DE102016110320A1

DE102016110320A1 - Wendelförmige Mischvorrichtung, insbesondere für ein Abgassystem eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102016110320A1
Application number: DE102016110320.9A
Authority: DE
Inventors: Peter Stolfig; Stephen Rudzewski; Henning Middelmann; Jan Margraf
Original assignee: Stolfig Group Leichtmetall GmbH; Twintec Tech GmbH; Twintec Technologie GmbH; Semcon Holding GmbH and Co KG
Current assignee: Rudzewski Stephen Dr De; Stolfig Group Leichtmetall De GmbH; Twintec Technologie De GmbH
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2017-12-07

Abstract

Abgasnachbehandlungsvorrichtung (39) aufweisend eine Mischvorrichtung (38) zum Mischen und/oder Leiten einer Strömung (18) in einem zylindrischen Ringraum (29), der von einer inneren zylindrischen Achse (6) und von einem koaxial dazu angeordneten Gehäuse (10) begrenzt wird, wobei der Ringraum (29) durch mehrere Segmente (30) so unterteilt ist, dass ein im Wesentlichen wendelförmiger Strömungspfad (36) gebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zur Bereitstellung eines wendelförmigen Strömungsweges. Die Mischvorrichtung dient insbesondere zur Verzögerung der Durchströmungszeit, die Abgas zur Durchströmung eines Leitungsabschnittes benötigt und die Mischvorrichtung unterstützt bevorzugt bei der Durchmischung der Strömung mit einem Abgasadditiv und/oder bei der Beheizung der Strömung.
Im Stand der Technik gibt es viele Vorrichtungen zur Durchmischung und/oder Beheizung einer Fluidströmung. Strukturen, die einen wendelförmigen Strömungsweg bereitstellen, sind jedoch oft schwierig herzustellen, insbesondere für Komponenten, die in großer Stückzahl und kostengünstig zur Verfügung gestellt werden sollen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Mischvorrichtung zu schaffen, die sich einfach und kostengünstig herstellen lässt und insbesondere für die Anwendung in Abgassystemen von Kraftfahrzeugen geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Mischvorrichtung zum Mischen und/oder Leiten einer Strömung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, die einzeln oder in technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert Anwendung finden können, sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Hier beschrieben werden soll eine Mischvorrichtung zum Mischen und/oder Leiten einer Strömung in einem zylindrischen Ringraum, der von einer inneren zylindrischen Achse und von einem koaxial dazu angeordneten Gehäuse begrenzt wird. Diese Mischvorrichtung ist so gestaltet, dass der Ringraum durch mehrere Segmente so unterteilt ist, dass ein im Wesentlichen wendelförmiger Strömungspfad gebildet wird.
Die Segmente bilden hier insbesondere eine wendelförmige Strömungsleitstruktur der Mischvorrichtung. Die Mischvorrichtung kann noch weitere Elemente neben den Segmenten umfassen. Insbesondere kann die Mischvorrichtung noch ein Gehäuse und insbesondere ein Bauteil umfassen, welches eine zentrale Achse bildet. Mit Segmenten sind hier einzelne Bauteile gemeint, aus denen die Mischvorrichtung zusammengesetzt ist. Insbesondere ist die Mischvorrichtung nicht einstückig ausgeführt. Die Segmente werden jedoch beim Aufbau der Mischvorrichtung zusammengefügt. Entlang eines Strömungswegs des Abgases entlang der wendelförmigen Mischvorrichtung passiert das Abgas nacheinander die einzelnen Segmente der Mischvorrichtung. Ein Aufbau aus Segmenten erleichtert Herstellung und Montage und lässt sich auch bei relativ kleinen Ringräumen von beispielsweise 30 bis 50 mm Außendurchmesser verwirklichen. Gleichzeitig ist es möglich, relativ große Wandstärken der Segmente zu verwirklichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jedes Segment ein Teilstück einer um die zylindrische Achse verlaufenden wendelförmigen Wand und erstreckt sich von der zylindrischen Achse bis zum Gehäuse. Auf diese Weise wird eine Strömung in dem Ringraum gezwungen, dem Verlauf der Wand zu folgen.
Die zylindrische Achse hat hier einen Durchmesser, der dem inneren Durchmesser der Segmente und der Mischvorrichtung entspricht. Außen um die Mischvorrichtung herum befindet sich bevorzugt ein Gehäuse mit einem Durchmesser, welcher dem äußeren Durchmesser der Mischvorrichtung entspricht. Der Ringraum bildet den Abschnitt zwischen dem inneren Durchmesser und dem äußeren Durchmesser. Die von den Segmenten gebildete wendelförmige Wand erstreckt sich nach Art einer wendelförmigen Bahn durch den Ringraum und unterteilt den Ringraum in einen wendelförmigen, für Abgas durchströmbaren Raum. Die wendelförmige Wand bildet eine Helix-Struktur. Beim Durchströmen der Mischvorrichtung folgt eine Abgasströmung der Wendelform des Ringraums.
Sinnvoll und besonders bevorzugt ist es, wenn jedes Segment einen Winkelbereich von 180° um die zylindrische Achse umläuft. Bei kleineren Winkeln, die prinzipiell möglich sind, wird eine Montage vieler Segmente kompliziert, bei größeren Winkeln müssten die Segmente auf die zylindrische Achse axial aufgeschoben werden. Bei 180° ist ein seitliches Aufsetzen auf die Achse möglich und Vereinfacht die Montage.
Im Folgenden sollen die äußeren Abmessungen der einzelnen Segmente der Mischvorrichtung genauer beschrieben werden, wobei sich die folgenden Ausführungen auf die äußeren Abmessungen beziehen, die sichtbar sind, wenn ein einzelnes Segment mit einer Blickrichtung parallel zu der zylindrischen Achse betrachtet wird. Dann ergibt sich eine Projektion des einzelnen Segments in eine Ebene, die normal (senkrecht) zur zylindrischen Achse ausgerichtet ist. Weiter oben wurden ein innerer Durchmesser und ein äußerer Durchmesser der Mischvorrichtung eingeführt. Dieser innere Durchmesser und dieser äußere Durchmesser begrenzen jeweils jedes einzelne Segment in der jeweiligen vorgesehenen Position in der Mischvorrichtung. Der äußere Durchmesser bildet dabei einen äußeren Umfang der Mischvorrichtung. Der innere Durchmesser bildet dabei einen inneren Umfang der Mischvorrichtung. Darüber hinaus wird jedes einzelne Segment von zwei radialen Begrenzungslinien begrenzt, die sich ausgehend von der zylindrischen Achse nach außen erstrecken. Die beiden radialen Begrenzungslinien eines einzelnen Segments stehen in einem Winkel von 180° zueinander.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist jedes Segment einen inneren Kragenabschnitt zur Abstützung an der zylindrischen Achse auf. Die Kragenabschnitte können so geformt sein, dass sie beim Zusammensetzen der Mischvorrichtung quasi ein Rohr um die zylindrische Achse bilden, also aneinander stoßend aufgesetzt werden, was die Montage und Positionierung der Segmente entscheidend vereinfacht. Außerdem führen die Kragenabschnitte zu einer stabilen Lage der Segmente und vermeiden ein Verkippen. Die Kragenabschnitte müssen aber nicht so ausgeführt sein, dass sich beim Zusammensetzen der Segmente ein geschlossenes Rohr um die zylindrische Achse herum bildet. Es ist vielmehr ausreichend, wenn die Kragenabschnitte Teilabschnitte eines Rohrs rund um die zylindrische Achse herum bilden.
Die Form der Segmente muss der gewünschten Lage im Ringraum angepasst sein. Daher werden die Segmente zur Beschreibung in eine Ebene normal (senkrecht) zur zylindrischen Achse projiziert und dann anhand eines äußeren Durchmessers, eines inneren Durchmessers und der radialen Richtungen beschrieben. Die dreidimensionale Form der Segmente ist weder ganz flach, noch exakt aus einem schrägen Schnitt durch den Ringraum gebildet. Jedes Segment ist von einer inneren Begrenzungslinie und einer äußeren Begrenzungslinie berandet, die beide annähernd Abschnitte einer Ellipse sind, wodurch jedes Segment schräg im Ringraum angeordnet werden kann, um in der benannten Projektion einen kreissymmetrischen inneren Durchmesser und einen kreissymmetrischen äußeren Durchmesser zu bilden. Die genannten radialen Begrenzungslinien stehen allerdings jeweils senkrecht auf der Achse. Dies ist nicht zu erreichen, wenn das Segment für sich genommen flach ist. Daher ist die wendelförmige Wand der Segmente von der einen Begrenzungslinie zu der anderen Begrenzungslinie leicht verdreht. Jedes Segment ähnelt vom Verlauf her einem Teilstück einer Wendeltreppe ohne Stufen bzw. ein Teilstück einer Helix.
Insbesondere sind mehrere Segmente so geformt und an Fugen aneinander stoßend angeordnet, dass sich eine nahezu geschlossene wendelförmige Wand im Ringraum bildet.
In einer anderen Ausführungsform ist es aber auch möglich, dass mehrere Segmente so geformt und angeordnet sind, dass sich eine wendelförmige Wand im Ringraum bildet, die Fugen in Form von Spalten und/oder Stufen aufweist. Diese Spalten und/oder Stufen sind insbesondere an den Übergängen der einzelnen Segmente zueinander angeordnet. Dies bedeutet auch, dass es bei manchen Anwendungsfällen nicht auf eine perfekte Form und Positionierung der Segmente ankommt, insbesondere, wenn die entstehende Mischvorrichtung zum Mischen eingesetzt werden soll. Dann können Schlitze und Stufen zwischen den Segmenten sogar von Vorteil sein. Schlitze und/oder Stufen zwischen den Segmenten bilden gegebenenfalls Verwirbelungsstellen, an denen die Abgasströmung, welche durch den wendelförmigen Ringraum strömt, gestört wird.
Bevorzugt ist das Gehäuse aus Halbschalen aufgebaut und jedes Segment zwischen Gehäuse und zylindrischer Achse eingespannt oder formschlüssig befestigt, wobei vorzugsweise sich die einzelnen Segmente auch gegeneinander abstützen. Darüber hinaus können die Segmente durch innere Kragen, die auf der zylindrischen Achse aufliegen und sich gegeneinander abstützen, in ihrer Position fixiert sein. Ein Aufbau des Gehäuses aus Halbschalen ist insbesondere für komplexere Komponenten eines Abgasreinigungssystems von Vorteil, da dies deren Zusammenbau erleichtert. Das Gehäuse ist vorzugsweise entlang einer ersten Ebene in zwei Halbschalen unterteilt. In dieser ersten Ebene ist auch die zylindrische Achse angeordnet. Vorzugsweise liegen die radialen Begrenzungslinien der einzelnen Segmente alle in einer zweiten Ebene, wenn die Segmente die Mischvorrichtung bilden. In dieser zweiten Ebene ist bevorzugt ebenfalls die zylindrische Achse angeordnet. Die erste Ebene und die zweite Ebene sind dabei bevorzugt nicht identisch, sondern stehen in einem Winkel zueinander. Bevorzugt beträgt dieser Winkel mindestens 45°, weiter bevorzugt mindestens 80° und besonders bevorzugt 90°. Dies ermöglicht, dass die Übergangsstellen (Spalten und/oder Fugen) zwischen den Segmenten nicht auf der Trennebene der beiden Halbschalen liegen und erlaubt eine besonders stabile Bildung der Mischvorrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Segmente so geformt, dass sich eine Steigung der entstehenden wendelförmigen Wand von 10 bis 45°, vorzugsweise 15 bis 30°, gegenüber einem senkrechten Querschnitt durch den Ringraum ergibt. Bei solchen Steigungen wird eine signifikante Verlängerung des Strömungsweges im Ringraum erreicht, die für die meisten Zwecke geeignet ist.
In absoluten Maßen sollte der wendelförmige Strömungspfad zwischen zwei Segmenten eine axiale Ausdehnung von 15 bis 30 mm haben.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die zylindrische Achse der Mischvorrichtung einen Heizstab. Dies ist eine der Hauptanwendungen der Erfindung, da ein wendelförmiger Strömungspfad um einen Heizstab eine besonders effektive Heizung der Abgasströmung entlang des wendelförmigen Strömungspfades erlaubt. Bei gleichzeitiger Wärmeleitung der begrenzenden Wand aus Segmenten wird die Effektivität der Beheizung weiter erhöht.
Daher kann die Mischvorrichtung auch bevorzugt Teil einer Abgasbehandlungskomponente zur Erzeugung von Ammoniak sein und das Gehäuse der Mischvorrichtung ein Innengehäuse dieser Abgasbehandlungskomponente zur Führung eines ersten Teilstromes des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine. Bei einer solchen Komponente entfalten sich die Vorteile der Mischvorrichtung in besonderer Weise. Die Mischvorrichtung ist aber auch in beliebigen anderen Abgasbehandlungskomponenten einsetzbar.
Bei Bedarf werden die Dicke und/oder die Wärmeleitfähigkeit der Segmente in unterschiedlichen Bereichen der Mischvorrichtung unterschiedlich ausgelegt, wodurch eine Anpassung an spezielle Heizaufgaben möglich ist und eventuelle Wärmeverluste gering gehalten werden. Bevorzugt ist beispielsweise, dass in einem vorderen Bereich der Mischvorrichtung (nahe einer Einströmseite der Mischvorrichtung) Segmente mit einer größeren Wandstärke angeordnet sind, als in einem hinteren Bereich der Mischvorrichtung (nahe einer Ausströmseite der Mischvorrichtung).
Ausführungsbeispiele der Mischvorrichtung, auf welche die Offenbarung aber nicht beschränkt ist, werden im Folgenden anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert. Die in den Ausführungsbeispielen gleichzeitig gezeigten Komponenten müssen nicht notwendigerweise bei einer Anwendung der Mischvorrichtung auch gemeinsam verwendet werden. Es ist auch möglich, die Mischvorrichtung mit nur einem Teil der, in den Ausführungsbeispielen dargestellten, Merkmale zu verwirklichen.
Es zeigen:
1 einen bevorzugten Anwendungsfall einer Mischvorrichtung als Misch- und Leitstruktur in einer Abgasbehandlungskomponente zur Erzeugung und Einbringung von Ammoniak in einen Abgasstrom, wobei ein schematischer Längsschnitt zur Veranschaulichung gezeigt ist,
2 den prinzipiellen Aufbau einer Mischvorrichtung aus einzelnen Segmenten in schematischer perspektivischer Darstellung und
3 ebenfalls den prinzipiellen Aufbau einer Mischvorrichtung mit Andeutung eines aus Halbschalen aufgebauten Gehäuses.
Ein Ausführungsbeispiel gemäß 1 zeigt eine Abgasbehandlungskomponente, wie sie in eine typische Abgasleitung eines Verbrennungsmotors, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, eingebaut werden kann. Ein Abgasstrom 5 tritt durch eine Einlassöffnung 21 in die Abgasbehandlungskomponente ein und gelangt über einen Einlasskonus 22 in einen Zentralbereich 23, der einen größeren Durchmesser als die Einlassöffnung 21 hat. In einem Auslasskonus 24 wird der Abgasstrom 5 wieder zu einer Auslassöffnung 25 zusammengeführt. Die ganze Komponente ist von einem Außengehäuse 2 umschlossen. In dem Außengehäuse 2 und abgestützt durch zwei Lagerungen 15 befindet sich ein etwa zigarrenförmiges Innengehäuse 10. Dieses zigarrenförmige Innengehäuse 10 weist einen Aufweitungsbereich 28 mit einer Einlassblende 4 auf und geht in eine Verzögerungsstrecke 27 über, die durch eine Mischvorrichtung 38 gebildet wird. In einem Endbereich des Innengehäuses 20 ist ein Hydrolysekatalysator 3 angeordnet. Eine perforierte Scheibe 11 stromaufwärts vor dem Hydrolysekatalysator 3 dient als Stauelement und erlaubt, den Strömungswiderstand im Innengehäuse vorzugeben. Koaxial im Inneren des Innengehäuses 10 ist ein Heizelement 6 in Form eines Heizstabs angeordnet, wobei dieser Heizstab 6 abgewinkelt beziehungsweise abgebogen ist und im Bereich des Einlasskonus 22 nach außen geführt ist, so dass ein elektrischer Anschluss 7 außerhalb der ganzen Komponente vorgesehen werden kann. Der Einlasskonus 22 weist eine Eindellung 16 auf, in der ein Injektor 1 für wässrige Harnstofflösung angeordnet ist. Ein Injektorauslass 17 des Injektors 1 endet in der Nähe einer Einlassstrecke 9 im Innengehäuse 10, wobei in dieser Einlassstrecke 9 auch der gebogene Teil des Heizstabs 6 angeordnet ist. Bevorzugt ist dieser gebogene Teil des Heizstabs als ein erster Heizbereich 8 ausgebildet, der sich getrennt von anderen Bereichen des Heizstabs 6 beheizen und gegebenenfalls regeln lässt. Der Heizstab 6 weist noch mindestens einen zweiten Heizbereich 13 stromab des ersten Heizbereichs 8 auf. In dem Heizstab 6 ist außerdem vorzugsweise ein Temperaturfühler 12 angeordnet, der die genaue Einstellung einer Endtemperatur vor dem Hydrolysekatalysator 3 ermöglicht. Der Heizstab 6 bildet zusammen mit dem Innengehäuse 10 einen Ringraum 29, in dem die Mischvorrichtung 38 mit der wendelförmigen Strömungsleitstruktur 14 angeordnet ist. Tritt ein Abgasstrom 5 in die Abgasbehandlungskomponente ein, so wird dieser in einem ersten Teilstrom 18 und einen zweiten Teilstrom 19 aufgeteilt, wobei der erste Teilstrom 18 durch das Innengehäuse 10 und der zweite Teilstrom 19 zwischen Außengehäuse 2 und Innengehäuse 10 fließt. Typischerweise wird das System so dimensioniert, dass der erste Teilstrom 18 etwa 5–10 % des zweiten Teilstroms 19 beträgt. Dies lässt sich durch die Größe der Einlassblende 4, den Aufweitungsbereich 28, die Dimensionierung des Ringraums 29 zwischen Heizstab 6 und Innengehäuse 10, sowie durch die Dimensionierung der Löcher in der perforierten Scheibe 11 einstellen. Der erste Teilstrom 18 strömt durch den Aufweitungsbereich 28 zu der Einlassstrecke 9, in welcher wässrige Harnstofflösung aus dem Injektorauslass 17 eingedüst wird. Diese Lösung trifft auf eine Auftrefffläche 26 des Heizstabs 6 im Bereich des ersten Heizbereichs 8. Eine genügend hohe Temperatur des ersten Heizbereichs 8 sorgt dafür, dass sich im Bereich des Injektorauslasses 17 und der Einlassstrecke 9 langfristig keine Ablagerungen bilden, insbesondere keine Isocyanat-Ablagerungen. Dazu sind Temperaturen oberhalb vom 500 °C vorteilhaft. Der erste Teilstrom 18 strömt weiter durch eine Verzögerungsstrecke 27, die durch eine Mischvorrichtung 38 mit einer wendelförmigen Strömungsleitstruktur 14 gebildet wird. Der dort auf einem wendelförmigen Strömungspfad 36 strömende erste Teilstrom 18 verbleibt durch diese Verzögerungsstrecke 27 deutlich länger im Innengehäuse 10 als ohne die wendelförmige Strömungsleitstruktur 14. Dies ermöglicht eine effektive Aufheizung und gute Durchmischung des ersten Teilstroms 18 mit der zugeführten wässrigen Harnstofflösung. Die Endtemperatur des ersten Teilstroms etwa im Bereich der perforierten Scheibe 11 kann mittels des Temperaturfühlers 12 gemessen und durch entsprechende Ansteuerung des zweiten Heizbereichs 13 geregelt werden. Schließlich gelangt der erste Teilstrom zum Hydrolysekatalysator 3, in dem Ammoniak und Kohlendioxid erzeugt werden, zusammen mit dem ersten Teilstrom 18 zum Auslasskonus 24, in dem sie wieder mit dem zweiten Teilstrom 19 zusammengeführt werden und zur Auslassöffnung 25 gelangen. In einem nachfolgenden (hier nicht dargestellten) SCR-Katalysator kann eine wirkungsvolle Umsetzung der im Abgas möglicherweise enthaltenen Stickoxide erfolgen. Die ganze Komponente hat bevorzugt eine axiale Länge von 330 bis 400 mm und einen Außendurchmesser des Außengehäuses 2 von 75 bis 100 mm, wobei der in die Eindellung 16 eingebaute Injektor nur circa 20 bis 40 mm radial über das Außengehäuse hinausragt. Ein typischer Heizstab 6 hat einen Durchmesser von 15 bis 25 mm, wobei zur Beheizung eine Leistung von bis zu 1000 W eingebracht werden kann.
Die Lagerung des Innengehäuses 15 im Außengehäuse 2 kann vorzugsweise durch radiale Lamellen, zum Beispiel mit einem S-Schlag zur Kompensation von Ausdehnungen und Vibrationen etc. aufgebaut sein, mit einem axialen Anstellwinkel der Lamellen zu einer zusätzlichen Drallerzeugung im zweiten Teilstrom 19. Ein solcher Drall kann die spätere Vermischung mit dem ersten Teilstrom 18 verbessern. Es sei darauf hingewiesen, dass bei einer Beheizung des ersten Teilstroms 18 ein Wärmeabfluss an den zweiten Teilstrom im Allgemeinen unerwünscht ist, weshalb das Innengehäuse 10 so gestaltet und/oder isoliert sein sollte, dass kein großer Wärmeabfluss in den zweiten Teilstrom 19 oder zum Außengehäuse 2 durch die Lagerung 15 erfolgt. Die wendelförmige Strömungsleitstruktur 14 sollte ebenfalls so dimensioniert aus solchem Material sein, dass kein zu großer Wärmeabfluss an das Innengehäuse 10, wohl aber eine gewisse Wärmeleitung in den ersten Teilstrom 18 erfolgt. Der Injektor 1 und der Hydrolysekatalysator 3 sind bekannte Elemente, wie sie bereits standardmäßig eingesetzt werden.
Unabhängig von einem speziellen Anwendungsfall zeigen 2 und 3 nochmals den prinzipiellen Aufbau von Mischvorrichtungen 38. Solche Mischvorrichtungen 38 können überall dort Anwendung finden, wo eine Verlangsamung einer Strömung, eine Verlängerung eines Strömungsweges und/oder eine gute Durchmischung einer Strömung gewünscht werden.
2 und 3 zeigen, wie aus Segmenten 30 eine wendelförmige Wand 35 zusammengesetzt werden kann, die vom Verlauf her einer Wendeltreppe ohne Stufen ähnelt bzw. eine Helix bildet. Zwischen einer zylindrischen Achse 6 (die auch z. B. einen Heizstab umfassen kann und die hier jeweils mit einer gestrichelten Achse angeordnet ist) und einem Gehäuse 10, welches vorzugsweise aus Halbschalen 37 aufgebaut ist, befindet sich ein Ringraum 29. Damit dieser nicht einfach axial durchströmbar ist, sondern einen längeren, wendelförmigen Strömungspfad 36 bereitstellt, sind um die zylindrische Achse 6 mehrere Segmente 30 angeordnet, die zusammen eine geschlossene wendelförmige Wand 35 bilden, wenn sie an Fugen 31 dicht aneinander liegen. Die Segmente 30 umlaufen jeweils einen Winkelbereich von 180° um die zylindrische Achse 6 und haben eine innere Begrenzungslinie 33 und eine äußere Begrenzungslinie 34, die etwas von der Form eines Halbkreises abweichen. Diese Begrenzungslinien sind geometrisch eher Teile von Ellipsen, wodurch eine Anordnung der Segmente in einem bestimmten Winkel zu einem senkrechten Querschnitt durch den Ringraum 29 möglich ist. In einer Projektion bei einer Betrachtung in Richtung der zylindrischen Achse 6 erscheinen die Begrenzungslinien 34 aber als Kreissegmente. Die Elliptizität bestimmt einen Steigungswinkel der entstehenden wendelförmigen Wand 35. Zur besseren Positionierung und Abstützung auf der zylindrischen Achse 6 kann jedes Segment einen inneren Kragen 32 aufweisen, der in axialer Richtung von dem übrigen Segment 30 absteht. Durch geeignete Dimensionierung dieses Kragens 32 in axialer Richtung wird die Montage auf der zylindrischen Achse 6 vereinfacht. Eine formschlüssige Befestigung oder eine Verspannung der Segmente 30 zwischen zylindrischer Achse 6 und Gehäuse 10, insbesondere einem aus zwei Halbschalen 37 aufgebauten Gehäuse 10, wird so erleichtert.
Es besteht auch die Möglichkeit, die Segmente 30 so zu gestalten, dass sie an den Fugen 31 nicht dicht aneinander liegen und/oder nicht stufenlos ineinander übergehen. So können Schlitze und/oder Stufen an den Fugen 31 gebildet werden, die eine bessere Durchmischung einer Strömung bewirken können. Weiterhin ist es möglich, die Dicke d der Segmente in axialer Richtung unterschiedlich für unterschiedliche Bereiche der wendelförmigen Wand 35 zu gestalten. Dies kann für den Wärmetransport durch die Segmente 30 eine Rolle spielen. Bei dem obigen Anwendungsbeispiel eines Ammoniakgenerators ist es beispielsweise vorteilhaft, die Segmente 30 in der Nähe der Auftrefffläche 26 an einer Einströmseite in die Mischvorrichtungen 38 dicker zu machen, als zum Endbereich 20 hin an einer Ausströmseite.
Die vorliegende Mischvorrichtung 38 stellt eine einfach herzustellende und zu montierende Möglichkeit zur Verfügung, mit einer wendelförmigen Wand die Verlängerung eines Strömungsweges zu erreichen und/oder die Durchmischung einer Strömung zu verbessern. Sie lässt sich insbesondere bei Komponenten für die Abgasreinigung von Kraftfahrzeugen einsetzen.
Bezugszeichenliste

1: Injektor
2: Außengehäuse
3: Hydrolysekatalysator
4: Einlassblende
5: Abgasstrom
6: Zylindrische Achse/Heizelement/Heizstab
7: Elektrischer Anschluss
8: Erster Heizbereich
9: Einlassstrecke
10: Gehäuse/Innengehäuse
11: Stauelement/Perforierte Scheibe
12: Temperaturfühler
13: Zweiter Heizbereich
14: Wendelförmige Strömungsleitstruktur
15: Lagerung des Innengehäuses
16: Eindellung
17: Injektorauslass
18: Erster Teilstrom
19: Zweiter Teilstrom
20: Endbereich des Innengehäuses
21: Einlassöffnung
22: Einlasskonus
23: Zentralbereich
24: Auslasskonus
25: Auslassöffnung
26: Auftrefffläche
27: Verzögerungsstrecke
28: Aufweitungsbereich
29: Ringraum
30: Segment
31: Fuge
32: Kragen
33: innere Begrenzungslinie
34: äußere Begrenzungslinie
35: wendelförmige Wand
36: wendelförmiger Strömungspfad
37: Halbschale
38: Mischvorrichtung
39: Abgasbehandlungsvorrichtung

Claims

Abgasbehandlungsvorrichtung (39) aufweisend eine Mischvorrichtung (38) zum Mischen und/oder Leiten einer Strömung (18) in einem zylindrischen Ringraum (29), der von einer inneren zylindrischen Achse (6) und von einem koaxial dazu angeordneten Gehäuse (10) begrenzt wird, wobei der Ringraum (29) durch mehrere Segmente (30) so unterteilt ist, dass ein im Wesentlichen wendelförmiger Strömungspfad (36) gebildet wird.
Abgasbehandlungsvorrichtung (39) nach Anspruch 1, wobei jedes Segment (30) ein Teilstück einer, um die zylindrische Achse (6) verlaufenden, wendelförmigen Wand (35) bildet und sich von der zylindrischen Achse (6) bis zum Gehäuse (10) erstreckt.
Abgasbehandlungsvorrichtung (39) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes Segment (30) einen Winkelbereich von 180° um die zylindrische Achse (6) umläuft.
Abgasbehandlungsvorrichtung (39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Segment (30) einen inneren Kragenabschnitt (32) zur Abstützung an der zylindrischen Achse (6) aufweist.
Abgasbehandlungsvorrichtung (39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Segment (30) von einer inneren Begrenzungslinie (33) und einer äußeren Begrenzungslinie (34) berandet ist, die beide annähernd Abschnitte einer Ellipse sind, wodurch jedes Segment (30) schräg im Ringraum (29) angeordnet werden kann.
Abgasbehandlungsvorrichtung (39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Segmente (30) so geformt und an Fugen (31) aneinander stoßend angeordnet sind, dass sich eine nahezu geschlossene wendelförmige Wand (35) im Ringraum (29) bildet.
Abgasbehandlungsvorrichtung (39) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mehrere Segmente (30) so geformt und angeordnet sind, dass sich eine wendelförmige Wand im Ringraum (29) bildet, die Fugen (31) in Form von Spalten und/oder Stufen aufweist.
Abgasbehandlungsvorrichtung (39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (10) aus Halbschalen (37) aufgebaut ist und jedes Segment (30) zwischen Gehäuse (10) und zylindrischer Achse (6) eingespannt oder formschlüssig befestigt ist, wobei vorzugsweise sich die einzelnen Segmente (30) auch gegeneinander abstützen und/oder durch innere Kragen (32), die auf der zylindrischen Achse (6) aufliegen und sich gegeneinander abstützen in ihrer Position fixiert sind.
Abgasbehandlungsvorrichtung (39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Segmente (30) so geformt sind, dass sich eine Steigung der entstehenden wendelförmigen Wand (35) von 10 bis 45°, vorzugsweise 15 bis 30°, gegenüber einem senkrechten Querschnitt durch den Ringraum (29) ergibt.
Abgasbehandlungsvorrichtung (39) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der wendelförmige Strömungspfad (36) zwischen zwei Segmenten (30) eine axiale Ausdehnung von 15 bis 30 mm hat.
Abgasbehandlungsvorrichtung (39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zylindrische Achse (6) ein Heizstab ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung (39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mischvorrichtung (38) Teil einer Abgasbehandlungskomponente zur Erzeugung von Ammoniak ist und das Gehäuse (10) der Mischvorrichtung (38) ein Innengehäuse dieser Abgasbehandlungskomponente zur Führung eines ersten Teilstromes (18) des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung (39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke (d) und/oder die Wärmeleitfähigkeit der Segmente (30) in unterschiedlichen Bereichen der Mischvorrichtung (38) unterschiedlich sind.