-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektionsabschnitt einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einem derartigen Injektionsabschnitt ausgestattete Katalysatoranlage für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine. Schließlich betrifft die Erfindung noch ein Verfahren zum Einbringen einer Flüssigkeit oder eines Gases in eine Abgasströmung einer Brennkraftmaschine.
-
Aus der
WO 2010/146285 A1 ist eine Katalysatoranordnung bekannt, die ein rohrförmiges Gehäuse zum Führen einer Abgasströmung umfasst, das in einem Auslassabschnitt einen SCR-Katalysator enthält, wobei SCR für Selektive Catalytic Reduction steht. Das Gehäuse weist außerdem einen Einlassabschnitt auf, der bezüglich der Abgasströmung stromauf des Auslassabschnitts angeordnet ist und der einen Oxidationskatalysator enthält. Axial zwischen dem Einlassabschnitt und dem Auslassabschnitt ist ein Injektionsabschnitt angeordnet, wobei ein integral am Einlassabschnitt ausgebildeter weiterer Gehäuseabschnitt einen Kanal des Injektionsabschnitts definiert, der ebenfalls zum Führen der Abgasströmung dient. Im Injektionsabschnitt ist seitlich am Kanal ein Injektoranschluss angeordnet, an den ein Injektor zum seitlichen Einspritzen oder Eindüsen einer Flüssigkeit bzw. eines Gases in die Abgasströmung angeschlossen ist. Hierdurch wird eine seitliche Einspritzung der Flüssigkeit bewirkt, also eine Einspritzung, bei der eine Haupteinspritzrichtung gegenüber einer Axialrichtung des Kanals geneigt ist, vorzugsweise in einem Winkelbereich von 60° bis 120°, insbesondere in einem Winkelbereich von 85° bis 95° und zweckmäßig um etwa 90°. Im Kanal der Injektionskammer ist im Bereich des Injektoranschlusses eine Injektionskammer ausgebildet, die einerseits durch eine bezüglich der Abgasströmung stromauf des Injektoranschlusses im Kanal angeordnete, perforierte und von der Abgasströmung durchströmbare erste Trennwand und andererseits durch eine bezüglich der Abgasströmung stromab des Injektionsanschlusses im Kanal angeordnete, perforierte und von der Abgasströmung durchströmbare zweite Trennwand begrenzt ist. Bei der bekannten Katalysatoranordnung sind die beiden Trennwände in Verbindung mit ihren Perforationen so ausgestaltet bzw. geformt, dass sich im Betrieb der Abgasanlage in der Injektionskammer eine Drall- bzw. Wirbel bzw. Rotationsströmung entsteht, bei der die gesamte Abgasströmung um die Längsmittelachse des Kanals rotiert. Hierdurch wird erreicht, dass ein Strömungspfad in der Injektionskammer, dem die Abgasströmung von der ersten Trennwand bis zur zweiten Trennwand folgt, um wenigstens 20% länger ist als ein Axialabstand zwischen Einlassabschnitt und Auslassabschnitt. Hierdurch wird eine Mischstrecke geschaffen, in der die eingespritzte Flüssigkeit verdampfen und sich mit der Abgasströmung durchmischen kann.
-
Bei einem SCR-System handelt es sich bei der eingespritzten Flüssigkeit um ein Reduktionsmittel. Bevorzugt wird hierbei derzeit eine wässrige Harnstofflösung, die mittels Thermolyse und Hydrolyse letztlich zu Ammoniak und Kohlendioxid umgewandelt wird, um im SCR-Katalysator angelagerte Stickoxide in Stickstoff und Wasser umzuwandeln. Von entscheidender Bedeutung für die Effizienz eines derartigen SCR-Systems ist einerseits eine möglichst vollständige Verdampfung des in flüssiger Form eingebrachten Reduktionsmittels. Andererseits muss auch eine möglichst intensive Durchmischung des verdampften Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom erzielt werden.
-
Alternativ kann bei modernen SCR-Systemen auch ein gasförmiges Reduktionsmittel eingedüst werden, bei dem es sich beispielsweise um gasförmiges Ammoniak handelt. Die Bevorratung kann in diesem Fall in Form von Feststoffkörpern erfolgen, die mittels, beispielsweise elektrisch zugeführter, Wärme verdampft werden, um das gasförmige Ammoniak zu generieren. Bei diesen sogenanten Amminex-Systemen steht das Ammoniak somit im Abgasstrom unmittelbar zur Verfügung, so dass es nur noch auf eine intensive Durchmischung mit dem Abgasstrom ankommt, da die Verdampfung bereits im Vorfeld, außerhalb des Abgasstroms erfolgt.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Injektionsabschnitt der vorstehend genannten Art bzw. für eine damit ausgestattete Katalysatoranordnung sowie für ein Verfahren zum Einbringen einer Flüssigkeit in eine Abgasströmung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine effiziente Verdampfungswirkung und Durchmischung für die eingespritzte Flüssigkeit mit der Abgasströmung auszeichnet.
-
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, im Injektionsraum zwei gegenläufige Strömungswirbel, die jeweils mit Hilfe eines Abgasteilstroms gebildet werden, zu erzeugen. Die beiden Strömungswirbel werden dabei im Injektionsraum so generiert, dass die beiden Abgasteilströme proximal zu einer den Injektionsraum seitlich begrenzenden Kanalwand separat strömen und distal zur Kanalwand gemeinsam bzw. vereint strömen. In dieses System gegenläufiger Strömungswirbel wird die Flüssigkeit bzw. das Gas seitlich eingespritzt bzw. eingedüst, wodurch sich eine intensive Durchmischung zwischen Reduktionsmittel und Abgas ergibt und bei einem flüssigen Reduktionsmittel außerdem eine effiziente Verdampfung der Flüssigkeit einstellt. Die Strömungswirbel führen einerseits zu einer gezielten Turbulenz innerhalb der Injektionskammer, was die Durchmischung zwischen eingebrachtem Reduktionsmittel und Abgasströmung verbessert. Andererseits verlängern die Strömungswirbel einen Abgaspfad, dem die Abgasströmung innerhalb der Injektionskammer folgt. Hierdurch wird somit die Verweildauer der Abgasströmung verlängert, wodurch mehr Zeit zum Verdampfen und/oder Durchmischen der eingespritzten Flüssigkeit bzw. des eingedüsten Gases zur Verfügung steht.
-
Konkret wird für den erfindungsgemäßen Injektionsabschnitt vorgeschlagen, eine Perforation der ersten Trennwand so auszugestalten, dass sie bei einer Durchströmung der ersten Trennwand innerhalb der Injektionskammer zumindest die beiden vorstehend genannten Abgasteilströme erzeugt, die zwei separate und gegenläufige Strömungswirbel ausbilden, derart, dass die beiden Teilströme entlang der Kanalwand separat strömen, also entlang separater Kanalwandabschnitte, während sie distal zur Kanalwand, also in einem mittleren Bereich der Injektionskammer, gemeinsam bzw. vereint strömen.
-
Unterstützt wird die Erzeugung eines derartigen Wirbelsystems durch eine im Wesentlichen zylindrische Formgebung für den Kanal, wodurch die Kanalwand in der Umfangsrichtung gekrümmt verläuft. Die Abgasteilströme strömen dadurch proximal zur Kanalwand entlang derselben auf einander zu, bis sie in einem Staubereich aufeinandertreffen und in das Innere der Injektionskammer abgelenkt werden, wo sie dann distal zur Kanalwand gemeinsam strömen. Ferner rotieren die Strömungswirbel bevorzugt um separate Wirbelachsen, die Parallel zur Längsmittelachse des Kanals verlaufen.
-
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Perforation der ersten Trennwand symmetrisch zu einer Längsmittelebene des Kanals ausgestaltet ist, so dass sich bei einer Durchströmung der ersten Trennwand die beiden Strömungswirbel symmetrisch zu besagter Längsmittelebene ausbilden können. Durch ein symmetrisches Wirbelsystem kann einem symmetrischen Einspritzstrahl Rechnung getragen werden, der sich mit Hilfe eines entsprechenden Injektors besonders einfach herstellen lässt.
-
Zweckmäßig ist der Injektoranschluss entsprechend einer Weiterbildung in dieser Längsmittelebene angeordnet. Im montierten Zustand liegt dann eine Haupteinspritzrichtung des Injektors in der Längsmittelebene. Durch eine derartige symmetrische Anordnung lässt sich die Effizienz der Verdampfung bzw. der Durchmischung verbessern.
-
Bei einer anderen Ausführungsform können die beiden Abgasteilströme proximal zur Kanalwand jeweils vom Injektoranschluss wegströmen, während distal zur Kanalwand gemeinsam auf den Injektoranschluss zuströmen. Das bedeutet, dass die vereinten Abgasteilströme im Zentrum der Injektionskammer dem Einspritzstrahl entgegenströmen, was die Durchmischung und gegebenenfalls die Verdampfung signifikant verbessert.
-
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Perforation der ersten Trennwand zum Erzeugen der Strömungswirbel Öffnungen aufweisen, die proximal zur Kanalwand angeordnet sind und die in der Injektionskammer jeweils eine vom Injektoranschluss abgewandte Austrittsfläche besitzen. Diese Öffnungen können im Folgenden auch als erste Öffnungen der ersten Trennwand bezeichnet werden. Somit treten die separaten Abgasteilströme in einer vom Injektoranschluss abgewandten Richtung aus den ersten Öffnungen aus, wodurch bereits die Strömungsrichtung zum Induzieren der Strömungswirbel vorgegeben ist.
-
Entsprechend einer Weiterbildung können die Austrittsflächen mittels integraler Wandabschnitte der ersten Trennwand gebildet sein, die von der übrigen ersten Trennwand in die Injektionskammer vorstehen. Hierdurch sind die Austrittsflächen durch die vorstehenden Wandabschnitte gegenüber einem Einspritzstrahl abgeschirmt, so dass der Einspritzstrahl nicht durch die ersten Öffnungen hindurch aus der Injektionskammer austreten kann.
-
Bei einer anderen Weiterbildung können die ersten Öffnungen an einer vom Injektionsraum abgewandten Anströmseite der ersten Trennwand jeweils eine dem Injektoranschluss zugewandte Eintrittsfläche besitzen. Hierdurch wird erreicht, dass die Abgasteilströme nur in einer vom Injektoranschluss wegführenden Richtung durch die Eintrittsfläche in die jeweilige erste Öffnung einströmen können, wodurch eine zur Wirbelbildung benötigte bevorzugte Strömungsrichtung vorgegeben wird.
-
Zweckmäßig können die Eintrittsflächen mittels integraler Wandabschnitte der ersten Trennwand gebildet sein, die an der Anströmseite von der übrigen ersten Trennwand abstehen. Die Wandabschnitte an den Eintrittsflächen und an den Austrittsflächen können eine Kanalisierung der durch sie hindurchtretenden Abgasteilströme erzeugen, was die Wirbelbildung unterstützt. Ferner lassen sich integrale Wandabschnitte besonders einfach aus einem, vorzugsweise ebenen, Blechkörper ausstellen, um dadurch gleichzeitig die gewünschten ersten Öffnungen zu bilden.
-
Die ersten Öffnungen der Perforation der ersten Trennwand sind zweckmäßig proximal zur Kanalwand in der ersten Trennwand ausgebildet. Dabei sind sie zweckmäßig in der Umfangsrichtung voneinander beabstandet.
-
Darüber hinaus kann die Perforation der ersten Trennwand gemäß einer anderen Ausführungsform mehrere weitere oder zweite Öffnungen aufweisen, die distal zur Kanalwand angeordnet sind. Die zweiten Öffnungen befinden sich somit zwischen den ersten Öffnungen. Diese anderen oder zweiten Öffnungen sind gezielt so gestaltet, dass sie in der Injektionskammer eine auf den Injektoranschluss zu strömende Gasströmung erzeugen. Hierzu können diese zweiten Öffnungen dem Injektoranschluss zugewandte Austrittsflächen und vom Injektoranschluss abgewandte Eintrittsflächen besitzen. Den zweiten Öffnungen können ferner integral an der ersten Trennwand ausgebildete Wandabschnitte zugeordnet sein, die in die Injektionskammer vorstehen, um beim Durchtritt durch die zweiten Öffnungen eine Umlenkung der im Wesentlichen axial ankommenden Abgasströmung in Richtung zum Injektoranschluss zu bewirken. Außerdem können Abschirmbleche vorgesehen sein, die ebenfalls in die Injektionskammer vorstehen und integral an der ersten Trennwand ausgebildet sind. Diese Abschirmbleche sind jedoch so angeordnet, dass sie den Injektionsstrahl daran hindern, direkt durch die zweiten Öffnungen aus der Injektionskammer auszutreten. Zweckmäßig können die zweiten Öffnungen in einer Injektionsrichtung, in welcher der Injektor in Betrieb die jeweilige Flüssigkeit hauptsächlich eindüst, hintereinander angeordnet sein. Diese weiteren oder zweiten Öffnungen unterstützen somit die Wirbelbildung in der Injektionskammer.
-
Bei einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Perforation der ersten Trennwand zum Erzeugen der Strömungswirbel außerdem andere (oder dritte) Öffnungen aufweist, die parallel zu einer Längsmittelachse des Kanals durchströmbar sind. Während die ersten Öffnungen und die gegebenenfalls vorhandenen weiteren oder zweiten Öffnungen jeweils nur geneigt zur Längsmittelachse des Kanals durchströmbar sind, um die Wirbelbildung zu erzwingen, können die bezüglich der Längsmittelachse axial durchströmbaren anderen oder dritten Öffnungen in der Injektionskammer axiale Teilströme generieren, die zur Stabilisierung der beiden Strömungswirbel beitragen.
-
Gemäß einer Weiterbildung können zumindest einige der anderen oder dritten Öffnungen zwischen den ersten Öffnungen und den zweiten Öffnungen angeordnet sein, wodurch die durch sie hindurch strömenden Teilströme die wandnahen Strömungsbereiche der beiden Wirbel von wandfernen, entgegengesetzt strömenden Strömungsbereichen der Wirbel separieren, was die beiden Wirbel stabilisiert.
-
Ferner kann gemäß einer anderen Weiterbildung vorgesehen sein, dass die anderen oder dritten Öffnungen in der Ebene der ersten Trennwand liegen. Bei einer ebenen ersten Trennwand und einer senkrecht zur Längsmittelachse des Kanals ausgerichteten ersten Trennwand ergibt sich durch diese Ausgestaltung selbsttätig eine axiale Durchströmung dieser anderen oder dritten Öffnungen, was deren Herstellung extrem vereinfacht.
-
Eine andere vorteilhafte Wieterbildung sieht vor, dass einige oder alle der anderen oder dritten Öffnungen in zwei separaten Bereichen angeordnet sind, durch die sich jeweils eine Wirbelachse erstreckt, um die der jeweilige Strömungswirbel rotiert. Somit befinden sich die mithilfe der anderen oder dritten Öffnungen generierten Teilströme im Zentrum oder Auge des jeweiligen Wirbels, um diesen zu stabilisieren. Die Strömungswirbel rotieren somit um die stabilisierenden axialen Teilströme.
-
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass einige der anderen oder dritten Öffnungen in einem zum Injektoranschluss proximalen Bereich angeordnet sind. Dort können die damit generierten Teilströme in der Injektionskammer die Aufteilung der Abgasströmung in zwei separate wandnahe Abgasteilströme zur Wirbelbildung unterstützen, indem sie die beiden Abgasteilströme voneinander wegtreiben.
-
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass einige der anderen oder dritten Öffnungen in einem zum Injektoranschluss distalen Bereich angeordnet sind. Dort können die damit generierten Teilströme in der Injektionskammer die aufeinander zu strömenden wandnahen Abgasteilströme getrennt halten, um deren wandferne Rückströmung zu unterstützen.
-
Des Weiteren kann bei einer anderen Ausführungsform vorgesehen sein, dass eine Perforation der zweiten Trennwand Öffnungen aufweist, die mit Leitflächen abgeschirmt sind, die in den Injektionsraum vorstehen. Durch die abgeschirmten Öffnungen wird eine direkte Durchströmung der zweiten Trennwand vermieden, da zusätzliche Strömungsumlenkungen erforderlich sind, die jeweils zur Durchmischung von verdampfter Flüssigkeit bzw. von Gas und Abgasströmung beitragen.
-
Gemäß einer Weiterbildung können die Öffnungen der Perforation der zweiten Trennwand erste Öffnungen aufweisen, die proximal zur Kanalwand angeordnet sind, die länglich sind, die sich im Wesentlichen in der Umfangsrichtung erstrecken und die nach radial innen durch die jeweilige Leitfläche abgeschirmt sind. Hierdurch wird erreicht, dass die proximal zur Kanalwand strömenden Bereiche der Strömungswirbel nicht direkt durch die ersten Öffnungen hindurchtreten können.
-
Bei einer anderen Weiterbildung können die Öffnungen der Perforation der zweiten Trennwand zweite Öffnungen aufweisen, die distal zur Kanalwand angeordnet sind und die zum Injektoranschluss mit der jeweiligen Leitfläche abgeschirmt sind. Darüber hinaus sind die zweiten Öffnungen bevorzugt ebenfalls länglich, wobei sie sich jedoch parallel zueinander erstrecken. Durch die Abschirmung der zweiten Öffnungen in Richtung zum Injektoranschluss kann die distal zur Kanalwand strömende gemeinsame Strömung der beiden Strömungswirbel besonders leicht durch diese zweiten Öffnungen hindurchtreten, was am Ende der Wirbelbewegung erwünscht ist und insgesamt den Durchströmungswiderstand des Injektionsabschnitts reduziert.
-
Die Abschirmung der Öffnungen der Perforation der zweiten Trennwand verhindert außerdem ein direktes Durchtreten des Einspritzstrahls durch die zweite Trennwand. Dies unterstützt die Verwirbelung und Durchmischung. Die Leitflächen können dabei insbesondere auch als Aufprallflächen dienen, auf die die eingespritzte Flüssigkeit auftreffen kann, was die Verdampfung der Flüssigkeit unterstützt.
-
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann sich die erste Trennwand im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsmittelachse des Kanals erstrecken. Hierdurch baut der Injektionsabschnitt in der Axialrichtung vergleichsweise kompakt.
-
Bei einer anderen Ausführungsform kann die zweite Trennwand relativ zur ersten Trennwand geneigt sein, und zwar derart, dass sich die Injektionskammer mit zunehmendem Abstand vom Injektoranschluss verjüngt. Im Unterschied dazu weitet sich der Injektionsstrahl mit zunehmendem Abstand vom Injektoranschluss, insbesondere kegelförmig auf, wodurch sich insgesamt eine intensive Durchmischung und gegebenenfalls eine verbesserte Verdampfung einstellt.
-
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann optional eine perforierte, von der Abgasströmung durchströmbare dritte Trennwand vorgesehen sein, die bezüglich der Abgasströmung stromab der zweiten Trennwand angeordnet ist. Diese zusätzliche dritte Trennwand kann einerseits dazu genutzt werden, die Gefahr eines Austritts unverdampfter Flüssigkeit aus dem Injektionsabschnitt zu reduzieren. Andererseits kann bei entsprechender Gestaltung einer Perforation der dritten Trennwand eine Strömungsberuhigung und Homogenisierung erzielt werden, was insbesondere innerhalb einer Katalysatoranordnung zu einer verbesserten Anströmung eines gegebenenfalls nachgeordneten Katalysators führt. Beispielsweise kann die dritte Trennwand durch ein einfaches Lochblech gebildet sein, bei dem eine Vielzahl vergleichsweise kleiner Durchtrittsöffnungen vorgesehen ist, die gleichförmig auf die gesamte Fläche der dritten Trennwand verteilt sind. Insbesondere sind bei der dritten Trennwand keine Leitflächen und dergleichen an den Öffnungen der Perforation vorgesehen. Alternativ kann auch die dritte Trennwand mit Leitflächen ausgestattet sein, um die Durchströmung der Perforation der dritten Trennwand gezielt zu führen. Zweckmäßig erstreckt sich die dritte Trennwand in einer Ebene, die senkrecht zur Längsmittelachse des Kanals verläuft. In dieser Ebene liegen dann auch die Durchtrittsöffnungen.
-
Eine erfindungsgemäße Katalysatoranordnung umfasst ein rohrförmiges Gehäuse zum Führen einer Abgasströmung, das in einem Auslassabschnitt einen SCR-Katalysator enthält. Ferner ist die Katalysatoranordnung mit einem Injektionsabschnitt der vorstehend beschriebenen Art ausgestattet, der bezüglich der Abgasströmung stromauf an den Auslassabschnitt anschließt. Der Injektionsabschnitt bildet dabei eine komplett vormontierbare separate Baugruppe, die an das Gehäuse der Katalysatoranordnung angebaut oder darin eingebaut werden kann. Beispielsweise kann der Kanal des Injektionsabschnitts in einen dafür vorgesehenen Gehäuseabschnitt des Gehäuses eingesetzt werden, so dass sich Gehäuse und Kanal axial überlappen und radial benachbart sind.
-
Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei welcher der Kanal des Injektionsabschnitts seinerseits einen separaten Abschnitt des Gehäuses der Katalysatoranordnung bildet. In diesem Fall schließen der Kanal und der Auslassabschnitt axial aneinander an.
-
Bei einer anderen Ausführungsform kann das Gehäuse einen Einlassabschnitt aufweisen, der bezüglich des Auslassabschnitts stromauf an den Injektionsabschnitt anschließt und der einen Oxidationskatalysator enthält. Bevorzugt ist auch hier eine Bauform, bei welcher das gemeinsame Gehäuse der Katalysatoranordnung zumindest drei Gehäuseabschnitte besitzt, die axial aneinander anschließen, nämlich den Einlassabschnitt und den Auslassabschnitt sowie den dazwischen angeordneten, durch den Kanal des Injektionsabschnitts gebildeten Gehäuseabschnitt.
-
Denkbar ist auch eine Ausführungsform, bei welcher der Kanal des Injektionsabschnitts einen anderen, vorzugsweise einen größeren, durchströmbaren Querschnitt besitzt als der Auslassabschnitt und/oder der Einlassabschnitt des Gehäuses. Hierdurch lassen sich die Wirbel mit besonders großen Durchmessern verwirklichen, was eine intensive Durchmischung begünstigt.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einbringen einer Flüssigkeit oder eines Gases in eine Abgasströmung einer Brennkraftmaschine geht davon aus, dass eine Flüssigkeit bzw. ein Gas bezogen auf eine Abgasströmung seitlich in eine Injektionskammer eingespritzt bzw. eingedüst wird, durch welche die Abgasströmung hindurchströmt. In dieser Injektionskammer werden dann zwei gegenläufige Strömungswirbel erzeugt, die jeweils aus einem Abgasteilstrom bestehen. Die Strömungswirbel werden dabei so erzeugt, dass die beiden Abgasteilströme proximal zu einer die Injektionskammer seitlich begrenzenden Kanalwand separat und entlang der Kanalwand aufeinander zu strömen und distal zur Kanalwand gemeinsam und vereint strömen. Die Wirbel besitzen dadurch einen vergleichsweise großen Querschnitt, wodurch sie relativ viel kinetische Energie enthalten, was die Durchmischung verbessert.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
-
Es zeigen, jeweils schematisch,
-
1 eine isometrische Ansicht einer Katalysatoranordnung mit transparenten Komponenten,
-
2 eine isometrische Ansicht eines Injektionsabschnitts der Katalysatoranordnung, wobei jedoch nur Trennwände des Injektionsabschnitts dargestellt sind,
-
3 eine Seitenansicht des Injektionsabschnitts, wobei nur die Trennwände und ein Injektoranschluss dargestellt sind,
-
4 eine Axialansicht einer ersten Trennwand des Injektionsabschnitts mit Strömungspfeilen.
-
Entsprechend 1 umfasst eine Katalysatoranordnung 1, die für eine Verwendung in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist, ein rohrförmiges, vorzugsweise zylindrisches Gehäuse 2, das zum Führen einer in 1 durch Pfeile angedeuteten Abgasströmung 3 dient. Das Gehäuse 2 besitzt einen Einlassabschnitt 4, einen Auslassabschnitt 5 und einen mittleren Gehäuseabschnitt 6, der bezüglich einer Längsmittelachse 7 des Gehäuses 2 axial zwischen dem Einlassabschnitt 4 und dem Auslassabschnitt 5 angeordnet ist. Der Einlassabschnitt 4 ist fluidisch mit einem Gehäuseeinlass 8 verbunden und enthält z.B. einen Oxidationskatalysator 9. Der Einlassabschnitt 4 könnte auch einen Mischer enthalten, beispielsweise um zusätzlich eingespritze bzw. eingedüste Kohlenwasserstoffe mit der Abgasströmung 3 zu durchmischen. Der Auslassabschnitt 5 ist fluidisch mit einem Gehäuseauslass 10 verbunden und enthält einen SCR-Katalysator 11. Im mittleren Gehäuseabschnitt 6 ist ein Injektionsabschnitt 12 ausgebildet, mit dessen Hilfe ein flüssiges Reduktionsmittel, vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung, oder ein gasförmiges Reduktionsmittel, vorzugsweise Ammoniakgas, stromauf des SCR-Katalysators 11 und stromab des Oxidationskatalysators 9 in das Gehäuse 2 eingebracht werden kann.
-
Entsprechend den 1 bis 4 umfasst ein derartiger Injektionsabschnitt 12 einen Kanal 13 zum Führen der Abgasströmung 3. Der Kanal 13 ist hier als zylindrisches Rohrstück ausgestaltet, das gleichzeitig den mittleren Gehäuseabschnitt 6 des Gehäuses 2 der Katalysatoranordnung 1 bildet. Der Injektionsabschnitt 12 umfasst ferner einen seitlich am Kanal 13 angeordneten Injektoranschluss 14, an den ein in den 1 und 3 mit unterbrochener Linie angedeuteter Injektor 15 angeschlossen ist, um die jeweilige Flüssigkeit in die Abgasströmung 3 einspritzen zu können.
-
Der Kanal 13 enthält im Bereich des Injektoranschlusses 14 eine Injektionskammer 16, in die der Injektor 15 im Betrieb das Reduktionsmittel einspritzt bzw. eindüst. Die Injektionskammer 16 ist bezogen auf die Abgasströmung 3 stromauf des Injektoranschlusses 14 durch eine erste Trennwand 17 und stromab des Injektoranschlusses 14 durch eine zweite Trennwand 18 begrenzt. Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist außerdem rein optional eine dritte Trennwand 19 vorgesehen, die stromab der zweiten Trennwand 18 im Kanal 13 angeordnet ist. Bei den Trennwänden 17, 18, 19 handelt es sich dabei um separate Bauteile, die zweckmäßig jeweils als Blechformkörper ausgestaltet sind. Die Trennwände 17, 18, 19 erstrecken sich jeweils über den gesamten Querschnitt des Kanals 13, sie sind perforiert und dementsprechend von der Abgasströmung 3 durchströmbar.
-
Eine nicht näher bezeichnete Perforation der ersten Trennwand 17 ist dabei so ausgestaltet, dass sie bei einer Durchströmung der ersten Trennwand 17 zumindest zwei Abgasteilströme 20, 21 erzeugt, die in 4 durch Pfeile angedeutet sind. Dabei werden diese Abgasteilströme 20, 21 so erzeugt, dass sie in der Injektionskammer 16 zwei separate und gegenläufige Strömungswirbel 22 bzw. 23 ausbilden. Durch die Strömungswirbel 22, 23 strömen die beiden Abgasteilströme 20, 21 in einem proximal zu einer Kanalwand 24 verlaufenden Bereich 25 separat voneinander, während sie in einem distal zur Kanalwand 24 verlaufenden Bereich 26 weitgehend gemeinsam strömen. Die Kanalwand 24 begrenzt die Injektionskammer 16 seitlich, erstreckt sich in der Umfangsrichtung und bildet dadurch den Kanal 13. Die beiden Strömungswirbel 22, 23 rotieren dabei um separate Wirbelachsen 42, 43, die parallel zueinander verlaufen.
-
Die Perforation der ersten Trennwand 17 ist bezüglich einer Längsmittelebene 27 des Kanals 13 symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch, ausgestaltet. Die Längsmittelebene 27 enthält eine Längsmittelachse 28 des Kanals 13, die innerhalb der Katalysatoranordnung 1 mit der Längsmittelachse 7 des Gehäuses 2 zusammenfällt. Durch die Symmetrie der Perforation der ersten Trennwand 17 werden auch die beiden Strömungswirbel 22, 23 symmetrisch zur Längsmittelebene 27 ausgebildet. Bevorzugt erstrecken sich die Wirbelachsen 42, 43 parallel zur Längsmittelachse 28 des Kanals 13. Die erste Trennwand 17 ist im Kanal 13 bevorzugt so angeordnet, dass sich der Injektoranschluss 14 in der Längsmittelebene 27, also in der Symmetrieebene der ersten Trennwand 17 befindet. Zur Veranschaulichung ist in 4 die Position des Injektoranschlusses 14 mit unterbrochener Linie angedeutet. Vorzugsweise liegt eine in 3 angedeutete Haupteinspritzrichtung 29 eines Einspritzstrahls 30 des Injektors 15 in der Längsmittelebene 27. Der Einspritzstrahl 30 ist hier kegelförmig konzipiert, so dass auch von einem Einspritzkegel gesprochen werden kann. Es ist klar, dass für den Einspritzstrahl 30 auch beliebige andere Geometrien realisierbar sind.
-
Ferner ist die symmetrische erste Trennwand 17 im Kanal 13 so positioniert, dass die beiden Abgasteilströme 20, 21 proximal zur Kanalwand 24, also in den proximalen Bereichen 25 jeweils vom Injektoranschluss 14 wegströmen, während sie in distalen Bereichen 26 gemeinsam auf den Injektoranschluss 14 zuströmen.
-
Wie sich insbesondere den 2 bis 4 entnehmen lässt, besitzt die Perforation der ersten Trennwand 17 zum Erzeugen der Strömungswirbel 22, 23 erste Öffnungen 31, die proximal zur Kanalwand 24 angeordnet sind und die in der Injektionskammer 16, also an einer Abströmseite der ersten Trennwand 17 jeweils eine vom Injektoranschluss 14 abgewandte Austrittsfläche 32 besitzen. Die Austrittsflächen 32 sind dabei mittels integral an der ersten Trennwand 17 ausgebildete Wandabschnitte 33 geformt, die von der übrigen ersten Trennwand 17 in die Injektionskammer 16 vorstehen. Ferner besitzen diese erste Öffnungen 31 an einer von der Injektionskammer 16 abgewandten Anströmseite der ersten Trennwand 17 jeweils eine dem Injektoranschluss 14 zugewandte Eintrittsfläche 34. Diese können zweckmäßig mit Hilfe von Wandabschnitten 35 gebildet sein, die ebenfalls integral an der ersten Trennwand 17 ausgeformt sind und die an der Anströmseite von der übrigen ersten Trennwand 17 abstehen.
-
Wie sich den 2 und 4 entnehmen lässt, besitzt die Perforation der ersten Trennwand 17 außerdem weitere oder zweite Öffnungen 36, die ebenfalls über dem Injektoranschluss 14 zugewandte Eintrittsflächen und vom Injektoranschluss 14 abgewandte Austrittsflächen verfügen. Dabei befinden sich auch hier die Eintrittsflächen an der von der Injektionskammer 16 abgewandten Seite, während die Austrittsflächen innerhalb der Injektionskammer 16 angeordnet sind. Während sich die ersten Öffnungen 31 proximal zur Kanalwand 13 in der Umfangsrichtung verteilt erstrecken, sind die zweiten Öffnungen 36 distal zur Kanalwand 24 geradlinig hintereinander angeordnet, und zwar bevorzugt in der Längsmittelebene 27.
-
Wie sich den 2 und 4 ferner entnehmen lässt, kann die Perforation der ersten Trennwand 17 außerdem andere oder dritte Öffnungen 37 aufweisen, die parallel zur Längsmittelachse 28 des Kanals 13 durchströmbar sind und dadurch in der Injektionskammer 16 axiale Teilströme erzeugen. Sämtliche dritte Öffnungen 37 liegen in der Ebene der ersten Trennwand 17.
-
Einige der dritten Öffnungen 37 sind dabei distal zur Kanalwand 24 zwischen den ersten Öffnungen 31 und den zweiten Öffnungen 36 angeordnet. Ferner sind diese dritten Öffnungen 37 in zwei separaten Bereichen angeordnet, nämlich in einem ersten Bereich 45 und in einem zwieten Bereich 46. Durch den ersten Bereich 45 erstreckt sich eine Wirbelachse 42 des ersten Strömungswirbels 22, um die der erste Strömungswirbel rotiert. Durch den zweiten Bereich 46 erstreckt sich eine zweite Wirbelachse 43 des zweiten Strömungswirbels 23, um die der zweite Strömungswirbel 23 rotiert. Weitere dritte Öffnungen 37 liegen in einem zum Injektoranschluss 14 proximalen Bereich 47 und weitere dritte Öffnungen liegen in einem zum Injektoranschluss 14 distalen Bereich 48. Die dritten Öffnungen 37 des proximalen Bereichs 47 unterstützen die Separation der beiden Abgasteilströme, um jeweils einen wandnahen Strömungsbereich 25 des jeweiligen Strömungswirbels 22, 23 zu bilden. Die dritten Öffnungen 37 des distalen Bereichs 48 verhindern eine Wiedervereinigung der beiden aufeinander zu strömenden wandnahen Strömungsbereiche 25 und unterstützen dadurch die Ausbildung der wandfernen bzw. zentralen Rückströmbereiche 26 der Strömungswirbel 22, 23. Die dritten Öffnungen 37 der zentralen Bereiche 45 und 46 trennen die wandnahen Strömungsbereiche 25 von den wandfernen Strömungsbereichen 26 und stabilisieren dadurch die beiden Strömungswirbel 22, 23.
-
Gemäß den 2 und 3 kann die nicht näher bezeichnete Perforation der zweiten Trennwand 18 erste und zweite Öffnungen 38 und 39 umfassen, die jeweils mit Leitflächen 40 abgeschirmt sind. Die Leitflächen 40 stehen dabei jeweils in die Injektionskammer 16 vor. Die ersten Öffnungen 38 sind dabei proximal zur Kanalwand 24 angeordnet. Sie sind länglich und erstrecken sich im Wesentlichen in der Umfangsrichtung. Sie sind durch die Leitflächen 40 nach innen abgeschirmt. Im Unterschied dazu sind die zweiten Öffnungen 40 distal zur Kanalwand 24 angeordnet und mit Hilfe der Leitflächen 40 an einer dem Injektoranschluss 14 zugewandten Seite abgeschirmt. Die zweiten Öffnungen 39 sind ebenfalls länglich, dafür geradlinig und verlaufen dabei parallel zueinander. Die geradlinigen, länglichen zweiten Öffnungen 39 erstrecken sich dabei quer zur Längsmittelebene 27. Die zweite Trennwand 18 ist ebenfalls spiegelsymmetrisch zur Längsmittelebene 27 ausgestaltet; sie unterscheidet sich jedoch von der ersten Trennwand 17.
-
Die nur optional vorgesehene dritte Trennwand 19 enthält nur eine Art von Öffnungen 41, die jeweils in der Ebene der dritten Trennwand 19 liegen und die im gezeigten Beispiel eine gleichförmige Perforation definieren. Die dritte Trennwand 19 ist dabei zweckmäßig ein einfaches Lochblech. Die dritte Trennwand 19 ist somit insbesondere verschieden zur ersten Trennwand 17 und zur zweiten Trennwand 18 ausgestaltet. Auch hier ist denkbar eine ungleichförmige Perforation vorzusehen, also eine Perforation, die verschiedene Öffnungen mit und/oder ohne Abdeckungen und/oder Leitflächen.
-
Die drei Trennwände 17, 18, 19 sind jeweils grundsätzlich eben konfiguriert, wobei bei der ersten Trennwand 17 und bei der zweiten Trennwand 18 integrale Abschnitte der jeweiligen Trennwand 17, 18 umgeformt und ausgestellt werden können, um die einzelnen Öffnungen bzw. die Strömungsleitkonturen zu bilden.
-
Die erste Trennwand 17 erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zur Längsmittelachse 28 des Kanals 13. Auch die dritte Trennwand 19 erstreckt sich zweckmäßig quer zur Längsmittelachse 28 und somit parallel zur ersten Trennwand 17. Im Unterschied dazu verläuft die zweite Trennwand 18 geneigt zu der ersten Trennwand 17 und somit auch geneigt zur dritten Trennwand 19. Die Neigung der ersten Trennwand 17 zur zweiten Trennwand 18 ist dabei derart, dass sich die Injektionskammer 17 mit zunehmendem Abstand vom Injektoranschluss 14 verjüngt.
-
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
-
