DE102008049686A1 - Abgasanlage mit Verwirbelungselement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für einen Kraftwagen, insbesondere mit einem Dieselmotor, mit einer in einer Abgasleitung (10) angeordneten Abgasreinigungsvorrichtung und einer in Strömungsrichtung (12) vor dieser angeordneten Einspritzvorrichtung (28, 30) zum Einbringen eines Betriebsstoffes in die Abgasleitung (10), wobei im Nahbereich der Einspritzvorrichtung (28, 30) ein antreibbares Verwirbelungselement (18) in der Abgasleitung (10) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für einen Kraftwagen, insbesondere mit einem Dieselmotor, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen Kraftwagen mit einer derartigen Anlage.
  • Solche Abgasanlagen sind allgemein bekannt. Sie umfassen eine in der Abgasleitung angeordnete Abgasreinigungsvorrichtung und eine in Strömungsrichtung vor dieser angeordneten Einspritzvorrichtung zum Einbringen eines zusätzlichen Betriebsstoffes in die Abgasleitung. Bei einer solchen Abgasreinigungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um einen selektiven katalytischen Reduktionskatalysator für Dieselabgase handeln, welcher unter Zuhilfenahme zusätzlich eingebrachter Harnstoff- beziehungsweise Ammoniaklösung in den Dieselabgasen enthaltene Stickoxide reduzieren kann. Alternativ kann es sich bei einer solchen Abgasreinigungsvorrichtung um einen Dieselpartikelfilter handeln, wobei hier der zusätzlich eingebrachte Betriebsstoff einen Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch umfasst und lediglich zur Regeneration des Partikelfilters eingebracht wird, nicht jedoch im Normalbetrieb.
  • Um derart eingebrachte Betriebsstoffe gleichmäßig im Abgasstrom zu verteilen, sind in der Regel zusätzliche Verwirbelungselemente notwendig. Diese sind üblicherweise statisch ausgeführt. So offenbart beispielsweise die DE 102 39 417 A1 eine Anordnung blattförmiger Strömungsschikanen im Strömungsbereich eines Abgaskanals, welche Turbulenz erzeugen sollen, um so den zusätzlich eingebrachten Betriebsstoff möglichst gleichmäßig zu verwirbeln und über den gesamten Strömungsquerschnitt des Abgaskanals und insbesondere den einströmenden Querschnitt der Abgasreinigungsvorrichtung zu verteilen. Solche Vorrichtungen sind mit dem Nachteil behaftet, dass sie den Staudruck im Abgaskanal erhöhen und so zu Druckverlusten führen. Dies reduziert wiederum das Spüldruckgefälle des Motors, was letztendlich zu einem Wirkungsgradverlust des Motors führt.
  • Alternativ hierzu schlägt die DE 10 2005 006 053 A1 eine bewegliche Abgabevorrichtung zur Abgabe eines Zuschlagmediums in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine vor. Hier ist die Einspritzvorrichtung für den Zusatzstoff also drehbar im Abgaskanal gelagert, so dass durch die Rotation der Einspritzvorrichtung eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Betriebsstoffes erzielt werden soll. Auch hier treten die genannten Staudruckprobleme auf. Zusätzlich bringt eine solche Vorrichtung das Problem mit sich, dass Kanäle für den Betriebsstoff beweglich gelagert werden müssen, was zu konstruktiven Problemen, insbesondere bei der Abdichtung zwischen einem beweglichen und einem nicht beweglichen Teil der Leitungen für den Betriebsstoff führt.
  • Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasanlage der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine möglichst homogene Verteilung eines zusätzlich eingebrachten Betriebsstoffes in der Abgasleitung erreicht wird, ohne dass Druckverluste auftreten, welche den Wirkungsgrad eines zugeordneten Motors beeinträchtigen könnten.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine solche Abgasanlage für einen Kraftwagen, insbesondere mit einem Dieselmotor, umfasst eine Abgasleitung, sowie eine in dieser angeordneten Abgasreinigungsvorrichtung. In Strömungsrichtung vor der Abgasreinigungsvorrichtung ist eine Einspritzvorrichtung zum Einbringen eines Betriebsstoffes in die Abgasleitung vorgesehen. Bei diesem Betriebsstoff kann es sich, wie bereits eingangs geschildert, um Harnstoffbeziehungsweise Ammoniaklösungen in Verbindung mit einer als selektiver Reduktionskatalysator ausgeführten Abgasreinigungsvorrichtung beziehungsweise um Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffgemische in Verbindung mit einer als Dieselpartikelfilter ausgelegten Abgasreinigungsvorrichtung handeln.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Nahbereich der Einspritzvorrichtung ein antreibbares Verwirbelungselement in der Abgasleitung angeordnet ist. Dieses ist insbesondere rotatorisch beweglich angeordnet, wobei eine rotatorische Antreibbarkeit allein durch eine Abgasströmung gegeben sein kann. Es kann jedoch auch eine Antriebsvorrichtung vorgesehen sein, welche das Verwirbelungselement aktiv rotatorisch antreiben kann. Dadurch werden Staudruckverluste in der Abgasleitung vermieden. Der aktive Antrieb des Verwirbelungselementes kann im Gegenteil sogar zu einer zusätzlichen Förderung des Abgases führen, was letztlich das Spülgefälle sogar geringfügig erhöhen kann und damit den Wirkungsgrad des Motors sogar leicht verbessert. Durch ein derartiges Verwirbelungselement ist zudem vorteilhaft eine sehr homogene Verteilung des eingebrachten Betriebsstoffes in der Abgasleitung ermöglicht.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verwirbelungselement in Strömungsrichtung des Abgases vor der Einspritzvorrichtung angeordnet. Damit wird vorteilhaft erzielt, dass der Betriebsstoff an einer Stelle der Abgasleitung eingespritzt wird, an welcher bereits ein hohes Maß von Turbulenz im Abgasstrom herrscht. Weiterhin wird ein Kontakt des Verwirbelungselementes mit dem Betriebsstoff vermieden, so dass eventuelle Korrosion des Verwirbelungselementes beziehungsweise Ablagerungen von Betriebsstoff auf dem Verwirbelungselement vermieden werden. Dies erhöht die Lebensdauer und Betriebssicherheit des Verwirbelungselementes.
  • Alternativ hierzu kann das Verwirbelungselement in Strömungsrichtung auch nach der Einspritzvorrichtung angeordnet sein. Dies bringt insbesondere dann Vorteile, wenn aerosolisierte Betriebsmittel eingebracht werden sollen. Treten bei der Aerosolisierung zu große Tropfengrößen auf, so können diese Tropfen durch Auftreffen auf das Verwirbelungselement eine bezüglich der Abgasleitung und des Verwirbelungselementes radiale Beschleunigung erfahren, wodurch sie gegebenenfalls weiter verkleinert werden, so dass sich ein extrem homogen verteiltes Aerosol mit der gewünschten geringen Tröpfchengröße ergibt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verwirbelungselement als auf einer im Wesentlichen koaxial mit der Abgasleitung verlaufenden Welle befestigter Propeller oder dergleichen ausgebildet. Durch die entsprechende Ausführung des Propellers können beliebige – und insbesondere beliebig turbulente – Strömungsprofile innerhalb der Abgasleitung erzeugt werden, was die Verteilung des Betriebsstoffes über den Strömungsquerschnitt der Abgasleitung weiter verbessert. Für weitere Ausgestaltung ist dabei wenigstens ein Abstützelement vorgesehen, in welchem die Welle drehbar gelagert aufnehmbar und gegen eine Innenwandung der Abgasleitung abstützbar ist. Unabhängig von der Position des Verwirbelungselementes ist es dabei vorteilhaft, das Abstützelement und die Wellenlagerung stromaufwärts von der Einspritzvorrichtung anzuordnen, so dass insbesondere keine Betriebsmittel in die Lagerung eindringen können, was gegebenenfalls das Laufverhalten der Welle verschlechtern könnte.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuereinrichtung zum Steuern der Antriebseinrichtung vorgesehen. Über eine solche Steuereinrichtung kann die Rotationsgeschwindigkeit des Verwirbelungselementes in Abhängigkeit eines Betriebsparameters der Abgasanlage oder einer dieser zugeordneten Brennkraftmaschine gesteuert werden. Damit ist eine Anpassung des Vermischungsgrades von Betriebsmittel und Abgas in Abhängigkeit verschiedenster Parameter möglich. So kann zum Beispiel bei steigenden Abgasmassenströmen die Rotationsgeschwindigkeit des Verwirbelungselementes erhöht werden, um das nötige Ausmaß an Turbulenz zur Vermischung von Abgas und Betriebsmittel weiterhin bereitzustellen. Eine besondere Bedeutung kommt einer solchen Steuereinrichtung in Verbindung mit einer als Dieselpartikelfilter ausgeführten Abgasreinigungsvorrichtung zu. Bei einem derartigen Dieselpartikelfilter ist ja ein Einspritzen der Betriebsstoffes, also von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffgemischen, nur während der Regenerationsphase des Dieselpartikelfilters nötig. Damit ist auch der Betrieb des Verwirbelungselementes nur in diesem Betriebszustand des Dieselpartikelfilters nötig. Dieser kann also in anderen Betriebszuständen, während gerade keine Regeneration des Dieselpartikelfilters durchgeführt wird, deaktiviert werden, und gegebenenfalls die Strömungsverhältnisse in der Abgasleitung zu verbessern.
  • Im Folgenden soll anhand der Zeichnung die Erfindung und ihre Ausführungsformen näher erläutert werden.
  • Hierbei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verwirbelungselementes für eine erfindungsgemäße Abgasanlage.
  • Die Figur zeigt in schematisierter Darstellung einen Ausschnitt einer Abgasleitung 10 für eine erfindungsgemäße Abgasanlage. Abgas strömt dabei in Richtung des Pfeils 12 in einen Innenraum 14 der Abgasleitung 10 und in Richtung des Pfeils 16 weiter auf eine nicht gezeigte Abgasreinigungsvorrichtung, wie beispielsweise einen Dieselpartikelfilter oder einen selektiven Reduktionskatalysator hin. Um hinreichende Turbulenz zur Vermischung des die Abgasleitung 10 durchströmenden Abgases mit einem zusätzlich einzubringenden Betriebsstoff, wie beispielsweise eine Harnstoff- oder eine Ammoniaklösung, zu ermöglichen, ist im Innenraum 14 der Abgasleitung 10 ein propellerförmiges Verwirbelungselement 18 angeordnet, welches auf einer Welle 20 im Drehsinne des Pfeils 22 drehbar gelagert ist. Die Propellerblätter 24 umlaufen dabei den Innenumfang 26 der Abgasleitung wie gezeigt. Hierdurch werden Verwirbelungen im Abgasstrom erzeugt, die den eingebrachten Betriebsstoff gleichmäßig im Abgas verteilen und eine Aufbereitung des Betriebsstoffs fördern können.
  • Insbesondere bei einem aktiven Antrieb mittels einer nicht gezeigten Antriebsvorrichtung wird ein Rückstau des Abgases vermieden, welcher gegebenenfalls den Wirkungsgrad eines zugeordneten Motors verringern könnte.
  • Eine Einspritzung des zusätzlichen Betriebsstoffes ist dabei an zwei Positionen möglich. Einerseits kann dies an der Stelle des Pfeils 28 in Strömungsrichtung vor dem Verwirbelungselement 18 erfolgen, so dass beispielsweise durch das Verwirbelungselement 18 eine Aerosolisierung des Betriebsmittels noch weiter gefördert wird. Alternativ hierzu kann die Einspritzung an Position des Pfeils 30, also in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Verwirbelungselement 18 erfolgen, so dass das Verwirbelungselement 18 nicht selbst in Kontakt mit dem Betriebsstoff kommt, um so Korrosion oder Ablagerungen vom Betriebsstoff auf dem Verwirbelungselement 18 zu vermeiden. Um eine Rotationsgeschwindigkeit des Verwirbelungselementes 18 an verschiedene Betriebsparameter der Abgasanlage anzupassen, kann weiterhin eine nicht gezeigte Steuereinrichtung vorgesehen sein, welche die Rotationsgeschwindigkeit in Richtung des Pfeils 22 steuert, indem sie Signale an die gegebenenfalls vorgesehene Antriebsvorrichtung, welche die Drehung der Welle 20 bewirkt, sendet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10239417 A1 [0003]
    • - DE 102005006053 A1 [0004]

Claims (8)

  1. Abgasanlage für einen Kraftwagen, insbesondere mit einem Dieselmotor, mit einer in einer Abgasleitung (10) angeordneten Abgasreinigungsvorrichtung und einer in Strömungsrichtung (12) vor dieser angeordneten Einspritzvorrichtung (28, 30) zum Einbringen eines Betriebsstoffes in die Abgasleitung (10), dadurch gekennzeichnet, dass im Nahbereich der Einspritzvorrichtung (28, 30) ein antreibbares Verwirbelungselement (18) in der Abgasleitung (10) angeordnet ist.
  2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben des Verwirbelungselements (18) bereitgestellt ist.
  3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verwirbelungselement (18) in Strömungsrichtung (12) vor der Einspritzvorrichtung (30) angeordnet ist.
  4. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verwirbelungselement (18) in Strömungsrichtung (12) nach der Einspritzvorrichtung (28) angeordnet ist.
  5. Abgasanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verwirbelungselement (18) als auf einer im Wesentlichen koaxial mit der Abgasleitung (10) verlaufenden Welle (20) befestigter Propeller (24) oder dgl. ausgebildet ist.
  6. Abgasanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abstützelement vorgesehen ist, in welchem die Welle (20) drehbar gelagert aufnehmbar und gegen eine Innenwandung der Abgasleitung (10) abstützbar ist.
  7. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6 unter Rückbezug auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung zum Steuern der Antriebseinrichtung vorgesehen ist, über welche eine Rotationsgeschwindigkeit des Verwirbelungselements (18) in Abhängigkeit eines Betriebsparameters der Abgasanlage oder einer dieser zugeordneten Brennkraftmaschine steuerbar ist.
  8. Kraftwagen mit einer Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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