Titel

Mischervorrichtung für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeugs, Abgasnachbehandlungssystem und Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Mischervorrichtung für ein

Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeugs, die ein zylinderförmiges Gehäuse mit einer Mantelwand, einer ersten Stirnwand und einer zweiten Stirnwand aufweist, wobei in der Mantelwand eine Einspritzöffnung für ein Abgasnachbehandlungsmittel ausgebildet ist, und wobei in dem Gehäuse zumindest ein sich gekrümmt erstreckendes Luftleitelement angeordnet ist, das einen Abgasstrom von zumindest einer Einlassöffnung zu einer in der zweiten Stirnwand ausgebildeten Auslassöffnung leitet.

Ferner betrifft die Erfindung ein Abgasnachbehandlungssystem mit einer derartigen Mischervorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Abgasnachbehandlungssystem.

Stand der Technik

Zur Nachbehandlung von Abgasen, insbesondere von Dieselmotoren, sind unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die dazu dienen, die schädlichen Bestandteile des Abgases zu reduzieren. Ein häufig verwendetes Verfahren ist die sogenannte selektive katalytische Reduktion (SCR) zur Reduzierung der NOx-Bestandteile im Abgas. Dabei wird als

Abgasnachbehandlungsmittel eine wässrige Harnstoff lösung in den Abgasstrom eingespritzt, die sich mit dem Abgas vermischt und stromabwärts in einem Katalysator zusammen mit dem Abgas reagiert, um das NOx zu reduzieren. Das Ergebnis der Abgasnachbehandlung ist dabei durch eine verbesserte

Durchmischung von Abgasnachbehandlungsmittel und Abgas optimierbar. So ist es bekannt, zum Vermischen eine Mischervorrichtung vorzusehen, wie sie beispielweise bereits in der Offenlegungsschrift DE 10 2013 005 206 B3 beschrieben ist. Diese Mischervorrichtung weist in dem Gehäuse ein spiralförmig verlaufendes Luftleitelement auf, was dazu führt, dass der Abgasstrom einen Drall erhält, und dass bei nur geringem Bauraum eine möglichst lange

Mischstrecke zur Verfügung gestellt wird. Das Luftleitelement führt den

Abgasstrom von der Einlassöffnung zu einer Auslassöffnung in der zweiten Stirnwand, wo das Abgasstrom-Abgasnachbehandlungsmittel-Gemisch aus der Mischvorrichtung austritt und dem SCR-Katalysator zugeführt wird. Aufgrund der immer strenger werden Abgasregulierungen werden große Anstrengungen unternommen, die Emissionen, insbesondere den NOx-Anteil im Abgas zu reduzieren. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Temperatur des

Abgasstroms abnimmt. Dies hat für den SCR-Katalysator den Nachteil, dass es schwieriger ist, die notwendige Reaktionstemperatur für die Reduzierung der NOx-Bestandteile zu erreichen. Normalerweise ist der SCR-Katalysator weit weg von dem Verbrennungsmotor angeordnet, wodurch weitere Temperaturverluste entstehen. Umso näher der Katalysator an dem Verbrennungsmotor angeordnet ist, beziehungsweise umso kürzer der Weg ist, den der Abgasstrom von dem Verbrennungsmotor bis zu dem Katalysator überwinden muss, desto besser ist das Nachbehandlungsergebnis.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Mischervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auf kleinem Raum eine noch weiter verbesserte

Vermischung von Abgas und Abgasnachbehandlungsmittel erfolgt, wobei die Mischervorrichtung nahe zum Verbrennungsmotor anordenbar ist und dennoch einen ausreichenden Mischweg für eine ausreichende Vermischung

gewährleistet. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die

Einlassöffnung in der ersten Stirnwand ausgebildet ist, und dass in dem Gehäuse zumindest eine Aufprallfläche für den Abgasstrom und/oder das

Abgasnachbehandlungsmittel stromabwärts der Einlassöffnung angeordnet ist, wobei die Aufprallfläche zumindest im Wesentlichen senkrecht zur

Einspritzrichtung des Abgasnachbehandlungsmittels ausgerichtet ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Mischervorrichtung führt dazu, dass das Abgasnachbehandlungsmittel in dem Gehäuse auf die Aufprallfläche zumindest im Wesentlichen senkrecht auftrifft, wodurch eine Zerstäubung des insbesondere flüssigen Abgasnachbehandlungsmittels erfolgt. Dadurch werden größere Tropfen des Abgasnachbehandlungsmittels in kleinere Tropfen aufgeteilt, die sich leichter mit dem Abgasstrom vermengen können. Darüber hinaus erfolgt außerdem eine vorteilhafte Wärmeübertragung zwischen dem Abgasstrom und der Aufprallfläche.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Gehäuse stromabwärts der Einlassöffnung zumindest ein weiteres

Luftleitelement parallel zu dem gekrümmt, insbesondere sprialförmig

verlaufenden Luftleitelement angeordnet ist, das wenigstens ein seitlich vorstehendes die Aufprallfläche bildendes Aufprallelement aufweist. Das weitere Luftleitelement erstreckt sich vorzugsweise nicht über die gesamte Länge des Luftleitelements, sondern nur über einen Abschnitt dessen, sodass das weitere Luftleitelement kürzer ausgebildet ist, als das Luftleitelement. An dem

Luftleitelement ist das wenigstens eine Aufprallelement ausgebildet, welches die Aufprallfläche für das Abgasnachbehandlungsmittel und den Abgasstrom bereitstellt. Durch die vorteilhafte Ausbildung des weiteren Luftleitelements wird die Gasführung in dem Gehäuse weiter verbessert und eine Wärmeübertragung von dem Abgasstrom auf das Gehäuse und anders herum in vorteilhafter Weise ermöglicht.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das weitere Luftleitelement mehrere Aufprallelemente aufweist, die jeweils eine Aufprallfläche bilden. Damit ist das weitere Luftleitelement mit mehreren Aufprallflächen versehen und das

Zerstäuben des Abgasnachbehandlungsmittels wird entsprechend verbessert. Insbesondere sind die Aufprallelemente jeweils beabstandet zueinander an dem weiteren Luftleitelement angeordnet, um insbesondere auch Bereiche zur Verfügung zu stellen, in welchen der Abgasstrom parallel zur Erstreckung des

Luftleitelements barrierefrei strömen kann, sodass die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms nicht zu weit reduziert und unerwünschte Turbolenzen im Abgasstrom vermieden werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das jeweilige Aufprallelement als aus dem weiteren Luftleitelement herausgebogene Aufprallzunge ausgebildet ist. Das Aufprallelement oder die Aufprallelement sind insofern insbesondere einstückig mit dem weiteren Luftleitelement ausgebildet und dadurch kostengünstig und montagefreundlich realisierbar.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass in der ersten Stirnwand mehrere Einlassöffnungen ausgebildet sind. Dadurch gelangt der Abgasstrom durch mehrere Einlassöffnungen in das Gehäuse. Dadurch, dass die Einlassöffnungen in der ersten Stirnwand ausgebildet sind, gelangt der Abgasstrom zumindest abschnittsweise axial in das Gehäuse. Vorzugsweise ist den Einlassöffnungen ein Zuströmkanal zugeordnet, welcher derart ausgerichtet ist, dass der

Abgasstrom nicht axial, sondern schräg in das Gehäuse eingeleitet wird, sodass er in Richtung des weiteren Luftleitelements geführt ist und das Erzeugen des Dralls in dem Gehäuse unterstützt.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Stirnwand in einem sich parallel zu der Einspritzrichtung des Abgasnachbehandlungsmittels

erstreckenden Abschnitt aufweist, der öffnungsfrei beziehungsweise geschlossen ausgebildet ist. Dadurch wird gewährleistet, dass zumindest in diesem Abschnitt der Abgasstrom nicht direkt in das Gehäuse eindringt und dadurch das in das Gehäuse eingespritzte Abgasnachbehandlungsmittel derart ablenkt, dass dieses nicht mehr auf das weitere Luftleitelement trifft. Der Abschnitt ist insofern derart gewählt, dass der Strom des eingespritzten Abgasnachbehandlungsmittels durch das Abgas nicht von dem weiteren Luftleitelement abgelenkt wird. Vielmehr ist vorgesehen, dass die Einlassöffnungen benachbart zu dem Abschnitt angeordnet sind, sodass sich eine vorteilhafte Vermengung mit dem

Abgasnachbehandlungsmittel insbesondere im Bereich des weiteren

Luftleitelements ergibt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abschnitt auf Höhe der Einspritzöffnung beginnt und beabstandet zu dem zumindest einen weiteren Luftleitelement endet. Insbesondere ist eine der Einlassöffnungen dem Luftleitelement vorgeschaltet, sodass in diesem Bereich eine Vermischung mit dem eingespritzten Abgasnachbehandlungsmittel bereits stromaufwärts oder direkt an dem weiteren Luftleitelement erfolgt.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Auslassöffnung in der zweiten Stirnwand exzentrisch angeordnet ist. Dadurch wird ein Druckabfall der

Mischervorrichtung reduziert, indem der Querschnitt des Strömungskanals durch das Gehäuse vergrößert wird. Die Auslassöffnung ist vorzugsweise kreisförmig oder ovalförmig ausgebildet. Alternativ kann die Auslassöffnung aber auch eine andere Querschnittsform aufweisen. Insbesondere wird eine Querschnittsform gewählt, welche in der Mischvorrichtung den Druckabfall weiter reduziert und eine gleichmäßige Beaufschlagung des stromabwärts liegenden SCR- Katalysators mit dem Abgasstrom-Abgasnachbehandlungsmittel-Gemisch optimiert.

Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung der

Mischervorrichtung aus. Es ergeben sich hierbei die bereits genannten Vorteile.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem aus. Auch hier ergeben sich die bereits genannten Vorteile.

Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erörtert werden. Dazu zeigen

Figur 1 eine Mischervorrichtung für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeugs in einer Draufsicht und

Figur 2 Mischervorrichtung in einer perspektivischen Darstell

Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Draufsicht eine Mischervorrichtung 1 für ein hier nicht näher dargestelltes Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeugs. Die Mischervorrichtung list insbesondere strömungstechnisch zwischen einem Oxidationskatalysator und einem SCR-Katalysator oder einem SCR beschichteten Partikelfilter stromabwärts einer Brennkraftmaschine anordenbar und dient dazu, ein Abgasnachbehandlungsmittel mit dem

Abgasstrom des Verbrennungsmotors optimal zu vermischen, sodass in dem stromabwärts liegenden SCR-Katalysator eine vorteilhafte Reduktion von Stickoxiden erfolgen kann.

Figur 2 zeigt die Mischervorrichtung 1 in einer perspektivischen Darstellung, wobei der stromaufwärts liegende Oxidationskatalysator 2 und der stromabwärts liegende SCR-Katalysator 3 oder SCR beschichtete Partikelfilter gestrichelt angedeutet sind.

Die Mischervorrichtung 1 weist ein Gehäuse 4 auf, das eine sich vorliegend kreisförmig erstreckende Mantelwand 5 sowie eine erste Stirnwand 6 und eine zweite Stirnwand 7 aufweist. Die Stirnwände 5 und 6 sind parallel zueinander ausgerichtet und gemäß der Höhe der Mantelwand 5 beabstandet zueinander angeordnet. Das Gehäuse 4 ist insofern zylinderförmig ausgebildet.

Die erste Stirnwand 6 weist mehrere Einlassöffnungen 8, 9 und 10 auf. Die Einlassöffnung 8 ist dabei optional kreisförmig, die Einlassöffnungen 9 sind keilförmig und die Einlassöffnung 10 kreissegmentförmig ausgebildet. Auf die Anordnung und Ausbildung der Einlassöffnungen 8, 9 und 10 wird später noch weiter eingegangen.

Die Mantelwand 5 weist eine Einspritzöffnung 11 für flüssiges

Abgasnachbehandlungsmittel auf, wobei die Einspritzöffnung 11 am Ende eines Einspritzstutzens 12 ausgebildet ist. Der Einspritzstutzen 12 dient beispielsweise zur Aufnahme eines Einspritzventils, sodass mittels des Einspritzventils ein dosiertes Einspritzen des Abgasnachbehandlungsmittels direkt an der

Mischervorrichtung 1 erfolgt. Der Stutzen 12 ist dabei derart ausgerichtet, dass das flüssige Abgasnachbehandlungsmittel in Richtung einer Sekante in das Gehäuse 4 eingespritzt wird. Die erste Einlassöffnung 8 ist dabei etwas stromaufwärts der Einspritzöffnung 11 angeordnet, die Einlassöffnungen 9 beginnen etwa auf Höhe der Einspritzöffnung 11 und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zur Einspritzrichtung, wobei sich ihre lichte Weite dabei erweitert, wodurch sich die zuvor bereits genannte Keilform ergibt. Die beiden Einlassöffnungen 9 sind dabei spiegelbildlich zueinander angeordnet, sodass zwischen ihnen ein Abschnitt 13 liegt, der öffnungsfrei ausgebildet ist. Dieser Abschnitt 13 erstreckt sich von der

Einspritzöffnung 11 bis zu der Einlassöffnung 10 in der Stirnwand 6. Durch den Abschnitt 13 wird sichergestellt, dass in diesem Bereich der Abgasstrom nicht direkt senkrecht auf das eingespritzte Abgasnachbehandlungsmittel trifft, wodurch der Abgasstrom den Einspritzmittelstorm abdrängt beziehungsweise gegen die Stirnwand 7 des Gehäuses 2 abgelenkt werden würde.

In dem Gehäuse 4 ist weiterhin ein Luftleitelement 14 angeordnet, das sich spiralförmig und exzentrisch in dem Gehäuse 4 erstreckt, sodass der

Abgasstrom und das eingespritzte Nachbehandlungsmittel zu einer exzentrisch in der Stirnwand 7 ausgebildeten Auslassöffnung 15 geführt wird. Durch die Spiralform wird der Strömungsweg in dem Gehäuse 4 maximieret. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Luftleitelement 14 halbkreisförmig entlang der Außenkontur der kreisförmigen Auslassöffnung 15. Dabei beginnt das Luftleitelement 14 an der Mantelwand 5, wodurch sich der spiralförmige Verlauf ergibt. Das Abgasnachbehandlungsmittel und der

Abgasstrom treffen zunächst auf die Außenseite des Luftleitelements 14 und werden anschließend durch die Mantelwand 5 der Innenseite des

Luftleitelements 14 zugeführt, welches den Strom der Auslassöffnung 15 zuführt. Dabei ergibt sich ein Drall in dem Abgas-Abgasnachbehandlungsmittel-Gemisch, wie durch einen Pfeil 16 angedeutet.

Parallel zu dem Luftleitelement 14 sind vorliegend zweit weitere Luftleitelemente 17 und 18 angeordnet, die kürzer ausgebildet sind als das Luftleitelement 14 und sich entlang einer Umfanglinie erstrecken, deren Radius den gleichen Ursprung aufweist, wie der Radius des Luftleitelements 14.

Die weiteren Luftleitelemente 17, 18 weisen jeweils mehrere seitlich vorstehende Aufprallelemente 19 auf. Die Aufprallelemente 19 bilden jeweils eine Aufprallfläche 20, die der Einspritzöffnung 11 zugewandt ist. Die

Aufprallelemente 19 sind dabei derart ausgerichtet, dass die Aufprallflächen 20 im Wesentlichen senkrecht zur Einspritzrichtung des

Abgasnachbehandlungsmittels liegen. Vorliegend sind die Aufprallelemente 19 als Aufprallzungen ausgebildet, welche aus den weiteren Luftleitelementen 17,

18 herausgebogen sind. Die weiteren Luftleitelemente 17, 18 sind insoweit einstückig mit den jeweiligen Aufprallelementen 19 ausgebildet. Die weiteren Luftleitelemente 17, 18 können beispielsweise als Blechstanzbiegeteile gefertigt sein.

Die weiteren Luftleitelemente 18, 19 sind bereichsweise auf Höhe der

Einlassöffnung 10 angeordnet, sodass durch die Einlassöffnung 10

einströmendes Abgas direkt auf die Luftleitelemente 17, 18 treffen kann. Im Betrieb wird der Abgasstrom somit durch die Einlassöffnungen 8, 9 und 10 in das Gehäuse 4 eingeführt, während das Abgasnachbehandlungsmittel durch die Einspritzöffnung 11 in das Gehäuse 4 eingespritzt wird. Aufgrund des

vorteilhaften Abschnitts 13 gelangt das eingespritzte

Abgasnachbehandlungsmittel auf die Aufprallflächen 20 und zerstäubt dort und wird vorteilhaft mit dem ebenfalls einströmenden Abgasstrom vermischt. Durch das Luftleitelement 14 und die Erstreckung der Luftleitelemente 17, 18 wird das Abgasstrom-Abgasnachbehandlungsmittel-Gemisch entlang der Mantelwand 5 und des Luftleitelements 14 der Auslassöffnung 15 zugeführt, wodurch sich der Drall 16 ergibt. Der Drall 16 bewirkt eine vorteilhafte Beaufschlagung des stromabwärts liegenden SCR-Katalysators oder SCR-beschichteten

Partikelfilters, sodass sich eine vorteilhafte Abgasnachbehandlung ergibt.

Die vorteilhafte Mischervorrichtung 1 hat den Vorteil einer bauraumsparenden Ausgestaltung mit einem langen Strömungsweg, der eine vorteilhafte

Vermischung erlaubt. Darüber hinaus wird eine vorteilhafte Zerstäubung des

Abgasnachbehandlungsmittels gewährleistet. Das Anordnen eines oder mehrerer Sensoren an der Mischervorrichtung, insbesondere stromaufwärts des

Vermischungsbereichs, ist ohne weiteres möglich, um die Abgasnachbehandlung zu überwachen. Das Einspritzventil ist einfach und kostengünstig an dem

Gehäuse 4 beziehungsweise an der Mischervorrichtung 1 anordenbar. Die Mischervorrichtung 1 erlaubt die maximale Ausnutzung der Wärmeenergie des Abgasstroms an den Aufprallflächen beziehungsweise den weiteren

Luftleitelementen 17, 18, wodurch die Robustheit der Mischervorrichtung gegenüber dem Abgasnachbehandlungsmittel erhöht wird.