DE102020131428A1

DE102020131428A1 - Verdampfermodul und Abgasnachbehandlungssystem mit einem solchen Modul

Info

Publication number: DE102020131428A1
Application number: DE102020131428.0A
Authority: DE
Inventors: Amir Halilovic; Gustav Jonsson
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2021-06-17
Also published as: SE543916C2; SE1951431A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verdampfermodul für ein Abgasnachbehandlungssystem für ein Fahrzeug.
Das Modul umfasst eine Einspritzdüsenabschirmkappe (28), eine Strömungsleiteinrichtung (24), einen Mischer (22), eine Verdampfungskammer (16) und mehrere Abstandshalterarme (36). Der Mischer (22) ist in der Verdampfungskammer (16) an einem stromaufwärtigen Ende der Verdampfungskammer angeordnet. Jeder der mehreren Abstandshalterarme (36) ist an einem ersten Ende an dem stromaufwärtigen Ende der Verdampfungskammer (16) befestigt und ist an einem zweiten Ende an der Einspritzdüsenabschirmkappe (28) befestigt, sodass die Einspritzdüsenabschirmkappe in einem Abstand von dem Mischer (22) fixiert ist. Die Strömungsleiteinrichtung (24) ist an der Einspritzdüsenabschirmkappe (28) so befestigt, dass die Strömungsleiteinrichtung (24) zwischen dem Mischer (22) und der Einspritzdüsenabschirmkappe (28) in einem vorgegebenen Abstand von dem Mischer (22) angeordnet ist.
Die Offenbarung betrifft auch ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem solchen Modul. Die Offenbarung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Modul für ein Abgasnachbehandlungssystem für ein Fahrzeug sowie ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem solchen Modul. Die Offenbarung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.
Hintergrund
Abgasnormen für Kraftfahrzeuge werden immer strenger. Solche Normen definieren typischerweise maximale Emissionspegel für eine Reihe von Auspuffendrohrschadstoffen einschließlich Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC), Stickoxide (NO_x) und Feinstaub (PM). Um die Anforderungen der derzeitigen und mutmaßlicher zukünftiger Normen zu erfüllen, müssen Fahrzeuge mit Emissionsminderungstechnologien ausgerüstet werden.
Die selektive katalytische Reduktion (SCR) ist eine wirksame Technologie, um Auspuffendrohr-Stickoxid (NO_x)-Emissionen zu verringern. Sie beinhaltet das Hinzufügen eines Reduktionsmittels wie etwa Ammoniak zu dem Fahrzeugabgasstrom. Das Reduktionsmittel reduziert mit Hilfe eines Katalysators NO_x in dem Abgasstrom zu Stickstoffgas (N₂) und Wasser. Bei praktischen Anwendungen in Kraftfahrzeugen wird als Reduktionsmittel eine wässrige Harnstofflösung verwendet und diese Harnstofflösung wird in dem heißen Abgasstrom zu Ammoniak und Kohlendioxid zersetzt.
Es ist wünschenswert, durch Verwenden von ausschließlich SCR im Wesentlichen alles NO_x aus dem Abgasstrom entfernen zu können. Hierbei gibt es jedoch Schwierigkeiten. Um die zum Reduzieren im Wesentlichen des gesamten NO_x erforderlichen Ammoniakmengen zu erzeugen, müssen große Mengen Harnstofflösung in den Abgasstrom eingespritzt werden. Um eingespritzten Harnstoff verwenden und eine NO_x-Emission mit hoher Effizienz über die SCR reduzieren zu können, ist eine wirksame Reduktionsmittelverteilung in dem Abgasstrom essentiell. Eine ungleichförmige Verteilung kann zur Ablagerung von Harnstoff und Harnstoffabbauprodukten auf Oberflächen stromabwärts des Einspritzortes führen. In manchen Fällen kann es erforderlich sein, das Nachbehandlungssystem zu zerlegen, um solche Ablagerungen zu entfernen. Darüber hinaus muss, falls das Reduktionsmittel nicht gleichmäßig über den SCR-Katalysator verteilt wird, der Katalysator eventuell auf den maximalen Reduktionsmittelstrom ausgelegt werden, was bedeutet, dass manche Katalysatoren überdimensioniert sein werden, was unter Umweltgesichtspunkten und in wirtschaftlicher Hinsicht verschwenderisch ist. Alternativ muss Harnstoff im Überschuss eingespritzt werden, um alle Katalysatoren vollständig mit Reduktionsmittel zu versorgen. Dieser Überschuss an Harnstoff wird die Verwendung eines größeren Ammoniakschlupfkatalysators erfordern, um Auspuffendrohr-Ammoniakemissionen zu vermeiden.
Es ist bekannt, in dem Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts einer Reduktionsmitteleinspritzdüse einen Mischer vorzusehen. Der Mischer erzeugt eine Rotation der Abgase und stellt für jedes gegebene Volumen einer Verdampfungskammer eine verbesserte Verteilung des Reduktionsmittels in dem Abgas bereit. Weitere Einrichtungen zum Leiten des Stroms von Abgasen können ebenfalls in dem Nachbehandlungssystem angeordnet sein, um mit dem Mischer zusammenzuwirken und eine verbesserte Reduktionsmittelverteilung in dem Abgasstrom zu liefern.
Es verbleibt ein Bedürfnis nach Abgasnachbehandlungssystemen, die eine verbesserte Reduktionsmittelverteilung in dem Abgasstrom bieten.
Kurzfassung der Erfindung
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Reihe von Nachteilen in Lösungen des Standes der Technik zum Erzielen einer guten Reduktionsmittelverteilung in dem Abgasstrom festgestellt. Systeme, die einen Mischer und eine Strömungsleiteinrichtung verwenden, können eine gute Verteilung liefern, wenn die verschiedenen Bauteile optimal in Bezug aufeinander angeordnet sind. Jedoch können kleine Unterschiede in der räumlichen Anordnung der Bauteile eine beträchtliche Verschlechterung der Leistung des Systems verursachen. Beispielsweise kann eine Abweichung von einigen wenigen Millimetern in dem Abstand zwischen einer Strömungsleiteinrichtung und dem Mischer die Reduktionsmittelmenge, die ohne eine Ablagerung zu verursachen in das System dosiert werden kann, um bis zu 25 % verringern.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Systemen sind der Mischer und die Strömungsleiteinrichtung an separate, in Nachbarschaft zueinander befindliche Teile geschweißt. Die Toleranzkette zwischen dem Mischer und der Leitplatte ist lang, was die Fähigkeit beeinträchtigt, die räumliche Anordnung dieser Bauteile genau zu kontrollieren, beispielsweise hinsichtlich des Abstands zwischen den Bauteilen und/oder der Ausrichtung der Bauteile. Nach einem Zusammenbau des Nachbehandlungssystems sind die Bauteile in einem verborgenen Raum eingeschlossen, was die Möglichkeit des Überprüfens der räumlichen Anordnung der Bauteile in Bezug aufeinander und/oder des Korrigierens der räumlichen Anordnung beschränkt, falls sich herausstellt, dass sie übermäßig abweicht.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, zumindest einige der vorstehend beschriebenen Nachteile zu beseitigen oder zu verringern. Insbesondere wäre es wünschenswert, eine Einrichtung zur Verteilung von Reduktionsmittel in dem Abgasstrom zu ermöglichen, die eine durchweg gute Verteilung liefert und einfach überprüft werden kann.
Diese Ziele werden durch das Modul für ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß den beigefügten Patentansprüchen erreicht. Das Abgasnachbehandlungssystem ist vorzugsweise für ein Fahrzeug gedacht. Das Modul umfasst: eine Einspritzdüsenabschirmkappe, eine Strömungsleiteinrichtung, einen Mischer, eine Verdampfungskammer und mehrere Abstandshalterarme. Der Mischer ist in der Verdampfungskammer an einem Ende der Verdampfungskammer angeordnet. Jeder der mehreren Abstandshalterarme ist an einem ersten Ende an dem Ende der Verdampfungskammer befestigt und ist an einem zweiten Ende an der Einspritzdüsenabschirmkappe befestigt, sodass die Einspritzdüsenabschirmkappe in einem Abstand von dem Mischer fixiert ist. Die Strömungsleiteinrichtung ist an der Einspritzdüsenabschirmkappe so befestigt, dass die Strömungsleiteinrichtung in einem vorbestimmten Abstand von dem Mischer zwischen dem Mischer und der Einspritzdüsenabschirmkappe angeordnet ist.
Ein solches Modul kann die Leistungsschwankung innerhalb des Systems verringern durch Sicherstellen eines optimalen und höchst reproduzierbaren Abstands zwischen dem Mischer und der Strömungsleiteinrichtung. Dies erfolgt durch Gewährleisten, dass die Toleranzkette zwischen dem Mischer und der Strömungsleiteinrichtung verringert wird, und durch Ermöglichen, dass die relative räumliche Anordnung des Mischers und der Strömungsleiteinrichtung während des Zusammenbaus kontrolliert werden kann. Eine Überprüfung der räumlichen Anordnung des Mischers und der Strömungsleiteinrichtung in Bezug aufeinander kann einfacher werden, da eine Anordnung in dem relativ zugänglichen Modul vor einer Einführung der Einheit in den verborgenen Raum des Abgasnachbehandlungssystems überprüft werden kann.
Der Mischer, die Strömungsleiteinrichtung und die Einspritzdüsenabschirmkappe können jeweils koaxial zur Verdampfungskammer angeordnet sein. Das Modul erlaubt eine reproduzierbar hervorragende Koaxialität zwischen diesen Bauteilen, was weiter zur Sicherstellung guter und höchst reproduzierbarer Leistung beiträgt.
Der Mischer, die Strömungsleiteinrichtung und die Einspritzdüsenabschirmkappe können jeweils normal zu einer Längsachse der Verdampfungskammer angeordnet sein. Das Modul erlaubt eine reproduzierbar hervorragende Kollinearität zwischen diesen Bauteilen, was weiter zur Sicherstellung guter und höchst reproduzierbarer Leistung beiträgt.
Die mehreren Abstandshalterarme können integral mit der Verdampfungskammer gefertigt werden. Dies führt zu einer einfachen und robusten Art der Bereitstellung von an der Verdampfungskammer befestigten Abstandshalterarmen. Alternativ oder zusätzlich können die Abstandshalterarme getrennt von der Verdampfungskammer hergestellt werden. Solche Abstandshalterarme können am Ende der Verdampfungskammer befestigt werden. Dies stellt eine materialeffektive Möglichkeit der Bereitstellung einer Verdampfungskammer mit Abstandshalterarmen dar.
Die mehreren Abstandshalterarme können aus drei bis fünf Abstandshalterarmen bestehen. Die Abstandshalterarme können gleichmäßig um einen Umfang der Verdampfungskammer herum verteilt sein. Jeder der mehreren Abstandshalterarme kann eine Breite von weniger als 5 % des Umfangs der Verdampfungskammer haben, vorzugsweise weniger als 2 %. Dies hilft dabei sicherzustellen, dass die Abstandshalterarme den Strom von Abgasen im Betrieb nicht über Gebühr behindern.
Die Strömungsleiteinrichtung kann an dem Mischer befestigt sein. Dies kann die Robustheit des Moduls weiter erhöhen. Die Strömungsleiteinrichtung kann an dem Mischer unter Verwendung von Fixierlaschen befestigt sein, beispielsweise drei gleichmäßig beabstandete Fixierlaschen.
Die Strömungsleiteinrichtung kann an der Einspritzdüsenabschirmkappe unter Verwendung von Abstandshalterlaschen befestigt sein. Die Abstandshalterlaschen können integral mit der Strömungsleiteinrichtung hergestellt sein. Zum Beispiel kann die Strömungsleiteinrichtung an der Einspritzdüsenabschirmkappe unter Verwendung von drei bis fünf Abstandshalterlaschen befestigt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Ziele der Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls gemäß den beigefügten Patentansprüchen erreicht. Das Verfahren betrifft eine Herstellung eines Moduls für ein Abgasnachbehandlungssystem wie hierin offenbart. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte.
Es wird eine erste Einheit bereitgestellt, die eine Verdampfungskammer, einen in der Verdampfungskammer an einem Ende der Verdampfungskammer angeordneten Mischer und mehrere Abstandshalterarme umfasst. Jeder der mehreren Abstandshalterarme ist an einem ersten Ende an dem Ende der Verdampfungskammer befestigt und erstreckt sich von dem Ende der Verdampfungskammer bis zu einem zweiten Ende.
Es wird eine zweite Einheit bereitgestellt, die eine an einer Einspritzdüsenabschirmkappe angebrachte Strömungsleiteinrichtung umfasst.
Die erste Einheit wird dann an der zweiten Einheit befestigt durch Anbringen der Einspritzdüsenabschirmkappe an den zweiten Enden der mehreren Abstandshalterarme solchermaßen, dass die Strömungsleiteinrichtung sich zwischen dem Mischer und der Einspritzdüsenabschirmkappe befindet.
Ein solcher Verfahren erlaubt eine steuerbare und leicht überprüfbare Möglichkeit des Bereitstellens eines Moduls, das einen vorbestimmten und reproduzierbaren Abstand zwischen dem Mischer und der Strömungsleiteinrichtung aufweist.
Die Verdampfungskammer und die mehreren Abstandshalterarme können einstückig hergestellt werden durch Schneiden eines Materialbogens solchermaßen, dass dann, wenn der Materialbogen zur Bildung einer Verdampfungskammer gerollt wird, die mehreren Abstandshalterarme an dem Ende der Verdampfungskammer vorhanden sind. Dies stellt eine einfache und robuste Möglichkeit des Bereitstellens einer Verdampfungskammer dar, die sich von einem Ende erstreckende Abstandshalterarme aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Ziele der Erfindung durch ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß den beigefügten Patentansprüchen erreicht. Das Abgasnachbehandlungssystem ist vorzugsweise für ein Fahrzeug gedacht. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst ein wie hierin offenbartes Modul, eine innerhalb der Einspritzdüsenabschirmkappe angeordnete Reduktionsmitteleinspritzdüse und eine Abgasleitung, die in Fluidverbindung mit dem Ende der Verdampfungskammer steht.
Wenigstens einer der mehreren Abstandshalterarme kann in der Abgasleitung so angeordnet sein, dass er im Betrieb einen aus der Abgasleitung in die Verdampfungskammer fließenden Abgasstrom bricht. Durch Vorsehen einer solchen Platzierung kann die Dosierung und Verteilung von Reduktionsmittel weiter verbessert werden.
Das Abgasnachbehandlungssystem kann ferner einen Partikelfilter und/oder einen Dieseloxidationskatalysator umfassen. Der Dieseloxidationskatalysator und der Partikelfilter können separate Bauteile sein oder der Partikelfilter kann als ein katalysierter Partikelfilter mit einer Dieseloxidationskatalysatorfunktionalität ausgestattet sein.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung werden die Ziele der Erfindung durch ein Fahrzeug mit einem wie hierin offenbarten Abgasnachbehandlungssystem erreicht.
Weitere Ziele, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für einen Fachmann auf dem Gebiet aus der folgenden genauen Beschreibung ersichtlich.
Figurenliste
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und weiterer Ziele und Vorteile derselben sollte die untenstehende detaillierte Beschreibung zusammen mit den beigefügten Figuren gelesen werden, in denen die gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Darstellungen gleiche Gegenstände bezeichnen und in denen:

1 schematisch ein Fahrzeug mit einem Abgasnachbehandlungssystem zeigt,
2 schematisch eine geschnittene Draufsicht eines Abgasnachbehandlungssystems aus dem Stand der Technik darstellt,
3 schematisch eine vergrößerte Ansicht des Teils des Nachbehandlungssystems aus dem Stand der Technik nahe dem stromaufwärtigen Ende der Verdampfungskammer zeigt,
4 schematisch ein Verdampfermodul gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt,
5 schematisch ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt,
6 schematisch eine vergrößerte Ansicht des Teils des beispielhaften Nachbehandlungssystems in der Nähe des stromaufwärtigen Endes der Verdampfungskammer zeigt,
7 ein Fließbild ist, welches eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Verdampfermoduls darstellt.

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem verbesserten Verdampfermodul zur Sicherstellung einer hervorragenden und reproduzierbaren Reduktionsmittelverteilung in dem Abgasstrom während des Betriebs. Mit reproduzierbar ist gemeint, dass massenproduzierte Exemplare des Verdampfermoduls durchweg eine hervorragende Reduktionsmittelverteilung bieten und dass es demzufolge geringe Unterschiede zwischen verschiedenen Exemplaren gibt.
Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst zumindest ein Verdampfermodul, eine Abgasleitung und eine Reduktionsmitteleinspritzdüse. Es kann ferner weitere Bauteile umfassen, die stromaufwärts oder stromabwärts der genannten Bauteile angeordnet sind. Stromaufwärts bzw. stromabwärts bezieht sich auf Positionen in dem Abgasnachbehandlungssystem unter Bezugnahme auf die typische Strömungsrichtung von Abgas aus dem Motor zum Auspuffendrohr. Ein Bauteil wird als stromaufwärts eines anderen bezeichnet, wenn es sich in dem Abgassystem näher am Motor befindet, wohingegen es als stromabwärts bezeichnet wird, wenn es sich in dem Abgassystem näher am Auspuffendrohr befindet.
Das Verdampfermodul umfasst eine Einspritzdüsenabschirmkappe, eine Strömungsleiteinrichtung, einen Mischer und eine Verdampfungskammer. In Modulen aus dem Stand der Technik, die solche Bauteile aufweisen, ist der Mischer typischerweise an der Verdampfungskammer befestigt, wohingegen die Einspritzdüsenabschirmkappe und die Strömungsleiteinrichtung typischerweise an einem anderen Bauteil des Abgasnachbehandlungssystems angebracht sind, wie etwa an einer Abschlusskappe.
Dies hat zur Folge, dass die Toleranzkette zwischen dem Mischer und der Strömungsleiteinrichtung übermäßig lang ist, d.h. die kumulierte Summe aller Toleranzen führt zu einer übermäßig großen Toleranz in der maßlichen Anordnung der Strömungsleiteinrichtung in Bezug auf den Mischer. Es ist festgestellt worden, dass die Verteilungsleistung des Verdampfermoduls hochsensibel hinsichtlich des maßlichen Moduls des Mischers und der Strömungsleiteinrichtung und insbesondere hinsichtlich des Abstands zwischen diesen Bauteilen ist. Beispielsweise ist festgestellt worden, dass in Systemen, die dazu ausgelegt sind, Harnstoff in relativ hohen Anteilen ohne eine Ablagerung von Harnstoff oder Abbauprodukten auf den Wänden oder Bauteilen des Verdampfermoduls dosieren zu können, ein geringfügiges Vergrößern des Abstands zwischen dem Mischer und der Strömungsleiteinrichtung zu einer Ablagerung bei Anteilen führen kann, die 40 % niedriger sind.
Das Verdampfermodul gemäß der vorliegenden Offenbarung hilft dabei, solche Probleme zu überwinden. Der Mischer ist in der Verdampfungskammer an einem stromaufwärtigen Ende der Verdampfungskammer angeordnet. Die Einspritzdüsenabschirmkappe ist an diesem stromaufwärtigen Ende unter Verwendung mehrerer Abstandshalterarme befestigt. Die Strömungsleiteinrichtung ist an der Einspritzdüsenabschirmkappe befestigt. Eine solche Anordnung hat den Effekt einer beträchtlichen Verkürzung der Toleranzkette zwischen dem Mischer und der Strömungsleiteinrichtung, was es viel einfacher macht sicherzustellen, dass die räumliche Anordnung des Mischers relativ zu der Strömungsleiteinrichtung sich innerhalb vorbestimmter Toleranzen befindet. Darüber hinaus ist es, weil das Modul vor einem Einfügen in das Abgasnachbehandlungssystem zusammengebaut wird, viel einfacher zu überprüfen, dass die räumliche Anordnung des Mischers und der Strömungsleiteinrichtung die spezifizierten Anforderungen erfüllen.
Die Verdampfungskammer stellt ein Volumen bereit, in dem in den Abgasstrom dosiertes Reduktionsmittel verdampfen und sich in dem Abgasstrom verteilen kann. Die Verdampfungskammer kann typischerweise durch ein Rohrstreckenstück gebildet sein. Es kann mit Lamellen auf seiner Außenseite versehen sein, um eine Wärmeleitung zu verbessern und ein Verdampfen des Reduktionsmittels zu erleichtern. Beispielsweise kann es mit mehr als 100 Lamellen um seinen äußeren Umfang herum versehen sein, wobei die Lamellen zum Beispiel durch eine Riffelung und Laserschweißen eines separaten Metallblechs auf die Verdampfungskammer gebildet sein können.
Am stromaufwärtigen Ende der Verdampfungskammer ist ein Mischer angeordnet. Der Mischer kann dazu beitragen, dem Abgasstrom eine Rotationsströmung zu verleihen und auf diese Weise die Strömungslänge für das Abgas in der Verdampfungskammer zu vergrößern. Der Mischer ist typsicherweise feststehend in der Verdampfungskammer befestigt und weist typischerweise mehrere Schaufeln oder Flügel auf, die sich radial von einem mittleren Bereich aus erstrecken, vom Aussehen her ähnlich einem Rotor oder Propeller. Der Mischer ist typischerweise koaxial zur Verdampfungskammer, d.h. eine Mittelachse des Mischers entspricht der Zylindermittelachse der Verdampfungskammer.
Mehrere Abstandshalterarme sind am stromaufwärtigen Ende der Verdampfungskammer angeordnet. Die Abstandshalterarme sind an einem ersten Ende an der Verdampfungskammer angebracht und erstrecken sich in Längsrichtung von der Verdampfungskammer weg bis zu einem zweiten Ende. In diesem Zusammenhang ist mit befestigt entweder angebracht oder befestigt durch einstückiges Herstellen mit der Verdampfungskammer gemeint. Der Zweck der Abstandshalterarme ist es, die Einspritzdüsenabschirmkappe in einer vordefinierten räumlichen Beziehung zu dem Mischer zu befestigen. Nur zwei Abstandshalterarme können zum Erfüllen dieses Zwecks erforderlich sein, jedoch werden aus Gründen der Stabilität und Einfachheit des Zusammenbaus typsicherweise von drei bis fünf Arme verwendet, obwohl mehr verwendet werden können, falls gewünscht. Diese Arme sind ausreichend breit, um der Anordnung die benötigte Stabilität zu geben, sie sollten jedoch nicht so breit sein, dass sie den Abgasstrom über Gebühr behindern. Jeder Arm kann beispielsweise eine Breite haben, die kleiner als 5 % des Umfangs der Verdampfungskammer ist, z.B. weniger als 2 % der Breite der Verdampfungskammer. Die Arme können gleichmäßig um den Umfang der Verdampfungskammer herum verteilt sein. Jedoch kann es in manchen Fällen wünschenswert sein, eine ungleiche Verteilung vorzusehen, z.B. um den Abgasstrom zu steuern. Die Arme können alle eine gleiche Breite haben, sie können sich in der Breite jedoch auch unterscheiden, z.B. wenn ein bestimmter Arm dazu vorgesehen ist, den Abgasstrom umzuleiten.
Die Abstandshalterarme befestigen die Einspritzdüsenabschirmkappe relativ zur Verdampfungskammer und dem Mischer an Ort und Stelle. Die Einspritzdüsenabschirmkappe ist ein kappenförmiges Bauteil, wobei die äußere (konkave) Oberfläche der Kappe dem Mischer zugewandt ist. Die Reduktionsmitteleinspritzdüse kann innerhalb (auf der konkaven Seite) der Kappe angebracht sein. Abgas braucht nicht in den Innenraum der Kappe einzutreten und die Einspritzdüse ist somit von der Hitze und Verunreinigungen in dem Abgas abgeschirmt. Ein Loch ist im Boden der Kappe vorhanden, um es der Reduktionsmitteleinspritzdüse zu gestatten, Reduktionsmittel in Richtung auf den Mischer und in den Abgasstrom zu sprühen.
Eine Strömungsleiteinrichtung ist zwischen dem Mischer und der Einspritzdüsenabschirmkappe angeordnet. Die Strömungsleiteinrichtung hilft beim Leiten des Abgasstroms, um eine effektive Verdampfung und Verteilung von Reduktionsmittel in dem Abgas zu erzielen. Die Strömungsleiteinrichtung ist an der Einspritzdüsenabschirmkappe befestigt und ist auf diese Weise auch in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung zum Mischer befestigt. Die Strömungsleiteinrichtung kann beispielsweise unter Verwendung einer Reihe von Befestigungslaschen an der Einspritzdüsenabschirmkappe befestigt sein. Diese Laschen können z.B. ein integraler Bestandteil der Strömungsleiteinrichtung sein. Die Strömungsleiteinrichtung hat typischerweise eine kegelstumpfförmige (vulkanartige) Gestalt und ist typischerweise so angeordnet, dass sie sich zunehmend in Richtung auf den Mischer verengt. Die Strömungsleiteinrichtung kann ein inneres Führungselement („Krater“) aufweisen, welches sich in Richtung auf den Mischer verbreitert.
Das beschriebene Modul gestattet es, die Verdampfungskammer, den Mischer, die Strömungsleiteinrichtung und die Einspritzdüsenabschirmkappe in Bezug aufeinander mit relativ geringen Toleranzen zu befestigen. Auf diese Weise kann z.B. der Spalt zwischen dem Mischer und der Strömungsleiteinrichtung auf genaue und präzise Weise gesteuert werden. Jedes der Bauteile kann so ausgerichtet sein, dass sie eine gemeinsame Achse haben und jedes normal zu der Zylinderachse der Verdampfungskammer ist, d.h. dass sie eine koaxiale und kollineare Anordnung haben.
Die Bauteile des Verdampfermoduls können aus jedem geeigneten Material gefertigt sein. Sie können beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen, der korrosionsbeständig ist und die in dem Abgasnachbehandlungssystem während des Betriebs vorherrschenden Temperaturen aushält. Sie können unter Verwendung eines jeden geeigneten Verfahrens hergestellt sein, wie z.B. Gießen, Ausformen, Umformen oder spanendes Bearbeiten. Die Verdampfungskammer kann durch Rollen eines Blechs zum Bilden der Kammer hergestellt sein. Die mehreren Abstandshalterarme können einstückig mit dieser Kammer hergestellt sein durch Schneiden des Blechs an seinen Enden zum Bilden der Arme, entweder vor oder nach dem Rollen.
Das Verdampfermodul ist eine Komponente des Abgasnachbehandlungssystems. Es kann eingebaut werden durch Einfügen in eine bereits existierende Abgasleitung in dem Abgasnachbehandlungssystem solchermaßen, dass ein Teil des Abgases außerhalb der Wände der Verdampfungskammer vorbeiströmt. Alternativ kann es einen Teil der Abgasleitung des Abgasnachbehandlungssystems solchermaßen bilden, dass im Wesentlichen das gesamte Abgas durch die Verdampfungskammer fließt. Eine weitere Abgasleitung ist dazu angeordnet, die die Verdampfungskammer verlassenden Abgase aufzunehmen und sie stromabwärts zu stromabwärtigen Komponenten wie etwa einem SCR-Katalysator zu leiten. Der SCR-Katalysator kann als ein separates Modul ausgeführt sein.
Ein Dieseloxidationskatalysator und ein Partikelfilter können im Nachbehandlungssystem stromaufwärts des Verdampfermoduls angeordnet sein. Sie können als separate Komponenten angeordnet sein oder können als ein katalysierter Partikelfilter kombiniert sein. Eine Abgasleitung führt Abgase aus einem Auslass des Partikelfilters zum stromaufwärtigen Ende der Verdampfungskammer, an der Strömungsleiteinrichtung vorbei oder durch sie hindurch. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass wenigstens ein Arm der mehreren Abstandshalterarme dazu angeordnet ist, den Abgasstrom in der Abgasleitung zu brechen, d.h. der Arm ist „stromaufwärts“ gewandt. Dies kann die Reduktionsmitteldosierung und -verteilung des Abgasnachbehandlungssystems weiter verbessern.
Die Erfindung wird nun genauer unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen und die Figuren beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die hierin erläuterten und/oder in den Figuren gezeigten, beispielhaften Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzbereichs der anhängenden Ansprüche variiert werden. Darüber hinaus sollten die Figuren nicht als maßstabsgerecht betrachtet werden, da einige Merkmale übertrieben sein können, um bestimmte Merkmale deutlicher darzustellen.
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Fahrzeugs 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Fahrzeug 1 enthält einen Verbrennungsmotor 2 und ein in einer Abgasleitung 10 angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem 4. Die Abgasleitung 10 führt Abgase aus dem Motor 2 durch das Abgasnachbehandlungssystem 4 und weiter, um die behandelten Abgase auszustoßen. Das Fahrzeug 1 kann ein Schwerfahrzeug sein, z.B. ein Lastwagen wie vorliegend dargestellt, ein Traktor oder ein Bus. Das Fahrzeug 1 kann alternativ ein PKW sein. Das Fahrzeug kann ein Hybridfahrzeug mit einer elektrischen Maschine (nicht gezeigt) zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor 2 sein. Das Fahrzeug kann alternativ ein Seefahrzeug sein, etwa ein Schiff. Die Erfindung kann auch zur Abgasnachbehandlung bei Nichtfahrzeug-Motorsystemen verwendet werden, wie etwa bei Generatoren.
2 stellt schematisch ein Beispiel eines Abgasnachbehandlungssystems 4 aus dem Stand der Technik in einer Querschnittsansicht dar. Das System 4 umfasst einen Dieseloxidationskatalysator 6 und einen Partikelfilter 8, die in einem ersten Rohrstreckenstück 10 angeordnet sind. In einem zweiten Rohrstreckenstück 12 befindet sich eine Verdampfungskammer 16. Lamellen 18 sind auf der Außenseite der Verdampfungskammer 16 vorhanden, um einen Wärmeübergang zu verbessern. Eine Abschlusskappe 20 bildet eine Abgasleitung zwischen dem ersten Rohrstreckenstück 10 und dem zweiten Rohrstreckenstück 12. Ein Mischer 22 ist in der Verdampfungskammer 16 an dem stromaufwärtigen Ende angeordnet. Eine Strömungsleiteinrichtung 24 ist unmittelbar stromaufwärts des Mischers 22 angeordnet. Die Strömungsleiteinrichtung 24 ist mittels Befestigungslaschen 26 an einer Einspritzdüsenabschirmkappe 28 angebracht. Eine Einspritzdüse 30 ist innerhalb der Einspritzdüsenabschirmkappe angeordnet, um dem Nachbehandlungssystem Reduktionsmittel liefern zu können. Die Einspritzdüsenabschirmkappe 30 ist an der Abschlusskappe 20 angebracht. Stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems 4 kann ein SCR-Katalysator angeordnet sein.
Aufgrund der vielen Herstellungstoleranzen zwischen den Komponenten, an denen der Mischer 22 und die Strömungsleiteinrichtung 24 befestigt sind, kann der Abstand, der relative Winkel und die Ausrichtung dieser Komponenten beträchtlich variieren, was die Fähigkeit des Systems, dosiertes Reduktionsmittel zu verteilen, negativ beeinflusst. Dies ist in 3 dargestellt, die eine Vergrößerung des stromaufwärtigen Teils der Verdampfungskammer 16 und umgebender Bauteile aus 2 zeigt. Aufgrund einer Reihe geringfügiger Abweichungen von der optimalen Position, wobei jede Abweichung für sich innerhalb von Herstellungstoleranzen liegt, weicht die relative räumliche Anordnung des Mischers 22 und der Strömungsleiteinrichtung 24 hinsichtlich des Abstands g zwischen ihnen, der Ausrichtung und des Winkels deutlich von der optimalen Anordnung ab, wie durch die Mittelachse 32 der Strömungsleiteinrichtung 24 und die Mittelachse 34 des Mischers 22 dargestellt.
4 zeigt schematisch eine beispielshafte Ausführungsform eines Verdampfermoduls 14 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Verdampfermodul umfasst eine Verdampfungskammer 16, einen Mischer 22, eine Strömungsleiteinrichtung 24 und eine Einspritzdüsenabschirmkappe 28. Der Mischer 22 ist in dem stromaufwärtigen Ende der Verdampfungskammer 16 angebracht. Mehrere Abstandshalterarme 36 befestigen die Einspritzdüsenabschirmkappe 28 an der Verdampfungskammer 16 und fixieren diese Bauteile in einer vorbestimmten räumlichen Anordnung. Die Strömungsleiteinrichtung 24 ist mittels Befestigungslaschen 26 an der Einspritzdüsenabschirmkappe 28 angebracht, und dadurch ist die Strömungsleiteinrichtung ebenfalls in einer vorbestimmten räumlichen Anordnung bezüglich des Mischers 22 gehalten. Man kann sehen, dass die Anordnung des Mischers 22 bezüglich des Strömungsleiteinrichung 24 vor einem Anbringen des Verdampfermoduls 14 innerhalb des Abgasnachbehandlungssystems 4 einfach inspiziert werden kann.
5 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform eines Abgasnachbehandlungssystems in einer Querschnittsdraufsicht, das ein wie hierin beschriebenes Verdampfermodul aufweist. Das System 4 umfasst einen Dieseloxidationskatalysator 6 und einen Partikelfilter 8, die in einem ersten Rohrstreckenstück 10 angeordnet sind. In einem zweiten Rohrstreckenstück 12 befindet sich das Verdampfermodul 14. Das Verdampfermodul 14 weist eine Verdampfungskammer 16, die auf der Außenseite mit Lamellen 18 versehen ist, einen Mischer 22, eine Strömungsleiteinrichtung 24, eine Einspritzdüsenabschirmkappe 28 und Abstandshalterarme 36 auf. Eine Abschlusskappe 20 bildet zusammen mit der Einspritzdüsenabschirmkappe 28 eine Abgasleitung zwischen dem ersten Rohrstreckenstück 10 und dem zweiten Rohrstreckenstück 12. Eine Einspritzdüse 30 ist innerhalb der Einspritzdüsenabschirmkappe 28 dazu angeordnet, dem Nachbehandlungssystem Reduktionsmittel zu liefern. Ein SCR-Katalysator kann stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems 4 angeordnet sein. Man kann sehen, dass ein Abstandshalterarm 36 dazu angeordnet ist, einen in das zweite Rohrstreckenstück 12 eintretenden Abgasstrom zu brechen. Dies kann dazu beitragen, eine Verteilung von Reduktionsmittel in den Abgasen weiter zu verbessern.
6 zeigt eine Vergrößerung des stromaufwärtigen Teils der Verdampfungskammer 16 und umgebender Bauteile aus 4. Man kann sehen, dass aufgrund der Verwendung von Abstandshalterarmen 36 die Toleranzkette zwischen dem Mischer 22 und der Strömungsleiteinrichtung 24 verkürzt ist. Dies gestattet es, diese Bauteile genau und präzise räumlich in Bezug aufeinander zu positionieren hinsichtlich des Abstands g, der Ausrichtung und des Winkels, wie durch die Kollinearität der Mittelachse 32 der Strömungsleiteinrichung 24 und der Mittelachse 34 des Mischers 22 gezeigt.
Das Verdampfermodul kann wie folgt und wie in dem Fließbild aus 4 dargestellt hergestellt werden.
Der Schritt s701 bezeichnet den Beginn des Herstellungsverfahrens.
Im Schritt s703 wird eine erste Einheit bereitgestellt. Die erste Einheit umfasst eine Verdampfungskammer, einen in der Verdampfungskammer an einem Ende der Verdampfungskammer angeordneten Mischer und mehrere Abstandshalterarme. Jeder der mehreren Abstandshalterarme ist an einem ersten Ende am Ende der Verdampfungskammer befestigt und erstreckt sich von dem Ende der Verdampfungskammer bis zu einem zweiten Ende, wie beispielsweise in 4 dargestellt.
Im Schritt s705 wird eine zweite Einheit bereitgestellt. Die zweite Einheit umfasst eine Strömungsleiteinrichtung, die an einer Einspritzdüsenabschirmkappe angebracht ist, wie beispielsweise in 4 dargestellt.
Im Schritt s707 wird die erste Einheit an der zweiten Einheit befestigt durch Befestigen der Einspritzdüsenabschirmkappe an den zweiten Enden der mehreren Abstandshalterarme solchermaßen, dass die Strömungsleiteinrichtung zwischen dem Mischer und der Einspritzdüsenabschirmkappe angeordnet ist, wie beispielsweise in 4 dargestellt.
Der Schritt s709 bezeichnet das Ende des Herstellungsverfahrens.
In einem optionalen Schritt s702 werden die Verdampfungskammer und die mehreren Abstandshalterarme integral hergestellt durch Schneiden eines Materialbogens solchermaßen, dass dann, wenn der Materialbogen zum Bilden einer Verdampfungskammer gerollt wird, die mehreren Abstandshalterarme sich an dem Ende der Verdampfungskammer befinden.

Claims

Modul (14) für ein Abgasnachbehandlungssystem (4), wobei das Modul eine Einspritzdüsenabschirmkappe (28), eine Strömungsleiteinrichtung (24), einen Mischer (22), eine Verdampfungskammer (16) und mehrere Abstandshalterarme (36) aufweist, wobei der Mischer (22) in der Verdampfungskammer (16) an einem Ende der Verdampfungskammer angeordnet ist, wobei jeder der mehreren Abstandshalterarme (36) an einem ersten Ende an dem Ende der Verdampfungskammer (16) befestigt ist und an einem zweiten Ende an der Einspritzdüsenabschirmkappe (28) befestigt ist, sodass die Einspritzdüsenabschirmkappe in einem Abstand von dem Mischer (22) befestigt ist, und wobei die Strömungsleiteinrichtung (24) an der Einspritzdüsenabschirmkappe (28) so befestigt ist, dass die Strömungsleiteinrichtung (24) zwischen dem Mischer (22) und der Einspritzdüsenabschirmkappe (28) in einem vorbestimmten Abstand von dem Mischer (22) angeordnet ist.
Modul nach Anspruch 1, bei dem der Mischer (22), die Strömungsleiteinrichtung (24) und die Einspritzdüsenabschirmkappe (28) jeweils koaxial zur Verdampfungskammer angeordnet sind.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mischer (22), die Strömungsleiteinrichtung (24) und die Einspritzdüsenabschirmkappe (28) jeweils normal zu einer Längsachse der Verdampfungskammer angeordnet sind.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mehreren Abstandshalterarme (36) einstückig mit der Verdampfungskammer (16) hergestellt sind.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mehreren Abstandshalterarme (36) getrennt von der Verdampfungskammer hergestellt und an dem Ende der Verdampfungskammer (16) angebracht sind.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mehreren Abstandshalterarme (36) aus drei bis fünf Abstandshalterarmen bestehen.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mehreren Abstandshalterarme (36) gleichmäßig um einen Umfang der Verdampfungskammer (16) herum verteilt sind.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder der mehreren Abstandshalterarme (36) eine Breite von weniger als 5 %, vorzugsweise weniger als 2 %, eines Umfangs der Verdampfungskammer hat.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strömungsleiteinrichtung (24) an dem Mischer (22) befestigt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Moduls für ein Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren die Schritt umfasst: a) Bereitstellen (s703) einer ersten Einheit mit einer Verdampfungskammer (16), einem in der Verdampfungskammer an einem Ende der Verdampfungskammer angeordneten Mischer (22) und mehreren Abstandshalterarmen (36), wobei jeder der mehreren Abstandshalterarme an einem ersten Ende an dem Ende der Verdampfungskammer befestigt ist und sich von dem Ende der Verdampfungskammer bis zu einem zweiten Ende erstreckt, b) Bereitstellen (s705) einer zweiten Einheit mit einer Strömungsleiteinrichtung (24), die an einer Einspritzdüsenabschirmkappe (28) angebracht ist, und c) Befestigen (s707) der ersten Einheit an der zweiten Einheit durch Befestigen der Einspritzdüsenabschirmkappe (28) an den zweiten Enden der mehreren Abstandshalterarme (36), sodass die Strömungsleiteinrichtung (24) zwischen dem Mischer (22) und der Einspritzdüsenabschirmkappe (28) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Verdampfungskammer (16) und die mehreren Abstandshalterarme (36) einstückig hergestellt werden durch Schneiden eines Materialbogens solchermaßen, dass dann, wenn der Materialbogen zum Bilden einer Verdampfungskammer gerollt wird, die mehreren Abstandshalterarme an dem Ende der Verdampfungskammer vorhanden sind.
Abgasnachbehandlungssystem (4), wobei das Abgasnachbehandlungssystem ein Modul (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, eine Reduktionsmitteleinspritzdüse (30), die innerhalb der Einspritzdüsenabschirmkappe (28) angeordnet ist, und eine Abgasleitung (21) aufweist, die in Fluidverbindung mit dem Ende der Verdampfungskammer (16) steht.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 12, bei dem zumindest einer der mehreren Abstandshalterarme (36) in der Abgasleitung (21) so angeordnet ist, dass er im Betrieb einen aus der Abgasleitung (21) in die Verdampfungskammer (16) fließenden Abgasstrom bricht.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 13, ferner umfassend einen Partikelfilter (8) und/oder einen Dieseloxidationskatalysator (6).
Fahrzeug (1) mit einem Abgasnachbehandlungssystem (4) nach einem der Ansprüche 12 bis 14.