DE102010048626A1

DE102010048626A1 - Mischeinrichtung

Info

Publication number: DE102010048626A1
Application number: DE102010048626A
Authority: DE
Inventors: Michael Müller
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2012-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mischeinrichtung zum Vermischen von mindestens zwei Fluidströmen, insbesondere für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, mit einer ersten Leitung für einen ersten Fluidstrom, einer zweiten Leitung für einen zweiten Fluidstrom und einem in der ersten Leitung unter Ausbildung eines Spalts angeordneten Verdrängungskörper. Der Verdrängungskörper ist von dem zweiten Fluidstrom durchströmbar und weist hierfür zumindest eine Zuflussöffnung und mehrere Austrittsöffnungen auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischeinrichtung zum Vermischen von mindestens zwei Fluidströmen, insbesondere für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine.
Derartige Mischeinrichtungen kommen beispielsweise dann zum Einsatz, wenn zwei Fluidströme aus unterschiedlichen Stoffen – insbesondere stöchiometrisch – homogenisiert werden sollen oder wenn Fluidströme mit unterschiedlichen Temperaturniveaus derart gemischt werden sollen, dass sich möglichst rasch eine einheitliche Temperaturverteilung einstellt. Beispielsweise bei Abgasnachbehandlungsverfahren, bei denen ein gasförmiges Reduktionsmittel in den Abgasstrom eingebracht wird (z. B. bestimmte SCR-Verfahren), ist eine gute Durchmischung der beiden Fluidströme entscheidend, um den Schadstoffausstoß zu minimieren.
Grundsätzlich können Mischeinrichtungen mit beweglichen Komponenten eine gute Durchmischung von zwei Fluidströmen bewirken, allerdings sind solche Mischeinrichtungen relativ störanfällig und kostspielig in der Herstellung. Bekannte Mischeinrichtungen mit lediglich statischen Komponenten liefern jedoch oftmals unbefriedigende Durchmischungsresultate.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mischeinrichtung der vorstehend genannten Art zu schaffen, die zuverlässig eine Durchmischung von zwei separaten Fluidströmen sicherstellt, die aber gleichzeitig auch einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine Mischeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist die Mischeinrichtung eine erste Leitung für einen ersten Fluidstrom, eine zweite Leitung für einen zweiten Fluidstrom und einen in der ersten Leitung unter Ausbildung eines Spalts angeordneten Verdrängungskörper auf. Der Verdrängungskörper ist von dem zweiten Fluidstrom durchströmbar und weist hierfür mindestens eine Zuflussöffnung und mehrere Austrittsöffnungen auf.
Mit anderen Worten wird der zweite Fluidstrom über den Verdrängungskörper in den ersten Fluidstrom eingebracht, wobei der Verdrängungskörper zusätzlich dafür sorgt, dass der erste Fluidstrom in geeigneter Weise gelenkt wird, um das aus dem Verdrängungskörper strömende zweite Fluid aufnehmen zu können. Der Verdrängungskörper verändert somit den freien Strömungsquerschnitt in der ersten Leitung unter Ausbildung eines Spalts zwischen dem Verdrängungskörper und der ersten Leitung und dient gleichzeitig zur Einbringung des zweiten Fluidstroms durch seine Austrittsöffnungen.
Bewegliche Komponenten sind bei der Mischeinrichtung nicht erforderlich, was sich vorteilhaft auf die Zuverlässigkeit und die Herstellungskosten auswirkt. Außerdem wird eine effiziente Durchmischung der Fluidströme erreicht, da der Verdrängungskörper sowohl den ersten Fluidstrom beeinflusst als auch den zweiten Fluidstrom in vorteilhafter Weise in den ersten Fluidstrom einbringt. Diese doppelte Funktionalität führt zu einer verbesserten Durchmischung der Fluidströme.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Austrittsöffnungen so angeordnet, dass der zweite Fluidstrom den Spalt durchströmt. Die Austrittsöffnungen können beispielsweise so positioniert sein, dass der zweite Fluidstrom – bezogen auf den ersten Fluidstrom – vor dem Spalt oder in einem stromaufwärtigen Abschnitt des Spalts in die erste Leitung eingebracht wird. Bei einem Einbringen des zweiten Fluidstroms vor dem Spalt wird durch die Ausgestaltung des Verdrängungskörpers sichergestellt, dass der zweite Fluidstrom zusammen mit dem ersten Fluidstrom den Spalt durchtritt. Bei dem gemeinsamen Durchtritt durch den Spalt werden die beiden Fluidströme homogenisiert. Gleiches gilt, wenn der zweite Fluidstrom in einem stromaufwärtigen Abschnitt des Spalts in die erste Leitung eingebracht wird. Bei geeigneten Spaltausgestaltungen ist es grundsätzlich auch möglich, den zweiten Fluidstrom in einem mittleren oder stromabwärtigen Bereich in den Spalt einzubringen.
Konstruktiv einfach gestaltet sich ein Einbringen des zweiten Fluidstroms, wenn die Austrittsöffnungen in einer dem Spalt zugeordneten Seitenwand oder in einer – bezogen auf den ersten Fluidstrom – stromaufwärtigen Stirnwand des Verdrängungskörpers ausgebildet sind.
Um den zweiten Fluidstrom in den Verdrängungskörper zu leiten, kann die zweite Leitung so angeordnet sein, dass sie den Spalt durchquert. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der zweite Fluidstrom an einer in Bezug auf den ersten Fluidstrom stromabwärtigen oder stromaufwärtigen Stirnseite des Verdrängungskörpers in diesen eingebracht wird. Die Wahl der geeigneten Ausbildung der zweiten Leitung hängt von den jeweils vorliegenden Anforderungen ab. Beispielsweise verringert zwar die Führung der zweiten Leitung durch den Spalt den freien Strömungsquerschnitt im Bereich des Spalts, allerdings ist die zweite Leitung dadurch vergleichsweise kurz. Führt man die zweite Leitung an einer stromabwärtigen Stirnseite in den Verdrängungskörper, so kann der quer zum Fluidstrom verlaufende Abschnitt der zweiten Leitung in einem Bereich stromabwärts des Spalts angeordnet sein, in dem der Durchmischungsprozess im Wesentlichen bereits abgeschlossen ist. Die zweite Leitung hat damit kaum störende Auswirkungen auf die Durchmischungsergebnisse. Bei einer stromaufwärtigen Zuführung der zweiten Leitung wird ebenfalls kaum eine Reduktion der Durchmischungsergebnisse erzeugt, insbesondere wenn der quer zum ersten Fluidstrom verlaufende Abschnitt der zweiten Leitung so weit stromaufwärts des Spalts angeordnet ist, dass sichergestellt ist, dass der Spalt in Umfangsrichtung im Wesentlichen gleichmäßig von dem ersten Fluid durchströmt wird.
Zur Verbesserung der Durchmischung können Wirbelelemente vorgesehen sein, die sich zumindest abschnittsweise in den Spalt erstrecken und/oder die sich in einen sich dem Spalt in stromabwärtiger Richtung anschließenden Ringbereich erstrecken, der als Spaltnachlauf bezeichnet wird. Die Wirbelelemente sind insbesondere – bezogen auf den ersten Fluidstrom – zumindest abschnittsweise stromaufwärts der Austrittsöffnungen des Verdrängungskörpers angeordnet, so dass der erste Fluidstrom durch die Wirbelelemente bereits verwirbelt ist, bevor er mit dem zweiten Fluidstrom in Kontakt tritt, was die Durchmischung verbessert. Als konstruktiv einfach und funktionell effektiv hat es sich erwiesen, wenn die Wirbelelemente an dem Verdrängungskörper befestigt oder ausgebildet sind. Es ist grundsätzlich aber auch möglich, die Wirbelelemente an der Innenseite der ersten Leitung auszubilden.
Von positiver Auswirkung auf die Durchmischung ist es, wenn zumindest ein Teil der Wirbelelemente und der Austrittsöffnungen in Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms miteinander fluchten, so dass durch die Austrittsöffnungen austretendes Fluid des zweiten Fluidstroms auf das der/den jeweiligen Austrittsöffnung(en) zugeordnete Wirbelelement gelenkt wird. D. h. zumindest ein Teil des zweiten Fluidstroms wird direkt in den Nachlauf der Wirbelelemente eingebracht. Wählt man eine Höhe der Wirbelelemente maximal so groß, wie die Größe der mit ihnen jeweils fluchtenden Austrittsöffnungen, wird eine die Durchmischung verschlechternde übergroße Windschatten-Wirkung der Wirbelelemente vermieden.
Eine effiziente und gleichzeitig einfache Ausgestaltung der Wirbelelemente sieht vor, dass diese streifenförmige Lamellen sind, die zumindest abschnittsweise in Strömungsrichtung des ersten Fluids geneigt sind und/oder die sich über zumindest 50% der Höhe des Spalts, vorzugsweise über die gesamte Höhe des Spalts erstrecken. Die Wirbelelemente sind somit schräg zur Strömungsrichtung angestellt, um einerseits einen hinreichend guten Verwirbelungseffekt zu erzielen und um andererseits aber keinen unnötig großen Strömungswiderstand zu bilden.
Um die verwirbelnde Wirkung der Lamellen zu verbessern, können diese zumindest abschnittsweise eine sich in Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms verringernde, insbesondere trapezartige Form aufweisen.
Eine alternative Ausführungsform der Wirbelelemente sieht vor, dass diese hülsenartige Zylinder sind, deren Mantelfläche zumindest eine Durchtrittsöffnung aufweist und deren Inneres mit den Austrittsöffnungen in Verbindung steht. Der zweite Fluidstrom kann durch die Durchtrittsöffnung und/oder einen offenen Endabschnitt der Zylinder in den ersten Fluidstrom gelangen. Zylinderförmige Wirbelelemente weisen bei gegebener Querschnittsfläche einen vergleichsweise geringen Strömungswiderstand auf. Eine derartige Ausgestaltung der Wirbelelemente eignet sich insbesondere für Mischeinrichtungen mit vergleichsweise hohem Spalt.
Bei einem hohen Spalt können jedoch auch Wirbelelemente, z. B. Lamellen, mit seitlichen Verblendungen zum Einsatz gelangen.
Eine konstruktiv einfache Bauform der Mischeinrichtung ergibt sich bei einer rotationssymmetrischen Ausbildung des Verdrängungskörpers und/oder des Spalts.
Zur Erzeugung einer gleichmäßigen Durchmischung bei gleichzeitiger Vermeidung eines unnötig hohen Gegendrucks kann vorgesehen sein, dass der Spalt in Umfangsrichtung eine im Wesentlichen konstante Höhe aufweist.
Für bestimmte Anwendungen kann der Spalt auch nicht rotationssymmetrisch ausgestaltet sein. In diesen Fällen erweist es sich für eine gleichmäßige Durchmischung der Fluidströme als vorteilhaft, wenn eine Anordnung, z. B. ein Abstand, und/oder Größe der Austrittsöffnungen und/oder die Höhe des Spalts derart angepasst sind, dass je Flächeneinheit des Spalts senkrecht zur Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms die gleiche Menge des zweiten Fluidstroms abgegeben wird. Mit anderen Worten können die genannten Parameter in Umfangsrichtung des Spalts variiert werden, um sicherzustellen, dass in Umfangsrichtung des Spalts bezogen auf die Fläche des Spalts in einer Richtung senkrecht zum anströmenden ersten Fluid überall die gleiche Menge des zweiten Fluids eingebracht wird. Dadurch wird in Umfangsrichtung des Spalts eine gleichmäßige Konzentration des zweiten Fluids in dem ersten Fluid erreicht.
Auch die Wahl eines Spalts mit in Bezug auf die Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms konstanter Tiefe wirkt sich vorteilhaft auf die Durchmischungsergebnisse aus.
Große Verhältnisse der Tiefe des Spalts zu der Höhe des Spalts verbessern die Durchmischung der Fluidströme. Das Verhältnis Tiefe zu Höhe ist insbesondere größer als 3:1, bevorzugt größer als 4:1 sein.
Der Verdrängungskörper kann eine Kappe umfassen, die eine Stirnfläche des Verdrängungskörpers in stromaufwärtiger Richtung des ersten Fluidstroms teilweise abdeckt und die sich vom Kappenrand nach innen erstreckende Ausnehmungen aufweist. Sie erweist sich als vorteilhaft, wenn die Austrittsöffnungen des Verdrängungskörpers an einer Stirnfläche desselben ausgebildet sind. Die Ausnehmungen erleichtern ein Austreten des zweiten Fluidstroms durch die Austrittsöffnungen, da verhindert wird, dass der erste Fluidstrom alle Austrittsöffnungen direkt anströmt.
Eine stromaufwärtige Kappe des Verdrängungskörpers – mit oder ohne Ausnehmungen – kann beispielsweise eine den Strömungswiderstand des Verdrängungskörpers verringernde Form haben.
Um zu gewährleisten, dass über alle Austrittsöffnungen ein im Wesentlichen gleich großer Massestrom aus dem Verdrängungskörper in die erste Leitung eintritt, kann eine Gesamtfläche der Austrittsöffnungen derart gewählt sein, dass ein durch den zweiten Fluidstrom in dem Verdrängungskörper erzeugter Druck größer ist als der außerhalb des Verdrängungskörpers in der ersten Leitung herrschende Druck. Der zweite Fluidstrom wird somit durch einen Überdruck in die erste Leitung gepresst.
Gemäß einer kostengünstigen Ausführungsform der Mischeinrichtung werden die Wirbelelemente und/oder die Austrittsöffnungen in einem Arbeitsgang durch beispielsweise einen Stanzvorgang aus dem Verdrängungskörper, beispielsweise aus einer Seitenwand des Verdrängungskörpers, geformt.
Insbesondere bei Anwendung der Mischeinrichtung in einer Abgasanlage ist es vorteilhaft, in der Mischeinrichtung einen Hydrolysekatalysator anzuordnen, da so der Schadstoffausstoß der Abgasanlage insgesamt gesenkt werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner eine Abgasanlage, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einer Mischeinrichtung gemäß zumindest einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Figuren und den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsformen rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung,
2A und 2B eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung,
3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung,
4A und B eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung und
5A und B eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung.
1 zeigt eine Mischeinrichtung 10, die einen Rohrabschnitt 12 aufweist, in dem ein Verdrängungskörper 14 angeordnet ist. Falls erforderlich, kann der Rohrabschnitt 12 gegenüber einem nicht gezeigten Rest einer Abgasanlage, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, aufgeweitet sein. Die Mischeinrichtung 10 kann ein Modul ein, das separat von der restlich Abgasanlage vormontiert wird.
Bei Betrieb der Mischeinrichtung 10 strömt ein erster Fluidstrom I durch den Rohrabschnitt 12 und trifft auf den Verdrängungskörper 14. Dessen Stirnwand 16 ermöglicht keinen Durchtritt des ersten Fluidstroms, wodurch dieser durch einen ringförmigen Spalt 18 zwischen dem Verdrängungskörper 14 und der Innenwand des Rohrabschnitts 12 strömen muss.
Um den ersten Fluidstrom I mit einem zweiten Fluidstrom zu durchmischen, sind an einer Seitenwand 30 des Verdrängungskörpers 14 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Austrittsöffnungen 20 vorgesehen, die im vorliegenden Fall kreisförmiger Gestalt sind. Grundsätzlich können die Austrittsöffnungen 20 jedoch beliebige Formen aufweisen. Sie können beispielsweise eckig, schlitzartig oder oval sein.
Das Ausströmen des zweiten Fluidstroms aus den Austrittsöffnungen 20 wird dadurch begünstigt, dass im Inneren des Verdrängungskörpers 14 ein höherer Druck herrscht als im Rohrabschnitt 12. D. h. der zweite Fluidstrom wird in den Spalt 18 gepresst, um sich dort mit dem ersten Fluidstrom I zu vermischen. Um die Durchmischung der beiden. Fluidströme zu verbessern, sind im Nachlauf des Spalts 18 – also in einem sich dem Spalt 18 in stromabwärtiger Richtung anschließenden Ringbereich des Spalts 18 – Wirbellamellen 22 angeordnet. Sie fluchten jeweils mit zwei hintereinander angeordneten Austrittsöffnungen 20.
Die Wirbellamellen 22 unterteilen sich in einen parallel zur Strömungsrichtung der noch nicht vollständig vermischten Fluidströme verlaufenden Lamellenabschnitt 22a und einen schräg dazu verlaufenden Lamellenabschnitt 22b, der trapezförmig ausgebildet ist. Die Lamellenabschnitte 22b der Wirbellamellen 22 erstrecken sich in Strömungsrichtung geneigt oder angestellt von dem jeweiligen Lamellenabschnitt 22a bis zur Innenwand des Rohrabschnitts 12. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Lamellenabschnitte 22b nicht ganz bis zur Innenwand des Rohrabschnitts 12 reichen.
Bei der Mischeinrichtung 10, die aufgrund ihres einfachen Aufbaus durch einen Stanzprozess aus einem Blechteil geformt werden kann, wird der im Spalt 18 noch nicht vollständig homogenisierte Gesamtstrom aus erstem und zweitem Fluidstrom im Nachlauf des Spalt 18 mittels der durch die Lamellen 22 erzeugten Turbulenzen durchmischt.
Die Führung des zweiten Fluidstroms in den Verdrängungskörper 14 kann auf verschiedene Arten realisiert werden. Bei der Mischeinrichtung 10 erfolgt die Zufuhr des zweiten Fluidstroms von einer stromabwärtigen Seite, d. h. eine Zufuhrleitung 24 wird im Windschatten des Verdrängungskörpers 14 zu diesem hingeführt. Um zu verhindern, dass die Durchmischung beeinträchtigt wird, wird die Zufuhrleitung 24 – in Strömungsrichtung der Fluidströme gesehen – vergleichsweise weit hinter dem Spalt 18 senkrecht zu diesem vom Äußeren des Rohrabschnitts 12 in dessen Inneres geführt. In diesem Bereich ist die Durchmischung der Fluidströme bereits im Wesentlichen abgeschlossen.
Bei der Wahl der Geometrie des Verdrängungskörpers 14 können eine Reihe von Faktoren berücksichtigt werden, wie beispielsweise vorgegebene Randbedingungen des Bauraums und/oder der Strömungsoptimierung zur Minimierung des durch die Mischeinrichtung 10 erzeugten Gegendrucks aufgrund von dessen Strömungswiderstand. Die flache Bauform des Verdrängungskörpers 14 der Mischeinrichtung 10 geht mit dem Vorteil einher, dass der Spalt 18 in Umfangsrichtung gesehen vergleichsweise lang ist und daher – bei vorgegebenem freien Strömungsquerschnitt – relativ schmal gewählt werden kann, was sich vorteilhaft auf die Durchmischungsergebnisse auswirkt.
Die 2A und 2B zeigen eine weitere Mischeinrichtung 10a aus verschiedenen Perspektiven, die – wie die Mischeinrichtung 10 – eine relativ flache Bauform aufweist. Die Zufuhrleitung 24 tritt hier in die Stirnwand 16 ein. Zwar wird dadurch der Strömungswiderstand im Rohrabschnitt 12 stromaufwärts des Verdrängungskörpers 14 erhöht, allerdings hat dies kaum bis keine Auswirkungen auf die Qualität der Durchmischung. Es sollte jedoch sichergestellt sein, dass der Spalt 18 trotz der durch die Zufuhrleitung 24 erzeugten Strömungsmuster in Umfangsrichtung möglichst gleichmäßig angeströmt wird.
Im Gegensatz zu der Mischeinrichtung 10 sind die Wirbellamellen 22 in einem stromaufwärtigen Bereich des Spalts 18 angeordnet. Sie sind zudem schmäler gefertigt und an einem Band 26 ausgebildet, das separat gefertigt und erst bei der Montage mit dem Verdrängungskörper 14 verbunden wird. Die Austrittsöffnungen 20 fluchten in Strömungsrichtung des in den Spalt 18 eintretenden ersten Fluidstroms I mit den ihnen jeweils zugeordneten Wirbellamellen 22. Dadurch wird zum einen der Austritt des zweiten Fluidstroms durch die Austrittsöffnungen 20 erleichtert, zum anderen trifft der zweite Fluidstrom auf einen bereits verwirbelten ersten Fluidstrom I.
Im Vergleich zu der Mischeinrichtung 10 ist der Spalt 18 in Strömungsrichtung tiefer, um die Durchmischung zu verbessern.
Bei der Geometrie der Wirbellamellen 22 wird – gleich bei welcher Ausführungsform der Mischeinrichtung – berücksichtigt, dass der Abstand zwischen den einzelnen Wirbellamellen 22 oder vergleichbaren Turbulenzen erzeugenden Elementen an die Querschnittsfläche des Spalts 18 angepasst ist, um eine konstante Konzentration des zweiten Fluids in dem ersten Fluidstrom über den gesamten Spaltumfang zu gewährleisten. Dies gilt in analoger Form auch für die Anordnung und Ausgestaltung der Austrittsöffnungen 20.
Die Formgebung der Wirbellamellen 22 ist derart gewählt, dass eine Verjüngung – so sie denn vorgesehen ist – auf die Größe der Austrittsöffnungen 20 abgestimmt ist, so dass eine gleichmäßige Durchmischung der beiden Fluidströme über die gesamte Spalthöhe erreicht wird. Sind die Wirbellamellen 22 in Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms I vor den Austrittsöffnungen 20 angeordnet, sollte die Breite der Lamellen 22 nicht oder nicht Wesentlich über dem Durchmesser der Austrittsöffnungen 20 liegen, um die Bildung eines zu großen und daher der Durchmischung entgegenwirkenden Windschattens zu verhindern. Zwar ist eine gewisse Windschattenwirkung erwünscht, um den zweiten Fluidstrom effizient in den Spalt 18 einbringen zu können, allerdings wird der zweite Fluidstrom mit zunehmender Entfernung von den Austrittsöffnungen 20 geringer, da stetig Teile des zweiten Fluidstroms durch den ersten Fluidstrom I mitgerissen werden. Der durch den Windschatten der Lamellen 22 zu schützende zweite Fluidstrom wird daher mit zunehmender Entfernung von dem Verdrängungskörper 14 schmäler, was durch eine verjüngende Form der Lamellen 22 berücksichtigt werden kann.
2B zeigt einen Boden 28 des Verdrängungskörpers 14, der diesen auch in stromabwärtiger Richtung verschließt, um die Ausbildung eines Überdrucks in dessen Inneren zu ermöglichen. Maßgebliche Faktoren sind dabei ein Zuführdruck des zweiten Fluidstroms und die Summe der Flächen der Austrittsöffnungen 20. Die Differenz zwischen dem Druck im Inneren des Verdrängungskörpers 14 und des Drucks im Inneren des Rohrabschnitts 12 wird dabei so gewählt, dass in Umfangsrichtung des Spalts 18 eine gleichmäßige Abgabe des zweiten Fluidstroms in den ersten Fluidstrom erfolgt.
3 zeigt eine Mischeinrichtung 10b, bei der die Zufuhrleitung 24 durch den Spalt 18 geführt ist und die Seitenwand 30 des Verdrängungskörpers 14 durchdringt. Zwar wird dadurch die Strömung in dem Spalt 18 teilweise beeinflusst, allerdings kann die Zufuhrleitung 24 kürzer ausgeführt sein als bei den Mischeinrichtungen 10, 10a. Zudem weist der Verdrängungskörper 14 keine parallelen Abschnitte der Seitenwand 30 auf, d. h. diese ist in Umfangsrichtung überall zumindest leicht gekrümmt.
Im Gegensatz zu den Rohrabschnitten 12 der Mischeinrichtungen 10, 10a weist der Rohrabschnitt 12 der Mischeinrichtung 10b keine stromaufwärts des Verdrängungskörpers 14 angeordneten, strömungsformenden Krümmungen auf. Zu sehen ist ein Flanschabschnitt 32, durch den der Rohrabschnitt 12 mit weiteren Komponenten einer Abgasanlage verbindbar ist.
Die 4A und 4B zeigen eine Mischeinrichtung 10c mit rotationssymmetrisch ausgebildetem Verdrängungskörper 14, der durch eine durch den Spalt 18 verlaufende Zufuhrleitung 24 mit dem zweiten Fluid versorgt wird. Das zweite Fluid tritt aus dem Verdrängungskörper 14 durch in der Stirnwand 16 angeordnete Austrittsöffnungen 20 aus, wie insbesondere 4B gut zu entnehmen ist. Um zu verhindern, dass alle Austrittsöffnungen 20 direkt von dem ersten Fluidstrom I angeströmt werden, ist eine Kappe 34 vorgesehen. Das in ihrem Schatten austretende zweite Fluid kann durch Ausnehmungen 36 in den Spalt 18 entweichen. Die Durchmischung wird – ähnlich wie bei der Mischeinrichtung 10 – durch in dem Nachlauf des Spalts 18 angeordnete Lamellen 22 bewirkt. Diese weisen jedoch keine sich verjüngende Form auf und sind – im Gegensatz zu den Lamellen 22 der Mischeinrichtung 10 – nicht durch zwei gegeneinander geneigte flächige Abschnitte 22a, 22b gebildet. Die Lamellen 22 der Mischeinrichtung 10c weisen vielmehr jeweils neben dem in Strömungsrichtung der noch nicht vollständig durchmischten Fluidströme geneigten, flächigen Lamellenabschnitt 22b eine gekrümmte Anbindung an die Seitenwand 30 des Verdrängungskörpers 14 auf.
Zur Befestigung des Verdrängungskörpers 14 in dem Rohrabschnitt 12 sind Laschen 38 vorgesehen.
Die 5A und 5B zeigen eine Mischeinrichtung 10d, mit einem Rohrabschnitt 12 mit kreisförmigem Querschnitt, in der ein im Querschnitt ebenfalls kreisförmiger Verdrängungskörper 14 angeordnet ist. Der Verdrängungskörper 14 ist an seiner stromaufwärtigen Seite mit einer Kappe 34' versehen, die den Strömungswiderstand des Verdrängungskörpers 14 senkt und die den anströmenden ersten Fluidstrom I in Richtung zu dem Spalt 18 lenkt. An der Kappe 34' sind Wirbellamellen 22 ausgebildet, die grundsätzlich denen der Mischeinrichtung 10b ähneln. Sie fluchten mit entsprechenden Austrittsöffnungen 20. Die Zufuhr des zweiten Fluids erfolgt stromabwärts des Verdrängungskörpers 14 durch die Zufuhrleitung 24, die zwar vergleichsweise nah stromabwärts des Verdrängungskörpers 14 durch den Nachlauf des Spalts 18 geführt ist, allerdings wird dadurch ein relativ kurzer Verlauf der Zufuhrleitung 24 im Inneren des Rohrabschnitts 12 ermöglicht.
Bezugszeichenliste

10, 10a, 10b, 10c, 10d: Mischeinrichtung
12: Rohrabschnitt
14: Verdrängungskörper
16: Stirnwand
18: Spalt
20: Austrittsöffnung
22: Wirbellamelle
22a, 22b: Lamellenabschnitt
24: Zufuhrleitung
26: Band
28: Boden
30: Seitenwand
32: Flanschabschnitt
34, 34: Kappe
36: Ausnehmung
38: Lasche
I: erster Fluidstrom

Claims

Mischeinrichtung zum Vermischen von mindestens zwei Fluidströmen, insbesondere für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, mit einer ersten Leitung (12) für einen ersten Fluidstrom (I), einer zweiten Leitung (24) für einen zweiten Fluidstrom und einem in der ersten Leitung (12) unter Ausbildung eines Spalts (18) angeordneten Verdrängungskörper (14), welcher von dem zweiten Fluidstrom durchströmbar ist und hierfür mindestens eine Zuflussöffnung und mehrere Austrittsöffnungen (20) aufweist.
Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittöffnungen (20) so angeordnet sind, dass der zweite Fluidstrom den Spalt (18) durchströmt.
Mischeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittöffnungen (20) so angeordnet sind, dass der zweite Fluidstrom – bezogen auf den ersten Fluidstrom (I) – vor dem Spalt (18) oder in einem stromaufwärtigen Abschnitt des Spalts (18) in die erste Leitung (12) eingebracht wird.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (20) in einer dem Spalt (18) zugeordneten Seitenwand (30) oder in einer – bezogen auf den ersten Fluidstrom (I) – stromaufwärtigen Stirnwand (16) des Verdrängungskörpers (14) ausgebildet sind.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (24) den Spalt (18) durchquert, um den zweiten Fluidstrom in den Verdrängungskörper (14) einzubringen.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (24) derart ausgestaltet ist, dass der zweite Fluidstrom an einer in Bezug auf den ersten Fluidstrom (I) stromabwärtigen oder stromaufwärtigen Stirnseite des Verdrängungsköpers (14) in diesen eingebracht wird.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wirbelelemente (22) vorgesehen sind, die sich zumindest abschnittsweise in den Spalt (18) erstrecken und/oder die sich in einen sich dem Spalt (18) in stromabwärtiger Richtung anschließenden Ringbereich erstrecken.
Mischeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelelemente (22) – bezogen auf den ersten Fluidstrom (I) – zumindest abschnittsweise stromaufwärts der Austrittsöffnungen (20) des Verdrängungskörpers (14) angeordnet sind und insbesondere an dem Verdrängungskörper (14) befestigt oder ausgebildet sind.
Mischeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Wirbelelemente (22) und der Austrittsöffnungen (20) in Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms (I) miteinander fluchten, so dass durch die Austrittsöffnungen (20) austretendes Fluid des zweiten Fluidstroms auf das der jeweiligen Austrittsöffnung (20) zugeordnete Wirbelelement (22) gelenkt wird, wobei insbesondere eine Breite der Wirbelelemente (22) maximal so groß ist, wie die Größe der mit ihnen jeweils fluchtenden Austrittsöffnungen (20).
Mischeinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelelemente streifenförmige Lamellen (22) sind, die zumindest abschnittsweise in Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms (I) geneigt sind und/oder die sich über zumindest 50% der Höhe des Spalts (18), vorzugsweise über die gesamte Höhe des Spalts (18) erstrecken.
Mischeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (22) zumindest abschnittsweise eine sich in Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms (I) verjüngende, insbesondere trapezartige Form aufweisen.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelelemente hülsenartige Zylinder sind, deren jeweilige Mantelfläche zumindest eine Durchtrittsöffnung aufweist und deren Inneres mit den Austrittsöffnungen (20) in Verbindung steht.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (14) und/oder der Spalt (18) rotationssymmetrisch ausgebildet sind.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (18) in Umfangsrichtung eine im Wesentlichen konstante Höhe aufweist.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung und/oder Größe der Austrittsöffnungen (20) und/oder die Höhe des Spalts bei einer nicht-rotationssymmetrischen Ausgestaltung des Spalts (18) derart angepasst sind, dass je Flächeneinheit des Spalts (18) senkrecht zur Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms (I) die gleiche Menge des zweiten Fluidstroms abgegeben wird.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (18) in Bezug auf die Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms (I) eine konstante Tiefe aufweist.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Tiefe des Spalts (18) zu der Höhe des Spalts (18) größer als 3:1, bevorzugt größer als 4:1 ist.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (14) eine Kappe (34) umfasst, die eine Stirnfläche (16) des Verdrängungskörpers (14) in stromaufwärtiger Richtung des ersten Fluidstroms (I) teilweise abdeckt und die sich vom Kappenrand nach innen erstreckende Ausnehmungen (36) aufweist.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtfläche der Austrittsöffnungen (22) derart gewählt ist, dass ein durch den zweiten Fluidstrom in dem Verdrängungskörper (14) erzeugter Druck größer ist als der außerhalb des Verdrängungskörpers (14) in der ersten Leitung (12) herrschende Druck.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelelemente (22) und/oder die Austrittsöffnungen (20) durch einen Stanzvorgang aus dem Verdrängungskörper (14), insbesondere aus einer Seitenwand (30) des Verdrängungskörpers (14) geformt sind.
Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischeinrichtung ein Hydrolysekatalysator angeordnet ist.
Abgasanlage, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einer Mischeinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche.