EP2771098B1

EP2771098B1 - Mischeranordnung zur reduktionsmittelaufbereitung

Info

Publication number: EP2771098B1
Application number: EP12779006.1A
Authority: EP
Inventors: Thomas Nagel; Peter Alberti
Original assignee: Continental Automotive GmbH; Volkswagen AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH; Volkswagen AG
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: RU2014121303A; DE102011117139A1; US9416703B2; JP2014532549A; CN104066498A; EP2771098A1; KR20140072176A; CN104066498B; US20140230419A1; WO2013060598A1; RU2614686C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischeranordnung zum Vermischen von Abgas in einer Abgasleitung mit einem Additiv, wobei das Additiv insbesondere dem Abgas zugegeben und dort gleichmäßig verteilt wird. Bei Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren und Magermotoren, fällt eine unerwünscht hohe Menge an Stickoxiden an. Zu dessen Beseitigung eignet sich insbesondere die Zugabe des Additivs Ammoniak, wodurch auch bei einem Sauerstoffüberschuss die Stickoxide zu Stickstoff reduziert werden können und der Wasserstoffanteil des Ammoniaks sich zu Wasser verbindet. Für den mobilen Einsatz hat sich die Bevorratung von dem Reizgas Ammoniak als ungeeignet herausgestellt. Die Bevorratung von Ammoniak in Form von im Wasser gelöstem Harnstoff hingegen hat sich für den mobilen Einsatz bewährt. Hierzu hat sich der Einsatz von der als AdBlue^® bezeichneten 32,5% Harnstoff enthaltenden Lösung auf dem Markt durchgesetzt. Die Harnstoff-Wasser-Lösung muss jedoch durch Hydrolyse und/oder Thermolyse entsprechend aufbereitet werden. Der Begriff Additiv wird nachfolgend also insbesondere als ein Synonym für ein (flüssiges bzw. wenigstens teilweise gasförmiges) Reduktionsmittel und/oder einen Reduktionsmittelvorläufer zur Durchführung des so genannten SCR-Verfahrens (Selektive Katalytische Reaktion) genutzt.
Gemäß einem möglichen Verfahren wird die Harnstoff-Wasser-Lösung (ggf. mittels eines Trägergases z. B. als Aerosol) direkt in den Abgasstrom eingedüst. Hierbei ergeben sich jedoch verschiedene Probleme. Die relativ großen Tropfen des Einspritzstrahls bzw. des Sprühnebels sollen nach Möglichkeit nicht an einer Abgasleitungswand haften bleiben, weil sie dort chemisch und mechanisch beständige Kristalle bilden können, die auf das übliche Leitungsmaterial korrosiv wirken. Andererseits soll aber auch eine gleichmäßige Verteilung im Abgasstrom erreicht werden. Daraus ergibt sich teilweise ein sehr enges Regelungsfenster für die Eindüsung der Harnstoff-Wasser-Lösung. Insbesondere unter Berücksichtigung der hochdynamischen Strömungsverhältnisse und wechselnden Temperaturverhältnisse des Abgases einer modernen Verbrennungskraftmaschine kann ein solches Regelfenster mit technisch und ökonomisch vertretbarem Aufwand nicht immer zuverlässig eingestellt werden. Daher wurden im Stand der Technik verschiedene Mischvorrichtungen entwickelt.
In der DE 10 2007 052 262 A1 wird z. B. eine Einrichtung zum Mischen und/oder Verdampfen eines Reduktionsmittels gezeigt. Hierbei wird ein Mischer bzw. Verdampfer über den gesamten Abgaskanalquerschnitt angeordnet, bei dem sich Strömungsleitelemente an orthogonalen Gitterstegen befinden. Das Reduktionsmittel wird hierbei in Abgasströmungsrichtung beigegeben und zum Teil auf die Leitflächen der Strömungsleitelemente aufgegeben. Hierdurch wird das Durchspritzen von Teilstrahlen vermieden und eine gleichmäßige Verteilung der Harnstoff-Wasser-Lösung ohne Bildung von Wandfilmen an der Innenwand des Abgaskanals erreicht. Zugleich wird eine nahezu vollständige Umsetzung der Stickoxide durch das verdampfende Reaktionsmittel erreicht. Nachteilig bei solchen Anordnungen ist, dass Prallflächen für das Reduktionsmittel gebildet werden müssen, die quer zur Abgasströmung stehen und damit einen erheblichen Druckverlust bewirken. Darüber hinaus wird eine Ablagerung des Reduktionsmittels erzwungen, wodurch die Gefahr besteht, dass sich chemisch sehr stabile Wandfilme, Agglomerate, etc. auf der Mischvorrichtung bilden. Insbesondere wenn die Mischvorrichtung zu kalt oder zu heiß ist, bilden sich diese unerwünschten chemisch sehr stabilen Kristalle, die praktisch unter den Bedingungen im Abgassystem nicht mehr beseitigt werden können.
In einer weiteren bekannten Strategie zur Vermeidung der oben beschriebenen Problematik wird die Vermischung durch die Düsengeometrie oder die Düsenanordnung erreicht. Aus der US 2011/0 067 385 A1 ist bekannt, die Düsenöffnung im Wesentlichen entgegen der Abgasströmungsrichtung auszurichten. Hierdurch soll direkt Turbulenz erzeugt werden, welche die Durchmischung von Abgas und Reduktionsmittel unterstützt.
Darüber hinaus kann für viele Betriebszustände sichergestellt werden, dass die Tröpfchen des Reduktionsmittels vor der Ablagerung an der Kanalinnenwand von der Abgasströmung mitgerissen werden. Nachteilig ist bei einer solchen Anordnung, dass verhindert werden muss, dass sich Ablagerungen an der Düsenöffnung durch Abgaspartikel und/oder Harnstoff-Reaktanten bilden, wodurch die Düse zusetzt. Darüber hinaus ist häufig trotz der vorteilhaften Anordnung dennoch eine hochdynamische Regelung der Einspritzzeitpunkte und/oder des Einspritzdrucks notwendig.
Weiterhin kann die Vermischung von Reduktionsmittel und Abgas durch Verwirbelungserzeuger bzw. Turbulenzerzeuger vor oder hinter der Einspritzdüse verbessert werden. Bei dieser Variante sind die Turbulenzerzeuger häufig durch quer zur Strömungsrichtung ausgerichtete Strömungsleitplatten gebildet. Dadurch ist der Rückstau für das Abgas deutlich erhöht. Solche Konzepte offenbaren z. B. die WO 2008/061 593 A1 oder die US 2007/0 101 703 A1 .
JP H06 15726 offenbart eine Mischanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die JP H06 15726 offenbart schließlich noch einen wannenartigen Verdampfer, wobei Reduktionsmittel in eine in der Abgasleitung befindliche Wanne gefördert und dort mittels des die Wanne umstömenden heißen Abgases verdampft wird.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Insbesondere soll eine Mischeranordnung angegeben werden, mit der das Abgas und ein Additiv in ausreichender Weise miteinander vermischt werden und, im Falle der Flüssigzugabe von einer Harstoff-Wasser-Lösung, zugleich Ablagerungen von Harnstoff-Reaktanten auf der Mischeranordnung oder der Abgasleitungsinnenseite verhindert werden. Darüber hinaus soll der Rückstau infolge eines hohen Strömungswiderstandes einer Mischeranordnung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, vermieden werden. Es sei an dieser Stelle vorweggenommen, dass die vorgeschlagene Mischeranordnung jedoch ebenso für andere Additive (wie beispielsweise Wasser, Kraftstoff, Gase, etc.) geeignet sein soll und daher nicht auf die Verwendung mit einer Harnstoff-Lösung beschränkt sein soll.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Mischeranordnung zum Vermischen eines Additivs mit einem Abgasstrom mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können, und zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung führen. Ergänzend können die in der Beschreibung erläuterten und/oder in den Figuren veranschaulichten Merkmale und Funktionen zur weiteren Charakterisierung der Erfindung herangezogen werden, woraus sich weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben.
Die Erfindung betrifft eine Mischeranordnung zum Vermischen eines Additivs mit einem Abgasstrom, wobei die Mischeranordnung mindestens eine Überströmfläche umfasst, die in einer Mischstrecke einer Abgasleitung angeordnet ist und die das Abgas mit dem Additiv anströmt. Die Abgasleitung weist einen Querschnitt und eine Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms auf. Die mindestens eine Überströmfläche ist zentral in der Mischstrecke angeordnet und entlang der Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms ausgerichtet. Dabei ist in der Überströmfläche eine Vielzahl geschlossener Vertiefungen vorgesehen, die Wirbel und quer strömende Strömungsfäden in dem Abgasstrom induzieren, wobei die mindestens eine Überströmfläche mit einer einst3ückigen Platte gebildet ist, wobei die Platte zwei Überströmflächen hat und auf beiden Seiten eine Vielzahl geschlossener Vertiefungen aufweist.
Die Mischeranordnung zum Vermischen eines Additivs mit einem Abgasstrom ist dazu eingerichtet, ein Additiv, wie z. B. eines der oben beschriebenen Reduktionsmittel, möglichst homogen in einem Abgasstrom zu verteilen. Die Abgasleitung bildet einen Teil einer Abgasanlage, die sich an eine (mobile) Verbrennungskraftmaschine abschließt. In dieser Abgasleitung ist eine Mischstrecke gebildet, in der das Vermischen des Additivs mit dem Abgasstrom stattfindet bzw. Turbulenzen für das Vermischen eines Additivs mit einem Abgasstrom erzeugt werden. Diese Mischstrecke ist insbesondere stromaufwärts vor einem SCR-Katalysator bzw. einem Hydrolyse-Katalysator angeordnet. Der Querschnitt der Abgasleitung ist die durchströmbare Fläche der Abgasleitung im Bereich der Mischstrecke senkrecht zur Hauptströmungsrichtung. Die Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms bezeichnet in der Regel die über ein größeres Zeitintervall betrachtete Flussrichtung des Abgasstroms; nämlich die Richtung von der Verbrennungskraftmaschine zum Auslass der Abgasleitung. Die mindestens eine Überströmfläche kennzeichnet sich vor allem dadurch aus, dass das Abgas sie nicht durchdringt, sondern vielmehr im Wesentlichen an ihr entlangströmt und/oder an ihr entlang geführt wird. In der Mischstrecke kann eine Mehrzahl an Überströmflächen angeordnet sein, wobei diese bevorzugt parallel zueinander und/oder parallel zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet sind. Die Anzahl der Überströmflächen ist vorteilhafterweise gering zu halten; bevorzugt ist die Anzahl der Überströmflächen kleiner als 5, besonders bevorzugt beträgt die Anzahl höchstens 3, 2 oder 1. Die mindestens eine Überströmfläche ist zentral in der Mischstrecke angeordnet. Hierbei ist "zentral" insbesondere so zu verstehen, dass die (Mehrzahl der) Überströmfläche(n) mittig in dem Massenstrom des Abgases und/oder der Abgasleitung angeordnet ist, sodass der Massenstrom möglichst gleichmäßig von der Überströmfläche beeinflusst wird.
In der mindestens einen Überströmfläche ist eine Vielzahl geschlossener Vertiefungen gebildet. Die Vertiefungen sind damit insbesondere lediglich zur Abgasseite hin offen. Die Vertiefungen stellen bevorzugt nur eine lokal begrenzte Verformung der Überströmfläche dar. Keinesfalls bilden die Vertiefungen Öffnungen, Poren und/oder Kanäle, welche von Abgas durchströmbar sind, insbesondere nicht die Überströmfläche durchdringen. Die Vertiefungen können in Form von Dellen in Strömungsrichtung ein Kreissegment bzw. ein Segment einer Ellipse beschreiben oder sogar ein Kugelsegment bzw. ein Segment eines Ellipsoids bilden. Sie können aber auch in Form eines Zylinders mit im Wesentlichen runder Mantelfläche, d. h. ebenfalls ellipsenförmiger oder freiformkurviger Grundfläche, gebildet sein. Es kann aber auch jegliche andere Geometrie für die Vertiefungen gewählt werden. Die Vertiefungen kennzeichnen sich insbesondere dadurch, dass sie aus einer offenen Fläche in der Überströmfläche, geschlossenen Seitenwänden und einer geschlossenen Bodenfläche gebildet sind. Dabei sind die Seitenflächen, die Bodenfläche und die restliche Überströmfläche miteinander bündig gebildet, sodass kein Durchströmen des Abgasstroms möglich ist (geschlossen). Hierbei können die einzelnen Abschnitte der Vertiefung fließend ineinander übergehen, wie es z. B. bei einem Kugelsegment vorliegt.
Die Anzahl der Vertiefungen ist insbesondere so gewählt, dass diese noch voneinander (insbesondere in Hauptströmungsrichtung) zueinander beabstandet sind. Falls die Vertiefungen zueinander verschiedene Abstände aufweisen ist bevorzugt, dass der Abstand zur benachbarten Vertiefung in Hauptströmungsrichtung am größten ist. Insbesondere soll jedoch gelten, dass die Überströmfläche zu mindestens 50 %, insbesondere mindestens 80 %, von Vertiefungen gebildet ist.
Aus dieser obig beschriebenen Mischeranordnung ergibt sich der Vorteil, dass der, die Überströmfläche überströmende, Abgasstrom sich im Bereich zumindest einer Mehrzahl von Vertiefungen folgendermaßen verhält:

Das anströmende bzw. in die Mischstrecke eintretende Abgas (mit dem Additiv) hat ein ausgeprägtes Strömungsprofil, welches laminar und/oder turbulent vorliegen kann. Dieses Strömungsprofil kennzeichnet sich vor allem dadurch, dass Druckdifferenzen innerhalb des Strömungsprofils gering sind, insbesondere vernachlässigbar gering. Erreicht dieses Strömungsprofil eine Vertiefung, so fällt der Druck durch die Querschnittserweiterung zumindest lokal ab. Ein Strömungsprofil ist aus Stromfäden gebildet. Im Falle einer laminaren Strömung stellt ein solcher Stromfaden den Weg eines einzelnen Abgasmoleküls dar. Im Falle einer turbulenten Strömung stellt der Stromfaden einen von aneinander entlang laufenden statistisch gemittelten Wegen der Abgasmoleküle dar. Die Stromfäden mit geringem Abstand zur Überströmfläche werden beim Eintreffen in die Querschnittserweiterung dem Verlauf der Vertiefung folgen. Aufgrund der Trägheit bleibt im Eintrittsbereich der Vertiefung ein nicht beströmter Bereich. Dieser nicht beströmte Bereich bildet im Vergleich zur Überhangströmung einen Unterdruck. Ein solcher Unterdruckbereich wiederum zieht einen Teil der Stromfäden an, sodass der oder die Stromfäden entgegen der Strömungsrichtung des anströmenden Strömungsprofils umgelenkt werden. Die Stromfäden, die weiterhin in Hauptströmungsrichtung fließen und zum Ende der geschlossenen Vertiefung gelangen, werden mit einem zum Strömungsprofil abweichenden Winkel in die Hauptströmung zurückgeleitet. Es werden somit im Anfangsbereich der Vertiefung und/oder im Endbereich der Vertiefung Stromfäden derart umgelenkt, dass sie mit einem abweichenden Winkel (z. B. 30 bis 150°), auf die übrigen Stromfäden des Strömungsprofils auftreffen. Dadurch wird ein Impuls quer zur Hauptströmungsrichtung erzeugt. Beim Vorliegen einer laminaren Strömung kann so die Strömung infolge des Impulses spätestens nach einer Mehrzahl überströmter Vertiefungen auch in eine turbulente Strömung umschlagen. Bei einer laminaren Strömung findet, wie eingangs erklärt, durch das parallele Strömen der Abgasmoleküle im Wesentlichen nur ein diffusiver Austausch der Abgasmoleküle auf den unterschiedlichen Strömungsfäden statt. Eine solche Strömung ist für die Durchmischung der Abgasmoleküle und der Additivmoleküle bzw. Additivtropfen ungeeignet. Es ist daher zunächst schon einmal vorteilhaft, dass nach einer Mindeststrecke der Überströmfläche (wenigstens teilweise sicher) eine turbulente Strömung vorliegt.

Darüber hinaus wird aber auch der Querimpuls in der turbulenten Strömung mit dem Überschreiten einer jeden Vertiefung in Reihe erhöht. Das bedeutet, dass Moleküle (verstärkt) eine Querbewegung zur Hauptströmungsrichtung beschreiben und somit in dem Abgasstrom verteilt werden. Dieser Effekt wird insbesondere dadurch verstärkt, dass im Anfangsbereich und im Endbereich einer Vertiefung Wirbel und Wirbelstraßen entstehen, die gegenüber sonstigen Einflüssen des nicht ausgelenkten Anteils des Strömungsprofils sehr stabil sind, bevorzugt laminar strömen. Ein solcher Wirbel bzw. eine solche Wirbelstraße verursacht somit eine räumliche Fortsetzung von Querimpulsanteilen in der Abgasströmung. Ein besonderer Vorteil dieser Mischeranordnung zur Induktion von turbulenter Strömung und von Wirbeln bzw. Wirbelstraßen liegt aber darin, dass die Abgasumlenkung in einem Bereich der Querschnitterweiterung der durchströmbaren Fläche in der Mischeranordnung stattfindet. Das heißt, dass zunächst ein Unterdruck erzeugt und erst infolge dieses Unterdrucks der Druck wieder auf das vorige Niveau angehoben wird. Es werden somit allein durch die quer strömenden Stromfäden bzw. Moleküle des Abgasstroms lokale Druckerhöhungen erzeugt.
Im Gegensatz zu den vorbekannten Turbulenzerzeugern, die mit einer zur Hauptströmungsrichtung querstehenden Leitfläche gebildet sind, wird über die Induktion von Wirbeln und quer strömenden Stromfäden keine signifikante Druckerhöhung infolge von einer Querschnittsverengung erzeugt. Auch durch die Überströmfläche, die entlang der Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms ausgerichtet ist, wird lediglich eine geringe Druckerhöhung erreicht. Diese Druckerhöhung beruht darauf, dass die Überströmfläche eine Bauhöhe aufweist, die den Abgasleitungsquerschnitt verengt bzw. verändert. Dieser Effekt kann aber dadurch reduziert werden, dass der Abgasleitungsquerschnitt im Bereich der Überströmfläche entsprechend erweitert wird. Dadurch kann der Strömungsquerschnitt im Vergleich zur Abgasleitung außerhalb der Mischstrecken konstant gehalten oder sogar erweitert werden. Weiter ist zu berücksichtigen, dass infolge des Überströmens auch nur geringe Möglichkeiten geboten werden, Ablagerungen zu erzeugen. Es findet somit eine hervorragende Durchmischung des Abgasstroms mit dem Additiv statt, ohne dabei einen übermäßigen Gegendruck im Abgas zu erzeugen.
Die mindestens eine Überströmfläche ist mit einer einstückigen Platte gebildet. Besonders bevorzugt werden zwei Überströmflächen mit einer einstückigen Platte gebildet. Das heißt, die einstückige Platte weist auf beiden Seiten eine Vielzahl geschlossener Vertiefungen auf, an denen der Abgasstrom entlangströmt. In einer sehr einfachen Variante ist die Platte parallel und/oder konzentrisch zur Wandung der Abgasleitung in der Mischstrecke geformt. Bevorzugt aber ist die Platte parallel zum Hauptmassenstrom bzw. der Hauptströmungsrichtung der Abgasströmung geformt. Die einstückige Platte ist in Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen flach. Das heißt, der Winkel, den ein direkt anströmender Strömungsfaden zum Überströmen der Platte beschreiben muss, ist sehr stumpf, bevorzugt oberhalb von 175°. Dabei kann die Platte zur Vermeidung von lokalen Drucküberhöhungen auch eine Überströmfläche bilden, die ein strömungsoptimales Profil ausbildet. Weiter kann die Platte tropfenförmig und/oder flügelartig gestaltet sein, wobei die Ausrichtung einem Steuerruder bzw. einem neutralen Flugzeug oder Profil entspricht. Wird die Mischeranordnung durch eine Mehrzahl von Überströmflächen gebildet, so ist die Mehrzahl der einstückigen Platten vorteilhafterweise so angeordnet, dass im Wesentlichen keine Verengung des Strömungsquerschnitts in der Mischstrecke verursacht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der obig beschriebenen Mischeranordnung ist die Überströmfläche frei von Erhebungen. Hiermit ist insbesondere gemeint, dass in der Überströmfläche keine Leitflächen gebildet sind, die in die Abgasströmung hineinragen. Daraus folgt insbesondere, dass durch die Überströmfläche an keiner Stelle zuerst eine Druckerhöhung und dann ein Druckabfall erzeugt wird. Es bedeutet aber nicht, dass die Überströmfläche zwangsweise eine gerade Ebene bilden muss, sondern sie kann z. B. eine (konvexe) Krümmung aufweisen, die es dem anströmenden Abgasstrom erlaubt, dem Verlauf der Überströmfläche regelmäßig ohne Strömungsabriss zu folgen. Mit anderen Worten werden keine Erhebungen in der Überströmfläche vorgesehen, die derart in den Strömungsquerschnitt eindringen, dass sie lokale Wirbel erzeugen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der obig beschriebenen Mischeranordnung weist die Platte eine Dicke auf, die maximal dem 1,5-fachen der maximalen Tiefe der Vertiefungen entspricht. Um den Strömungswiderstand der Platte möglichst gering zu halten, aber dennoch eine ausreichende Stabilität der Platte zu erhalten, die durch die Vertiefungen geschwächt wird, sollte die Platte maximal 50 % dicker als die Vertiefungen sein. Besonders bevorzugt beträgt die maximale Tiefe der Vertiefungen 2 mm [Millimeter] bis 8 mm. Je geringer die maximale Tiefe der Vertiefungen ist, desto sanfter ist die Einleitung von Turbulenzen und Verwirbelungen in den Abgasstrom. Die (größte) Diagonale der Öffnung der Vertiefung bzw. der Durchmesser der Vertiefung beträgt dabei bevorzugt 10 mm bis 20 mm. Das Material der Platte sollte so gewählt werden, dass es den mechanischen Belastungen und den hohen Temperaturschwankungen des hochdynamischen Abgasstroms dauerhaft widersteht. Aufgrund des geringen Gegendrucks, der durch die Platte induziert wird, kann die Materialstärke, also die Dicke der Platte, deutlich dünner gewählt werden, als dies bei vorbekannten Strömungsleitflächen von Mischvorrichtungen notwendig ist. Auch muss das Material der Platten nicht so gewählt werden, dass es gegenüber Harnstoff oder Harnstoff-Reaktanten chemisch resistent ist, weil es ausgeschlossen ist, dass sich Ablagerungen an der Mischeranordnung in einem solchen Maß bilden, dass dies zu einer Beschädigung der Platte führt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der obig beschriebenen Mischeranordnung nimmt die Summe der Dicken aller Platten maximal 5 % [Prozent] des Querschnitts der Abgasleitung ein. Im Gegensatz zu vorbekannten Strömungsleitflächen, die durch ihre Querausrichtung zur Strömungsrichtung des Abgasstroms einen großen Flächenanteil des Querschnitts der Abgasleitung einnehmen, ist es mit der beschriebenen Mischeranordnung möglich, nur einen geringen Anteil des Querschnitts der Abgasleitung einzunehmen. Insbesondere kann der Strömungsquerschnitt in der Abgasleitung zum Bereich der Mischstrecke konstant bleiben. Dies kann erreicht werden, indem der Querschnitt der Abgasleitung im Bereich der Mischstrecke um die Summe der Dicken aller Platten erweitert wird, oder um etwas mehr, damit der Trägheit des Strömungsprofils Rechnung getragen wird. Insbesondere gilt, dass der angegebene Grenzwert für die Mischeranordnung an jedem Querschnitt innerhalb der Mischstrecke gilt, also insbesondere über die gesamte Länge der Überströmfläche(n).
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der oben beschriebenen Mischeranordnung bilden die Vertiefungen jeweils mit der Überströmfläche eine zumindest teilweise scharfe Kante. Damit ist gemeint, dass besonders am Eintrittsbereich der Vertiefungen eine Kante zur Überströmfläche gebildet wird, die nicht hydraulisch abgerundet ist und der somit die zuvor anliegenden Stromfäden der abrupten Änderung des Verlaufs der Überströmfläche nicht folgen können. Dadurch wird die Umlenkung der Strömung besonders effizient, weil der Unterdruckbereich, der die Stromfäden umlenkt, groß und damit einflussreich wird. Die Schärfe der Kante ist bevorzugt mit der Erstreckung der Öffnung der Vertiefung und der Dichte des Fluids abzustimmen, sodass verhindert wird, dass eine Vertiefung in den Strömungszuständen, während derer das Additiv zugegeben wird, unbeachtet überströmt werden könnte und somit nutzlos wäre.
Im Rahmen der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug angegeben, welches eine Verbrennungskraftmaschine und eine daran angeschlossene Abgasanlage aufweist. Die Abgasanlage umfasst eine Mischeranordnung gemäß der erfindungsgemäßen Beschreibung. Ein solches Kraftfahrzeug weist den Vorteil auf, dass die Verbrennungskraftmaschine nur einen stark reduzierten Gegendruck überwinden muss und daher mehr Leistung der Verbrennungskraftmaschine für die sonstigen Funktionen des Kraftfahrzeuges, insbesondere für das Fahren, nutzbar ist. Somit wird bei gleicher Leistung der Verbrennungskraftmaschine in dem Kraftfahrzeug ein höherer Wirkungsgrad erreicht bzw. beim Abruf der gleichen Fahrleistung ein geringerer Energieverbrauch und somit auch ein geringerer Ausstoß von Treibhausgasen erreicht.
Besonders bevorzugt wird durch die Vertiefungen in der Überströmfläche im Betrieb der Abgasanlage ein Strömungswiderstand erzeugt, der einen Anteil von weniger als 5 %, bevorzugt weniger als 1 %, des Strömungswiderstands der Mischeranordnung beträgt. Würde also eine Mischeranordnung ohne Vertiefungen bzw. mit aufgefüllten Vertiefungen in einem Kraftfahrzeug eingebaut, verglichen mit der beschriebenen Mischeranordnung in einem gleichen Kraftfahrzeug eingebaut, so ergibt sich, dass der Strömungswiderstandsbeiwert um lediglich 5 %, bevorzugt weniger als 1 %, gegenüber der Überströmfläche ohne Vertiefungen erzeugt wird. Während aber die abgedichtete Überströmfläche nahezu keine Durchmischung des Abgasstroms mit dem Additiv bewirkt, wird mit der beschriebenen Mischeranordnung eine hocheffiziente Vermischung des Abgasstroms mit dem Additiv erreicht.
Zur Prüfung dieser Vorgabe kann ein entsprechendes Fahrzeug mit zugehöriger Verbrennungskraftmaschine und Abgasanlage vorbereitet werden, wobei die zentralen Überströmflächen ohne aktive Vertiefungen eingesetzt werden. Dann kann ein klassischer Fahrzyklus (z. B. FTP oder dergleichen) durchgeführt und der mittlere Druckabfall / Strömungswiderstand der Überströmfläche bestimmt werden. Danach erfolgt eine Wiederholung dieses Tests, wobei allerdings die geschlossenen Vertiefungen aktiv bzw. vorgesehen sind. Wird der oben angegebene Grenzwert für die Erhöhung nicht überschritten, ist eine besonders gute Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Mischeranordnung für die konkrete Anwendung gefunden. Sollte der Grenzwert doch überschritten sein, sollte (zumindest teilweise) insbesondere die Anzahl der Vertiefungen verringert, der Abstand der Vertiefungen zueinander vergrößert, die Kantenschärfe der Vertiefungen erhöht und/oder die Größe der Vertiefungen verringert werden.
Insgesamt wird eine sehr effektive Mischeranordnung vorgeschlagen, die ein sehr effizientes Vermischen von einem Additiv mit dem Abgasstrom erreicht und zugleich nur einen geringen Strömungswiderstand erzeugt.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren sind schematisch und benennen gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen. Es zeigen:

Fig. 1: ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Abgasanlage;
Fig. 2: eine Überströmfläche mit einer Vertiefung;
Fig. 3: eine kugelsegmentförmige Vertiefung in einer Platte;
Fig. 4: eine zylinderförmige Vertiefung in einer Platte; und
Fig. 5: eine Anordnung einer Vielzahl von Vertiefungen auf einer Platte.

Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 14 mit einer Verbrennungskraftmaschine 15 und einer Abgasanlage 16. Die Verbrennungskraftmaschine 15 ist bevorzugt eine Dieselkraftmaschine oder ein mager (mit Luftüberschuss) betriebener Ottomotor. Der Abgasstrom 3 in der Abgasanlage 16 überströmt in diesem Beispiel zunächst ein erstes Abgasreinigungselement 20 und nach Durchströmen der Mischstrecke 5 ein zweites Abgasreinigungselement 21. In diesem Beispiel ist eine Einspritzdüse 19 direkt am Anschluss an das erste Abgasreinigungselement 20 angeschlossen, die ein Additiv 2 in den Abgasstrom 3 zugibt. In der anschließenden Mischeranordnung 1 ist eine Platte 10 angeordnet, die entlang der Hauptströmungsrichtung 8 des Abgasstroms 3 ausgerichtet ist. Dies ist eine bevorzugte im Stand der Technik etablierte Anordnung, die jedoch keine Einschränkung des Erfindungsgedanken begründet. Die Abgasleitung 6 im Bereich der Mischstrecke 5 hat einen Querschnitt 7. In diesem Beispiel ist gut zu erkennen, dass die Platte 10 der Mischeranordnung 1 so eingerichtet ist, dass keine Umlenkung der Hauptströmungsrichtung 8 des Abgasstroms 3 stattfindet. Besonders bevorzugt ist das erste Abgasreinigungselement 20 ein Partikelfilter und/oder ein Oxidationskatalysator. Das zugegebene Additiv 2 ist besonders bevorzugt eine Harnstoff-Wasser-Lösung. Weiterhin beinhaltet das zweite Abgasreinigungselement 21 einen selektiven Reduktionskatalysator (SCR-Katalysator). Grundsätzlich ist aber auch möglich, dass das erste Abgasreinigungselement 20 in bzw. nachfolgend der Mischstrecke 5 positioniert ist.
Fig. 2 zeigt eine Überströmfläche 4 mit einer Vertiefung 9 im Detail. Das anströmende Abgas bildet an der Überströmfläche 4 ein Strömungsprofil 22 aus. Dieses Strömungsprofil 22 ist entlang der Hauptströmungsrichtung 8 ausgerichtet. Die Vertiefung 9 ist schalenförmig, dellenförmig, etc. und bildet mit der übrigen Überströmfläche 4 eine scharfe Kante 13. Durch die Trägheit der Stromfäden, die hier schematisch mit einem ersten Stromfaden 25 und einem zweiten Stromfaden 26 dargestellt sind, aus dem Strömungsprofil 22 entsteht im Eintrittsbereich der Vertiefung 9 ein Unterdruckbereich 17. Demzufolge wird ein erster Stromfaden 25 so umgelenkt, dass er entgegen der Hauptströmungsrichtung 8 ausgerichtet ist. An der Endseite der Vertiefung 9 tritt ein zweiter Stromfaden 26 mit einem Queranteil zur Hauptströmungsrichtung 8 aus der Vertiefung 9 wieder aus. Bei dem Verlauf des zweiten Stromfadens 26 behält dieser stets einen Strömungsanteil, der entlang der Hauptströmungsrichtung 8 ausgerichtet ist. Beim Austritt aus der Vertiefung 9 wird durch den Queranteil des Stromfadens 26 zum übrigen Strömungsprofil 22 eine Verwirbelung 18 bzw. eine Wirbelstraße induziert, die einen stabilen Strömungszustand darstellt, der durch den hohen Impulseinfluss auf das Strömungsprofil 22 eine gute Durchmischung des Abgases mit dem Additiv 2 (nicht gezeigt) bewirkt.
Fig. 3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform einer Vertiefung 9 in einer Platte 10 im Schnitt. In diesem Fall bildet die Vertiefung 9 ein Kugelsegment mit dem Durchmesser 23 und der Rotationsachse 24. Dieses Kugelsegment bildet mit der Überströmfläche 4 eine scharfe Kante 13. Die Vertiefung 9 weist eine maximale Tiefe 12 auf, die in diesem Beispiel etwa zwei Drittel der Dicke 11 der Platte 10 erreicht.
Auch Fig. 4 zeigt eine Variante einer Vertiefung 9 in einer Platte 10. Hierbei ist die Vertiefung 9 zylindrisch gebildet und hat einen Durchmesser 23 und eine Rotationsachse 24. Auch diese Vertiefung 9 bildet mit der Überströmfläche 4 eine scharfe Kante 13. In diesem Beispiel bildet die maximale Tiefe die Gesamtgrundfläche der Vertiefung 9 und beträgt etwa 60 % der Dicke 11 der Platte 10. Es können jedoch auch beliebige andere Parameter für eine Vertiefung 9 zur Umsetzung des Erfindungsgedankens gewählt werden, wobei der Strömungseffekt, wie er beispielsweise in der Fig. 2 gezeigt ist, erzielt werden kann und der technische Aufwand möglichst gering gehalten wird.
In Fig. 5 wird eine Platte 10 in Draufsicht gezeigt, bei der eine Vielzahl von Vertiefungen 9 hintereinander voneinander beabstandet angeordnet sind. Diese müssen dabei nicht wie in dem Beispiel in Fig. 5 gezeigt streng mit festem Abstand zueinander geordnet sein, sondern können beliebig in die Platte 10 eingebracht sein. Es ist aber besonders vorteilhaft, die Beabstandung gleichmäßig und so zu wählen, dass der Effekt auf die Strömung, wie er z. B. in der Fig. 2 gezeigt ist, möglichst effizient erreicht wird. Die Platte 10 muss dabei nicht so eben und flach gebildet sein, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, sondern es können auch andere Freiformen und insbesondere Strömungsprofile mit einem geringen Strömungswiderstandsbeiwert gewählt werden. Auch kann die Plattenform der Platte 10 an den Querschnitt 7 (siehe Fig. 1) angepasst werden.
Die Erläuterungen zu den Figuren können auch unabhängig von der konkret dargestellten Ausführungsvariante zum Verständnis und zur genaueren Beschreibung der Erfindung herangezogen werden.
Damit löst die Erfindung zumindest teilweise die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme. Insbesondere wurde eine Mischeranordnung vorgeschlagen, die eine hervorragende Durchmischung des Abgasstroms mit einem Additiv, insbesondere einer tropfenförmig zugegebenen Harnstoff-Wasser-Lösung ermöglicht, ohne dabei einen hohen Strömungswiderstand zu erzeugen.

Bezugszeichenliste

1: Mischeranordnung
2: Additiv
3: Abgasstrom
4: Überströmfläche
5: Mischstrecke
6: Abgasleitung
7: Querschnitt
8: Hauptströmungsrichtung
9: Vertiefung
10: Platte
11: Dicke
12: maximale Tiefe
13: scharfe Kante
14: Kraftfahrzeug
15: Verbrennungskraftmaschine
16: Abgasanlage
17: Unterdruckbereich
18: Verwirbelung
19: Einspritzdüse
20: erstes Abgasreinigungselement
21: zweites Abgasreinigungselement
22: Strömungsprofil
23: Durchmesser
24: Rotationsachse
25: erster Stromfaden
26: zweiter Stromfaden

Claims

Mischeranordnung (1) zum Vermischen eines Additivs (2) mit einem Abgasstrom (3), wobei die Mischeranordnung (1) mindestens eine Überströmfläche (4) umfasst, die in einer Mischstrecke (5) einer Abgasleitung (6) angeordnet ist, die das Abgas mit dem Additiv anströmt, und die Abgasleitung (6) einen Querschnitt (7) und eine Hauptströmungsrichtung (8) des Abgasstroms (3) aufweist, wobei die mindestens eine Überströmfläche (4) zentral in der Mischstrecke (5) angeordnet und entlang der Hauptströmungsrichtung (8) des Abgasstroms (3) ausgerichtet ist, wobei in der Überströmfläche (4) eine Vielzahl geschlossener Vertiefungen (9) vorgesehen ist, die Wirbel und quer strömende Strömungsfäden in dem Abgasstrom (3) induzieren, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Überströmfläche (4) mit einer einstückigen Platte (10) gebildet ist, wobei die Platte (10) zwei Überströmflächen (4) hat und auf beiden Seiten eine Vielzahl geschlossener Vertiefungen (9) aufweist.
Mischeranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Überströmfläche (4) frei von Erhebungen ist.
Mischeranordnung (1) nach Anspruch 2, wobei in der Überströmfläche (4) keine in den Abgasstrom (3) hineinragenden Leitflächen vorgesehen sind.
Mischeranordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Platte (10) eine Dicke (11) aufweist, die maximal dem 1,5fachen der maximalen Tiefe (12) der Vertiefungen (9) entspricht.
Mischeranordnung (1) nach Anspruch 4, wobei zumindest einer, der folgenden Parameter erfüllt ist:
- maximale Tiefe der Vertiefung: 2 mm - 8 mm,

- größte Diagonale der Öffnung der Vertiefung: 10 mm - 20 mm.
Mischeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Summe der Dicken (11) aller Platten (10) maximal 5 % des Querschnitts (7) der Abgasleitung (6) einnimmt.
Mischeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vertiefungen (9) jeweils mit der Überströmfläche (4) eine zumindest teilweise scharfe Kante (13) bilden.
Kraftfahrzeug (14), aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (15) und eine daran angeschlossene Abgasanlage (16) mit einer Mischeranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, wobei durch die Vertiefungen der Überströmfläche (4) im Betrieb der Abgasanlage (16) nach dem FTP-Fahrzyklus ein Strömungswiderstand erzeugt wird, der einen Anteil von weniger als 5 % des Strömungswiderstands der Mischeranordnung (1) ohne oder mit ausgefüllten Vertiefungen beträgt.