DE102005019347A1 - Abgabevorrichtung sowie Verfahren zur Einbringung von Reduktionsmittel in ein Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgabevorrichtung (1) sowie ein Verfahren und eine Verwendung einer Abgabevorrichtung (1) zur Einbringung von Reduktionsmittel in ein Abgas einer Brennkraftmaschine.
Die erfindungsgemäße Abgabevorrichtung (1) umfasst eine ins Innere einer Abgasleitung (7) geführte Rohrleitung (2) für das Reduktionsmittel mit einem in eine Öffnung (8) ausmündenden Endbereich (9), wobei der Endbereich (9) einen Leitungsabschnitt (10) aufweist, dessen Innendurchmesser sich kontinuierlich vom Innendurchmesser (d2) der Rohrleitung (2) auf den Durchmesser (d1) der Öffnung (8) verengt.
Anwendung vorzugsweise in Abgasreinigungsanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Nutzfahrzeugen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Abgabevorrichtung zur Abgabe eines fluiden Reduktionsmittels in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zur Einbringung eines fluiden Reduktionsmittels in ein Abgas einer Brennkraftmaschine und eine Verwendung einer Abgabevorrichtung.
• Zum Problem der fein verteilten Einbringung bzw. Zerstäubung von Flüssigkeiten in Gase sind eine Vielzahl von verfahrenstechnischen Lösungen bekannt. So ist es aus der DE 43 15 385 A1 bekannt, zur Eindüsung von Ammoniakwasser in Rauchgase eine Zweistoffdüse einzusetzen. Die Düse wird pulsierend betrieben. Dabei wird das Ammoniakwasser in einem zum Hüllrohr der Düse koaxial angeordneten Innenrohr und die zur Zerstäubung eingesetzte Druckluft in einem Ringspalt zwischen Innenrohr und Hüllrohr geführt. Ammoniakwasser und Druckluft treffen nahe der Austrittsstelle in einer Resonanzkammer aufeinander. Durch die spezielle Betriebsart und Ausführungsform der Düse wird eine gleichmäßige Verteilung des Ammoniakwassers im Rauchgas erreicht.
• Zur Verbesserung des Spritzbilds bei der Einspritzung von Dieselkraftstoff in einen Brennraum eines Dieselmotors ist es aus der DE 198 38 771 A1 bekannt, das Spritzloch einer Einspritzdüse mit einem Stufendiffusor zu versehen.
• Insbesondere bei kleinen Düsenlochöffnungen tritt häufig eine Verstopfung der Öffnungen durch Ablagerung auf, wobei die Ablagerungen durch das Abgas oder durch das zu dosierende Medium selbst verursacht sein können. Zur Sauberhaltung einer für die Zerstäubung von Harnstofflösung eingesetzten Spritzdüse ist es aus der DE 102 23 766 A1 bekannt, von Zeit zu Zeit eine Reinigung der Spritzdüse durch Einbringung einer Reinigungsflüssigkeit durchzuführen, was jedoch eine Unterbrechung des normalen Betriebs bedeutet und einen Zusatzstoff erforderlich macht.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgabevorrichtung sowie ein Verfahren zur Einbringung von Reduktionsmittel in ein Abgas einer Brennkraftmaschine anzugeben, welche einen zuverlässigen Betrieb und eine gleichmäßige Verteilung des zu dosierenden Reduktionsmittels ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird durch eine Abgabevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Das Problem wird auch durch eine Verwendung einer Abgabevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
• Die erfindungsgemäße Abgabevorrichtung weist eine ins Innere der Abgasleitung hineinragende Rohrleitung für das Reduktionsmittel mit einem in eine Öffnung mündenden Endbereich auf, wobei der Endbereich einen Leitungsabschnitt aufweist, dessen Innendurchmesser sich kontinuierlich vom Innendurchmesser der Rohrleitung auf den Durchmesser der Öffnung verengt. Die Abgabevorrichtung ist insbesondere zur Verdüsung von wässeriger Harnstofflösung in heiße Abgase einer Brennkraftmaschine geeignet, da Ablagerungen von Harnstoff oder von dessen Zersetzungsprodukten zuverlässig vermieden werden. Infolge des sich im Rohrleitungsendbereich in Richtung der Öffnung verringernden Leitungsinnenquerschnitts wird die Strömungsgeschwindigkeit des Reduktionsmittels dort erhöht, wodurch Ablagerungen vermieden werden bzw. bereits gebildete kleinere Ablagerungen von der Strömung mitgerissen und ausgetragen werden können. Da die Abgabevorrichtung endseitig als sich düsenartig verengende Einlochdüse ausgebildet ist, kann die Öffnung mit einem größerem Durchmesser ausgebildet sein, als dies bei Mehrlochdüsen der Fall ist. Dadurch verringert sich ebenfalls die Gefahr, dass Verstopfungen der Öffnung auftreten.
• In Ausgestaltung der Erfindung verläuft der sich verengende Abschnitt in einer endseitig auf die Rohrleitung aufgesetzten Kappe. Diese Ausführungsform lässt sich besonders einfach fertigen, da die Kappe gesondert gefertigt werden kann und lediglich auf das offene, vorzugsweise stumpfe Rohrleitungsende aufgesetzt zu werden braucht. Durch Schweißen, Löten oder durch eine Klemm- oder Schraubverbindung kann auf einfache Weise eine dauerhaft dichte Verbindung der Kappe mit dem Rohrleitungsende erzielt werden. Andererseits können einheitlich gefertigte Abgabevorrichtungen durch unterschiedlich ausgeführte Kappen an unterschiedliche Abgabebedingungen und Fahrzeugtypen bzw. Abgasanlagen angepasst werden. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, die Kappe auswechselbar auszuführen.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Öffnung annähernd kreisrund mit einem Öffnungsdurchmesser von 0,5 mm bis 2,5 mm und in einer noch weiteren Ausgestaltung mit einem Öffnungsdurchmesser von etwa 1,5 mm ausgebildet. Mit diesen Öffnungsdurchmessern kann ein gutes Abspritzverhalten des Reduktionsmittels, insbesondere mit Blick auf die für die Anwendung in Kraftfahrzeugen gebräuchlichen Mengen erreicht werden.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der sich verengenden Abschnitt eine Konizität zwischen 0,3 und 3,0 und in einer noch weiteren Ausgestaltung eine Konizität von etwa 1,1 auf. Mit dieser Ausführungsform wird eine besonders günstige Reinhaltungsfunktion der Öffnung erzielt. Unter Konizität wird dabei wie üblich die auf die Länge bezogene Durchmesserveränderung verstanden.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung mündet der Endbereich der Rohrleitung im radial mittleren Bereich der Abgasleitung aus. Dadurch kann eine gleichmäßige Verteilung des abgegebenen Reduktionsmittels innerhalb des Abgasleitungsquerschnitts erreicht werden.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Endbereich der Rohrleitung in Richtung der Abgasströmung abgewinkelt ausgeführt. Dadurch wird das Reduktionsmittel in Richtung der Abgasströmung abgegeben und ein Auftreffen und Ablagern auf der Abgasleitungswand wird vermieden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einbringung von Harnstoff in ein Abgas einer Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel über eine Abgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zugegeben wird. Dabei wird in Ausgestaltung der Erfindung das Reduktionsmittel in einer zweiphasigen Gas-Flüssigkeitsgemischung der Rohrleitung zugeführt. Vorzugsweise wird in einer Dosiereinheit durch Zusammenführung von Druckluft und Reduktionsmittelflüssigkeit eine aerosolartige zweiphasige Luft-Flüssigkeitsmischung erzeugt und diese der Rohrleitung zugeführt. Dem Abgas wird daher das Reduktionsmittel als feiner Nebel zugegeben, was eine besonders gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels ermöglicht. In der Dosiereinheit erfolgt vorzugsweise eine bedarfsgerechte Zugabe des zu dosierenden Reduktionsmittels in einen im wesentlichen gleichmäßigen Luftstrom.
• Auf Grund der besonderen Ausführungsform der Abgabevorrichtung ist diese zu einer Verwendung zur Einbringung eines fluiden Reduktionsmittels in ein Abgas einer Brennkraftmaschine besonders geeignet. Insbesondere ist die Abgabevorrichtung zur Einbringung eines Aerosols von wässriger Harnstofflösung geeignet.
• Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Dabei zeigen:
• 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgabevorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung,
• 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Endbereichs der Abgabevorichtung gemäß 1,
• 3 eine Schnittdarstellung des Endbereichs einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgabevorichtung und
• 4 eine Schnittdarstellung des Endbereichs einer dritten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgabevorichtung.
• Unter Bezug auf die 1 und 2 wird nachfolgend eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgabevorrichtung erläutert, wobei zunächst auf die in 1 wiedergegebene Übersichtsdarstellung näher eingegangen wird. In 1 ist die erfindungsgemäße Abgabevorrichtung 1 in einem in einer Abgasleitung 7 eingebauten Zustand dargestellt, wobei von der Abgasleitung 7 lediglich schematisch ein Wandungsabschnitt gezeigt ist. Die Abgasleitung 7 nimmt Abgas einer vorzugsweise als Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs ausgeführten Brennkraftmaschine auf und leitet es einem in der Abgasleitung 7 stromab der Abgabevorrrichtung 1 angeordneten Stickoxidreduktionskatalysator zu. Das Kraftfahrzeug sowie die Brennkraftmaschine und der Stickoxidreduktionskatalysator sind in den Figuren nicht gesondert dargestellt.
• Die Abgabevorrichtung 1 dient der Abgabe eines für die katalytische Stickoxidreduktion geeigneten Reduktionsmittels in das Abgas der Brennkraftmaschine.
• Die erfindungsgemäße Abgabevorrichtung 1 gemäß den 1 und 2 umfasst eine ins Innere der Abgasleitung 7 geführte Rohrleitung 2, an welcher endseitig eine Düsenkappe 3 mit einer einzigen Düsenöffnung 8 für den Austritt des Reduktionsmittels befestigt ist. Die Düsenkappe 3 ist vorzugsweise auf die Rohrleitung 2 aufgesteckt und mit ihr verschweißt oder verlötet. Sie kann jedoch auch aufgeschraubt oder mittels einer Klemmverbindung aufgesteckt sein, so dass sie leicht gewechselt werden kann. Vorzugsweise erstreckt sich die Rohrleitung 2 bis in einen radial mittleren Bereich der Abgasleitung 7 und ist in ihrem Endbereich 9 in Richtung der mit dem Pfeil 6 schematisch gekennzeichneten Abgasströmung abgebogen ausgeführt. Auf diese Weise sind ein Mitführen mit der Abgasströmung und eine gleichmäßige Verteilung des dem Abgas zugeführten Reduktionsmittels gewährleistet.
• Wie in 2 deutlicher zu sehen, ist die Düsenkappe 3 mit einem Leitungsabschnitt 10 versehen, so dass sich, nach Anbringung am Ende der Rohrleitung 2, ein kontinuierlicher Übergang vom Rohrleitungsinnendurchmesser d2 auf den Durchmesser d1 der austrittsseitigen Öffnung 8 der Kappe 3 ergibt. Auf diese Weise kann ein auf der Rohrleitungsinnenwand vorhandener Wandfilm infolge der Strömung im Leitungsinneren zur Öffnung 8 transportiert werden und Reduktionsmittel wird somit vollständig ausgetragen, so dass eine Ausbildung von Ablagerungen vermieden wird. Vorzugsweise schließt sich an den konischen Leitungsbereich 10 ein sehr kurzer zylindrischer Leitungsabschnitt von wenigen Zehnteln Millimeter Länge und dem Durchmesser d1 der Öffnung 8 an. Für diesen Leitungsabschnitt kann auch eine Anfasung vorgesehen sein.
• Für den durch die Düsenbohrung gebildeten Leitungsabschnitt 10 ist eine Konizität im Bereich von 0,3 bis 3,0 vorgesehen. Vorzugsweise beträgt die Konizität 0,8 bis 1,5. Für eine besonders bevorzugte Konizität von 1,1 ergibt sich ein Konuswinkel α von etwa 60°, wie in 2 dargestellt. Generell können jedoch Konuswinkel im Bereich von 10° bis 150° vorgesehen sein. Dabei sind ein Rohrleitungsinnendurchmesser d2 von etwa 4 mm, ein Öffnungsdurchmesser d1 von etwa 1,5 mm und eine Konuslänge 1 von etwa 2,2 mm bevorzugt. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Durchmesserverhältnis von d2 : d1 ≥ 1,3 erwiesen.
• Mit Blick auf die genannte Anwendung ist es von besonderer Bedeutung, die Abmessungen der Durchmesser d1, d2, sowie die Konizität auf das zu verdüsende Medium und die auftretenden Durchsatzverhältnisse abzustimmen. Im Zusammenhang mit den genannten bevorzugten Abmessungen werden mit einem Absolutdruck von etwa 1,5 bar bis 2,5 bar im Endbereich 9 der Abgabevorrichtung 1 ein besonders vorteilhaftes Absprühverhalten und ein zuverlässiger und verstopfungsfreier Betrieb der Abgabevorrichtung 1 erzielt. Insbesondere kann mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform ein vergleichsweise kleiner Strahlkegelwinkel erreicht werden, so dass einerseits eine gute Gleichverteilung über den Querschnitt der Abgasleitung 7 gegebenen ist, andererseits jedoch Anlagerungen an die Abgasleitungsinnenwand vermieden werden.
• Einlassseitig ist die Rohrleitung 2 mit einem von der Abgasleitung 7 abragenden Anschlussteil 4 verbunden, an welches eine nicht dargestellte Reduktionsmittelzufuhrleitung angeschlossen werden kann.
• Zur Befestigung der Abgabevorrichtung 1 an der Abgasleitung 7 ist ein Flansch 5 vorgesehen, welcher wie dargestellt vorzugsweise mit dem Anschlussteil 4 fest verbunden ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Rohrleitung 2 über einen wesentlichen Teil ihrer Erstreckung in der Abgasleitung 7 mit einem wärmeisolierenden Isolierschichtmantel oder mit einem ein Kühlfluid aufnehmenden Kühlmantel versehen ist, so dass sie vor einer übermäßigen Erwärmung durch heisse Abgase geschützt ist oder gekühlt werden kann (nicht dargestellt).
• Obschon eine Ausführung der erfindungsgemäßen Abgabevorrichtung 1 wie erläutert mit einer endseitig an der Rohrleitung 2 angeordneten Düsenkappe 3 bevorzugt ist, kann gegebenenfalls auf diese auch verzichtet werden. In diesem Fall wird die Rohrleitung 2 endseitig konisch zulaufend ausgeführt. In den
• 3 und 4 sind entsprechende Ausführungsformen dargestellt.
• Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Endbereich 9 der Rohrleitung 2 mit einem Leitungsabschnitt 10 mit einer geringen Konizität ausgeführt. Demgemäß ergibt sich ein konischer Leitungsabschnitt 10 mit einer vergleichsweise großen Konuslänge 1 und einem kleinen Konuswinkel α. Im Gegensatz hierzu kann es bei entsprechenden Durchsatz- bzw. Druckverhältnissen auch vorteilhaft sein, den Endbereich 9 der Rohrleitung 2 mit einem vergleichsweise kurzen konischen Leitungsabschnitt 10 mit hoher Konizität auszuführen, wie in 4 beispielhaft dargestellt. Insbesondere bei einer hohen Konizität ist vorteilhaft, die sich ergebenden Kanten abgerundet auszuführen. Darüber hinaus kann es, abweichend von den Darstellungen der 3 und 4, vorteilhaft sein, den konischen Leitungsabschnitt 10 bis unmittelbar an die Mündungsöffnung 8 der Rohrleitung 2 zu führen.
• Obschon die erfindungsgemäße Abgabevorrichtung 1 zur Abgabe verschiedenster Medien geeignet ist, ist vorzugsweise vorgesehen, dass sie zur Verdüsung von wässeriger Harnstofflösung verwendet wird. Die eingesetzte wässerige Harnstofflösung weist vorzugsweise einen Harnstoffanteil von etwa 32 in bezug auf das Lösungsmittel Wasser auf. Anstelle von Harnstoff kann jedoch auch ein anderer, zur Abspaltung von Ammoniak geeigneter Stoff eingesetzt werden. Die Harnstofflösung wird von einer nicht dargestellten Dosiereinrichtung bedarfsgerecht abgegeben und der Rohrleitung 2 zugeführt. Die Dosiereinrichtung kann für eine Abgabe des Reduktionsmittels in einphasiger, flüssiger Form oder zur Abgabe des Reduktionsmittels als fein verteiltes Aerosol ausgelegt sein. Die Abgabe als Aerosol ist bevorzugt, wobei zur feinen Zerstäubung vorzugsweise Druckluft vorgesehen ist. Das Reduktions mittel Harnstoff wird somit in einer vorwiegend als Aerosol vorliegenden zweiphasigen Mischung von Luft und wässriger Harnstofflösung der Rohrleitung 2 zugeführt und weiter ins Abgas abgegeben. Der Luftdurchsatz beträgt etwa 25 l/min und wird vorzugsweise annähernd konstant gehalten. Je nach angestrebter Stickoxidreduktion beträgt der Durchsatz der wässrigen Harnstofflösung etwa 250 g/h bis 7000 g/h. Diese wird in der Dosiereinrichtung dosiert und mit zugeführter Druckluft vernebelt. Dabei erfolgt die Vermischung vorzugsweise in einer Mischkammer der Dosiereinrichtung. Gegebenenfalls können spezielle Mittel zur Vernebelung bzw. Vermischung vorgesehen sein. Insbesondere kann auch eine Druckluftzufuhr in das Anschlussteil 4 vorgesehen sein.

Claims (11)

1. Abgabevorrichtung (1) zur Abgabe eines fluiden Reduktionsmittels in eine Abgasleitung (7) einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine ins Innere der Abgasleitung (7) hineinragende Rohrleitung (2) für das Reduktionsmittel mit einem in eine Öffnung (8) mündenden Endbereich (9), wobei der Endbereich (9) einen Leitungsabschnitt (10) aufweist, dessen Innendurchmesser sich kontinuierlich vom Innendurchmesser (d2) der Rohrleitung (2) auf den Durchmesser (d1) der Öffnung (8) verengt.
2. Abgabevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich verengende Leitungsabschnitt (10) in einer endseitig auf die Rohrleitung (2) aufgesetzten Kappe (3) verläuft.
3. Abgabevorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (8) annähernd kreisrund mit einem Öffnungsdurchmesser (d1) von 0,5 mm bis 2,5 mm ausgebildet ist.
4. Abgabevorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsdurchmesser (d1) etwa 1,5 mm beträgt.
5. Abgabevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der sich verengenden Leitungsabschnitt (10) eine Konizität zwischen 0,8 und 1,5 aufweist.
6. Abgabevorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität etwa 1,1 beträgt.
7. Abgabevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (9) der Rohrleitung (2) im radial mittleren Bereich der Abgasleitung (7) ausmündet.
8. Abgabevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (9) der Rohrleitung (2) in Richtung der Abgasströmung abgewinkelt ausgeführt ist.
9. Verfahren zur Einbringung eines fluiden Reduktionsmittels in ein Abgas einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel dem Abgas über eine Abgabevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zugegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel in einer zweiphasigen Gas-Flüssigkeitsgemischung der Rohrleitung (2) zugeführt wird.
11. Verwendung einer Abgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Einbringung eines fluiden Reduktionsmittels, insbesondere von wässriger Harnstofflösung, in ein Abgas einer Brennkraftmaschine.