DE19961947A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Reduktionsmittel-Luftgemisches - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Reduktionsmittel-LuftgemischesInfo
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Abstract
Vorrichtung zur Erzeugung eines Reduktionsmittel-Luft-Gemisches mit einem Mischraum (16), in welchen Reduktionsmittel über einen Reduktionsmittelzufuhrkanal (64) und Luft über einen Luftzufuhrkanal (61) in den Mischraum (16) einbringbar ist, mit Mitteln zur Druckbeaufschlagung der Luft, derart, daß sie im wesentlichen mit Schallgeschwindigkeit durch den Luftzufuhrkanal (61) strömt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Erzeugung eines Reduktionsmittel-
Luftgemisches nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
bzw. dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Derartige Vorrichtungen bzw. Verfahren finden Verwendung im
Rahmen von Systemen zum Nachbehandeln von
Brennkraftmaschinen.
Als Folge der in den letzten Jahren stets niedriger
anzusetzenden Schadstoffgrenzwerte sind zahlreiche
Vorrichtungen und Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen
in Brennkraftmaschinen entwickelt worden. Beispielsweise
mittels Katalysatorsystemen, welche Harnstoff und/oder
Ammoniak als Reduktionsmittel zur NOx-Konvertierung
verwenden, sind effiziente Abgasnachbehandlungssysteme zur
Verfügung gestellt.
Um eine Verminderung von NOx-Bestandteilen in Abgasen zu
erzielen, wurden insbesondere für Dieselmotoren
Reduktionskatalysatoren entwickelt. Man unterscheidet
hierbei üblicherweise zwischen sogenannten SCR-
Katalysatoren (engl. selective catalytic reduction) mit
Harnstoffdosiersystem und Speicherkatalysatoren. Die SCR-
Katalysatoren werden mittels einer Harnstoff- und/oder
Ammoniakreduktionsmittelzufuhr generiert, während die
Speicherkatalysatoren mit Kohlenwasserstoffen des
mitgeführten Brennkraftmaschinen-Brennstoffs in sogenannten
Abgasfettphasen regeneriert werden.
Aus der EP-A-0381 236 ist ein System bekannt, welches zum
Entfernen von Stickoxiden in Abgasen aus einem Dieselmotor
Ammoniak als Reduktionsmittel zudosiert. Bei diesem System
ist ferner ein Turbolader vorgesehen, welcher den Druck des
Abgases senkt. Eine verwendete Harnstoff-Wasserlösung wird
mittels Druckluft zudosiert.
Aus der DE-A-44 41 261 ist eine Einrichtung zum Nachbehandeln
der Abgase einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher
die Leistung des Katalysators über eine Dosiereinrichtung
verbessert werden soll. Die Dosiereinrichtung ist als
elektromagnetisches Dosierventil ausgebildet, welches sich
mit gleicher Taktfrequenz bewegt (öffnet und schließt). Die
Dosiermenge wird durch das Tastverhältnis bei jedem Hub
(sowie durch die Druckdifferenz) definiert. Die Zugabe des
Reduktionsmittels in das Abgassystem erfolgt vorzugsweise
kennfeldabhängig, d. h. in Abhängigkeit von Menge und/oder
Zusammensetzung des Abgases.
Es ist beispielsweise aus der DE 42 30 056 A1 bekannt, ein
Aerosol auf der Grundlage eines Reduktionsmittels und
dieses beaufschlagender Druckluft in einer Mischkammer zu
erzeugen. Hierbei werden das Reduktionsmittel und die Luft
über getrennte Leitungen der Mischkammer zugeführt. Während
eines Dosiervorgangs kann es in der Mischkammer zu
Druckschwankungen und Verwirbelungen kommen, die zu einem
Rückströmen von Reduktionsmittel, beispielsweise wässriger
Harnstofflösung, in die Druckluftleitung führen können.
Während des Dosiervorganges kann es ferner zu Schwankungen
des Luftvolumenstroms kommen. Beispielsweise sinkt der
Luftvolumenstrom mit steigender Reduktionsmittel-
Einspritzmenge in die Mischkammer. Ein absinkender
Volumenstrom wirkt sich jedoch negativ auf die Vermengung
von Reduktionsmittel mit Luft, sowie auf den Transport des
Reduktionsmittels bis zu seiner Einsprühung in einen
Abgastrakt aus. Bei der Verwendung einer Harnstoff-Wasser-
Lösung kann es ferner zu einem unerwünschten
Auskristallisieren von Harnstoff im Leitungssystem kommen.
Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung einer
Reduktionsmittel-Luft-Gemischaufbereitung dahingehend, daß
Schwankungen im Luftvolumenstrom keine negativen
Auswirkungen auf ein erzeugtes Reduktionsmittel-Luft-
Gemisch haben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 11.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, die das
Reduktionsmittel beaufschlagende Luft mit einer
überkritischen Druckdifferenz bzw. Schallgeschwindigkeit
durch den Luftzufuhrkanal zu leiten, kann die in eine
Mischkammer einströmende Luftmenge in bestimmten
Druckbereichen unabhängig von einem in dem Mischraum
herrschenden Druck konstant gehalten werden, insofern die
auftretende Druckdifferenz größer ist als die für die
vorliegenden Bedingungen (Temperatur usw.) geltende
kritische Druckdifferenz der Drossel. Durch die hohe
Strömungsgeschwindigkeit wird auch ein Auskristallisieren
beispielsweise von Harnstoff vermindert bzw. in einem
stabilen Zustand gehalten. Als besonders vorteilhaft
erweist sich, daß ein unerwünschtes Zurückströmen von
Reduktionsmittel in den Luftzufuhrkanal wirksam unterbunden
wird. Ferner wirkt der mit hoher Geschwindigkeit strömende
Luftstrahl als Spray und sorgt für eine effektive
Beaufschlagung des Reduktionsmittels und insbesondere für
eine sehr gleichmäßige Wandfilmbildung.
Zur Gewährleistung der erfindungsgemäßen Maßnahme, daß die
Luft mit Schallgeschwindigkeit durch den Luftzufuhrkanal
strömt, ist dieser derart ausgeführt, daß die an dem
Luftzufuhrkanal anliegende Druckdifferenz überkritisch ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Reduktionsmittel-
Zufuhrkanal als in einer Mischkammergehäusebohrung
angeordnete Düse, und der Luft-Zufuhrkanal als die Düse
konzentrisch umgebender Ringspalt zwischen Düse und Wandung
der Mischkammergehäusebohrung ausgebildet. Diese
konzentrische Ausbildung von Luftzufuhr und
Reduktionsmittelzufuhr ist klein bauend und erweist sich in
der Praxis als robust und zuverlässig.
Zweckmäßigerweise ist ein in den Mischraum mündender
Endabschnitt des Ringspaltes in Strömungsrichtung der Luft
sich erweiternd ausgebildet. Diese Maßnahme führt in dem
Endabschnitt des Ringspaltes zu einer Verzögerung der
einströmenden Luft, welche sich günstig auf die Mischung
der Luft mit dem Reduktionsmittel auswirkt. Durch eine
derartige Erweiterung des Endabschnitts können Turbulenzen
bei der Reduktionsmittel-Luft-Vermengung vermindert werden
und das Auskristallisieren verhindert werden.
Es ist bevorzugt, daß der Endabschnitt sich gleichmäßig
unter Einschluß eines Mischraum/Düsenwinkels zwischen
Wandung und Düse von 10° bis 30° erweiternd ausgebildet
ist. Eine derartige Dimensionierung gewährleistet besonders
geringe Turbulenzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weist diese Halterungsmittel zur Halterung der
Düse in der Mischkammergehäusebohrung auf. Mit derartigen
Halterungsmitteln ist eine genaue Positionierung der Düse
innerhalb der Mischkammergehäusebohrung erzielbar.
Zweckmäßigerweise weisen die Halterungsmittel
Zentriernoppen auf, mittels derer ein Zentrieren der Düse
in der Mischkammerbohrung in einfacher Weise realisierbar
ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der
Halterungsmittel weisen diese Stützstege auf. Durch diese
Maßnahme ist die Ringspaltdüse in voneinander getrennte
Düsenfelder zwischen den jeweiligen Stützstegen
unterteilbar. Hierdurch ist eine besonders gute Führung des
Luftstrahls und gleichzeitig eine genaue Zentrierung der
Reduktionsmitteldüse erzielbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Stützstege sind
diese strahl- bzw. schraubenlinienförmig ausgebildet.
Hierdurch kann der strömenden Luft eine Drallbewegung
aufgezwungen werden. Ein so erzeugter Luftdrall verbessert
die Vermengung der Luft mit dem Reduktionsmittel.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Luftzufuhrkanal
wenigstens eine im Gehäuse einer den
Reduktionsmittelzufuhrkanal enthaltenden Düsenwandung
ausgebildete Bohrung auf. Eine derartige Bohrung ist in
einfacher Weise dimensionierbar, so daß eine gewünschte
Druckbeaufschlagung zur Gewährleistung der
Schallgeschwindigkeit der strömenden Luft erzielbar ist.
Zweckmäßigerweise ist die wenigstens eine Bohrung
wenigstens teilweise strahl- bzw. schraubenlinienförmig
ausgebildet. Mittels dieser Maßnahme ist die bereits
erwähnte Beaufschlagung der strömenden Luft mit einem Drall
erzielbar.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die einzelnen
Figuren beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine blockschaltbildartige Ansicht eines
Harnstoff-Dosiersystems, bei welchem die
erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das
erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft einsetzbar
sind.
Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht einer bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 2 mittels
eines Kreises markierten Bereiches,
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der
Fig. 3,
Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Schnittansicht
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung
gemäß Fig. 5,
Fig. 7a eine der Fig. 6 entsprechende perspektivische
Ansicht einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig. 7b eine der Fig. 4 oder 5 entsprechende
Schnittansicht der Ausführungsform der Fig. 7a,
Fig. 7c eine weitere Ansicht der Ausführungsform gemäß
Fig. 7a,
Fig. 8a eine der Fig. 4 oder 5 entsprechende
Schnittansicht einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, und
Fig. 8b eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung
gemäß Fig. 8, und
Fig. 8c eine weitere Ansicht der Ausführungsform der
Fig. 8a, 8b entlang der Schnittlinie A-A der
Fig. 8a.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Harnstofftank bezeichnet, aus
welchem Harnstoff-Wasser-Lösung über eine Leitung 1a mit
einem Rückschlagventil 2 und einem als Filtersieb
ausgeführten Filter 3 von einer Förderpumpe 4 angesaugt und
über ein weiteres Rückschlagventil 6 zu einem Dosierventil
7 einer Mischkammer 8 gefördert wird. Das Dosierventil 7
dosiert die erforderliche Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung
in einen Mischraum bzw. Diffusor, welcher in den Fig. 2
und 3 mit 16 bezeichnet ist. Eine eventuell auftretende
Überstrommenge der Harnstoff-Wasser-Menge ist über einen
Druckregler 5 in den Harnstofftank 1 zurückführbar.
Mit 20 ist ferner ein Druckluftbehälter bezeichnet, aus
welchem Druckluft über eine Druckluftleitung 24 mit einem
Druckbegrenzer 21, einem 2/2-Wegeventil 22 und einem
Rückschlagventil 23 in die Mischkammer 8 einbringbar ist.
Durch Vorsehen des Rückschlagventils 23 kann ein
Rückströmen eines Reduktionsmittel-Luft-Gemisches aus der
Mischkammer in die Druckluftleitung 24 verhindert werden.
In der Mischkammer 8 wird unter Beaufschlagung der
Harnstoff-Wasser-Lösung mittels der Druckluft ein Aerosol
erzeugt, welches über eine Aerosolleitung 25 in einen
Katalysator 30 eingebracht wird. Ein Steuergerät 40 erfaßt
hierbei Signale, die von einem übergeordneten
Motorsteuergerät über eine CAN-Datenleitung 41 empfangen
werden, sowie die Signale von Druck-, Temperatur- bzw.
Füllstandssensoren 50 bis 55, deren Funktionsweise an sich
bekannt ist und hier nicht weiter erläutert wird. Das
Steuergerät 40 berechnet aus diesen Informationen eine
Harnstoff-Dosiermenge, welche einem den Katalysator 30
durchströmenden Abgas zugegeben werden soll.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 wird nun eine
erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, welche einen Teil der Mischkammer 8 bildet,
beschrieben.
Die über die Druckluftleitung 24 in die Mischkammer
eingebrachte Druckluft tritt über einen Ringraum 60 in
einen Ringspalt 61 ein, welcher zwischen der Wandung 62a
einer Mischkammerbohrung 62 und einer in dieser
konzentrisch angeordneten Düse 63 definiert ist. Die Düse
63 ist mittig mit einer Bohrung 64 ausgebildet, über welche
Harnstoff-Wasser-Lösung in den Mischraum 16 einspritzbar
ist. Ferner wird die den Ringspalt 61 durchströmende Luft
in den Mischraum 16 eingebracht. In dem Ringraum 60
herrscht ein Luftdruck P1, in dem Mischraum 16 ein
Luftdruck P2. Erfindungsgemäß sind der Ringspalt 41 und der
Mischraum 16 derart dimensioniert bzw. ist das
Luftzufuhrsystem 20, 21, 22, 23, 24 derart ausgebildet, daß
die Luft den Ringspalt 61 mit Schallgeschwindigkeit
durchströmt, d. h. die Druckdifferenz ΔP = P1-P2 ist
überkritisch. Beispielhaft sei angegeben, daß bei einer
Druckdifferenz ΔP von größer als 1,5 bar eine
Querschnittsfläche von etwa 0,6 mm2 für den Ringspalt 61
gewählt werden kann. Bei derartigen Strömungsverhältnissen
ist der aus dem Ringspalt 61 austretende Luftstrom durch
den vorgegebenen Spaltquerschnitt definiert. In bestimmten
Druckbereichen kann somit unabhängig vom Eingangsdruck,
d. h. dem in dem Mischraum 16 herrschenden Druck P2, die
den Ringspalt 61 durchströmende Luftmenge konstant gehalten
werden. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit wird ferner
ein Auskristallisieren von Harnstoff vermindert bzw. in
einem stabilen Zustand gehalten. Das Zurückströmen von
Harnstoff-Wasser-Lösung durch den Ringspalt in die
Luftseite des Systems wird ebenfalls wirksam unterbunden.
Insbesondere in Fig. 3 ist erkennbar, daß der Ringspalt 61
mit einem gleichmäßig sich erweiternden Endabschnitt 61a
ausgebildet ist. Man erkennt einen zwischen der Wandung 62
und der Düse 63 ausgebildeten Winkel α, welcher
vorzugsweise 10° bis 30° beträgt. Durch eine entsprechende
Wahl dieses sogenannten Diffusor/Düsen-Winkels kann die
Turbulenz bei der Harnstoff-Wasser-Lösung/Luftvermengung
verringert werden und das Auskristallisieren von Harnstoff
vermindert werden.
Zur exakten konzentrischen Anordnung der Düse 63 bezüglich
der Mischkammerbohrungswandung 62 kann die Düse 63 mit
Zentriernoppen 66 ausgebildet sein, wie in der
Schnittansicht der Fig. 4 veranschaulicht.
In den Fig. 5 und 6 ist eine weitere bevorzugte
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Man erkennt, daß hier die als Halterungsmittel
dienenden Zentriernoppen durch Stützstege 67 ersetzt sind.
Diese Stützstege sind einstückig mit der Wandung der Düse
63 verbunden. Die Düse 63 stützt sich hierbei mittels der
Stützstege 67 in der Mischkammerbohrung 62 ab. Der
Ringspalt wird somit in einzelne Düsenfelder 161 zwischen
den einzelnen Stegen unterteilt. Durch diese Maßnahme ist
es möglich, den Luftstrahl in günstiger Weise zu führen und
gleichzeitig eine genaue Zentrierung der Düse 63 zu
gewährleisten. Die Stützstege können auch strahlförmig bzw.
schraubenlinienförmig auf dem Gehäuse der Düse 63
angeordnet sein, wie dies in Fig. 7a anschaulich
dargestellt ist. Die dort mit 67a bezeichneten Stützstege
weisen gegenüber der Längsrichtung der Düse einen mit β
bezeichneten Winkel auf. Durch diese Maßnahme kann der
strömenden Luft eine Drallbewegung aufgezwungen werden,
wodurch die Vermengung der Luft mit Harnstoff-Wasser-Lösung
günstig beeinflußbar ist. Eine der Fig. 5 entsprechende
Ansicht dieser Ausführungsform ist in Fig. 7b dargestellt.
Es sei angemerkt, daß die Stützstege 67a als verschraubte
Stege ausgebildet sein können. Eine weitere Ansicht dieser
Ausführungsform ist in Fig. 7b dargestellt (Draufsicht).
Man erkennt hier besonders gut den schrägen Verlauf der
Stützstege 67a bezüglich der im wesentlichen rohrförmigen
Erstreckung der Düse.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 8a, 8b und 8c wird
schließlich eine weitere bevorzugte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Hier ist eine
mit einem zentralen Harnstoff-Wasser-Lösungszulauf 164
ausgebildete Düse insgesamt mit 163 bezeichnet. Anstelle
eines Ringspaltes, wie er bei den bisher beschriebenen
Ausführungsformen vorgesehen war, wird die Luft über
Bohrungen 165, welche den Zulauf 164 konzentrisch umgebend
in dem Gehäuse der Düse vorgesehen sind, in einen Mischraum
eingeführt. Auch bei dieser Ausführungsform können die
Luftleitungen 165 bezüglich der Haupterstreckungsrichtung
der Düse bzw. der Richtung des Harnstoff-Wasser-
Lösungszulauf 164 einen Winkel aufweisen, welcher in Fig.
8b schematisch mit γ bezeichnet ist. Durch diese Maßnahme
ist es ebenfalls möglich, eine Drallbewegung der strömenden
Luft zu schaffen. Durch die Maßnahme, die Luft über
derartige Bohrungen 165 in den Mischraum zu leiten, ist es
ebenfalls in einfacher Weise möglich, einen mit
Schallgeschwindigkeit strömenden Luftstrom zur Verfügung zu
stellen. Der Durchmesser der Bohrungen 165 ist hierbei so
gewählt, daß bei überkritischer Druckdifferenz eine
Strömung der Luft mit Schallgeschwindigkeit herbeigeführt
werden kann.
Claims (11)
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Reduktionsmittel-Luft-
Gemisches mit einem Mischraum (16), in welchen
Reduktionsmittel über einen Reduktionsmittelzufuhrkanal
(64, 164), und Luft über einen Luftzufuhrkanal (61, 165) in
den Mischraum (6) einbringbar ist,
gekennzeichnet durch
Mittel (20, 21, 22, 23, 24, 60, 61, 16, 165) zur
Druckbeaufschlagung der Luft derart, daß sie im
wesentlichen mit Schallgeschwindigkeit durch den
Luftzufuhrkanal (61, 165) strömt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Reduktionsmittelzufuhrkanal (64, 164) als in einer
Mischkammergehäusebohrung (62) angeordnete Düse (63) und
der Luftzufuhrkanal als die Düse (63) konzentrisch
umgebender Ringspalt (61) zwischen Düse und der Wandung
(62a) der Mischkammergehäusebohrung (62) ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
ein in den Mischraum (16) mündender Endabschnitt (61a) des
Ringspaltes (61) in Strömungsrichtung der Luft sich
erweiternd ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Endabschnitt (61a) sich gleichmäßig unter Einschluß
eines Mischraum/Düsenwinkels (α) zwischen Wandung und Düse
von 10° bis 30° erweiternd ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
gekennzeichnet durch Halterungsmittel zur Halterung der
Düse in der Mischkammergehäusebohrung.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Halterungsmittel Zentriernoppen (66) aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Halterungsmittel Stützstege (67)
aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stützstege (67) strahl- bzw. schraubenlinienförmig
ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Luftzufuhrkanal wenigstens eine in einem Gehäuse einer
den Reduktionsmittelzufuhrkanal (164) enthaltenden
Düsenwandung ausgebildete Bohrung (165) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die wenigstens eine Bohrung (165) wenigstens teilweise
strahl- bzw. schraubenlinienförmig ausgebildet ist.
11. Verfahren zur Erzeugung eines Reduktionsmittel-Luft-
Gemisches in einem Mischraum, bei welchem Reduktionsmittel
über einen Reduktionsmittelzufuhrkanal, und Luft über einen
Luftzufuhrkanal in den Mischraum eingebracht wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Luft im wesentlichen mit
Schallgeschwindigkeit durch den Luftzufuhrkanal strömt.
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