Mischvorrichtung zur Durchmischung eines Abgasstroms mit einem Reaktionsmittel und Brennkraftmaschine mit einer solchen Mischvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zur Durchmischung eines Abgasstroms mit einem Reaktionsmittel und eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Mischvorrichtung.

Um eine möglichst homogene Durchmischung eines Abgasstroms mit einem Reaktionsmittel, beispielsweise einem Reduktionsmittel stromaufwärts eines SCR-Katalysators zu erzielen, sind derartige Mischvorrichtungen häufig sehr groß, insbesondere wenn eine Mehrzahl von Katalysatorelementen möglichst homogen mit dem durchmischten Abgasstrom angeströmt werden sollen. Dies ist insbesondere problematisch, wenn nur wenig Bauraum zur Unterbringung einer Brennkraftmaschine samt Abgasnachbehandlungssystemen zur Verfügung steht, insbesondere im marinen Bereich, beispielsweise bei Yachten, kleineren Schiffen oder U- Booten. Hinzu tritt das Problem eines vergleichsweise hohen Gegendrucks im Betrieb einer solchen Mischvorrichtung, was sich nachteilig auf den Wirkungsgrad einer mit der Mischvorrichtung ausgestatteten Brennkraftmaschine auswirkt. Weiterhin besteht das Problem von Ablagerungen des Reaktionsmittels oder von Produkten des Reaktionsmittels an Elementen der Mischvorrichtung, die den Gegendruck zusätzlich erhöhen und/oder die Mischleistung der Mischvorrichtung negativ beeinträchtigen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung zur Durchmischung eines Abgasstroms mit einem Reaktionsmittel und eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Mischvorrichtung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest reduziert, vorzugsweise vermieden sind.

Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten bevorzugten Ausführungsformen. Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Mischvorrichtung zur Durchmischung eines Abgasstroms mit einem Reaktionsmittel geschaffen wird. Die Mischvorrichtung weist ein Gehäuse sowie in dem Gehäuse einen ersten Teilraum und einen von dem ersten Teilraum durch eine in dem Gehäuse angeordnete Trennwand abgeteilten zweiten Teilraum auf. Das Gehäuse weist einen in den ersten Teilraum mündenden Abgaseinlass auf. In der Trennwand sind mindestens drei Durchbrechungen ausgebildet, durch welche durch den Abgaseinlass in den ersten Teilraum eintretendes Abgas in den zweiten Teilraum überströmen kann. Mindestens eine erste Durchbrechung der mindestens drei Durchbrechungen ist als passive Durchbrechung ausgebildet, wobei mindestens zwei zweite Durchbrechungen der mindestens drei Durchbrechungen jeweils als aktive Durchbrechungen ausgebildet sind, wobei den aktiven Durchbrechungen jeweils eine Einbringvorrichtung zugeordnet ist, die eingerichtet ist, um das Reaktionsmittel in die Mischvorrichtung einzubringen. Das Gehäuse weist außerdem einen aus dem zweiten Teilraum ausmündenden Abgasauslass auf. Der durch den Abgaseinlass in den ersten Teilraum einströmende Abgasstrom wird vorteilhaft aufgeteilt in mindestens drei Teilströme, wobei ein erster Teilstrom der drei Teilströme über die mindestens eine erste Durchbrechung in den zweiten Teilraum überströmt, wobei zumindest ein zweiter Teilstrom und ein dritter Teilstrom durch die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen in den zweiten Teilraum überströmen. Die drei Teilströme werden in dem zweiten Teilraum vereinigt, wobei der wiedervereinigte Abgasstrom die Mischvorrichtung über den Abgasauslass verlässt. Vorteilhaft wird auf diese Weise, insbesondere mittels der als passive Durchbrechung ausgebildeten ersten Durchbrechung, der Gegendruck der Mischvorrichtung reduziert, was sich positiv auf den Wirkungsgrad einer die Mischvorrichtung aufweisenden Brennkraftmaschine auswirkt. Weiter reduziert die Aufteilung des Abgasstroms sowie auch die Aufteilung der Einbringung des Reaktionsmittels auf die jeweils den zweiten, aktiven Durchbrechungen zugeordneten Einbringvorrichtungen die Ausbildung von Ablagerungen. Außerdem führt die Aufteilung des Abgasstroms in mindestens drei Teilströme sowie deren Zusammenführung in dem zweiten Teilraum vorteilhaft zu einer besonders guten Homogenisierung und damit Durchmischung des Reaktionsmittels mit dem Abgasstrom, wobei zugleich der Bauraum der Mischvorrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Mischvorrichtung reduziert sein kann.

Unter einem Reaktionsmittel wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein Stoff oder Stoffgemisch verstanden, der oder das mit dem heißen Abgasstrom - vorzugsweise an einem stromabwärts der Mischvorrichtung angeordneten Katalysator, chemisch umgesetzt wird. Alternativ wird unter einem Reaktionsmittel ein Stoff oder Stoffgemisch verstanden, der oder das ein Vorläuferprodukt eines anderen Stoffs oder Stoffgemischs ist, der oder das mit dem heißen Abgasstrom - vorzugsweise an einem stromabwärts der Mischvorrichtung angeordneten Katalysator, chemisch umgesetzt wird.

Bevorzugt ist das Reaktionsmittel eingerichtet, um an einem SCR-Katalysator mit dem Abgas zu reagieren, oder das Reaktionsmittel ist ein Vorläuferprodukt eines Stoffs oder Stoffgemischs, der oder das eingerichtet ist, um an dem SCR-Katalysator mit dem Abgas zu reagieren. Bevorzugt ist das Reaktionsmittel Harnstoff oder eine Harnstoff-Wasser-Lösung.

Unter einer aktiven Durchbrechung wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre eine Durchbrechung der Trennwand verstanden, der eine Einbringvorrichtung zur Einbringung des Reaktionsmittels in die Mischvorrichtung zugeordnet ist. Eine solche Einbringvorrichtung ist vorzugsweise als Düse, Dosierventil oder Injektor ausgebildet. Die aktive Durchbrechung ist also insbesondere in dem Sinne aktiv, als sie unmittelbar der Durchmischung des Reaktionsmittels mit dem Abgasstrom dient.

Insbesondere in Abgrenzung hierzu wird unter einer passiven Durchbrechung im Kontext der vorliegenden technischen Lehre eine Durchbrechung der Trennwand verstanden, der keine Einbringvorrichtung zur Einbringung des Reaktionsmittels in die Mischvorrichtung zugeordnet ist, das heißt eine Durchbrechung, die frei ist von einer Einbringvorrichtung. Insbesondere durchströmt der Abgasstrom die passive Durchbrechung, ohne im Bereich der passiven Durchbrechung mit Reaktionsmittel beaufschlagt zu werden.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung sind in der Trennwand genau zwei aktive Durchbrechungen ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist in der Trennwand genau eine passive Durchbrechung ausgebildet. In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung weist die Trennwand insbesondere genau eine erste Durchbrechung und genau zwei zweite Durchbrechungen auf.

Die mindestens zwei den aktiven Durchbrechungen jeweils zugeordneten Einbringvorrichtungen sind insbesondere eingerichtet und angeordnet, um das Reaktionsmittel in das Gehäuse, insbesondere in den ersten Teilraum einzubringen. In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung weist die Trennwand mindestens vier Durchbrechungen, insbesondere zusätzlich zu der mindestens einen ersten Durchbrechung und den mindestens zwei zweiten Durchbrechungen eine dritte Durchbrechung auf, wobei die dritte Durchbrechung mit einem durch den ersten Teilraum und eine einströmseitige Gehäusewand des Gehäuses hindurchragenden Auslassrohr dicht ausgebildet, insbesondere verbunden ist, sodass der Abgasstrom aus dem zweiten Teilraum durch die dritte Durchbrechung und das Auslassrohr über die einströmseitige Gehäusewand aus der Mischvorrichtung austreten kann. Der aus dem zweiten Teilraum ausmündende Abgasauslass wird dabei durch die dritte Durchbrechung der Trennwand und das Auslassrohr gebildet. Der Abgasauslass mündet somit auf derselben Seite des Gehäuses aus der Mischvorrichtung aus, auf der auch der Abgaseinlass in das Gehäuse einmündet. Das Auslassrohr schließt dabei nicht nur dicht mit der Trennwand sondern auch mit der einströmseitigen Gehäusewand ab, sodass das einströmende Abgas und das ausströmende Abgas nicht miteinander in Kontakt kommen. Vielmehr muss das einströmende Abgas zunächst aus dem ersten Teilraum durch die mindestens eine erste Durchbrechung und die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen in den zweiten Teilraum übertreten, bevor es durch die dritte Durchbrechung und das Auslassrohr wieder aus dem Gehäuse austreten kann.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung sind in der Trennwand genau vier Durchbrechungen ausgebildet, nämlich die genau eine erste Durchbrechung, die genau zwei zweiten Durchbrechungen, und die genau eine dritte Durchbrechung.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine erste Durchbrechung und die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein größerer Anteil der die Mischvorrichtung im Betrieb insgesamt durchsetzenden Abgasströmung durch die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen hindurchtritt, wobei ein kleinerer Anteil der Abgasströmung durch die mindestens eine erste Durchbrechung hindurchtritt. Somit wird der größere Anteil der Abgasströmung im Bereich der mindestens zwei zweiten Durchbrechungen unmittelbar mit dem Reaktionsmittel beaufschlagt, während der Gegendruck der Mischvorrichtung vorteilhaft durch die Bereitstellung der mindestens einen ersten Durchbrechung reduziert wird. Die Begriffe „größer“ und „kleiner“ beziehen sich dabei aufeinander, das heißt der größere Anteil ist größer als der kleinere Anteil, und der kleinere Anteil ist entsprechend kleiner als der größere Anteil. Der Abgasstrom wird also asymmetrisch auf die mindestens eine erste Durchbrechung einerseits und die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen andererseits aufgeteilt.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung ist die Aufteilung des Abgasstroms auf die mindestens eine erste Durchbrechung einerseits und die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen andererseits insbesondere durch festgelegte Strömungsquerschnitte fest vorgegeben. Dabei hängt allerdings die prozentuale Aufteilung noch von dem tatsächlich durch die Mischvorrichtung strömenden Abgasstrom, insbesondere von der pro Zeiteinheit die Mischvorrichtung durchströmenden Abgasmasse, und damit letztlich vom Betriebspunkt einer die Mischvorrichtung aufweisenden Brennkraftmaschine, ab. Die Strömungsquerschnitte werden bevorzugt abhängig von einem Gegendruck gewählt, den die Brennkraftmaschine, insbesondere eine stromaufwärts der Mischvorrichtung angeordnete Turbine eines Abgasturboladers, noch bewältigen kann. Insbesondere wird ein Strömungsquerschnitt der mindestens einen ersten Durchbrechung kleiner gewählt, wenn der Gegendruck höher sein darf, und umgekehrt.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung sind die mindestens eine erste Durchbrechung und die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen derart aufeinander abgestimmt, dass der durch die mindestens eine erste Durchbrechung hindurchtretende Anteil des Abgasstroms bei Volllast der die Mischvorrichtung aufweisenden Brennkraftmaschine von 5 % bis 30 %, vorzugsweise von 10 % bis 25 %, vorzugsweise von 15 % bis 20 % beträgt. Der zu 100 % verbleibende Anteil des Abgasstroms strömt durch die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen. Vorzugsweise sind diese derart ausgestaltet, dass der verbleibende Anteil des Abgasstroms symmetrisch, das heißt zu gleichen Teilen, auf die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen aufgeteilt wird.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung sind die mindestens eine erste Durchbrechung und die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen derart aufeinander abgestimmt, dass der durch die mindestens eine erste Durchbrechung hindurchtretende Anteil des Abgasstroms bei Volllast der die Mischvorrichtung aufweisenden Brennkraftmaschine 18 % beträgt, wobei der insgesamt durch die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen strömende Anteil des Abgasstroms entsprechend 82 % beträgt. Dabei ist dieser größere Anteil bevorzugt symmetrisch auf die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen aufgeteilt, wobei im Fall von genau zwei zweiten Durchbrechungen bevorzugt 41 % des Abgasstroms durch jede zweite Durchbrechung strömen.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung ist die Aufteilung des Abgasstroms auf die mindestens eine erste Durchbrechung einerseits und die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen andererseits veränderbar. Insbesondere ist bevorzugt mindestens ein Strömungsquerschnitt, ausgewählt aus einem Strömungsquerschnitt der mindestens einen ersten Durchbrechung und einem Strömungsquerschnitt von mindestens einer der mindestens zwei zweiten Durchbrechungen, variabel ausgebildet. Bevorzugt ist der Strömungsquerschnitt der mindestens einen ersten Durchbrechung variabel ausgebildet.

Eine Variation des Strömungsquerschnitts kann insbesondere abhängig von einem Betriebspunkt einer die Mischvorrichtung aufweisenden Brennkraftmaschine derart erfolgen, dass die anteilige Aufteilung der Abgasströmung auf die verschiedenen Durchbrechungen unabhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine konstant bleibt, oder derart, dass die anteilige Aufteilung betriebspunktabhängig variiert wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens einen ersten Durchbrechung eine Strömungshinderungsvorrichtung zugeordnet ist, die angeordnet und eingerichtet ist, um eine Strömung durch die mindestens eine erste Durchbrechung zu behindern, insbesondere um einen Strömungsquerschnitt der mindestens einen ersten Durchbrechung zu verringern. Insbesondere mittels der Strömungshinderungsvorrichtung wird ein definierter Strömungsquerschnitt für die mindestens eine erste Durchbrechung vorgegeben. Bevorzugt ist der mindestens einen ersten Durchbrechung genau eine Strömungshinderungsvorrichtung zugeordnet.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung ist die Strömungshinderungsvorrichtung als Lochblech ausgebildet.

Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine erste Durchbrechung eine Mehrzahl von Teil-Durchbrechungen aufweist, deren einzelne Strömungsquerschnitte und deren aufsummierter Gesamt-Strömungsquerschnitt geringer ist als die Strömungsquerschnitte der mindestens zwei zweiten Durchbrechungen. Insbesondere sind die einzelnen Strömungsquerschnitte und auch der aufsummierte Gesamt-Strömungsquerschnitt geringer als jeder einzelne Strömungsquerschnitt der mindestens zwei zweiten Durchbrechungen.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung sind die Teil-Durchbrechungen als eine Mehrzahl von Perforationen ausgebildet. Insbesondere ist es möglich, dass die mindestens eine erste Durchbrechung dadurch gebildet ist, dass die Trennwand im Bereich der ersten Durchbrechung perforiert oder mit einer Lochung versehen ist.

Alternativ weist die Trennwand eine Mehrzahl von ersten Durchbrechungen, insbesondere in Form von Bohrungen oder Löchern, auf.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens einen ersten Durchbrechung eine Querschnittsveränderungsvorrichtung zugeordnet ist. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, den Strömungsquerschnitt der mindestens einen ersten Durchbrechung zu verändern. Insbesondere ist bevorzugt der Strömungshinderungsvorrichtung eine Querschnittsveränderungsvorrichtung zugeordnet.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung ist die Querschnittsveränderungsvorrichtung ansteuerbar ausgebildet. Auf diese Weise ist es vorteilhaft insbesondere möglich, die Querschnittsveränderungsvorrichtung abhängig von einem Betriebspunkt einer die Mischvorrichtung aufweisenden Brennkraftmaschine anzusteuern, um den Strömungsquerschnitt der mindestens einen ersten Durchbrechung betriebspunktabhängig zu verändern.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine erste Durchbrechung dem Abgaseinlass in Strömungsrichtung des einströmenden Abgases unmittelbar gegenüber angeordnet ist. Auf diese Weise wird der Gegendruck der Mischvorrichtung besonders vorteilhaft reduziert.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung sind die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen versetzt zu dem Abgaseinlass angeordnet. Dies ermöglicht vorteilhaft insbesondere eine für die Durchmischung mit dem Reaktionsmittel günstige Strömungsführung des Abgases zu den zweiten Durchbrechungen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass den mindestens zwei zweiten Durchbrechungen in dem ersten Teilraum jeweils eine die jeweilige Durchbrechung umgreifende Ringwandung zugeordnet ist, die einen Mischraum umschließt, wobei die Ringwandung mindestens eine Durchtrittsöffnung, vorzugsweise eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordneten Durchtrittsöffnungen, aufweist, durch welche Abgas von außerhalb des Mischraums in den Mischraum eintreten kann, wobei das Abgas aus dem Mischraum durch die jeweilige zweite Durchbrechung in den zweiten Teilraum weiterströmen kann. Der mindestens einen Durchtrittsöffnung ist ein drallerzeugendes Leitelement zugeordnet. Auf diese Weise ist bevorzugt den mindestens zwei zweiten Durchbrechungen jeweils eine Mischtrommel oder ein Flügelmischer zugeordnet, was eine besonders effiziente Durchmischung des Abgasstroms mit dem Reaktionsmittel gewährleistet. Die Mischräume sind insbesondere in dem ersten Teilraum angeordnet.

Das mindestens eine drallerzeugende Leitelement ist bevorzugt als Leitschaufel ausgebildet. Vorzugsweise sind den Ringwandungen der zweiten Durchbrechungen jeweils eine Mehrzahl von drallerzeugenden Leitelementen zugeordnet. Bevorzugt ist jeder Durchtrittsöffnung ein Leitelement, insbesondere eine Leitschaufel, zugeordnet. Insbesondere sind die Leitelemente an der Ringwandung angeordnet, vorzugsweise aus der Ringwandung herausgebildet, insbesondere ausgeschnitten und umgebogen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die den zweiten Durchbrechungen jeweils zugeordneten Einbringvorrichtungen jeweils in den Mischraum münden. Auf diese Weise kann das Reaktionsmittel besonders innig mit dem Abgas durchmischt werden, insbesondere in der durch die Ringwand gebildeten Mischtrommel oder dem Flügelmischer.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung mündet die jeweils zugeordnete Einbringvorrichtung mittig in den Mischraum, insbesondere in ein Drallauge der den Mischraum im Betrieb der Mischvorrichtung durchströmenden Abgasströmung. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem zweiten Teilraum den zweiten Durchbrechungen jeweils in Durchtrittsrichtung des Abgases gegenüberliegend ein von einem umlaufenden Rand umschlossenes Verwirbelungselement zugeordnet ist. Das Verwirbelungselement trägt vorteilhaft insbesondere sowohl zur Durchmischung des Reaktionsmittels mit dem durch die zweiten Durchbrechungen hindurchtretenden Abgas als auch zur Durchmischung der verschiedenen Teilströme des Abgases miteinander in dem zweiten Teilraum bei. Insbesondere bilden sich an dem umlaufenden Rand Wirbel in der Abgasströmung aus, die vorteilhaft zur Durchmischung beitragen.

Das Verwirbelungselement ist insbesondere an einer der jeweils zugeordneten zweiten Durchbrechung gegenüberliegenden Gehäusewand angeordnet. Insbesondere begrenzt die Gehäusewand den zweiten Teilraum an einer der Trennwand gegenüberliegenden Seite.

Insbesondere ist jeder der zweiten Durchbrechungen jeweils ein Verwirbelungselement zugeordnet.

Insbesondere ragt der umlaufende Rand von der den zweiten Durchbrechungen gegenüberliegenden Gehäusewand ab und steht somit ausgehend von der gegenüberliegenden Gehäusewand in den zweiten Teilraum vor. Insbesondere erstreckt sich der umlaufende Rand in dem zweiten Teilraum nicht bis zu der Trennwand. Insbesondere erstreckt sich der umlaufende Rand ausgehend von der gegenüberliegenden Gehäusewand bis über eine Strecke von 40 % bis 60 % eines - insbesondere kleinsten, insbesondere senkrecht zu der Gehäusewand und der Trennwand gemessenen - Abstands zwischen der gegenüberliegenden Gehäusewand und der Trennwand, wobei der Abstand im Folgenden auch als zweite Höhe bezeichnet wird.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung ist vorgesehen, dass das Verwirbelungselement der jeweils zugeordneten zweiten Durchbrechung konzentrisch gegenüberliegend angeordnet ist.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung ist vorgesehen, dass ein Durchmesser des Verwirbelungselements, insbesondere ein größter Durchmesser des umlaufenden Rands, größer ist als ein lichter Durchmesser der jeweils zugeordneten zweiten Durchbrechung. Insbesondere beträgt der lichte Durchmesser der zugeordneten zweiten Durchbrechung bevorzugt von 80 % bis 90 % des Durchmessers des Verwirbelungselements, insbesondere des größten Durchmessers des umlaufenden Rand. Insbesondere bei konzentrischer Anordnung des Verwirbelungselements relativ zu der zweiten Durchbrechung überragt somit der umlaufende Rand die zugeordnete zweite Durchbrechung entlang seines gesamten Umfangs in radialer Richtung.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung ist das Verwirbelungselement konkav ausgebildet.

Insbesondere ist das Verwirbelungselement bevorzugt als Klöpperboden, insbesondere als Klöpperboden nach DIN 28011 :2012-06 in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag gültigen Fassung, ausgebildet.

In einer anderen Ausführungsform der Mischvorrichtung ist das Verwirbelungselement zylindrisch, insbesondere als Rohrstutzen, oder tassenförmig ausgebildet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest einer zweiten Durchbrechung der mindestens zwei zweiten Durchbrechungen in dem ersten Teilraum ein die Ringwandung außerhalb des Mischraums in Umfangsrichtung bereichsweise umgreifendes Strömungsführungselement zugeordnet ist, dessen radialer Abstand zu einem gedachten Mittelpunkt des Mischraums sich entlang eines gedachten Strömungspfads einer im Betrieb der Mischvorrichtung an dem Strömungsführungselement entlangströmenden Abgasströmung verringert.

Das Strömungsführungselement ist bevorzugt als Leitblech ausgebildet.

Die im Betrieb der Mischvorrichtung an dem Strömungsführungselement entlangströmende Abgasströmung liegt bevorzugt an dem Strömungsführungselement an.

Das Strömungsführungselement erstreckt sich bevorzugt entlang eines Spiralabschnitts, und/oder das Strömungsführungselement ist schneckenförmig ausgebildet. Dabei liegt es bevorzugt mit einem von dem gedachten Mittelpunkt des Mischraums weiter beabstandetem Ende an einer seitlichen Gehäusewand des Gehäuses an, wobei es mit dem anderen, weniger weit von dem gedachten Mittelpunkt des Mischraums beabstandeten, freien Ende in den ersten Teilraum hineinragt. Insbesondere ist das Strömungsführungselement drallerzeugend ausgebildet und angeordnet, insbesondere derart, dass ein Drallauge des durch das Strömungsführungselement erzeugten Dralls der Abgasströmung im gedachten Mittelpunkt des Mischraums liegt.

In einer Ausführungsform der Mischvorrichtung ist eine insbesondere senkrecht zu der Trennwand gemessene erste Höhe des ersten Teilraums von einer einströmseitigen Gehäusewand bis zu der Trennwand größer als eine ebenfalls senkrecht zur Trennwand gemessene zweite Höhe des zweiten Teilraums von der Trennwand bis zu der gegenüberliegenden Gehäusewand. Vorzugsweise beträgt die zweite Höhe von 40 % bis 70 % der ersten Höhe.

Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die ein Abgasnachbehandlungssystem mit einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung oder einer Mischvorrichtung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen aufweist. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Mischvorrichtung erläutert wurden.

In einer Ausführungsform der Brennkraftmaschine weist das Abgasnachbehandlungssystem in Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts der Mischvorrichtung einen SCR-Katalysator, vorzugsweise mit einer Mehrzahl von Katalysatorelementen, auf.

In einer Ausführungsform der Brennkraftmaschine weist das Abgasnachbehandlungssystem in Strömungsrichtung des Abgases stromaufwärts der Mischvorrichtung eine Turbine, insbesondere eine Turbine eines Abgasturboladers, auf.

In einer Ausführungsform ist die Brennkraftmaschine eingerichtet als Fahrzeugmotor, insbesondere als Motor eines Wasserfahrzeugs, insbesondere eine Schiffs, insbesondere einer Yacht. Insbesondere bei beengtem Bauraum für den Einbau der Brennkraftmaschine und des Abgasnachbehandlungssystems verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile der hier vorgeschlagenen technischen Lehre.

In einer Ausführungsform der Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine eine Einstellvorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um die Aufteilung des Abgasstroms auf die mindestens eine erste Durchbrechung einerseits und die mindestens zwei zweiten Durchbrechungen der Mischvorrichtung andererseits - vorzugsweise abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine - einzustellen, insbesondere betriebspunktabhängig konstant zu halten. Insbesondere ist die Einstellvorrichtung bevorzugt eingerichtet, um mindestens einen Strömungsquerschnitt, ausgewählt aus einem Strömungsquerschnitt der mindestens einen ersten Durchbrechung und einem Strömungsquerschnitt von mindestens einer der mindestens zwei zweiten Durchbrechungen, zu variieren, insbesondere durch Ansteuern eines ansteuerbaren Stellelements. Bevorzugt ist die Einstellvorrichtung eingerichtet, um den Strömungsquerschnitt der mindestens einen ersten Durchbrechung zu variieren.

Vorzugsweise weist die Einstellvorrichtung eine Steuervorrichtung und eine der mindestens einen ersten Durchbrechung zugeordnete, ansteuerbare Querschnittsveränderungsvorrichtung auf, wobei die Steuervorrichtung mit der Querschnittsveränderungsvorrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Querschnittsveränderungsvorrichtung insbesondere in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine anzusteuem, um den Strömungsquerschnitt der mindestens einen ersten Durchbrechung insbesondere betriebspunktabhängig zu variieren.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel einer Mischvorrichtung;

Figur 2 eine erste Ansicht des Ausführungsbeispiels der Mischvorrichtung gemäß Figur 1;

Figur 3 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel der Mischvorrichtung gemäß Figur 1;

Figur 4 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels der Mischvorrichtung gemäß Figur 1;

Figur 5 eine erste Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der Mischvorrichtung gemäß

Figur 1;

Figur 6 eine zweite Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der Mischvorrichtung gemäß Figur 1, und

Figur 7 eine dritte Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der Mischvorrichtung gemäß Figur 1.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasnachbehandlungssystem 2, das ein Ausführungsbeispiel einer Mischvorrichtung 3 zur Durchmischung eines Abgasstroms der Brennkraftmaschine 1 mit einem Reaktionsmittel aufweist. Stromabwärts der Mischvorrichtung 3 weist das Abgasnachbehandlungssystem 2 einen SCR-Kataly sator 5 auf, der insbesondere - hier für den Betrachter verborgen - eine Mehrzahl von Katalysatorelementen aufweist. Stromaufwärts der Mischvorrichtung 3 weist das Abgasnachbehandlungssystem 2 eine Abgasturbolader-Turbine 7 auf. Bei einer derartigen Brennkraftmaschine 1 besteht die Anforderung, bei möglichst geringem Gegendruck für die Abgasturbolader-Turbine 7 eine möglichst gute und homogene Durchmischung eines Reaktionsmittels mit dem Abgas in der Mischvorrichtung 3 zu erreichen, insbesondere um die Mehrzahl von Katalysatorelementen des SCR-Kataly sator 5 gleichmäßig beaufschlagen zu können. Insbesondere für Anwendungen, bei denen nur ein begrenzter Bauraum für die Brennkraftmaschine 1 zur Verfügung steht, besteht außerdem das Bedürfnis, die Mischvorrichtung 3 möglichst kompakt auszulegen. Weiterhin sollen nach Möglichkeit Ablagerungen des Reaktionsmittels in der Mischvorrichtung 3 reduziert, vorzugsweise vermieden werden.

In bevorzugter Ausgestaltung ist die Brennkraftmaschine 1 als Fahrzeugmotor, insbesondere für ein Wasserfahrzeug, insbesondere für ein Schiff, insbesondere eine Yacht ausgebildet, wobei in diesen Anwendungen ein besonders enger Bauraum für den Einbau der Brennkraftmaschine 1 und damit zugleich auch des Abgassystems 2 gegeben ist.

Fig. 2 zeigt eine erste Ansicht des Ausführungsbeispiels der Mischvorrichtung 3 gemäß Figur 1.

Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.

Die Mischvorrichtung 3 weist ein Gehäuse 9 auf. An dem Gehäuse 9 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer selben, dem Betrachter von Figur 2 zugewandten Seite, die auch als Einströmseite bezeichnet wird, sowohl ein Abgaseinlass 11 als auch ein Abgasauslass 13 angeordnet. Eine im Betrieb der Mischvorrichtung 3 diese durchsetzende Abgasströmung tritt durch den Abgaseinlass 11 in das Gehäuse 9 ein und nach Durchströmen Mischvorrichtung 3 aus dem Abgasauslass 13 wieder aus. Dargestellt sind auch zwei Einbringvorrichtungen 15, eine erste Einbringvorrichtung 15.1 und eine zweite Einbringvorrichtung 15.2, die angeordnet und eingerichtet sind, um das Reaktionsmittel in das Gehäuse 9 der Mischvorrichtung 3 einzubringen. Dargestellt sind auch Öffnungen 17, die zur Anordnung von Abgassensoren an dem Gehäuse 9 dienen können.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel der Mischvorrichtung 3 gemäß Figur 1.

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels der Mischvorrichtung 3 gemäß Figur 1.

Fig. 5 zeigt eine erste Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der Mischvorrichtung 3 entlang einer Linie A-A in Figur 3. Die Mischvorrichtung 3 weist in dem Gehäuse 9 einen ersten Teilraum 19 und einen zweiten Teilraum 21 auf, wobei der zweite Teilraum 21 von dem ersten Teilraum 19 durch eine Trennwand 23 abgeteilt ist. Der Abgaseinlass 11 mündet in den ersten Teilraum 19, und der Abgasauslass 13 mündet aus dem zweiten Teilraum 21 heraus, wobei der Abgasauslass 13 ein durch eine einströmseitige Gehäusewand 25 hindurchtretendes Auslassrohr 27 aufweist, das den ersten Teilraum 19 durchsetzt und in den zweiten Teilraum 21 mündet.

In der Trennwand 23 sind mindestens drei in Figur 7 dargestellte Durchbrechungen 29 ausgebildet, bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel konkret vier Durchbrechungen, nämlich eine erste Durchbrechung 29.1, eine erste zweite Durchbrechung 29.2.1, eine zweite zweite Durchbrechung 29.2.2, und eine dritte Durchbrechung 29.3. Durch die erste Durchbrechung 29. 1 und die zweiten Durchbrechungen 29.2 kann durch den Abgaseinlass 11 in den ersten Teilraum 19 eintretendes Abgas in den zweiten Teilraum 21 überströmen. Das Auslassrohr 27 ist mit der dritten Durchbrechung 29.3 verbunden und mündet über die dritte Durchbrechung 29.3 in den zweiten Teilraum 21, sodass das Abgas aus dem zweiten Teilraum 21 über die dritte Durchbrechung 29.3 und das Auslassrohr 27 aus dem Gehäuse 9 austreten kann.

Die erste Durchbrechung 29.1 ist als passive Durchbrechung ausgebildet, das heißt sie ist frei von einer Einbringvorrichtung 15. Die zweiten Durchbrechungen 29.2 sind als aktive Durchbrechungen ausgebildet, das heißt ihnen ist jeweils eine Einbringvorrichtung 15 zugeordnet, der ersten zweiten Durchbrechung 29.2.1 die erste Einbringvorrichtung 15.1, und der zweiten zweiten Durchbrechung 29.2.2 die zweite Einbringvorrichtung 15.2. Die Einbringvorrichtungen 15 münden in den ersten Teilraum 19, sie sind also eingerichtet, um das Reaktionsmittel im Bereich der zweiten Durchbrechungen 29.2 in den zweiten Teilraum 21 einzubringen.

Die erste Durchbrechung 29.1 ist bevorzugt dem Abgaseinlass 11 in Strömungsrichtung des einströmenden Abgases unmittelbar gegenüberliegend angeordnet. Die zweiten Durchbrechungen 29.2 sind demgegenüber bevorzugt versetzt zu dem Abgaseinlass 11 angeordnet.

Den zweiten Durchbrechungen 29.2 ist in dem zweiten Teilraum 21 jeweils in Durchtrittsrichtung des Abgases gegenüberliegend ein von einem umlaufenden Rand 31 umschlossenes Verwirbelungselement 33 zugeordnet. Das Verwirbelungselement 33 ist insbesondere an einer der jeweils zugeordneten zweiten Durchbrechung 29.2 gegenüberliegenden Gehäusewand 35 angeordnet. Insbesondere begrenzt die Gehäusewand 35 den zweiten Teilraum 21 an einer der Trennwand 23 gegenüberliegenden Seite.

Insbesondere ragt der umlaufende Rand 31 von der den zweiten Durchbrechungen 29.2 gegenüberliegenden Gehäusewand 35 ab und steht somit ausgehend von der gegenüberliegenden Gehäusewand 35 in den zweiten Teilraum 21 vor. Bevorzugt erstreckt sich der umlaufende Rand 31 ausgehend von der gegenüberliegenden Gehäusewand 35 bis über eine Strecke von 40 % bis 60 % eines - insbesondere kleinsten, insbesondere senkrecht zu der Gehäusewand 35 und der Trennwand 23 gemessenen - Abstands zwischen der gegenüberliegenden Gehäusewand 35 und der Trennwand 23.

Das jeweilige Verwirbelungselement 33 ist bevorzugt der ihm zugeordneten zweiten Durchbrechung 29.2 konzentrisch gegenüberliegend angeordnet.

Bevorzugt ist ein Durchmesser des Verwirbelungselements 33, insbesondere ein größter Durchmesser des umlaufenden Rands 31, größer als ein lichter Durchmesser der jeweils zugeordneten zweiten Durchbrechung 29.2.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verwirbelungselement 33 als Klöpperboden, insbesondere als Klöpperboden nach DIN 28011 :2012-06 in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag gültigen Fassung, ausgebildet. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Verwirbelungselement 33 aber auch zylindrisch, insbesondere als Rohrstutzen, oder tassenförmig ausgebildet sein.

Fig. 6 zeigt eine zweite Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der Mischvorrichtung 3 entlang einer Linie B-B in Figur 3. Bevorzugt ist eine insbesondere senkrecht zu der Trennwand 23 gemessene erste Höhe Hi des ersten Teilraums 19 von der einströmseitigen Gehäusewand 25 bis zu der Trennwand 23 größer als eine ebenfalls senkrecht zur Trennwand 23 gemessene zweite Höhe H2 des zweiten Teilraums 21 von der Trennwand 23 bis zu der gegenüberliegenden Gehäusewand 35.

Fig. 7 zeigt eine dritte Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der Mischvorrichtung 3 entlang einer Linie C-C in Figur 4. Die erste Durchbrechung 29.1 und die zwei zweiten Durchbrechungen 29.2 sind bevorzugt derart aufeinander abgestimmt, dass ein größerer Anteil der die Mischvorrichtung 3 im Betrieb insgesamt durchsetzenden Abgasströmung durch die zwei zweiten Durchbrechungen 29.2 hindurchtritt, wobei ein kleinerer Anteil der Abgasströmung durch die erste Durchbrechung 29.1 hindurchtritt.

Der ersten Durchbrechung 29.1 ist bevorzugt eine insbesondere als Lochblech ausgebildete Strömungshinderungsvorrichtung 37 zugeordnet ist, die angeordnet und eingerichtet ist, um eine Strömung durch die erste Durchbrechung 29.1 zu behindern. Insbesondere verringert die Strömungshinderungsvorrichtung 37 einen Strömungsquerschnitt der mindestens einen ersten Durchbrechung. Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Durchbrechung 29. 1 eine Mehrzahl von Teil-Durchbrechungen 38 aufweist.

Der ersten Durchbrechung 29.1 kann eine - hier nur schematisch angedeutete - vorzugsweise ansteuerbare Querschnittsveränderungsvorrichtung 39 zugeordnet sein. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, den Strömungsquerschnitt der ersten Durchbrechung 29.1 zu verändern.

Den zweiten Durchbrechungen 29.2 ist bevorzugt in dem ersten Teilraum 19 jeweils eine die jeweilige zweite Durchbrechung 29.2 umgreifende Ringwandung 41 zugeordnet, die einen Mischraum 43 umschließt. Die Ringwandung 41 weist bevorzugt eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordneten, insbesondere in den Figuren 5 und 6 dargestellten Durchtrittsöffnungen 45, auf, durch welche Abgas von außerhalb des Mischraums 43 in den Mischraum 43 eintreten kann, wobei das Abgas aus dem Mischraum 43 durch die jeweilige zweite Durchbrechung 29.2 in den zweiten Teilraum 21 weiterströmen kann. Den Durchtrittsöffnungen 45 ist bevorzugt jeweils ein drallerzeugendes Leitelement 47 zugeordnet. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind nur jeweils eine der Durchtrittsöffnungen 45 und jeweils ein Leitelement 47 mit den entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die den zweiten Durchbrechungen 29.2 jeweils zugeordneten Einbringvorrichtungen 15 münden bevorzugt jeweils in den Mischraum 43.

Den zweiten Durchbrechungen 29.2 ist in dem ersten Teilraum 19 bevorzugt jeweils ein die Ringwandung 41 außerhalb des Mischraums 43 in Umfangsrichtung bereichsweise umgreifendes, vorzugsweise als Leitblech ausgebildetes Strömungsführungselement 49 zugeordnet, dessen radialer Abstand zu einem gedachten Mittelpunkt P des Mischraums 43 sich entlang eines gedachten Strömungspfads einer im Betrieb der Mischvorrichtung 3 an dem Strömungsführungselement 49 anliegenden Abgasströmung verringert.

Das Strömungsführungselement 49 erstreckt sich bevorzugt entlang eines Spiralabschnitts, und/oder das Strömungsführungselement 49 ist schneckenförmig ausgebildet. Dabei liegt es insbesondere mit einem von dem gedachten Mittelpunkt P des Mischraums 43 weiter beabstandeten ersten Ende 51 an einer seitlichen Gehäusewand 53 des Gehäuses 9 an, wobei es mit einem anderen, weniger weit von dem gedachten Mittelpunkt P des Mischraums 43 beabstandeten, freien zweiten Ende 55 in den ersten Teilraum 19 hineinragt. Insbesondere sind die Strömungsführungselemente 49 drallerzeugend ausgebildet und angeordnet, insbesondere derart, dass ein Drallauge des durch das jeweilige Strömungsführungselement 49 erzeugten Dralls der Abgasströmung im gedachten Mittelpunkt P des Mischraums 43 liegt.