WO2007122036A1 - Einbauteil zur montage in einem abgasstrang - Google Patents

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WO2007122036A1
WO2007122036A1 PCT/EP2007/052109 EP2007052109W WO2007122036A1 WO 2007122036 A1 WO2007122036 A1 WO 2007122036A1 EP 2007052109 W EP2007052109 W EP 2007052109W WO 2007122036 A1 WO2007122036 A1 WO 2007122036A1
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static mixer
reducing agent
channel
exhaust line
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PCT/EP2007/052109
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Joerg Lange
Sabine Meiser
Guenter Keusen
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Robert Bosch Gmbh
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    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]

Definitions

  • the invention relates to a fitting for mounting in an exhaust system according to the preamble of independent claim 1.
  • the reducing agent should evaporate as completely as possible, so that no drops impinge in the catalyst, as a result of which the reduction agent conversion can be worsened and the desired temperature increase can no longer be achieved. It should be avoided that fuel is supplied in the form of a rivulet, since application of liquid fuel can lead to local overheating, damage and accelerated aging of an oxidation catalytic converter. However, due to physical constraints, it is not always possible to optimize atomization of the reductant such that the resulting droplets are small enough, ie, the quality of the spray and the homogeneity of the reductant exhaust gas mixture in the exhaust pipe section are high enough to be on the way completely evaporate to the catalyst.
  • FIG. 1 shows a known component designed as a flap mixer 4, which is mounted between a metering module 3 for metering in a reducing agent 6 and a catalyst, not shown, in an exhaust gas line 1 of an internal combustion engine. While small drops of the reducing agent 6 follow the exhaust gas flow 5 and usually evaporate before reaching the catalyst, so that a reducing agent vapor-exhaust gas mixture 7 is formed, larger drops are due to their inertia in built-in parts in the exhaust line 1, such as the static mixer.
  • reducing agent accumulations 8 can arise, which have a low surface area and, moreover, can not evaporate quickly enough at the comparatively cool tube wall 2.
  • the dissipated heat of evaporation causes a further reduction in the temperature of the liquid reducing agent accumulation 8 and the tube wall 2.
  • the liquid reducing agent accumulation 8 flow to the catalyst and damage the catalyst.
  • Another disadvantage of this puddle evaporation of the reducing agent is the poor homogeneity of the resulting reducing agent vapor-exhaust gas mixture 7. This is due to the fact that in the lower half of the tube much reducing agent is present and in the upper half of the tube but little reducing agent is present, so that in short time in which the reduction of the reaction mixture-exhaust gas mixture flow 7 reaches the catalyst, without further measures, no good mixing is to be expected.
  • German Offenlegungsschrift 2 340 483 describes a static mixer which can be used in a line for mixing a fluid flowing through it.
  • the described static mixer is designed as a grate with short passageways whose walls are inclined by the grate in rows in opposite directions with respect to the main flow direction so that the flow in adjacent rows is deflected in opposite directions.
  • the fitting according to the invention for mounting in an exhaust line with the features of independent claim 1 has the advantage that an evaporator module is present, which comprises a first static mixer arranged in the inlet region and at least one axially extending to the exhaust line evaporator channel.
  • the first static mixer which is designed, for example, as a flap mixer, causes a flow deflection and a drop separation of large drops. From the first static mixer, the separated large drops of the liquid reducing agent do not flow to the tube bottom of the exhaust line, but advantageously into the at least one evaporator channel aligned with the exhaust line.
  • the at least one evaporator channel is hotter than the tube wall of the exhaust line and has approximately the temperature of the exhaust gas, which advantageously accelerates the evaporation of the reducing agent.
  • the amount of reducing agent can be distributed over several levels, as a result of which a significantly increased surface area for the evaporation of the reducing agent is advantageously available.
  • the evaporator module preferably has only a few contact points to the pipe wall of the exhaust line and is mounted for example on webs, so that only a little heat energy can flow to the cooler pipe wall of the exhaust line.
  • the at least one evaporator channel is arranged directly behind the first static mixer, so that the deposited in the static mixer liquid reducing agent can not drip onto the pipe wall of the exhaust line.
  • the at least one evaporator channel has, for example, a square or rectangular cross section.
  • the dimensions of the at least one evaporator channel are adapted in an advantageous manner to the boundary conditions in the exhaust system, which include, for example, the reducing agent flow rate, the exhaust gas temperature and the exhaust gas mass flow, etc.
  • the boundary conditions in the exhaust system include, for example, the reducing agent flow rate, the exhaust gas temperature and the exhaust gas mass flow, etc.
  • the evaporator module comprises a plurality of evaporator channels, which are delimited, for example, by vertically arranged segments as channel walls and horizontally arranged segments as channel bottoms.
  • the vertical segments and the horizontal segments are designed to be plugged together by means of appropriately inserted slots to form the channels.
  • the vertical and horizontal segments may have different widths depending on the mounting position.
  • the horizontal segments may comprise end pieces that are mutually bent up or down to form the static mixer.
  • the evaporator module can be designed as an evaporator tube arranged axially in the exhaust gas line, in the inlet region of which the first static mixer is arranged.
  • the separated liquid reducing agent collects in the inner, hotter evaporator tube and can evaporate there faster than at the tube wall of the exhaust line.
  • the evaporation takes place closer to the tube axis.
  • an edge in the outlet region of the evaporator tube is bent inwards in order to protrude for a short time.
  • This constriction can be carried out so that where the two partial flows of the exhaust flow recombine, which include the exhaust gas flow in the evaporator tube and the exhaust gas flow in a bypass channel between the evaporator tube and the outer wall of the exhaust line, the exhaust gas velocity both in the evaporator tube and in the Bypass channel have their maximum. This promotes reducing agent evaporation and the breakage of droplets from the liquid film at the exit edge of the evaporator tube.
  • a second static mixer is arranged in the outlet region of the evaporator module in order to promote the turbulence of the reducing agent vapor-exhaust gas mixture and to compensate for the flow rectifying or flow-calming effect of the at least one evaporator channel.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal sectional view of an Aus-section of a conventional exhaust line of an internal combustion engine with a metering module for metering a reducing agent.
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal sectional illustration of a section of an exhaust gas line of an internal combustion engine with a metering module for metering in a reducing agent and a first exemplary embodiment of a built-in part according to the invention for installation in the exhaust gas line.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of the installation part according to the invention along the line AA from FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the integrated component according to the invention along the line B-B from FIG. 2.
  • FIG. 5 shows a schematic longitudinal sectional view of a section of an exhaust line of an internal combustion engine with a metering module for metering in a reducing agent and a second exemplary embodiment of a built-in part according to the invention for mounting in the exhaust gas line.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a horizontal segment of the installation part according to the invention from FIG. 5.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a vertical segment of the installation part according to the invention from FIG. 5.
  • FIG. 8 shows a schematic longitudinal sectional illustration of an outline of an exhaust gas line of an internal combustion engine with a metering module for metering in a reducing agent and a third exemplary embodiment of a built-in part according to the invention for installation in the exhaust gas line.
  • a first exemplary embodiment of a fitting for mounting in an exhaust line 1 of an internal combustion engine which is arranged between a metering module 3 for metering in a reducing agent 6 and a catalyst, not shown, comprises an evaporator module 10, which has a housing Inlet region arranged first static mixer 11 and a plurality of axially extending to the exhaust line 1 evaporator channels 12 includes.
  • the static mixer 11 may for example be designed as a flap mixer.
  • the multiple evaporation Fender channels 12 are arranged directly behind the elements of the first static mixer 11 and have a substantially rectangular, preferably square cross-section, as shown in FIG. 3 can be seen.
  • the drops of the reducing agent deposited on the elements of the first static mixer 11 do not run to the tube bottom 2 of the exhaust line 1, but into the evaporator channels 12.
  • the amount of reducing agent is distributed in this way on several levels, whereby a significantly enlarged surface for the evaporation of the reducing agent 6 is available.
  • this newly created surface is also hotter than the tube wall 2 of the exhaust line 1 and has approximately the temperature of the exhaust stream 5, whereby the evaporation of the reducing agent 6 is accelerated.
  • the components 14, 15 of the evaporator module 10 are connected only at a few contact points with the pipe wall 2 of the exhaust line 1 and stored, for example on webs not shown, so that only a little heat energy can flow to the cooler pipe wall 2 of the exhaust line 1.
  • the dimensions of the evaporator channels 12, e.g. the length L, can be adapted to the prevailing boundary conditions in the exhaust line 1, as e.g. By adjusting the amount of reducing agent, the exhaust gas temperature, the exhaust gas mass flow, etc.
  • By adjusting the evaporator channels 12 according to the invention to the exhaust gas 2 no significant additional pressure loss is generated in an advantageous manner, since no flow deflection takes place through the evaporator channels 12 and the free pipe cross section of the exhaust line 1 only Is reduced significantly, as shown in Fig. 3 can be seen.
  • a second exemplary embodiment of a fitting for mounting in an exhaust line 1 of an internal combustion engine which is arranged between a metering module 3 for metering in a reducing agent 6 and a catalyst (not shown), analogously to the first embodiment.
  • an evaporator module 10 ' which, in addition to the first static mixer 11 arranged in the inlet region and the several evaporator channels 12 extending axially to the exhaust line 1, comprises a second static mixer 13 arranged in the outlet region of the evaporator module 10'.
  • the second static mixer 13 is for example also designed as a flap mixer.
  • the plurality of evaporator channels 12 are disposed directly between the elements of the first static mixer 11 and the elements of the second static mixer 13.
  • the additional second static mixer 13 promotes the turbulence of the reducing agent vapor-exhaust gas mixture 7 and compensates for the Strömungs Dermatde or flow-calming effect of the evaporator channels 12.
  • the additional second static mixer 13 can be installed when the boundary conditions in the exhaust line 1 through the additional pressure loss allow the second static mixer 13.
  • FIGS. 6 and 7 show embodiments of components 14, 15 of the evaporator module 10, 10 '.
  • Fig. 6 shows segments 15 to be arranged horizontally
  • Fig. 7 shows segments 14 to be arranged vertically.
  • the segments 14 to be arranged vertically have slots 16 and form channel walls of the evaporator channels 12 of the evaporator module 10, 10 '.
  • the segments 15 to be arranged horizontally form channel bottoms of the evaporator channels 12 of the evaporator module 10, 10 'and likewise have slots 18, which are inserted into the slots 16 of the segments 14 to be arranged vertically to form the evaporator channels 12.
  • the vertical and / or horizontal segments 14, 15 may have different widths depending on the installation position in the exhaust line 1. As further shown in FIG.
  • the horizontally arranged segments 15 have end pieces 17 at the beginning and at the end, which are mutually bent upwards or downwards to form the first and second static flap mixers 11, 13, as shown in the sectional view as shown in FIG. 4 can be seen. If the evaporator module 10 is implemented only with the first static mixer 11, then the End pieces 17 only at the beginning of the horizontal segment 15 available. If the evaporator module 10 'is implemented with the first and the second static mixers 11, 13, the end pieces 17 are present at the beginning and at the end of the horizontal segment 15.
  • a third exemplary embodiment of a built-in component for mounting in an exhaust line 1 of an internal combustion engine, which is arranged between a metering module 3 for metering in a reducing agent 6 and a catalyst, not shown, comprises an evaporator module 10 ", which is shown as axially in FIG In the inlet region 21 of the evaporator tube 20, the first static mixer 11 is arranged, which is adjoined by an evaporator channel 22 and which, analogously to the first and second embodiments, is likewise designed as a flap mixer
  • the precipitated droplets of the reducing agent 6 form a liquid reducing agent accumulation 8 in the inner, hotter evaporator tube 20 and can evaporate there faster than at the Wa
  • the diameter of the evaporator tube 20 and the flap mixer 11 is not chosen too large, so that the pressure loss remains low and there is a sufficiently large distance to the cooler flow near the outer wall 2 of the exhaust line 1.
  • the total cross sections for the evaporator tube 20 and bypass channels 26 are made, for example, the same size. However, the evaporator tube cross-section is designed so large that most of the reducing agent spray jet 6 impinges in the inlet region 21 of the evaporator tube 20.
  • An inwardly bent edge 24 in the outlet region 23 of the evaporator tube 20 has the advantage that short-term excess reductant quantities are dammed up there, so that a certain buffer effect exists.
  • this constriction can be carried out so that where the two partial flows of the exhaust gas stream 5 converge again, the gas velocities both in the evaporator tube 20 and in the bypass channel 26 have their maximum. This promotes the reducing agent evaporation and the break-off of droplets from the liquid film at the exit edge 24 of the evaporator tube 20.
  • the embodiments of the installation part according to the invention for mounting in an exhaust line of an internal combustion engine advantageously reduce the admission of a catalyst with liquid reducing agent and at the same time homogenize the distribution of the reducing agent in the exhaust pipe cross section.
  • the first static flap mixer ensures the inertial separation of large drops. From each flap, the liquid reducing agent flows into at least one immediately adjoining, with the exhaust pipe aligned evaporator channel. By the at least one evaporator channel creates an evaporation surface, which is significantly larger and / or hotter than the pipe wall of the exhaust line.
  • the fitting according to the invention for mounting in an exhaust line of an internal combustion engine can be used, for example, for introducing diesel fuel (hydrocarbons, HC) into the exhaust gas line of a diesel engine.
  • the built-in part according to the invention can also be used for introducing other reducing agents, e.g. for introducing a urea-water solution for the operation of an SCR catalyst (Selective Catalyitc Reduction Catalyst).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Einbauteil zur Montage in einem Abgasstrang (1) einer Verbrennungskraftmaschine, welches zwischen einem Dosiermodul (3) zum Zudosieren eines Reduktionsmittels (6) und einem Katalysator angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist ein Verdampfermodul (10) vorgesehen, welches einen im Einlassbereich angeordneten ersten statischen Mischer (11) und mindestens einen axial zum Abgasstrang (1) verlaufenden Verdampferkanal (12) umfasst.

Description

Beschreibung
Einbauteil zur Montage in einem Abgasstrang
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Einbauteil zur Montage in einem Abgasstrang nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Bei der Abgasnachbehandlung ist es bekannt, flüssige Reduktionsmittel in den Abgastrakt eines Motors zu dosieren. Die dabei auftre- tenden Probleme werden nachfolgend für das Beispiel der Zudosie- rung von Dieselkraftstoff (HydroCarbons, HC) in den Abgastrakt eines Dieselmotors beschrieben, können jedoch auch auf andere eingesprühte Reduktionsmittel übertragen werden, wie z.B. auf eine Harnstoff-Wasser-Lösung für den Betrieb eines SCR-Katalysators. Die Einbringung eines Reduktionsmittels wie Dieselkraftstoff erfolgt beispielsweise, um Kohlenwasserstoffe in einem Oxidationskatalysa- tor (DOC) zu verbrennen und auf diese Weise die für eine Regeneration eines Russpartikelfilters notwendige Temperatur zu erreichen, oder ein "fettes" Abgas zu erzeugen, um einen NOx- Speicherkatalysator zu regenerieren.
Das Reduktionsmittel sollte dabei möglichst vollständig verdampfen, so dass keine Tropfen im Katalysator auftreffen, wodurch der Reduktionsmittelumsatz verschlechtert werden kann und der erwünschte Temperaturhub nicht mehr erreicht werden kann. Es sollte vermieden werden, dass Kraftstoff in Form eines Rinnsals zugeführt wird, da eine Beaufschlagung mit flüssigem Kraftstoff zu lokalen Überhitzungen, Schädigungen und beschleunigter Alterung eines Oxidationska- talysator führen kann. Aufgrund physikalischer Randbedingungen ist es jedoch nicht immer möglich, eine Zerstäubung des Reduktionsmittels derart zu optimieren, dass die resultierenden Tröpfchen klein genug sind, d.h. die Qualität des Sprühnebels und die Homogenität der Reduktionsmittel- Abgas-Mischung im Abgasrohrquerschnitt hoch genug sind, um auf dem Weg zum Katalysator vollständig zu verdampfen. Häufig steht nicht genügend Zerstäubungsenergie, d.h. Reduktionsmitteldruck, zur Verfügung und die Spritzlöcher einer Düse dürfen aufgrund der Vorgaben, wie z.B. hoher Reduktionsmittelmassenstrom und hohe Verkokungsresistenz, nicht beliebig klein ausgeführt werden. Daher sind Zusatzmaßnahmen erforderlich, um den Katalysator zu schützen und bessere Reduktionsmittelumsätze zu erreichen.
Fig. 1 zeigt ein bekanntes als Klappenmischer 4 ausgeführtes Ein- bauteil, welches zwischen einem Dosiermodul 3 zum Zudosieren eines Reduktionsmittels 6 und einem nicht dargestellten Katalysator in einem Abgasstrang 1 einer Verbrennungskraftmaschine montiert ist. Während kleine Tropfen des Reduktionsmittels 6 der Abgasströmung 5 folgen und in der Regel noch vor Erreichen des Katalysators verdampfen, so dass ein Reduktionsmitteldampf-Abgas-Gemisch 7 entsteht, werden größere Tropfen aufgrund ihrer Trägheit an Einbauteilen im Abgasstrang 1 , wie z.B. dem statischen Mischer 4 abgeschieden, und das flüssige Reduktionsmittel läuft an den Einbauteilen herab und bildet eine Reduktionsmittelansammlung 8. Aber auch ohne Einbauteile im Abgasstrang 1 kann es zur Entmischung des Reduktionsmitteldampf-Abgas-Gemisches 7 bzw. zur Abscheidung von Reduktionsmitteltropfen an einer Rohrwand 2 des Abgasstrangs 1 kommen, sei es durch einen zu hohen Einsprühimpuls oder durch Strömungsumlenkungen in Rohrbögen. So können Reduktionsmittel- ansammlungen 8 entstehen, die eine geringe Oberfläche besitzen und zudem an der vergleichsweise kühlen Rohrwand 2 nicht rasch genug verdampfen können. Zudem bewirkt die abgeführte Verdampfungswärme eine weitere Reduzierung der Temperatur der flüssigen Reduktionsmittelansammlung 8 und der Rohrwand 2. Je nach Ein- baubedingungen kann die flüssige Reduktionsmittelansammlung 8 bis zum Katalysator fließen und den Katalysator beschädigen. Ein weiterer Nachteil dieser Pfützenverdampfung des Reduktionsmittels ist die schlechte Homogenität des resultierenden Reduktionsmitteldampf-Abgas-Gemisches 7. Dies kommt dadurch zustande, dass in der unteren Rohrhälfte viel Reduktionsmittel vorhanden ist und in der oberen Rohrhälfte aber nur wenig Reduktionsmittel vorhanden ist, so dass in der kurzen Zeit, in welcher die Reduktionsmittedampf-Abgas- Gemischströmung 7 den Katalysator erreicht, ohne weitere Maßnahmen keine gute Durchmischung zu erwarten ist.
In der deutschen Offenlegungsschrift 2 340 483 wird ein in eine Leitung einsetzbarer statischer Mischer zur Durchmischung eines hindurchströmenden Fluids beschrieben. Der beschriebene statische Mischer ist als Gitterrost mit kurzen Durchlasskanälen ausgeführt, deren Wände durch den Gitterrost derart reihenweise mit Bezug auf die Hauptströmungsrichtung nach entgegengesetzten Seiten geneigt sind, dass die Strömung in benachbarten Reihen nach entgegengesetzten Richtungen abgelenkt wird.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Einbauteil zur Montage in einem Abgasstrang mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass ein Verdampfermodul vorhanden ist, welches einen im Einlassbereich angeordneten ersten statischen Mischer und mindestens einen axial zum Abgasstrang verlaufenden Verdampferkanal umfasst. Der erste statische Mischer, welcher beispielsweise als Klappenmischer ausgeführt ist, bewirkt eine Strö- mungsumlenkung und eine Tropfenabscheidung großer Tropfen. Vom ersten statischen Mischer aus rinnen die abgeschiedenen großen Tropfen des flüssigen Reduktionsmittels nicht zum Rohrboden des Abgasstranges, sondern in vorteilhafter weise in den mindestens einen mit dem Abgasstrang fluchtenden Verdampferkanal hinein. Durch die Lage in der Abgasströmung ist der mindestens eine Ver- dampferkanal heißer als die Rohrwand des Abgasstranges und weist annähernd die Temperatur des Abgases auf, wodurch in vorteilhafter Weise die Verdampfung des Reduktionsmittels beschleunigt wird. Zudem kann durch die Verwendung von mehreren Verdampferkanälen die Reduktionsmittelmenge auf mehrere Ebenen verteilt werden, wodurch in vorteilhafter Weise eine deutlich vergrößerte Oberfläche für die Verdampfung des Reduktionsmittels zur Verfügung steht. Das Verdampfermodul weist vorzugsweise nur wenige Kontaktpunkte zur Rohrwand des Abgasstranges auf und ist beispielsweise auf Stegen gelagert, so dass nur wenig Wärmeenergie zur kühleren Rohrwand des Abgasstranges abfließen kann. Durch das erfindungsgemäße Einbauteil wird die Beaufschlagung des Katalysators mit flüssigem Reduktionsmittel reduziert und die Verteilung des Reduktionsmittels im Abgasrohrquerschnitt wird homogenisiert.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Einbauteils zur Montage in einem Abgasstrang möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass der mindestens eine Verdampferkanal unmittelbar hinter dem ersten statischen Mischer angeordnet ist, so dass das im statischen Mischer abgeschiedene flüssige Reduktionsmittel nicht auf die Rohrwand des Abgasstranges tropfen kann. Der mindestens eine Verdampferkanal weist beispielsweise einen quad- ratischen oder rechteckigen Querschnitt auf.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Einbauteils sind die Abmessungen des mindestens einen Verdampferkanals in vorteilhafter Weise an die Randbedingungen im Abgasstrang angepasst, welche beispielsweise den Reduktionsmittelmengenstrom, die Abgastemperatur und den Abgasmassenstrom usw. umfassen. Bei allen Einbauten im Abgasstrang ist zu bedenken, dass in der Abgasströmung keine unnötig hohen Druckverluste entstehen sollten, welche sich negativ auf Wirkungsgrad bzw. Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs auswirken können. Sind die Abmessungen des mindestens einen Verdampferkanals jedoch optimal an die Randbedingungen im Abgasstrang angepasst, dann ist kein nennenswerter zusätzlicher Druckverlust zu erwarten, da der freie Rohrquerschnitt des Abgasstranges nur unwesentlich reduziert wird.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Einbauteils um- fasst das Verdampfermodul mehrere Verdampferkanäle, welche beispielsweise durch vertikal angeordnete Segmente als Kanalwände und horizontal angeordnete Segmente als Kanalböden begrenzt sind. Die vertikalen Segmente und die horizontalen Segmente sind mittels entsprechend eingebrachter Schlitze zur Bildung der Kanäle zusammensteckbar ausgeführt. Die vertikalen und horizontalen Segmente können verschiedene Breiten aufweisen, welche von der Montagesposition abhängig sind. Des Weiteren können die horizontalen Seg- mente Endstücke umfassen, welche zur Bildung des statischen Mischers wechselseitig nach oben oder unten umgebogen sind.
Alternativ kann das Verdampfermodul zur Erzielung eines geringen Druckverlustes als axial im Abgasstrang angeordnetes Verdampfer- röhr ausgeführt werden, in dessen Einlassbereich der erste statische Mischer angeordnet ist. Das abgeschiedene flüssige Reduktionsmittel sammelt sich im inneren, heißeren Verdampferrohr und kann dort schneller als an der Rohrwand des Abgasstranges verdampfen. Für die Homogenität des Reduktionsmitteldampf-Abgas-Gemisches ist es vorteilhaft, dass die Verdampfung näher an der Rohrachse stattfindet. Bei der Wahl des Durchmessers des inneren Verdampferrohres und des ersten statischen Mischers ist zu bedenken, dass dieser nicht zu groß ist, damit der Druckverlust gering bleibt und ein hinreichender Abstand zur kühleren Strömung nahe der Außenwand des Abgasstranges besteht. Der Durchmesser des Verdampferrohres sollte jedoch auch nicht zu gering gewählt werden, damit der größte Teil des Reduktionsmittelsprühstrahls dort auftrifft.
In Ausgestaltung des Verdampferrohres ist eine Kante im Auslassbe- reich des Verdampferrohres nach innen gebogen, um kurzzeitig auf- tretende Reduktionsmittelübermengen aufzustauen und eine gewisse Pufferwirkung zu erzeugen. Diese Verengung kann so ausgeführt werden, dass dort, wo die beiden Teilströme der Abgasströmung wieder zusammenlaufen, welche die Abgasströmung im Verdampfer- röhr und die Abgasströmung in einem Bypasskanal zwischen dem Verdampferrohr und der Außenwand des Abgasstrangs umfassen, die Abgasgeschwindigkeit sowohl im Verdampferrohr als auch im Bypasskanal ihr Maximum haben. Dies begünstigt die Reduktionsmittelverdampfung und den Abriss von Tropfen aus dem Flüssig- keitsfilm an der Austrittskante des Verdampferrohres.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Einbauteils ist im Auslassbereich des Verdampfermoduls ein zweiter statischer Mischer angeordnet, um die Verwirbelung des Reduktionsmitteldampf- Abgas-Gemisches zu fördern und die Strömungsgleichrichtende bzw. strömungsberuhigende Wirkung des mindestens einen Verdampferkanals zu kompensieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge- stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Aus- Schnitts eines herkömmlichen Abgasstrangs einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Dosiermodul zum Zudosieren eines Reduktionsmittels.
Fig. 2 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Aus- Schnitts eines Abgasstrangs einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Dosiermodul zum Zudosieren eines Reduktionsmittels und einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einbauteils zur Montage im Abgasstrang. Fig. 3 zeigt eine Querschnittdarstellung des erfindungsgemäßen Einbauteils entlang der Linie A-A aus Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine Querschnittdarstellung des erfindungsgemäßen Ein- bauteils entlang der Linie B-B aus Fig. 2.
Fig. 5 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Ausschnitts eines Abgasstrangs einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Dosiermodul zum Zudosieren eines Reduktionsmittels und einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einbauteils zur Montage im Abgasstrang.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines horizontalen Segments des erfindungsgemäßen Einbauteils aus Fig. 5.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines vertikalen Segments des erfindungsgemäßen Einbauteils aus Fig. 5.
Fig. 8 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Aus- Schnitts eines Abgasstrangs einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Dosiermodul zum Zudosieren eines Reduktionsmittels und einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einbauteils zur Montage im Abgasstrang.
Ausfϋhrungsform(en) der Erfindung
Wie aus Fig. 2 bis 4 ersichtlich ist, umfasst ein erstes Ausführungsbeispiel eines Einbauteils zur Montage in einem Abgasstrang 1 einer Verbrennungskraftmaschine, welches zwischen einem Dosiermodul 3 zum Zudosieren eines Reduktionsmittels 6 und einem nicht dargestellten Katalysator angeordnet ist, ein Verdampfermodul 10, welches einen im Einlassbereich angeordneten ersten statischen Mischer 11 und mehrere axial zum Abgasstrang 1 verlaufende Verdampferkanäle 12 umfasst. Der statische Mischer 11 kann beispiels- weise als Klappenmischer ausgeführt sein. Die mehreren Verdamp- ferkanäle 12 sind unmittelbar hinter den Elementen des ersten statischen Mischers 11 angeordnet und weisen einen im Wesentlichen rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Querschnitt auf, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die an den Elementen des ersten statischen Mischers 11 abgeschiedenen Tropfen des Reduktionsmittels laufen nicht zum Rohrboden 2 des Abgasstranges 1 , sondern in die Verdampferkanäle 12 hinein. Die Reduktionsmittelmenge wird auf diese Weise auf mehrere Ebenen verteilt, wodurch eine deutlich vergrößerte Oberfläche für die Verdampfung des Reduktionsmittels 6 zur Ver- fügung steht. Zudem ist diese neu geschaffene Oberfläche auch heißer als die Rohrwand 2 des Abgasstranges 1 und weist annähernd die Temperatur des Abgasstromes 5 auf, wodurch die Verdampfung des Reduktionsmittels 6 beschleunigt wird. Die Komponenten 14, 15 des Verdampfermoduls 10 sind nur an wenigen Kontaktpunkten mit der Rohrwand 2 des Abgasstranges 1 verbunden und beispielsweise auf nicht dargestellten Stegen gelagert, so dass nur wenig Wärmeenergie zur kühleren Rohrwand 2 des Abgasstranges 1 abfließen kann.
Die Abmessungen der Verdampferkanäle 12, wie z.B. die Länge L, können an die herrschenden Randbedingungen im Abgasstrang 1 angepasst werden, wie z.B. an den Reduktionsmittelmengenstrom, die Abgastemperatur, den Abgasmassenstrom usw. Durch die Anpassung der erfindungsgemäßen Verdampferkanäle 12 an den Ab- gasstrang 2 wird in vorteilhafter Weise kein nennenswerter zusätzlicher Druckverlust erzeugt, da durch die Verdampferkanäle 12 keine Strömungsumlenkung erfolgt und der freie Rohrquerschnitt des Abgasstranges 1 nur unwesentlich reduziert wird, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, umfasst ein zweites Ausführungsbeispiel eines Einbauteils zur Montage in einem Abgasstrang 1 einer Verbrennungskraftmaschine, welches zwischen einem Dosiermodul 3 zum Zudosieren eines Reduktionsmittels 6 und einem nicht darge- stellten Katalysator angeordnet ist, analog zum ersten Ausführungs- beispiel gemäß Fig. 2 ein Verdampfermodul 10', welches zusätzlich zu dem im Einlassbereich angeordneten ersten statischen Mischer 11 und den mehreren axial zum Abgasstrang 1 verlaufenden Verdampferkanälen 12 einen im Auslassbereich des Verdampfermoduls 10' angeordneten zweiten statischen Mischer 13 umfasst. Der zweite statische Mischer 13 ist beispielsweise ebenfalls als Klappenmischer ausgeführt. Die mehreren Verdampferkanäle 12 sind unmittelbar zwischen den Elementen des ersten statischen Mischers 11 und den Elementen des zweiten statischen Mischers 13 angeordnet. Der zu- sätzliche zweite statische Mischer 13 fördert die Verwirbelung des Reduktionsmitteldampf-Abgas-Gemisches 7 und kompensiert die Strömungsgleichrichtende bzw. strömungsberuhigende Wirkung der Verdampferkanäle 12. Der zusätzliche zweite statische Mischer 13 kann eingebaut werden, wenn die Randbedingungen im Abgasstrang 1 den zusätzlichen Druckverlust durch den zweiten statischen Mischer 13 erlauben.
Fig. 6 und 7 zeigen Ausführungsformen von Komponenten 14, 15 des Verdampfermoduls 10, 10'. Fig. 6 zeigt horizontal anzuordnende Segmente 15 und Fig. 7 zeigt vertikal anzuordnende Segmente 14. Die vertikal anzuordnende Segmente 14 weisen Schlitze 16 auf und bilden Kanalwände der Verdampferkanäle 12 des Verdampfermoduls 10, 10'. Die horizontal anzuordnenden Segmente 15 bilden Kanalböden der Verdampferkanäle 12 des Verdampfermoduls 10. 10' und weisen ebenfalls Schlitze 18 auf, welche zur Bildung der Verdampferkanäle 12 in die Schlitze 16 der vertikal anzuordnenden Segmente 14 gesteckt werden. Die vertikalen und/oder horizontalen Segmente 14, 15 können in Abhängigkeit von der Einbauposition im Abgasstrang 1 verschiedene Breiten aufweisen. Wie weiter aus Fig. 6 er- sichtlich ist, weisen die horizontal anzuordnenden Segmente 15 am Anfang und am Ende Endstücke 17 auf, welche zur Bildung des ersten und zweiten statischen Klappenmischers 11 , 13 wechselseitig nach oben oder unten umgebogen sind, wie aus der Schnittdarstellung gemäß Fig. 4 ersichtlich ist. Wird das Verdampfermodul 10 nur mit dem ersten statischen Mischer 11 implementiert, dann sind die Endstücke 17 nur am Anfang des horizontalen Segments 15 vorhanden. Wird das Verdampfermodul 10' mit dem ersten und dem zweiten statischen Mischer 11 , 13 implementiert, dann sind die Endstücke 17 am Anfang und am Ende des horizontalen Segments 15 vor- handen.
Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, umfasst ein drittes Ausführungsbeispiel eines Einbauteils zur Montage in einem Abgasstrang 1 einer Verbrennungskraftmaschine, welches zwischen einem Dosiermodul 3 zum Zudosieren eines Reduktionsmittels 6 und einem nicht dargestellten Katalysator angeordnet ist, ein Verdampfermodul 10", welches als axial im Abgasstrang 1 angeordnetes Verdampferrohr 20 ausgeführt ist. Im Einlassbereich 21 des Verdampferrohrs 20 ist der erste statischen Mischer 11 angeordnet, an welchen sich ein Ver- dampferkanal 22 anschließt und welcher analog zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel beispielsweise ebenfalls als Klappenmischer ausgeführt ist. Das dritte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 erfüllt in vorteilhafter Weise Forderung nach einem besonders geringen Druckverlust. Die abgeschiedenen Tropfen des Reduktionsmit- tels 6 bilden im inneren, heißeren Verdampferrohr 20 eine flüssige Reduktionsmittelansammlung 8 und können dort schneller verdampfen als an der Wand des äußeren Rohres 2 des Abgasstranges 1. Für die Homogenität des Reduktionsmitteldampf-Abgas-Gemisches 7 ist es vorteilhaft, dass die Verdampfung des Reduktionsmittels 6, 8 näher an der Rohrachse stattfindet.
Der Durchmesser des Verdampferrohres 20 und des Klappenmischers 11 wird nicht zu groß gewählt, damit der Druckverlust gering bleibt und ein hinreichend großer Abstand zur kühleren Strömung nahe der Außenwand 2 des Abgasstrangs 1 besteht. Die Gesamtquerschnitte für das Verdampferrohr 20 und Bypasskanäle 26 sind beispielsweise gleich groß ausgeführt. Der Verdampferrohrquerschnitt ist jedoch so groß ausgeführt, dass der größte Teil des Reduktionsmittelsprühstrahls 6 im Einlassbereich 21 des Verdampfer- rohrs 20 auftrifft. Eine nach innen gebogene Kante 24 im Auslassbereich 23 des Verdampferrohres 20 hat den Vorteil, dass kurzzeitig auftretende Reduktionsmittelübermengen dort aufgestaut werden, so dass eine gewisse Pufferwirkung besteht. Überdies lässt sich diese Verengung so ausführen, dass dort, wo die beiden Teilströme des Abgasstromes 5 wieder zusammenlaufen, die Gasgeschwindigkeiten sowohl im Verdampferrohr 20 als auch im Bypasskanal 26 ihr Maximum haben. Dies begünstigt die Reduktionsmittelverdampfung und den Abriss von Tropfen aus dem Flüssigkeitsfilm an der Austrittskante 24 des Verdampferrohres 20.
Die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einbauteils zur Montage in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine reduzieren in vorteilhafter Weise die Beaufschlagung eines Katalysators mit flüssigem Reduktionsmittel und homogenisieren gleichzeitig die Verteilung des Reduktionsmittels im Abgasrohrquerschnitt. Der erste statische Klappenmischer sorgt für die Trägheitsabscheidung großer Tropfen. Von jeder Klappe aus rinnt das flüssige Reduktions- mittel in mindestens einen sich unmittelbar anschließenden, mit dem Abgasrohr fluchtenden Verdampferkanal. Durch den mindestens einen Verdampferkanal entsteht eine Verdampfungsfläche, welche deutlich größer und/oder heißer als die Rohrwand des Abgasstrangs ist.
Das erfindungsgemäße Einbauteil zur Montage in einen Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise zum Einbringen von Dieselkraftstoff (HydroCarbons, HC) in den Abgasstrang eines Dieselmotors verwendet werden. Alternativ kann das erfin- dungsgemäße Einbauteil jedoch auch zum Einbringen von anderen Reduktionsmitteln verwendet werden, z.B. zum Einbringen einer Harnstoff-Wasser-Lösung für den Betrieb eines SCR-Katalysators (Selective-Catalyitc-Reduction-Katalysators).

Claims

Ansprüche
1. Einbauteil zur Montage in einem Abgasstrang (1 ) einer Verbrennungskraftmaschine, welches zwischen einem Dosiermodul (3) zum Zudosieren eines Reduktionsmittels (6) und einem Katalysator angeordnet ist, gekennzeichnet durch ein Verdampfermodul (10, 10', 10"), welches einen im Einlassbereich angeordneten ersten statischen Mischer (11 ) und mindestens einen axial zum Abgasstrang (1 ) verlaufenden Verdampferkanal (12, 22) umfasst.
2. Einbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdampferkanal (12, 22) unmittelbar hinter dem ersten statischen Mischer (11 ) angeordnet ist.
3. Einbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdampferkanal (12) einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.
4. Einbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen (L) des mindestens einen Verdampferkanals (12, 22) an Randbedingungen im Abgasstrang (1 ) angepasst sind.
5. Einbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfermodul (10, 10') mehrere Verdampferkanäle (12) umfasst, welche durch vertikal angeordnete Segmente (14) als Kanalwände und horizontal angeordnete Segmente (15) als Kanalböden begrenzbar sind, wobei die verti- kalen Segmente (14) und horizontalen Segmente (15) mittels entsprechend eingebrachte Schlitze (16, 18) zur Bildung der Kanäle (12) zusammensteckbar ausgeführt sind.
6. Einbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen und horizontalen Segmente (14, 15) verschiedene Breiten aufweisen, welche von der Montagesposition abhängig sind.
7. Einbauteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Segmente (15) Endstücke (17) umfassen, welche wechselseitig nach oben oder unten umgebogen sind, um den statischen Mischer (11 ) zu bilden.
8. Einbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Verdampfermodul (10") als axial im Abgasstrang (1 ) angeordnetes Verdampferrohr (20) ausgeführt ist, in dessen Einlassbereich (21 ) der erste statische Mischer (11 ) angeordnet ist.
9. Einbauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kante (24) im Auslassbereich (23) des Verdampferrohres (20) nach innen gebogen ist.
10. Einbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen im Auslassbereich des Verdampfermoduls (10, 10',
10") angeordneten zweiten statischen Mischer (13).
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