DE102020106983B3

DE102020106983B3 - Mischeranordnung und Verfahren zum Betreiben einer Mischeranordnung

Info

Publication number: DE102020106983B3
Application number: DE102020106983.9A
Authority: DE
Inventors: Eric Hein; Yannick Leske; Anna Menges; Günter Palmer
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2040-03-14
Also published as: US11738313B2; EP4117807A1; CN115397548A; US20230105940A1; WO2021180721A1

Abstract

Mischeranordnung 1 für eine Abgasanlage, aufweisend eine Einlassöffnung 2.1, durch die ein Abgasmassenstrom A leitbar ist und einen Mischer 3 zur Verwirbelung des Abgases, der zumindest eine Einströmöffnung 3.1 aufweist, wobei zumindest ein erster Anteil A1 des Abgasmassenstroms A durch die zumindest eine Einströmöffnung 3.1 durch den Mischer 3 leitbar ist, eine Einspritzeinrichtung 3.2, über die ein Additiv einspritzbar ist und einen Bypass 4 mit zumindest einer Durchströmöffnung 4.1, durch die ein zweiter Anteil A2 des Abgasmassenstroms A am Mischer 3 vorbei leitbar ist, wobei zumindest ein Regelkörper 5 vorgesehen ist, mittels dem ein Strömungsquerschnitt Q in der Mischeranordnung 1 variierbar ist, sodass ein Verhältnis V mitV=A2A1variierbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mischeranordnung für eine Abgasanlage, aufweisend eine Einlassöffnung, durch die ein Abgasmassenstrom A in die Mischeranordnung leitbar ist, einen Mischer zur Verwirbelung des Abgases, der zumindest eine Einströmöffnung aufweist, wobei zumindest ein erster Anteil A1 des Abgasmassenstroms A durch die zumindest eine Einströmöffnung durch den Mischer leitbar ist, eine Einspritzeinrichtung, über die ein Additiv einspritzbar ist, und einen Bypass mit zumindest einer Durchströmöffnung, durch die ein zweiter Anteil A2 des Abgasmassenstroms A am Mischer vorbei leitbar ist.
Die Erfindung bezieht sich zudem auf ein Verfahren zum Betreiben einer Mischeranordnung für eine Abgasanlage, aufweisend eine Einlassöffnung, durch die ein Abgasmassenstrom A geleitet wird, einen Mischer, der zumindest eine Einströmöffnung aufweist, wobei zumindest ein erster Anteil A1 des Abgasmassenstroms A durch die zumindest eine Einströmöffnung durch den Mischer geleitet wird, wobei der Mischer eine Einspritzeinrichtung aufweist, wobei über die Einspritzeinrichtung ein Additiv in einen Einspritzabschnitt des Mischers eingespritzt wird, und einen Bypass mit zumindest einer Durchströmöffnung, durch die ein zweiter Anteil A2 des Abgasmassenstroms A am Mischer vorbei geleitet wird.
Es ist bereits eine Mischeranordnung aus der US 2010/0005790 A1 bekannt, die einen Mischer und einen Bypass aufweist, wobei ein Teil des Abgasmassenstroms A am Mischer vorbei durch den Bypass leitbar ist. Der Bypass weist mehrere Öffnungen innerhalb einer Zwischenwand der Mischeranordnung auf.
Die CN 110578582 A beschreibt eine Mischeranordnung zum Einmischen eines Additivs in den Abgasstrom mit parallel angeordnetem SCR-Katalysator-Strang.
Aus der US 2010 005 790 A1 ist eine Mischeranordnung mit einem Mischrohr zum Einmischen eines Additivs in den Abgasstrom bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischeranordnung derart auszubilden und anzuordnen, dass die Mischerleistung optimiert ist.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass zumindest ein Regelkörper vorgesehen ist, mittels dem zumindest ein Strömungsquerschnitt in der Mischeranordnung variierbar ist, sodass ein Verhältnis V mit $V = \frac{A 2}{A 1}$
variierbar ist. Hierdurch wird erreicht, dass der Abgasmassenstrom A1 durch den Mischer einstellbar ist. Dabei kann ein Strömungsquerschnitt der zumindest einen Durchströmöffnung, des Bypasskanals und/oder der zumindest einen Einströmöffnung variiert werden. Es ist auch denkbar, den Strömungsquerschnitt Q an einer anderen zweckmäßigen Stelle innerhalb der Mischeranordnung zu variieren. Der Regelkörper kann hierzu an der entsprechenden Stelle platziert sein.
Per se verwirbelt ein Mischer das Abgas. Zu diesem Zweck kann der Mischer Leitbleche aufweisen. Der Mischer ist dabei derart optimiert, dass eine möglichst effektive Verwirbelung erzielt wird, etwa um das Einmischen eines Additives möglichst homogen zu gewährleisten. Der Grad der Verwirbelung ist abhängig vom ersten Anteil A1 des Abgasmassenstroms A durch den Mischer, der wiederum in Abhängigkeit von Motorparametern, insbesondere Motorlasten und/oder der Motordrehzahlen, sowie Abgastemperaturen und/oder dem Abgasmassenstrom A variiert. Die Effizienz des Mischers ist insofern abhängig vom Grad der Verwirbelung und damit von dem Abgasmassenstrom A.
Beim normalen Betrieb des Kraftfahrzeugs variiert der erste Anteil A1 des Abgasmassenstroms A durch den Mischer stark. Die Bandbreite dieser Varianz ist entsprechend groß. Um die Mischerleistung zu optimieren, sind ein Bypass und ein Regelkörper vorgesehen, mit deren Hilfe es möglich ist, den ersten Anteil A1 des Abgasmassenstroms A durch den Mischer zu variieren. Der erste Anteil A1 des Abgasmassenstroms A kann dabei derart variiert werden, dass dessen Varianzbandbreite ΔA1 gegenüber einem Betrieb ohne den Regelkörper verringert wird. Auf diese Weise kann die Effizienz der Verwirbelung erhöht werden, da die Struktur des Mischers für diese optimierte Varianzbandbreite ΔA1 ausgelegt werden kann, wodurch sich die Mischereffizienz steigert.
Bei dem Mischer handelt es sich bevorzugt um einen Swirl-Mischer, also einen Mischer, der derart ausgelegt ist, dass der Abgasmassenstrom A in dem Mischer helixförmig entlang einer Drallbahn strömt. Die Einströmöffnungen können um den Einspritzbereich angeordnet sein, sodass das Additiv in das axiale Zentrum der Drallbahn einspritzbar ist. Prinzipiell sind aber auch andere Mischer denkbar.
Bei dem Regelkörper kann es sich um ein Ventil oder eine Klappe handeln. Dabei kann der Regelkörper aktiv geregelt werden oder passiv ausgebildet sein. Im Falle einer aktiven Regelung kann eine Steuereinrichtung zur aktiven Regelung vorgesehen sein. Die Steuereinrichtung kann das Verhältnis V als Funktion oder auch in Abhängigkeit von Motorparametern, insbesondere Motorlasten und/oder der Motordrehzahlen, sowie Abgastemperaturen und/oder dem Abgasmassenstrom A regeln. Im Fall eines passiven Regelkörpers kann die Klappe in Abhängigkeit des anstehenden Abgasdrucks öffnen, sodass der zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A ansteigt.
Die Durchströmöffnung kann derart ausgelegt und/oder platziert sein, dass nur der zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A einströmt.
Die Einlassöffnung, durch die der Abgasmassenstrom A in die Mischeranordnung gelangt, kann in einer Vorkammer als Teil der Mischeranordnung vorgesehen sein. Die Vorkammer kann separat zum Abgasrohr ausgebildet sein. Die Einströmöffnung des Mischers und/oder die Durchströmöffnung des Bypasses können entsprechend den Mischer oder den Bypass mit der Vorkammer strömungstechnisch verbinden, so dass der entsprechende erste Anteil A1 und/oder zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A aus der Vorkammer in den Mischer bzw. den Bypass gelangen kann. Zudem kann eine Nachkammer mit einer Auslassöffnung stromab des Mischers und des Bypasses vorgesehen sein, in der der erste Anteil A1 und der zweite Anteil A2 zusammenführbar sind. Auch die Nachkammer kann separat zum Abgasrohr ausgebildet sein. Die Nachkammer kann eine Auslassöffnung aufweisen, aus der der Abgasmassenstrom A aus der Mischeranordnung leitbar ist.
Für die Mischeranordnung kann eine Einspritzeinrichtung vorgesehen sein, wobei über die Einspritzeinrichtung ein Additiv einspritzbar ist. Die Mischeranordnung kann stromauf eines SCR und/oder eines SDPF oder eines anderen Katalysators vorgesehen sein.
Schließlich wird die Aufgabe gelöst, wenn ein Regelkörper vorgesehen ist, wobei mittels des Regelkörpers zumindest ein Strömungsquerschnitt in der Mischeranordnung variiert wird, sodass ein Verhältnis V mit $V = \frac{A 2}{A 1}$
während des Betriebs der Abgasanlage variiert wird. Das Verfahren bezieht sich auf das Betreiben eines Mischers wie erläutert. Es gelten die Vorteile wie zum Mischer erläutert.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Einspritzeinrichtung am Mischer platziert ist, wobei über die Einspritzeinrichtung ein Additiv in einen Einspritzabschnitt des Mischers einspritzbar ist. Die Einspritzeinrichtung kann an einer Stirnseite des Mischers angeordnet sein. Die Stirnseite kann nur eine Öffnung für die Einspritzeinrichtung aufweisen. Der Einspritzabschnitt kann stromab der zumindest einen Einströmöffnung des Mischers vorgesehen sein. Die Einströmöffnungen können in einer Mischerwand vorgesehen sein und den Einspritzabschnitt in einer Umfangsrichtung umgeben.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn der Regelkörper ein Stellglied aufweist, mittels dessen das Verhältnis V so variiert wird, dass eine Varianzbandbreite ΔA1 des ersten Anteils A1 des Abgasmassenstroms A in Abhängigkeit von zumindest einem Motorparameter, insbesondere Motorlasten und/oder der Motordrehzahlen, einer Abgastemperatur und/oder des Abgasmassenstroms A minimiert wird. Das Stellglied kann eine entsprechend ausgelegte Feder sein oder mittels eines Steuergeräts aktiv gesteuert werden. Die Varianzbandbreite ΔA1 kann derart variiert werden, dass sie gegenüber einem Betrieb ohne den Regelkörper um zumindest 50 %, 60 %, 70 %, 80 % oder 90 % schmaler ist. Die Variation des Verhältnisses V kann derart sein, dass die Varianzbandbreite ΔA1 so schmal ist, dass der erste Anteil A1 des Abgasmassenstroms A nahezu konstant ist. Dies kann der Fall sein, wenn sie um zumindest 95 % schmaler ist.
Die Effizienz des Mischers ist abhängig von dem ersten Anteil A1 des Abgasmassenstroms A durch den Mischer. Wird die Varianzbandbreite ΔA1 durch die Regelkörper möglichst gering gehalten, so sind die Einspritzbedingungen während unterschiedlicher Betriebszustände des Fahrzeugs nahezu konstant und die Struktur des Mischers kann noch besser speziell für diese Varianzbandbreite ΔA1 ausgelegt werden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn ein elektronisches Steuergerät vorgesehen ist, das mit dem Regelkörper gekoppelt ist und ein Stellglied des Regelkörpers in Abhängigkeit von zumindest einem Motorparameter, insbesondere der Motorlast und/oder der Motordrehzahl, einer Abgastemperatur und/oder des Abgasmassenstroms A regelt. Eine aktive Regelung mittels des Steuergeräts optimiert die Effizienz des Mischers weiterhin.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn der Regelkörper derart ausgelegt ist, dass er zumindest den Strömungsquerschnitt der zumindest einen Durchströmöffnung variiert. Der Regekörper kann auch nur den Strömungsquerschnitt der zumindest einen Durchströmöffnung variieren. Die Variation des Strömungsquerschnitts an der zumindest einen Durchströmöffnung ist vorteilhaft, da so unerwünschte Verwirbelungen weitestgehend vermieden werden und die Ausführung kostengünstig durchführbar und leicht realisierbar ist.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Regeleinrichtung in eine erste Position P1 und eine zweite Position P2 bringbar ist, wobei der zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A durch den Bypass in der ersten Position P1 des Regelkörpers höchsten 30 %, 20 %, 10 % oder 0 % gegenüber dem zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A in einer zweiten Position P2 des Regelkörpers beträgt.
Bei der ersten Position P1 kann es sich um die geschlossene oder nahezu geschlossene Position des Regelkörpers handeln. Bei der zweiten Position P2 kann es sich um die geöffnete oder nahezu geöffnete Position handeln. Ist dann der zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A durch den Bypass in einer geschlossenen Position des Regelkörpers größer als 0 % gegenüber dem zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A in der offenen Position des Regelkörpers, bewirkt der Regelkörper in seiner geschlossenen Position keine vollständige Überbrückung des Bypasses und führt nicht dazu, dass der gesamte Massenstrom durch den Mischer strömt.
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn der Mischer eine Mischerwand aufweist, die rohrförmig ausgebildet ist, wobei mehrere Einströmöffnungen vorgesehen sind, wobei zumindest ein Flügel vorgesehen ist, der in einem Winkel α gegenüber einer Einströmöffnung angestellt ist, sodass eine Drallbewegung des Abgases in dem Einspritzabschnitt erzeugbar ist. Bei den Einströmöffnungen kann es sich um Längsschlitze handeln. Es können auch zumindest zwei, drei oder vier Flügel vorgesehen sein. Der zumindest eine Flügel kann an einer Einströmöffnung vorgesehen sein, gegenüber der er angestellt ist. Auch können die zumindest zwei, drei oder vier Flügel jeweils an einer Einströmöffnung vorgesehen sein, gegenüber der sie jeweils angestellt sind. Für den Winkel α kann gelten, 25° < = α < = 45° oder 30° < = α < = 40°.
Ein solcher Mischer kann ein Swirl-Mischer sein. Die Einströmöffnungen können um den Einspritzbereich angeordnet sein. Dabei beeinflusst die Variation des Verhältnisses V eine Drallzahl, die das Verhältnis einer axialen und einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente des ersten Anteils A1 des Abgasmassenstroms A darstellt. Diese Drallzahl kann insbesondere in Abhängigkeit des ersten Anteils A1 des Abgasmassenstroms A variiert werden. Umso schmaler die Varianzbandbreite ΔA1 ist umso konstanter ist die Drallzahl. Auf diese Weise erhöht sich die Effizienz des Mischers.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn zumindest zwei Flügel in einem unterschiedlichen Winkel α gegenüber der entsprechenden Einströmöffnungen derart angestellt sind, dass der Abgasmassenstrom B durch jede der Einströmöffnungen vergleichmäßigt wird. Auf diese Weise kann eine Drallbewegung des Abgases mit einer Drallachse, die auf einer Mittelachse des Mischers liegen kann, erzeugt werden. Zu diesem Zweck können auch zumindest drei, vier oder alle der Flügel des Mischers in unterschiedlichen Winkeln α angestellt sein. Es können auch zwei einander gegenüberliegende Flügel in dem gleichen Winkel α angestellt sein und die weiteren Flügel in einem hierzu unterschiedlichen Winkel α angestellt sein.
Die Drallachse kann derart definiert sein, dass die axiale Geschwindigkeitskomponente des ersten Anteils A1 um die Drallachse verläuft und die Drallachse parallel der tangentialen Geschwindigkeitskomponente liegt. Die Drallachse kann derart definiert sein, dass sie im Zentrum der Drallbahn und/oder der Helix liegt, wobei die Helix von der Drallbahn gebildet werden kann.
Abhängig von der Richtung aus der der Hauptstrom des Abgases auf den Mischer trifft und der Geometrie des Gehäuses der Mischeranordnung, das den Mischer umgibt, ist per se der Abgasmassenstrom B durch die Einströmöffnungen unterschiedlich. Durch die Anstellung des Flügels lässt sich der Strömungsquerschnitt der Einströmöffnungen derart anpassen, dass der Abgasmassenstrom B durch jede der Einströmöffnungen gleich ist. Damit kann die Effizienz des Mischers erhöht werden und das Benetzen einer Mischerwand zusätzlich vermieden werden, sodass es zu keinen lokalen Wandabkühlungen kommt.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn der Mischer eine Mischerwand aufweist, wobei die Mischerwand stromab des Einspritzabschnitts einen Verdampfungsabschnitt aufweist, der mit dem Additiv benetzbar ist. Damit sind dann die Einspritzbedingungen so optimiert, dass der Mischer in Hinblick auf seine Struktur so ausgelegt werden kann, dass die Oberfläche der Mischerwand, die von dem Additiv benetzt wird, bei möglichst allen Betriebsparametern ausreichend groß gehalten wird, um gleichmäßig zu verdampfen. Auf diese Weise kann eine starke bzw. überhöhte lokale Wandabkühlung vermieden werden, womit Ablagerungen des Additivs vorgebeugt wird.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn ein aktives Heizelement zum Heizen des Verdampfungsabschnitts vorgesehen ist. Das aktive Heizelement kann von einer externen Maßnahme aktiv betrieben werden. Auf diese Weise wird einer lokalen Wandabkühlung entgegengewirkt und somit werden Ablagerungen des Additivs zusätzlich vorgebeugt.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Mischer eine Mischerwand und der Bypass einen Bypasskanal aufweist, wobei im Bereich des Verdampfungsabschnitts, insbesondere in einem Überlappungsbereich, die Mischerwand den Bypasskanal zumindest teilweise ausbildet, die Mischerwand an den Bypasskanal zumindest teilweise angrenzt oder die Mischerwand an den Bypasskanal zumindest teilweise angeschlossen ist, sodass jeweils zwischen der Mischerwand und dem zweiten Anteil A2 des Abgasmassenstroms A ein Wärmeaustausch stattfinden kann. Der Mischer kann mit seinem Überlappungsbereich innerhalb des Bypasskanals liegen, so dass der Bypasskanal die Mischerwand vollumfänglich umgibt. Auf diese Weise heizt das heiße Abgas des zweiten Anteils A2 des Abgasmassenstroms A durch den Bypasskanal zusätzlich die Mischerwand des Verdampfungsabschnitts und so wird einer lokalen Wandabkühlung ferner aktiv entgegengewirkt, wodurch Ablagerungen des Additivs zusätzlich vermieden werden. Ergänzend kann durch weitere Maßnahmen der zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A spiralförmig um die Mischerwand, insbesondere im Bereich des Verdampfungsabschnitts, geleitet werden.
Dabei kann es von Vorteil sein, wenn im Verdampfungsbereich, insbesondere im Überlappungsbereich, eine Perforation der Mischerwand vorgesehen ist. Durch die Perforation gelangt heißes Abgas aus dem Bypasskanal in den Mischer und erhitzt die Mischerwand auf einer zweiten Oberfläche des Mischers, die mit Additiv benetzbar ist. Diese Maßnahme wirkt ebenso den Ablagerungen des Additivs auf der Mischerwand entgegen.
Hierzu kann es von Vorteil sein, wenn auf einer zum Bypasskanal gewandten ersten Oberfläche im Bereich des Verdampfungsabschnitts, insbesondere im Überlappungsbereich, zumindest eine erhabene Struktur vorgesehen ist. Die Struktur kann integraler Bestandteil der ersten Oberfläche sein, mithin können die Struktur und die erste Oberfläche ein Teil sein und insofern eine monolithische Struktur bilden. Die Struktur kann ein von der ersten Oberfläche separates Element sein, das auf der ersten Oberfläche aufgebracht ist. Es können auch mehrere Strukturen vorgesehen sein. Sind mehrere Strukturen vorgesehen, kann ein erster Teil dieser Strukturen integral und/oder ein zweiter Teil dieser Strukturen separat ausgebildet sein. Die erste Oberfläche kann eine Oberfläche der Mischerwand und/oder eine Oberfläche des Bypasskanals sein. Die Maßnahmen vergrößern die Oberfläche der Mischerwand und optimieren eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Anteil A2 des Abgasmassenstroms A und der Mischerwand. Die zusätzlich erhabenen Strukturen können auch auf dem aktiven Heizelement und/oder den weiteren Maßnahmen zur spiralförmigen Leitung des zweiten Anteils A2 des Abgasmassenstroms A um das Verdampfungsrohr vorgesehen sein. Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn eine mit dem Additiv benetzbare, zweite Oberfläche der Mischwand im Verdampfungsabschnitt geglättet ist. Durch das Glätten können Ablagerungen vermieden werden. Die zweite Oberfläche kann der Einspritzeinrichtung zugewandt sein.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn eine Nachkammer stromab des Mischers vorgesehen ist, in der der erste Anteil A1 des Abgasmassenstroms A und der zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A zusammenführbar sind, wobei die Nachkammer eine Auslassöffnung aufweist, aus der der Abgasmassenstrom A aus der Mischeranordnung leitbar ist. Der Bypass kann über eine Austrittsöffnung in der Nachkammer münden. Der Mischer kann über eine Ausströmöffnung in der Nachkammer münden.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn der Regelkörper ein Stellglied aufweist, mittels dessen das Verhältnis V so variiert wird, dass eine Varianzbandbreite ΔA1 des ersten Anteils A1 des Abgasmassenstroms A in Abhängigkeit von zumindest einem Motorparameter, insbesondere Motorlasten und/oder der Motordrehzahlen, einer Abgastemperatur und/oder des Abgasmassenstroms A minimiert wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:

1 einen Querschnitt der Mischeranordnung;
2 einen Querschnitt durch das Mischrohr und den Bypasskanal;
3 eine vollständig geöffnete und geschlossene Position der Regelkörper;
4 einen Querschnitt durch die Mischerwand auf Höhe der Einlassöffnungen;
5 Abgasanlage mit der Mischeranordnung

Gemäß 1 weist die Mischeranordnung 1 eine Vorkammer 2, einen Mischer 3, einen Bypass 4, einen Regelkörper 5 und eine Nachkammer 9 auf.
Ein Abgasmassenstrom A kann über eine Einlassöffnung 2.1 in die Vorkammer 2 gelangen. Ein erster Anteil A1 des Abgasmassenstroms A kann von hier aus über Einströmöffnungen 3.1, die als Längsschlitze ausgebildet sind, in den Mischer 3 strömen. Ein zweiter Anteil A2 des Abgasmassenstroms A kann über eine Durchströmöffnung 4.1 in den Bypass 4 geleitet werden.
Der Mischer 3 weist neben den Einströmöffnungen 3.1 eine Einspritzeinrichtung 3.2 an seiner Stirnseite 3.13 auf, mittels der ein Additiv in den Mischer 3 einspritzbar ist. Der Mischer 3 weist zudem eine Mischerwand 3.4 auf, die den ersten Anteil A1 des Abgasmassenstroms A führt. In einem Verdampfungsabschnitt 3.5 des Mischers 3, der sich stromab der Einspritzeinrichtung 3.2 befindet, sind Perforationen 3.8 vorgesehen, über die ein Teil des Abgases aus dem Bypass 4 in den Mischer 3 gelangen kann. Weiter stromab der Perforationen 3.8 ist eine Ausströmöffnung 3.9 vorgesehen, über die der erste Anteil A1 des Abgasmassenstroms A in die Nachkammer 9 münden kann.
Der Regelkörper 5 variiert den zweiten Anteil A2 des Abgasmassenstroms A, der durch den Bypass 4 strömen kann. Hierzu kann der Regelkörper 5, der hier als bewegbar gelagerte Klappe ausgebildet ist, den Strömungsquerschnitt Q der Durchströmöffnung 4.1 mittels eines Stellglieds 5.1 variieren, sodass ein Verhältnis V mit $V = \frac{A 2}{A 1}$
variierbar ist. Eine elektrische Steuereinrichtung 6 ist mit dem Regelkörper 5 gekoppelt. Diese regelt den Regelkörper 5 über das Stellglied 5.1 in Abhängigkeit von zumindest einem Motorparameter, insbesondere der Motorlast und/oder der Motordrehzahl, einer Abgastemperatur und/oder des Abgasmassenstroms A derart, dass eine Varianzbandbreite ΔA1 des ersten Anteils A1 des Abgasmassenstroms A minimiert ist. Der Bypass 4 weist zudem einen Bypasskanal 4.3 auf, durch den der zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A strömt. Der zweiten Anteil A2 des Abgasmassenstroms A gelangt über eine Austrittsöffnung 4.2 in die Nachkammer 9.
In der Nachkammer 9 werden der erste Anteil A1 und der zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A zusammengeführt. Der Abgasmassenstrom A verlässt über eine Auslassöffnung 9.1 der Nachkammer 9 die Mischeranordnung 1.
Die Öffnungen sind jeweils durch die gestrichelten Linien angedeutet.
Nach 2 weist der Mischer 3 einen Einspritzabschnitt 3.3 und einen Verdampfungsabschnitt 3.5 auf. Der Einspritzabschnitt 3.3 ist der Raum, in den die Einspritzeinrichtung 3.2 ein Additiv einspritzt. Der Verdampfungsabschnitt 3.5 ist stromab des Einspritzabschnitts 3.3 vorgesehen. Der Einspritzkonus des Additivs ist durch die gepunktete Linie angedeutet. Um den Einspritzabschnitt 3.3 herum sind die Einströmöffnungen 3.1 angeordnet, wobei zur übersichtlicheren Darstellung hier nur eine der Einspritzöffnungen 3.1 dargestellt ist. Ebenso ist nur eine Öffnung der Perforation 3.8 dargestellt. Der Einspritzkonus weitet sich auf, sodass das Additiv im Verdampfungsabschnitt 3.5 die Mischerwand 3.4 auf einer zweiten Oberfläche 3.11, mithin der Innenseite der Mischerwand 3.4, benetzt. Die gepunktet-gestrichelte Linie verdeutlicht den Übergang zwischen dem Einspritzabschnitt 3.3 und Verdampfungsabschnitt 3.5 des Mischers 3.
Die Mischerwand 3.4 des Verdampfungsabschnitts 3.5 bildet in einem Überlappungsbereich 3.10 einen Teil des Bypasskanals 4.3 aus. Damit ist ein Wärmeaustausch zwischen dem Bypasskanal 4.3 und der Mischerwand 3.4 gewährleistet.
Der Mischer 3 weist im Verdampfungsabschnitt 3.5 erhabene Strukturen 7.1, 7.2 auf. Die Strukturen 7.1, 7.2 sind an einer ersten Oberfläche 3.6 des Mischers 3, mithin der Außenseite der Mischerwand 3.4, die dem Bypasskanal 4.3 zugewandt ist im Überlappungsbereich 3.10 vorgesehen. Die Strukturen 7.1 sind integraler Bestandteil der ersten Oberfläche 3.6 der Mischerwand 3.4. Die Strukturen 7.2 sind dagegen separat zur ersten Oberfläche 3.6 der Mischerwand 3.4 ausgebildet. Im Überlappungsbereich 3.10 an der ersten Oberfläche 3.6 des Mischers 3 ist zudem ein aktives Heizelement 8 zum Heizen der Mischerwand 3.4 vorgesehen. Stromab des aktiven Heizelements 8 ist die Mischerwand uneben, mithin gewellt. Mittels dieser Maßnahmen kann die Temperatur der Mischerwand 3.4 im Verdampfungsabschnitt 3.5 zusätzlich erhöht werden, sodass lokale Abkühlungen der Mischerwand 3.4 vermieden werden, wodurch einer Ablagerung des eingespritzten Additivs vorgebeugt wird.
In 3a ist der Regelkörper 5 ist einer zweiten Position P2 dargestellt. In der zweiten Position P2 ist der Regelkörper 5 vollständig geöffnet und gibt 100 % eines effektiven Strömungsquerschnitts Q der Durchströmöffnung 4.1 frei. Im Gegensatz hierzu ist in 3b die Regelkörper 5 in einer ersten Position P1 gezeigt, in der sie den effektiven Strömungsquerschitt Q der Einspritzöffnung 4.1 vollständig verschließt. In der geschlossenen Position P1 ist der Bypass 4 überbrückt und der gesamte Abgasmassenstrom A strömt durch den Mischer 3.
Nach 4 weist der Mischer 3 Flügel 3.7 auf, die jeweils an den Einströmöffnungen 3.1 vorgesehen sind. Die Flügel 3.7 sind jeweils gegenüber der Einströmöffnungen 3.1 in einem Winkel α angestellt. Dies gewährleistet, dass der Abgasmassenstrom B durch jede der Einströmöffnungen 3.1 gleich ist. Durch diese Maßnahme fallen die Drallachse der Drallbewegung und die Mittelachse 3.12 des Mischers 3 zusammen, was zusätzlich Ablagerungen von Additiv vermeidet.
Die Mischeranordnung 1 ist in einer Abgasanlage 14 nach 5 vorgesehen. Die Abgasanlage 14 beginnt nach einem Motor 11 in der Abgasanlage 14. Stromab des Motors 11 ist die Mischeranordnung 1 platziert. Stromab der Mischeranordnung 1 ist ein Katalysator 12 vorgesehen. Bei dem Katalysator 12 kann es sich um einen SCR und/oder einen SDPF handeln. Der Abgasmassenstrom A, der durch die Abgasanlage 14 geleitet wird, mündet über die Auspufföffnung 13 in einer Umgebung U. Die dargestellten Komponenten sind über eine Abgasleitung 15 strömungstechnisch verbunden. Die Abgasanlage 14 kann weitere Komponenten aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Mischeranordnung
2: Vorkammer
2.1: Einlassöffnung
3: Mischer
3.1: Einstromöffnungen, Längsschlitze
3.2: Einspritzeinrichtung
3.3: Einspritzabschnitt
3.4: Mischerwand
3.5: Verdampfungsabschnitt
3.6: erste Oberfläche
3.7: Flügel
3.8: Perforationen
3.9: Ausströmöffnung
3.10: Überlappungsbereich
3.11: zweite Oberfläche
3.12: Mittelachse
3.13: Stirnseite
4: Bypass
4.1: Durchströmöffnung
4.2: Austrittsöffnung
4.3: Bypasskanal
5: Regelkörper
5.1: Stellglied
6: elektrische Steuereinrichtung
7.1: erhabene Strukturen, integraler Bestandteil der ersten Oberfläche
7.2: erhabene Strukturen, separat zur ersten Oberfläche
8: aktives Heizelement
9: Nachkammer
9.1: Auslassöffnung
10: Trennwand
11: Motor
12: Katalysatoren
13: Auspufföffnung
14: Abgasanlage
15: Abgasleitung
A: Abgasmassenstrom
A1: erster Anteil
A2: zweiter Anteil
B: Abgasmassenstrom
P1: erste Position
P2: zweite Position
Q: Strömungsquerschnitt
U: Umgebung
V: Verhältnis
α: Winkel
ΔA1: Varianzbandbreite

Claims

Mischeranordnung (1) für eine Abgasanlage (14), aufweisend - eine Einlassöffnung (2.1), durch die ein Abgasmassenstrom A in die Mischeranordnung (1) leitbar ist, - einen Mischer (3) zur Verwirbelung des Abgases, der zumindest eine Einströmöffnung (3.1) aufweist, wobei zumindest ein erster Anteil A1 des Abgasmassenstroms A durch die zumindest eine Einströmöffnung (3.1) durch den Mischer (3) leitbar ist, - eine Einspritzeinrichtung (3.2), über die ein Additiv einspritzbar ist, - einen Bypass (4) mit zumindest einer Durchströmöffnung (4.1), durch die ein zweiter Anteil A2 des Abgasmassenstroms A am Mischer (3) vorbei leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Regelkörper (5) vorgesehen ist, mittels dem ein Strömungsquerschnitt Q in der Mischeranordnung (1) variierbar ist, sodass ein Verhältnis V mit $V = \frac{A 2}{A 1}$
variierbar ist.
Mischeranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzeinrichtung (3.2) am Mischer (3) platziert ist, wobei über die Einspritzeinrichtung (3.2) ein Additiv in einen Einspritzabschnitt (3.3) des Mischers (3) einspritzbar ist.
Mischeranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkörper (5) ein Stellglied (5.1) aufweist, mittels dessen das Verhältnis V so variierbar ist, dass eine Varianzbandbreite ΔA1 des ersten Anteils A1 des Abgasmassenstroms A in Abhängigkeit von zumindest einem Motorparameter minimiert wird.
Mischeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronisches Steuergerät (6) vorgesehen ist, das mit dem Regelkörper (5) gekoppelt ist und das ein Stellglied (5.1) des Regelkörpers (5) in Abhängigkeit von zumindest einem Motorparameter regelt.
Mischeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (5) in eine erste Position P1 und eine zweite Position P2 bringbar ist, wobei der zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A durch den Bypass (4) in der ersten Position P1 des Regelkörpers (5) höchstens 30 %, 20 %, 10 % oder 0 % gegenüber dem zweiten Anteil A2 des Abgasmassenstroms A in einer zweiten Position P2 des Regelkörpers (5) beträgt.
Mischeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (3) eine Mischerwand (3.4) aufweist, die rohrförmig ausgebildet ist, wobei mehrere Einströmöffnungen (3.1) vorgesehen sind, wobei zumindest ein Flügel (3.7) vorgesehen ist, der in einem Winkel α gegenüber einer Einströmöffnung (3.1) angestellt ist, sodass eine Drallbewegung des Abgases in dem Einspritzabschnitt (3.3) erzeugbar ist.
Mischeranordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Flügel (3.7) in einem unterschiedlichen Winkel α gegenüber der entsprechenden Einströmöffnung (3.1) derart angestellt sind, dass der Abgasmassenstrom B durch jede der Einströmöffnungen (3.1) vergleichmäßigt wird.
Mischeranordnung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (3) eine Mischerwand (3.4) aufweist, wobei die Mischerwand (3.4) stromab des Einspritzabschnitts (3.3) einen Verdampfungsabschnitt (3.5) aufweist, der mit dem Additiv benetzbar ist.
Mischeranordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktives Heizelement (8) zum Heizen des Verdampfungsabschnitts (3.5) vorgesehen ist.
Mischeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (3) eine Mischerwand (3.4) und der Bypass (4) einen Bypasskanal (4.3) aufweist, wobei im Bereich des Verdampfungsabschnitts (3.5) die Mischerwand (3.4) den Bypasskanal (4.3) zumindest teilweise ausbildet, die Mischerwand (3.4) an den Bypasskanal (4.3) zumindest teilweise angrenzt oder die Mischerwand (3.4) an den Bypasskanal (4.3) zumindest teilweise angeschlossen ist, so dass jeweils zwischen der Mischerwand (3.4) und dem zweiten Anteil A2 des Abgasmassenstrom A ein Wärmeaustausch stattfinden kann.
Mischeranordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdampfungsabschnitt (3.5) eine Perforation (3.8) der Mischerwand (3.4) vorgesehen ist.
Mischeranordnung (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer zum Bypasskanal (4.3) gewandten ersten Oberfläche (3.6) im Bereich des Verdampfungsabschnitts (3.5) zumindest eine erhabene Struktur (7.1, 7.2) vorgesehen ist, und/oder dass eine mit dem Additiv benetzbare, zweite Oberfläche (3.11) der Mischwand (3.4) des Verdampfungsabschnitts (3.5) geglättet ist.
Mischeranordnung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachkammer (9) stromab des Mischers (3) vorgesehen ist, in der der erste Anteil A1 des Abgasmassenstroms A und der zweite Anteil A2 des Abgasmassenstroms A zusammenführbar sind, wobei die Nachkammer (9) eine Auslassöffnung (9.1) aufweist, aus der der Abgasmassenstrom A aus der Mischeranordnung (1) leitbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Mischeranordnung (1) für eine Abgasanlage, aufweisend - eine Einlassöffnung (2.1), durch die ein Abgasmassenstrom A geleitet wird, - einen Mischer (3), der zumindest eine Einströmöffnung (3.1) aufweist, wobei zumindest ein erster Anteil A1 des Abgasmassenstroms A durch die zumindest eine Einströmöffnung (3.1) durch den Mischer (3) geleitet wird, wobei der Mischer (3) eine Einspritzeinrichtung (3.2) aufweist, wobei über die Einspritzeinrichtung (3.2) ein Additiv in einen Einspritzabschnitt (3.3) des Mischers (3) eingespritzt wird, - einen Bypass (4) mit zumindest einer Durchströmöffnung (4.1), durch die ein zweiter Anteil A2 des Abgasmassenstroms A am Mischer (3) vorbei geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelkörper (5) vorgesehen ist, wobei mittels des Regelkörpers (5) zumindest ein Strömungsquerschnitt in der Mischeranordnung (1) variiert wird, sodass ein Verhältnis V mit $V = \frac{A 2}{A 1}$
während des Betriebs der Abgasanlage (14) variiert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Mischeranordnung (1) für eine Abgasanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkörper (5) ein Stellglied (5.1) aufweist, mittels dessen das Verhältnis V so variiert wird, dass eine Varianzbandbreite ΔA1 des ersten Anteils A1 des Abgasmassenstroms A in Abhängigkeit von zumindest einem Motorparameter minimiert wird.