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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In Abgasanlagen angeordnete statische Mischer dienen zur Vermischung von flüssigem oder gasförmigem Reduktionsmittel im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen mit SCR-Abgasnachbehandlungssystemen (SCR engl. Abkürzung für selective catalytic reduction). Die statischen Mischer dienen zur möglichst homogenen Verteilung des eingebrachten Reduktionsmittels.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2014 006 491 B3 ist ein statischer Mischer bekannt, welcher in einem Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Der statische Mischer weist einen inneren und einen äußeren Körper auf, die radial um eine Längsachse des statischen Mischers angeordnet sind. An einem stromaufwärtigen Ende des inneren Körpers ist mindestens ein erstes Leitelement angeordnet, welches sich in Richtung der Längsachse des statischen Mischers erstreckt. Der äußere Körper ist an einem stromabwärtigen Ende des inneren Körpers angeordnet. In Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms weist ein stromabwärtiger Bereich des äußeren Körpers eine Verjüngung von einem ersten Querschnitt hin zu einem zweiten Querschnitt an einem stromabwärtigen Ende des äußeren Körpers auf und bildet ein zweites Leitelement. Der erste Querschnitt ist größer und der zweite Querschnitt ist kleiner im Vergleich zu einem dritten Querschnitt des inneren Körpers.
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Aus der
DE 10 2012 218 565 A1 ist ein flexibles Leitungselement für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem ringförmig oder schraubenförmig gewellten, von einem Abgasstrom durchströmbaren Metallbalg bekannt. Am Eintrittsbereich des Metallbalgs ist ein konischer Strömungsleitkörper angeordnet, der vom Abgasstrom durchströmbar ist, der sich in Strömungsrichtung des Abgasstroms verjüngt und der in einen Eintrittsbereich des Metallbalgs freistehend hineinragt.
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Die
DE 10 2009 036 511 A1 beschreibt 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 Abgasbehandlungseinrichtung, insbesondere SCR-Katalysator. Der Abgaskanal weist zwischen der Eingabeeinrichtung und der nachgeordneten Abgasbehandlungseinrichtung mindestens eine Umlenkeinrichtung zur zumindest teilweisen Rückführung des Abgasstromes entgegen der ursprünglichen Hauptabgasstromrichtung auf.
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Die statischen Mischer, die zur Verdunstung und Vermischung von flüssigem oder gasförmigem 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 statischen Mischer Schwächen hinsichtlich der Überdeckung in Strömungsrichtung des Abgasmassenstromes aufweisen.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen statischen Mischer bereitzustellen, welcher eine hohe Mischqualität bei gleichzeitig geringem Abgasgegendruck gewährleistet.
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Lösung der Aufgabe
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Die Erfindung wird durch einen statischen Mischer gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Mittels des erfindungsgemäßen statischen Mischers wird der mit Reduktionsmittel versetzte Abgasmassenstrom beim Eintritt in den statischen Mischer in zwei Teilströme aufgeteilt. Durch die Querschnittsveränderungen beim Durchströmen und die Zusammenführung der beiden Teilströme beim Austritt aus dem statischen Mischer wird eine hohe Qualität der Vermischung ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Abgasrohr unmittelbar stromaufwärts des statischen Mischers einen siebten Querschnitt auf, der kleiner im Vergleich zu einem achten Querschnitt an einem stromaufwärtigen Ende des äußeren Körpers und größer im Vergleich zu dem dritten Querschnitt an dem stromaufwärtigen Ende des inneren Körpers ist. Hierdurch strömt der gesamte Abgasmassenstrom durch den statischen Mischer hindurch, d.h. es bildet sich keine Bypassströmung zwischen der Innenwandung des Abgasrohres und der Außenwandung des äußeren Körpers. Somit wird die Strömung an der Innenwandung des Abgasrohres behindert, und es entstehen hier keine Turbulenzen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das erste Leitelement mindestens zwei erste schlitzartige Einkerbungen auf, die das erste Leitelement in zwei erste Segmente teilen, und die ersten schlitzartigen Einkerbungen sich in Richtung der Längsachse des statischen Mischers erstrecken. Mittels der Einkerbungen kann auf die Vermischung Einfluss genommen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist mindestens ein erstes Segment eine Krümmung auf, die ein Strömungsprofil des Abgasmassenstroms in einer ersten Drehrichtung beeinflussen kann. Hierdurch kann die Verwirbelung der Strömung beeinflusst werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das zweite Leitelement mindestens zwei zweite schlitzartige Einkerbungen auf, die das zweite Leitelement in zwei zweite Segmente teilen, und die zweiten schlitzartigen Einkerbungen sich von der Längsachse des statischen Mischers weg erstrecken. Mittels der Einkerbungen kann auf die Vermischung Einfluss genommen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist mindestens ein zweites Segment eine Krümmung auf, die ein Strömungsprofil des Abgasmassenstroms in einer zweiten Drehrichtung, die entgegengesetzt zu der ersten Drehrichtung ist, beeinflussen kann. Hierdurch kann die Verwirbelung der Strömung beeinflusst werden.
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Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen statischen Mischers im Schnitt;
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2: eine Rückansicht auf eine zweite Ausführungsform des statischen Mischers;
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3: eine Vorderansicht auf die zweite Ausführungsform des statischen Mischers;
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4: eine Seitenansicht auf die zweite Ausführungsform des statischen Mischers;
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5: eine erste perspektivische Ansicht auf die zweite Ausführungsform des statischen Mischers;
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6: eine zweite perspektivische Ansicht auf die zweite Ausführungsform des statischen Mischers;
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7: eine Rückansicht auf eine dritte Ausführungsform des statischen Mischers;
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8: eine Vorderansicht auf die dritte Ausführungsform des statischen Mischers;
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9: eine Seitenansicht auf die dritte Ausführungsform des statischen Mischers;
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10: eine erste perspektivische Ansicht auf die dritte Ausführungsform des statischen Mischers;
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11: eine zweite perspektivische Ansicht auf die dritte Ausführungsform des statischen Mischers.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen statischen Mischers 1. Der statische Mischer 1 ist in einem Abgasrohr 2 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet. Ein mit Reduktionsmittel versetzter Abgasmassenstrom strömt in Richtung des Pfeils P1.
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Der statische Mischer 1 weist sowohl einen inneren Körper 3 als auch einen äußeren Körper 4 auf, die beide radial um eine Längsachse 5 des statischen Mischers 1 angeordnet sind. Die Längsachse 5 des statischen Mischers 1 stimmt mit der Längsachse des Abgasrohres 2 überein.
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Der äußere Körper 4 weist einen stromabwärtigen Bereich 6 auf. In Richtung des Pfeils P1 verjüngt sich in diesem Bereich 6 der äußere Körper 4 von einem ersten Querschnitt Q1 an einem stromaufwärtigen Ende 7 des Bereichs 6 hin zu einem zweiten Querschnitt Q2 an einem stromabwärtigen Ende 8 des äußeren Körpers 4. In diesem Bereich 6 bildet der äußere Körper 4 ein erstes Leitelement 9. Zur Beeinflussung des Strömungsprofils kann die Verjüngung stetig, beispielsweise linear (in 1 dargestellt), progressiv, degressiv, oder unstetig gewählt werden.
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Der innere Körper 3 weist in Richtung des Pfeils P1 eine Erweiterung von einem dritten Querschnitt Q3 an einem stromaufwärtigen Ende 10 hin zu einem vierten Querschnitt Q4 an einem stromabwärtigen Ende 11 auf. Zur Beeinflussung des Strömungsprofils kann die Erweiterung stetig, beispielsweise linear (in 1 gestrichelt dargestellt), progressiv, degressiv, oder unstetig gewählt werden.
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Radial um die Längsachse 5 des statischen Mischers 1 ist ein zweites Leitelement 12 angeordnet. Das zweite Leitelement 12 weist in Richtung des Pfeils P1 eine Erweiterung von einem fünften Querschnitt Q5 an einem stromaufwärtigen Ende 13 hin zu einem sechsten Querschnitt Q6 an einem stromabwärtigen Ende 14 auf. Der fünfte Querschnitt Q5 kann auch den Wert „0“ aufweisen, so dass in diesem Bereich eine sog. Blickdichtigkeit gegeben ist.
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Vorteilhafterweise ist das Verhältnis zwischen dem fünften Querschnitt Q5 im Vergleich zu dem sechsten Querschnitt Q6 klein. Der sechste Querschnitt Q6 ist kleiner oder gleich dem dritten Querschnitt Q3 an dem stromaufwärtigen Ende 9 des inneren Körpers 3.
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Unmittelbar stromaufwärts des statischen Mischers 1 weist das Abgasrohr 2 einen siebten Querschnitt Q7 auf. Der siebte Querschnitt Q7 ist kleiner im Vergleich zu einem achten Querschnitt Q8 an einem stromaufwärtigen Ende 15 des äußeren Körpers 4. Weiterhin ist der siebte Querschnitt Q7 größer im Vergleich zu dem dritten Querschnitt Q3 an dem stromaufwärtigen Ende 10 des inneren Körpers 3.
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Bei der in 1 als durchgezogene Linie dargestellten Erweiterung des inneren Körpers 3 weist dieser zwischen dem stromaufwärtigen Ende 10 und einem Übergang 16 den dritten Querschnitt Q3 auf. Zwischen dem Übergang 16 und einem weiteren Übergang 17 weist der innere Körper 3 eine lineare Erweiterung von dem dritten Querschnitt Q3 hin zu dem vierten Querschnitt Q4 auf. Zwischen dem weiteren Übergang 17 und dem stromabwärtigen Ende 11 weist der innere Körper 3 den vierten Querschnitt Q4 auf. In Richtung des Pfeils P1 beträgt der Abstand zwischen dem stromaufwärtigen Ende 10 und dem Übergang 16 maximal 1/3 des Abstands zwischen dem stromaufwärtigen Ende 15 und dem stromabwärtigen Ende 7 des äußeren Körpers 4.
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Zwischen dem äußeren Körper 4 des statischen Mischers 1 und dem Abgasrohr 2 ist ein Abstand 18. Der Wert des Abstandes 18 kann auch den Wert „0“ aufweisen.
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Das stromaufwärtige Ende 10 des inneren Körpers 3 und das stromaufwärtige Ende 15 des äußeren Körpers 4 liegen auf einer Ebene. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass das stromaufwärtige Ende 10 des inneren Körpers 3 stromaufwärts im Vergleich zu dem stromaufwärtigen Ende 15 des äußeren Körpers 4 angeordnet ist.
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Das stromaufwärtige Ende 7 des ersten Leitelements 9 ist stromaufwärts im Vergleich zu dem stromaufwärtigen Ende 13 des zweiten Leitelements 12 angeordnet. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass das stromaufwärtige Ende 7 des ersten Leitelements 9 und das stromaufwärtige Ende 13 des zweiten Leitelements 12 auf einer Ebene liegen.
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Das stromaufwärtige Ende 13 des zweiten Leitelements 12 ist stromaufwärts im Vergleich zu dem stromabwärtigen Ende 11 des inneren Körpers 3 angeordnet.
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Das stromabwärtige Ende 11 des inneren Körpers 3 ist stromaufwärts im Vergleich zu dem stromabwärtigen Ende 8 des äußeren Körpers 4 angeordnet.
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Das stromabwärtige Ende 8 des äußeren Körpers 4 und das stromabwärtige Ende 14 des zweiten Leitelements 12 liegen auf einer Ebene.
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Der mit dem Reduktionsmittel versetzte Abgasmassenstrom strömt in Richtung des Pfeils P1 durch den statischen Mischer 1.
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Ein erster Teil des Abgasmassenstroms strömt durch den inneren Körper 3. Ein zweiter Teil des Abgasmassenstroms strömt durch den äußeren Körper 4.
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In den 2 bis 6 ist eine zweite Ausführungsform des statischen Mischers 1 dargestellt. Im Vergleich zu der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform ist der äußere Körper 4 als Zwölfeck ausgebildet. Zudem weisen im Vergleich zu 1 das erste Leitelement 9 zwölf erste schlitzartige Einkerbungen 19 und das zweite Leitelement 12 sechs zweite schlitzartige Einkerbungen 20 auf, die das erste Leitelement 9 in zwölf erste Segmente 21 und das zweite Leitelement 12 in sechs zweite Segmente 22 teilen.
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Die Ausbildung der ersten schlitzartigen Einkerbungen 19 sowie der zweiten schlitzartigen Einkerbungen 20 können zur Beeinflussung des Strömungsprofils und der Vermischungsstruktur angepasst werden, beispielsweise gerade, gekrümmt oder breiter werdend.
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Die ersten schlitzartigen Einkerbungen 19 und die ersten Segmente 21 erstrecken sich in Richtung der Längsachse 5 des statischen Mischers 1.
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Die zweiten schlitzartigen Einkerbungen 20 und die zweiten Segmente 22 erstrecken sich in Richtung der Innenwandung des Abgasrohres 2.
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Die ersten Segmente 21 und die zweiten Segmente 22 können zur Ausbildung von Verwirbelungen im Abgasmassenstrom eine oder mehrere Krümmungen 23 aufweisen.
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Die ersten Segmente 21 erzeugen bei dem durchströmenden Teil des Abgasmassenstroms eine Strömung in Richtung des Pfeils P2 (erste Drehrichtung). Die zweiten Segmente 22 erzeugen eine im Vergleich zu der Richtung des Pfeils P2 entgegengesetzte Strömung in Richtung des Pfeils P3 (zweite Drehrichtung). Zwischen den beiden entgegen rotierenden Teilströmen bildet sich eine freie Scherschicht, in welcher eine Vermischung stattfindet.
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Der innere Körper 3 weist die in 1 mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Form auf.
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In den 7 bis 11 ist eine dritte Ausführungsform des statischen Mischers 1 dargestellt. Im Vergleich zu der in den 2 bis 6 dargestellten zweiten Ausführungsform des statischen Mischers 1 weist der innere Körper 3 eine Konusform (in 1 gestrichelt dargestellt) auf. Die Erweiterung in Richtung des Pfeils P1 von dem dritten Querschnitt Q3 hin zu dem vierten Querschnitt Q4 verläuft linear.
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Der in den 2 bis 11 dargestellte statische Mischer 1 kann aus fünf Blechteilen bestehen, beispielsweise ein Blechteil für den äußeren Körper 4 inkl. der ersten Segmente 21, ein Blechteil für den inneren Körper 3 sowie drei v-förmige Verbindungselemente 24 inkl. jeweils zwei zweite Segmente 22. Der äußere Körper 4 und der innere Körper 3 sind mit den drei v-förmigen Verbindungselementen 24 miteinander verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- statischer Mischer
- 2
- Abgasrohr
- 3
- innerer Körper
- 4
- äußerer Körper
- 5
- Längsachse
- 6
- stromabwärtiger Bereich
- 7
- stromaufwärtiges Ende
- 8
- stromabwärtiges Ende
- 9
- erstes Leitelement
- 10
- stromaufwärtiges Ende
- 11
- stromabwärtiges Ende
- 12
- zweites Leitelement
- 13
- stromaufwärtiges Ende
- 14
- stromabwärtiges Ende
- 15
- stromaufwärtiges Ende
- 16
- Übergang
- 17
- Übergang
- 18
- Abstand
- 19
- erste schlitzartige Einkerbung
- 20
- zweite schlitzartige Einkerbung
- 21
- erstes Segment
- 22
- zweites Segment
- 23
- Krümmung
- 24
- Verbindungselement
- P1
- Pfeil
- P2
- Pfeil
- P3
- Pfeil
- Q1
- erster Querschnitt
- Q2
- zweiter Querschnitt
- Q3
- dritter Querschnitt
- Q4
- vierter Querschnitt
- Q5
- fünfter Querschnitt
- Q6
- sechster Querschnitt
- Q7
- siebter Querschnitt
- Q8
- achter Querschnitt
