DE202013006962U1 - Mischkammer - Google Patents
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Abstract
Mischkammer (1) zum Mischen eines Zusatzstoffes in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine a) mit einem ein- oder mehrteiligen Gehäuse (11), das eine Eingangsöffnung (12) für Abgas mit einem Strömungsquerschnitt (S12) und mit einer Mitteleingangsachse (M12) sowie eine stromab der Eingangsöffnung (12) angeordnete Ausgangsöffnung (13) für Abgas mit einem Strömungsquerschnitt (S13) und mit einer Mittelausgangsachse (M13) aufweist, wobei b) innerhalb des Gehäuses (11) ein Strömungsleitelement (2) zwischen den beiden Öffnungen (12, 13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass c) das Strömungsleitelement (2) rohrförmig ausgebildet ist und mindestens einen eine Kanalachse (K2) aufweisenden Kanal (20) mit einem Einlass (22) und mit einem Auslass (23) bildet, über den der gesamte Abgasstrom in einer zur Kanalachse (K2) parallelen Strömungsrichtung (S) bis zur Ausgangsöffnung (13) hin geleitet wird, wobei d) die Strömungsrichtung (S) relativ zur Mittelausgangsachse (M13) um einen Winkel a zwischen 20° und 80° abweicht.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Mischkammer zum Mischen eines Zusatzstoffes in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem ein- oder mehrteiligen Gehäuse. Das Gehäuse weist hierzu eine Eingangsöffnung für Abgas mit einem Strömungsquerschnitt und mit einer Mitteleingangsachse sowie eine stromab der Eingangsöffnung angeordnete Ausgangsöffnung für Abgas mit einem Strömungsquerschnitt und mit einer Mittelausgangsachse auf. Im Gehäuse ist zwischen den beiden Öffnungen ein Strömungsleitelement angeordnet.
- Es ist bereits in der
DE 11 2010 002 589 T5 eine zwischen zwei Monolithen (Substraten) angeordnete Mischkammer beschrieben. Diese Mischkammer ist zwischen einem stromaufwärtigen und einem stromabwärtigen, in Reihe angeordneten Monolithen zur Behandlung der in dem Abgasstrang zirkulierenden Abgase angeordnet. Die Mischkammer weist einen durch eine Schale gebildeten und um die Mittelachse umlaufenden Kanal für die Zirkulation des Abgasstroms auf, der mindestens 20% länger ist als die Mischkammer entlang der Mittelachse. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischkammer derart auszubilden und anzuordnen, dass bei reduzierter Baulänge eine verbesserte Verteilung des Gemischs aus Abgas und Zusatzstoff auf der Substratoberfläche und gleichzeitig Ablagerungen des Zusatzstoffes erreicht werden.
- Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Strömungsleitelement rohrförmig ausgebildet ist und mindestens einen eine Kanalachse aufweisenden Kanal mit einem Einlass und einem Auslass bildet, über den der gesamte Abgasstrom in einer zur Kanalachse parallelen Strömungsrichtung bis zur Ausgangsöffnung hin geleitet wird, wobei die Strömungsrichtung relativ zur Mittelausgangsachse um einen Winkel a zwischen 20° und 80° abweicht. Der Winkel a beträgt vorzugsweise zwischen 55° und 75°. Bei einem Winkel von 65° wurde eine Benetzung des Substrats mit Gamma größer 0,9 erreicht.
- Hierdurch wird erreicht, dass alle Strömungsfäden des in die Eingangsöffnung einströmenden Abgases durch das Strömungsleitelement derart umgelenkt werden, dass alle Strömungsfäden in annähernd der gleichen zur Ausgangsöffnung schrägen Strömungsrichtung durch das Strömungsleitelement aus der Mischkammer herausgeführt werden, an der anschließend ein stromabwärtiges Substrat angeordnet ist. Da das Abgas über den Strömungsquerschnitt der Ausgangsöffnung verteilt ist, wird es auch über den Querschnitt des stromabwärtigen Substrats verteilt. Das stromabwärtige Substrat wird somit über seine gesamte Stirnfläche mit annähernd zur Strömungsrichtung parallelen Strömungsfäden schräg angeströmt, was zu einer sehr guten Verteilung des in der Mischkammer eingebrachten Zusatzstoffes führt, ohne dass der Zusatzstoff größere Ablagerungen bildet. Unter annähernd parallel zur Strömungsrichtung versteht der Fachmann Abweichungen von der als Hauptströmungsrichtung definierten Strömungsrichtung von maximal 5° bis 8°.
- Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn der Auslass einen rechtwinklig zur Mittelausgangsachse verlaufenden Auslassquerschnitt aufweist, wobei der Auslassquerschnitt maximal 20% größer oder kleiner ist als der Strömungsquerschnitt der Ausgangsöffnung und/oder die Kanalachse die Mittelausgangsachse in einem Winkel a zwischen 20° und 80° schneidet. Das Strömungsleitelement sammelt alle Strömungsfäden und kanalisiert sie in Richtung der Ausgangsöffnung, wobei im Strömungsleitelement der Zusatzstoff dem Abgasstrom beigemischt wird.
- Hierzu ist es vorteilhaft, dass das Strömungsleitelement in Richtung der Kanalachse dem Auslass gegenüberliegend stromauf einen Einlass mit einem Einlassquerschnitt aufweist, dessen Größe um 10% bis 70% gegenüber dem Auslassquerschnitt reduziert ist. Neben einer Anpassung an die jeweiligen hydraulischen Querschnitte der stromab- und stromaufwärtigen Substrate kann mit einer Verkleinerung des Einlassquerschnitts eine Beschleunigung des Abgasstroms am Einlass des Kanals beginnend in den Kanal hinein erreicht werden, durch die der im Bereich des Einlasses eingebrachte Zusatzstoff besser vermischt und in seiner Tröpfchengröße reduziert wird.
- Dazu ist es vorgesehen, dass der Kanal von einer Kanalwandung ummantelt ist und die Kanalwandung geschlossen oder perforationsfrei ausgebildet ist, damit die beschriebene Umlenkung aller Strömungsfäden erfolgen kann. Der Einlass und der Auslass bilden dabei die einzigen Öffnungen des Strömungsleitelements.
- Vorteilhaft kann es insbesondere sein, wenn der Kanal entlang der Kanalachse, beginnend an der Mittelausgangsachse eine Länge aufweist, die mindestens dem Quotienten eines mittleren Radius der Eingangsöffnung zu Sinus a entspricht, d. h. L2 ≥ R12/sina. Dadurch verschließt das Strömungsleitelement in Richtung der Mitteleingangsachse den Strömungsquerschnitt für das Abgas und zwingt es zunächst von der axialen Richtung in eine radiale Richtung, bevor das Abgas in das Strömungsleitelement einströmt.
- Wenn die Querschnittsfläche des stromaufwärtigen Substrats um ein gewisses maximales Maß kleiner ist als der Strömungsquerschnitt der Eingangsöffnung, dann weist der Kanal eine reduzierte Länge auf, die mindestens dem Quotienten eines mittleren Radius eines Substrats zu Sinus a entspricht, d. h. L2 ≥ R51/sina.
- Dabei ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Gehäuse einen über den Strömungsquerschnitt in radialer Richtung zur Mitteleingangsachse hinausragenden Dom aufweist, der zumindest teilweise den Kanal bildet oder in den zumindest teilweise der Kanal hineinragt. Damit auch der äußerste Stromfaden in die radiale Richtung abgelenkt werden kann, bildet der Dom ein Volumen außerhalb der radialen Grenzen des übrigen Gehäuses.
- Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, dass am Kanal an den Einlass anschließend und/oder im Kanal ein oder mehrere Mischelemente zum Vermischen des in die Mischkammer eingespritzten Zusatzstoffs angeordnet sind. Unabhängig davon, ob der Einlass durch eine einzige Öffnung oder durch mehrere Schlitze oder eine Perforation gebildet ist, durch die das Abgas beim Einströmen in den Kanal verwirbelt wird, sind Mischelemente vorgesehen, die nach der Einspritzvorrichtung stromab angeordnet sind.
- Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn am Dom oder an dem Strömungsleitelement eine Einspritzvorrichtung angeordnet ist, die den Zusatzstoff in einer Einspritzrichtung in das Strömungsleitelement einbringt, wobei die Einspritzrichtung um bis zu 90° zur Kanalachse angestellt ist. Durch eine mögliche Anstellung zur Kanalachse kann der Zusatzstoff mit oder auch entgegen der Strömungsrichtung des Abgases eingespritzt werden.
- Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn sich der Querschnitt des Kanals vom Einlass zum Auslass stetig vergrößert.
- Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn das Gehäuse und das stromabwärtige Konvertergehäuse und/oder das stromaufwärtige Konvertergehäuse ein ein- oder mehrteiliges gemeinsames Bauteil bilden.
- Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn das Mischelement ein statischer Mischer mit einer oder mehreren Mischstufen ist.
- Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn der Strömungsquerschnitt der Eingangsöffnung unterschiedlich zu dem Strömungsquerschnitt der Ausgangsöffnung ist.
- Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Mischkammer oder das Strömungsleitelement oder Teile davon auf den dem Abgas zugewandten Seiten zumindest teilweise katalytisch beschichtet sind.
- Die Anordnung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das stromaufwärtige Substrat als Katalysator und das stromabwärtige Substrat als Partikelfilter ausgebildet ist.
- Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Schutzansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
-
1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels mit angestellter Einspritzrichtung; -
2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels mit koaxialer Einspritzrichtung; -
3 eine Prinzipskizze der geometrischen Verhältnisse; -
4 eine Schnittansicht entgegen der Strömungsrichtung gemäß Schnittebene A-A'; -
5 ein Ausführungsbeispiel mit einem Mischelement in einem Strömungsleitelement mit einem schlitzförmigen Einlass; -
6 ein Ausführungsbeispiel mit einem konischen Strömungsleitelement; -
7 ein Ausführungsbeispiel mit einem perforierten Strömungsleitelement; -
8 ein Ausführungsbeispiel mit parallel versetzt angeordneten Substraten; -
9 ein Ausführungsbeispiel mit schräg zueinander angeordneten Substraten; -
10 ein Ausführungsbeispiel mit parallel in radialer Richtung nebeneinander angeordneten Substraten. - Die
1 und2 zeigen eine Mischkammer1 , die zwischen einem stromabwärtigen Konvertergehäuse4 und einem stromaufwärtigen Konvertergehäuse5 angeordnet ist. Die Mischkammer1 weist ein Gehäuse11 mit einer Eingangsöffnung12 und einer Ausgangsöffnung13 auf, die nach diesen beiden Ausführungsbeispielen in Bezug auf eine Mitteleingangsachse M12 und eine Mittelausgangsachse M13 koaxial angeordnet sind. - Ein zwischen der Eingangsöffnung
12 und der Ausgangsöffnung13 angeordnetes rohrförmiges Strömungsleitelement2 bewirkt, dass der Abgasstrom nach Eintritt durch die Eingangsöffnung12 von einer axialen Richtung entlang der Mitteleingangsachse M12 in radialer Richtung abgelenkt wird, weil das Strömungsleitelement2 einen axialen Strömungsquerschnitt S12 sperrt. - Hierzu ist das Strömungsleitelement
2 als Kanal20 mit einer Kanalwandung21 ausgebildet und schließt mit seinem Auslass23 entgegen der Strömungsrichtung an die Ausgangsöffnung13 des Gehäuses11 an. Da ein Auslassquerschnitt A23 des Auslasses23 im Wesentlichen einem Strömungsquerschnitt S13 der Ausgangsöffnung13 entspricht, ist die Ausgangsöffnung13 durch das Strömungsleitelement2 in Richtung der Mitteleingangsachse M12 verschlossen. Der Abgasstrom wird nach der radialen Ablenkung über einen Einlass22 in den Kanal20 geleitet und in einem Winkel a von 65° aus der Ausgangsöffnung13 hinaus auf eine Stirnfläche eines stromabwärtigen Substrats41 geleitet. - Damit möglichst alle Strömungsfäden am Ende des Kanals
20 annähernd in einer Strömungsrichtung S parallel zu einer Kanalachse K2 ausgerichtet sind, weist der Kanal20 beziehungsweise das Strömungsleitelement2 eine gewisse Länge L2 auf, damit auch der äußerste Stromfaden in radialer Richtung nach außen abgelenkt wird. - Der in radialer Richtung abgelenkte Abgasstrom sammelt sich in einem Dom
14 , der durch einen Teil des Gehäuses11 gebildet ist, der in radialer Richtung über die Eingangsöffnung12 hinaussteht. Der Einlass22 des Strömungsleitelements2 ist im Dom14 angeordnet. Am Dom14 ist im Bereich des Einlasses22 eine Einspritzvorrichtung6 zum Einbringen eines Zusatzstoffs in einer Einspritzrichtung E vorgesehen. - Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß
1 wird der Zusatzstoff von der Einspritzrichtung E im Kanal20 in Richtung der Kanalachse K2 umgelenkt. Der Einlass22 weist einen Einlassquerschnitt E22 auf, in dem ein statisches Mischelement3 angeordnet ist und durch das der Zusatzstoff hindurch gespritzt wird. - Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß
2 sind die Einspritzrichtung E und die Kanalachse K2 koaxial oder zumindest parallel. - Vor und hinter dem Gehäuse
11 sind ein stromabwärtiges Konvertergehäuse4 mit einem stromabwärtigen Substrat41 und ein stromaufwärtiges Konvertergehäuse5 mit einem stromaufwärtigen Substrat51 angeordnet. Diese beiden Gehäuse4 ,5 sind gemäß2 in das Gehäuse11 , in die Eingangsöffnung12 und in die Ausgangsöffnung13 eingesteckt. Die Substrate41 ,51 sind koaxial zur Mitteleingangsachse M12 der Eingangsöffnung12 und zur Mittelausgangsachse M13 der Ausgangsöffnung13 angeordnet. - Die Ermittlung der notwendigen Länge L2 ist in der Prinzipskizze gemäß
3 verdeutlicht. Damit der gesamte Abgasstrom beziehungsweise jeder Strömungsfaden nach Eintritt in die Eingangsöffnung12 in radialer Richtung abgelenkt werden kann, ragt die Kanalwandung21 des Kanals20 in radialer Richtung mit einem Maß über die Mitteleingangsachse M12 hinaus, das größer ist als ein Radius R12 der Eingangsöffnung12 oder ein Radius R51 des stromaufwärtigen Substrats51 . Unter Berücksichtigung des Winkels a, mit dem die Kanalachse K2 gegenüber der Mittelausgangsachse M13 angestellt ist, muss die Länge L2 mindestens größer sein als der Quotient des mittleren Radius R51 des Substrats41 zu Sinus a. Je nachdem, wie sich der Durchmesser des stromaufwärtigen Konvertergehäuses5 zu dem Durchmesser des stromaufwärtigen Substrats51 verhält oder welche Konstruktionsgeometrie angewandt wird, kann es ausreichend sein, dass die Länge L2 größer ist als der Quotient des mittleren Radius R12 der Eingangsöffnung12 zu Sinus a. - In
4 ist der Schnitt A-A' gemäß2 dargestellt, wonach die gekrümmte Kanalwandung21 dargestellt ist, die in Richtung der Mittelausgangsachse M13 den Auslass23 über seinen gesamten Auslassquerschnitt A23 verschließt. Der Radius des Auslassquerschnitts A23 entspricht in diesem Fall sowohl einem Radius R41 des stromabwärtigen Substrats41 als auch dem Radius R51 des stromaufwärtigen Substrats51 . - In
5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem im Kanal20 nach der Eingangsöffnung12 ein Mischelement3 angeordnet ist. Die Eingangsöffnung12 ist gitterartig ausgebildet, wobei Teilbereiche der Kanalwandung21 in radialer Richtung als Klappe flügelartig nach innen oder nach außen gebogen sind. - Nach
6 ist der Kanal20 im Bereich der Eingangsöffnung12 konisch ausgebildet. Nach7 ist anstatt einer gitterartigen Struktur eine Perforation P vorgesehen, die in der Summe ebenso wie die gitterartige Struktur einen entsprechenden Strömungsquerschnitt S12 bildet. - Nach
8 sind die beiden Substrate41 ,51 achsparallel derart angeordnet, sodass die Mitteleingangsachse M12 und die Mittelausgangsachse M13 parallel angeordnet sind. - Nach
9 sind die beiden Substrat-Mittelachsen in einem Winkel b von 30° zueinander angeordnet. Der Winkel b kann zwischen 0° und 180° variieren. 0° entspricht dem Ausführungsbeispiel nach1 und2 . 180° entspricht dem Ausführungsbeispiel nach10 . - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 112010002589 T5 [0002]
Claims (14)
- Mischkammer (
1 ) zum Mischen eines Zusatzstoffes in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine a) mit einem ein- oder mehrteiligen Gehäuse (11 ), das eine Eingangsöffnung (12 ) für Abgas mit einem Strömungsquerschnitt (S12) und mit einer Mitteleingangsachse (M12) sowie eine stromab der Eingangsöffnung (12 ) angeordnete Ausgangsöffnung (13 ) für Abgas mit einem Strömungsquerschnitt (S13) und mit einer Mittelausgangsachse (M13) aufweist, wobei b) innerhalb des Gehäuses (11 ) ein Strömungsleitelement (2 ) zwischen den beiden Öffnungen (12 ,13 ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass c) das Strömungsleitelement (2 ) rohrförmig ausgebildet ist und mindestens einen eine Kanalachse (K2) aufweisenden Kanal (20 ) mit einem Einlass (22 ) und mit einem Auslass (23 ) bildet, über den der gesamte Abgasstrom in einer zur Kanalachse (K2) parallelen Strömungsrichtung (S) bis zur Ausgangsöffnung (13 ) hin geleitet wird, wobei d) die Strömungsrichtung (S) relativ zur Mittelausgangsachse (M13) um einen Winkel a zwischen 20° und 80° abweicht. - Mischkammer (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (23 ) einen rechtwinklig zur Mittelausgangsachse (M13) verlaufenden Auslassquerschnitt (A23) aufweist, wobei der Auslassquerschnitt (A23) maximal 20% größer oder kleiner ist als der Strömungsquerschnitt (S13) der Ausgangsöffnung (13 ) und/oder die Kanalachse (K2) die Mittelausgangsachse (M13) in einem Winkel a zwischen 20° und 80° schneidet. - Mischkammer (
1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (2 ) in Richtung der Kanalachse (K2) dem Auslass (23 ) gegenüberliegend stromauf einen Einlass (22 ) mit einem Einlassquerschnitt (E22) aufweist, dessen Größe um 10% bis 70% gegenüber dem Auslassquerschnitt (A23) reduziert ist. - Mischkammer (
1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (20 ) von einer Kanalwandung (21 ) ummantelt ist und die Kanalwandung (21 ) geschlossen oder perforationsfrei ausgebildet ist. - Mischkammer (
1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (2 ) entlang der Kanalachse (K2), beginnend an der Mittelausgangsachse (M13) eine Länge (L2) aufweist, die mindestens dem Quotienten eines mittleren Radius (R12) der Eingangsöffnung (12 ) zu Sinus a entspricht, d. h. L2 ≥ R12/sina. - Mischkammer (
1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Eingangsöffnung (12 ) ein Substrat (51 ) vorgesehen ist und der Kanal (2 ) entlang der Kanalachse (K2), beginnend an der Mittelausgangsachse (M13) eine Länge (L2) aufweist, die mindestens dem Quotienten eines mittleren Radius (R51) eines Substrats (41 ) zu Sinus a entspricht, d. h. L2 ≥ R51/sina. - Mischkammer (
1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11 ) einen über den Strömungsquerschnitt (S12, S13) in radialer Richtung zur Mitteleingangsachse (M12) hinausragenden Dom (14 ) aufweist, der zumindest teilweise den Kanal (2 ) bildet oder in den zumindest teilweise der Kanal (2 ) hineinragt. - Mischkammer (
1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Kanal (2 ) an den Einlass (22 ) anschließend und/oder im Kanal (2 ) ein oder mehrere Mischelemente (3 ) zum Vermischen des in die Mischkammer (1 ) eingespritzten Zusatzstoffs angeordnet sind. - Mischkammer (
1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Dom (14 ) oder an dem Strömungsleitelement (2 ) eine Einspritzvorrichtung (6 ) angeordnet ist, die den Zusatzstoff in einer Einspritzrichtung (E) in das Strömungsleitelement (2 ) einbringt, wobei die Einspritzrichtung (E) um bis zu 90° zur Kanalachse (K2) angestellt ist. - Mischkammer (
1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die Ausgangangsöffnung (13 ) anschließend ein stromabwärtiges Konvertergehäuse (4 ) mit einem stromabwärtigen Substrat (41 ) vorgesehen ist, wobei das stromabwärtige Substrat (41 ) mit dem Auslass (23 ) strömungstechnisch verbunden ist. - Mischkammer (
1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Eingangsöffnung (12 ) ein stromaufwärtiges Konvertergehäuse (5 ) mit dem stromaufwärtigen Substrat (51 ) vorgesehen ist, wobei das stromaufwärtige Substrat (51 ) mit dem Einlass (22 ) strömungstechnisch verbunden ist. - Mischkammer (
1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitteleingangsachse (M12) und die Mittelausgangsachse (M13) parallel oder koaxial angeordnet sind oder sich in einem Winkel zwischen 10° und 80° schneiden. - Mischkammer (
1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsöffnung (12 ) und die Ausgangsöffnung (13 ) in Richtung der Mitteleingangsachse (M12) hintereinander oder in radialer Richtung zur Mitteleingangsachse (M12) nebeneinander angeordnet sind. - System bestehend aus einer Mischkammer (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor.
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