DE19963394A1 - Vorrichtung zur Aerosolbildung und Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Aerosolbildung, mit einem Einspritzventil (1), über welches Flüssigkeit in eine Mischkammer (3) einbringbar ist, ersten Luftzufuhrmitteln (2), mittels derer aus dem Einspritzventil austretende Flüssigkeit zur Bereitstellung eines Flüssigkeits-Luft-Gemisches mit Luft beaufschlagbar ist, einer Düse (4) zur Verdichtung und Beschleunigung des Flüssigkeits-Luft-Gemisches, wobei die Düse ausgangsseitig mit einer Abrißkante (11) ausgebildet ist, an welcher eine Aerosolbildung zur Bereitstellung eines Aerosolstrahls erfolgt, mit zweiten Luftzufuhrmitteln (5, 6, 7), mittels derer das entstehende Aerosol bzw. der Aerosolstrahl mit Luft beaufschlagbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aerosolbildung, insbesondere zur Verwendung im Rahmen einer Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines in die Abgase einzubringenden Reduktionsmittels, sowie eine entsprechende Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen.

Als Folge der in den letzten Jahren stets niedriger anzusetzenden Schadstoffgrenzwerte sind zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen in Brennkraftmaschinen entwickelt worden. Beispielsweise mittels Katalysatorsystemen, welche Harnstoff und/oder Ammoniak als Reduktionsmittel zur NO_X-Konvertierung verwenden, sind effiziente Abgasnachbehandlungssysteme zur Verfügung gestellt.

Um eine Verminderung von NO_X-Bestandteilen in Abgasen zu erzielen, wurden insbesondere für Dieselmotoren Reduktionskatalysatoren entwickelt. Üblicherweise werden hier sogenannte SCR-Katalysatoren (engl. selective catalytic reduction) mit Harnstoffdosiersystem und Speicherkatalysatoren unterschieden. Die sogenannten SCR- Katalysatoren werden mittels einer Harnstoff- und/oder Ammoniakreduktionsmittelzufuhr regeneriert, während die sogenannten Speicherkatalysatoren mit Kohlenwasserstoffen des mitgeführten Brennkraftmaschinen-Brennstoffs in sogenannten Abgasfettphasen regeneriert werden.

Aus der EP-A-0381236 ist ein System bekannt, welches zum Entfernen von Stickoxiden in Abgasen aus einem Dieselmotor Ammoniak als Reduktionsmittel zudosiert.

Aus der DE 42 30 056 A1 ist es bekannt, ein Aerosol auf der Grundlage eines Reduktionsmittels und dieses beaufschlagender Druckluft in einer Mischkammer zu erzeugen. Hierbei werden das Reduktionsmittel und die Luft über getrennte Leitungen der Mischkammer zugeführt.

An eine derartige Mischkammer schließt sich eine Aerosolleitung bzw. ein Sprührohr an, über welches das Aerosol einem Katalysator zudosiert wird. Für bestimmte Anwendungen als nachteilig bei herkömmlichen Sprührohren erweist sich, daß das durchströmende Aerosol zur Bildung von die Wandung des Sprührohres beaufschlagenden Wandfilmen neigt. Hierdurch entstehen relativ lange Transportzeiten bzw. schlechten Aerosolbildungswirkungsgraden durch die Aerosolleitung, so daß es bislang notwendig war, Aerosolleitungen möglichst kurz zu dimensionieren, wodurch die Gestaltungs- bzw. Anordnungsmöglichkeiten der Abgasnachbehandlungsvorrichtung insgesamt eingeschränkt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einem möglichst schnellen und wirkungsvollen Transport von Aerosol durch ein Sprührohr zu ermöglichen, wodurch ein genaueres und zeitgerechteres Dosieren des Aerosols sowie auch länger ausgebildete Sprührohre möglich ist bzw. sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Aerosolbildung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.

Erfindungsgemäß ist durch die zweifache Luftzuführung sowohl eine effektive Bildung eines Flüssigkeits-Luft- Gemisches als auch ein rascher und effektiver Aerosoltransport durch das Sprührohr bzw. die Aerosolleitung möglich. Dadurch wird ein größerer Abstand zwischen einer Mischkammer und dem Ort der Aerosoleinbringung in einem Katalysator ermöglicht. Der beschleunigte Aerosoltransport ermöglicht ein genaueres und zeitgerechteres Dosieren, als dies bei herkömmlichen System mit ausgeprägter Wandfilmbildung der Fall war. Die Totzeiten des Systems insgesamt werden verringert und das System weist ein dynamischeres Verhalten als herkömmliche Systeme auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erweist sich insbesondere bei der Aerosolbildung auf der Grundlage kristallbildender Flüssigkeiten als vorteilhaft einsetzbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aerosolbildung sind die zweiten Luftzufuhrmittel, durch welche das entstehende Aerosol mit Luft beaufschlagbar ist, derart ausgebildet, daß sie die Düse konzentrisch umgeben und eine radial gleichmäßige Beaufschlagung des entstehenden Aerosols bzw. des Aerosolstrahls mit Luft gewährleisten. Durch diese Maßnahme ist ein den Aerosolstrahl radial gleichmäßig umgebendes Luftpolster erzeugbar, welches einen besonders raschen und effektiven Transport des Aerosols durch die Aerosolleitung gewährleistet.

Vorteilhafterweise sind die ersten Luftzufuhrmittel derart ausgebildet, daß sie die aus dem Einlaßventil austretende Flüssigkeit im wesentlichen senkrecht und/oder parallel zu deren Austrittsrichtung beaufschlagen. Durch Variation dieser beiden Beaufschlagungsrichtungen ist eine Variation einer sich insgesamt ergebenden Beaufschlagungsrichtung bezüglich Stärke und Richtung möglich.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aerosolbildung beaufschlagen die zweiten Luftzufuhrmittel das aus der Düse austretende bzw. sich am Düsenausgang bildende Aerosol unter einem Winkel von 0° bis 90°, insbesondere 20° bis 60° oder 30° bis 45°. Hierdurch ist in besonders wirksamer Weise (Vermeidung von Turbulenzen) eine Umspülung bzw. Umströmung des Aerosols mit Luft erzielbar. Durch eine derartige, den Aerosolstrahl umschließenden Luftstrom, welcher wie bereits erwähnt als Luftpolster wirkt, kann das Aerosol unter Verzögerung einer Wandfilmbildung über weitere Strecken innerhalb einer Aerosolleitung transportiert werden.

Durch Ausbildung einer herkömmlichen Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines in die Abgase einzubringenden Reduktionsmittels, bei welcher in einem Reduktionsmittelspeicher gespeichertes Reduktionsmittel über eine Reduktionsmittelleitung, und in einem Druckluftspeicher enthaltene Druckluft über eine Druckluftleitung zur Erzeugung eines Reduktionsmittel-Luft- Gemisches einbringbar sind, wobei das Reduktionsmittel- Luft-Gemisch unter Aerosolbildung in einen Katalysator einführbar ist, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aerosolbildung sind die Gestaltungsmöglichkeiten einer derartigen Nachbehandlungsvorrichtung erweitert, da beispielsweise die Aerosolleitung zwischen Mischkammer und Katalysator wesentlich länger ausbildbar ist als dies bisher möglich war. Erfindungsgemäß sind Aersolleitungen bis zu einer Länge von etwa 1 m realisierbar.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aerosolbildung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aerosolbildung,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Abrißkantenbereiches der im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Düse,

Fig. 3 eine detailliertere seitliche Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aerosolbildung,

Fig. 4 einen Schnitt durch die Linie A-A der Fig. 3, und

Fig. 5 einen Schnitt durch die Linie B-B der Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein schematisch dargestelltes in einem Gehäuse 18 vorgesehenes Einspritzventil mit 1 bezeichnet. Mittels des Einspritzventils 1 wird Flüssigkeit über einen Mischraum 3 in eine Düse 4 eingebracht. Über eine erste Luftzufuhr 2 wird die aus dem Einspritzventil 1 austretende Flüssigkeit (mittels Pfeilen 1' dargestellt) mit Luft beaufschlagt. Die ersten Luftzufuhrmittel 2 sind hier als im wesentlichen senkrecht zur Austrittsrichtung der Flüssigkeit verlaufender Kanal ausgebildet. Mit den Luftzufuhrmitteln 2 in Wirkverbindung stehende Drucklufterzeugungsmittel sind nicht im einzelnen dargestellt. Zusätzlich zu der Luftzufuhr über die ersten Luftzufuhrmittel 2 ist es ebenfalls möglich, das Einspritzventil 1 axial mit Luft zu umspülen, wie dies mittels der Pfeile 20 veranschaulicht ist. Durch entsprechende Variation dieser axialen Luftzufuhr und der Luftzufuhr durch die ersten Luftzufuhrmittel 2 sind Änderungen des die austretende Flüssigkeit tatsächlich beaufschlagenden Luftstroms bezüglich Stärke und Richtung in einfacher Weise durchführbar.

Die Luftzufuhr über die Luftzufuhrmittel 2 umspült das Einspritzventil 1, und fängt eventuell am Ausgang des Einspritzventils 1 entstehende Flüssigkeitströpfchen ab, ohne diese zu trocknen, und nimmt den Flüssigkeitsstrahl mit. Das hierdurch entstehende Flüssigkeits-Luft-Gemisch wird über die Mischkammer 3 der Düse 4 zugeführt und in dieser verdichtet und beschleunigt.

Der so gebildete Strahl tritt aus der Düse 4 aus und reißt an einer Abrißkante 11 der Düse 4 ab, wodurch sich Aerosol bildet.

Über zweite Luftzufuhrmittel 5 wird das entstehende Aerosol mit Luft beaufschlagt. Die zweiten Luftzufuhrmittel 5 münden hierbei in einem die Düse 4 konzentrisch umgebenden, eine Kammer 6 bildenden Bauteil. Die Kammer 6 ihrerseits mündet in einem Ringspalt 7, über welchen die zugeführte Luft auf das Aerosol gegeben wird. Der hierdurch entstehende ringförmige Luftstrom umschließt bzw. umströmt den Aerosolstrahl und führt ihn in eine Aerosolleitung 8. Durch die luftpolsterartige Umschließung des Aerosolstrahls mit Luft wird eine Filmbildung an der Wandung der Aerosolleitung 8 verzögert bzw. verhindert. Der derart luftumschlossene Aerosolstrahl kann in der Aerosolleitung 8 daher gegenüber herkömmlichen Leitungen weiter transportiert werden.

In Fig. 2 sind Variationsmöglichkeiten des Abrißkantenbereiches der Düse 4 dargestellt. Man erkennt, daß der Strömungsquerschnitt des Flüssigkeit-Luft-Gemisches der Düse 4 gemäß der Ausführungsform der Fig. 2 im wesentlichen gleichförmig ausgebildet ist, während er sich gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 kontinuierlich verjüngt. Ferner verjüngt sich durch entsprechende Ausbildung der Außenwandung der Düse 4 und der Wandung der Kammer 6 der Ringspalt 7, während er bei der Ausführungsform der Fig. 1 ohne Verjüngung ausgebildet ist. Man erkennt in Fig. 2 ferner, daß die Abrißkante 11 im wesentlichen auf der Höhe einer Knickstelle 8a einer konischen Erweiterung der Aerosolleitung 8 ausgebildet ist, während die Abrißkante 11 gemäß Fig. 1 weiter in diesen konischen Bereich hinein versetzt ausgebildet ist.

In Fig. 3 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aerosolbildung mit weiteren Details dargestellt. Man erkennt, daß das Einspritzventil 1, der Mischraum 3, die Düse 4 und die Aerosolleitung 8 innerhalb eines Gehäusebauteils 18 angeordnet sind. Das Einspritzventil 1 ist unter anderem mittels eines O-Ringes 15 in dem Gehäuse 18 festgelegt bzw. in der Mischkammer 3 zentriert. Das Gehäuse 18 ist seinerseits unter Verwendung von Dichtungsringen 16, 17 und weiteren Bauteilen 18a, 18b, 18c an einem Rahmen 19 fixiert. Bei dieser Ausführungsform ist, entsprechend der Ausführungsform der Fig. 1, der Ringspalt 7 im wesentlichen ohne Verjüngung ausgebildet, da die entsprechenden, einander gegenüberliegenden Wandungen des Gehäuses 18 und der Düse 4 in diesem Bereich im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Bohrung 4a der Düse 4 ist in ihren unteren Bereich, d. h. im Bereich der Abrißkante 11, ebenfalls ohne Verjüngung ausgebildet. Die als Drossel wirkende Bohrung 4a dient zur Umwandlung des Druckes des Flüssigkeits-Luft-Gemisches, welches durch Beaufschlagung der aus dem Einspritzventil 1 austretenden Flüssigkeit mit Luft über die Luftzufuhrmittel 2 zur Verfügung gestellt wird, in eine entsprechend erhöhte Geschwindigkeit. Die dargestellte Ausbildung des Ringspaltes 7 und/oder der Düsenbohrung 4a ermöglicht beim Ausströmen des Flüssigkeits-Luft-Gemisches den sogenannten "Wasserstrahlpumpeneffekt", dies aufgrund der am Ende der Düsenbohrung bzw. des Ringspaltes auftretenden scharfen Kanten, welche zu einem Aufplatzen des Luftstrahls führen.

In den Fig. 4 und 5 sind schließlich Schnittdarstellungen der Vorrichtung der Fig. 4 entlang den Schnittlinien A-A bzw. B-B dargestellt. In Fig. 4 erkennt man das Gehäuse 18, die Mischkammer 3 sowie die Luftzufuhrmittel 2. Es wird deutlich, daß ein die Luftzufuhrmittel 2 bildender Kanal im wesentlichen tangential in dem Mischraum 3 mündet. Durch diese Maßnahme ist insgesamt eine gleichmäßige Beaufschlagung der aus dem Einspritzventil austretenden Flüssigkeit mit Luft gewährleistet.

Der Fig. 5 ist zu entnehmen, daß auch die Luftzufuhr über die zweiten Luftzufuhrmittel 5 im wesentlichen tangential in die die Düse 4 umgebende Kammer 6 erfolgt, so daß auch hier eine gleichmäßige Beaufschlagung des Ringspaltes mit Luft erzielbar ist.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Aerosolbildung, mit einem Einspritzventil (1), über welches Flüssigkeit in eine Mischkammer (3) einbringbar ist, ersten Luftzufuhrmitteln (2), mittels derer aus dem Einspritzventil austretende Flüssigkeit zur Bereitstellung eines Flüssigkeits-Luft- Gemisches mit Luft beaufschlagbar ist, einer Düse (4) zur Verdichtung und Beschleunigung des Flüssigkeits-Luft- Gemisches, wobei die Düse ausgangsseitig mit einer Abrißkante (11) ausgebildet ist, an welcher eine Aerosolbildung zur Bereitstellung eines Aerosolstrahls erfolgt, gekennzeichnet durch zweite Luftzufuhrmittel (5, 6, 7), mittels derer das entstehende Aerosol bzw. der Aerosolstrahl mit Luft beaufschlagbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Luftzufuhrmittel (5, 6, 7) derart ausgebildet sind, daß sie die Düse (4) wenigstens teilweise konzentrisch umgeben und eine radial gleichmäßige Beaufschlagung des entstehenden Aerosols bzw. des Aerosolstrahls mit Luft gewährleisten.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Luftzufuhrmittel die aus dem Einspritzventil 1 austretende Flüssigkeit im wesentlichen senkrecht und/oder parallel zu deren Austrittsrichtung beaufschlagen.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Luftzufuhrmittel (5, 6, 7) das aus der Düse (4) austretende bzw. sich bildende Aerosol unter einem Winkel von 0° bis 90°, insbesondere 20° bis 60° oder 30° bis 45°, beaufschlagen.

5. Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines in die Abgase einzubringenden Reduktionsmittels, insbesondere eines Harnstoffs bzw. einer Harnstoff-Wasser-Lösung, welches einem Katalysator zugeführt wird, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Bildung eines Aerosols auf der Grundlage des eingebrachten Reduktionsmittels.