DE102014006491B3

DE102014006491B3 - Statischer Mischer

Info

Publication number: DE102014006491B3
Application number: DE102014006491.3A
Authority: DE
Inventors: Miroslaw Krzywik
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: WO2015169286A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer (1), welcher in einem Abgasrohr (2) einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Der statische Mischer (1) weist sowohl einen inneren Körper (3), der radial um eine Achse (5) des statischen Mischers (1) angeordnet ist, wobei an einem stromaufwärtigen Ende (6) des inneren Körpers (3) mindestens ein erstes Leitelement (7) angeordnet ist, welches sich in Richtung der Achse (5) des statischen Mischers (1) erstreckt, als auch einen äußeren Körper (4), der an einem stromabwärtigen Ende (8) des inneren Körpers (3) radial um die Achse (5) des statischen Mischers (1) angeordnet ist, auf. Erfindungsgemäß weist in Strömungsrichtung (P) des Abgasmassenstroms ein stromabwärtiger Bereich (9) des äußeren Körpers (4) eine Verjüngung von einem ersten Querschnitt (Q1) hin zu einem zweiten Querschnitt (Q2) an einem stromabwärtigen Ende (10) des äußeren Körpers (4) auf. Der stromabwärtige Bereich (9) bildet ein zweites Leitelement (11), wobei der erste Querschnitt (Q1) größer und der zweite Querschnitt (Q2) kleiner im Vergleich zu einem dritten Querschnitt (Q3) des inneren Körpers (3) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In Abgasanlagen angeordnete Mischer dienen zur Vermischung von flüssigem Reduktionsmittel, beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung, im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen mit SCR-Abgasnachbehandlungssystemen (SCR engl. Abkürzung für selective catalytic reduction). Diese haben die Aufgabe, das eingedüste flüssige Reduktionsmittel möglichst homogen zu verteilen.
Durch die Erzeugung eines charakteristischen Strömungsfeldes werden der Transport und das Verhalten des flüssigen und gasförmigen Reduktionsmittels in der Strömung beeinflusst.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2009 036 511 A1 ist eine Abgasanlage für Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, mit einem insbesondere rohrförmig ausgebildeten Abgaskanal, einer in den Abgaskanal mündenden Eingabeeinrichtung zum Einbringen von Zusatzstoffen, insbesondere eines Wasser-Harnstoff-Gemisches, und einer dem Abgaskanal nachgeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere SCR Katalysator, bekannt. Der Abgaskanal weist zwischen der Eingabeeinrichtung und der nachgeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung mindestens eine Umlenkeinrichtung zur mindestens teilweisen Rückführung des Abgasstromes entgegen der ursprünglichen Hauptabgasstromrichtung auf.
Aus der DE 10 2008 029 809 A1 ist ein statisches Mischelement, insbesondere zur Anordnung in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem gitterartigen Bauteil und einer stromabwärts des gitterartigen Bauteils angeordneten Ablenkeinrichtung, die mehrere Ablenkelemente umfasst, die wenigstens abschnittsweise gegenüber einer Gitterebenen-Normalen des gitterartigen Bauteils geneigt sind und sich von dem gitterartigen Bauteil zu einem bezüglich des gitterartigen Bauteils stromabwärts gelegenen gemeinsamen Zentrum erstrecken, bekannt.
Aus der DE 10 2008 029 110 A1 ist eine Misch- und Verdampfungseinrichtung für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bekannt. Die Misch- und Verdampfungseinrichtung umfasst einen inneren Ringkörper, der nach innen abstehende innere Schaufeln aufweist und der mit Halteelementen in einem abgasführenden Rohr der Abgasanlage an einer Rohrwand befestigbar ist. Die Halteelemente positionieren den inneren Ringkörper im Einbauzustand der Misch- und Verdampfungseinrichtung zur Ausbildung einer zentralen Beschaufelung im Rohr beabstandet zur Rohrwand. In einer Ausführungsform kann ein äußerer Ringkörper den inneren Ringkörper koaxial umschließen. Die inneren Schaufeln sind in einer Ausführungsform an einem ersten axialen Ende des inneren Ringkörpers und der äußere Ringkörper an einem zweiten axialen Ende des inneren Ringkörpers angeordnet.
Mischer, die zur Verdunstung und Vermischung von flüssigem Reduktionsmittel eingesetzt werden, verursachen teilweise einen hohen Abgasgegendruck bei einer schlechten Mischqualität, die vom Betriebspunkt abhängig ist. Der Zielkonflikt zwischen hoher Mischqualität und geringem Abgasgegendruck ist oftmals nicht im gesamten Motorkennfeld gelöst. Weiterhin können die Mischer Schwächen hinsichtlich einer Überdeckung in Strömungsrichtung aufweisen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen statischen Mischer bereitzustellen, welcher eine hohe Mischqualität bei gleichzeitig geringem Abgasgegendruck gewährleistet.
Lösung der Aufgabe
Die Erfindung wird durch einen statischen Mischer gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Mittels der erfindungsgemäßen Verjüngung in einem stromabwärtigen Bereich des äußeren Körpers von einem ersten Querschnitt hin zu einem zweiten Querschnitt in Richtung des Abgasmassenstroms und des kleineren zweiten Querschnitts am stromabwärtigen Ende des äußeren Körpers im Vergleich zu einem dritten Querschnitt des inneren Körpers wird bei einem mit Reduktionsmittel versetzten Abgasmassenstrom beim Durchströmen des statischen Mischers in diesem Bereich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und gleichzeitig der statische Druck gesenkt. Somit kann innerhalb einer kurzen Mischstrecke ein geringer Abgasgegendruck bei einer gleichzeitig hohen Qualität der Vermischung erzielt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das erste Leitelement die Form einer Düse auf, wobei an einem stromaufwärtigen Ende des ersten Leitelements ein vierter Querschnitt größer im Vergleich zu einem fünften Querschnitt an einem stromabwärtigen Ende des ersten Leitelements ist. Hierdurch wird beim Durchströmen des ersten Leitelements die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und gleichzeitig der statische Druck gesenkt. Somit kann innerhalb einer kurzen Mischstrecke ein geringer Abgasgegendruck bei einer gleichzeitig hohen Qualität der Vermischung erzielt werden.
Die Verjüngung des Querschnitts des ersten und zweiten Leitelements kann beispielsweise linear, progressiv, degressiv, stetig oder unstetig sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist an dem stromabwärtigen Bereich des inneren Körpers mindestens ein drittes Leitelement angeordnet, welches sich in Richtung der Achse des Mischers erstreckt. Mittels der Größe und der geometrischen Ausbildung des dritten Leitelements kann ein ungehindertes Durchströmen des Reduktionsmittels durch den statischen Mischer verhindert werden.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen weisen das erste und/oder zweite Leitelement mindestens zwei schlitzartige Einkerbungen auf, die dieses in zwei Segmente teilen. Die Einkerbung erstreckt sich in Richtung der Achse des statischen Mischers. Mittels der Einkerbungen kann auf die Strömung und die Vermischung Einfluss genommen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Segment mindestens eine Krümmung auf. Hierdurch kann die Verwirbelung der Strömung beeinflusst werden.
Mittels der Ausrichtung/Neigung des ersten, zweiten und dritten Leitelements in Richtung der Achse des statischen Mischers wird der mit Reduktionsmittel versetzte Abgasmassenstrom ausschließlich in diese Richtung beschleunigt.
Zeichnungen
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen statischen Mischers im Schnitt;
2: eine perspektivische Ansicht auf eine zweite Ausführungsform des statischen Mischers;
3: eine weitere perspektivische Ansicht auf die zweite Ausführungsform des statischen Mischers;
4: eine Rückansicht auf die zweite Ausführungsform des statischen Mischers;
5: eine Vorderansicht auf die zweite Ausführungsform des statischen Mischers.
Ein in 1 dargestellter statischer Mischer 1 ist in einem Abgasrohr 2 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet. Ein mit Reduktionsmittel versetzter Abgasmassenstrom strömt in Richtung des Pfeils P.
Der statische Mischer 1 weist sowohl einen inneren Körper 3 als auch einen äußeren Körper 4 auf, die beide radial um eine Achse 5 des statischen Mischers 1 angeordnet sind. Die Achse 5 des statischen Mischers 1 stimmt in dieser Ausführungsform mit der Achse des Abgasrohres 2 überein.
An einem stromaufwärtigen Ende 6 des inneren Körpers 3 ist ein erstes Leitelement 7 angeordnet. An einem stromabwärtigen Ende 8 des inneren Körpers 3 ist der äußere Körper 4 angeordnet.
Der äußere Körper 4 weist einen stromabwärtigen Bereich 9 auf. In Richtung des Pfeils P verjüngt sich in diesem Bereich 9 der äußere Körper 4 von einem ersten Querschnitt Q1 auf einen zweiten Querschnitt Q2 an einem stromabwärtigen Ende 10 des äußeren Körpers 4. In diesem Bereich 9 bildet der äußere Körper 4 ein zweites Leitelement 11. Zur Beeinflussung des Strömungsprofils kann die Verjüngung linear, progressiv, degressiv, stetig oder unstetig gewählt werden.
Der zweite Querschnitt Q2 ist kleiner im Vergleich zu einem dritten Querschnitt Q3 des inneren Körpers 3. In dieser Ausführungsform ist der dritte Querschnitt Q3 über seine gesamte Längserstreckung gleich.
Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass der dritte Querschnitt Q3 über die Längserstreckung des inneren Körpers 3 variiert, beispielsweise eine konusförmige Geometrie aufweist. In einem solchen Fall ist als dritter Querschnitt Q3 der maximalste Querschnitt des inneren Körpers 3 heranzuziehen.
Sowohl das erste Leitelement 7, als auch das zweite Leitelement 11 haben in dieser Ausführungsform die Form einer Düse. Das erste Leitelement 7 weist an einem stromaufwärtigen Ende 12 einen vierten Querschnitt Q4, der mit dem dritten Querschnitt Q3 übereinstimmt, und an einem stromabwärtigen Ende 13 einen fünften Querschnitt Q5 auf. Der fünfte Querschnitt Q5 ist kleiner im Vergleich zum vierten Querschnitt Q4 und zum zweiten Querschnitt Q2.
An dem stromabwärtigen Ende 8 des inneren Körpers 3 sind zwei dritte Leitelemente 14 angeordnet, die sich in Richtung der Achse 5 des statischen Mischers 1 erstrecken. Mittels der dritten Leitelemente 14 kann eine sog. „Bickdichtigkeit” oder „Überdeckung” erzielt werden, so dass das Reduktionsmittel aufgrund der Größe und der Geometrie des/der dritten Leitelement(e) 14 nicht ungehindert durch den statischen Mischer 1 hindurchströmen kann.
Zwischen dem äußeren Körper 4 des statischen Mischers 1 und dem Abgasrohr 2 ist ein Abstand 15. Die Größe des Abstandes 15 kann abhängig von vorliegenden Strömungsverhältnissen gewählt werden, wobei der Wert des Abstandes 15 auch „0” betragen kann.
Der mit dem Reduktionsmittel versetzte Abgasmassenstrom strömt in Richtung des Pfeils P durch den statischen Mischer 1.
Ein erster Teil des Abgasmassenstroms strömt durch das erste Leitelement 7. Durch die Verjüngung von dem vierten Querschnitt Q4 auf den fünften Querschnitt Q5 wird beim ersten Teil des Abgasmassenstroms die Geschwindigkeit erhöht und gleichzeitig der statische Druck gesenkt. Nach dem Durchströmen des ersten Leitelementes 7 strömt der Abgasmassenstrom durch die zwei dritten Leitelemente 14.
Ein zweiter Teil des Abgasmassenstroms strömt zwischen dem ersten Querschnitt Q1 und dem dritten Querschnitt Q3 in den äußeren Körper 4. In dem äußeren Körper 4 werden am stromabwärtigen Ende 8 des inneren Körpers 3 der erste und der zweite Teil des Abgasmassenstroms zusammengeführt und strömen gemeinsam durch das zweite Leitelement 11. Durch die Verjüngung von dem ersten Querschnitt Q1 auf den zweiten Querschnitt Q2 wird beim Abgasmassenstrom die Geschwindigkeit erhöht und gleichzeitig der statische Druck gesenkt.
Sofern zwischen dem statischen Mischer 1 und dem Abgasrohr 2 ein Abstand 15 ist, strömt ein dritter Teil des Abgasmassenstroms zwischen dem äußeren Körper 4 und dem Abgasrohr 2. Durch die Aufweitung von dem ersten Querschnitt Q1 auf den zweiten Querschnitt Q2 wird beim dritten Teil des Abgasmassenstroms die Geschwindigkeit gesenkt und gleichzeitig der statische Druck erhöht.
In den 2 bis 5 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen statischen Mischers 1 dargestellt. Im Vergleich zu der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform sind der innere Körper 3 als Sechseck und der äußere Körper 4 als Zwölfeck ausgebildet. Zudem weisen im Vergleich zu 1 das erste Leitelement 7 sechs und das zweite Leitelement 11 zwölf schlitzartige Einkerbungen 16 auf, die das erste Leitelement 7 in sechs erste Segmente 17 und das zweite Leitelement 11 in zwölf zweite Segmente 18 teilen.
Die geometrischen Ausbildungen der schlitzartigen Einkerbungen 16 können zur Beeinflussung des Strömungsprofils und der Vermischungsstruktur angepasst werden, beispielsweise gerade oder gekrümmt oder breiter werdend.
Die schlitzartigen Einkerbungen 16 sowie die ersten und zweiten Segmente 17 und 18 erstrecken sich in Richtung der Achse 5 des statischen Mischers 1.
Die ersten und zweiten Segmente 17 und 18 können zur Ausbildung von Verwirbelungen im Abgasmassenstrom eine oder mehrere Krümmungen 19 aufweisen.
Der in den 2 bis 5 dargestellte statische Mischer 1 kann aus drei Blechteilen, beispielsweise zwei Blechteile für den inneren Körper 3 und das erste Leitelement 7 sowie ein Blechteil für den äußeren Körper 4 und das zweite Leitelement 11, gefertigt sein, die an einem Verbindungselement 20 miteinander verbunden sind.
Bezugszeichenliste

1: statischer Mischer
2: Abgasrohr
3: innerer Körper
4: äußerer Körper
5: Achse
6: stromaufwärtiges Ende
7: erstes Leitelement
8: stromabwärtiges Ende
9: stromabwärtiger Bereich
10: stromabwärtiges Ende
11: zweites Leitelement
12: stromaufwärtiges Ende
13: stromabwärtiges Ende
14: drittes Leitelement
15: Abstand
16: schlitzartige Einkerbung
17: erstes Segment
18: zweites Segment
19: Krümmung
20: Verbindungselement
P: Pfeil
Q1: erster Querschnitt
Q2: zweiter Querschnitt
Q3: dritter Querschnitt
Q4: vierter Querschnitt
Q5: fünfter Querschnitt

Claims

Statischer Mischer (1), welcher in einem Abgasrohr (2) einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei der statische Mischer (1) sowohl einen inneren Körper (3), der radial um eine Achse (5) des statischen Mischers (1) angeordnet ist, wobei an einem stromaufwärtigen Ende (6) des inneren Körpers (3) mindestens ein erstes Leitelement (7) angeordnet ist, welches sich in Richtung der Achse (5) des statischen Mischers (1) erstreckt, als auch einen äußeren Körper (4), der an einem stromabwärtigen Ende (8) des inneren Körpers (3) radial um die Achse (5) des statischen Mischers (1) angeordnet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (P) des Abgasmassenstroms ein stromabwärtiger Bereich (9) des äußeren Körpers (4) eine Verjüngung von einem ersten Querschnitt (Q1) hin zu einem zweiten Querschnitt (Q2) an einem stromabwärtigen Ende (10) des äußeren Körpers (4) aufweist und ein zweites Leitelement (11) bildet, wobei der erste Querschnitt (Q1) größer und der zweite Querschnitt (Q2) kleiner im Vergleich zu einem dritten Querschnitt (Q3) des inneren Körpers (3) ist.
Statischer Mischer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitelement (7) die Form einer Düse aufweist, wobei an einem stromaufwärtigen Ende (12) des ersten Leitelements (7) ein vierter Querschnitt (Q4) größer im Vergleich zu einem fünften Querschnitt (Q5) an einem stromabwärtigen Ende (13) des ersten Leitelements (7) ist.
Statischer Mischer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem stromabwärtigen Bereich (8) des inneren Körpers (3) mindestens ein drittes Leitelement (14) angeordnet ist, welches sich in Richtung der Achse (5) des statischen Mischers (1) erstreckt.
Statischer Mischer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitelement (7) mindestens zwei schlitzartige Einkerbungen (16) aufweist, die das erste Leitelement (7) in zwei erste Segmente (17) teilen, und die Einkerbungen (16) sich in Richtung der Achse (5) des statischen Mischers (1) erstrecken.
Statischer Mischer (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Segment (17) mindestens eine Krümmung (19) aufweist.
Statischer Mischer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Leitelement (11) mindestens zwei schlitzartige Einkerbungen (16) aufweist, die das zweite Leitelement (11) in zwei zweite Segmente (18) teilen, und die Einkerbungen (16) sich in Richtung der Achse (5) des statischen Mischers (1) erstrecken.
Statischer Mischer (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Segment (18) mindestens eine Krümmung (19) aufweist.