DE102006059277A1 - Strömungsverteiler für ein Abgassystem - Google Patents

Abstract

Strömungsverteiler (1), aufweisend ein Gehäuse (2) mit einer Längsachse (3) und mehrere, verschiedenartig ausgeführte, zueinander ausgerichtete Lochplatten (4, 8, 9), die in Richtung der Längsachse (3) hintereinander angeordnet sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strömungsverteiler, der insbesondere in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeuges zum Einsatz kommt. Aufgabe eines solchen Strömungsverteilers ist es, unterschiedliche Komponenten bzw. Teilströmungen eines Gasstromes miteinander zu vermischen bzw. deren Verteilung zur vergleichmäßigen.
• Aus dem Stand der Technik sind bereits viele unterschiedlicher Varianten für solche Strömungsverteiler bekannt. Gleichwohl können nicht alle den aggressiven Bedingungen im Abgassystem eines Kraftfahrzeuges standhalten. Darüber hinaus existieren Strömungsverteiler, die einen besonders hohen Druckabfall beim Durchströmen des zu behandelnden Fluides (insbesondere Gases) bewirken. Ein solches Verhalten ist gerade im Zusammenhang mit Verbrennungskraftmaschinen bei Kraftfahrzeugen nachteilig, da dies zu Leistungseinbußen führt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Strömungsverteiler angegeben werden, der einfach aufgebaut ist und eine besonders gleichmäßige Verteilung der Komponenten des Abgasstromes bewirkt, wobei auch ein geringer Druckverlust verwirklicht ist.
• Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Strömungsverteiler gemäß den Merkmalen eines Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombinierbar und zeigen weitere Ausführungsvarianten der Erfin dung auf. Darüber hinaus erläutert und spezifiziert die Beschreibung die Erfindung.
• Der erfindungsgemäße Strömungsverteiler weist ein Gehäuse auf mit einer Längsachse sowie mehrere verschiedenartig ausgeführte, zueinander ausgerichtete Lochplatten, die in Richtung der Längsachse hintereinander angeordnet sind. Bei dem Gehäuse handelt es sich insbesondere um ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse aus Metall, es könnte jedoch auch eine konische bzw. nicht-zylindrische Gestalt aufweisen. Innerhalb dieses Gehäuses (ggf. auch vorstehend und/oder darüber einseitig bzw. beidseitig hinausragend) sind nun mehrere Lochplatten positioniert. Die Lochplatten haben einen im Wesentlichen ebenen Aufbau und weisen mindestens ein Loch auf, durch welches eine Strömung hindurch treten kann. Grundsätzlich können die Lochplatten eine kreisrunde, kantige, ovale oder ähnliche Form aufweisen; bevorzugt ist eine Form, die zumindest den Querschnitt des Gehäuses ähnlich ist. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der bis zu sechs (6) solcher Lochplatten hintereinander angeordnet sind. Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante, bei der zwei (2) oder drei (3) Lochplatten hintereinander angeordnet sind. Mit der zueinander ausgerichteten Lage ist insbesondere gemeint, dass die Lochplatten beispielsweise alle zur Längsachse zentrisch ausgerichtet sind, gegebenenfalls können zumindest ein Teil der Lochplatten auch parallel zueinander (und senkrecht zur Längsachse) positioniert sein. Die „verschiedenartige" Ausführung betrifft insbesondere die Dimension bzw. Form der Lochplatte. Grundsätzlich sind einteilige und/oder einstückige Lochplatten aus einem metallischen Material bevorzugt.
• Gemäß einer Weiterbildung des Strömungsverteilers sind die Lochplatten konzentrisch zu Längsachse und mit einem äußeren Spalt zum Gehäuse angeordnet. Damit ist insbesondere gemeint, dass ein Mittelpunkt der Lochplatte auf der Längsachse des Gehäuses positioniert ist. Die Lochplatten werden gleichzeitig so gehal ten bzw. positioniert, dass diese nicht direkt an dem Gehäuse zur Anlage kommen, sondern insbesondere einen gleichmäßigen Spalt hin zum Gehäuse bilden.
• Darüber hinaus ist auch vorteilhaft, dass wenigstens eine Lochplatte nach Art einer Ringscheibe gebildet ist. Bevorzugt ist zudem, dass alle Lochplatten nach Art einer Ringscheibe ausgebildet sind. Eine „Ringscheibe" ist eine im Wesentlichen kreisförmige Lochplatte, mit einer zentralen Öffnung in der Mitte.
• Gemäß einer Ausführungsvariante des Strömungsverteilers ist wenigstens eine Lochplatte zur Längsachse mit einem Winkel positioniert, der im Bereich von 45 Grad bis 90 Grad liegt. Grundsätzlich ist möglich, dass alle Lochplatten einen solchen Winkel aufweisen, gegebenenfalls weist jedoch nur eine Lochplatte bzw. weisen zwei Lochplatten einen solchen Winkel auf. Dabei handelt es sich insbesondere um die Lochplatten, die am weitesten stromaufwärts positioniert sind, also mit der Strömung zuerst in Kontakt kommen. Bezüglich des Winkels ist anzumerken, dass bei einer Neigung der Lochplatte zur Längsachse stets ein Winkel größer 90 Grad und ein Winkel kleiner 90 Grad angegeben werden kann. Der hier angegebene Winkel betrifft den spitzen Winkel kleiner 90 Grad.
• Darüber hinaus wurde als vorteilhaft herausgefunden, dass zwischen wenigstens zwei Lochplatten ein Abstand im Bereich von 5 mm bis 30 mm (Millimeter) liegt. Ganz besonders bevorzugt ist die Ausführungsvariante, bei der zwischen allen Lochplatten ein entsprechender Abstand eingehalten wird, der Abstand also zwischen den Lochplatten im Wesentlichen konstant ist.
• Bezüglich der Dimensionierung wird als vorteilhaft erachtet, dass jede Lochplatte eine äußere Abmessung und eine innere Abmessung aufweist, wobei für wenigstens zwei benachbart angeordnete Lochplatten gilt, dass die äußere Abmessung einer ersten Lochplatte der inneren Abmessung einer zweiten Lochplatte ent spricht. Selbstverständlich muss hier keine besonders exakte Übereinstimmung der Abmessungen vorliegen, ein großzügiger Toleranzbereich ist hier insbesondere weiter beabstandeten Lochplatten gewährbar. So vermag beispielsweise eine Überdeckung bzw. ein Abstand in radiale Richtung von einigen wenigen (z. B. bis 5) Millimeter die durchaus verbesserten Strömungseigenschaften nicht maßgeblich zu reduzieren.
• Für die Variante mit den Ringscheiben bedeutet dies, dass diese einen Außendurchmesser zur Begrenzung des Ringes (äußere Abmessung) und einen inneren Durchmesser der zentralen Öffnung (innere Abmessung) aufweisen. Die Dimensionierung erfolgt nun in der Art, dass die erste Ringscheibe die Öffnung der zweiten Ringscheibe im Umfangsbereich überdeckt. In der Draufsicht in Richtung der Längsachse ergibt sich dann ein Bild, bei dem eine zentrale Öffnung der ersten Ringscheibe zu erkennen ist, wobei dann radial auswärts gesehen die einzelnen Ringscheiben der Lochplatten (insbesondere vollständig) zu sehen sind, bevor sich ganz außen hin zum Gehäuse ein äußerer Spalt bildet. Zwischen diesen einzelnen Ringscheiben ist (bevorzugter Weise) kein Ringspalt erkennbar.
• Einer Weiterbildung des Strömungsverteilers zur Folge werden die Lochplatten mittels Befestigungselementen an dem Gehäuse gehalten. Die Befestigungselemente sind z. B. als Stäbe, Blechstreifen oder dergleichen ausgeführt. Bevorzugt ist eine Ausführungsvariante, bei dem die Befestigungselemente an den axial zueinander beabstandeten Lochplatten über den Umfang befestigt sind. Die Anzahl der Befestigungselemente ist dabei möglichst gering zu halten, insbesondere auf drei (3) bzw. vier (4) zu begrenzen.
• In diesem Zusammenhang ist ein Strömungsverteiler bevorzugt, bei dem die Befestigungselemente Mittel zur Kompensation von Verformungen der Lochplatten aufweisen. Damit ist insbesondere gemeint, dass die Befestigungselemente in der Lage sind, das (unterschiedliche) thermische Ausdehnungsverhalten (insbesondere in radiale Richtung) der Lochplatten zu kompensieren, sie z. B. gleichwohl zueinander ausgerichtet zu fixieren. Hierzu können unterschiedliche Materialien bzw. Verformungsbereiche der Befestigungselemente vorgesehen sein, auch sind Schiebesitze oder dergleichen denkbar.
• Darüber hinaus wird auch ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, bei dem wenigstens ein hier erfindungsgemäß beschriebener Strömungsverteiler vorgesehen ist.
• Schließlich sei auch noch ein Kraftfahrzeug angegeben, das eine Verbrennungskraftmaschine hat, an der ein Abgassystem angeschlossen ist, das eine Stoffzufuhr und wenigstens einen Strömungsverteiler der erfindungsgemäßen Art aufweist. Bei der Stoffzufuhr handelt es sich insbesondere um ein Zufuhrsystem für Harnstoff (flüssig bzw. fest) oder ähnliche nicht-gasförmige Substanzen. Grundsätzlich kann das Kraftfahrzeug kumulativ oder alternativ zur Stoffzufuhr mit einer Reduktionsmittelzufuhr ausgeführt sein.
• Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsvarianten, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Es zeigen schematisch:
• 1: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsvariante des Strömungsverteilers,
• 2: eine Prinzipdarstellung der Wirkung eines Strömungsverteilers,
• 3: eine weitere Ausführungsvariante des Strömungsverteilers im Querschnitt, und
• 4: ein Abgassystem eines Kraftfahrzeuges.
• Die 1 zeigt schematisch und perspektivisch einen Strömungsverteiler 1 mit einem zylindrischen Gehäuse 2. Das zylindrische Gehäuse 2 weist eine zentrale Längsachse 3 auf. Im Inneren dieses Gehäuses 2 sind nun eine erste Lochplatte 4 und eine zweite Lochplatte 8 angeordnet, die beide nach Art einer Ringscheibe ausgeführt sind. Die in Strömungsrichtung 18 zuerst angeordnete erste Lochplatte 4 ist kleiner als die mit einem Abstand dahinter angeordnete zweite Lochplatte 8. Beide sind konzentrisch zur Längsachse 3 positioniert. Sie werden gemeinsam durch drei Befestigungselemente 12 in ihrer Position fixiert, die am hinteren Rand des Gehäuses 2 angeschweißt sind. Die Verteilung der Befestigungselemente 12 um die Lochplatten 4, 8 herum ist gleichmäßig, so dass der äußere Spalt 5 im Wesentlichen gleichmäßig segmentiert ist.
• Die 2 veranschaulicht nun die Wirkungsweise eines Strömungsverteilers 1, wie er in 1 dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass beispielsweise ein in einer Abgasleitung 19 geführter Abgasstrom zunächst das hier dargestellte Geschwindigkeitsprofil vor Eintritt 20 in den Strömungsverteiler 1 aufweist. Es ist gekennzeichnet durch eine Strömung, die eine hohe Geschwindigkeit im zentralen Bereich hat und im Randbereich eine niedrigere Geschwindigkeit (veranschaulicht durch die Länge der Pfeile). Beim Auftreffen bzw. Hindurchführen des Abgasstromes durch den Strömungsverteiler 1, der hier mit der ersten Lochplatte 4 und der zweiten Lochplatte 8 sowie dem äußeren Spalt 5 dargestellt ist, ergibt sich das Geschwindigkeitsprofil nach dem Strömungsverteiler 21. Dieses ist mit einer deutlich gleichmäßigeren Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt der Abgasleitung 19 ausgeführt. Diese gleichmäßige Geschwindigkeit der Abgasströmung gewährleistet, dass nachfolgende Abgasnachbehandlungseinheiten über den gesamten Querschnitt gleichmäßig beströmt werden und somit in allen Bereichen eine ähnliche Reaktion bewirken.
• Eine Ausführungsvariante eines Strömungsverteilers geht aus der 3 hervor. Hierbei werden eine erste Lochplatte 4, eine zweite Lochplatte 8 und eine dritte Lochplatte nach Art einer Ringscheibe mit einem vorgegebenen Abstand 7 zueinander positioniert. Die Lochplatten selbst weisen eine zentrale Öffnung 9 auf, die eine innere Abmessung 11 der Lochplatten definiert. Nach außen hin sind die Lochplatten durch eine äußere Abmessung 10 charakterisiert. Während die beiden rechts dargestellten Lochplatten in parallelen Ebenen 22 senkrecht zur Längsachse 3 positioniert sind, ist die links dargestellte erste Lochplatte 4 mit einem Winkel 6 ausgeführt, so dass hier eine gegenüber der Längsachse 3 nicht-senkrechte Anordnung vorliegt. Eine solche geneigte Anordnung einer Lochplatte ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn das Geschwindigkeitsprofil vor Eintritt aufgrund beispielsweise einer gekrümmten Abgasleitung von der in 2 veranschaulichten Verteilung abweicht. Die Lage der Lochplatten zueinander wird wiederum durch entsprechende Befestigungselemente 12 fixiert.
• 4 soll den prinzipiellen Aufbau eines Abgassystems 13 eines Kraftfahrzeuges 15 veranschaulichen. Das Kraftfahrzeug 15 weist eine Verbrennungskraftmaschine 14 auf, an die eine Abgasleitung 19 montiert ist, über die das in der Verbrennungskraftmaschine 14 generierte Abgas zunächst diversen Abgasbehandlungseinheiten 17 zugeführt wird, bevor es schließlich gereinigt an die Umgebung abgegeben wird. Die Abgasleitung 19 ist nun zuerst mit einer Krümmung 23 ausgeführt, bevor ein im Wesentlichen gerader Verlauf der Abgasleitung 19 festgestellt ist. Hier wird nun eine Stoffzufuhr 16 verwirklicht, wobei beispielsweise fester und/oder flüssiger Harnstoff zugegeben wird. Das Gemisch aus Abgas und dem Harnstoff trifft dann stromabwärts auf einen erfindungsgemäßen (bevorzugt katalytisch unbeschichteten) Strömungsverteiler 1, so dass hier eine ausgezeichne te Vermengung beider Komponenten verwirklicht wird. Neben der Geschwindigkeitsverteilung werden auch Temperaturverteilungen und/oder Konzentrationen von mindestens einer Komponente des Abgases und/oder des Harnstoffs beeinflusst bzw. vergleichmäßigt. Das so vorbereitete Abgas wird nunmehr einer Abgasbehandlungseinheit 17 zugeführt. Grundsätzlich kann die Abgasbehandlungseinheit auch eine Mehrzahl von katalytischen Reaktoren umfassen, beispielsweise wenigstens einen aus der folgenden Gruppe: SCR-Katalysator, Oxidations-Katalysator, Partikelfalle, Adsorber und dergleichen.

1

Strömungsverteiler

2

Gehäuse

3

Längsachse

4

erste Lochplatte

5

Spalt

6

Winkel

7

Abstand

8

zweite Lochplatte

9

Öffnung

10

äußere Abmessung

11

innere Abmessung

12

Befestigungselement

13

Abgassystem

14

Verbrennungskraftmaschine

15

Kraftfahrzeug

16

Stoffzufuhr

17

Abgasbehandlungseinheit

18

Strömungsrichtung

19

Abgasleitung

20

Geschwindigkeitsprofil vor Eintritt

21

Geschwindigkeitsprofil nach Strömungsverteiler

22

Ebene

23

Krümmung

Claims (10)

1. Strömungsverteiler (1) aufweisend ein Gehäuse (2) mit einer Längsachse (3) und mehrere, verschiedenartig ausgeführte, zueinander ausgerichtete Lochplatten (4, 8, 9), die in Richtung der Längsachse (3) hintereinander angeordnet sind.
2. Strömungsverteiler (1) nach Patentanspruch 1, bei dem die Lochplatten (4, 8, 9) konzentrisch zur Längsachse (3) und mit einem äußeren Spalt (5) zum Gehäuse (2) angeordnet sind.
3. Strömungsverteiler (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem wenigstens eine Lochplatte (4, 8, 9) nach Art einer Ringscheibe gebildet ist.
4. Strömungsverteiler (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem wenigstens eine Lochplatte (4, 8, 9) zur Längsachse (3) mit einem Winkel (6) positioniert ist, der im Bereich von 45° bis 90° liegt.
5. Strömungsverteiler (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem zwischen wenigstens zwei Lochplatten (4, 8, 9) ein Abstand (7) im Bereich von 5 mm bis 30 mm liegt.
6. Strömungsverteiler (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem jede Lochplatte (4, 8, 9) eine äußere Abmessung (10) und eine innere Abmessung (11) aufweist, wobei für wenigsten zwei benachbart angeordnete Lochplatten gilt, dass die äußere Abmessung (10) einer ersten Lochplatte (4) der inneren Abmessung (11) einer zweiten Lochplatte (8) entspricht.
7. Strömungsverteiler (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die Lochplatten (4, 8, 9) mittels Befestigungselementen (12) an dem Gehäuse (2) gehalten werden.
8. Strömungsverteiler (1) nach Patentanspruch 7, bei dem die Befestigungselemente (12) Mittel zur Kompensation von Verformungen der Lochplatten (4, 8, 9) aufweisen.
9. Abgassystem (13) einer Verbrennungskraftmaschine (14) aufweisend wenigstens einen Strömungsverteiler (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8.
10. Kraftfahrzeug (15) mit einer Verbrennungskraftmaschine (14), an der ein Abgassystem (13) angeschlossen ist, dass eine Stoffzufuhr (16) und wenigstens einen Strömungsverteiler (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 aufweist.