DE102012224198B4

DE102012224198B4 - Anordnung zum Einbringen eines Zusatzstoffes in einen Gasstrom und Abgasanlage

Info

Publication number: DE102012224198B4
Application number: DE102012224198.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Müller
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2032-12-22
Also published as: DE102012224198A1

Abstract

Anordnung zum Einbringen eines Zusatzstoffes in einen Gasstrom, insbesondere eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom, mit einer Einsprüheinrichtung (18) zum Einsprühen des Zusatzstoffes in den Gasstrom und mit einer stromaufwärts der Einsprüheinrichtung (18) angeordneten Mischeinrichtung (22), wobei die Einsprüheinrichtung (18) so ausgestaltet und angeordnet ist, dass der eingesprühte Zusatzstoff eine Bewegungsrichtungskomponente (B1) aufweist, die der Strömungsrichtung (S) des Gasstroms entgegengesetzt ist, und wobei die Mischeinrichtung (22) zum Verteilen und Verdampfen des Zusatzstoffes einen dem Gasstrom eine erste Drallkomponente aufprägenden ersten Mischer (24) mit ersten Mischerschaufeln (28) und einen dem Gasstrom eine zweite Drallkomponente aufprägenden zweiten Mischer (36) mit zweiten Mischerschaufeln (28') umfasst, wobei der erste und der zweite Mischer (24, 36) in Strömungsrichtung (S) des Gasstroms hintereinander angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Drallkomponente gegensinnig sind und wobei die ersten Mischerschaufeln (28) und die zweiten Mischerschaufeln (28') derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sie zusammen einen blickdichten Bereich (23) bilden, der den Durchtritt von Tröpfchen des Zusatzstoffes durch die Mischeinrichtung (22) sowohl bei einer senkrechten Ansprühung als auch bei einer schrägen Ansprühung der Mischeinrichtung (22) durch die Tröpfchen verhindert, der jedoch von dem Gasstrom durchströmbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Einbringen eines Zusatzstoffes in einen Gasstrom, insbesondere eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom und eine Abgasanlage.
Das Problem, einen flüssigen Zusatzstoff in geeigneter Form zuverlässig in einem Gasstrom zu verteilen, um beispielsweise eine chemische Reaktion von Komponenten des Gasstroms mit Komponenten des eingebrachten Zusatzstoffes zu ermöglichen, stellt sich in vielen Anwendungsbereichen. In der Abgastechnik stellt sich dieses Problem beispielsweise in Zusammenhang mit dem SCR-Verfahren, bei dem eine wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs eingebracht wird, zum Beispiel mittels einer Dosierpumpe oder eines Injektors. Durch Thermolyse und Hydrolyse entsteht aus der Harnstofflösung Ammoniak und CO₂. Das so erzeugte Ammoniak kann in einem geeigneten Katalysator mit den im Abgas enthaltenen Stickoxiden reagieren, die so effizient aus dem Abgas entfernt werden.
Bei diesem Verfahren ist es von besonderer Relevanz, dass die Harnstofflösung in einem geeigneten Verhältnis zu der im Abgas enthaltenen Stickoxidmenge zugeführt wird. Außerdem ist es von großer Bedeutung, dass die in den Abgasstrom eingebrachte Harnstofflösung möglichst vollständig verdampft und in dem Abgasstrom gleichmäßig verteilt wird.
In vielen Fällen wird die Harnstofflösung in Strömungsrichtung des Abgasstroms eingespritzt oder eingesprüht. Um ein effizientes Verteilen und Verdampfen der in den Gasstrom eingebrachten Flüssigkeit sicherzustellen, ist in Strömungsrichtung hinter dem Einbringungspunkt der Flüssigkeit oftmals eine Mischeinrichtung vorgesehen.
Es ist jedoch auch bekannt, die Flüssigkeit entgegen - antiparallel oder schräg - der Strömungsrichtung des Gasstroms in diesen einzubringen. D.h. die eingesprühten Flüssigkeitströpfchen weisen eine Bewegungskomponente auf, die antiparallel zu der Hauptströmungsrichtung des Gasstromes ist. Die Flüssigkeitströpfchen werden durch den Gasstrom abgebremst, bis sie verdampft sind oder von dem Gasstrom mitgerissen werden. Diese Konstruktion ermöglicht in vielen Fällen eine Verkürzung der Strecke, die erforderlich ist, um den eingebrachten Zusatzstoff mit dem Gasstrom hinreichend gut zu vermischen.
Zwar ist die vorstehend beschriebene Bauweise recht kompakt, es besteht jedoch weiterhin ein Bedarf an einer bauraumoptimierten Bauweise einer Anordnung zum Einbringen eines Zusatzstoffs in einen Gasstrom, die gleichzeitig eine zuverlässige Vermischung des eingesprühten Zusatzstoffes mit dem Gasstrom gewährleistet. Zum Stand der Technik wird auf DE 10 2007 012 790 A1 , DE 10 2008 054 268 A1 , US 2007 / 0 036 694 A1 , US 2009 / 0 000 283 A1 , US 2010 / 0 101 219 A1 und JP 2010- 248 955 A verwiesen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Anordnung zu schaffen.
Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Anordnung umfasst eine Einsprüheinrichtung zum Einsprühen des Zusatzstoffes in den Gasstrom und eine Mischeinrichtung. Die Einsprüheinrichtung ist so ausgestaltet und angeordnet, dass der eingesprühte Zusatzstoff eine Bewegungsrichtungskomponente aufweist, die der Strömungsrichtung des Gasstroms entgegengesetzt ist. Dies kann bedeuten, dass der Zusatzstoff antiparallel zu der Strömungsrichtung des Gasstroms in diesen eingesprüht wird. Es ist jedoch auch möglich, den Zusatzstoff schräg in den Gasstrom einzusprühen, solange die Bewegung des Zusatzstoffs eine Komponente aufweist, die dem Gasstrom entgegengesetzt ist.
Die Mischeinrichtung dient zum Verteilen und Verdampfen des Zusatzstoffs. Sie ist stromaufwärts der Einsprüheinrichtung angeordnet, so dass diese den Zusatzstoff in ihre Richtung sprüht und sie senkrecht oder schräg mit dem Zusatzstoff beaufschlagt. Sie umfasst einen dem Gasstrom eine erste Drallkomponente aufprägenden ersten Mischer mit ersten Mischerschaufeln und einen dem Gasstrom eine zweite Drallkomponente aufprägenden zweiter Mischer mit zweiten Mischerschaufeln. Der erste und der zweiter Mischer sind in Strömungsrichtung des Gasstroms hintereinander angeordnet und die erste und die zweite Drallkomponente sind gegensinnig. Die ersten und zweiten Mischerschaufeln sind derart angeordnet und ausgebildet, dass sie zusammen einen blickdichten Bereich bilden, der den Durchtritt von Tröpfchen des Zusatzstoffes durch die Mischeinrichtung sowohl bei einer senkrechten Ansprühung als auch bei einer schrägen Ansprühung der Mischeinrichtung durch die Tröpfchen verhindert, der jedoch von dem Gasstrom durchströmbar ist.
Die Mischeinrichtung sorgt aufgrund der von ihr erzeugten gegensinnigen Drallkomponenten dafür, dass der Gasstrom eine Drallumkehrung erfährt, wodurch eine gute Verteilung des Zusatzstoffs in dem Gasstrom erzielt wird. Außerdem wird durch die Drallumkehrung sichergestellt, dass die Mischeinrichtung anströmende Tröpfchen mit den ersten oder zweiten Mischerschaufeln kollidieren und dort verdampfen, wodurch der Zusatzstoff besser in dem Gasstrom verteilt wird. Die Mischerschaufeln sind dabei so ausgestaltet, dass ein Durchtritt der Tröpfchen durch die Mischeinrichtung verhindert wird, d.h. der Zusatzstoff kann nicht durch die Mischeinrichtung treten, was mit dem Begriff „blickdicht“ umschrieben ist. Es versteht sich, dass die ersten und zweiten Mischerschaufeln nicht zwingend den gesamten Querschnitt des Gasstroms blickdicht abdecken müssen. Wesentlich ist es, einen Bereich der Mischeinrichtung blickdicht auszugestalten, der von den Tröpfchen des Zusatzstroms angesprüht wird. Bereiche der Mischeinrichtung, die nicht angesprüht werden, können zur Minimierung des Gegendrucks auch nicht-blickdicht ausgeführt sein. Entscheidend ist, dass keine Tröpfchen des Zusatzstoffes entgegen die Gasstromrichtung durch die Mischeinrichtung treten, sondern aufgrund der Formgebung der Mischerschaufeln an diesen verdampfen oder aufgrund des von den Mischerschaufeln erzeugten Strömungsmusters mit dem Gasstrom mitgerissen werden. Dies soll für alle Anflugwinkel gelten, unter denen die Tröpfchen auf die Mischeinrichtung treffen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform sind der erste und/oder der zweite Mischer mit einem Verblockungsbereich versehen, der von dem Gasstrom undurchströmbar ist. Der Verblockungsbereich ist beispielsweise um eine Mittelachse der Mischerrichtung angeordnet. Der Verblockungsbereich kann kreisförmig oder oval sein. Er kann beispielsweise in einem Bereich vorgesehen sein, die besonders intensiv angesprüht werden.
Der erste und/oder der zweite Mischer können einen Durchströmungsbereich aufweisen, der von dem Gasstrom ohne Drallbeaufschlagung durchströmbar ist, um beispielsweise in nicht angesprühten Bereichen der Mischeinrichtung eine bessere Durchströmbarkeit zu erreichen und somit den von der Mischeinrichtung erzeugten Gegendruck zu minimieren.
Der blickdichte Bereich und/oder der Durchströmungsbereich sind beispielsweise ringförmig ausgebildet. „Ringförmig“ bedeutet dabei nicht zwangsweise, dass die genannten Bereiche einen kreisförmigen Ring bilden müssen. Beispielsweise sind auch ovale oder polygonale Ringformen denkbar.
Insbesondere umgibt der blickdichte Bereich den Verblockungsbereich. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Durchströmungsbereich den blickdichten Bereich angibt. Insbesondere sind der Verblockungsbereich, der blickdichte Bereich und der Durchströmungsbereich koaxial bezüglich einer Mittelachse der Mischeinrichtung angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Durchströmungsbereich nur an einem der beiden Mischer, insbesondere an dem ersten Mischer vorgesehen, wobei die Mischerschaufeln des anderen Mischers den Durchströmungsbereich überdecken. Diese Maßnahme sorgt dafür, dass bei vergleichsweise geringem Gegendruck trotzdem eine eine Vermischungswirkung bereitstellende Drallkomponente in den vom den Mischerschaufeln des anderen Mischers überdeckten Bereich erzeugt wird.
Der erste Mischer ist insbesondere in Einbaulage der Mischeinrichtung in Strömungsrichtung des Gasstroms vor dem zweiten Mischer angeordnet. Der erste Mischer kann in Einbaulage der Mischeinrichtung in Ansprührichtung der Tropfen hinter dem zweiten Mischer angeordnet sein.
Die ersten Mischerschaufeln und die zweiten Mischerschaufeln können gekrümmt und/oder relativ zu dem die Mischeinrichtung anströmenden Gasstrom angestellt sein, um die vorstehend genannten Drallkomponenten zu erzeugen. Es kann vorgesehen sein, dass die Mischerschaufeln jeweils zwei oder mehr Abschnitte aufweisen, die unterschiedlich geformt sind, beispielsweise unterschiedliche Anstellwinkel aufweisen oder unterschiedlich stark gekrümmt sind. Es ist auch denkbar, dass gekrümmte und ebene Schaufelabschnitte miteinander kombiniert werden, um den entsprechenden Mischerschaufeln die gewünschten stromformenden Eigenschaften zu verleihen. Insbesondere sind die ersten und die zweiten Mischerschaufeln unterschiedlich ausgebildet - beispielsweise weisen sie unterschiedlich starke Krümmungen und/oder Anstellwinkel auf -, sodass die erste und die zweite Drallkomponente nicht nur gegensinnig sind, sondern auch ansonsten unterschiedlich sind.
Gemäß einer Ausführungsform erstrecken sich die Mischerschaufeln ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum in radialer Richtung. Das Zentrum kann beispielsweise der Verblockungsbereich sein. Eine radiale Erstreckung der ersten Mischerschaufeln und eine radiale Erstreckung der zweiten Mischerschaufeln können unterschiedlich sein. Insbesondere ist die radiale Erstreckung der ersten Mischerschaufeln kleiner als die radiale Erstreckung der zweiten Mischerschaufeln.
Um eine kompakte Bauform der Mischeinrichtung zu ermöglichen, bilden die zweiten Mischerschaufeln einen Aufnahmeraum, in den sich die ersten Mischerschaufeln erstrecken. Beispielsweise begrenzen die stromaufwärtigen Endbereiche der zweiten Mischerschaufeln einen kuppel- oder glockenförmigen Aufnahmeraum, der in Strömungsrichtung einen Scheitelpunkt im Bereich der Mittelachse der Mischeinrichtung aufweist.
Die Mischer können voneinander separate Bauteile sein. Beispielsweise sind die beiden Mischer Blechbauteile, die insbesondere aus jeweils einem, insbesondere genau einem planaren Ausgangsblech geformt sind.
Gemäß einer Ausführungsform sind die beiden Mischer miteinander verbindbar - insbesondere direkt miteinander verbindbar -, wodurch eine kompakte Mischeinrichtung bereitgestellt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Abgasanlage mit einer Anordnung gemäß zumindest einer der vorstehenden beschriebenen Ausführungsformen und mit einer Abgasbehandlungseinrichtung. Die Mischeinrichtung der Anordnung ist in Strömungsrichtung des Gasstroms zwischen der Abgasbehandlungseinrichtung, beispielsweise ein Oxidationskatalysator, und der Einsprüheinrichtung angeordnet. Da die Mischeinrichtung - wie vorstehend bereits mehrfach erläutert - den Durchtritt vom Tröpfchen des Zusatzstoffs sowohl bei einer senkrechten Ansprühung als auch bei einer schrägen Ansprühung verhindert, wird die Abgasbehandlungseinrichtung nicht mit dem Zusatzstoff beaufschlagt. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn der Zusatzstoff ein Reduktionsmittel ist, das einen Oxidationskatalysator schädigen würde. Mit anderen Worten dient die Mischeinrichtung in diesem Fall nicht nur zum Verteilen und Verdampfen des Zusatzstoffes in dem Gasstrom, sondern sie sorgt aufgrund des blickdichten Bereichs für einen zuverlässigen Schutz der Abgasbehandlungseinrichtung. Die Einsprüheinrichtung kann daher recht nahe bei der Abgasbehandlungseinrichtung platziert werden, ohne diese zu gefährden, was eine kompakte Bauweise der Abgasanlage ermöglicht.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen Teil einer Abgasanlage mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
1a eine Komponentenzerlegung der Bewegung eines in einen Abgasstrom eingesprühten Reduktionsmitteltröpfchens,
2-4 verschiedene Ansichten einer Ausführungsform des ersten Mischers,
5-7 verschiedene Ansichten einer Ausführungsform des zweiten Mischers und
8 einen Querschnitt durch die aus den beiden Mischern gebildete Mischeinrichtung.

1 zeigt einen Abschnitt einer Abgasanlage 10, die einen Oxidationskatalysator 12 und einen stromabwärts des Katalysators 12 angeordneten SCR-Katalysator 14 umfasst. Um eine Abgasreinigung in dem SCR-Katalysator 14 zu ermöglichen, muss stromaufwärts des Katalysators 14 ein Reduktionsmittel - beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung - eingespritzt und mit dem Abgasstrom vermischt werden. Zu diesem Zweck ist ein Injektor 18 vorgesehen, der das Reduktionsmittel als fein verteilte Tröpfchen schräg in einen die Katalysatoren 12, 14 verbindenden Verbindungsabschnitt 16 einspritzt. Wie in 1 zu sehen ist, entsteht dabei ein Sprühkegel 20.
1a zeigt eine Komponentenzerlegung einer Bewegung B eines in den Abgasstrom eingesprühten Reduktionsmitteltröpfchens in senkrecht zueinander stehende Bewegungskomponenten B1, B2. Die Bewegungskomponente B1 verläuft parallel zu einer Mittelachse M des Katalysators 12 und einer nachfolgend noch näher beschriebenen Mischeinrichtung 22 bzw. antiparallel zu der Strömungsrichtung des Abgases, die durch den Pfeil S angedeutet ist. Abweichend von der dargestellten Ausführungsform kann das Reduktionsmittel natürlich auch unter größeren oder kleineren Winkeln gegenüber der Strömungsrichtung S in den Abgasstrom eingespritzt werden.
Bei einem Einspritzen des Reduktionsmittels gegen die Strömungsrichtung S besteht grundsätzlich die Gefahr, dass das Reduktionsmittel in den stromaufwärts liegenden Oxidationskatalysator 12 gelangt und diesen beschädigt. Um dies zu vermeiden, ist die vorstehend bereits erwähnte Mischeinrichtung 22 vorgesehen. Zum einen sorgt sie für eine Verwirbelung des aus dem Katalysator 12 austretenden Abgases, um die Vermischung des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom zu verbessern und damit die bei der selektiven katalytischen Reduktion auftretenden Prozesse zu optimieren. Zum anderen schützt die Mischeinrichtung 22 den Oxidationskatalysator 12. Mit anderen Worten sorgt die Mischeinrichtung 22 dafür, dass keine Reduktionsmitteltröpfchen in den Oxidationskatalysator 12 gelangen. Es versteht sich, dass die Mischeinrichtung 22 vor allem in einem Bereich 23 für eine Abschirmung des Oxidationskatalysators 12 sorgen muss, der von dem Sprühkegel 20 erfasst wird. In diesem Bereich ist auch eine besonders effiziente Verteilung und Verdampfung der Reduktionsmitteltröpfchen erforderlich. In Bereichen der Mischeinrichtung 22, die nicht direkt von dem Sprühkegel 20 beaufschlagt werden, können die Eigenschaften der Mischeinrichtung 22 gegendruckoptimiert sein, d.h. der Gasstrom wird dort weniger stark umgelenkt als in dem von dem Sprühkegel 20 beaufschlagten Bereich 23, um den von der Mischeinrichtung 22 erzeugten Gegendruck möglichst gering zu halten.
Die Mischeinrichtung 22 umfasst einen ersten und einen zweiten Mischer, die dem anströmenden Abgas jeweils eine Drallkomponente aufprägen. Die von den beiden Mischern erzeugten Drallkomponenten sind gegensinnig, sodass der Gasstrom im Bereich der Mischeinrichtung 22 stark umgelenkt wird, was einerseits zu einer guten Vermischung des Reduktionsmittels mit dem Gasstrom führt, andererseits aber auch zuverlässig verhindert, dass das Reduktionsmittel in Bereiche stromaufwärts der Mischeinrichtung 22 gelangt.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform 24 des ersten Mischers, der stromaufwärts des nachfolgend noch näher beschriebenen zweiten Mischers der Mischeinrichtung 22 angeordnet ist. Der Mischer 24 lässt sich auf einfache Weise in wenigen Schneide-, Stanz- und/oder Umformschritten aus einem ebenen Blechteil formen.
Um die Mittelachse M herum ist ein zentraler Verblockungsbereich 26 vorgesehen, der weder einen Durchtritt des Abgasstroms noch einen Durchtritt der Reduktionsmitteltröpfchen zulässt. Ausgehend von dem Verblockungsbereich 26 erstrecken sich in radialer Richtung Mischerschaufeln 28, die eine geeignete Ausgestaltung aufweisen, um dem den ersten Mischer 24 anströmenden Abgas eine erste Drallkomponente aufzuprägen. Die Mischerschaufeln 28 können beispielsweise dadurch gebildet werden, dass geeignete Schnitte in ein Blech eingebracht werden - beispielsweise mit Hilfe eines Lasers - und dass die Mischerschaufeln 28 anschließend aus der Blechebene herausgebogen werden. In radialer Richtung weiter außen schließt sich an die Mischerschaufeln 28 ein Durchströmungsbereich 30 an, der keine drallerzeugenden Mischerschaufeln sondern Langlöcher 32 aufweist, um hier eine möglichst ungestörte Durchströmung zu ermöglichen. Radial außenseitig ist ein Rand 31 mit Befestigungslöchern 34 vorgesehen, mit denen der erste Mischer 24 an geeigneter Stelle stromabwärts des Oxidationskatalysators 12 in der Abgasanlage 10 befestigt werden kann.
Mit anderen Worten ist der erste Mischer 24 in Bezug auf die Mittelachse M symmetrisch aufgebaut. Der zentrale Verblockungsbereich 26 ist von einem mit Mischerschaufeln 28 versehenen Bereich umgeben, der wiederum radial außenseitig von dem Durchströmungsbereich 30 umgeben ist. Am radial außenseitigen Rand 31 sind Möglichkeiten zur Befestigung des ersten Mischers 24 vorgesehen.
3 zeigt einen Schnitt durch den ersten Mischer 24 in einer Schnittebene AA, deren Lage in 2 dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass sich die Mischerschaufeln 28 aus einer Ebene E erheben, die durch den Durchströmungsbereich 30 und den Rand 31 des ersten Mischers 24 definiert wird. Mit anderen Worten wurden die Mischerschaufeln 28 aus der Ebene E herausgebogen, sodass deren Ende in stromabwärtiger Richtung von der Ebene E abstehen.
Durch die Geometrie der Mischerschaufeln 28 wird in dem Abgasstrom, der aus dem Oxidationskatalysator 12 austritt, eine beispielsweise helix- oder schraubenlinienförmige erste Drallkomponente erzeugt.
4 zeigt beispielhaft die Geometrie einer der Mischerschaufeln 28 in einer Schnittansicht entlang der in 2 gezeigten Schnittlinie BB. Es ist zu erkennen, dass die Mischerschaufel 28 in dem gezeigten Schnitt im Wesentlichen eben ist und einen relativ großen Winkel a von etwa 30° bis 50° mit der Ebene E einschließt. Würde man die Mischerschaufel 28 in anderen Schnitten betrachten, so würde sich zeigen, dass diese mehrere Abschnitte mit verschiedenen Anstellwinkeln und/oder Krümmungen aufweist.
5 zeigt eine Ausführungsform 36 des zweiten Mischers, der stromabwärts des ersten Mischers 24 angeordnet ist. Die beiden Mischer 24, 36 bilden zusammen die Mischeinrichtung 22.
In 5 ist eine Draufsicht auf den zweiten Mischer 36 zu sehen. Wie der erste Mischer 24 weist auch der zweite Mischer 36 einen um die Mittelachse M herum angeordneten und im Wesentlichen kreisförmigen Verblockungsbereich 26' auf. Ausgehend von dem Verblockungsbereich 26' erstrecken sich Mischerschaufeln 28', die in ähnlicher Weise erzeugt werden, wie die Mischerschaufeln 28 des ersten Mischers 24.
7 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie B'B', deren Lage in 5 angegeben ist. Es ist in 7 zu erkennen, dass die Mischerschaufeln 28' einen strömungsabwärtigen Bereich aufweisen, der im Wesentlichen planar ist und der einen Anstellwinkel b von etwa 10° bis 30° mit einer Ebene E' einschließt, die durch einen Rand 31' des zweiten Mischers 36 definiert ist, der mit Befestigungslöchern 34' versehen ist (siehe auch 6). Vergleicht man 4 und 7, so erschließt es sich, dass der Anstellwinkel a der Mischerschaufeln 28 größer ist als der Anstellwinkel b der Mischerschaufeln 28'. Zudem sind die Schaufeln 28, 28' in unterschiedlichen Richtungen gegenüber der Mittelachse M bzw. der Strömungsrichtung S geneigt, sodass sie gegensinnige Drallkomponenten erzeugen.
6 zeigt neben der Geometrie der Mischerschaufeln 28' auch, dass diese einen Aufnahmeraum 38 bilden, der seine größte Höhe h in Strömungsrichtung S gesehen - d.h. den größten Abstand zwischen der Ebene E' und dem Scheitelpunkt des Aufnahmeraums 38 - im Bereich der Mittelachse M hat. Mit anderen Worten erstreckt sich der Verblockungsbereich 26' in einer Ebene, die um einen Betrag h in Strömungsrichtung des Abgases parallel versetzt zu der Ebene E' angeordnet ist.
Wie in 8 zu sehen ist, ergibt sich dadurch eine sehr kompakte Bauweise der Mischeinrichtung 22. 8 zeigt die beiden Mischer 24, 36 in einem Einbauzustand, bei dem die Ränder 31, 31' der Mischer 24, 36 aufeinander aufliegen und deren Befestigungslöcher 34 bzw. 34' fluchten. In diesem Zustand erstrecken sich die Mischerschaufeln 28 in den Aufnahmeraum 38. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in 8 auf die Darstellung eines Großteils der in 6 zu sehenden Mischerschaufeln 28' des zweiten Mischers 36 verzichtet.
Anhand von 8 wird nachfolgend nochmals die Funktionsweise der Mischeinrichtung 22 erläutert.
Das den Oxidationskatalysator 12 verlassende Abgas strömt die Mischeinrichtung 22 von rechts an, was durch den Pfeil S symbolisiert wird. Der Verblockungsbereich 26 verhindert, dass das Abgas in einem zentralen Bereich durch die Mischeinrichtung 22 treten kann. In einem Ringbereich um den Verblockungsbereich 26 herum wird der Abgasstrom durch die Mischerschaufeln 28 mit einem Drall beaufschlagt. Abgas, das in einem radial weiter außen liegenden Bereich auf die Mischeinrichtung 22 trifft, durchströmt den Durchströmungsbereich 30 des ersten Mischers 24 und wird dabei kaum abgelenkt. Das durch den Durchströmungsbereich 30 tretende Abgas wird jedoch durch die Mischerschaufeln 28' des Mischers 36 abgelenkt und mit einem Drall beaufschlagt. Das gleiche geschieht mit Abgas, das durch die Mischerschaufeln 28 umgelenkt wurde. Die durch die Mischerschaufeln 28' erzeugte Umlenkung ist dann allerdings besonders groß, da die Schaufeln 28, 28' unterschiedliche und gegensinnige Drallkomponenten erzeugen. Mit anderen Worten wird der Drall des durch die Mischerschaufeln 28 abgelenkten Abgasstroms durch die Mischerschaufeln 28' „umgedreht“. Dies sorgt zum einen für eine gute Vermischung des eingesprühten Reduktionsmittels, zum anderen wird dadurch der Durchtritt von Flüssigkeitströpfchen durch die Mischeinrichtung 22 zuverlässig verhindert, auch wenn diese von links in einem schrägen Winkel anströmen, was durch den Sprühkegel 20 angedeutet wird. Der Bereich 23 der Mischeinrichtung 22, in dem eine Drallumkehrung erzeugt wird oder der vollständig verblockt ist, ist somit „blickdicht“. Der blickdichte Bereich 23 ist etwas größer als der von dem Sprühkegel 20 angesprühte Bereich der Mischeinrichtung 22. In radialer Richtung weiter außen liegende Bereiche müssen zum Schutze des Oxidationskatalysators 12 nicht vollkommen blickdicht ausgeführt sein, da sie nicht von dem Sprühkegel 20 erfasst werden. In diesem Bereich wird daher auf die Ausformung entsprechender Mischerschaufeln am Mischer 24 verzichtet und es ist nur der den Gasstrom nur wenig beeinflussende Durchströmungsbereich 30 vorgesehen.
Die Ausgestaltung der Mischerschaufeln 28, 28' berücksichtigt, dass die Mischeinrichtung 22 nicht senkrecht sondern auch schräg von Reduktionsmittel angesprüht wird. D.h. es muss daher sichergestellt sein, dass auch unter verschiedenen Winkeln schräg anfliegende Flüssigkeitströpfchen, die womöglich durch den zweiten Mischer 36 treten, zuverlässig von den Mischerschaufeln 28 bzw. durch die von ihnen erzeugte Strömung daran gehindert werden, in stromaufwärts der Mischeinrichtung 22 liegende Bereiche der Abgasanlage 10 zu gelangen. Die Drallumkehr in diesem Bereich leistet hierzu ihren Beitrag. Außerdem bilden die Mischerschaufeln 28 schon allein aus geometrischen Gründen Barrieren, die es verhindern, dass Flüssigkeitströpfchen ungehindert durch die Mischeinrichtung 22 fliegen können. Mit anderen Worten ist zumindest der von dem Sprühkegel 20 beaufschlagte Bereich der Mischeinrichtung 22 aus jedem möglichen Anflugweg der Flüssigkeitströpfchen blickdicht, was einen zuverlässigen Schutz des Oxidationskatalysators 12 bewirkt.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die beiden Mischer 24, 36 zusammen eine in Strömungsrichtung S des Abgases gesehen sehr kompakte Mischeinrichtung 22 bilden, die geeignete Strömungsverhältnisse für eine gute Verteilung des eingebrachten Reduktionsmittels erzeugt und die zuverlässig einen Durchtritt von Reduktionsmitteln verhindert. Es versteht sich, dass die geometrische Ausgestaltung der Mischer 24, 36 bzw. ihrer jeweiligen Funktionskomponenten an die jeweils vorliegende Situation angepasst werden kann. Gleiches gilt für den Verbindungsabschnitt 16, der an die jeweiligen Bauraumverhältnisse angepasst werden kann. Somit ermöglicht es die Erfindung, auch unter beengten Bauraumverhältnissen Reduktionsmittel entgegen die Strömungsrichtung S des Abgases einzuspritzen, ohne den in Strömungsrichtung S vor der entsprechenden Einsprühvorrichtung 18 liegenden Oxidationskatalysator 12 zu gefährden. Abstriche bei der effizienten Verteilung des eingebrachten Reduktionsmittels müssen dabei nicht gemacht werden.
Bezugszeichenliste

10: Abgasanlage
12: Oxidationskatalysator, Abgasbehandlungseinrichtung
14: SCR-Katalysator
16: Verbindungsabschnitt
18: Injektor, Einsprüheinrichtung
20: Sprühkegel
22: Mischeinrichtung
23: blickdichter Bereich
24: erster Mischer
26, 26': Verblockungsbereich
28, 28': Mischerschaufel
30: Durchströmungsbereich
31, 31': Rand
32: Langloch
34, 34': Befestigungsloch
36: zweiter Mischer
38: Aufnahmeraum
S: Strömungsrichtung
B: Tröpfchenbewegung
B1, B2: Bewegungskomponente
M: Mittelachse
AA, BB, A'A', B'B': Schnittebene, -linie
E, E': Ebene
a, b: Anstellwinkel
h: Höhe

Claims

Anordnung zum Einbringen eines Zusatzstoffes in einen Gasstrom, insbesondere eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom, mit einer Einsprüheinrichtung (18) zum Einsprühen des Zusatzstoffes in den Gasstrom und mit einer stromaufwärts der Einsprüheinrichtung (18) angeordneten Mischeinrichtung (22), wobei die Einsprüheinrichtung (18) so ausgestaltet und angeordnet ist, dass der eingesprühte Zusatzstoff eine Bewegungsrichtungskomponente (B1) aufweist, die der Strömungsrichtung (S) des Gasstroms entgegengesetzt ist, und wobei die Mischeinrichtung (22) zum Verteilen und Verdampfen des Zusatzstoffes einen dem Gasstrom eine erste Drallkomponente aufprägenden ersten Mischer (24) mit ersten Mischerschaufeln (28) und einen dem Gasstrom eine zweite Drallkomponente aufprägenden zweiten Mischer (36) mit zweiten Mischerschaufeln (28') umfasst, wobei der erste und der zweite Mischer (24, 36) in Strömungsrichtung (S) des Gasstroms hintereinander angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Drallkomponente gegensinnig sind und wobei die ersten Mischerschaufeln (28) und die zweiten Mischerschaufeln (28') derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sie zusammen einen blickdichten Bereich (23) bilden, der den Durchtritt von Tröpfchen des Zusatzstoffes durch die Mischeinrichtung (22) sowohl bei einer senkrechten Ansprühung als auch bei einer schrägen Ansprühung der Mischeinrichtung (22) durch die Tröpfchen verhindert, der jedoch von dem Gasstrom durchströmbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Mischer (24, 36) einen Verblockungsbereich (26, 26') aufweisen, der von dem Gasstrom undurchströmbar ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verblockungsbereich (26, 26') um eine Mittelachse (M) der Mischeinrichtung (22) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verblockungsbereich (26, 26') kreisförmig oder oval ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Mischer (24, 36) einen Durchströmungsbereich (30) aufweisen, der von dem Gasstrom ohne Drallbeaufschlagung durchströmbar ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der blickdichte Bereich (23) und/oder der Durchströmungsbereich (30) ringförmig ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der blickdichte Bereich (23) den Verblockungsbereich (26, 26') umgibt.
Anordnung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchströmungsbereich (30) den blickdichten Bereich (23) umgibt.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verblockungsbereich (26, 26'), der blickdichte Bereich (23) und der Durchströmungsbereich (30) koaxial bezüglich einer Mittelachse (M) der Mischeinrichtung (22) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchströmungsbereich (30) nur an einem der beiden Mischer (24, 36), insbesondere an dem ersten Mischer (24) vorgesehen ist, wobei die Mischerschaufeln (28') des anderen Mischers (36) den Durchströmungsbereich (30) überdecken.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Mischer (24) in Einbaulage der Mischeinrichtung (22) in Strömungsrichtung (S) des Gasstroms vor dem zweiten Mischer (36) angeordnet ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Mischer (24) in Einbaulage der Mischeinrichtung (22) in Ansprührichtung der Tröpfchen hinter dem zweiten Mischer (36) angeordnet ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mischerschaufeln (28) und die zweiten Mischerschaufeln (28') gekrümmt und/oder relativ zu dem die Mischeinrichtung (22) anströmenden Gasstrom angestellt sind, insbesondere wobei die Mischerschaufeln (28, 28') unterschiedlich stark gekrümmt sind und/oder einen unterschiedlichen Anstellwinkel (a, b) aufweisen.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mischerschaufeln (28, 28') ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum (M, 26, 26') in radialer Richtung erstrecken.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Erstreckung der ersten Mischerschaufeln (28) und eine radiale Erstreckung der zweiten Mischerschaufeln (28') unterschiedlich sind, insbesondere wobei die radiale Erstreckung der ersten Mischerschaufeln (28) kleiner ist als die radiale Erstreckung der zweiten Mischerschaufeln (28').
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mischerschaufeln (28') einen Aufnahmeraum (38) bilden, in den sich die ersten Mischerschaufeln (28) erstrecken.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischer (24, 36) voneinander separate Bauteile sind.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischer (24, 36) Blechbauteile sind, die insbesondere aus jeweils einem, insbesondere genau einem planaren Ausgangsblech geformt sind.
Abgasanlage mit einer Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche und mit einer Abgasbehandlungseinrichtung (12), insbesondere mit einem Oxidationskatalysator, wobei die Mischeinrichtung (22) der Anordnung in Strömungsrichtung (S) des Gasstroms zwischen der Abgasbehandlungseinrichtung (12) und der Einsprüheinrichtung (18) angeordnet ist.