DE102008046439A1

DE102008046439A1 - Vorrichtung zur Einbringung eines Mediums zur Abgasbehandlung in einen Abgasstrom und Verfahren zum Betreiben solcher Vorrichtung

Info

Publication number: DE102008046439A1
Application number: DE102008046439A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Fischer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2008-09-09
Publication date: 2010-03-11

Abstract

Bei der Vorrichtung zur Einbringung eines Mediums zur Abgasbehandlung in einen in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine geführten Abgasstrom, mit einer Mischkammer (6) zur Vermischung des Mediums mit dem Abgasstrom, wobei die Mischkammer einen Eingangsbereich mit einem Strömungsquerschnitt Q2 und einem Durchmesser D2 und einen Ausgangsbereich mit einem Strömungsquerschnitt Q3 und einem Durchmesser D3 < 1,5 . D2 für den Abgasstrom sowie einen Eintrittsabschnitt (11) für das Medium aufweist, ist vorgesehen, dass die Mischkammer (6) zwischen dem Eingangsbereich (7) und dem Ausgangsbereich (8) über einen Bereich mit einer Länge L1 in Hauptrichtung (H) des Abgasstroms einen gegenüber dem Strömungsquerschnitt Q2 erweiterten Strömungsquerschnitt Q1 mit einem Durchmesser Dmax aufweist. Bei dem Verfahren zur Einbringung eines Mediums zur Abgasbehandlung in einen in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine geführten Abgasstrom, wobei eine Vermischung des Mediums mit dem Abgasstrom in einer Mischkammer des Abgasstrangs erfolgt, die Mischkammer einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich für den Abgasstrom sowie einen Eintrittsabschnitt für das Medium aufweist, ist vorgesehen, dass das Abgas im Bereich der Mischkammer (6) zwischen dem Eingangsbereich (7) und dem Ausgangsbereich (8) in einem erweiterten Strömungsquerschnitt Q1 strömt, wobei im Bereich der Mischkammer eine Rückströmung im Abgas relativ zur Hauptströmungsrichtung (H) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einbringung eines Mediums zur Abgasbehandlung in einen in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine geführten Abgasstrom, mit einem als Mischkammer ausgebildeten Bereich des Abgasstrangs zur Vermischung des Mediums mit dem Abgasstrom, wobei die Mischkammer einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich für den Abgasstrom sowie einen Eintrittsabschnitt für das Medium aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 199 22 959 A1 bekannt.
Solche Vorrichtungen finden ihren Einsatz bei Abgasreinigungsanlagen von Kraftfahrtzeugen mit einem Dieselmotor.
Auf Grund einer unvollkommenen Verbrennung enthält das Abgas eines Kraftfahrzeugs zusätzlich zu Kohlendioxid CO₂, Wasser H₂O, Sauerstoff O₂ und Stickstoff N₂ schädliche Komponenten wie unverbrannte bzw. teilverbrannte Kohlenwasserstoffe C_nH_m, Kohlenmonoxid CO, Stickoxide NO_x und Partikel. Um die Menge der bereits benannten schädlichen Komponenten im Abgas von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, werden unterschiedliche Abgasnachbehandlungsmaßnahmen vorgenommen, wobei es sich versteht, dass bei modernen Pkw vor allem katalytische Verfahren zum Einsatz kommen.
Bei einem bekannten katalytischen Verfahren wird ein 3-Wege-Katalysator verwendet. Der 3-Wege-Katalysator kann jedoch nur bei Kraftfahrzeugen mit einem Ottomotor eingesetzt werden, da für das Verfahren ein nahezu konstantes Luft-Kraftstoff-Gemisch im stöchiometrischen Verhältnis (λ = 1) vorausgesetzt ist.
Da der Dieselmotor prinzipbedingt mit Luftüberschuss arbeitet, ist bei Kraftfahrzeugen mit einem Dieselmotor die vom Ottomotor bekannte 3-Wege-Katalysatortechnologie zur Abgasreinigung nicht einsetzbar. Bei derartigen Kraftfahrzeugen werden die Abgasgrenzwerte für Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasserstoffe C_nH_m mit Hilfe von Oxidationskatalysatoren verringert, bei den die Oxidation von Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasserstoffen C_nH_m im Sauerstoffüberschuss (λ > 1) durchgeführt wird. Zur Einhaltung der Grenzwerte für Stickoxide NO_x kann bei Kraftfahrzeugen mit einem Dieselmotor ein selektiv arbeitender SCR-Katalysator verwendet werden.
Bei der SCR-Katalysatortechnologie wird ein Reduktionsmittel eingesetzt, das die Stickoxide NO_x selektiv zum Stickstoff N₂ reduziert. Für den Einsatz bei Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen wird ein System favorisiert, bei dem Harnstoff als ammoniak-abspaltende Vorstufe zur Anwendung kommt, der gesundheitlich völlig unbedenklich ist.
Bei SCR-Systemen wird der Harnstoff als wässrige Lösung oder in Pulverform direkt vor dem SCR-Katalysator mit dem zu behandelnden Abgas in Kontakt gebracht. Wenn Harnstoff als ammoniakabspaltende Vorstufe verwendet wird, wird zur dessen thermischen Zersetzung die Energie des Abgases genutzt. Der erste Reaktionsschritt (Thermolyse), bei dem der Harnstoff zu Ammoniak NH₃ und Isocyansäure HNCO zerfällt, kann vollständig vor dem SCR-Katalysator ablaufen. Wird wässrige Harnstofflösung verwendet, muss zuvor noch das Wasser verdampft werden. Bei der anschließenden katalytischen Hydrolyse reagiert die Isocyansäure mit gasförmigem Wasser, das in dem Abgas vorliegt, zu Ammoniak NH₃ und Kohlendioxid CO₂.
Um zum einen die Umwandlung des Harnstoffs in das Reduktionsmittel, Ammoniak NH₃, zu begünstigen und zum anderen um die Reduktion von Stickoxiden NO_x durch das aus dem Harnsstoff gewonnene Reduktionsmittel (NH₃) zu beschleunigen, muss das dem Abgas zugeführte, Harnstoff aufweisende Medium mit dem Abgas vollständig vermischt werden. Hierzu kommen die eingangs genannten Vorrichtungen zum Einsatz.
Aus der eingangs genannten DE 199 22 959 A1 ist eine Abgasreinigungsanlage mit Stickoxidreduktion unter Reduktionsmittelzugabe bekannt. Diese Abgasreinigungsanlage weist einen mit einer Verbrennungskraftmaschine verbundenen Abgasstrang und einen SCR-Reduktionskatalysator auf. Ferner weist die bekannte Abgasreinigungsanlage stromaufwärts des SCR-Reduktionskatalysators eine Reduktionsmittel-Zudosiereinrichtung auf, die aus einer Zuführeinheit und einem Verdampfer besteht. Über die Zuführeinheit wird ein Reduktionsmittel oder ein Vorprodukt desselben wie z. B. fester oder flüssiger Harnstoff von außen in den Abgasstrang, in welchem der Abgasstrom geführt ist, eingedüst. In dem stromabwärts der Zuführeinheit angeordneten Verdampfer wird der Harnstoff in gasförmigen Ammoniak NH₃ umgewandelt. Ein nachfolgender Gasmischer sorgt für eine ausreichende Vermischung des freigesetzten Reduktionsmittels mit dem Abgas.
Es hat sich nun bei praktischem Einsatz herausgestellt, dass es bei herkömmlichen Vorrichtungen, die ein Vermischungselement aufweisen, das im Abgasstrom angeordnet ist, zu einer Behinderung des Abgasstroms kommen kann. Ferner kann bei Verwendung von herkömmlichen Vorrichtungen ein erheblicher Druckverlust entstehen. Dadurch wird der Gegendruck der Abgasreinigungsanlage erhöht und damit die Effizienz des Motors verschlechtert. Darüber hinaus hat es sich herausgestellt, dass die Vermischung des Reduktionsmittels mit dem zu behandelnden Abgas unvollständig sein kann, was dazu führt, dass die sehr schädlichen Stickoxide NO_x nicht zum Stickstoff N₂ reduziert werden und demnach in die Atmosphäre freigesetzt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Stand der Technik weiterzuentwickeln, so dass auf eine konstruktiv einfache und wenig kostenaufwendige Weise eine vollständige Vermischung des zugeführten Mediums zur Abgasbehandlung mit dem zu behandelnden Abgas gewährleistet wird, ohne dass eine direkte Behinderung des Abgasstroms stattfindet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Hinsichtlich einer Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Mischkammer im Bereich zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich einen erweiterten Strömungsquerschnitt Q₁ aufweist. Die Mischkammer weist zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich über einen Bereich mit einer Länge L1 in Hauptrichtung (H) des Abgasstroms einen gegenüber dem Strömungsquerschnitt Q2 erweiterten Strömungsquerschnitt Q₁ mit einem Durchmesser Dmax auf. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Abgasstrangs im Bereich der Mischkammer zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich wird eine teilweise Rückströmung des Abgases erreicht, durch die eine verbesserte Vermischung des eingeführten Mediums mit dem Abgas erreicht wird, ohne dass eine Behinderung der Abgasströmung erfolgt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als erweiterter Abschnitt des Abgasstrangs besonders konstruktiv einfach und kostengünstig herstellbar.
Vorzugsweise ist zur Verbesserung der Vermischung von Medium und Abgas L1 > Dmax – D2 und optional L1 < 4·D2 gewählt. Die Mischkammer weist ferner über den Bereich mit der Länge L1 entlang einer x-Achse einen Durchmesser Dmin und entlang einer vorzugsweise zur x-Achse senkrechten y-Achse den Durchmesser Dmax auf, wobei Dmin < Dmax gilt.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Länge L₁ um einen Faktor 1.2, 1.5 oder 1.8 größer als die Differenz der maximalen Durchmesser der Querschnitte Q₁ und Q₂ ist.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Mischkammer stellt einen durch den Eingangsbereich und den Ausgangsbereich räumlich begrenzten Raum mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit bereit, in dem physikalisch-chemische Prozesse zwischen dem Medium zur Abgasbehandlung und dem zu behandelnden Abgas über eine längere Zeit stattfinden können. Durch eine Verlängerung der Einwirkungszeit des Mediums, beispielsweise Harnstoff als ammoniakabspaltende Vorstufe des Reduktionsmittels wird sichergestellt, dass die in dem Abgas vorliegenden Stickoxide NO_x in einem stromab angeordneten SCR-Katalysator vollständig zum Stickstoff N₂ reduziert werden können.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Mischkammer in Bezug auf einen Strömungsquerschnitt des Eingangsbereichs und einen Strömungsquerschnitt des Ausgangsbereichs eine unsymmetrische Aufweitung auf.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das durchströmende Abgas vermehrt teilweise rückströmt.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein Querschnittswechselabschnitt von dem Strömungsquerschnitt des Eingangsbereichs zu dem erweiteten Strömungsquerschnitt der Mischkammer mit einem sprungartigen Verlauf in die Hauptrichtung des Abgasstroms vorgesehen.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein Querschnittswechselabschnitt von dem erweiteten Strömungsquerschnitt der Mischkammer zu dem Strömungsquerschnitt des Ausgangsbereichs mit einem sprungartigen Verlauf in die Hauptrichtung des Abgasstroms vorgesehen.
Durch eine sprungartige Querschnittserweiterung bzw. Querschnittsverkleinerung kann eine noch weiter erhöhte Rückströmung des zu behandelnden Abgases in der Mischkammer und insbesondere in deren unsymmetrischer Aufweitung erzeugt werden, um das Medium zur Abgasbehandlung mit dem zu behandelnden Abgas zu vermischen.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Eintrittsabschnitt für das Medium stromabwärts des Eingangsbereichs der Mischkammer angeordnet.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Eintrittsabschnitt eine Anschlussstelle für eine Eindosiervorrichtung für das Medium auf.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Anschlussstelle im Bereich der unsymmetrischen Aufweitung der Mischkammer angeordnet.
Diese Maßnahmen haben einzeln oder in Kombination den Vorteil, dass durch die Einbringung des Mediums direkt in die Mischkammer, Bereiche mit einer turbulenten Strömung erzeugt werden, die zur Vermischung des Mediums mit dem Abgas beitragen. Ferner wird durch die reduzierte Strömungsgeschwindigkeit erzielt, dass die Einwirkungszeit zwischen dem Medium und dem zu behandelnden Abgas verlängert wird.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Eindosiervorrichtung derart angeordnet, dass die Einbringung des Mediums in die Mischkammer in die Hauptrichtung des Abgasstroms erfolgt.
Ein derartig eingebrachtes Medium wird durch das rückströmende Abgas in die Hauptrichtung des Abgasstroms geleitet. Gleichzeitig wird es gegen das teilweise rückströmende Abgas geführt. Diese beiden Effekte unterstützen die Vermischung des Mediums mit dem Abgas.
Darüber hinaus bewirkt das rückströmende Abgas ein Spülen der Anschlussstelle (12) und des Eindosierstutzens (13) von Resten des eingebrachten Mediums und wirkt damit der Ablagerung von Reaktionsprodukten entgegen.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Abgasstrang in einem stromabwärts des Ausgangsbereichs und beabstandet von diesem angeordneten Bereich einen erweiterten Strömungsquerschnitt auf. Vorzugsweise ist in diesem Bereich ein Reduktionskatalysator angeordnet.
Vorgenannte Aufgabe wird – insbesondere in Verbindung mit vorgenannten Merkmalen – weiterhin durch eine Abgasreinigungsanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Abgasstrang, durch den ein zu behandelndes Abgas geführt ist oder führbar ist, mit zumindest einer Katalysatoreinrichtung mit abgasreinigender Funktion umfassend zumindest einen Reduktionskatalysator, dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorgesehen ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist in der Abreinigungsanlage zumindest ein Oxidationskatalysator angeordnet.
Die Aufgabe wird ferner mit einem Verfahren zur Einbringung eines Mediums zur Abgasbehandlung in einen in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine geführten Abgasstrom, bei dem eine Vermischung des Mediums mit dem Abgasstrom in einer Mischkammer des Abgasstrangs erfolgt. Die Mischkammer weist einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich für den Abgasstrom sowie einen Eintrittsabschnitt für das Medium auf, wobei das Abgas im Bereich der Mischkammer zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich in einem erweiterten Strömungsquerschnitt Q₁ strömt, wobei im Bereich der Mischkammer eine Rückströmung im Abgas relativ zur Hauptströmungsrichtung (H) erfolgt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines ausgewählten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben und erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer Abgasreinigungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2: eine vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in 1, wobei hier eine teilweise Rückführung des Abgases dargestellt ist.
3: eine Konfiguration entlang des Schnitts A-A der 2.
In 1 ist eine Abgasreinigungsanlage 1 für eine Verbrennungskraftmaschine 2 dargestellt, wobei die Verbrennungskraftmaschine 2 vorzugsweise ein Dieselmotor ist. Ein von der Verbrennungskraftmaschine 2 kommendes Abgas, das zusätzlich zu Kohlendioxid CO₂, Wasser H₂O, Sauerstoff O₂ und Stickstoff N₂ schädliche Komponenten wie unverbrannte bzw. teilverbrannte Kohlenwasserstoffe C_nH_m, Kohlenmonoxid CO, Stickoxide NO_x und Partikel enthält, wird in einen röhrenförmigen Abgasstrang 3 geleitet.
In dem Abgasstrang 3 sind mehrere Komponenten zur Abgasnachbehandlung angeordnet. Insbesondere weist die Abgasreinigungsanlage 1 einen Oxidationskatalysator 4 auf, der die Oxidation von Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasserstoffen C_nH_m im Sauerstoffüberschuss (λ > 1) vornimmt. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 4 ist in der Abgasstrang 3 ein Reduktionskatalysator 15 angeordnet. Bei dem Reduktionskatalysator 15 handelt es sich um einen selektiven SCR-Katalysator, der unter Beteiligung eines Reduktionsmittels, vorzugsweise Ammoniak NH₃, Stickoxide NO_x aus dem Abgas in Stickstoff N₂ konvertieren kann, wie später noch ausführlicher beschrieben wird. Die Abgasanlage 1 kann ebenfalls eine Reihe von Sensoren aufweisen, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.
Stromabwärts des Oxidationskatalysators 4 und stromaufwärts des Reduktionskatalysators 15 ist eine Vorrichtung 5 angeordnet. Die Vorrichtung 5 dient zur Einbringung eines Mediums zur Abgasbehandlung in die Abgasreinigungsanlage 2, wie später noch näher erläutert wird. Das Medium, das der Mischkammer 6 zugeführt wird, ist entweder Harnstoff als wässrige Lösung oder in Pulverform, wobei es hier sich versteht, dass die Zudosierung des flüssigen Harnstoffs oder des Harnstoffs in Pulverform auf eine aus dem Stand der Technik bekannte Art erfolgen kann.
Wie insbesondere aus der vergrößerten Darstellung in 2 hervorgeht, weist die Vorrichtung 5 eine Mischkammer 6 auf. Die Mischkammer 6 mit einer axialen Länge L₁, vorzugsweise als Bereich des Abgasstrangs 3 ausgebildet, dient zur Vermischung des Mediums zur Abgasbehandlung mit dem Abgas. Die Mischkammer 6 weist einen Eingangsbereich 7 und einen Ausgangbereich 8 auf. Die Strömung des Abgases innerhalb der Mischkammer 6 sowie der unmittelbar an die Mischkammer stromauf und stromab anschließenden Bereiche des Abgasstrangs 3 ist mit Pfeilen veranschaulicht.
Die Mischkammer 6 weist im Bereich der Länge L1 einen Strömungsquerschnitt Q₁ mit einem (nicht gezeichneten) Durchmesser Dmax auf, der größer ist als ein Strömungsquerschnitt Q₂ des Eingangsbereichs 7 und/oder als ein Strömungsquerschnitt Q₃ des Ausgangsbereichs 8. Im Eingangsbereich hat die Mischkammer einen (nicht gezeichneten) Durchmesser D2 und im Ausgangsbereich einen (nicht gezeichneten) Durchmesser D3. Das durch Mischkammer 6 durchströmende Abgas erfährt eine teilweise Rückströmung relativ zur Hauptströmungsrichtung H, welche die Vermischung des Mediums zur Abgasbehandlung mit dem zu behandelnden Abgas erhöht. Die Mischkammer 6 ist vorzugsweise so ausgelegt, dass im Bereich des Ausgangsbereichs 8 eine seitliche Umlenkung von Abgas relativ zur Hauptströmungsrichtung H erfolgt. Vorzugsweise erfolgt eine Führung des um gelenkten Abgases durch die Wandung der Mischkammer 6 zurück bis zum Eingangsbereich 7.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Strömungsquerschnitt Q₂ des Eingangsbereichs 7 und der Strömungsquerschnitt Q₃ des Ausgangsbereichs 8 vergleichbar groß. Es ist natürlich möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung 5 derart auszubilden, dass die bereits genannten Strömungsquerschnitte Q₂ und Q₃ unterschiedlich groß sind, wobei der Strömungsquerschnitt Q₁ im Bereich der Mischkammer 6 größer ist, als die Strömungsquerschnitte Q₂ und Q₃.
Die dargestellte Mischkammer 6 weist eine unsymmetrische Aufweitung 9 auf. In 3 ist eine bevorzugte geometrische Konfiguration der Mischkammer 6 entlang des Schnitts A-A der 2 dargestellt. Die Aufweitung 9 erstreckt sich einseitig in Richtung einer Y-Achse seitlich zu einer Längsachse 10 des Abgasstranges 3 oder zur Hauptrichtung H des Abgasstranges 3. Es versteht sich, dass die Aufweitung in anderen Ausführungsformen sich auch beidseitig zur Y-Achse erstrecken kann, derart, dass die unsymmetrische Aufweitung 9 an beiden Seiten der Längsachse 10 des Abgasstranges 3 angeordnet ist. Ferner ist auch eine Aufweitung in Richtung einer X-Achse denkbar.
Ein Querschnittswechselabschnitt zwischen Eingangsbereich 7 und dem Bereich mit erweiterten Strömungsquerschnitt Q₁ der Mischkammer 6 weist einen sprungartigen Verlauf in Hauptrichtung H des Abgasstroms 3 auf. Ein Querschnittswechselabschnitt zwischen dem Bereich mit erweitertem Strömungsquerschnitt Q₁ der Mischkammer 6 und dem Ausgangsbereichs 8 kann ebenfalls einen sprungartigen Verlauf in Hauptrichtung H des Abgasstroms 3 aufweisen. Die teilweise Rückströmung des Abgases wird damit verstärkt und stabilisiert.
Die Mischkammer 6 weist einen Eintrittsabschnitt 11 mit einer Anschlussstelle 12 für eine Eindosierungsvorrichtung 13 für das Medium auf. Die Eindosierungsvorrichtung 13 ist im Bereich der, vorzugsweise unsymmetrischen Aufweitung 9 der Mischkammer 6 angeordnet. Es wird bevorzugt, die Eindosiervorrichtung 13 derart anzuordnen, dass die Einbringung des Mediums in die Mischkammer 6 in die Hauptrichtung H des Abgasstroms erfolgt. Man kann sich jedoch ebenfalls vorstellen, dass die Einbringung des Mediums in die Mischkammer 6 gegen die Hauptrichtung H des Abgasstroms erfolgt.
Der Abgasstrang 3 weist in einem stromabwärts des Ausgangsbereichs 8 und beabstandet von diesem angeordneten Bereich 14 einen erweiterten Strömungsquerschnitt Q₁ auf, an den anschließend der Reduktionskatalysator 15 angeordnet ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung wird nachfolgend in Zusammenhang mit 1 und 2 erläutert.
Von der Verbrennungskraftmaschine 2 kommendes Abgas wird unter Druck in den rohrförmigen Abgasstrang 3 geleitet. Zuerst wird das Abgas in dem Oxidationskatalysator 4 behandelt, indem Komponenten wie Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasserstoffe C_nH_m oxidiert werden. Des Weiteren kann stromabwärts des Oxidationskatalysators 4 ein hier nicht dargestellter Partikelfilter angeordnet sein, der Russpartikel aus dem Abgas abfiltriert. Dann gelangt das schon teilweise behandelte Abgas durch den Eingangsbereich 7 in die Mischkammer 6. Ein Teil des Abgases wird in der Mischkammer 6, deren Strömungsquerschnitt Q₁ großer ist als der Strömungsquerschnitt Q₂ des Eingangsbereichs 7, entlang der Wand der Mischkammer entgegen der Hauptrichtung H strömen. Die Ausbildung der Rückströmung des Abgases wird durch die sprungartige Strömungsquerschnittserweiterung zwischen Eingangsbereich 7 und dem Bereich mit vergrößertem Strömungsquerschnitt Q₁ unterstützt.
In Bereich der Mischkammer 6 mit vergrößertem Strömungsquerschnitt Q₁ ist die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases reduziert. Zur Abgasnachbehandlung wird der Mischkammer 6 in Hauptrichtung H des Abgases das Medium zur Abgasbehandlung über die Eindosiervorrichtung 13 zugeführt.
Wenn als Medium Harnstoff in Pulverform verwendet wird, findet in der Mischkammer 6 zuerst eine thermische Zersetzung des Harnstoffs mit Hilfe der Energie des sich in der Mischkammer 6 befindlichen Abgases statt. Bei diesem Reaktionsschritt (Thermolyse) zerfällt der Harnstoff zum Ammoniak NH₃ und zur Isocyansäure HNCO. Bei der anschließenden Hydrolyse reagiert die Isocyansäure mit gasförmigem Wasser, das in dem Abgas vorliegt, zu Ammoniak NH₃ und Kohledioxid CO₂. Bezüglich des zweiten Reaktionsschritts ist es anzumerken, dass in der Gasphase die katalytische Hydrolyse nur mit einem entsprechenden Katalysator mit einer nennenswerten Geschwindigkeit abläuft. Durch den Einsatz eines Hydrolysekatalysators, der in dem Gesamtsystem dem SCR-Katalysator vorgeschaltet wird, kann die Geschwindigkeit der Isocyansäurehydrolyse derart erhöht werden, dass unerwünschte Nebenreaktionen unterdrückt werden. Wenn eine wässrige Harnstofflösung als Vorstufe des Reduktionsmittels verwendet wird, muss zuvor noch das Wasser verdampft werden.
Da in der Mischkammer 6 die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases reduziert ist, kann die der Mischkammer 6 zugeführte Vorstufe des Reduktionsmittels über längere Zeit mit dem Abgas reagieren. Die verlängerte Einwirkungszeit erhöht die Umwandlung des Mediums in das eigentliche Reduktionsmittel Ammoniak NH₃. Ferner wird durch eine Einbringung des Mediums in die Mischkammer 6 in die Hauptrichtung H des Abgases das Medium entgegen der Richtung des rückströmenden Abgases geführt.

1: Abgasreinigungsanlage
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Abgasstrang
4: Oxidationskatalysator
5: Vorrichtung
6: Mischkammer
7: Eingangsbereich
8: Ausgangsbereich
9: Aufweitung
10: Längsachse
11: Eintrittsabschnitt
12: Anschlussstelle
13: Eindosiervorrichtung
14: Bereich
15: Reduktionskatalysator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19922959 A1 [0003, 0011]

Claims

Vorrichtung zur Einbringung eines Mediums zur Abgasbehandlung in einen in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine geführten Abgasstrom, mit einer Mischkammer (6) zur Vermischung des Mediums mit dem Abgasstrom, wobei die Mischkammer einen Eingangsbereich mit einem Srömungsquerschnitt Q2 und einem Durchmesser D2 und einen Ausgangsbereich mit einem Strömungsgerschnitt Q3 und einem Durchmesser D3 < 1,5·D2 für den Abgasstrom sowie einen Eintrittsabschnitt (11) für das Medium aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (6) zwischen dem Eingangsbereich (7) und dem Ausgangsbereich (8) über einen Bereich mit einer Länge L1 in Hauptrichtung (H) des Abgasstroms einen gegenüber dem Strömungsquerschnitt Q2 erweiterten Strömungsquerschnitt Q₁ mit einem Durchmesser Dmax aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass L1 > Dmax – D2 und optional L1 < 4·D2 gilt und/oder die Mischkammer (6) über den Bereich mit der Länge L1 entlang einer x-Achse einen Durchmesser Dmin und entlang einer vorzugsweise zur x-Achse senkrechten y-Achse den Durchmesser Dmax aufweist, wobei Dmin < Dmax gilt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnittswechselabschnitt zwischen dem Eingangsbereich (7) und dem Bereich mit erweitetem Strömungsquerschnitt Q1 der Mischkammer (6) mit einem sprungartigen Verlauf, vorzugsweise über eine Länge von < 0,3·D2 in Hauptrichtung (H) des Abgasstroms vorgesehen ist und/oder dass ein Querschnittswechselabschnitt zwischen dem Bereich der Länge 1 der Mischkammer (6) zu dem Ausgangsbereich (8) mit einem sprungartigen Verlauf, vorzugsweise über eine Länge von 0,3·D3 in Hauptrichtung (H) des Abgasstroms vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer eine geometrische Form aufweist, die im Bereich der Mischkammer die Ausbildung einer Rückströmung im Abgas relativ zur Hauptströmungsrichtung (H) erlaubt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (6) seitlich zu einer Längsachse (10) des Abgasstrangs (3) oder zu der Hauptrichtung (H) des Abgasstroms eine asymmetrische Querschnittserweiterung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsabschnitt (11) für das Medium stromabwärts des Eingangsbereichs (7) der Mischkammer (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsabschnitt (11) eine Anschlussstelle (12) für eine Eindosiervorrichtung (13) für das Medium aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussstelle (12) im Bereich der unsymmetrischen Aufweitung (9) der Mischkammer (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindosiervorrichtung (13) derart angeordnet ist, dass die Einbringung des Mediums in die Mischkammer (6) in die Hauptrichtung (H) des Abgasstroms erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrang (3) in einem stromabwärts des Ausgangsbereichs (8) und beabstandet von diesem angeordneten Bereich (14) einen erweiterten Strömungsquerschnitt (Q4) aufweist.
Abgasreinigungsanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Abgasstrang, durch den ein zu behandelndes Abgas geführt ist oder führbar ist, mit zumindest einer Katalysatoreinrichtung mit abgasreinigender Funktion, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorgesehen ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Abgasanlage zumindest einen Reduktionskatalysator und/oder zumindest einen Oxidationskatalysator umfasst.
Verfahren zur Einbringung eines Mediums zur Abgasbehandlung in einen in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine geführten Abgasstrom, wobei eine Vermischung des Mediums mit dem Abgasstrom in einer Mischkammer des Abgasstrangs erfolgt, die Mischkammer einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich für den Abgasstrom sowie einen Eintrittsabschnitt für das Medium aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas im Bereich der Mischkammer (6) zwischen dem Eingangsbereich (7) und dem Ausgangsbereich (8) in einem erweiterten Strömungsquerschnitt Q₁ strömt, wobei im Bereich der Mischkammer eine Rückströmung von Abgas relativ zur Hauptströmungsrichtung (H) erfolgt.
Verfahren zur Einbringung eines Mediums zur Abgasbehandlung in einen in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine geführten Abgasstrom, wobei eine Vermischung des Mediums mit dem Abgasstrom in einer Mischkammer des Abgasstrangs erfolgt, die Mischkammer einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich für den Abgasstrom sowie eine Anschlussstelle (12) und einen Eindosierstutzens (13) für das Medium aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das rückströmende Abgas zum Spülen der Anschlussstelle (12) und des Eindosierstutzens (13) von Resten des eingebrachten Mediums genutzt wird.