DE102013223296A1 - Einspritzmodul und Abgasstrang mit Einspritzmodul - Google Patents
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Abstract
Ein Einspritzmodul (10) zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang (22) eines Verbrennungsmotors (2) hat wenigstens zwei Austrittsöffnungen (12) zur Ausgabe wenigstens eines Reduktionsmittel-Primärstrahls (13), wobei die Austrittsöffnungen (12) derart ausgebildet sind, dass die durch die Austrittsöffnungen (12) austretenden Reduktionsmittel-Primärstrahlen (13) aufeinander treffen und einen Sprühnebel (11) im Abgasstrang (22) erzeugen.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Einspritzmodul, insbesondere ein Einspritzmodul zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, und einen Abgasstrang, der mit einem derartigen Einspritzmodul ausgestattet ist.
- Stand der Technik
- Zur Entstickung der Abgase von Dieselmotoren hat sich die SCR-Technik („selective catalytic reduction“) mit einem harnstoffhaltigen Reduktionsmittel („AdBlue®“) bewährt. Hierbei wird das flüssige Reduktionsmittel fein zerstäubt vor einem Reduktionsmittelkatalysator in die Abgasströmung eingesprüht.
- Um einen hohen Umsetzungsgrad der Stickoxide bei möglichst geringem Reduktionsmittelschlupf zu erreichen, muss das Reduktionsmittel möglichst homogen auf der Katalysatoreintrittsfläche verteilt werden. Dies wird entweder durch im Abgasrohr angebrachte Mischer oder durch eine lange Mischstrecke zwischen der Stelle, an der das Reduktionsmittel eindosiert wird, und dem Katalysator erreicht.
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DE 44 17 238 A1 offenbart eine Einrichtung zur Minderung von Stickoxiden im Abgas eines Verbrennungsmotors mit einer Einlaufkammer, einem Hydrolyse-Katalysator, einem DeNOx-Katalysator und einem Oxidationskatalysator, bei der die Einlaufkammer, der Hydrolyse-Katalysator, der DeNOx-Katalysator und der Oxidationskatalysator eine im Wesentlichen zylindrische, vom Abgas in der genannten Reihenfolge durchströmbare Einheit bilden und der Durchmesser der Einlaufkammer den Durchmesser des Hydrolyse-Katalysators übersteigt. Hierdurch wird erreicht, dass das in der Einlaufkammer mit einem Reduktionsmittel vermischte Abgas mit einer homogenen Reduktionsmittelverteilung und einer über den Querschnitt des Abgasstranges möglichst homogenen Abgasstromdichte in die Katalysatoren eintritt. - Um die notwendige Homogenisierung des Reduktionsmittels mit dem Abgas zu bewirken, ist ein möglichst flacher, aber vollflächiger Reduktionsmittel-Sprühnebel („Spray“) erforderlich. Um Ablagerungen des Reduktionsmittels in der Abgasanlage zu vermeiden, darf nur eine begrenzte Menge des Reduktionsmittels auf die Wände der Abgasanlage treffen.
- Offenbarung der Erfindung
- Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, auch in kompakten Abgasanlagen eine hohe Homogenisierung der Abgase und des Reduktionsmittels zu bewirken und gleichzeitig das Auftreffen von Reduktionsmittel auf die Wände der Abgasanlage zu minimieren.
- Ein erfindungsgemäßes Einspritzmodul (Dosiermodul) zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors weist wenigstens zwei Austrittsöffnungen zur Ausgabe jeweils wenigstens eines Reduktionsmittel-Primärstrahls auf. Dabei sind die Austrittsöffnungen derart angeordnet und ausgebildet, dass die durch die Austrittsöffnungen austretenden Reduktionsmittel-Primärstrahlen aufeinander treffen und durch die Kollision einen Sprühnebel im Abgasstrang erzeugen.
- Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren des Einspritzens eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren einschließt, wenigstens zwei Reduktionsmittel-Primärstrahlen so in den Abgasstrang einzuspritzen, dass sie aufeinander treffen und einen geeigneten Sprühnebel im Abgasstrang erzeugen.
- Auf diese Weise wird durch Strahlkollision im Abgasstrang ein flacher und homogener Reduktionsmittel-Sprühnebel erzeugt, der sich optimal mit den durch den Abgasstrang strömenden Abgasen vermischt und so eine effektive Schadstoffreduktion bei geringem Reduktionsmittelverbrauch ermöglicht.
- In einer Ausführungsform haben die Austrittsöffnungen einen Abstand von weniger als 5 mm, insbesondere von weniger als 2 mm, voneinander, so dass die Primärstrahlen von ihrer jeweiligen Austrittsöffnung bis zum Kollisionspunkt kompakte Strahlen sind, die noch nicht in einzelne Tropfen zerfallen sind. Sind die Primärstrahlen bereits in einzelne Tropfen zerfallen, fehlen immer wieder Kollisionspartner; durch kompakte Strahlen wird die Kollision dagegen optimiert.
- In einer Ausführungsform sind die Austrittsöffnungen so ausgebildet, dass die Reduktionsmittel-Primärstrahlen in einem Winkel von mehr als 30° aufeinander treffen, um die Kollision zwischen den beiden Primärstrahlen zu optimieren und eine optimale Zerstäubung der Primärstrahlen zu bewirken.
- In einer Ausführungsform sind die Austrittsöffnungen so ausgebildet, dass die Reduktionsmittel-Primärstrahlen nach einer freien Wegstrecke von weniger als 10 mm, insbesondere von weniger als 5 mm, aufeinander treffen, um zu vermeiden, dass die Primärstrahlen vor dem Kollisionspunkt in einzelne Tropfen aufreißen.
- Die Austrittsöffnungen haben vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt, da der Strahldurchmesser und der Austrittswinkel des Strahls bei einem kreisrunden Querschnitt genau definiert sind. Die Austrittsöffnungen können aber auch mit einem ovalen Querschnitt ausgebildet sein.
- Die Erfindung umfasst auch einen Abschnitt eines Abgasstrangs eines Verbrennungsmotors in dem ein erfindungsgemäßes Einspritzmodul vorgesehen ist.
- In einer Ausführungsform weist der Abschnitt des Abgasstrangs zusätzlich zum Einspritzmodul ein Abschirmblech auf, das derart ausgebildet und angeordnet ist, dass es ein Auftreffen des Sprühnebels auf eine Wand des Abgasstranges verhindert. Unerwünschte Ablagerungen des Reduktionsmittels, welche die Strömungseigenschaften im Abgasstrang negativ beeinflussen können, werden auf diese Weise zuverlässig verhindert.
- Das Abschirmblech kann eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, die eine definierte Strömung der Abgase durch das Abschirmblech ermöglichen, um das Strömungsverhalten der Abgase im Abgasstrang gezielt zu beeinflussen.
- In einer Ausführungsform ist das Abschirmblech so angeordnet, dass zwischen dem Abschirmblech und wenigstens einer Wand des Abgasstrangs ein Stauraum ausgebildet ist. Im Betrieb entsteht im Stauraum ein Abgas-Überdruck, der eine Strömung von Abgasen durch im Abschirmblech ausgebildete Löcher bewirkt, was eine besonders effektive Vermischung der Abgase mit dem erfindungsgemäß zerstäubten Reduktionsmittel zur Folge hat.
- In einer Ausführungsform ist ein zusätzliches Blech stromaufwärts des Einspritzmoduls angeordnet, um zu verhindern, dass der Reduktionsmittel-Sprühnebel an der Kollisionsstelle der Primärstrahlen durch die Abgasströmung verweht wird, und so eine sichere Sprühnebel-Erzeugung durch die Primärstrahlen zu gewährleisten.
- In einer Ausführungsform sind stromaufwärts des Einspritzmoduls ein Oxidationskatalysator und stromabwärts des Einspritzmoduls ein Reduktionskatalysator angeordnet, um eine optimale Abgasreinigung zu bewirken. Das Einspritzmodul ist insbesondere in einem Verbindungskanal angeordnet, der den Ausgang des Oxidationskatalysators mit dem Eingang des Reduktionskatalysators strömungsmäßig verbindet, um das Reduktionsmittel den Abgasen unmittelbar vor dem Reduktionskatalysator zuzuführen.
- In einer Ausführungsform wird die Strömungsrichtung der Abgase durch den Verbindungskanal geändert. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauform des Abgasstrangs und bewirkt eine Verwirbelung der Abgasströmung. Eine solche Verwirbelung der Abgasströmung hat eine besonders effektive Vermischung der Abgase mit dem Reduktionsmittel-Sprühnebel zur Folge.
- Kurze Beschreibung der Figuren:
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Abgasstrangs. -
2 zeigt eine schematische Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Einspritzmoduls. -
3 zeigt eine Schnittdarstellung des Verbindungskanals zwischen den Katalysatoren des Abgasstrangs in einer vergrößerten Darstellung. -
4 zeigt eine Schnittdarstellung des Verbindungskanals zwischen den Katalysatoren des Abgasstrangs aus einer anderen Blickrichtung. - Figurenbeschreibung:
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors2 mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Abgasstrang22 . - Frischluft
7a wird über einen Verdichter1 eines Turboladers1 ,3 in die Zylinder2a –2d des Motors2 gefördert. Die im Betrieb in den Zylindern2a –2d entstehenden Abgase gelangen durch eine Turbine3 des Turboladers1 ,3 , die den Verdichter1 antreibt, in einen stromabwärts des Verbrennungsmotors2 angeordneten Oxidationskatalysator4 . - Neben dem Oxidationskatalysator
4 befindet sich ein Reduktionsmittelkatalysator6 . Dieser kann als SCR-Katalysator6 oder als Partikelfilter mit einer SCR-Kat-Beschichtung ausgebildet sein. Der Ausgang des Oxidationskatalysators4 und der Eingang des Reduktionsmittelkatalysators6 sind durch einen Verbindungskanal5 strömungsmäßig miteinander verbunden, so dass die Abgase aus dem Oxidationskatalysator4 durch den Verbindungskanal5 in den Reduktionsmittelkatalysator6 strömen. Die durch die Katalysatoren4 ,5 gereinigten Abgase7b treten aus dem Reduktionsmittelkatalysator6 in die Umgebung aus. - An dem Verbindungskanal
5 ist ein erfindungsgemäßes Einspritzmodul10 angebracht, das von einem üblichen und daher nicht im Detail gezeigten Reduktionsmitteldosiersystem mit einem flüssigen Reduktionsmittel, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue®“), versorgt wird. - Das Einspritzmodul
10 erzeugt im Betrieb im Verbindungskanal5 zwischen dem Oxidationskatalysator4 und dem Reduktionsmittelkatalysator6 einen Reduktionsmittel-Sprühnebel11 . -
2 zeigt das dem Verbindungskanal5 zugewandte Ende des Einspritzmoduls10 in einer vergrößerten Teilschnittdarstellung. Das in der2 gezeigte Einspritzmodul10 hat zwei Austrittsöffnungen12 für das Reduktionsmittel, durch die im Betrieb jeweils ein Reduktionsmittel-Primärstrahl13 austritt. Weitere, in den Figuren nicht gezeigte Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Einspritzmodule10 können zusätzliche Austrittsöffnungen12 aufweisen. - Die aus den Austrittsöffnungen
12 austretenden Primärstrahlen13 kollidieren innerhalb des in der2 nicht gezeigten Verbindungskanals5 im Bereich vor dem Einspritzmodul10 . Aufgrund des jeweiligen Impulses der Primärstrahlen13 wird im Verbindungskanal durch die Kollision nach dem „Collision-Beam-Prinzip“ ein fein zerstäubter Reduktionsmittel-Sprühnebel11 erzeugt. Der auf diese Weise erzeugte Reduktionsmittel-Sprühnebel11 ist vollflächig und flach ausgestaltet und somit besonders gut geeignet, um eine effektive Vermischung des Reduktionsmittels mit den Abgasen, die durch den Verbindungskanal5 strömen, zu bewirken. - Der Abstand d zwischen den Austrittsöffnungen
12 beträgt weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 2 mm. Aufgrund des geringen Abstandes d zwischen den Austrittsöffnungen12 sind die Primärstrahlen13 im Bereich zwischen den Austrittsöffnungen12 und dem Kollisionspunkt P der beiden Primärstrahlen13 kompakte Strahlen, die noch nicht in einzelne Tropfen aufgerissen sind; Durch das Aufeinandertreffen kompakter Primärstrahlen13 wird die Kollision optimiert, da jeder Teil eines ersten Primärstrahls13 auf einen korrespondierenden Teil eines zweiten Primärstrahls13 trifft und keine Lücken in den Primärstrahlen13 vorhanden sind, in denen keine Kollision auftritt. - Die Austrittsöffnungen
12 haben vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt, da der Strahldurchmesser und der Austrittswinkel des Primärtrahls13 bei einem kreisrunden Querschnitt genau definiert sind. Die Austrittsöffnungen12 können aber auch mit einem ovalen Querschnitt ausgebildet sein. - Es können auch weitere, in der
2 nicht gezeigte, Austrittsöffnungen12 vorhanden sein, um zusätzliche Primärstrahlen13 zu erzeugen, die vorzugsweise auf den selben Kollisionspunkt P ausgerichtet sind. Alternativ können mehrere Kollisionspunkte P vorhanden sein, auf die jeweils wenigstens zwei Primärstrahlen13 ausgerichtet sind, so dass mit jedem Kollisionspunkt P eine Sprühnebelquelle im Verbindungskanal5 vorhanden ist. - In einer Ausführungsform sind die Austrittsöffnungen
12 so ausgebildet, dass die Primärstrahlen13 in einem Winkel α von mehr als 30° aufeinander treffen, um die Kollision zwischen den beiden Primärstrahlen13 zu optimieren und auf diese Weise eine optimale Zerstäubung der Primärstrahlen13 zu bewirken, wodurch im Verbindungskanal5 ein besonders feiner Sprühnebel11 erzeugt wird und sich das Reduktionsmittel besonders effektiv mit den Abgasen im Abgasstrang22 vermischt. - In einer Ausführungsform sind die Austrittsöffnungen
12 so ausgebildet, dass die Primärstrahlen13 nach einer freien Wegstrecke L, d.h. nach dem Austritt aus ihrer jeweiligen Austrittsöffnung12 , von weniger als 10 mm, insbesondere von weniger als 5 mm, aufeinander treffen. Auf diese Weise wird zuverlässig vermieden, dass die Primärstrahlen13 vor dem Kollisionspunkt P in einzelne Tropfen zerfallen, wodurch die Effektivität der Sprühnebelerzeugung verringert werden würde. -
3 zeigt eine Schnittdarstellung des Verbindungskanals5 , der den Ausgang des Oxidationskatalysators4 mit dem Eingang des Reduktionsmittelkatalysators6 verbindet, in einer vergrößerten Darstellung. - Um zu vermeiden, dass der durch die Kollision der Primärstrahlen
13 erzeugte Reduktionsmittel-Sprühnebel11 durch die aus dem Oxidationskatalysator4 austretende Abgasströmung gegen die dem Oxidationskatalysator4 gegenüberliegende (in der3 rechts dargestellte) Wand24 des Verbindungskanals5 gedrückt wird und dort unerwünschte Ablagerungen bildet, ist vor der Wand24 , insbesondere zwischen dem Einspritzmodul10 und der Wand24 , ein Abschirmblech20 angeordnet. Das Abschirmblech20 ist schmaler als der Verbindungskanal5 , so dass seitlich (in der Darstellung der3 oberhalb) des Abschirmblechs20 ein Teil der aus dem Oxidationskatalysator4 austretenden Abgasströmung in einen zwischen der Wand24 des Verbindungskanals5 und dem Abschirmblech20 ausgebildeten Stauraum15 strömt und dort einen Überdruck (Straudruck) erzeugt. - Das Abschirmblech
20 kann insbesondere als kostengünstiges Lochblech ausgeführt sein. - Durch in dem Abschirmblech
20 ausgebildete Öffnungen16 strömen die Abgase aus dem Stauraum15 in einen Bereich auf der dem Oxidationskatalysator4 zugewandten Seite des Abschirmblechs20 , wo sie sich mit dem Reduktionsmittel-Sprühnebel11 vermischen. Die Abgasströmung aus dem Stauraum15 durch die Öffnungen16 in den Bereich des Sprühnebels11 ist durch Abgasströmungspfeile7c symbolisiert. - Ein zusätzliches Ablenkblech
17 kann stromaufwärts neben dem Einspritzmodul10 montiert sein, um ein Verwehen des Reduktionsmittel-Sprühnebels11 am Kollisionspunkt P der Primärstrahlen13 zu verhindern und so eine sichere Sprühnebel-Erzeugung aus den Primärstrahlen13 zu gewährleisten. -
4 zeigt eine Schnittdarstellung des Abgasstrangs22 aus Richtung des Einspritzmoduls10 , d.h. in der Darstellung der3 von oben, betrachtet. - Auf der rechten Seite der
4 sind rechts von dem Oxidationskatalysator4 der Verbindungskanal5 , das Einspritzmodul10 und der von dem Einspritzmodul10 erzeugte Reduktionsmittel-Sprühnebel11 zu erkennen. - Zwischen dem Einspritzmodul
10 und dem Ausgang des Oxidationskatalysators4 befindet sich das zusätzliche Abschirmblech17 , wie es zuvor im Zusammenhang mit der3 beschrieben worden ist. - Rechts vom Einspritzmodul
10 ist zwischen dem Reduktionsmittel-Sprühnebel11 und der Wand24 des Verbindungskanals5 das Abschirmblech20 zu erkennen. Zwischen dem Abschirmblech20 und der Wand24 des Verbindungskanals5 ist der zuvor beschriebene Stauraum15 sichtbar. Die Abgasströmung in den Stauraum15 ist durch Abgasströmungspfeile7c symbolisiert. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 4417238 A1 [0004]
Claims (10)
- Einspritzmodul (
10 ) zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang (22 ) eines Verbrennungsmotors (2 ), dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzmodul (10 ) wenigstens zwei Austrittsöffnungen (12 ) zur Ausgabe wenigstens eines Reduktionsmittel-Primärstrahls (13 ) aufweist, wobei die Austrittsöffnungen (12 ) derart ausgebildet sind, dass die durch die Austrittsöffnungen (12 ) austretenden Reduktionsmittel-Primärstrahlen (13 ) aufeinander treffen und einen Sprühnebel (11 ) im Abgasstrang (22 ) erzeugen. - Einspritzmodul (
10 ) nach Anspruch 1, wobei die Austrittsöffnungen (12 ) einen Abstand (d) von weniger als 5 mm, insbesondere von weniger als 2 mm voneinander aufweisen. - Einspritzmodul (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Austrittsöffnungen (12 ) so ausgebildet sind, dass die Reduktionsmittel-Primärstrahlen (13 ) in einem Winkel (α) von mehr als 30° aufeinander treffen. - Einspritzmodul (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Austrittsöffnungen (12 ) so ausgebildet sind, dass die Reduktionsmittel-Primärstrahlen (13 ) nach einer freien Wegstrecke (L) von weniger als 10 mm, insbesondere von weniger als 5 mm, aufeinander treffen. - Abschnitt eines Abgasstrangs (
22 ) eines Verbrennungsmotors (2 ) mit einem Einspritzmodul (10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4. - Abschnitt eines Abgasstrangs (
22 ) nach Anspruch 5, mit einem Abschirmblech (20 ), das derart ausgebildet und angeordnet ist, dass es ein Auftreffen des Sprühnebels (11 ) auf eine Wand (24 ) des Abgasstrangs (22 ) verhindert, wobei das Abschirmblech (20 ) insbesondere eine oder mehrere Öffnungen (16 ) aufweist. - Abschnitt eines Abgasstrangs (
22 ) nach Anspruch 6, wobei das Abschirmblech (20 ) so angeordnet ist, dass zwischen dem Abschirmblech (20 ) und wenigstens einer Wand (24 ) des Abgasstrangs (22 ) ein Stauraum (15 ) ausgebildet ist. - Abschnitt eines Abgasstrangs (
22 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei ein weiteres Abschirmblech (20 ) stromaufwärts des Einspritzmoduls (10 ) angeordnet ist. - Abschnitt eines Abgasstrangs (
22 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei stromaufwärts des Einspritzmoduls (10 ) ein Oxidationskatalysator (4 ) und stromabwärts des Einspritzmoduls (10 ) ein Reduktionskatalysator (6 ) angeordnet ist, wobei das Einspritzmodul (10 ) insbesondere in einem Verbindungskanal (5 ) zwischen dem Oxidationskatalysator (4 ) und dem Reduktionskatalysator (6 ) angeordnet ist und wobei die Strömungsrichtung der Abgase durch den Verbindungskanal (5 ) umgelenkt wird. - Verfahren des Einspritzens eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang (
22 ) eines Verbrennungsmotors (2 ), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst, wenigstens zwei Reduktionsmittel-Primärstrahlen (13 ) so in den Abgasstrang (22 ) einzuspritzen, dass sie aufeinander treffen und in einem Bereich des Abgasstrangs (22 ) einen Sprühnebel (11 ) erzeugen.
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