DE102004056896A1

DE102004056896A1 - Gasbeaufschlagungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102004056896A1
Application number: DE102004056896A
Authority: DE
Inventors: Johannes Schaller; Bernhard Hager; Ulrich Meingast; Johannes Dehn; Torsten Eggert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-06-01
Also published as: WO2006056499A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Beaufschlagung eines in einem Gasrohr strömenden Gases, insbesondere eines Abgases, mit einem Reaktionsmittel vorgeschlagen, die ein mindestens eine Öffnung (50) aufweisendes Mittel zur Einbringung des Reaktionsmittels in das Gasrohr (37) umfasst, wobei die mindestens eine Öffnung derart ausgebildet ist, dass das Reaktionsmittel das Mittel zur Einbringung mit einer Geschwindigkeitskomponente verlassen kann, die der durch die Geometrie des Gasrohrs festgelegten Hauptströmungsrichtung (p) des Gases entgegengerichtet ist. Die Vorrichtung gewährleistet eine gute Gleichverteilung des Reaktionsmittels über den gesamten Rohrquerschnitt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Beaufschlagung eines in einem Gasrohr strömenden Gases nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Die Verminderung des Anteils von Stickoxiden im Abgas insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine eines Lastkraftwagens beziehungsweise eines Nutzfahrzeugs geschieht beispielsweise über die Eindüsung einer Harnstoff-Wasser-Lösung im Rahmen einer Abgasnachbehandlungsanordnung unter Ausnutzung der sogenannten selektiven katalytischen Reduktion („SCR"-Verfahren, „SCR" = „selective catalytic reduction"). Dabei entsteht aus dem Harnstoff im heißen Abgas und gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Hydrolyse-Katalysators Ammoniak, welcher in einem weiter stromab liegenden SCR-Katalysator mit den Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser reagiert. Die Zudosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung geschieht beispielsweise mit Luftunterstützung durch eine so genannte Gemischabgabevorrichtung, die in den Abgasstrom hineinragt.

Aus der DE 197 26 392 ist schon eine Gemischabgabevorrichtung bekannt, bei der über ein Zufuhrrohr ein Reduktionsmittel in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine eingeführt wird. Dabei wird über radial ausgebildete Ausblaseöffnungen beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung in das Abgas stromaufwärts eines Katalysators ausgeblasen, entweder in Hauptströmungsrichtung des Abgases oder quer zur Hauptströmungsrichtung des Abgases. Weiterhin ist aus der DE 199 46 901 die Verwendung einer Drossel im Bereich eines Zufuhrrohrs bekannt. Insbesondere bei großen Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases werden radial austretende Strahlen der Harnstoff-Wasser-Lösung so stark vom Abgasstrom abgelenkt, dass keine Harnstoff-Wasser-Lösung mehr in Randbereiche des Abgasrohrquerschnitts gelangt. Der SCR-Katalysator kann dadurch nicht mehr gleichmäßig mit mit Reaktionsmittel versetztem Abgas beaufschlagt werden, so dass sich die Konvertierungsrate des SCR-Systems verringert.

Des Weiteren ist bekannt ( DE 100 60 808 ), zusätzlich im Abgastrakt ein sogenanntes Wirbelblech bzw. einen Abgasmischer einzubauen. Ein derartiger Abgasmischer kann sowohl vor wie auch hinter der Reaktionsmittel-Dosierstelle angeordnet werden. Ein solches Blech bzw. ein solcher Mischer füllt den gesamten Abgasrohrquerschnitt aus, was zur Folge hat, dass sich der Abgasgegendruck in Abhängigkeit vom Motorbetriebspunkt erhöht und somit der Kraftstoffverbrauch der das Abgas produzierenden Brennkraftmaschine negativ beeinflusst wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Gasbeaufschlagungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil einer verbesserten Gleichverteilung des Reaktionsmittels, insbesondere einer Harnstoff-Wasser-Lösung, über den gesamten Querschnitt des Rohrs beziehungsweise Abgasrohrs. Dabei wird mit einfachen Mitteln eine gleichmäßige Verteilung sichergestellt, die im Falle eines Einsatzes einer Harnstoff-Wasser-Lösung bei einer Abgasnachbehandlungsanordnung auf der Grundlage der selektiven katalytischen Reduktion eine hohe Konvertierungsrate und damit Effizienz in der Reduktion von im Abgas insbesondere von Dieselbrennkraftmaschinen enthaltenen Stickoxiden gewährleistet.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Gasbeaufschlagungsvorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist hierbei, Bohrungen mit entsprechender Orientierung vorzusehen, weil dies eine sehr einfache, platzsparende und effiziente Art der Richtungsführung des Reaktionsmittels darstellt.

Insbesondere vorteilhaft ist es hierbei, einen Bohrungswinkel in einem Bereich zwischen 110 und 130 Grad zu wählen, vorzugsweise zirka 120 Grad. Hierdurch hat das Reaktionsmittel einerseits eine Orientierung bei Verlassen des Einbringungsmittels, die eine Ausbreitung über den gesamten Abgasrohrquerschnitt ermöglicht, und andererseits aufgrund einer verlängerten Wegstrecke zu einem nachfolgend anordenbaren Katalysator genügend Zeit, sich mit dem Abgas zu vermischen, und auch genügend Zeit, gegebenenfalls chemisch zu reagieren (wie beispielsweise bei einer Harnstoff-Wasser-Lösung sich in Ammoniak umzuwandeln), um in ein chemische Form zu gelangen, die im Katalysator in gewünschter Weise eine Reaktion mit dem Gas bzw. Abgas durchläuft, insbesondere Stickoxid-reduzierend wirkt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus weiteren in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmalen.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine Gemischabgabevorrichtung, 2a eine Vorrichtung zur Beaufschlagung eines Gases mit Reaktionsmittel, 2b eine Detailansicht und 3 eine weitere Gasbeaufschlagungsvorrichtung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein in einem Abgasrohr angeordnetes, aus dem Stand der Technik bekanntes Zufuhrrohr 1. Dabei ist die Wandung eines Abgasrohrabschnitts 10 dargestellt, in welchem Abgase von einer Brennkraftmaschine zu einem Reduktionskatalysator geführt sind. Die Hauptströmungsrichtung der Abgase ist mittels der Pfeile p eingezeichnet. Das Zufuhrrohr 1 mündet in den Abgasrohrabschnitt 10. Die Zufuhrleitung 1 weist innerhalb des Abgasrohrs einen ersten Bereich 1a, welcher sich im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung des Abgases erstreckt, einen zweiten Bereich 1b, welcher sich im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases erstreckt, und einen die beiden Bereiche 1a und 1b verbindenden Biegungsbereich 1c auf. Der Bereich 1b ist mittig bezüglich des Abgasrohrs angeordnet und erstreckt sich in einer Richtung, die ungefähr der Hauptströmungsrichtung des Abgases in dem Abgasrohr entspricht. Das Zufuhrrohr weist an dessen stromabwärtigen Ende mehrere um den Umfang der Wandung des Rohrabschnitts 1b ausgebildete Öffnungen 2 auf. Vor diesen Öffnungen 2, also zwischen den Öffnungen 2 und dem Biegungsbereich 1c, ist eine Drossel 3 angeordnet. Das Zufuhrrohr 1 ist mittels einer Verschraubung 11 an der Wandung des Abgasrohrs befestigt.
Über das Zufuhrrohr kann Reduktionsmittel aus einem nicht dargestellten Reduktionsmittelspeicher in den Abgasrohrabschnitt eingebracht werden. Als Reduktionsmittel kommen neben Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Dieselkraftstoffen o. ä., insbesondere Harnstoff-Wasser-Lösungen in Betracht, die beispielsweise über eine Einspritzdüse oder andere Dosiereinrichtungen, die beispielsweise eine Vermischung des Reduktionsmittels mit Druckluft vorsehen, eingebracht werden können. Dabei tritt das Reduktionsmittel durch die Öffnungen 2 des Zufuhrrohrs 1 hindurch radial nach außen in das Abgasrohr über.
2a illustriert ein in ein Abgasrohr 37 hineinragendes Dosierrohr 31. Das Dosierrohr besteht aus Stahl mit etwa 4 Millimeter Außendurchmesser und 2 Millimeter Innendurchmesser. Es weist einen ersten, im Wesentlichen senkrecht zur Symmetrieachse 38 des Abgasrohrs stehenden Bereich 31a auf, dessen Befestigung am Abgasrohr 37 in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist. Dieser erste Bereich 31a geht über einen Biegungsbereich 31c in einen im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung p des Abgases angeordneten Bereich 31b über, wobei die Hauptströmungsrichtung p des Abgases durch die Geometrie des Abgasrohrs und damit durch die Symmetrieachse 38 des Abgasrohrs festgelegt ist. Schematisch illustriert ist ferner ein im Betrieb der Beaufschlagungsvorrichtung sich ausbildender Sprühkegel 35 des Reaktionsmittels, der aus in dem Bereich 31b angeordneten Öffnungen aus dem Dosierrohr austreten kann.
2b zeigt vergrößert das stromabwärtige Ende des Bereichs 31b in Querschnittsseitenansicht, in dem sich diese Öffnungen 50 befinden. Sie sind als Bohrungen in der Dosierrohrwandung 52 ausgebildet, wobei die Bohrungswandungen 55 einen Bohrungswinkel β zur Hauptströmungsrichtung p bilden, der größer als 90 Grad ist und vorzugsweise zirka 110 bis 130 Grad, insbesondere 120 Grad, beträgt. Stromabwärts der Bohrungen 50 ist das Dosierrohr mittels eines Abschlussbereichs 53 verschlossen.
Aufgrund des stromabwärtigen Abschlusses des Dosierrohrs im Bereich 31b muss das Reaktionsmittel das Dosierrohr über die seitlich angeordneten Öffnungen bzw. Bohrungen verlassen und in den Abgastrakt eintreten. Die Öffnungen sind dabei so ausgeführt beziehungsweise orientiert (Bohrungswinkel β), dass sich ein Sprühkegel 35 ausbilden kann, dessen Hauptausbreitungsrichtung einen Winkel α zur Hauptströmungsrichtung p des Abgases bildet, der größer als 90 Grad ist, so dass der Geschwindigkeitsvektor des Reaktionsmittels eine von Null verschiedene Komponente aufweist, die der Hauptströmungsrichtung p des Abgases entgegen gerichtet ist. Durch die schräg gebohrten Löcher am Dosierrohr wird also erreicht, dass das Reaktionsmittel, insbesondere die Harnstoff-Wasser-Lösung, nicht radial zur Abgasströmung austritt, sondern entgegen der Strömung mit einem Strahlaustrittswinkel α, der größer als 90 Grad ist. Der Strahlaustrittswinkel α unterscheidet sich dabei in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases mehr oder weniger stark vom Bohrungswinkel β, ist jedoch in jedem Fall größer als 90 Grad. Für die meisten Betriebszustände ist dies insbesondere gewährleistet, solange der Bohrungswinkel in einem Bereich zwischen 110 und 130 Grad liegt, vorzugsweise zirka 120 Grad beträgt. Dann ist auch für die meisten Betriebszustände der Brennkraftmaschine eine ausreichende Vermischung über den gesamten Abgasrohrquerschnitt sichergestellt, indem das Reaktionsmittel radial einen breiten Raum einnehmen kann, bis die Geschwindigkeitskomponente des Reaktionsmittels parallel zum Abgasrohr ihr Vorzeichen umkehrt und das Reaktionsmittel vom Abgas in Richtung des nachfolgend angeordneten Reduktionskatalysators mitgerissen wird. Die Vermischung erfolgt dabei besser als bei radialer Ausbringung des Reaktionsmittels, weil eine intensivere Vermischung mit dem Abgas einerseits durch eine verlängerte Strömungsstrecke bis zum Reduktionskatalysator und andererseits durch veränderte Strömungsverhältnisse ermöglicht wird. Die Strömungsverhältnisse sind hinsichtlich einer Durchmischung bei schräger Einspritzung günstiger, weil die Relativgeschwindigkeit zwischen Reaktionsmittel und Abgas und damit die Turbulenz größer ist. Die verlängerte Strömungsstrecke bis zum Katalysator bedingt nicht nur eine größere Verweilzeit der Harnstoff-Wasser-Lösung im Abgas, so dass eine bessere Durchmischung stattfinden kann, sondern es steht auch mehr Zeit für die Umwandlung der Harnstoff-Wasser-Lösung in Ammoniak zur Verfügung.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform einer Gasbeaufschlagungsvorrichtung abgebildet, bei der zusätzlich zu den in Verbindung mit 2a und 2b erläuterten Bestandteilen eine Prallscheibe 40 vorgesehen ist. Sie ist am stromabwärtigen Ende des Bereichs 31b des Dosierrohrs 31 am Abschlussbereich 53 befestigt, insbesondere mit letzterem verschweißt, und überragt radial das Dosierrohr.
Die Prallscheibe erhöht den Abgasgegendruck aufgrund des kleinen Durchmessers im Vergleich zum Durchmesser des Abgasrohrs nur unwesentlich, kann aber dazu dienen, die Abgasströmung im Bereich der Dosierlöcher aufzustauen und abzulenken, um die Verwirbelung beziehungsweise Vermischung der Harnstoff-Wasser-Lösung mit dem Abgas weiter zu intensivieren beziehungsweise zu unterstützen.
Alternativ kann die Prallscheibe den in 2b dargestellten Abschlussbereich auch ersetzen, das heißt neben der Funktion als Prallvorrichtung auch die Aufgabe übernehmen, das Dosierrohr am stromabwärtigen Ende des Bereichs 31b zu verschließen.

Claims

Vorrichtung zur Beaufschlagung eines in einem Gasrohr strömenden Gases, insbesondere eines Abgases, mit einem Reaktionsmittel, mit einem mindestens eine Öffnung aufweisenden Mittel (1) zur Einbringung des Reaktionsmittels in das Gasrohr, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung (50) derart ausgebildet ist, dass das Reaktionsmittel das Mittel zur Einbringung mit einer Geschwindigkeitskomponente verlassen kann, die der durch die Geometrie des Gasrohrs festgelegten Hauptströmungsrichtung (p) des Gases entgegen gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Einbringung ein Dosierrohr (31) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung als Bohrung (55) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung in einem im Wesentlichen sich parallel zur Hauptströmungsrichtung erstreckenden Bereich (31b) des Dosierrohrs angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bohrung einen Winkel β zur Hauptströmungsrichtung des Abgases bildet, wobei β größer als 90 Grad ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel β in einem Bereich zwischen 110 und 130 Grad liegt, insbesondere zirka 120 Grad beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Öffnungen gleichmäßig um den Umfang des Dosierrohrs verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierrohr am Gasrohr (37) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung des Dosierrohrs mittels einer Verschraubung (11) erfolgt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung in einem im Wesentlichen sich senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Gases erstreckenden Bereich (31a) des Dosierrohrs erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eingerichtet ist zur Speisung des Mittels zur Einbringung mit einem mit Luft, insbesondere Druckluft, vermischten Reaktionsmittel.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmittel ein Reduktionsmittel, insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prallmittel (40), insbesondere eine Prallscheibe, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Mittel zur Einbringung eine Drossel (3) angeordnet ist.