DE102011018569A1

DE102011018569A1 - Abgasanlage mit einem Dosierventil zum Einspritzen eines Reduktionsmittels

Info

Publication number: DE102011018569A1
Application number: DE102011018569A
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Lörch Henning; Moritz Freudenberger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2012-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage mit einem Dosierventil (6) zum seitlichen Einspritzen eines Reduktionsmittels in einen in einem Abgaskanalabschnitt (4) zu einem Katalysator (5) geführten Abgasstrom. Die Einspritzrichtung des Dosierventils (6) ist dabei auf eine im Abgaskanalabschnitt (4) angeordnete Prallvorrichtung (7) ausgerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage mit einem Dosierventil zum seitlichen Einspritzen eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas von mit Dieselkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotoren ist es bekannt, die Stickoxide mittels einer so genannten selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zu reduzieren. Hierzu wird dem Abgasstrom zum Beispiel eine wässrige Harnstofflösung über ein Dosierventil zudosiert. Dabei verdampft der Wasseranteil im Abgasstrom und der verbleibende Harnstoff wird zu Isocyansäure und Ammoniak thermolysiert. Die verbliebene Isocyansäure wird in einem nächsten Schritt zu Ammoniak und Kohlendioxid hydrolisiert. Alle diese Schritte erfordern eine gewisse Zeit und es muss sichergestellt werden, dass das erzeugte Ammoniak über den Strömungsquerschnitt des Abgaskanals und anschließend am Eintritt des SCR-Katalysators oder eines mit SCR-Beschichtung versehenen Partikelfilters gleichmäßig verteilt ist. Um eine optimale Gleichverteilung zu erhalten, muss beim Stand der Technik eine ausreichend lange Mischstrecke vom Dosierventil bis zum Eintritt des SCR-Katalysators eingehalten werden. Die Mischstrecke herkömmlicher Systeme hat eine Länge von mehr als 25 cm, weshalb aufgrund der erforderlichen Länge eine motornahe Anordnung bei herkömmlichen Systemen nicht möglich ist. Herkömmliche SCR-Systeme werden daher im Unterbodenbereich des Fahrzeugs, also motorfern, angeordnet, was zur Folge hat, dass durch die motorferne Anordnung das Abgastemperaturniveau entsprechend niedrig ist. Das niedrige Abgastemperaturniveau wirkt sich dabei negativ auf die Katalyse im SCR-System aus.
Aus der DE 10 2008 052 757 A1 ist eine Vorrichtung zum Einbringen einer Flüssigkeit in einen Abgasstrom bekannt, bei der eine wässrige Harnstofflösung in spitzem Winkel zur Strömungsrichtung des Abgasstroms in einen strömungsführenden Abschnitt eingespritzt wird. Eine derartige Anordnung der Einspritzvorrichtung erfordert eine gewisse Baulänge für den Abgaskanalabschnitt, in den die wässrige Harnstofflösung eingespritzt wird, um eine möglichst gute Gleichverteilung der Harnstofflösung im Abgasstrom zu erhalten, bevor dieser beispielsweise einem Stickoxidspeicherkatalysator bzw. einem SCR-Katalysator zugeführt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Abgasanlage für ein Fahrzeug bereitzustellen, bei der die Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom so erfolgt, dass eine möglichst kurze Mischstrecke für eine gute Gleichverteilung des Reduktionsmittels im Abgasstrom ausreicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erhält man durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Erfindungsgemäß wird das Reduktionsmittel über ein seitlich an einem Abgaskanalabschnitt angeordnetes Dosierventils auf eine im Abgaskanalabschnitt angeordnete Prallvorrichtung eingespritzt. Die Prallvorrichtung verhindert einerseits, dass eine als Reduktionsmittel vorzugsweise im rechten Winkel zum Abgasstrom eingespritzte wässrige Harnstofflösung auf die dem Dosierventil gegenüberliegende Innenwand des Abgaskanalabschnitts auftrifft, und sorgt insbesondere für eine deutliche Verbesserung der Durchmischung des Harnstoffs im Abgasstrom. Die Prallfläche bzw. die Prallflächen der Prallvorrichtung können dabei so zum Abgasstrom geneigt ausgerichtet sein, dass die auftreffende wässrige Harnstofflösung in gewünschter Weise möglichst gleichmäßig verteilt in den Abgasstrom von der Prallvorrichtung abprallt. Selbst wenn die Prallvorrichtung als einfache ebene oder gewölbte Prallplatte ausgebildet ist, ergibt sich schon dadurch die Möglichkeit, die Mischstrecke bzw. die Länge des Abgaskanalabschnitts bis zum nachfolgenden Katalysator gegenüber herkömmlichen Ausführungen deutlich zu verringern, da der Pralleffekt an der Prallvorrichtung die Durchmischung des Harnstoffs im Abgasstrom verbessert.
Durch die mögliche Verkürzung der Mischstrecke ergibt sich insgesamt eine kürzere Bauform für den Abgaskanalabschnitt, an dem das Dosierventil zur Platzersparnis vorzugsweise rechtwinklig seitlich absteht. Durch die kleinere Bauform lässt sich die gesamte Katalysatoranordnung motornah im Motorraum eines Kraftfahrzeugs unterbringen, so dass für die Katalyse höhere Abgastemperaturen zur Verfügung stehen.
Die Prallvorrichtung kann eine oder mehrere Prallflächen haben, die zur Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms derart geneigt ausgerichtet sind, dass die davon abprallende Harnstofflösung in etwa in Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms abprallt, wobei die Neigung der Prallflächen so gewählt sein können, dass bereits unmittelbar nach dem Abprallen der Harnstofflösung eine sehr gute Gleichverteilung bzw. Durchmischung im Abgasstrom auftritt.
Die Prallvorrichtung hat vorzugsweise im Abgasstrom eine deutlich kleinere wirksame Stirnfläche als die innere Querschnittsfläche des Abgaskanalabschnitts, in welchem die Prallvorrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Abgasstrom die Prallvorrichtung umströmen, wobei die auftretenden Verwirbelungen an der Prallvorrichtung eine gute Gleichverteilung des Harnstoffs im Abgasstrom begünstigen können.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Anstellwinkel der Prallvorrichtung verstellbar ist. Vorzugsweise erfolgt die Verstellung der Prallvorrichtung pneumatisch oder mittels eines elektrischen Stellantriebs um eine Achse, die quer zur Hauptrichtung des Abgasstroms ausgerichtet ist. Damit besteht die Möglichkeit, die Prallvorrichtung in Abhängigkeit von aktuellen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors bzw. des Abgasstroms in der Neigung so zu verändern, dass eine optimale Funktionalität für das SCR-System erzielt wird. Insbesondere kann dadurch eine Optimierung der Gleichverteilung des Harnstoffs im Abgasstrom für unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden.
Die aus wenigstens einer Prallplatte bestehende Prallvorrichtung kann Durchbrechungen aufweisen, durch die ein Teil des Abgases hindurchströmen kann. Durch Größe, Form und Verteilung der Durchbrechungen in der oder den Prallflächen kann eine Änderung der Abprallwirkung und damit zum Beispiel eine Anpassung an unterschiedliche Motortypen vorgenommen werden. Auch durch eine Änderung der Außenränder der Prallvorrichtung kann eine Änderung des Strömungseinflusses und der damit verbundenen Verwirbelungen im Abgasstrom erreicht werden, wodurch ebenfalls eine Veränderung der Abprall- und Mischfunktion in gewünschter Weise erzielt werden kann.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage ist vorzugsweise als System zur selektiven katalytischen Reduktion ausgebildet, welches einen SCR-Katalysator hat, dem der mit wässriger Harnstofflösung beaufschlagte Abgasstrom zugeführt wird, wobei die für die Beimischung des Reduktionsmittels wirksame Mischstrecke des Abgasstroms von der Prallvorrichtung bis zum nachfolgenden Katalysator vorzugsweise weniger als 20 cm beträgt.
In Versuchen konnte ein SCR-System realisiert werden, bei dem die wirksame Mischstrecke des Abgasstroms zwischen Dosierventil und nachfolgendem SCR-Katalysator nur 10 cm betragen hat, wobei gleichzeitig eine sehr gute Gleichverteilung des Harnstoffs im Abgasstrom erzielt werden konnte.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines SCR-Katalysatorsystems einer Abgasanlage,
2 die Anordnung eines Dosierventils mit Ausrichtung auf eine in einem Abgaskanalabschnitt einliegende Prallvorrichtung und
3 den Querschnitt einer Prallvorrichtung mit unterschiedlich geneigten Prallflächen.
In 1 ist ein SCR-Katalysatorsystem schematisch dargestellt, mit dem eine selektive katalytische Reduktion unter Verwendung einer wässrigen Harnstofflösung als Reduktionsmittels durchführbar ist. Dem SCR-System wird das von einer hier nicht dargestellten Diesel-Brennkraftmaschine ausgestoßene Abgas 1 über ein Anschlussrohr 2 einem Vorkatalysator 3 zugeführt. Vom Vorkatalysator 3 gelangt der Abgasstrom über einen Abgaskanalabschnitt 4 zu einem SCR-Katalysator 5.
Anstelle eines SCR-Katalysators 5 kann auch ein NOx-Speicherkatalysator (Stickoxidspeicherkatalysator) zum Einsatz kommen.
In den Abgaskanalabschnitt 4 wird über ein rechtwinklig zu diesem seitlich angeordnetes Dosierventil 6 das Reduktionsmittel in den Abgasstrom eingespritzt, wobei das Reduktionsmittel auf eine im Abgaskanalabschnitt 4 angeordnete Prallvorrichtung 7 auftrifft und von dieser abprallt. Die Einspritzrichtung für das Reduktionsmittel und die Abprallrichtung von der Prallvorrichtung 7 sind durch einen abgewinkelten Pfeil 8 angedeutet.
Die Prallvorrichtung 7 ist hier in der Seitenansicht vereinfacht als ebene Platte dargestellt, die um eine Achse 9 verstellbar ist. So kann die Prallvorrichtung 7 beispielsweise in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms mehr oder weniger stark gegenüber der Hauptrichtung des Abgasstroms geneigt werden, wodurch sich auch der Abprallwinkel für das auf die Prallvorrichtung 7 auftreffende Reduktionsmittels verändern lässt.
In 2 ist die Anordnung einer mit Durchbrechungen 10 ausgebildeten Prallvorrichtung 7 innerhalb des Abgaskanalabschnitts 4 dargestellt. Die Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms im Abgaskanalabschnitt 4 ist mit Pfeilen 11 angedeutet. Die vereinfacht perspektivisch dargestellte Prallvorrichtung 7 besteht aus einer gelochten Prallplatte, die um die mit einem Stellantrieb 12 verbundene Achse 9 bzgl. ihres Neigungswinkels im Abgaskanalabschnitt 4 verstellbar ist. Die Achse 9 ist vorzugsweise rechtwinklig zur Hauptströmungsrichtung 11 des Abgasstroms ausgerichtet.
Die in 3 im Querschnitt dargestellte Prallvorrichtung 7 besitzt unterschiedlich geneigte Prallflächen 13, 14, 15, an denen das vom Dosierventil 6 eingespritzte Reduktionsmittel mit entsprechend unterschiedlichen Abprallwinkeln in den Abgasstrom abprallt. Die unterschiedlichen Abprallrichtungen des Reduktionsmittels sind mit Richtungspfeilen in 3 angedeutet.
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 102008052757 A1 [0003]

Claims

Abgasanlage mit einem Dosierventil (6) zum seitlichen Einspritzen eines Reduktionsmittels in einen in einem Abgaskanalabschnitt (4) zu einem Katalysator (5) geführten Abgasstrom, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventils (6) das Reduktionsmittel auf eine im Abgaskanalabschnitt (4) angeordnete Prallvorrichtung (7) einspritzt.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallvorrichtung (7) eine oder mehrere Prallflächen (13, 14, 15) hat, die zur Hauptströmungsrichtung (11) des Abgasstroms geneigt sind.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzrichtung zur Längsrichtung des Abgaskanalsabschnitts (4) wenigstens annähernd senkrecht ausgerichtet ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom die Prallvorrichtung (7) umströmt.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Abgasstrom wirksame Stirnfläche der Prallvorrichtung (7) wesentlich kleiner ist als der innere Querschnitt des die Prallvorrichtung (7) umgebenden Abgaskanalabschnitts (4).
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel zwischen Prallvorrichtung (7) und der Einspritzrichtung des Dosierventils (6) verstellbar ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallvorrichtung (7) um eine quer zur Hauptströmungsrichtung (11) des Abgasstroms ausgerichtete Achse (9) verstellbar ist.
Abgasanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstellung der Prallvorrichtung (7) ein pneumatischer oder elektrischer Stellantrieb (12) vorgesehen ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallvorrichtung (7) in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern und/oder in Abhängigkeit von Parametern des Abgasstroms verstellbar ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallvorrichtung (7) als wenigstens eine flache oder gewölbte Prallplatte ausgebildet ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallvorrichtung (7) Durchbrechungen (10) hat.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand der Prallvorrichtung (7) Einbuchtungen und/oder andere Randstrukturen aufweist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage als System zur selektiven katalytischen Reduktion ausgebildet ist, dass das Reduktionsmittel eine wässrige Harnstofflösung ist, und dass der damit beaufschlagte Abgasstrom einem NOx-Speicherkatalysator oder einem SCR-Katalysator (5) zugeführt wird.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Beimischung des Reduktionsmittels wirksame Mischstrecke des Abgasstroms von der Prallvorrichtung (7) bis zum nachfolgenden Katalysator (5) weniger als 25 cm, vorzugsweise weniger als 20 cm, beträgt.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskanalabschnitt (4) mit Dosierventil (6) und Prallvorrichtung (7) motornah an dem zugehörigen Verbrennungsmotor angeordnet ist.