DE102014004777A1

DE102014004777A1 - Mischer für ein Fluideinspritzsystem

Info

Publication number: DE102014004777A1
Application number: DE102014004777.6A
Authority: DE
Inventors: Jayaraman K. Venkataraghavan; Satya Ramakrishna Manda Venkata NAGA; Abinash Reddy Konatham; Yongxiang Li
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2014-10-09
Also published as: US9217353B2; US20140298781A1

Abstract

Es ist ein Mischer (42) offenbart, der einen Aufprallboden (44), der innerhalb eines beabsichtigten Fluideinspritzweges angeordnet und im Allgemeinen parallel zu einer Strömungsrichtung verläuft, eine erste Seitenwand (46), die sich entlang einer Längskante des Aufprallbodens (44) anschließt und im Allgemeinen parallel zur Strömungsrichtung verläuft, eine zweite Seitenwand (48), die sich entlang einer gegenüberliegenden Längskante des Aufprallbodens (44) anschließt und im Allgemeinen parallel zur Strömungsrichtung verläuft, und wenigstens einen Fachboden (50) aufweisen kann, der sich zwischen der ersten und zweiten Seitenwand (46, 48) erstreckt und im Allgemeinen parallel zur Strömungsrichtung verläuft. Der wenigstens eine Fachboden (50) hat mehrere Leitwände (68), die in Richtung zum und weg vom Aufprallboden (44) vorstehen und das Mischen eines eingespritzten Fluids fördern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen einen Mischer, insbesondere einen Mischer für ein Fluideinspritzsystem.
Hintergrund
Verbrennungskraftmaschinen, z. B. Dieselmotoren, Benzinmotoren, gaskraftstoffangetriebene Motoren und andere im Stand der Technik bekannte Motoren, stoßen ein komplexes Gemisch von Luftverunreinigungen aus. Diese Luftverunreinigungen können nebst anderen Dingen gasförmige Verbindungen, beispielsweise Stickstoffoxide (NO_x), aufweisen. Aufgrund des wachsenden Umweltbewusstseins sind Abgasnormen strenger geworden und die vom Motor ausgestoßene Menge von NO_x kann in Abhängigkeit des Motortyps, der Motorgröße und/oder der Motorklasse reguliert sein. Um die Einhaltung dieser Regelungen solcher Verbindungen zu gewährleisten, haben einige Motorhersteller einen Prozess namens selektive katalytische Reduktion (SCR) umgesetzt.
SCR ist ein Prozess, bei dem ein Reduktionsmittel (zumeist eine Harn/Wasserlösung) in den Abgasstrom eines Motors eingespritzt und von einem Katalysator adsorbiert wird. Das Reduktionsmittel reagiert mit dem NO_x im Abgas zum Bilden von Wasser (H₂O) und elementarem Stickstoff (N₂). Obwohl die SCR effektiv sein kann, wenn das Reduktionsmittel auf relativ kalte Abgassystemwände gesprüht wird, kann es kondensieren. Diese Kondensation kann Ablagerungen erzeugen, die die Injektoren verschmutzen und vorzeitigen Verschleiß und Versagen des Einspritzsystems verursachen. Zusätzlich kann das kondensierte Reduktionsmittel beim Reduzieren der regulierten Emissionen nicht mehr verwendet werden.
Ein beispielhafter Reduktionsmittelmischer ist in dem US-Patent 8 141 353 von Zheng et al. offenbart, das am 27. März 2012 ausgegeben wurde („das '353-Patent”). Das '353-Patent beschreibt insbesondere ein System zum Behandeln von Abgas durch Einbringen eines Additivs in das Abgas stromaufwärts eines Katalysators. Das System weist einen zwischen einem Additivinjektor und dem Katalysator angeordneten Mischer auf. Der Mischer hat eine scheibenförmige Wandstruktur mit mehreren perforierten Strömungsöffnungen und eine kegelförmige Wandstruktur, die einen Satz von trapezförmigen Mischleitwänden trägt, die sich nach außen erstrecken und die scheibenförmige Wandstruktur kreuzen. Die Mischleitwände sind durch Schneiden jedes Leitwandumfangs zum Bilden einer Öffnung geformt. Die Leitwand wird dann von einer stromaufwärtigen Seite des Mischers in Richtung einer stromabwärtigen Seite des Mischers gebogen. Ein ringförmiger Flansch der konisch geformten Wandstruktur greift in eine Innenwandfläche eines Abgasrohrs ein. Die Strömungsöffnungen und die Mischleitwände erzeugen gemeinsam eine Verwirbelung des Abgases, die das Mischen des eingespritzten Additivs mit dem Abgas verbessert.
Während der Mischer des '353-Patents das Mischen des Additivs verbessert, kann der Mischer jedoch nicht optimal sein. Insbesondere wegen seiner Anordnung stromabwärts des Injektors verhindert der Mischer des '353-Patents das Additiv nicht davor, gegen eine kalte Abgasleitungswand eingespritzt zu werden. Außerdem kann der ringförmige Flansch des Mischers ein Hindernis erzeugen, an dem sich das eingespritzte Additiv ablagern kann. Die im Abgas durch den Mischer erzeugte Verwirbelung kann außerdem zum adäquaten Mischen des Abgases unzureichend sein. Ferner kann der Mischer zur Verwendung mit nur einem einzigen Additivinjektor vorgesehen sein und kann in Systeme mit mehreren Injektoren nicht verwendbar sein.
Die vorliegende Offenbarung ist auf das Bewältigen von einem oder mehreren der oben genannten Defizite und/oder anderen Problemen des Stands der Technik gerichtet.
Zusammenfassung der Offenbarung
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung einen Mischer. Der Mischer kann einen Aufprallboden aufweisen, der im Allgemeinen senkrecht zu einer vorgesehenen Fluideinspritzrichtung ist und im Allgemeinen parallel zu einer Strömungsrichtung verläuft. Der Mischer kann außerdem eine erste Seitenwand, die sich entlang einer Längskante des Aufprallbodens anschließt und im Allgemeinen parallel zur Strömungsrichtung verläuft, und eine zweite Seitenwand aufweisen, die sich entlang einer gegenüberliegenden Längskante des Aufprallbodens anschließt und im Allgemeinen parallel zur Strömungsrichtung verläuft. Der Mischer kann außerdem zumindest einen Fachboden aufweisen, der sich zwischen der ersten und der zweiten Seitenwand erstreckt und im Allgemeinen parallel zur Strömungsrichtung verläuft. Der zumindest eine Fachboden kann mehrere in Richtung zum und weg vom Aufprallboden vorstehende Leitwände aufweisen, die das Mischen eines Einspritzfluids fördern.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung einen weiteren Mischer. Dieser Mischer kann ein zylindrisches Rohr, einen im Inneren des zylindrischen Rohrs fest verbundenen, allgemein flachen Aufprallboden, eine im Allgemeinen flache erste Seitenwand, die sich entlang einer Längskante des Aufprallbodens unter einem stumpfen Innenwinkel anschließt, und eine im Allgemeinen flache zweite Seitenwand aufweisen, die sich entlang einer gegenüberliegenden Längskante des Aufprallbodens unter einem stumpfen Innenwinkel anschließt. Der Mischer kann außerdem mehrere Fachböden aufweisen, die sich zwischen der ersten und zweiten Seitenwand erstrecken. Jeder der mehreren Fachböden kann eine im Allgemeinen umgekehrte V-Form und mehrere Leitwände aufweisen. Der Mischer kann ferner eine Mittelwand aufweisen, die ungefähr in der Mitte zwischen der ersten und zweiten Seitenwand angeordnet und durch den Scheitelbereich der mehreren Fachböden verläuft. Die Mittelwand kann mehrere Sammelleitwände aufweisen, die an der Hinterkante gebildet sind und in entgegengesetzten Richtungen in Richtung der ersten und zweiten Seitenwand vorstehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht eines Motors mit einem beispielhaften Fluideinspritzsystem,
2 und 3 sind isometrische Ansichten eines beispielhaft offenbarten Mischers, der mit dem Fluideinspritzsystem der 1 verwendet werden kann, und
4 und 5 sind isometrische Ansichten eines alternativen, beispielhaft offenbarten Mischers, der mit dem Fluideinspritzsystem der 1 verwendet werden kann.
Detaillierte Beschreibung
Die 1 zeigt einen beispielhaften Motor 10. Zum Zweck der vorliegenden Offenbarung ist der Motor 10 als eine dieselbetriebene Verbrennungskraftmaschine dargestellt und beschrieben. Jedoch ist es angedacht, dass der Motor 10 jeden anderen Verbrennungsmaschinentyp darstellen kann, beispielsweise einen benzin- oder gaskraftstoffangetriebenen Motor, der komprimiertes oder verflüssigtes Erdgas, Propan oder Methan verbrennt. Der Motor 10 kann einen zumindest teilweise mehrere Zylinder 14 festlegenden Motorblock 12 und mehrere Kolbenanordnungen (nicht gezeigt) aufweisen, die innerhalb der Zylinder 14 zum Bilden von mehreren Verbrennungskammern (nicht gezeigt) angeordnet sind. Es ist angedacht, dass der Motor 10 jede Anzahl von Verbrennungskammern aufweisen kann und dass die Verbrennungskammern in einer Reihenkonfiguration, in einer „V-Konfiguration”, in einer gegenläufigen Kolbenkonfiguration oder in jeder anderen konventionellen Konfiguration angeordnet sein können.
Dem Motor 10 können mehrere separate Untersysteme zugeordnet sein und können mit dem Motor 10 zum Vereinfachen der Leistungserzeugung zusammenwirken. Beispielsweise kann der Motor 10 ein Lufteinlasssystem 16, ein Abgassystem 18 und ein Nachbehandlungssystem 20 aufweisen. Das Lufteinlasssystem 16 kann zum Zuführen von Luft oder einem Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Motor 10 für eine nachfolgende Verbrennung ausgebildet sein. Das Abgassystem 18 kann Nebenprodukte der Verbrennung in die Atmosphäre ausstoßen. Das Nachbehandlungssystem 20 kann zum Reduzieren der Ausgabe von regulierten Bestandteilen durch den Motor 10 in die Atmosphäre arbeiten.
Das Lufteinlasssystem 16 kann mehrere Komponenten aufweisen, die zum Aufbereiten und Einführen von komprimierter Luft in die Zylinder 14 ausgebildet sind. Beispielsweise kann das Lufteinlasssystem 16 einen stromabwärts von einem oder mehreren Kompressoren 24 angeordneten Luftkühler 22 aufweisen. Die Kompressoren 24 können zum unter Druck Setzen der durch den Kühler 22 geleiteten Einlassluft angeschlossen sein. Es ist angedacht, dass das Lufteinlasssystem 16 verschiedene oder zusätzliche Komponenten als die oben beschriebenen aufweisen kann, z. B. ein Drosselventil, jedem Zylinder 14 zugeordnete variable Ventilaktuatoren, Filterkomponenten, Kompressorbypasskomponenten und andere bekannte Komponenten, die bei Bedarf wahlweise zum Beeinflussen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Motors 10 angesteuert werden können. Es ist ferner angedacht, dass der Kompressor 24 und/oder der Kühler 22 entfallen können, wenn ein Saugmotor vorgesehen ist.
Das Abgassystem 18 kann mehrere Komponenten aufweisen, die Abgas aus den Zylindern 14 in die Atmosphäre aufbereiten und leiten. Beispielsweise kann das Abgassystem 18 einen Abgasdurchlass 26 und eine oder mehrere Turbinen 28 aufweisen, die von dem durch den Durchlass 26 strömenden Abgas angetrieben werden. Es ist angedacht, dass das Abgassystem 18 bei Bedarf verschiedene oder zusätzliche Komponenten als die oben beschriebenen aufweisen kann, beispielsweise Bypasskomponenten, eine Abgaskompressions- oder Drosselbremse, eine Dämpfungsvorrichtung und andere bekannte Komponenten, wenn gewünscht.
Die Turbine 28 kann zum Empfangen des aus dem Motor 10 austretenden Abgases angeordnet sein und kann mit dem einen oder den mehreren Kompressoren 24 des Lufteinlasssystems 16 über eine Verbindungswelle zum Formen eines Turboladers verbunden sein. Wenn die aus dem Motor 10 austretenden heißen Abgase durch die Turbine 28 strömen und sich gegen die Laufradschaufeln (nicht gezeigt) ausdehnen, kann sich die Turbine 28 drehen und den verbundenen Kompressor 24 zum unter Druck Setzen der Einlassluft antreiben.
Das Nachbehandlungssystem 22 kann Komponenten aufweisen, die zum Einfangen, Katalysieren, Reduzieren oder anderweitiges Entfernen von geregelten Bestandteilen aus dem Abgasstrom des Motors 10 vor der Ausgabe in die Atmosphäre ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Nachbehandlungssystem 22 eine Reduktionsvorrichtung 30 aufweisen, die stromabwärts der Turbine 28 fluidmäßig verbunden ist.
Die Reduktionsvorrichtung 30 kann das Abgas von der Turbine 28 aufnehmen und bestimmte Bestandteile des Abgases reduzieren. Gemäß einem Beispiel ist die Reduktionsvorrichtung 30 eine selektive katalytische Reduktions(SCR)vorrichtung mit einem oder mehreren in Reihen angeordneten Katalysatorsubstrate 32, die stromabwärts von einem Reduktionsinjektor 34 angeordnet sind. Ein gasförmiges oder flüssiges Reduktionsmittel, zumeist Harnstoff ((NH₂)₂CO), ein Wasser/Harnstoffgemisch, ein Kohlenwasserstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff, oder Amoniakgas (NH₃), kann durch den Durchlass 26 strömende Abgas an einer Position stromaufwärts der Katalysatorsubstrate 32 durch den Reduktionsmittelinjektor 34 eingesprüht oder anderweitig eingebracht werden. Dieser Prozess des Reduktionsmitteleinspritzens stromaufwärts der Katalysatorsubstrate 32 kann als Dosierung der Katalysatorsubstrate 32 bekannt sein. Zum Vereinfachen der Dosierung der Katalysatorsubstrate 32 durch den Reduktionsmittelinjektor 34 können dem Reduktionsmittelinjektor 34 eine fahrzeugeigene Reduktionsmittelversorgung 36 und eine Verdichtungsvorrichtung 38 zugeordnet sein. Das in den Durchlass 26 gesprühte Reduktionsmittel kann mit dem Abgas des Motors 10 stromabwärts strömen und kann auf der Oberfläche der Katalysatorsubstrate 32 adsorbiert werden, wo das Reduktionsmittel mit dem NO_x (NO und NO₂) im Abgas zum Bilden von Wasser (H₂O) und elementarem Stickstoff (N₂) reagieren kann. Dieser durch die Reduktionsvorrichtung 30 durchgeführte Reduktionsprozess kann am effektivsten sein, wenn die Konzentration des der Reduktionsvorrichtung 30 zugeführtem NO zu NO₂ ungefähr 1:1 ist.
Zum Unterstützen des Vorsehens der korrekten Konzentration von NO zu NO₂ kann in einigen Ausführungsformen ein Oxidationskatalysator 40 stromaufwärts der Reduktionsvorrichtung 30 angeordnet sein. Der Oxidationskatalysator 40 kann beispielsweise ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) sein. Als DOC kann der Oxidationskatalysator 40 eine poröse keramische Wabenstruktur oder ein Metallgittersubstrat aufweisen, die mit einem Material beschichtet ist, beispielsweise einem wertvollen Metall, das eine chemische Reaktion zum Verändern der Zusammensetzung des Abgases katalysiert. Beispielsweise kann der Oxidationskatalysator 40 eine Grundierung von Palladium, Platin, Vanadium oder ein Gemisch davon aufweisen, das die Umwandlung von NO zu NO₂ vereinfacht.
In einer Ausführungsform kann der Oxidationskatalysator 40 außerdem Partikelfilterfunktionen durchführen. D. h., dass der Oxidationskatalysator 40 ein katalysierter Partikelfilter sein kann, beispielsweise ein kontinuierlicher Regenerationspartikelfilter oder ein katalysierter, kontinuierlicher Regenerationspartikelfilter. Ein Partikelfilter ist ein Filter, der zum Einfangen oder Sammeln von Feinstaub ausgebildet ist.
Damit das eingespritzte Reduktionsmittel am effektivsten ist, sollte es sorgfältig mit dem Abgas gemischt werden, bevor es die Katalysatorsubstrate 32 erreicht, so dass das Reduktionsmittel gleichmäßig über die Oberflächen von jedem der Katalysatorsubstrate 32 verteilt ist und das gesamte durch die Katalysatorsubstrate 32 strömende Abgas mit dem eingespritzten Reduktionsmittel in Berührung gelangt. Zu diesem Zweck kann ein Mischer 42 innerhalb des Abgasdurchlasses 32 an der Position des Reduktionsmittelinjektors 34 angeordnet sein.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, kann der Mischer 42 eine Anordnung von mehreren verschiedenen Komponenten sein. Insbesondere kann der Mischer 42 einen Aufprallboden 44, der gegenüber des Reduktionsmittelinjektors 34 (siehe 1) innerhalb des Abgasdurchlasses 26 angeordnet ist, eine entlang einer Längskante des Aufprallbodens 44 verbundene erste Seitenwand 46, eine entlang einer gegenüberliegenden Längskante des Aufprallbodens 44 verbundene zweite Seitenwand 48 und mehrere Fachböden 50 aufweisen, die zwischen der ersten und zweiten Seitenwand 46, 48 quer verbunden sind. Der Aufprallboden 44, die erste Seitenwand 46 und die zweite Seitenwand 48 können allgemein einen dreiseitigen Rahmen bilden, der zum Aufnehmen des direkt eingespritzten Reduktionsmittels an einem Vorderende stromaufwärts der Fachböden 50 ausgebildet ist.
Der Aufprallboden 44, die erste Seitenwand 46 und die zweite Seitenwand 48 können im Allgemeinen jeweils flache, plattenförmige Komponenten sein, die entlang ihrer Schnittlinien in einer allgemein rechtwinkligen Konfiguration miteinander verschweißt sind. Die Fachböden 50 können jeweils ein oder mehrere am Ende angebrachte Laschen 52 aufweisen, die in entsprechende Schlitze 54 innerhalb der ersten und zweiten Seitenwand 46, 48 eingreifen und mit diesen verschweißt sind. Die Fachböden 50 können im Allgemeinen parallel zum Aufprallboden 44 und einer Gasströmungsrichtung durch den Mischer verlaufen und können in Einspritzrichtung voneinander beabstandet sein. Der Aufprallboden 44, die erste Seitenwand 46 und die zweite Seitenwand 48 können jeweils in ähnlicher Weise zumindest eine Lasche 56 aufweisen, die zum Eingreifen mit und Verschweißt werden mit einer Zylinderinnenfläche des Abgasdurchlasses 26 ausgebildet sind. Dementsprechend können der Mischer 42 und ein Bereich des Abgasdurchlasses 26 (z. B. ein zylindrisches Rohrsegment des Durchlasses 26) in einer integralen Komponente gebildet sein, das auch als Mischmodul 43 (siehe 1) bekannt ist.
Die Position und die ebene Geometrie des Aufprallbodens 44, der ersten Seitenwand 46 und der zweiten Seitenwand 48 relativ zu der zylindrischen Geometrie des Abgasdurchlasses 26 können einen mittigen Strömungsweg 60 und mehrere separate am Rande liegende Strömungswege 62 bilden. Das vom Injektor 34 eingespritzte Reduktionsmittel kann außerdem wegen der Position des Mischers 42 relativ zum Reduktionsmittelinjektor 34 in den Mischer 42 über den mittigen Strömungsweg 60 strömen, kann aber von den am Rande liegenden Strömungswegen 62 durch den Aufprallboden 44, die erste Seitenwand 46 und die zweite Seitenwand 48 blockiert werden. Dies kann dabei helfen, das eingespritzte Reduktionsmittel davor zu hindern, gegen die relativ kühlere Innenfläche des Abgasdurchlasses 26 zu spritzen und sich daran abzulagern. Weil der Aufprallboden 44, die erste Seitenwand 46 und die zweite Seitenwand 48 von der Innenfläche des Abgasdurchlasses 26 durch die Laschen 56 weggehalten werden können, können diese Komponenten zusätzlich keine Hindernisse an der Innenfläche bilden, die dazu tendiert, Reduktionsmittel anzusammeln.
Der Aufprallboden 44 kann eine verlängerte Komponente sein, die sich weiter stromaufwärts von den Fachböden 50 erstreckt als die erste und zweite Seitenwand 46, 48. In der Ausführungsform der 2 kann sich der Aufprallboden 44 um ungefähr 25% weiter als die erste und zweite Seitenwand 46, 48 erstrecken. Jedoch kann sich der Aufprallboden 44 in der Ausführungsform der 3 ungefähr doppelt so weit wie die erste und zweite Seitenwand 46, 48 erstrecken. Diese Verlängerungen können dabei helfen, es zu gewährleisten, dass das Reduktionsmittel nicht vollständig durch den Abgasdurchlass 26 und auf die gegenüberliegende Zylinderfläche des Abgasdurchlasses 26 gespritzt wird. Die unterschiedlichen Längen können dazu ausgebildet sein, unterschiedliche Einspritzsprühmuster und -größen aufzunehmen, die in verschiedenen Anwendungen gefunden werden können. Aufgrund der Positionen und Ausrichtungen der ersten und zweite Seitenwand 46, 48 (d. h., weil diese Wände nicht im direkten Einspritzweg des Reduktionsmittels sind) müssen sie nicht so lang wie der Aufprallboden 44 sein und ihre kürzeren Längen können dabei helfen, die Kosten und das Gewicht des Mischers 42 zu reduzieren. Außerdem kann die Abwesenheit der ersten und zweiten Seitenwände 46, 48 (und die damit verbundene Erhöhung der Strömungsfläche) an der Einspritzposition dabei helfen, die Geschwindigkeit des durch diesen Bereich strömenden Abgases zu verlangsamen. Die langsamere Geschwindigkeit kann eine größere Einspritztiefe und das anschließende Mischen ermöglichen.
Der Aufprallboden 44, die erste Seitenwand 46 und die zweite Seitenwand 48 können jeweils mehrere Öffnungen 64, die die am Rande liegenden Strömungswege 62 mit dem mittigen Strömungsweg 60 fluidverbinden, und eine jeder Öffnung 64 zugeordnete Sammelleitwand 66 aufweisen. Die Sammelleitwände 66 können eine Vielzahl von Formen annehmen, wirken jedoch alle im Allgemeinen zum Erweitern oder Ablenken der Strömung nach innen in Richtung der Mitte des Strömungswegs 60. Gemäß einem Beispiel (siehe 2) können die Sammelleitwände 66 an einem Vorderende von jeder Öffnung 64 verbunden sein und erstrecken sich an einem Hinterende nach innen in den mittigen Strömungsweg 60 zum Erweitern der nach innen gerichteten Strömung. Gemäß einem anderen Beispiel (siehe 3) können die Sammelleitwände 66 an den Hinterenden verbunden sein und erstrecken sich am Vorderende nach außen in den am Rande liegenden Strömungsweg 62 zum Ablenken der Strömung nach innen. In jeder Konfiguration kann Abgas von den am Rande liegenden Strömungswegen 62 durch die Öffnungen 64 und in den mittigen Strömungsweg 60 strömen. Und die Sammelleitwände 66 können zum Fernhalten des eingespritzten Reduktionsmittels von den Zylinderinnenwänden des Abgasdurchlasses 26 wirken.
Die Fachböden 50 können jeweils mehrere Leitwände 68 und mehrere Mischleitwände 70 aufweisen. Insbesondere kann jeder Fachboden 50 eine flache, im Allgemeinen plattenförmige Komponente sein, die an einem Hinterende des Mischers 42 angebracht ist, und kann die Leitwände 68 aufweisen, die sich von einer Hinterkante davon erstrecken. Die Leitwände 68 können relativ zur Strömungsrichtung des Gases durch den Mischer 42 zum Unterbrechen oder Begrenzen der Abgasströmung abgewinkelt sein und können dadurch die Geschwindigkeit des Abgasstroms erhöhen. Beispielsweise können die Leitwände 68 unter ungefähr ±40° bis 50° (z. B. ungefähr ±45°) relativ zu der Strömungsrichtung des Abgases im Durchlass 26 abgewinkelt sein. Ein größerer Winkel kann die Strömungsbegrenzungen zu sehr erhöhen, während ein kleinerer Winkel die Mischung reduzieren kann. Gemäß einer Ausführungsform können sich die Leitwände 68 abwechselnd in Richtung des Aufprallbodens 44 hin und vom Aufprallboden 44 weg über die Hinterkante der Fachböden 50 erstrecken. Insbesondere kann sich die äußerste Leitwand 68 und eine oder mehrere mittige Leitwände 68 des Fachbodens 50 nach oben in Richtung des Injektors 34 (d. h. weg vom Aufprallboden 44) erstrecken, während sich zwischen der äußersten und den mittigen Leitwänden 68 angeordnete Leitwände 68 nach unten in Richtung des Aufprallbodens 44 erstrecken. Zusätzlich können sich die Leitwände 68 eines Fachbodens 50 mit Leitwänden 68 eines direkt angrenzenden Fachbodens 50 teilweise überlappen. Diese Konfiguration kann zu einer turbulenten (d. h. nicht verwirbelten, nicht laminaren und nicht rezirkulierenden) Mischung des Reduktionsmittels innerhalb des Abgases führen. Zusätzlich können die Leitwände 68 Aufprallflächen für das eingespritzte Reduktionsmittel bilden, die zum Aufbrechen der Reduktionsmittelmoleküle wirkende Kollisionen verursachen.
Im Gegensatz zu den Leitwänden 68 können die Mischleitwände 70 innerhalb einer Fläche 72 der Fachböden 50 an einem Vorderende von zugehörigen Öffnungen 74 angeordnet sein. Im Allgemein können weniger Mischleitwände 70 als Leitwände 68 innerhalb eines gegebenen Fachbodens 50 vorhanden sein und die Mischleitwände 70 können weniger stark abgewinkelt sein. Ein beispielhafter Fachboden 50 kann zwei Mischleitwände 70 und fünf Leitwände 68 aufweisen, wobei die Mischleitwände 70 mit ungefähr ±20° bis 30° (z. B. ungefähr ±25°) relativ zur Abgasströmungsrichtung durch den Mischer 42 abgewinkelt sein. Die Mischleitwände 70 eines angrenzenden Fachbodens 50 können sich bei Bedarf in unterschiedliche Richtungen erstrecken, während sich die Leitwände 68 von allen Fachböden 50 allgemein in gleiche Richtungen erstrecken können. Beispielsweise können ein erster oder äußerster Fachgeboden 50 Mischleitwände 70 aufweisen, die sich vom Aufprallboden 44 weg erstrecken, während ein direkt angrenzender Fachboden 50 Mischleitwände 70 aufweisen kann, die sich in Richtung des Aufprallbodens 44 erstrecken. Im Allgemeinen kann der Mischer 42 zwei Typen von im Wesentlichen identischen Fachböden 50 aufweisen und der Mischer 42 kann allgemein um eine axiale Mitte symmetrisch sein. Diese Geometrie kann dazu beitragen, die Bauteilanzahl und Herstellungskosten des Mischers 42 zu reduzieren. Es ist jedoch angedacht, dass der Mischer 42 jede Anzahl von unterschiedlichen Fachböden 50 aufweisen kann, und/oder dass der Mischer 42, bei Bedarf asymmetrisch sein kann.
In der offenbarten Ausführungsform können alle Komponenten des Mischers 42 separat aus einem flachen, rostfreien Blech durch einen Stanzvorgang hergestellt werden. Insbesondere können die Umrisse von jeder Komponente und jedes Merkmal von jeder Komponente gestanzt werden und dann die unterschiedlichen Merkmale gebogen und, bei Bedarf, die Komponenten zusammengeschweißt werden. Es ist jedoch angedacht, dass ein oder mehrere der oben beschriebenen Komponenten, wenn gewünscht, alternativ integrale Komponenten sein können und durch einen Biegeprozess hergestellt werden können. Beispielsweise könnte, wenn gewünscht, der Aufprallboden 44, die erste Seitenwand 46 und/oder die zweite Seitenwand 48 an ihren Grenzlinien gebogen sein und aus einem einzigen Blechteil gebildet sein.
Die 4 und 5 stellen einen alternativen Mischer 76 dar, der zum gleichzeitigen Aufnehmen zweier Reduktionsmittelinjektoren 34 ausgebildet ist. Insbesondere könnten zwei oder mehrere Reduktionsmittelinjektoren 34 in der Reduktionsmittelvorrichtung 30 enthalten sein, die um die gleiche Axialposition angeordnet und durch einen Winkel Θ (siehe 5) innerhalb des Durchlasses 26 abgewinkelt sind. Beispielsweise könnten die Reduktionsmittelinjektoren 34 zueinander um ungefähr 70° bis 90° abgewinkelt sein. Um die von den mehreren Reduktionsmittelinjektoren 34 erzeugten Sprühmuster aufzunehmen die entsprechend erhöhten Mengen von eingespritztem Reduktionsmittel adäquat zu mischen, kann der Mischer 76 der 4 und 5 eine unterschiedliche Geometrie als der Mischer 42 der 2 und 3 aufweisen.
Wie der Mischer 42 kann der Mischer 76 einen Aufprallboden 78, eine erste Seitenwand 80, eine zweite Seitenwand 82 und Fachböden 84 aufweisen. Zusätzlich können der Aufprallboden 78, die erste Seitenwand 80 und die zweite Seitenwand 82 Öffnungen 88 und konvergierende Lamellen 90 aufweisen. Die Fachböden 84 können Leitwände 92, Öffnungen 94 und Mischleitwände 96 aufweisen. Jedoch können im Gegensatz zum Mischer 42 die erste und zweite Seitenwand 80, 82 zum Aufprallboden 78 nicht rechtwinklig sein. Stattdessen können die erste und zweite Seitenwand 80, 82 vom Aufprallboden 78 nach außen abgewinkelt sein, so dass ein stumpfer Innenwinkel β (siehe 5) gebildet ist. Diese Konfiguration kann das Innenvolumen des Mischers 76 erhöhen, der eine erhöhte Reduktionsmitteleinspritzung und/oder Injektionen mit unterschiedlichen Gestalten (z. B. weitere Sprühmuster) aufnehmen kann.
Außerdem können die Fachböden 84 nicht plattenförmig sein. Die Fachböden 84 können stattdessen eine im Allgemeinen umgekehrte V-Form aufweisen, wobei eine Ecke 86 von jedem Fachboden 50 vom Aufprallboden 78 entfernt angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung kann eine Fläche 98 von jedem Fachboden 84 relativ zu einer Einspritzrichtung von einem nächsten Reduktionsmittelinjektor 34 allgemein rechtwinklig sein. Diese Anordnung kann in Kombination mit der Strömungsrichtung des Abgases durch den Durchlass 26 ein effizientes Mischen des Reduktionsmittels mit dem Abgas vereinfachen. Anstelle dass jeder Fachboden 84 aus einem Einzelteil mit umgekehrter V-Form gebildet ist, ist es angedacht, dass zwei unterschiedliche Fachbodenteile abwechselnd zwischen der ersten und zweiten Seitenwand 80, 82 an jedem Fachboden 84 verbunden sind und, wenn gewünscht, relativ zueinander zum Bilden der umgekehrten V-Form abgewinkelt sein können.
Ferner kann eine Mittelwand 100 innerhalb des Mischers 76 angeordnet sein, die dabei hilft, den Abgasstrom durch die linken und rechten Hälften des Mischers 76 zu zentrieren. Insbesondere kann sich die Mittelwand 100 im Allgemeinen rechtwinklig vom Aufprallboden 78 erstrecken und durch die Eckpunkte 86 der Fachböden 84 verlaufen. Mehrere Streuungsleitwände 102 können sich von der Mittelwand 100 in Richtung der ersten und zweiten Seitenwand 80, 82 erstrecken. Beispielsweise kann sich eine Streuungsleitwand 102 in Richtung der ersten und zweiten Seitenwand 80, 82 zwischen dem Fachboden 84 erstrecken. Die Streuungsleitwände 102 können dabei helfen, den Abgasstrom von der Mitte des Mischers 72 weg und in Richtung einer Mitte von jedem Fachbodenbein 84 abzulenken.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Mischer der vorliegenden Offenbarung können in jedem Flüssig-/Gasmischbetrieb anwendbar sein, wo eine effiziente, gleichmäßige und vollständige Mischung erwünscht ist. Die offenbarten Mischer können insbesondere bei Reduktionsmittel/Abgasmischoperationen zur Anwendung mit Motorsystemen mit stromabwärtigen Katalysatorsubstraten anwendbar sein.
Die offenbarten Mischer können verschiedene Vorteile aufweisen. Beispielsweise können die offenbarten Mischer das eingespritzte Reduktionsmittel davor hindern, gegen eine kalte Wand eines zugehörigen Abgasrohrs gespritzt zu werden. Dies kann die Kondensation des Reduktionsmittels reduzieren, den vorzeitigen Verschleiß des Rohrs reduzieren, die Ablagerungsbildung reduzieren, ein Verschmutzen des zugehörigen Injektors reduzieren und eine effiziente Verwendung des Reduktionsmittels fördern. Zusätzlich können die im Abgas durch die offenbarten Mischer erzeugten turbulenten Strömungen die Reduktionsmittel/Abgasmischung verbessern. Ferner können die offenbarten Mischerausführungsformen dazu bedacht sein, mit einem einzigen Reduktionsmittelinjektor oder mehrere Injektoren wie gewünscht verwendet zu werden.
Dem Fachmann wird bekannt, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an den Mischern der vorliegenden Offenbarung gemacht werden können, ohne vom Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Dem Fachmann werden weitere Ausführungsformen durch Betrachtung der Spezifikation und Ausübung der hierin offenbarten Mischer bekannt. Es ist angedacht, dass die Spezifikation und die Beispiele lediglich beispielhaft betrachtet werden und der wahre Schutzbereich der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente angezeigt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8141353 [0004]

Claims

Mischer (42) mit: einem Aufprallboden (44), der in einem vorgesehenen Fluideinspritzweg angeordnet und im Allgemeinen parallel zu einer Strömungsrichtung verläuft, einer ersten Seitenwand (46), die sich entlang einer Längskante des Aufprallbodens (44) anschließt und im Allgemeinen parallel zur Strömungsrichtung verläuft, einer zweiten Seitenwand (48), die sich entlang einer gegenüberliegenden Längskante des Aufprallbodens (44) anschließt und im Allgemeinen parallel zur Strömungsrichtung verläuft, und zumindest einem Fachboden (50), der sich zwischen der ersten und zweiten Seitenwand (46, 48) erstreckt und im Allgemeinen parallel zur Strömungsrichtung ist, wobei der zumindest eine Fachboden (50) mehrere in Richtung zum und weg vom Aufprallboden (44) vorstehende Leitwände (68) aufweist, die das Mischen des Einspritzfluids fördern.
Mischer (42) nach Anspruch 1, wobei der Aufprallboden (44), die erste Seitenwand (46) und die zweite Seitenwand (48) im Allgemeinen jeweils flach und plattenförmig sind.
Mischer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aufprallboden (44), die erste Seitenwand (46) und die zweite Seitenwand (48) jeweils mehrere Sammelleitwände (66) aufweisen, die eine nach innen gerichtete Bewegung des Einspritzfluids fördern.
Mischer (42) nach Anspruch 3, wobei die mehreren Sammelleitwände (66) jeweils mit dem Aufprallboden (44), der ersten Seitenwand (46) und der zweiten Seitenwand (48) an Vorderkanten verbunden sind und an den Hinterkanten nach innen vorstehen.
Mischer (42) nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Fachboden (50) mehrere im Wesentlichen identische Fachböden aufweist, die allgemein in gleichen Abständen vom Aufprallboden (44) beabstandet sind.
Mischer (42) nach Anspruch 5, wobei Mischleitwände (70) der mehreren im Wesentlichen identischen Fachböden (50) in einer abwechselnd entgegengesetzten Ausgestaltung ausgerichtet sind.
Mischer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Aufprallboden (44) von dem zumindest einen Fachboden (50) mit einem größeren Abstand erstreckt als die erste und zweite Seitenwand (46, 48).
Mischer (42) nach Anspruch 7, wobei der Aufprallboden (44) in Strömungsrichtung ungefähr doppelt so lang ist wie die erste und zweite Seitenwand (46, 48).
Mischer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aufprallboden (44), die erste Seitenwand (46) und die zweite Seitenwand (48) jeweils Laschen (56) aufweisen, die zum Eingreifen einer Zylinderinnenfläche eines zugeordneten Durchgangs (26) ausgebildet sind.
Mischer (42) nach Anspruch 9, wobei eine Geschwindigkeit des zwischen der Zylinderinnenfläche des zugeordneten Durchgangs (26) und jeweils dem Aufprallboden (44), der ersten Seitenwand (46) und der zweiten Seitenwand (48) strömenden Fluids im Wesentlichen größer als eine Geschwindigkeit des zwischen dem Aufprallboden (44), der ersten Seitenwand (46) und der zweiten Seitenwand (48) strömenden Fluids ist.