte. In Kombination mit einem vergleichsweise kurzen Kompensator kann das Abschirmrohr im Extremfall die gesamte Länge des Kompensators überbrücken.
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Das Abschirmrohr ist beispielsweise als ein auslassseitiger Endabschnitt des Abgasrohrs ausgebildet, insbesondere kann das Abschirmrohr an die Auslassöffnung des Abgasrohrs gefügt sein, etwa mittels Lötens oder Schweißens. Alternativ kann das Abschirmrohr einteilig als ein Endabschnitt des Abgasrohrs ausgebildet sein, beispielsweise mittels Hydroforming.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgastrakts weist das Abschirmrohr einen in einen auslassseitigen Abschnitt des Abgasrohrs hineinragenden Abschnitt auf, d.h., das Abschirmrohr erstreckt sich inwendig sowohl entlang eines Abschnitts des Kompensators als auch entlang eines Abschnitts des Abgasrohrs.
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Beispielsweise ist im Bereich der Einlassöffnung des Kompensators ein umlaufender Spalt zwischen dem Abschirmrohr und dem Kompensator gebildet, derart, dass ein Teil des Abgasmassenstroms in einen Zwischenraum zwischen dem Abschirmrohr und dem Kompensator einleitbar ist. In einer solchen Ausführungsform resultiert eine stärkere Erwärmung des Abschirmrohrs aufgrund des daran außen entlangströmenden Abgases. Aufgrund der somit erhöhten Temperatur wird eine unerwünschte Kristallisation von Reduktionsmittel aus der Reduktionsmittellösung an der inneren Wandung des Abschirmrohrs reduziert.
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In einer weiteren Ausführungsform ist an der Auslassöffnung des Abschirmrohrs eine Dralldiffusorstruktur angeordnet, mittels welcher der durchströmende Abgasmassenstrom aufweitbar ist. Dies ermöglicht eine Durchmischung des durch das Abschirmrohr hindurchgeströmten Teils des Abgasstroms mit einem in den Zwischenraum zwischen dem Abschirmrohr und dem Kompensator eingeleiteten Teil, sodass nach dem vollständigen Durchlaufen des Kompensators ein homogenisiertes Gemisch aus Abgas und eingespritzter Reduktionsmittellösung in den SCR-Katalysator einströmt. Beispielsweise kann die Dralldiffusorstruktur durch schaufelförmige, einwärts gerichtete Verwirbelungskörper im Bereich der Auslassöffnung des Abschirmrohrs gebildet sein. Zudem verbessert die Dralldiffusorstruktur die Abschirmwirkung gegen unverdüste Tropfen von Reduktionsmittellösung, da es zu einer größeren Maskierung, d.h. Abdeckung des Strömungsquerschnittes kommt und somit das Austreten von Tropfen aus dem Abschirmrohr verringert wird.
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Mit weiterem Vorteil umfasst der erfindungsgemäße Abgastrakt eine Mischvorrichtung, welche stromaufwärts des Kompensators und stromabwärts der Einspritzvorrichtung angeordnet ist, und welche zur Durchmischung des Gemischs aus dem Abgasmassenstrom und der eingespritzten Reduktionsmittellösung ausgebildet ist. Die Mischvorrichtung führt insbesondere zu einer teilweisen Zerstäubung von unzureichend verdüsten Tropfen der Reduktionsmittellösung, sodass in Kombination mit der Abschirmwirkung des Abschirmrohrs ein besonders hoher Schutz des Kompensators vor inwendiger Beaufschlagung mit Reduktionsmittel resultiert. Insbesondere erzeugt die Mischvorrichtung einen Drall im strömenden Gemisch, sodass unverdüste Tropfen der Reduktionsmittellösung nach außen getragen werden und dadurch bereits innerhalb des Abschirmrohrs auf dessen innere Wandung auftreffen. Somit kann die inwendige Beaufschlagung des Kompensators mit unverdüsten Tropfen wirkungsvoll unterbunden werden. Eine geeignete Mischvorrichtung offenbart beispielsweise die Schrift
WO 2017/137032 A1 .
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher dargestellt. Es zeigt in schematischer Darstellung:
- 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Abgastrakts,
- 2a eine Querschnitts-Teilansicht eines ersten Ausführungsbeispiels,
- 2b eine Ansicht des Abschirmrohrs aus 2a,
- 3a eine Querschnitts-Teilansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels,
- 3b eine Ansicht des Abschirmrohrs aus 3a,
- 4a eine Querschnitts-Teilansicht eines dritten Ausführungsbeispiels,
- 4b eine Ansicht des Abschirmrohrs aus 4a, und
- 5 eine Ansicht eines Abschirmrohrs eines vierten Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Abgastrakts 100 für den Verbrennungsmotor 200 eines Kraftfahrzeugs umfassend das motorseitige Abgasrohr 1, den fahrgestellseitigen, in der EATS-Box 7 aufgenommenen SCR-Katalysator 2 und den dazwischen angeordneten Kompensator 3, wobei die Einspritzvorrichtung 4 zur Einspritzung einer Reduktionsmittellösung in den Abgasmassenstrom stromaufwärts des Kompensators angeordnet ist. Die Erfindung löst das Problem, dass die Funktionsfähigkeit und die Lebensdauer des Kompensators 3 durch inwendige Beaufschlagung von mittels der Einspritzvorrichtung 4 eingespritzter Reduktionsmittellösung herabgesetzt wird. Das erfindungsgemäß zur Abschirmung des Kompensators vorgesehene Abschirmrohr (in der hier dargestellten Draufsicht verdeckt) ragt auf der Einlassseite in das Innere des Kompensators 3 hinein. Weiterhin ermöglicht der erfindungsgemäße Abgastrakt 100 eine besonders schnelle Erwärmung der in der EATS-Box 7 angeordneten Komponenten, da aufgrund des Abschirmrohr die Abgaswärmeverluste am Kompensator 3 verringert werden.
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Die Mischvorrichtung 6, welche stromaufwärts des Kompensators 3 und stromabwärts der Einspritzvorrichtung 4 angeordnet ist, ist zur Durchmischung des Gemischs aus dem Abgasmassenstrom und der eingespritzten Reduktionsmittellösung ausgebildet.
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Der Abgastrakt 100 umfasst zudem beispielhaft stromaufwärts der Einspritzvorrichtung 4 einen ersten Dieseloxidationskatalysator sowie in der EATS-Box 7 einen zweiten Dieseloxidationskatalysator, einen zweiten SCR-Katalysator sowie einen Dieselpartikelfilter.
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2a, 3a und 4a zeigen jeweils Querschnitts-Teilansichten eines ersten, zweiten bzw. dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ansaugtrakts, wobei die Darstellungen das Abgasrohr 1, den Kompensator 3 und das Abschirmrohr 5 umfassen. Die vor Anhaftungen kristallisierten Reduktionsmittel zu schützende Balgstruktur des Kompensators 3 ist in den vorliegenden schematischen Darstellungen nicht dargestellt. 2b, 3b und 4b zeigen zugehörige, vereinzelte Ansichten des jeweiligen Abschirmrohrs 5.
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Das Abschirmrohr 5 ragt in den einlassseitigen Abschnitt des Kompensators 3 hinein, derart, dass der Kompensator 3 mittels des Abschirmrohrs 5 wenigstens abschnittsweise gegen inwendige Beaufschlagung mit eingespritzter Reduktionsmittellösung R abgeschirmt ist, welche im Gemisch mit dem Abgasmassenstrom A hindurchströmt. Der in den Kompensator 3 hineinragende Abschnitt des Abschirmrohrs 5 weist jeweils eine kegelstumpfförmige Gestalt mit einem sich in Stromrichtung verjüngenden Durchmesser auf. Dadurch ist ein ausreichender Freigang zur Auslenkung des Kompensators bei der Vibrationsdämpfung gewährleistet, sodass im Betrieb des zugehörigen Kraftfahrzeugs keine Kollisionen zwischen dem Kompensator und dem Abschirmrohr 5 zu besorgen sind. Insbesondere schlagen sich unvollständig verdüste Tropfen der Reduktionsmittellösung R am Abschirmrohr 5 nieder und der aus dem Abschirmrohr 5 austretende Abgasmassenstrom A führt eine fein-disperse Phase an Reduktionsmittellösung R mit, welche in der verbleibenden freien Wegstrecke durch den Kompensator 3 zu keiner signifikanten Beaufschlagung der Kompensatorwandung führt.
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Der in den Kompensator 3 jeweils hineinragende, kegelstumpfförmige Abschnitt des Abschirmrohrs 5 weist eine Länge L5 auf, welche beispielhaft knapp 50% der Länge L3 des Kompensators 3 entspricht, und die Auslassöffnung des Abschirmrohrs 5 weist einen Innendurchmesser D5 auf, welcher beispielhaft 75% des Innendurchmessers D3 des Kompensators 3 entspricht. Für die konkrete Wahl der Abmessungen des Abschirmrohrs 5 relativ zum Kompensator 3 ist ein zweckmäßiges Optimum anzustreben. Beispielsweise könnte in einer alternativen Ausführungsform mit einer größeren Länge L5 die Abschirm- und Wärmeisolationswirkung des Abschirmrohrs 5 verbessert werden, was jedoch unerwünschterweise mit einem höheren Druckverlust des durchströmenden Abgasmassenstroms A einherginge und evtl. die Beweglichkeit des Kompensators 3 unzulässig einschränkte.
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Im Ausführungsbeispiel der 2a ist das Abschirmrohr 5 auslassseitig am Abgasrohr angeordnet und beispielsweise mittels einer Schweißverbindung gehalten. In den Ausführungsbeispielen der 3a und 4a weist das Abschirmrohr 5 einen in den auslassseitigen Abschnitt des Abgasrohrs 1 hineinragenden Abschnitt auf, wobei das Abschirmrohr 5 jeweils mittels der Abstandshalter 52 am Abgasrohr 1 anliegt und dort beispielsweise mittels Schweißverbindungen gehalten ist.
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Im Ausführungsbeispiel der 2a entspricht der einlassseitige Innendurchmesser des Abschirmrohrs im Wesentlichen dem Innendurchmesser D3 des Kompensators 3 und der gesamte Abgasmassenstrom A strömt durch das Abschirmrohr 5 hindurch. Hingegen ist in den Ausführungsbeispielen der 3a und 4a im Bereich der Einlassöffnung des Kompensators 3 ein umlaufender Spalt 35 zwischen dem Abschirmrohr 5 und dem Kompensator 3 gebildet, derart, dass ein Teil des Abgasmassenstroms A in den Zwischenraum zwischen dem Abschirmrohr 5 und dem Kompensator 3 einleitbar ist. Der außerhalb des Abschirmrohrs 5 strömende Teil des Abgasmassenstroms A sorgt für eine zusätzliche Erwärmung des Abschirmrohr 5 von außen, wodurch die innere Wandung des Abschirmrohrs 5 eine höhere Temperatur aufweist, sodass dauerhafte Ablagerungen von kristallisiertem Reduktionsmittel innerhalb des Abschirmrohrs 5 verringert werden können.
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Zur weiteren zweckmäßigen Beeinflussung der Strömungs-, Druck- und Temperaturverhältnisse im Abgasmassenstrom A kann beispielsweise die Gestalt des in das Abgasrohr 1 hineinragenden Abschnitts des Abschirmrohrs 5 variiert werden. Im Ausführungsbeispiel der 3a, b ist dieser Abschnitt als ein Zylinder und im Ausführungsbeispiel der 4a, b als ein Kegelstumpf ausgebildet.
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5 zeigt ein Abschirmrohr 5 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Abgastrakt, wobei an der Auslassöffnung des Abschirmrohrs 5 die Dralldiffusorstruktur 50 durch die schaufelförmigen, einwärts gerichteten Verwirbelungskörper 51 gebildet ist. Mittels der Dralldiffusorstruktur 50 ist ein ausströmender Abgasmassenstrom aufweitbar. Die Verwirbelungskörper 51 führen zudem zu einer größeren Maskierung des Querschnitts im Bereich der Auslassöffnung, an welcher unverdüste Tropfen der Reduktionsmittellösung auftreffen und somit eine weiter verbesserte Abschirmwirkung resultiert. Das Abschirmrohr 5 umfasst die Abstandshalter 52 zur Anlage an die innere Wandung eines Abgasrohrs unter Bildung eines umlaufenden Spalts, in welchen ein Teil eines Abgasmassenstroms einleitbar ist. Durch die Wirkung der Dralldiffusorstruktur 50 erfolgt stromabwärts des Abschirmrohrs 5 eine Vermischung der durch den Spalt bzw. das Abschirmrohr geströmten Teile des Abgasmassenstroms.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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