DE4034313A1 - Vorrichtung zum mischen von fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von Fluiden, vorzugsweise Gasen mit unterschiedlichen chemi­ schen und/oder physikalischen Eigenschaften, insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 40 15 013.5 ist eine Vorrichtung zum Regenerieren von Partikelfiltern bekannt, bei der Dieselabgas und Abgas einer Brennkammer vermischt werden.

Diese bekannte Mischvorrichtung ist durch homogene Mi­ schung bei geringem Platzbedarf und mäßigem Druckverlust gekennzeichnet. Dazu werden allerdings Einbauten wie Drallzerstörer, Drallplatte und Strömungsblende benötigt, die einen baulichen Aufwand darstellen und den Strömungs­ widerstand dieser Mischvorrichtung erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischvor­ richtung für Gase zu schaffen, die bei einem zur bekannten Lösung vergleichbaren Bauvolumen und vergleichbarer Misch­ qualität einen geringeren Bauaufwand erfordert und einen verminderten Strömungswiderstand aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Mischstrecke kommt es zunächst zu einer Beschleunigung der Strömung mit starken Scherkräften zwischen den unter­ schiedlich gerichteten und unterschiedlich schnellen Teil­ strömungen. Bei der anschließenden, allmählichen Quer­ schnittserweiterung der Mischvorrichtung liegt die Strö­ mung aufgrund des herrschenden Dralles an der Wand an, während sich im achsnahen Bereich der Mischvorrichtung eine Rezirkulationszone bildet. Dadurch findet ein inten­ siver radialer und axialer Stoffaustausch mit entsprechen­ dem Homogenisierungseffekt statt. Aufgrund der drallbehaf­ teten Strömung darf die Querschnittserweiterung relativ stark sein, ohne daß es zu einer Strömungsablösung kommt. Auf die Weise werden eine kurze Bauweise und relativ ge­ ringer Druckverlust verwirklicht, denn im Bereich der Querschnittserweiterung findet ein erheblicher Druckrück­ gewinn statt. Die intensive Mischung wird ohne Einbauten ausschließlich durch den Querschnittsverlauf der Misch­ strecke in Verbindung mit der Drallströmung erreicht, wo­ durch Bauaufwand und Strömungswiderstand vermindert werden.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung werden die Herstellkosten der Mischvorrichtung besonders niedrig gehalten, da die Kegelform einfach zu fertigen ist und identische Kegelformen für die Querschnittsverminderung und -erweiterung Verwendung finden können.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung nutzt die unterschiedlichen Strömungsverhältnisse bei beschleunigter und verzögerter Strömung aus, um eine geringstmögliche Baulänge zu erreichen. Das bedeutet im Extremfall, daß an­ stelle der kegelförmigen Querschnittsverminderung ein Querschnittssprung vom Durchmesser der Vorkammer auf den kleinsten Durchmesser der Mischstrecke erfolgt, wie das bei Blenden oder bei Kegelstümpfen mit Kegelwinkeln über 180° der Fall ist.

In besonderen Anwendungsfällen kann es von Vorteil sein, die Mischstrecke als Kegelschnittfläche z. B als einscha­ liges Hyperboloid auszugestalten.

Eine Drallströmung führt zwangsläufig zu einer Tempera­ tur- und Dichteschichtung, d. h. die leichten, heißen Gase strömen zur Drallachse, die kühlen Anteile zum Drallum­ fang. Dieser Tendenz wirkt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung entgegen. Durch die exzentrische Anordnung des zweiten Gaseinlasses gerät die daraus strömende heiße Gasmasse in die Drallströmung des ersten Gases, wodurch sich eine Mitnahme des zweiten durch das erste Gas ergibt und demzufolge eine erste Mischung dieser Gase.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird ein fertigungstechnisch einfache Übergang der beiden Ke­ gelstümpfe erreicht. Es kann aber auch von Vorteil sein, den Übergangszylinder in den querschnittsvermindernden Ke­ gelstumpf hineinragen zu lassen.

Falls es sich bei dem zweiten Gas um das heiße Abgas einer Brennkammer handelt, ist es von Vorteil, diese Brennkammer innerhalb der Vorkammer anzuordnen, in die das erste Gas drallerzeugend eingeleitet wird. Auf diese Weise wird Bau­ raum gespart und Wärmeverluste vermieden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung bewirkt eine thermische Abschirmung der Brennkammer. Auf diese Weise wird eine einseitige Abkühlung der Brennkammer durch das erste Gas verhindert, die zu unregelmäßiger Gemischbildung und Verbrennung in derselben führen kann. Die erfindungs­ gemäße Ausbildung des Wärmeschutzes dient zugleich als Ausströmschutz für den zweiten Gaseinlaß, was ebenfalls zur Stabilisierung der Verbrennung in der Brennkammer bei­ trägt.

Eine erfindungsgemäße Weiterbildung erleichtert die Her­ stellung der Mischvorrichtung und führt zu drehsymmetri­ scher Strömung mit niedrigem Strömungswiderstand.

Es ist von Vorteil, die erfindungsgemäße Mischvorrichtung auf einen Dieselmotor mit nachgeschaltetem Partikelfilter anzuwenden, dessen Regeneration durch Aufheizen der Die­ selmotorabgase eingeleitet wird.

Durch eine erfindungsgemäße Weiterbildung ergibt sich ein einfaches Gehäuse, für das Partikelfilter mit Regenera­ tionsanlage und Mischvorrichtung, das anstelle eines zy­ lindrischen Abgasschalldämpfers eingebaut werden kann.

Weitere Mermale der Erfindung ergeben sich aus der folgen­ den Beschreibung der Zeichnung, in der Ausführungsbeispie­ le der Erfindung schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 Schnitt durch die Mischvorrichtung mit querschnitts­ verminderndem und querschnittserweiterndem Kegel­ stumpf (9, 10),

Fig. 2 Schnitt durch die Mischvorrichtung nach Fig. 1 je­ doch mit in den querschnittsvermindernden Kegel­ stumpf (9) ragenden Übergangszylinder (8),

Fig. 3 Detailschnitt durch die Mischvorrichtung mit einem Kegelwinkel des querschnittsvermindernden Kegel­ stumpfes (9) von 180°,

Fig. 4 Detailschnitt durch die Mischvorrichtung mit einem Kegelwinkel des querschnittsvermindernden Kegel­ stumpfes (9) von über 180°.

Die Figur zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Mischvorrichtung. Diese besteht aus einer Vorkammer 1 und der Mischstrecke 4. Die Vorkammer 1 weist zwei erste Gas­ einlässe 2 auf, durch die das Abgas eines Dieselmotors tangential am Umfang der Vorkammer 1 einströmt. In dieser drehsymmetrischen Vorkammer 1 befindet sich eine ebenfalls drehsymmetrische Brennkammer 5, die an deren Stirnwand 6 befestigt ist. Die Achse der Brennkammer 6 liegt außermit­ tig zur Achse der Vorkammer 1. Die Brennkammer 5 weist einen zweiten Gaseinlaß 3 auf, aus dem heiße Brenngase pa­ rallel zur Achse der Vorkammer 1 bzw. der Mischstrecke 4 ausströmen.

An die Vorkammer 1 schließt sich die Mischstrecke 4 an. Zunächst vermindert sich der Querschnitt kegelförmig auf einen Zylinder 8 um dann anschließend wieder kegelförmig auf den gleichen Querschnitt sich zu erweitern. Im vorlie­ genden Beispiel wurde der Kegelwinkel von 70°C gewählt.

An die Mischstrecke 4 schließt sich ein Partikelfilter des Durchmessers der Vorkammer 1 an.

Die Mischvorrichtung funktioniert folgendermaßen:
Im Normalbetrieb des Dieselmotors strömt dessen Abgas durch die zwei Gaseinlässe (2) tangential in die Vorkammer 1 und durch die Mischstrecke 4 zum Partikelfilter. Dieses wird durch den Partikelgehalt des Abgases mit Partikeln belegt, bis der steigende Gegendruck eine Regeneration des Partikelfilters erforderlich macht.

Dann wird die Brennkammer 5 gezündet, so daß aus dem zwei­ ten Gaseinlaß 3 heiße Gase in die Mischstrecke 4 strömen, wodurch die zum Abbrennen des Rußbelages erforderliche Gastemperatur erreicht wird. Durch die exzentrische Lage der Brennkammer 5, bezogen auf die Vorkammer 1, wird der Heißgasstrom von der Abgasdrallströmung in Umfangsrichtung mitgenommen und durch die Querschnittsverminderung be­ schleunigt und vorgemischt. Die anschließende Quer­ schnittserweiterung der Mischstrecke 4 führt in Verbindung mit der Drallströmung zu einer Rezirkulation, die zu einem intensiven Stoffaustausch der unterschiedlich temperierten Gasströme führt. Das nunmehr gleichmäßig erhitzte Gas tritt in das Partikelfilter ein, so daß dessen Partikelbe­ lag gleichmäßig abbrennt.

Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung zeichnet sich durch homogene Temperaturverteilung vor dem Partikelfilter und damit gleichmäßige Regeneration aus. Dieses Ergebnis wird mit geringer Baulänge und ohne jegliche Einbauten in der Mischstrecke erreicht. Die fehlenden Einbauten und der Druckrückgewinn in der Strömungserweiterung haben einen relativ geringen Strömungswiderstand zur Folge.

In den Fig. 2 bis 4 sind Ausführungsvariationen darge­ stellt, bei denen die Baulänge der Mischvorrichtung bei erhöhtem Strömungswiderstand minimiert wurde.

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Mischen von Fluiden, vorzugsweise Gasen mit unterschiedlichen chemischen und/oder physikali­ schen Eigenschaften, mit einer Vorkammer (1), die einen ersten Gaseinlaß (2) für ein erstes Gas und einen zweiten Gaseinlaß (3) für ein zweites aufweist, wobei der erste Gaseinlaß (2) im Umfangsbereich der Vorkammer (1) und in dieser eine Drallströmung erzeugend angeordnet ist, wäh­ rend der zweite Gaseinlaß (3) eine Einströmrichtung vor­ zugsweise parallel zur Drallachse aufweist und wobei im Anschluß an die Vorkammer (1) eine Mischstrecke (4) mit einer Querschnittsverringerung und einer anschließenden Querschnittserweiterung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Querschnittser­ weiterung über einen Streckenabschnitt erfolgt, dessen Länge größter als Null ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkonturen der Strec­ kenabschnitte mit Querschnittsverminderung und mit Quer­ schnittserweiterung kegelstumpfförmig ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel des quer­ schnittsvermindernden Kegelstumpfes (9) gleich oder größer als der Kegelwinkel des querschnittserweiternden Kegel­ stumpfes (10) ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel des quer­ schnittsvermindernden Kegelstumpfes (9) vorzugsweise zwi­ schen 45° und 240° liegt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel des quer­ schnittsvermindernden Kegelstumpfes (9) 180° beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstrecke (4) die In­ nenkontur eines einschaligen Hyperboloids aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gaseinlaß (3) vor­ zugsweise außerhalb der Achse der Mischstrecke (4) ange­ ordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Querschnitt der Mischstrecke (4) vorzugsweise als Übergangszylinder (8) ausgebildet ist, der zwischen den Kegelstümpfen (9, 10) angeordnet ist und der mindestens den Querschnitt des er­ sten Gaseinlasses (2) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangszylinder (8) in den querschnittsvermindernden Kegelstumpf (9) hineinragt.

10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gaseinlaß (3) als Auslaß einer Brennkammer (5) ausgebildet ist, die vorzugs­ weise an einer die Vorkammer (1) begrenzende Stirnwand (6) befestigt und in der Vorkammer (1) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise koaxial zur Brennkammer (5) und mit radialem Abstand zu dieser ein Schutzrohr (7) angeordnet ist, das die Brennkammer (5) auf ihrer gesamten Länge abdeckt und über den Gaseinlaß (3) hinausragt.

12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (1) die Brenn­ kammer (5) und die Mischstrecke (4) drehsymmetrisch ausge­ bildet sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gaseinlaß (2) in Strömungsverbindung mit der Abgasleitung einer Diesel­ brennkraftmaschine steht und daß in Strömungsrichtung hin­ ter der Mischstrecke (4) ein Partikelfilter angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (1), die Misch­ strecke (4) und das Partikelfilter in einem Rohr von kon­ stantem Durchmesser angeordnet sind.