DE102015108655A1

DE102015108655A1 - Mischer

Info

Publication number: DE102015108655A1
Application number: DE102015108655.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Inclan; Thomas Kremer; Eric Hein
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2015-06-01
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2035-06-02
Also published as: DE102015108655B4; US20180156092A1; EP3303786A1; WO2016193221A1; US10480372B2; CN107709718B; CN107709718A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Mischer 1 zum Einsatz in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine und für die Vermischung eines in einer Abgasanlage eingespritzten Zusatzstoffes. Der Mischer 1 ist aus einem um eine Mittelachse X umlaufenden rohrförmigen Gehäuse 2 gebildet. Das Gehäuse 2 weist in Richtung der Mittelachse X endseitig eine Eingangsöffnung 31 und gegenüber endseitig eine Ausgangsöffnung 32 auf, wobei die Eingangsöffnung 31 zur Aufnahme von injiziertem Zusatzstoff in die Abgasanlage dient. Das Gehäuse 2 ist im Bereich der Eingangsöffnung 31 und im Bereich der Ausgangsöffnung 32 in Umfangsrichtung um die Mittelachse X geschlossen. Der statische Mischer 1 soll wenig Gegendruck erzeugen, eine schnelle und vollständige Reduktionsmittelaufbereitung gewährleisten und gleichzeitig unempfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen sein. Hierzu bildet das Gehäuse 2 bezogen auf eine parallel zur Mittelachse X des Mischers 1 und rechtwinklig zu einer Hauptströmungsrichtung S orientierte XY-Ebene, stromaufwärts der XY-Ebene ein Rohrsegment 21, das mehrere in radialer Richtung zur Mittelachse X orientierte Öffnungen 4 als Perforation aufweist und stromabwärts der XY-Ebene ein Rohrsegment 22, das eine Ausnehmung 5 aufweist, in der mehrere Leitbleche 51 angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Mischer zum Einsatz in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine und für die Vermischung eines in einer Abgasanlage eingespritzten Zusatzstoffes. Der Mischer ist aus einem um eine Mittelachse umlaufenden rohrförmigen Gehäuse gebildet ist. Das Gehäuse weist in Richtung der Mittelachse endseitig eine Eingangsöffnung und endseitig gegenüber eine Ausgangsöffnung auf, wobei die Eingangsöffnung zur Aufnahme von injiziertem Zusatzstoff dient. Das Gehäuse ist im Bereich der Eingangsöffnung und im Bereich der Ausgangsöffnung in Umfangsrichtung um die Mittelachse geschlossen.
Solche gattungsgemäßen, zur Abgasführung und Abgasnachbehandlung eingesetzten Mischer sind im Stand der Technik bekannt.
In der DE 20 2007 010 324 U1 ist ein Mischrohr beschrieben, das beidseitig der Mittelachse stromauf und stromab geöffnet ist. Innerhalb des Rohres sind keine Leit- oder Mischelemente angeordnet.
Aus der DE 10 2012 021 017 A1 ist ein Abgassystem mit einem eine Längsachse aufweisenden Überströmrohr bekannt, das gewisse Eigenschaften eines statischen Mischers aufweist. Dieses Überströmrohr weist eine Mantelfläche und ein erstes, geschlossenes Ende auf, wobei in der Mantelfläche, dem geschlossenen Ende benachbart, eine in radialer Richtung angeordnete Einströmöffnung vorgesehen ist. Das Überströmrohr ist mit seinem geschlossenen Ende und der Einströmöffnung in einem ersten Abgasleitungselement aufgenommen. Das von einer Injektoreinheit injizierte Reduktionsmittel ist in das erste Abgasleitungselement eindüsbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen statischen Mischer derart auszubilden und anzuordnen, dass er wenig Gegendruck erzeugt, eine schnelle und vollständige Reduktionsmittelaufbereitung gewährleistet und gleichzeitig unempfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen ist.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass bezogen auf eine parallel zur Mittelachse des Mischers und rechtwinklig zu einer Hauptströmungsrichtung orientierte XY-Ebene, das Gehäuse stromaufwärts der XY-Ebene ein Rohrsegment bildet, das mehrere in radialer Richtung zur Mittelachse orientierte Öffnungen als Perforation aufweist und stromabwärts der XY-Ebene ein Rohrsegment bildet, das eine Ausnehmung aufweist, in der mehrere Leitbleche angeordnet sind.
Durch die Perforation in dem Teil im Rohr des Mischers, der gegen den Abgasstrom gerichtet ist, wird der Gegendruck des Mischers verringert, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das Gehäuse den Abgaskanal vollständig verschließt. In dem dem Abgasstrom abgewandten Rohrsegment des Mischers, ist die Rohrwand teilweise ausgenommen, sodass separat gefertigte Leitbleche in das Gehäuse eingesetzt werden können. Im Bereich der Ausnehmung ist das Gehäuse in Umfangsrichtung um die Mittelachse nur teilweise geschlossen.
Dem erfindungsgemäßen Mischer kann Zusatzstoff in flüssiger und/oder in gasförmiger Form zugegeben werden.
Grundsätzlich beziehen sich die axiale Richtung und die radiale Richtung ebenso wie die Umfangsrichtung auf die Mittelachse des Mischers, sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Vorteilhaft kann es für eine vollständige Reduktionsmittelaufbereitung auch sein, wenn die Leitbleche mit einem Abstand in axialer Richtung hintereinander und in radialer Richtung oder in der Ausrichtung mit einem Abstand versetzt zueinander angeordnet sind. Diese treppenförmige Anordnung bevorzugt auch einfache Fertigungstoleranzen, weil jedes Leitblech einzeln eingesetzt werden kann.
Hinsichtlich einer vollständigen Vermischung des Reduktionsmittels ist es vorteilhaft, wenn die Leitbleche den Strömungsquerschnitt des stromabwärtigen Rohrsegments zwischen 80% und 100% verdecken. Dabei bildet die Summe der Flächen der Leitbleche, die sich in radialer Richtung erstrecken und die sich nicht in axialer Richtung überdecken zwischen 80% und 100% des Strömungsquerschnitts.
Vorteilhaft kann es aufgrund der thermomechanischen Belastung der Leitbleche auch sein, wenn die Leitbleche nicht ausschließlich aus ebenen und geraden Blechstücken, sondern auch oder alternativ aus wellenförmigen und/oder abgewinkelten Blechstücken gebildet sind, die in das Gehäuse eingesetzt und stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden sind. Die stoffschlüssige Verbindung verhindert das Klappern der Leitbleche im Abgasstrom.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Leitbleche parallel zueinander und rechtwinklig zur Mittelachse oder rechtwinklig zu einer Injektionsrichtung angeordnet sind. Bei einer rechtwinkligen Anordnung bezüglich der Mittelachse verläuft eine Injektionsrichtung parallel zur Mittelachse. In den Ausführungsbeispielen, bei denen eine Injektionsrichtung nicht parallel zur Mittelachse verläuft, können die Leitbleche entweder rechtwinklig zur Mittelachse oder rechtwinklig zur Injektionsrichtung ausgerichtet sein.
Von besonderer Bedeutung für einen geringen Gegendruck kann es sein, wenn auch in dem stromabwärtigen Rohrsegment Öffnungen vorgesehen sind, die eine Perforation bilden. Damit wird der Gegendruck sowohl durch die Perforation im stromaufwärtigen Rohrsegment als auch durch Perforation im stromabwärtigen Rohrsegment reduziert.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn das Gehäuse in axialer Richtung zumindest im Bereich der Perforation und stromab der Perforation einen konstanten Gehäusequerschnitt aufweist. Ein rohrförmiges Gehäuse ist einfach und günstig herzustellen.
Hinsichtlich einer einfachen Geometrie kann es ferner vorteilhaft sein, wenn die Eingangsöffnung einen Strömungsquerschnitt aufweist, der gleich dem Strömungsquerschnitt der Ausgangsöffnung ist. Damit sind zu einem Rohr ähnliche Eigenschaften geschaffen. In besonderen Anwendungen können die Verhältnisse der beiden Öffnungen am Eingang und am Ausgang zueinander auch größer oder kleiner sein. Dabei kann es vorgesehen sein, dass das Gehäuse eine konische Form aufweist.
Vorteilhaft ist zudem ein System bestehend aus einem Mischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche und zumindest einem Gehäuseteil eines ersten Konverters oder Filters einer Abgasanlage mit einer Längsachse, wobei das Gehäuseteil als Haube ausgeführt einen Strömungskanal bildet, in dem der Mischer angeordnet ist. Der Aufbau des Mischers erlaubt aufgrund der erfindungsgemäßen Durchströmung der Rohrwand durch die Perforation und die Ausnehmung eine Anordnung in einem Endabschnitt bzw. in einer Haube eines Konverters oder Filters. Der Einsatz in einen Endabschnitt ist sowohl bei einem stromauf des Mischers angeordneten Konverter oder Filter als auch bei einem stromab angeordneten Konverter oder Filter möglich, weil solche Konverter oder Filter aufgrund ihres gegenüber einer Abgasleitung größeren Durchmessers durch einen entsprechenden Endabschnitt angeschlossen werden. In einem solchen Fall bildet die Haube einen sich verjüngenden Strömungskanal vom Konverter oder Filter hin zum Abgasrohr.
Ferner kann ein System vorteilhaft sein, bei dem stromauf des Mischers ein erster Konverter oder Filter mit einem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse des Konverters oder Filters mit dem Gehäuse des Mischers mittel- oder unmittelbar verbunden ist. Der Mischer und das Gehäuse des Konverters oder Filters bilden eine Baueinheit, bei der die Mittelachse vorteilhafter Weise in einem Winkel α zwischen 75° und 90° gegenüber der Längsachse angeordnet ist.
Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn der Mischer stromab der Perforation ein Abgasrohr bildet oder in einem separaten Rohr aufgenommen ist. Aufgrund der zylindrischen Bauweise kann der Mischer in seiner Verlängerung als Abgasrohr dienen. Der als Abgasrohr dienende Teil weist weder Perforationen noch sonstige Ausnehmungen auf. Ein separates Rohr wäre zusätzlich zu dem Gehäuseteil vorgesehen und am Gehäuseteil befestigt.
Vorteilhaft kann es für den Einsatz des Mischers sein, wenn der Mischer über das Abgasrohr oder das Rohr stromab mit einem weiteren Konverter oder Filter verbunden ist, in dem das eingebrachte Reduktionsmittel wirkt.
Hierzu kann es vorteilhaft sein, wenn in axialer Richtung unmittelbar vor der Eingangsöffnung eine Injektoreinheit für einen Zusatzstoff vorgesehen ist, deren Injektionsrichtung koaxial zur Mittelachse oder in einem Winkel zwischen 5° und 90° zur Mittelachse angeordnet ist und der Zusatzstoff durch die Eingangsöffnung des Mischers einbringbar ist.
Letztlich kann es für einen verringerten Gegendruck von Vorteil sein, wenn die Summe QF, gebildet aus den Querschnittsflächen der Öffnungen und der Querschnittsfläche des Strömungskanals zwischen dem Mischer und dem Gehäuseteil im Verhältnis zu dem Strömungsquerschnitt der Ausgangsöffnung einen Wert QV bildet, mit QV = QF/S32, wobei gilt 0,5 < QV < 3.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
1 eine Prinzipskizze eines Gehäuses für einen Mischer und dessen Geometrie bezüglich einem XYZ-Koordinatensystem;
2 eine perspektivische Ansicht eines Mischers auf die XZ-Ebene mit anschließendem Abgasrohr und aufgesetzter Injektoreinheit;
3 eine Draufsicht auf eine Schnittansicht eines Mischer gemäß 4 ohne Injektoreinheit;
4 eine perspektivische Ansicht eines Mischer auf die XY-Ebene ohne Injektoreinheit;
5 eine Prinzipskizze eines Systems bestehend aus einem Mischer gemäß 2, einem Gehäuseteil, einem DPF und einem DOC;
6 eine erste perspektivische Ansicht des Mischers mit Gehäuseteil gemäß 5;
7 eine zweite perspektivische Ansicht des Mischers mit Gehäuseteil gemäß 5.
Der erfindungsgemäße Mischer 1 weist wie in 1 dargestellt relativ zu einem kartesischen Koordinatensystem XYZ gewisse körperliche Merkmale auf. Das einteilige Gehäuse 2 des Mischers 1 erstreckt sich entlang einer Mittelachse X mit einer in einer YZ-Ebene umlaufenden Mantelfläche, die in zwei Rohrsegmente 21, 22 aufgeteilt ist. Beide Rohrsegmente 21, 22 verlaufen im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung S und ergänzen sich in der Ebene XY zu dem Gehäuse 2.
Das Gehäuse 2 weist einen Radius r2 auf, der nach diesem Ausführungsbeispiel über die gesamte Länge L2 des Gehäuses 2 konstant ist. Aus diesem konstanten Radius r2 resultiert, dass eine Eingangsöffnung 31 und eine Ausgangsöffnung 32, die in Richtung der Mittelachse X gegenüberliegend angeordnet sind, einem dem Gehäusequerschnitt Q2 identischen Strömungsquerschnitt (S31, S32) aufweisen.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Mischers 1, gebildet aus dem Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 weist im Bereich des Rohrsegments 22 eine Ausnehmung 5 auf, die teilweise um das gesamte Rohrsegment 22 umläuft. Im Gehäuse 2 sind im Bereich der Ausnehmung 5 mehrere Leitbleche 51 angeordnet, die parallel zueinander in Richtung der Y-Achse verlaufen. Zudem sind die Leitbleche 51 in Richtung der Mittelachse X um einen Abstand ax und in Richtung der Z-Achse um einen Abstand az zueinander versetzt angeordnet. Die Anordnung und Geometrie, insbesondere bezüglich der Segmentierung des Gehäuses 2 in die beiden Rohrsegmente 21, 22 und der Leitbleche 51 ist in 3 schematisch dargestellt und zeigt eine Darstellung von oben gemäß der Schnittführung III-III' in 4. Der Strömungsquerschnitt S22 des Rohrsegments 22 ist schräg liniert dargestellt. Durch die Leitbleche 51 wird der eingespritzte Zusatzstoff gewirbelt und in Richtung der Z-Achse abgelenkt und vermischt sich mit dem ebenfalls in Richtung der Z-Achse durch die Öffnungen 4 und durch die Ausnehmung 5 einströmenden Abgasstrom.
In dem durch das Rohrsegment 21 definierten Teil des Gehäuses 2 sind Öffnungen 4 in Form einer Perforation vorgesehen, durch die ein Abgasstrom in das Gehäuse 2 einströmen kann. Nach oben hin ist auf das Gehäuse 2 eine Injektoreinheit 9 aufgesetzt, durch die ein Zusatzstoff in den Abgasstrom eingespritzt werden kann. Nach unten hin ist das Gehäuse 2 durch ein Abgasrohr 11 verlängert.
Wie in 4 dargestellt, sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht nur Öffnungen 4 im Bereich des Rohrsegments 21 gegenüberliegend der Ausnehmung 5, sondern weitere Öffnungen 4 in Richtung der Mittelachse X oberhalb der Ausnehmung 5 in beiden Rohrsegmenten 21, 22 vorgesehen.
5 zeigt ein System bestehend aus einem Mischer 1, der durch ein Abgasrohr 11 verlängert und in einem Gehäuseteil 61 aufgenommen ist. Ein Abgasstrom strömt durch einen in diesem Ausführungsbeispiel als Katalysator ausgebildeten Konverter 6 in den durch das Gehäuseteil 61 gebildeten Strömungskanal 62. Wie in den 6 und 7 näher dargestellt, wird der Abgasstrom im Strömungskanal 62 sowohl in den Mischer 1 als auch um den Mischer 1 herumgeführt. Der zwischen dem Gehäuseteil 61 und dem Mischer 1 um den Mischer 1 herumgeführte Abgasstrom ist mit einem gestrichelten Pfeil in 6 dargestellt. Das durch die Öffnungen 4 in den Mischer 1 strömende Abgas vermischt sich mit dem Abgas, das zunächst um den Mischer 1 herum und durch die Ausnehmung 5 ebenfalls in den Mischer 1 einströmt. Der im Mischer 1 befindliche Abgasstrom wird mit dem eingespritzten Zusatzstoff vermischt. Der gesamte Abgasstrom strömt nach der Vereinigung und Vermischung aus der Ausgangsöffnung 32 aus dem Mischer 1 heraus und in das Abgasrohr 11 hinein. Nach dem Verlassen des Abgasrohrs 11 durchströmt der Abgasstrom einen in diesem Ausführungsbeispiel als Partikelfilter ausgebildeten Konverter 8 mit einer Längsachse 18.
Ausgehend vom Austritt des Konverters 6 bis zum Eintritt in den Konverter 8 wird der Abgasstrom um einen Winkel β zwischen 140° Grad und 160° Grad umgelenkt. Hierzu erfolgt eine erste Umlenkung aufgrund der Anordnung der Mittelachse X zur Längsachse 16 des Konverters 6, die in einem Winkel α von 110° Grad zueinander geneigt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202007010324 U1 [0003]
DE 102012021017 A1 [0004]

Claims

Statischer Mischer (1) zum Einsatz in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine und für die Vermischung eines in einer Abgasanlage eingespritzten Zusatzstoffes, wobei a) der Mischer (1) aus einem um eine Mittelachse (X) umlaufenden rohrförmigen Gehäuse (2) gebildet ist und b) das Gehäuse (2) in Richtung der Mittelachse (X) endseitig eine Eingangsöffnung (31) und gegenüber endseitig eine Ausgangsöffnung (32) aufweist, wobei die Eingangsöffnung (31) zur Aufnahme von injiziertem Zusatzstoff in die Abgasanlage dient und c) das Gehäuse (2) im Bereich der Eingangsöffnung (31) und im Bereich der Ausgangsöffnung (32) in Umfangsrichtung um die Mittelachse (X) geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf eine parallel zur Mittelachse (X) und rechtwinklig zu einer Hauptströmungsrichtung (S) orientierte XY-Ebene das Gehäuse (2) d) stromaufwärts der XY-Ebene ein Rohrsegment (21) bildet, das mehrere in radialer Richtung zur Mittelachse (X) orientierte Öffnungen (4) als Perforation aufweist und e) stromabwärts der XY-Ebene ein Rohrsegment (22) bildet, das eine Ausnehmung (5) aufweist, in der mehrere Leitbleche (51) angeordnet sind.
Mischer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche (51) mit einem Abstand (ax) in axialer Richtung hintereinander und in radialer Richtung oder in der Ausrichtung (Z) mit einem Abstand (az) versetzt zueinander angeordnet sind.
Mischer (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche (51) den Strömungsquerschnitt (S22) des stromabwärtigen Rohrsegments (22) zwischen 80% und 100% verdecken.
Mischer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche (51) aus ebenen und geraden oder wellenförmigen und/oder abgewinkelten Blechstücken gebildet sind, die in das Gehäuse (2) eingesetzt und stoffschlüssig mit dem Gehäuse (2) verbunden sind.
Mischer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche (51) parallel zueinander und rechtwinklig zur Mittelachse (X) oder rechtwinklig zu einer Injektionsrichtung angeordnet sind.
Mischer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem stromabwärtigen Rohrsegment (22) Öffnungen vorgesehen sind, die eine Perforation bilden.
Mischer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) in axialer Richtung zumindest im Bereich der Perforation und stromab der Perforation einen konstanten Gehäusequerschnitt (Q2) aufweist.
Mischer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsöffnung (31) einen Strömungsquerschnitt (S31) aufweist, der gleich dem Strömungsquerschnitt (S32) der Ausgangsöffnung (32) ist.
System bestehend aus einem Mischer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und zumindest einem Gehäuseteil (61) eines ersten Konverters (6) einer Abgasanlage mit einer Längsachse (L6), wobei das Gehäuseteil (61) als Haube ausgeführt einen Strömungskanal (62) bildet, in dem der Mischer (1) angeordnet ist.
System nach Anspruch 9 mit einem stromauf des Mischers (1) angeordneten ersten Konverter (6) mit einem Gehäuseteil (61), wobei das Gehäuseteil (61) mit dem Gehäuse (2) des Mischers (1) mittel- oder unmittelbar verbunden ist.
System nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (X) in einem Winkel α zwischen 75° und 90° gegenüber der Längsachse (L6) angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (1) stromab der Perforation ein Abgasrohr (11) bildet oder in einem separaten Rohr aufgenommen ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr (11) oder das Rohr stromab mit einem weiteren Konverter (8) verbunden ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung unmittelbar vor der Eingangsöffnung (31) eine Injektoreinheit (9) für einen Zusatzstoff vorgesehen ist, deren Injektionsrichtung koaxial zur Mittelachse (X) oder in einem Winkel zwischen 5° und 90° zur Mittelachse (X) angeordnet ist und der Zusatzstoff durch die Eingangsöffnung (31) des Mischers (1) einbringbar ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe QF, gebildet aus den Querschnittsflächen der Öffnungen (4) und der Querschnittsfläche (QZ) des Strömungskanals (62) zwischen dem Mischer (1) und dem Gehäuseteil (61) im Verhältnis zu dem Strömungsquerschnitt (S32) der Ausgangsöffnung (32) einen Wert QV bildet, mit QV = QF/S32, wobei gilt 0,5 < QV < 3.