DE102021120333A1

DE102021120333A1 - Zweistufiger Mischer

Info

Publication number: DE102021120333A1
Application number: DE102021120333.3A
Authority: DE
Inventors: Yung T. Bui; Srinivasa Perumal VELU
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2021-08-04
Publication date: 2022-02-17
Also published as: US11247173B1; US20220047990A1; CN114076018A

Abstract

Ein zweistufiger Mischer (112) kann ein Führungselement (202) und ein Mischelement (204) beinhalten. Das Führungselement (202) kann derart konfiguriert sein, dass es fest an einem Innenraum (206) einer Abgasleitung (106) befestigt werden kann. Das Mischelement (204) kann derart konfiguriert sein, dass es an dem Innenraum (206) der Abgasleitung (106) in einer Position stromabwärts des Führungselements (202) fest befestigt wird. Das Mischelement (204) kann eine zentrale Scheibe (228), eine Mehrzahl von Befestigungsarmen (230), die sich radial von der zentralen Scheibe (228) erstrecken, und eine Mehrzahl von Flügeln (232) beinhalten, die sich radial von der zentralen Scheibe (228) erstrecken. Wenigstens ein Befestigungsarm der Mehrzahl von Befestigungsarmen (230) kann eine sich davon erstreckende Rippe (246) beinhalten, und wenigstens ein Flügel der Mehrzahl von Flügeln (232) kann eine sich davon erstreckende Rippe (254) beinhalten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf einen Mischer für zwei oder mehr Fluide und beispielsweise auf einen zweistufigen Mischer für die Homogenisierung eines Flusses der zwei oder mehr Fluide in einem Abgasnachbehandlungssystem.
Stand der Technik
In einem Abgasnachbehandlungssystem führt eine Reduktionsmitteleinspritzdüse ein Reduktionsmittel (z. B. eine Harnstofflösung, ein wasserfreies Ammoniak, ein wässriges Ammoniak und/oder Ähnliches) in eine Abgasleitung ein, die einen Abgasstrom von einem Motor zu einem Modul für selektive katalytische Reduktion (SCR) leitet. Sobald der Abgasstrom in das SCR-Modul eintritt, reagiert das Reduktionsmittel selektiv mit Stickstoffoxiden (NOx) in dem Abgasstrom, um das NOx in andere Verbindungen umzuwandeln, die den Emissionsnormen entsprechen, wie Distickstoff (N₂), Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂) und/oder Ähnliches.
Sobald das Reduktionsmittel jedoch in den Abgasstrom eingeführt wird, neigt es dazu, sich auf den Oberflächen der Abgasleitung abzusetzen und im Laufe der Zeit kristalline Ablagerungen auszubilden, die den Fluss des Abgasstroms behindern. Außerdem neigt das Reduktionsmittel, wenn es durch die Reduktionsmitteleinspritzdüse eingeführt wird, dazu, sich ungleichmäßig mit dem Abgasstrom zu vermischen, was dazu führen kann, dass unerwünschte Verbindungen durch das SCR-Modul gelangen. Beispielsweise kann das Abgasnachbehandlungssystem aufgrund dessen, dass der Abgasstrom zu wenig Reduktionsmittel in Abschnitten davon aufweist, einen Überschuss an Stickstoffoxiden ausstoßen und somit die Emissionsnormen nicht erfüllen. Ein weiteres Beispiel: Aufgrund dessen, dass der Abgasstrom in anderen Abschnitten davon einen Überschuss an Reduktionsmittel aufweist, kann das Abgasnachbehandlungssystem nicht reagiertes Ammoniak (NH₃) ausstoßen, das oft als Ammoniakschlupf bezeichnet wird.
Ein Versuch, die Leistung eines Abgasnachbehandlungssystems zu verbessern, ist in dem koreanischen Patent KR 101717603 B1 („das '603-Patent“) offenbart, das an Song II Hwan am 5. April 2017 erteilt wurde. Insbesondere offenbart das '603-Patent eine Mischereinrichtung zum Verteilen eines reduzierenden Mittels, bevor das Abgas in eine SCR-Vorrichtung eintritt. Die Mischereinrichtung beinhaltet einen Gehäuseteil und eine Mischeinheit, die im Inneren des Gehäuseteils angeordnet ist. Die Mischeinheit weist ein Innenrohr, ein Außenrohr, einen ersten Flügelteil, der zwischen dem Außenrohr und dem Gehäuseteil angeordnet ist, und einen zweiten Flügelteil auf, der zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr angeordnet ist. Ein oder mehrere Stützteile können ferner derart angeordnet sein, dass sie das Innenrohr und das Außenrohr miteinander verbinden und an einer inneren Umfangsseite des Gehäuseteils gestützt werden. Der Stützteil kann beispielsweise in einen vertikalen Stützteil, der in Längsrichtung gestützt wird, und einen horizontalen Stützteil unterteilt sein, der in Querrichtung gestützt wird.
Der zweistufige Mischer der vorliegenden Offenbarung ist auf die Überwindung eines oder mehrerer der vorstehend genannten Probleme ausgerichtet.
Kurzdarstellung
In einigen Implementierungen beinhaltet ein zweistufiger Mischer ein Führungselement, das derart konfiguriert ist, dass es fest an einem Innenraum einer Abgasleitung befestigt werden kann; und ein Mischelement, das derart konfiguriert ist, dass es fest an dem Innenraum der Abgasleitung in einer Position stromabwärts des Führungselements befestigt werden kann, wobei das Mischelement umfasst: eine zentrale Scheibe, eine Mehrzahl von Befestigungsarmen, die sich radial von der zentralen Scheibe aus erstrecken, wobei jeder Befestigungsarm der Mehrzahl von Befestigungsarmen eine erste Seitenkante mit einer ersten Länge aufweist und wobei wenigstens ein Befestigungsarm der Mehrzahl von Befestigungsarmen eine Rippe aufweist, die sich von der ersten Seitenkante aus erstreckt, und eine Mehrzahl von Flügeln, die sich radial von der zentralen Scheibe aus erstrecken, wobei jeder Flügel der Mehrzahl von Flügeln eine zweite Seitenkante mit einer zweiten Länge aufweist, die kleiner ist als die erste Länge, wobei wenigstens ein Flügel der Mehrzahl von Flügeln eine Rippe aufweist, die sich von der zweiten Seitenkante aus erstreckt.
In einigen Implementierungen beinhaltet ein zweistufiger Mischer eine Abgasleitung mit einem Innenraum; ein Führungselement, das fest an dem Innenraum der Abgasleitung befestigt ist, wobei das Führungselement einen ebenen Körper umfasst; und ein Mischelement, das fest an dem Innenraum der Abgasleitung in einer Position stromabwärts von dem Führungselement befestigt ist, wobei das Mischelement umfasst: eine zentrale Scheibe, eine Mehrzahl von Befestigungsarmen, die sich radial von der zentralen Scheibe aus erstrecken und fest an dem Innenraum der Abgasleitung befestigt sind, wobei jeder Befestigungsarm der Mehrzahl von Befestigungsarmen eine erste Seitenkante mit einer sich davon erstreckenden ersten Rippe aufweist, und eine Mehrzahl von Flügeln, die sich radial von der zentralen Scheibe aus erstrecken, wobei jeder Flügel der Mehrzahl von Flügeln eine zweite Seitenkante mit einer sich davon erstreckenden zweiten Rippe aufweist.
In einigen Implementierungen beinhaltet ein Abgasnachbehandlungssystem eine Reduktionsmitteleinspritzdüse, die derart konfiguriert ist, dass sie Reduktionsmittel in einen Abgasstrom einspritzt; ein Führungselement, das derart konfiguriert ist, dass es innerhalb des Abgasstroms angeordnet ist, um Tröpfchen des Reduktionsmittels aufzubrechen und entlang des Abgasstroms zu führen; und ein Mischelement, das derart konfiguriert ist, dass es innerhalb des Abgasstroms in einer Position stromabwärts und beabstandet von dem Führungselement angeordnet ist, um zu verursachen, dass die Tröpfchen innerhalb des Abgasstroms verteilt werden, wobei das Mischelement eine zentrale Scheibe, eine Mehrzahl von Befestigungsarmen, die sich radial von der zentralen Scheibe aus erstrecken und eine erste Länge aufweisen, und eine Mehrzahl von Flügeln umfasst, die sich radial von der zentralen Scheibe aus erstrecken und eine zweite Länge aufweisen, die geringer ist als die erste Länge.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Energiesystems.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines zweistufigen Mischers des Energiesystems von 1.
3 ist eine Frontansicht des zweistufigen Mischers aus 2.
4 ist eine Draufsicht auf den zweistufigen Mischer von 2.
5 ist eine Seitenansicht des zweistufigen Mischers von 2.

Detaillierte Beschreibung
Diese Offenbarung bezieht sich auf einen zweistufigen Mischer, der auf jedes System anwendbar ist, das an der Kombination von zwei oder mehr Fluiden beteiligt ist. Das System kann beispielsweise ein Energiesystem, ein Abgasnachbehandlungssystem und/oder Ähnliches sein. Das System kann in einem Fahrzeug, wie einem Kraftfahrzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Wasserfahrzeug, einem Flugzeug und/oder Ähnlichem, implementiert werden.
Für die Vereinfachung der nachstehenden Erläuterungen können für gleiche Merkmale dieselben Referenznummern verwendet werden. Die Zeichnungen sind möglicherweise nicht maßstabsgetreu.
1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Energiesystems 100. Das Energiesystem 100 beinhaltet einen Motor 102 und ein Abgasnachbehandlungssystem 104, die über eine Abgasleitung 106 miteinander verbunden sind. Der Motor 102 kann ein Verbrennungsmotor sein, wie ein Dieselmotor, ein Benzinmotor und/oder Ähnliches. Der Motor 102 ist derart konfiguriert, dass er Abgas in die Abgasleitung 106 ausstößt, um einen Abgasstrom auszubilden. Der Abgasstrom kann Emissionsstoffe wie Stickoxide (NOx), Partikel, Kohlenwasserstoffe und/oder Ähnliches beinhalten.
Das Abgasnachbehandlungssystem 104, das stromabwärts des Motors 102 positioniert ist, ist derart konfiguriert, dass es die Emissionsverbindungen in dem Abgasstrom reduziert oder entfernt, um die Emissionsnormen zu erfüllen. Um das NOx in dem Abgasstrom zu behandeln, beinhaltet das Abgasnachbehandlungssystem 104 ein Reduktionsmittelzufuhrmodul 108, ein SCR-Modul 110 und einen dazwischen liegenden zweistufigen Mischer 112. In einigen Ausführungsformen kann das Abgasnachbehandlungssystem 104 ferner ein Dieselpartikelfilter (DPF) für die Behandlung der Partikel in dem Abgasstrom und/oder einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) für die Behandlung der Kohlenwasserstoffe in dem Abgasstrom beinhalten.
Das Reduktionsmittelzufuhrmodul 108 beinhaltet einen Vorratstank 114, eine Reduktionsmitteleinspritzdüse 116 und eine Pumpe 118, die fluidisch dazwischen verbunden ist. Der Vorratstank 114 ist derart konfiguriert, dass darin Reduktionsmittel gelagert werden kann. Das Reduktionsmittel ist ein Fluid, das derart konfiguriert ist, dass es mit dem NOx in dem Abgasstrom reagiert, um das NOx in andere Verbindungen wie Distickstoff (N₂), Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂) und/oder Ähnliches umzuwandeln. Das Reduktionsmittel kann beispielsweise eine Harnstofflösung (z. B. Dieselabgasfluid (DEF)), wasserfreies Ammoniak, wässriges Ammoniak und/oder Ähnliches sein.
Die Pumpe 118 ist derart konfiguriert, dass sie das Reduktionsmittel aus dem Vorratstank 114 unter Druck setzt und mit einer Durchflussrate, die im Wesentlichen proportional zu der Durchflussrate des Abgasstroms ist, der Reduktionsmitteleinspritzdüse 116 zuführt. Die Reduktionsmitteleinspritzdüse 116 ist fest an der Abgasleitung 106 befestigt und derart konfiguriert, dass sie das Reduktionsmittel aus dem Vorratstank 114 über einen Einlass in der Abgasleitung 106 in den Abgasstrom abgibt. Das Reduktionsmittel kann in den Abgasstrom in einer Richtung 120 eintreten, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Flussrichtung 122 des Abgasstroms verläuft.
Das SCR-Modul 110, das stromabwärts des Einlasses positioniert ist, beinhaltet einen Katalysator, der derart konfiguriert ist, dass er den Abgasstrom aufnimmt und eine NOx-Konzentration darin reduziert. Das SCR-Modul 110 kann, um zu ermöglichen, dass der Abgasstrom dahindurch passiert, eine wabenförmige oder anderweitig poröse Struktur aufweisen. Der zweistufige Mischer 112, der nachstehend im Zusammenhang mit den 2-5 näher beschrieben wird, ist fest in der Abgasleitung 106 zwischen dem Motor 102 und dem SCR-Modul 110 befestigt. Der zweistufige Mischer 112 ist derart konfiguriert, dass er das von der Reduktionsmitteleinspritzdüse 116 zugeführte Reduktionsmittel mit dem Abgasstrom mischt, bevor der Abgasstrom in das SCR-Modul 110 eintritt.
Wie vorstehend angegeben, ist 1 als ein Beispiel bereitgestellt. Andere Beispiele können von der Beschreibung in 1 abweichen. Die in 1 gezeigte Anzahl und Anordnung der Vorrichtungen sind als ein Beispiel bereitgestellt. In der Praxis kann es zusätzliche Vorrichtungen, weniger Vorrichtungen, andere Vorrichtungen, anders angeordnete Vorrichtungen als die in 1 gezeigten geben. Darüber hinaus können zwei oder mehr der in 1 gezeigten Vorrichtungen in einer einzigen Vorrichtung implementiert werden, oder eine einzelne Vorrichtung in 1 kann als mehrere, verteilte Vorrichtungen implementiert werden. Das Reduktionsmittelzufuhrmodul 108 kann beispielsweise eine Mehrzahl von Reduktionsmitteleinspritzdüsen beinhalten, um das Reduktionsmittel in den Abgasstrom abzugeben.
Die 2-5 zeigen den zweistufigen Mischer 112 in einem Abschnitt der Abgasleitung 106. 2 ist eine perspektivische Ansicht des zweistufigen Mischers 112. 3 ist eine Vorderansicht des zweistufigen Mischers 112. 4 ist eine Draufsicht auf den zweistufigen Mischer 112. 5 ist eine Seitenansicht des zweistufigen Mischers 112.
Wie in den 2-5 gezeigt, beinhaltet der zweistufige Mischer 112 ein Führungselement 202 und ein Mischelement 204, die fest an einem Innenraum 206 der Abgasleitung 106 befestigt sind. Das Führungselement 202 ist derart aufgebaut und in der Abgasleitung 106 angeordnet, dass eine erste Stufe des Mischens des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom erleichtert wird. Die erste Stufe des Mischens beinhaltet das Aufbrechen von Tröpfchen des Reduktionsmittels und das Führen der Tröpfchen zu dem Mischelement 204. Das Mischelement 204 ist derart aufgebaut und in der Abgasleitung 106 angeordnet, dass eine zweite Stufe des Mischens des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom erleichtert wird. In der zweiten Stufe des Mischens beinhaltet das weitere Aufbrechen der Tröpfchen des Reduktionsmittels und das Erzeugen in dem Abgasstrom von Verwirbelungen und Taumelbewegungen, um das Reduktionsmittel gleichmäßig mit dem Abgas zu vermischen.
Das Führungselement 202 beinhaltet einen ebenen Körper 208 mit einer Mehrzahl von Befestigungslaschen 210, die sich davon erstrecken, um die Anbringung an der Abgasleitung 106 zu erleichtern. Der ebene Körper 208 beinhaltet eine obere Oberfläche 212, eine untere Oberfläche 214 und eine Umfangsoberfläche 216, die die obere Oberfläche 212 mit der unteren Oberfläche 214 verbindet. Die Umfangsoberfläche 216 beinhaltet eine erste Seite 218, eine zweite Seite 220, eine dritte Seite 222 und eine vierte Seite 224. Die erste Seite 218 der Umfangsoberfläche 216 ist einstückig mit einer ersten Untergruppe der Mehrzahl von Befestigungslaschen 210 verbunden. Die dritte Seite 222 der Umfangsoberfläche 216, die der ersten Seite 218 der Umfangsoberfläche 216 gegenüberliegt, ist einstückig mit einer zweiten Untergruppe der Mehrzahl von Befestigungslaschen 210 verbunden. Die Mehrzahl von Befestigungslaschen 210 sind fest mit dem Innenraum 206 der Abgasleitung 106 befestigt (z. B. durch Schweißen, Löten und/oder Ähnliches).
Es sind zwar vier Befestigungslaschen gezeigt (z. B. in 4), in der Praxis kann jedoch ebenso eine andere Anzahl von Befestigungslaschen verwendet werden (z. B. sechs Befestigungslaschen, acht Befestigungslaschen und/oder Ähnliches). In einigen Ausführungsformen kann das Führungselement 202 für die Vereinfachung der Fertigung des Führungselements 202 nicht die Mehrzahl von Befestigungslaschen 210 beinhalten. So können in einem solchen Beispiel die erste Seite 218 und die dritte Seite 222 direkt an dem Innenraum 206 der Abgasleitung 106 angebracht werden (z. B. durch Schweißen, Löten und/oder Ähnliches).
Das Führungselement 202 wird, um die Tröpfchen des in den Abgasstrom eingespritzten Reduktionsmittels aufzunehmen und aufzubrechen, an der Reduktionsmitteleinspritzdüse 116 ausgerichtet. Wie in den 2 und 5 gezeigt, kann beispielsweise die vierte Seite 224 des Führungselements 202 näher an der Reduktionsmitteleinspritzdüse 116 positioniert sein als die zweite Seite 220 des Führungselements 202. Das Führungselement 202 ist, um die Tröpfchen des Reduktionsmittels zu einem zentralen Abschnitt des Mischelements 204 zu führen, in der Abgasleitung 106 derart angeordnet, dass sich die erste Seite 218 und die dritte Seite 222 in einer Richtung erstrecken, die im Wesentlichen parallel zu einer zentralen Achse 226 der Abgasleitung 106 verläuft. Außerdem kann das Führungselement 202, wie in den 2 und 5 gezeigt, näher an der Unterseite der Abgasleitung 106 positioniert werden, sodass die zentrale Achse 226 der Abgasleitung 106 zwischen der Reduktionsmitteleinspritzdüse 116 und dem Führungselement 202 liegt.
Das Führungselement 202 kann aus einem einzigen, einstückigen Stück korrosionsbeständigem Material, wie rostfreiem Stahl, ausgebildet sein. Wie in 4 gezeigt, weist das Führungselement 202 eine Breite „W“ in einem Bereich von ungefähr 60 % bis ungefähr 100 % des Durchmessers „D“ der Abgasleitung 106 auf, damit es fest in der Abgasleitung 106 gesichert werden kann. In einigen Ausführungsformen kann die Breite „W“ des Führungselements 202 in einem Bereich von ungefähr 80 % bis etwa 95 % des Durchmessers „D“ der Abgasleitung 106 liegen. In einigen Ausführungsformen ist die Länge „L“ des Führungselements 202, um die Tröpfchen des Reduktionsmittels zu dem Mischelement 204 abzulenken und gleichzeitig die Ausbildung von Ablagerungen auf dem Führungselement 202 zu verhindern, im Wesentlichen gleich dem Durchmesser „D“ der Abgasleitung 106. Wenn beispielsweise der Durchmesser „D“ der Abgasleitung 106 5 Zoll beträgt, kann die Breite „W“ des Führungselements 202 ungefähr 4,5 Zoll und die Länge „L“ des Führungselements 202 ungefähr 5 Zoll betragen. Andere Größen und Formen des Führungselements 202 sind möglich.
Wie in den 2-5 ferner gezeigt, beinhaltet das Mischelement 204 eine zentrale Scheibe 228 mit einer Mehrzahl von Befestigungsarmen 230 und einer Mehrzahl von Flügeln 232, die sich radial von dieser Scheibe erstrecken. Die zentrale Scheibe beinhaltet eine Vorderoberfläche 234, eine Rückoberfläche 236 und eine Umfangsoberfläche 238, die die Vorderoberfläche 234 mit der Rückoberfläche 236 verbindet. Die Mehrzahl von Befestigungsarmen 230 ist im Wesentlichen gleichmäßig um die Umfangsoberfläche 238 der zentralen Scheibe 228 beabstandet. Die Mehrzahl von Flügeln 232 ist im Wesentlichen gleichmäßig um die Umfangsoberfläche 238 der zentralen Scheibe 228 beabstandet und in Umfangsrichtung von der Mehrzahl von Befestigungsarmen 230 versetzt. So sind, von einer Richtung aus gesehen, die der Vorderoberfläche 234 der zentralen Scheibe 228 zugewandt ist, die Mehrzahl von Befestigungsarmen 230 und die Mehrzahl von Flügeln 232 abwechselnd um die Umfangsoberfläche 238 der zentralen Scheibe 228 angeordnet.
Für die Beschreibung werden im Folgenden die Strukturen eines einzelnen Befestigungsarms 230 und eines einzelnen Flügels 232 des Mischelements 204 beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass jeder Befestigungsarm die gleiche oder eine ähnliche Struktur wie der nachstehend beschriebene Befestigungsarm 230 aufweisen kann. Darüber hinaus kann jeder Flügel die gleiche oder eine ähnliche Struktur wie der nachstehend beschriebene Flügel 232 aufweisen.
Der Befestigungsarm 230 weist eine erste Seitenkante 240, eine zweite Seitenkante 242 und eine Außenkante 244 auf, die die erste Seitenkante 240 mit der zweiten Seitenkante 242 verbindet. Die erste Seitenkante 240 ist einstückig mit einer ersten Rippe 246 verbunden, die sich etwas zu einem benachbarten Flügel 232 erstreckt. Wie in 4 gezeigt, wird die Rippe 246 für die Erzeugung einer Wirbel- und/oder Taumelbewegung in dem Abgasstrom in einem Winkel „α“ relativ zu dem Befestigungsarm 230 in der Richtung 122 des Flusses des Abgasstroms gebogen. Der Winkel „α“ kann in einem Bereich von ungefähr 0 Grad bis ungefähr 90 Grad liegen. In einigen Ausführungsformen kann der Winkel „α“ in einem Bereich von ungefähr 20 Grad bis ungefähr 40 Grad liegen. Wie in 3 gezeigt, weisen die erste Seitenkante 240 und die zweite Seitenkante 242 eine erste Länge „LI“ auf, die es ermöglicht, den Befestigungsarm 230 fest an der Abgasleitung 106 zu sichern. Die Außenkante 244 ist fest an dem Innenraum 206 der Abgasleitung 106 durch Schweißen, Löten und/oder Ähnliches angebracht.
Der Flügel 232 weist eine erste Seitenkante 248, eine zweite Seitenkante 250 und eine Außenkante 252 auf, die die erste Seitenkante 248 mit der zweiten Seitenkante 250 verbindet. Die erste Seitenkante 248 ist einstückig mit einer zweiten Rippe 254 verbunden, die sich etwas zu einem benachbarten Befestigungsarm 230 erstreckt. Ähnlich wie vorstehend für die erste Rippe 246 beschrieben, ist die zweite Rippe 254 in einem Winkel „α“ relativ zu dem Flügel 232 in der Richtung 122 des Flusses des Abgasstroms gebogen. Wie in 3 gezeigt, weisen die erste Seitenkante 248 und die zweite Seitenkante 250 eine zweite Länge „L2“ auf, die geringer ist als die erste Länge „LI“ des Befestigungsarms 230, um die Flussbegrenzung zu minimieren.
Obwohl das Mischelement 204 mit drei Befestigungsarmen 230 mit drei entsprechenden ersten Rippen 246 und drei Flügeln 232 mit drei entsprechenden zweiten Rippen 254 gezeigt ist, kann das Mischelement 204 eine andere Anzahl von Befestigungsarmen, ersten Rippen, Flügeln und zweiten Rippen (z. B. vier, fünf und/oder Ähnliches) aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Führungselement 204 eine vereinfachte Gestaltung aufweisen (z. B. mit weniger oder keinen Rippen, weniger oder keinen Flügeln und/oder Ähnlichem). Während die ersten Rippen 246 und die zweiten Rippen 255 derart gezeigt sind, dass sie sich in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn um die zentrale Scheibe 228 erstrecken (z. B. bei Betrachtung in einer Richtung, die der Vorderoberfläche 234 der zentralen Scheibe 228 zugewandt ist), sollte verstanden werden, dass sich die ersten Rippen 246 und die zweiten Rippen 254 ebenso in der Richtung im Uhrzeigersinn um die zentrale Scheibe 228 erstrecken können (z. B. indem sie stattdessen an den zweiten Seitenkanten 242 und 250 bereitgestellt werden).
Das Mischelement 204 wird, um das Reduktionsmittel gleichmäßig mit dem Abgasstrom zu mischen, derart in der Abgasleitung 106 befestigt, dass die Vorderoberfläche 234 der zentralen Scheibe 228 im Wesentlichen senkrecht zu der oberen Oberfläche 212 des ebenen Körpers 208 des Führungselements 202 steht. In einer solchen Position ist das Mischelement 204 derart konfiguriert, dass es Abschnitte des Abgasstroms umlenkt, wobei dadurch Turbulenzen in dem Fluss erzeugt, die die Ausbildung von Ammoniakgas beschleunigen. Das Mischelement 204 ist, um zu ermöglichen, das Reduktionsmittel in dem gesamten Querschnitt der Abgasleitung 106 verteilt wird, stromabwärts des Führungselements 202 angeordnet, um einen Spalt 256 zwischen der zweiten Seite 220 des Führungselements 202 und der vorderen Oberfläche 234 der zentralen Scheibe 228 auszubilden. Der Spalt 256 weist eine Länge „L3“ in einem Bereich von ungefähr 10 % bis ungefähr 200 % des Durchmessers „D“ der Abgasleitung 106 auf. Wenn beispielsweise der Durchmesser „D“ der Abgasleitung 106 5 Zoll beträgt, kann die Länge „L3“ des Spalts 256 in einem Bereich von ungefähr 0,5 Zoll bis ungefähr 10 Zoll liegen.
Das Mischelement 204 ist einstückig aus einem einzigen Stück korrosionsbeständigen Materials, wie rostfreiem Stahl ausgebildet. Die zentrale Scheibe 228, die Mehrzahl von Befestigungsarmen 230 und die Mehrzahl von Flügeln 232 können im Wesentlichen eben sein. Andere Größen und Formen des Mischelements 204 sind möglich.
Wie bereits erwähnt, sind die 2-5 als ein Beispiel bereitgestellt. Andere Beispiele können von der Beschreibung in 2-5 abweichen. Die in 2-5 gezeigte Anzahl und Anordnung der Komponenten werden als ein Beispiel bereitgestellt. In der Praxis kann es zusätzliche Komponenten, weniger Komponenten, anders geformte Komponenten, anders große Komponenten oder anders angeordnete Komponenten als in den 2-5 gezeigt geben. Die zentrale Scheibe 228 kann beispielsweise eine polygonale Form (z. B. sechseckig) statt einer Kreisform aufweisen. Ein weiteres Beispiel ist, dass die Mehrzahl von Befestigungsarmen 230 und/oder die Mehrzahl von Flügeln 232 im Wesentlichen rechteckig und nicht konisch ausgebildet sein können.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Der zweistufige Mischer 112 der vorliegenden Offenbarung ist insbesondere in einem System zum Mischen von zwei oder mehr Fluiden, wie dem Abgasnachbehandlungssystem 104, einsetzbar. Das Abgasnachbehandlungssystem 104 kann in einem von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeug, wie einem Kraftfahrzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Wasserfahrzeug, einem Flugzeug und/oder Ähnlichem, implementiert werden.
Aufgrund des Aufbaus und der Anordnung des zweistufigen Mischers 112 im Verhältnis zu der Reduktionsmitteleinspritzdüse 116 hat der zweistufige Mischer 112 eine Reihe von Vorteilen. Da der zweistufige Mischer 112 in der Abgasleitung 106 angeordnet ist, um die Tropfen des Reduktionsmittels abzulenken und umzuleiten, wenn das Reduktionsmittel in den Abgasstrom eintritt, verhindert der zweistufige Mischer 112 beispielsweise die Ausbildung von Ablagerungen in dem Abgasnachbehandlungssystem 104. Dadurch ist der zweistufige Mischer 112 derart konfiguriert, dass er Verstopfungen in dem Fluss des Abgasstroms verhindert, die das Abgasnachbehandlungssystem 104 beschädigen könnten. Außerdem ist der zweistufige Mischer 112 in der Lage, das Reduktionsmittel unter verschiedenen Bedingungen gleichmäßig mit dem Abgasstrom zu vermischen. Beispielsweise ist der zweistufige Mischer 112 unter Bedingungen mit hohem Fluss (z. B. mit einer Durchflussrate des Abgasstroms von ungefähr 11.800 kg/h und einer Durchflussrate des Reduktionsmittels von ungefähr 31 kg/h), unter Bedingungen mit niedrigem Fluss (z. B. mit einer Durchflussrate des Abgasstroms von ungefähr 2.000 kg/h und einer Durchflussrate des Reduktionsmittels von ungefähr 6 kg/h), in einem linearen Abschnitt der Abgasleitung 106, in einem gekrümmten Abschnitt der Abgasleitung 106 und/oder Ähnlichem wirksam. Darüber hinaus ist der zweistufige Mischer 112 aufgrund der einfachen Gestaltung des zweistufigen Mischers 112 kostengünstig, leicht herzustellen und zu installieren und lässt sich leicht an verschiedene Anwendungen anpassen.
Die vorausgehende Offenbarung stellt Illustrationen und Darstellungen bereit, soll jedoch weder erschöpfend sein noch die Implementierungen auf die genaue offenbarte Form beschränken. Änderungen und Abweichungen können in dem Lichte der vorstehenden Offenbarung vorgenommen oder aus der Praxis der Implementierungen gewonnen werden. Darüber hinaus kann jede der hierin beschriebenen Implementierungen kombiniert werden, es sei denn, die vorangehende Offenbarung stellt ausdrücklich einen Grund bereit, warum eine oder mehrere Implementierungen nicht kombiniert werden können. Auch wenn bestimmte Kombinationen von Merkmalen in den Ansprüchen rezitiert und/oder in der Patentschrift offenbart werden, sollen diese Kombinationen die Offenbarung verschiedener Implementierungen nicht einschränken. Obwohl jeder nachstehend aufgeführte abhängige Anspruch direkt von nur einem Anspruch abhängen kann, beinhaltet die Offenbarung verschiedener Implementierungen jeden abhängigen Anspruch in Kombination mit jedem anderen Anspruch in dem Anspruchssatz.
Wie hierin verwendet, sollen „ein, eine, ein“ und ein „Satz“ einen oder mehrere Gegenstände beinhalten und können mit „ein, eine, ein oder mehrere“ austauschbar verwendet werden. Darüber hinaus soll der Artikel „der, die, das“, wie er hierin verwendet wird, einen oder mehrere Gegenstände beinhalten, auf die in Verbindung mit dem Artikel „der, die, das“ Bezug genommen wird, und kann austauschbar mit „der, die, das eine oder die mehreren“ verwendet werden. Ferner soll der Ausdruck „basierend auf‟ „wenigstens teilweise basierend auf‟ bedeuten, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Der hierin verwendete Begriff „oder“ soll bei Verwendung in einer Reihe einschließend sein und kann austauschbar mit „und/oder“ verwendet werden, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist (z. B. bei Verwendung in Kombination mit „entweder“ oder „nur einer, eine, eines von“). Ferner können hierin für die Vereinfachung der Beschreibung räumlich relative Begriffe wie „unter“, „niedriger“, „über“, „obere“ und Ähnliches verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element/anderen Elementen oder Merkmal/Merkmalen der Einfachheit halber zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Die räumlich relativen Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen der Einrichtung, der Vorrichtung und/oder des Elements in Verwendung oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung einschließen. Die Einrichtung kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen), und die hierin verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können ebenso entsprechend interpretiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 101717603 B1 [0004]

Claims

Zweistufiger Mischer (112), umfassend: eine Abgasleitung (106); ein Führungselement (202), das derart konfiguriert ist, dass es fest an einem Innenraum (206) der Abgasleitung (106) befestigt werden kann; und ein Mischelement (204), das derart konfiguriert ist, dass es an dem Innenraum (206) der Abgasleitung (106) in einer Position stromabwärts des Führungselements (202) fest befestigt werden kann, wobei das Mischelement (204) umfasst: eine zentrale Scheibe (228), eine Mehrzahl von Befestigungsarmen (230), die sich radial von der zentralen Scheibe (228) erstrecken, wobei jeder Befestigungsarm (230) der Mehrzahl von Befestigungsarmen (230) eine erste Seitenkante (240) mit einer ersten Länge (L1) aufweist, und eine Mehrzahl von Flügeln (232), die sich radial von der zentralen Scheibe (228) erstrecken, wobei jeder Flügel (232) der Mehrzahl von Flügeln (232) eine zweite Seitenkante (248) mit einer zweiten Länge (L2) aufweist, die geringer ist als die erste Länge (L1).
Zweistufiger Mischer (112) nach Anspruch 1, wobei: die Mehrzahl von Befestigungsarmen (230) im Wesentlichen gleichmäßig um eine Umfangsoberfläche (238) der zentralen Scheibe (228) beabstandet ist; und die Mehrzahl von Flügeln (232) im Wesentlichen gleichmäßig um die Umfangsoberfläche (238) der zentralen Scheibe (228) beabstandet und in Umfangsrichtung von der Mehrzahl von Befestigungsflügeln (230) versetzt sind.
Zweistufiger Mischer (112) nach einem der Ansprüche 1-2, wobei das Führungselement (202) einen ebenen Körper (208) beinhaltet und aufweist: eine Breite (W), die in einem Bereich von ungefähr 80 % bis ungefähr 95 % eines Durchmessers (D) der Abgasleitung (106) liegt; und eine Länge (L), die im Wesentlichen gleich dem Durchmesser (D) der Abgasleitung (106) ist.
Zweistufiger Mischer (112) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei: jeder Befestigungsarm (230) der Mehrzahl von Befestigungsarmen (230) eine erste Rippe (246) aufweist, die sich von der ersten Seitenkante (240) erstreckt; und jeder Flügel (232) der Mehrzahl von Flügeln (232) eine zweite Rippe (254) aufweist, die sich von der zweiten Seitenkante (248) erstreckt.
Zweistufiger Mischer (112) nach einem der Ansprüche 1-4, wobei: das Führungselement (202) und das Mischelement (204) entlang der Abgasleitung (106) voneinander beabstandet sind, um einen Spalt (256) dazwischen zu definieren; und der Spalt (256) eine Länge (L3) aufweist, die in einem Bereich von ungefähr 10 % bis ungefähr 200 % eines Durchmessers (D) der Abgasleitung (106) liegt.
Abgasnachbehandlungssystem (104), umfassend: eine Reduktionsmitteleinspritzdüse (116), die derart konfiguriert ist, dass sie Reduktionsmittel in einen Abgasstrom einspritzt; ein Führungselement (202), das derart konfiguriert ist, dass es innerhalb des Abgasstroms angeordnet ist, um Tröpfchen des Reduktionsmittels aufzubrechen und entlang des Abgasstroms zu leiten; und ein Mischelement (204), das derart konfiguriert ist, dass es innerhalb des Abgasstroms in einer Position stromabwärts und beabstandet von dem Führungselement (202) angeordnet werden soll, um zu verursachen, dass die Tröpfchen innerhalb des Abgasstroms verteilt werden, wobei das Mischelement (204) umfasst: eine zentrale Scheibe (228), und eine Mehrzahl von Befestigungsarmen (230), die sich radial von der zentralen Scheibe (228) erstreckt und eine erste Länge (L1) aufweist, und eine Mehrzahl von Flügeln (232), die sich radial von der zentralen Scheibe (228) erstreckt und eine zweite Länge (L2) aufweist, die geringer ist als die erste Länge (L1).
Abgasnachbehandlungssystem (104) nach Anspruch 6, das ferner umfasst: ein Modul für die selektive katalytische Reduktion (110), das derart konfiguriert ist, dass es den Abgasstrom aufnimmt und verarbeitet, nachdem die Tröpfchen durch das Mischelement (204) in dem Abgasstrom verteilt worden sind.
Abgasnachbehandlungssystem (104) nach einem der Ansprüche 6-7, wobei die zentrale Scheibe (228), die Mehrzahl von Befestigungsarmen (230) und die Mehrzahl von Flügeln (232) im Wesentlichen eben sind.
Abgasnachbehandlungssystem (104) nach einem der Ansprüche 6-8, wobei: jeder Befestigungsarm (230) der Mehrzahl von Befestigungsarmen (230) eine erste Rippe (246) aufweist, die sich davon entlang einer Richtung (122) des Flusses des Abgasstroms erstreckt; und jeder Flügel (232) der Mehrzahl von Flügeln (232) eine zweite Rippe (254) aufweist, die sich davon entlang der Richtung (122) des Flusses des Abgasstroms erstreckt.
Abgasnachbehandlungssystem (104) nach Anspruch 9, wobei: sich die ersten Rippen (246) von der Mehrzahl von Befestigungsarmen (230) in einem Winkel (a) in einem Bereich von ungefähr 20 Grad bis ungefähr 40 Grad erstrecken; und sich die zweiten Rippen (254) von der Mehrzahl der Flügel (232) in dem Winkel (a) erstrecken.