DE19963394A1 - Vorrichtung zur Aerosolbildung und Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen - Google Patents
Vorrichtung zur Aerosolbildung und Vorrichtung zur Nachbehandlung von AbgasenInfo
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Abstract
Vorrichtung zur Aerosolbildung, mit einem Einspritzventil (1), über welches Flüssigkeit in eine Mischkammer (3) einbringbar ist, ersten Luftzufuhrmitteln (2), mittels derer aus dem Einspritzventil austretende Flüssigkeit zur Bereitstellung eines Flüssigkeits-Luft-Gemisches mit Luft beaufschlagbar ist, einer Düse (4) zur Verdichtung und Beschleunigung des Flüssigkeits-Luft-Gemisches, wobei die Düse ausgangsseitig mit einer Abrißkante (11) ausgebildet ist, an welcher eine Aerosolbildung zur Bereitstellung eines Aerosolstrahls erfolgt, mit zweiten Luftzufuhrmitteln (5, 6, 7), mittels derer das entstehende Aerosol bzw. der Aerosolstrahl mit Luft beaufschlagbar ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Aerosolbildung, insbesondere zur Verwendung im Rahmen einer
Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine unter
Verwendung eines in die Abgase einzubringenden
Reduktionsmittels, sowie eine entsprechende Vorrichtung zum
Nachbehandeln von Abgasen.
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. Üblicherweise werden
hier sogenannte SCR-Katalysatoren (engl. selective
catalytic reduction) mit Harnstoffdosiersystem und
Speicherkatalysatoren unterschieden. Die sogenannten SCR-
Katalysatoren werden mittels einer Harnstoff- und/oder
Ammoniakreduktionsmittelzufuhr regeneriert, während die
sogenannten Speicherkatalysatoren mit Kohlenwasserstoffen
des mitgeführten Brennkraftmaschinen-Brennstoffs in
sogenannten Abgasfettphasen regeneriert werden.
Aus der EP-A-0381236 ist ein System bekannt, welches zum
Entfernen von Stickoxiden in Abgasen aus einem Dieselmotor
Ammoniak als Reduktionsmittel zudosiert.
Aus der DE 42 30 056 A1 ist es 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.
An eine derartige Mischkammer schließt sich eine
Aerosolleitung bzw. ein Sprührohr an, über welches das
Aerosol einem Katalysator zudosiert wird. Für bestimmte
Anwendungen als nachteilig bei herkömmlichen Sprührohren
erweist sich, daß das durchströmende Aerosol zur Bildung
von die Wandung des Sprührohres beaufschlagenden Wandfilmen
neigt. Hierdurch entstehen relativ lange Transportzeiten
bzw. schlechten Aerosolbildungswirkungsgraden durch die
Aerosolleitung, so daß es bislang notwendig war,
Aerosolleitungen möglichst kurz zu dimensionieren, wodurch
die Gestaltungs- bzw. Anordnungsmöglichkeiten der
Abgasnachbehandlungsvorrichtung insgesamt eingeschränkt
sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einem möglichst schnellen und
wirkungsvollen Transport von Aerosol durch ein Sprührohr zu
ermöglichen, wodurch ein genaueres und zeitgerechteres
Dosieren des Aerosols sowie auch länger ausgebildete
Sprührohre möglich ist bzw. sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur
Aerosolbildung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
sowie eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer
Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.
Erfindungsgemäß ist durch die zweifache Luftzuführung
sowohl eine effektive Bildung eines Flüssigkeits-Luft-
Gemisches als auch ein rascher und effektiver
Aerosoltransport durch das Sprührohr bzw. die
Aerosolleitung möglich. Dadurch wird ein größerer Abstand
zwischen einer Mischkammer und dem Ort der
Aerosoleinbringung in einem Katalysator ermöglicht. Der
beschleunigte Aerosoltransport ermöglicht ein genaueres und
zeitgerechteres Dosieren, als dies bei herkömmlichen System
mit ausgeprägter Wandfilmbildung der Fall war. Die
Totzeiten des Systems insgesamt werden verringert und das
System weist ein dynamischeres Verhalten als herkömmliche
Systeme auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erweist sich
insbesondere bei der Aerosolbildung auf der Grundlage
kristallbildender Flüssigkeiten als vorteilhaft einsetzbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aerosolbildung sind die
zweiten Luftzufuhrmittel, durch welche das entstehende
Aerosol mit Luft beaufschlagbar ist, derart ausgebildet,
daß sie die Düse konzentrisch umgeben und eine radial
gleichmäßige Beaufschlagung des entstehenden Aerosols bzw.
des Aerosolstrahls mit Luft gewährleisten. Durch diese
Maßnahme ist ein den Aerosolstrahl radial gleichmäßig
umgebendes Luftpolster erzeugbar, welches einen besonders
raschen und effektiven Transport des Aerosols durch die
Aerosolleitung gewährleistet.
Vorteilhafterweise sind die ersten Luftzufuhrmittel derart
ausgebildet, daß sie die aus dem Einlaßventil austretende
Flüssigkeit im wesentlichen senkrecht und/oder parallel zu
deren Austrittsrichtung beaufschlagen. Durch Variation
dieser beiden Beaufschlagungsrichtungen ist eine Variation
einer sich insgesamt ergebenden Beaufschlagungsrichtung
bezüglich Stärke und Richtung möglich.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aerosolbildung
beaufschlagen die zweiten Luftzufuhrmittel das aus der Düse
austretende bzw. sich am Düsenausgang bildende Aerosol
unter einem Winkel von 0° bis 90°, insbesondere 20° bis 60°
oder 30° bis 45°. Hierdurch ist in besonders wirksamer
Weise (Vermeidung von Turbulenzen) eine Umspülung bzw.
Umströmung des Aerosols mit Luft erzielbar. Durch eine
derartige, den Aerosolstrahl umschließenden Luftstrom,
welcher wie bereits erwähnt als Luftpolster wirkt, kann das
Aerosol unter Verzögerung einer Wandfilmbildung über
weitere Strecken innerhalb einer Aerosolleitung
transportiert werden.
Durch Ausbildung einer herkömmlichen Vorrichtung zum
Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine unter
Verwendung eines in die Abgase einzubringenden
Reduktionsmittels, bei welcher in einem
Reduktionsmittelspeicher gespeichertes Reduktionsmittel
über eine Reduktionsmittelleitung, und in einem
Druckluftspeicher enthaltene Druckluft über eine
Druckluftleitung zur Erzeugung eines Reduktionsmittel-Luft-
Gemisches einbringbar sind, wobei das Reduktionsmittel-
Luft-Gemisch unter Aerosolbildung in einen Katalysator
einführbar ist, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Aerosolbildung sind die Gestaltungsmöglichkeiten einer
derartigen Nachbehandlungsvorrichtung erweitert, da
beispielsweise die Aerosolleitung zwischen Mischkammer und
Katalysator wesentlich länger ausbildbar ist als dies
bisher möglich war. Erfindungsgemäß sind Aersolleitungen
bis zu einer Länge von etwa 1 m realisierbar.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Aerosolbildung wird nun anhand der
beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten
bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Aerosolbildung,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer weiteren
bevorzugten Ausgestaltung des
Abrißkantenbereiches der im Rahmen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Düse,
Fig. 3 eine detailliertere seitliche Schnittansicht
einer weiteren Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aerosolbildung,
Fig. 4 einen Schnitt durch die Linie A-A der Fig. 3,
und
Fig. 5 einen Schnitt durch die Linie B-B der Fig. 3.
In Fig. 1 ist ein schematisch dargestelltes in einem
Gehäuse 18 vorgesehenes Einspritzventil mit 1 bezeichnet.
Mittels des Einspritzventils 1 wird Flüssigkeit über einen
Mischraum 3 in eine Düse 4 eingebracht. Über eine erste
Luftzufuhr 2 wird die aus dem Einspritzventil 1 austretende
Flüssigkeit (mittels Pfeilen 1' dargestellt) mit Luft
beaufschlagt. Die ersten Luftzufuhrmittel 2 sind hier als
im wesentlichen senkrecht zur Austrittsrichtung der
Flüssigkeit verlaufender Kanal ausgebildet. Mit den
Luftzufuhrmitteln 2 in Wirkverbindung stehende
Drucklufterzeugungsmittel sind nicht im einzelnen
dargestellt. Zusätzlich zu der Luftzufuhr über die ersten
Luftzufuhrmittel 2 ist es ebenfalls möglich, das
Einspritzventil 1 axial mit Luft zu umspülen, wie dies
mittels der Pfeile 20 veranschaulicht ist. Durch
entsprechende Variation dieser axialen Luftzufuhr und der
Luftzufuhr durch die ersten Luftzufuhrmittel 2 sind
Änderungen des die austretende Flüssigkeit tatsächlich
beaufschlagenden Luftstroms bezüglich Stärke und Richtung
in einfacher Weise durchführbar.
Die Luftzufuhr über die Luftzufuhrmittel 2 umspült das
Einspritzventil 1, und fängt eventuell am Ausgang des
Einspritzventils 1 entstehende Flüssigkeitströpfchen ab,
ohne diese zu trocknen, und nimmt den Flüssigkeitsstrahl
mit. Das hierdurch entstehende Flüssigkeits-Luft-Gemisch
wird über die Mischkammer 3 der Düse 4 zugeführt und in
dieser verdichtet und beschleunigt.
Der so gebildete Strahl tritt aus der Düse 4 aus und reißt
an einer Abrißkante 11 der Düse 4 ab, wodurch sich Aerosol
bildet.
Über zweite Luftzufuhrmittel 5 wird das entstehende Aerosol
mit Luft beaufschlagt. Die zweiten Luftzufuhrmittel 5
münden hierbei in einem die Düse 4 konzentrisch umgebenden,
eine Kammer 6 bildenden Bauteil. Die Kammer 6 ihrerseits
mündet in einem Ringspalt 7, über welchen die zugeführte
Luft auf das Aerosol gegeben wird. Der hierdurch
entstehende ringförmige Luftstrom umschließt bzw. umströmt
den Aerosolstrahl und führt ihn in eine Aerosolleitung 8.
Durch die luftpolsterartige Umschließung des Aerosolstrahls
mit Luft wird eine Filmbildung an der Wandung der
Aerosolleitung 8 verzögert bzw. verhindert. Der derart
luftumschlossene Aerosolstrahl kann in der Aerosolleitung 8
daher gegenüber herkömmlichen Leitungen weiter
transportiert werden.
In Fig. 2 sind Variationsmöglichkeiten des
Abrißkantenbereiches der Düse 4 dargestellt. Man erkennt,
daß der Strömungsquerschnitt des Flüssigkeit-Luft-Gemisches
der Düse 4 gemäß der Ausführungsform der Fig. 2 im
wesentlichen gleichförmig ausgebildet ist, während er sich
gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 kontinuierlich
verjüngt. Ferner verjüngt sich durch entsprechende
Ausbildung der Außenwandung der Düse 4 und der Wandung der
Kammer 6 der Ringspalt 7, während er bei der
Ausführungsform der Fig. 1 ohne Verjüngung ausgebildet
ist. Man erkennt in Fig. 2 ferner, daß die Abrißkante 11
im wesentlichen auf der Höhe einer Knickstelle 8a einer
konischen Erweiterung der Aerosolleitung 8 ausgebildet ist,
während die Abrißkante 11 gemäß Fig. 1 weiter in diesen
konischen Bereich hinein versetzt ausgebildet ist.
In Fig. 3 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aerosolbildung mit
weiteren Details dargestellt. Man erkennt, daß das
Einspritzventil 1, der Mischraum 3, die Düse 4 und die
Aerosolleitung 8 innerhalb eines Gehäusebauteils 18
angeordnet sind. Das Einspritzventil 1 ist unter anderem
mittels eines O-Ringes 15 in dem Gehäuse 18 festgelegt bzw.
in der Mischkammer 3 zentriert. Das Gehäuse 18 ist
seinerseits unter Verwendung von Dichtungsringen 16, 17 und
weiteren Bauteilen 18a, 18b, 18c an einem Rahmen 19
fixiert. Bei dieser Ausführungsform ist, entsprechend der
Ausführungsform der Fig. 1, der Ringspalt 7 im
wesentlichen ohne Verjüngung ausgebildet, da die
entsprechenden, einander gegenüberliegenden Wandungen des
Gehäuses 18 und der Düse 4 in diesem Bereich im
wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Bohrung 4a
der Düse 4 ist in ihren unteren Bereich, d. h. im Bereich
der Abrißkante 11, ebenfalls ohne Verjüngung ausgebildet.
Die als Drossel wirkende Bohrung 4a dient zur Umwandlung
des Druckes des Flüssigkeits-Luft-Gemisches, welches durch
Beaufschlagung der aus dem Einspritzventil 1 austretenden
Flüssigkeit mit Luft über die Luftzufuhrmittel 2 zur
Verfügung gestellt wird, in eine entsprechend erhöhte
Geschwindigkeit. Die dargestellte Ausbildung des
Ringspaltes 7 und/oder der Düsenbohrung 4a ermöglicht beim
Ausströmen des Flüssigkeits-Luft-Gemisches den sogenannten
"Wasserstrahlpumpeneffekt", dies aufgrund der am Ende der
Düsenbohrung bzw. des Ringspaltes auftretenden scharfen
Kanten, welche zu einem Aufplatzen des Luftstrahls führen.
In den Fig. 4 und 5 sind schließlich
Schnittdarstellungen der Vorrichtung der Fig. 4 entlang
den Schnittlinien A-A bzw. B-B dargestellt. In Fig. 4
erkennt man das Gehäuse 18, die Mischkammer 3 sowie die
Luftzufuhrmittel 2. Es wird deutlich, daß ein die
Luftzufuhrmittel 2 bildender Kanal im wesentlichen
tangential in dem Mischraum 3 mündet. Durch diese Maßnahme
ist insgesamt eine gleichmäßige Beaufschlagung der aus dem
Einspritzventil austretenden Flüssigkeit mit Luft
gewährleistet.
Der Fig. 5 ist zu entnehmen, daß auch die Luftzufuhr über
die zweiten Luftzufuhrmittel 5 im wesentlichen tangential
in die die Düse 4 umgebende Kammer 6 erfolgt, so daß auch
hier eine gleichmäßige Beaufschlagung des Ringspaltes mit
Luft erzielbar ist.
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Aerosolbildung, mit einem
Einspritzventil (1), über welches Flüssigkeit in eine
Mischkammer (3) einbringbar ist, ersten Luftzufuhrmitteln
(2), mittels derer aus dem Einspritzventil austretende
Flüssigkeit zur Bereitstellung eines Flüssigkeits-Luft-
Gemisches mit Luft beaufschlagbar ist, einer Düse (4) zur
Verdichtung und Beschleunigung des Flüssigkeits-Luft-
Gemisches, wobei die Düse ausgangsseitig mit einer
Abrißkante (11) ausgebildet ist, an welcher eine
Aerosolbildung zur Bereitstellung eines Aerosolstrahls
erfolgt,
gekennzeichnet durch
zweite Luftzufuhrmittel (5, 6, 7), mittels derer das
entstehende Aerosol bzw. der Aerosolstrahl mit Luft
beaufschlagbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die zweiten Luftzufuhrmittel (5, 6, 7) derart ausgebildet
sind, daß sie die Düse (4) wenigstens teilweise
konzentrisch umgeben und eine radial gleichmäßige
Beaufschlagung des entstehenden Aerosols bzw. des
Aerosolstrahls mit Luft gewährleisten.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die ersten Luftzufuhrmittel die aus dem
Einspritzventil 1 austretende Flüssigkeit im wesentlichen
senkrecht und/oder parallel zu deren Austrittsrichtung
beaufschlagen.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Luftzufuhrmittel
(5, 6, 7) das aus der Düse (4) austretende bzw. sich
bildende Aerosol unter einem Winkel von 0° bis 90°,
insbesondere 20° bis 60° oder 30° bis 45°, beaufschlagen.
5. Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer
Brennkraftmaschine unter Verwendung eines in die Abgase
einzubringenden Reduktionsmittels, insbesondere eines
Harnstoffs bzw. einer Harnstoff-Wasser-Lösung, welches
einem Katalysator zugeführt wird,
gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der
vorstehenden Ansprüche zur Bildung eines Aerosols auf der
Grundlage des eingebrachten Reduktionsmittels.
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