DE102006055655A1 - Vorrichtung zum Eindüsen von Flüssigkeiten oder Gasen in einen Gasstrom sowie Modul - Google Patents

Vorrichtung zum Eindüsen von Flüssigkeiten oder Gasen in einen Gasstrom sowie Modul Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Eindüsen von Flüssigkeiten in einen Gasstrom, insbesondere in einen Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Rohrkörper (2), durch den der Gasstrom hindurchströmt. Eine Druckerzeugereinheit (3) dient zur Bereitstellung von mit Druck beaufschlagter Flüssigkeit, die über eine Verteilereinheit (4), Flüssigkeit an zumindest eine umfänglich an dem Rohrkörper (2) angeordnete Zuleitung (5) verteilt. Die Zuleitung (5) ist mit mehreren an dem Umfang des Rohrkörpers (2) ausgebildeten, zum Rohrkörperinneren gerichteten Düsen (6) strömungstechnisch verbunden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Eindüsen von Flüssigkeiten oder Gasen in einen Gasstrom, insbesondere in einen Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Rohrkörper, durch den der Gasstrom hindurchströmt und einer Druckerzeugereinheit zur Bereitstellung von mit Druck beaufschlagter Flüssigkeit oder beaufschlagtem Gas.
  • Zur Aufbereitung von Abgasströmen oder zum Aufheizen von Katalysatoren ist es möglich, Flüssigkeiten oder Gase in den Abgasstrom einzudüsen, um entweder die Abgastemperatur zu erhöhen oder um Schadstoffe über eine chemische Reaktion abzubauen oder zu vermindern. Neben dem normalen Kraftstoff kann insbesondere Harnstoff eingedüst werden, um die Stickoxydkonzentration zu verringern.
  • Aus dem Stand der Technik sind Zweistoffdüsen bekannt, die in einer Düsenlanze angebracht sind. Diese Düsenlanze wird durch eine Bohrung in der Rohrwandung in das Rohrinnere eingeführt und dort fixiert. In der Regel ist diese Düse in Strömungsrichtung ausgerichtet und als Loch oder Hohlkegeldüse ausgebildet. Das Eindüsen der Flüssigkeit erfolgt somit an einer Stelle innerhalb des Gasstromes unter Ausbildung eines Sprühkegels. Dabei tritt das Problem einer inhomogenen Verteilung der eingedüsten Flüssigkeit innerhalb des Gasstromes auf. Dies führt zu unvollständigen Reaktionen und somit zu einem unvollständigen Abbau von Stickoxyden bei einer Harnstoffeinspritzung oder zu einer unvollständigen Verbrennung des eingedüsten Kraftstoffes mit nachteiligen Konsequenzen für Katalysatoren.
  • Zur verbesserten Homogenisierung sind innerhalb des Abgasrohres Leitbleche in propellerartiger Ausgestaltung vor oder hinter der Eindüsstelle angeordnet, um eine Verwirbelung des Gasstromes zu erreichen. Solche Leiteinrichtungen erhöhen den Strömungswiderstand. Darüber hinaus besteht das Problem, dass eine homogene Verteilung auf einer möglichst geringen Strömungsstrecke stattfinden soll, da die Abgasrohrgeometrie nicht beliebig verändert werden kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, um eine homogene Eindüsung von Flüssigkeiten oder Gasen in einen Gasstrom zu ermöglichen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelost sowie ein Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 19. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Eindüsen von Flüssigkeiten oder Gasen in einen Gasstrom, insbesondere in einen Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Rohrkörper, durch den der Gasstrom hindurchströmt sowie einer Druckerzeugereinheit zur Bereitstellung mit Druck beaufschlagter Flüssigkeit oder beaufschlagtem Gas sieht vor, dass die Druckerzeugereinheit mit mehreren radial ausgerichteten Düsen über zumindest eine Zuleitung strömungstechnisch verbunden ist. Durch die radial erfolgende Eindüsung der Flüssigkeit oder des Gases, beispielsweise vom Umfang der Rohrkörperinnenwandung und/oder einer radial nach außen gerichteten Eindüseinrichtung wird auf einer kurzen Gasstrecke eine sehr homogene Verteilung der Flüssigkeit oder des Gases in dem Gasstrom erreicht. Nachfolgend werden die eingedüsten Flüssigkeiten oder Gase als Medien bezeichnet. Darunter sind sowohl Stoffgemische, eine Vielzahl von Stoffen als auch Einzelstoffe zu verstehen. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, sowohl Flüssigkeiten als auch Gase gleichzeitig oder nacheinander in den Gasstrom einzuleiten.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Verteilereinheit, die die Medien an zumindest eine, bevorzugt umfänglich an dem Rohrkörper angeordnete Zuleitung verteilt, wobei die Zuleitung mit mehreren, an dem Umfang des Rohrkörpers ausgebildeten, zum Rohrkörperinnenraum gerichteten Düsen strömungstechnisch verbunden ist. Durch die radial von außen an mehreren Stellen erfolgende Eindüsung der Medien wird auf einer sehr kurzen Strecke eine Verbreitung und Verteilung der eingedüsten Medien innerhalb des Gasstromes vorgenommen.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Düsen axial versetzt in dem Rohrkörper angeordnet sind, um in Strömungsrichtung an verschiedenen Orten die Medien eindüsen zu können. Dabei können die Düsen sowohl radial als auch in Strömungsrichtung in einem Winkel zwischen 0° bis 90° in das Rohrinnere einsprühen. Durch die entsprechend geneigten Düsenachsen ist eine Anpassung des Sprühverhaltens an die geometrischen und strömungstechnischen Bedingungen innerhalb des Rohrkörpers möglich. Die Düsen können in Abhängigkeit von dem einzudüsenden Volumen unterschiedliche Abmessungen aufweisen und in Umfangsrichtung, also azimutal periodisch oder aperiodisch versetzt, an dem Rohrkörper angeordnet sein. Neben herkömmlichen Lochdüsen sind Hohlkegeldüsen, Zungendüsen, Schlitzdüsen oder Flachstrahldüsen vorgesehen, die eine angepasste Eindüsung der Medien in den Gasstrom ermöglichen.
  • Die Druckerzeugereinheit ist bevorzugt an dem Rohrkörper festgelegt und ist bevorzugt als eine Kolbenpumpe, insbesondere Mehrkolbenpumpe ausgebildet, wenn als Medium eine Flüssigkeit eingesetzt wird. Bei Gasen sind andere Druckerzeugereinrichtungen vorgesehen. Dadurch ist es möglich, den Rohrkörper zusammen mit der Druckerzeugereinheit und gegebenenfalls mit der an dem Rohrkörper festzulegenden Verteilereinheit als ein Modul auszubilden. Die Zuleitungen können dabei auf der Außenseite des Rohrkörpers befestigt oder alternativ innerhalb der Rohrkörperwandung oder zwischen einem Innenrohr und einem Außenrohr über eingearbeitete Zuleitungskanäle ausgebildet sein.
  • Die Zuleitungen für die unter Hochdruck stehenden Flüssigkeiten verlaufen von der Verteilereinheit separat zu der jeweiligen Düse oder sind über einen gemeinsamen Zuleitungskanal nach dem sogenannten „CommonRail-Verfahren" mit der Druckerzeugereinheit gekoppelt. Der Druck muss dabei zumindest so hoch sein, dass die Medien in den Gasstrom eingedüst werden können.
  • Zur Ausbildung als Drallkammer oder zur Strahlhomogenisierung kann jeder Düse eine Düsenvorkammer vorgelagert sein, wobei die Geometrie der Düsenvorkammer bevorzugt an die Düsengeometrie angepasst ist.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine oder mehrere Leiteinrichtungen an der Rohrkörperinnenwandung angeordnet, insbesondere angebracht sind. Die Leiteinrichtungen ragen in der Regel radial nach innen und können sich im Zentrum des Rohrkörpers treffen. In den Leiteinrichtungen können Düsen angeordnet sein, die mit der Druckerzeugereinheit und ggf. der Verteilereinheit verbunden sind, so dass neben einer rein radial von außen gerichteten Eindüsung auch eine von der Rohrinnenwandung beabstandete Eindüsung radial nach innen, gegebenenfalls auch alternativ oder ergänzend radial nach außen, erfolgen kann.
  • Der Rohrkörper, die Druckerzeugereinheit, die Verteilereinheit und die Zuleitungen können als ein Modul ausgebildet sein, das in seiner Dimensionierung an dasjenige Abgasrohr angepasst ist, das den Abgasstrom leitet. Durch die separate Fertigung des Moduls können die hochgenauen Toleranzen eingehalten werden. Das Modul muss lediglich mit geeigneten Anschlussmitteln zwischen zwei Abgasrohrabschnitte eingefügt werden, so dass auch eine Nachrüstung an nahezu beliebiger Stelle innerhalb des Abgasrohres erfolgen kann. Ebenfalls umfasst die Erfindung ein Modul aus einer Druckerzeugereinheit, einer Verteilereinheit und den Zuleitungen, das an einem Rohrkörper mit radial nach innen gerichteten Düsen versehen ist, montiert werden kann. Die Druckerzeugereinheit und die Verteilereinheit können auch ein integrales Bauteil bilden, indem sich die Zuleitungen unmittelbar an den Druckraum anschließen.
  • Es ist mit der oben beschriebenen Vorrichtung möglich, ein Eindüsverfahren für Medien in einen Gasstrom zu realisieren, bei dem gleichzeitig oder nacheinander aus verschiedenen Düsen die Medien in einen Gasstrom eingespeist werden. Dabei können die Medien radial nach innen in einen Rohrkörper hinein gerichtet sein, so dass die Eindüsung eine gleichmäßige Verteilung des Mediums innerhalb des Gasstromes bewirkt. Die Eindüsung kann von allen Düsen radial nach innen gerichtet erfolgen, ebenfalls ist es vorgesehen, dass ein oder mehrere Stege innerhalb der Gasströmung angeordnet sind, die radial nach außen gerichtete Düsen aufweisen. Somit kann gleichzeitig radial nach innen durch die am Umfang angeordneten Düsen und nach radial nach außen durch die an dem oder den Stegen angeordnete Düsen das Medium in den Gasstrom eingeleitet werden, um eine verbesserte, insbesondere homogene Eindüsung zu erreichen.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen betreffen gleiche Bauelemente. Es zeigen:
  • 1 – eine erste Ausgestaltungsform eines Eindüsmoduls;
  • 2–4 – Varianten der 1 mit unterschiedlichen Düsengeometrien;
  • 5 – ein Modul aus Druckerzeugereinheit, Verteileinheit und Zuleitungen;
  • 6 – ein Eindüsmodul mit Leiteinrichtungen;
  • 7 – eine Variante der 6; sowie
  • 8 – ein Eindüsmodul mit einem Eindüssteg.
  • In der 1 ist einer perspektivischen, schematischen Darstellung eine Eindüsvorrichtung 1 in modularer Form gezeigt. Die Eindüsvorrichtung 1 ist aus einem Rohrkörper 2, vorliegend mit einem runden Querschnitt aufgebaut, in dessen Wandung Düsen 6 eingearbeitet sind. Die Düsen 6 sind vorliegend als Durchgangsbohrungen in der Rohrwandung des Rohrkörpers 2 ausgebildet, bevorzugt erodiert. An dem Außenumfang des Rohrkörpers 2 sind Zuleitungen 5 angeordnet, die mit einem Druckverteiler 4 und einem Druckerzeuger 3 zur Bereitstellung von unter hohem Druck stehender Flüssigkeit verbunden sind. Die Zuleitungen 5 können entweder separat ausgebildet sein und von dem Druckverteiler 4 die Hochdruckflüssigkeit zu den jeweiligen Düsen 6 leiten oder als CommonRail ausgebildet sein, so dass Abzweigungen aus einem gemeinsamen Zuleitungskanal zu den jeweiligen Düsen 6 ausgebildet sind.
  • Am Ende der Zuleitungen 5 ist jeweils eine Düsenvorkammer 7 ausgebildet, die zur Anpassung oder Beeinflussung des Eindüsverhaltens ausgebildet sind. Je nach Ausbildung der Düsen 6 können unterschiedliche Geometrien der Düsenvorkammer 7 vorliegen. Vorliegend sind die Düsen 6 als einfache Lochdüsen ausgebildet, alternativ können Hohlkegeldüsen, Zungendüsen, Schlitzdüsen oder Flachstrahldüsen in unterschiedlichen Orientierungen an dem Rohrkörper 2 ausgebildet sein.
  • Die 2 zeigt eine Eindüsvorrichtung 1 mit axial ausgerichteten Schlitzdüsen 6 und entsprechend ausgebildeten Düsenvorkammern 7, die auch von mehreren Zuleitungen 5 gespeist werden können.
  • 3 zeigt azimutal ausgerichtete Schlitzdüsen 6 mit entsprechend angepassten Düsenvorkammern 7, wobei vorliegend die Schlitzdüsen 6 ringförmig auf der Innenseite des Rohrkörpers 2 angeordnet sind. Grundsätzlich ist die Anordnung auch axial versetzt oder aperiodisch azimutal möglich.
  • Neben einer durchgängigen Ausbildung der Düsen 6 als Schlitzdüsen oder Lochdüsen können Kombinationen der Düsenformen periodisch oder aperiodisch angeordnet sein, wie in der 4 angedeutet ist. Durch die entsprechend angepassten Düsenvorkammern 7 ist erkennbar, dass eine Kombination von Lochdüsen und azimutal ausgerichteten Schlitzdüsen an dem Rohrkörper 2 angeordnet und ausgebildet sind.
  • 5 zeigt ein Modul, bestehend aus Druckerzeugereinheit 3, Verteilereinheit 4 und Zuleitungen 5, die korrespondierend zu dem Außenumfang des nicht dargestellten Rohrkörpers ausgebildet sind. Dieses Modul kann auf den Rohrkörper aufgeschoben und auf diesem fixiert werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Düsenbohrungen zur Deckung mit den Enden der Zuleitungen 5 kommen, damit eine präzise Eindüsung der über die Druckerzeugereinheit 3 zugeführten Flüssigkeit erfolgen kann. Die Druckerzeugereinheit 3 kann als Hochdruckpumpe, insbesondere als Mehrkolbenpumpe ausgebildet sein. Grundsätzlich können die Zuleitungen mit zunehmendem Abstand zu der Verteilereinheit 4 bzw. der Druckerzeugereinheit 3 in ihrem Querschnitt verengt werden, um ausreichend hohe Drücke aufrechterhalten zu können.
  • In der 6 ist eine Eindüsvorrichtung 1 mit radial nach innen gerichteten Leiteinrichtungen 8 in Gestalt von Leitblechen vorgesehen. Durch diese Leitbleche 8 können die Strömungsbedingungen an der Rohrkörperinnenwandung oder das Eindüsverhalten des durch die Düsen 6 eingebrachten Zusatzstoffes beeinflusst werden.
  • In der 7 ist eine Variante der Anordnung der Leiteinrichtungen 8 dargestellt, die in dem Zentrum des Rohrkörpers 2 zusammengeführt sind. Grundsätzlich ist es möglich, dass durch die Leitbleche oder Leiteinrichtungen 8 Flüssigkeit durch entsprechend angeordnete Düsen in Kanäle innerhalb der Leiteinrichtungen 8 eingebracht wird, von wo aus eine Eindüsung in den Gasstrom radial nach außen, also entgegen der Eindüsrichtung der Düsen 6 in der Rohrkörperinnenwandung erfolgen kann. Ergänzend kann eine Eindüsung auch in oder entgegen Strömungsrichtung durch die Leiteinrichtung 8 erfolgen.
  • Eine Variante der Erfindung ist in der 8 gezeigt, bei der die Düsen innerhalb eines Steges 8, der als Leiteinrichtung ausgebildet ist, angeordnet sind. Die Düsen 6 sind innerhalb des Steges 8 senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet und ermöglichen eine Eindüsung über den gesamten Querschnitt in Strömungsrichtung, so dass eine gleichmäßige und homogene Verteilung der eingedüsten Flüssigkeit erfolgen kann. Die Düsengeometrie oder die Düsenanzahl kann sich über den Querschnitt des Rohrkörpers 2 verändern, um den unterschiedlichen Strömungsbedingungen des Gasstromes Rechnung tragen zu können. Die Düsen 6 können entweder ausschließlich in der Leiteinrichtung 8, die bevorzugt keine strömungsdynamischen Aufgaben aufweist oder sowohl in der Leiteinrichtung 8 als auch in der Rohrkörperinnenwandung 2 angeordnet sein, um eine homogene Eindüsung zu ermöglichen.
  • Grundsätzlich ist eine integrale Ausbildung der Zuführleitungen 5 innerhalb des Rohrkörpers 2 möglich, beispielsweise durch eine zweiteilige Ausgestaltung des Rohrkörpers 2 mit einem Innenrohr und Außenrohr und eingearbeiteten Zuleitungskanälen.
  • Die Eindüsvorrichtung 1 hat einen geringen Platzbedarf und kann an nahezu beliebiger Stelle innerhalb eines Abgasstromes, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, eingesetzt werden. Der Rohrkörper 2 kann als Gussteil mit Bohrungen oder einerodierten Düsen 6 mit hoher Genauigkeit ausgebildet sein. Dadurch ist eine kurze Gaslauflänge bei einer hohen Gleichverteilung der Zusatzstoffe innerhalb des Abgasstromes möglich. Dies wird über die Mehrzahl von Düsen 6 erreicht, die radial abstrahlen, sei es radial nach innen über die Rohrkörperinnenwandung oder radial nach außen über eine Leiteinrichtung 8 oder in Kombination sowohl radial nach innen als auch radial nach außen. Neben der Eindüsung von Flüssigkeit oder Flüssigkeiten können auch Gas oder Gase eingedüst werden.

Claims (20)

  1. Vorrichtung zum Eindüsen von Flüssigkeiten in einen Gasstrom, insbesondere in einen Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Rohrkörper, durch den der Gasstrom hindurchströmt und einer Druckerzeugereinheit zur Bereitstellung von mit Druck beaufschlagter Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeugereinheit (3) mit mehreren radial ausgerichteten Düsen (6) über zumindest eine Zuleitung (5) strömungstechnisch verbunden ist,
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verteilereinheit (4) die Flüssigkeit von der Druckerzeugereinheit (3) an die zumindest eine Zuleitung (5) verteilt, die mit mehreren an dem Umfang des Rohrkörpers (2) ausgebildeten, zum Rohrkörperinneren gerichteten Düsen (6) strömungstechnisch verbunden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (5) umfänglich an dem Rohrkörper (2) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (6) in Strömungsrichtung axial versetzt angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenachse in einem Winkel von 0° bis 90° zum Radius des Rohrkörpers (2) ausgerichtet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenachse in einem Winkel zur Strömungsrichtung des Gases geneigt ist.
  7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeugungseinheit (3) an dem Rohrkörper (2) festgelegt ist.
  8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeugereinheit (3) als Kolbenpumpe, insbesondere Mehrkolbenpumpe ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilereinheit (4) an dem Rohrkörper (2) festgelegt ist.
  10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (5) auf der Außenseite des Rohrkörpers (2) befestigt ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungen in der Rohrkörperwandung oder zwischen einem Innenrohr und einem Außenrohr mit eingearbeiteten Zuleitungskanälen ausgebildet sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungen (5) von der Verteilereinheit (4) separat zu der jeweiligen Düse (6) verlaufen.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (6) über eine gemeinsame Zuleitung (5) mit der Druckerzeugereinheit (3) gekoppelt sind.
  14. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Düse (6) eine Düsenvorkammer (7) vorgelagert ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Düsenvorkammer (7) der Düsengeometrie angepasst ist.
  16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Leiteinrichtung (8) an der Rohrkörperinnenwandung angeordnet ist.
  17. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (6) in der Leiteinrichtung (8) angeordnet und mit der Zuleitung (5) verbunden sind.
  18. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper (2), der Druckerzeuger (3), die Verteilereinheit (4) und die Zuleitungen (5) als ein Modul ausgebildet sind.
  19. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger (3) und die Verteilereinheit (4) ein integrales Bauteil bilden.
  20. Modul aus Druckerzeuger (3), Verteilereinheit (4) und Zuleitungen (5) zur Montage an einem mit Düsen (6) versehenen Rohrkörper (2).
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