DE4015013B4 - mixing device - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Bildung eines homogenen Gemisches aus dem Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine und dem Abgas einer Brennkammer (11), wobei das Abgas der Dieselbrennkraftmaschine im vorderen Bereich in der Peripherie (4) eines Mischrohres (1), das in Strömungsrichtung vor einem Partikelfilter (10) angeordnet ist, sowie das Abgas der Brennkammer (11) aus einer vorzugsweise axialen Öffnung (7) der Brennkammer (11) in den Bereich und die Richtung der Achse des Mischrohres (1) eingebracht werden und beide Abgase einen Drall mit entgegengesetztem Drehsinn um die Achse des Mischrohres (1) aufweisen und wobei eine Scheibe (6) senkrecht zur Achse (5) des Mischrohres (1) angeordnet ist, deren Mittelpunkt in etwa auf der Achse (5) des Mischrohres (1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung hinter der Scheibe (6) eine Drallbremse (2) angeordnet ist.Device for forming a homogeneous mixture of the exhaust gas of a diesel internal combustion engine and the exhaust gas of a combustion chamber (11), the exhaust gas of the diesel internal combustion engine in the front area in the periphery (4) of a mixing tube (1), which is arranged in the flow direction in front of a particle filter (10) is, and the exhaust gas of the combustion chamber (11) from a preferably axial opening (7) of the combustion chamber (11) in the area and the direction of the axis of the mixing tube (1) are introduced and both exhaust gases have a swirl with an opposite direction of rotation about the axis of the Have mixing tube (1) and wherein a disc (6) is arranged perpendicular to the axis (5) of the mixing tube (1), whose center lies approximately on the axis (5) of the mixing tube (1), characterized in that behind in the flow direction a swirl brake (2) is arranged on the disc (6).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bildung eines homogenen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bildung eines homogenen Gemisches aus dem Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine und dem Gemisches aus dem Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine und dem Abgas einer Brennkammer wobei das Abgas der Dieselbrennkraftmaschine im vorderen Bereich in der Peripherie eines Mischrohres, das in Strömungsrichtung vor einem Partikelfilter angeordnet ist, sowie das Abgas der Brennkammer aus einer vorzugsweise axialen Öffnung der Brennkammer in den Bereich und die Richtung der Achse des Mischrohres eingebracht werden und beide Abgase einen Drall mit entgegengesetztem Drehsinn um die Achse des Mischrohres aufweisen und wobei eine Scheibe senkrecht zur Achse des Mischrohres angeordnet ist, deren Mittelpunkt in etwa auf der Achse des Mischrohres liegt und ein entsprechendes Verfahren zur Bildung eines homogenen Gemisches.The invention relates to a device to form a homogeneous The invention relates to a device to form a homogeneous mixture from the exhaust gas of a diesel engine and the mixture of the exhaust gas of a diesel engine and the exhaust gas of a combustion chamber, the exhaust gas of the diesel engine in the front area in the periphery of a mixing tube, which in flow direction is arranged in front of a particle filter, and the exhaust gas of the combustion chamber from a preferably axial opening the combustion chamber in the area and the direction of the axis of the mixing tube are introduced and both exhaust gases have a swirl with opposite Have rotation around the axis of the mixing tube and being a disc is arranged perpendicular to the axis of the mixing tube, the center point lies approximately on the axis of the mixing tube and a corresponding one Process for the formation of a homogeneous mixture.

In der nicht vorveröffentlichten DE 38 37 472 A1 wird ein Partikelfiltersystem beschrieben, in dem eine gattungsgemäße Mischvorrichtung für zwei unterschiedliche Gasströme in Strömungsrichtung vor dem Partikelfilter vorgesehen ist. Diese Mischvorrichtung dient zur Homogenisierung der beiden Gasströme mit dem Ziel einer gleichmäßigen Beaufschlagung und damit gleichmäßigen Regeneration des Partikelfilters. Diese Mischvorrichtung weist eine Primär- und eine Sekundärbrennkammer auf. In die Sekundärbrennkammer tritt das Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine und das Abgas einer Primärbrennkammer ein, wobei beide Abgasströme einen Drall mit entgegengesetztem Drehsinn aufweisen, der zur homogenen Mischung der beiden Abgasströme führen soll. Außerdem ist eine Prallplatte zwischen der Primärbrennkammer und dem Partikelfilter vorgesehen, die eine unmittelbare Beaufschlagung des Partikelfilters durch die heißen Abgase der Primärbrennkammer verhindern soll.In the unpublished DE 38 37 472 A1 A particle filter system is described in which a generic mixing device for two different gas flows in the flow direction is provided in front of the particle filter. This mixing device serves to homogenize the two gas streams with the aim of uniform loading and thus uniform regeneration of the particle filter. This mixing device has a primary and a secondary combustion chamber. The exhaust gas from a diesel internal combustion engine and the exhaust gas from a primary combustion chamber enter the secondary combustion chamber, the two exhaust gas streams having a swirl with the opposite direction of rotation, which should lead to a homogeneous mixture of the two exhaust gas streams. In addition, a baffle plate is provided between the primary combustion chamber and the particle filter, which is intended to prevent the particulate filter from being acted upon directly by the hot exhaust gases of the primary combustion chamber.

Es hat sich gezeigt, dass trotz dieser Maßnahmen eine Beaufschlagung des Partikelfilters mit homogenem, gleichtemperiertem Gas und damit eine gleichmäßige Regeneration des Partikelfilters nicht unter allen Betriebsbedingungen sichergestellt ist.It has been shown that despite this activities an application of the particle filter with a homogeneous, equal temperature Gas and therefore even regeneration of the particle filter is not ensured under all operating conditions is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung und ein Mischverfahren anzugeben, wodurch zwei Gasströme unterschiedlicher Zusammensetzung und Temperatur bei geringem Platzbedarf und geringen Druckverlusten so vermischt werden, daß eine gleichmäßige Zusammensetzung und Temperatur des Gasgemisches über dem Austrittsquerschnitt des Mischsystems gewährleistet ist und somit eine gleichmäßige Regeneration eines nachgeschalteten Partikelfilters sichergestellt ist.The invention has for its object a Mixing device and a mixing method specify, whereby two gas flows different composition and temperature in a small space and low pressure drops are mixed so that a uniform composition and temperature of the gas mixture above that Outlet cross section of the mixing system is guaranteed and thus a even regeneration of a downstream particle filter is ensured.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. The task is characterized by the characteristics of claims 1 and 8 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteranspeüchen beschrieben.Advantageous configurations are in the sub-claims described.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die Drallstruktur geändert und die thermische Gemischschichtung derart modifiziert, daß eine gleichmäßige Beaufschlagung des Partikelfilters mit Gas gleicher Temperatur gewährleistet ist.Through the device according to the invention the swirl structure changed and modified the thermal mixture stratification such that an even application of the particle filter with gas of the same temperature is.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sehr einfach aufgebaut. Sie besteht im einfachsten Fall aus zwei sich unter 90° kreuzenden Blechen, die zugleich als Halterung für die Scheibe dienen.The device according to the invention is very simple built up. In the simplest case, it consists of two crossing at 90 ° Sheets that also serve as a holder for the disc.

Die geometrische Ausbildung der Stege der Drallbremse dient zur Erreichung des gewünschten Drallbremseffektes.The geometric design of the webs the swirl brake is used to achieve the desired swirl brake effect.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Homogenisierungseffekt verstärkt und optimiert. Die erfindungsgemäße Strömungsblende bewirkt eine radiale Durchmischung der Gasströmung und damit einen Ausgleich der Restinhomogenitäten.According to an advantageous development the invention, the homogenization effect is enhanced and optimized. The flow orifice according to the invention causes a radial mixing of the gas flow and thus an equalization the remaining inhomogeneities.

Dazu haben sich im Versuch vorteilhafte Abmessungen bezüglich Lage und Größe der Strömungsblende und der Scheibe herausgestellt.To do this have been advantageous in the experiment Dimensions related to Location and size of the flow orifice and exposed the disc.

In Anspruch 8 wird das erfindungsgemäße Mischungsverfahren im Detail dargestellt. Durch das vorteilhafte Zusammenwirken von vorzugsweise im Gegendrall einströmenden Gasströmen mit der Scheibe und der sie tragenden Stege der Drallbremse und der nachgeschalteten Strömungsblende werden die beiden Gasströme homogenisiert und führen zu einer gleichmäßigen Belegung des Rußfilters bzw. beim Regenerieren zu einem gleichmäßigen Abbrand des gesamten Rußbelages. Dabei sind die einzelnen Elemente des Mischungssystems so aufeinander abgestimmt, daß der Mischvorgang auf einer relativ kurzen Entfernung und mit geringem Druckverlust vonstatten geht.In claim 8, the mixing method according to the invention presented in detail. Due to the advantageous interaction of preferably in the counter-swirling gas streams the disc and the ridges of the swirl brake and the downstream flow orifice the two gas flows homogenized and lead to an even occupancy of the soot filter or when regenerating to a uniform burn of the whole Rußbelages. The individual elements of the mixing system are so on top of each other voted that the Mixing process at a relatively short distance and with little There is a loss of pressure.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist.Further features of the invention result from the following description and the drawing in which an embodiment the invention is shown schematically.

Die einzige Figur zeigt:

  • – einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Mischvorrichtung mit dem dazu gehörigen Partikelfilter.
The only figure shows:
  • - A cross section through the mixing device according to the invention with the associated particle filter.

Das Mischrohr 1 umfaßt die Mischvorrichtung 13 und das Partikelfilter 10. An der Stirnseite 14 des Mischrohres 1 ist eine zentrale Brennkammer 11 angeordnet, aus deren axialer Öffnung 7 Gas mit Drall in die Mischvorrichtung 13 eintritt. Durch Abgasanschlüsse 12, die am Umfang des Mischrohres im Bereich der Brennkammer 11 angeordnet sind, wird Abgas der Dieselbrennkraftmaschine mit Drall in die Mischvorrichtung 13 eingeleitet, wobei der Drallsinn des Abgases dem Drallsinn des aus der Brennkammer 11 austretenden Gases entgegen gerichtet ist.The mixing tube 1 comprises the mixing device 13 and the particle filter 10 , At the front 14 of the mixing tube 1 is a central combustion chamber 11 arranged from the axial opening 7 Gas with swirl in the mixing device 13 entry. Through exhaust gas connections 12 that on the circumference of the mixing tube in the area of the combustion chamber 11 are arranged, exhaust gas from the diesel engine with swirl into the mixing device 13 initiated, the swirl sense of the exhaust gas the swirl sense of the combustion chamber 11 escaping gas is directed against.

In der Achse des Mischrohres 1 und senkrecht zu dieser ist eine Scheibe 6 im Abstand vom Radius des Mischrohres vor der axialen Öffnung 7 angeordnet, wobei die Scheibe 6 den 1,5-fachen Durchmesser der axialen Öffnung 7 aufweist.In the axis of the mixing tube 1 and perpendicular to this is a disc 6 at a distance from the radius of the mixing tube in front of the axial opening 7 arranged, the disc 6 1.5 times the diameter of the axial opening 7 having.

Die Scheibe 6 wird von 4 radialen, sich kreuzenden Stegen 8 mit der Wand 9 des Mischrohres verbunden und getragen. Die Stege 8 bestehen aus dünnwandigem Blech. Sie haben eine gewisse Erstreckung in Richtung der Achse der Mischkammer 1. Ihre Breite steigt von der Mitte des Mischrohres 1 zu dessen Wand 9 hin an und erreicht ein Maximum vom 0,4-fachen Radius des Mischrohres 1.The disc 6 is made up of 4 radial, intersecting webs 8th with the wall 9 of the mixing tube connected and carried. The bridges 8th consist of thin-walled sheet metal. They have a certain extension in the direction of the axis of the mixing chamber 1 , Its width increases from the center of the mixing tube 1 to the wall 9 and reaches a maximum of 0.4 times the radius of the mixing tube 1 ,

In Strömungsrichtung hinter der Drallbremse 2 ist eine Strömungsblende 3 angeordnet. Der axiale Abstand zwischen der Eintrittsöffnung 7 und der Strömungsblende 3 liegt beim 1,6-fachen des Radius des Mischrohres 1, während die Blendenöffnung 15 einen Durchmesser vom 1,6-fachen des Radius des Mischrohres 1 aufweist.In the direction of flow behind the swirl brake 2 is a flow orifice 3 arranged. The axial distance between the entry opening 7 and the flow orifice 3 is 1.6 times the radius of the mixing tube 1 while the aperture 15 a diameter of 1.6 times the radius of the mixing tube 1 having.

Das Partikelfilter 10 ist in Strömungsrichtung hinter der Strömungsblende 3 angeordnet, wobei der Abstand zwischen beiden dem 0,25-fachen des Radius des Mischrohres 1 entspricht.The particle filter 10 is in the flow direction behind the flow orifice 3 arranged, the distance between the two being 0.25 times the radius of the mixing tube 1 equivalent.

Die Mischvorrichtung funktioniert auf folgende Weise:
Bei einer bestimmten Rußbeladung des Partikelfilters 10 wird durch einen geeigneten Sensor die Regeneration ausgelöst und zwar unabhängig vom Betriebszustand des Motors. Die Regeneration findet im Regelfall bei mit unterschiedlicher Last und Drehzahl laufendem Dieselmotor statt. Das Abgas des Dieselmotors tritt durch die Abgasanschlüsse 12 in die Mischvorrichtung 13 ein. Es wird durch die Abgase des Brenners 11 auf die für die Regeneration erforderliche Temperatur aufgeheizt. Beide Gasströme haben unterschiedliche Drallrichtung und unterschiedliche Temperatur. Die Drallströmung der Abgase der Dieselbrennkraftmaschine werden durch die Drallbremse 2 teilweise abgebremst. Sie werden aufgrund eines im Drallzentrum im Bereich der Achse des Mischrohres 1 wirkenden Unterdrucks zu dessen Mitte hin abgelenkt, wodurch sich im Bereich der Achse des Mischrohres 1 eine Rückströmung des Abgases der Dieselbrennkraftmaschine gegen das Abgas der Brennkammer 11 bildet. Dadurch wird das Abgas der Brennkammer 11 radial nach außen verdrängt, wodurch sich die beiden Abgasströme mehrmals durchdringen und die Mischung einleiten. Die hinter der Drallbremse 2 angeordnete Strömungsblende 3 unterstützt die Rückströmung der Abgase der Dieselbrennkraftmaschine und bewirkt in Verbindung mit der Restumfangsgeschwindigkeit des Gemisches, das dieses durch Einschnüren der Strömung und durch Ringwirbelbildung hinter der Strömungsblende 3 weiter homogenisiert wird. Auf diese Weise gelingt es auf relativ kurzer Strecke und mit geringen Druckverlusten die beiden Gasströme zu homogenisieren und damit eine gleichmäßige Beladung einerseits und eine gleichmäßige Regeneration des Partikelfilters andererseits zu verwirklichen.The mixing device works in the following way:
With a certain soot load on the particle filter 10 the regeneration is triggered by a suitable sensor, regardless of the operating state of the engine. Regeneration usually takes place with the diesel engine running at different loads and speeds. The exhaust gas from the diesel engine passes through the exhaust gas connections 12 into the mixing device 13 on. It is caused by the exhaust gases from the burner 11 heated to the temperature required for regeneration. Both gas flows have different swirl directions and different temperatures. The swirl flow of the exhaust gases of the diesel internal combustion engine are controlled by the swirl brake 2 partially slowed down. They are due to a swirl center in the area of the axis of the mixing tube 1 acting negative pressure deflected towards the center, which is in the region of the axis of the mixing tube 1 a backflow of the exhaust gas of the diesel engine against the exhaust gas of the combustion chamber 11 forms. This turns the exhaust gas into the combustion chamber 11 displaced radially outwards, as a result of which the two exhaust gas flows penetrate each other several times and introduce the mixture. The one behind the swirl brake 2 arranged flow orifice 3 supports the backflow of the exhaust gases of the diesel engine and, in conjunction with the remaining peripheral speed of the mixture, does this by constricting the flow and by creating vortexes behind the flow orifice 3 is further homogenized. In this way, it is possible to homogenize the two gas streams over a relatively short distance and with low pressure losses, and thus to achieve uniform loading on the one hand and uniform regeneration of the particle filter on the other.

Claims (8)

Vorrichtung zur Bildung eines homogenen Gemisches aus dem Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine und dem Abgas einer Brennkammer (11), wobei das Abgas der Dieselbrennkraftmaschine im vorderen Bereich in der Peripherie (4) eines Mischrohres (1), das in Strömungsrichtung vor einem Partikelfilter (10) angeordnet ist, sowie das Abgas der Brennkammer (11) aus einer vorzugsweise axialen Öffnung (7) der Brennkammer (11) in den Bereich und die Richtung der Achse des Mischrohres (1) eingebracht werden und beide Abgase einen Drall mit entgegengesetztem Drehsinn um die Achse des Mischrohres (1) aufweisen und wobei eine Scheibe (6) senkrecht zur Achse (5) des Mischrohres (1) angeordnet ist, deren Mittelpunkt in etwa auf der Achse (5) des Mischrohres (1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung hinter der Scheibe (6) eine Drallbremse (2) angeordnet ist.Device for forming a homogeneous mixture of the exhaust gas from a diesel internal combustion engine and the exhaust gas from a combustion chamber ( 11 ), the exhaust gas of the diesel engine in the front area in the periphery ( 4 ) a mixing tube ( 1 ) in front of a particle filter ( 10 ) and the exhaust gas from the combustion chamber ( 11 ) from a preferably axial opening ( 7 ) the combustion chamber ( 11 ) in the area and the direction of the axis of the mixing tube ( 1 ) are introduced and both exhaust gases have a swirl with the opposite direction of rotation about the axis of the mixing tube ( 1 ) and where a disc ( 6 ) perpendicular to the axis ( 5 ) of the mixing tube ( 1 ) is arranged, the center of which is roughly on the axis ( 5 ) of the mixing tube ( 1 ), characterized in that in the flow direction behind the disc ( 6 ) a swirl brake ( 2 ) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallbremse radial stehende Stege (8) aufweist, die Halterung für die Scheibe (6) sind und diese mit einer Wand (9) des Mischrohres (1) verbinden.Device according to claim 1, characterized in that the swirl brake has radially standing webs ( 8th ), the holder for the disc ( 6 ) and they have a wall ( 9 ) of the mixing tube ( 1 ) connect. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (8) aus Blech geringer Dicke bestehen und daß die Breite der Stege (8) von der Mitte des Mischrohres (1) zu dessen Wand (9) hin ansteigt, wobei die maximale Breite in etwa dem 0,4-fachen des Radius des Mischrohres (1) entspricht.Device according to claim 2, characterized in that the webs ( 8th ) consist of thin sheet metal and that the width of the webs ( 8th ) from the middle of the mixing tube ( 1 ) to its wall ( 9 ) increases, the maximum width being approximately 0.4 times the radius of the mixing tube ( 1 ) corresponds. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Scheibe (6) und der axialen Öffnung (7) in etwa dem Radius des Mischrohres (1) und der Durchmesser der Scheibe (6) vorzugsweise dem 1,5-fachen Durchmesser der axialen Öffnung (7) der Brennkammer (11) entspricht.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between the disc ( 6 ) and the axial opening ( 7 ) approximately the radius of the mixing tube ( 1 ) and the diameter of the disc ( 6 ) preferably 1.5 times the diameter of the axial opening ( 7 ) the combustion chamber ( 11 ) corresponds. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Drallbremse (2) und Partikelfilter (10) eine Strömungsblende (3) angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the swirl brake ( 2 ) and particle filter ( 10 ) a flow orifice ( 3 ) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsblende (3) von der axialenen Öffnung (7) der Brennkammer (11) eine Entfernung im Bereich des 1,4 bis 2,4-fachen vom Radius des Mischrohres (1) aufweist und daß der Durchmesser der Strömungsblende (3) im Bereich des 0,6 bis 1,6-fachen vom Radius des Mischrohres (1) liegt.Device according to claim 5, characterized in that the flow orifice ( 3 ) from the axial opening ( 7 ) the combustion chamber ( 11 ) a distance in the range of 1.4 to 2.4 times from Radius of the mixing tube ( 1 ) and that the diameter of the flow orifice ( 3 ) in the range of 0.6 to 1.6 times the radius of the mixing tube ( 1 ) lies. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Partikelfilter (10) im Bereich des 0,25 bis 2-fachen vom Radius des Mischrohres (1) in Strömungsrichtung hinter der Strömungsblende (3) angeordnet ist.Device according to one of claims 5 or 6, characterized in that the particle filter ( 10 ) in the range of 0.25 to 2 times the radius of the mixing tube ( 1 ) in the flow direction behind the flow orifice ( 3 ) is arranged. Verfahren zur Bildung eines homogenen Gemisches unter Anwendung der Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die im Mischrohr (1) in Strömungsrichtung hinter der axialen Öffnung (7) der Brennkammer (11) angeordneten Drallbremse (2) die Drallströmung des Abgases der Dieselbrennkraftmaschine teilweise abgebremst und aufgrund eines im Drallzentrum wirkenden Unterdrucks zur Mitte des Mischrohres (1) hin abgelenkt wird, wodurch sich im Bereich der Achse des Mischrohres (1) eine Rückströmung des Abgases der Dieselbrennkraftmaschine gegen das Abgas der Brennkammer (11) bildet und dieses dadurch radial nach außen verdrängt, und wodurch die beiden Abgase sich mehrmals durchdringen und die Mischung einleiten, während die in Strömungsrichtung hinter der Drallbremse (2) angeordnete Strömungsblende (3) die Rückströmung unterstützt und in Verbindung mit der Restumfangsgeschwindigkeit des Gemisches dieses durch Einschnüren der Strömung und durch Ringwirbelbildung hinter der Strömungsblende (3) weiter homogenisiert.Method for forming a homogeneous mixture using the device according to one of the preceding claims, characterized in that the 1 ) in the direction of flow behind the axial opening ( 7 ) the combustion chamber ( 11 ) arranged swirl brake ( 2 ) the swirl flow of the exhaust gas of the diesel internal combustion engine is partially braked and due to a negative pressure acting in the swirl center to the center of the mixing tube ( 1 ) is deflected, which results in the area of the axis of the mixing tube ( 1 ) a backflow of the exhaust gas of the diesel engine against the exhaust gas of the combustion chamber ( 11 ) and thereby displacing it radially outwards, and as a result of which the two exhaust gases penetrate each other several times and introduce the mixture, while in the direction of flow behind the swirl brake ( 2 ) arranged flow orifice ( 3 ) supports the backflow and in connection with the remaining peripheral speed of the mixture, this by constricting the flow and by creating ring vortices behind the flow orifice ( 3 ) further homogenized.
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