DE102013210732A1

DE102013210732A1 - Zerstäubungsvorrichtung zur Abgabe eines Reduktionsmittels in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013210732A1
Application number: DE102013210732.3A
Authority: DE
Inventors: Max Leonhard; Claudius Henkel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2014-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungsvorrichtung 10 zur Abgabe einer Reduktionsmittels 12 in den Abgaskanal 50 einer Brennkraftmaschine, sowie eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer solchen Zerstäubungsvorrichtung. Die Zerstäubungsvorrichtung weist ein Zuführrohr 20 für das Reduktionsmittel 12 und eine Druckgasversorgung 30 auf, wobei an dem Zuführrohr 20 mindestens eine Spritzöffnung 25 ausgebildet ist. Die Druckgasversorgung umfasst eine ringförmige Düse 34, wobei ein Druckgas, insbesondere Druckluft, im Zufuhrkanal 32 der Druckgasversorgung 30 derart tangential in die ringförmige Düse 34 eingeleitet wird, dass sich in der ringförmigen Düse 34 eine Drallströmung ausbildet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungsvorrichtung zur Abgabe eines Reduktionsmittels in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine sowie eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer solchen Zerstäubungsvorrichtung
Aus dem Stand der Technik sind Abgasnachbehandlungsvorrichtungen bekannt, bei denen eine Flüssigkeit zur Unterstützung der Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine in ein Abgassystem der Brennkraftmaschine eindosiert wird. Aus der DE 199 46 901 ist eine Gemischabgabevorrichtung zur Eindosierung einer Harnstoff-Wasser-Lösung bekannt, bei der die Harnstoff-Wasser-Lösung mittels Druckluft zerstäubt wird und in einen Abschnitt des Abgassystems eindosiert wird, welcher sich in Strömungsrichtung vor einem Katalysator befindet.
Aus der DE 10 2011 003 356 ist eine Vorrichtung zur Abgas eines Reduktionsmittels in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Vorrichtung ein Gemischführungsrohr mit mindestens einer Spritzöffnung aufweist, wobei an dem Gemischführungsrohr Mittel zum Ausblasen eines Gases angeordnet sind und wobei das Gas derart ausgeblasen wird, dass das aus der mindestens einen Spritzöffnung austretende Reduktionsmittel von dem Gas in Richtung einer Mittelachse des Abgaskanals abgelenkt wird.
Offenbarung
Die erfindungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen und das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem mit einer solchen Zerstäubungsvorrichtung bieten demgegenüber den Vorteil, dass sich in dem Zufuhrkanal der Druckgasversorgung eine Drallströmung ausbildet und somit eine schnellere und bessere Vermischung von dem Druckgas und dem Reduktionsmittel erzielt wird, wodurch die Effizienz der Abgasnachbehandlung verbessert wird und die Gefahr von Ablagerungen des Reduktionsmittels im Abgaskanal verringert wird. Darüber hinaus kann die Strecke zwischen Dosiervorrichtung und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, beispielsweise einem Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden, verringert werden, was zum einen zu höheren Temperaturen am Katalysator und somit höheren Konvertierungsraten führt, und zum anderen die benötigten Bauraumlänge des Abgaskanals reduzieren kann, was die Kosten reduziert.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Zerstäubungsvorrichtung möglich.
Eine erste vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass eine Düsenöffnung der ringförmigen Düse koaxial zum Zuführrohr angeordnet ist. Durch eine koaxiale Anordnung der ringförmigen Düse um das Zuführrohr kann eine besonders gleichmäßige Anströmung der Spritzöffnungen erreicht werden, wodurch das Spray des Reduktionsmittels besonders gut von dem Druckgas mitgenommen wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Düsenöffnung der ringförmigen Düse auf die mindestens eine Spritzöffnung des Zuführrohrs gerichtet ist und somit das Druckgas zusätzlich beschleunigt wird, bevor sie auf das Spray des Reduktionsmittels trifft. Damit wird die Mitnahme und Vermischung des Reduktionsmittels mit dem Druckgas weiter verbessert.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass sich in Strömungsrichtung an die ringförmige Düse eine weitere Düse anschließt. Durch die weitere Düse wird die Strömungsgeschwindigkeit des Druckgases weiter erhöht, wodurch die Aufbereitung des Reduktionsmittels nach Austritt aus der mindestens einen Spritzöffnung des Zuführrohrs weiter verbessert wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Vermischung des Reduktionsmittels mit dem Gas aus der Druckgasversorgung innerhalb der weiteren Düse erfolgt. Durch die Vermischung von Druckgas und Reduktionsmittel in der weiteren Düse wird der Mischvorgang nicht durch die Abgasströmung beeinträchtigt und es kann eine entsprechend hohe Durchmischung erfolgen, bevor das Reduktionsmittel in den Abgaskanal eintritt.
Eine alternative, vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Vermischung des Reduktionsmittels mit dem Gas aus der Druckgasversorgung nach Austritt aus der ringförmigen Düse in den Abgaskanal erfolgt. Dabei sorgen die Abgasströmung zusammen mit der Drallströmung des Druckgases aus der weiteren Düse für eine schnelle Vermischung von Reduktionsmittel und Abgas.
Zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass in dem Zuführrohr ein Element zur Drallerzeugung angeordnet ist. Damit kann in dem Zuführrohr eine Drallströmung des Reduktionsmittels erzeugt werden, wodurch die Vermischung von Reduktionsmittel mit dem Druckgas oder dem Abgas im Abgaskanal verbessert wird. Eine besonders einfache und kostengünstige Lösung für ein solches Element zur Drallerzeugung im Zuführrohr ist ein schraubenförmiger Körper, welcher in Strömungsrichtung des Reduktionsmittels vor der mindestens einen Spritzöffnung im Zuführrohr angeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das Element zur Drallerzeugung im Zuführrohr eine tangential in das Zuführrohr mündende Leitung für das Reduktionsmittel umfasst, wobei der Drall durch die Einleitung des Reduktionsmittels aus der Leitung in das Zuführrohr erzeugt wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Drall in der Drallströmung im Zuführrohr umgekehrt zu der Drallstörmung der Druckluft in der Druckgasversorgung ausgebildet ist. Durch zwei unterschiedlich orientierte Drallströmungen ist die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Reduktionsmittel und der Druckluft besonders hoch, wodurch die Vermischung von Reduktionsmittel und Druckluft weiter verbessert wird.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung
2 zeigt einen Schnitt durch die ringförmige Düse und das Zuführrohr der erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung aus 1
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung
4 zeigt einen Schnitt durch die Leitung und das Zuführrohr der erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung aus 2
Kurze Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Abschnitt eines Abgaskanals 50 einer Brennkraftmaschine dargestellt, wobei in diesem Abschnitt des Abgaskanals 50 eine erfindungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung 10 zur Abgabe eines Reduktionsmittels 12 angeordnet ist. Die Zerstäubungsvorrichtung 10 umfasst ein Zuführrohr 20, welches aus einem erster Vorratsbehälter 40 für das Reduktionsmittel 12 mit Reduktionsmittel 12 versorgt werden kann. An seinem dem Abgaskanal 50 zugewandten Ende weist das Zuführrohr 20 mindestens eine Spritzöffnung 25 auf, über welche das Reduktionsmittel 12 zur Abgasnachbehandlung in den Abgaskanal 50 eingebracht werden kann. Ferner weist das Zuführrohr ein Element zur Drallerzeugung 22 auf, mit welchem dem Reduktionsmittel vor dem Austritt aus der mindestens einen Spritzöffnung 25 eine Drallströmung aufgeprägt wird. Die Zerstäubungsvorrichtung 10 umfasst ferner ringförmige Düse 34, welche über einen Zufuhrkanal 32 mit einem zweiten Vorratsbehälter 45 verbunden ist, in dem ein Druckgas 16, insbesondere Druckluft, bevorratet wird. Der zweite Vorratsbehälter 45, der Zufuhrkanal 32 sowie die ringförmige Düse 34 stellen Teile der Druckgasversorgung 30 dar. Die ringförmige Düse 34 ist koaxial um das Zuführrohr 20 angeordnet. An den ringförmigen Querschnitt der Düse 34 schließt sich eine weitere Düse 36 an, welche in Strömungsrichtung über das Ende des Zuführrohrs 20 hinausragt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Zuführrohr 20 zentrisch und mittig auf Höhe der Mittelachse 55 des Abgaskanals 50 angeordnet. Alternativ sind jedoch auch außermittige Anordnungen möglich.
In 2 ist ein Schnitt durch das Zuführrohr 20 und die ringförmige Düse 34 der Druckgasversorgung 30 dargestellt. Der Zuführkanal 32 mündet tangential und außermittig in die ringförmige Düse, wobei der Druckluft 16 aus dem Zuführkanal 32 bei Eintritt in die ringförmige Düse 34 eine Drallströmung aufgeprägt wird.
Soll zur Nachbehandlung von Abgasen der Brennkraftmaschine das Reduktionsmittel 12 in den Abgaskanal 50 eindosiert werden, so wird das Reduktionsmittel aus dem ersten Vorratsbehälter 40 in das Zuführrohr 20 gefördert. Durch den Druckunterschied zwischen dem Druck auf das Reduktionsmittel 12 im Zuführrohr 20 und dem Abgas im Abgaskanal 50 bricht der Reduktionsmittelstrahl beim Austritt aus der Spritzöffnung 25 auseinander und zerfällt in kleine Tröpfchen. Diese Tröpfchen werden von der Druckluft 16, welche über die ringförmige Düse 34 in Richtung der Spritzöffnung 25 zugeführt wird, weiter zerstäubt, wobei durch die Umlenkung der Druckluft 16 bei Eintritt in die ringförmige Düse 34 eine Drallströmung in der ringförmigen Düse 34 erzeugt wird. Durch den Drall wird eine Verbesserung der Durchmischung von Reduktionmittel 12 und Druckluft 16 erreicht, was die Gefahr von Ablagerungen im Abgaskanal reduziert oder dazu führt, dass für eine gleiche Aufbereitung des Reduktionsmittels 12 weniger Wegstrecke benötigt wird. Damit kann das Abgas im Abgaskanal 50 früher und damit wärmer in eine nicht dargestellten Katalysator eintreten, was die Konvertierungsraten und somit die Qualität der Abgasnachbehandlung verbessert.
In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung 10 dargestellt. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in dem zu 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel gekennzeichnet. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen eingegangen. Der erste Vorratsbehälter 40 ist über eine tangential in das Zuführrohr 20 mündende Leitung 27 mit dem Zuführrohr 20 fluidisch verbunden. Ferner ist im Zuführrohr 20 ein Element zur Drallerzeugung 22 in Form eines schraubenförmigen Körpers 23 angeordnet. An seinem dem Abgaskanal 50 zugewandten Ende des Zuführrohrs 20 sind mehrere Spritzöffnungen 25 zur Einbringung des Reduktionsmittels 12 in den Abgaskanal 50 ausgebildet. Die Druckgasversorgung 30 weist eine ringförmige Düse 34 auf, welche an ihrem dem Abgaskanal 50 zugewandten Ende konisch zusammenläuft und somit den Strömungsquerschnitt für die Druckluft 16 aus der Druckgasversorgung 30 verringert.
Zur Eindosierung von Reduktionsmittel 12 wird dem ersten Vorratsbehälter 40 Reduktionsmittel 12 entnommen und über die Leitung 27 in das Zuführrohr gefördert. Durch die in 4 dargestellte tangential und außermittige Einmündung der Leitung 27 in das Zuführrohr 20 wird eine Drallströmung des Reduktionsmittels 12 ausgeprägt, welche über das Element zur Drallerzeugung 22, in diesem Ausführungsbeispiel durch den schraubenförmigen Körper 23 weiter verstärkt wird. Dabei erfolgt die Drallerzeugung in dem Zuführrohr 20 bevorzugt umgekehrt orientiert zu dem Drall in der ringförmigen Düse 34, um eine möglichst hohe Relativgeschwindigkeit zwischen der Druckluft 16 und dem Reduktionsmittel 12 zu erzielen, welches aus den Spritzöffnungen 25 austritt, und durch die erhöhte Relativgeschwindigkeit eine besonders gute Zerstäubung des Reduktionsmittels 12 zu erzielen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19946901 [0002]
DE 102011003356 [0003]

Claims

Zerstäubungsvorrichtung (10) zur Abgabe eines Reduktionsmittels (12) in den Abgaskanal (50) einer Brennkraftmaschine, mit einem Zuführrohr (20) für das Reduktionsmittel (12), und mit einer Druckgasversorgung (30), wobei an dem Zuführrohr (20) mindestens eine Spritzöffnung (25) ausgebildet ist und wobei die Druckgasversorgung eine ringförmige Düse (34) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckgas, insbesondere Druckluft, im Zufuhrkanal (32) der Druckgasversorgung (30) derart tangential in die ringförmige Düse (34) eingeleitet wird, dass sich in der ringförmigen Düse (34) eine Drallströmung ausbildet.
Zerstäubungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düsenöffnung (35) der ringförmige Düse (34) koaxial zum Zuführrohr (20) angeordnet ist.
Zerstäubungsvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung (35) auf die mindestens eine Spritzöffnung (25) des Zuführrohrs (20) gerichtet ist.
Zerstäubungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Strömungsrichtung an die ringförmige Düse (34) eine weitere Düse (36) anschließt.
Zerstäubungsvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung des Reduktionsmittels (12) mit dem Gas aus der Druckgasversorgung (30) innerhalb der weiteren Düse (36) erfolgt.
Zerstäubungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung des Reduktionsmittels (12) mit dem Gas aus der Druckgasversorgung (30) nach Austritt des Gases aus der ringförmigen Düse (34) in den Abgaskanal (50) erfolgt.
Zerstäubungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsvorrichtung (10) über die Druckgasversorgung (30) mit Druckluft gespeist wird.
Zerstäubungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zuführrohr (20) ein Element zur Drallerzeugung (22) angeordnet ist.
Zerstäubungsvorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Drallerzeugung (22) als schraubenförmiger Körper (23) ausgebildet ist.
Zerstäubungsvorrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Drallerzeugung (22) eine tangential in das Zuführrohr (20) mündende Leitung (27) für das Reduktionsmittel (12) umfasst, wobei der Drall durch die Einleitung des Reduktionsmittels (12) in das Zuführrohr erzeugt wird.
Zerstäubungsvorrichtung (10) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drall in der Drallströmung in dem Zuführrohr (20) umgekehrt zu der Drallströmung der Druckluft in der Druckgasversorgung ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einer Zerstäubungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.