Vorrichtung zur Gemischaufbereitung, Abgasnachbehandlungssystem

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gemischaufbereitung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Abgasnachbehandlungssystem mit einer Vorrichtung zur Gemischaufbereitung, insbesondere zur Verdampfung und Vermischung eines Reduktionsmittels mit Abgas.

Stand der Technik

Zur Reduzierung der Stickoxid- Emissionen werden Abgase von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, einer Abgasnachbehandlung unterzogen. Hierbei werden SCR-Katalysatoren eingesetzt (SCR = Selective Ca- talytic Reduction), in denen Stickoxidmoleküle unter Zuhilfenahme von Ammoniak (NH3), das als Reduktionsmittel dient, zu elementarem Stickstoff reduziert werden. Zur Bereitstellung des Reduktionsmittels wird eine Harnstoff-Wasser- Lösung (HWL) mittels einer Einspritzeinrichtung vor dem SCR- Katalysator in den Abgasstrom eingebracht.

Um eine ausreichende Vermischung der Harnstoff- Wasser- Lösung mit dem Abgas zu erzielen, werden üblicherweise statische Mischer eingesetzt. Die Flüssigkeitsstrahlen der Harnstoff- Wasser- Lösung werden direkt auf den statischen Mischer ausgerichtet, so dass es bei Kontakt der Tropfen mit dem Mischer zum Aufbruch der Tropfen in kleinere Tropfen kommt. Kleinere Tropfen besitzen den Vorteil, dass die Harnstoff- Wasser- Lösung schneller verdampft und sich mit dem Abgas vermischt

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 208 743 AI geht beispielhaft ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Abgasrohr und einer dem Abgasrohr zu- geordneten Einspritzeinrichtung für ein Abgasnachbehandlungsmittel hervor. Stromabwärts der Einspritzeinrichtung ist eine Einrichtung vorgesehen, die dazu dient, das Abgasnachbehandlungsmittel mit dem Abgas zu vermischen, um eine optimale Gemischaufbereitung stromaufwärts eines Katalysators zu erzielen. Die Einrichtung umfasst hierzu eine Mischvorrichtung mit mehreren flügelartigen Luftleitelementen, die statisch sind und sich von radial außen nach radial innen eines Mischrohrs erstrecken. Über die Luftleitelemente wird der Abgasstrom in eine Drallbewegung versetzt, welche die Vermischung mit dem Abgasnachbehandlungsmittel im Mischrohr fördert.

Bekannte Vorrichtungen zur Gemischaufbereitung in einem Abgasnachbehandlungssystem weisen üblicherweise ein Mischrohr mit einer Länge zwischen 400 mm und 1000 mm auf. Mit der Länge des Mischrohrs steigt auch der Grad der Vermischung. Der zur Verfügung stehende Bauraum ist jedoch in der Regel begrenzt, so dass keine optimale Vermischung erreicht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Gemischaufbereitung für ein Abgasnachbehandlungssystem anzugeben, die besonders kompakt bauend ist und zugleich eine optimale Vermischung ermöglicht, um die Effizienz der Abgasreinigung zu steigern.

Zur Lösung der Aufgabe werden die Vorrichtung zur Gemischaufbereitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Die zur Gemischaufbereitung vorgeschlagene Vorrichtung umfasst eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen eines flüssigen Reduktionsmittels in einen Abgasstrom sowie ein den Abgasstrom führendes Mischrohr mit statischen Strömungsleitelementen zum Verdampfen und Vermischen des Reduktionsmittels mit dem Abgas. Erfindungsgemäß mündet das Mischrohr in Strömungsrichtung des Abgases in eine zylinderförmige Wirbelkammer, wobei das Mischrohr zumindest im Bereich der Mündung im Wesentlichen tangential in Bezug auf den Querschnitt der Wirbelkammer ausgerichtet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung schließt demnach in Strömungsrichtung des Abgases eine Wirbelkammer an das Mischrohr an. Die Wirbelkammer verlängert die Mischstrecke, da das Gasgemisch in der Wirbelkammer eine weitere Vermischung erfährt. Entsprechend wird die Vermischung und damit die Gemischaufbereitung optimiert, die zu einer effizienten Abgasreinigung in einem nachgeschalteten SCR-Katalysator führt.

Die weitere Vermischung in der Wirbelkammer beruht auf einer zusätzlichen Verwirbelung des Gasgemisches, die durch weitere Misch- und/oder Strömungsleitelemente in der Wirbelkammer, der Geometrie der Wirbelkammer und/oder auf den im Wesentlichen tangentialen Anschluss des Mischrohrs an die Wirbel- kammer zurückzuführen ist.

Im Wesentlichen tangential bedeutet im Sinne der Anmeldung, dass der in die Wirbelkammer mündende Rohrabschnitt des Mischrohrs radial exzentrisch bzw. parallel versetzt zu einer Radialen in Bezug auf den Querschnitt der Wirbelkam- mer angeordnet ist.

Über die im Wesentlichen tangentiale Ausrichtung des Mischrohrs in Bezug auf die Wirbelkammer wird der Gemischstrom beim Einströmen in die Wirbelkammer in einen Drall versetzt, wodurch sich der Grad der Vermischung weiter erhöht. Stromaufwärts der Wirbelkammer werden vorzugsweise die statischen Strömungsleitelemente dazu genutzt, den Gemischstrom in einen Drall zu versetzen, so dass bereits im Mischrohr ein die Vermischung fördernder Drehimpuls erzeugt wird. Das heißt, dass bevorzugt eine erste Verwirbelung des Gasgemisches im Mischrohr und eine weitere Verwirbelung in der Wirbelkammer erfolgt, wodurch die Gemischaufbereitung weiter optimiert wird.

Um den Bauraumbedarf der Vorrichtung zu senken, wird vorgeschlagen, dass das Mischrohr einen gebogenen Rohrabschnitt und einen gerade verlaufenden Rohrabschnitt aufweist, wobei der gerade verlaufende Rohrabschnitt eine Längsachse A besitzt, die gegenüber einer Längsachse B der Wirbelkammer in einem Winkel α < 90° angestellt ist. Das heißt, dass sich die Längsachsen des Mischrohrs und der Wirbelkammer in einem Winkel α < 90° schneiden. Auf diese Weise kann eine kompakte Anordnung bei zugleich verlängerter Mischstrecke erreicht werden. Um den Bauraumbedarf weiter zu senken, kann auch ein Winkel α < 60°, vorzugsweise ein Winkel α = 45° gewählt werden.

Des Weiteren bevorzugt weist das Mischrohr einen gebogenen Rohrabschnitt zur Verbindung mit einem Abgasrohr auf. Das Abgas strömt in diesem Fall über den gebogenen Rohrabschnitt in das Mischrohr ein, so dass die im Mischrohr vorge- sehenen statischen Strömungsleitelemente optimal angeströmt werden. Das Abgasrohr besitzt eine Längsachse C, die vorzugsweise gegenüber der Längsachse A des gerade verlaufenden Rohrabschnitts des Mischrohrs in einem Winkel ß angestellt ist, der ebenfalls kleiner 90° ist. Vorzugsweise wird ein Winkel ß < 60°, weiterhin vorzugsweise ein Winkel ß = 45° gewählt. Auf diese Weise kann der Bauraumbedarf der Vorrichtung weiter reduziert werden.

Bevorzugt ist die Einspritzeinrichtung zum Einspritzen des Reduktionsmittels an dem der Wirbelkammer gegenüberliegenden Ende des Mischrohrs angeordnet. Beispielsweise im Bereich des gebogenen Rohrabschnitts, welcher der Verbin- dung des Mischrohrs mit dem Abgasrohr dient. Dadurch ist eine erste Vermischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas stromaufwärts der statischen Strömungsleitelemente sichergestellt. Weiterhin bevorzugt ist die Einspritzeinrichtung koaxial zur Längsachse A des gerade verlaufenden Rohrabschnitts des Mischrohrs ausgerichtet, um zu gewährleisten, dass die Tropfen des Redukti- onsmittels auf die statischen Strömungsleitelemente treffen. Denn beim Auftreffen werden die Tropfen in kleinere Tropfen aufgebrochen, so dass das Reduktionsmittel schneller verdampft.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die statischen Strömungsleitelemente des Mischrohrs flügelartig ausgestaltet sind. Das heißt, dass sie flächig ausgebildet sind, um eine ausreichend große Trefffläche für die Tropfen auszubilden. Die flügelartigen statischen Strömungsleitelemente sind vorzugsweise gegenüber einer Radialebene angestellt, um den hindurch strömenden Abgasstrom in einen Drall zu versetzen, wobei der Abgasstrom die Tropfen mitreißt. Vorzugsweise ragen die flügelartigen statischen Strömungsleitelemente von radial außen nach radial innen in das Mischrohr hinein, wobei sie radial außen an der Innenumfangseite des Mischrohrs oder eines hierin eingesetzten Rohrstücks befestigt sein können.

Das darüber hinaus vorgeschlagene Abgasnachbehandlungssystem weist einen S CR- Katalysator und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gemischaufbereitung auf. Die Vorrichtung zur Gemischaufbereitung ist dabei dem SCR- Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases vorgeschaltet, so dass im SCR- Katalysator eine verbesserte Abgasreinigung aufgrund der guten Gemischaufbereitung erzielt wird. Auf diese Weise kann die Effizienz des Abgasnachbehandlungssystems gesteigert werden.

Vorteilhafterweise ist der Vorrichtung zur Gemischaufbereitung selbst ein Oxidations- katalysator und/oder ein Partikelfilter in Strömungsrichtung des Abgases vorgeschaltet, so dass die Abgasreinigung weiter optimiert wird. Insbesondere kann durch einen vorgeschalteten Partikelfilter die Feinstaubbelastung gesenkt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abgasnachbehandlungssystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gemischaufbereitung,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung zur Gemischaufbereitung des Abgasnachbehandlungssystems der Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung zur Gemischaufbereitung des Abgasnachbehandlungssystems der Fig. 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in der Fig. 1 dargestellte Abgasnachbehandlungssystem zur Nachbehandlung des Abgases einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine umfasst einen S CR- Katalysator 7, der die Stickoxid- Emissionen der Brennkraftmaschine senken soll. Dem Abgas wird hierzu vorab ein Reduktionsmittel 3 zugeführt, wo- bei es sich bei dem Reduktionsmittel 3 insbesondere um eine wässrige Harn- Stofflösung handeln kann. Das flüssige Reduktionsmittel 3 wird mittels einer Einspritzeinrichtung 2 als Spray, das heißt in Tropfenform, eingebracht, damit eine Verdampfung und Vermischung des Reduktionsmittels 3 mit dem Abgas herbeigeführt wird. Um die Vermischung zu optimieren, ist dem S CR- Katalysator 7 eine Vorrichtung 1 zur Gemischaufbereitung vorgeschaltet.

Die Vorrichtung 1 zur Gemischaufbereitung umfasst neben der Einspritzeinrichtung 2 ein Mischrohr 4 und eine Wirbelkammer 5. Über die Wirbelkammer 5 ist die Vorrichtung 1 mit dem S CR- Katalysator 7 verbunden. Über das Mischrohr 4 ist eine Verbindung mit einem Abgasrohr 6 hergestellt, über welche das Abgas in die Vorrichtung 1 gelangt. Im Übergangsbereich vom Abgasrohr 6 in das Mischrohr 4 ist die Einspritzeinrichtung 2 angeordnet, und zwar in der Weise, dass das Spray in axialer Richtung in das Mischrohr 4 eingebracht wird. Das mittels der Einspritzeinrichtung 2 eingebrachte Reduktionsmittel 3 trifft im

Mischrohr 4 auf statische Strömungsleitelemente 10, die ein Aufbrechen der Tropfen bewirken. Auf diese Weise wird eine schnellere Verdampfung des Reduktionsmittels im Mischrohr 4 erreicht. Ferner wird über die statischen Strömungsleitelemente 10 das hindurchströmende Abgas in einen Drall versetzt, wo- bei der Drehimpuls des Abgasstroms das Reduktionsmittel 3 mitreißt und eine gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels 3 im Abgas bewirkt. Dies führt zu einem Gemischstromwirbel 11 im Mischrohr 4.

Wie insbesondere der Fig. 3 zu entnehmen ist, ist das Mischrohr 4 im Wesentli- chen tangential in Bezug auf die Wirbelkammer 5 ausgerichtet, so dass die Ver- wirbelung des Gemischstroms in der Wirbelkammer 5 fortgesetzt wird. Durch die Wirbelkammer 5 wird demnach die Mischstrecke verlängert. Bei Bedarf kann somit das Mischrohr 4 gekürzt werden, um die Vorrichtung 1 zur Gemischaufbereitung kompakter zu gestalten.

Der Bauraumbedarf der Vorrichtung 1 wird weiter gesenkt, wenn - wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt - das Mischrohr 4 bzw. ein gerade verlaufender Rohrabschnitt 4.2 des Mischrohrs 4 in einem Winkel α gegenüber der Wirbelkammer 5 angestellt wird. Das heißt, dass sich die Längsachse A des Mischrohrs 4 bzw. des gerade verlaufenden Rohrabschnitts 4.2 mit der Längsachse B der Wir- belkammer 5 in dem Winkel α schneidet, wobei vorliegend der Winkel α 45° beträgt. Der gerade verlaufende Rohrabschnitt 4.2 des Mischrohrs 4 weist an seinen Enden jeweils einen gebogenen Rohrabschnitt 4.1, 4.3 auf, so dass der Übergang in die Wirbelkammer 5 einerseits und in das Abgasrohr 6 andererseits strömungsoptimiert ausgebildet wird.

Über den gebogenen Rohrabschnitt 4.2 kann zudem eine Anstellung des Mischrohrs 4 bzw. des gerade verlaufenden Rohrabschnitts 4.2 des Mischrohrs 4 gegenüber dem Abgasrohr 6 erreicht werden, so dass die Längsachse A des Mischrohrs 4 die Längsachse C des Abgasrohrs 6 in einem Winkel ß schneidet, der vorliegend ebenfalls 45° beträgt. Auf diese Weise kann der Bauraumbedarf der Vorrichtung minimal gehalten werden.

Um neben der Reduktion von Stickoxiden ferner die Feinstaubbelastung zu senken, kann - wie in der Fig. 1 dargestellt - der Vorrichtung 1 zur Gemischaufbereitung ein Partikelfilter 9 vorgeschaltet sein. Dieser kann mit einem Oxidationskata- lysator 8 kombiniert werden, um die Abgasreinigung noch effizienter zu gestalten.