Verwirbelungselement für Abgasanlage

Die Erfindung betrifft ein Verwirbelungselement für eine Abgasanlage.

Zur Erfüllung von immer strengen werdenden Abgasvorschriften für Verbren- nungsmotoren von Kraftfahrzeugen sind Systeme bekannt, bei denen in den Abgasstrang stromaufwärts eines Filters oder eines Katalysators Zusatzstoffe eingebracht werden, beispielsweise Harnstoff. Der Zusatzstoff reagiert am Katalysator mit dem Abgas und/oder der Beschichtung des Katalysators, um unerwünschte Bestandteile des Abgases zu beseitigen oder wenigstens zu verringern. Wichtig für die gute Funktion solcher Systeme ist, daß sich der Zusatzstoff möglichst homogen verteilt, gut mit dem Abgas vermischt und schnell verdampft. Andernfalls wird das Katalysator-Volumen nicht gleichmäßig ausgenutzt und Tropfen des Zusatzstoffs, die vom Abgasstrom mitgerissen werden, könnten den Filter bzw. Katalysator beschädigen.

Aus dem Stand der Technik bekannt sind Verwirbelungselemente in der Form von Blechen, die der Einspritzvorrichtung zugeordnet sind, mit welcher der Zusatzstoff in den Abgasstrom eingebracht wird. Die Verwirbelungselemente sollen eine homogene Verteilung und ein schnelles Verdampfen des Zusatzstoffes nach dem Einspritzen in den Abgasstrom gewährleisten. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die bekannten Verwirbelungselemente Tropfenschlag nicht zuverlässig verhindern und ein schnelles Verdampfen des Zusatzstoffes nicht immer gewährleisten können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verwirbelungselement zu schaffen, welches das Verdampfen der Tropfen zuverlässig gewährleistet und Tropfenschlag verhindert.

Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß ein Verwirbelungselement für eine Abgasanlage vorgesehen, mit einem Substrat, das eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweist und dafür vorgesehen ist, stromabwärts einer Vorrichtung zur Einbringung eines Zusatzstoffes angeordnet zu werden. Das erfindungsgemäße Verwirbelungselement mit dem strömungsdurchlässigen Substrat bietet zwei entscheidende Vorteile gegenüber den aus dem Stand der

Technik bekannten Verwirbelungselementen. Zum einen erzeugt das Verwirbelungselement zusätzlich zu einer makroskopischen Verwirbelung auch eine mikroskopische Verwirbelung. Die makroskopische Verwirbelung entsteht durch das Verwirbelungselement als solches, welches im Abgasstrom angeordnet ist. Die mikroskopische Verwirbelung wird hervorgerufen im Verwirbelungselement selbst. Ein Teil des Abgases strömt durch die Strömungskanäle des Verwirbelungselements hindurch. Dabei entstehen Turbulenzen, die zur besseren Vermischung des stromaufwärts des Verwirbelungselementes eingebrachten Zusatzstoffes beitragen. Das Substrat führt insgesamt zu einer sehr viel besseren Vermischung des Zusatzstoffes mit dem Abgasstrom, als dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zweitens weist das Verwirbelungselement ein sehr geringes Wärmeleitvermögen und eine geringe Wärmekapazität auf, da es nicht aus einem massiven Körper besteht. Hieraus folgt, daß sich seine Oberfläche im Abgasstrom sehr schnell erwärmt. Die hohen Temperaturen des Verwirbelungselementes unterstützen das Verdampfen des eingespritzten Zusatzstoffes. Somit ist das Risiko, daß Tropfen den Katalysator unverdampft erreichen, gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verwirbelungselementen stark verringert, und die Zersetzung des Zusatzstoffes wird beschleunigt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Substrat eine Hohlkammerstruktur ist. Unter den Begriff „Hohlkammerstruktur" wird ein Bauteil verstanden, welches aus einer Vielzahl von hohlen Körpern besteht, beispielsweise Hohlkugeln aus Metall, die zusammengesintert sind. Beim Sintern entsteht ein eigenstabiles Gebilde, das ein geringes Gewicht bei vergleichsweise hoher Strukturfestigkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Herstellung und der Aufbau solcher Hohlkammerstrukturen sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, so daß hierauf nicht weiter eingegangen wird. Ein Beispiel für eine Hohlkammerstruktur ist in der DE 19949 271 A1 beschrieben.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Substrat ein offenporiger Schaum ist, beispielsweise ein Metallschaum. Hier ergeben sich im wesentlichen dieselben Vorteile wie bei einer Hohlkammerstruktur.

Das Verwirbelungselement kann verschiedene geometrische Formen haben, beispielsweise zylindrisch, kegelförmig oder Kombinationen solcher Formen. Es kann auch vorgesehen sein, daß dem Substrat eine Trägerstruktur zugeordnet ist, beispielsweise aus Blech, einem Drahtgewebe, Streckmetall, etc. Das Substrat kann an der Trägerstruktur angebracht sein, oder die Trägerstruktur kann in das Substrat eingesintert sein.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Substrat mit einer hydrolytisch wirksamen Beschichtung versehen ist. In diesem Fall wirkt das Verwirbelungselement als Hydrolyse-Katalysator, der aus Harnstoff Ammoniak erzeugt, ohne daß es dabei zu Ablagerungen von Isoczyansäure kommen kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:

- Figur 1 schematisch einen Teil einer Abgasanlage mit verschiedenen Ausführungsvarianten von Verwirbelungselementen;

- Figur 2 einen Schnitt entlang der Ebene H-Il von Figur 1 ;

- Figur 3 eine weitere Ausführungsvariante eines Verwirbelungselementes;

- Figur 4 eine wiederum weitere Ausführungsvariante des Verwirbelungselementes;

- Figur 5 eine wiederum weitere Ausführungsvariante des Verwirbelungselementes; und

- die Figuren 6a bis 6d in schematischen Schnittansichten verschiedene Aufbauten von Verwirbelungselementen.

In Figur 1 ist schematisch ein Teil einer Abgasanlage gezeigt, nämlich ein

Abgasrohr 10, durch das Abgas in der Richtung des Pfeils A strömt, sowie daran anschließend ein Abgasreinigungsbauteil 12, das in einem Gehäuse 14 angeordnet ist. Es ist eine Vorrichtung 16 zur Einbringung eines Zusatzstoffes vorgesehen, mittels der ein Zusatzstoff in den Abgasstrom eingebracht werden

kann. Bei dem Zusatzstoff kann es sich beispielsweise um wäßrige Harnstofflösung handeln. Bei der Vorrichtung 16 kann es sich beispielsweise um eine Einspritzvorrichtung oder eine Verdampfungsvorrichtung handeln.

Stromabwärts der Einspritzvorrichtung 16 ist ein Verwirbelungselement 20 angeordnet, welches hier als Hohlzylinder 21 gebildet ist (siehe insbesondere

Figur 2). Das Verwirbelungselement wird durch Abstandshalter 22 im Abstand von der Wandung des Abgasrohres 10 gehalten. Auf diese Weise wird das

Verwirbelungselement 20 auf beiden Seiten (also auf seiner Innenseite und auf seiner Außenseite) vom Abgas umströmt, was zu einer besonders schnellen Erwärmung des Verwirbelungselementes und daher einer besonders schnellen

Aufspaltung des von der Einspritzvorrichtung 16 eingebrachten Zusatzstoffes führt.

Das Verwirbelungselement 20 besteht im wesentlichen aus einem eigenstabilen Substrat 30. Dieses kann insbesondere durch eine eigenstabile Hohlkammerstruktur gebildet sein, also aus einer Vielzahl von fest miteinander verbundenen Hohlkörpern bestehen, beispielsweise miteinander versinterten Metallkugeln. Dieses eigenstabile Gebilde hat bei der beschriebenen Ausführungsform die Gestalt eines Hohlzylinders. Alternativ kann das Substrat auch durch einen eigenstabilen, offenporigen Schaum gebildet sein, beispielsweise einen Metallschaum.

Als Alternative zum beschriebenen Verwirbelungselement 20 ist weiter stromabwärts ein Verwirbelungselement 20 gezeigt, welches zusammengesetzt ist aus einem sich in Strömungsrichtung verengenden Kegelstumpf 23, an dessen kleine, stromabwärtige Basis ein Kegel 24 angesetzt ist, der sich entgegen der Strömungsrichtung verjüngt. Anders als beim zuerst beschriebenen Verwirbelungselement handelt es sich bei diesem Verwirbelungselement also um eine geschlossene Struktur insofern, als der Abgasstrom das Substrat durchqueren muß, um von einer Stelle stromaufwärts des Verwirbelungselementes zu einer Stelle stromabwärts zu gelangen.

Als weitere Alternative ist in Figur 1 ein weiteres Verwirbelungselement 20 gezeigt, welches als Kegel 24 mit einem sehr großen Spitzenwinkel ausgebildet ist. Es liegt unmittelbar stromaufwärts des Abgasreinigungsbauteils 12 und ist ebenfalls als geschlossene Struktur ausgebildet.

In Figur 3 ist ein Verwirbelungselement 20 gezeigt, welches sich zusammensetzt aus einem Hohlzylinder 21 sowie der Doppelkegelstruktur bestehend aus einem Kegelstumpf 23 und einem Kegel 24.

In Figur 4 ist eine weitere Ausführungsvariante des Verwirbelungselementes 20 gezeigt. Das Verwirbelungselement 20 ist hier zusammengesetzt aus mehreren konzentrisch angeordneten Kegelstümpfen 23, wobei der Spitzenwinkel von außen nach innen geringer wird.

In Figur 5 ist eine Ausführungsvariante des Verwirbelungselementes gezeigt, bei dem das Verwirbelungselement 20 sechs Verwirbelungsflügel 26 aufweist. Die Flügel insgesamt erteilen dem Abgasstrom einen Drall, der zur Verwirbelung des Zusatzstoffes beiträgt. Zusätzlich entstehen Verwirbelungseffekte aufgrund der Gasdurchlässigkeit der einzelnen Flügel.

In Figur 6a ist ein Querschnitt durch die Wand einer Variante eines Verwirbelungselementes mit dem Substrat 30 und einer Trägerstruktur gezeig, die hier mit dem Bezugszeichen 32 versehen ist. Die Trägerstruktur ist hier durch ein Drahtgestrick oder ein Drahtgewebe gebildet.

In Figur 6b ist der Aufbau eines Verwirbelungselementes gezeigt, bei dem das Substrat 30 mit einer Trägerstruktur 32 aus einem gelochten oder geschlitzten Blech oder aus Streckmetall versehen ist.

In Figur 6c ist ein Wandaufbau gezeigt, bei dem die Trägerstruktur 32 beiderseits des Substrates 30 angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich gegenüber den Ausführungsvarianten der Figuren 6a und 6b, bei denen die Trägerstrukturen nur auf einer Seite des Substrates angeordnet sind, eine höhere Festigkeit.

In Figur 6d ist ein Wandaufbau gezeigt, bei dem die Trägerstruktur 32 im Inneren des Substrates 30 angeordnet ist. Die Trägerstruktur 32 kann insbesondere in das Innere des Substrates eingesintert sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß das Substrat mit einer hydrolytisch wirksamen Beschichtung versehen ist. Dies ermöglicht dem Verwirbelungselement, als Katalysator zu wirken, der die Zersetzung des eingespritzten Harnstoffs beschleunigt.