DE112019007452B4

DE112019007452B4 - Systeme und Verfahren zum Mischen von Abgasen und Reduktionsmittel in einem Nachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE112019007452B4
Application number: DE112019007452.0T
Authority: DE
Inventors: Z. Gerald Liu; Apoorv Kalyankar; Achuth Munnannur; Niklas M. Schmidt; David Lee Dunnuck
Original assignee: Cummins Emission Solutions Inc
Current assignee: Cummins Emission Solutions Inc
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2039-06-15
Also published as: GB202117927D0; DE112019007452T5; CN113950571B; WO2020250015A1; GB2598696B; CN113950571A; BR112021025076A2; GB2598696A

Abstract

Schaufelwirbelmischer (200) zur Abgasnachbehandlung, wobei der Schaufelwirbelmischer (200) auf einer Mischerzentralachse zentriert ist, wobei der Schaufelwirbelmischer (200) umfasst:einen Schaufelwirbelmischereinlass (202), der dazu konfiguriert ist, Abgas aufzunehmen;einen Schaufelwirbelmischerauslass (204), der dazu konfiguriert ist, das Abgas einem Katalysator bereitzustellen;eine erste Strömungsvorrichtung (206), die dazu konfiguriert ist, das Abgas von dem Schaufelwirbelmischereinlass (202) aufzunehmen und ein Reduktionsmittel so aufzunehmen, dass das Reduktionsmittel mit dem Abgas innerhalb der ersten Strömungsvorrichtung gemischt wird, wobei die erste Strömungsvorrichtung umfasst:einen Venturi-Körper (302), der durch einen Körpereinlass (1304) und einen Körperauslass (1306) definiert ist, wobei der Venturi-Körper eine Venturi-Zentralachse (AV) aufweist;eine Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln (1108), die innerhalb des Venturi-Körpers (302) und nahe dem Körpereinlass (1304) positioniert ist, wobei jede der vorgelagerten Schaufeln (1108) an eine vorgelagerte Schaufelnabe (1109) gekoppelt ist; undeine Vielzahl von Aperturen (1112) der vorgelagerten Schaufeln, die zwischen der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln (1108) beabstandet ist, wobei die Vielzahl von Aperturen (1112) der vorgelagerten Schaufeln dazu konfiguriert ist, das Abgas aufzunehmen und mit der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln (1108) zusammenzuwirken, um dem Abgas eine Wirbelströmung bereitzustellen, die ein Mischen des Reduktionsmittels und des Abgases ermöglicht; undeine Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln (310), die innerhalb des Venturi-Körpers (302) und nahe dem Körperauslass (1306) positioniert ist, wobei jede der nachgelagerten Schaufeln (310) an eine nachgelagerte Schaufelnabe (313) gekoppelt ist; undeine Vielzahl von Aperturen der nachgelagerten Schaufeln, die zwischen der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln (310) beabstandet ist, wobei die Vielzahl von Aperturen der nachgelagerten Schaufeln dazu konfiguriert ist, das Abgas aufzunehmen und mit der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln (310) zusammenzuwirken, um ein Mischen des Reduktionsmittels und des Abgases zu ermöglichen;dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der vorgelagerten Schaufelnabe (1109) und der nachgelagerten Schaufelnabe (313) radial von der Venturi-Zentralachse (AV) versetzt ist, wodurch bewirkt wird, dass einzelne der Vielzahl von Schaufeln (310, 1108), die an die radial versetzte Schaufelnabe (313, 1109) gekoppelt sind, sich in ihrer Geometrie unterscheiden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet von Nachbehandlungssystemen für Verbrennungsmotoren und insbesondere auf einen in solchen Nachbehandlungssystemen verwendeten Schaufelwirbelmischer.
STAND DER TECHNIK
Bei Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise Dieselmotoren, können Stickoxid-Verbindungen (NOx-Verbindungen) im Abgas abgegeben werden. Zum Reduzieren von NOx-Emissionen kann ein Prozess selektiver katalytischer Reduktion (SCR) implementiert werden, um die NOx-Verbindungen mit Hilfe eines Katalysators und eines Reduktionsmittels in neutralere Verbindungen, wie zweiatomigen Stickstoff oder Wasser, umzuwandeln. Der Katalysator kann in einer Katalysatorkammer eines Abgassystems, wie dem eines Fahrzeugs oder einer Energieerzeugungseinheit, eingeschlossen sein. Ein Reduktionsmittel, wie beispielsweise wasserfreies Ammoniak, wässriges Ammoniak, Dieselabgasfluid (DEF) oder wässriger Harnstoff, wird üblicherweise vor der Katalysatorkammer in den Abgasstrom eingebracht. Um das Reduktionsmittel für den SCR-Prozess in den Abgasstrom einzubringen, kann ein SCR-System das Reduktionsmittel durch ein Dosiermodul, welches das Reduktionsmittel der Katalysatorkammer vorgelagert in ein Abgasrohr der Abgasanlage verdampft oder sprüht, dosieren oder anderweitig einbringen. Das SCR-System kann einen oder mehrere Sensoren einschließen, um die Bedingungen innerhalb des Abgassystems zu überwachen.
Sobald das Reduktionsmittel in die Abgasströmung eingeführt ist, müssen die zwei gemischt werden. WO 2018/226626 A1 offenbart einen mehrstufigen Mischer, der dazu konfiguriert ist, Abgas und Reduktionsmittel aufzunehmen und das Reduktionsmittel mit dem Abgas zu mischen, um das mit Reduktionsmittel gemischte Abgas einem Katalysator bereitzustellen. Die Anmeldung erkennt, dass es vorteilhaft ist, dem Katalysator eine im Wesentlichen gleichförmige Strömung von Abgasen und Reduktionsmittel bereitzustellen, eine im Wesentlichen gleichförmige Reduktionsmittelverteilung in den Abgasen dem mehrstufigen Mischer nachgelagert zu ermöglichen und einen relativ geringen Druckabfall auf einem relativ kompakten Platz im Vergleich zu herkömmlichen Nachbehandlungssystemen bereitzustellen. Bei dem bekannten mehrstufigen Mischer wird ein Venturi dazu verwendet, eine Wirbelmischung in die Abgasströmung einzuführen, und es wird ein radialer Versatz von jenem Venturi von der Zentralachse des mehrstufigen Mischers verwendet, um so zu bewirken, dass sich ein Reduktionsmittel auf dem Venturi-Körper aufbaut, um im Wesentlichen neu auf die Abgase dem mehrstufigen Mischer nachgelagert verteilt zu werden.
Der bekannte mehrstufige Mischer ist jedoch, obwohl eine signifikante Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik vorliegt, aufgrund von Einschränkungen im Platzanspruch nicht über den kompletten Bereich von Dieselmotorsystemen proportional skalierbar. Somit wäre, um so eine bessere Skalierung zu erlauben, während immer noch ein Reduktionsmittelaufbau auf dem Venturi-Körper bewirkt wird, um im Wesentlichen neu auf die Abgase dem Mischer nachgelagert verteilt zu werden, ein verbesserter Mischer wünschenswert.
KURZDARSTELLUNG
In einer Ausführungsform ist ein Schaufelwirbelmischer zur Abgasnachbehandlung auf einer Mischerzentralachse zentriert und umfasst einen Schaufelwirbelmischereinlass, einen Schaufelwirbelmischerauslass, eine erste Strömungsvorrichtung und einen Venturi-Körper. Der Schaufelwirbelmischereinlass ist dazu konfiguriert, Abgas aufzunehmen. Der Schaufelwirbelmischerauslass ist dazu konfiguriert, das Abgas einem Katalysator bereitzustellen. Die erste Strömungsvorrichtung ist dazu konfiguriert, das Abgas von dem Schaufelwirbelmischereinlass aufzunehmen und Reduktionsmittel so aufzunehmen, dass das Reduktionsmittel mit dem Abgas innerhalb der ersten Strömungsvorrichtung gemischt wird. Die erste Strömungsvorrichtung schließt einen Venturi-Körper ein, der durch einen Körpereinlass in Fluidverbindung mit dem Schaufelwirbelmischereinlass und einem Körperauslass in Fluidverbindung mit dem Schaufelwirbelmischerauslass definiert ist. Der Venturi-Körper umfasst eine Venturi-Zentralachse. Eine Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln ist innerhalb des Venturi-Körpers und nahe dem Körpereinlass positioniert, wobei jede der vorgelagerten Schaufeln an eine vorgelagerte Schaufelnabe gekoppelt ist. Eine Vielzahl von Aperturen der vorgelagerten Schaufeln ist zwischen der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln beabstandet. Die Vielzahl von Aperturen der vorgelagerten Schaufeln ist dazu konfiguriert, das Abgas aufzunehmen und mit der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln zusammenzuwirken, um dem Abgas eine Wirbelströmung bereitzustellen, die ein Mischen des Reduktionsmittels und des Abgases ermöglicht. Eine Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln ist innerhalb des Venturi-Körpers und nahe dem Körperauslass positioniert, wobei jede der nachgelagerten Schaufeln an eine nachgelagerte Schaufelnabe gekoppelt ist. Die Vielzahl von Aperturen der nachgelagerten Schaufeln ist zwischen der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln beabstandet und die Vielzahl von Aperturen der nachgelagerten Schaufeln ist dazu konfiguriert, das Abgas aufzunehmen und mit der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln zusammenzuwirken, um ein Mischen des Reduktionsmittels und des Abgases zu ermöglichen.
Mindestens eine der vorgelagerten Schaufelnabe und der nachgelagerten Schaufelnabe ist radial von der Venturi-Zentralachse versetzt, wodurch bewirkt wird, dass sich einzelne der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln in ihrer Geometrie unterscheiden und/oder sich einzelne der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln in ihrer Geometrie unterscheiden, wie es der Fall sein kann.
In dieser Ausführungsform verteilt der Versatz der Mischerschaufeln und dadurch die variable Geometrie das Reduktionsmittel effektiv innerhalb der Wirbelströmung neu.
Gleichzeitig können die anderen Komponenten auf der Hauptachse des Schaufelwirbelmischer zentriert werden, was konzentrische Teile erlaubt, die einfacher zu skalieren und für verschiedene Größen von Motoren und Abgassystemen zu fertigen sind.
Die nachgelagerte Schaufelnabe kann nicht radial von der Venturi-Zentralachse versetzt sein. Eine alternative Definition von dieser Anordnung besteht darin, dass die nachgelagerte Schaufelnabe auf der Venturi-Zentralachse zentriert ist.
Diese Ausführungsform ermöglicht es dem Schaufelwirbelmischer, das Reduktionsmittel und das Abgas innerhalb der ersten Strömungsvorrichtung effektiv zu mischen, während ein besser zentrierter Abgasstrom den nachgelagerten Schaufeln nachgelagert ermöglicht wird und somit eine bessere Effizienz des Katalysators erlaubt wird.
Jede der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln kann durch einen Winkel der vorgelagerten Schaufel zwischen einer Zentralachse der vorgelagerten Schaufelnabe der vorgelagerten Schaufelnabe und der Ebene der vorgelagerten Schaufel definiert sein. Die Zentralachse der vorgelagerten Schaufelnabe kann parallel zu der Venturi-Zentralachse sein. Der Winkel der vorgelagerten Schaufel für jede der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln kann zwischen vierzig Grad und neunzig Grad liegen und der Winkel der vorgelagerten Schaufel für eine der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln kann sich von dem Winkel der vorgelagerten Schaufel für eine andere der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln unterscheiden.
Jede der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln kann durch einen Winkel der nachgelagerten Schaufel zwischen einer Zentralachse der nachgelagerten Schaufelnabe der nachgelagerten Schaufelnabe und der Ebene der nachgelagerten Schaufel definiert sein. Die Zentralachse der nachgelagerten Schaufelnabe kann parallel zu der Venturi-Zentralachse sein. Der Winkel der nachgelagerten Schaufel für jede der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln kann zwischen vierzig Grad und neunzig Grad liegen und der Winkel der nachgelagerten Schaufel für eine der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln kann sich von dem Winkel der nachgelagerten Schaufel für eine andere der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln unterscheiden.
Gegebenenfalls ist jede der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln und/oder die Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln an den Venturi-Körper gekoppelt und angepasst.
Die Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln und die Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln können gerade Leitungsschaufeln sein. Benachbarte gerade Leitungsschaufeln bilden dann eine Leitung dazwischen. Die Leitung weist eine Strömungsrichtung auf, die durch die Winkelhalbierende der Ebenen der benachbarten geraden Leitungsschaufeln definiert ist. Ein Strömungswinkel ist zwischen der Ebene der geraden Leitungsschaufel und einer Nabenzentralachse der Nabe der geraden Leitungsschaufel definiert. Die Nabenzentralachse der geraden Leitungsschaufel ist parallel zu der Venturi-Zentralachse. Der Strömungswinkel für jede der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln kann zwischen einschließlich dreißig Grad und neunzig Grad liegen und der Strömungswinkel für eine der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln kann sich von dem Strömungswinkel für eine andere der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln unterscheiden.
Wenn eine Schaufel, egal ob eine vorgelagerte Schaufel oder eine nachgelagerte Schaufel keine gerade Schaufel ist, aber mindestens eine Verdrehung in der radialen Richtung und eine Krümmung in der Umfangsrichtung aufweist, dann wird die Ebene der Schaufel unter Verwendung von mindestens einer von einer geeigneten Sekante als eine Referenz bestimmt.
Sekanten, die für die Verdrehung geeignet sind, sind von dem Ende der Schaufel an der Nabe zu dem radial äußeren Ende zu ziehen, an jeder der führenden und der nachlaufenden Kante der Schaufel. Diese werden dann in der Umfangsrichtung auf den Radius auf einer Hälfte der Umfangslänge der Schaufel projiziert, um so die Winkelhalbierende von diesen zwei projizierten Sekanten zu bestimmen. Die Winkelhalbierende wird dann wieder in der Umfangsrichtung zurück zu der führenden und der nachlaufenden Kante projiziert. Die Ebene, die durch die zwei projizierten Winkelhalbierenden definiert ist, wird als die Referenz verwendet.
Sekanten, die für die Krümmung geeignet sind, sollen von der führenden Kante zu der nachlaufenden Kante sowohl an dem Ende der Schaufel an der Nabe als auch an dem radial äußeren Ende gezogen werden. Die Ebene, die durch die zwei Sekanten definiert ist, wird als die Referenz verwendet.
Jede der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln kann an den Venturi-Körper gekoppelt und angepasst werden, sodass jede der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln mit dem Venturi-Körper zusammenwirkt, um eine Leitung zu bilden.
Eine der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln kann sich über eine andere der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln um einen Verlängerungsabstand erstrecken. Die eine der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln weist eine Breite in der Strömungsrichtung auf. Der Verlängerungsabstand kann zwischen null und fünfundsiebzig Prozent der Breite in der Strömungsrichtung der einen der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln liegen.
Der Venturi-Körper kann eine Abgasführungsapertur umfassen, die entlang des Venturi-Körpers zwischen dem Körpereinlass und dem Körperauslass angeordnet ist.
Die Abgasführungsapertur kann kreisförmig, alternativ elliptisch sein. Die elliptische Führungsapertur kann so bemessen sein, dass sie die gleiche Öffnungsfläche wie die kreisförmige Abgasführungsapertur aufweist, während erlaubt wird, dass der Venturi-Körper eine geringere Länge in der axialen Richtung der Mischerzentralachse erfordert, und der Platz zwischen einem vorgelagerten Mischer und einem nachgelagerten Mischer reduziert wird. Ein Reduzieren des Abstands zwischen den Mischern erhöht ein verfügbares Volumen zwischen dem nachgelagerten Mischer und einem SCR-Einlass, fördert eine bessere Zersetzung und ein Mischen des Reduktionsmittels und verbessert die Effizienz des SCR-Systems, NOx-Emissionen zu reduzieren.
Der Schaufelwirbelmischer kann einen Reduktionsmitteldosierer umfassen, durch den das Reduktionsmittel in den Schaufelwirbelmischer eingeführt wird. Der Dosierer kann sich um die Abgasführungsapertur herum befinden. Wenn Letzteres der Fall ist, sind der Dosierer und die Abgasführungsapertur auf einer vertikalen Mittelebene des Schaufelwirbelmischers platziert, die das Reduktionsmittel in Richtung der Mischerzentralachse lenkt. Alternativ sind der Dosierer und die Abgasführungsapertur von einer vertikalen Mittelebene des Schaufelwirbelmischers versetzt platziert, die das Reduktionsmittel in Richtung der Venturi-Wände lenkt. Dieser Versatz kann mit einem Versatz der Schaufelnabe des vorgelagerten Mischers und/oder des nachgelagerten Mischers korrelieren. Wenn sich der Dosierer nicht um die Abgasführungsapertur herum befindet, kann nur der Dosierer auf einer vertikalen Mittelebene des Schaufelwirbelmischers platziert werden, die das Reduktionsmittel in Richtung der Mischerzentralachse lenkt, oder alternativ in einem Versatz einer vertikalen Mittelebene des Schaufelwirbelmischers platziert werden, die das Reduktionsmittel in Richtung der Venturi-Wände lenkt. Der Versatz kann wiederum mit einem Versatz der Schaufelnaben des vorgelagerten und/oder des nachgelagerten Mischers korrelieren.
In einer Ausführungsform ist die Venturi-Zentralachse radial von der Mischerzentralachse versetzt. Alternativ und wie auch unten beschrieben und in den beigefügten Zeichnungen gezeigt, ist die Venturi-Zentralachse auf der Mischerzentralachse zentriert.
Der Schaufelwirbelmischer kann Teil eines mehrstufigen Mischers sein, wie er in WO 2018/226626 A1 gezeigt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Details einer oder mehrerer Implementierungen werden in den begleitenden Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der Offenbarung werden anhand der Beschreibung, der Zeichnungen und der Ansprüche ersichtlich, in denen:

1 ein Blockschaltbild eines beispielhaften selektiven katalytischen Reduktionssystems mit einem beispielhaften Reduktionsmittelzufuhrsystem für ein Abgassystem ist;
2 eine Querschnittsansicht eines Schaufelwirbelmischers und eines Dosierers ist;
3 eine Vorderansicht eines Mischers für einen Schaufelwirbelmischer ist;
4 eine Querschnittsansicht ähnlich 2, die mehr Abmessungen des Schaufelwirbelmischers zeigt ist;
5 eine Querschnittsansicht eines anderen Schaufelwirbelmischers ist;
6 eine Ansicht auf eine vorgelagerte Fläche eines Schaufelwirbelmischers ist, die eine Ausgestaltung zeigt, die in einem beliebigen der hierin gezeigten und beschriebenen Schaufelwirbelmischer implementiert werden kann;
7A eine Seitenansicht eines anderen Mischers für einen Schaufelwirbelmischer ist;
7B eine andere Seitenansicht des in 7A gezeigten Mischers ist;
8 eine perspektivische Unteransicht noch eines anderen Mischers für einen Schaufelwirbelmischer ist;
9 eine perspektivische Draufsicht auf noch einen anderen Mischer für einen Schaufelwirbelmischer ist;
10 eine seitliche Querschnittsansicht des in 9 gezeigten Mischers ist;
11 ein Diagramm ist, das die Ergebnisse eines Vergleichens eines vorherigen Mischers mit einer Ausführungsform eines Schaufelwirbelmischers gemäß der Erfindung zeigt.

Es ist anzumerken, dass es sich bei manchen oder allen der Figuren um schematische Darstellungen zu Zwecken der Veranschaulichung handelt. Die Figuren werden zum Zweck der Veranschaulichung einer oder mehrerer Implementierungen mit dem expliziten Verständnis bereitgestellt, dass sie nicht verwendet werden, um den Schutzumfang oder die Bedeutung der Ansprüche zu beschränken.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es folgen detailliertere Beschreibungen verschiedener Konzepte im Zusammenhang mit und Implementierungen von Verfahren, Geräten und Systemen für Strömungsverteilung in einem Nachbehandlungssystem. Die verschiedenen, vorstehend vorgestellten und nachstehend ausführlich beschriebenen Konzepte können auf eine von zahlreichen Weisen implementiert werden, da die beschriebenen Konzepte nicht auf eine bestimmte Art und Weise der Implementierung beschränkt sind. Beispiele für spezielle Implementierungen und Anwendungen werden hauptsächlich zu Zwecken der Veranschaulichung bereitgestellt.
I. Übersicht
Verbrennungsmotoren (z. B. Dieselverbrennungsmotoren usw.) erzeugen Abgase, die häufig in einem Nachbehandlungssystem behandelt werden. Diese Behandlung schließt häufig das Leiten der Abgase durch einen Katalysator ein. Durch Bereitstellen des Katalysators mit einer gleichmäßigen Strömung der Abgase lässt sich der Wirkungsgrad des Katalysators und somit des Nachbehandlungssystems erhöhen. Verschiedene Komponenten wie Leitbleche können in ein Nachbehandlungssystem integriert werden, um die Strömung der Abgase in den Katalysator zu ändern. Herkömmliche Nachbehandlungssysteme implementieren schwer skalierbare Komponenten (z. B. für unterschiedliche Anwendungen usw.) in radialer Richtung (z. B. verschiedene Durchmesser usw.) und in axialer Richtung (z. B. verschiedene Längen, verschiedene Anzahl von Komponenten, verschiedene Konfigurationen von Komponenten usw.). Zum Beispiel können Leitbleche komplizierte Formen haben, deren Herstellung fortschrittliche Herstellungstechniken und daher erhebliche Kosten erfordert. Infolgedessen bieten herkömmliche Nachbehandlungssysteme nicht die Flexibilität, die für eine einfache Implementierung in Anwendungen mit variierenden Motorleistungen und/oder Betriebsbedingungen erforderlich ist. Ferner benutzen herkömmliche Nachbehandlungssysteme in der Regel komplizierte Komponenten, die teuer sind und eine schwierige und zeitintensive Herstellung erfordern.
Hierin beschriebene Implementierungen beziehen sich auf einen Schaufelwirbelmischer, der eine Vielzahl von Strömungsvorrichtungen einschließt, die zusammenwirken, um einem Katalysator eine im Wesentlichen gleichförmige Strömung von Abgasen und Reduktionsmittel bereitzustellen, eine im Wesentlichen gleichförmige Reduktionsmittelverteilung in den Abgasen dem mehrstufigen Mischer nachgelagert zu ermöglichen und einen relativ geringen Druckabfall (z. B. der Druck der Abgase an dem Einlass des mehrstufigen Mischers abzüglich des Drucks der Abgase an dem Auslass des mehrstufigen Mischers usw.) bereitstellt, all dies auf einem relativ kompakten Platz, im Vergleich zu herkömmlichen Nachbehandlungssystemen. Die Strömungsvorrichtungen sind im Vergleich zu den komplizierten Vorrichtungen, die derzeit in Nachbehandlungssystemen verwendet werden, relativ einfach zu fertigen. Infolgedessen kann der Schaufelwirbelmischer einfach und problemlos für verschiedene Anwendungen skaliert werden, während weniger physischer Platz als Vorrichtungen, die derzeit in Nachbehandlungssystemen verwendet werden, gebraucht wird. Der mehrstufige Mischer kann dazu konfiguriert sein, die Abgase mit Reduktionsmittel zu dosieren, eine interne Wirbelströmung zu bewirken, die das Reduktionsmittel innerhalb der Abgase mischt, und eine gleichförmige Verteilung des Reduktionsmittels innerhalb der gleichförmigen Strömung der Abgase in den Katalysator zu schaffen. Der Schaufelwirbelmischer kann einen Spritzaufprall auf Wandoberflächen aufgrund von Wirbelströmung und relativ hohen Schubbeanspruchungen, die durch den Schaufelwirbelmischer auf den Wänden produziert werden, minimieren, wodurch eine Bildung und Ansammlung von Ablagerungen innerhalb des Schaufelwirbelmischers und der zugehörigen Abgaskomponenten gemindert wird.
Bei einigen Implementierungen schließt der Schaufelwirbelmischer eine Abgasführung ein, die Abgase in Richtung von Reduktionsmittel lenkt, das aus einer Reduktionsmittelführung ausgestoßen wird. Die Abgase strömen über Öffnungen, die an mindestens einem Teil der Abgasführung angeordnet sind, in die Abgasführung. Die Abgase unterstützen dann das Reduktionsmittel beim Einströmen in eine Strömungsvorrichtung, wobei das Reduktionsmittel und die Abgase anschließend durch eine Wirbelströmung gemischt werden können. Das Mischen kann die Zersetzung verbessern, indem der durch Wirbelströmung und/oder Venturi-Strömung erzeugte niedrige Druck genutzt wird, um die gewöhnliche und turbulente Diffusion zu verbessern und eine Mischstrecke der Abgase und des Reduktionsmittels zu verlängern. Wirbelströmung bezieht sich auf eine Strömung, die um eine Zentralachse des Schaufelwirbelmischers und/oder eine Zentralachse einer Strömungsvorrichtung wirbelt. Venturi-Strömung bezieht sich auf eine Strömung, die aufgrund eines Niederdruckbereichs auftritt, der sich aus einer Reduzierung der Querschnittsfläche und einer lokalen Strömungsbeschleunigung ergibt.
Bei einigen Implementierungen weist eine Strömungsvorrichtung des Schaufelwirbelmischers interne Platten auf, die unter der Reduktionsmittelführung positioniert sind. Wenn das Reduktionsmittel in die Strömungsvorrichtung strömt, kommt das Reduktionsmittel in Kontakt mit den internen Platten, die das Mischen des Reduktionsmittels innerhalb der Abgase erleichtern, indem die Stokes-Zahl des Reduktionsmittels (z. B. Reduktionsmitteltröpfchen usw.) durch Verspritzen verringert wird.
Ausgestaltungsmerkmale des Schaufelwirbelmischers können auf eine Bandbreite von Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis des Mischers (L/D) optimiert werden, wodurch sowohl isotrope als auch anisotrope Geometrieskalierungen der Mischerausgestaltung erlaubt werden. Die Merkmale können kombiniert werden, um einen Mischer mit einem größeren Venturi-Durchmesser zu gestalten, während dasselbe Strömungsprofil erreicht wird.
II. Überblick über das Nachbehandlungssystem
1 stellt ein Nachbehandlungssystem 100 dar, das ein beispielhaftes Reduktionsmittelzufuhrsystem 110 für ein Abgassystem 190 aufweist. Das Nachbehandlungssystem 100 schließt einen Partikelfilter, zum Beispiel einen Dieselpartikelfilter (DPF) 102, das Reduktionsmittelzufuhrsystem 110, eine Zersetzungskammer oder einen Reaktor 104, einen SCR-Katalysator 106 und einen Sensor 150 ein. In einigen Ausführungsformen schließt der SCR-Katalysator 106 einen Ammoniakoxidationskatalysator (ASC) ein.
Der DPF 102 ist konfiguriert zum Entfernen von Feinstaub, beispielsweise Ruß, aus in dem Abgassystem 190 strömendem Abgas. Der DPF 102 schließt einen Einlass, wo das Abgas aufgenommen wird, und einen Auslass ein, wo das Abgas austritt, nachdem Feinstaub im Wesentlichen aus dem Abgas gefiltert wurde und/oder Feinstaub in Kohlendioxid umgewandelt wurde. Bei einigen Implementierungen kann der DPF 102 weggelassen werden.
Die Zersetzungskammer 104 ist dafür eingerichtet, ein Reduktionsmittel wie Harnstoff oder Dieselabgasfluid (DEF) in Ammoniak zu verwandeln. Die Zersetzungskammer 104 schließt ein Reduktionsmittelzufuhrsystem 110 mit einer Dosiereinrichtung oder einem Dosiermodul 112 ein, das dazu konfiguriert ist, das Reduktionsmittel in die Zersetzungskammer 104 zu dosieren (beispielsweise durch einen Einspritzer, wie etwa den nachstehend beschriebenen Einspritzer). Bei einigen Implementierungen wird das Reduktionsmittel dem SCR-Katalysator 106 vorgelagert eingespritzt. Die Reduktionsmitteltröpfchen durchlaufen dann die Prozesse einer Verdampfung, Thermolyse und Hydrolyse, um gasförmiges Ammoniak innerhalb des Abgassystems 190 zu bilden. Die Zersetzungskammer 104 schließt einen Einlass in Fluidverbindung mit dem DPF 102, um das Abgas aufzunehmen, das NOx-Emissionen enthält, und einen Auslass für das Abgas, NOx-Emissionen, Ammoniak und/oder Reduktionsmittel ein, das zu dem SCR-Katalysator 106 strömt.
Die Zersetzungskammer 104 schließt das an der Zersetzungskammer 104 angebrachte Dosiermodul 112 ein, sodass das Dosiermodul 112 das Reduktionsmittel in die Abgase dosieren kann, die in das Abgassystem 190 strömen. Das Dosiermodul 112 kann einen Isolator 114 einschließen, der zwischen einem Abschnitt des Dosiermoduls 112 und dem Abschnitt der Zersetzungskammer 104 angeordnet ist, an dem das Dosiermodul 112 montiert ist. Das Dosiermodul 112 ist fluidisch mit einer oder mehreren Reduktionsmittelquellen 116 gekoppelt. Bei einigen Implementierungen kann eine Pumpe 118 verwendet werden, um Druck auf das Reduktionsmittel aus den Reduktionsmittelquellen 116 für die Zufuhr zum Dosiermodul 112 auszuüben.
Das Dosiermodul 112 und die Pumpe 118 sind ebenfalls elektrisch oder kommunikativ mit einer Steuerung 120 gekoppelt. Die Steuerung 120 ist dazu konfiguriert, das Dosiermodul 112 zu steuern, um Reduktionsmittel in die Zersetzungskammer 104 zu dosieren. Die Steuerung 120 kann auch zum Steuern der Pumpe 118 konfiguriert sein. Die Steuerung 120 kann einen Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) usw. oder Kombinationen davon einschließen. Die Steuerung 120 kann einen Speicher einschließen, der unter anderem eine elektronische, optische, magnetische oder eine andere Speicher- oder Übermittlungsvorrichtung einschließen kann, die dazu in der Lage ist, einem Prozessor, einer ASIC, einem FPGA usw. Programmanweisungen bereitzustellen. Der Speicher kann einen Speicherchip, einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM), einen löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM), einen Flash-Speicher oder einen anderen geeigneten Speicher einschließen, aus dem die Steuerung 120 Anweisungen lesen kann. Die Anweisungen können einen Code aus einer beliebigen geeigneten Programmiersprache einschließen.
Der SCR-Katalysator 106 ist dazu konfiguriert die Reduktion von NOx-Emissionen durch Beschleunigen eines NOx-Reduktionsprozesses zwischen dem Ammoniak und dem NOx des Abgases in zweiatomigen Stickstoff, Wasser und/oder Kohlendioxid zu unterstützen. Der SCR-Katalysator 106 schließt einen Einlass in Fluidverbindung mit der Zersetzungskammer 104, aus der Abgas und Reduktionsmittel aufgenommen wird, und einen Auslass in Fluidverbindung mit einem Ende des Abgassystems 190 ein.
Das Abgassystem 190 kann ferner einen Oxidationskatalysator (z. B. einen Dieseloxidationskatalysator, (DOC)) in Fluidverbindung mit dem Abgassystem 190 einschließen (z. B. vorgelagert des SCR-Katalysator 106 oder des DPF 102), um Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid im Abgas zu oxidieren.
Bei manchen Implementierungen kann der DPF 102 der Zersetzungskammer oder dem Reaktor 104 nachgelagert positioniert sein. Beispielsweise können der DPF 102 und der SCR-Katalysator 106 in einer einzigen Einheit kombiniert sein. In einigen Implementierungen kann das Dosiermodul 112 stattdessen einem Turbolader nachgelagert oder einem Turbolader vorgelagert positioniert sein.
Der Sensor 150 kann an das Abgassystem 190 gekoppelt sein, um einen Zustand des Abgases, das durch das Abgassystem 190 strömt, zu erkennen. Bei einigen Implementierungen kann der Sensor 150 einen Abschnitt aufweisen, der innerhalb des Abgassystems 190 angeordnet ist; zum Beispiel kann sich eine Spitze des Sensors 150 in einen Abschnitt des Abgassystems 190 erstrecken. Bei anderen Implementierungen kann der Sensor 150 Abgas durch eine andere Leitung aufnehmen, wie durch ein oder mehrere Probenrohre, die sich von dem Abgassystem 190 erstrecken. Während der Sensor 150 so dargestellt ist, dass er dem SCR-Katalysator 106 nachgelagert positioniert ist, versteht es sich, dass der Sensor 150 an jeder anderen Position des Abgassystems 190, einschließlich dem DPF 102 vorgelagert, innerhalb des DPF 102, zwischen dem DPF 102 und der Zersetzungskammer 104, innerhalb der Zersetzungskammer 104, zwischen der Zersetzungskammer 104 und dem SCR-Katalysator 106, innerhalb des SCR-Katalysators 106 oder dem SCR-Katalysator 106 nachgelagert, positioniert sein kann. Zusätzlich können zwei oder mehr Sensoren 150 verwendet werden, um einen Zustand des Abgases zu erkennen, wie zwei, drei, vier, fünf oder sechs Sensoren 150, wobei sich jeder Sensor 150 an einer der vorher erwähnten Positionen des Abgassystems 190 befindet.
III. Beispielhafter Schaufelwirbelmischer
2 stellt einen Schaufelwirbelmischer 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dar. Während ein Schaufelwirbelmischer 200 in dieser besonderen Ausführungsform beschrieben ist, versteht es sich, dass der relevante Aufbau bei dieser und ähnlichen Ausführungsformen andere Nachbehandlungskomponenten darstellen kann, wie einen SCR-Katalysator, eine perforierte Rohrleitung, ein Rohr, einen Verteiler, eine Zersetzungskammer oder einen Reaktor, einen Dosierer, ein Dosiermodul und andere. Der Schaufelwirbelmischer 200 ist dazu konfiguriert, Abgase (z. B. Verbrennungsgase von einem Verbrennungsmotor usw.) aufzunehmen und den Abgasen nachgelagert eine im Wesentlichen gleichförmige Strömungsverteilung (z. B. Strömungsprofil usw.) bereitzustellen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist der Schaufelwirbelmischer 200 zusätzlich dazu konfiguriert, die Abgase selektiv mit einem Reduktionsmittel (z. B. Harnstoff, Dieselabgasfluid (DEF), AdBlue® usw.) zu dosieren. Da der Schaufelwirbelmischer 200 eine im Wesentlichen gleichförmige Strömungsverteilung der Abgase bereitstellt und ein Mischen zwischen Abgasen und Reduktionsmittel fördert, kann der Schaufelwirbelmischer 200 den Abgasen auch nachgelagert eine im Wesentlichen gleichförmige Reduktionsmittelverteilung (z. B. Reduktionsmittelprofil usw.) bereitstellen.
Der Schaufelwirbelmischer 200 schließt einen Schaufelwirbelmischereinlass 202, der die Abgase in den Schaufelwirbelmischer 200 aufnimmt, und einen Schaufelwirbelmischerauslass 204 ein, der die Abgase aus dem Schaufelwirbelmischer 200 bereitstellt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen nimmt der Schaufelwirbelmischereinlass 202 die Abgase von einem Dieselpartikelfilter (z. B. dem DPF 102 usw.) auf und der Schaufelwirbelmischerauslass 204 stellt die Abgase dem SCR-Katalysator 106 bereit.
Fluidströme können durch eine Reynolds-Zahl, die sich auf ein Strömungsmuster des Fluids bezieht, und eine Stokes-Zahl, die sich auf das Verhalten von in dem Fluid suspendierten Partikeln bezieht, definiert werden. Je nach der Reynolds-Zahl kann die Strömung z. B. turbulent oder laminar sein. Die Strömung der Abgase in den Schaufelwirbelmischereinlass 202 kann durch eine Reynolds-Zahl definiert sein, die größer als 1e⁴ ist, was bedeutet, dass die Strömung der Abgase turbulent ist. Da die Strömung der Abgase in den Schaufelwirbelmischereinlass 202 turbulent ist, besteht Selbstähnlichkeit. Je nach der Stokes-Zahl kann es mehr oder weniger wahrscheinlich sein, dass Partikel dem Flüssigkeitsstrom folgen. Der Reduktionsmittelstrom kann durch eine Stokes-Zahl definiert sein, die in der Größenordnung von eins liegt, was bedeutet, dass es unwahrscheinlich ist, dass das Reduktionsmittel der Strömung von Abgasen folgt, was bei herkömmlichen Mischvorrichtungen ein Problem darstellt. Vorteilhafterweise beinhaltet der Schaufelwirbelmischer 200 hierin verschiedene Komponenten und Vorrichtungen, die bewirken, dass das Reduktionsmittel mit den Abgasen vermischt wird (z. B. durch Reduzieren der Stokes-Zahl des Reduktionsmittels usw.), sodass das Reduktionsmittel zusammen mit den Abgasen durch den Schaufelwirbelmischer 200 befördert wird. Auf diese Weise verbessert der Schaufelwirbelmischer 200 ein Mischen des Reduktionsmittels und reduziert ein Risiko, das mit einer Bildung von Ablagerungen innerhalb des Schaufelwirbelmischers 200 zusammenhängt. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist der Schaufelwirbelmischer 200 statisch und weist keine Komponenten auf, die sich als Reaktion auf den Durchgang von Abgasen durch den Schaufelwirbelmischer 200 bewegen. Auf diese Weise kann der Schaufelwirbelmischer 200 weniger komplex zu fertigen und kostengünstiger und daher wünschenswerter als Nachbehandlungskomponenten mit sich bewegenden Komponenten sein.
Der Schaufelwirbelmischer 200 schließt eine Vielzahl von Strömungsvorrichtungen ein, die den Schaufelwirbelmischer 200 in eine Vielzahl von Stufen unterteilen. Jede der Vielzahl von Strömungsvorrichtungen ist so aufgebaut, dass sie die Strömung der Abgase und des Reduktionsmittels so verändert, dass die Vielzahl von Strömungsvorrichtungen kumulativ bewirkt, dass die Abgase eine gewünschte Strömungsverteilung erhalten und das Reduktionsmittel einen gewünschten Gleichförmigkeitsindex (z. B. Gleichförmigkeitsverteilung usw.) an dem Schaufelwirbelmischerauslass 204 erhält. Das Erhalten bestimmter Strömungsverteilungen und Reduktionsmittel-Gleichmäßigkeitsindizes ist wichtig beim Betrieb eines Nachbehandlungssystems. Zum Beispiel ist es wünschenswert, eine gleichmäßige Strömungsverteilung und einen gleichmäßigen Reduktionsmittel-Gleichmäßigkeitsindex an einem Einlass eines SCR-Katalysators zu erhalten, da eine solche Strömungsverteilung dem SCR-Katalysator ermöglicht, einen relativ hohen Umwandlungswirkungsgrad zu erreichen.
Wie in 2 gezeigt, schließt der Schaufelwirbelmischer 200 eine erste Strömungsvorrichtung 206 ein.
Der Schaufelwirbelmischer 200 schließt einen Dosierer 214 und einen Anschluss 216 ein, durch den Reduktionsmittel (z. B. Reduktionsmitteltröpfchen usw.) aus dem Dosierer 214 selektiv in den Schaufelwirbelmischer 200 eingeführt werden. Der Schaufelwirbelmischer 200 verteilt das Reduktionsmittel gleichförmig innerhalb der Abgase, die aus dem Schaufelwirbelmischerauslass 204 des Schaufelwirbelmischers 200 strömen. Der Anschluss 216 ist dazu konfiguriert, das Reduktionsmittel in Richtung eines Zentrums (z. B. einer Zentralachse, eines Zentrums einer Domäne usw.) des Schaufelwirbelmischers 200 zu führen oder dessen Führen zu unterstützen, unabhängig von den Bedingungen (z. B. Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur usw.) der Abgase. Zum Beispiel kann der Anschluss 216 verschiedene Formen und/oder Dicken aufweisen, um das Reduktionsmittel zur Mitte des mehrstufigen Mischers 200 zu führen. Alternativ kann der Anschluss 216 dazu konfiguriert sein, das Reduktionsmittel, das von dem Zentrum (z. B. einer Zentralachse, einem Zentrum einer Domäne usw.) des Schaufelwirbelmischer versetzt ist, zu fuhren oder dessen Führen zu unterstützen. Zum Beispiel kann der Anschluss 216 von der Zentralachse des Schaufelwirbelmischers versetzt sein, um die Strömung von Reduktionsmittel in Richtung der Seitenwand der ersten Strömungsvorrichtung zu lenken.
Bei einigen Ausführungsformen schließt der Schaufelwirbelmischer 200 auch eine Reduktionsmittelführung (z. B. Düse, perforierte Rohrleitung usw.) ein, die das Reduktionsmittel mindestens teilweise gegen die Strömung der Abgase aus dem Schaufelwirbelmischereinlass 202 abschirmt, um ein Führen des Reduktionsmittels zu dem Zentrum des Schaufelwirbelmischers 200 zu ermöglichen. Die Reduktionsmittelführung erstreckt sich von dem Anschluss 216, nimmt das Reduktionsmittel von dem Dosierer 214 auf und stellt das Reduktionsmittel dem Schaufelwirbelmischer 200 (z. B. in einem Zentrum des Schaufelwirbelmischers 200 usw.) bereit. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Reduktionsmittelführung kegelstumpfförmig.
Aufgrund der spezifischen Konfiguration und Konstruktion des Schaufelwirbelmischers 200 ist der Schaufelwirbelmischer 200 skalierbar und leicht konfigurierbar, während die Fähigkeit erhalten bleibt, Abgase mit einem sehr gleichförmigen Strömungs- und Reduktionsmittelprofil bereitzustellen, während ein Druckabfall, der durch die Abgase erfahren wird, minimiert wird, sowie die Wahrscheinlichkeit einer Bildung von Ablagerungen (z. B. Harnstoffablagerungen usw.) minimiert wird. Infolgedessen ist der Schaufelwirbelmischer 200 dazu in der Lage, für eine Zielanwendung zu geringeren Kosten als andere Mischer, die nicht leicht anpassbar sind, konfiguriert zu werden (d. h. aufgrund der Skalierbarkeit und Modularität des Schaufelwirbelmischers 200 usw.). Der Schaufelwirbelmischer 200 und Komponenten davon sind in der axialen Richtung (z. B. in Länge usw.) und in der radialen Richtung (z. B. im Durchmesser usw.) skalierbar.
Durch ein Skalierbarsein kann der Schaufelwirbelmischer 200 in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen unterschiedliche Längen und/oder Durchmesser des Schaufelwirbelmischers 200 erwünscht sind. Zum Beispiel kann der Schaufelwirbelmischer zur Verwendung mit einem Nachbehandlungssystem eines Seefahrzeugs in einer Größe produziert werden und zur Verwendung mit einem Nachbehandlungssystem eines Dieselnutzfahrzeugs in einer anderen Größe produziert werden.
Aufgrund der Flexibilität des Schaufelwirbelmischers 200 ist der Schaufelwirbelmischer 200 dazu in der Lage, zu geringeren Kosten als herkömmliche Nachbehandlungsvorrichtungen gefertigt zu werden und leicht auf viele spezifische Anwendungen zugeschnitten zu werden, was den Schaufelwirbelmischer 200 wünschenswerter als herkömmliche Nachbehandlungsvorrichtungen macht. Ferner kann der Schaufelwirbelmischer 200 für Nachrüstungs- oder Drop-In-Anwendungen konfiguriert sein.
Die erste Strömungsvorrichtung 206 schließt in der Darstellung eine Trichterkante 300, einen Venturi-Körper 302 und einen ersten Stützflansch 304 (z. B. nachgeschalteten Stützflansch usw.) ein. Die Trichterkante 300 grenzt an den Venturi-Körper 302 an, der an den ersten Stützflansch 304 angrenzt. Die Trichterkante 300 ist dazu konfiguriert, einen Großteil der Abgase aus dem Schaufelwirbelmischereinlass 202 in den Venturi-Körper 302 zu lenken. Die Trichterkante 300 erlaubt es jedoch, dass ein Abschnitt der Abgase zunächst den Venturi-Körper 302 umgeht und in einen Bereich zwischen der ersten Strömungsvorrichtung 206 und dem Schaufelwirbelmischer 200 eintritt. Die Trichterkante 300 kann verschiedene Winkel bezüglich der Zentralachse des Schaufelwirbelmischers 200 aufweisen (z. B. neunzig Grad, fiinfundvierzig Grad, dreißig Grad, fünfzehn Grad usw.). Zusätzlich kann die Trichterkante 300 verschiedene Höhen, wie hier näher erläutert, in Bezug zu einer Außenkante des Körpers (z. B. in Bezug zu einem Außendurchmesser des Körpers usw.) aufweisen. Durch Einstellen der Höhe der Trichterkante 300 können mehr oder weniger der Abgase in die erste Strömungsvorrichtung 206 und mehr oder weniger der Abgase um die erste Strömungsvorrichtung 206 herum (z. B. in einer umgangenen Strömung usw.) geleitet werden.
Der Venturi-Körper 302 kann kreisförmig, konisch, kegelstumpfförmig, aerodynamisch oder ähnlich geformt sein. Der erste Stützflansch 304 dient dazu, die erste Strömungsvorrichtung 206 an den Schaufelwirbelmischer 200 zu koppeln. Bei verschiedenen Ausführungsformen stellt der erste Stützflansch 304 eine Dichtung zwischen dem Venturi-Körper 302 und dem Schaufelwirbelmischer 200 bereit, sodass keine Abgase durch den ersten Stützflansch 304 gelangen oder diesen umgehen können. Infolgedessen werden die Abgase vom ersten Stützflansch 304 vorgelagert zum Eintreten in den Venturi-Körper 302 umgeleitet. Doch wie hier näher erläutert, weist der erste Stützflansch 304 bei einigen Ausführungsformen Öffnungen auf, durch welche die Abgase laufen können, um die erste Strömungsvorrichtung 206 zu durchlaufen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beträgt der Durchmesser des Venturi-Körpers 302: $0,25 D_{0} \leq d_{V} \leq 0,9 D_{0}$
wobei der Venturi-Körper 302 durch einen Durchmesser d_V definiert ist und der Schaufelwirbelmischer 200 durch einen Innendurchmesser D₀ definiert ist, der größer als d_V ist. Der am Venturi-Körper 302 gemessene statische Druck ist gegeben durch $P_{C} = P_{0} - ({(\frac{D_{0}}{d_{V}})}^{4} - 1) * \frac{1}{2} ρ v_{0}^{2}$
wobei P_C der absolute statische Druck an dem Venturi-Körper 302 ist, wobei P₀ der absolute statische Druck dem Venturi-Körper 302 vorgelagert ist (z. B. durch einen Druckwandler gemessen, durch einen Sensor gemessen usw.), wobei ρ die Dichte der Abgase ist, und wobei v₀ die Strömungsgeschwindigkeit dem Venturi-Körpers 302 vorgelagert ist (z. B. durch einen Sensor gemessen usw.). Aufgrund des Unterschieds im Durchmesser zwischen dem Venturi-Körper 302 und dem Schaufelwirbelmischer 200 schafft der Venturi-Körper 302 einen Niederdruckbereich. Der Niederdruckbereich verstärkt (z. B. erhöht, beschleunigt usw.) eine Zersetzung von Reduktionsmittel (z. B. durch Verdampfung, durch Thermolyse usw.), eine gewöhnliche und turbulente Diffusion und eine Vermischung von Reduktionsmitteltröpfchen.
Die erste Strömungsvorrichtung 206 schließt auch einen vorgelagerten Mischer 1106 mit einer Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln 1108 und einer Vielzahl von Aperturen 1112 der vorgelagerten Schaufeln (siehe 3) ein, die dazwischen beabstandet sind, um eine Wirbelströmung bereitzustellen, wodurch zusätzliche Niederdruckbereiche geschafft werden und ein Mischen durch Verlängern einer Mischstrecke der ersten Strömungsvorrichtung 206 ermöglicht wird. Der vorgelagerte Mischer 1106 ist dazu konfiguriert, die Abgase aus dem Schaufelwirbelmischereinlass 202 aufzunehmen und die Abgase dem Venturi-Körper 302 bereitzustellen. Die vorgelagerten Schaufeln 1108 sind auch an einer zentralen vorgelagerten Schaufelnabe 1109 angebracht und an diese angepasst, die radial von der Zentralachse des um Venturi-Körpers 302 versetzt ist. Der radiale Versatz schafft Schaufeln, die in der Geometrie variabel sind, da sich der radiale Abstand von der vorgelagerten Schaufelnabe zu dem Venturi-Körper in Abhängigkeit von der radialen Richtung unterscheidet. Der Versatz kann in dem Bereich von $0 \leq H U_{o f f s e t} \leq 0,25 d_{V}$
wobei d_V der Venturi-Durchmesser ist und HU_offset der radiale Versatz des Zentrums der vorgelagerten Schaufelnabe von der Venturi-Zentralachse jeweils von der Mischerzentralachse ist, wie in 3 gezeigt.
Die einzelnen Winkel können ebenfalls variieren, um die gewünschte Strömung zwischen unterschiedlichen Schaufeln zu erhalten. Die variable Geometrieschaufelausgestaltung kann optimiert werden, um vorzugsweise die Strömung umzuleiten, um die Tröpfchenstrecke zu erhöhen und dadurch das Mischen der Reduktionsmitteltröpfchen mit dem Abgas zu verbessern sowie eine hohe Schubgeschwindigkeit auf den Venturi-Wänden zu erreichen, um die Wahrscheinlichkeit einer Bildung von Ablagerungen (z. B. Harnstoffablagerungen usw.) zu minimieren.
Die vorgelagerten Schaufeln 1108 sind statisch und bewegen sich innerhalb des Venturi-Körpers 302 nicht. Auf diese Weise kann der vorgelagerte Mischer 1106 weniger komplex und kostengünstiger zu fertigen sein und daher wünschenswerter als Nachbehandlungskomponenten mit komplizierten Komponenten sein, die teuer sind und eine schwierige und zeitintensive Fertigung erfordern. Anstatt die Strömung von Abgasen auf einen einzigen Weg zum Schaffen einer Wirbelströmung zu begrenzen, stellen die vorgelagerten Schaufeln 1108 mehrere Öffnungen zwischen benachbarten vorgelagerten Schaufeln 1108 bereit, sodass jede der vorgelagerten Schaufeln 1108 die Abgase unabhängig voneinander verwirbelt und sodass die vorgelagerten Schaufeln 1108 zusammen die Wirbelströmung in den Abgasen bilden.
Die vorgelagerten Schaufeln 1108 sind dazu positioniert (z. B. gekrümmt, abgewinkelt, gebogen usw.), eine Wirbelströmung (z. B. Mischen usw.) der Abgase und des Reduktionsmittels zu bewirken, um eine Mischung zu bilden. Bei verschiedenen Ausführungsformen sind die vorgelagerten Schaufeln 1108 im Wesentlichen gerade (z. B. im Wesentlichen entlang einer Ebene angeordnet, mit einer im Wesentlichen konstanten Neigung entlang der vorgelagerten Schaufel 1108 usw.). Bei anderen Ausführungsformen sind die vorgelagerten Schaufeln 1108 gekrümmt (z. B. nicht im Wesentlichen entlang einer Ebene angeordnet, mit unterschiedlichen Neigungen entlang der vorgelagerten Schaufel 1108, mit Kanten, die bezüglich dem Rest der vorgelagerten Schaufel 1108 gekrümmt sind, usw.). Bei noch anderen Ausführungsformen sind benachbarte vorgelagerte Schaufeln 1108 so positioniert, dass sie sich übereinander erstrecken. Bei diesen Ausführungsformen können die vorgelagerten Schaufeln 1108 gerade und/oder gekrümmt sein. Bei Ausführungsformen mit mehreren vorgelagerten Schaufeln 1108 kann jede vorgelagerte Schaufel 1108 unabhängig konfiguriert sein, sodass die vorgelagerten Schaufeln 1108 individuell zugeschnitten sind, um eine Zielkonfiguration der ersten Strömungsvorrichtung 206 zu erreichen, sodass der Schaufelwirbelmischer 200 auf eine Zielanwendung zugeschnitten ist.
Jede der vorgelagerten Schaufeln 1108 ist durch einen Schaufelwinkel (z. B. bezüglich einer Zentralachse der Schaufelnabe usw.) definiert, der mit der durch diese vorgelagerte Schaufel 1108 produzierte Verwirbelung zusammenhängt. Der Schaufelwinkel kann zwischen einer Schaufelkantenlinie (z. B. der Linie koaxial zu der radial äußersten Umfangskante des abgewinkelten Teils einer Schaufel) und der Zentralachse der Schaufelnabe definiert sein. Wenn sich die Schaufelkantenlinie und die Zentralachse der Schaufelnabe nicht schneiden, ist der Schaufelwinkel zwischen der Zentralachse der Schaufelnabe und einer durch die Schaufelkantenlinie definierten Ebene und einem Schnittpunkt der Zentralachse der Schaufelnabe mit einer Ebene, die durch die vorgelagerten Kanten der Schaufeln gebildet ist, definiert. Der Schaufelwinkel für jede der vorgelagerten Schaufeln 1108 kann sich von dem Schaufelwinkel für jede der anderen vorgelagerten Schaufeln 1108 unterscheiden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen schließt die erste Strömungsvorrichtung 206 vorgelagerte Schaufeln 1108 ein, die einen Schaufelwinkel zwischen vierundfünfzig und neunzig Grad aufweisen. Gleichermaßen kann die erste Strömungsvorrichtung 206 eine beliebige Anzahl der vorgelagerten Schaufeln 1108 einschließen. Bei einigen Ausführungsformen schließt die erste Strömungsvorrichtung 206 zwischen vier und zwölf vorgelagerte Schaufeln 1108 ein.
Die Aperturen 1112 der vorgelagerten Schaufeln definieren gemeinsam einen offenen Bereich A_I. Die Größe der Aperturen 1112 der vorgelagerten Schaufeln hängt jedoch zum Teil mit dem Durchmesser der vorgelagerten Schaufelnabe 1109 zusammen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der Durchmesser der vorgelagerten Schaufelnabe 1109 gegeben durch $0,05 d_{V} \leq D_{H} \leq 0,25 d_{V}$
wobei D_H der Durchmesser der vorgelagerten Schaufelnabe 1109 ist. In der Anmeldung können beliebige der Anzahl der vorgelagerten Schaufeln 1108, die Schaufelwinkel der vorgelagerten Schaufeln 1108 und der Durchmesser der vorgelagerten Schaufelnabe 1109 variieren, um Verbesserungen der Strömung der Abgase und des Reduktionsmittels, die Verbesserungen bei dem Mischen des Reduktionsmittels und die Verbesserungen beim Minimieren des Druckabfalls optimieren. Der vorgelagerte Mischer 1106 kann so konfiguriert sein, dass die vorgelagerten Schaufeln 1108 symmetrisch oder asymmetrisch um die vorgelagerte Schaufelnabe 1109 herum angeordnet sind.
Die erste Strömungsvorrichtung 206 schließt einen nachgelagerten Mischer 309 ein (siehe 2), der nachgelagerte Schaufeln 310 einschließt. Es versteht sich, dass der nachgelagerte Mischer 309, wie unter Bezugnahme auf 2 gezeigt und beschrieben, in jeder der hierin erörterten Ausführungsformen des Schaufelwirbelmischers 200 eingeschlossen sein kann.
Die nachgelagerten Schaufeln 310 sind an einer nachgelagerten Schaufelnabe 313 angebracht, die von der Zentralachse des Schaufelwirbelmischers 200 nicht radial versetzt ist. Die nachgelagerte Schaufelnabe 313 kann jedoch gegebenenfalls auch in dem Bereich von $0 \leq H D_{o f f s e t} \leq 0,25 d_{V}$
liegen, wobei d_V der Venturi-Durchmesser ist und HD_offset der radiale Versatz des Zentrums der nachgelagerten Schaufelnabe von der Venturi-Zentralachse jeweils von der Mischerzentralachse ist, wie in 3 gezeigt. HD_offset kann die gleiche Menge und die gleiche radiale Richtung wie der Versatz HU_offset der vorgelagerten Schaufelnabe aufweisen, kann aber auch unabhängig von dem Versatz der vorgelagerten Schaufelnabe sein. Dieser Versatz schafft wiederum Schaufeln, die in der Geometrie variabel sind, da sich der radiale Abstand von der vorgelagerten Schaufelnabe zu dem Venturi-Körper in Abhängigkeit von der radialen Richtung unterscheidet. Die nachgelagerte Schaufelnabe 313 ist an den Venturi-Körper 302 gekoppelt (z. B. über Elemente, die zwischen benachbarten nachgelagerten Schaufeln 310 beabstandet sind usw.). Die nachgelagerten Schaufeln 310 können ähnlich der vorgelagerten Schaufeln 1108 sein oder sich von diesen unterscheiden. Spitzen (z. B. äußerste Oberflächen usw.) jeder der nachgelagerten Schaufeln 310 können von dem Venturi-Körper 302 durch einen Luftspalt beabstandet sein, sodass die Abgase jeweils zwischen den Spitzen der nachgelagerten Schaufeln 310 und des Venturi-Körpers 302 gelangen können.
Der nachgelagerte Mischer 309 schließt eine Vielzahl von Aperturen der nachgelagerten Schaufeln ein, die zwischen der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln 310 beabstandet ist. Auf diese Weise stellen die Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln und die Vielzahl von Aperturen der nachgelagerten Schaufeln eine Wirbelströmung innerhalb der ersten Strömungsvorrichtung 206 bereit. Die nachgelagerten Schaufeln 310 sind an dem Venturi-Körper 302 angebracht und an diesen angepasst, sodass die Abgase nur durch die Aperturen der nachgelagerten Schaufeln aus dem Venturi-Körper 302 austreten können. Die Vielzahl von Aperturen der vorgelagerten Schaufeln wirkt mit der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln 310 zusammen, um den Abgasen in der ersten Strömungsvorrichtung 206 eine Wirbelströmung bereitzustellen, die ein Mischen des Reduktionsmittels und der Abgase ermöglicht. Die nachgelagerten Schaufeln 310 können dazu konfiguriert sein, eine Wirbelströmung (z. B. Co-Wirbelströmung, Gegenwirbelströmung usw.) zu schaffen, die von der Wirbelströmung getrennt ist, die von den vorgelagerten Schaufeln 1108 geschaffen wird. Auf diese Weise können die nachgelagerten Schaufeln 310 dazu eingesetzt werden, den Gesamtwirbel, der durch die erste Strömungsvorrichtung 206 geschaffen wird, zu erhöhen oder zu verringern. Ferner können die nachgelagerten Schaufeln 310 ein Mischen des Reduktionsmittels und der Abgase innerhalb des Venturi-Körpers 302 erhöhen.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform befinden sich die vorgelagerten Schaufeln 1108 der Stelle vorgelagert, an der das Reduktionsmittel eingeführt wird, während sich die nachgelagerten Schaufeln 310 der Stelle nachgelagert befinden, an der das Reduktionsmittel eingeführt wird. Bei dieser Ausführungsform schaffen die vorgelagerten Schaufeln 1108 eine erste Wirbelströmung in einer ersten Richtung und die nachgelagerten Schaufeln 310 schaffen eine zweite Wirbelströmung in einer zweiten Richtung, die gleich der ersten Richtung (z. B. Co-Wirbelströmung usw.) oder entgegengesetzt zu der ersten Richtung (z. B. Gegenwirbelströmung usw.) sein kann. Anstatt die Strömung von Abgasen auf einen einzigen Weg zum Schaffen einer Wirbelströmung zu begrenzen, stellen die vorgelagerten Schaufeln 1108 mehrere Öffnungen zwischen benachbarten vorgelagerten Schaufeln 1108 bereit, sodass jede der vorgelagerten Schaufeln 1108 die Abgase unabhängig voneinander verwirbelt und sodass die vorgelagerten Schaufeln 1108 zusammen die Wirbelströmung in den Abgasen bilden.
Die vorgelagerten Schaufeln 1108 und/oder die nachgelagerten Schaufeln 310 können unter Verwendung von Metallblech (z. B. Aluminiumblechen, Stahlblechen usw.) in verschiedenen Anwendungen konstruiert (z. B. gefertigt, hergestellt usw.) sein. Zum Beispiel können die vorgelagerten Schaufeln 1108 und/oder die nachgelagerten Schaufeln 310 durch Prägen, Stanzen, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Biegen und/oder Schweißvorgänge konstruiert werden.
3 zeigt ein Beispiel für Wirbelmischerschaufeln mit unterschiedlichen Geometrien. Die Schaufelnabe ist in der Richtung der Schaufelkante der Schaufel V1 bewegt worden, wodurch Schaufeln 1108 mit Schaufelkanten geschaffen worden sind, die sich in Längen von Schaufelkantenlänge L1 zu Schaufelkantenlänge L4 erhöhen (sich gegen den Uhrzeigersinn bewegen). Schaufel V4 ist auch um einen größeren Winkel im Vergleich zu V1, V2 und V3 gebogen, wodurch eine größere Öffnung geschaffen wird und einer höheren Fraktion der Gesamtströmung erlaubt wird, durch sie hindurchzugehen. Dies ist in 3 durch das Pluszeichen „+“ (Angeben eines kleineren Schaufelöffnungswinkels) an dem Spalt zwischen V4 und V5 und dem Minuszeichen „-“ (Angeben eines größeren Öffnungswinkels) an den Spalten zwischen Schaufeln V1 und V2, V2 und V3 und V3 und V4 dargestellt. Der Schaufelwinkel kann sich für jede der Schaufeln des Schaufelwirbelmischer unterscheiden.
3 veranschaulicht eine kombinierte vorgelagerte Schaufel 1700 in einer Ausführungsform. Die kombinierte vorgelagerte Schaufel 1700 kann auf eine Vielfalt von Weisen gebildet werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die kombinierte vorgelagerte Schaufel 1700 aus einer großen vorgelagerten Schaufel 1108 gebildet, die flach gefaltet ist (z. B. in einem Schaufelwinkel von neunzig Grad usw.). Bei diesen Ausführungsformen kann die große vorgelagerte Schaufel 1108 doppelt so groß wie die anderen vorgelagerten Schaufeln 1108 sein. Bei anderen Ausführungsformen ist die kombinierte vorgelagerte Schaufel 1700 aus einer ersten vorgelagerten Schaufel V5 und einer zweiten benachbarten und zusammenhängenden vorgelagert Schaufel V6 gebildet. Bei diesen Ausführungsformen weisen die erste benachbarte vorgelagerte Schaufel V5 und die zweite benachbarte vorgelagerte Schaufel V6 jeweils einen Schaufelwinkel von neunzig Grad auf und dann werden die erste benachbarte vorgelagerte Schaufel V5 und die zweite benachbarte vorgelagerte Schaufel V6 entweder direkt (z. B. werden benachbarte Kanten jeweils der ersten benachbarten vorgelagerten Schaufel V5 und der zweiten benachbarten vorgelagerten Schaufel V6 aneinander angebracht usw.) oder indirekt verbunden (z. B. wird ein Überbrückungselement an jeweils der ersten benachbarten vorgelagerten Schaufel V5 und der zweiten benachbarten vorgelagerten Schaufel V6 angebracht usw.).
Die Schaufelkanten können ferner in einem Winkel γ an einer Dosiereinspritzachse 215 liegen, die in Richtung des Zentrums des Venturi gerichtet ist, wobei der Winkel γ zwischen der Dosiereinspritzachse 215 und der radialen Kante einer Schaufel definiert ist, die in Umfangsrichtung am nächsten ist. Der Winkel γ kann zwischen ± 360/2n liegen, wobei n die Anzahl an Schaufeln (Zählen sowohl offener als auch geschlossener Schaufeln) ist. In der in 3 veranschaulichten Ausführungsform ist der Winkel γ zwischen der Dosiereinspritzachse 215 und der Kante von Schaufel V5, die der Dosiereinspritzachse am nächsten liegt, definiert. In einem Schaufelwirbelmischer mit n = 6, wie in 3 dargestellt, kann der Winkel γ zwischen -30 Grad (gegen den Uhrzeigersinn in 3) und +30 Grad (im Uhrzeigersinn in 3) liegen. Zur Berechnung können kombinierte Schaufeln immer als einzelne geschlossene Schaufeln angesehen werden, ähnlich den in 3 dargestellten Schaufeln V5 und V6.
4 veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Schaufelwirbelmischer 200. Der vorgelagerte Mischer 1106 befindet sich der Abgasführungsapertur 306 vorgelagert (siehe auch 2) und die erste Strömungsvorrichtung 206 befindet sich der Abgasführungsapertur 306 nachgelagert. Der vorgelagerte Mischer 1106 dient dazu, eine Wirbelströmung der Abgase innerhalb der ersten Strömungsvorrichtung 206 dem vorgelagerten Mischer 1106 nachgelagert zu schaffen. Die durch den vorgelagerten Mischer 1106 geschaffene Wirbelströmung ermöglicht eine Verteilung des Reduktionsmittels in den Abgasen zwischen dem vorgelagerten Mischer 1106 und den nachgelagerten Schaufeln 310, sodass das Reduktionsmittel im Wesentlichen gleichmäßig innerhalb der Abgase verteilt ist, wenn die Abgase auf die nachgelagerten Schaufeln 310 treffen. Zusätzlich schafft die durch den vorgelagerten Mischer 1106 geschaffene Wirbelströmung einen relativ großen Schub an dem Venturi-Körper 302 (z. B. dem Abschnitt des Venturi-Körpers 302 zwischen den vorgelagerten Schaufeln 1108 und den nachgelagerten Schaufeln 310 usw.), um die Bildung eines Films und daher die Ansammlung von Ablagerungen entlang des Venturi-Körpers 302 zu reduzieren. Die nachgelagerten Schaufeln 310 dienen dazu, den Abgasen und dem mitgeführten Reduktionsmittel der ersten Strömungsvorrichtung 206 nachgelagert eine Wirbelströmung zu verleihen. Diese Wirbelströmung bewirkt, dass die Abgase der ersten Strömungsvorrichtung 206 nachgelagert, wie an dem Schaufelwirbelmischerauslass 204, (z. B. nahe eines Einlasses des SCR-Katalysators 106 usw.) relativ gleichförmig sind (z. B. in Bezug auf die Reduktionsmittelzusammensetzung usw.).
Der Venturi-Körper 302 ist durch eine Körperzentralachse A_V definiert. Der Venturi-Körper 302 ist auf der Körperzentralachse A_V zentriert (z. B. fällt mit dieser ein Schwerpunkt des Venturi-Körpers 302 zusammen usw.). Die vorgelagerte Schaufelnabe 1109 ist auf einer Versatzachse h_r zentriert. Der radiale Versatz HU_offset der Versatzachse h_r, wie in 3 ersichtlich ist, bewirkt, dass sich Reduktionsmittelansammlungen auf dem Venturi-Körper 302 (z. B. ungleichförmige Verteilung des Reduktionsmittels in den Abgasen innerhalb der ersten Strömungsvorrichtung 206 usw.) im Wesentlichen auf die Abgase der ersten Strömungsvorrichtung 206 nachgelagert verteilen. Während die Versatzachse h_r von der Venturi-Zentralachse A_V von dem Anschluss 216 weg durch den radialen Versatz HU_offset in 4 versetzt ist, versteht es sich, dass die Versatzachse h_r von der Venturi-Zentralachse A_V in Richtung des Anschlusses 216 durch den radialen Versatz HU_offset versetzt sein kann oder von der Venturi-Zentralachse A_V in Richtung des Venturi-Körpers 302 in einer beliebigen radialen Richtung (z. B. orthogonal zu dem Anschluss 216, in einem Winkel zu einer Dosierachse usw.) durch den radialen Versatz HU_offset versetzt sein kann.
Der Venturi-Körper 302 hat einen Körpereinlass 1304 und einen Körperauslass 1306. Der Einlass weist einen Durchmesser d_V und der Auslass weist einen Durchmesser d_S auf, der üblicherweise kleiner als der Durchmesser d_V ist. Der Durchmesser d_V und der Durchmesser d_S sind jeweils kleiner als der Durchmesser D₀ des Schaufelwirbelmischers 200. Bei verschiedenen Ausführungsformen sind der Schaufelwirbelmischer 200 und die erste Strömungsvorrichtung 206 so konfiguriert, dass $0,4 D_{0} \leq d_{V} \leq 0,9 D_{0}$
$0,7 d_{V} \leq d_{S} \leq d_{V}$
$0 \leq h_{r} \leq 0,1 D_{0}$
Bei verschiedenen Ausführungsformen ragt der erste Stützflansch 304 nicht in den Venturi-Körper 302 hinein (z. B. definiert der erste Stützflansch 304 eine mit dem Venturi-Körper 302 zusammenhängende Apertur mit einem Durchmesser gleich dem Durchmesser d_S usw.).
Bei verschiedenen Ausführungsformen ragt die Trichterkante 300 radial aus dem Körpereinlass 1304 in Richtung des Schaufelwirbelmischers 200 um einen Abstand h_i heraus. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die erste Strömungsvorrichtung 206 so konfiguriert, dass $0 \leq h_{i} \leq 0,1 d_{V}$
Durch Variieren des Abstands h_i können die Strömungen des Abgases in die erste Strömungsvorrichtung 206 und/oder die Abgasführungsapertur 306 optimiert werden.
Das Reduktionsmittel strömt vom Anschluss 216 durch die Abgasführungsöffnung 306. Die Abgasführungsapertur 306 ist im Allgemeinen kreisförmig und durch einen Durchmesser d_e definiert. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die erste Strömungsvorrichtung 206 so konfiguriert, dass $d_{e} = (D_{0} - d_{V} - 2 h_{r}) * tan (\frac{α + δ}{2})$
wobei $5 ° \leq δ \leq 20 °$
wobei δ ein Rand ist, der basierend auf der Konfiguration der ersten Strömungsvorrichtung 206 ausgewählt ist, und wobei α ein Spritzwinkel einer Düse ist, welche die Strömung an Abgas lenkt. Bei einigen Ausführungsformen ist die Abgasführungsöffnung 306 elliptisch. Bei diesen Ausführungsformen kann der Durchmesser d_e eine Hauptachse (z. B. entgegengesetzt einer Nebenachse usw.) der Abgasführungsapertur 306 sein.
Die erste Strömungsvorrichtung 206 ist auch durch eine Beabstandung L_h zwischen dem vorgelagerten Mischer 1106 und dem nachgelagerten Mischer 309 definiert. Die Beabstandung L_h kann ein fester Abstand zwischen dem vorgelagerten Mischer und dem nachgelagerten Mischer unabhängig von dem Durchmesser D₀ des Schaufelwirbelmischers 200 und des Einlassdurchmessers d_V oder des Auslassdurchmessers d_S sein. Dies ermöglicht eine Bandbreite von Skalierungsmöglichkeiten der Mischerdurchmesser, während die Gesamtlänge des Schaufelwirbelmischers 200 minimal gehalten wird. Frühere Abgasmischer waren nicht dazu fähig, den Durchmesser des Abgasmischers unabhängig von der Mischerlänge zu skalieren. Dies erlaubt einen erhöhten Abgasmischdurchmesser, ohne die Länge zu erhöhen, die erforderlich ist, um den Schaufelwirbelmischer innerhalb der Abgaseinheit einzupassen. Der Durchmesser D₀ des Schaufelwirbelmischers 200 und der Venturi-Einlassdurchmesser d_V können basierend auf dem Platzanspruch und den Leistungszielen der Anwendung geändert werden. Der Durchmesser D₀ des Schaufelwirbelmischers 200 kann zwischen 8 Zoll (20,32 cm) und 15 Zoll (38,1 cm) liegen, während der Venturi-Einlassdurchmesser d_V von 2 Zoll (5,08 cm) bis 13,5 Zoll (34,29 cm) reichen kann, während die Beabstandung L_h konstant gehalten wird.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die erste Strömungsvorrichtung 206 so konfiguriert, dass $d_{e} \leq L_{h} \leq \frac{d_{e} (D + d_{v} - 2 * H U_{o f f s e t})}{(D - d_{v} - 2 * H U_{o f f s e t})}$
Der Venturi-Körper 302 schließt eine Ummantelung 1308 ein. Es versteht sich, dass die Ummantelung 1308, wie unter Bezugnahme auf 4 gezeigt und beschrieben, in einer beliebigen der hierin erörterten Ausführungsformen des Schaufelwirbelmischers 200 eingeschlossen sein kann.
Die Ummantelung 1308 definiert ein nachgelagertes Ende des Venturi-Körpers 302 und ist daher durch den Durchmesser d_S definiert. Bei verschiedenen Ausführungsformen hat die Ummantelung 1308 eine zylindrische oder konische (z. B. kegelstumpfförmige usw.) Form. Die Ummantelung 1308 kann eine Reduzierung der Schichtenbildung der Abgase ermöglichen, die durch eine Zentrifugalkraft auftritt, die durch den nachgelagerten Mischer 309 geschaffen wird. Zusätzlich kann die Ummantelung 1308 eine bauliche Unterstützung des nachgelagerten Mischers 309 bereitstellen, wie wenn die nachgelagerten Schaufeln 310 zusätzlich zu der nachgelagerten Schaufelnabe 313 an der Ummantelung 1308 angebracht sind (z. B sodass die nachgelagerten Schaufeln 310 an die Ummantelung 1308 angepasst sind usw.). Wenn die nachgelagerten Schaufeln 310 an der Ummantelung 1308 angebracht sind, können die nachgelagerten Schaufeln 310 eine gezieltere Wirbelströmung (z. B. entlang einer Zielstrecke usw.) bereitstellen, indem Leckwege entfernt werden, wodurch eine Mischleistung (z. B. die Fähigkeit des nachgelagerten Mischers 309 zum Mischen des Reduktionsmittels und der Abgase usw.) verbessert wird und die Ansammlung von Ablagerungen dem nachgelagerten Mischer 309 nachgelagert (z. B. in der Ummantelung 1308, in der Abgaskomponente dem Schaufelwirbelmischer 200 nachgelagert usw.) reduziert wird. Außerdem verhindert die Ummantelung 1308 im Wesentlichen eine Leckageströmung und Ansammlung eines Flüssigkeitsfilms und vermindert die Bildung von Ablagerungen innerhalb der ersten Strömungsvorrichtung 206 (z. B. an dem Venturi-Körper 302 usw.) und/oder dem Schaufelwirbelmischer 200. Die Ummantelung 1308 ist durch einen Winkel Φ bezüglich einer Achse definiert, die parallel zu der Venturi-Zentralachse A_V und der Mischerzentralachse ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die erste Strömungsvorrichtung 206 so konfiguriert, dass $Φ \leq 50 °$
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die erste Strömungsvorrichtung 206 so konfiguriert, dass $L_{S} = \frac{d_{v} - d_{S}}{2 * tan Φ}$
wobei L_S die Länge der Ummantelung 1308 ist. Wenn die Ummantelung 1308 zylindrisch ist, ist der Durchmesser d_S gleich dem Durchmesser d_v und $0,02 d_{v} \leq L_{S} \leq 0,25 d_{v}$
Bei einigen Ausführungsformen ist mindestens eine der Strömungsvorrichtungen des Schaufelwirbelmischers 200 bezüglich der Mischerzentralachse abgewinkelt. Zum Beispiel kann die erste Strömungsvorrichtung 206 so konfiguriert sein, dass die Venturi-Zentralachse A_V von der Mischerzentralachse nach oben geneigt (z. B. in einem positiven Winkel bezüglich der Mischerzentralachse abgewinkelt usw.) ist oder dass die Venturi-Zentralachse A_V von der Mischerzentralachse nach unten geneigt (z. B. in einem negativen Winkel bezüglich der Mischerzentralachse abgewinkelt usw.) ist.
Die vorgelagerten Schaufeln 1108 können durch einen Spalt g von dem Venturi-Körper 302 beabstandet sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die erste Strömungsvorrichtung 206 so konfiguriert, dass $0 \leq g \leq 0,15 d_{V}$
Der Spalt g kann eine Ansammlung von Reduktionsmittelablagerungen auf dem Venturi-Körper 302 vermindern. Der Spalt g dient dazu, eine im Wesentlichen axiale Strömung von Abgasen zu schaffen, die entlang des Venturi-Körpers 302 (z. B. auf den inneren Oberflächen des Venturi-Körpers 302 usw.) gelenkt werden. Auf diese Weise kann der Spalt g die Strömung (z. B. eine tangentiale Hauptströmung usw.) der Abgase durch die vorgelagerten Schaufeln 1108 mit der zuvor erwähnten axialen Strömung und einer Strömung der Abgase um die erste Strömungsvorrichtung 206 herum ausgleichen. Statt oder zusätzlich zu dem Spalt g können die vorgelagerten Schaufeln 1108 Schlitze (z. B. dünne Schlitze) oder Löcher einschließen, durch welche die Abgase strömen können. Zum Beispiel kann jede der vorgelagerten Schaufeln 1108 einen Schlitz einschließen, der mit einer äußersten Kante der vorgelagerten Schaufel 1108 zusammenhängt. In diesem Beispiel können die Abgase durch den Schlitz und gegen den Venturi-Körper 302 nahe dem Schlitz strömen, wodurch Vorteile ähnlich denen des Spalts g bereitgestellt werden.
In 4 sind die nachgelagerten Schaufeln 310 in Kontakt mit der Ummantelung 1308 gezeigt, sodass kein Spalt zwischen jeweils mindestens einem Abschnitt der nachgelagerten Schaufeln 310 und der Ummantelung 1308 besteht. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Spitze (z. B. die radial äußerste Oberfläche usw.) von jeder der nachgelagerten Schaufeln 310 mit der Ummantelung 1308 verschweißt (z. B. verschmolzen usw.).
Bei einigen Ausführungsformen können die nachgelagerten Schaufeln 310 durch einen Spalt g_v von der Ummantelung 1308 beabstandet sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die erste Strömungsvorrichtung 206 so konfiguriert, dass $0 \leq g_{v} \leq 0,15 d_{V}$
Der Spalt g_v kann eine Ansammlung von Reduktionsmitteltröpfchen auf der Ummantelung 1308 vermindern. Der Spalt g_v dient dazu, eine im Wesentlichen axiale Strömung von Abgasen zu schaffen, die entlang der Ummantelung 1308 (z. B. auf inneren Oberflächen der Ummantelung 1308 usw.) gelenkt werden. Statt oder zusätzlich zu dem Spalt g_v können die nachgelagerten Schaufeln 310 Schlitze (z. B. dünne Schlitze) oder Löcher einschließen, durch welche die Abgase strömen können. Zum Beispiel kann jede der nachgelagerten Schaufeln 310 einen Schlitz einschließen, der mit einer äußersten Kante der nachgelagerten Schaufel 310 zusammenhängt. In diesem Beispiel können die Abgase durch den Schlitz und gegen die Ummantelung 1308 nahe dem Schlitz strömen, wodurch Vorteile ähnlich denen des Spalts g bereitgestellt werden.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Spitze von jeder der vorgelagerten Schaufeln 1108 an dem Venturi-Körper 302 angebracht (z. B. angeschweißt, angekoppelt usw.) (z. B. sodass die vorgelagerten Schaufeln 1108 an den Venturi-Körper 302 angepasst sind usw.). Wenn die vorgelagerten Schaufeln 1108 an dem Venturi-Körper 302 angebracht sind, können die vorgelagerten Schaufeln 1108 eine gezieltere Wirbelströmung (z. B. entlang einer Zielstrecke usw.) bereitstellen, indem Leckwege entfernt werden, wodurch eine Mischleistung (z. B. die Fähigkeit des vorgelagerten Mischers 1106 zum Mischen des Reduktionsmittels und der Abgase usw.) verbessert wird und die Ansammlung von Ablagerungen dem vorgelagerten Mischer 1106 nachgelagert (z. B. in dem Venturi-Körper 302, an dem nachgelagerten Mischer 309, in der Abgaskomponente dem Schaufelwirbelmischer 200 nachgelagert usw.) reduziert wird. In 4 sind die vorgelagerten Schaufeln 1108 in Kontakt mit dem Venturi-Körper 302 gezeigt, sodass kein Spalt zwischen jeweils mindestens einem Abschnitt der vorgelagerten Schaufeln 1108 und des Venturi-Körpers 302 besteht.
Jede der vorgelagerten Schaufeln 1108 ist durch einen Winkel der vorgelagerten Schaufel bezüglich einer Zentralachse 1109 der vorgelagerten Schaufelnabe der vorgelagerten Schaufeln 1108 definiert. Gleichermaßen ist der Winkel der nachgelagerten Schaufel für jede der nachgelagerten Schaufeln 310 bezüglich einer Zentralachse der der nachgelagerten Schaufelnabe der nachgelagerten Schaufelnabe 313 definiert. Der Winkel der vorgelagerten Schaufel für jede der vorgelagerten Schaufeln 1108 kann sich von dem Winkel der vorgelagerten Schaufel für jede der anderen vorgelagerten Schaufeln 1108 unterscheiden. Bei verschiedenen Ausführungsformen liegt der Winkel der vorgelagerten Schaufel für jede der vorgelagerten Schaufeln 1108 zwischen einschließlich fünfundvierzig und neunzig Grad bezüglich einer Zentralachse der vorgelagerten Schaufelnabe der vorgelagerten Schaufelnabe 313 und der Winkel der nachgelagerten Schaufel für jede der nachgelagerten Schaufeln 310 liegt zwischen einschließlich fünfundvierzig und neunzig Grad. Der Winkel der vorgelagerten Schaufel für jede der vorgelagerten Schaufeln 1108 kann so ausgewählt sein, dass die erste Strömungsvorrichtung 206 auf eine Zielanwendung zugeschnitten ist. Gleichermaßen kann der Winkel der nachgelagerten Schaufel für jede der nachgelagerten Schaufeln 310 so ausgewählt sein, dass die erste Strömungsvorrichtung 206 auf eine Zielanwendung zugeschnitten ist. Der vorgelagerte Mischer 1106 kann so konfiguriert sein, dass die vorgelagerten Schaufeln 1108 symmetrisch oder asymmetrisch um die vorgelagerte Schaufelnabe 1109 herum angeordnet sind.
Der Winkel der vorgelagerten Schaufel kann sich für jede der vorgelagerten Schaufeln 1108 unterscheiden, und der Winkel der nachgelagerten Schaufel kann sich von jeder der nachgelagerten Schaufeln 310 unterscheiden. Die Auswahl des Winkels der vorgelagerten Schaufel für jede der vorgelagerten Schaufeln 1108 und des Winkels der nachgelagerten Schaufel für jede der nachgelagerten Schaufeln 310 kann so getroffen werden, dass eine asymmetrische Verwirbelung der Abgase geschaffen wird, um die Strömung der Abgase (z. B. in Richtung eines Zielorts in dem Schaufelwirbelmischer 200 usw.) zu lenken, um Reduktionsmittel innerhalb der Abgase gleichförmiger zu verteilen und um Ablagerungen innerhalb der ersten Strömungsvorrichtung 206 (z. B. auf dem Venturi-Körper 302 usw.) und/oder des Schaufelwirbelmischers 200 zu reduzieren.
5 veranschaulicht die Strömung von Abgasen innerhalb des Schaufelwirbelmischers 200 und veranschaulicht, wie sich die Abgase verhalten, wenn sie auf die erste Strömungsvorrichtung 206 treffen. Die Abgase vorgelagert der ersten Strömungsvorrichtung 206 sind in eine Hauptströmung 1900 (z. B. Venturi-Strömung, Wirbelströmung usw.) und eine umgangene Strömung 1902 (z. B. Abgasunterstützungsströmung usw.) unterteilt. Die Hauptströmung 1900 wird in die erste Strömungsvorrichtung 206 eingeleitet (z. B. wird die Hauptströmung 1900 durch die Trichterkante 300 in den Venturi-Körper 302 geleitet usw.).
Bei einigen Ausführungsformen beträgt die umgangene Strömung 1902 einschließlich 5 bis 40 % der Summe der umgangenen Strömung 1902 und der Hauptströmung 1900 (z. B. der Gesamtströmung usw.). Bei diesen Ausführungsformen beträgt die Hauptströmung 1900 einschließlich 60 bis 95 % der Summe der umgangenen Strömung 1902 und der Hauptströmung 1900 (z. B. der Gesamtströmung usw.). Demgemäß nimmt, wenn der Schaufelwirbelmischer 200 sechs vorgelagerte Schaufeln 1108 einschließt, jeder Spalt zwischen benachbarten vorgelagerten Schaufeln 1108 einschließlich 6 bis 16 % der Summe der umgangenen Strömung 1902 und der Hauptströmung 1900 (z. B. der Gesamtströmung usw.) auf.
Die Hauptströmung 1900 und die umgangene Strömung 1902 definieren eine Strömungsaufteilung. Die Strömungsaufteilung ist ein Verhältnis der umgangenen Strömung 1902 zur Hauptströmung 1900, dargestellt als Prozentsatz der Hauptströmung 1900. Die Strömungsaufteilung ist abhängig von dem Durchmesser d_V, dem Durchmesser d_e und dem Abstand h_i. Durch Variieren der Strömungsaufteilung kann ein Optimieren einer Zielmischleistung (z. B. basierend auf einer rechnerischen strömungsdynamischen Analyse usw.) der ersten Strömungsvorrichtung 206, einer Zielablagerungsbildung (z. B. einer Zielmenge von Ablagerungen, die sich über einen Zielzeitraum bilden, usw.) und eines Zieldruckabfalls (z. B. eines Vergleichs des Drucks der Abgase vorgelagert der ersten Strömungsvorrichtung 206 und eines Drucks der Abgase nachgelagert der ersten Strömungsvorrichtung 206 usw.) erfolgen, so dass die erste Strömungsvorrichtung 206 auf eine Zielanwendung zugeschnitten werden kann. Bei verschiedenen Ausführungsformen liegt das Strömungsaufteilungsverhältnis zwischen einschließlich fünf und siebzig Prozent. D. h. die umgangene Strömung 1902 liegt zwischen einschließlich fünf und siebzig Prozent der Hauptströmung 1900.
Die umgangene Strömung 1902 ist in eine umgeleitete Strömung 1904 und eine isolierte Strömung 1906 unterteilt. Die umgeleitete Strömung 1904 wird mit dem Reduktionsmittel gemischt, das der ersten Strömungsvorrichtung 206 durch den Anschluss 216 bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann die umgangene Strömung 1902 als die umgelenkte Strömung 1904 direkt durch die Abgasführungsapertur 306 in den Venturi-Körper 302 eintreten.
Die isolierte Strömung 1906 gelangt nicht direkt in die erste Strömungsvorrichtung 206, sondern trifft stattdessen auf den ersten Stützflansch 304. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist der erste Stützflansch 304 gegen den Schaufelwirbelmischer 200 und den Venturi-Körper 302 abgedichtet und erlaubt keinen Durchgang der isolierten Strömung 1906 durch oder um den ersten Stützflansch 304 herum. Bei diesen Ausführungsformen strömt die isolierte Strömung 1906 zurück zum Körpereinlass 1304. Wenn die isolierte Strömung 1906 in Richtung des Körpereinlasses 1304 zurückströmt, kann ein Abschnitt der isolierten Strömung 1906 als die umgelenkte Strömung 1904 in den Venturi-Körper 302 strömen. Andere Abschnitte der isolierten Strömung 1906 können an der Abgasführungsapertur 306 vorbeiströmen und als die Hauptströmung 1900 durch den Körpereinlass 1304 in den Venturi-Körper 302 eintreten. Bei weiteren Ausführungsformen schließt der erste Stützflansch 304 mindestens eine Öffnung auf, durch welche die Abgase hindurch strömen können, wodurch mindestens ein Teil der isolierten Strömung 1906 den Körper vollständig umgehen kann. Dieser Anteil der isolierten Strömung 1906 würde sich mit der Hauptströmung 1900 nachgelagert des Körperauslasses 1306 vermischen (z. B. Kombination der Hauptströmung 1900 mit der umgeleiteten Strömung 1904 und dem Reduktionsmittel innerhalb des Venturi-Körpers 302 usw.)
Gemäß der in 5 gezeigten Ausführungsform wird die Hauptströmung 1900 durch die vorgelagerten Schaufeln 1108 geleitet, mit Reduktionsmittel und der umgelenkten Strömung 1904 gemischt und dann durch die nachgelagerten Schaufeln 310, durch die Ummantelung 1308 und aus dem Körperauslass 1306 heraus geleitet.
6 veranschaulicht einen zweiten Stützflansch 2100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Es versteht sich, dass der zweite Stützflansch 2100, wie unter Bezugnahme auf 6 gezeigt und beschrieben, in einer beliebigen der hierin erörterten Ausführungsformen des Schaufelwirbelmischers 200 eingeschlossen sein kann. Der zweite Stützflansch kann an den Venturi-Körper der Abgasführungsapertur 306 vorgelagert gekoppelt sein, wie in 6 gezeigt, die eine Ansicht einer vorgelagerten Seite der ersten Strömungsvorrichtung 206 veranschaulicht. Der zweite Stützflansch 2100 kann auch an den Venturi-Körper 302 der Abgasführungsapertur 306 nachgelagert gekoppelt sein, aber dem ersten Stützflansch 304 vorgelagert. Der zweite Stützflansch 2100 kann auch an den Venturi-Körper 302 der Abgasführungsapertur 306 vorgelagert gekoppelt sein. Bei einigen Ausführungsformen hängt der zweite Stützflansch 2100 mit der Trichterkante 300 zusammen (z. B. ist die Trichterkante 300 ein Teil des zweiten Stützflansches 2100 usw.).
Der zweite Stützflansch 2100 schließt eine Vielzahl von Aperturen 2102 des zweiten Stützflansches (z. B. Löcher, Durchgänge, Wege usw.) ein. Die umgangene Strömung 1902 passiert den zweiten Stützflansch 2100 durch die Aperturen 2102 des zweiten Stützflansches. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Stützflansch 2100 eine, zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Aperturen 2102 des zweiten Stützflansches einschließen.
Jede der Aperturen 2102 des zweiten Stützflansches ist von einer benachbarten der Aperturen 2102 des zweiten Stützflansches durch einen Verbinder 2104 des zweiten Stützflansches (z. B. Arm, Stange usw.) getrennt. Der Verbinder 2104 des zweiten Stützflansches ist in dem zweiten Stützflansch 2100 integriert und an den Schaufelwirbelmischer 200 und an die erste Strömungsvorrichtung 206 gekoppelt. In einem Beispiel ist der Verbinder 2104 des zweiten Stützflansches an den Venturi-Körper 302 gekoppelt, während der erste Stützflansch 304 an die Ummantelung 1308 gekoppelt ist. Bei einigen Ausführungsformen ist der zweite Stützflansch 2100 an die Trichterkante 300 gekoppelt (z. B. ist die Trichterkante 300 ein Teil des zweiten Stützflansches 2100 usw.).
Der zweite Stützflansch 2100 ragt nicht in den Körpereinlass 1304 hinein (z. B. definiert der zweite Stützflansch 2100 eine mit dem Venturi-Körper 302 zusammenhängende Apertur mit einem Durchmesser gleich dem Durchmesser d_V usw.). Bei verschiedenen Ausführungsformen schließt der zweite Stützflansch 2100 eine, zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Verbinder 2104 des zweiten Stützflansches ein. Bei einigen Ausführungsformen ist die Anzahl von Aperturen 2102 des zweiten Stützflansches gleich der Anzahl von Verbindern 2104 des zweiten Stützflansches.
Bei dieser Ausführungsform ist der Dosierer 214 mit dem Zentrum des Venturi ausgerichtet. Der Dosierer 214 kann auch mit der versetzten vorgelagerten Schaufelnabe 1109 oder der nachgelagerten Schaufelnabe 313 ausgerichtet sein. Alternativ kann der Dosierer 214 auch mit der Venturi-Achse ausgerichtet sein, jedoch kann eine Dosierdüse die Strömung des Reduktionsmittels in Richtung des versetzten vorgelagerten Schaufelnabenzentrums 1109 und der entsprechenden Achse h_r lenken.
Die Aperturen 2102 des zweiten Stützflansches sind über den Umfang des Venturi-Körpers 302 verteilt. Bei dieser Ausführungsform ist die größte zweite Apertur 2102 des zweiten Stützflansches doppelt so groß wie die anderen vier Aperturen 2102 des zweiten Stützflansches und ist so angeordnet, dass die umgangene Strömung 1902 ungehindert in Richtung des Dosierers 214 und der Abgasführungsapertur 306 gelenkt wird. Zu diesem Zweck kann die größte Apertur 2102 des zweiten Stützflansches vorzugsweise ferner in Umfangsrichtung auf der Dosiereinspritzachse 215 zentriert sein. Alternativ sind die Aperturen 2102 des zweiten Stützflansches so angeordnet, dass sich keine Verbinder 2104 des zweiten Stützflansches dem Dosierer 214 und der Abgasführungsapertur 306 vorgelagert in der Richtung der umgangenen Strömung 1902 befinden.
7A und 7B veranschaulichen einen Mischer 2200 mit geraden Leitungsschaufeln gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Es versteht sich, dass der Mischer 2200 mit geraden Leitungsschaufeln, wie unter Bezugnahme auf 7A und 7B gezeigt und beschrieben, in einer beliebigen der hierin erörterten Ausführungsformen des Schaufelwirbelmischers 200 eingeschlossen sein kann.
Der Mischer 2200 mit geraden Leitungsschaufeln schließt eine Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln 2202 ein, die jeweils an eine Nabe 2206 der geraden Leitungsschaufeln gekoppelt und angepasst sind. Anstatt Aperturen zwischen beliebigen der geraden Leitungsschaufeln 2202 zu bilden, wie zwischen benachbarten vorgelagerten Schaufeln 1108 gebildet, bilden beliebige der geraden Leitungsschaufeln 2202 und beliebige kombinierte gerade Leitungsschaufeln Leitungen dazwischen. Wie hier erläutert, ist ein Kanal ein geschlossener Weg mit einem einzigen Einlass und einem einzigen Auslass (z. B. an vier von sechs Seiten begrenzt usw.).
Obwohl nicht dargestellt, sind Spitzen (z. B. äußerste Kanten usw.) jeder der geraden Kanalführungsschaufeln 2202 mit der Ummantelung 1308 oder dem Venturi-Körper 302 gekoppelt und daran angepasst. Die nachlaufende Kante von einer der geraden Leitungsschaufeln 2202 oder kombinierten geraden Leitungsschaufeln erstreckt sich über die führende Kante von einer benachbarten der geraden Leitungsschaufeln 2202 oder kombinierten geraden Leitungsschaufeln hinaus in eine Strömungsrichtung S_t und begrenzt dadurch eine Strömung von Abgasen in einer Spannweitenrichtung S_P. Die Strömungsrichtung S_t liegt tangential zu einer Ebene der geraden Leitungsschaufel an der Spitze der führenden Kante, während die Spannweite S_P normal zu (z. B. orthogonal zu, usw.) der Strömungsrichtung S_t in Bezug auf die Ebene der geraden Leitungsschaufel an der Spitze der führenden Kante liegt. Diese Spannweitenbegrenzung, kombiniert mit der angepassten Kopplung der geraden Leitungsschaufeln 2202 an die Nabe 2206 der geraden Leitungsschaufeln und an die Ummantelung 1308 (die beide die Strömung in normalen Wandrichtungen begrenzen), schafft eine Leitung für jede der geraden Leitungsschaufeln 2202. Jede Leitung hat vier Seiten: eine erste, die durch eine gerade Leitungsschaufel 2202 oder kombinierte gerade Leitungsschaufel definiert ist, eine zweite, die durch die Nabe 2206 der geraden Leitungsschaufeln definiert ist, eine dritte, die durch die Ummantelung 1308 oder den Venturi-Körper 302 definiert ist, und eine vierte, die durch eine andere gerade Leitungsschaufel 2202 oder kombinierte gerade Leitungsschaufel definiert ist. Jeder Kanal leitet die Abgase effizient. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird der Mischer 2200 mit geraden Leitungsschaufeln in der ersten Strömungsvorrichtung 206 anstelle des nachgelagerten Mischers 309 eingesetzt. Bei anderen Ausführungsformen sind die geraden Kanalführungsschaufeln 2202 nicht mit der Ummantelung 1308 gekoppelt und stattdessen mit dem Venturi-Körper 302 gekoppelt und an diesen angepasst. Bei diesen Ausführungsformen sind die geraden Kanalführungsschaufeln 2202 stattdessen mit dem Venturi-Körper 302 gekoppelt und an diesen angepasst. Bei solchen Ausführungsformen kann der Mischer 2200 mit geraden Leitungsschaufeln anstelle oder zusätzlich zu dem vorgelagerten Mischer 1106 eingesetzt werden.
Bei einigen Ausführungsformen schließt der Mischer 2200 mit geraden Kanalführungsschaufeln zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr gerade Kanalführungsschaufeln 2202 ein. Wie die vorgelagerten Schaufeln 1108 ist jede der geraden Leitungsschaufeln 2202 durch einen Schaufelwinkel definiert. Diese Schaufelwinkel können so variieren, dass eine kombinierte gerade Leitungsschaufel (nicht gezeigt) gebildet werden kann, wie in Bezug auf die kombinierte vorgelagerte Schaufel 1700 oben beschrieben. Bei einigen Ausführungsformen schließt der Mischer 2200 mit geraden Kanalführungsschaufeln einen, zwei, drei oder mehr der kombinierten Kanalführungsschaufeln ein. Bei anderen Ausführungsformen schließt der Mischer 2200 mit geraden Kanalführungsschaufeln die kombinierte Kanalführungsschaufel nicht ein. Bei einem Ausführungsbeispiel schließt der Mischer 2200 mit geraden Kanalführungsschaufeln drei der geraden Kanalführungsschaufeln 2202 und eine kombinierte gerade Kanalführungsschaufel ein.
Die Nabe 2206 der geraden Leitungsschaufeln ist von der Mischerzentralachse um HU_offset versetzt, wie oben ausführlich beschrieben.
Jede der geraden Kanalführungsschaufeln 2202 und kombinierten geraden Kanalführungsschaufel erstreckt sich über eine benachbarte gerade Kanalführungsschaufel 2202 oder kombinierte gerade Kanalführungsschaufel. Dieser Abstand ist in 7A als Verlängerungsabstand E_sw gezeigt. Der Verlängerungsabstand E_sw ist als ein Prozentsatz der Breite in der Strömungsrichtung S_t einer einzelnen geraden Leitungsschaufel 2202 in einem gegebenen Abstand von der Achse (z. B. der Venturi-Zentralachse Av, der Mischerzentralachse usw.) ausgedrückt, auf der die Nabe 2206 der geraden Leitungsschaufeln zentriert ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen beträgt dieser Verlängerungsabstand E_sw zwischen einschließlich 0 % und 75 % der Breite in der Strömungsrichtung S_t einer einzelnen geraden Leitungsschaufel 2202 in einem gegebenen Abstand von der Achse, auf der die Nabe 2206 der geraden Leitungsschaufel zentriert ist. Der Verlängerungsabstand E_sw kann sich für jede der einzelnen geraden Leitungsschaufeln 2202 unterscheiden (z. B. eine gerade Leitungsschaufel 2202 mit einem Verlängerungsabstand E_sw von 25 %, eine benachbarte gerade Leitungsschaufel 2202 mit einem Verlängerungsabstand E_sw von 40 %, eine andere gerade Leitungsschaufel 2202 mit einem Verlängerungsabstand E_sw von 75 %.
Der Mischer 2200 mit geraden Kanalführungsschaufeln stellt relativ hohe Wirbelgeschwindigkeiten auch bei geringeren Schaufelwinkeln für jede der geraden Kanalführungsschaufeln 2202 bereit und stellt dadurch eine verbesserte Vermischung von Reduktionsmittel mit einem geringeren Druckabfall bereit. Ein anderer Vorteil der hohen Wirbelgeschwindigkeiten durch die geraden Kanalführungsschaufeln 2202 und die kombinierte gerade Kanalführungsschaufel besteht darin, dass hohe Wirbelgeschwindigkeiten die Ansammlung von Ablagerungen nachgelagert des Mischers 2200 mit geraden Kanalführungsschaufeln (z. B. entlang des Venturi-Körpers 302, entlang der Ummantelung 1308 usw.) vermindern.
Jede der geraden Leitungsschaufeln 2202 und der kombinierten geraden Leitungsschaufel ist durch einen Strömungswinkel ∝_sa bezüglich einer Achse definiert, auf der die Nabe 2206 der geraden Leitungsschaufel zentriert ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen liegt der Strömungswinkel ∝_sa zwischen einschließlich dreißig und neunzig Grad. Der Strömungswinkel ∝_sa für jede der geraden Leitungsschaufeln 2202 und der kombinierten geraden Leitungsschaufeln kann so ausgewählt sein, dass die erste Strömungsvorrichtung 206 auf eine Zielanwendung zugeschnitten ist.
Der Strömungswinkel ∝_sa und der Strömungsverlängerungsabstand E_sw können sich für jede der geraden Leitungsschaufeln 2202 und/oder der kombinierten geraden Leitungsschaufeln unterscheiden. Eine Auswahl des Strömungswinkels ∝_sa und des Strömungsverlängerungsabstands E_sw für jede der geraden Leitungsschaufeln 2202 und/oder der kombinierten geraden Leitungsschaufeln kann so getroffen sein, dass eine asymmetrische Verwirbelung der Abgase geschaffen wird, um die Strömung der Abgase (z. B. in Richtung eines Zielorts in dem Schaufelwirbelmischer 200 usw.) zu lenken, um Reduktionsmittel innerhalb der Abgase gleichförmiger zu verteilen und/oder um Ablagerungen innerhalb der ersten Strömungsvorrichtung 206 (z. B. auf dem Venturi-Körper 302 usw.) und/oder des Schaufelwirbelmischers 200 zu reduzieren.
Die geraden Kanalführungsschaufeln 2202 und/oder die kombinierten geraden Kanalführungsschaufeln können durch Gießen (z. B. Feinguss, Lost-Foam-Guss, Sandguss usw.) und/oder 3D-Druck hergestellt werden. Zum Beispiel kann der Mischer 2200 mit geraden Leitungsschaufeln unter Verwendung eines 3D-Druckers unter Verwendung einer Datei gedruckt werden, in der die Anzahl der geraden Leitungsschaufeln 2202, die Anzahl der kombinierten geraden Leitungsschaufeln, der Stromlinienwinkel ∝_sa für jede der geraden Leitungsschaufeln 2202 und der kombinierten geraden Leitungsschaufeln sowie die Strömungsverlängerung E_sw für jede der geraden Leitungsschaufeln 2202 und der kombinierten geraden Leitungsschaufeln spezifiziert sind.
8 veranschaulicht einen Mischer 2300 mit gekrümmten Schaufeln gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Es versteht sich, dass der Mischer 2300 mit gekrümmten Schaufeln, wie unter Bezugnahme auf 8 gezeigt und beschrieben, in einer beliebigen der hierin erörterten Ausführungsformen des Schaufelwirbelmischers 200 eingeschlossen sein kann.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird der Mischer 2300 mit gekrümmten Schaufeln in der ersten Strömungsvorrichtung 206 anstelle des vorgelagerten Mischers 1106 oder anstelle des nachgelagerten Mischers 309 eingesetzt.
Der Mischer 2300 mit gekrümmten Schaufeln schließt eine Vielzahl von gekrümmten Schaufeln 2302 und eine kombinierte gekrümmte Schaufel 2304 ein. Bei einigen Ausführungsformen schließt der Mischer 2300 mit gekrümmten Schaufeln zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr der gekrümmten Schaufeln 2302 ein. Bei einigen Ausführungsformen schließt der Mischer 2300 mit gekrümmten Schaufeln eine, zwei, drei oder mehr der kombinierten gekrümmten Schaufeln 2304 ein. Bei anderen Ausführungsformen schließt der Mischer 2300 mit gekrümmten Schaufeln die kombinierte gekrümmte Schaufel 2304 nicht ein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform schließt der Mischer 2300 mit gekrümmten Schaufeln drei der gekrümmten Schaufeln 2302 und eine kombinierte gekrümmte Schaufel 2304 ein.
Jede der gekrümmten Schaufeln 2302 und der kombinierten gekrümmten Schaufel 2304 ist an einer gekrümmten Schaufelnabe 2306 angebracht, die von der Mischerzentralachse um HU_offset versetzt ist, wie oben ausführlich beschrieben. Die gekrümmten Schaufeln 2302 und/oder die kombinierte gekrümmte Schaufel 2304 können symmetrisch oder asymmetrisch um die gekrümmte Schaufelnabe 2306 herum angeordnet sein. Wie der Mischer 2202 mit geraden Leitungsschaufeln können sich jede der gekrümmten Schaufeln 2302 und der kombinierten gekrümmten Schaufel 2304 überlappen. Jede der gekrümmten Schaufeln 2302 und der kombinierten gekrümmten Schaufel 2304 erstrecken sich über eine benachbarte gekrümmte Schaufel 2302 oder kombinierte gekrümmte Schaufel 2304, wobei der Verlängerungsabstand E_sw hierin beschrieben ist.
Die gekrümmten Schaufeln 2302 und die kombinierte gekrümmte Schaufel 2304 weisen eine gekrümmte oder aerodynamische Form auf, die den Druckabfall der Abgase reduziert und eine gleichmäßigere Verteilung der Strömung dem Mischer 2300 mit gekrümmten Schaufeln nachgelagert ermöglicht, wie entlang einer Zentralachse des Mischers 2300 mit gekrümmten Schaufeln.
Jede der gekrümmten Schaufeln 2302 ist durch einen Winkel α_CV der gekrümmten Schaufel bezüglich einer gekrümmten Zentralachse der gekrümmten Schaufelnabe der gekrümmten Schaufelnabe 2306 definiert. Gleichermaßen kann die kombinierte gekrümmte Schaufel 2304 durch einen Winkel α_CV der gekrümmten Schaufel bezüglich einer Zentralachse der gekrümmten Schaufelnabe der gekrümmten Schaufelnabe 2306 definiert sein. Aufgrund der gekrümmten Beschaffenheit der gekrümmten Schaufeln 2302 und der kombinierten gekrümmten Schaufel 2304 ist der Winkel α_CV der gekrümmten Schaufel variabel. Der Winkel der gekrümmten Schaufel für jede der gekrümmten Schaufeln 2302 und der kombinierten gekrümmten Schaufeln 2304 kann sich von dem Winkel α_CV der gekrümmten Schaufel unterscheiden für die anderen der gekrümmten Schaufeln 2302 und die anderen der kombinierten gekrümmten Schaufeln 2304 unterscheiden.
Die gekrümmten Schaufeln 2302 und/oder die kombinierte gekrümmte Schaufel 2304 können unter Verwendung von Gieß- und/oder 3D-Drucken konstruiert werden. Zum Beispiel kann der Mischer 2300 mit gekrümmten Schaufeln unter Verwendung eines 3D-Druckers unter Verwendung einer Datei gedruckt werden, welche die Anzahl der gekrümmten Schaufeln 2302, die Anzahl der kombinierten gekrümmten Schaufeln 2304 und den Winkel α_CV der gekrümmten Schaufel für jede der gekrümmten Schaufeln 2302 und der kombinierten gekrümmten Schaufeln 2304 spezifiziert. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die gekrümmten Schaufeln 2302 und/oder die kombinierte gekrümmte Schaufel 2304 dazu ausgestaltet sein, einen Tangentialwinkel an jedem Punkt entlang der gekrümmten Schaufel 2302 oder der kombinierten gekrümmten Schaufel 2304 konstant zu halten oder eine aerodynamische Anziehungskraft auf jeder gekrümmten Schaufel 2302 oder einer kombinierten gekrümmten Schaufel 2304 zu minimieren. Bei einer Ausführungsform können 3D-gedruckte oder gegossene gekrümmte Führungsschaufeln 2303 in den Venturi-Körper 302 eingeführt und mit dem ersten Stützflansch 304 verschweißt sein.
9 und 10 veranschaulichen einen Mischer 3100 mit ummantelten Schaufeln gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Es versteht sich, dass der Mischer 3100 mit ummantelten Schaufeln, wie unter Bezugnahme auf 9 und 10 gezeigt und beschrieben, in einer beliebigen der hierin erörterten Ausführungsformen des mehrstufigen Mischers 200 eingeschlossen sein kann.
10 ist eine Querschnittsansicht des Mischers 3100 mit ummantelten Schaufeln. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird der Mischer 3100 mit ummantelten Schaufeln in der ersten Strömungsvorrichtung 206 anstelle des vorgelagerten Mischers 1106 oder anstelle des nachgelagerten Mischers 309 eingesetzt.
Der Mischer 3100 mit ummantelten Schaufeln schließt eine Vielzahl von ummantelten Schaufeln 3102 und eine kombinierte ummantelte Schaufel 3104 ein. Bei einigen Ausführungsformen schließt der Mischer 3100 mit ummantelten Führungsschaufeln zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr der ummantelten Führungsschaufeln 3102 ein. Bei einigen Ausführungsformen schließt der Mischer 3100 mit ummantelten Führungsschaufeln einen, zwei, drei oder mehr der kombinierten ummantelten Führungsschaufeln 3104 ein. Bei anderen Ausführungsformen schließt der Mischer 3100 mit ummantelten Führungsschaufeln die kombinierte ummantelte Führungsschaufel 3104 nicht ein. Bei einem Ausführungsbeispiel schließt der Mischer 3100 mit ummantelten Führungsschaufeln drei der ummantelten Führungsschaufeln 3102 und eine kombinierte ummantelte Führungsschaufel 3104 ein.
Jede der ummantelten Schaufeln 3102 und der kombinierten ummantelten Schaufel 3104 ist an einer ummantelten Schaufelnabe 3106 angebracht, die von der Zentralachse des Schaufelwirbelmischers um HU_offset versetzt ist, wie oben ausführlich beschrieben. Die ummantelten Schaufeln 3102 und/oder die kombinierte ummantelte Schaufel 3104 können symmetrisch oder asymmetrisch um die ummantelte Schaufelnabe 3106 angeordnet sein. Wie der Mischer mit geraden Kanalführungsschaufeln 2202 können sich die ummantelten Führungsschaufeln 3102 und die kombinierte ummantelte Führungsschaufel 3104 jeweils überlappen.
Der Mischer 3100 mit ummantelten Führungsschaufeln schließt eine Aussparung 3108 ein. Die Aussparung 3108 ist dazu konfiguriert, um die Abgasführungsapertur 306 eingepasst zu werden, wenn der Mischer 3100 mit ummantelten Schaufeln in Schaufelwirbelmischer 200 installiert ist.
Der Mischer 3100 mit ummantelten Schaufeln kombiniert die Funktionen eines Mischers (z. B. des vorgelagerten Mischers 1106, des nachgelagerten Mischers 309 usw.) mit den Funktionen einer Ummantelung (z. B. der Ummantelung 1308 usw.) in einer einzigen Komponente. Auf diese Weise kann der Mischer 3100 mit ummantelten Schaufeln die Kosten (z. B. Fertigungskosten usw.) und die Komplexität der Fertigung des Schaufelwirbelmischers 200 reduzieren. Zusätzlich reduziert durch Kombination des Mischers und der Ummantelung in einer einzigen Komponente der Mischer 3100 mit ummantelten Führungsschaufeln die Fertigungstoleranzen bei den führungsschaufelwinkeln der ummantelten Führungsschaufeln 3102, wodurch sich die Variabilität zwischen verschiedenen Mischern 3100 mit ummantelten Führungsschaufeln verringert. Die Dicke jeder der ummantelten Führungsschaufeln 3102 kann in der gesamten ummantelten Führungsschaufel 3102 wie vertikal entlang der ummantelten Führungsschaufel 3102 oder horizontal entlang der ummantelten Führungsschaufel 3102 konstant oder variabel sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen hat die ummantelte Führungsschaufel 3102 eine Dicke von zwischen einschließlich 1,5 und 6 mm. Gleichermaßen weisen die Kanten jeder der ummantelten Schaufeln 3102 bei verschiedenen Ausführungsformen einen Radius zwischen einschließlich 0,5 und 3 mm auf. Dieser Radius kann die Strömungstrennung der Abgase verringern, die Ansammlung von Reduktionsmittelablagerungen vermindern und die Spannungskonzentrationen an den ummantelten Führungsschaufeln 3102 und/oder der Ummantelung 1318 verringern.
11 veranschaulicht einen Vergleich, bestimmt über Rechenfluiddynamikberechnungen (CFD-Berechnungen), des normalisierten Druckabfalls, des Strömungsgleichförmigkeitsindex und des Reduktionsmittelgleichförmigkeitsindex des Schaufelwirbelmischers gemäß der in 2 bis 4 gezeigten und oben beschriebenen Ausführungsform und einer vorherigen Ausgestaltung eines Schaufelwirbelmischers, wie in WO 2018/226626 A1 beschrieben, wobei die Mischerlängen bei beiden Varianten gleich sind. Wie ersichtlich ist, führt die verbesserte Ausgestaltung mit Winkelschaufeln, die sich in Länge und/oder Winkel unterscheiden, zu einer Verbesserung der Gleichförmigkeit der Abgasströmung und des Reduktionsmittels an dem Katalysatoreinlass dem Mischer nachgelagert sowie zu einer Reduzierung des Druckabfalls an der Abgasführungsapertur. Ein reduzierter Druckabfall korreliert mit einer reduzierten Abgaswirbelgeschwindigkeit, die vorteilhaft ist, um die Möglichkeit einer Erosion des Katalysators zu reduzieren. Es ist ferner möglich, zusätzliche Strömungsvorrichtungen dem Schaufelwirbelmischer nachgelagert und dem Durchströmungs- oder Wandströmungskatalysator vorgelagert einzuschließen, um die Strömungsverteilung weiter zu verbessern. Diese Strömungsvorrichtungen können perforierte Platten oder ähnliche Vorrichtungen mit vordefinierten offenen Bereichen sein.
IV. Aufbau beispielhafter Ausführungsformen
Obwohl diese Patentschrift viele spezifische Implementierungsdetails enthält, sollten diese nicht als Einschränkungen des Umfangs dessen aufgefasst werden, was beansprucht sein kann, sondern vielmehr als Beschreibungen von Merkmalen, die für bestimmte Implementierungen spezifisch sind. Bestimmte, in dieser Patentschrift im Kontext separater Implementierungen beschriebene Merkmale können auch in Kombination in einer einzigen Implementierung umgesetzt werden. Im Gegensatz dazu können verschiedene, im Kontext einer einzigen Implementierung beschriebene Merkmale auch in mehreren Implementierungen separat oder in einer beliebigen, geeigneten Unterkombination umgesetzt werden. Zudem können, obwohl Merkmale möglicherweise so beschrieben sind, dass sie in bestimmten Kombinationen wirken und auch anfänglich als solche beansprucht sind, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in manchen Fällen aus der Kombination ausgesondert werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein.
Die hierin verwendeten Begriffe „im Wesentlichen“, „ungefähr“ und ähnliche Begriffe sollen eine weitläufige Bedeutung haben, die mit der üblichen und akzeptierten Verwendung durch Fachleute auf dem Gebiet übereinstimmt, in das der Gegenstand dieser Offenbarung fällt. Es ist für den Fachmann, der diese Offenbarung liest, offensichtlich, dass diese Begriffe eine Beschreibung bestimmter beschriebener und beanspruchter Merkmale zulassen sollen, ohne den Schutzumfang dieser Merkmale auf die bereitgestellten, genauen numerischen Bereiche einzuschränken. Demgemäß sollen diese Begriffe so ausgelegt werden, dass sie angeben, dass unwesentliche oder unbedeutende Modifikationen oder Abänderungen an dem beschriebenen und beanspruchten Gegenstand als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen aufgeführt, liegend betrachtet werden.
Die Begriffe „gekoppelt“, „verbunden“ und dergleichen, wie hierin verwendet, bedeuten das direkte oder indirekte Verbinden zweier Komponenten miteinander. Dieses Verbinden kann stationär (z. B. permanent) oder beweglich (z. B. abnehmbar oder lösbar) geschehen. Ein solches Verbinden kann erreicht werden, indem die zwei Komponenten oder die zwei Komponenten und alle zusätzlichen Zwischenkomponenten einstückig als ein einheitlicher Körper miteinander ausgebildet werden, wobei die beiden Komponenten oder die beiden Komponenten und alle zusätzliche Zwischenkomponenten aneinander befestigt sind.
Die Begriffe „fluidisch gekoppelt“ oder „in Fluidverbindung“ und dergleichen, wie sie hierin verwendet werden, bedeuten, dass die zwei Komponenten oder Objekte einen zwischen den zwei Komponenten oder Objekten ausgebildeten Pfad aufweisen, in dem ein Fluid, wie etwa Abgas, Wasser, Luft, gasförmiges Reduktionsmittel, gasförmiges Ammoniak usw., entweder mit oder ohne Eingriff von Komponenten oder Objekten strömen kann. Beispiele für Fluidkopplungen oder Konfigurationen zum Ermöglichen einer Fluidverbindung können Rohre, Kanäle oder jegliche anderen geeigneten Komponenten zum Ermöglichen des Strömens eines Fluids von einer Komponente oder Objekts zur anderen einschließen. Wie hier beschrieben, sollte „verhindern“ als potentiell eine geringfügige Umgehung (z. B. weniger als 1 %) durch die Abgase zulässig ausgelegt werden.
Es versteht sich, dass einige Merkmale nicht zwingend sind, und dass Implementierungen, denen die verschiedenen Merkmale fehlen, als innerhalb des Schutzumfangs der Anmeldung liegend betrachtet werden können, wobei der Schutzumfang durch die folgenden Ansprüche definiert wird. Wenn die Formulierung „ein Abschnitt/Anteil/Teil“ verwendet wird, kann das Element einen Teil/Anteil/Abschnitt und/oder das gesamte Element einschließen, sofern nicht spezifisch anders angegeben.
BEZUGSZEICHENLISTE

100: Nachbehandlungssystem
102: Dieselpartikelfilter
104: Zersetzungskammer
106: SCR-Katalysator
110: Reduktionsmittelzufuhrsystem
112: Dosiermodul
114: Isolator
116: Reduktionsmittelquelle
118: Pumpe
120: Steuerung
150: Sensor
190: Abgassystem
202: Schaufelwirbelmischereinlass
204: Schaufelwirbelmischerauslass
206: Strömungsvorrichtung
214: Dosierer
216: Anschluss
300: Trichterkante
302: Venturi-Körper
304: Stützflansch
306: Abgasführungsapertur
309: nachgelagerter Mischer
310: nachgelagerte Schaufeln
313: nachgelagerte Schaufelnabe
1106: vorgelagerter Mischer
1108: vorgelagerte Schaufeln
1109: vorgelagerte Schaufelnabe
1700: kombinierte vorgelagerte Schaufel
1112: Aperturen der vorgelagerten Schaufeln
1304: Körpereinlass
1306: Körperauslass
1308: Ummantelung
1900: Hauptströmung
1902: umgangene Strömung
1904: umgeleitete Strömung
1906: isolierte Strömung
2100: zweiter Stützflansch
2102: Aperturen des zweiten Stützflansches
2104: Verbinder
2200: Mischer mit geraden Leitungsschaufeln
2202: gerade Leitungsschaufel
2206: Nabe
2300: Mischer mit gekrümmten Leitungsschaufeln
2302: gekrümmte Leitungsschaufel
2304: kombinierte gekrümmte Schaufel
2306: gekrümmte Schaufelnabe
3100: Mischer mit ummantelten Schaufeln
3102: ummantelte Führungsschaufel
3104: kombinierte ummantelte Führungsschaufel
3106: ummantelte Schaufelnabe
3108: Aussparung

Claims

Schaufelwirbelmischer (200) zur Abgasnachbehandlung, wobei der Schaufelwirbelmischer (200) auf einer Mischerzentralachse zentriert ist, wobei der Schaufelwirbelmischer (200) umfasst: einen Schaufelwirbelmischereinlass (202), der dazu konfiguriert ist, Abgas aufzunehmen; einen Schaufelwirbelmischerauslass (204), der dazu konfiguriert ist, das Abgas einem Katalysator bereitzustellen; eine erste Strömungsvorrichtung (206), die dazu konfiguriert ist, das Abgas von dem Schaufelwirbelmischereinlass (202) aufzunehmen und ein Reduktionsmittel so aufzunehmen, dass das Reduktionsmittel mit dem Abgas innerhalb der ersten Strömungsvorrichtung gemischt wird, wobei die erste Strömungsvorrichtung umfasst: einen Venturi-Körper (302), der durch einen Körpereinlass (1304) und einen Körperauslass (1306) definiert ist, wobei der Venturi-Körper eine Venturi-Zentralachse (A_V) aufweist; eine Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln (1108), die innerhalb des Venturi-Körpers (302) und nahe dem Körpereinlass (1304) positioniert ist, wobei jede der vorgelagerten Schaufeln (1108) an eine vorgelagerte Schaufelnabe (1109) gekoppelt ist; und eine Vielzahl von Aperturen (1112) der vorgelagerten Schaufeln, die zwischen der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln (1108) beabstandet ist, wobei die Vielzahl von Aperturen (1112) der vorgelagerten Schaufeln dazu konfiguriert ist, das Abgas aufzunehmen und mit der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln (1108) zusammenzuwirken, um dem Abgas eine Wirbelströmung bereitzustellen, die ein Mischen des Reduktionsmittels und des Abgases ermöglicht; und eine Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln (310), die innerhalb des Venturi-Körpers (302) und nahe dem Körperauslass (1306) positioniert ist, wobei jede der nachgelagerten Schaufeln (310) an eine nachgelagerte Schaufelnabe (313) gekoppelt ist; und eine Vielzahl von Aperturen der nachgelagerten Schaufeln, die zwischen der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln (310) beabstandet ist, wobei die Vielzahl von Aperturen der nachgelagerten Schaufeln dazu konfiguriert ist, das Abgas aufzunehmen und mit der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln (310) zusammenzuwirken, um ein Mischen des Reduktionsmittels und des Abgases zu ermöglichen; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der vorgelagerten Schaufelnabe (1109) und der nachgelagerten Schaufelnabe (313) radial von der Venturi-Zentralachse (A_V) versetzt ist, wodurch bewirkt wird, dass einzelne der Vielzahl von Schaufeln (310, 1108), die an die radial versetzte Schaufelnabe (313, 1109) gekoppelt sind, sich in ihrer Geometrie unterscheiden.
Schaufelwirbelmischer (200) nach Anspruch 1, wobei die nachgelagerte Schaufelnabe (313) auf der Venturi-Zentralachse (A_V) zentriert ist.
Schaufelwirbelmischer (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln (1108) durch einen Winkel der vorgelagerten Schaufel zwischen einer Zentralachse der vorgelagerten Schaufelnabe (1109) und der Ebene der vorgelagerten Schaufel definiert ist, wobei die Zentralachse der vorgelagerten Schaufelnabe parallel zu der Venturi-Zentralachse (A_V) ist; der Winkel der vorgelagerten Schaufel für jede der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln (1108) zwischen einschließlich fünfundvierzig und neunzig Grad liegt; und sich der Winkel der vorgelagerten Schaufel für eine der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln (1108) gegebenenfalls von dem Winkel der vorgelagerten Schaufel für eine andere der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln (1108) unterscheidet.
Schaufelwirbelmischer (200) nach Anspruch 2 oder 3, wobei jede der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln (310) durch einen Winkel der nachgelagerten Schaufel zwischen einer Zentralachse der nachgelagerten Schaufelnabe (313) und der Ebene der nachgelagerten Schaufel definiert ist, wobei die Zentralachse der nachgelagerten Schaufelnabe parallel zu der Venturi-Zentralachse (A_V) ist; der Winkel der nachgelagerten Schaufel für jede der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln (310) zwischen einschließlich fünfundvierzig und neunzig Grad beträgt; und sich der Winkel der nachgelagerten Schaufel für eine der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln (310) gegebenenfalls von dem Winkel der nachgelagerten Schaufel für eine andere der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln (310) unterscheidet.
Schaufelwirbelmischer (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine von jeder der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln (1108) und jeder der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln (310) an den Venturi-Körper (302) gekoppelt und angepasst ist, sodass jede der gekoppelten und angepassten Schaufeln mit dem Venturi-Körper (302) zusammenwirkt, um eine Leitung zu bilden.
Schaufelwirbelmischer (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine der Vielzahl von vorgelagerten Schaufeln (1108) und der Vielzahl von nachgelagerten Schaufeln (310) gerade Leitungsschaufeln (2202) sind, wobei benachbarte gerade Leitungsschaufeln (2202) eine Leitung dazwischen bilden, wobei die Leitung eine durch die Winkelhalbierende der Ebenen der benachbarten geraden Leitungsschaufeln (2202) definierte Strömungsrichtung aufweist; einen Strömungswinkel, der zwischen der Strömungsrichtung und einer Nabenzentralachse der Nabe (2206) der geraden Leitungsschaufel definiert ist, wobei die Nabenzentralachse der Nabe (2206) der geraden Leitungsschaufel parallel zu der Venturi-Zentralachse (A_V) ist; der Strömungswinkel für jede der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln (2202) zwischen einschließlich dreißig und neunzig Grad liegt; und wobei sich der Strömungswinkel für eine der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln (2202) gegebenenfalls von dem Strömungswinkel für eine andere er Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln (2202) unterscheidet.
Schaufelwirbelmischer (200) nach Anspruch 6, wobei jede der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln (2202) an den Venturi-Körper (302) gekoppelt und angepasst ist, sodass jede der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln (2202) mit dem Venturi-Körper (302) zusammenwirkt, um eine Leitung zu bilden.
Schaufelwirbelmischer nach Anspruch 6 oder 7, wobei sich eine der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln (2202) über eine andere der Vielzahl von geraden Leitungsschaufeln (2202) um einen Verlängerungsabstand (E_sw) erstreckt; die eine der Vielzahl gerader Leitungsschaufeln (2202) eine Breite in der Strömungsrichtung aufweist; und der Verlängerungsabstand (E_sw) zwischen einschließlich null und fünfundsiebzig Prozent der Breite in der Strömungsrichtung der einen der Vielzahl gerader Leitungsschaufeln (2202) liegt.
Schaufelwirbelmischer (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Venturi-Körper (302) eine Abgasführungsapertur (306) aufweist, die entlang des Venturi-Körpers zwischen dem Körpereinlass (1304) und dem Körperauslass (1306) angeordnet ist.
Schaufelwirbelmischer (200) nach Anspruch 9, wobei die Abgasführungsapertur (306) kreisförmig oder elliptisch ist.
Schaufelwirbelmischer (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Reduktionsmitteldosierer (214) zum Einführen des Reduktionsmittels in den Schaufelwirbelmischer (200) entlang einer Achse.
Schaufelwirbelmischer (200) nach Anspruch 9, ferner umfassend einen Reduktionsmitteldosierer (214) zum Einführen des Reduktionsmittels in den Schaufelwirbelmischer (200) entlang einer Achse, wobei sich der Dosierer (214) um die Abgasführungsapertur (306) herum befindet.
Schaufelwirbelmischer (200) nach Anspruch 12, wobei der Dosierer (214) und die Abgasführungsapertur (306) auf einer vertikalen Mittelebene des Schaufelwirbelmischers (200) platziert sind, die das Reduktionsmittel in Richtung der Mischerzentralachse lenkt.
Schaufelwirbelmischer (200) nach Anspruch 12, wobei der Dosierer (214) und die Abgasführungsapertur (306) von einer vertikalen Mittelebene des Schaufelwirbelmischers (200) versetzt platziert sind, die das Reduktionsmittel in Richtung der Venturi-Wände lenkt.
Schaufelwirbelmischer (200) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Winkel (γ) zwischen der Reduktionsmitteleinführungsachse und der am nächsten gelegenen radialen Kante der Schaufel zwischen $\pm \frac{360}{2 n}$
liegt, wobei n die Anzahl an Schaufeln ist.
Schaufelwirbelmischer (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Venturi-Zentralachse (A_V) radial von der Mischerzentralachse versetzt ist.
Dieselabgaseinheit, umfassend einen Durchströmungs- oder Wandströmungskatalysator und einen Schaufelwirbelmischer (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche.