DE102017201719A1 - Vorrichtung zum Vermischen eines Reduktionsmittels mit einem Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zum Vermischen eines Reduktionsmittels mit einem Abgas einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Vermischen eines Reduktionsmittels mit einem Abgas einer Brennkraftmaschine in einem Abgasstrang, mit einem rohrförmigen Grundkörper, in dem zumindest zwei sich von einer Längsachse des Grundkörpers aus radial nach außen erstreckende Mischerschaufeln drehbar angeordnet sind, die von einem Stellelement in einem Strömungsquerschnitt des Grundkörpers um eine Drehachse jeder Mischerschaufel in zumindest eine Offenstellung und eine Geschlossenstellung verschwenkbar sind, wobei die Mischerschaufeln in der Geschlossenstellung in Strömungsrichtung des Abgases den Strömungsquerschnitt weitgehend blickdicht verschließen.Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise der Abgasgegendruck reduziert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermischen eines Reduktionsmittels mit einem Abgas einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Vermischen eines Reduktionsmittels mit dem Abgas einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der Internationalen Patentanmeldung WO 2016/024207 A1 bekannt. Aus dieser Offenlegungsschrift ist ein dynamischer Mischer für ein Reduktionsmittel bekannt, dessen Schaufeln motorisch verdrehbar sind, um je nach Lastzustand der Brennkraftmaschine eine optimale Durchmischung des Abgases mit dem Reduktionsmittel zu erzielen.
  • Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass trotz der guten Verwirbelung von Abgas und Reduktionsmittel kleinere Reduktionsmitteltröpfchen den Mischer in Strömungsrichtung des Abgases verlassen können, und in flüssiger Form auf die anschließenden Abgasreinigungsanlagen treffen. Dies kann zu Schädigungen der Substrate (Thermoschock) führen.
  • Zum technischen Umfeld wird weiter auf die Deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 045 156 A1 hingewiesen. Aus dieser ist ein Abgasstrang bekannt, mit einer von Abgas durchströmbaren Mischeinrichtung zum Vermischen des in den Abgasstrang eingebrachten Reduktionsmittels mit dem Abgas. In Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ist das Vermischen des Reduktionsmittels mit dem Abgas beeinflussbar, wobei die Größe des die Mischeinrichtung umgehenden Teilstroms des Abgases in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit veränderbar ist. Weiter ist ein Abgasstrang offenbart mit einer von Abgas durchströmbaren Mischeinrichtung, welche ein auf eine Abhängigkeit von einer Strömungsgeschwindigkeit des Abgases bewegbaren Achse angeordnete Strömungsleitelement aufweist, sowie ein zweites, relativ zu dem ersten Strömungsleitelement ortsfestes Strömungsleitelement.
  • Mit dieser bekannten Anordnung ist ein verbessertes Vermischen des in den Abgasstrang eingebrachten Reduktionsmittels mit dem Abgas erzielt, jedoch kann es immer noch bei einigen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine vorkommen, dass flüssige Reduktionsmitteltröpfchen den Mischer verlassen und das stromab angeordnete Substrat einer Abgasreinigungsanlage zerstören.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der sicher verhindert ist, dass flüssige Reduktionsmitteltröpfchen den Mischer verlassen und das Substrat einer Abgasreinigungsanlage zerstören.
  • Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Maßnahme der „blickdichten“ Ausführung ist so ausgeführt, dass bei geschlossenem SCR-Mischer (SCR = selektive katalytische Reduktion) die Fläche des Strömungsquerschnitts im Mischer keinen „Lichtstrahl“ durch lässt. Dadurch muss das Reduktionsmittel, üblicherweise eine wässrige Harnstofflösung (AdBlue), als Tropfen auf die Mischerschaufeln treffen und dort verdunsten. Die „blickdichte“ Konstruktion verhindert somit, dass flüssige Tropfen des Reduktionsmittels auf das Substrat der Abgasreinigungsanlage treffen.
  • Darüber hinaus führt die erfindungsgemäße Ausgestaltung in vorteilhafter Weise so gut wie zu keinem Abgasgegendruck in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine. Unter blickdicht ist hierbei zu verstehen, dass bei der Aufsicht auf Mischer in Strömungsrichtung des Abgases kein Licht zwischen den einzelnen Mischerschaufeln durchgeht. Es bedeutet jedoch nicht, dass in der Geschlossenstellung kein Abgas mehr durch den Mischer strömen kann, sondern dass die flüssigen Tropfen quasi eine Wand vor sich sehen, auf der sie verdunsten.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine bevorzugte Variante.
  • Die Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 3 und 4 führt zu einer kostengünstigen Fertigung der Mischerschaufeln, bei gleichzeitig höchster Fertigungsqualität.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 erlaubt eine betriebspunktabhängige teilweise oder vollständige Umströmung der Vorrichtung mit dem Abgas.
  • Mit den Ausgestaltungen gemäß der Patentansprüche 6 und 7 ist die unabhängige Steuerung bzw. Betätigung des Bypasses, unabhängig von der Betätigung des Mischers möglich.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen in vier Figuren näher erläutert.
    • 1 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit geöffneten Mischerschaufeln.
    • 2 zeigt eine Aufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung mit geschlossenen Mischerschaufeln.
    • 3 zeigt eine Aufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Bypass.
    • 4 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung aus 3 in teilgeschnittener Darstellung.
  • 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Vorrichtung 1 zum Vermischen eines Reduktionsmittels, wie beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung, mit einem Abgas einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine in einem in den 3 und 4 dargestellten Abgasstrang 2 der Brennkraftmaschine.
  • Die Vorrichtung 1 weist einen rohrförmigen Grundkörper 3 auf, der über drei nicht bezifferte Stege in einem Befestigungsrahmen 10 zentriert ist. In dem Grundkörper 3 befinden sich zumindest zwei, im vorliegenden Ausführungsbeispiel 16, sich von einer Längsachse 3' des Grundkörpers 3 aus radial nach außen erstreckenden Mischerschaufeln 4. Die Mischerschaufeln 4 sind im Grundkörper 3 senkrecht zu der Längsachse 3' drehbar angeordnet und können von einem Verstellmechanismus, bestehend aus einem Stellelement 5, einem Getriebe 11 und einer Kulisse 14 in einem Strömungsquerschnitt des Grundkörpers 3 um eine Drehachse 4' einer jeden Mischerschaufel 4 in zumindest eine Offenstellung und eine Geschlossenstellung verschwenkt werden. In 1 sind die Mischerschaufeln in einer Offenstellung dargestellt.
  • Zur Betätigung des elektrischen Stellelements 5 ist ein elektrischer Anschluss 9 vorgesehen. Der Verstellmechanismus zum Verschwenken der Mischerschaufeln 4 entspricht in weitgehend einem Verstellmechanismus für Strömungsleitelemente in einer variablen Abgasturbine, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • Zur Befestigung der Vorrichtung 1 in dem Abgasstrang sind in den Befestigungsrahmen 10 zwei nicht bezifferte Bohrungen vorgesehen.
  • 2 zeigt nochmals die Vorrichtung 1 gemäß der 1, jedoch in einer Geschlossenstellung. Erfindungsgemäß verschließen die Mischerschaufeln 4 in der Geschlossenstellung in Strömungsrichtung des Abgases den Strömungsquerschnitt des Grundkörpers 3 „blickdicht“. Blickdicht bedeutet hierbei nicht gasdicht, sondern dass in Aufsicht auf die Mischerschaufeln 4 kein Licht zwischen den Mischerschaufeln 4 hindurchtreten kann. Somit erzeugen die Mischerschaufeln 4 in der Geschlossenstellung quasi eine Wand für das in den Abgasstrang 2 eingebrachte Reduktionsmittel, so dass sichergestellt ist, dass keine nichtverdampften Reduktionsmitteltropfen auf ein Substrat einer nachgeschalteten Abgasreinigungsanlage auftreffen. In der Geschlossenstellung wird darüber hinaus eine maximale Verwirbelung des Abgases mit dem Reduktionsmittel erzielt, für eine optimal homogene Verteilung des Reduktionsmittels in dem Abgas.
  • Bevorzugt sind die Mischerschaufeln 4 aus einem Metall und werden besonders bevorzugt in einem Feingussverfahren hergestellt, was eine kostengünstige und qualitativ hochwertige Fertigung der Mischerschaufeln 4 gewährleistet.
  • 3 zeigt eine Aufsicht auf eine Weiterbildung der Erfindung, wobei in dem Abgasstrang 2 weiter ein Bypass 6 für die Vorrichtung 1 vorgesehen ist. Zum Öffnen und Verschließen des Bypasses 6 ist ein zweites Stellelement 8 vorgesehen, mit dem über ein zweites Getriebe 12, ein in 4 dargestelltes Verschlusselement 7 für den Bypass 6 geöffnet und verschlossen werden kann. Ein Stutzen 13 ist für eine nicht dargestellte Einbringvorrichtung für das Reduktionsmittel vorgesehen.
  • 4 zeigt nochmals den Abgasstrang aus 3, jedoch teilgeschnitten, so dass nun die Vorrichtung 1 und der Bypass 6 klar erkennbar sind. Auch das von dem Stellelement 8 über das zweite Getriebe 12 betätigte Verschlusselement 7, eine Bypassklappe, ist 4 zu entnehmen.
  • Zu 4 sei noch erwähnt, dass die Vorrichtung 1 eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist und nicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung darstellt.
  • Die erfindungsgemäße Maßnahme der „blickdichten“ Ausführung ist so ausgeführt, dass bei geschlossenem SCR-Mischer die Fläche des Strömungsquerschnitts in der Vorrichtung 1 keinen „Lichtstrahl“ durchlässt. Dadurch muss das Reduktionsmittel als Tropfen auf die 16 Mischerschaufeln 4 treffen und dort verdunsten. Die „blickdichte“ Konstruktion verhindert somit erfindungsgemäß, dass flüssige Tropfen des Reduktionsmittels auf das Substrat der Abgasreinigungsanlage treffen.
  • Darüber hinaus führt die erfindungsgemäße Ausgestaltung in vorteilhafter Weise so gut wie zu keinem Abgasgegendruck in dem Abgasstrang 2 der Brennkraftmaschine. Unter blickdicht ist hierbei zu verstehen, dass bei der Aufsicht auf die Vorrichtung 1 in Strömungsrichtung des Abgases kein Licht zwischen den einzelnen Mischerschaufeln 4 durchgeht. Es bedeutet jedoch nicht, dass in der Geschlossenstellung kein Abgas mehr durch die Vorrichtung 1 strömen kann. Sondern dass die flüssigen Tropfen quasi eine Wand vor sich sehen, auf der sie verdunsten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Vorrichtung
    2.
    Abgasstrang
    3.
    Grundkörper
    3'
    Längsachse
    4.
    Mischerschaufeln
    4'
    Drehachse
    5.
    Stellelement
    6.
    Bypass
    7.
    Verschlusselement
    8.
    zweites Stellelement
    9.
    elektrischer Anschluss
    10.
    Befestigungsrahmen
    11.
    Getriebe
    12.
    zweites Getriebe
    13.
    Stutzen
    14.
    Kulisse
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2016/024207 A1 [0002]
    • DE 102010045156 A1 [0004]

Claims (7)

  1. Vorrichtung (1) zum Vermischen eines Reduktionsmittels mit einem Abgas einer Brennkraftmaschine in einem Abgasstrang (2), mit einem rohrförmigen Grundkörper (3), in dem zumindest zwei sich von einer Längsachse (3') des Grundkörpers (3) aus radial nach außen erstreckende Mischerschaufeln (4) drehbar angeordnet sind, die von einem Stellelement (5) in einem Strömungsquerschnitt des Grundkörpers (3) um eine Drehachse (4') jeder Mischerschaufel (4) in zumindest eine Offenstellung und eine Geschlossenstellung verschwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischerschaufeln (4) in der Geschlossenstellung in Strömungsrichtung des Abgases den Strömungsquerschnitt weitgehend blickdicht verschließen.
  2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mischerschaufeln (4) in der Geschlossenstellung in Strömungsrichtung des Abgases zumindest abschnittsweise überlappen.
  3. Vorrichtung nach einem der Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischerschaufeln (4) aus einem Metall sind.
  4. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischerschaufeln (4) in einem Feingussverfahren hergestellt sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorrichtung (1) in dem Abgasstrang (2) ein Bypass (6) vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (6) von einem Verschlusselement (7) verschließ- und öffenbar ist.
  7. Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (7) von einem zweiten Stellelement (8) betätigbar ist.
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