DE102013012909B4 - Mixing chamber - Google Patents
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Abstract
Mischkammer (1) zum Mischen eines Zusatzstoffes in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschinea) mit einem ein- oder mehrteiligen Gehäuse (11), das eine Eingangsöffnung (12) für Abgas mit einem Strömungsquerschnitt (S12) und mit einer Mitteleingangsachse (M12) sowie eine stromab der Eingangsöffnung (12) angeordnete Ausgangsöffnung (13) für Abgas mit einem Strömungsquerschnitt (S13) und mit einer Mittelausgangsachse (M13) aufweist, wobeib) innerhalb des Gehäuses (11) ein Strömungsleitelement (2) zwischen den beiden Öffnungen (12, 13) angeordnet ist,c) das Strömungsleitelement (2) rohrförmig ausgebildet ist und mindestens einen eine Kanalachse (K2) aufweisenden Kanal (20) mit einem Einlass (22) und mit einem Auslass (23) bildet, über den der gesamte Abgasstrom in einer zur Kanalachse (K2) parallelen Strömungsrichtung (S) bis zur Ausgangsöffnung (13) hin geleitet wird, wobeid) die Strömungsrichtung (S) relativ zur Mittelausgangsachse (M13) um einen Winkel a zwischen 20° und 80° abweicht dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (23) einen rechtwinklig zur Mittelausgangsachse (M13) verlaufenden Auslassquerschnitt (A23) aufweist, wobei der Auslassquerschnitt (A23) maximal 20 % größer oder kleiner ist als der Strömungsquerschnitt (S13) der Ausgangsöffnung (13).Mixing chamber (1) for mixing an additive in an exhaust system of an internal combustion engine a) with a one-part or multi-part housing (11) which has an inlet opening (12) for exhaust gas with a flow cross-section (S12) and with a central inlet axis (M12) and a downstream of the Having an inlet opening (12) arranged outlet opening (13) for exhaust gas with a flow cross section (S13) and with a central outlet axis (M13), whereby a flow guide element (2) is arranged within the housing (11) between the two openings (12, 13) , c) the flow guide element (2) is tubular and forms at least one channel (20) having a channel axis (K2) with an inlet (22) and with an outlet (23), via which the entire exhaust gas flow in one direction to the channel axis (K2 ) parallel flow direction (S) up to the outlet opening (13), whereby) the flow direction (S) differs relative to the central outlet axis (M13) by an angle a between 20 ° and 80 ° characterized in that the outlet (23) has an outlet cross-section (A23) running at right angles to the central outlet axis (M13), the outlet cross-section (A23) being a maximum of 20% larger or smaller than the flow cross-section (S13) of the outlet opening (13).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Mischkammer zum Mischen eines Zusatzstoffes in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem ein- oder mehrteiligen Gehäuse. Das Gehäuse weist hierzu eine Eingangsöffnung für Abgas mit einem Strömungsquerschnitt und mit einer Mitteleingangsachse sowie eine stromab der Eingangsöffnung angeordnete Ausgangsöffnung für Abgas mit einem Strömungsquerschnitt und mit einer Mittelausgangsachse auf. Im Gehäuse ist zwischen den beiden Öffnungen ein Strömungsleitelement angeordnet.The invention relates to a mixing chamber for mixing an additive in an exhaust system of an internal combustion engine with a one-part or multi-part housing. For this purpose, the housing has an inlet opening for exhaust gas with a flow cross section and with a central inlet axis and an outlet opening for exhaust gas arranged downstream of the inlet opening with a flow cross section and with a central outlet axis. A flow guide element is arranged in the housing between the two openings.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischkammer derart auszubilden und anzuordnen, dass bei reduzierter Baulänge eine verbesserte Verteilung des Gemischs aus Abgas und Zusatzstoff auf der Substratoberfläche und gleichzeitig Ablagerungen des Zusatzstoffes erreicht werden.The invention is based on the object of designing and arranging a mixing chamber in such a way that, with a reduced overall length, an improved distribution of the mixture of exhaust gas and additive on the substrate surface and, at the same time, deposits of the additive are achieved.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Strömungsleitelement rohrförmig ausgebildet ist und mindestens einen eine Kanalachse aufweisenden Kanal mit einem Einlass und einem Auslass bildet, über den der gesamte Abgasstrom in einer zur Kanalachse parallelen Strömungsrichtung bis zur Ausgangsöffnung hin geleitet wird, wobei die Strömungsrichtung relativ zur Mittelausgangsachse um einen Winkel a zwischen 20° und 80° abweicht und der Auslass einen rechtwinklig zur Mittelausgangsachse verlaufenden Auslassquerschnitt aufweist, wobei der Auslassquerschnitt maximal 20 % größer oder kleiner ist als der Strömungsquerschnitt der Ausgangsöffnung. Der Winkel a beträgt vorzugsweise zwischen 55° und 75°. Bei einem Winkel von 65° wurde eine Benetzung des Substrats mit Gamma größer 0,9 erreicht.The object is achieved according to the invention in that the flow guide element is tubular and forms at least one channel having a channel axis with an inlet and an outlet, via which the entire exhaust gas flow is directed in a flow direction parallel to the channel axis to the outlet opening, the flow direction being relative deviates from the central outlet axis by an angle a between 20 ° and 80 ° and the outlet has an outlet cross-section running at right angles to the central outlet axis, the outlet cross-section being a maximum of 20% larger or smaller than the flow cross-section of the outlet opening. The angle a is preferably between 55 ° and 75 °. At an angle of 65 °, the substrate was wetted with a gamma greater than 0.9.
Hierdurch wird erreicht, dass alle Strömungsfäden des in die Eingangsöffnung einströmenden Abgases durch das Strömungsleitelement derart umgelenkt werden, dass alle Strömungsfäden in annähernd der gleichen zur Ausgangsöffnung schrägen Strömungsrichtung durch das Strömungsleitelement aus der Mischkammer herausgeführt werden, an der anschließend ein stromabwärtiges Substrat angeordnet ist. Da das Abgas über den Strömungsquerschnitt der Ausgangsöffnung verteilt ist, wird es auch über den Querschnitt des stromabwärtigen Substrats verteilt. Das stromabwärtige Substrat wird somit über seine gesamte Stirnfläche mit annähernd zur Strömungsrichtung parallelen Strömungsfäden schräg angeströmt, was zu einer sehr guten Verteilung des in der Mischkammer eingebrachten Zusatzstoffes führt, ohne dass der Zusatzstoff größere Ablagerungen bildet. Unter annähernd parallel zur Strömungsrichtung versteht der Fachmann Abweichungen von der als Hauptströmungsrichtung definierten Strömungsrichtung von maximal 5° bis 8°.This ensures that all flow threads of the exhaust gas flowing into the inlet opening are deflected by the flow guide element in such a way that all flow threads are guided out of the mixing chamber through the flow guide element in approximately the same direction of flow inclined to the outlet opening, on which a downstream substrate is then arranged. Since the exhaust gas is distributed over the flow cross section of the outlet opening, it is also distributed over the cross section of the downstream substrate. The downstream substrate is thus flowed at an angle over its entire end face with flow threads approximately parallel to the direction of flow, which leads to a very good distribution of the additive introduced into the mixing chamber without the additive forming larger deposits. The person skilled in the art understands by approximately parallel to the flow direction deviations from the flow direction defined as the main flow direction of a maximum of 5 ° to 8 °.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Kanalachse die Mittelausgangsachse in einem Winkel a zwischen 20° und 80° schneidet. Das Strömungsleitelement sammelt alle Strömungsfäden und kanalisiert sie in Richtung der Ausgangsöffnung, wobei im Strömungsleitelement der Zusatzstoff dem Abgasstrom beigemischt wird.It can also be advantageous for this purpose if the channel axis intersects the central exit axis at an angle α between 20 ° and 80 °. The flow guide element collects all the flow threads and channels them in the direction of the outlet opening, the additive being mixed into the exhaust gas flow in the flow guide element.
Hierzu ist es vorteilhaft, dass das Strömungsleitelement in Richtung der Kanalachse dem Auslass gegenüberliegend stromauf einen Einlass mit einem Einlassquerschnitt aufweist, dessen Größe um 10 % bis 70 % gegenüber dem Auslassquerschnitt reduziert ist. Neben einer Anpassung an die jeweiligen hydraulischen Querschnitte der stromab-und stromaufwärtigen Substrate kann mit einer Verkleinerung des Einlassquerschnitts eine Beschleunigung des Abgasstroms am Einlass des Kanals beginnend in den Kanal hinein erreicht werden, durch die der im Bereich des Einlasses eingebrachte Zusatzstoff besser vermischt und in seiner Tröpfchengröße reduziert wird.For this purpose, it is advantageous that the flow guide element in the direction of the channel axis has an inlet opposite the outlet upstream with an inlet cross section whose size is 10% to 70% compared to the outlet cross section is reduced. In addition to an adaptation to the respective hydraulic cross-sections of the downstream and upstream substrates, a reduction in the inlet cross-section can accelerate the exhaust gas flow beginning at the inlet of the channel and into the channel, through which the additive introduced in the area of the inlet is better mixed and in its Droplet size is reduced.
Dazu ist es vorgesehen, dass der Kanal von einer Kanalwandung ummantelt ist und die Kanalwandung geschlossen oder perforationsfrei ausgebildet ist, damit die beschriebene Umlenkung aller Strömungsfäden erfolgen kann. Der Einlass und der Auslass bilden dabei die einzigen Öffnungen des Strömungsleitelements.For this purpose, it is provided that the channel is encased by a channel wall and the channel wall is closed or formed without perforations so that the described deflection of all flow threads can take place. The inlet and the outlet form the only openings in the flow guide element.
Vorteilhaft kann es insbesondere sein, wenn der Kanal entlang der Kanalachse, beginnend an der Mittelausgangsachse eine Länge aufweist, die mindestens dem Quotienten eines mittleren Radius der Eingangsöffnung zu Sinus a entspricht, d. h. L2 ≥ R12/sin a. Dadurch verschließt das Strömungsleitelement in Richtung der Mitteleingangsachse den Strömungsquerschnitt für das Abgas und zwingt es zunächst von der axialen Richtung in eine radiale Richtung, bevor das Abgas in das Strömungsleitelement einströmt.It can be particularly advantageous if the channel along the channel axis, starting at the central exit axis, has a length which corresponds at least to the quotient of a mean radius of the entrance opening to sine a, ie L2 R12 / sin a . As a result, the flow guide element closes the flow cross section for the exhaust gas in the direction of the central inlet axis and initially forces it from the axial direction into a radial direction before the exhaust gas flows into the flow guide element.
Wenn die Querschnittsfläche des stromaufwärtigen Substrats um ein gewisses maximales Maß kleiner ist als der Strömungsquerschnitt der Eingangsöffnung, dann weist der Kanal eine reduzierte Länge auf, die mindestens dem Quotienten eines mittleren Radius eines Substrats zu Sinus a entspricht, d. h. L2 ≥ R51/sin a.If the cross-sectional area of the upstream substrate is a certain maximum amount smaller than the flow cross-section of the inlet opening, then the channel has a reduced length that corresponds at least to the quotient of a mean radius of a substrate to sine a, i.e. L2 ≥ R51 / sin a .
Dabei ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Gehäuse einen über den Strömungsquerschnitt in radialer Richtung zur Mitteleingangsachse hinausragenden Dom aufweist, der zumindest teilweise den Kanal bildet oder in den zumindest teilweise der Kanal hineinragt. Damit auch der äußerste Stromfaden in die radiale Richtung abgelenkt werden kann, bildet der Dom ein Volumen außerhalb der radialen Grenzen des übrigen Gehäuses.It is advantageously provided that the housing has a dome which protrudes beyond the flow cross section in the radial direction to the central inlet axis, which at least partially forms the channel or into which the channel protrudes at least partially. So that the outermost stream filament can also be deflected in the radial direction, the dome forms a volume outside the radial limits of the rest of the housing.
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, dass am Kanal an den Einlass anschließend und/oder im Kanal ein oder mehrere Mischelemente zum Vermischen des in die Mischkammer eingespritzten Zusatzstoffs angeordnet sind. Unabhängig davon, ob der Einlass durch eine einzige Öffnung oder durch mehrere Schlitze oder eine Perforation gebildet ist, durch die das Abgas beim Einströmen in den Kanal verwirbelt wird, sind Mischelemente vorgesehen, die nach der Einspritzvorrichtung stromab angeordnet sind.It can be of particular importance for the present invention that one or more mixing elements for mixing the additive injected into the mixing chamber are arranged on the channel adjoining the inlet and / or in the channel. Regardless of whether the inlet is formed by a single opening or by several slots or a perforation through which the exhaust gas is swirled when flowing into the channel, mixing elements are provided which are arranged downstream of the injection device.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn am Dom oder an dem Strömungsleitelement eine Einspritzvorrichtung angeordnet ist, die den Zusatzstoff in einer Einspritzrichtung in das Strömungsleitelement einbringt, wobei die Einspritzrichtung um bis zu 90° zur Kanalachse angestellt ist. Durch eine mögliche Anstellung zur Kanalachse kann der Zusatzstoff mit oder auch entgegen der Strömungsrichtung des Abgases eingespritzt werden.In connection with the design and arrangement according to the invention, it can be advantageous if an injection device is arranged on the dome or on the flow guide element, which injects the additive in one injection direction into the flow guide element, the injection direction being set at up to 90 ° to the channel axis. Due to a possible adjustment to the channel axis, the additive can be injected with or against the flow direction of the exhaust gas.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn sich der Querschnitt des Kanals vom Einlass zum Auslass stetig vergrößert.It can also be advantageous if the cross section of the channel increases steadily from the inlet to the outlet.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn das Gehäuse und das stromabwärtige Konvertergehäuse und/oder das stromaufwärtige Konvertergehäuse ein ein- oder mehrteiliges gemeinsames Bauteil bilden.It can also be advantageous if the housing and the downstream converter housing and / or the upstream converter housing form a one-part or multi-part common component.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn das Mischelement ein statischer Mischer mit einer oder mehreren Mischstufen ist.It can furthermore be advantageous if the mixing element is a static mixer with one or more mixing stages.
Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn der Strömungsquerschnitt der Eingangsöffnung unterschiedlich zu dem Strömungsquerschnitt der Ausgangsöffnung ist.Finally, it can be advantageous if the flow cross section of the inlet opening is different from the flow cross section of the outlet opening.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Mischkammer oder das Strömungsleitelement oder Teile davon auf den dem Abgas zugewandten Seiten zumindest teilweise katalytisch beschichtet sind.It can also be advantageous if the mixing chamber or the flow guide element or parts thereof are at least partially catalytically coated on the sides facing the exhaust gas.
Die Anordnung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das stromaufwärtige Substrat als Katalysator und das stromabwärtige Substrat als Partikelfilter ausgebildet ist.The arrangement is particularly advantageous when the upstream substrate is designed as a catalyst and the downstream substrate is designed as a particle filter.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
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1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels mit angestellter Einspritzrichtung; -
2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels mit koaxialer Einspritzrichtung; -
3 eine Prinzipskizze der geometrischen Verhältnisse; -
4 eine Schnittansicht entgegen der Strömungsrichtung gemäß Schnittebene A-A'; -
5 ein Ausführungsbeispiel mit einem Mischelement in einem Strömungsleitelement mit einem schlitzförmigen Einlass; -
6 ein Ausführungsbeispiel mit einem konischen Strömungsleitelement; -
7 ein Ausführungsbeispiel mit einem perforierten Strömungsleitelement; -
8 ein Ausführungsbeispiel mit parallel versetzt angeordneten Substraten; -
9 ein Ausführungsbeispiel mit schräg zueinander angeordneten Substraten; -
10 ein Ausführungsbeispiel mit parallel in radialer Richtung nebeneinander angeordneten Substraten.
-
1 a sectional view of an embodiment with adjusted injection direction; -
2 a sectional view of an embodiment with a coaxial injection direction; -
3 a basic sketch of the geometric relationships; -
4th a sectional view counter to the flow direction according to section plane A-A '; -
5 an embodiment with a mixing element in a flow guide element with a slot-shaped inlet; -
6th an embodiment with a conical flow guide element; -
7th an embodiment with a perforated flow guide element; -
8th an embodiment with substrates arranged offset in parallel; -
9 an embodiment with substrates arranged obliquely to one another; -
10 an embodiment with substrates arranged parallel to one another in the radial direction.
Die
Ein zwischen der Eingangsöffnung
Hierzu ist das Strömungsleitelement
Damit möglichst alle Strömungsfäden am Ende des Kanals
Der in radialer Richtung abgelenkte Abgasstrom sammelt sich in einem Dom
Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß
Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß
Vor und hinter dem Gehäuse
Die Ermittlung der notwendigen Länge
In
In
Nach
Nach
Nach
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