ITTO20110535A1 - Miscelatore statico per il trattamento di gas di scarico e suo metodo di fabbricazione. - Google Patents

Description

Miscelatore statico per il trattamento di gas di scarico e suo metodo di fabbricazione

DESCRIZIONE

Settore della Tecnica

L’invenzione concerne un miscelatore statico per il trattamento di gas di scarico ed il suo metodo di fabbricazione.

Più precisamente l’invenzione concerne un miscelatore statico per il trattamento di gas di scarico di motori a combustione interna, suscettibile di essere incorporato in un sistema di riduzione catalitica selettiva degli ossidi di azoto (SCR) “selective catalytic reduction†.

Arte Nota

I miscelatori statici vengono comunemente utilizzati per promuovere la miscelazione dei gas di scarico con la sostanza riducente, immessa allo stato gassoso o liquido nei sistemi di scarico dei motori a combustione interna.

In questo contesto, il miscelatore statico ha principalmente lo scopo di favorire la formazione di una miscela altamente omogenea e di far si che la sostanza riducente immessa nel sistema di scarico, risulti quanto più possibile evaporata.

Per soddisfare questa esigenza vengono oggi prodotti miscelatori statici, comprendenti una serie di alette variamente orientate all’interno del condotto in cui transitano i gas di scarico e la miscela di sostanza riducente.

Le alette sono generalmente associate ad una cornice anulare destinata ad aderire alle pareti interne del condotto in cui à ̈ ospitato il miscelatore, il quale à ̈ solitamente disposto trasversalmente nel condotto, in modo che il flusso di gas di scarico venga intercettato dalle suddette alette.

Il miscelatore statico promuove la miscelazione dei gas con la sostanza riducente, generalmente grazie all’aumento del fenomeno della turbolenza nel flusso di gas di scarico.

Per contro, la presenza di un miscelatore statico nella zona di passaggio dei gas determina un aumento della pressione all’interno del sistema di scarico. Tale aumento della pressione rappresenta un inconveniente poiché ostacola l’evacuazione dei gas di scarico e in generale può risultare più o meno significativo, a seconda della conformazione del miscelatore e del sistema di scarico.

Inoltre, la superficie di un miscelatore à ̈ suscettibile di provocare la condensazione della miscela riducente, con la conseguente formazione di un film liquido, che aderisce alle alette, provocando la perdita di efficacia del miscelatore stesso.

Due sono pertanto i fenomeni che occorre contrastare nella progettazione di un miscelatore del tipo suddetto.

Il primo fenomeno à ̈ quello determinato da eccessivi aumenti di pressione nel sistema di scarico che ospita il miscelatore. Il secondo à ̈ quello determinato dalla riduzione della capacità di miscelazione, conseguente alla formazione di condensa della sostanza riducente sulle superfici del miscelatore.

Nel tentativo di raggiungere il migliore compromesso fra le opposte esigenze di ottenere una buona miscelazione e di non provocare gli inconvenienti suddetti, sono state proposte nel tempo numerose soluzioni.

Alcune soluzioni prevedono una matrice di alette la cui densità, inclinazione e dimensione à ̈ scelta tenendo conto delle esigenze suddette. US20070204751 descrive un esempio di questo tipo di miscelatore.

Altre soluzioni prevedono una serie di alette, generalmente disposte radialmente all’interno del condotto in cui transitano i gas, e orientate in modo da provocare la miscelazione dei suddetti gas con la miscela di sostanza riducente. Miscelatori statici di questo secondo tipo sono descritti ad esempio in US 7,533,520, US 2009/0320453 e US 2009/0266064.

In tutte le soluzioni suddette à ̈ evidente lo sforzo di trovare il migliore compromesso fra le esigenze di miscelazione e di libero transito per i gas di scarico.

Nonostante questi sforzi, i miscelatori noti non risolvono tuttavia completamente il problema di come ottenere la migliore miscelazione, minimizzando al contempo gli inconvenienti suddetti.

Inoltre, gli sforzi finora compiuti hanno dato origine a soluzioni sempre più elaborate, complesse e costose da realizzare.

Nel settore à ̈ pertanto ancora fortemente sentita l’esigenza di disporre di un miscelatore statico, altamente efficiente, che non determini significativi aumenti di pressione, che presenti scarsa attitudine a promuovere la formazione di condensa e che non presenti gli inconvenienti suddetti, dovuti alla complessità ad ai costi di produzione.

Un primo scopo dell’invenzione à ̈ pertanto quello di raggiungere questo risultato, provvedendo un dispositivo miscelatore statico, per il trattamento di gas di scarico, che permetta una migliore miscelazione rispetto ai dispositivi noti e che determini un ridotto aumento di pressione ed una ridotta attitudine alla formazione di condensa.

Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di provvedere un miscelatore statico del tipo anzidetto, che possa essere realizzato industrialmente con maggiore semplicità ed a costi più contenuti rispetto ai miscelatori noti.

Non ultimo scopo dell’invenzione à ̈ quello di provvedere un miscelatore del tipo suddetto, che possa essere impiegato sostanzialmente in qualsiasi sistema di scarico, in cui venga sfruttata la tecnologia della riduzione catalitica selettiva SCR.

Questi ed altri scopi sono ottenuti con il miscelatore statico per il trattamento di gas di scarico e con il metodo per la sua fabbricazione, come rivendicati nelle unite rivendicazioni.

Descrizione dell’Invenzione

Un primo vantaggio dell’invenzione deriva dalla previsione di una pluralità di alette radiali, disposte all’interno di un perimetro anulare, convergenti verso il centro del miscelatore, e comprendenti almeno tre linee di piegatura definenti altrettante porzioni di aletta disposte su piani fra loro non paralleli e definenti corrispondenti superfici di impatto per i gas di scarico.

Grazie alla disposizione suddetta, il miscelatore à ̈ suscettibile di provocare la formazione di un flusso turbolento con un moto vorticoso “swirl†nel flusso di gas e urea che lo attraversa e di determinare conseguentemente un efficace miscelazione dell’urea con i gas di scarico.

La molteplicità di linee di piegatura e le corrispondenti superfici di impatto che di determinano sulle alette del miscelatore, contribuiscono vantaggiosamente ad aumentare la superficie complessiva contro cui impatta lo spray di urea, determinando in tal modo un’elevata nebulizzazione. Inoltre, grazie a questa disposizione, si contribuisce a ridurre il fenomeno della produzione di film liquido a valle del miscelatore, che notoriamente ne riduce le prestazioni.

Un ulteriore vantaggio dell’invenzione deriva dalla previsione nel miscelatore di una porzione centrale libera, ossia priva di ostacoli per il libero passaggio dei gas di scarico e verso la quale convergono le alette radiali; grazie a questa porzione centrale libera e alla conformazione delle alette radiali, à ̈ possibile ottenere un efficace effetto di miscelazione dei gas di scarico con la miscela di sostanza riducente. Tale effetto di miscelazione à ̈ promosso dalla presenza di detto foro centrale il quale per contro contribuisce ad evitare un eccessivo aumento della pressione dovuta alla presenza del miscelatore. In corrispondenza del foro centrale si determina infatti un aumento della velocità dei gas ed una conseguente energica spinta in avanti dei gas, con un vantaggioso moto turbolento a valle del miscelatore.

Un ulteriore vantaggio dell’invenzione deriva dalla possibilità di realizzare il miscelatore grazie alla successione di semplici operazioni di taglio e piegatura.

Descrizione Sintetica delle Figure

Alcune forme preferite di realizzazione dell’invenzione saranno descritte nel seguito con riferimento alle figure allegate in cui:

- la Figura 1 à ̈ una vista prospettica frontale del miscelatore secondo l’invenzione;

- la Figura 2 Ã ̈ una vista in pianta del miscelatore di Figura 1;

- la Figura 3 Ã ̈ una vista laterale del miscelatore di Figura 1;

- la Figura 4 Ã ̈ una vista in sezione lungo la linea IV-IV di Figura 2;

- la Figura 5 Ã ̈ una vista schematica di un sistema di scarico che incorpora il miscelatore;

- la Figura 6 Ã ̈ una vista in pianta del miscelatore, in una prima fase di lavorazione;

- la Figura 7 Ã ̈ una vista in sezione lungo un piano longitudinale del miscelatore in una seconda fase di lavorazione;

- la Figura 8 Ã ̈ una vista prospettica frontale del miscelatore in una terza fase di lavorazione.

Descrizione di una Forma Preferita di Realizzazione

Riferendoci alle Figure da 1 a 4 il miscelatore statico per il trattamento di gas di scarico secondo l’invenzione, à ̈ stato complessivamente indicato con il riferimento 11.

Il miscelatore 11 comprende una porzione di supporto anulare 13 ed una pluralità di alette 15 disposte radialmente a raggiera, sostanzialmente complanari, aventi l’estremità posteriore o base 17 associata a detta porzione di supporto 13 e l’estremità anteriore o punta radiale 19a che converge verso il centro “G†del miscelatore.

Secondo l’invenzione, il corpo delle alette 15 comprende almeno tre linee di piegatura I1,I2,I3 definenti altrettante porzioni 15a,15b,15c disposte su piani fra loro non paralleli e definenti corrispondenti superfici di impatto A,B,C per i gas di scarico. Preferibilmente dette porzioni di impatto A,B,C sono inoltre sostanzialmente piane.

Sempre secondo l’invenzione, le punte radiali 19a delle alette 15 circondano una porzione centrale 21 del miscelatore. Detta porzione 21, sostanzialmente circolare nell’esempio illustrato, à ̈ libera, ossia non à ̈ occupata dalle alette o altre parti del miscelatore e definisce un passaggio per il gas di scarico, privo di interferenze.

Ancora secondo l’invenzione, le superfici di impatto A,B,C per i gas di scarico si sviluppano su piani non paralleli rispetto ad un piano trasversale “P†su cui si sviluppa il miscelatore e corrispondente sostanzialmente al piano del foglio di Figura 2. Tali piani su cui si sviluppano le superfici di impatto risultano pertanto non perpendicolari al verso del flusso dei gas di scarico che attraversa il miscelatore e che à ̈ indicata con la freccia “F†in Figura 3. Inoltre, i piani su cui si sviluppano le superfici di impatto A,B,C sono fra loro non paralleli e intercettano il flusso di gas e la miscela riducente secondo angoli diversi. Preferibilmente detti angoli sono decrescenti dalla base 17 dell’aletta alla periferia.

In una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, una prima superficie di impatto A adiacente alla base 17 dell’aletta 15 à ̈ inclinata di un angolo compreso fra 30 e 60° rispetto al suddetto piano trasversale “P†del miscelatore. Nell’esempio illustrato la prima superficie di impatto A risulta inoltre sostanzialmente a forma di trapezio rettangolo.

Sempre in accordo con una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, una seconda superficie di impatto B adiacente alla prima superficie di impatto A à ̈ inclinata di un angolo compreso fra 40 e 70° rispetto alla prima superficie di impatto A. Nell’esempio illustrato inoltre la seconda superficie di impatto B risulta sostanzialmente rettangolare.

Ancora secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione una terza superficie di impatto C adiacente alla seconda superficie di impatto B à ̈ inclinata di un angolo compreso fra 20 e 50° rispetto alla seconda superficie di impatto B. Nell’esempio illustrato la terza superficie di impatto C risulta sostanzialmente triangolare e definisce inoltre una punta assiale 19b rivolta longitudinalmente verso la zona anteriore del miscelatore 11 da cui provengono i gas di scarico.

Preferibilmente, secondo l’invenzione, le superfici di impatto A,B,C definiscono complessivamente una porzione concava per ciascuna aletta con la concavità rivolta in verso opposto rispetto al verso di avanzamento “F†del flusso di gag.

La porzione di supporto anulare 13 comprende una corona 13a, preferibilmente chiusa ad anello che, nell’esempio illustrato, definisce un perimetro interno 13b ed esterno 13c entrambi di forma circolare per il miscelatore 11. Altre forme di realizzazione saranno comunque possibili in cui il perimetro interno 13b e/o il perimetro esterno 13c hanno una forma diversa da quella circolare, ad esempio ottagonale, esagonale, quadrata o rettangolare. In altre forme di realizzazione ancora, le alette 15 potranno essere associate direttamene alla parete interna del condotto del sistema di scarico che ospita il miscelatore. In tal caso il supporto anulare 13 formerà parte integrante del condotto.

Secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione le alette 15 sono distribuite angolarmente in modo regolare lungo il perimetro interno 13b della porzione di supporto anulare 13.

Sempre con riferimento ad una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, le alette radiali 15 saranno in numero di otto. Il numero ottimale di alette 15 può essere tuttavia scelto in base alle caratteristiche del sistema di scarico in cui il miscelatore à ̈ incorporato e può essere in generale qualsiasi. Altre forme di realizzazione del miscelatore 11 saranno pertanto possibili in cui le alette sono in numero diverso da otto. Un numero di alette compreso fra quattro e sedici à ̈ risultato fornire le prestazioni migliori.

In una forma preferita di realizzazione dell’invenzione il diametro della porzione centrale 21 circolare à ̈ inoltre circa un quarto del diametro del perimetro interno 13b del miscelatore.

Complessivamente, all’interno del perimetro interno 13b, il miscelatore 11 comprende un’area occupata dalla pluralità di alette 15, che intercettano i gas di scarico e la miscela di sostanza riducente, ed un’area libera rappresentata dalle zone comprese fra le alette e indicate con il riferimento 23 e dalla porzione centrale 21.

Con riferimento alla Figura 5 à ̈ illustrata schematicamente un’unità 111 di trattamento dei gas di scarico per un motore a combustione interna, in cui à ̈ impiegata la tecnologia SCR. Detta unità 111 comprende una serie di condotti per i gas di scarico, alloggiati in un involucro 113. In uno dei condotti, indicato in figura con il riferimento 115, il quale à ̈ percorso dai gas di scarico nel verso indicato dalla freccia “F†, à ̈ ospitato il miscelatore statico 11 secondo l’invenzione. Nell’esempio illustrato, il miscelatore 11 à ̈ disposto trasversalmente lungo il condotto 115, immediatamente a valle della zona 117 in cui viene immessa la miscela di sostanza riducente. Sempre con riferimento all’esempio illustrato, la miscela di sostanza riducente viene immessa per iniezione da mezzi 119 comprendenti preferibilmente un ugello o un’apposita valvola, disposti assialmente all’inizio del condotto 115 nel verso percorso dai gas di scarico. Fra i mezzi 117 ed il miscelatore 11, detto condotto 115 comprende inoltre un ingresso 121 per i gas di scarico, orientato radialmente, ottenuto mediante una corrispondente porzione del condotto 115 dotata di fori radiali 123.

In accordo con la suddetta configurazione, la quale corrisponde alla disposizione preferita, ma non esclusiva, i gas di scarico entrano nel condotto 115 radialmente e sono intercettati dalla sostanza riducente la quale proviene in direzione assiale, ossia a 90° rispetto alla direzione di ingresso dei gas. Il flusso di gas di scarico perviene quindi in direzione assiale, ossia con una deviazione di circa 90° rispetto alla direzione di ingresso nel condotto 115, al miscelatore 11, il quale occupa sostanzialmente tutta la sezione trasversale del condotto 115.

Vantaggiosamente, secondo l’invenzione, il miscelatore 11 può essere ottenuto con una sequenza di semplici operazioni di lavorazione.

Secondo un metodo di fabbricazione preferito, il miscelatore à ̈ ottenuto partendo da un corpo in lamiera di spessore preferibilmente compreso fra 0,8 e 2,0 mm, e ancor più preferibilmente di 1,5 mm. Le alette 15 avranno pertanto sostanzialmente una consistenza laminare.

Preferibilmente, come sarà spiegato nel seguito, il miscelatore viene ottenuto mediante lavorazioni meccaniche di taglio e di piegatura. Alternativamente, il miscelatore potrà essere ottenuto mediante altre lavorazioni meccaniche, ad esempio fresatura o elettroerosione.

In una forma preferita di esecuzione del metodo di realizzazione del miscelatore che sarà descritta nel seguito, à ̈ prevista la lavorazione di un corpo metallico laminare piano, ad esempio un foglio di lamiera.

Con riferimento alla Figura 6 à ̈ illustrato il prodotto di partenza, costituito da un corpo piano 11’ ottenuto, ad esempio per taglio o tranciatura, da un foglio piano di lamiera.

Nell’esempio illustrato, il corpo 11’ ha forma discoidale e presenta un diametro esterno di circa 140 mm e comprende otto alette 15’ regolarmente distanziate angolarmente. In questa fase della lavorazione del miscelatore e sempre con riferimento all’esempio illustrato, le alette 15’ hanno una forma sostanzialmente piana triangolare e presentano uno dei vertici rivolto verso il centro “G†del corpo discoidale. Più precisamente, sempre con riferimento all’esempio illustrato, le alette 15’ hanno la forma di un triangolo isoscele con gli angoli alla base di circa 70° e l’angolo al vertice di circa 45°.

Le alette grezze 15’ vengono successivamente piegate lungo le linee di piegatura I1,I2,I3, ad esempio per mezzo di un manipolatore robotizzato, così da ottenere il prodotto finale corrispondente al miscelatore 11 di cui alle Figure da 1 a 4.

In una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, per facilitare la piegatura delle alette 15’ e ridurre l’estensione della superficie di impatto delle alette quando il miscelatore à ̈ ultimato e quindi contenere l’aumento di pressione all’interno del condotto in cui sarà ospitato il miscelatore, il corpo 11’ subisce l’asportazione di materiale in una fascia più o meno ampia attorno alle alette. Tale fascia à ̈ indicata in Figura 6 con il riferimento 10 e si estende attorno alle alette ad esclusione di un’appendice 17’ di collegamento per le alette alla porzione di supporto 13’.

In Figura 7 à ̈ illustrata una fase successiva di realizzazione del miscelatore in cui le alette 11’’ sono state ottenute piegando lungo la prima linea di piegatura I1 le alette 15’ di Figura 6. Una seconda piegatura lungo la seconda linea di piegatura I2 consente di ottenere il corpo 11’’’ illustrato in Figura 8 ed una terza piegatura lungo la terza linea di piegatura I3 porta ad ottenere il miscelatore 11 nella sua configurazione finale delle Figure da 1 a 4.

Si noti che la porzione di supporto 13 del miscelatore può subire anch’essa una lavorazione ad esempio di imbutitura partendo dalla porzione piana 13’ per ricavare la sezione a “L†visibile in Figura 4.

Complessivamente il metodo secondo l’invenzione prevede le fasi di:

- predisporre un corpo metallico laminare sostanzialmente piano 11’;

- ricavare su detto corpo in lamiera, ad esempio mediante taglio della lamiera, una pluralità di alette radiali 15’ disposte a raggiera e sostanzialmente complanari; - piegare le alette 15’ lungo una prima linea di piegatura I1 ottenendo alette piegate 15’’;

- piegare le alette piegate 15’’ lungo una seconda linea di piegatura I2 ottenendo alette doppiamente piegate 15’’’;

- piegare le alette doppiamente piegate 15’’’ lungo una terza linea di piegatura I3 ottenendo il miscelatore 11.

Il miscelatore statico così come descritto ed illustrato à ̈ suscettibile di numerose varianti e modificazioni, rientranti nello stesso principio inventivo.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Miscelatore statico (11) per il trattamento di gas di scarico comprendente una porzione di supporto anulare (13) ed una pluralità di alette (15) radiali disposte a raggiera, sostanzialmente complanari, aventi l’estremità posteriore o base (17) associata a detta porzione di supporto (13) e l’estremità anteriore o punta radiale (19a) che converge verso il centro (“G†) del miscelatore, caratterizzato dal fatto che il corpo delle alette (15) comprende almeno tre linee di piegatura definenti altrettante porzioni (15a,15b,15c) disposte su piani fra loro non paralleli e definenti corrispondenti superfici di impatto (A,B,C) per i gas di scarico.
2. 2. Miscelatore secondo la rivendicazione 1, in cui dette superfici di impatto (A,B,C) per i gas di scarico si sviluppano su piani non paralleli al piano trasversale mediano del miscelatore (11) e risultano pertanto non perpendicolari alla direzione (“F†) del flusso dei gas di scarico che attraversa il miscelatore.
3. 3. Miscelatore secondo la rivendicazione 2, in cui una prima superficie di impatto (A) adiacente alla base dell’aletta à ̈ inclinata di un angolo compreso fra 30 e 60° rispetto al piano trasversale mediano del miscelatore.
4. 4. Miscelatore secondo la rivendicazione 3, in cui una seconda superficie di impatto (B) adiacente alla prima superficie di impatto (A) Ã ̈ inclinata di un angolo compreso fra 40 e 70° rispetto alla prima superficie di impatto (A).
5. 5. Miscelatore secondo la rivendicazione 4, in cui una terza superficie di impatto (C) adiacente alla seconda superficie di impatto à ̈ inclinata di un angolo compreso fra 20 e 50° rispetto alla seconda superficie di impatto.
6. 6. Miscelatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette superfici di impatto definiscono una porzione concava per ciascuna aletta (15).
7. 7. Miscelatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le punte radiali (19a) delle alette (15) circondano una porzione centrale (21) libera per il passaggio dei gas.
8. 8. Miscelatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le alette (15) sono distribuite angolarmente in modo regolare.
9. 9. Miscelatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le alette (15) sono in numero compreso fra quattro e sedici.
10. 10. Metodo per la fabbricazione di un miscelatore statico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui sono previste le fasi di: - predisporre un corpo metallico laminare sostanzialmente piano (11’); - ricavare su detto corpo in lamiera, ad esempio mediante taglio della lamiera, una pluralità di alette radiali (15’) disposte a raggiera e sostanzialmente complanari; - piegare le alette (15’) lungo una prima linea di piegatura (I1) ottenendo alette piegate (15’’); - piegare le alette piegate (15’’) lungo una seconda linea di piegatura (I2) ottenendo alette doppiamente piegate (15’’’); - piegare le alette doppiamente piegate (15’’’) lungo una terza linea di piegatura (I3) ottenendo il miscelatore (11).