Abgasanlage

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Mischer für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine zum Durchmischen eines Abgasstromes.

In Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen kommen häufig Zusatzmedien zum Einsatz, die in den Abgasstrom der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Häufig werden Zusatzstoffe stromauf von einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in die Abgasanlage eingespritzt. Zum Beispiel wird bei der Verwendung von SCR-Katalysatoren zur Um- Wandlung von Stickoxiden stromauf des SCR-Katalysators ein Reduktionsmittel, zum Beispiel Ammoniak oder eine wässrige Harnstofflösung, eingespritzt. Bei NOx- Speicherkatalysatoren kann stromauf des NOx-Speicherkatalysators Kraftstoff oder ein anderes geeignetes Reduktionsmittel eingespritzt werden, um den NOx- Speicherkatalysator zu regenerieren. Ähnliches gilt für Oxidationskatalysatoren oder Dieselpartikelfilter.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Zusatzmedium mit dem Abgas möglichst gleichmäßig vermischt wird, um ein homogenes Abgas-Zusatzmedium-Gemisch zu erzeugen. Hierzu ist bekannt, zwischen einer Einspritzeinrichtung zum Einbringen des Zusatzmediums und der Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Mischer in der Abgasanlage anzuordnen.

Die DE 10 2008 017 395 B4 beschreibt einen Mischer, der aus einem einzigen Blechkörper hergestellt ist und hierzu einen Rohrkörper bildet, an dessen axialen Enden radi- al nach innen abstehende Schaufeln ausgebildet sind. Hierbei sind die Schaufeln gegenüber einer Axialrichtung des Rohrkörpers schräg angestellt. Hierdurch wird im Bereich der Schaufeln der Strömungswiderstand erhöht und eine Verwirbelung erzeugt.

DE 20 2012 01 1 764 U1 beschreibt einen Mischer für eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Abgasen, wobei der Mischer zur gleichmäßigen Verteilung eines in den Abgasstrom eingebrachten Reduktionsmittels dient. Der Mischer weist radial nach innen vorstehende Mischelemente auf, die zur elektrischen Beheizung mit einem elektrischen Strom durchflössen werden. Die Mischelemente sind in Form von Schaufeln ausgebildet. Die Schaufeln weisen einen zentralen Schlitz auf, so dass sie einen im Wesentlichen U-förmigen Verlauf aufweisen und an ihren radial äußeren Enden mit einer Stromquelle verbunden werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mischer mit einer verbesserten Geo- metrie zum Durchmischen des Abgases bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch einen Mischer und eine Abgasanlage gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Mischer weist mehrere quer zu einer Längsachse nebeneinander angeordnete Leitschaufeln auf. Die Leitschaufeln weisen Leitflächen auf, die jeweils einer Eintrittsseite des Mischers zugewandt sind und die relativ zur Längsachse schräg angestellt sind. Jede Leitschaufel weist zumindest eine Durchtrittsöffnung auf. Je Durchtrittsöffnung ist eine Umlenkschaufel mit einer der Eintrittsseite des Mischers zugewandten Umlenkfläche vorgesehen. Die Umlenkschaufeln überdecken zumindest teilweise jeweils eine der Durchtrittsöffnungen in axialer Richtung. Die Umlenkflächen sind jeweils relativ zur Leitfläche in Richtung zur Eintrittsseite von der Leitfläche vorstehend schräg angestellt.

Die Leitschaufeln sind hierbei vorzugsweise aus Blech hergestellt. Genauso können auch die Umlenkschaufeln aus Blech gefertigt sein. Vorzugsweise sind die Umlenkschaufeln jeweils einstückig aus einer der Leitschaufeln geschnitten und umgeformt, wobei die Leitschaufeln in Richtung zur Eintrittsöffnung, d.h. anströmseitig, von der je- weiligen Leitfläche der Leitschaufel vorstehen.

Die Leitschaufeln können in Umfangsrichtung um die Längsachse nebeneinander angeordnet sein. Die Leitschaufeln sind hierbei vorzugsweise gleichmäßig über den Um- fang verteilt angeordnet. Hierbei kann der Mischer rotationssymmetrisch ausgebildet sein.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Leitschaufeln quer zur Längsrichtung parallel nebeneinander angeordnet sind. Vorzugsweise weist bei einer solchen Ausführungsform der Mischer einen rechteckigen Querschnitt auf.

Vorzugsweise sind die Durchtrittsöffnungen aller Leitschaufeln auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Die Umlenkschaufeln können derart angestellt sein, dass ein Ab- gasstrom von den Umlenkschaufeln jeweils durch die Durchtrittsöffnung einer benachbarten Leitschaufel geleitet wird. Somit wird die Durchmischungswirkung im Abgasstrom weiter verbessert.

Der Mischer kann ein Mischergehäuse aufweisen, in dem die Leitschaufeln angeordnet sind. Das Mischergehäuse ist hierbei vorzugsweise an den Querschnitt einer Abgaslei- tung der Abgasanlage angepasst und in die Abgasleitung eingesetzt. Bei um den Umfang verteilt angeordneten Umlenkschaufeln weist das Mischergehäuse einen runden, vorzugsweise kreisrunden oder elliptischen, Querschnitt auf und kann in eine entsprechend geformte Abgasleitung eingesetzt werden. Bei parallel zueinander angeordneten Leitschaufeln weist das Mischergehäuse vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt auf, das in eine Abgasleitung mit entsprechendem Querschnitt eingesetzt wird.

Das Mischergehäuse kann zumindest ein Abstandselement aufweisen, das von einer Außenfläche des Mischergehäuses radial vorsteht. Bei in einer Abgasleitung eingesetz- tem Mischer wird somit zumindest ein Spalt zwischen der Außenfläche des Mischergehäuses und der Abgasleitung gebildet. Dieser Spalt wird dann ebenfalls vom Abgasstrom durchströmt, so dass das Mischergehäuse nicht nur innen, sondern auch außen umströmt wird. Dadurch kann sich der gesamte Mischer schneller aufheizen, wodurch Anhaftungen an dem Mischer, zum Beispiel aus Kristallisationen der wässri- gen Harnstofflösung, vermindert werden. Das Mischergehäuse kann hierbei ebenfalls aus Blech gestaltet sein, wobei die Abstandselemente einstückig in dem Mischergehäuse in Form von Sicken ausgebildet sind. Die Aufgabe wird ferner durch eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine gelöst, wobei die Abgasanlage eine Abgasleitung aufweist, in der ein Mischer der vorangehenden Art angeordnet ist.

In der Abgasanlage kann eine Einspritzeinrichtung zum Einbringen eines Zusatzmediums in die Abgasanlage angeordnet sein, wobei die Einspritzeinrichtung stromauf des Mischers angeordnet ist. Stromab des Mischers kann in diesem Fall eine Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet sein.

Die Einspritzvorrichtung weist zumindest ein Düsenloch auf. Mit mehreren Düsenlöchern lassen sich mehrere Sprühstrahlen erzeugen, was zu einer gezielteren Besprühung bestimmter Bereiche des Mischers genutzt werden kann. Vorzugsweise ist durch Gestaltung des Düsenlochs der zumindest eine Sprühstrahl so ausgerichtet, dass in Bezug auf die eingesprühte Menge des Zusatzmediums mindestens 50%, vorzugswei- se mindestens 75% auf die Umlenkschaufeln gerichtet sind. Auf diese Weise lässt sich der Grad der Durchmischung weiter verbessern.

Eine Abgasanlage sowie zwei Ausführungsbeispiele eines Mischers sind im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Hierin zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage;

Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Mischers;

Figur 3 einen Teilschnitt in perspektivischer Ansicht des Mischers gemäß Figur 2;

Figur 4 eine Draufsicht des Mischers gemäß Figur 2;

Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Mischers und

Figur 6 eine schematische Seitenansicht des Mischers gemäß Figur 5.

Figur 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 , welche mit einer Luftzufuhr 2 und einer Abgasanlage 3 fluidisch verbunden ist. Durch die Luftzufuhr 2 wird der Brennkraftmaschine 1 in Pfeilrichtung Frischluft zugeführt. Das Abgas aus der Brennkraftmaschine 1 wird durch die Abgasanlage 3 in Pfeilrichtung ausgestoßen. Die Abgasanlage 3 umfasst eine Abgasleitung 4, in der eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 5, zum Beispiel ein SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, angeordnet ist. Stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 5 ist eine Einspritzeinrichtung 6 vorgesehen, die ein Zusatzmedium, wie zum Beispiel eine wässrige Harnstofflösung, in den Abgasstrom der Abgasleitung 4 einspritzt, um die selektive katalyti- sche Reaktion im SCR-Katalysator zu ermöglichen.

Um ein möglichst homogenes Gemisch aus Abgas und Zusatzmedium zu erzielen, ist zwischen der Einspritzeinrichtung 6 und der Abgasnachbehandlungseinrichtung 5 ein Mischer 7 angeordnet. Der Mischer 7 ist als statischer Mischer 7 ausgebildet, der keine bewegten und angetriebenen Bauteile zum Mischen aufweist, sondern ausschließlich durch das Anströmen mit Abgas eine Mischwirkung erzielt.

Die Figuren 2 bis 4 zeigen eine erste Ausführungsform eines Mischers in unterschiedlichen Perspektiven und werden im Folgenden zusammen beschrieben.

Der Mischer 7 ist in Pfeilrichtung mit Abgas durchströmt und weist eine anströmseitige Eintrittsseite 8 und eine abströmseitige Austrittsseite 9 auf. Der Abgasstrom durchströmt den Mischer 7 somit in einer Hauptdurchströmrichtung entlang einer Längsachse L des Mischers 7, wobei im Detail die Richtung des Abgasstroms innerhalb des Mischers 7 umgelenkt wird und sich auch stromab des Mischers 7 eine Verwirbelung ein- stellt. Mit Hauptdurchströmrichtung ist jedoch gemeint, dass der Abgasstrom grundsätzlich von der Eintrittsseite 8 zur Austrittsseite 9 strömt. Der Mischer 7 weist ein Mischergehäuse 10 auf, welches rohrförmig gestaltet ist und einen ovalen Querschnitt aufweist (Figur 4). Das Mischergehäuse 10 kann auch eine andere Querschnittsform aufweisen, wie beispielsweise eine im Wesentlichen kreiszylindrische Querschnittsform.

Das Mischergehäuse 10 wird in eine entsprechend geformte Abgasleitung 4 eingesetzt.

Das Mischergehäuse 10 ist konzentrisch zur Längsachse L ausgerichtet. Eine starre Nabe 1 1 ist konzentrisch zur Längsachse L innerhalb des Mischergehäuses 10 ange- ordnet, wobei die Nabe 1 1 stabförmig gestaltet ist und in Richtung der Längsachse L ausgerichtet ist. An der Nabe 1 1 sind mehrere Leitschaufeln 12 befestigt, die in Um- fangsrichtung um die Längsachse L nebeneinander angeordnet sind und gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Die Leitschaufeln 12 sind sowohl mit der Nabe 1 1 als auch mit dem Mischergehäuse 10 verbunden. Denkbar ist auch, dass die Leitschaufeln 12 nur mit dem Mischergehäuse 10 verbunden sind und keine Nabe 1 1 vorgesehen ist.

Die Leitschaufeln 12 bilden eine der Eintrittsseite 8 zugewandte anströmseitige Leitfläche 13. Die Leitfläche 13 ist gegenüber der Längsachse L schräg winklig angestellt. Die Leitfläche 13 und die Längsachse L bilden somit einen Winkel von größer 0 Grad bis kleiner 90 Grad.

Die Leitschaufel 12 weist in der gezeigten Ausführungsform einen ersten Leitschaufelabschnitt 14 und einen zweiten Leitschaufelabschnitt 15 auf. Die Leitfläche 13 des ersten Leitschaufelabschnitts 14 ist geringer zur Längsachse L angestellt, als die Leitfläche 13 des zweiten Leitschaufelabschnitts 15. Dies bedeutet, dass der zweite Leitschaufelabschnitt 15 den Abgasstrom in Umfangsrichtung stärker umlenkt als der erste Leitschaufelabschnitt 14 und somit eine stärkere Verwirbelung des Abgasstroms erzeugt. Die Leitfläche 13 des ersten Leitschaufelabschnitts 14 und die Längsachse L schließen in einer Ausgestaltung einen Winkel von 30 Grad bis 60 Grad ein. In der gezeigten Aus- führungsform schließen die Leitfläche 13 des ersten Leitschaufelabschnitts 14 und die Längsachse L einen Winkel von etwa 45 Grad ein. Die Leitfläche 13 des zweiten Leitschaufelabschnitts 15 schließt mit der Längsachse L in Ausgestaltung einen Winkel von 70 Grad bis annähernd 90 Grad ein. In der gezeigten Ausführungsform schließen die Leitfläche 13 des zweiten Leitschaufelabschnitts 15 und die Längsachse L einen Winkel von annähernd 90 Grad ein.

Die Leitschaufeln 12 weisen jeweils eine Durchtrittsöffnung 16 im ersten Leitschaufel- abschnitt 14 auf. Jeder Durchtrittsöffnung 16 ist eine Umlenkschaufel 17 zugeordnet, welche die Durchtrittsöffnung 16 in axialer Ansicht (Figur 4) die jeweilige Durchtrittsöffnung 16 überdeckt. Die Umlenkschaufeln 17 weisen Umlenkflächen 18 auf, die an- strömseitig der Eintrittsseite 8 des Mischers 7 zugewandt sind, wobei die Umlenkflächen 18 schräg winklig zur Längsachse L ausgerichtet sind und stärker gegenüber der Längsachse L angestellt sind als die Leitflächen 13 der ersten Leitschaufelabschnitte 14. Die Umlenkflächen 18 sind hierbei annähernd so weit gegenüber der Längsachse L angestellt wie die Leitflächen 13 der zweiten Leitschaufelabschnitte 15.

Die Umlenkflächen 18 sind ferner derart gegenüber der Längsachse L angestellt, dass sie den Abgasstrom derart umlenken, dass dieser abstromseitig an der der Austrittsseite 9 zugewandten Seite der benachbarten Leitschaufel 12 in die Durchtrittsöffnung 16 eintreten und durch diese hindurch strömen. Hierzu sind sämtliche Durchtrittsöffnungen 16 auf einer gemeinsamen gedachten Ebene angeordnet, wobei die Ebene senkrecht zur Längsachse L angeordnet ist.

Die Leitschaufeln 12 sind aus Blechmaterial gefertigt, wobei die Umlenkschaufeln 17 aus den Leitschaufeln 12 herausgeschnitten sind. Hierbei sind die Umlenkschaufeln 17 entlang einer Knickkante 19 nicht aus der jeweiligen Leitschaufel 12 herausgetrennt, sondern einstückig mit dieser verbunden und in Richtung zur Eintrittsseite 8 umgeformt.

Das Mischergehäuse 10 weist mindestens drei, in der gezeigten Ausführungsform vier, Abstandselemente 20 auf, die von einer Außenfläche 21 des Mischergehäuses 10 radial vorstehen. Die Abstandselemente 20 sind einstückig mit dem Mischergehäuse 10 ausgebildet, wobei das Mischergehäuse 10 aus einem Blechmaterial gefertigt ist. Die Abstandselemente 20 sind durch Sicken im Mischergehäuse 10 gebildet.

Figur 4 deutet in unterbrochener Linie den Querschnitt einer Abgasleitung 22 an, in die der Mischer 7 eingesetzt ist. Das Mischergehäuse 10 liegt somit mit den Abstandsele- menten 20 an einer Innenfläche der Abgasleitung 22 an, wobei in Umfangsrichtung jeweils zwischen den Abstandselementen 20 und in radialer Richtung zwischen der Außenfläche 21 und der Abgasleitung 22 ein Spalt 23 gebildet ist. Der Spalt 23 wird ebenfalls von Abgas durchströmt und ermöglicht ein schnelles Aufheizen des Mischergehäu- ses 10 zur Vermeidung von Anhaftungen.

Die Figuren 5 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform eines Mischers 107, wobei Einzelheiten, die mit Einzelheiten der ersten Ausführungsform übereinstimmen, mit Bezugszeichen versehen sind, die um den Wert 100 erhöht sind und dort beschrieben sind.

Im Unterschied zu dem Mischer gemäß der ersten Ausführungsform ist der Mischer 107 der zweiten Ausführungsform im Wesentlichen rechteckig gestaltet, wobei das Mischergehäuse einen rechteckigen Querschnitt aufweist. In dem Mischergehäuse 1 10 sind vier Leitschaufeln 1 12 angeordnet, die parallel nebeneinander quer zur Längsachse L angeordnet sind. Im Übrigen entspricht die Funktionsweise des Mischers 107 der zweiten Ausführungsform der ersten Ausführungsform.

Für sämtliche Ausführungsformen gemeinsam gilt, dass die Einspritzvorrichtung 6 eine oder mehrere Düsenlöcher aufweisen kann. Mit mehreren Düsenlöchern lassen sich mehrere Sprühstrahlen erzeugen, was zu einer gezielteren Besprühung bestimmter Bereiche des Mischers 7 genutzt werden kann. Vorzugsweise ist der zumindest eine Sprühstrahl so ausgerichtet, dass in Bezug auf die eingesprühte Menge mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 75% auf die Umlenkschaufeln 17 bzw. 1 17 gerichtet sind. Auf diese Weise lässt sich die Durchmischung verbessern. Bezugszeichenliste

1 Brennkraftmaschine

2 Luftzufuhr

3 Abgasanlage

4 Abgasleitung

5 Abgasnachbehandlungseinrichtung

6 Einspritzeinrichtung

7, 107 Mischer

8, 108 Eintrittsseite

9, 109 Austrittsseite

10, 110 Mischergehäuse

11 Nabe

12.112 Leitschaufel

13.113 Leitfläche

14, 114 erster Leitschaufelabschnitt

15, 115 zweiter Leitschaufelabschnitt

16, 116 Durchtrittsöffnung

17, 117 Umlenkschaufel

18, 118 Umlenkfläche

19, 119 Knickkante

20, 120 Abstandselement

21, 121 Außenfläche

22 Abgasleitung

23 Spalt

L Längsachse