WO2015059145A1 - Katalysatoranordnung mit injektionsabschnitt - Google Patents

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Laurent Cazeneuve
Heike Többen
Sophie Rilly
Tobias Wolf
Sophie Kermorvant
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Eberspaecher Exhaust Technology GmbH and Co KG
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Definitions

  • the present invention relates to an injection section of an exhaust system for an internal combustion engine.
  • the invention also relates to a catalyst system equipped with such an injection section for an exhaust system of an internal combustion engine.
  • the invention also relates to a method for introducing a liquid or a gas into an exhaust gas flow of an internal combustion engine.
  • a catalyst arrangement which comprises a tubular housing for guiding an exhaust gas flow, which contains an SCR catalyst in an outlet section, wherein SCR stands for Selective Catalytic Reduction.
  • the housing further includes an inlet portion disposed upstream of the outlet portion with respect to the exhaust gas flow and containing an oxidation catalyst.
  • an injection portion is arranged, wherein a further housing portion integrally formed at the inlet portion defines a channel of the injection portion, which also serves to guide the exhaust gas flow.
  • an injector port is arranged laterally on the channel, to which an injector for lateral injection or injection of a liquid or a gas into the exhaust gas flow is connected.
  • a lateral injection of the liquid is effected, ie an injection in which a main injection direction is inclined relative to an axial direction of the channel, preferably in an angular range of 60 ° to 120 °, in particular in an angular range of 85 ° to 95 ° and expediently approximately 90 °.
  • an injection chamber is located in the area of the injector port.
  • the two partitions in conjunction with their perforations are designed or shaped such that during operation of the exhaust system in the injection chamber, a swirl or rotational flow is produced in which the entire exhaust gas flow rotates about the longitudinal central axis of the channel ,
  • a flow path in the injection chamber which follows the exhaust gas flow from the first partition wall to the second partition wall, is at least 20% longer than an axial distance between inlet section and outlet section.
  • a mixing section is created in which the injected liquid can evaporate and mix with the exhaust gas flow.
  • the injected liquid is a reducing agent.
  • thermolysis and hydrolysis in order to convert nitrogen oxides deposited in the SCR catalyst into nitrogen and water.
  • a gaseous reducing agent can be injected, which is, for example, gaseous ammonia.
  • the stocking can in this case in the form of solid bodies take place, which are evaporated by means of, for example, electrically supplied heat to generate the gaseous ammonia.
  • Amminex systems the ammonia is thus immediately available in the exhaust gas flow, so that it only depends on an intensive mixing with the exhaust gas flow, since the evaporation already takes place in advance, outside of the exhaust gas flow.
  • the present invention is concerned with the problem of providing for an injection section of the aforementioned type or for a catalyst assembly equipped therewith and for a method for introducing a liquid into an exhaust gas flow an improved embodiment, which is characterized in particular by an efficient evaporation effect and mixing for the characterized injected liquid with the exhaust gas flow.
  • the invention is based on the general idea of generating in the injection space two counter-rotating flow vortices which are each formed with the aid of an exhaust gas partial flow.
  • the two flow vortices are generated in the injection space so that the two partial exhaust gas streams flow separately proximal to a channel wall laterally delimiting the injection space and flow together or unified distally to the channel wall.
  • the liquid or the gas is injected or injected laterally, resulting in intensive mixing between the reducing agent and the exhaust gas and, in the case of a liquid reducing agent, also setting an efficient evaporation of the liquid.
  • the flow vortices lead to a targeted turbulence within the injection chamber, which improves the mixing between the introduced reducing agent and the exhaust gas flow. sert.
  • the flow vortices extend an exhaust path followed by the flow of exhaust gas within the injection chamber. As a result, the residence time of the exhaust gas flow is thus extended, whereby more time is available for vaporizing and / or mixing the injected liquid or the injected gas.
  • the injection section according to the invention design a perforation of the first partition so that it generates at least the two aforementioned partial exhaust flows when flowing through the first partition within the injection chamber, forming two separate and opposite flow vortices, such that the two partial streams along the channel wall flow separately, so along separate channel wall sections, while they flow distally to the channel wall, ie in a central region of the injection chamber, together or together.
  • the production of such a vortex system is supported by a substantially cylindrical shape for the channel, whereby the channel wall is curved in the circumferential direction.
  • the exhaust gas streams flow towards each other proximal to the channel wall along the same until they meet in a storage area and are deflected into the interior of the injection chamber, where they then flow together distally to the channel wall.
  • the flow vortices preferably rotate about separate vortex axes which run parallel to the longitudinal central axis of the channel.
  • a symmetrical vortex system allows a symmetrical injection beam, which can be produced particularly easily with the aid of a corresponding injector.
  • the injector port is arranged according to a development in this longitudinal center plane. In the assembled state, there is then a main injection direction of the injector in the longitudinal center plane.
  • the two partial exhaust gas streams may each flow away from the injector port, proximal to the channel wall, while flowing together toward the injector port, distally of the channel wall. This means that the combined exhaust partial streams in the center of the injection chamber counterflow the injection jet, which significantly improves the mixing and, if appropriate, the evaporation.
  • the perforation of the first partition wall for generating the flow vortices may have openings which are arranged proximal to the channel wall and which in each case have an exit surface facing away from the injector connection in the injection chamber. These openings may also be referred to below as the first openings of the first partition wall.
  • the separate partial exhaust gas streams emerge from the first openings in a direction away from the injector port, whereby already the flow direction for inducing the flow vortices is predetermined.
  • the exit surfaces can be formed by means of integral wall sections of the first partition, which project from the remaining first partition into the injection chamber.
  • the exit surfaces through the projecting wall portions are opposite to an injection jet shielded so that the injection jet can not escape through the first openings out of the injection chamber.
  • the first openings may each have an inlet surface facing the injector port at an upstream side of the first partition wall facing away from the injection space. This ensures that the exhaust partial streams can flow only in a direction away from the injector connection direction through the inlet surface in the respective first opening, whereby a required for vortex formation preferred flow direction is specified.
  • the entry surfaces can be formed by means of integral wall sections of the first partition, which protrude on the upstream side of the remaining first partition.
  • the wall sections at the entry surfaces and at the exit surfaces can create a channeling of the exhaust gas partial streams passing through them, which promotes vortex formation.
  • integral wall sections can be particularly easily issued from one, preferably flat, sheet metal body, thereby simultaneously forming the desired first openings.
  • the first openings of the perforation of the first partition are expediently formed proximal to the channel wall in the first partition wall. They are expediently spaced apart in the circumferential direction.
  • the perforation of the first partition wall may comprise a plurality of further or second openings which are arranged distally to the channel wall.
  • the second openings are thus between the first openings.
  • These other or second openings are specifically designed so that they in the injection chamber to the injector to generate flowing gas flow.
  • these second openings can have outlet surfaces facing the injector connection and inlet surfaces facing away from the injector connection.
  • the second openings may further be associated with wall sections formed integrally on the first partition wall, which project into the injection chamber, in order to effect a deflection of the essentially axially arriving exhaust gas flow in the direction of the injector connection when passing through the second openings.
  • shielding plates can be provided, which also project into the injection chamber and are integrally formed on the first partition wall. However, these shield plates are arranged so as to prevent the injection jet from leaking directly from the injection chamber through the second openings.
  • the second openings may expediently be arranged one behind the other in an injection direction in which the injector mainly injects the respective liquid during operation. These further or second openings thus support the vortex formation in the injection chamber.
  • the perforation of the first partition wall for generating the flow vortex also has other (or third) openings which can be traversed parallel to a longitudinal central axis of the channel. While the first openings and the possibly existing further or second openings can each only be traversed to the longitudinal central axis of the channel to force the vortex formation, with respect to the longitudinal center axis axially permeable other or third openings in the injection chamber can generate axial partial flows, which stabilize the contribute to both eddies.
  • At least some of the other or third openings may be arranged between the first openings and the second openings, whereby the partial streams flowing through them close to the wall Separate flow areas of the two vortices from remote, opposite flow areas of the vortex, which stabilizes the two vortices.
  • the other or third openings lie in the plane of the first partition wall.
  • this configuration automatically results in an axial flow through these other or third openings, which makes their manufacture extremely simple.
  • Another advantageous embodiment of the invention provides that some or all of the other or third openings are arranged in two separate regions, through each of which a vortex axis extends, around which the respective flow vortex rotates.
  • the partial streams generated by means of the other or third openings are located in the center or eye of the respective vortex in order to stabilize it. The flow vortices thus rotate around the stabilizing axial partial flows.
  • the other or third openings are arranged in a region proximal to the injector port.
  • the partial streams thus generated in the injection chamber can assist the division of the exhaust gas flow into two separate wall-near partial exhaust gas streams for vortex formation, by expelling the two exhaust gas partial streams from one another.
  • some of the other or third openings are arranged in a region distal to the injector connection. There, the thus generated partial flows in the injection chamber the keep separate adjacent exhaust gas streams separated from each other to support their backflow away from the wall.
  • a perforation of the second partition wall has openings which are screened off with guide surfaces which project into the injection space. Through the shielded openings direct flow through the second partition is avoided because additional flow diversions are required, each contributing to the mixing of vaporized liquid or gas and exhaust gas flow.
  • the perforations of the perforation of the second partition wall may have first openings arranged proximal to the channel wall, which are elongate, which extend substantially in the circumferential direction and which are shielded radially inward by the respective guide surface. This ensures that the regions of the flow vortices flowing proximally to the channel wall can not pass directly through the first openings.
  • the openings of the perforation of the second partition may have second openings which are arranged distally to the channel wall and which are shielded from the injector port with the respective guide surface.
  • the second openings are preferably also elongate, but they extend parallel to each other. By shielding the second openings in the direction of the injector connection, the common flow of the two flow vortices flowing distally to the channel wall can pass through these second openings particularly easily, which is desirable at the end of the whirling movement and reduces the total flow resistance of the injection section.
  • the shielding of the openings of the perforation of the second partition wall also prevents a direct passage of the injection jet through the second partition wall. This supports the turbulence and mixing.
  • the guide surfaces can also serve as impact surfaces onto which the injected liquid can impinge, which promotes the evaporation of the liquid.
  • the first partition may extend substantially perpendicular to a longitudinal central axis of the channel.
  • the injection section builds comparatively compact in the axial direction.
  • the second partition may be inclined relative to the first partition, such that the injection chamber tapers with increasing distance from the injector port.
  • the injection jet widens with increasing distance from the injector connection, in particular in the shape of a cone, as a result of which an intensive thorough mixing and optionally improved evaporation occurs overall.
  • a perforated by the exhaust gas flow through ström bare third partition wall which is arranged downstream of the second partition with respect to the exhaust gas flow.
  • This additional third partition can on the one hand be used to reduce the risk of leakage of non-vaporized liquid from the injection section.
  • a flow stabilization and homogenization can be achieved, which in particular within a catalyst arrangement leads to an improved flow of an optionally downstream catalytic converter.
  • the third partition may be formed by a simple perforated plate, in which a plurality of comparatively small passage openings is provided, which are uniformly distributed over the entire surface of the third partition.
  • the third partition wall can be equipped with guide surfaces in order to guide the flow through the perforation of the third partition wall in a targeted manner.
  • the third partition extends in a plane which is perpendicular to the longitudinal center axis of the channel. In this level are then the passages.
  • a catalyst arrangement according to the invention comprises a tubular housing for guiding an exhaust gas flow, which contains an SCR catalyst in an outlet section. Furthermore, the catalyst arrangement is equipped with an injection section of the type described above which adjoins the outlet section upstream of the exhaust gas flow.
  • the injection section forms a completely pre-assembled separate subassembly, which can be attached to the housing of the catalyst arrangement or installed therein.
  • the channel of the injection section can be inserted into a housing section of the housing provided for this purpose so that housing and channel overlap axially and are radially adjacent.
  • the channel of the injection section in turn forms a separate section of the housing of the catalyst arrangement is preferred.
  • the channel and the outlet section connect axially to each other.
  • the housing may have an inlet section that is upstream of the injection section with respect to the outlet section. cut and containing an oxidation catalyst.
  • the common housing of the catalyst arrangement has at least three housing sections which adjoin one another axially, namely the inlet section and the outlet section and the housing section arranged therebetween and formed by the channel of the injection section.
  • the channel of the injection section has a different, preferably a larger, flow-through cross-section than the outlet section and / or the inlet section of the housing.
  • a method for introducing a liquid or a gas into an exhaust gas flow of an internal combustion engine assumes that a liquid or a gas is injected laterally into an injection chamber, through which the exhaust gas flow flows, in relation to an exhaust gas flow.
  • this injection chamber then two counter-rotating flow vortices are generated, each consisting of a partial exhaust stream.
  • the flow vortices are generated in such a way that the two partial exhaust gas streams flow separately toward one another and along the channel wall, proximal to a channel wall bounding the injection chamber, and flow together and unified distally to the channel wall.
  • the vertebrae have a comparatively large cross-section, as a result of which they contain relatively much kinetic energy, which improves mixing.
  • FIG. 2 is an isometric view of an injection section of the catalyst assembly, but with only partitions of the injection section shown;
  • FIG. 3 shows a side view of the injection section, wherein only the partitions and an injector connection are shown,
  • FIG 4 is an axial view of a first partition wall of the injection section with flow arrows.
  • a catalyst arrangement 1 which is intended for use in an exhaust system of an internal combustion engine, preferably a motor vehicle, comprises a tubular, preferably cylindrical housing. se 2, which serves to guide an indicated in Figure 1 by arrows exhaust gas flow 3.
  • the housing 2 has an inlet section 4, an outlet section 5 and a central housing section 6 which is arranged axially between the inlet section 4 and the outlet section 5 with respect to a longitudinal central axis 7 of the housing 2.
  • the inlet section 4 is fluidically connected to a housing inlet 8 and contains, for example, an oxidation catalytic converter 9.
  • the inlet section 4 could also contain a mixer, for example in order to mix additionally injected or injected hydrocarbons with the exhaust gas flow 3.
  • the outlet section 5 is fluidically connected to a housing outlet 10 and contains an SCR catalyst 11.
  • an injection section 12 is formed, with the aid of a liquid reducing agent, preferably an aqueous urea solution, or a gaseous reducing agent, preferably ammonia gas, upstream of the SCR catalyst 1 1 and downstream of the oxidation catalyst 9 can be introduced into the housing 2.
  • such an injection section 12 comprises a channel 13 for guiding the exhaust gas flow 3.
  • the channel 13 is designed here as a cylindrical tube piece which at the same time forms the central housing section 6 of the housing 2 of the catalyst arrangement 1.
  • the injection section 12 further comprises an injector port 14 arranged laterally on the channel 13, to which an injector 15, indicated in broken lines in FIGS. 1 and 3, is connected in order to be able to inject the respective fluid into the exhaust gas flow 3.
  • the channel 13 contains an injection chamber 16 into which the injector 15 injects or injects the reducing agent during operation.
  • the injection chamber 16 is located upstream of the injector port 14 through a first dividing wall 17 and downstream of the injector port 14.
  • jektoran gleiches 14 bounded by a second partition 18.
  • a third partition 19 is also optionally provided, which is arranged downstream of the second partition wall 18 in the channel 13.
  • the partitions 17, 18, 19 each extend over the entire cross section of the channel 13, they are perforated and accordingly flowed through by the exhaust gas flow 3.
  • An unspecified perforation of the first partition wall 17 is designed so that it 17 at least two partial exhaust gas streams 20, 21 generated in a flow through the first partition wall, which are indicated in Fig. 4 by arrows.
  • these partial exhaust streams 20, 21 are generated so that they form in the injection chamber 16, two separate and opposite flow vortices 22 and 23, respectively.
  • the two partial exhaust gas streams 20, 21 flow separately from one another in a region 25 extending proximally to a channel wall 24, while they largely flow together in a region 26 extending distally to the channel wall 24.
  • the channel wall 24 bounds the injection chamber 16 laterally, extending in the circumferential direction and thereby forms the channel 13.
  • the two flow vortices 22, 23 thereby rotate about separate vortex axes 42, 43, which run parallel to each other.
  • the perforation of the first partition wall 17 is symmetrical with respect to a longitudinal center plane 27 of the channel 13, in particular mirror-symmetrically configured.
  • the longitudinal center plane 27 includes a longitudinal central axis 28 of the channel 13, which coincides within the catalyst assembly 1 with the longitudinal central axis 7 of the housing 2. Due to the symmetry of the perforation of the first partition wall 17, the two flow vortices 22, 23 are formed symmetrically to the longitudinal central plane 27.
  • the turbulence axes 42, 43 extend parallel to the longitudinal central axis 28 of the channel 13.
  • the first partition wall 17 is preferably arranged in the channel 13 so that the injector port 14 in the longitudinal center plane 27, that is in the plane of symmetry of the first partition wall 17.
  • the position of the injector port 14 is indicated in FIG. 4 with a broken line.
  • a main injection direction 29, indicated in FIG. 3, of an injection jet 30 of the injector 15 lies in the longitudinal central plane 27.
  • the injection jet 30 is cone-shaped here, so that it is also possible to speak of an injection cone. It is clear that for the injection jet 30 also any other geometries can be realized.
  • the symmetrical first partition wall 17 is positioned in the channel 13 such that the two partial exhaust gas streams 20, 21 flow away from the injector port 14 proximal to the channel wall 24, ie in the proximal regions 25, while they flow together to the injector port 14 in distal regions 26.
  • the perforation of the first partition wall 17 for generating the flow vortices 22, 23 has first openings 31 which are arranged proximally to the channel wall 24 and in the injection chamber 16, that is on a downstream side of the first Partition wall 17 each have a side facing away from the injector port 14 exit surface 32.
  • the outlet surfaces 32 are formed by integrally formed on the first partition wall 17 wall portions 33 projecting from the remaining first partition 17 into the injection chamber 16.
  • these first openings 31 each have an inlet surface 34 facing the injector port 14 at an inflow side of the first dividing wall 17 facing away from the injection chamber 16.
  • the perforation of the first partition 17 also has further or second openings 36, which likewise have inlet surfaces facing the injector port 14 and exit surfaces facing away from the injector port 14.
  • the entry surfaces are located on the side facing away from the injection chamber 16 side, while the exit surfaces are disposed within the injection chamber 16.
  • the first openings 31 extend distributed in the circumferential direction proximal to the channel wall 13
  • the second openings 36 are arranged distally to the channel wall 24 in a straight line one behind the other, preferably in the longitudinal center plane 27.
  • the perforation of the first partition wall 17 can also have other or third openings 37 which can be flowed through parallel to the longitudinal central axis 28 of the channel 13 and thereby generate axial partial flows in the injection chamber 16. All third openings 37 are in the plane of the first partition wall 17th
  • third openings 37 are arranged distally to the channel wall 24 between the first openings 31 and the second openings 36. Furthermore, these third openings 37 are arranged in two separate regions, namely in a first region 45 and in a second region 46. A vortex axis 42 of the first flow vortex 22 around which the first flow vortex rotates extends through the first region 45. Through the second region 46, a second vortex axis 43 of the second flow vortex 23, around which the second flow vortex 23 rotates, extends. Further third openings 37 are located in a region 47 proximal to the injector port 14, and further third openings are located in a region 48 distal to the injector port 14.
  • the third openings 37 of the proximal region 47 support the separation of the two exhaust gas partial flows, in each case surrounding a flow region 25 of the respective one Flow vortex 22, 23 to form.
  • the third openings 37 of the distal The second openings 37 of the central regions 45 and 46 separate the wall-proximate flow regions 25 from the wall-remote flow regions 26 and thereby stabilize the two flow vortices 22, 23.
  • the unspecified perforation of the second partition wall 18 may include first and second openings 38 and 39, each shielded with fins 40.
  • the guide surfaces 40 in each case project into the injection chamber 16.
  • the first openings 38 are arranged proximal to the channel wall 24. They are elongated and extend substantially in the circumferential direction. They are shielded by the fins 40 inwards.
  • the second openings 40 are arranged distally to the channel wall 24 and shielded by means of the guide surfaces 40 at a the injector connection 14 facing side.
  • the second openings 39 are also elongate, but rectilinear and parallel to each other.
  • the rectilinear, elongated second openings 39 extend transversely to the longitudinal center plane 27.
  • the second partition 18 is also designed mirror-symmetrically to the longitudinal center plane 27; However, it differs from the first partition 17.
  • the only optionally provided third partition wall 19 contains only one type of openings 41, each lying in the plane of the third partition wall 19 and define a uniform perforation in the example shown.
  • the third partition 19 is expediently a simple perforated plate.
  • the third partition wall 19 is thus configured in particular different from the first partition wall 17 and the second partition wall 18.
  • a non-uniform perforation is conceivable. on, so a perforation, the different openings with and / or without covers and / or vanes.
  • the three partitions 17, 18, 19 are each basically configured, wherein in the first partition wall 17 and the second partition 18 integral portions of the respective partition wall 17, 18 can be transformed and exhibited to form the individual openings or Strömungsleitkonturen ,
  • the first partition wall 17 extends substantially perpendicular to the longitudinal central axis 28 of the channel 13.
  • the third partition wall 19 extends suitably transversely to the longitudinal central axis 28 and thus parallel to the first partition wall 17
  • the second partition wall 18 is inclined to the first partition wall 17 and thus also inclined to the third partition wall 19.
  • the inclination of the first partition wall 17 to the second partition 18 is such that the injection chamber 17 tapers with increasing distance from the injector 14.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektionsabschnitt (12) einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kanal (13) zum Führen einer Abgasströmung (3), mit einem seitlich am Kanal (13) angeordneten Injektoranschluss (14), an den ein Injektor (15) zum Einbringen einer Flüssigkeit oder eines Gases in die Abgasströmung (3) anschließbar ist, und mit einer im Kanal (13) im Bereich des Injektoranschlusses (14) ausgebildeten Injektionskammer (16), die einerseits durch eine bezüglich der Abgasströmung (3) stromauf des Injektoranschlusses (14) im Kanal (13) angeordnete, perforierte und von der Abgasströmung (3) durchströmbare erste Trennwand (17) und andererseits durch eine bezüglich der Abgasströmung (3) stromab des Injektoranschlusses (14) im Kanal (13) angeordnete, perforierte und von der Abgasströmung (3) durchströmbare zweite Trennwand (18) begrenzt ist. Eine verbesserte Durchmischung und/oder Verdampfung wird erreicht, wenn eine Performation der ersten Trennwand (17) so ausgestaltet ist, dass sie bei einer Durchströmung der ersten Trennwand (17) innerhalb der Injektionskammer (16) wenigstens zwei Abgasteilströme (20, 21) erzeugt, die zwei gegenläufige Strömungswirbel (22, 23) ausbilden, wobei die beiden Abgasteilströme (20, 21) proximal zu einer die Injektionskammer (16) seitlich begrenzenden Kanalwand (24) separat strömen und distal zur Kanalwand (24) gemeinsam strömen.

Description

Katalysatoranordnung mit Injektionsabschnitt
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektionsabschnitt einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einem derartigen Injektionsabschnitt ausgestattete Katalysatoranlage für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine. Schließlich betrifft die Erfindung noch ein Verfahren zum Einbringen einer Flüssigkeit oder eines Gases in eine Abgasströmung einer Brennkraftmaschine.
Aus der WO 2010/146285 A1 ist eine Katalysatoranordnung bekannt, die ein rohrförmiges Gehäuse zum Führen einer Abgasströmung umfasst, das in einem Auslassabschnitt einen SCR-Katalysator enthält, wobei SCR für Selektive Cataly- tic Reduction steht. Das Gehäuse weist außerdem einen Einlassabschnitt auf, der bezüglich der Abgasströmung stromauf des Auslassabschnitts angeordnet ist und der einen Oxidationskatalysator enthält. Axial zwischen dem Einlassabschnitt und dem Auslassabschnitt ist ein Injektionsabschnitt angeordnet, wobei ein integral am Einlassabschnitt ausgebildeter weiterer Gehäuseabschnitt einen Kanal des Injektionsabschnitts definiert, der ebenfalls zum Führen der Abgasströmung dient. Im Injektionsabschnitt ist seitlich am Kanal ein Injektoranschluss angeordnet, an den ein Injektor zum seitlichen Einspritzen oder Eindüsen einer Flüssigkeit bzw. eines Gases in die Abgasströmung angeschlossen ist. Hierdurch wird eine seitliche Einspritzung der Flüssigkeit bewirkt, also eine Einspritzung, bei der eine Haupteinspritzrichtung gegenüber einer Axialrichtung des Kanals geneigt ist, vorzugsweise in einem Winkelbereich von 60° bis 120°, insbesondere in einem Winkelbereich von 85° bis 95° und zweckmäßig um etwa 90°. Im Kanal der Injektionskammer ist im Bereich des Injektoranschlusses eine Injektionskammer aus- gebildet, die einerseits durch eine bezüglich der Abgasströmung stromauf des Injektoranschlusses im Kanal angeordnete, perforierte und von der Abgasströmung durch ström bare erste Trennwand und andererseits durch eine bezüglich der Abgasströmung stromab des Injektionsanschlusses im Kanal angeordnete, perforierte und von der Abgasströmung durchströmbare zweite Trennwand begrenzt ist. Bei der bekannten Katalysatoranordnung sind die beiden Trennwände in Verbindung mit ihren Perforationen so ausgestaltet bzw. geformt, dass sich im Betrieb der Abgasanlage in der Injektionskammer eine Drall- bzw. Wirbel bzw. Rotationsströmung entsteht, bei der die gesamte Abgasströmung um die Längsmittelachse des Kanals rotiert. Hierdurch wird erreicht, dass ein Strömungspfad in der Injektionskammer, dem die Abgasströmung von der ersten Trennwand bis zur zweiten Trennwand folgt, um wenigstens 20% länger ist als ein Axialabstand zwischen Einlassabschnitt und Auslassabschnitt. Hierdurch wird eine Mischstrecke geschaffen, in der die eingespritzte Flüssigkeit verdampfen und sich mit der Abgasströmung durchmischen kann.
Bei einem SCR-System handelt es sich bei der eingespritzten Flüssigkeit um ein Reduktionsmittel. Bevorzugt wird hierbei derzeit eine wässrige Harnstofflösung, die mittels Thermolyse und Hydrolyse letztlich zu Ammoniak und Kohlendioxid umgewandelt wird, um im SCR-Katalysator angelagerte Stickoxide in Stickstoff und Wasser umzuwandeln. Von entscheidender Bedeutung für die Effizienz eines derartigen SCR-Systems ist einerseits eine möglichst vollständige Verdampfung des in flüssiger Form eingebrachten Reduktionsmittels. Andererseits muss auch eine möglichst intensive Durchmischung des verdampften Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom erzielt werden.
Alternativ kann bei modernen SCR-Systemen auch ein gasförmiges Reduktionsmittel eingedüst werden, bei dem es sich beispielsweise um gasförmiges Ammoniak handelt. Die Bevorratung kann in diesem Fall in Form von Feststoffkörpern erfolgen, die mittels, beispielsweise elektrisch zugeführter, Wärme verdampft werden, um das gasförmige Ammoniak zu generieren. Bei diesen sogenanten Amminex-Systemen steht das Ammoniak somit im Abgasstrom unmittelbar zur Verfügung, so dass es nur noch auf eine intensive Durchmischung mit dem Abgasstrom ankommt, da die Verdampfung bereits im Vorfeld, außerhalb des Abgasstroms erfolgt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Injektionsabschnitt der vorstehend genannten Art bzw. für eine damit ausgestattete Katalysatoranordnung sowie für ein Verfahren zum Einbringen einer Flüssigkeit in eine Abgasströmung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine effiziente Verdampfungswirkung und Durchmischung für die eingespritzte Flüssigkeit mit der Abgasströmung auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, im Injektionsraum zwei gegenläufige Strömungswirbel, die jeweils mit Hilfe eines Abgasteilstroms gebildet werden, zu erzeugen. Die beiden Strömungswirbel werden dabei im Injektionsraum so generiert, dass die beiden Abgasteilströme proximal zu einer den Injektionsraum seitlich begrenzenden Kanalwand separat strömen und distal zur Kanalwand gemeinsam bzw. vereint strömen. In dieses System gegenläufiger Strömungswirbel wird die Flüssigkeit bzw. das Gas seitlich eingespritzt bzw. ein- gedüst, wodurch sich eine intensive Durchmischung zwischen Reduktionsmittel und Abgas ergibt und bei einem flüssigen Reduktionsmittel außerdem eine effiziente Verdampfung der Flüssigkeit einstellt. Die Strömungswirbel führen einerseits zu einer gezielten Turbulenz innerhalb der Injektionskammer, was die Durchmischung zwischen eingebrachtem Reduktionsmittel und Abgasströmung verbes- sert. Andererseits verlängern die Strömungswirbel einen Abgaspfad, dem die Abgasströmung innerhalb der Injektionskammer folgt. Hierdurch wird somit die Verweildauer der Abgasströmung verlängert, wodurch mehr Zeit zum Verdampfen und/oder Durchmischen der eingespritzten Flüssigkeit bzw. des eingedüsten Gases zur Verfügung steht.
Konkret wird für den erfindungsgemäßen Injektionsabschnitt vorgeschlagen, eine Perforation der ersten Trennwand so auszugestalten, dass sie bei einer Durchströmung der ersten Trennwand innerhalb der Injektionskammer zumindest die beiden vorstehend genannten Abgasteilströme erzeugt, die zwei separate und gegenläufige Strömungswirbel ausbilden, derart, dass die beiden Teilströme entlang der Kanalwand separat strömen, also entlang separater Kanalwandabschnitte, während sie distal zur Kanalwand, also in einem mittleren Bereich der Injektionskammer, gemeinsam bzw. vereint strömen.
Unterstützt wird die Erzeugung eines derartigen Wirbelsystems durch eine im Wesentlichen zylindrische Formgebung für den Kanal, wodurch die Kanalwand in der Umfangsrichtung gekrümmt verläuft. Die Abgasteilströme strömen dadurch proximal zur Kanalwand entlang derselben auf einander zu, bis sie in einem Staubereich aufeinandertreffen und in das Innere der Injektionskammer abgelenkt werden, wo sie dann distal zur Kanalwand gemeinsam strömen. Ferner rotieren die Strömungswirbel bevorzugt um separate Wirbelachsen, die Parallel zur Längsmittelachse des Kanals verlaufen.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Perforation der ersten Trennwand symmetrisch zu einer Längsmittelebene des Kanals ausgestaltet ist, so dass sich bei einer Durchströmung der ersten Trennwand die beiden Strömungswirbel symmetrisch zu besagter Längsmittelebene ausbilden können. Durch ein symmetrisches Wirbelsystem kann einem symmetrischen Einspritz- strahl Rechnung getragen werden, der sich mit Hilfe eines entsprechenden Injektors besonders einfach herstellen lässt.
Zweckmäßig ist der Injektoranschluss entsprechend einer Weiterbildung in dieser Längsmittelebene angeordnet. Im montierten Zustand liegt dann eine Haupteinspritzrichtung des Injektors in der Längsmittelebene. Durch eine derartige symmetrische Anordnung lässt sich die Effizienz der Verdampfung bzw. der Durchmischung verbessern.
Bei einer anderen Ausführungsform können die beiden Abgasteilströme proximal zur Kanalwand jeweils vom Injektoranschluss wegströmen, während distal zur Kanalwand gemeinsam auf den Injektoranschluss zuströmen. Das bedeutet, dass die vereinten Abgasteilströme im Zentrum der Injektionskammer dem Einspritzstrahl entgegenströmen, was die Durchmischung und gegebenenfalls die Verdampfung signifikant verbessert.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Perforation der ersten Trennwand zum Erzeugen der Strömungswirbel Öffnungen aufweisen, die proximal zur Kanalwand angeordnet sind und die in der Injektionskammer jeweils eine vom Injektoranschluss abgewandte Austrittsfläche besitzen. Diese Öffnungen können im Folgenden auch als erste Öffnungen der ersten Trennwand bezeichnet werden. Somit treten die separaten Abgasteilströme in einer vom Injektoranschluss abgewandten Richtung aus den ersten Öffnungen aus, wodurch bereits die Strömungsrichtung zum Induzieren der Strömungswirbel vorgegeben ist.
Entsprechend einer Weiterbildung können die Austrittsflächen mittels integraler Wandabschnitte der ersten Trennwand gebildet sein, die von der übrigen ersten Trennwand in die Injektionskammer vorstehen. Hierdurch sind die Austrittsflächen durch die vorstehenden Wandabschnitte gegenüber einem Einspritzstrahl abgeschirmt, so dass der Einspritzstrahl nicht durch die ersten Öffnungen hindurch aus der Injektionskammer austreten kann.
Bei einer anderen Weiterbildung können die ersten Öffnungen an einer vom Injektionsraum abgewandten Anströmseite der ersten Trennwand jeweils eine dem Injektoranschluss zugewandte Eintrittsfläche besitzen. Hierdurch wird erreicht, dass die Abgasteilströme nur in einer vom Injektoranschluss wegführenden Richtung durch die Eintrittsfläche in die jeweilige erste Öffnung einströmen können, wodurch eine zur Wirbelbildung benötigte bevorzugte Strömungsrichtung vorgegeben wird.
Zweckmäßig können die Eintrittsflächen mittels integraler Wandabschnitte der ersten Trennwand gebildet sein, die an der Anströmseite von der übrigen ersten Trennwand abstehen. Die Wandabschnitte an den Eintrittsflächen und an den Austrittsflächen können eine Kanalisierung der durch sie hindurchtretenden Abgasteilströme erzeugen, was die Wirbelbildung unterstützt. Ferner lassen sich integrale Wandabschnitte besonders einfach aus einem, vorzugsweise ebenen, Blechkörper ausstellen, um dadurch gleichzeitig die gewünschten ersten Öffnungen zu bilden.
Die ersten Öffnungen der Perforation der ersten Trennwand sind zweckmäßig proximal zur Kanalwand in der ersten Trennwand ausgebildet. Dabei sind sie zweckmäßig in der Umfangsrichtung voneinander beabstandet.
Darüber hinaus kann die Perforation der ersten Trennwand gemäß einer anderen Ausführungsform mehrere weitere oder zweite Öffnungen aufweisen, die distal zur Kanalwand angeordnet sind. Die zweiten Öffnungen befinden sich somit zwischen den ersten Öffnungen. Diese anderen oder zweiten Öffnungen sind gezielt so gestaltet, dass sie in der Injektionskammer eine auf den Injektoranschluss zu strömende Gasströmung erzeugen. Hierzu können diese zweiten Öffnungen dem Injektoranschluss zugewandte Austrittsflächen und vom Injektoranschluss abgewandte Eintrittsflächen besitzen. Den zweiten Öffnungen können ferner integral an der ersten Trennwand ausgebildete Wandabschnitte zugeordnet sein, die in die Injektionskammer vorstehen, um beim Durchtritt durch die zweiten Öffnungen eine Umlenkung der im Wesentlichen axial ankommenden Abgasströmung in Richtung zum Injektoranschluss zu bewirken. Außerdem können Abschirmbleche vorgesehen sein, die ebenfalls in die Injektionskammer vorstehen und integral an der ersten Trennwand ausgebildet sind. Diese Abschirmbleche sind jedoch so angeordnet, dass sie den Injektionsstrahl daran hindern, direkt durch die zweiten Öffnungen aus der Injektionskammer auszutreten. Zweckmäßig können die zweiten Öffnungen in einer Injektionsrichtung, in welcher der Injektor in Betrieb die jeweilige Flüssigkeit hauptsächlich eindüst, hintereinander angeordnet sein. Diese weiteren oder zweiten Öffnungen unterstützen somit die Wirbelbildung in der Injektionskammer.
Bei einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Perforation der ersten Trennwand zum Erzeugen der Strömungswirbel außerdem andere (oder dritte) Öffnungen aufweist, die parallel zu einer Längsmittelachse des Kanals durchströmbar sind. Während die ersten Öffnungen und die gegebenenfalls vorhandenen weiteren oder zweiten Öffnungen jeweils nur geneigt zur Längsmittelachse des Kanals durchströmbar sind, um die Wirbelbildung zu erzwingen, können die bezüglich der Längsmittelachse axial durchströmbaren anderen oder dritten Öffnungen in der Injektionskammer axiale Teilströme generieren, die zur Stabilisierung der beiden Strömungswirbel beitragen.
Gemäß einer Weiterbildung können zumindest einige der anderen oder dritten Öffnungen zwischen den ersten Öffnungen und den zweiten Öffnungen angeordnet sein, wodurch die durch sie hindurch strömenden Teilströme die wandnahen Strömungsbereiche der beiden Wirbel von wandfernen, entgegengesetzt strömenden Strömungsbereichen der Wirbel separieren, was die beiden Wirbel stabilisiert.
Ferner kann gemäß einer anderen Weiterbildung vorgesehen sein, dass die anderen oder dritten Öffnungen in der Ebene der ersten Trennwand liegen. Bei einer ebenen ersten Trennwand und einer senkrecht zur Längsmittelachse des Kanals ausgerichteten ersten Trennwand ergibt sich durch diese Ausgestaltung selbsttätig eine axiale Durchströmung dieser anderen oder dritten Öffnungen, was deren Herstellung extrem vereinfacht.
Eine andere vorteilhafte Wieterbildung sieht vor, dass einige oder alle der anderen oder dritten Öffnungen in zwei separaten Bereichen angeordnet sind, durch die sich jeweils eine Wirbelachse erstreckt, um die der jeweilige Strömungswirbel rotiert. Somit befinden sich die mithilfe der anderen oder dritten Öffnungen generierten Teilströme im Zentrum oder Auge des jeweiligen Wirbels, um diesen zu stabilisieren. Die Strömungswirbel rotieren somit um die stabilisierenden axialen Teilströme.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass einige der anderen oder dritten Öffnungen in einem zum Injektoranschluss proximalen Bereich angeordnet sind. Dort können die damit generierten Teilströme in der Injektionskammer die Aufteilung der Abgasströmung in zwei separate wandnahe Abgasteilströme zur Wirbelbildung unterstützen, indem sie die beiden Abgasteilströme voneinander wegtreiben.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass einige der anderen oder dritten Öffnungen in einem zum Injektoranschluss distalen Bereich angeordnet sind. Dort können die damit generierten Teilströme in der Injektionskammer die aufeinander zu strömenden wandnahen Abgasteilströme getrennt halten, um deren wandferne Rückströmung zu unterstützen.
Des Weiteren kann bei einer anderen Ausführungsform vorgesehen sein, dass eine Perforation der zweiten Trennwand Öffnungen aufweist, die mit Leitflächen abgeschirmt sind, die in den Injektionsraum vorstehen. Durch die abgeschirmten Öffnungen wird eine direkte Durchströmung der zweiten Trennwand vermieden, da zusätzliche Strömungsumlenkungen erforderlich sind, die jeweils zur Durchmischung von verdampfter Flüssigkeit bzw. von Gas und Abgasströmung beitragen.
Gemäß einer Weiterbildung können die Öffnungen der Perforation der zweiten Trennwand erste Öffnungen aufweisen, die proximal zur Kanalwand angeordnet sind, die länglich sind, die sich im Wesentlichen in der Umfangsrichtung erstrecken und die nach radial innen durch die jeweilige Leitfläche abgeschirmt sind. Hierdurch wird erreicht, dass die proximal zur Kanalwand strömenden Bereiche der Strömungswirbel nicht direkt durch die ersten Öffnungen hindurchtreten können.
Bei einer anderen Weiterbildung können die Öffnungen der Perforation der zweiten Trennwand zweite Öffnungen aufweisen, die distal zur Kanalwand angeordnet sind und die zum Injektoranschluss mit der jeweiligen Leitfläche abgeschirmt sind. Darüber hinaus sind die zweiten Öffnungen bevorzugt ebenfalls länglich, wobei sie sich jedoch parallel zueinander erstrecken. Durch die Abschirmung der zweiten Öffnungen in Richtung zum Injektoranschluss kann die distal zur Kanalwand strömende gemeinsame Strömung der beiden Strömungswirbel besonders leicht durch diese zweiten Öffnungen hindurchtreten, was am Ende der Wirbelbewegung erwünscht ist und insgesamt den Durchströmungswiderstand des Injektionsabschnitts reduziert. Die Abschirmung der Öffnungen der Perforation der zweiten Trennwand verhindert außerdem ein direktes Durchtreten des Einspritzstrahls durch die zweite Trennwand. Dies unterstützt die Verwirbelung und Durchmischung. Die Leitflächen können dabei insbesondere auch als Aufprallflächen dienen, auf die die eingespritzte Flüssigkeit auftreffen kann, was die Verdampfung der Flüssigkeit unterstützt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann sich die erste Trennwand im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsmittelachse des Kanals erstrecken. Hierdurch baut der Injektionsabschnitt in der Axialrichtung vergleichsweise kompakt.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die zweite Trennwand relativ zur ersten Trennwand geneigt sein, und zwar derart, dass sich die Injektionskammer mit zunehmendem Abstand vom Injektoranschluss verjüngt. Im Unterschied dazu weitet sich der Injektionsstrahl mit zunehmendem Abstand vom Injektoranschluss, insbesondere kegelförmig auf, wodurch sich insgesamt eine intensive Durchmischung und gegebenenfalls eine verbesserte Verdampfung einstellt.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann optional eine perforierte, von der Abgasströmung durch ström bare dritte Trennwand vorgesehen sein, die bezüglich der Abgasströmung stromab der zweiten Trennwand angeordnet ist. Diese zusätzliche dritte Trennwand kann einerseits dazu genutzt werden, die Gefahr eines Austritts unverdampfter Flüssigkeit aus dem Injektionsabschnitt zu reduzieren. Andererseits kann bei entsprechender Gestaltung einer Perforation der dritten Trennwand eine Strömungsberuhigung und Homogenisierung erzielt werden, was insbesondere innerhalb einer Katalysatoranordnung zu einer verbesserten Anströmung eines gegebenenfalls nachgeordneten Katalysa- tors führt. Beispielsweise kann die dritte Trennwand durch ein einfaches Lochblech gebildet sein, bei dem eine Vielzahl vergleichsweise kleiner Durchtrittsöff- nungen vorgesehen ist, die gleichförmig auf die gesamte Fläche der dritten Trennwand verteilt sind. Insbesondere sind bei der dritten Trennwand keine Leitflächen und dergleichen an den Öffnungen der Perforation vorgesehen. Alternativ kann auch die dritte Trennwand mit Leitflächen ausgestattet sein, um die Durchströmung der Perforation der dritten Trennwand gezielt zu führen. Zweckmäßig erstreckt sich die dritte Trennwand in einer Ebene, die senkrecht zur Längsmittelachse des Kanals verläuft. In dieser Ebene liegen dann auch die Durchtrittsöffnungen.
Eine erfindungsgemäße Katalysatoranordnung umfasst ein rohrförmiges Gehäuse zum Führen einer Abgasströmung, das in einem Auslassabschnitt einen SCR- Katalysator enthält. Ferner ist die Katalysatoranordnung mit einem Injektionsabschnitt der vorstehend beschriebenen Art ausgestattet, der bezüglich der Abgasströmung stromauf an den Auslassabschnitt anschließt. Der Injektionsabschnitt bildet dabei eine komplett vormontierbare separate Baugruppe, die an das Gehäuse der Katalysatoranordnung angebaut oder darin eingebaut werden kann. Beispielsweise kann der Kanal des Injektionsabschnitts in einen dafür vorgesehenen Gehäuseabschnitt des Gehäuses eingesetzt werden, so dass sich Gehäuse und Kanal axial überlappen und radial benachbart sind.
Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei welcher der Kanal des Injektionsabschnitts seinerseits einen separaten Abschnitt des Gehäuses der Katalysatoranordnung bildet. In diesem Fall schließen der Kanal und der Auslassabschnitt axial aneinander an.
Bei einer anderen Ausführungsform kann das Gehäuse einen Einlassabschnitt aufweisen, der bezüglich des Auslassabschnitts stromauf an den Injektionsab- schnitt anschließt und der einen Oxidationskatalysator enthält. Bevorzugt ist auch hier eine Bauform, bei welcher das gemeinsame Gehäuse der Katalysatoranordnung zumindest drei Gehäuseabschnitte besitzt, die axial aneinander anschließen, nämlich den Einlassabschnitt und den Auslassabschnitt sowie den dazwischen angeordneten, durch den Kanal des Injektionsabschnitts gebildeten Gehäuseabschnitt.
Denkbar ist auch eine Ausführungsform, bei welcher der Kanal des Injektionsabschnitts einen anderen, vorzugsweise einen größeren, durchströmbaren Querschnitt besitzt als der Auslassabschnitt und/oder der Einlassabschnitt des Gehäuses. Hierdurch lassen sich die Wirbel mit besonders großen Durchmessern verwirklichen, was eine intensive Durchmischung begünstigt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einbringen einer Flüssigkeit oder eines Gases in eine Abgasströmung einer Brennkraftmaschine geht davon aus, dass eine Flüssigkeit bzw. ein Gas bezogen auf eine Abgasströmung seitlich in eine Injektionskammer eingespritzt bzw. eingedüst wird, durch welche die Abgasströmung hindurchströmt. In dieser Injektionskammer werden dann zwei gegenläufige Strömungswirbel erzeugt, die jeweils aus einem Abgasteilstrom bestehen. Die Strömungswirbel werden dabei so erzeugt, dass die beiden Abgasteilströme proximal zu einer die Injektionskammer seitlich begrenzenden Kanalwand separat und entlang der Kanalwand aufeinander zu strömen und distal zur Kanalwand gemeinsam und vereint strömen. Die Wirbel besitzen dadurch einen vergleichsweise großen Querschnitt, wodurch sie relativ viel kinetische Energie enthalten, was die Durchmischung verbessert.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer Katalysatoranordnung mit transparenten Komponenten,
Fig. 2 eine isometrische Ansicht eines Injektionsabschnitts der Katalysatoranordnung, wobei jedoch nur Trennwände des Injektionsabschnitts dargestellt sind,
Fig. 3 eine Seitenansicht des Injektionsabschnitts, wobei nur die Trennwände und ein Injektoranschluss dargestellt sind,
Fig. 4 eine Axialansicht einer ersten Trennwand des Injektionsabschnitts mit Strömungspfeilen.
Entsprechend Fig. 1 umfasst eine Katalysatoranordnung 1 , die für eine Verwendung in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist, ein rohrförmiges, vorzugsweise zylindrisches Gehäu- se 2, das zum Führen einer in Fig. 1 durch Pfeile angedeuteten Abgasströmung 3 dient. Das Gehäuse 2 besitzt einen Einlassabschnitt 4, einen Auslassabschnitt 5 und einen mittleren Gehäuseabschnitt 6, der bezüglich einer Längsmittelachse 7 des Gehäuses 2 axial zwischen dem Einlassabschnitt 4 und dem Auslassabschnitt 5 angeordnet ist. Der Einlassabschnitt 4 ist fluidisch mit einem Gehäu- seeinlass 8 verbunden und enthält z.B. einen Oxidationskatalysator 9. Der Einlassabschnitt 4 könnte auch einen Mischer enthalten, beispielsweise um zusätzlich eingespritze bzw. eingedüste Kohlenwasserstoffe mit der Abgasströmung 3 zu durchmischen. Der Auslassabschnitt 5 ist fluidisch mit einem Gehäuseauslass 10 verbunden und enthält einen SCR-Katalysator 1 1 . Im mittleren Gehäuseabschnitt 6 ist ein Injektionsabschnitt 12 ausgebildet, mit dessen Hilfe ein flüssiges Reduktionsmittel, vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung, oder ein gasförmiges Reduktionsmittel, vorzugsweise Ammoniakgas, stromauf des SCR- Katalysators 1 1 und stromab des Oxidationskatalysators 9 in das Gehäuse 2 eingebracht werden kann.
Entsprechend den Fig. 1 bis 4 umfasst ein derartiger Injektionsabschnitt 12 einen Kanal 13 zum Führen der Abgasströmung 3. Der Kanal 13 ist hier als zylindrisches Rohrstück ausgestaltet, das gleichzeitig den mittleren Gehäuseabschnitt 6 des Gehäuses 2 der Katalysatoranordnung 1 bildet. Der Injektionsabschnitt 12 umfasst ferner einen seitlich am Kanal 13 angeordneten Injektoranschluss 14, an den ein in den Fig. 1 und 3 mit unterbrochener Linie angedeuteter Injektor 15 angeschlossen ist, um die jeweilige Flüssigkeit in die Abgasströmung 3 einspritzen zu können.
Der Kanal 13 enthält im Bereich des Injektoranschlusses 14 eine Injektionskammer 16, in die der Injektor 15 im Betrieb das Reduktionsmittel einspritzt bzw. ein- düst. Die Injektionskammer 16 ist bezogen auf die Abgasströmung 3 stromauf des Injektoranschlusses 14 durch eine erste Trennwand 17 und stromab des In- jektoranschlusses 14 durch eine zweite Trennwand 18 begrenzt. Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist außerdem rein optional eine dritte Trennwand 19 vorgesehen, die stromab der zweiten Trennwand 18 im Kanal 13 angeordnet ist. Bei den Trennwänden 17, 18, 19 handelt es sich dabei um separate Bauteile, die zweckmäßig jeweils als Blechform körper ausgestaltet sind. Die Trennwände 17, 18, 19 erstrecken sich jeweils über den gesamten Querschnitt des Kanals 13, sie sind perforiert und dementsprechend von der Abgasströmung 3 durchströmbar.
Eine nicht näher bezeichnete Perforation der ersten Trennwand 17 ist dabei so ausgestaltet, dass sie bei einer Durchströmung der ersten Trennwand 17 zumindest zwei Abgasteilströme 20, 21 erzeugt, die in Fig. 4 durch Pfeile angedeutet sind. Dabei werden diese Abgasteilströme 20, 21 so erzeugt, dass sie in der Injektionskammer 16 zwei separate und gegenläufige Strömungswirbel 22 bzw. 23 ausbilden. Durch die Strömungswirbel 22, 23 strömen die beiden Abgasteilströme 20, 21 in einem proximal zu einer Kanalwand 24 verlaufenden Bereich 25 separat voneinander, während sie in einem distal zur Kanalwand 24 verlaufenden Bereich 26 weitgehend gemeinsam strömen. Die Kanalwand 24 begrenzt die Injektionskammer 16 seitlich, erstreckt sich in der Umfangsrichtung und bildet dadurch den Kanal 13. Die beiden Strömungswirbel 22, 23 rotieren dabei um separate Wirbelachsen 42, 43, die parallel zueinander verlaufen.
Die Perforation der ersten Trennwand 17 ist bezüglich einer Längsmittelebene 27 des Kanals 13 symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch, ausgestaltet. Die Längsmittelebene 27 enthält eine Längsmittelachse 28 des Kanals 13, die innerhalb der Katalysatoranordnung 1 mit der Längsmittelachse 7 des Gehäuses 2 zusammenfällt. Durch die Symmetrie der Perforation der ersten Trennwand 17 werden auch die beiden Strömungswirbel 22, 23 symmetrisch zur Längsmittelebene 27 ausgebildet. Bevorzugt erstrecken sich die Wirbelachsen 42, 43 parallel zur Längsmittelachse 28 des Kanals 13. Die erste Trennwand 17 ist im Kanal 13 bevorzugt so angeordnet, dass sich der Injektoranschluss 14 in der Längsmittelebene 27, also in der Symmetrieebene der ersten Trennwand 17 befindet. Zur Veranschaulichung ist in Fig. 4 die Position des Injektoranschlusses 14 mit unterbrochener Linie angedeutet. Vorzugsweise liegt eine in Fig. 3 angedeutete Haupteinspritzrichtung 29 eines Einspritzstrahls 30 des Injektors 15 in der Längsmittelebene 27. Der Einspritzstrahl 30 ist hier kegelförmig konzipiert, so dass auch von einem Einspritzkegel gesprochen werden kann. Es ist klar, dass für den Einspritzstrahl 30 auch beliebige andere Geometrien realisierbar sind.
Ferner ist die symmetrische erste Trennwand 17 im Kanal 13 so positioniert, dass die beiden Abgasteilströme 20, 21 proximal zur Kanalwand 24, also in den proximalen Bereichen 25 jeweils vom Injektoranschluss 14 wegströmen, während sie in distalen Bereichen 26 gemeinsam auf den Injektoranschluss 14 zuströmen.
Wie sich insbesondere den Fig. 2 bis 4 entnehmen lässt, besitzt die Perforation der ersten Trennwand 17 zum Erzeugen der Strömungswirbel 22, 23 erste Öffnungen 31 , die proximal zur Kanalwand 24 angeordnet sind und die in der Injektionskammer 16, also an einer Abströmseite der ersten Trennwand 17 jeweils eine vom Injektoranschluss 14 abgewandte Austrittsfläche 32 besitzen. Die Austrittsflächen 32 sind dabei mittels integral an der ersten Trennwand 17 ausgebildete Wandabschnitte 33 geformt, die von der übrigen ersten Trennwand 17 in die Injektionskammer 16 vorstehen. Ferner besitzen diese erste Öffnungen 31 an einer von der Injektionskammer 16 abgewandten Anströmseite der ersten Trennwand 17 jeweils eine dem Injektoranschluss 14 zugewandte Eintrittsfläche 34. Diese können zweckmäßig mit Hilfe von Wandabschnitten 35 gebildet sein, die ebenfalls integral an der ersten Trennwand 17 ausgeformt sind und die an der Anströmseite von der übrigen ersten Trennwand 17 abstehen. Wie sich den Fig. 2 und 4 entnehmen lässt, besitzt die Perforation der ersten Trennwand 17 außerdem weitere oder zweite Öffnungen 36, die ebenfalls über dem Injektoranschluss 14 zugewandte Eintrittsflächen und vom Injektoranschluss 14 abgewandte Austrittsflächen verfügen. Dabei befinden sich auch hier die Eintrittsflächen an der von der Injektionskammer 16 abgewandten Seite, während die Austrittsflächen innerhalb der Injektionskammer 16 angeordnet sind. Während sich die ersten Öffnungen 31 proximal zur Kanalwand 13 in der Umfangsrichtung verteilt erstrecken, sind die zweiten Öffnungen 36 distal zur Kanalwand 24 geradlinig hintereinander angeordnet, und zwar bevorzugt in der Längsmittelebene 27.
Wie sich den Fig. 2 und 4 ferner entnehmen lässt, kann die Perforation der ersten Trennwand 17 außerdem andere oder dritte Öffnungen 37 aufweisen, die parallel zur Längsmittelachse 28 des Kanals 13 durchströmbar sind und dadurch in der Injektionskammer 16 axiale Teilströme erzeugen. Sämtliche dritte Öffnungen 37 liegen in der Ebene der ersten Trennwand 17.
Einige der dritten Öffnungen 37 sind dabei distal zur Kanalwand 24 zwischen den ersten Öffnungen 31 und den zweiten Öffnungen 36 angeordnet. Ferner sind diese dritten Öffnungen 37 in zwei separaten Bereichen angeordnet, nämlich in einem ersten Bereich 45 und in einem zwieten Bereich 46. Durch den ersten Bereich 45 erstreckt sich eine Wirbelachse 42 des ersten Strömungswirbels 22, um die der erste Strömungswirbel rotiert. Durch den zweiten Bereich 46 erstreckt sich eine zweite Wirbelachse 43 des zweiten Strömungswirbels 23, um die der zweite Strömungswirbel 23 rotiert. Weitere dritte Öffnungen 37 liegen in einem zum Injektoranschluss 14 proximalen Bereich 47 und weitere dritte Öffnungen liegen in einem zum Injektoranschluss 14 distalen Bereich 48. Die dritten Öffnungen 37 des proximalen Bereichs 47 unterstützen die Separation der beiden Abgasteilströme, um jeweils einen wandnahen Strömungsbereich 25 des jeweiligen Strömungswirbels 22, 23 zu bilden. Die dritten Öffnungen 37 des distalen Be- reichs 48 verhindern eine Wiedervereinigung der beiden aufeinander zu strömenden wandnahen Strömungsbereiche 25 und unterstützen dadurch die Ausbildung der wandfernen bzw. zentralen Rückströmbereiche 26 der Strömungswirbel 22, 23. Die dritten Öffnungen 37 der zentralen Bereiche 45 und 46 trennen die wandnahen Strömungsbereiche 25 von den wandfernen Strömungsbereichen 26 und stabilisieren dadurch die beiden Strömungswirbel 22, 23.
Gemäß den Fig. 2 und 3 kann die nicht näher bezeichnete Perforation der zweiten Trennwand 18 erste und zweite Öffnungen 38 und 39 umfassen, die jeweils mit Leitflächen 40 abgeschirmt sind. Die Leitflächen 40 stehen dabei jeweils in die Injektionskammer 16 vor. Die ersten Öffnungen 38 sind dabei proximal zur Kanalwand 24 angeordnet. Sie sind länglich und erstrecken sich im Wesentlichen in der Umfangsrichtung. Sie sind durch die Leitflächen 40 nach innen abgeschirmt. Im Unterschied dazu sind die zweiten Öffnungen 40 distal zur Kanalwand 24 angeordnet und mit Hilfe der Leitflächen 40 an einer dem Injektoran- schluss 14 zugewandten Seite abgeschirmt. Die zweiten Öffnungen 39 sind ebenfalls länglich, dafür geradlinig und verlaufen dabei parallel zueinander. Die geradlinigen, länglichen zweiten Öffnungen 39 erstrecken sich dabei quer zur Längsmittelebene 27. Die zweite Trennwand 18 ist ebenfalls spiegelsymmetrisch zur Längsmittelebene 27 ausgestaltet; sie unterscheidet sich jedoch von der ersten Trennwand 17.
Die nur optional vorgesehene dritte Trennwand 19 enthält nur eine Art von Öffnungen 41 , die jeweils in der Ebene der dritten Trennwand 19 liegen und die im gezeigten Beispiel eine gleichförmige Perforation definieren. Die dritte Trennwand 19 ist dabei zweckmäßig ein einfaches Lochblech. Die dritte Trennwand 19 ist somit insbesondere verschieden zur ersten Trennwand 17 und zur zweiten Trennwand 18 ausgestaltet. Auch hier ist denkbar eine ungleichförmige Perforati- on vorzusehen, also eine Perforation, die verschiedene Öffnungen mit und/oder ohne Abdeckungen und/oder Leitflächen.
Die drei Trennwände 17, 18, 19 sind jeweils grundsätzlich eben konfiguriert, wobei bei der ersten Trennwand 17 und bei der zweiten Trennwand 18 integrale Abschnitte der jeweiligen Trennwand 17, 18 umgeformt und ausgestellt werden können, um die einzelnen Öffnungen bzw. die Strömungsleitkonturen zu bilden.
Die erste Trennwand 17 erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zur Längsmittelachse 28 des Kanals 13. Auch die dritte Trennwand 19 erstreckt sich zweckmäßig quer zur Längsmittelachse 28 und somit parallel zur ersten Trennwand 17 Im Unterschied dazu verläuft die zweite Trennwand 18 geneigt zu der ersten Trennwand 17 und somit auch geneigt zur dritten Trennwand 19. Die Neigung der ersten Trennwand 17 zur zweiten Trennwand 18 ist dabei derart, dass sich die Injektionskammer 17 mit zunehmendem Abstand vom Injektoranschluss 14 verjüngt.

Claims

Ansprüche
1 . Injektionsabschnitt einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine,
- mit einem Kanal (13) zum Führen einer Abgasströmung (3),
- mit einem seitlich am Kanal (13) angeordneten Injektoranschluss (14), an den ein Injektor (15) zum Einbringen einer Flüssigkeit oder eines Gases in die Abgasströmung (3) anschließbar ist,
- mit einer im Kanal (13) im Bereich des Injektoranschlusses (14) ausgebildeten Injektionskammer (16), die einerseits durch eine bezüglich der Abgasströmung (3) stromauf des Injektoranschlusses (14) im Kanal (13) angeordnete, perforierte und von der Abgasströmung (3) durch ström bare erste Trennwand (17) und andererseits durch eine bezüglich der Abgasströmung (3) stromab des Injektoranschlusses (14) im Kanal (13) angeordnete, perforierte und von der Abgasströmung (3) durch ström bare zweite Trennwand (18) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Perforation der ersten Trennwand (17) so ausgestaltet ist, dass sie bei einer Durchströmung der ersten Trennwand (17) innerhalb der Injektionskammer (16) wenigstens zwei Abgasteilströme (20, 21 ) erzeugt, die zwei gegenläufige Strömungswirbel (22, 23) ausbilden,
- dass die beiden Abgasteilströme (20, 21 ) proximal zu einer die Injektionskammer (16) seitlich begrenzenden Kanalwand (24) separat strömen und distal zur Kanalwand (24) gemeinsam strömen.
2. Injektionsabschnitt nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Perforation der ersten Trennwand (17) symmetrisch zu einer Längsmittelebene (27) des Kanals (13) ausgestaltet ist, so dass sich bei einer Durchströmung der ersten Trennwand (17) die beiden Strömungswirbel (22, 23) symmetrisch zur Längsmittelebene (27) ausbilden.
3. Injektionsabschnitt nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Injektoranschluss (14) in dieser Längsmittelebene (27) angeordnet ist.
4. Injektionsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Abgasteilströme (20, 21 ) proximal zur Kanalwand (24) jeweils vom Injektoranschluss (14) wegströmen und distal zur Kanalwand (24) gemeinsam auf den Injektoranschluss (14) zuströmen.
5. Injektionsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Perforation der ersten Trennwand (17) zum Erzeugen der Strömungswirbel (22, 23) (erste) Öffnungen (31 ) aufweist, die proximal zur Kanalwand (24) angeordnet sind und die in der Injektionskammer (16) jeweils eine vom Injektoranschluss (14) abgewandte Austrittsfläche (32) besitzen.
6. Injektionsabschnitt nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Perforation der ersten Trennwand (17) zum Erzeugen der Strömungswirbel (22, 23) außerdem weitere (oder zweite) Öffnungen (36) aufweist, die distal zur Kanalwand (24) angeordnet sind und die in der Injektionskammer (16) jeweils eine dem Injektoranschluss (14) zugewandte Eintrittsfläche (44) besitzen.
7. Injektionsabschnitt nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Perforation der ersten Trennwand (17) zum Erzeugen der Strömungswirbel (22, 23) außerdem andere (oder dritte) Öffnungen (37) aufweist, die parallel zu einer Längsmittelachse (28) des Kanals (13) durchströmbar sind.
8. Injektionsabschnitt nach den Ansprüchen 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest einige der anderen (oder dritten) Öffnungen (37) zwischen den ersten Öffnungen (31 ) und den zweiten Öffnungen (36) angeordnet sind.
9. Injektionsabschnitt nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die anderen (oder dritten) Öffnungen (37) in der Ebene der ersten Trennwand (17) liegen.
10. Injektionsabschnitt nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
- dass einige oder alle der anderen (oder dritten) Öffnungen (37) in zwei separaten Bereichen (45, 46) angeordnet sind, durch die sich jeweils eine Wirbelachse (42, 43) erstreckt, um die der jeweilige Strömungswirbel (22, 23) rotiert, und/oder
- dass einige der anderen (oder dritten) Öffnungen (37) in einem zum Injektor- anschluss (14) proximalen Bereich (47) und/oder in einem zum Injektoran- schluss (14) distalen Bereich (48) angeordnet sind.
1 1 . Injektionsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Perforation der zweiten Trennwand (18) Öffnungen (38, 39) aufweist, die mit Leitflächen (40) abgeschirmt sind, die in die Injektionskammer (16) vorstehen.
12. Injektionsabschnitt nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Öffnungen der Perforation der zweiten Trennwand (18) erste Öffnungen (38) aufweisen, die proximal zur Kanalwand (24) angeordnet sind, die länglich sind, die sich im Wesentlichen in der Umfangsrichtung erstrecken und die nach radial innen durch die jeweilige Leitfläche (40) abgeschirmt sind, und/oder
- dass die Öffnungen der Perforation der zweiten Trennwand (18) zweite Öffnungen (39) aufweisen, die distal zur Kanalwand (24) angeordnet sind und die zum Injektoranschluss (14) mit der jeweiligen Leitfläche (40) abgeschirmt sind.
13. Injektionsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Trennwand (18) relativ zu ersten Trennwand (17) geneigt ist, derart, dass sich die Injektionskammer (16) mit zunehmendem Abstand vom Injektoranschluss (14) verjüngt.
14. Injektionsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine perforierte, von der Abgasströmung (3) durchströmbare dritte Trennwand (19) vorgesehen ist, die bezüglich der Abgasströmung (3) stromab der zweiten Trennwand (18) angeordnet ist.
15. Katalysatoranordnung für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, - mit einem rohrförmigen Gehäuse (2) zum Führen einer Abgasströmung (3), das in einem Auslassabschnitt (5) einen SCR-Katalysator (1 1 ) enthält,
- mit einem Injektionsabschnitt (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 14-, der bezüglich der Abgasströmung (3) stromauf des SCR-Katalysators (1 1 ) angeordnet ist.
16. Verfahren zum Einbringen einer Flüssigkeit oder eines Gases in eine Abgasströmung (3) einer Brennkraftmaschine,
- bei dem die Flüssigkeit oder das Gas seitlich in eine von der Abgasströmung (3) durch ström bare Injektionskammer (16) eingespritzt wird,
- bei dem in der Injektionskammer (16) zwei Strömungswirbel (22, 23) aus je einem Abgasteilstrom (20, 21 ) erzeugt werden,
- bei dem die Abgasteilströme (20, 21 ) proximal zu einer die Injektionskammer (16) seitlich begrenzenden Kanalwand (24) separat strömen und distal zur Kanalwand (24) gemeinsam strömen.
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