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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Hintergrund
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Ein Weg zur Verringerung der Emission von Stickoxiden aus Dieselmotoren besteht in einer Technik, die als SCR (selektive catalytische Reduktion, Selective Catalytic Reduction) bekannt ist, durch die eine wässrige Lösung von Harnstoff in einer spezifischen Dosis den Abgasen in der Abgasleitung eines Dieselmotors zugeführt wird. Die Harnstofflösung kann derart in die Abgasleitung gesprüht werden, dass sie fein zerteilt wird, bevor sie durch Kontakt mit den heißen Abgasen verdampft und Ammoniak gebildet wird. Die Mischung aus Ammoniak und Abgasen durchläuft dann einen Katalysator, in dem die Stickoxide in den Abgasen zu Stickstoffgas und Wasserdampf reduziert werden. Mit der korrekten Dosierung von Harnstoff kann die Emission der Stickoxide durch den Dieselmotor in großem Maße verringert werden.
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Die Harnstofflösung kann mittels eines Einspritzsystems zugeführt werden, das sich in die Abgasleitung erstreckt. Das Einspritzsystem umfasst einen oder mehrere Auslässe, durch den oder die die Harnstofflösung in die Abgasleitung eingespritzt wird. Während eines Großteils des Betriebszustands eines Dieselmotors befinden sich die Abgase bei einer Temperatur, die hoch genug ist, um die Harnstofflösung zu verdampfen, so dass Ammoniak gebildet wird. Es ist jedoch schwierig zu verhindern, dass ein Teil der zugeführten Harnstofflösung in Kontakt mit der Innenwandfläche der Abgasleitung gelangt und in einem unverdampften Zustand an der Innenwandfläche anhaftet. Die Abgasleitung, die oft in Kontakt mit der Umgebungsluft steht und durch diese gekühlt wird, hat eine niedrigere Temperatur als die Abgase, die in der Abgasleitung vorhanden sind. Wird ein Verbrennungsmotor für eine Zeitspanne auf eine gleichmäßige Art und Weise betrieben, wird die Dosierung konstant, mit dem Ergebnis, dass die Harnstofflösung während der Spanne im Wesentlichen auf den gleichen Bereich der Abgasleitung auftrifft. Dies bedeutet, dass die eingespritzte Harnstofflösung lokal in diesem Bereich zur Abkühlung der Abgasleitungswand beiträgt, was die Situation weiter verschlechtert. Die Temperatur kann somit lokal in diesem Bereich auf unter 100°C abgesenkt werden, was zur Bildung eines Films von Harnstofflösung führt, der durch den Abgasstrom mitgerissen wird. Nach einem bestimmten Abstand wird das Wasser in der Harnstofflösung durch Sieden verschwinden, wodurch fester Harnstoff zurück bleibt, der langsam durch die Wärme verdampft wird. Ist die Zuführung von festem Harnstoff größer als die Verdampfung, dann tritt eine Ansammlung von Harnstoff in der Abgasleitung auf. Der Harnstoff kann in eine Anzahl verschiedener Stoffe zerfallen, die weiter miteinander und ebenso mit weiterem Harnstoff reagieren können, der aus den Abgasen zugeführt wird. Das Ergebnis besteht in harnstoffbasierten primitiven Polymeren, die Schichten auf der Innenseite der Abgasleitung bilden. Derartige Schichten können mit der Zeit eine Abgasleitung blockieren.
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Die vielen Faktoren, die die Bildung von Harnstoffklumpen beeinflussen, können näherungsweise in Abgaseigenschaften, Wandeigenschaften und Sprüheigenschaften unterteilt werden. Beispiele der Abgaseigenschaften sind die Temperatur, die Zusammensetzung und die Strömung. Beispiele der Wandeigenschaften sind die thermische Leitfähigkeit des Wandmaterials, die Außentemperatur zu einem gegebenen Zeitpunkt und die Oberflächenfeinkörnigkeit. Die Sprüheigenschaften umfassen unter anderem die Tropengrößenverteilung, den Sprühwinkel, die Geschwindigkeit, die Temperatur, die Dosierungsrate und die Dichte der Flüssigkeit. Auslegungsfaktoren, wie der Einspritzort und der Einspritzwinkel relativ zu den Abgasen und der Düsenaufbau sind natürlich ebenso involviert.
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Zuvor vorgeschlagene Lösungen für das vorstehend beschriebene Problem umfassen verschiedene Möglichkeiten sicherzustellen, dass der Harnstoff besser zerlegt wird, indem er als Düsenstrahl auf ein Gitter gerichtet wird, wie in der
EP 1 748 162 beschrieben.
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Eine andere Lösungsvariante ist in der
EP 1 781 908 beschrieben, durch die die Einspritzung in einem thermisch isolierenden Rohr derart stattfindet, dass kein Risiko vorliegt, dass die eingespritzten Düsenstrahlen auf kalte Oberflächen in der Abgasleitung treffen.
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Eine weitere Variante, die in der
WO 2006/084551 beschrieben ist, verwendet ein Einspritzsystem mit einem Drehdüsenelement, das derart gewinkelt ist, dass die Düse durch die Reaktionskräfte gedreht werden kann, die durch die Einspritzung entstehen. Damit diese Drehung so effektiv wie möglich ist, müssen die Düsen in großen radialen Abständen von ihrem Drehmittelpunkt angeordnet werden. Diese Position befindet sich nahe den Abgasleitungswänden, die eben die Bereiche sind, die es zu vermeiden gilt.
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Ein Aspekt, der den bekannten Lösungen gemein ist, besteht in den verschiedenen Arten und Weisen, in denen sie verschiedene Komponenten involvieren, die nahe den Einspritzern angeordnet werden müssen, was die Vorrichtungen mehr oder weniger teuer werden lässt. In bestimmten Fällen sind ebenso eine regelmäßige Inspektion und Wartung erforderlich, was die Kosten weiter erhöht.
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Aufgabe der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung liegt in dem Bereitstellen einer Vorrichtung, die die existierenden Probleme im Stand der Technik löst. Die Erfindung sieht insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erhöhen der Turbulenz während der Einspritzung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung vor, so dass das Problem von Harnstoffklumpen in der Abgasleitung abgemildert wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung werden diese Aufgaben durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Das Lösen von Kohlendioxid in dem Reduktionsmittel führt dazu, dass das Kohlendioxid danach strebt, sich selbst freizusetzen, wenn das Reduktionsmittel in die Abgasleitung eingespritzt wird. Das Kohlendioxid hilft somit bei der Erzeugung einer turbulenten Strömung, die das Reduktionsmittel über eine größere Oberfläche streut. Diese turbulente Strömung führt dazu, dass große Tropfen von Reduktionsmittel zerstäubt werden und eine größere Geschwindigkeit erlangen. Des Weiteren wird die Kühlwirkung, die auftritt, wenn das Reduktionsmittel die Abgasleitung trifft, weniger deutlich zu Tage treten, wenn die Strömung turbulent ist, und es wird ein geringeres Risiko vorliegen, dass nicht verdampftes Reduktionsmittel an den Wänden der Abgasleitung anhaftet. Das Ergebnis besteht darin, dass sich die Verdampfung des Reduktionsmittels sich erhöht, wenn Kohlendioxid zugeführt wird.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kohlendioxidquelle mit dem Reduktionsmitteltank verbunden, so dass kein Bedarf für einen getrennten Behälter für das Kohlendioxid besteht, und die Vorrichtung somit weniger Raum einnehmen wird. Da moderne Fahrzeuge viele Komponenten umfassen, ist die Knappheit an Raum ein häufig auftretendes Problem.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kohlendioxidquelle mit der Leitung verbunden, durch die das Reduktionsmittel von dem Tank zu dem Einspritzsystem befördert wird. Der Vorteil besteht darin, dass lediglich die Menge an Reduktionsmittel, die auf einmal der Abgasleitung zugeführt wird, unter Druck gesetzt wird. Dies ermöglicht ein Regulieren der Menge an Kohlendioxid in dem Reduktionsmittel auf eine genauere Art und Weise und verringert das Risiko der unrichtigen Dosierung von Kohlendioxid.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Kohlendioxid der Leitung unter Druck zugeführt, was den Bedarf für eine separate Komponente in Form einer Pumpe verringert.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Pumpe an der Leitung vorgesehen, um den Druck in der Leitung zu erhöhen und bei der Erzeugung der gewünschten turbulenten Strömung zu helfen.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Reduktionsmittel Harnstoff.
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Die vorstehend beschriebenen Aufgaben werden ebenso durch einen Verbrennungsmotor gelöst, der mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung versehen ist, und durch ein Fahrzeug, das einen derartigen Motor umfasst.
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Liste der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch ein Fahrzeug mit einem Motor gemäß der Erfindung;
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2 zeigt schematisch ein Detail einer Abgasleitung mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
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2a zeigt schematisch ein Detail eines Einspritzsystems gemäß der Erfindung;
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3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
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4 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung; und
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5 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt ein Fahrzeug 100, das mit einem Verbrennungsmotor 101 gemäß der Erfindung ausgestattet ist. Das gezeigte Fahrzeug ist ein Lastkraftwagen, aber die Erfindung kann ebenso bei anderen Arten von Fahrzeugen angewendet werden, zum Beispiel Baufahrzeugen oder Bussen. Die Erfindung kann ebenso bei freistehenden Motoren angewendet werden, zum Beispiel in Notstromaggregaten oder bei Motoren von Wasserfahrzeugen.
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2 zeigt schematisch einen Teil einer Abgasleitung 10 für einen Verbrennungsmotor 101 gemäß der Erfindung. Diese Abgasleitung umfasst eine Biegung 10a, bei der das Risiko der Ansammlung von nicht verdampftem Reduktionsmittel besteht. Die Abgasleitung führt in einen Katalysator 12, in dem schädliche Stoffe in den Abgasen umgewandelt werden. Das Reduktionsmittel wird der Abgasleitung 10 über ein Einspritzsystem 23 zugeführt.
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Das Einspritzsystem 23 ist detailliert in 2a gezeigt. Das Reduktionsmittel 22 wird in dieses Einspritzsystem über eine Leitung 21 zugeführt. Es wird unter Druck in das Einspritzsystem zugeführt. Ein üblicher Druck liegt zwischen 3,3 und 3,8 bar. Dieser Druck kann durch den Tank 20 (vgl. 3) erreicht werden, in dem das Reduktionsmittel unter Druck gespeichert wird, oder durch eine (nicht gezeigte) Pumpe, die an der Leitung 21 zwischen dem Tank 20 und dem Einspritzsystem 23 vorgesehen ist. In 2a wird die Dosierung des Reduktionsmittels mittels komprimierter Luft 40 (vgl. 3) über eine Kompressionsluftleitung 41 unter Druck gesetzt. Der Druck der komprimierten Luft beträgt etwa 8 bar, kann aber, abhängig von der Dosierung des Reduktionsmittels zu jenem Zeitpunkt, ebenso etwa 4 bar betragen. Eine Steuereinheit 35 dosiert das Reduktionsmittel auf der Grundlage des Betriebszustands des Motors zu dem Zeitpunkt und stellt den Druck der komprimierten Luft gemäß der Dosierung zu dem Zeitpunkt ein, so dass die Emissionen aus dem Motor so gering wie möglich sind.
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Das Einspritzsystem 23 umfasst eine Düse 24 mit Auslässen in Form kleiner Löcher 25. Es gibt verschiedene Arten und Weisen zum Aufbau dieser Löcher, abhängig von der Art der Strömung, die gewünscht wird. Es ist zum Beispiel möglich, ein einzelnes kegelförmiges Loch zur Zuführung des Reduktionsmittels zu verwenden. Die Löcher können auf der Seite der Düse gelegen sein, wie in 2a gezeigt, sie können aber ebenso auf deren Endfläche 26 angeordnet sein, die ebenso kegelförmig und mit Löchern versehen sein kann. Die Düse kann ebenso mit einer (nicht gezeigten) Wirbelkammer versehen sein. Da der Aufbau der Düse lediglich einer der Faktoren ist, die in die Bildung von Harnstoffklumpen involviert ist, müssen ebenso andere Faktoren bei der Wahl der Düse in Betracht gezogen werden.
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Wenn das Reduktionsmittel die Düse passiert, nimmt der Druck schnell ab, und es wird ein Nebel aus Tropfen gebildet. Es ist erwünscht, dass diese klein sind, da das Reduktionsmittel dann schneller zu einem gewünschten Verbundstoff umgewandelt wird. Ist das Reduktionsmittel zum Beispiel Harnstoff, dann werden die Tropfen unter anderem in Ammoniak umgewandelt. Kleinere Tropfen weisen ebenso einen kleineren Impuls auf, was es für sie leichter macht, der Gasströmung nachzufolgen und die Wände des Abgasrohrs 10 weiter hinten zu treffen, als dies größere Tropfen tun würden. Größere Tropfen führen dazu, dass die Verdampfung des Reduktionsmittels länger dauert und zu einem größeren Risiko von festen Ablagerungen von Reduktionsmittel an den Abgasleitungswänden. Sie bewegen sich ebenso mit kleinerer Geschwindigkeit, was für die Verdampfung des Reduktionsmittels nicht von Vorteil ist.
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Das Reduktionsmittel 22 kann in Wasser gelöster Harnstoff sein, zum Beispiel AdblueTM, das einen Harnstoffgehalt von 32,5% aufweist.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Druckbehälter 29 mit Kohlendioxid ist mit der Leitung 21 verbunden, sodass das Reduktionsmittel, das die Einspritzeinrichtung 23 erreicht, darin gelöstes Kohlendioxid aufweisen wird. Der Behälter 29 kann zum Beispiel eine Kohlendioxidkartusche sein. Die Zuführung von Kohlendioxid wird durch die Steuereinheit 35 gesteuert. Es ist ebenso denkbar, dass eine getrennte Steuereinheit die Zuführung von Kohlendioxid steuern kann, oder dass eine andere Steuereinheit an Bord des Fahrzeugs 100 die Zuführung von Kohlendioxid steuern kann, z. B. die Steuereinheit des Motors 101.
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Das Kohlendioxid wird dem Reduktionsmittel unter einem Druck von zwischen 7,5 und 8,5 bar, insbesondere 8 bar zugesetzt. Die Konzentration von Kohlendioxid in dem Reduktionsmittel hängt von der Temperatur ab. Da die Temperatur der Bestandteile des Systems variiert, variiert die Konzentration von Kohlendioxid in dem Reduktionsmittel ebenso. Ein höherer Druck birgt in sich das Risiko, eine Trennung zwischen Gas- und Flüssigphase zu verursachen, was die korrekte Dosierung schwierig gestalten würde, wohingegen ein niedrigerer Druck das Risiko in sich birgt, nicht genügend Turbulenz in dem Reduktionsmittel zu erzeugen.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Fall wird Kohlendioxid der Kompressionsluftleitung 41 anstelle der Reduktionsmittelleitung 21 zugesetzt. Dieses Ausführungsbeispiel involviert weniger Modifikationen an einem existierenden System und ist deshalb in der Implementierung leichter und kostengünstiger.
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5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem das Kohlendioxid direkt dem Tank 20 zugesetzt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird der gesamte Tank 20 unter Druck gesetzt. Er kann zum Beispiel durch Gas unter Druck gesetzt werden, z. B. Kohlendioxid, das dem Tank unter hohem Druck zugeführt wird. Hier ist wieder ebenso denkbar, eine (nicht gezeigte) Pumpe an der Leitung 21 vorzusehen, um die Turbulenz des Reduktionsmittels zu erhöhen.
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Die Erfindung ermöglicht somit eine sehr turbulente Strömung, wenn ein Reduktionsmittel in eine Abgasleitung eingespritzt wird, indem dem Reduktionsmittel Kohlendioxid zugesetzt wird. Die turbulente Strömung führt zu kleineren Tropfen von Reduktionsmittel und dazu, dass sie eine größere Geschwindigkeit aufweisen, was das Risiko der Bildung von Harnstoffklumpen an den Abgasleitungswänden und folglich eine Blockierung der Abgasleitung verringert.
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Die Erfindung ist in keiner Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele eingeschränkt, da viele Möglichkeiten für Modifikationen wahrscheinlich für den Durchschnittsfachmann offensichtlich sind, ohne von dem Grundkonzept der Erfindung abzuweichen, das in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
