DE102004003201B4

DE102004003201B4 - Mischeinrichtung für Abgasnachbehandlungsvorrichtungen für Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102004003201B4
Application number: DE102004003201.7A
Authority: DE
Inventors: Roland Meyer; Dieter Maisch; Stefan Klotz
Original assignee: Cummins Ltd
Current assignee: Cummins Ltd
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2016-12-22
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: DE102004003201A1

Abstract

Mischeinrichtung für Abgasnachbehandlungsvorrichtungen für Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen, mit wenigstens einer Druckluftleitung (2), die Druckluft einem Mischbereich (13) zuführt, in den wenigstens eine Zuführleitung eines Abgasnachbehandlungsmediums, vorzugsweise 32,5%ige Harnstoff-Wasser-Lösung, und wenigstens eine Bohrung (16) zu einem Sensor (17) münden und der wenigstens eine Nass- und eine Trockenzone aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung der Bohrung (16) in der Nasszone des Mischbereiches (13) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischeinrichtung für Abgasnachbehandlungsvorrichtungen für Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 7.
Mit Abgasnachbehandlungseinrichtungen werden Stickoxide in den Abgasen von Dieselmotoren reduziert. Hierzu wird ein Druckluft-Abgasnachbehandlungsmedium-Aerosol in den Abgasstrom eingespritzt. Bei der Mischung des Abgasnachbehandlungsmediums, das vorzugsweise 32,5%ige Harnstoff-Wasser-Lösung ist, mit Luft kann es zu Harnstoffkristallausscheidungen im Übergang der Mischkammern zwischen Naß- und Trockenzone kommen. Diese Kristalle wachsen und setzen die Aerosolleitung zu, so daß die Abgasnachbehandlungsvorrichtung ausfällt.
Aus der DE 100 47 531 A1 ist eine Vorrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels bekannt, bei der Mittel zur Zufuhr des Reduktionsmittels in eine Katalysatoranordnung über eine durch Aussparungen in einem Gehäuseblock gebildete Leitung zum Transport des Reduktionsmittels verbunden sind, wobei die Wandungen der Leitung durch den Gehäuseblock gebildet werden.
Aus der DE 199 46 900 A1 ist eine weitere Vorrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels bekannt, bei der Mittel zur dosierten Luftzufuhr, Mittel zur dosierten Reduktionsmittelzufuhr und eine Mischkammer wenigstens teilweise an einem Block aus Kunststoff oder einem metallischen Werkstoff befestigt bzw. in diesem integriert sind.
Ferner ist aus der DE 42 30 056 A1 eine Zerstäubereinrichtung mit einer Zerstäuberdüse und einer Mischeinrichtung bekannt, bei der ein zu zerstäubendes Medium und ein zur Zerstäubung dienendes Druckgas in die Mischeinrichtung einleitbar sind, wobei die Mischeinrichtung über eine als Mischleitung ausgebildete Leitung mit der Zerstäuberdüse verbunden ist.
Schließlich ist aus der EP 0 826 097 B1 eine Vormischkammer für eine Abgas-Reinigungsanlage zum Vermischen eines Druckgases mit einem Reduktionsmittel bekannt, bei der die Druckgas-Führung einen geradlinigen Kanal mit einer Verengung umfasst und die Reduktionsmittel-Führung eine etwa zentral im Druckgas-Kanal angeordnete, geradlinige Leitung umfasst, wobei die Reduktionsmittel-Leitung im Bereich der Verengung mündet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Mischeinrichtung so auszubilden, daß ein Ausfall der Vorrichtung zuverlässig vermieden wird.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Mischeinrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung liegt die Mündung der Sensorbohrung in der Naßzone des Mischbereiches. In der Naßzone bilden sich keine Harnstoffkristalle, so daß die Bohrung zum Sensor und in Folge hiervon die Aerosolleitung durch solche Kristalle auch nicht verschlossen werden kann. Dadurch ist zuverlässig gewährleistet, daß die Stickoxide im Abgasstrom durch das Abgasnachbehandlungsmedium einwandfrei reduziert werden.
Bei eines vorteilhaften Ausbildung wird das Abgasnachbehandlungsmedium in den Luftstrom eingeträufelt. Dadurch wird eine Zonenaufteilung im Mischbereich vermieden. Das Abgasnachbehandlungsmedium gelangt zunächst in den Aufnahmeraum, von dem es über die Zuführbohrung dem Mischbereich zugeführt wird. Auf diese Weise wird das Abgasnachbehandlungsmedium nicht zerstäubt, sondern gleichmäßig dem Luftstrom zugegeben, der das Abgasnachbehandlungsmedium vorteilhaft über eine Zerstäubungsdüse am Abgasrohr dem Abgasstrom zuführt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
1 im Axialschnitt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischeinrichtung,
2 in einer Darstellung entsprechend 1 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischeinrichtung,
3 die Einzelheit X in 2 in vergrößerter Darstellung.
Die Mischeinrichtung gemäß 1 hat ein Gehäuse 1 mit einer zentralen Luftleitung 2, durch die Druckluft zugeführt wird. Das Gehäuse 1 weist an seiner in 1 oberen Stirnseite einen Druckluftanschluß 3 auf, der mit der Luftleitung 2 strömungsverbunden ist. In einem im Durchmesser erweiterten Bereich der Luftleitung 2 ist ein Diffusor 4 eingesetzt, der als Überschalldiffusor ausgebildet ist. Der Diffusor 4 hat eine zentrale, axial verlaufende Durchtrittsöffnung 5, die von ihrem dem Druckluftanschluß 3 zugewandten Ende aus sich stetig verjüngt und etwa in halber Länge des Diffusors 4 ihren kleinsten Querschnitt hat. Er bildet einen Drosselquerschnitt 6, der sich in Richtung auf das andere Ende des Diffusors 4 stetig verbreitert. Der Auslaßquerschnitt der Durchtrittsöffnung 5 ist an diesem Ende kleiner als der gegenüberliegende Eintrittsquerschnitt.
Der Diffusor 4 steht axial über das Gehäuse 1 vor und ist in eine stirnseitige Vertiefung 7 eines Gehäuseteiles 8 dichtend eingesetzt. Das Gehäuse 1 ist an seinem dem Gehäuseteil 8 zugewandten Ende mit einem radial nach außen verlaufenden Flansch 9 versehen, mit dem das Gehäuse 1 auf der Stirnseite des Gehäuseteiles 8 aufliegt und an ihm in geeigneter Weise befestigt ist. Die Durchtrittsöffnung 5 des Diffusors 4 schließt im Gehäuseteil 8 an eine fluchtend liegende Bohrung 10 an, deren Querschnitt dem Auslaßquerschnitt der Durchtrittsöffnung 5 entspricht. In einen im Durchmesser erweiterten Teil der Bohrung 10 ist ein Anschluß 11 eingesetzt, vorzugsweise eingeschraubt, der in bekannter Weise ausgebildet ist und durch den das Druckluft-Abgasnachbehandlungsmedium-Aerosol 12 weiter zu einer (nicht dargestellten) Aerosolleitung gelangt.
Im Bereich zwischen dem Diffusor 4 und dem Eintritt in den Anschluß 11 befindet sich eine Mischkammer 13, die durch einen Teil der Bohrung 10 gebildet wird. In diesen Mischkammerbereich 13 mündet senkrecht eine Bohrung 14, über die das Abgasnachbehandlungsmedium in die Mischkammer 13 eingeführt wird. Das Abgasnachbehandlungsmedium ist vorteilhaft eine 32,5%ige Harnstoff-Wasser-Lösung, die aus einem (nicht dargestellten) Tank mittels einer Pumpe der Mischkammer 13 zugeführt wird.
Im Bereich zwischen der Eindüsestelle 15 und dem Diffusor 4 mündet in die Mischkammer 13 eine Bohrung 16, die einen Druckluftsensor 17 mit der Mischkammer 13 verbindet. Die Bohrung 16 verläuft von der Mischkammer 13 aus im Gehäuseteil 8 schräg ansteigend. Über diese Bohrung 16 kann der Druck der Druckluft beim Einsatz der Mischeinrichtung überwacht werden. Der Druckluftsensor 17 ist in eine Bohrung 18 des Gehäuseteiles 8 eingesetzt. Da die Bohrung 16 ansteigt, wird gewährleistet, daß die Bohrung nicht mit der Harnstoff-Wasser-Lösung gefüllt bleibt, wenn das System abschaltet. Dadurch werden der Druckluftsensor 17 und der Gehäuseteil 8 vor Frostschäden geschützt, wenn die Harnstoff-Wasser-Lösung bei tiefen Temperaturen gefriert.
Durch den Druck der Harnstoff-Wasser-Lösung, mit der diese in die Mischkammer 13 eingespritzt wird, entstehen in der Mischkammer drei Zonen, nämlich eine Naßzone, eine Übergangszone und eine Trockenzone. Die Naßzone ist der Bereich, in dem die Harnstoff-Wasser-Lösung über die Bohrung 14 in die Mischkammer 13 eingespritzt wird. Die Mündung der Bohrung 16 in die Mischkammer 13 ist so gelegt, daß die Bohrung im Naßbereich liegt. Dadurch wird erreicht, daß beim Mischen der Harnstoff-Wasser-Lösung mit der Druckluft zur Erzeugung des Aerosols 12 an der Mündung der Bohrung 16 keine Harnstoffkristallausscheidungen gebildet werden, die die Aerosolleitung zusetzen könnten. Eventuell auftretende Ausscheidungen werden im Naßbereich sofort aufgelöst, so daß ein Kristallwachstum und damit ein Zusetzen der Aerosolleitung 5, 10 zuverlässig vermieden wird. Auf diese Weise wird ein Systemausfall zuverlässig verhindert.
Die Austrittsöffnung der Bohrung 10 liegt nicht zu weit oberhalb der Mündung der Bohrung 14, über welche die Harnstoff-Wasser-Lösung zugeführt wird. Die Austrittsöffnung der Bohrung 10 bzw. der Diffusorausgang ist so angeordnet, daß sie nicht im Feuchtbereich liegen, sondern knapp darüber.
Das über den Anschluß 11 austretende Aerosol wird in das Abgassystem eingespritzt und dient zur Reduzierung der Stickoxide im Abgas. Die Rauhtiefen der Mischkammer 13 und des Diffusors 4 sind möglichst klein, so daß sich keine Harnstoffkristalle abscheiden und Kristallisationskerne zum Zuwachsen der Bohrungen in der Mischkammer 13 bilden können.
Bei der Ausführungsform nach den 2 und 3 wird die Harnstoff-Wasser-Lösung nicht eingespritzt, sondern in den Druckluftstrom eingeträufelt. Im Unterschied zur vorigen Ausführungsform tritt in der Mischkammer keine ausgeprägte Zonenaufteilung auf.
Die Mischeinrichtung hat das Gehäuse 1 mit der Luftleitung 2 und dem Druckluftanschluß 3. In den erweiterten Abschnitt der Luftleitung 2 ist der Diffusor 4 eingesetzt, der nach unten aus dem Gehäuse 1 in die Vertiefung 7 des Gehäuseteiles 8 ragt. Das Austrittsende des Diffusors 4 mündet in die Bohrung 10 des Gehäuseteiles 8. In das Ende der Bohrung 10 ist der Anschluß 11 eingesetzt, aus dem das Gemisch aus Druckluft und Harnstoff-Wasser-Lösung austritt. Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird in den Luftstrom im Diffusor 4 eingeträufelt. Wie 3 zeigt, ist der Diffusor 4 außenseitig mit einem umlaufenden Kanal 19 versehen, in den die Bohrung 14 mündet. Der Ringkanal 19 ist in der unteren, dem Anschluß 11 zugewandten Hälfte des Diffusors 4 vorgesehen. Wie bei der vorigen Ausführungsform schließt die Bohrung 14 senkrecht an die Achse des Diffusors 4 an.
Der Ringkanal 19 hat einen konstante Tiefe aufweisenden Abschnitt 20, der von einer radialen Endwand 21 begrenzt ist. Der Kanalabschnitt 20 geht in einen Kanalabschnitt 22 über, der sich in Richtung auf den Auslaß des Diffusors 4 stetig erweitert. Dementsprechend liegt der Boden 23 des Kanalabschnittes 22 auf einem Mantel eines Kegels, der sich in Richtung auf das Auslaßende des Diffusors 4 verjüngt. Der Boden 23 geht rechtwinklig in eine Endwand 24 über, die den Kanal 19 in Richtung auf das Auslaßende des Diffusors 4 begrenzt und bis zur Mantelfläche 25 des Diffusors 4 verläuft.
In die Endwand 24 münden mit Abstand von der Mantelfläche 25 Überströmkanäle 26, die vorteilhaft gleichmäßig über den Umfang des Diffusors 4 verteilt angeordnet sind und den Ringkanal 19 mit der Durchtrittsöffnung 5 des Diffusors 4 verbinden. Die Überströmkanäle 26 münden mit geringem Abstand vom Auslaßende des Diffusors 4 in die Durchtrittsöffnung 5. Der Querschnitt der Überströmkanäle 26 ist wesentlich kleiner als der Querschnitt der Durchtrittsöffnung 5 im Mündungsbereich der Überströmkanäle.
In der Mantelfläche 25 des Diffusors 4 sind mit Abstand oberhalb und unterhalb des Ringkanals 19 Nuten 27, 28 zur Aufnahme von Ringdichtungen vorgesehen, mit denen der Diffusor 4 im Gehäuseteil 8 abgedichtet wird.
Über die Bohrung 14 wird die Harnstoff-Wasser-Lösung in den Ringkanal 19 eingespritzt. Von hier aus gelangt die Harnstoff-Wasser-Lösung über die schräg nach unten verlaufenden Überströmkanäle 26 in den Ausgangskonus der Durchtrittsöffnung 5 des Diffusors 4. Aufgrund dieser Ausbildung wird die Harnstoff-Wasser-Lösung nicht zerstäubt, sondern gleichmäßig dem Luftstrom zugegeben, der über die Luftleitung 2 und die zentrale Durchtrittsöffnung 5 zum Anschluß 11 und von dort zur (nicht dargestellten) Aerosolleitung gefördert wird. Der Luftstrom nimmt die aus den Überströmkanälen 26 tröpfchenweise austretende Harnstoff-Wasser-Lösung mit und fördert sie zur Aerosolleitung, die das Aerosol 12 zur Zerstäubungsdüse im Auspuff befördert, aus der dann in gleicher Weise wie bei der vorigen Ausführungsform das Aerosol 12 aus Druckluft und Harnstoff-Wasser-Lösung austritt.
Die Bohrung 16 erstreckt sich entsprechend der vorigen Ausführungsform schräg aufwärts. Durch die tropfenweise Zugabe der Harnstoff-Wasser-Lösung wird ein Zusetzen der Mischkammer mit Harnstoffkristallen zuverlässig vermieden.
Da sich der Ringkanal 19 in Strömungsrichtung der Druckluft durch die Durchtrittsöffnung 5 erweitert, gelangt die aus der Bohrung 14 austretende Harnstoff-Wasser-Lösung einwandfrei zu den Überströmkanälen 26.

Claims

Mischeinrichtung für Abgasnachbehandlungsvorrichtungen für Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen, mit wenigstens einer Druckluftleitung (2), die Druckluft einem Mischbereich (13) zuführt, in den wenigstens eine Zuführleitung eines Abgasnachbehandlungsmediums, vorzugsweise 32,5%ige Harnstoff-Wasser-Lösung, und wenigstens eine Bohrung (16) zu einem Sensor (17) münden und der wenigstens eine Nass- und eine Trockenzone aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung der Bohrung (16) in der Nasszone des Mischbereiches (13) liegt.
Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischbereich (13) einem Diffusor (4) nachgeschaltet ist.
Mischeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (4) Abstand von der Mündung der Bohrung (16) hat.
Mischeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (16) in Richtung auf den Sensor (17) ansteigend verläuft.
Mischeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung der Bohrung (16) im Bereich zwischen dem Diffusor (4) und der Mündung der Zuführleitung (14) für das Abgasnachbehandlungsmedium liegt.
Mischeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündung der Zuführleitung (14) für das Abgasnachbehandlungsmedium wenigstens eine Zerstäuberdüse nachgeschaltet ist.
Mischeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Diffusor (4) wenigstens eine Zuführbohrung (26) für das Abgasnachbehandlungsmedium mündet.
Mischeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführbohrung (26) in mindestens einen Aufnahmeraum (19) mündet, in den die Zuführleitung (14) für das Abgasnachbehandlungsmedium mündet.
Mischeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeraum (19) ein Ringkanal ist.
Mischeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeraum (19) am Diffusor (4) vorgesehen ist.
Mischeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeraum (19) in der Mantelfläche (25) des Diffusors (4) vorgesehen ist.
Mischeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführbohrung (26) unter einem spitzen Winkel geneigt zur Strömungsrichtung der Druckluft verläuft.