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Die
Erfindung bezieht sich auf einen statischen Mischer für
ein in einer Strömungsrichtung Abgas führendes
Abgasrohr einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, der mehrere
quer zur Strömungsrichtung nebeneinander angeordnete Strömungselemente
für das Abgas aufweist. Das jeweilige Strömungselement
ist aus einer Blechplatte mit einem wellenförmigen Querschnittsprofil
gebildet, das mehrere in Richtung paralleler Profilachsen nebeneinander
verlaufende Rinnen aufweist. Die Profilachse des Strömungselements
ist in Bezug zur Strömungsrichtung in einem Winkel ps von
0° bis 70° oder in einem Winkel ps von 0° bis –70° orientiert.
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Es
ist bereits ein gattungsgemäßer Mischer aus dem
nächstliegenden Stand der Technik, der
EP 1 857 172 A1 , bekannt.
Es wird ein Mischelement für den Einbau in ein Fluid leitendes
Mittel beschrieben, das einen ersten Querschnitt, der in einer Ebene
angeordnet ist und einen zweiten Querschnitt, der in einer parallelen
Ebene angeordnet ist, aufweist, wobei das Mischelement einen Querschnittsverlauf
aufweist, der im Wesentlichen kontinuierlich vom ersten Querschnitt
zum zweiten Querschnitt ansteigt. Die Strömungskanäle
benachbarter Lagen sind sich offen kreuzend und/oder diffusorartig
ausgebildet. Ein Strömungskanal wird von zumindest zwei
Profilflächen begrenzt, wobei je zwei benachbarte Profilflächen
einer Lage eine gemeinsame Kante ausbilden. Die zu einer Lage gehörigen
Kanten sind um einen Winkel alpha einem Bereich von 0° bis
120°, insbesondere von 60° bis 90° gegeneinander
geneigt ausgebildet, wobei insbesondere sich kreuzende Kanten von
benachbarten Lagen mit der Hauptströmungs richtung entgegengesetzt
gleich große Winkel alpha/2 einschließen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Struktur des Mischers
derart auszubilden und anzuordnen, dass der Mischer für
eine Kombination mit einer Vorstufe in Form eines Umlenkelements
geeignet ist.
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Gelöst
wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Mischer,
der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Profilachsen von mindestens
zwei nebeneinander angeordneten Strömungselementen in einem
nach Richtung und Betrag gleichen Winkel ps ausgerichtet sind. Dadurch
wird erreicht, dass ein in Einspritzrichtung E orientierter Strom
von Reduktionsmittel, im Wesentlichen durch die beiden gleich ausgerichteten
Strömungselemente, erfasst und in eine zur Mittelachse
orientierte Richtung abgelenkt werden kann. Das Querschnittsprofil
ist bevorzugt regelmäßig wellenförmig
mit einer konstanten Amplitude ausgebildet.
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Vorteilhaft
ist es auch, dass die beiden nebeneinander angeordneten Strömungselemente
in Bezug auf eine Mittelebene gegenüberliegend positioniert
sind. Dadurch wird erreicht, dass der in der Mitte vom Abgasrohr
eingespritzte Strom von Reduktionsmittel, bevorzugt auch in der
Mitte, durch den Mischer in seiner Strömungsrichtung abgelenkt
wird. Bevorzugt sind die Profilachsen in einem Winkel ps zwischen
25° und 35° zur Strömungsrichtung angestellt.
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Eine
zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung,
dass das wellenförmige Querschnittsprofil aus runden, ovalen,
dreieckigen oder mehreckigen Teilprofilen gebildet ist. Jedes dieser
Profile weist eine Profilachse auf und ist wellenförmig
ausgebildet. Bezüglich der Wellenform kommt es auf die regelmäßigen
Amplituden und nicht auf einen runden Querschnitt an.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass der Mischer in Bezug zu der Profilachse
in Abhängigkeit einer Einspritzrichtung E eines Reduktionsmittels
im Abgasrohr ausgerichtet werden kann. Dadurch wird erreicht, dass
gleiche Mischer bei verschiedenen Abgasanlagen mit verschiedenen
Einspritzrichtungen eingesetzt werden können. Hierzu weist
der Mischer auf seiner Außenseite ein Sicherungselement
auf, über das der Mischer durch eine im Abgasrohr entsprechend
positionierte Aufnahme für das Sicherungselement ausgerichtet
werden kann. Die Ausrichtung erfolgt somit ohne Schweißen.
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Vorteilhaft
ist es auch, dass zusätzlich ein parallel zur Strömungsrichtung
des Abgases angeordnetes Gehäuse vorgesehen ist, an dem
die Strömungselemente angeordnet sind und das Gehäuse am
oder im Abgasrohr positionierbar ist. Der Mischer kann in dem Gehäuse
vormontiert und mit dem Gehäuse in das Abgasrohr oder zwischen
zwei Abgasrohren eingesetzt werden.
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Für
die Montage zwischen zwei Abgasrohren ist es vorteilhafter Weise
vorgesehen, dass das Gehäuse auf seiner Außenseite
mindestens drei in Umfangsrichtung verteilte Sicherungselemente
aufweist, an die das jeweilige Abgasrohr jeweils von einer Seite
in Richtung der Mittelachse anschlägt. Durch die Sicherungselemente
wird ein umlaufender Spalt gebildet, der zum Verschweißen
der Abgasrohre und gleichzeitig zum Befestigen des Mischers, beziehungsweise
des Gehäuses, dient.
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Von
besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung,
dass der Mischer in Strömungsrichtung vor den Blechplatten
zumindest ein Umlenkelement aufweist, wobei das Umlenkelement mehrere nebeneinander
angeordnete Blechteile aufweist und das jeweilige Blechteil ein
wellenförmiges Querschnittsprofil aufweist, das mehrere
in Richtung paralleler Profilachsen nebeneinander verlaufende Rinnen
aufweist, wobei die Profilachse in Bezug zur Strömungsrichtung
des Mischers in einem Winkel us zwischen 120° und 180° angestellt
ist und alle Profilachsen parallel zueinander angeordnet sind. Insbesondere
dann, wenn das Reduktionsmittel nach dem Mischer weiter abgelenkt
werden muss, wie es bei gebogenen Abgasrohren üblich ist,
wird durch die durch das angestellte Umlenkelement bewirkte Ablenkung
des Reduktionsmittels von einer mittleren Einspritzrichtung in einem
Winkel se zwischen 270° und 360° in eine der Anstellung
des Umlenkelements entsprechende Verteilrichtung, ein hoher Vermischungsgrad über
den gesamten Querschnitt des Abgasrohres erreicht.
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Im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung
und Anordnung ist es von Vorteil, dass das Umlenkelement einen oder
mehrere in Bezug zur Strömungsrichtung um den Winkel sv
angestellte Flügel aufweist. Durch den Flügel
wird der Abgasstrom, ebenso wie durch das angestellte Umlenkelement,
von der Strömungsrichtung in die Verteilrichtung abgelenkt
und reißt das Reduktionsmittel mit in die Verteilrichtung.
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Vorteilhaft
ist es ferner, dass das Umlenkelement derart in dem Abgasrohr positionierbar
ist, dass das Reduktionsmittel mit Bezug zu seiner mittleren Einspritzrichtung
E unmittelbar auf das Umlenkelement auftrifft. Dadurch wird eine
Ansammlung des Reduktionsmittels an der, der Ein spritzvorrichtung gegenüber
liegenden Innseite des Abgasrohres verhindert.
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Außerdem
ist es vorteilhaft, dass das Umlenkelement ein oder mehrere in Bezug
auf die Strömungsrichtung um einen Winkel sk zwischen 95° und 265° angestellte
Korrekturflügel und/oder in einer zur Strömungsrichtung
in einem Winkel bs in einer Bohrrichtung verlaufende Bohrungen und/oder
quer zur Strömungsrichtung verlaufende Öffnungen
aufweist. Durch die Korrekturflügel werden Querströmungen erzeugt,
die der Ablenkung in die Verteilrichtung entgegenwirken und somit
den Vermischungsgrad steigern. Alternativ oder ergänzend
zu den Korrekturflügeln sind mehrere, in einer zur Strömungsrichtung
in einem Winkel bs zwischen 45° und 135° in einer Bohrrichtung
verlaufende Bohrungen vorgesehen. Das Reduktionsmittel kann mit
dem Abgasstrom durch die Bohrungen hindurch in radialer Richtung zur
Strömungsrichtung strömen.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass alle dem Abgasstrom zugewandten Stirnseiten
der Blechteile des Umlenkelements in Strömungsrichtung
schräg zur Strömungsrichtung in einem Winkel es
zwischen 185° und 270° oder in einer gekrümmten
Ebene E2 verlaufen. Durch diese Formgebung wird erreicht, dass der
Strom von Reduktionsmittel in Strömungsrichtung an verschiedenen
Positionen vom Umlenkelement erfasst und mit dem Abgasstrom abgelenkt wird.
Dabei ist vorgesehen, dass die Ebene E2 derart in Richtung der Mittelachse
des Mischers orientiert ist, dass kein Reduktionsmittel auf die
der Einspritzvorrichtung gegenüber liegende Innenwand des
Abgasrohres auftrifft.
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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 drei
in Bezug auf die Profilachsen teilweise unterschiedlich angeordnete
Strömungselemente für einen Mischer oder ein Umlenkelement;
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2 eine
Seitenansicht eines Mischers in einem Abgasrohr gemäß Schnittführung
2a-2a' nach 2a parallel zur Mittelachse;
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2a eine
Draufsicht entgegen der Strömungsrichtung auf die Stirnseite
des Mischers in einem Abgasrohr mit der Schnittführung
2a-2a';
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3 eine
Draufsicht in Strömungsrichtung auf zwei nebeneinander
angeordnete und in Bezug auf die Profilachsen gleich ausgerichtete
Strömungselemente mit einem trapezförmigen Querschnittsprofil;
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4 eine
Draufsicht in Strömungsrichtung auf zwei nebeneinander
angeordnete und in Bezug auf die Profilachsen gleich ausgerichtete
Strömungselemente mit einem dreieckigen Querschnittsprofil;
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5 eine
Draufsicht in Strömungsrichtung auf zwei nebeneinander
angeordnete und in Bezug auf die Profilachsen gleich ausgerichtete
Strömungselemente mit einem rechteckförmigen Querschnittsprofil;
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6 eine
Seitenansicht eines Mischers in einem Abgasrohr mit einem vorgeschalteten
Umlenkelement;
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6a eine
Ansicht entgegen der Strömungsrichtung auf die Stirnseite
des Mischers;
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7 eine
Seitenansicht eines Mischers in einem Abgasrohr mit einem vorgeschalteten
Umlenkelement, dessen Stirnseiten der Blechteile in einer gekrümmten
Ebene E2 verlaufen;
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8 eine
Seitenansicht eines Mischers in einem Abgasrohr mit einem vorgeschalteten
Umlenkelement, dessen Stirnseiten der Blechteile in einer zur Strömungsrichtung
in einer um einen Winkel us angestellten Ebene verlaufen;
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9 eine
Seitenansicht eines Mischers mit einem Umlenkelement in einem Abgasrohr,
wobei die Profilachsen von Mischer und Umlenkelement parallel verlaufen;
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10 ein
Blechteil mit mehreren Korrekturflügeln;
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11 ein
Blechteil mit mehreren Bohrungen
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12 ein
Gehäuse für einen Mischer mit einem Sicherungselement
und mehreren Justierelementen in einem Abgasrohr;
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13 ein
Mischer mit einem Gehäuse gemäß 12.
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Wie
in 1 gezeigt, ist ein Mischer 1 aus mehreren
nebeneinander anliegenden Strömungselementen 7, 7', 7'' aufgebaut.
Das jeweilige Strömungselement 7, 7', 7'' ist
aus einer Blechplatte 70 mit einem wellenförmigen
Querschnittsprofil 71 gebildet, das mehrere in Richtung
paralleler Profilachsen 74 nebeneinander verlaufende Rinnen 72 aufweist. Die
Profilachsen 74, 74' von zwei benachbar ten Strömungselementen 7, 7' verlaufen
mit einer Ausnahme in Bezug zur Strömungsrichtung S zueinander
angestellt in einem Winkel ps von +40° und –40°.
Dadurch wird die Strömung in den durch die beiden Strömungselemente 7, 7' gebildeten
Kanäle gleichzeitig nach oben und nach unten abgelenkt.
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Erfindungsgemäß verlaufen
jedoch die Profilachsen 74, 74'' von einem Paar
nebeneinander angeordneter Strömungselemente 7, 7'' in
einem nach Richtung und Betrag gleichen Winkel ps von –40° und
sind somit nicht zueinander angestellt. Dadurch wird, wie in 2a durch
die Pfeile verdeutlicht, die Strömung innerhalb der durch
die beiden Strömungselemente 7, 7'' gebildeten
Kanäle nur nach oben, also in die gleiche Richtung, abgelenkt.
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Durch
die gleiche Ausrichtung der Profilachsen 74, 74'' von
den beiden bezüglich der Mittelebene 10 gegenüberliegend
und gleichzeitig nebeneinander angeordneten Strömungselementen 7, 7'' wird eine
bezüglich der Mittelebene 10 spiegelsymmetrische
Geometrie des Mischers 1 erreicht. Der im Zentrum des Mischers 1 strömende
Teil des Abgasstroms und des Reduktionsmittels wird somit innerhalb
dieser beiden Strömungselemente 7, 7'' in
eine Richtung abgelenkt.
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In 2 ist
entsprechend der in 2a gezeigten Schnittführung
2a-2a' eine Seitenansicht des im Abgasrohr 40 integrierten
Mischers 1 gezeigt. Die Profilachsen 74 eines
Strömungselements 7 verlaufen alle parallel zueinander
in dem Winkel ps von 30° zur Strömungsrichtung
S. Die Stirnseite 73 der Strömungselemente 7 beziehungsweise
der Blechplatten 70 verläuft in einer rechtwinklig
zur Strömungsrichtung S orientierten Ebene E1.
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In
den 3 bis 5 sind verschiedene Querschnittsprofile 71 für
Strömungselemente 7 dargestellt. In diesen Ausführungsbeispielen
sind die beiden Strömungselemente 7, 7'' gezeigt,
die bezüglich der Mittelebene 10 spiegelsymmetrisch
nebeneinander angeordnet sind. In einem Mischer 1 mit einem
dieser Querschnittsprofile 71 weisen alle Strömungselemente 7, 7', 7'' den
gleichen Querschnitt 71 auf.
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Nach
den Ausführungsbeispielen gemäß 6 bis 9a ist vor dem Mischer 1 ein Umlenkelement 6 angeordnet,
das ähnlich aufgebaut ist wie der Mischer 1. Auch
bei dem Umlenkelement 6 sind, wie in 1 bezüglich
dem Mischer 1 dargestellt, mehrere Blechteile 60 mit
einem wellenförmigen Querschnittsprofil 66 unmittelbar
nebeneinander angeordnet. Die Profilachsen 67 benachbarter
Blechteile 60 sind in Bezug zur Strömungsrichtung
S nicht angestellt, d. h. sie verlaufen parallel zur Strömungsrichtung
S. Das Umlenkelement 6 bildet somit entsprechend den beiden
mittleren Strömungselementen 7, 7'' des
Mischers 1 zwischen den einzelnen Blechteilen 60 Kanäle,
in denen der Abgasstrom und das Reduktionsmittel nur in eine Richtung
geführt werden.
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Das
Umlenkelement 6 dient dazu, ein durch eine nicht dargestellte
Einspritzvorrichtung in das Abgasrohr 40, unmittelbar auf
das Umlenkelement 6 eingespritztes Reduktionsmittel aus
einer mittleren Einspritzrichtung E gemäß 6 abzulenken.
Hierzu weist zumindest ein Blechteil 60 mehrere um einen Winkel
sv von bevorzugt 20° angestellte Flügel 61 auf.
Durch die Flügel 61 wird der Abgasstrom in eine Verteilrichtung
V nach oben abgelenkt und dadurch das Reduktionsmittel mit nach
oben gerissen.
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Gerade
dann, wenn die Einspritzrichtung E, in der das Reduktionsmittel
in das Abgasrohr 40 eingespritzt wird, wie üblich
nicht parallel zur Strömungsrichtung S und nicht koaxial
zur Mittelachse 12, sondern in einem Winkel se zwischen
270° und 355° erfolgt, wird durch das Umlenkelement 6 erreicht,
dass das Reduktionsmittel nach dem Auftreffen auf das Umlenkelement 6 in
Verteilrichtung V in den mittleren Bereich des Mischers 1 befördert
wird, damit es von dieser zentralen Position aus durch den Mischer 1 über
den gesamten Querschnitt des Abgasrohres 40 mit dem Abgasstrom
vermischt werden kann.
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Noch
mehr Bedeutung bekommt diese Umlenkung des Reduktionsmittels bei
Abgasanlagen mit einem gekrümmten Abgasrohr, bei denen
das Abgasrohr 40 in Strömungsrichtung S unmittelbar
nach dem Mischer 1 umgebogen ist. In solchen Fällen
wird das Reduktionsmittel über die Einspritzvorrichtung
in einem Winkel von 334° zur Strömungsrichtung
S eingespritzt und muss in Strömungsrichtung S nach dem Mischer 1, über
die parallele Strömungsrichtung S hinaus, weiter in Richtung
des Abgasrohres 40 umgelenkt werden.
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Ergänzend
weisen die Blechteile 60 Korrekturflügel 64 oder
Bohrungen 65 auf, durch die eine Verteilung des Reduktionsmittels über
den Strömungsquerschnitt des Abgasrohrs 40 vor
dem Mischer 1 erfolgt.
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In
dem Ausführungsbeispiel gemäß den 6 weist
das Blechteil 60 mehrere, in einer zur Strömungsrichtung
S in einem Winkel bs von 90° in einer Bohrrichtung B verlaufende
Bohrungen 65 auf, durch die der Abgasstrom mit dem Reduktionsmittel zumindest
teilweise durch das Umlenkelement 6 in Richtung der Mittelachse 12 strömen
kann.
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In
dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 weist
das Blechteil 60 mehrere in Bezug auf die Strömungsrichtung
S um einen Winkel sk von 155° angestellte Korrekturflügel 64 auf.
Die Korrekturflügel 64 sind teilweise aus dem
Blechteil 60 ausgestanzt und stehen vom Blechteil 60 ab.
Dadurch wird unter dem Korrekturflügel 64 am jeweiligen
Blechteil 60 eine Öffnung 63 gebildet,
die der Fläche des Korrekturflügels 64 entspricht.
Der Korrekturflügel 64 kann ein- oder beidseitig
vom Blechteil 60 abstehen.
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Entsprechend
der Konstruktion der Korrekturflügel 64 sind die
Flügel 61 am Blechteil 60 ausgestanzt,
so dass das Blechteil 60 unterhalb des jeweiligen Flügels 61 eine Öffnung 63 aufweist,
die mindestens der Fläche des Flügels 61 entspricht,
der vom Blechteil 60 absteht.
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Mit
Rücksicht auf die Richtung, in der das Reduktionsmittel
in das Abgasrohr 40 eingespritzt wird, verläuft
die Stirnseite 69 der Blechteile 60 gemäß den
Ausführungsbeispielen nach 7 und 8 derart
in einer Ebene E2, dass der in der Zeichenebene untere Bereich des
Blechteils 60 in einer der Strömungsrichtung S
entgegen gesetzten Richtung gegenüber dem oberen Bereich
weiter vorsteht. In 7 ist ein gekrümmter
Verlauf der Ebene E2 und in 8 ein schräger,
in einem in Bezug zur Strömungsrichtung S angestellten
Verlauf mit einem Winkel es von 236° dargestellt. Durch
diese Formgebung wird erreicht, dass das Reduktionsmittel nicht auf
die der Einspritzvorrichtung gegenüberliegenden Innenwand
des Abgasrohres auftrifft, aber der Mischer den notwendigen Abstand
zur Einspritzvorrichtung aufweist. Da das Reduktionsmittel kegelförmig
in das Abgasrohr 40 einspritzt, wird als mittlere Einspritzrichtung
E auf den theoretisch zentralen Einspritzstrahl Bezug genommen.
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In
dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist das
Umlenkelement 6 mit seiner Profilachse 67 um einen
Winkel us von 160° gegenüber der Strömungsrichtung
S angestellt. Der Winkel us entspricht dem Winkel ps, mit dem die
Profilachsen 74 des Mischers 1 gegenüber
der Strömungsrichtung S angestellt sind.
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In 10 und 11 sind
die bezüglich 6 und 8 beschriebenen
Flügel 61, die Korrekturflügel 64 und
die Bohrungen 65 näher dargestellt. Je nach Strömungsrichtung
S, bilden die in 10 dargestellten Elemente 61, 64 einen
Flügel 61 oder einen Korrekturflügel 64.
Der Flügel 61 weist mit seinem vom Blechteil 60 abstehenden
Ende in Strömungsrichtung S, der Korrekturflügel 64 dagegen
ist mit seinem vom Blechteil 60 abstehenden Ende entgegen
die Strömungsrichtung S gerichtet.
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Die
Blechplatte 70 des Mischers 1 und/oder das Blechteil 60 des
Umlenkelements 6 sind, wie in den Figuren dargestellt, über
ein Gehäuse 2 im oder am Abgasrohr 40 befestigt.
Das Gehäuse 2 ist ein zylinderförmiges
Rohrteil und wird in einer Strömungsrichtung S parallel
zu einer Mittelachse 23 des Gehäuses 2 von
Abgas durchströmt. Auf einer Außenseite 21 des
Gehäuses 2 ist, wie in 12 dargestellt,
ein Sicherungselemente 24 vorgesehen. Das Sicherungselement 24 ist
als Noppen ausgebildet und steht gegenüber der Außenseite 21 hervor. Durch
das Sicherungselement 24 kann der Mischer 1 beziehungsweise
das Umlenkelement 6 gegen Verdrehen um die Mittelachse 23 im
Abgasrohr 40 festgesetzt werden. Ferner dient das Sicherungselement 24 dazu,
gleichzeitig mit dem Festsetzen die Drehposition des Mischers 1,
bezogen auf die Mittelachse 23, in der Abgasanlage vorzugeben.
Hierzu ist im Abgasrohr 40 an einer bestimmten Position
eine entsprechende, nicht näher dargestellte, Aufnahme
vorgesehen, in die das Sicherungselement 24 in Richtung
der Mittelachse 23 eingeschoben wird.
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Wie
in 12 dargestellt ist, kann der Mischer 1 zwischen
zwei Abgasrohre 40, 40' montiert werden. Hierzu
werden die beiden Abgasrohre 40, 40' beidseitig
auf das Gehäuse 2 aufgesteckt. Für das
Verschweißen der beiden Abgasrohre 40, 40' und
für die Schweißverbindung der Abgasrohre 40, 40' mit
dem Mischer 1 ist zwischen den Abgasrohren 40, 40' ein
Spalt 42 vorgesehen. Der Spalt 42 entsteht dadurch,
dass die Abgasrohre 40, 40', wie in 13 dargestellt,
in Richtung der Mittelachse 12 durch drei über
den Umfang verteilte Justierelemente 22 voneinander beabstandet
sind, an die das jeweilige Abgasrohr 40, 40' jeweils
von einer Seite in Richtung der Mittelachse 12 anschlägt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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