DE102017105093A1

DE102017105093A1 - Mischereinrichtung

Info

Publication number: DE102017105093A1
Application number: DE102017105093.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Fischer; Andreas Haas; Stefan Sauer; Dennis Sailer; Bernd Burkhardt
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2017-09-14

Abstract

Eine Mischereinrichtung zum Einbringen und Verteilen einer Flüssigkeit in einen Gasstrom umfasst eine von dem Gasstrom durchströmbare Mischkammer, ein wenigstens teilweise in der Mischkammer angeordnetes Überströmrohr, das eine Mantelfläche sowie ein erstes und ein zweites Rohrende aufweist, und wenigstens einen dem ersten Rohrende des Überströmrohrs zugeordneten Injektor zum Einspritzen der Flüssigkeit in das Überströmrohr. Die Mantelfläche des Überströmrohrs weist wenigstens eine Einströmöffnung auf, durch welche Gas für eine nachfolgende Vermischung mit dem eingespritzten Fluid aus der Mischkammer in das Überströmrohr einströmen kann. Das Überströmrohr ist derart ausgebildet, dass in dessen Innerem dem einströmenden Gas zwei gegensinnige Drallkomponenten aufprägbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischereinrichtung zum Einbringen und Verteilen einer Flüssigkeit in einen Gasstrom, insbesondere zum Einbringen und Verteilen eines flüssigen Reduktionsmittels in einen Abgasstrom.
Solche Mischereinrichtungen werden allgemein dazu eingesetzt, einen Gasstrom zu durchmischen, eine eingespritzte Flüssigkeit in dem Gasstrom zu verteilen und/oder ein Verdampfen der Flüssigkeit zu fördern.
Das Problem, eine Flüssigkeit in geeigneter Form zuverlässig in einem Gasstrom zu verdampfen und zu verteilen, um beispielsweise eine chemische Reaktion von Komponenten des Gasstroms mit Komponenten der verdampften Flüssigkeit zu ermöglichen, stellt sich in vielen Anwendungsbereichen. In der Abgastechnik stellt sich dieses Problem beispielsweise in Zusammenhang mit dem SCR-Verfahren, bei dem eine wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs eingebracht wird, z. B. mittels einer Dosierpumpe oder eines Injektors. Durch Thermolyse und Hydrolyse entsteht aus der Harnstofflösung Ammoniak und CO₂. Das so erzeugte Ammoniak kann in einem geeigneten Katalysator mit den im Abgas enthaltenen Stickoxiden reagieren, die so effizient aus dem Gasstrom entfernt werden.
Bei diesem Verfahren ist es von besonderer Relevanz, dass die Harnstofflösung in einem geeigneten Verhältnis zu der im Abgas enthaltenen Stickoxidmenge zugeführt wird. Außerdem ist es von großer Bedeutung, dass die in den Abgasstrom eingebrachte Harnstofflösung möglichst vollständig verdampft und in dem Abgasstrom gleichmäßig verteilt wird.
Um ein effizientes Verteilen und Verdampfen der in den Gasstrom eingebrachten Flüssigkeit sicherzustellen, ist in Strömungsrichtung hinter, bei und/oder vor dem Einbringungspunkt der Flüssigkeit oftmals eine Mischereinrichtung vorgesehen. Der Begriff "Mischereinrichtung" ist in diesem Zusammenhang breit zu verstehen. Eine solche Einrichtung kann Komponenten umfassen, die die Strömung des Gasstroms beeinflussen und/oder die eine Verdampfung der eingesprühten Flüssigkeitströpfchen bewirken (z.B. deren Verdampfung auf einer bei Betrieb heißen Oberfläche).
Obwohl herkömmliche Mischereinrichtungen in vielen Fällen einen akzeptablen Homogenisierungsgrad des Gasstroms bewirken, besteht weiterhin Bedarf nach effizienten Mischereinrichtungen, um eine möglichst vollständige und insbesondere schnellere Verteilung der Flüssigkeit in dem Gasstrom zu erreichen, ohne den Abgasstrom übermäßig zu behindern. Mit anderen Worten soll die Mischereinrichtung in dem Abgasstrom möglichst wenig Gegendruck erzeugen.
Effiziente Mischereinrichtungen sind insbesondere in der Abgastechnik gefragt. Je größer nämlich die Effizienz der Mischereinrichtung ist, desto besser kann die in den Abgasstrom injizierte Harnstoffmenge an die im Abgas enthaltene Menge von Stickoxiden angepasst werden. Letztlich führt dies zu einer verbesserten Abgasreinigung. Besonders wichtig ist eine homogene Verteilung des Reduktionsmittels bei motornahen Abgasreinigungskonzepten. Aber auch in vielen Bereichen der chemischen Verfahrenstechnik spielen Mischereinrichtungen eine große Rolle.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente Mischereinrichtung zum Verteilen und Verdampfen einer in einen Gasstrom eingebrachten Flüssigkeit zu schaffen, mit der eine möglichst geringe Gegendruckerhöhung einher geht. Die Mischereinrichtung soll überdies einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Eine erfindungsgemäße Mischereinrichtung umfasst eine von dem Gasstrom durchströmbare Mischkammer, ein wenigstens teilweise – bevorzugt vollständig – in der Mischkammer angeordnetes Überströmrohr, das eine Mantelfläche sowie ein erstes und ein zweites Rohrende aufweist, und wenigstens einen dem ersten Rohrende des Überströmrohrs zugeordneten Injektor zum Einspritzen der Flüssigkeit in das Überströmrohr. Die Mantelfläche des Überströmrohrs schirmt den Einspritzbereich zumindest teilweise ab und minimiert so unerwünschte Verwehungen des Sprühkegels. Da das Überströmrohr zumindest abschnittsweise von außen mit Abgas umströmt wird, ist dessen Oberfläche vergleichsweise heiß. An der heißen Oberfläche werden auftreffende Flüssigkeitstropfen verdampft.
Der Injektor ist insbesondere im Bereich des stromaufwärtigen Rohrendes des Überströmrohrs angeordnet, so dass im Wesentlichen die gesamte Mantelfläche zum Schutz gegen Verwehungen und zur Verdampfungsförderung genutzt wird. Weiterhin kann eine durch den Injektor definierte Haupteinpritzrichtung zumindest im Wesentlichen parallel oder leicht schräg zur Mittelachse des Überströmrohrs verlaufen. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Haupteinpritzrichtung mit der Mittelachse des Überströmrohrs zusammenfällt. Das heißt der Injektor kann für ein axiales Einspritzen in das Überströmrohr ausgelegt sein. Unter der Haupteinspritzrichtung kann beispielsweise die Kegelachse eines Einspritzkegels zu verstehen sein. Es ist bevorzugt, dass die gesamte Flüssigkeit in das Überströmrohr injizierbar ist.
Der Begriff "Rohr" ist in Zusammenhang mit dem Überströmrohr breit zu verstehen und soll einen beliebigen offenen Hohlkörper bezeichnen, der nicht notwendigerweise einen runden Querschnitt aufweist.
Die Mischkammer kann das Überströmrohr vollständig umschließen. Alternativ kann das Überströmrohr auch teilweise aus der Mischkammer herausgeführt sein oder aus dieser herausragen.
Die Erfindung sieht vor, dass die Mantelfläche des Überströmrohrs wenigstens eine Einströmöffnung aufweist, durch welche Gas für eine nachfolgende Vermischung mit dem eingespritzten Fluid aus der Mischkammer in das Überströmrohr einströmen kann, und dass das Überströmrohr derart ausgebildet ist, dass in dessen Innerem dem einströmenden Gas zwei gegensinnige Drallkomponenten aufprägbar sind. Es hat sich gezeigt, dass ein durch zwei gegensinnige Drallkomponenten gebildeter Doppeldrall im Überströmrohr eine besonders gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit ermöglicht. Das Überströmrohr kann auch derart ausgebildet sein, dass in dessen Innerem dem einströmenden Gas drei oder mehr verschiedene Drallkomponenten aufprägbar sind. Das heißt es kann zum Beispiel die Erzeugung eines Vierfachdralls anstelle eines Doppeldralls vorgesehen sein, wobei vorzugsweise jeweils benachbarte Drallkomponenten gegensinnig sind.
Es kann vorgesehen sein, dass sich ein durch den Injektor definierter Einspritzbereich zumindest im Wesentlichen vollständig innerhalb des Überströmrohrs befindet. Dies ermöglicht einen besonders guten Schutz vor Sprayverwehungen.
Es ist bevorzugt, dass ein Gaseinlass der Mischereinrichtung der Mischkammer zugeordnet ist. Durch den Gaseinlass kann das Gas in die Mischkammer einströmen und gegebenenfalls das Überströmrohr anströmen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung definiert ein Gaseinlass der Mischereinrichtung eine rechtwinklig oder schräg zur Mittelachse des Überströmrohrs verlaufende Einströmungsrichtung.
Insbesondere kann die Mantelfläche des Überströmrohrs einen von dem durch den Gaseinlass einströmenden Gasstrom direkt anströmbaren Abschnitt aufweisen.
Die Mantelfläche des Überströmrohrs kann zum Erzeugen und/oder Verstärken der gegensinnigen Drallkomponenten wenigstens zwei Einströmöffnungen aufweisen, die insbesondere von dem durch den Gaseinlass einströmenden Gasstrom nicht direkt – also insbesondere nicht senkrecht – anströmbar sind und die beidseits des direkt anströmbaren Abschnitts der Mantelfläche angeordnet sind. Es ist also bevorzugt, dass die wenigstens zwei Einströmöffnungen vom Gaseinlass aus nicht frontal oder zumindest nicht auf ganzer Fläche frontal anströmbar sind und somit eine wenigstens teilweise Umlenkung des durch sie hindurchströmenden Gases mit entsprechender Drallerzeugung bewirken. Bevorzugt ist hierbei, dass der von dem Gaseinlass aus frontal anströmbare Bereich der Mantelfläche des Überströmrohrs ohne Öffnungen (unterbrechungsfrei) ausgeführt ist. Dadurch ergibt sich eine Verzweigung des Stroms in zwei Teilströme und eine Führung dieser Teilströme zu den seitlichen Einströmöffnungen. Außerdem ist der Einspritzbereich des Injektors auf diese Weise zur Eintrittsöffnung der Mischkammer hin effektiv abgeschirmt.
Die Einströmöffnungen können bezüglich einer durch den Gaseinlass der Mischereinrichtung definierten Haupteinströmrichtung seitlich versetzt und/oder bezüglich einer Mittelebene des Überströmrohrs gegenüberliegend angeordnet sein. Dies bewirkt eine besonders effiziente Erzeugung eines Doppeldralls.
Das zweite Rohrende des Überströmrohrs kann ein Gasauslass der Mischereinrichtung sein. Der Gasauslass ist hierbei bevorzugt als einziger Auslass der Mischkammer vorgesehen. Das heißt es ist bevorzugt, dass im Wesentlichen das gesamte, die Mischkammer durchströmende Gas auch durch das Überströmrohr strömt. Prinzipiell könnte jedoch auch ein Bypass vorgesehen sein, durch den ein (kleiner) Teil des Gasstroms direkt aus der Mischkammer strömen kann, ohne das Überströmrohr zu passieren.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Überströmrohr zum Erzeugen und/oder Verstärken der gegensinnigen Drallkomponenten zwei unterschiedlich drallerzeugende Innenwandabschnitte aufweist. Die Innenwandabschnitte können direkt in das Überströmrohr eingeformt sein oder als separate Elemente an der Innenwand des Überströmrohrs befestigt sein. Für eine besonders effektive Drallerzeugung können die Innenwandabschnitte gebogen sein. Das Überströmrohr kann auch mehr als zwei unterschiedlich drallerzeugende Innenwandabschnitte aufweisen.
Gemäß einer Ausgestaltung sind die zwei unterschiedlich drallerzeugenden Innenwandabschnitte durch seitliche Bereiche einer in das Überströmrohr hineinragenden Wölbung gebildet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Konstruktion.
Das Überströmrohr kann zum Erzeugen und/oder Verstärken der gegensinnigen Drallkomponenten zumindest abschnittsweise einen nierenförmigen Querschnitt und/oder einen Querschnitt in Form einer liegenden Acht aufweisen. In den beiden benachbarten Ausbeulungen oder Ausbuchtungen eines solchen Überströmrohrs können sich die gegensätzlichen Drallkomponenten bilden.
An der wenigstens einen Einströmöffnung des Überströmrohrs kann wenigstens eine, vorzugsweise gekrümmte Leitschaufel angeordnet sein, welche dem in das Überströmrohr einströmenden Gas eine tangentiale Strömungskomponente aufprägt. Durch entsprechende Dimensionierung und Formgebung der Leitschaufel kann die Drallerzeugung in gewünschter Weise angepasst werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Leitschaufel einstückig mit dem Überströmrohr ausgebildet ist und vorzugsweise durch ein aus der Mantelfläche des Überströmrohrs herausgeklapptes Flächenstück gebildet ist. Dies spart Herstellungs- und Montagekosten.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Ausrichtung und/oder die Krümmung der wenigstens einen Leitschaufel in axialer Richtung des Überströmrohrs gesehen variiert. Die gewünschte Drallbildung kann dadurch weiter verbessert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Mantelfläche des Überströmrohrs wenigstens zwei Einströmöffnungen mit jeweiligen Leitschaufeln auf, wobei die Leitschaufeln zum Erzeugen und/oder Verstärken der gegensinnigen Drallkomponenten dem in das Überströmrohr einströmenden Gas richtungsmäßig unterschiedliche tangentiale Strömungskomponenten aufprägen. Dadurch wird ein besonders ausgeprägter Doppeldrall erzeugt, der eine hohe Gleichverteilung der eingespritzten Flüssigkeit bewirkt.
Das Innere des Überströmrohrs kann zum Erzeugen und/oder Verstärken von wenigstens vier verschiedenen Drallkomponenten zumindest abschnittsweise in wenigstens zwei separate Strömbereiche aufgeteilt sein, in denen jeweils dem einströmenden Gas zwei gegensinnige Drallkomponenten aufprägbar sind. Der Turbulenzgrad kann hierdurch weiter gesteigert werden. Die Aufteilung kann insbesondere symmetrisch sein. Das Aufprägen gegensinniger Drallkomponenten in einem der Strömbereiche für sich betrachtet kann dabei je nach Anwendung durch Formgebung der Innenwand und/oder mittels Leitschaufeln erfolgen, wie dies vorstehend in Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen beschrieben wurde.
Bevorzugt sind die Strömbereiche durch wenigstens ein in dem Überströmrohr angeordnetes und sich entlang eines axialen Abschnitts desselben erstreckendes Wandelement voneinander getrennt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Aufteilung des Inneren des Überströmrohrs in separate Strömbereiche. Dadurch dass die Trennung durch das Wandelement lediglich abschnittsweise gegeben ist, können sich die entsprechenden Teilströme nach der Drallerzeugung wieder miteinander vermischen.
Das Wandelement kann als ebene Platte, vorzugsweise aus Blech, ausgebildet sein. Alternativ kann das Wandelement zur Strömungsoptimierung zumindest abschnittsweise gekrümmt sein und/oder Auswölbungen aufweisen. Das Wandelement muss auch nicht nur ein einfaches Blech sein, sondern kann bei Bedarf auch einen komplexeren Aufbau und/oder eine komplexere Form aufweisen.
Das Überströmrohr kann zumindest abschnittsweise einen ovalen oder abgerundet eckigen Querschnitt aufweisen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Querschnittsform und/oder die Querschnittsfläche des Überströmrohrs und/oder der Mischkammer in axialer Richtung des Überströmrohrs gesehen variiert. Beispielsweise kann eine Formänderung von rund auf oval oder umgekehrt, von einer liegenden Acht auf oval oder umgekehrt oder von einer liegenden Acht auf rund oder umgekehrt erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann sich das Überströmrohr in Einspritzrichtung gesehen erweitern oder verjüngen. Spezielle Ausgestaltungen sehen eine konische Erweiterung oder Verjüngung vor. Auch eine trompetenförmige Erweiterung oder Verjüngung kann vorgesehen sein. Der Form- und Größenverlauf des Überströmrohrs kann im Einzelnen an die Bauraumvorgaben, an die Eigenschaften des Flüssigkeitsstrahls sowie an die Strömungsverhältnisse angepasst sein.
Es kann auch vorgesehen sein, dass sich die wenigstens eine Einströmöffnung des Überströmrohrs in axialer Richtung vergrößert oder verkleinert. Dies ermöglicht eine weitere Anpassung der Drall- und Verwirbelungsbildung.
An der Innenseite der Mantelfläche kann wenigstens ein Stromführungselement angeordnet sein, das sich in axialer Richtung und in Umfangsrichtung des Überströmrohrs erstreckt. Insbesondere kann das wenigstens eine Stromführungselement zumindest abschnittsweise schraubenförmig sein. Ein solches Stromführungselement erzeugt einen Drall mit axialer Komponente, der die Flüssigkeitsverteilung weiter verbessert. Das Stromführungselement kann insbesondere wenigstens abschnittsweise schräg zur Längserstreckung des Überströmrohrs verlaufen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im Bereich einer Einströmöffnung des Überströmrohrs eine Anordnung aus mehreren sich quer zur Mittelachse des Überströmrohrs erstreckenden, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden, Leitelementen angeordnet ist. Sie erstrecken sich bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zur Haupteinspritzrichtung des Injektors, können jedoch bei Bedarf auch bezüglich der Haupteinspritzrichtung angestellt sein, um die Verdampfung der eingespritzen Flüssigkeit zu unterstützen und die Strömung in dem Überströmrohr in der gewünschten Weise zu beeinflussen. Vorzugsweise sind wenigstens fünf solcher Leitelemente vorgesehen. Die Leitelemente können plattenartig ausgeführt sein und/oder eine lamellenartige Struktur ähnlich einer Jalousie bilden. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Struktur – gerade in Verbindung mit einem im Überströmrohr erzeugten Doppeldrall – die Verteilung der Flüssigkeit weiter verbessert. Insbesondere ist eine Verstärkung des zuvor erzeugten Doppeldralls möglich. Je nach Anwendung können die Leitelemente eine ebene oder eine gekrümmte Form aufweisen.
Vorzugsweise sind die Leitelemente im Bereich einer Einströmöffnung angeordnet, die einem Gaseinlass der Mischereinrichtung abgewandt ist. Die Leitelemente werden bei dieser Ausgestaltung nicht direkt angeströmt. Dies hat sich im Hinblick auf die Mischleistung als besonders günstig erwiesen. Die Leitelemente können in regelmäßigem oder in unregelmäßigem Abstand zueinander angeordnet sein und je nach Anwendung gleich groß oder unterschiedlich groß sein. Die Form kann ebenfalls gleich oder verschieden sein. Die Anordnung, Form und Größe der Leitelemente kann derart gewählt sein, dass einer Filmbildung auf den Leitelementen möglichst effektiv entgegengewirkt wird.
Die Leitelemente – nicht zwingend alle – können zumindest eine Aussparung aufweisen, deren Form und Größe in Abhängigkeit von einer gewünschten Flächenbeaufschlagungsdichte gewählt sein kann. Beispielsweise ist die Aussparung ein Loch.
Die Umrandung wenigstens einer der Aussparungen kann einen sich in axialer Richtung erstreckenden hülsenartigen Abschnitt aufweisen. Dadurch kann die Teilströmung des Einspritzbereichs besser ausgerichtet werden und der Einspritzkegel wird geschützt.
Die Leitelemente können durch ausgeklappte Wandabschnitte eines Rohrelements gebildet sein. Die nicht ausgeklappten Wandabschnitte des Rohrelements bilden bei dieser besonders einfach herstellbaren Ausführungsform hülsenartige Abschnitte.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Leitelemente durch die Einströmöffnung hindurch in das Überströmrohr hineinragen, vorzugsweise unterschiedlich weit. Die Gleichverteilung der Flüssigkeit kann hierdurch weiter verbessert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass ein zur Schaffung separater Strömbereiche in dem Überströmrohr angeordnetes Wandelement die Anordnung aus Leitelementen durchsetzt.
Das erste Rohrende des Überströmrohrs kann im Wesentlichen gasdicht mit einer Innenwand der Mischkammer verbunden sein, um so den Einspritzbereich auch in seinem injektornahen Abschnitt zu ummanteln und dadurch zu schützen.
Alternativ kann das erste Rohrende des Überströmrohrs zumindest abschnittsweise von einer Innenwand der Mischkammer beabstandet sein. Dies ermöglicht ein Hinterströmen oder Hinterspülen der Düse des Injektors und wirkt der unerwünschten Bildung von Ablagerungen entgegen. Durch die (abschnittsweise) Beabstandung des ersten Rohrendes von der Innenwand der Mischkammer ergibt sich beispielsweise ein zumindest teilweise ausgebildeter Ringspalt, der einen Gaseintritt am ersten Rohrende ermöglicht und so einen Bypass der Einströmöffnungen schafft. Anstelle eines Spalts können auch separate Öffnungen im Bereich des ersten Rohrendes vorgesehen sein.
Eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erste Rohrende des Überströmrohrs zumindest abschnittsweise von einer Hülse umgeben ist, die mit zumindest einer Öffnung versehen ist. Eine solche Hülse wirkt als Drosselelement und unterstützt eine Homogenisierung des Gasdrucks im Bereich des Ringspalts und/oder der Bypassöffnung(en), um die Hinterspülung der Düse des Injektors zu optimieren.
Das erste Rohrende des Überströmrohrs kann eine Aufweitung aufweisen, die insbesondere eine konische, trompetenartige oder tulpenartige Form aufweist. Eine solche Aufweitung wirkt als Diffusor. Es kann vorgesehen sein, dass sich die Aufweitung an eine Verengung anschließt.
Im Bereich des ersten Rohrendes des Überströmrohrs kann ein sich in radialer Richtung erstreckendes Trennblech vorgesehen sein, um einen Anströmbereich der Hülse von einem Anströmbereich des restlichen Überströmrohrs zu trennen.
Gemäß einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung münden die Mischkammer und/oder das Überströmrohr in ein Zwischenrohr, in dem wenigstens ein die Strömung abschnittsweise behinderndes oder blockierendes Störstellenelement angeordnet ist. Bei dem Störstellenelement kann es sich insbesondere um ein plattenförmiges Element handeln, das sich quer oder schräg zur Strömungsrichtung erstreckt. Vorzugsweise ist das wenigstens eine Störstellenelement in einer Zone des Zwischenrohrs angeordnet, in der eine vergleichsweise geringe Strömungsgeschwindigkeit herrscht. Das Störstellenelement zwingt das dort vergleichsweise ruhig strömende Gas wieder in den Strömungswirbel/in die Drallströmung, wodurch die Homogenisierung des Gasstroms verbessert wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Abgassystem mit einer ersten Abgasreinigungseinrichtung, insbesondere mit einem Oxidationskatalysator, und einer stromabwärts der ersten Abgasreinigungseinrichtung angeordneten zweiten Abgasreinigungseinrichtung, insbesondere einem Reduktionskatalysator.
Erfindungsgemäß ist eine wie vorstehend beschriebene Mischereinrichtung in Strömungsrichtung des Abgases zwischen den beiden Abgasreinigungseinrichtungen angeordnet.
Die Mischereinrichtung kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass das Überströmrohr im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse der ersten Abgasreinigungseinrichtung angeordnet ist. Das Überströmrohr kann also beispielsweise quer zum Oxidationskatalysator angeordnet sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht ein direktes Anströmen des Überströmrohrs ohne wesentliche Umlenkung des aus der ersten Abgaseinrichtung austretenden Abgasstroms.
Alternativ kann die Mischereinrichtung derart angeordnet und ausgebildet sein, dass das Überströmrohr schräg zu einer Längsachse der ersten Abgasreinigungseinrichtung angeordnet ist, insbesondere wobei das Überströmrohr eine trompetenartige Form aufweist. Eine solche schräge Längsanordnung kann bei bestimmten Bauraumvorgaben günstig sein.
Es kann ein Abschlusselement vorgesehen sein, das eine sich zwischen der Mantelfläche des Überströmrohrs und einer Innenwand der Mischkammer erstreckende Wand umfasst, welche das von der ersten Abgasreinigungseinrichtung in die Mischereinrichtung gelangende Gas zwingt, im Wesentlichen vollständig durch das Überströmrohr zu strömen.
Weiterbildungen der Erfindung sind auch in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Mischereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Seitenansicht.
2 ist eine Schnittansicht der Mischereinrichtung gemäß 1.
3 ist eine aufgeschnittene Perspektivdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
4 ist eine teilweise transparente Perspektivdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
5 ist eine teilweise transparente Perspektivdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt die Anordnung gemäß 5 von der Gasauslassseite.
7 ist eine nicht transparente Perspektivdarstellung der in 5 gezeigten Anordnung.
8 zeigt das Überströmrohr der in 5 gezeigten Anordnung.
9 ist eine teilweise transparente Perspektivdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
10 ist eine nicht transparente Perspektivdarstellung der in 9 gezeigten Anordnung.
11 zeigt ein Überströmrohr der in 9 gezeigten Anordnung.
12 zeigt verschiedene Ansichten einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
13 zeigt verschiedene Ansichten einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
14 zeigt verschiedene Varianten eines Abgasstrangs, in die jeweils eine erfindungsgemäße Mischereinrichtung integriert ist.
15 ist eine Seitenansicht einer Mischereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
16 zeigt verschiedene Ansichten eines Überströmrohrs der in 15 gezeigten Mischereinrichtung.
17 zeigt eine weitere Ansicht des in 16 gezeigten Überströmrohrs.
18 zeigt eine weitere Ansicht des in 16 gezeigten Überströmrohrs.
19 zeigt eine weitere Ansicht des in 16 gezeigten Überströmrohrs.
20 zeigt eine erfindungsgemäße Mischereinrichtung mit axialem Einspritzkegel.
21 zeigt eine erfindungsgemäße Mischereinrichtung mit schrägem Einspritzkegel.
22 ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
23 zeigt die Anordnung gemäß 22 schräg von hinten.
24 zeigt verschiedene Ansichten einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
25 ist eine transparente Perspektivdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
26 ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
27 zeigt beispielhafte Querschnittsformen eines Überströmrohrs einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung.
28 ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
29 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung, welche ein Überströmrohr umfasst, das zum Erzeugen von vier verschiedenen Drallkomponenten ausgebildet ist.
30 ist eine teilweise transparente Seitenansicht der in 29 gezeigten Mischereinrichtung.
31 ist eine teilweise transparente Draufsicht auf die in 29 gezeigte Mischereinrichtung.
32 zeigt die Anordnung gemäß 31 schräg von unten.
33 ist eine weitere Schnittansicht der in 29 dargestellten Mischereinrichtung.
34 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung, die ähnlich wie die Mischereinrichtung gemäß 29 gestaltet ist, aber ein modifiziertes Wandelement zum Trennen von Strömbereichen aufweist.
35 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung, die ein Wandelement mit Auswölbungen aufweist.
36 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung, welche Leitplatten mit hülsenartigen Abschnitten (Durchzügen) aufweist.
37 ist eine Längsschnittansicht eines Rohrelements, das zur Anordnung in einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung vorgesehen ist.
38 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung.
39 zeigt einen Querschnitt durch ein Zwischenrohr einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung.
Erfindungsgemäß ist eine in einen Abgasstrang 10, der zumindest eine Abgasreinigungseinrichtung 12, 12' aufweist, eingebundene Mischereinrichtung 13, 13' (siehe z.B. 1 und 2 bzw. 3 und 4) vorgesehen. Die Mischereinrichtungen 13, 13' umfassen jeweils eine Kammer 14, in der ein Überströmrohr 16 angeordnet ist. Mit Hilfe eines Injektors 18 wird ein Reduktionsmittel in axialer Richtung – insbesondere achsmittig – in das Überströmrohr 16 eingesprüht (Spraykegel 19, siehe z.B. 3). Dessen Oberfläche ist vergleichsweise heiß, da es von außen mit Abgas umströmt wird. An seiner Oberfläche wird daher Reduktionsmittel verdampft, das mit ihm in Kontakt kommt.
Das in die Kammer 14 einströmende und das Rohr 16 umströmende Abgas (Abgasstrom A) kann in der gezeigten Ausführungsform den Spraykegel 19 nicht direkt anströmen. Das Überströmrohr 16 weist Öffnungen 20 auf, durch die das Abgas seitlich in das Rohr 16 einströmen kann. D.h. die Öffnungen 20 ermöglichen einen Eintritt des Gases in radialer Richtung.
Bevorzugt – aber nicht zwingend erforderlich – sind Leitschaufeln 22 vorgesehen, die dem in das Rohr 16 einströmenden Abgas eine tangentiale Strömungskomponente aufprägen (siehe Strömungen B), beispielsweise durch eine gekrümmte Formgebung der Schaufeln 22. D.h. durch diese Maßnahme wird verhindert, dass durch die mit einer Leitschaufel 22 versehene Öffnung 20 ein rein radialer Abgasstrom in das Rohr 16 einströmt. Beispielsweise sind die Schaufeln 22 einstückig mit dem Rohr 16 ausgebildet.
Bei der Mischereinrichtung 13' gemäß den 3 und 4 sind in der oberen Öffnung 22 mehrere parallele und im Wesentlichen ebene Platten 24 angeordnet, die in das Innere des Rohrs 16 ragen. Die strömungsleitenden Platten 24 bilden – bildlich gesprochen – eine Art "Jalousie". Zum Teil werden die Platten 24 – insbesondere die dem Injektor 18 zugewandten Platten 24 – teilweise direkt von dem Kegel 19 beaufschlagt, so dass hier auch eine Verdampfung von Reduktionsmitteltröpfchen an der jeweiligen Plattenoberfläche erfolgen kann. Durch eine geeignete Positionierung und Formgebung der Platten 24 kann dieser Effekt bedarfsgerecht beeinflusst oder vermieden werden.
Es können auch von den Öffnungen 20 unabhängig angeordnete Strömungsleitelemente vorgesehen sein. Bei der Mischereinrichtung 13 sind dies bogen- oder wellenförmig gekrümmte Abschnitte 26, 26' an der Ober- bzw. Unterseite des Rohrs 16 (die Abschnitte 26, 26' können auch separate Einsätze sein). In einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Rohrs 16 geben die Abschnitte 26, 26' – bildlich gesprochen – dem ansonsten in etwa oval geformten Rohr 16 zumindest abschnittsweise eine Form einer "liegenden 8". Sie unterstützen die Bildung von gegenläufigen Drallströmungen C des Abgases im Inneren des Rohrs 16, die zu einer besonders homogenen Verteilung des eingesprühten Reduktionsmittels führen.
Bei den beschriebenen Mischereinrichtungen 13, 13' weist jeweils die Kammer 14 eine Eintrittsöffnung 28 auf, die eine seitliche Anströmung des Überströmrohrs 16 ermöglicht. Dabei entspricht die Geometrie der Öffnung 28 der der Abgasreinigungseinrichtung 12' (z.B. ein Oxidationskatalysator), um diese nahe an der Kammer 14 positionieren zu können. Eine Austrittsöffnung 30 der Kammer 14 ist koaxial zu dem Rohr 16 angeordnet. Über ein Zwischenrohr 11 ist sie mit der Einrichtung 12 (z.B. ein Reduktionskatalysator) verbunden.
5 zeigt die Mischereinrichtung 13 mit einer teilweise transparent dargestellten Kammer 14. Das Rohr 16 ist einstückig ausgebildet. Ein stromabwärtiges Ende 30' des Rohrs 16 passt genau in die Öffnung 30 der Kammer 14, so dass im Wesentlichen das gesamte Abgas durch das Rohr 16 strömen muss, bevor es die Kammer 14 verlassen kann. Ein Bypass kann bei Bedarf jedoch vorgesehen sein.
Ein stromaufwärtiges Ende 30'' ist im Wesentlichen gasdicht mit der Wand der Kammer 14 verbunden, so dass der Kegel 19 nicht direkt von Abgas angeströmt werden kann. Ein Bypass kann bei Bedarf jedoch vorgesehen sein (siehe z.B. 9).
6 ermöglicht einen axialen Blick durch die Öffnung 30 in das Rohr 16, wodurch erkennbar ist, dass die Schaufeln 22 aus der Wandung des Rohrs 16 geschnittene und nach innen geklappte, gekrümmte Elemente sind.
7 zeigt die Einrichtung 13 mit intransparenter Kammer 14.
8 zeigt das Rohr 16 alleine.
9 zeigt die Mischereinrichtung 13' mit einer teilweise transparent dargestellten Kammer 14. Das Rohr 16 ist nicht einstückig ausgebildet, da in die obere Öffnung 20 die separat geformten Platten 24 eingesetzt sind. Die Platten 24 können auch nicht äquidistant zueinander und/oder schräg angeordnet sein.
Das stromabwärtige Ende 30' des Rohrs 16 passt – wie bei der Einrichtung 13 – genau in die Öffnung 30 der Kammer 14, so dass im Wesentlichen das gesamte Abgas durch das Rohr 16 strömen muss, bevor es die Kammer 14 verlassen kann. Ein Bypass kann bei Bedarf jedoch vorgesehen sein.
Das stromaufwärtige Ende 30'' ist nicht gasdicht mit der Wand der Kammer 14 verbunden, da Ausnehmungen 32 vorgesehen sind.
10 zeigt die Einrichtung 13' mit intransparenter Kammer 14.
11 zeigt das Rohr 16 alleine. Es ist daher gut zu erkennen, dass die Schaufeln 22 hier nur stummelartige Ansätze sind, die jeweils einen kurzen planaren Abschnitt 34 aufweisen, der schräg zu einer radialen Richtung in das Rohrinnere ragt. Es versteht sich, dass verschiedene Schaufelgeometrien zum Einsatz gelangen können, um die gewünschte Strömung in dem Rohr 16 zu erhalten. Dies bedeutet auch, dass zusätzliche Strömungsleitmittel vorgesehen sein können oder weg gelassen werden können (z.B. weist das Rohr 16 der Einrichtung 13' keine Abschnitte 26, 26' auf).
Die 12 und 13 zeigen jeweils mehrere Strichzeichnungen der Mischereinrichtung 13 bzw. 13' in verschiedenen Ansichten und Schnitten.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die anhand der Einrichtungen 13, 13' beschriebenen Einzelmaßnahmen bedarfsgerecht kombiniert werden können. So ist es beispielsweise denkbar, den Gedanken "Jalousie" und drallerzeugende Komponenten (z.B. gekrümmte Schaufeln 22 und Abschnitt 26') in einem Überströmrohr zu realisieren.
Erfindungsgemäß wurde ein Konzept entwickelt (beispielhaft beschrieben anhand der Einrichtungen 13, 13'), bei dem durch eine achsmittige Dosierung eines Reduktionsmittels in ein in einer Kammer angeordnetes Überströmrohr eine hohe Verweilzeit des eindosierten Sprays erzielt werden kann. Es sind Öffnungen vorgesehen, durch die das Gas in radialer Richtung – evtl. durch Strömungsleitmittel gelenkt – in das Rohr eintreten kann, bevor es mit Reduktionsmittel beaufschlagt/vermischt wird.
Durch das Überströmrohr kann gemäß einer Ausführungsform (z.B. Einrichtung 13) ein bedarfsgerecht einstellbarer Doppeldrall durch aus dem Rohr geklappte Schaufeln generiert werden. Dieser Drall bildet sich im Bereich des Überströmrohres aus und kann sowohl zur Generierung von Turbulenzen wie auch als Tropfenseparator verwendet werden. Durch die Anordnung können das beidseitig umströmte Rohr wie auch die Schaufeln als Verdampfungsfläche genutzt werden.
14 zeigt verschiedene Beispiele dafür, wie der Reduktionskatalysator 12 relativ zur Mischereinrichtung 13 angeordnet sein kann. Der Oxidationskatalysator 12' ist bei allen Beispielen rechtwinklig zum Überströmrohr 16 angeordnet.
Bei der in 15 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung 13'' weist das Überströmrohr 16' eine trompetenartige Form auf und ist schräg zu einer Längsachse L der Abgasreinigungseinrichtungen 12, 12' angeordnet. Ein Abschlusselement 40 erstreckt sich zwischen einer Mantelfläche 45 des Überströmrohrs 16' und einer Innenwand 46 der Kammer 14. Dadurch wird das von dem Oxidationskatalysator 12' in die Mischereinrichtung 13'' gelangende Gas gezwungen, im Wesentlichen vollständig durch das Überströmrohr 16' zu strömen.
Das trompetenförmige Überströmrohr 16' ist in den 16–19 einzeln dargestellt. Es ist zu erkennen, dass spiral- oder schraubenförmige Stromführungselemente 47 an der Innenseite der Mantelfläche 45 angeordnet sind. Diese wirken drallverstärkend und erzeugen insbesondere eine axiale Drallkomponente. Die Mantelfläche 45 weist seitliche Öffnungen 20', 20'' auf. Eine der Öffnungen 20' erweitert sich in axialer Richtung, während sich die andere Öffnung 20'' in axialer Richtung verengt (17).
Insbesondere die 18 und 19 lassen erkennen, dass im Bereich der Öffnung 20" ein in das Innere des Rohrs 16' zurückversetzter Anströmabschnitt 48 vorgesehen ist. Dieser wird von dem Abgas direkt angeströmt und lenkt es in Spalten 20a", wodurch es in das Innere des Rohrs 16' gelangt. Die Spalten 20a" werden somit nicht frontal oder direkt von Abgas angeströmt. Die Anordnung und Ausbildung der Spalten 20a" unterstützt die Drallbildung des Abgases im Überströmrohr 16'.
Die im unteren Teil von 18 erkennbare, in das Überströmrohr 16' hineinragende Wölbung 49 wirkt ebenfalls drallverstärkend. Wie insbesondere in 19 zu erkennen ist, befindet sich am verengten Ende des trompetenförmigen Überströmrohrs 16' eine Erweiterung in Form einer Auftulpung 50.
Der Injektor 18 kann – wie in 20 gezeigt – derart angeordnet sein, dass sich der Spraykegel 19 parallel zur Längserstreckung des Überströmrohrs 16 erstreckt. Alternativ kann der Injektor 18 auch – wie in 21 gezeigt – derart angeordnet sein, dass sich der Spraykegel 19' schräg zur Längserstreckung des Überströmrohrs 16 erstreckt. Außerdem kann der Injektor 18 je nach Auslegung und Bedarf einen breiten Spraykegel 19 (20) oder einen schmalen Spraykegel 19' (21) erzeugen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 22 und 23 ist eine mit Löchern 54 versehene Hülse 55 vorgesehen, welche den Bereich des stromaufwärtigen Rohrendes 30'' des Überströmrohrs 16 umgibt und ein Drosselelement zur Homogenisierung des Gasdrucks bildet. Dadurch wird eine gleichmäßige Hinterspülung der Düse des Injektors 18 bewirkt, wodurch die Bildung nachteiliger Ablagerungen verhindert wird. Auch bei der in den 22 und 23 gezeigten Variante ist eine Auftulpung 50 am stromaufwärtigen Rohrende 30'' des Überströmrohrs 16 vorgesehen. Diese ist hier von der Hülse 55 umgeben. Neben der Hülse 55 befindet sich ein radial verlaufendes Trennblech 57, das einen Anströmbereich der Hülse 55 von einem Anströmbereich des restlichen Überströmrohrs 16 trennt.
Anstelle der ebenen Platten 24 können auch – wie in 24 gezeigt – gekrümmte Platten 64 vorgesehen sein. Diese können – wie im oberen Teil von 24 dargestellt – in Einspritzrichtung gekrümmt sein oder – wie im unteren Teil von 24 dargestellt – entgegen der Einspritzrichtung. Es könnten auch sowohl in Einspritzrichtung gekrümmte als auch entgegen der Einspritzrichtung gekrümmte Platten 64 vorgesehen sein. Ferner können die Platten 64 auch eine radiale Krümmungskomponente aufweisen.
In 25 ist eine Ausführungsform mit ebenen Platten 74 dargestellt, welche zur Optimierung der Drallerzeugung und zur Vermeidung einer Filmbildung an ihren unteren Rändern mit Aussparungen 75 versehen sind. Die Form und Größe der Aussparungen 75 kann an die jeweilige Anwendung angepasst sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass lediglich einige der Platten 74 mit Aussparungen versehen sind.
Die Platten 24 können auch unterschiedlich groß sein und demgemäß unterschiedlich weit in das Überströmrohr 16 hineinragen. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 26 gezeigt.
In Abhängigkeit von Bauraumbeschränkungen, der Form des Spraykegels 19, 19' sowie der Strömungsverhältnisse kann die Querschnittsform des Überströmrohrs 16, 16' unterschiedlich gewählt sein, beispielsweise rund, oval, abgerundet oder in Form einer liegenden Acht. Auch Kombinationen oder Abwandlungen dieser Formen können in bestimmten Anwendungen von Vorteil sein. D. h. die Querschnittsgeometrie des Rohrs 16 kann in axialer Richtung variieren. Zwei Ausführungsbeispiele sind in 27 dargestellt.
Bei der in 28 gezeigten Ausführungsform erweitert sich das Überströmrohr 16'' in Einspritzrichtung gesehen trompetenförmig. Es könnte auch eine tulpenförmige Aufweitung vorgesehen sein.
Bei der in 29–33 gezeigten Ausführungsform ist ein Wandelement 85 in Form einer ebenen Blechplatte in dem Überströmrohr 16 angeordnet. Das Wandelement 85 erstreckt sich in axialer Richtung und teilt das Innere des Überströmrohrs 16 in zwei separate Strömbereiche 81, 82 auf. Wie in 29 erkennbar ist, wird das seitlich durch die Öffnungen 20 in das Überströmrohr 16 einströmende Abgas durch das Wandelement 85 jeweils in zwei Teilströme B (im Bild jeweils in einen oberen und einen unteren Teilstrom B) aufgeteilt, welchen ein gegensinniger Drall verliehen wird. Die beiden Teilströme B des jeweiligen Strömbereichs 81, 82 weisen ebenfalls gegensinnige Drallkomponenten auf. Daher sind in dem Überströmrohr 16 insgesamt vier verschiedene Drallkomponenten ausgebildet. Jeweils benachbarte Drallströmungen C sind gegensinnig. Die Drallbildung wird durch die gekrümmten Leitschaufeln 22 unterstützt.
In 30 ist zu erkennen, dass das Wandelement 85 eine Anordnung aus ebenen Platten 84 durchsetzt. Die Platten 84 erstrecken sich durch das Überströmrohr 16 und ragen – wie in 31 erkennbar – beidseitig aus diesem heraus. Ein Teil der Platten 84 ist mit zentralen Aussparungen 90 versehen, wie aus den 32 und 33 hervorgeht. Die Fläche der im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen kreisförmigen oder lochartigen Aussparungen 90 (andere Formen sind denkbar, z.B. ovale Formen) nimmt mit zunehmendem Abstand von dem Injektor 18 ab. Die am weitesten von dem Injektor 18 angeordnete Platte 84 weist keine Aussparung 90 auf.
Das Wandelement 85 ist ferner mit einem Freischnitt 93 versehen, der hier konisch ist und den Rändern der Aussparungen 90 folgt.
Die Trennung der beiden Strömbereiche 81, 82 muss nicht unbedingt großflächig sein. Es kann ausreichend sein, die Strömbereiche 81, 82 lediglich innerhalb eines kleinen Bereichs oder innerhalb mehrerer kleiner Bereiche durch ein Wandelement 85' zu trennen, wie dies in 34 gezeigt ist. Das Wandelement 85' kann eine Aussparung aufweisen oder durch separate Elemente gebildet sein.
Weiterhin kann wie in 35 dargestellt ein Wandelement 85'' zur Trennung der Strömbereiche 81, 82 vorgesehen sein, das zur Strömungsoptimierung Auswölbungen 96 aufweist. Gekrümmte Abschnitte sind ebenfalls denkbar. Die Auswölbungen 96 unterstützen das Einströmen des Gases in das Rohr 16 und die Drallbildung.
Eine weitere, unabhängig von dem Wandelement 85'' realisierbare Besonderheit der in 35 dargestellten Ausführungsform besteht darin, dass die Mischkammer 14' das Überströmrohr 16 nicht vollständig umschließt. Vielmehr ist der im Bild obere Abschnitt des Überströmrohrs 16 aus der Mischkammer 14' herausgeführt. Der obere Abschnitt des Überströmrohrs 16 kann somit einen Abschnitt einer Außenwand der Mischereinrichtung bilden.
Bei der in 36 gezeigten Ausführungsform sind wie bei dem in 32 dargestellten Ausführungsbeispiel Platten 84 mit Aussparungen 90 vorgesehen. Wie dargestellt weisen die Umrandungen der Aussparungen 90 hier jedoch jeweilige axiale Durchzüge 97 (hülsenartige Abschnitte) auf, welche den Injektionskegel "schützen". Die Durchmesser der Aussparungen 90 nehmen mit zunehmendem Abstand von dem Injektor ab. So wird der Injektionskegel sukzessive "abgeschält", d.h. ein jeweils äußerer Teil des Kegels trifft auf die angestellten Platten 84 und wird dort verdampft oder prallt dort ab und erfährt eine Sekundärzerstäubung.
Bei den Platten 84 kann es sich auch um ausgeklappte Wandabschnitte eines Rohrelements 98 handeln. Eine solche Ausführungsform ist in 37 dargestellt.
Grundsätzlich ist es ausreichend, das Überströmrohr 16 wie in 38 gezeigt mit lediglich einer einzigen Öffnung 20 zu versehen, durch die das Gas einströmen kann. Die Mantelfläche 45 des Rohrs 16 ist dabei so geformt, dass automatisch eine Doppeldrallerzeugung stattfindet.
39 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Störstellenelement 95 in dem Zwischenrohr 11 angeordnet ist. Dieses behindert die Strömung abschnittsweise. Das Störstellenelement 95 ist hier als ebenes, sich quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Blech ausgeführt, wobei dies jedoch nicht zwingend ist. Beispielhaft ist es T-förmig ausgebildet. Wie anhand des durch Pfeile angegebenen Strömungsmusters erkennbar ist, befindet sich der Querbalken des des Störstellenelements 95 in einer Zone des Zwischenrohrs 11, in der ein eher ruhigeres Strömungsverhalten des Gases vorliegt. Das Element 95 zwingt das hier strömende Gas in turbulentere Bereiche, wodurch die Homogenisierung des Gasstroms verbessert wird.
Das erfindungsgemäße Konzept hat u. a. die folgenden Vorteile:

– Durch die Anordnung kann bei geringem Gegendruck ein sehr gleichmäßiges Einströmen des Abgases – z.B. vom "Diesel oxidation catalyst "(DOC) kommend – in das Überströmrohr erzielt werden. Hierdurch kann bereits eine sehr hohe Gas-Gleichverteilung in das Zwischenrohr zu einem nachfolgenden Filter erzielt werden. Als vorteilhaft erweist es sich, wenn das Überströmrohr ein vergleichsweise großes Volumen aufweist, was insbesondere durch eine Ovalisierung von dessen Querschnitt erreicht wird.
– Der Kegel des eingedüsten Sprays kann durch den erzeugten Drall aufgeweitet werden (z.B. bei der Einrichtung 13) und somit kann der vom Reduktionsmittel beaufschlagte Bereich vergrößert werden. Durch den hohen Verdampfungsgrad im Überströmrohr kann eine zusätzliche Verdampfungsstruktur vereinfacht oder weggelassen werden, was zu einer weiteren Gegendruckreduktion führt.
– Durch eine spezielle Ausführung mit zusätzlichen Elementen („Jalousie“, siehe z. B. Einrichtung 13') kann sowohl der sich ausbildende Drall, wie auch die Verdampfung weiterhin erhöht werden.

Bezugszeichenliste

10: Abgasstrang
11: Zwischenrohr
12, 12': Abgasreinigungseinrichtung
13, 13', 13'': Mischereinrichtung
14, 14': Kammer
16, 16', 16'': Überströmrohr
18: Injektor
19, 19': Spraykegel
20, 20', 20'': Öffnung
20a'': Spalt
22: Leitschaufel
24: ebene Platte
26, 26': Abschnitt
28: Öffnung
30: Austrittsöffnung
30': stromabwärtiges Ende
30'': stromaufwärtiges Ende
32: Ausnehmung
34: planarer Abschnitt
40: Abschlusselement
45: Mantelfläche
46: Innenwand
47: Stromführungselement
48: Anströmabschnitt
49: Wölbung
50: Auftulpung
54: Loch
55: Hülse
57: Trennblech
64: gekrümmte Platte
74: ebene Platte
75: Aussparung
81, 82: Strömbereich
84: ebene Platte
85, 85', 85'': Wandelement
90: Aussparung
93: Freischnitt
95: Störstellenelement
96: Auswölbung
97: Durchzug
98: Rohrelement
A: Abgasstrom
B: Strömung
C: Drallströmung
L: Längsachse

Claims

Mischereinrichtung (13, 13', 13'') zum Einbringen und Verteilen einer Flüssigkeit in einen Gasstrom, insbesondere zum Einbringen und Verteilen eines flüssigen Reduktionsmittels in einen Abgasstrom, mit einer von dem Gasstrom durchströmbaren Mischkammer (14, 14'), einem wenigstens teilweise in der Mischkammer (14, 14') angeordneten Überströmrohr (16, 16', 16''), das eine Mantelfläche (45) sowie ein erstes und ein zweites Rohrende (30', 30'') aufweist, und wenigstens einem dem ersten Rohrende (30'') des Überströmrohrs (16, 16', 16'') zugeordneten Injektor (18) zum Einspritzen der Flüssigkeit in das Überströmrohr (16, 16', 16''), wobei die Mantelfläche (45) des Überströmrohrs (16, 16', 16'') wenigstens eine Einströmöffnung (20, 20', 20'') aufweist, durch welche Gas für eine nachfolgende Vermischung mit dem eingespritzten Fluid aus der Mischkammer (14, 14') in das Überströmrohr (16, 16', 16'') einströmen kann, und wobei das Überströmrohr (16, 16', 16'') derart ausgebildet ist, dass in dessen Innerem dem einströmenden Gas zwei gegensinnige Drallkomponenten aufprägbar sind.
Mischereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein durch den Injektor (18) definierter Einspritzbereich (19, 19') zumindest im Wesentlichen vollständig innerhalb des Überströmrohrs (16, 16', 16'') befindet.
Mischereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaseinlass der Mischereinrichtung (13, 13', 13'' ) der Mischkammer (14, 14') zugeordnet ist.
Mischereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaseinlass der Mischereinrichtung (13, 13', 13'') eine rechtwinklig oder schräg zur Mittelachse des Überströmrohrs (16, 16', 16'') verlaufende Einströmungsrichtung definiert.
Mischereinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (45) des Überströmrohrs (16, 16', 16'') einen von dem durch den Gaseinlass einströmenden Gasstrom direkt anströmbaren Abschnitt aufweist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (45) des Überströmrohrs (16, 16', 16'') zum Erzeugen und/oder Verstärken der gegensinnigen Drallkomponenten wenigstens zwei Einströmöffnungen (20, 20', 20'') aufweist, die insbesondere von dem durch den Gaseinlass einströmenden Gasstrom nicht direkt anströmbar sind und die beidseits des direkt anströmbaren Abschnitts der Mantelfläche (45) angeordnet sind.
Mischereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnungen (20, 20', 20'') bezüglich einer durch den Gaseinlass der Mischereinrichtung (13, 13', 13'') definierten Haupteinströmrichtung seitlich versetzt und/oder bezüglich einer Mittelebene des Überströmrohrs (16, 16', 16'') gegenüberliegend angeordnet sind.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohrende (30') des Überströmrohrs (16, 16', 16'') ein Gasauslass der Mischereinrichtung (13, 13', 13'') ist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überströmrohr (16, 16', 16'') zum Erzeugen und/oder Verstärken der gegensinnigen Drallkomponenten zwei unterschiedlich drallerzeugende Innenwandabschnitte aufweist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei unterschiedlich drallerzeugenden Innenwandabschnitte durch seitliche Bereiche einer in das Überströmrohr (16, 16', 16'') hineinragenden Wölbung (49) gebildet sind.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überströmrohr (16, 16', 16'') zum Erzeugen und/oder Verstärken der gegensinnigen Drallkomponenten zumindest abschnittsweise einen nierenförmigen Querschnitt und/oder einen Querschnitt in Form einer liegenden Acht aufweist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der wenigstens einen Einströmöffnung (20, 20', 20'') des Überströmrohrs (16, 16', 16'') wenigstens eine, vorzugsweise gekrümmte, Leitschaufel (22) angeordnet ist, welche dem in das Überströmrohr (16, 16', 16'') einströmenden Gas eine tangentiale Strömungskomponente aufprägt.
Mischereinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Leitschaufel (22) einstückig mit dem Überströmrohr (16, 16', 16'') ausgebildet ist und vorzugsweise durch ein aus der Mantelfläche (45) des Überströmrohrs (16, 16', 16'') herausgeklapptes Flächenstück gebildet ist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung und/oder die Krümmung und/oder Fläche der wenigstens einen Leitschaufel (22) in axialer Richtung des Überströmrohrs (16, 16', 16'') gesehen variiert.
Mischereinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (45) des Überströmrohrs (16, 16', 16'') wenigstens zwei Einströmöffnungen (20, 20', 20'') mit jeweiligen Leitschaufeln (22) aufweist, wobei die Leitschaufeln (22) zum Erzeugen und/oder Verstärken der gegensinnigen Drallkomponenten dem in das Überströmrohr (16, 16', 16'') einströmenden Gas richtungsmäßig unterschiedliche tangentiale Strömungskomponenten aufprägen.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Überströmrohrs (16, 16', 16'') zum Erzeugen und/oder Verstärken von wenigstens vier verschiedenen Drallkomponenten zumindest abschnittsweise in wenigstens zwei separate Strömbereiche (81, 82) aufgeteilt ist, in denen jeweils dem einströmenden Gas zwei gegensinnige Drallkomponenten aufprägbar sind.
Mischereinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömbereiche (81, 82) durch wenigstens ein in dem Überströmrohr (16, 16', 16'') angeordnetes und sich entlang eines axialen Abschnitts desselben erstreckendes Wandelement (85, 85', 85'') voneinander getrennt sind.
Mischereinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandelement (85, 85') als ebene Platte ausgebildet ist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überströmrohr (16, 16', 16'') zumindest abschnittsweise einen ovalen oder abgerundet eckigen Querschnitt aufweist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform und/oder die Querschnittsfläche des Überströmrohrs (16, 16', 16'') und/oder der Mischkammer (14, 14') in axialer Richtung des Überströmrohrs (16, 16', 16'') gesehen variiert.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einströmöffnung (20, 20', 20'') des Überströmrohrs (16, 16', 16'') in axialer Richtung variiert.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite der Mantelfläche (45) wenigstens ein Stromführungselement (47) angeordnet ist, das sich in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung des Überströmrohrs (16, 16', 16'') erstreckt.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einströmöffnung (20) des Überströmrohrs (16, 16', 16'') eine Anordnung aus mehreren sich quer zur Mittelachse des Überströmrohrs (16, 16', 16'') erstreckenden, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden, Leitelementen (24, 64, 74, 84) angeordnet ist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (24, 64, 74, 84) im Bereich einer Einströmöffnung (20) angeordnet sind, die einem Gaseinlass der Mischereinrichtung (13, 13', 13'') abgewandt ist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Leitelemente (24, 64, 74, 84) zumindest eine Aussparung (75, 90) aufweist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrandung wenigstens einer der Aussparungen (75, 90) einen sich in axialer Richtung erstreckenden hülsenartigen Abschnitt (97) aufweist.
Mischereinrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (84) durch ausgeklappte Wandabschnitte eines Rohrelements (98) gebildet sind.
Mischereinrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (24, 64, 74, 84) durch die Einströmöffnung (20) hindurch in das Überströmrohr (16, 16', 16'') hineinragen, vorzugsweise unterschiedlich weit.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohrende (30'') des Überströmrohrs (16, 16', 16'') im Wesentlichen gasdicht mit einer Innenwand (46) der Mischkammer (14, 14') verbunden ist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohrende (30'') des Überströmrohrs (16, 16', 16'') zumindest abschnittsweise von einer Innenwand (46) der Mischkammer (14, 14') beabstandet ist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohrende (30'') des Überströmrohrs (16, 16', 16'') zumindest abschnittsweise von einer Hülse (55) umgeben ist, die mit zumindest einer Öffnung (54) versehen ist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des ersten Rohrendes (30'') des Überströmrohrs (16, 16', 16'') ein in radialer Richtung erstreckendes Trennblech (57) vorgesehen ist, um einen Anströmbereich der Hülse (55) von einem Anströmbereich des restlichen Überströmrohrs (16, 16', 16'') zu trennen.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohrende (30'') des Überströmrohrs (16, 16', 16'') eine Aufweitung (50) aufweist, die insbesondere eine konische, trompetenartige oder tulpenartige Form aufweist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (14, 14') und/oder das Überströmrohr (16, 16', 16'') in ein Zwischenrohr (11) münden, in dem wenigstens ein die Strömung abschnittsweise behinderndes oder blockierendes Störstellenelement (95) angeordnet ist.
Abgassystem (10) mit einer ersten Abgasreinigungseinrichtung (12'), insbesondere mit einem Oxidationskatalysator, und einer stromabwärts der ersten Abgasreinigungseinrichtung (12') angeordneten zweiten Abgasreinigungseinrichtung (12), insbesondere einem Reduktionskatalysator, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche gestaltete Mischereinrichtung (13, 13', 13'') in Strömungsrichtung des Abgases zwischen den beiden Abgasreinigungseinrichtungen (12, 12') angeordnet ist.
Abgassystem nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischereinrichtung (13, 13', 13'') derart angeordnet und ausgebildet ist, dass das Überströmrohr (16, 16', 16'') im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse (L) der ersten Abgasreinigungseinrichtung (12') angeordnet ist.
Abgassystem nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischereinrichtung (13'') derart angeordnet und ausgebildet ist, dass das Überströmrohr (16') schräg zu einer Längsachse (L) der ersten Abgasreinigungseinrichtung (12') angeordnet ist, insbesondere wobei das Überströmrohr (16') eine trompetenartige Form aufweist.
Abgassystem nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschlusselement (40) vorgesehen ist, das eine sich zwischen der Mantelfläche (45) des Überströmrohrs (16, 16', 16'') und einer Innenwand (46) der Mischkammer (14, 14') erstreckende Wand umfasst, welche das von der ersten Abgasreinigungseinrichtung (12') in die Mischereinrichtung (13, 13', 13'') gelangende Gas zwingt, im Wesentlichen vollständig durch das Überströmrohr (16, 16', 16'') zu strömen.