Mischeranordnung zum Vermischen eines Additivs mit einem Abgas ström

Gegenstand der Erfindung ist eine Mischeranordnung zum Vermischen eines Additivs mit einem Abgasstrom, mit einer Abgas- leitung, ein die Abgasleitung in einer Hauptströmungsrichtung durchströmendes Abgas, zumindest einem in der Abgasleitung angeordneten Abgasreinigungselement, welches einen Mantel und eine innerhalb des Mantels angeordnete Überströmfläche für das Abgas aufweist

Bei Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren oder Magermotoren, fällt eine unerwünscht hohe Menge an

Stickoxiden an. Zu deren Beseitigung eignet sich insbesondere die Zugabe des Additivs Ammoniak, wodurch bei einem Sauerstoffüberschuss die Stickoxide zu Stickstoff reduziert werden können und der Wasserstoffanteil des Ammoniaks sich zu Wasser verbindet .

Es ist bekannt, dass Additiv in die Abgasleitung einzubringen. Mit dem Abgasstrom wird das Additiv zu einem selektiven Reduktionskatalysator ( SCR-Katalysator ) transportiert. Mit dem Einspritzen des Additivs entgegen der Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms soll eine gleichmäßige Vermischung des Additivs mit dem Abgas erreicht werden. Aus der

DE 10 2011 117 139 AI ist bekannt, in der Abgasleitung einer Vertiefung vorzusehen. Mittels der Vertiefung soll eine Ver- wirbelung des Abgases in der Abgasleitung erreicht werden, um die Durchmischung mit dem Additiv weiter zu verbessern. Es hat sich jedoch gezeigt, dass auch derartige Vertiefungen trotz der erzeugten Verwirbelungen eine ungleichförmige Tropfenbelastung des Additivs bezogen auf die Querschnittsfläche der Abgasleitung erzeugen. Um hohe Stickstoffoxid-Minderungs ^¬ raten zu erreichen, sind eine sehr gleichförmige Konzentrati ^¬ onsverteilung des Additivs und eine gleichförmige Temperatur- Verteilung, insbesondere im Hinblick auf den kälteren Randbereich, über den Querschnitt der Abgasleitung vor dem SCR- Katalysator erforderlich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass mit derartigen Vertiefungen einer Vergrößerung des Querschnitts der Abgasleitung einhergeht, wodurch die Abgas ^¬ leitung einen größeren Bauraum benötigt .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vor ^¬ richtung zu schaffen, mit der hohe Stickstoffoxid-Minderungs- raten erreicht werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Mantel des zumindest einen Abgasreinigungselements eine Leit ^¬ struktur aufweist .

Die Leitstruktur ist dabei kein funktionales Element des Ab ^¬ gasreinigungselementes, insbesondere der innerhalb des Man ^¬ tels angeordneten Überströmfläche. Die Leitstruktur ist als zusätzliche funktionale Einheit an dem zumindest einem Abgas- reinigungselement angeordnet. Mit der Anordnung der Leit ^¬ struktur am Mantel lässt sich in besonders einfacher und ef ^¬ fektiver Weise eine Beeinflussung der Abgas Strömung und damit eine Verwirbelung der Abgasströmung erreichen. Die Verwirbe- lung trägt wesentlich dazu bei, dass das dem Abgasstrom in Tropfenform zugeführte Additiv gleichmäßiger über den gesamten Querschnitt der Abgasleitung verteilt wird, und somit die Abgasnachbehandlung gleichmäßiger über den gesamten Querschnitt verteilt erfolgt. Ebenso wird die Temperatur im Rand ^¬ bereich durch die Vermischung erhöht, wodurch man eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erhält. Durch die verbes ^¬ serte Ausnutzung des Querschnitts steigt die Nachbehandlungs ^¬ rate des Abgases oder die Länge der Abgasnachbehandlungsstre ^¬ cke lässt sich bei gleicher Nachbehandlungsrate verkürzen. Die Anordnung am Mantel hat zudem den Vorteil, dass auf diese Weise eine kostengünstige Befestigung der Leitstruktur an ei ^¬ nem Abgasreinigungselement erreicht wird. Eine zusätzliche Trägerstruktur zum Befestigen der Leitstruktur ist daher nicht erforderlich. Darüber hinaus lässt sich durch die Ges- taltung der Leitstruktur einer Anpassung der Verwirbelung an die jeweilige Abgasleitung erreichen . Die Anpassung der Verwirbelung des Abgasstroms durch die Gestaltung der Leitstruktur lässt sich in besonders einfacher Weise dadurch erreichen, dass die Leitstruktur mehrere Leitelemente aufweist. Das Erzeugen der Leitstruktur lässt sich gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besonders einfach dadurch erreichen, dass die Leitstruktur einteilig mit dem Mantel ausge ^¬ bildet ist. Insbesondere bei einem aus Blech hergestellten Mantel lässt sich die Leitstruktur durch entsprechendes Aus- schneiden des Blechmantels im selben Arbeitsschritt erzeugen. Dadurch entfällt das Befestigen der Leitstruktur am Mantel.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Leitstruktur mit dem Mantel verbunden ist. Diese Ausgestal- tung hat den Vorteil, dass die Handhabung von Mantel und

Leitstruktur während der Herstellung und Montage einfacher ist. Die Befestigung der Leitstruktur an dem Mantel kann in vorteilhafter Weise mittels Schweißen oder Heften, z. B.

durch Induktionsschweißen, erfolgen. Ebenso ist es denkbar, die Leitstruktur mittels Nieten oder Schraubverbindungen am Mantel zu befestigen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich durch die erfindungsgemäße Lösung bereits bestehen ^¬ de Abgasreinigungselemente um die Leitstruktur erweitern las ^¬ sen .

Eine Befestigung der Leitstruktur am Mantel des Abgasreinigungselements ohne zusätzliche Befestigungsmittel wird er ^¬ reicht, wenn die Leitstruktur mit dem Mantel verpresst ist. Dabei kann die Leitstruktur entweder in den Mantel einge- presst oder auf den Mantel auf gepresst werden. Das Einpres ^¬ sen der Leitstruktur in den Mantel hat den Vorteil, dass die Leitstruktur des Außendurchmessers der Abgasreinigungsvor- richtung nicht vergrößert, so dass bezogen auf den Außen ^¬ durchmesser kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.

In einer besonders einfachen Ausgestaltung ist die Leitstruktur ein zylinderförmiges Bauteil, dessen Mantelfläche zumin ^¬ dest eine Einwölbung nach radial innen aufweist. Vorzugsweise sind 2 bis 10, besonders bevorzugt sind 3 bis 8 Einwölbungen vorgesehen. Da die Einwölbungen Verwirbelungen erzeugen sollen, sind die Anforderungen an die Maßhaltigkeit der Einwöl ^¬ bungen gering, wodurch die erfindungsgemäße Leitstruktur kostengünstiger gefertigt werden kann.

Eine besonders gute Anpassung der Verwirbelung des Abgas ^¬ stroms an die jeweilige Abgasleitung wird gemäß einer weite ^¬ ren vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht, dass die Leitstruktur zumindest zwei Leitelemente, vorzugsweise 3 bis 20 Leitelemente, insbesondere 4 bis 10 Leitelemente aufweist.

Die Verwirbelung im Abgasstrom wird verbessert, wenn die Leitelemente zumindest teilweise in Richtung der Symmetrie ^¬ achse der Abgasleitung nach radial innen gebogen sind. Unter zumindest teilweise gebogen wird dabei verstanden, dass das gesamte Leitelement oder nur ein Teil des Leitelements nach innen gebogen ist. Eine Biegung im Sinne der Erfindung bedeutet dabei sowohl einen diskontinuierlichen Verlauf des Leitelements, wie er beim Abknicken auftritt, als auch einen kontinuierlichen Verlauf des Leitelements, wenn die Biegung mit einem Radius beschrieben werden kann.

Eine verbesserte Verwirbelung kann auch dadurch erreicht werden, dass ein Leitelement mehrfach gebogen ist. Hierbei ist es denkbar, dass das Leitelement in Strömungsrichtung zunächst nach innen und anschließend auch wieder nach außen in Richtung der Wandung der Abgasleitung gebogen sein kann.

Eine weitere Einstellung der Verwirbelung des Abgasstroms wird in einfacher Weise dadurch erreicht, dass die einzelnen Leitelemente unterschiedliche Größen und/oder Biegungen auf ^¬ weisen. Dadurch lassen sich bezogen auf die Umfangsrichtung wiederkehrende Verwirbelungsmuster im Abgasstrom minimieren. Diese hätten anderenfalls zur Folge, dass sich Verwirbelungen über einen bestimmten Sektor ausbilden, eine Verwirbelung über den gesamten Umfang des Abgasstroms erschwert werden.

Damit die Leitelemente möglichst weit in den Abgasstrom hin ^¬ einragen, müssen sie eine gewisse Länge besitzen. Sofern die Leitelemente bei einem abgewickelten Mantel parallel zur Man ^¬ telachse ausgerichtet sind, ergibt sich die notwendige Länge des Bleches zu deren Herstellung aus der axialen Länge des Mantels und der Länge der Leitelemente. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung lässt sich die Länge des benötigten Mantelbleches zur Herstellung deutlich reduzieren, wenn die Leitelemente in einem Winkel zu dem Mantel ausgerichtet. Durch diese Ausrichtung besitzen die Leitelemente eine deut ^¬ lich kleinere axiale Erstreckung. Dadurch lassen sich die Herstellkosten reduzieren.

In einer einfachen Ausgestaltung sind alle Leitelemente mit der gleichen Form ausgebildet. Das hat den Vorteil, dass ein Stanzwerkzeug zur Herstellung der Leitelemente kostengünstig gestaltet werden kann.

Eine verbesserte Verwirbelung des Gasstromes wird mit asym ^¬ metrisch gestalteten Leitelementen erreicht. Asymmetrisch bedeutet, dass die Leitelemente beispielsweise eine von einer Rechteckform abweichende Fläche besitzen.

Ebenso ist es gemäß einer anderen Ausbildung möglich, dass jeweils zwei benachbarte Leitelemente unterschiedliche Flä ^¬ chen, durch Variation der jeweiligen Längen und Breiten, aufweisen .

Durch diese unterschiedlichen Formen der Leitelemente soll verhindert werden, dass partiell gleiche Verwirbelungsmuster auftreten, die in der Summe eine geringe Verwirbelung über den gesamten Querschnitt des Abgasstromes ermöglichen.

Zur weiteren Erhöhung der Verwirbelungen weisen die Leitele- mente nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung Unterstrukturen auf. Solche Unterstrukturen können Prägungen, Perforierungen oder Einschnitte in den Randbereichen sein, wobei bei den Einschnitten in den Randbereichen die einzelnen Bereiche zusätzlich gebogen sein können.

In Abhängigkeit vom Einsatzgebiet, das bedeutet im Einzelnen die geometrische Ausbildung der Abgasleitung, die Abgasströ ^¬ mung hinsichtlich Durchflussmenge und Temperatur, die verwendeten Abgasreinigungselemente und deren Anordnung, können verschiedene Anordnungen der Leitstruktur vorteilhaft sein.

Die in Abgasreinigungselementen verwendeten Überströmflächen bewirken in der Regel eine gewisse Laminarisierung der Abgasströmung innerhalb des Abgasreinigungselementes und wenn das Abgas das Abgasreinigungselement verlässt. Die laminaren

Strömungen haben den Nachteil, dass sie nicht nur beim Einspritzen des Additivs entstehende Ungleichmäßigkeiten bewirken und aufrechterhalten. Sie bewirken außerdem, dass sie in die Abgasströmung eingeprägte Temperaturgradienten aufrecht- erhalten. Solche Temperarturgradienten entstehen dadurch, dass Abgasreinigungselemente radial außen eine geringere Tem ^¬ peratur aufweisen. Die Abgasnachbehandlung ist daher in diesen Bereichen geringer. Die Ausbildung solcher Tempraturgra- dienten im anschließenden Abschnitt der Abgasleitung wird ge- mäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch vermieden, dass die erfindungsgemäße Leitstruktur auf der stromabwärts zuge ^¬ wandten Seite des Mantels des Abgasreinigungselements ange ^¬ ordnet ist. Die so erzeugte Verwirbelung der austretenden Strömung wirkt der Ausbildung solcher Temperaturgradienten im anschließenden Abschnitt der Abgasleitung entgegen. Das Abgas vermischt sich über den gesamten Querschnitt der Abgasleitung und die Abgasnachbehandlung wird so verbessert. Diese Ausgestaltung ist darüber hinaus auch dann vorteilhaft, wenn die Abgasnachbehandlung mit mehreren Abgasreinigungselementen durchgeführt wird und die Leitstruktur an zumindest einem der Abgasreinigungselemente angeordnet ist, die vor dem in Strömungsrichtung gesehen letzten Abgasreinigungselement positioniert sind.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist die Leitstruktur auf der stromaufwärts zugewandten Seite des Abgas ^¬ reinigungselements am Mantel angeordnet ist. Das ist insbe ^¬ sondere dann von Vorteil, wenn die dem Abgasreinigungselement zugeführte Abgasströmung laminar ist und somit bezogen auf den Querschnitt der Abgasleitung Temperaturgradienten aufweist. Für diese Fälle lässt sich mit der stromaufwärts ange ^¬ ordneten Leitstruktur die laminare Strömung in eine turbulente Strömung überführen. Dadurch wird das Abgasreinigungsele ^¬ ment von einer Strömung ohne Temperaturgradienten angeströmt, was eine verbesserte Temperaturverteilung im Abgasreinigungs ^¬ element und somit eine verbesserte Abgasnachbehandlung zur Folge hat. Das ist insbesondere bei Katalysatoren von Vor ^¬ teil, bei denen die Temperaturverteilung einen besonders großen Einfluß auf die Effektivität hat wie beispielsweise Kata ^¬ lysatoren zur Methanoxidation . Ebenso wird mit der Überführung von einer laminaren in eine turbulente Strömung die Tropfenverteilung eines zugeführten Additivs bezogen auf den Querschnitt gleichmäßiger.

Die erfindungsgemäße Anordnung einer Leitstruktur ist zudem nicht auf bestimmte Bauformen von Abgasreinigungselementen beschränkt. Neben Abgasreinigungselementen mit zylindrischem Wabenkörper lässt sich die Leitstruktur auch bei sogenannten Ringkatalysatoren vorsehen. Ringkatalysatoren sind Abgasreinigungselemente, die nach Art eines Hohlzylinders in ihrem Zentrum eine zylindrische Ausnehmung haben und der Wabenkörper sich um diese zylindrische Ausnehmung herum erstreckt . Die Leitstruktur ist im Bereich der zylindrischen Ausnehmung an- geordnet . Das Abgasreinigungselement benötigt in axialer Richtung keine zusätzlichen Bauraum, wenn die Leitstruktur nicht über die axiale Erstreckung des Wabenkörpers hinaus ^¬ reicht. Darüber hinaus kann die Leitstruktur mit den bereits beschriebenen Ausgestaltungen auf hohlzylindrische Wabenkörper angewendet werden.

An mehreren Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Mischeranordnung,

Fig. 2 - 4 weitere Anordnungen einer Mischeranordnung nach

Fig. 1,

Fig. 5 ein Abgasreinigungselement mit einer Überström ^¬ fläche, Fig. 6 den Mantel eines Abgasreinigungselements,

Fig. 7 - 9 Leitelemente der Leitstruktur,

Fig. 10 eine weitere Ausgestaltung einer Mischeranord- nung.

Figur 1 zeigt eine Mischeranordnung mit einer Abgasleitung 1 in einem nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeug. Mit dem Pfeil ist die Hauptströmrichtung des die Abgasleitung 1 durchströmenden Abgases dargestellt. Über einen an der Abgasleitung 1 angeordneten Injektor 2 wird Harnstofflösung in einem Winkel zur Hautströmrichtung derart in den Abgasstrom eingesprüht, dass der Strahl 3 auf ein Abgasreinigungselement 4 in etwa zentral auftrifft. Das Abgasreinigungselement ist ein SCR-Katalysator 4. Der SCR-Katalysator 4 besteht aus einem schematisch dargestellten Wabenkörper 5, der eine Überströmfläche für das Abgas bildet, und einem Mantel 6, der den Wabenkörper 5 vollständig in sich aufnimmt. Auf der stromab- wärts zugewandten Seite 7 Mantels 6 ist eine Leitstruktur 8 am Mantel 6 befestigt. Der Aufbau der Leitstruktur 8 wird in nachfolgenden Figuren beschrieben. Im Betrieb der Mischeranordnung wird die eingesprühte Harnstofflösung auf den Waben- körper 5 gesprüht und vom Abgas durch den Wabenkörper 5 transportiert . Aufgrund der Struktur dieser Überströmfläche treten das Abgas und die noch in ihm enthaltenen Tropfen der Harnstofflösung im Wesentlichen als laminare Strömung an der Seite 7 aus dem Wabenkörper 5. Die Leitstruktur 8 bewirkt ei- ne Störung der laminaren Strömung, so dass die laminare Strömung in Strömungsrichtung hinter der Leitstruktur 8 verwirbelt und so in eine turbulente Strömung übergeht. Durch diese Verwirbelungen kommt mehr Abgas mit den Tropfen der Harnstofflösung in Kontakt, wodurch sich der Wirkungsgrad der Ab- gasnachbehandlung erhöht.

Die Mischeranordnung in Figur 2 besteht aus der Abgasleitung 1 und zwei SCR-Katalysatoren 4, 4 ^λ als Abgasreinigungselemente. Beide SCR-Katalysatoren 4, 4 ^λ besitzen je einen Wabenkör- per 5 und einen diesen umgebenden Mantel 6. Der vor dem in

Strömungsrichtung gesehen letzten SCR-Katalysator 4 ^λ angeordnete SCR-Katalysator 4 besitzt eine Leitstruktur 8 an seiner stromabwärts zugewandten Seite 7. Durch die Leitstruktur 8 wird die aus dem SCR-Katalysator 4 austretende Strömung ver- wirbelt, so dass eine durchmischte Abgasströmung in den nach ^¬ folgenden SCR-Katalysator 4 ^λ eintritt. Durch diese Verwirbe- lung wird heißeres Abgas aus dem Zentrum des SCR-Katalysator 4 mit dem weniger heißen Abgas aus den Bereichen in der Nähe des Mantel 6 vermischt, so dass in den SCR-Katalysator 4 ^λ eintretendes Abgas bezogen auf den Querschnitt eine größere Temperaturhomogenität aufweist, was den Wirkungsgrad des zweiten SCR-Katalysators 4 ^λ erhöht.

Die Mischeranordnung nach Figur 3 kann als Kombination der Mischanordnungen aus den Figuren 1 und 2 gesehen werden. Die Leitstruktur 8 bewirkt eine Verwirbelung des aus dem SCR- Katalysators 4 austretenden Abgasstroms, wodurch der in den SCR-Katalysator 4' eintretende Abgasstrom sowohl hinsichtlich der Temperaturverteilung aber auch im Hinblick auf die Tropfenverteilung der eingesprühten Harnstofflösung eine gleichmäßigere Verteilung aufweist. Insbesondere bei der Verteilung der Harnstofflösung unterstützt die Leitstruktur 8 den Strahl

3, um die Harnstofflösung gleichmäßiger über den gesamten Querschnitt zu verteilen.

Die in Figur 4 gezeigte Mischeranordnung unterscheidet sich hinsichtlich des Abgasreinigungselements 4. Dieses besitzt auf der stromaufwärts zugewandten Seite 9 des Mantels 6 eine Leitstruktur 8. Damit wird der auftreffende Abgasstrom verwirbelt von dem Abgasreinigungselement 4 beeinflusst, dem der Abgasstrom zugeführt wird.

Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf ein Abgasreinigungselement

4, insbesondere einen SCR-Katalysator. Dieser besteht aus einem Mantel 6, in dem ein Wabenkörper 5 angeordnet ist. Der Wabenkörper 5 besteht aus einer Vielzahl von miteinander ver- bundener Folienlagen, die die Überströmfläche für das Abgas bilden. Der Mantel 6 besitzt eine größere Länge als der Wa ^¬ benkörper 5. An der Innenseite der freien Mantelfläche ist die Leitstruktur 8 mittels Induktionsschweißen befestigt. Die Leitstruktur 8 besteht aus einem umlaufenden Ring 10, welcher an der Innenseite des Mantels 6 anliegt. Von dem Ring 10 er ^¬ strecken sich in axialer Richtung Leitelemente 11. Die Leitelemente 11 besitzen alle die gleiche Fläche und Form und sind nach radial innen gebogen, in dem die Leitelemente 11 diskontinuierlich entlang einer Kante abgeknickt sind, so dass sie in einem Winkel zwischen 0° und 90° in den Abgas ^¬ strom hineinragen.

In der Figur 6 ist die Leitstruktur 8 mit den Leitelementen 11 einteilig mit dem Mantel 6 des SCR-Katalysators 4 ausge- bildet. Das Mantelrohr 6 ist als Abwicklung dargestellt. Für die Herstellung des Mantels 6 wird das Mantelrohr gerollt, so dass die beiden äußeren Kanten 13, 14 aneinander stoßen. An- schließend kann der Mantel 6 verschweißt werden. Entlang der Kanten 12 werden die Leitelemente 11 in dem gewünschten Winkel gebogen. Um die Durchmischung zu erhöhen und partielle Verwirbelungsmuster zu vermeiden, besitzen benachbarte Leit- elemente 11 unterschiedliche Formen. Dies wird durch Variati ^¬ on der Längen und Breiten der Leitelemente 11 aber auch durch Biegungen in unterschiedlichen Winkeln erreicht.

Die nachfolgenden Figuren zeigen unterschiedliche Leitelemen- te 11. Das Leitelement in Figur 7 besitzt eine Vielzahl von Durchbrüchen 15, so dass das Abgas infolge des Durchtritts von einer Seite des Leitelements 11 auf die andere Seite die Durchmischung des Abgasstroms erhöht. Eine Durchmischung erfolgt auch bereits dann, wenn in dieser Anordnung anstelle der Durchbrüche Vertiefungen 15 angeordnet sind, die auf der gegenüberliegenden Seite des Leitelements 11 als Wölbungen hervortreten. Diese Unterstrukturen bewirken eine zusätzliche Verwirbelung und verbessern so die Durchmischung. Die Figur 8 zeigt ein noch nicht gebogenes Leitelement 11 in einer Seitenansicht, welches als Unterstruktur Einschnitte am Umfang aufweist und einzelne Bereiche 16 zungenformig aus der Ebene des Leitelements 11 heraus gebogen sind. Das Leitelement 11 in Figur 9 weist einen ersten Bereich 17 auf, in dem das Leitelement 11 nach radial innen gebogen ist. In einem zweiten Bereich 18 ist das Leitelement dazu entge ^¬ gengesetzt gebogen. Über beide Bereiche 17, 18 weist das Leitelement 11 eine Verdrehung um seine Längsachse 19 auf.

Figur 10 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Mischeranord ^¬ nung, die im Wesentlichen auf die Ausgestaltung des Wabenkörpers 5 des Abgasreinigungselementes 4 abstellt . Der Wabenkör ^¬ per 5 ist als Hohlzylinder mit einer im Zentrum liegenden zy- lindrischen Ausnehmung 20 ausgebildet. Die Leitstruktur 8 ist in der zylindrischen Ausnehmung 20 angeordnet, vorzugsweise an der den Wabenkörper 5 radial innen begrenzenden Wandung des Mantels 6. In der gezeigten Darstellung ist die Leitstruktur 8 dem stromabwärts zugewandten Ende des Abgasreinigungselementes 4 angeordnet. Es ist aber auch denkbar, die in den voranstehenden Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele auf einen Wabenkörper 5 nach Figur 10 anzuwenden.