DE60122886T2

DE60122886T2 - Urea-injektor im gehaeuse eines abgas - turboladers

Info

Publication number: DE60122886T2
Application number: DE60122886T
Authority: DE
Inventors: Lucas Megas; Lennart Zander; Lennart Andersson; Mats Holmqvist
Original assignee: Volvo Lastvagnar AB
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 2000-06-14
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2021-06-09
Also published as: WO2001096718A1; JP2004503706A; SE0002229L; JP4659330B2; US6883308B2; EP1295016A1; DE60122886D1; BR0111705A; SE516624C2; AU2001264507A1; US20040103643A2; EP1295016B1; BR0111705B1; US20030230072A1; SE0002229D0

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere auf eine Brennkraftmaschine, bei welcher der Grad der Emission an Stickoxiden an die Umgebung durch die Einspritzung von Karbamid in das Auspuffrohr gesenkt wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Fahrzeug, das einen derartigen Motor umfasst.
Stand der Technik
Diesel- und Benzinmotoren, die für einen Betrieb im mageren Bereich ausgelegt sind und als Motoren mit magerer Verbrennung bezeichnet werden, weisen gute Eigenschaften auf, wenn es um die Wirtschaftlichkeit von Kraftstoff geht, jedoch erzeugen sie im Normalbetrieb Teilchen und Stickoxide, Nox. Eine Reihe bereits bekannter Verfahren kann dazu eingesetzt werden, die Menge an NO_x in den Abgasen zu verringern. Der Verbrennungsvorgang lässt sich mit Hilfe eines wiederholten Umlaufs der Abgase oder durch Einleitung eines Kühlmittels in Form von Wasser in die Brennkammern herunterkühlen. Diese Prozesse werden dazu herangezogen, die Bildung von NO_x in dem Verbrennungsvorgang zu verringern. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Menge an NO_x-Gasen in den Abgasen zu verringern, die sich bereits gebildet haben. Ein Verfahren zur Verringerung des NO_x-Gehalts, der in Abgasen auftritt, besteht darin, NO_x in einem selektiven reduzierenden Katalysator zu verringern, wobei die Reduktion von NO_x unter dem Einfluss von Karbamid abläuft. Dementsprechend wird zu diesem Zweck Karbamid in das Auspuffrohr der Brennkraftmaschine eingespritzt, woraufhin in einer Reaktionskammer die Reaktion abläuft.
Ein Beispiel für eine Vorrichtung zur NO_x-Verminderung in einer Brennkraftmaschine wird in der Vorveröffentlichung WO98/43732 beschrieben. Um eine hohe Wirksamkeit der eingespritzten Menge an Karbamid, bezogen auf die Menge an NO_x, das in dem Auspuffrohr vorhanden ist, zu erzielen, ist es erforderlich, dass die eingespritzte Karbamidmenge gründlich mit den Abgasen vermischt wird. Dies ist von besonderer Bedeutung, da die Zeit der Einwirkung im Inneren des Auspuffrohres infolge der vergleichsweise hohen Durchströmmenge durch die Anlage kurz ist. Bei der Vorrichtung, die in dem vorstehend genannten Dokument offenbart wird, wird Karbamid auf der Anströmseite einer Turbine eingespritzt, die sich in dem Auspuffrohr befindet, um so eine gründliche Durchmischung der Abgase und des Karbamids zu erreichen.
Die US-Patentschrift 4635590 A offenbart eine Brennkraftmaschine, die Kolben mit einem Turbolader aufweist, wobei die Turbine ein Gehäuse (4) aufweist und das Gehäuse eine durchgehende Öffnung für die Turbinenwelle besitzt. Das Gehäuse umfasst abströmseitig vom größten Durchmesser des Turbinenrades eine Nebeleinspritzdüse, welche in das Turbinengehäuse einspritzt.
Infolge der Positionierung der Einspritzstelle auf der Anströmseite der Turbine strömt das eingespritzte Karbamid durch das gesamte Turbinengehäuse und dementsprechend auch in der Nähe der Drehwelle des Turbinenrades, das in Lagern in einem Gehäuse angebracht ist, welches das Turbinenrad umschließt. Die Drehwelle ist dabei in Lagern in einer durchgehenden Öffnung in dem Gehäuse angebracht. Wenn das Karbamid durch diese durchgehende Öffnung hindurchströmt, besteht die Gefahr, dass Karbamid in die Lagerbaugruppe der Drehwelle in dem Gehäuse eindringt, da der Druck im Inneren des Gehäuses höher ist als der Druck in der Umgebung. Da Karbamid sehr reaktionsfreudig und aggressiv ist, besteht die Gefahr, dass das Karbamid die Qualität der Lagerbaugruppe sowie der Dichtungen und des Schmiermittels, die darin vorhanden sind, beeinträchtigt.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welcher Karbamid in das Auspuffrohr der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wobei eine gründliche Vermischung von Karbamid mit den Auspuffgasen mit Hilfe von einem zumindest teilweisen Durchlass durch eine Turbinenstufe vorgesehen ist, und wobei die Gefahr verringert wird, dass die Qualität der Lagerbaugruppe, der Dichtungen und des Schmiermittels für eine Drehwelle eines Turbinenrades, das in der Turbinenstufe enthalten ist, beeinträchtigt wird. Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Brennkraftmaschine gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Mittels der Anordnung einer Einspritzdüse zum Einspritzen von Karbamid in das Gehäuse, welches das in der Turbinenstufe enthaltene Turbinenrad umschließt, wird die Einspritzung in einer solchen Position ermöglicht, dass die Gefahr einer Beeinträchtigung der Qualität der Lagerbaugruppe, der Dichtungen und des Schmiermittels für die Drehachse verringert wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Einspritzdüse in der Kammer angeordnet, welche das Turbinenrad umschließt, vorzugsweise auf der Abströmseite des größten Durchmessers des Turbinenrades. Durch Anordnung der Einspritzstrahldüse innerhalb eines Bereichs, in dem der statische Druck niedriger als der statische Druck an der durchgehenden Öffnung für die Drehwelle ist, wird die Gefahr, dass die durchgehende Öffnung der Einwirkung des Karbamids ausgesetzt ist, noch weiter verringert.
Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist außerdem die Einspritzstrahldüse in dem Turbinengehäuse an einer Position angeordnet, an der ein mittlerer Einspritzweg nicht an der durchgehenden Öffnung vorbei führt. Dies bedeutet, dass die Einspritzstrahldüse auf der Anströmseite des größten Durchmessers des Turbinenrades angeordnet werden kann, und dass der statische Druck an der Einspritzstrahldüse den statischen Druck an der durchgehenden Öffnung für die Turbinenwelle übersteigen kann, aber dass der Weg der Teilchen für das eingespritzte Karbamid mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht an der durchgehenden Öffnung vorbeiführt, wobei eine Verringerung der Einwirkung des Karbamids auf die durchgehende Öffnung erreicht wird und das Risiko gesenkt wird, dass die Qualität der Lagerbaugruppe, der Dichtungen und des Schmiermittels beeinträchtigt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung ausführlicher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung zeigt;
2 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs I in 1 darstellt, und
3 eine vereinfachte zweidimensionale Abbildung des Drucks an verschiedenen Positionen im Inneren des Turbinengehäuses ist.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
1 stellt eine Brennkraftmaschine 1 in schematischer Ansicht dar. Die Brennkraftmaschine 1 wird vorzugsweise von einem Dieselmotor, alternativ einem Benzinmotor, gebildet, der für den Betrieb im mageren Bereich ausgelegt ist und somit einen so genannten Motor mit magerer Verbrennung darstellt. Ein Einlasskrümmer 2 ist für die Luftzufuhr zum Motor an die Brennkraftmaschine angeschlossen. Des Weiteren ist mit den Auslassschlitzen der Brennkraftmaschine 1 ein Auspuffrohr 3 verbunden. Die Brennkraftmaschine 1 ist von herkömmlicher Bauart; aus diesem Grund werden die übrigen Bauelemente, die für den Betrieb des Motors erforderlich sind, hier nicht in weiteren Einzelheiten beschrieben.
Mit dem Auspuffrohr 3 ist ein Turbinengehäuse 4 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Auspuffrohr 3 kann als Flanschverbindung 5 ausgelegt werden, wodurch das Turbinengehäuse 4 und das Auspuffrohr 3 verbunden werden. Dementsprechend weist das Turbinengehäuse eine Einlassöffnung 6 und eine Auslassöffnung 7 auf, die mit einem Auspuffrohr verbunden ist. Eine Kammer 8, in welcher ein Turbinenrad 9 angeordnet ist, befindet sich zwischen der Einlassöffnung 6 und der Auslassöffnung. Das Turbinenrad 9 stützt sich auf einer Drehwelle 10 ab, die sich durch eine durchgehende Öffnung 11 in dem Turbinengehäuse 4 hindurch erstreckt.
2 stellt ein Ausführungsbeispiel der Lagerbaugruppe der Drehwelle 10 in der durchgehenden Öffnung 11 in größeren Einzelheiten dar. Der Mündungsöffnung der durchgehenden Öffnung 11 in die Kammer 8 am nächsten ist ein Dichtungselement 12 angeordnet, welches ein Austreten aus der Kammer 8 in die Umgebung verhindert. Zusätzlich zu der zuvor erwähnten Beeinträchtigung der Qualität des Schmiermittels in der Lagerbaugruppe der Drehwelle 10 führt ein Austreten in dem Auspuffrohr auch zu einem Energieverlust, da in dem Auspuffrohr ein Druckverlust auftritt, ohne dass die Möglichkeit besteht, die Energie in den Auspuffgasen zurück zu gewinnen. In einer Richtung zur Mündungsöffnung der durchgehenden Öffnung 11 in die Kammer 8 hin liegt das Dichtungselement 12 gegen eine Erhebung 13 an, die in dem Gehäuse 4 angeordnet ist. Das Ende des Dichtungselements, das von der Mündungsöffnung weg weist, liegt gegen ein Abstandshalterelement 14 an, das durch einen Abschnitt einer Lagerbaugruppe 15 gebildet werden kann. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Lagerbaugruppe von einem herkömmlichen einfachen Lager 15 gebildet, das mittels einer Sicherungsscheibe 17 gesichert wird, die in einer Nut 18 angeordnet ist.
Außerdem ist das Turbinengehäuse 4 erfindungsgemäß mit einer Öffnung 19 einer Einspritzdüse 20 versehen, um Karbamid in das Turbinengehäuse 4 einzuspritzen, während sich der Motor 1 in einem vorgegebenen Betriebszustand befindet. Um zu überprüfen, dass die Einspritzung in korrekter Weise erfolgt, ist die Einspritzdüse 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Steuereinheit 21 verbunden, über welche ein Satz Eingangskanäle 22 Informationen über einschlägige Fahrzeug- oder Motordaten wie zum Beispiel die Belastung, die Motordrehzahl, die Motortemperatur, usw. erhält. Die Steuereinheit ist von einer an sich bereits bekannten Art und wird deshalb hier nicht in weiteren Einzelheiten beschrieben.
Außerdem handelt es sich bei der Einspritzdüse 20 um einen bereits bekannten Düsentyp; sie kann wie bei der in 1 dargestellten Düse einen Kolben 24 aufweisen, der im Inneren eines Zylinders 23 angeordnet ist. Der Kolben 24 unterteilt den Zylinder in einen ersten Abschnitt, der einer Öffnung 25 zugewandt ist und zusammen mit einem Kanal einer in dem Turbinengehäuse 4 ausgebildeten durchgehenden Öffnung einen Kanal bildet, welcher in der Öffnung 19 endet, sowie in einen zweiten Abschnitt, welcher Einrichtungen 28 aufweist, um das in dem ersten Abschnitt enthaltene Karbamid unter Druck zu setzen, wobei die Einspritzung des Karbamids in das Turbinengehäuse 4 veranlasst wird. Es ist günstig, wenn die Einspritzdüse 20 dadurch mit dem Turbinengehäuse 4 verbunden wird, dass ein (hier nicht dargestelltes) Außengewinde auf der Einspritzdüse in eine Vertiefung mit einem Innengewinde eingeschraubt wird, das sich in dem Turbinengehäuse 4 befindet. Eine Zuführleitung 26, welche einen Karbamidbehälter 27 mit dem ersten Abschnitt des Zylinders 23 verbindet, ist so angeordnet, dass sie dem ersten Abschnitt des Zylinders 23 Karbamid zuführt. Mit Hilfe der Einrichtung 28 zur Druckbeaufschlagung des Karbamids in dem ersten Abschnitt des Zylinders 23, der auf den Kolben 24 einwirkt, presst der Kolben Karbamid in das Turbinengehäuse 4. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Einspritzdüse 20 von einem Ein-/Aus-Ventil gebildet, welches einen Einlassschlitz öffnet und schließt, der in das Turbinengehäuse 4 führt. Es ist möglich, zur Druckbeaufschlagung des Karbamids eine herkömmliche Pumpe anzuordnen, um so dessen Beförderung in das Turbinengehäuse 4 zu ermöglichen.
Des Weiteren ist die Einspritzstrahldüse erfindungsgemäß in dem Turbinengehäuse angeordnet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich die Einspritzstrahldüse in der Kammer 8, welche das Turbinenrad umschließt. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Einspritzstrahldüse auf der Abströmseite des größten Durchmessers des Turbinenrades 9 platziert. Infolge dieser Positionierung wird der Durchtritt von Karbamid in die durchgehende Öffnung 11 im Turbinengehäuse 4 für die Drehwelle 10 schwieriger, wobei eine Qualitätseinbuße an der Lageranordnung, an den Dichtungen und Schmiermitteln verringert wird, die in der Durchführung angeordnet sind.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel spritzt die Einspritzdüse in die Kammer innerhalb eines Bereichs ein, in dem der statische Druck niedriger ist als der statische Druck an der durchgehenden Öffnung für die Drehwelle. Aufgrund dieser Positionierung wird die Beeinträchtigung der durchgehenden Öffnung durch das Karbamid noch weiter verringert.
Bei einem noch anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung spritzt die Einspritzdüse in das Gehäuse von einer Position aus ein, von welcher aus ein mittlerer Einspritzweg nicht an der durchgehenden Öffnung vorbeiführt. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff „mittlerer Einspritzweg" auf den Weg, den ein Teilchen, das eine bestimmte kinetische Energie und Bewegungsrichtung aufweist, nimmt, wenn es in den Abgasstrom eingeleitet wird. Da der Strom Turbulenzen aufweist, ist der Weg nicht in jedem Fall identisch. Dementsprechend bezieht sich der „mittlere Einspritzweg" auf den Weg, den die eingeleiteten Teilchen im Durchschnitt nehmen. Mit dem Ausdruck „nicht an der durchgehenden Öffnung der Drehwelle vorbeiführt" ist gemeint, dass ein Teilchenweg durch eine Grenzschicht führt, welche die durchgehende Öffnung dort umgibt, wo die Wahrscheinlichkeit eines Durchtritts durch die durchgehende Öffnung in die Lageranordnung der Drehwelle hoch ist. Diese Grenzschicht ist vergleichsweise dünn und liegt in der Größenordnung von 1 bis 10 mm.
3 stellt ein vereinfachtes Diagramm des statischen Drucks durch das Turbinengehäuse hindurch dar. Der statische Druck p ist dabei eine Funktion einer transformierten Koordinate z in Längsrichtung, die ihren Nullwert an der Einlassöffnung 6 des Turbinengehäuses aufweist und an der Auslassöffnung 7 des Turbinengehäuses den Wert z₁ besitzt. Selbstverständlich tritt auch in radialer Richtung der Turbine eine Druckänderung auf, die jedoch vernachlässigt wird, um hier eine einfache Darstellung der Druckänderung wiederzugeben. Der statische Druck an der durchgehenden Öffnung 11 für die Drehwelle 10 beträgt p(z₂). Die Einspritzstrahldüse kann an unterschiedlichen Positionen in dem Turbinengehäuse angeordnet werden, zum Beispiel an der Position z_m1, wo der statische Druck den statischen Druck an der durchgehenden Öffnung übersteigt, oder an der Position z_m2, wo der statische Druck niedriger ist als der statische Druck an der durchgehenden Öffnung. Soll die Einspritzstrahldüse an der Position z_m1 angeordnet werden, d.h. an einer Stelle, wo der statische Druck den statischen Druck an der durchgehenden Öffnung übersteigt, ist die Einspritzdüse vorzugsweise zur Abströmseite hin ausgerichtet, wobei die Gefahr einer Einwirkung des Karbamid auf die durchgehende Öffnung verringert wird. Soll die Einspritzstrahldüse abströmseitig weit weg angeordnet werden, wo die Gefahr einer Einwirkung von Karbamid sehr gering ist, zum Beispiel an der Position z_m3, so kann die Einspritzstrahldüse nach oben gerichtet werden, um so den Grad der Vermischung von Karbamid mit den Auspuffgasen zu verbessern. In dieser Hinsicht sollte die anfängliche Geschwindigkeit des eingespritzten Karbamids in der Weise angepasst werden, dass ein mittlerer Einspritzweg nicht an der durchgehenden Öffnung 11 vorbei führt.

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit einem Auspuffrohr (3), einem mit dem Auspuffrohr (3) verbundenen Turbinengehäuse (4), das eine Einlassöffnung (6), eine Auslassöffnung (7), eine in dem Turbinengehäuse (4) zwischen der Einlassöffnung (6) und der Auslassöffnung (7) gebildete Kammer (8) aufweist, in welcher ein Turbinenrad (9) drehbar auf einer Drehwelle (10) angeordnet ist, welche in dem Gehäuse (4) in Lagern (15) angebracht ist und sich durch eine durchgehende Öffnung (11) in die Kammer (8) erstreckt, sowie mit einem Karbamidvorrat (27) und einer Einspritzdüse (20) zum Einspritzen des Karbamids in die von der Brennkraftmaschine gebildeten Abgase bei Betrieb der Brennkraftmaschine (1) in einem vorgegebenen Betriebszustand, wobei die Einspritzdüse (20) mit dem Karbamidvorrat (27) verbunden ist, wobei die Einspritzdüse (20) das Karbamid in das Turbinengehäuse (4) einspritzt.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (20) in die Kammer (8) einspritzt.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (20) auf der Abströmseite des größten Durchmessers des Turbinenrades (9) in die Kammer (8) einspritzt.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (20) innerhalb eines Bereichs in die Kammer (8) einspritzt, in dem der statische Druck niedriger ist als der statische Druck an der durchgehenden Öffnung (11) für die Drehwelle (10).
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (20) in das Gehäuse (4) von einer Position aus einspritzt, von welcher aus ein mittlerer Einspritzweg nicht an der durchgehenden Öffnung (11) vorbei führt.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse in das Turbinengehäuse (4) an einer Position einspritzt, an welcher der statische Druck höher ist als der statische Druck an der durchgehenden Öffnung (11), und dass die Einspritzdüse (20) zur Abströmseite hin gerichtet ist, wodurch die Gefahr der Einwirkung von Karbamid an der durchgehenden Öffnung (11) verringert wird.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (20) in das Turbinengehäuse (4) an einer Position einspritzt, an welcher der statische Druck niedriger ist als der statische Druck an der durchgehenden Öffnung (11), wobei die Einspritzdüse (20) zur Anströmseite hin gerichtet ist, und wobei die Einrichtung zur Druckbeaufschlagung des Karbamids dazu vorgesehen ist, an das eingespritzte Karbamid eine kinetische Energie abzugeben, die geringer ist als ein Grenzwert, bei dem das Karbamid nicht an der durchgehenden Öffnung (11) vorbei strömen kann.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) aus einem Kolbenmotor besteht.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenmotor aus einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung besteht.
Fahrzeug, welches eine Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.