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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischereinrichtung zum Durchmischen eines Gasstroms, insbesondere zum Verteilen und Verdampfen eines in einen Gasstrom, insbesondere in einen Abgasstrom eingebrachten Fluids, beispielsweise einer Flüssigkeit.
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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 im Zusammenhang mit dem SCR-Verfahren, bei dem eine wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs eingebracht wird, zum Beispiel 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 Abgas entfernt werden.
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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.
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Um in effizientes Verteilen und Verdampfen der in dem Gasstrom eingebrachten Flüssigkeit sicherzustellen, ist in Strömungsrichtung hinter dem Einbringungspunkt der Flüssigkeit oftmals eine Mischereinrichtung vorgesehen. Obwohl herkömmliche Mischereinrichtungen in vielen Fällen einen akzeptablen Homogenisierungsgrad des Gasstroms bewirken, besteht weiterhin Bedarf nach effizienten Mischereinrichtungen, um eine möglichst vollständige und insbesondere schnelle 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.
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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.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente Mischereinrichtung zum Verteilen und Verdampfen eines in einen Gasstrom eingebrachten Fluids zu schaffen, mit der eine möglichst geringe Gegendruckerhöhung einhergeht. Die Mischereinrichtung soll überdies einfach und kostengünstig herstellbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch eine Mischereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist die Mischereinrichtung einen ersten statischen Mischer und einen stromabwärts des ersten Mischers angeordneten zweiten statischen Mischer auf. Der erste und der zweite Mischer weisen jeweils mehrere Mischerabschnitte auf, an deren jeweiligen stromaufwärtigen Enden nebeneinander liegende, wechselseitig gegenüber einer Hauptströmungsrichtung des Gasstroms angestellte Eingangsabschnitte und an deren stromabwärtigen Enden nebeneinander liegende, wechselseitig gegenüber der Hauptströmungsrichtung des Gasstroms angestellte Ausgangsabschnitte vorgesehen sind. In der Hauptströmungsrichtung hintereinander angeordnete Eingangsabschnitte und Ausgangsabschnitte der einzelnen Mischerabschnitte sind in entgegengesetzten Richtungen gegenüber der Hauptströmungsrichtung angestellt.
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Durch die zwei hintereinander angeordneten Mischer wird eine besonders gute Durchmischung des Gasstroms erreicht. Dazu trägt unter anderem die entgegengesetzte Anstellung der Eingangs- und Ausgangsabschnitte bei. Mit anderen Worten ist beispielsweise einem nach unten angestellten Eingangsabschnitt ein in Strömungsrichtung dahinter - d.h. stromabwärts - liegender Ausgangsabschnitt zugeordnet, der nach oben angestellt ist. Dies gilt natürlich sinngemäß für andere Arten der Anstellung. Gleichermaßen wird die Durchmischung des Gasstroms durch die wechselseitig unterschiedliche Anstellung benachbarter Abschnitte unterstützt. D.h. benachbarte Eingangs- bzw. Ausgangsabschnitte sind in unterschiedliche Richtungen angestellt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Uhren angegeben.
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Zwischen den Eingangsabschnitten und den jeweils zugeordneten Ausgangsabschnitten der Mischerabschnitte können Verbindungsabschnitte angeordnet sein. Die Verbindungsabschnitte können zur Führung des Gasstromes zwischen den Eingangs- und Ausgangsabschnitten dienen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Eingangsabschnitte und/oder die Ausgangsabschnitte und/oder die Verbindungsabschnitte im Wesentlichen eben oder planar ausgestaltet. Dies lässt sich herstellungstechnisch leicht umsetzen und bewirkt in den meisten Fällen eine hinreichend gute Durchmischung des Gasstroms.
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Insbesondere ist zumindest ein Teil (d.h. zumindest eine Teilmenge) der Eingangsabschnitte des ersten und/oder des zweiten Mischers parallel zueinander angeordnet. Gleiches kann für die Ausgangsabschnitte des ersten und/oder des zweiten Mischers gelten. Es ist aber auch durchaus denkbar, dass zumindest eine Teilmenge der, insbesondere alle Eingangs- und/oder Ausgangsabschnitte des ersten Mischers parallel zu einer Teilmenge der, insbesondere zu allen entsprechenden Abschnitten des zweiten Mischers angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Teil, d.h. eine Teilmenge, der Eingangsabschnitte des ersten und/oder des zweiten Mischers parallel zu dem jeweils zugeordneten Ausgangsabschnitt angeordnet.
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Bevorzugt sind die Eingangsabschnitte des ersten und/oder des zweiten Mischers um den gleichen Winkelbetrag gegenüber der Hauptströmungsrichtung angestellt. Alternativ oder zusätzlich können die Ausgangsabschnitte des ersten und/oder des zweiten Mischers um den gleichen Winkelbetrag gegenüber der Hauptströmungsrichtung angestellt sein. Der Winkelbetrag der Anstellung der Eingangsabschnitte und der Ausgangsabschnitte kann auch im Wesentlichen gleich sein. Dies kann für alle Eingangs- und Ausgangsabschnitte gelten oder für Teilmengen der genannten Abschnitte.
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Beispielsweise liegt der Winkelbetrag der Anstellung der Eingangsabschnitte und/oder der Ausgangsabschnitte des ersten und/oder des zweiten Mischers bezogen auf die Hauptströmungsrichtung in einem Bereich von 30° bis 60°, insbesondere in einem Bereich von 40° bis 50°, bevorzugt im Wesentlichen 45° +/- 2°. Ein entsprechender Winkelbetragsbereich hat sich als vorteilhaft erwiesen, da einerseits eine gute Durchmischung des Gasstroms erreicht wird und andererseits der von der Mischereinrichtung erzeugte Gegendruck nicht zu groß wird.
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Die Eingangsabschnitte und/oder Ausgangsabschnitte (oder jeweils Teilmengen davon) können eine im Wesentlichen trapezförmige Grundform aufweisen.
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Die vorstehend beschriebenen Verbindungsabschnitte des ersten Mischers und/oder des zweiten Mischers können im Wesentlichen parallel versetzt zueinander angeordnet sein.
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In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Mischerabschnitte des ersten und den zweiten Mischers in im Wesentlichen gleicher Lage (natürlich in Strömungsrichtung hintereinander versetzt) anzuordnen. Es ist aber auch möglich, die genannten Mischerabschnitte oder deren Verbindungsabschnitte um eine Hauptachse der Hauptströmungsrichtung verdreht zueinander anzuordnen, insbesondere um im Wesentlichen 90°. Dies erzeugt eine Verstärkung der Durchmischung.
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Die Mischerabschnitte des ersten Mischers und/oder des zweiten Mischers können an einem, insbesondere rohrförmig ausgebildeten Gehäuseabschnitt befestigt sein. Insbesondere sind sie mit diesem verschweißt oder verlötet. Zusätzlich oder alternativ ist auch eine Steckverbindung denkbar, bei der die Abschnitte beispielsweise in Schlitze in dem entsprechenden Gehäuseabschnitt eingesteckt sind.
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Die Gehäuseabschnitte des ersten Mischers und des zweiten Mischers können ein gemeinsames Gehäuse bilden. Insbesondere sind die Gehäuseabschnitte miteinander verbunden, bevorzugt stoffschlüssig, oder einstückig ausgebildet.
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Das Gehäuse kann in einem Abschnitt zwischen den beiden Mischer zumindest eine Ausnehmung aufweisen. Die Ausnehmung kann in axialer Richtung auch mit Abschnitten der Mischer überlappen, insbesondere mit deren Eingangs- und/oder Ausgangsabschnitten. Derartige Ausnehmungen oder Aussparungen ermöglichen es, gezielt Teile des Gasstroms in bestimmte Bereiche der Mischereinrichtung zu lenken. Außerdem wird dadurch der Gegendruck der Mischereinrichtung reduziert. Es können auch mehrere Ausnehmungen/Aussparungen vorgesehen sein, insbesondere wobei diese in Umfangsrichtung des Gehäuses gleichmäßig verteilt sind.
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Das Gehäuse kann in einem Abschnitt zwischen den Mischer einen radial eingeschnürten Bereich aufweisen, der insbesondere als Ringkanal ausgebildet ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Gasführungseinrichtung, insbesondere eine Abgasanlage für einen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, die eine Mischereinrichtung gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen aufweist.
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Die Mischereinrichtung kann in Strömungsrichtung des Gasstroms hinter einer Einbringungsvorrichtung zum Einbringen eines Fluid in den Gasstrom angeordnet sein. Die Mischereinrichtung sorgt durch die Erzeugung von Turbulenzen für eine gleichmäßige Verteilung des Fluid in dem Gasstrom. Außerdem bieten die Mischerabschnitte, insbesondere die Eingangsabschnitte und Ausgangsabschnitte, Flächen, auf die Tröpfchen des Fluids prallen, wodurch sie zerstäubt und in kleinere und daher leichter zu verdampfende und zu verteilende Tröpfchen aufgeteilt werden. Auf der Mischereinrichtung werden zudem auftreffende Tröpfchen zumindest teilweise verdampft, wenn diese durch einen heißen Gasstrom erhitzt wurde. Dieser Effekt spielt insbesondere bei einer Abgasanlage eine nicht unerhebliche Rolle.
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Ein die Mischereinrichtung aufnehmender Gasführungsabschnitt der Gasführungseinrichtung kann im Bereich der Mischereinrichtung einen Bypassabschnitt aufweisen, durch den die Mischereinrichtung zumindest abschnittsweise seitlich von dem Gasstrom umströmbar oder anströmbar ist. Der Gasführungsabschnitt kann derart angeordnet sein, dass ein Abschnitt der Mischereinrichtung anströmbar ist, der eine Ausnehmung oder Aussparung aufweist.
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Die Mischereinrichtung kann in dem Gasführungsabschnitt in Bezug auf dessen Querschnitt asymmetrisch angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Gasführungsabschnitt asymmetrisch ausgebildet sein.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform eines ersten oder zweiten Mischers einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung in einer Schnittansicht,
- 2 den Mischer der 1 in einer axialen Ansicht,
- 3 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung,
- 4 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung (teilweise aufgeschnitten),
- 5 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung, die in einem Gasführungsabschnitt angeordnet ist, in einer Schnittansicht,
- 6 die dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung, die in einem Gasführungsabschnitt (teilweise aufgeschnitten) angeordnet ist und
- 7 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung, die in einem Gasführungsabschnitt (teilweise aufgeschnitten) angeordnet ist.
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1 zeigt einen Mischer 10, der beispielsweise in eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz gelangt. Er weist eine Mehrzahl von Mischerabschnitten 12 auf, die in einem rohrförmigen, runden Gehäuseabschnitt 13 (siehe auch 2) befestigt sind. Der Mischer 10 wird in Gebrauchslage von links von einem Abgasstrom angeströmt (Hauptströmungsrichtung H).
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Die Mischerabschnitte 12 weisen jeweils mehrere stromaufwärtige Eingangsabschnitte 14, 14A und mehrere stromabwärtige Ausgangsabschnitte 16, 16A auf, die durch einen Verbindungsabschnitt 18 miteinander in Verbindung stehen. Den Eingangsabschnitten 14 sind die Ausgangsabschnitte 16 zugeordnet. Die Abschnitte 14A, 16A bilden ebenfalls ein Abschnitts-„Paar“. Die Abschnitte 14, 14A, 16, 16A, 18 sind im Wesentlichen eben ausgebildet. Die einzelnen Mischerabschnitte 12 sind in dem Gehäuseabschnitt 13 in verschiedenen Ebenen im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Dies lässt sich insbesondere daran erkennen, dass die Verbindungsabschnitte 18 Kanäle bilden, die im Wesentlichen parallel zu der Hauptströmungsrichtung H verlaufen.
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Wie in 2 zu erkennen ist, die den Mischer 10 in einer axialen Richtung zeigt, so wie ihn das anströmende Abgas „sieht“, sind die Eingangsabschnitte 14, 14A der einzelnen Mischerabschnitte 12 nebeneinander angeordnet. Abwechselnd sind sie nach oben und unten abgewinkelt (z.B. Eingangsabschnitt 14A bzw. Eingangsabschnitt 14). Die meisten der Eingangsabschnitte 14, 14A weisen eine trapezförmige Grundform auf. Je nach ihrer Lage - insbesondere benachbart zu dem Gehäuseabschnitt 13 - können sie jedoch von dieser Grundform abweichen und/oder größer oder kleiner geformt sein, als Eingangsabschnitte 14, 14A im mittleren Bereich des Mischers 10. Die Eingangsabschnitte 14 und die Eingangsabschnitte 14A sind jeweils im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Sie sind gegenüber der Hauptströmungsrichtung H im Wesentlichen um +/- 45° angestellt (Winkelbetrag α = 45°). Bei Bedarf können auch andere Anstellwinkel gewählt werden. Insbesondere ist es nicht zwingend erforderlich, dass alle Eingangsabschnitte 14,14A den gleichen Anstellwinkelbetrag α aufweisen.
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Die vorstehenden Ausführungen gelten in analoger Form für die Ausgangsabschnitte 16, 16A.
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Der Mischer 10 weist somit eine Vielzahl klappenartiger Abschnitte 14, 14A, 16, 16A auf, weshalb er auch als Klappenmischer bezeichnet werden kann. Insbesondere die eingangsseitigen bzw. stromaufwärtigen Eingangsabschnitte 14, 14A bilden Prallflächen für stromaufwärts des Mischers 10 in das Abgas eingebrachte Fluidtröpfchen. Die ausgangsseitigen bzw. stromabwärtigen Ausgangsabschnitte 16,16A dienen vor allem zur Erzeugung einer turbulenten Strömung in der Gasphase, die zur Durchmischung derselben beiträgt. Auch hier finden jedoch Tröpfchen-Mischer-Kollisionen statt.
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Mit anderen Worten dienen die Abschnitte 14, 14A bzw. 16, 16A zum einen der Zerstäubung und Verdampfung von Fluidtröpfchen, zum anderen der Verteilung und Vermischung der Gasphase und der Tröpfchen. Die bei Betrieb heißen Oberflächen der einzelnen Bestandteile des Mischers 10 tragen auch in nicht unerheblichen Maß zur Verdampfung der auf sie auftreffenden Tröpfchen bei.
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Um eine möglichst effiziente Mischereinrichtung 11 zu schaffen, werden erfindungsgemäß zwei Mischer der vorstehend beschriebenen Art hintereinander „geschaltet“, wie beispielsweise in 3 zu sehen ist. Dabei kann es sich um zwei Mischer 10, 10' handeln, die im Wesentlichen gleichartig oder sogar identisch ausgebildet sind. Mit anderen Worten kann beispielsweise der Mischer 10' an dem in 1 gezeigten Mischer 10 an dessen rechter Seite gespiegelt angeordnet werden. Die Gehäuseabschnitte 13 der Mischer 10, 10' sind miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt oder verlötet, und bilden ein gemeinsames Gehäuse 13A. Es ist auch möglich, die Gehäuseabschnitte 13 einstückig miteinander auszubilden. Die Mischerabschnitte 12 sind dann beispielsweise in einem Rohrabschnitt befestigt, der wiederum in einer Abgasanlage angeordnet ist.
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Die Mischer 10, 10' können dabei so angeordnet sein, dass die einzelnen Mischerabschnitte 12 der beiden Mischer 10, 10' parallel zueinander ausgerichtet sind. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Mischer 10, 10' gegeneinander zu verdrehen, beispielsweise um 90°, wie beispielsweise in 4 gut zu erkennen ist. Die Verdrehung der Mischer 10, 10' führt dazu, dass zwei Verwirbelungsebenen bereitgestellt werden, die ein verbessertes „Aufreißen“ des Gasstroms bewirken.
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Die 4 zeigt zudem, dass die Mischerabschnitte 12 bei dieser Ausführungsform der Mischereinrichtung 11 in entsprechende Schlitze 20 des Gehäuses 13A (hier einstückig ausgebildet) eingesteckt sein können. Zusätzlich können sie mit dem Gehäuse 13A verschweißt und/oder verlötet werden.
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Grundsätzlich ist es vorteilhaft, die beiden Mischer 10, 10' der Mischereinrichtung 11 als gleiche Bauteile auszuführen. Es ist jedoch auch möglich, diese bei Bedarf unterschiedlich auszugestalten, z.B. eine abweichende Anzahl von Mischerabschnitten 12, abweichende Anstellwinkel α, eine abweichende Anzahl und/oder Ausgestaltung der Eingangs- und/oder Ausgangsabschnitte 14, 14A bzw. 16, 16A, ... zu wählen.
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Durch die Anordnung von zwei Klappenmischern 10, 10' hintereinander, wird die Verdampfung und Vermischung der Tröpfchen in der Gasphase, sowie die Homogenisierung der Gasphase deutlich verbessert. Dies ergibt sich schon allein dadurch, dass die Anzahl potentieller Tropfen-Wand-Kontakte erhöht wird. Es sich gezeigt, dass die Mischereinrichtung 11 einen zuverlässigen Eintrag eines Fluids in den Abgasstrom gewährleistet, ohne dabei einen übermäßigen Gegendruck zu erzeugen.
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Die 5 und 6 zeigen eine Mischereinrichtung 11, die in einen Rohrabschnitt 22 einer Abgaseinlage integriert ist. Das Abgas strömt die Einrichtung 11 von links an (vgl. Hauptströmungsrichtung H). Die Mischerabschnitte 12 der beiden Mischer 10, 10', die um 90° verdreht zueinander sind, sind in einem gemeinsamen Gehäuse 13A angeordnet. Dieses weist eine Aussparung 24 auf, durch die Abgas zwischen den beiden Mischern 10, 10' in die Mischereinrichtung 11 eintreten kann. Dieser „Bypass“ senkt den von der Mischeinrichtung 11 erzeugten Gegendruck. Die Aussparung 24 kann in beliebigen Bereichen des Gehäuses 13A vorgesehen sein. Auch ihre Ausgestaltung kann bedarfsgerecht gewählt werden. Es ist auch möglich, mehrere Aussparungen 24 vorzusehen. Insbesondere wird die Aussparung 24 so positioniert und gestaltet, dass Bereichen in der Mischereinrichtung 11, in denen eine besonders hohe Konzentration von Fluid zu erwarten ist, direkt Abgas zugeführt werden kann. Um diese Anströmung zu ermöglichen, weist der Rohrabschnitt 22 einen Bypassabschnitt 26 auf. Im vorliegenden Fall bildet dieser eine Art „Ausbuchtung“.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung 11. In einem Bereich zwischen den beiden Mischern 10, 10' ist das Gehäuse 13A eingeschnürt, sodass dort ein Ringkanal 28 gebildet ist (z.B. eine Sicke). Der Ringkanal 28 ermöglicht es, das durch den Bypassabschnitt 26 herangeführte Abgas in Umfangsrichtung zu verteilen, so dass Abgas von allen Seiten durch Aussparungen 24, hier beispielhaft als Löcher ausgestaltet, in einen Bereich zwischen den beiden Mischern 10, 10' gelangen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10,10'
- Mischer
- 11
- Mischereinrichtung
- 12
- Mischerabschnitt
- 13
- Gehäuseabschnitt
- 13A
- Gehäuse
- 14,14A
- Eingangsabschnitt
- 16,16A
- Ausgangsabschnitte
- 18
- Verbindungsabschnitt
- 20
- Schlitz
- 22
- Rohrabschnitt
- 24
- Aussparung
- 26
- Bypassabschnitt
- 28
- Ringkanal
- α
- Anstellwinkelbetrag
- H
- Hauptströmungsrichtung
