DE102007012790B4

DE102007012790B4 - Statischer Mischer für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007012790B4
Application number: DE102007012790A
Authority: DE
Inventors: Marko Buder
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2027-03-17
Also published as: DE102007012790A1

Abstract

Statischer Mischer für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, mit einer Anzahl von Trägerelementen und Strömungsleitelementen, wobei die Trägerelemente eine Mischerebene definieren und die an die Trägerelemente angeformten Strömungsleitelemente um einen vorgegebenen Winkel gegenüber der Mischerebene geneigt sind, um die Strömung des Abgases zu beeinflussen, wobei die Trägerelemente radial um eine Mischerachse (MA) herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (8) flügelartig an die Trägerelemente (7) angeformt sind und wenigstens eine schlitzartige Einkerbung (11) aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen statischen Mischer für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, mit einer Anzahl von Trägerelementen und Strömungsleitelementen, wobei die Trägerelemente eine Mischerebene definieren und die an die Trägerelemente angeformten Strömungsleitelemente um einen vorgegebenen Winkel gegenüber der Mischerebene geneigt sind, um die Strömung des Abgases zu beeinflussen, wobei die Trägerelemente radial um eine Mischerachse herum angeordnet sind.
Zur Verminderung der Stickoxidemissionen (NO_x) werden so genannte „SCR"-Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion eingesetzt. Dabei werden bei magerer Abgaszusammensetzung geeignete Reduktionsmittel, wie Ammoniak oder Ammoniakvorstufen zur Umwandlung der Stickoxide in das Abgas eingebracht. Durch die Umwandlung entstehen umweltfreundliche Endprodukte wie Stickstoff (N₂), Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O). Damit die Umwandlung besonders effektiv erfolgen kann, werden in die Abgasanlage statische Mischer eingesetzt, welche eine möglichst gute Verteilung des Reduktionsmittels in dem Abgas bewirken sollen.
Die Druckschrift DE 100 60 808 B4 beschreibt eine Abgasreinigungsanlage zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine, mit einem Katalysator und einem Mischer. Zum Mischen des Abgases mit einem Hilfsmittel weist dieser Mischer eine geeignete Blendenanordnung mit mindestens zwei rotationssymmetrisch angeordneten Leitschaufeln auf. Indem das Abgas durch den Mischer hindurchströmt, wird es von seiner ursprünglichen Strömungsrichtung abgelenkt. Zwischen dem Mischer und dem Katalysator wird dann das Hilfsmittel über ein in den Abgasstrom hineinragendes Dosierrohr zugegeben.
Ferner ist aus der Druckschrift DE 198 39 754 A1 eine Reinigungsvorrichtung bekannt, welche stromauf eines Katalysators in einem Abgas führenden Zuführungsrohr ein Leitelement zur Strömungsbeeinflussung aufweist. Gemäß einer der dort gezeigten Ausführungsformen ist das Leitelement als ein feststehendes Leitrad ausgebildet, welches die Strömung der Abgase im zentralen Bereich nicht oder nur wenig beeinflusst, während im radialen Bereich ein Drall vermittelt wird.
Aus der gattungsbildenden US 4,848,920 ist ein statischer Mischer bekannt, der einen im Wesentlichen homogenen Medienstrom erzeugen soll. Dieser Mischer weist eine Reihe von um eine zentrale Narbe herum winklig voneinander beabstandeten Trägerelementen auf, wobei die Trägerelemente hier als ebene Rippen bezeichnet werden. An diesen Rippen können zusätzliche Flügelelemente angeformt sein. Die Rippen sind so angeordnet, dass diese im Wesentlichen tortenstückartige Segmente ausbilden, durch die der Medienstrom fließt, wobei Mittel vorgesehen sind, die jedes Segment in zwei im Wesentlichen gleiche Strömungsbereiche oder Untersegmente unterteilen. Jedes dieser Unterteilungsmittel ist durch ein streifenartiges Flügelelement ausgebildet, das wiederum einen ersten Eckbereich aufweist, der im Wesentlichen radial erstreckt, während sich ein zweiter Eckbereich sich im Wesentlichen umfangsseitig erstreckt. Zudem sind die zweiten Eckbereiche mit den Außenseiten mit zwei der Rippen verbunden. Ein derartiger Mischer soll insbesondere Mischeroberflächen zur Verfügung stellen, die nicht senkrecht zum Medienstrom ausgerichtet sind.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten statischen Mischer für eine Abgasanlage zu schaffen, der sich gegenüber dem Stand der Technik durch die Ausbildung eines gewünschten Strömungsprofils auszeichnet, welches eine besonders effektive Durchmischung des Abgases und gegebenenfalls eines zusätzlichen Hilfsmittels erlaubt. Zudem soll dieser statische Mischer auch kostengünstig herstellbar sein.
Gelöst wird die Aufgabe, indem bei dem eingangs genannten statischen Mischer die Strömungsleitelemente flügelartig an die Trägerelemente angeformt sind und wenigstens eine schlitzartige Einkerbung aufweisen. Durch die radiale Anordnung von Trägerelementen und geneigten Strömungsleitelementen wird der ankommenden Strömung des Abgases eine drallförmige Komponente überlagert und durch die schlitzartigen Einkerbungen in den Strömungsleitelementen werden der ankommenden Abgasströmung zusätzlich noch wirbelförmige Komponenten überlagert. Darüber hinaus wird durch die Einkerbungen auch der Abgasgegendruck vor dem Mischer herabgesetzt. Diese komplexe Beeinflussung bewirkt einen besonders turbulenten Strudel im Abgas, so dass eventuell beigegebene Hilfsmittel, wie zum Beispiel Ammoniak homogen mit dem Abgas vermischt werden.
Stromab des erfindungsgemäßen Mischers lässt sich im weiteren Verlauf der Abgasanlage somit eine optimale Konvertierung der im Abgas enthaltenen Emissionen realisieren.
Vorteilhaft sind die Trägerelemente rotationssymmetrisch zueinander angeordnet. Dadurch ist ein gleichmäßiger Aufbau des statischen Mischers geschaffen, so dass beim Einbau des Mischers in die Abgasanlage der Brennkraftmaschine keine bestimmte Orientierung zu berücksichtigen ist.
Besonders vorteilhaft sind die Trägerelemente nahe der Mischerachse an einem Innenring befestigt und fern der Mischerachse an einem Außenring befestigt. Diese Merkmale sind aus fertigungstechnischer Hinsicht besonders einfach und kostengünstig zu realisieren. Zudem stellt diese Konstruktion speziell im Hinblick auf eventuelle Druckpulsationen innerhalb der Abgasanlage eine besonders stabile Konstruktion dar.
Zweckmäßig sind die flügelartigen Strömungsleitelemente an wenigstens einer der beiden Stirnseiten der Trägerelemente angeformt. Somit können die geneigten Strömungsleitelemente sowohl in die Richtung der Abgasströmung als auch in die Richtung entgegen der Abgasströmung weisen. Aufgrund der Dynamik des durch die Abgasanlage strömenden Abgases ist dabei jedoch jene Variante zu bevorzugen, bei welcher die Strömungsleitelemente in die Richtung der Abgasströmung weisen.
Besonders zweckmäßig sind die an einander gegenüberliegenden Stirnseiten eines Trägerelements angeformten flügelartigen Strömungsleitelemente in zueinander entgegengesetzte Richtungen geneigt.
Ist die wenigstens eine schlitzartige Einkerbung der flügelartigen Strömungsleitelemente im Wesentlichen konzentrisch zur Mischerachse ausgebildet und bis an die angrenzende Stirnseite der Trägerelemente reichend, so ist jedes Strömungsleitelement in wenigstens zwei Teilsegmente aufgespal ten. Durch die Anzahl und Ausmaße der schlitzartigen Einkerbungen wird dabei nicht nur die wirbelförmige Komponente, sondern auch der Abgasgegendruck stromauf des statischen Mischers erheblich beeinflusst, da hierdurch kein vollflächiger Rotationsmischer dargestellt ist.
Bevorzugt sind die wenigstens zwei Teilsegmente der durch die Einkerbung aufgespalteten Strömungsleitelemente gegenüber der Mischerebene um unterschiedliche Winkel geneigt. Dies erlaubt eine unterschiedliche Ausbildung der inneren und äußeren Drallkomponente, so dass dem Strömungsprofil des Abgases auch entsprechend unterschiedliche Geschwindigkeiten aufgeprägt werden.
Besonders bevorzugt sind die inneren Teilsegmente der Strömungsleitelemente um einen ersten Winkel zur Mischerebene geneigt und sind die äußeren Teilsegmente um einen zweiten Winkel zur Mischerebene geneigt, wobei der erste Winkel kleiner ist als der zweite Winkel. Diese Ausbildung vermeidet, dass der Abgasströmung zugegebene Hilfsmittel aufgrund eines zu starken Dralls im äußeren Bereich an der Wandung der Abgasanlage abgeschieden werden.
Der in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine angeordnete statische Mischer sollte so angeordnet sein, dass er stromab einer Einspritzanlage für ein Hilfsmittel und stromauf einer Katalysatoranlage positioniert ist. Dadurch kann die Durchmischung des Hilfsmittels und des Abgases optimal erfolgen, obgleich eine Durchmischung grundsätzlich auch dann möglich ist, wenn der statische Mischer sowohl stromauf der Einspritzanlage für das Hilfsmittel als auch stromauf der Katalysatoranlage positioniert ist.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vereinfacht dargestellte Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem statischen Mischer;
2a und 2b eine erste Ausführungsform des statischen Mischers aus 1 in einer Seitenansicht entlang der Linie A-A' und in einer perspektivischen Ansicht entlang der Linie B-B';
3a und 3b eine zweite Ausführungsform des Mischers in Seitenansicht und perspektivischer Ansicht wie bei 2a und 2b; und
4a und 4b eine weitere Ausführungsform des Mischers in zwei Ansichten.
Die vereinfachte Darstellung der Abgasanlage aus 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einer nachgeschalteten Abgasanlage 2 zur Abgasnachbehandlung.
Die in 1 gezeigte Brennkraftmaschine 1 ist ein Dieselmotor, der im Bereich des Vorrohres 3 seiner Abgasanlage 2 eine Einspritzanlage 4 für ein Hilfsmittel, wie zum Beispiel Ammoniak aufweist. Stromab der Einspritzanlage 4 ist in der Abgasanlage 2 ein statischer Mischer 5 angeordnet, der zur Vermischung des Hilfsmittels mit dem Abgas der Brennkraftmaschine 1 dient. Noch weiter stromab befindet sich schließlich eine Katalysatoranlage 6, die unter Verwendung des eingespitzten Hilfsmittels zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) der im Abgas enthaltenen Stickoxide (NO_x) geeignet ist.
2a zeigt eine Ansicht der ersten Ausführungsform des statischen Mischers 5 entlang der Linie A-A'. Der Mischer 5 weist eine Anzahl von Trägerelementen 7 und Strömungsleitelementen 8 auf. Dabei sind die Trägerelemente 7 im Wesentlichen in einer Mischerebene ME angeordnet und bezüglich der Mischerachse MA radial ausgerichtet. Jedes der rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Trägerelemente 7 ist mit seinem einen Ende an einem zur Mischerachse MA konzentrischen Innenring 9 befestigt und mit seinem anderen Ende an einem randseitigen Außenring 10 befestigt. Der in seinem Zentrum offene Innenring 9 kann von dem Abgas ungehindert passiert werden. Der Außenring 10 ist vorzugsweise durch eine Verschweißung fest mit dem Vorrohr 3 der Abgasanlage 2 verbunden. An die in Strömungsrichtung des Abgases weisende Stirnseite der Trägerelemente 7 ist jeweils ein flügelartiges Strömungsleitelement 8 angeformt. Die Strömungsleitelemente 8 sind in der Projektion auf die Mischerebene ME zu dem Innenring 9 sowie zu dem Außenring 10 beabstandet angeordnet. Zudem sind die Strömungsleitelemente 8 in Richtung der Abgasströmung gegenüber der Mischerebene ME um einen bestimmten Winkel im Uhrzeigersinn geneigt, so dass das an den Strömungsleitelementen 8 entlang strömendes Abgas eine rechtsdrehende Drallkomponente erhält. Besonders anschaulich wird dies durch die perspektivische Darstellung entlang der Linie B-B' aus 1, welche in 2b gezeigt ist. Schließlich weisen die Strömungsleitelemente 8 jeweils eine mittige Einkerbung 11 auf, welche einen Abbruch der Strömung verursacht und somit eine Wirbelkomponente beisteuert. Die Einkerbung 11 erstreckt sich vom freien Ende der Strömungsleitelemente 8 bis hinab zur Stirnseite der Trägerelemente 7 und ist bezogen auf die Mischerachse MA im Wesentlichen konzentrisch ausgerichtet. Durch die Einkerbung 11 sind die Strömungsleitelemente 8 somit jeweils in ein inneres Teilsegment 12 und in ein äußeres Teilsegment 13 aufgespalten. Wie aus 2b entnehmbar ist, sind die inneren Teilsegmente 12 und die äußeren Teilsegmente 13 der Strömungsleitelemente 8 gegenüber der Mischerebene ME jeweils um den gleichen Winkel α = β geneigt.
Die in 3a und 3b gezeigte zweite Ausführungsform des statischen Mischers 5 unterscheidet sich gegenüber der ersten Ausführungsform darin, dass die inneren Teilsegmente 12 und die äußeren Teilsegmente 13 der flügelartigen Strömungsleitelemente 8 gegenüber der Mischerebene ME um unterschiedliche Winkel α, β geneigt sind. Denn die inneren Teilsegmente 12 sind dort in einem Winkel α zur Mischerebene ME angeordnet, der kleiner ist als der Winkel β der äußeren Teilsegmente 13. Damit ergibt sich durch den inneren Bereich des statischen Mischers 5 eine stärkere Beeinflussung der Abgasströmung als durch den äußeren Bereich.
Und bei der weiteren Ausführungsform aus 4a und 4b sind im Unterschied zu den ersten beiden Ausführungsformen aus 2a, 2b, 3a und 3b nur noch halb so viele Trägerelemente 7 vorgesehen und sind nicht nur an der in Strömungsrichtung des Abgases weisenden Stirnseite der Trägerelemente 7, sondern auch an der entgegen der Strömungsrichtung weisenden Stirnseite der Trägerelemente 7 Strömungsleitelemente 8 angeformt. Dabei sind die Strömungsleitelemente 8 bzw. die Teilsegmente 12, 13 der einander gegenüberliegenden Stirnseiten um gleiche Winkel α = β geneigt, weisen aber jeweils in zueinander entgegengesetzte Richtungen. Mittels dieser weiteren Ausführungsform des statischen Mischers 5 kann die Strömung des Abgases über einen längeren Weg bzw. stärker beeinflusst werden.
Bezüglich der Strömung des Abgases bewirkt die erfindungsgemäße Einkerbung 11 bei allen dargestellten Ausführungsformen, dass der dort rechtsdrehenden Drallkomponente noch zusätzliche Wirbelkomponenten überlagert werden und dass der Abgasgegendruck stromauf des statischen Mischers 5 reduziert wird, wodurch die Effizienz des Mischers 5 deutlich verbessert wird.

1: Brennkraftmaschine
2: Abgasanlage
3: Vorrohr
4: Einspritzanlage
5: Statischer Mischer
6: Katalysatoranlage
7: Trägerelemente
8: Strömungsleitelemente
9: Innenring
10: Außenring
11: Einkerbung
12: Inneres Teilsegment von 8
13: Äußeres Teilsegment von 8
ME: Mischerebene
MA: Mischerachse
α: Winkel von 12 zu ME
β: Winkel von 13 zu ME

Claims

Statischer Mischer für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, mit einer Anzahl von Trägerelementen und Strömungsleitelementen, wobei die Trägerelemente eine Mischerebene definieren und die an die Trägerelemente angeformten Strömungsleitelemente um einen vorgegebenen Winkel gegenüber der Mischerebene geneigt sind, um die Strömung des Abgases zu beeinflussen, wobei die Trägerelemente radial um eine Mischerachse (MA) herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (8) flügelartig an die Trägerelemente (7) angeformt sind und wenigstens eine schlitzartige Einkerbung (11) aufweisen.
Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (7) rotationssymmetrisch zueinander angeordnet sind.
Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (7) nahe der Mischerachse (MA) an einem Innenring (9) befestigt sind und fern der Mischerachse (MA) an einem Außenring (10) befestigt sind.
Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die flügelartigen Strömungsleitelemente (8) an wenigstens eine der beiden Stirnseiten der Trägerelemente (7) angeformt sind.
Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die an einander gegenüberliegenden Stirnseiten eines Trägerelementes (7) angeformten flügelartigen Strömungsleitelemente (8) in zueinander entgegengesetzten Richtungen geneigt sind.
Mischer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine schlitzartige Einkerbung (11) der flügelartigen Strömungsleitelemente (8) im wesentlichen konzentrisch zur Mischerachse (MA) ausgebildet ist und bis an die angrenzende Stirnseite der Trägerelemente (7) reicht, so dass jedes Strömungsleitelement (8) in wenigstens zwei Teilsegmente (12, 13) aufgespalten ist.
Mischer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Teilsegmente (12, 13) der durch die Einkerbung (11) aufgespalteten Strömungsleitelemente (8) gegenüber der Mischerebene (ME) um unterschiedliche Winkel (α, β) geneigt sind.
Mischer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Teilsegmente (12) der Strömungsleitelemente (8) um einen ersten Winkel (α) zur Mischerebene (ME) geneigt sind, und die äußeren Teilsegmente (13) der Strömungsleitelemente (8) um einen zweiten Winkel (β) zur Mischerebene (ME) geneigt sind, wobei der erste Winkel (α) kleiner ist als der zweite Winkel (β).
Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er in der Abgasanlage (2) einer Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, wobei er stromab einer Einspritzanlage (4) für ein Hilfsmittel und stromauf einer Katalysatoranlage (6) positioniert ist.