EP1191995A1 - Vorrichtung zur beaufschlagung eines strömenden gases mit einem reaktionsmittel - Google Patents

Vorrichtung zur beaufschlagung eines strömenden gases mit einem reaktionsmittel

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EP1191995A1
EP1191995A1 EP00963988A EP00963988A EP1191995A1 EP 1191995 A1 EP1191995 A1 EP 1191995A1 EP 00963988 A EP00963988 A EP 00963988A EP 00963988 A EP00963988 A EP 00963988A EP 1191995 A1 EP1191995 A1 EP 1191995A1
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flowing gas
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reactant
throttle
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Robert Bosch GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a device for acting on a flowing gas, in particular an exhaust gas, with a reaction agent, in particular a reducing agent, according to the preamble of patent claim 1.
  • Exhaust gas is metered in.
  • the reducing agent is in an injection valve Pre-mixing chamber injected, which opens into the exhaust pipe leading to the reduction catalytic converter.
  • the premixing chamber forms a reducing agent line opening into the exhaust pipe.
  • a device for the aftertreatment of exhaust gases from an internal combustion engine in which to promote the operation of a downstream reduction catalytic converter, fuel is metered in as a reducing agent via a metering valve and introduced into the exhaust valve via an evaporation device.
  • the evaporator is one with one
  • Metal sleeve provided with a glow plug with a front opening through which evaporated reducing agent is introduced into the exhaust gas stream.
  • the evaporation of the reducing agent is supported thermally, but this solution is technically complex and requires a high energy requirement for heating and evaporation of the reducing agent.
  • reaction or reducing agents By means of the device according to the invention, it is possible to apply reaction or reducing agents to a flowing gas, in particular an exhaust gas, more uniformly than conventional solutions.
  • the more uniform distribution of the reaction or reducing agent guaranteed according to the invention enables, for example in the case of catalyst systems, even when relatively small amounts of reducing agent are introduced into a catalytic exhaust gas to be treated, substantially better conversion rates than conventional systems.
  • the means for uniform distribution of the reactant are designed as an orifice or throttle introduced into the tube.
  • an orifice or throttle is available very inexpensively and can be introduced in a simple manner at a desired point on the feed or metering tube of the reactant.
  • the feed pipe has a first region which extends essentially perpendicular to the direction of flow of the flowing gas and a second region which extends essentially parallel to the direction of flow of the flowing gas, the openings , via which the reactant can be introduced into the flowing gas from the feed pipe, are formed in a section of the pipe wall of the second region, and the means for uniformly distributing the reactant are provided immediately upstream of this section.
  • a shaped feed tube proves to be easily attachable to an exhaust pipe through which an exhaust gas flows.
  • the reducing agent is added, for example, in the case of an exhaust system
  • Feed pipe transition between the first and second area of the feed pipe
  • an uneven wall film degradation of the reducing agent Conventionally, the reducing agent only emerged from part of the openings at the end of the feed pipe, as a result of which it was no longer possible to ensure a good uniform distribution in the entire operating range of the system.
  • this uneven wall film degradation is compensated by the fact that, for example when using an orifice or throttle, the reducing agent is concentrated again in the center of the spray tube, and then caused by the compressed air mentioned can be introduced evenly as an aerosol into the exhaust gas stream through the outlet holes ,
  • Figure 1 is a schematic side sectional view of a preferred embodiment of the invention
  • Figure 2 is an enlarged view of area X of Figure 1.
  • FIG. 1 the wall of an exhaust pipe section 10 is shown, in which exhaust gases from an internal combustion engine are led to a reduction catalyst.
  • the direction of flow of the exhaust gases is indicated by the arrows p.
  • a feed pipe 1 opens into the exhaust pipe section 10, via which reducing agent can be introduced into the exhaust pipe section from a (not shown) reducing agent store.
  • reducing agent can be introduced into the exhaust pipe section from a (not shown) reducing agent store.
  • hydrocarbons for example diesel fuels or the like
  • urea-water solutions are suitable as reducing agents, for example via an injection nozzle, a carburetor device or others
  • Dosing devices can be introduced into the supply line.
  • the feed line 1 has a first region la within the exhaust pipe, which extends essentially perpendicular to the flow direction of the exhaust gas, a second region lb which extends essentially parallel to the flow direction of the gas and the regions la, lb connecting bending area lc.
  • the area lb of the feed pipe is expediently arranged centrally with respect to the exhaust pipe and extends in a direction which corresponds at least approximately to the exhaust gas flow in the exhaust pipe.
  • a section designated X is formed, which is shown enlarged in FIG.
  • the feed pipe 1 has a plurality of openings 2 formed around the circumference of the wall of the pipe section 1b, from which reducing agents can pass from the feed pipe 1 into the exhaust pipe.
  • a throttle 3 is arranged, which has a central throttle opening 3a. The function of this throttle 3 in operative connection with the openings 2 is explained below.
  • the feed pipe 1 is fastened, for example, to the wall 10 of the exhaust pipe by means of a screw connection 11.
  • the throttle 3 serves to concentrate the wall film in the middle of the spray tube, as a result of which the effect of broken wall films can be compensated for.
  • the reducing agent concentrated in the middle of the tube 1 by means of the throttle 3 is pressed through the central opening 3a of the throttle by means of the compressed air mentioned, which leads to a uniform application of the reducing agent to the openings 2.
  • the use of the throttle 3 greatly improves the quality of the aerosol formation compared to conventional solutions, so that the overall efficiency of the system, ie the NO x reduction compared to conventional solutions, can be improved.
  • the system can be aligned to different requirements or motors by means of parameters with regard to arrangement, size and number of openings 2 and with regard to the dimensions of central opening 3a of throttle 3.

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Abstract

Vorrichtung zur Beaufschlagung eines strömenden Gases, insbesondere eines Abgases, mit einem Reaktionsmittel, insbesondere einem Reduktionsmittel, wobei die Vorrichtung ein in seiner Wandung mit Öffnungen (2) ausgebildetes Zufuhrrohr aufweist, über welche in das Zufuhrrohr eingebrachtes Reaktionsmittel in das strömende Gas einbringbar ist, gekennzeichnet durch eine stromaufwärtig der Öffnungen (2) in dem Zufuhrrohr (1) angeordnete Drossel.

Description

Vorrichtung zur Beaufschlaguncr eines strömenden Gases mit einem Reaktionsmittel
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beaufschlagung eines strömenden Gases, insbesondere eines Abgases, mit einem Reaktionsmittel, insbesondere einem Reduktionsmittel, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Verminderung der Schadstoffwerte von Kraftfahrzeugen existieren umfangreiche Entwicklungen in der Katalysatortechnik, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden in den Abgasen. Als besonders erfolgversprechend haben sich hierbei Reduktionskatalysatoren erwiesen .
Als Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen ist beispielsweise aus der EP-A-0 381 236 ein System bekannt, bei dem als Reduktionsmittel Ammoniak oder Harnstoff dem
Abgas zudosiert wird. Bei diesem bekannten System wird über ein Einspritzventil das Reduktionsmittel in einer Vormischkammer eingespritzt, die in dem zu dem Reduktionskatalysator führenden Abgasrohr mündet. Bei einer derartigen Vorrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels in einen Abgasrohrabschnitt einer Brennkraftmaschine, der zu einem Reduktionskatalysator führt, bildet die Vormischkammer eine in dem Abgasrohr mündende Reduktionsmittelleitung .
Obwohl ein Teil des Reduktionsmittels in der Mischkammer bzw. Mischstrecke zerstäubt wird, bildet sich ein Wandfilm aus. Bei Verwendung des dort dargestellten Zerstäuberrohres kommt es im Bereich von Umlenkungen - insbesondere bei kleinen Reduktionsmittelmengen - zu einem ungleichmäßigen Wandfilmabbau. Dieser ist dadurch bedingt, daß sich im Innen- bzw. Außenbereich der Rohrbiegung unterschiedliche
Strömungsgeschwindigkeiten der Luft, des Abgases oder eines anderen Trägerstoffes, der zum Transport des Reduktionsmittels eingesetzt wird, ausbilden. Eine gute Gleichverteilung des Reduktionsmittels im gesamten Betriebsbereich des Systems ist dadurch nicht gewährleistet. Schlechtere Umsastzraten am Katalysator sind dann die Folge .
Aus der DE-A-1 196 25 447 ist eine Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der zur Förderung der Wirkungsweise eines nachgeschalteten Reduktionskatalysators Kraftstoff als Reduktionsmittel über ein Dosierventil zugemessen und über eine Verdampfungseinrichtung in das Abgasventil eingebracht wird. Die Verdampfungseinrichtung ist eine mit einem
Glühstift versehene Metallhülse mit einer stirnseitigen Durchtrittsöffnung, über die verdampftes Reduktionsmittel in den Abgasstrom eingeführt wird. Bei diesem System wird zwar thermisch die Verdampfung des Reduktionsmittels unterstützt, jedoch ist diese Lösung technisch aufwendig und erfordert einen hohen Energiebedarf zur Erwärmung und Verdampfung des Reduktionsmittels.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Beaufschlagung eines strömenden Gases, insbesondere eines Abgases, mit einem Reaktionsmittel, insbesondere einem Reduktionsmittel, zur Verfügung zu stellen, mit welcher eine gute Aerosolbildung in einem möglichst großen Kennfeldbereich auftritt, so daß der Gesamtwirkungsgrad des Reaktionssystems, insbesondere eines Katalysatorsystems erhöht wird, und daß beispielsweise geringere NOx- Emissionen erzielbar sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patenanspruchs 1.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine gegenüber herkömmlichen Lösungen gleichmäßigere Beaufschlagung eines strömenden Gases, insbesondere eines Abgases, mit Reaktions- bzw. Reduktionsmitteln möglich. Die erfindungsgemäß gewährleistete gleichmäßigere Reaktions- bzw. Reduktionsmittelverteilung ermöglicht beispielsweise bei Katalysatorsystemen bereits bei Einbringung relativ kleiner Reduktionsmittelmengen in ein katalytisch nachzubehandelndes Abgas gegenüber herkömmlichen Systemen wesentlich bessere Umsatzraten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Mittel zur gleichmäßigen Verteilung des Reaktionsmittels als in das Rohr eingebrachte Blende bzw. Drossel ausgebildet. Eine derartige Blende bzw. Drossel ist sehr preiswert verfügbar und in einfacher Weise an einer gewünschten Stelle des Zufuhr- bzw. Dosierrohres des Reaktionsmittels einbringbar.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Zufuhrrohr einen ersten Bereich, welcher sich im wesentlichen senkrecht zu der Strδmungsrichtung des strömenden Gases erstreckt, und einen zweiten Bereich, welcher sich im wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung des strömenden Gases erstreckt, auf, wobei die Öffnungen, über welche das Reaktionsmittel aus dem Zufuhrrohr in das strömende Gas einbringbar ist, in einem Abschnitt der Rohrwandung des zweiten Bereiches ausgebildet sind, und die Mittel zur gleichmäßigen Verteilung des Reaktionsmittels unmittelbar stromaufwärtig von diesem Abschnitt vorgesehen sind. Ein derartig geformtes Zufuhrrohr erweist sich als in einfacher Weise in eine Abgasleitung, durch welche ein Abgas strömt, anbringbar. Die Zugabe des Reduktionsmittels beispielsweise bei einem Abgassystem erfolgt beispielsweise bei
Nutzfahrzeugen mit Druckluftunterstützung, d.h. das zuzuführende Reduktionsmittel wird über Druckluft durch das Zufuhrrohr transportiert. Insbesondere bei kleinen Reduktionsmittelmengen kommt es durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten an der Umlenkstelle des
Zufuhrrohres (Übergang zwischen erstem und zweitem Bereich des Zufuhrrohres) zu einem ungleichmäßigen Wandfilmabbau des Reduktionsmittels. Herkömmlicherweise kam es dazu, daß das Reduktionsmittel nur aus einem Teil der Öffnungen am Ende des Zufuhrrohres austrat, wodurch eine gute Gleichverteilung im gesamten Betriebsbereich des Systems nicht mehr gewährleistet war. Erfindungsgemäß wird nun dieser ungleichmäßige Wandfilmabbau dadurch kompensiert, daß, beispielsweise bei Verwendung einer Blende bzw. Drossel, das Reduktionsmittel wieder in der Mitte des Sprührohres konzentriert wird, und dann verursacht durch die erwähnte Druckluft durch die Austrittsbohrungen gleichmäßig als Aerosol in den Abgasstrom eingebracht werden kann.
Zweckmäßigerweise sind mehrere, gleichmäßig um den Rohrumfang vorgesehene Öffnungen vorgesehen. Durch
Zusammenwirken der Mittel zur gleichmäßigen Verteilung des Reaktionsmittels mit derart gleichmäßig angeordneten Öffnungen ist eine besonders gleichmäßige Beaufschlagung eines strömenden Gases mit Reaktionsmitteln erzielbar.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt
Figur 1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, und
Figur 2 eine vergrößerte Ansicht des Bereiches X der Figur 1.
In Figur 1 ist die Wandung eines Abgasrohrabschnitts 10 dargestellt, in welchem Abgase von einer Brennkraftmaschine zu einem Reduktionskatalysator geführt sind. Die Strömungsrichtung der Abgase ist mittels der Pfeile p angedeutet. In den Abgasrohrabschnitt 10 mündet ein Zufuhrrohr 1, über welches Reduktionsmittel aus einem (nicht dargestellten) Reduktionsmittelspeicher in den Abgasrohrabschnitt einbringbar ist. Als Reduktionsmittel kommen neben Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Dieselbrennstoffen o.a., insbesondere Harnstoff-Wasser- Lösungen in Betracht, die beispielsweise über eine Einspritzdüse, eine Vergasereinrichtung oder andere
Dosiereinrichtungen in die Zufuhrleitung eingebracht werden können .
In an sich üblicher Weise weist die Zufuhrleitung 1 innerhalb des Abgasrohres einen ersten Bereich la, welcher sich im wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung des Abgases erstreckt, einen zweiten Bereich lb, welcher sich im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Gases erstreckt und einen die Bereiche la, lb verbindenden Biegungsbereich lc auf. Der Bereich lb des Zufuhrrohres ist zweckmäßigerweise mittig bezüglich des Abgasrohres angeordnet und erstreckt sich in eine Richtung, die zumindest annähernd der Abgasströmung in dem Abgasrohr entspricht .
Am stromabwärtigen Ende des Zufuhrrohres 1 ist ein mit X bezeichneter Abschnitt ausgebildet, welcher in Figur 2 vergrößert dargestellt ist. In diesem Bereich X weist das Zufuhrrohr 1 mehrere um den Umfang der Wandung des Rohrabschnitts lb ausgebildete Öffnungen 2 auf, aus welchen Reduktionsmittel aus dem Zufuhrrohr 1 in das Abgasrohr übertreten kann. Vor diesen Öffnungen 2, in stromab ärtiger Richtung, ist eine Drossel 3 angeordnet, welche eine mittige Drosselöffnung 3a aufweist. Die Funktion dieser Drossel 3 in Wirkverbindung mit den Öffnungen 2 wird weiter unten erläutert .
Das Zufuhrrohr 1 ist beispielsweise mittels einer Verschraubung 11 an der Wandung 10 des Abgasrohres befestigt .
Bei Verwendung des dargestellten Zerstäuberrohres kommt es im Bereich der Umlenkung - insbesondere bei kleinen Reduktionsmittelmengen - zu einem ungleichmäßigen Wandfilmabbau. Dieser ist dadurch bedingt, daß sich im Innen- bzw. Außenbereich der Rohrbiegung unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten der Luft, des Abgases oder eines anderen Trägerstoffes, der zum Transport des Reduktionsmittels eingesetzt wird, ausbilden. Eine gute Gleichverteilung des Reduktionsmittels im gesamten Betriebsbereich des Systems ist dadurch nicht gewährleistet. Schlechtere Umsastzraten am Katalysator sind dann die Folge .
Die Drossel 3 dient zur Konzentration des Wandfilms in der Mitte des Sprührohres, wodurch der Effekt abgebrochener Wandfilme kompensiert werden kann. Das mittels der Drossel 3 in der Mitte des Rohres 1 konzentrierte Reduktionsmittel wird durch die zentrale Öffnung 3a der Drossel mittels der erwähnten Druckluft durchgepreßt, was zu einer gleichförmigen Beaufschlagung der Öffnungen 2 mit Reduktionsmittel führt. Zusammenfassen läßt sich feststellen, daß durch Verwendung der Drossel 3 die Qualität der Aerosolbildung gegenüber herkömmlichen Lösungen stark verbessert wird, so daß der Gesamtwirkungsgrad des Systems, d.h. die NOx-Reduktion gegenüber herkömmlichen Lösungen verbessert werden kann. Das System kann mittels Parametern bezüglich Anordnung, Größe und Anzahl der Öffnungen 2 und bezüglich der Ausmaße der mittigen Öffnung 3a der Drossel 3 auf unterschiedliche Anforderungen bzw. Motoren ausgerichtet werden.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Beaufschlagung eines strömenden Gases, insbesondere eines Abgases, mit einem Reaktionsmittel, insbesondere einem Reduktionsmittel, wobei die Vorrichtung ein in seiner Wandung mit Öffnungen (2) ausgebildetes Zufuhrrohr aufweist, über welche in das Zufuhrrohr eingebrachtes Reaktionsmittel in das strömende Gas einbringbar ist, gekennzeichnet durch eine stromauf ärtig der Öffnungen (2) in dem Zufuhrrohr (1) angeordnete Drossel .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) einen ersten Bereich (la) , welcher sich im wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung des strömenden Gases, und einen zweiten Bereich (lb) , welcher sich im wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung des strömenden Gases erstreckt, aufweist, wobei die Öffnungen (2) in einem Abschnitt X des zweiten Bereiches (lb) ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere um den Umfang des Zufuhrrohres (1) gleichmäßig verteilte Öffnungen (2) ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (3) eine bezüglich des Rohres (1) mittige Drosselöffnung (3a) auweist.
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