WO2016062395A1

WO2016062395A1 - Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines kraftwagens

Info

Publication number: WO2016062395A1
Application number: PCT/EP2015/002072
Authority: WO
Inventors: Wilhelm Röttger; Andrea GIL ARBUES; Aloysius Schunk; Wolfgang Scheer
Original assignee: Daimler Ag
Priority date: 2014-10-25
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2016-04-28
Also published as: DE102014015868A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, mit einem inneren Rohrelement (12), welches einen während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine von einem inneren Abgasmassenstrom (m_Abg_A) durchströmbaren inneren Kanal (14) aufweist, mit einem äußeren Rohrelement (16), welches zumindest einen Längenbereich (18) des inneren Rohrelements (12) unter Bildung eines während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine von einem äußeren Abgasmassenstrom (m_Abg_B) durchströmbaren äußeren Kanals (20) außenumfangsseitig umgibt, und mit einem in dem Längenbereich (18) in den inneren Kanal (14) mündenden Dosierelement (22), mittels welchem ein Reduktionsmittel in den inneren Abgasmassenstrom (m_Abg_A) eindosierbar ist, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass der äußere Abgasmassenstrom (m_Abg_B) während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine dem inneren Abgasmassenstrom (m_Abg_A) entspricht oder größer als der innere Abgasmassenstrom (m_Abg_A) ist.

Description

Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine solche Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, ist beispielsweise bereits der WO 2012/052609 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst ein inneres Rohrelement, welches einen während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine von einem inneren Abgasmassenstrom durchströmbaren inneren Kanal aufweist. Mit anderen Worten stellt die Verbrennungskraftmaschine während ihres Betriebs, insbesondere ihres gefeuerten Betriebs, Abgas bereit, welches als Abgasmassenstrom den inneren Kanal durchströmt.

Die Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst ferner ein äußeres Rohrelement, welches zumindest einen Längenbereich des inneren Rohrelements unter Bildung eines während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine von einem äußeren Abgasmassenstrom durchströmbaren äußeren Kanals außenumfangsseitig umgibt. Mit anderen Worten wird die Abgasnachbehandlungseinrichtung während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine insgesamt von einem Gesamtmassenstrom des Abgases durchströmt, wobei dieser Gesamtmassenstrom in den inneren Abgasmassenstrom und den äußeren Abgasmassenstrom aufgeteilt wird. Der äußere Kanal wird in dem Längenbereich in radialer Richtung nach innen durch das innere Rohrelement und in radialer Richtung nach außen und durch das äußere Rohrelement begrenzt, sodass der äußere Abgasmassenstrom das innere Rohrelement umströmt. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst ferner ein in dem Längenbereich in den inneren Kanal mündendes Dosierelement, mittels welchem ein Reduktionsmittel in den inneren Abgasmassenstrom eindosierbar ist. Das Reduktionsmittel ist beispielsweise eine wässerige Harnstofflösung, welche Ammoniak (NH₃) umfasst und zum so genannten Entsticken des Abgases dient. Dabei kann der Ammoniak mit im Abgas enthaltenen Stickoxiden (NO_x) zu Wasser (H₂0) und Stickstoff (N₂) reagieren. Diese Reaktion wird üblicherweise als selektive katalytische Reduktion (SCR) bezeichnet und findet üblicherweise in einem SCR-Katalysator statt, welcher wie auch die Abgasnachbehandlungseinrichtung in einer vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgasanlage angeordnet ist.

Darüber hinaus offenbart die DE 10 2010 056 314 A1 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung zum Verteilen von Fluiden, insbesondere eines Wasser-Harnstoff-Gemisches oder eines Flüssigkraftstoffs, in Abgasanlagen einer Brennkraftmaschine, mit einer vor einem SCR-Katalysator in den Abgasstrang mündenden Einspritzeinrichtung. Es ist eine Kombination aus einer Mehrzahl von Einzelmaßnahmen zur Erzielung einer gleichmäßigen Vermischung der Fluide mit dem Abgas und einer vollständigen Verdampfung der Fluide im Abgas vorgesehen. Die Einzelmaßnahmen umfassen wenigstens eine Drallerzeugungseinrichtung und/oder wenigstens eine Mischvorrichtung, wenigstens einen Katalysator und eine Einspritzdüse der Einspritzeinrichtung, welche in einer vorgegebenen Beabstandung zu einer Wand des Abgasstrangs angeordnet ist.

Üblicherweise berührt das Reduktionsmittel infolgedessen, dass das Reduktionsmittel mittels des Dosierelements in das innere Rohrelement beziehungsweise den inneren Kanal eindosiert wird, den inneren Kanal begrenzende Wandungsbereiche des inneren Rohrelements, sodass es an diesen Wandungsbereichen zu Ablagerungen des

Reduktionsmittels kommt. Diese Ablagerungen können zu Korrosionsproblemen führen. Ferner ist es aufgrund dieser Ablagerungen gegebenenfalls erforderlich, eine hohe Menge an Reduktionsmittel in den inneren Kanal einzudosieren, um die Ablagerungen zu kompensieren und dadurch das Abgas effektiv entsticken zu können, da dann eine hinreichend große, nicht-abgelagerte Menge an Reduktionsmittel für die Entstickung zur Verfügung steht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der eingangs genannten Art derart zu entwickeln, dass Ablagerungen des

Reduktionsmittels zumindest besonders gering gehalten werden können. Diese Aufgabe wird durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen

Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Um eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass Ablagerungen des Reduktionsmittels zumindest besonders gering gehalten werden können, ist die Abgasnachbehandlungseinrichtung erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass der äußere Abgasmassenstrom während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine dem inneren Abgasmassenstrom entspricht oder größer als innere Abgasmassenstrom ist. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung derart ausgelegt ist, dass - beispielsweise obwohl eine senkrecht zur Strömungsrichtung des äußeren Abgasmassenstroms verlaufende und von dem äußeren Abgasmassenstrom durchströmbare äußere Gesamtfläche des äußeren Kanals kleiner als eine senkrecht zur Strömungsrichtung des inneren Abgasmassenstroms verlaufende und von dem inneren Abgasmassenstrom durchströmbare innere Gesamtfläche des inneren Kanals ist - der äußere Abgasmassenstrom größer oder gleich dem inneren Abgasmassenstrom ist.

Dadurch kann das innere Rohrelement mittels des das innere Rohrelement außen- umfangsseitig umströmenden und den äußeren Kanal durchströmenden äußeren Abgasmassenstroms effektiv und effizient infolge eines Wärmeübergangs von dem äußeren Abgasmassenstrom an das innere Rohrelement beheizt werden, sodass Ablagerungen des mittels des Dosierelements in den inneren Kanal eindosierten Reduktionsmittels am inneren Rohrelement vermieden oder zumindest besonders gering gehalten werden können. Eine Wärmeübertragung von dem äußeren Abgasmassenstrom auf das innere Rohrelement erfolgt beispielsweise durch erzwungene Konvektion, die zu einer besonders hohen Temperatur des inneren Rohrelements führt.

Hierdurch kann beispielsweise die durch die Verdampfungsenthalpie des Reduktionsmittels bedingte Abkühlung des inneren Rohrelements und des durch diesen geführten inneren Abgasmassenstroms teilweise oder vollständig kompensiert werden, was auch für Auftreffbereiche gilt, in denen Reduktionsmittel auf das innere Rohrelement gegebenenfalls auftrifft. Ablagerungen des Reduktionsmittels an dem inneren Rohrelement können zumindest gering gehalten werden. Ferner kann auch mit einer geringen Länge der Rohrelemente eine zumindest im Wesentlichen optimale Aufbereitung des Reduktionsmittels realisiert, sodass eine Kristallisation des Reduktionsmittels vermieden werden kann. Infolge dieses Wegfalls der Kristallisation des Reduktionsmittels kann die Korrosionsneigung des inneren Rohrelements beziehungsweise der Abgasnachbehandlungseinrichtung insgesamt besonders gering gehalten werden, sodass sich eine

Verschlechterung der mechanischen Stabilität der Rohrelemente und etwaig zum Einsatz kommender Koppelelemente vermieden werden können. Dadurch können Rohrelemente und Entkoppelelemente mit geringer Oberflächengüte eingesetzt werden, sodass die Kosten der Abgasnachbehandlungseinrichtung gering gehalten werden können. Ferner ist es mittels der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung möglich, das Reduktionsmittel zumindest nahezu vollständig zu Ammoniak auf einer nur geringen Länge zu konvertieren, sodass das Abgas besonders effektiv und effizient, das heißt mit einem hohen Wirkungsgrad insbesondere durch optimierte Hydro- und Thermolyse beispielsweise in einem SCR-Katalysator entstickt werden kann.

Die Abgasnachbehandlungseinrichtung wird insgesamt von einem Gesamtmassenstrom des Abgases durchströmt, wobei der Gesamtmassenstrom in die jeweiligen Abgasmassenströme als Teilströme aufgeteilt wird, und zwar derart, dass der äußere Abgasmassenstrom größer oder gleich dem inneren Abgasmassenstrom ist. Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, wird diese Aufteilung beispielsweise durch entsprechende Gestaltung von jeweiligen, von dem jeweiligen Abgasmassenstrom durchströmbaren Strömungsquerschnitten der Kanäle und/oder mittels einer eintrittsseitigen Verjüngung oder wenigstens eines Einsatzes bewirkt, der beispielsweise im inneren Kanal angeordnet wird. Dadurch kann ein Gegendruck für den inneren Abgasmassenstrom im inneren Kanal erzeugt werden, wodurch das Abgas gezwungen wird, durch den äußeren Kanal zu strömen. Bei einem solchen Einsatz kann es sich beispielsweise um eine Mischeinrichtung zum Vermischen des inneren Abgasmassenstroms mit dem Reduktionsmittel handeln.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verjüngt sich der äußere Kanal zumindest in einem Teilbereich in Strömungsrichtung des äußeren Abgasmassenstroms. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit des äußeren Abgasmassenstroms durch den äußeren Kanal erhöht werden, sodass das innere Rohrelement mittels des äußeren Abgasmassenstroms besonders effektiv beheizt werden kann.

Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn der äußere Kanal einen ersten Teilbereich mit einem von dem äußeren Abgasmassenstrom durchströmbaren ersten Strömungsquerschnitt und einen in Strömungsrichtung des äußeren Abgasmassenstroms auf den ersten Teilbereich folgenden, zweiten Teilbereich mit einem von dem äußeren Abgasmassenstrom durchströmbaren und gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt kleineren, zweiten Strömungsquerschnitt aufweist.

Um dabei die Gefahr von Ablagerungen besonders gering zu halten, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Dosierelement im zweiten Teilbereich in den inneren Kanal mündet.

Zur Realisierung der zuvor geschilderten Aufteilung des Gesamtmassenstroms in die Abgasmassenströme ist es bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass sich der innere Kanal zumindest in einem Teilbereich in Strömungsrichtung des inneren Abgasmassenstroms erweitert.

Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der innere Kanal einen dritten Teilbereich mit einem von dem inneren Abgasmassenstrom durchströmbaren dritten Strömungsquerschnitt und einen in Strömungsrichtung des inneren Abgasmassenstroms auf den dritten Teilbereich folgenden, vierten Teilbereich mit einem von dem inneren Abgasmassenstrom durchströmbaren und gegenüber dem dritten Strömungsquerschnitt größeren, vierten Strömungsquerschnitt aufweist.

Um die Gefahr von Ablagerungen an dem inneren Rohrelement besonders gering zu halten sowie eine besonders vorteilhafte Durchmischung des Abgases mit dem

Reduktionsmittel zu realisieren, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Dosierelement im vierten Teilbereich in den inneren Kanal mündet.

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass im inneren Kanal eine Mischeinrichtung zum Vermischen des inneren Abgasmassenstroms mit dem

Reduktionsmittel angeordnet ist. Bei einer solchen Mischeinrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Drallerzeugungseinrichtung, mittels welcher dem inneren

Abgasmassenstrom eine zumindest im Wesentlichen drallförmige Strömung aufgeprägt wird. Eine solche Mischeinrichtung stellt ferner einen Strömungswiderstand für den inneren Abgasmassenstrom dar, sodass mittels der Mischeinrichtung der Gesamtmassenstrom besonders gut und bedarfsgerecht auf die Kanäle aufgeteilt werden kann.

Um eine besonders effektive Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas zu realisieren, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass sich die Mischeinrichtung von einem ersten Wandungsbereich des inneren Rohrelements durch den inneren Kanal bis zu einem dem ersten Wandungsbereich des inneren Rohrelements gegenüberliegenden zweiten Wandungsbereich des inneren Rohrelements erstreckt. Dies bedeutet, dass die Mischeinrichtung an beiden Wandungsbereichen angeordnet ist beziehungsweise beide Wandungsbereiche berührt. Ferner kann dadurch mittels der Mischeinrichtung ein vorteilhafter Strömungswiderstand für den inneren Abgasmassenstrom bewirkt werden, sodass der äußere Massenstrom größer oder gleich dem inneren Abgasmassenstrom ist.

Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Mischeinrichtung die Strömungsrichtung des inneren Abgasmassenstroms stromauf einer Dosierstelle angeordnet ist, an welcher das Dosierelement in den inneren Kanal mündet. Dadurch kann eine besonders effektive Beheizung des inneren Rohrelements im Bereich der Dosierstelle realisiert werden, sodass Ablagerungen vermieden oder zumindest gering gehalten werden können.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in

Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht einer Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit ineinander angeordneten Rohrelementen mit einem inneren Kanal und einem äußeren Kanal, welche von jeweiligen Abgasmassenströmen durchströmbar sind, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass der durch den äußeren Kanal strömende Abgasmassenstrom während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine dem durch den inneren Kanal durchströmenden Abgasmassenstrom entspricht oder größer als der innere Abgasmassenstrom ist;

Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht der

Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform; Fig. 3 eine weitere schematische Längsschnittansicht der Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 eine schematische Längsschnittansicht der Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 5 eine schematische Längsschnittansicht der Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;

Fig. 6 eine schematische Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Mischeinrichtung, vorliegend eingesetzt in die Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform;

Fig. 7 eine schematische Vorderansicht der Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß Fig. 6;

Fig. 8 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren bevorzugten

Ausführungsform einer Mischeinrichtung, vorliegend eingesetzt in die Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform;;

Fig. 9 eine schematische Vorderansicht der Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß Fig. 8; und

Fig. 10 eine anhand der dritten Ausführungsform der Abgasnachbehandlungseinrichtung veranschaulichte Darstellung einer radialen

Temperaturverteilung.

In den Figuren sind gleiche oder erfindungsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, wobei Fig. 1 bis 3 eine erste Ausführungsform der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 zeigen. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine und weist wenigstens einen Brennraum insbesondere in Form eines Zylinders auf, in welchem Luft und Kraftstoff, insbesondere in Form eines flüssigen Kraftstoffs, eingebracht werden. Daraus resultiert ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches verbrannt wird. Aus der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches resultiert Abgas, welches mittels einer Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine aus dem Brennraum abgeführt wird.

In der in Abhängigkeit von einem jeweiligen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine von dem Abgas mit einem entsprechenden Gesamtmassenstrom durchströmbaren

Abgasanlage ist beispielsweise ein SCR-Katalysator angeordnet, welcher beispielsweise in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasanlage stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 angeordnet ist. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise als Dieselmotor ausgebildet. Die folgenden Ausführungen können jedoch auch ohne weiteres auf andere Verbrennungskraftmaschinen übertragen werden. Der SCR-Katalysator und die Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 dienen zum Entsticken des Abgases, das heißt zum Reduzieren von in dem Abgas enthaltenen Stickoxiden

Hierzu umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 ein inneres Rohrelement 12 mit einem inneren Kanal 14, welcher während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine von einem inneren Abgasmassenstrom durchströmbar ist. Ferner umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 ein äußeres Rohrelement 16, welches zumindest einen Längenbereich 18 des inneren Rohrelements 12 unter Bildung eines äußeren Kanals 20 außenumfangsseitig umgibt. Der äußere Kanal 20 ist ein Ringkanal oder ein Ringspalt, welcher in radialer Richtung nach außen durch das äußere Rohrelement 16 und in radialer Richtung nach innen durch das innere Rohrelement 12 begrenzt und während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine von einem äußeren Abgasmassenstrom durchströmbar ist.

Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 umfasst ferner ein Dosierelement 22, welches in dem Längenbereich 18 an einer Dosierstelle 24 in den inneren Kanal 14 mündet. Mit anderen Worten ist die Dosierstelle 24 in dem Längenbereich 18 angeordnet. Das Dosierelement 22 ist beispielsweise mit einem in Fig. 1 nicht dargestellten Tank fluidisch verbunden, in welchem ein Reduktionsmittel gespeichert ist. Beispielsweise wird mittels einer Pumpe das Reduktionsmittel aus dem Tank zum Dosierelement 24 gefördert, sodass das Reduktionsmittel mittels des Dosierelements 22 in den inneren Abgasmassenstrom eindosierbar ist. Dieses Eindosieren des Reduktionsmittels ist durch einen in Fig. 1 mit 26 bezeichneten Strahlkegel veranschaulicht, welcher sich beim Eindosieren, insbesondere Einspritzen, des Reduktionsmittels in den inneren Kanal 14 ausbildet und aus dem Reduktionsmittel besteht.

Bei dem Reduktionsmittel handelt es sich beispielsweise um eine wässrige Harnstofflösung, welche Ammoniak (NH₃) enthält. Der Ammoniak kann mit im Abgas insgesamt enthaltenen Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser reagieren, wobei diese Reaktion beispielsweise im in Fig. 1 nicht erkennbaren SCR-Katalysator erfolgt. Stromab des Längenbereichs 18 können sich beispielsweise die Abgasmassenströme vermischen, sodass das zuvor in den inneren Abgasmassenstrom eindosierte Reduktionsmittel auch in den äußeren Abgasmassenstrom gelangt beziehungsweise sich mit dem Abgas, das zuvor den äußeren Abgasmassenstrom gebildet hat, vermischen kann. Die zuvor genannte Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 und die Abgasanlage insgesamt ist in Fig. 1 durch Richtungspfeile veranschaulicht.

An den Längenbereich 18 schließt sich beispielsweise eine Abgasverrohrung an, in der sich das Abgas des inneren Abgasmassenstroms mit dem Abgas des äußeren Abgasmassenstroms vermischen kann. Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, ist durch die Rohrelemente 12 und 16 ein Doppelrohr nach einem so genannten Rohr-in-Rohr-Prinzip gebildet, wobei die Rohrelemente 12 und 16 unter Bildung des äußeren Kanals 20 ineinander angeordnet sind.

In Fig. 1 sind auch Abstandshalteelemente 28 erkennbar, mittels welchen das innere Rohrelement 12 mit dem äußeren Rohrelement 16 verbunden und in einem Abstand zu dem äußeren Rohrelement 16 unter Ausbildung des äußeren Kanals 20 gehalten ist. Die Rohrelemente 12 und 16 sind beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff gebildet, wobei die Abstandshalteelemente 28 mit den Rohrelementen 12 und 16 verschweißt sein können.

Besonders gut aus Fig. 2 ist zu erkennen, dass die Rohrelemente 12 und 16 jeweilige Durchgangsöffnungen 30 aufweisen, wobei das Dosierelement 22 diese Durchgangs- Öffnungen 30 durchdringt. Beispielsweise weist das Dosierelement 22 eine Düse auf, über welche das Dosierelement 22 in den inneren Kanal 14 mündet.

Um nun die Gefahr, dass sich das Reduktionsmittel an einer den inneren Kanal 14 begrenzenden, innenumfangsseitigen Mantelfläche 32 des inneren Rohrelements 12 ablagert, zu vermeiden oder zumindest besonders gering zu halten, ist die Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 derart ausgebildet, dass der äußere Abgasmassenstrom während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine dem inneren Abgasmassenstrom entspricht oder größer als der innere Abgasmassenstrom ist.

Bei der ersten Ausführungsform erweitert sich der innere Kanal 14 zumindest in einem Teilbereich in Strömungsrichtung des inneren Abgasmassenstroms. Hierbei weist der innere Kanal 14 einen Teilbereich 34 mit einem von dem inneren Abgasmassenstrom durchströmbaren Strömungsquerschnitt und ein in Strömungsrichtung des inneren Abgasmassenstroms auf den Teilbereich 34 folgenden Teilbereich 36 mit einem von dem inneren Abgasmassenstrom durchströmbaren und gegenüber dem Strömungsquerschnitt Ai größeren und insbesondere konstanten Strömungsquerschnitt A₂ auf. Der

Strömungsquerschnitt A, ist im Teilbereich 34 vorzugsweise zumindest im Wesentlichen konstant, wobei auch der Strömungsquerschnitt A₂ im Teilbereich 36 vorzugsweise zumindest im Wesentlichen konstant ist. Zwischen den Teilbereichen 34 und 36 ist ein weiterer Teilbereich 38 des inneren Kanals 14 angeordnet, wobei der Teilbereich 38 einen sich vom Strömungsquerschnitt A^ bis zum Strömungsquerschnitt A₂ erweiternden, von dem inneren Abgasmassenstrom durchströmbaren Strömungsquerschnitt aufweist. Der Teilbereich 38 ist somit ein Übergangsbereich, in welchem der Strömungsquerschnitt ΑΊ in den Strömungsquerschnitt A₂ übergeht.

Aus Fig. 1 ist ferner erkennbar, dass sich der äußere Kanal 20 bei der ersten

Ausführungsform zumindest in einem Teilbereich in Strömungsrichtung des äußeren Abgasmassenstroms verjüngt. Hierbei weist der äußere Kanal 20 einen ersten Teilbereich 40 mit einem von dem äußeren Abgasmassenstrom durchströmbaren und zumindest im Wesentlichen ringförmigen Strömungsquerschnitt B (Fig. 3) und einen in Strömungsrichtung des äußeren Abgasmassenstroms auf den Teilbereich 40 folgenden, zweiten Teilbereich 42 mit einem von dem äußeren Abgasmassenstrom durchströmbaren und gegenüber dem Strömungsquerschnitt Β_Ί kleineren Strömungsquerschnitt B₂ (Fig. 3) auf. Das Dosierelement 22 mündet dabei in den Teilbereichen 36 und 42 in den inneren Kanal 14. Durch diese Gestaltung der jeweiligen Strömungsquerschnitte A₂, und B₂ wird eine solche Aufteilung des Gesamtmassenstroms des Abgases in die jeweiligen Abgasmassenströme bewirkt, dass der äußere Abgasmassenstrom größer oder gleich dem inneren Abgasmassenstrom ist. Dadurch kann eine besonders effektive Beheizung des inneren Rohrelements 12 infolge eines Wärmeübergangs von dem eine außenumfangs- seitige Mantelfläche 44 des inneren Rohrelements 12 umströmenden äußeren Abgasmassenstroms auf das innere Rohrelement 12 bewirkt werden, sodass Ablagerungen des Reduktionsmittels an das innere Rohrelement 12 zumindest besonders geringgehalten werden können.

Insgesamt kann mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 auf eines besonders vorteilhafte Aufbereitung des Reduktionsmittels insbesondere in Form einer wässrigen Harnstofflösung und insbesondere hinsichtlich der Thermo-und Hydrolyse realisiert werden, und dass auf einer nur sehr geringen Baulänge. Das Doppelrohr kann beispielsweise nach einer Trennstelle zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der Abgasanlage beziehungsweise einem Schalldämpfer integriert oder aber auch in den Schalldämpfer eingebaut werden.

Bei der ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Strömungsquerschnitt im Teilbereich 40 und der Strömungsquerschnitt B₂ im Teilbereich 42 zumindest im

Wesentlichen konstant ist, wobei zwischen den Teilbereichen 40 und 42 ein weiterer Teilbereich 46 angeordnet ist. Der Teilbereich 46 weist dabei einen von dem äußeren Abgasmassenstrom durchströmbaren Strömungsquerschnitt auf, der sich in Strömungsrichtung des äußeren Abgasmassenstroms von dem Strömungsquerschnitt B zum Strömungsquerschnitt B₂ erweitert. Somit ist auch der Teilbereich 46 ein Übergangsbereich, in welchem der Strömungsquerschnitt B, in den Strömungsquerschnitt B₂ übergeht.

Um beispielsweise einen weiteren Kontakt von nicht vollständig verdampften Reduktionsmitteltröpfchen an der an einen Austritt des Doppelrohrs angrenzenden Abgasverrohrung zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass der beispielsweise als Ringspalt ausgebildete äußere Kanal 20 stromabwärts gerichtet, das heißt in Strömungsrichtung des äußeren Abgasmassenstroms verjüngt ausgeführt ist, sodass sich beispielsweise der Strömungsquerschnitt B₂ zumindest in einem Teil des Teilbereichs 42 verjüngt. Ablagerungen des Reduktionsmittels können ferner dadurch gering gehalten werden, dass das Dosierelement 22 in das heiße innere Rohrelement 12 mündet und auf einen heißen

Wandungsbereich ausgerichtet ist sowie von heißem Abgas umströmt wird. In Fig. 3 sind Strömungsgeschwindigkeits- und Druckverhältnisse in den Kanälen 14 und 20 veranschaulicht. Eine Strömungsgeschwindigkeit des inneren Abgasmassenstroms wird auch als Raumgeschwindigkeit bezeichnet und ist im Teilbereich 34 mit v_Ai und im Teilbereich 36 mit v_A2 bezeichnet. Ein jeweiliger Druck des inneren Abgasmassenstroms im Kanal 14 und im Teilbereich 34 ist in Fig. 3 mit p_Ai und im Teilbereich 36 mit p_a2 bezeichnet. Demzufolge ist eine Strömungsgeschwindigkeit des äußeren Abgasmassenstroms im äußeren Kanal 20 im Teilbereich 40 mit v_Bi und im Teilbereich 42 mit v_B2 bezeichnet, wobei ein Druck des äußeren Abgasmassenstroms im äußeren Kanal 20 im Teilbereich 40 mit p_Bi und im Teilbereich 42 mit p_B2 bezeichnet ist. Durch die entsprechende, zuvor geschilderte Strömungsquerschnittsgestaltung ergeben sich die in Fig. 3 gezeigten Verhältnisse der Strömungsgeschwindigkeiten und Drücke, woraus die entsprechende Aufteilung des Gesamtmassenstroms in die jeweiligen Abgasmassenströme resultiert.

Beispielsweise ist bei der ersten Ausführungsform eine Verringerung der Raumgeschwindigkeit im gesamten Doppelrohr vor dem Dosierelement 22 bewirkt. Ferner kommt es zu einem Anstieg des Drucks im inneren Kanal 14, sodass zumindest ein Teil des Abgases gezwungen wird, durch den äußeren Kanal 20 nicht etwa durch den inneren Kanal 14 zu strömen. Ferner wird eine Erhöhung der Raumgeschwindigkeit des äußeren Abgasmassenstroms bewirkt, um dadurch einen besonders effektiven Wärmeübergang durch Konvektion vom äußeren Abgasmassenstrom auf das innere Rohrelement 12 zu bewirken. Das Vorliegen eines Abgasmassenstroms mit hoher Geschwindigkeit am Austritt des Doppelrohrs hilft, unerwünschte Ablagerungen zu vermeiden oder zumindest besonders gering zuhalten.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10. Die genannte Aufteilung des Gesamtmassenstroms in die jeweiligen Abgasmassenströme wird bei der zweiten Ausführungsform zusätzlich dadurch bewirkt, dass im inneren Kanal 14 eine Mischeinrichtung 48 zum Vermischen des inneren Abgasmassenstroms mit dem eindosierten Reduktionsmittel angeordnet ist. Die Mischeinrichtung 48 wird auch als Mixer bezeichnet und ist vorliegend im Teilbereich 34 angeordnet. Bei dem Teilbereich 34 handelt es sich um einen Endbereich des inneren Rohrelements 12, wobei der

Teilbereich 34 eine Einströmöffnung aufweist, über welche das Abgas in den inneren Kanal 14 einströmen kann. Eine Anordnung der Mischeinrichtung im Teilbereich 38 oder im Teilbereich 36 stromauf und/oder stromab der Dosierstelle 24 ist ebenfalls möglich. Dabei ist aus Fig. 4 erkennbar, dass sich die Mischeinrichtung 48 von einem ersten Wandungsbereich 50 des inneren Rohrelements 12 durch den inneren Kanal 14 voll- ständig hindurch bis zu einem dem ersten Wandungsbereich 50 gegenüber liegenden zweiten Wandungsbereich 52 des inneren Rohrelements 12 erstreckt, um dadurch eine besonders gute Durchmischung zu realisieren.

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10, bei welcher die Mischeinrichtung 48 zum Einsatz kommt, die Kanäle 14 und 20 jedoch, insbesondere über jeweilige gesamte Erstreckung, einen zumindest im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt aufweisen. Somit wird bei der dritten Ausführungsform die genannte Aufteilung des Gesamtmassenstroms in die jeweiligen Abgasmassenströme nicht etwa durch eine entsprechende Variierung der jeweiligen Strömungsquerschnitte, sondern durch die Mischeinrichtung 48 bewirkt. Die Mischeinrichtung 48 kann, abweichend von der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform, auch gegenüber dem Eintrittsbereich des inneren Rohrelements 12 stromabwärtig versetzt angeordnet sein. Im inneren Rohrelement 12 kann eine Mischeinrichtung 48 stromab und/oder stromauf der Dosierstelle 24 vorgesehen sein. In einer konstruktiv besonders einfachen Ausführungsform kann die Mischeinrichtung 48 auch entfallen. Durch entsprechende Dimensionierung der Strömungsquerschnitte ΑΊ und B kann erreicht werden, dass der äußere Abgasmassenstrom während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine dem inneren Abgasmassenstrom entspricht oder größer ist als der innere Abgasmassenstrom.

Fig. 6 zeigt eine in einer schematischen Perspektivansicht eine bevorzugte Ausführungsform der Mischeinrichtung 48, vorliegend eingesetzt in der oben beschriebenen dritten Ausführungsform der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10. Die Mischeinrichtung gemäß Fig. 6 ist als Doppelwirbelmixer ausgebildet ist. Hierbei umfasst die Mischeinrichtung 48 paarweise entgegengesetzt geneigte Leitelemente 54, mittels welchen der innere Abgasmassenstrom entsprechend abgeleitet wird. Die Mischeinrichtung 48 fungiert dabei als Turbulenzerzeuger, um einen besonders hohen Turbulenzgrad des inneren Abgasmassenstroms zu bewirken. Ein solcher Turbulenzgrad führt zu einer besonders guten Gleichverteilung des Reduktionsmittels im Abgas. Durch den Turbulenzerzeuger wird eine von dem inneren Abgasmassenstrom durchströmbare, freie Querschnittsfläche reduziert im Vergleich zu einem Zustand, in welchem ein solcher Turbulenzerzeuger nicht im inneren Kanal 14 angeordnet ist. Mit anderen Worten stellt der Turbulenzerzeuger einen Strömungswiderstand für das Abgas dar, sodass zumindest ein Teil des Abgases gezwungen wird, durch den äußeren Kanal 20 zu strömen. Eine solche Reduzierung der freien Querschnittsfläche des inneren Rohrelements 12 kann beispielsweise durch eine Anpassung des Innendurchmessers des inneren Rohrelements 12 kompensiert werden. Fig. 7 zeigt die Ausführungsform der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 gemäß Fig. 6 in einer schematischen Vorderansicht.

Fig. 8 und 9 zeigen eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 gemäß der dritten Ausführungsform, bei welcher die Mischeinrichtung 48 als Einfachwirbelmixer ausgebildet ist. Hierbei ist die Mischeinrichtung 48 zumindest im Wesentlichen kreuzförmig ausgebildet und weist in sich tordierte Leitelemente 54 auf, mittels welchen der innere Abgasmassenstrom entsprechend abgelenkt beziehungsweise umgelenkt wird. Es versteht sich, dass die in Fig. 6 - 9 dargestellten Mischeinrichtungen 48 auch bei Abgasnachbehandlungseinrichtungen 10 der ersten bzw. zweiten Ausführungsform einsetzbar sind.

Fig. 10 veranschaulicht am Beispiel der dritten Ausführungsform der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 eine Temperaturverteilung in dem Doppelrohr in Abhängigkeit von der radialen Position. Das innere Rohrelement 12 weist dabei einen ersten Innenradius η auf, wobei das äußere Rohrelement 16 einen gegenüber dem ersten Innenradius η größeren zweiten Innenradius r₂ aufweist. Aus Fig. 10 ist erkennbar, dass die Temperatur in dem Doppelrohr mit zunehmendem radialem Abstand von dem Mittelpunkt der konzentrisch zueinander angeordneten Rohrelemente 12 und 16 fällt. In Fig. 10 ist der innere Abgasmassenstrom mit m_Abg_A bezeichnet, wobei der äußere Abgasmassenstrom mit m_Abg_B bezeichnet ist. Die dargestellte radiale Temperaturverteilung ist in zumindest weitgehend ähnlicher Ausprägung auch bei der ersten und zweiten

Ausführungsform der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 anzutreffen.

Aus Fig. 10 ist erkennbar, dass kleine Tropfen 56 des Reduktionsmittels an oberen Wandungsbereichen und demgegenüber größere Tropfen 58 des Reduktionsmittels, die das innere Rohrelement 12 beziehungsweise inneren Kanal 14 kreuzen, verdampfen, wenn sie in Kontakt mit der heißen, in umfangseitigen Mantelfläche 32 kommen. Dabei kompensiert der äußere Abgasmassenstrom die frei werdende Verdampfungshitze von den Wandungsbereichen, die durch das Auftreffen des Reduktionsmittels an ihrer umfangseitigen Mantelfläche 32 resultiert. Dass die Düse des Dosierelements 22 umströmende Abgas verhindert Ablagerungen von Reduktionsmittel an der Düse. Bezugszeichenliste

10 Abgasnachbehandlungseinrichtung

12 inneres Rohrelement

14 innerer Kanal

16 äußeres Rohrelement

18 Längenbereich

20 äußerer Kanal

22 Dosierelement

24 Dosierstelle

26 Strahlkegeln

28 Abstandshalteelement

30 Durchgangsöffnung

32 innenumfangsseitige Mantelfläche

34 Teilbereich

36 Teilbereich

38 Teilbereich

40 Teilbereich

42 Teilbereich

44 außenumfangseitige Mantelfläche

46 Teilbereich

48 Mischeinrichtung

50 Wandungsbereich

52 Wandungsbereich

54 Leitelement

56 Tropfen

58 Tropfen

Ai Strömungsquerschnitt

A₂ Strömungsquerschnitt

Bi Strömungsquerschnitt

B₂ Strömungsquerschnitt

m_Abg_A innerer Abgasmassenstrom m_Abg_B äußerer Abgasmassenstrom

PAI Druck

PA2 Druck

PB1 Druck

PB2 Druck Strömungsgeschwindigkeit

Strömungsgeschwindigkeit

Innenradius

Claims

Patentansprüche

Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, mit einem inneren Rohrelement (12), welches einen während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine von einem inneren Abgasmassenstrom (m_Abg_A) durchströmbaren inneren Kanal (14) aufweist, mit einem äußeren Rohrelement (16), welches zumindest einen Längenbereich (18) des inneren Rohrelements (12) unter Bildung eines während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine von einem äußeren Abgasmassenstrom (m_Abg_B) durchströmbaren äußeren Kanals (20) außenumfangsseitig umgibt, und mit einem in dem Längenbereich (18) in den inneren Kanal (14) mündenden Dosierelement (22), mittels welchem ein Reduktionsmittel in den inneren Abgasmassenstrom (m_Abg_A) eindosierbar ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass der äußere Abgasmassenstrom (m_Abg_B) während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine dem inneren Abgasmassenstrom (m_Abg_A) entspricht oder größer als der innere Abgasmassenstrom (m_Abg_A) ist.

Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

sich der äußere Kanal (20) zumindest in einem Teilbereich in Strömungsrichtung des äußeren Abgasmassenstroms (m_Abg_B) verjüngt.

3. Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

der äußere Kanal (20) einen ersten Teilbereich (40) mit einem von dem äußeren Abgasmassenstrom durchströmbaren ersten Strömungsquerschnitt (Bi) und einen in Strömungsrichtung des äußeren Abgasmassenstroms (m_Abg_B) auf den ersten Teilbereich (40) folgenden, zweiten Teilbereich (42) mit einem von dem äußeren Abgasmassenstrom (m_Abg_B) durchströmbaren und gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt (B^ kleineren, zweiten Strömungsquerschnitt (B₂) aufweist.

4. Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Dosierelement (22) im zweiten Teilbereich (42) in den inneren Kanal (14) mündet.

5. Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden

Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

sich der innere Kanal (14) zumindest in einem Teilbereich in Strömungsrichtung des inneren Abgasmassenstroms erweitert.

6. Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

der innere Kanal (14) einen dritten Teilbereich (34) mit einem von dem inneren Abgasmassenstrom (m_Abg_A) durchströmbaren dritten Strömungsquerschnitt (A^ und einen in Strömungsrichtung des inneren Abgasmassenstroms (m_Abg_A) auf den dritten Teilbereich (34) folgenden, vierten Teilbereich (36) mit einem von dem inneren Abgasmassenstrom (m_Abg_A) durchströmbaren und gegenüber dem dritten Strömungsquerschnitt (A^ größeren, vierten Strömungsquerschnitt (A₂) aufweist.

7. Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Dosierelement (22) im vierten Teilbereich (36) in den inneren Kanal (14) mündet.

8. Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden

Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

im inneren Kanal (14) eine Mischeinrichtung (48) zum Vermischen des inneren Abgasmassenstroms (m_Abg_A) mit dem Reduktionsmittel angeordnet ist.

9. Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

sich die Mischeinrichtung (48) von einem ersten Wandungsbereich (52) des inneren Rohrelements (12) durch den inneren Kanal (14) bis zu einem dem ersten

Wandungsbereich (52) gegenüber liegenden zweiten Wandungsbereich (54) des inneren Rohrelements (12) erstreckt.

10. Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Mischeinrichtung (48) in Strömungsrichtung des inneren Abgasmassenstroms (m_Abg_A) stromauf einer Dosierstelle (26) angeordnet ist, an welcher das Dosierelement (22) in den inneren Kanal (14) mündet.