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Title:
MIXING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/177361
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a mixing device (3) comprising a housing (4) having a first axial end section (5) and a second axial end section (6) which is opposite the first axial end section (5). The first axial end section (5) has an eccentric opening (7), through which an end (8) of an inlet pipe (9) projects into the mixing device (3), wherein an exhaust gas mass stream can flow into the mixing device (3) through the eccentric opening (7). The second axial and section (6) has an opening (10) from which the exhaust gas mass stream can flow out of the mixing device (3). According to the invention, an end (11) of an outlet pipe (12) projects into the mixing device (3) through the opening (10) of the second axial end section (6), wherein the end (8) of the inlet pipe (9) and the end (11) of the outlet pipe (12) overlap longitudinally in one area (14). The exhaust gas mass stream can flow into the mixing device (3) and out of the mixing device (3) in a main flow direction (P1).

Inventors:
KRZYWIK, Miroslaw (II. Koppelweg 71, Gifhorn, 38518, DE)
MAIZAK, David (I. Koppelweg 6, Gifhorn, 38518, DE)
HOLLEN, Jan von (Calenberger Straße 25, Hannover, 30169, DE)
GRÜNIG, Carolus (Balthasar-Rößler-Straße 55, Freiberg, 09599, DE)
RADHAKRISHNAN, Ajay Sunder (Limbergstraße 25, Gifhorn, 38518, DE)
Application Number:
DE2016/100194
Publication Date:
November 10, 2016
Filing Date:
April 26, 2016
Export Citation:
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Assignee:
IAV GMBH INGENIEURGESELLSCHAFT AUTO UND VERKEHR (Carnotstraße 1, Berlin, 10587, DE)
International Classes:
B01F3/04; B01F5/04; B01F5/06; F01N3/28
Foreign References:
EP2687697A22014-01-22
EP1262644A22002-12-04
EP1716918A12006-11-02
DE202014102872U12014-07-09
DE102013205297A12014-07-03
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Claims:
Ansprüche

1. Mischeinrichtung (3) umfassend ein Gehäuse (4) mit einem ersten axialen Endabschnitt (5) sowie einem zweiten axialen Endabschnitt (6), der dem ersten axialen Endabschnitt (5) gegenüberliegt, wobei der erste axiale Endabschnitt (5) eine exzentrische Öffnung (7) aufweist, durch die ein Ende (8) eines Einlassrohres (9) in die Mischeinrichtung (3) hineinragt, wobei durch die exzentrische Öffnung (7) ein Abgasmassenstrom in die Mischeinrichtung (3) hineinströmen kann, wobei der zweite axiale Endabschnitt (6) eine Öffnung (10) aufweist, aus der der Abgasmassenstrom aus der Mischeinrichtung (3) herausströmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Öffnung (10) des zweiten axialen Endabschnitts (6) ein Ende (1 1) eines Auslassrohres (12) in die

Mischeinrichtung (3) hineinragt, wobei sich das Ende (8) des Einlassrohres (9) und das Ende (1 1) des Auslassrohres (12) longitudinal in einem Bereich (14) überlappen, und wobei der Abgasmassenstrom in einer Hauptströmungsrichtung (P1) sowohl in die Mischeinrichtung (3) hineinströmen als auch aus der Mischeinrichtung (3) herausströmen kann.

2. Mischeinrichtung (3) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die

Mischeinrichtung (3) einen Injektor (17) aufweist.

3. Mischeinrichtung (3) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (4) stromabwärts des Einlassrohres (9) ein Strömungsaufteilungselement (18) angeordnet ist.

4. Mischeinrichtung (3) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Innenumfang des Gehäuses (4) mindestens ein

Leitelement (19a) angeordnet ist.

5. Mischeinrichtung (3) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Außenumfang des Auslassrohres (12) mindestens ein Leitelement (19b) angeordnet ist.

6. Mischeinrichtung (3) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in das Gehäuse (4) hineinragende Auslassrohr (12) in der Hauptströmungsrichtung (P1) eine Aufweitung von einem ersten Querschnitt (Q1) hin zu einem zweiten Querschnitt (Q2) aufweist.

7. Mischeinrichtung (3) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassrohr (9) um einen Abstand (15) von der Innenwand des Gehäuses (4) entfernt ist.

8. Mischeinrichtung (3) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassrohr (9) in dem Bereich (14) um einen Abstand (16) von dem Ende (11) des Auslassrohres (12) entfernt ist.

9. Mischeinrichtung (3) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste axiale Endabschnitt (5) mindestens eine kleine Öffnung (20) aufweist.

10. Mischeinrichtung (3) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassrohr (12) mindestens eine kleine Öffnung (22) aufweist.

Description:
Mischeinrichtung Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Mischeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Abgasanlagen angeordnete Mischeinrichtungen dienen zur Vermischung von flüssigem Reduktionsmittel, beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung, im Abgasmassenstrom von Verbrennungskraftmaschinen mit SCR-Abgasnachbehandlungssystemen (SCR engl.

Abkürzung für selective catalytic reduction). Diese haben die Aufgabe, das über einen Injektor zugeführte flüssige Reduktionsmittel möglichst homogen in dem Abgasmassenstrom zu verteilen.

Durch die Erzeugung eines charakteristischen Strömungsfeldes werden der Transport und das Verhalten des flüssigen und gasförmigen Reduktionsmittels in der Strömung beeinflusst.

Stand der Technik

Aus der DE 10 2013 205 297 A1 ist ein Abgasbehandlungssystem mit einem kompakten Mischraum, der derart konfiguriert ist, ein Abgas/Fluid-Gemisch aufzunehmen, bekannt. Das Abgasbehandlungssystem umfasst einen Kanister mit einem stromaufwärtigen Einlass, eine Trennwand, die in dem Kanister unter einer Distanz stromabwärts des stromaufwärtigen Einlasses angeordnet ist, um dadurch eine Abgaskonsolidierungskammer zu definieren, eine Abgasöffnung, die in der Trennwand angeordnet ist und durch die Abgas, das durch die Abgaskonsolidierungskammer gelangt, in eine Mischleitung für hohen Druck und hohe Geschwindigkeit eintritt. Die Mischleitung umfasst eine im Wesentlichen u-förmige Leitung, die derart konfiguriert ist, das Fluid/Abgas-Gemisch von einer stromabwärtigen zu einer stromaufwärtigen Richtung in dem kompakten Mischraum für eine Durchmischung zu lenken, und einen Austritt der Mischleitung für hohen Druck und hohe Geschwindigkeit, der benachbart einer stromabwärtigen Seite der Trennwand angeordnet ist, und ein

Austrittsvolumen für geringen Druck und geringe Geschwindigkeit, dadurch den starren Kanister stromabwärts der Trennwand definiert und derart konfiguriert ist, das Fluid/Abgas- Gemisch von dem Austritt der Mischleitung für hohen Druck und hohe Geschwindigkeit zur weiteren Mischung des Fluid/Abgas-Gemisches aufzunehmen, wobei die tatsächliche Abgasströmungsdistanz über eine Sichtlinienströmungsdistanz verwirklicht wird.

Mischeinrichtungen, die zur Verdunstung und Vermischung von flüssigem Reduktionsmittel eingesetzt werden, verursachen teilweise einen hohen Abgasgegendruck bei einer schlechten Mischqualität, die vom Betriebspunkt abhängig ist. Der Zielkonflikt zwischen hoher Mischqualität und geringem Abgasgegendruck ist oftmals nicht im gesamten

Motorkennfeld gelöst.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischeinrichtung bereitzustellen, welche eine hohe Mischqualität bei gleichzeitig geringem Abgasgegendruck sowie eine kompakte Bauform gewährleistet.

Lösung der Aufgabe

Die Erfindung wird durch eine Mischeinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteile der Erfindung

Mittels der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung wird die Hauptströmungsrichtung des Abgasmassenstroms beim Hinein- und Herausströmen beibehalten.

Weiterhin wird in der Mischeinrichtung die Strömungsrichtung derart umgelenkt, dass der Abgasmassenstrom zeitweilig entgegensetzt zu der Hauptströmungsrichtung strömt.

Die Änderung der Hauptströmungsrichtung in der Mischeinrichtung wird durch eine longitudinale Überlappung des Einlass- und des Auslassrohres, d. h. in ihrer jeweiligen Längserstreckung überlappen ein Ende des Einlassrohres und ein Ende des Auslassrohres in einem Bereich, erzielt. Der Bereich der Überlappung weist einen Wert größer„0" auf. Hierdurch wird bezogen auf die Distanz der Hauptströmungsrichtung die Mischstrecke verlängert, eine gute Verteilung des Reduktionsmittels bei einem geringen Abgasgegendruck erzielt, sowie das zeitlich schnelle Anspringverhalten (engl, light-off) der stromabwärts angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung verbessert. Zusätzlich weist die

Mischeinrichtung einen kompakten Aufbau auf. In der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung kann ein zusätzliches Mischelement entfallen, so dass der Abgasgegendruck reduziert wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Mischeinrichtung einen Injektor auf. Der Injektor ist derart angeordnet, dass das zugeführte Reduktionsmittel dem aus dem Ende des Einlassrohres in die Mischeinrichtung hineinströmenden Abgasmassenstrom zugeführt wird. Mit dem Begriff„Reduktionsmittel" wird im engeren Sinne erst die bereits aufbereitete Harnstoff-Wasser-Lösung, d. h. Ammoniak, bezeichnet. Mittels des Injektors wird somit eine Harnstoff-Wasser-Lösung eingedüst.

Weiterhin gibt es Anwendungen, bei denen Ammoniak direkt gasförmig dem

Abgasmassenstrom zugeführt wird. Diese Variante wird im Sinne der Erfindung dem Begriff „Reduktionsmittel" subsumiert. Weiterhin kann das Reduktionsmittel in einem definierten Winkel in die Mischeinrichtung einströmen. Der Winkel kann abhängig von den geometrischen Ausbildungen der

Mischeinrichtung, insbesondere des Auslassrohres, gewählt werden, um die gute

Vermischung zu erzielen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem Gehäuse der Mischeinrichtung stromabwärts von dem Einlassrohr ein Strömungsaufteilungselement angeordnet. Das Strömungsaufteilungselement kann derart angeordnet sein, dass der Abgasmassenstrom und das Reduktionsmittel gleichmäßig in zwei gleichgroße Massenströme aufgeteilt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an dem Innenumfang des Gehäuses mindestens ein Leitelement angeordnet. Mittels des Leitelements können die Strömung und die Vermischung beeinflusst werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an dem Außenumfang des Auslassrohres mindestens ein Leitelement angeordnet. Mittels des Leitelements können die Strömung und die Vermischung beeinflusst werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das in das Gehäuse hineinragende Auslassrohr in der Hauptströmungsrichtung des Abgasmassenstromes eine Aufweitung von einem ersten Querschnitt hin zu einem zweiten Querschnitt auf. Die Aufweitung kann beispielsweise linear, progressiv, degressiv, stetig oder unstetig sein. Mittels der Aufweitung wird einerseits die Strömungsgeschwindigkeit des durch das Auslassrohr herausströmenden Abgasmassenstromes und der Abgasgegendruck reduziert, und andererseits das auf die Außenseite der Aufweitung treffende Reduktionsmittel in kleinere Bestandteile aufgeteilt und in unterschiedliche Richtungen verteilt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Einlassrohr um einen Abstand von dem Innenumfang des Gehäuses entfernt.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass der Abstand den Wert„0" aufweist, so dass das Einlassrohr an das Gehäuse angrenzt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Einlassrohr in dem Bereich der Überlappung um einen Abstand von dem Ende des Auslassrohres entfernt.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass in dem Bereich der Überlappung der Abstand den Wert„0" aufweist, so dass das Einlassrohr an das Auslassrohr angrenzt bzw. anliegt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der erste axiale Endabschnitt mindestens eine kleine Öffnung auf. Die kleine Öffnung ist derart in dem ersten axialen Endabschnitt angeordnet, dass eine Blickdichtigkeit vorliegt. Mittels der kleinen Öffnung kann die Durchmischung verbessert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Auslassrohr mindestens eine kleine Öffnung auf. Mittels der kleinen Öffnung kann die Durchmischung verbessert werden.

Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer

erfindungsgemäßen Mischeinrichtung im Schnitt;

Fig. 2: eine perspektivische Ansicht auf eine zweite Ausführungsform teilweise im Schnitt; Fig. 3: eine perspektivische Ansicht auf eine dritte Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt ein Teil eines Abgasstrangs 1 eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors. Ein Abgasmassenstrom kann in einer Hauptströmungsrichtung (Pfeil P1) aus einer ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung 2, beispielsweise ein Dieseloxidationskatalysator, herausströmen.

Stromabwärts von der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung 2 ist eine Mischeinrichtung 3 in dem Abgasstrang 1 angeordnet.

Die Mischeinrichtung 3 weist ein zylindrisches Gehäuse 4 mit einem ersten axialen

Endabschnitt 5 und einem dem ersten axialen Endabschnitt 5 gegenüberliegenden zweiten axialen Endabschnitt 6 auf.

Der erste axiale Endabschnitt 5 ist gegenüber der Achse des Gehäuses 4 geneigt. Der Neigungswinkel kann vorteilhafterweise im Bereich zwischen 45° und 90° liegen. Dies bietet den Vorteil einer Druckverlustreduzierung durch die Strömungsführung im Einlassbereich.

Mittels einer exzentrischen Öffnung 7 in dem ersten axialen Endabschnitt 5 ragt ein Ende 8 eines zylindrischen Einlassrohres 9 in die Mischeinrichtung 3 hinein. Die Exzentrizität bezieht sich auf die Achse des Gehäuses 4.

Der Abgasmassenstrom kann in der Hauptströmungsrichtung (Pfeil P1) durch das

Einlassrohr 9 in das Gehäuse 4 der Mischeinrichtung 3 hineinströmen.

Mittels einer Öffnung 10 in dem zweiten axialen Endabschnitt 6 ragt ein Ende 11 eines teilweise trichterförmigen Auslassrohres 12 in die Mischeinrichtung 3 hinein. Der Abgasmassenstrom kann in der Hauptströmungsrichtung (Pfeil P1) aus dem Auslassrohr 12 aus der Mischeinrichtung 3 herausströmen.

Stromabwärts von der Mischeinrichtung 3 ist in dem Abgasstrang 1 eine zweite

Abgasnachbehandlungseinrichtung 13, beispielsweise eine SCR- oder SDPF-Einheit, angeordnet.

In einem Bereich 14 überlappen longitudinal das Ende 8 des Einlassrohres 9 und das Ende 1 1 des Auslassrohres 12.

Um in der Hauptströmungsrichtung (Pfeil P1) sowohl in die Mischeinrichtung 3

hineinzuströmen als auch aus der Mischeinrichtung 3 herauszuströmen, erfolgt in der Mischeinrichtung 3 eine Umlenkung des Abgasmassenstromes um insgesamt 360°.

Hierdurch wird eine lange Mischstrecke in einer kompakten Anordnung erzielt.

Das Einlassrohr 9 ist von der Innenwand des Gehäuses 4 um einen radialen Abstand 15 und von dem Ende 11 des Auslassrohres 12 um einen radialen Abstand 16 entfernt.

Stromabwärts des Einlassrohres 9 ist an dem Gehäuse 4 ein Injektor 17 angeordnet, mittels welchem Reduktionsmittel (beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung) des aus dem Ende 8 des Einlassrohres 9 herausströmenden Abgasmassenstromes zugeführt werden kann. Der Injektor 17 ist um einen Winkel α gegenüber dem Gehäuse 4 geneigt.

Der Injektor 17 kann derart angeordnet sein, dass das herausströmende Reduktionsmittel auf die Außenfläche des in das Gehäuse 4 hineinragenden Auslassrohres 12 auftrifft und sehr gut verteilt wird.

Mittels der Überlappung und der geometrischen Anordnung des Injektors 17 wird eine Blickdichtigkeit oder„Überdeckung erzielt, so dass das Reduktionsmittel nicht ungehindert durch das Ende 11 des Auslassrohres 12 aus der Mischeinrichtung 3 herausströmen kann.

Ein Strömungsaufteilungselement 18 ist derart in dem Gehäuse 4 der Mischeinrichtung 3 angeordnet, dass sowohl der aus dem Einlassrohr 9 herausströmende Abgasmassenstrom als auch das Reduktionsmittel in zwei Teilströme in Richtung der Pfeile P2 und P3 (in Fig. 3 dargestellt) aufgeteilt wird.

In dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ragt das

Strömungsaufteilungselement 18 teilweise in das Ende 8 des Einlassrohres 9 hinein.

Hierdurch kann die definierte Strömungsaufteilung verbessert werden. An dem zweiten axialen Endabschnitt 6 wird der mit Reduktionsmittel versetzte Abgasmassenstrom derart umgelenkt, dass er entgegen der Hauptströmungsrichtung (Pfeil P4) strömt.

Eine weitere Umlenkung in Richtung der Hauptströmungsrichtung (Pfeil P4) erfolgt an dem ersten axialen Endabschnitt 5.

Das in das Gehäuse 4 der Mischeinrichtung 3 hineinragende Auslassrohr 12 weist unterschiedliche Querschnitte auf. An dem Ende 11 weist das Auslassrohr 12 einen

Querschnitt Q1 auf. An der Öffnung 10 weist das Auslassrohr 12 einen Querschnitt Q2 auf, der größer im Vergleich zu Querschnitt Q1 ist. Mittels der Aufweitung (von dem Querschnitt Q1 zu dem Querschnitt Q2) wird die Strömungsverteilung des aus der Mischeinrichtung 3 herausströmenden und auf die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung 13 treffenden Abgasmassenstromes unterstützt. Weiterhin dient die Außenseite der Aufweitung als Prallfläche für das Reduktionsmittel.

Sowohl an der Innenseite des Gehäuses 4 als auch an der Außenseite des Auslassrohres 12 sind Leitelemente 19a und 19b angeordnet, wobei zur Übersichtlichkeit nur zwei

Leitelemente 19a und 19b dargestellt sind. Hierdurch sind eine definierte Strömungslenkung sowie eine Verbesserung der Vermischung möglich.

Der erste axiale Endabschnitt 5 weist im Vergleich zu der Öffnung 7 kleine Öffnungen 20 auf, durch die der Abgasmassenstrom in die Mischeinrichtung 3 hineinströmen kann.

Die kleinen Öffnungen sind in einem Bereich 21 unterhalb des Endes 11 des Auslassrohres 12 angeordnet, so dass eine Blickdichtigkeit gegenüber dem Eintritt des Auslassrohres 12 gegeben ist.

Mittels der kleinen Öffnungen 20 kann in diesem Bereich 21 auf der Innenseite des

Gehäuses 4 die Gefahr von der Bildung von Ablagerungen verringert werden.

Das Auslassrohr 12 weist im Bereich 21 am Auslassrohr 12 kleine Öffnungen 22 auf, durch die der Abgasmassenstrom aus der Mischeinrichtung 3 herausströmen kann. Hierdurch kann die Durchmischung verbessert werden.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Mischeinrichtung 3 dargestellt. Diese

Mischeinrichtung 3 weist im Vergleich zu der in Fig. 1 dargestellten Mischeinrichtung 3 keine Leitelemente 19a, b sowie keine kleinen Öffnungen 20, 22 auf. In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform der Mischeinrichtung 3 dargestellt. Im Vergleich zu den in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Mischeinrichtungen 3 liegt das Einlassrohr 9 sowohl an dem Gehäuse 4 (d. h. Abstand 15 weist den Wert„0" auf) als auch an dem Auslassrohr 12 (d. h. der Abstand 16 weist den Wert„0" auf) an.

Die Mischeinrichtung 3 kann beispielsweise mittels Tiefziehen hergestellt werden.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Achsen des Einlassrohres 9 und des Auslassrohres 12 parallel zur Achse des Gehäuses 4.

Es besteht im Sinne der Erfindung auch die Möglichkeit, die Achse des Einlassrohres 9 und/oder die Achse des Auslassrohres 12 gegenüber der Achse des Gehäuses 4 zu neigen.

Weiterhin können das Einlassrohr 9, das Gehäuse 4 und das Auslassrohr 12

unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen.

Bezugszeichenliste

1 Abgasstrang

2 erste Abgasbehandlungseinrichtung

3 Mischeinrichtung

4 Gehäuse

5 erster axialer Endabschnitt

6 zweiter axialer Endabschnitt

7 Öffnung

8 Ende

9 Einlassrohr

10 Öffnung

1 1 Ende

12 Auslassrohr

13 zweite Abgasbehandlungseinrichtung

14 Bereich

15 Abstand

16 Abstand

17 Injektor

18 Strömungsaufteilungselement

19a Leitelement

19b Leitelement

20 kleine Öffnung

21 Bereich

22 kleine Öffnung

P1 Pfeil

P2 Pfeil

P3 Pfeil

P4 Pfeil

Q1 Querschnitt

Q2 Querschnitt

α Winkel