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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mischung eines Stromes eines
ersten Fluids mit mindestens einem zweiten Fluid, mit mindestens
einer in den Strom hineinragenden Zuführleitung für das zweite Fluid.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen
zur Mischung zweier oder mehrerer Fluide sind bekannt. Sie werden
beispielsweise im Kraftfahrzeugbau und dort insbesondere zur Durchmischung
eines Abgasstroms mit einem Reduktionsmittel verwendet. Dabei wird
ein Verfahren angewandt, das üblicherweise
als selektive katalytische Reduktionen bezeichnet wird und im Stand der
Technik hinreichend bekannt ist. Die selektive katalytische Reduktion
dient der Entstickung eines Abgases von Dieselmotoren und zerlegt
dahingehend Stickoxide (NOx) in weniger
umweltschädliche
Ausgangsprodukte. Dies ist erforderlich, um heutige und zukünftige Anforderungen
des Gesetzgebers an den Schadstoffausstoß von Kraftfahrzeugen einzuhalten. Zur
Durchführung
der Reduktion der Stickoxide wird Ammoniak dem Abgasstrom beigemengt.
In einem nachfolgenden Katalysator läuft daraufhin die selektive
katalytische Reduktion ab. Dabei entstehen als Produkte Wasser und
Stickstoff. Das benötigte
gasförmige
Ammoniak wird üblicherweise
in Form einer Harnstofflösung
in einem separaten Tank mitgeführt, da
freies Ammoniak aufgrund seiner Toxizität ein Sicherheitsrisiko darstellt.
Verwendet wird eine 32,5-prozentige Harnstofflösung, die synthetisch hergestellt
und üblicherweise
mit AdBlue bezeichnet wird. In einem alternativen Ansatz wird Ammoniak
in Metallsalzen, wie beispielsweise MgCl2 oder
CaCl2 gespeichert. Bei Bedarf wird Ammoniak
aus diesen Substanzen thermisch ausgetrieben und vor den Katalysator
in das Abgas eingebracht. Die Dosierung geschieht mittels eines
elektromagnetischen Dosierventils und eines daran anschließenden Dosierrohres,
welches in das Abgas hineinragt. Aus thermischen Gründen wird
das Dosierventil in einem gewissen Abstand zur heißen Abgasanlage
positioniert. Dies hat zur Folge, dass die Tot- und die t90-Zeit, also der Zeitpunkt, ab dem eine
Reduktion des Abgases in ausreichendem Maße erzielt wird beziehungsweise die
Ammoniak-Zufuhr auf den Abgasstrom abgestimmt ist, ansteigt. Weiter
sind im Anschluss an die Einbringungsstelle des Ammoniaks turbulenzerzeugende
Mischelemente im Abgasrohr notwendig, um eine ausreichende Durchmischung
von dem zugeführten
Ammoniak mit dem Abgas zu erreichen. Diese Mischelemente bedeuten
einen erhöhten
Strömungswiderstand
und verursachen somit einen Kraftstoffmehrverbrauch.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Ausbildung
der Vorrichtung zur Mischung, bei der die Zuführleitung mindestens eine bezüglich des
ersten Fluidstroms stromaufseitige Einlassöffnung und eine bezüglich des
ersten Fluidstroms stromabseitige Auslassöffnung für eine Mischung des durch die
Einlassöffnung
in die Zuführleitung
eingeleiteten ersten Fluids und das in die Zuführleitung eingebrachten zweiten
Fluids aufweist, wird eine deutlich verbesserte Durchmischung der
Fluide erreicht. Ein Teil des ersten Fluids dringt durch die Einlassöffnung in
die Zuführleitung
ein und tritt dort mit dem zweiten Fluid in Mischkontakt. Die Mischung
der Fluide strömt nachfolgend
durch eine bezüglich
des ersten Fluidstroms stromabseitig angeordnete Auslassöffnung aus
und vermengt sich wieder mit dem Strom des ersten Fluids. Es liegt
also bereits eine Vermischung des zweiten Fluids mit einem Teil
des ersten Fluids vor. Da eine Vermischung mit dem restlichen Anteil des
ersten Fluids nun schneller vonstatten gehen kann, also auf einer
kürzeren
Distanz nach der Vorrichtung abläuft,
kann ein Mischungsweg dementsprechend kürzer vorgesehen und damit Bauvolumen
und Material eingespart werden. Die aus den Stand der Technik bekannten
Mischelemente sind nicht oder lediglich in verringerter Anzahl beziehungsweise
in geringerer Größe notwendig.
Damit wird der durch die Einbringung des zweiten Fluids verursachte
Druckverlust deutlich verringert. Im Vergleich zu einer aus dem
Stand der Technik bekannten Zuführleitung,
in der lediglich das zweite Fluid vorliegt, fällt die Strömungsgeschwindigkeit in der
Zuführleitung
erfindungsgemäß deutlich
höher aus,
da die Zuführleitung
von dem ersten und dem zweiten Fluid beziehungsweise einer Mischung
aus den Fluiden durchströmt
wird. Daraus ergibt sich eine deutliche Reduzierung der Tot- beziehungsweise
t90-Zeit. Damit kann eine Regelung einer
eingebrachten Menge des zweiten Fluids deutlich verfeinert und besser beziehungsweise
in deutlich kürzerer
Zeit auf die Menge des ersten Fluids angepasst werden. Die Bewegung
des ersten Fluids durch die Zuführleitung hindurch,
also die Bewegung durch eine bezüglich des
ersten Fluidstroms stromaufseitige Einlassöffnung in die Zuführleitung
hinein und durch eine bezüglich
des ersten Fluidstroms stromabseitige Auslassöffnung heraus, wird erfindungsgemäß aufgrund des
dynamischen Druckes des ersten Fluids gewährleistet. Durch ein direktes
Anströmen
der Einlassöffnung
wird das erste Fluid in die Einlassöffnung hinein- und durch die Zuführleitung
hindurchgedrückt. Liegt
ein Strom des ersten Fluids vor, kann somit eine Durchströmung der
Zuführleitung
mit dem ersten Fluid vorliegen.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zuführleitung
eine Versorgungsleitung aufweist, die an ihrem einen Ende die Einlassöffnung besitzt.
Die Zuführleitung
kann demnach auch mit dem ersten Fluid versorgt werden, wenn die
Einlassöffnung
nicht direkt an der Zuführleitung
vorgesehen ist. Die Einbringung des zweiten Fluids erfolgt weiterhin
in die Zuführleitung.
Damit liegt in der Versorgungsleitung nur das erste Fluid vor, während die
Zuführleitung
ab der Position, an der eine Einbringung des zweiten Fluids erfolgt,
eine Mischung aus den Fluiden aufweist. Es sei insbesondere darauf
hingewiesen, dass auch eine einstückige Ausbildung von Versorgungsleitung
und Zuführleitung
vorgesehen sein kann.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen Einlassöffnung und
Auslassöffnung eine
Einspeiseöffnung
liegt, die das zweite Fluid mit dem ersten Fluid in Mischkontakt
bringt. Durch die Einspeiseöffnung
wird das zweite Fluid in die Zuführleitung
beziehungsweise die Versorgungsleitung eingebracht. Somit liegt
vor der Einspeiseöffnung
lediglich das erste Fluid und nach der Einspeiseöffnung eine Mischung aus den
Fluiden vor.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Einspeiseöffnung von
dem anderen Ende der Versorgungsleitung gebildet ist. Die Einspeiseöffnung liegt
also auf dem der Einlassöffnung
abgewandten Seite der Versorgungsleitung. Die Einspeiseöffnung befindet
sich somit auch an der Stelle, an der die Zuführleitung und die Versorgungsleitung
zusammenlaufen.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Einspeiseöffnung seitlich
mit Abstand neben dem Strom des ersten Fluids angeordnet ist. Durch diese
Maßnahme
wird die Stelle, an der eine Einbringung des zweiten Fluids erfolgt,
vor Einflüssen
des Stroms des ersten Fluids geschützt. Im Fall einer Abgasreinigungsanlage
sind dies vor allem thermische Einflüsse, die von einem heißen Abgasstrom
ausgewirkt werden.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an der Einspeiseöffnung eine
Dosiervorrichtung für
das zweite Fluid vorgesehen ist. Über die Dosiervorrichtung erfolgt
ein Einbringen des zweiten Fluids in die Einspeiseöffnung.
Dabei ist eine genaue Dosierung vorgesehen, wozu ein Dosierventil,
insbesondere ein elektromagnetisches Dosierventil, verwendet werden
kann. Üblicherweise
ist die Dosiervorrichtung nur in begrenztem Maße für die Temperaturbereiche ausgelegt,
die in einer Abgasanlage auftreten können. Es ist daher sinnvoll,
diese, wie vorangehend beschrieben, mit Abstand zu dem Strom des
ersten Fluids anzuordnen. Es kann weiterhin vorgesehen sein, die
Dosiervorrichtung, beziehungsweise die Menge des über die
Dosiervorrichtung in die Einspeiseöffnung eingebrachten zweiten
Fluids, über
eine Steuereinheit zu regeln.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Querschnitt der
Einlassöffnung
größer oder gleich
dem Querschnitt der Auslassöffnung
ist. Da der Totaldruck in der Zuführleitung, beziehungsweise der
Versorgungsleitung und der Zuführleitung,
abgesehen von Druckverlusten konstant bleibt, erhöht sich
bei einer Verengung der Leitung die Strömungsgeschwindigkeit. Somit
liegt, wenn die Auslassöffnung
einen kleineren Querschnitt hat als die Einlassöffnung, an der Auslassöffnung eine
höhere
Geschwindigkeit vor. Diese ist idealerweise lokal höher als
die Strömungsgeschwindigkeit
des Stromes des ersten Fluids, der die Auslassöffnung umgibt. Durch diese
lokal höhere
Geschwindigkeit erfolgt eine gute Vermischung der aus der Auslassöffnung austretenden
Mischung mit dem Strom des ersten Fluids.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Winkel zwischen
einer Ausströmungsrichtung
der Mischung aus der Auslassöffnung
und einer Richtung des Stroms des ersten Fluids 0° bis 90° aufweist.
Das bedeutet, dass eine Ausströmungsrichtung
der Mischung nicht entgegen der Strömungsrichtung des Stromes des
ersten Fluids gewählt
werden sollte. In diesem Fall könnte
der dynamische Druck nicht mehr für eine Durchströmung der
Zuführleitung,
beziehungsweise der Versorgungsleitung und der Zuführleitung,
mit dem ersten Fluid sorgen. Daher wird die Auslassöffnung idealerweise
derart vorgesehen, dass die Ausströmungsrichtung der Mischung
aus der Zuführleitung
in einem Bereich von der Strömungsrichtung
des Stromes bis hin zur orthogonalen Richtung des Stromes liegt.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an der Einlassöffnung ein
Strömungsleitelement vorgesehen
ist. Dieses Element kann derart ausgebildet sein, dass es Einströmungsverluste
in die Einlassöffnung
verringert und/oder den effektiven Querschnitt der Einlassöffnung verändert, insbesondere vergrößert. Somit
kann durch das Anbringen eines Strömungsleitelements an der Einlassöffnung die Strömungsgeschwindigkeit
in der Zuführleitung und/oder
Versorgungsleitung erhöht
werden, ohne dass die Querschnitte von Einlass- beziehungsweise Auslassöffnung unterschiedlich
gewählt
worden wären.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Fluid Abgas
in einer Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine und/oder das
zweite Fluid ein Reduktionsmittel ist. Die Erfindung ist in besonderem
Maße für die Einmengung
eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine
geeignet.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Speichervorrichtung,
insbesondere eine thermisch beaufschlagbare Speichervorrichtung,
für die
Lieferung des zweiten Fluids vorgesehen ist. Die Versorgung der
Vorrichtung mit dem zweiten Fluid kann über eine Speichervorrichtung
sichergestellt werden. Es können
verschiedene Speichervorrichtungen vorgesehen sein, beispielsweise
ein Druckspeicher. Insbesondere kann auch eine thermisch beaufschlagbare
Speichervorrichtung vorgesehen werden, bei der das zweite Fluid
durch Aufheizen der Speichervorrichtung freigesetzt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Zeichnung veranschaulicht die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels,
und zwar zeigt:
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1 eine
schematische Übersicht
des Dosiersystems,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel,
bei dem eine Mischung der Fluide in einem Bereich erfolgt, der innerhalb
des Stroms des ersten Fluids liegt, und
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel,
bei dem ein Teil des ersten Fluids an einer Dosiervorrichtung vorbeigeführt wird
und eine Mischung der Fluide in einem Bereich erfolgt, der seitlich
mit Abstand neben dem Strom des ersten Fluids liegt.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau einer Abgasreinigungsvorrichtung 1,
die in einem Abgastrakt 2 einer nicht dargestellten Verbrennungsmaschine
vorgesehen ist. Der Abgastrakt 2 weist ein Abgasrohr 3 auf,
in dem ein Strom eines ersten Fluids in Richtung der Pfeile 4 vorliegt.
Die Abgasreinigungsvorrichtung 1 weist eine in das Abgasrohr 3 hineinragende
Zuführleitung 5 auf.
In den 2 und 3 ist zu erkennen, dass die
Zuführleitung 5 über eine
Einlassöffnung 6 und
eine Auslassöffnung 7 verfügt. 3 zeigt
weiterhin, dass die Zuführleitung 5 in
einer weiteren Ausführungsform über eine
Versorgungsleitung 8 verfügen kann. Zwischen Einlassöffnung 6 und
Auslassöffnung 7 ist
an der Zuführleitung eine
Einspeiseöffnung 9 zu
erkennen, wie in 1 gezeigt. An ihrer, der Auslassöffnung 7 abgewandten Seite
weist die Zuführleitung 5 eine
Dosiervorrichtung 10 auf, die in einigem Abstand von dem
Abgasrohr 3 positioniert ist. Die Dosiervorrichtung 10 steht über ein
Leitungssystem 11 in Fluidverbindung mit einer Speichervorrichtung 12.
In der Speichervorrichtung 12 ist ein zweites Fluid gespeichert.
Sowohl die Dosiervorrichtung 10 als auch Speichervorrichtung 12 sind
an eine Steuereinheit 13 angebunden.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
für das die
Einlassöffnung 6 direkt
an der Zuführleitung 5 integriert
ist. Die Einlassöffnung 6 steht
mit ihrer Oberfläche
senkrecht zur Strömungsrichtung
des Stromes des ersten Fluids durch das Abgasrohr 3 in
Richtung der Pfeile 4. Die Auslassöffnung 7 weist dieselbe Ausrichtung
auf. Es sei darauf hingewiesen, dass auch Varianten vorgesehen sein
können,
bei denen die Auslassöffnung 7 parallel
zur Strömungsrichtung ausgerichtet
ist beziehungsweise einen Ausrichtungswinkel zwischen einer senkrechten
und einer parallelen Ausrichtung aufweist.
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3 zeigt
eine alternative Ausführungsform,
die eine Versorgungsleitung 8 vorsieht, die auf der einen
Seite die Einlassöffnung 6 und
auf der anderen Seite eine Verbindung zu der Zuführleitung 5 aufweist.
An der Verbindungsstelle zwischen Zuführleitung 5 und Versorgungsleitung 8 ist
zudem die Einspeiseöffnung 9 vorgesehen.
In den beiden Ausführungsbeispielen
ist die Dosiervorrichtung 10 jeweils außerhalb des Abgasrohrs 3 und
in einigem Abstand zu diesem angeordnet.
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Im
Betrieb der Abgasreinigungsvorrichtung 1 ergibt sich folgender
Ablauf: Ein Teil des in Richtung der Pfeile 4 durch das
Abgasrohr 3 strömenden
ersten Fluids (in diesem Anwendungsbeispiel Abgas) dringt durch
die Einlassöffnung 6 in
die Zuführleitung 5 (2)
beziehungsweise Versorgungsleitung 8 (3)
vor. Dies ist durch den Pfeil 14 angedeutet. Gleichzeitig
wird durch die Steuereinheit 13 der Ausstoß von dem
zweiten Fluid (in diesem Anwendungsbeispiel Ammoniak) aus der Speichervorrichtung 12 veranlasst,
das dann durch die Dosiervorrichtung 10 und die Einspeiseöffnung 9 in
die Zuführleitung 5 gelangt.
Die Steuereinheit 13 beeinflusst sowohl die Menge des abgegebenen
zweiten Fluids aus der Speichervorrichtung 12, als auch
die Menge des zweiten Fluids, die durch die Dosiervorrichtung 10 in die
Zuführleitung 5 gelangt.
Das zweite Fluid bewegt sich in Richtung des Pfeils 15.
Bei dem Ausführungsbeispiel
wie in 2 dargestellt, muss es zunächst von der Einspeiseöffnung 9 auf
die Höhe
der Einlassöffnung 6 gelangen.
In dieser Zeit weist es nur eine relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit
auf. Auf Höhe
der Einlassöffnung 6 vermischt
sich das zweite Fluid mit dem in Richtung des Pfeils 14 eindringenden
ersten Fluid und bewegt sich weiter in Richtung Auslassöffnung 7.
Ab dem Punkt, an dem sich das zweite Fluid mit dem eindringenden
ersten Fluid vermischt, steigt die Strömungsgeschwindigkeit zumindest
auf die Geschwindigkeit des eindringenden ersten Fluids an. Sobald
die Mischung aus den Fluiden die Auslassöffnung 7 erreicht
hat, erfolgt ein Ausströmen – dargestellt
durch die Pfeile 16 – in
das Abgasrohr. Dort findet eine weitere Vermischung der ausströmenden Mischung
der Fluide mit den restlichen ersten Fluid beziehungsweise mit dem
Teil des Stroms des ersten Fluids statt, der nicht durch die Einlassöffnung 6 eingeströmt ist.
Dabei variiert die Austrittsgeschwindigkeit durch die Auslassöffnung 7 je
nach Verhältnis
der Querschnitte von Einlassöffnung 6 und
Auslassöffnung 7.
Ist die Einlassöffnung 6 größer als
die Auslassöffnung 7,
so strömt
die Mischung aus den Fluiden mit einer höheren Geschwindigkeit aus der
Auslassöffnung 7 aus,
als das erste Fluid beim Eintritt in die Einlassöffnung 6 aufweist. Damit
weist die Mischung nach ihrem Austritt aus der Auslassöffnung 7 eine
höhere
Geschwindigkeit auf als das sie umgebende erste Fluid. Dadurch wird eine
gute Durchmischung der Mischung mit dem Teil des ersten Fluids erreicht,
der um die Vorrichtung herumgeströmt ist. Weiterhin ist die Strömungsgeschwindigkeit
zumindest in einem Bereich der Zuführleitung 5 gegenüber einer
Einbringung des zweiten Fluids ohne vorherige Mischung mit einem
Teil des ersten Fluids erhöht.
Dadurch verringert sich die Tot- beziehungsweise t90-Zeit.
Diese sind wichtige Größen für die Qualität der Abgasreinigungsvorrichtung 1.
Je kleiner diese Zeiten sind, desto genauer und vor allem schneller
kann eine Anpassung der Menge des zweiten Fluids an einen momentanen Lastzustand
der nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine erfolgen.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Vorrichtung. Es ist eine Versorgungsleitung 8 vorgesehen,
durch deren Einlassöffnung 6 ein
Teil des ersten Fluids in Richtung des Pfeils 14 durch
die Versorgungsleitung 8 fließt. Die Versorgungsleitung 8 ist auf
Höhe der
Einspeiseöffnung 9 mit
der Zuführleitung 5 verbunden.
An dieser Stelle erfolgt auch ein Einbringen des zweiten Fluids über die
Dosiervorrichtung 10 und die Einspeiseöffnung 9. Im Gegensatz
zu der in 2 dargestellten Variante liegt
in dem gesamten System aus Zuführleitung 5 und
Versorgungsleitung 8 eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit,
nämlich
mindestens die Strömungsgeschwindigkeit
des ersten Fluids an der Einlassöffnung 6,
vor. Dadurch kann die Tot- beziehungsweise t90-Zeit
weiter reduziert werden. Ansonsten gelten für dieses Ausführungsbeispiel
dieselben Merkmale wie für
das in 2 dargestellte.
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Nach
dem Vermischen der durch die Auslassöffnung 7 austretenden
Mischung der Fluide (Abgas und Ammoniak) mit dem restlichen ersten
Fluid (Abgas) erfolgt ein Abströmen
in Richtung des Pfeils 17 und nachfolgend durch einen nicht
dargestellten Katalysator. In diesem erfolgt eine selektive katalytische Reaktion,
während
der vorhandene Stickoxide (NOx) in ungefährliche
Elemente zerlegt werden.