DE102011015772A1

DE102011015772A1 - Abgasanlage für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102011015772A1
Application number: DE102011015772A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Pepe Antonio; Giuseppe Solazzo
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2012-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage (10) für ein Fahrzeug, mit einem Einlass (14), über welchen ein Reduktionsmittel (16) für die Abgasnachbehandlung in das Abgas einbringbar ist. Stromabwärts des Einlasses (14) ist ein Entkoppelelement (22) vorgesehen, mittels welchem eine Übertragung von Schwingungen auf Komponenten (24) der Abgasanlage (10) verringerbar ist. Bevorzugt weist die Abgasanlage (10) im Bereich des Entkoppelelements (22) ein Innenrohr (26) auf, wobei mittels Verschlussklappen (28, 30) ein Einströmen von Abgas in einen zwischen dem Innenrohr (26) und dem Entkoppelelement (22) ausgebildeten Zwischenraum (32) verhindert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für ein Fahrzeug. Die Abgasanlage weist einen Einlass auf, über welchen ein Reduktionsmittel für die Abgasnachbehandlung in das Abgas einbringbar ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zum Verringern des Stickoxidgehalts in das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs eine wässrige Harnstofflösung einzudosieren. Diese Zudosierung erfolgt an einem Einlass in die Abgasanlage. Im heißen Abgas wird der Harnstoff zu Ammoniak umgesetzt, welcher dann in einem nachgeschalteten SCR-Katalysator (SCR = selective catalytic reduction, selektive katalytische Reduktion) mit den Stickoxiden des Abgases zu Stickstoff und Wasser reagiert. Anstelle einer Harnstofflösung kann auch eine Ammoniak enthaltende Lösung als Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Abgasanlage der eingangs genannten Art zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage für ein Fahrzeug umfasst einen Einlass, über welchen ein Reduktionsmittel für die Abgasnachbehandlung in das Abgas einbringbar ist. Stromabwärts des Einlasses ist ein Entkoppelelement vorgesehen, mittels welchem eine Übertragung von Schwingungen auf Komponenten der Abgasanlage verringerbar ist. Dies führt zu einem erhöhten Komfort, da Schwingungen und Körperschall durch das Entkoppelelement gedämpft werden. Zugleich lässt das Entkoppelelement ein Kompensieren von Wärmedehnungen und Wärmespannungen zu.
Bevorzugt weist die Abgasanlage im Bereich des Entkoppelelements ein Innenrohr auf, wobei wenigstens ein Verschlusselement vorgesehen ist, mittels welchem ein Einströmen von Abgas in einen zwischen dem Innenrohr und dem Entkoppelelement ausgebildeten Zwischenraum zumindest weitgehend unterbindbar ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei vergleichsweise niedriger Abgastemperatur das Einbringen des Reduktionsmittels für die Abgasnachbehandlung zur Bildung von Ablagerungen führen kann. Beispielsweise kann bei Verwendung einer wässrigen Harnstofflösung als Reduktionsmittel der Harnstoff auskristallisieren, wenn keine ausreichend hohe Temperatur vorliegt, um in einer Hydrolysereaktion Ammoniak aus dem Harnstoff freizusetzen. Derartige Ablagerungen können die Funktionsfähigkeit des Entkoppelelements beeinträchtigen oder gar zu einem kompletten Ausfall des Entkoppelelements führen.
Dies wird vorliegend durch das wenigstens eine Verschlusselement verhindert, welches ein Eindringen des Reduktionsmittels in den Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem Entkoppelelement verhindert. Das nicht von Ablagerungen beeinträchtigte Entkoppelelement behält so seine volle Beweglichkeit, auch wenn das Reduktionsmittel über den Einlass in die Abgasanlage eingebracht wird.
Bei einer gegebenen Länge der Abgasanlage, welche mit dem Entkoppelelement versehen ist, lässt sich so eine längere Mischstrecke realisieren als dies der Fall wäre, wenn das Entkoppelelement stromaufwärts des Einlasses angeordnet wäre. Durch die Anordnung des Entkoppelelements stromabwärts des Einlasses lässt sich also eine besonders gute Aufbereitung des Gemisches aus Abgas und Reduktionsmittel erreichen, welche zu einer besonders wirkungsvollen Abgasnachbehandlung führt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine Verschlusselement aus einer den Zwischenraum zumindest weitgehend versperrenden Verschließstellung in eine ein Durchströmtwerden des Zwischenraums zulassende Freigabestellung bewegbar. Dadurch kann dafür gesorgt werden, dass der Zwischenraum von Abgas durchströmt wird, wenn ein besonders hoher Abgasmassenstrom in der Abgasanlage vorliegt. Dies ist dann der Fall, wenn ein Fahrer des Fahrzeugs eine besonders hohe Motorleistung abruft. Hier führt dann das Bewegen der Verschlusselemente in die Freigabestellung zu einer Verringerung des Gegendrucks der Abgasanlage. Dadurch sind eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und eine besonders weitgehende Nutzung der Motorleistung für den Antrieb des Fahrzeugs erreichbar. Wenn die Verschlusselemente in ihre Freigabestellung bewegt sind, kann nämlich der gesamte Querschnitt der Abgasanlage im Bereich des Entkoppelelements so gut wie ungehindert durchströmt werden.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das wenigstens eine Verschlusselement in der Freigabestellung zumindest im Wesentlichen strömungsparallel ausgerichtet ist.
Als werter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher das wenigstens eine Verschlusselement in Abhängigkeit von einer Temperatur ansteuerbar ist. So kann das Verbringen der Verschlusselemente in die Freigabestellung in Abhängigkeit davon zugelassen werden, ob ein ausreichend hohe Temperatur vorliegt. Die insbesondere durch Versuche spezifisch für einen Fahrzeugtyp ermittelbare Temperatur ist hierbei so gewählt, dass beim Überschreiten der Temperatur keine Bildung von Ablagerungen infolge des Einbringens des Reduktionsmittels in die Abgasanlage zu befürchten ist. Es kann vorgesehen sein, die Verschlusselemente dann zu öffnen, wenn in der Abgasanlage eine Temperatur von mehr als 300°C, insbesondere von mehr als 320°C, vorliegt.
Insbesondere kann die Temperatur des Abgases im Bereich des Entkoppelelements und/oder eine Oberflächentemperatur des Entkoppelelements gemessen werden, um darüber Aufschluss zu erhalten, ob Bedingungen vorliegen, welche ein Ausbilden von Ablagerungen unwahrscheinlich machen oder verhindern.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das wenigstens eine, das Einströmen von Abgas in den Zwischenraum zumindest weitgehend unterbindende Verschlusselement in Richtung des Abgasstroms geneigt ist. Beispielsweise können die Verschlusselemente in ihrer Schließstellung eine trichterförmige Mündung des Innenrohrs bilden, welche ein Eintreten des Abgases in das Innenrohr begünstigt. Wenn die Verschlusselemente nicht beweglich sind, kann auch ein fester, das Einströmen von Abgas in den Zwischenraum unterbindender, Trichter eingangsseitig des Innenrohrs vorgesehen sein. Im Hinblick auf die Verringerung des Gegendrucks in der Abgasanlage sind jedoch in die Freigabestellung bewegbare Verschlusselemente bevorzugt.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn in der Abgasanlage wenigstens eine Mischeinrichtung angeordnet ist. Die Mischeinrichtung kann hierbei stromaufwärts des Entkoppelelements und/oder im Bereich des Entkoppelelements und/oder stromabwärts des Entkoppelelements vorgesehen sein.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, wobei gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 stark schematisiert und in einer Schnittansicht einen Ausschnitt aus einer Abgasanlage eines Fahrzeugs, bei welcher im Bereich einer Mischstrecke, also stromabwärts eines Einlasses für die Zudosierung einer Harnstofflösung in die Abgasanlage, ein Entkoppelelement vorgesehen ist;
2 eine Draufsicht von vorne auf zwei Verschlussklappen, mittels welcher ein zwischen einem Innenrohr und dem Entkoppelelement vorgesehener Zwischenraum versperrt werden kann;
3 in einer Schnittansicht die Abgasanlage gemäß 1, wobei die Verschlussklappen geöffnet sind, sodass sowohl das Innenrohr als auch der Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem Entkoppelelement von Abgas durchströmbar ist;
4 die Abgasanlage gemäß 1 mit einem zwischen dem Einlass und dem Entkoppelelement angeordneten Mischer;
5 die Abgasanlage gemäß 1 mit einem im Innenrohr angeordneten Mischer;
6 die Abgasanlage gemäß 1 mit einem stromabwärts des Entkoppelelements angeordneten Mischer, und
7 die Abgasanlage gemäß 1 mit Verschlussklappen, welche in ihrer Verschließstellung einen Einlasstrichter für das Innenrohr bilden.
Von einer Abgasanlage 10 eines Fahrzeugs ist in 1 in einer schematischen Schnittansicht ein Ausschnitt gezeigt. In einem Abgasrohr 12 ist ein Einlass 14 vorgesehen, über welchen ein Reduktionsmittel in Form einer wässrigen Harnstofflösung 16 in das Abgas eingebracht werden kann, welches in einer durch Strömungspfeile 18 angegebenen Strömungsrichtung die Abgasanlage 10 durchströmt.
In einer sich stromabwärts an den Einlass 14 anschließenden Mischstrecke 20 erfolgt eine Aufbereitung des Gemisches aus der wässrigen Harnstofflösung 16 und dem Abgas. Hierbei wird aus dem Harnstoff Ammoniak freigesetzt, welcher in einem (nicht gezeigten), stromabwärts der Mischstrecke 20 vorgesehenen SCR-Katalysator mit in dem Abgas enthaltenen Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser reagiert. Im Bereich der Mischstrecke 20 ist ein Entkoppelelement 22 vorgesehen, welches vorliegend ein Wellrohr umfasst. Das Entkoppelelement 22 ist ausgangsseitig mit einem weiteren Abgasrohr 24 gekoppelt und verhindert, dass Schwingungen und Körperschall auf stromabwärts des Entkoppelelements 22 vorgesehene Komponenten der Abgasanlage übertragen werden.
Vorliegend ist im Bereich des Entkoppelelements 22 ein Innenrohr 26 vorgesehen, dessen Länge wie in 1 gezeigt geringfügig größer sein kann als die des Entkoppelelements 22. Eingangsseitig des Innenrohrs 26 sind zwei schaltbare Verschlussklappen 28, 30 vorgesehen. In ihrer in 1 gezeigten Verschließstellung verhindern die Verschlussklappen 28, 30, dass Abgas in einen Zwischenraum 32 einströmen kann, welcher zwischen dem Innenrohr 26 und dem Entkoppelelement 22 ausgebildet ist.
Bei geschlossenen Verschlussklappen 28, 30 strömt somit der gesamte Abgasmassenstrom durch das Innenrohr 26. Dadurch ist verhindert, dass sich am Entkoppelelement 22 Ablagerungen durch einen Ausfallen von Feststoffen bilden, welche in der wässrigen Harnstofflösung 16 enthalten sind oder sich aus ihr bilden können. Insbesondere kann eine Ablagerung von auskristallisierendem Harnstoff an dem Entkoppelelement 22 vermieden werden, wenn die Verschlussklappen 28, 30 den Zugang zum Zwischenraum 32 versperren. Dadurch ist eine Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit des Entkoppelelements 22 vermieden.
Ein Durchmesser des Innenrohrs 26 ist so gewählt, dass das Entkoppelelement 22 seine volle Beweglichkeit behält, ohne dass es im Betrieb der Abgasanlage 10 zu einem Anschlagen des Entkoppelelements 22 an das Innenrohr 26 kommt.
2 zeigt die geschlossenen Verschlussklappen 28, 30 in einer Ansicht von vorne, wobei in der Schließstellung der Verschlussklappen 28, 30 lediglich das Innenrohr 26 von Abgas durchströmbar ist. Zudem ist in 2 schematisch ein Steuergerät 34 gezeigt, welches die Verschlussklappen 28, 30 ansteuern kann, um diese aus ihrer Verschließstellung in eine in 3 gezeigte Freigabestellung und zurück zu bewegen. Hierbei berücksichtigt das Steuergerät 34 die von einem Fahrer des Fahrzeugs angeforderte Motorleistung und die Temperatur des Abgases im Bereich des Entkoppelelements 22 oder eine Oberflächentemperatur des Entkoppelelements 22.
Wenn eine hohe Motorleistung angefordert wird und folglich ein großer Abgasmassenstrom durch die Abgasanlage 10 vorliegt, können die Verschlussklappen 28, 30 in ihre in 3 gezeigte Freigabestellung verschwenkt werden, in welcher sie strömungsparallel angeordnet sind. Durch das Verbringen der Verschlussklappen 28, 30 in die Freigabestellung kann das Abgas sowohl durch das Innenrohr 26 als auch durch den Zwischenraum 32 strömen.
In der geöffneten Stellung der Verschlussklappen 28, 30 ist somit ein Gegendruck der Abgasanlage 10 im Bereich des Entkoppelelements 22 besonders gering, sodass sich Vorteile im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch und die Motorleistung ergeben. Hierbei wird allerdings von dem Steuergerät 34 berücksichtigt, ob eine ausreichend hohe Temperatur vorliegt, sodass ein Ausbilden von Ablagerungen an dem Entkoppelelement 22 beim Zudosieren der Harnstofflösung 16 vermieden ist. Dadurch kann die Funktionstüchtigkeit des Entkoppelelements 22 dauerhaft aufrechterhalten werden, und dennoch kann die volle Leistung des Motors abgerufen werden. In 3 ist der Abgasstrom durch den Zwischenraum 32 ebenfalls durch Strömungspfeile 18 veranschaulicht.
4 zeigt bei geschlossenen Verschlussklappen 28, 30 die Abgasanlage gemäß 1, wobei zwischen dem Einlass 14 und dem Entkoppelelement 22 ein (optionaler) Mischer 36 angeordnet ist.
Bei der Ausführungsform gemäß 5 ist der Mischer 36 innerhalb des Innenrohrs 26 angeordnet, und bei der Ausführungsform gemäß 6 befindet sich der Mischer 36 stromabwärts des Entkoppelelements 22.
Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform der Abgasanlage 10 sind die Verschlussklappen 28, 30 in ihrer den Zwischenraum 32 versperrenden Verschließstellung in Richtung des Abgasstroms geneigt. Dadurch bilden sie in der Verschließstellung eine Art Trichter, welcher das Einströmen des Abgases in das Innenrohr 26 erleichtert. Auch hier sind die Verschlussklappen 28, 30 in eine Freigabestellung analog der in 3 gezeigten bewegbar, wenn der Zwischenraum 32 zwischen dem Innenrohr 26 und dem Entkoppelelement 22 genutzt werden soll und eine ausreichend hohe Abgastemperatur vorliegt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, die Verschlussklappen 28, 30 dann zu öffnen, wenn eine Abgastemperatur von mehr als 320°C vorliegt, da es unterhalb einer solchen Temperatur zum Auskristallisieren von Harnstoff aus der wässrigen Harnstofflösung 16 kommen kann.

Claims

Abgasanlage für ein Fahrzeug, mit einem Einlass (14), über welchen ein Reduktionsmittel (16) für die Abgasnachbehandlung in das Abgas einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Einlasses (14) ein Entkoppelelement (22) vorgesehen ist, mittels welchem eine Übertragung von Schwingungen auf Komponenten (24) der Abgasanlage (10) verringerbar ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (10) im Bereich des Entkoppelelements (22) ein Innenrohr (26) aufweist, wobei wenigstens ein Verschlusselement (28, 30) vorgesehen ist, mittels welchem ein Einströmen von Abgas in einen zwischen dem Innenrohr (26) und dem Entkoppelelement (22) ausgebildeten Zwischenraum (32) zumindest weitgehend unterbindbar ist.
Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Verschlusselement (28, 30) aus einer den Zwischenraum (32) zumindest weitgehend versperrenden Verschließstellung in eine ein Durchströmtwerden des Zwischenraums (32) zulassende Freigabestellung bewegbar ist.
Abgasanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Verschlusselement (28, 30) in der Freigabestellung zumindest im Wesentlichen strömungsparallel ausgerichtet ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (34) zum Ansteuern des wenigstens einen Verschlusselements (28, 30) in Abhängigkeit von einer Temperatur, insbesondere von einer Temperatur des Abgases und/oder einer Temperatur des Entkoppelelements (22).
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine das Einströmen von Abgas in den Zwischenraum (32) zumindest weitgehend unterbindende Verschlusselement (28, 30) in Richtung des Abgasstroms geneigt ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkoppelelement (22) zumindest teilweise im Bereich einer stromabwärts des Einlasses (14) vorgesehenen Mischstrecke (20) angeordnet ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch wenigstens eine stromaufwärts des Entkoppelelements (22) und/oder im Bereich des Entkoppelelements (22) und/oder stromabwärts des Entkoppelelements (22) angeordnete Mischeinrichtung (36).