DE102013211662A1

DE102013211662A1 - Mischereinrichtung

Info

Publication number: DE102013211662A1
Application number: DE102013211662.4A
Authority: DE
Inventors: Auf Teilnichtnennung Antrag; Michael Müller
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2014-12-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischereinrichtung zum Durchmischen eines Gasstroms, insbesondere zum Verteilen und Verdampfen einer in einen Gasstrom, insbesondere in einen Abgasstrom eingebrachten Flüssigkeit. Die Mischereinrichtung umfasst eine von dem Gasstrom durchströmbare Mischerkammer mit einem ersten axialen Endabschnitt und einen dem ersten axialen Endabschnitt gegenüber liegenden zweiten axialen Endabschnitt. In dem ersten axialen Endabschnitt ist ein sich parallel, insbesondere koaxial zu einer Längsachse der Mischerkammer erstreckendes Tauchrohr angeordnet. Die Mischerkammer weist ferner in dem ersten axialen Endabschnitt eine Gaseinlassöffnung auf, durch die der Gasstrom in einer Richtung quer, insbesondere senkrecht und seitlich versetzt zu der Längsachse der Mischerkammer in die Mischerkammer, insbesondere in einen Spalt zwischen dem Tauchrohr und einer Innenwand der Mischerkammer, einbringbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischereinrichtung zum Durchmischen eines Gasstroms, insbesondere zum Verteilen und Verdampfen einer in einen Gasstrom, insbesondere in einen Abgasstrom eingebrachten Flüssigkeit.
Das Problem, eine Flüssigkeit in geeigneter Form zuverlässig in einem Gasstrom zu verdampfen und zu verteilen, um beispielsweise eine chemische Reaktion von Komponenten das Gasstroms mit Komponenten der verdampften Flüssigkeit zu ermöglichen, stellt sich in vielen Anwendungsbereichen. In der Abgastechnik stellt sich dieses Problem beispielsweise in Zusammenhang mit dem SCR-Verfahren, bei dem eine wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrangs eines Kraftfahrzeugs eingebracht wird, zum Beispiel mittels einer Dosierpumpe oder eines Injektors. Durch Thermolyse und Hydrolyse entstehen aus der Harnstofflösung Ammoniak und CO₂. Das so erzeugte Ammoniak kann in einem geeigneten Katalysator mit den in dem Abgas enthaltenen Stickoxiden reagieren, die so effizient aus dem Abgas entfernt werden.
Bei diesem Verfahren ist es von besonderer Relevanz, dass die Harnstofflösung in einem geeigneten Verhältnis zu der im Abgas enthaltenen Stickoxidmenge zugeführt wird. Außerdem ist es von großer Bedeutung, dass die in den Abgasstrom eingebrachte Harnstofflösung möglichst vollständig verdampft und in dem Abgasstrom gleichmäßig verteilt wird.
Um ein effizientes Verteilen und Verdampfen der in den Gasstrom eingebrachten Flüssigkeit sicherzustellen, ist in Strömungsrichtung hinter dem Einbringungspunkt der Flüssigkeit oftmals eine Mischereinrichtung vorgesehen. Obwohl herkömmliche Mischereinrichtungen in vielen Fällen einen akzeptablen Homogenisierungsgrad des Gasstroms bewirken, besteht weiterhin Bedarf nach effizienten Mischereinrichtungen, um eine möglichst vollständige und insbesondere schnelle Verteilung der Flüssigkeit in dem Gasstrom zu erreichen, ohne den Abgasstrom übermäßig zu behindern. Mit anderen Worten soll die Mischereinrichtung in dem Abgasstrom möglichst wenig Gegendruck erzeugen.
Effiziente und kompakte Mischereinrichtungen sind insbesondere in der Abgastechnik gefragt. Je größer nämlich die Effizienz der Mischereinrichtung ist, desto besser kann die in den Abgasstrom injizierte Harnstoffmenge an die im Abgas enthaltene Menge von Stickoxiden angepasst werden. Letztlich führt dies zu einer verbesserten Abgasreinigung.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente Mischereinrichtung zum Verteilen und Verdampfen einer in einen Gasstrom eingebrachten Flüssigkeit zu schaffen, mit der eine möglichst geringe Gegendruckerhöhung eingeht. Die Mischereinrichtung soll überdies einfach und kompakt sowie kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Mischereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst die Mischereinrichtung eine von dem Gasstrom durchströmbar Mischerkammer mit einem ersten axialen Endabschnitt und einen den dem ersten axialen Endabschnitt gegenüber liegenden zweiten axialen Endabschnitt. In dem ersten axialen Endabschnitt ist ein sich parallel, insbesondere koaxial zu einer Längsachse der Mischerkammer erstreckendes Tauchrohr angeordnet. Ferner weist die Mischerkammer in dem ersten axialen Endabschnitt eine Gaseinlassöffnung auf, durch die der Gasstrom in einer Richtung quer, insbesondere senkrecht und seitlich versetzt zu der Längsachse der Mischerkammer in diese einbringbar ist. Insbesondere wird der Gasstrom – direkt oder indirekt – in einen Spalt zwischen dem Tauchrohr und einer Innenwand der Mischerkammer eingebracht.
Mit anderen Worten umfasst die Mischerkammer in axialer Richtung gesehen einen ersten und zweiten Endabschnitt, die direkt oder indirekt – beispielsweise über einen Zwischenabschnitt – miteinander in Verbindung stehen. Außerdem ist ein Tauchrohr vorgesehen, das zumindest in den ersten axialen Endabschnitt der Mischerkammer ragt, so dass zwischen der Innenwand der Mischerkammer und dem Tauchrohr ein Spalt entsteht. Insbesondere weist das Tauchrohr ein freies Ende auf, das in der Mischerkammer angeordnet ist und in das Gas in axialer Richtung einströmen kann. Die Gaseinlassöffnung ist derart ausgestaltet und/oder angeordnet, dass der Gasstrom nicht in axialer Richtung in die Mischerkammer eingebracht wird, sondern quer zu der Längsachse, insbesondere senkrecht dazu. Außerdem wird der Gasstrom nicht in einer die Längsachse der Mischerkammer enthaltenden Ebene in die Mischerkammer eingespeist. Die Längsachse und eine Hauptachse des Gasstroms schneiden sich somit nicht, so dass von einem seitlich versetzten Einbringen des Gasstroms in die Mischerkammer gesprochen werden kann.
Durch das Einbringen des Gasstroms in die Mischerkammer quer und seitlich versetzt zu deren Längsachse, wird der Gasstrom mit einer Drallkomponente beaufschlagt, die unter anderem von der Geometrie des Tauchrohrs und der Innenwand der Mischerkammer sowie von der Anordnung und der Ausgestaltung der Einlassöffnung abhängt. Durch eine Variation der genannten Geometrien können die Gasströmung im Inneren der Mischerkammer und damit die Charakteristika der Mischereinrichtung an die jeweils vorliegenden Anforderungen angepasst werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Einbringungsvorrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in die Mischerkammer derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass die Flüssigkeit in den ersten axialen Endbereich der Mischerkammer einbringbar ist. Beispielsweise ist die Einbringvorrichtung in oder an einem Deckelabschnitt angeordnet, der den ersten axialen Endabschnitt – und damit die Mischerkammer – in einer axialen Richtung abschließt. Eine Gasauslassöffnung der Mischerkammer kann bei dieser Anordnung der Einbringvorrichtung beispielsweise im Bereich des zweiten axialen Endabschnitts vorgesehen sein, insbesondere an oder in einem Deckelabschnitt, der diesen in axialer Richtung begrenzt. Bei dieser Ausgestaltung strömen sowohl der drallbeaufschlagte Gasstrom im Inneren der Mischerkammer als auch die in die Mischerkammer eingebrachte Flüssigkeit auf die Gasauslassöffnung zu. Die Einbringsvorrichtung kann so ausgebildet und angeordnet sein, dass die Flüssigkeit im Inneren des Tauchrohrs in die Mischerkammer eintritt. Es ist jedoch auch möglich die Flüssigkeit beispielsweise in den Spalt zwischen dem Tauchrohr und der Innenwand der Mischerkammer einzubringen.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Mischereinrichtung ist die Einbringvorrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in die Mischerkammer derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass die Flüssigkeit in den zweiten axialen Endabschnitt der Mischerkammer einbringbar ist. Der in den ersten axialen Endabschnitt eingebrachte Gasstrom strömt daher zunächst auf die Einbringvorrichtung zu, die die Flüssigkeit in entgegengesetzter Richtung in die Mischerkammer einbringt. Es kann daher von einer Gegenstromanordnung gesprochen werden.
Die Einbringvorrichtung kann bei dieser Ausführungsform in oder an einem Deckelabschnitt angeordnet, der den zweiten axialen Endabschnitt – und damit die Mischerkammer – in einer axialen Richtung abschließt.
In der Mischerkammer kann im Bereich des zweiten axialen Endabschnitts ein trichterförmiges Element angeordnet sein, das sich in Richtung zu dem ersten axialen Endabschnitt hin öffnet. Das trichterförmige Element ist insbesondere abschnittsweise konusförmig und/oder gekrümmt ausgebildet. Auch eine tulpenförmige Ausgestaltung des trichterförmigen Elements ist denkbar. Das trichterförmige Element kann abschnittsweise auch zylinderförmig ausgebildet sein und/oder Abschnitte aufweisen, die sich in der Gegenrichtung aufweiten.
Zwischen einem maximalen Außenumfang des trichterförmigen Elements und der Innenwand der Mischerkammer kann ein Spalt vorgesehen sein, so dass das insbesondere als Schutz für den von der Einbringvorrichtung erzeugten Einsprühkegel oder -Konus dienende trichterförmige Element von zumindest einem Teil des Gasstroms umspült werden kann. Durch das Umspülen kann die Bildung von Ablagerungen im Bereich des trichterförmigen Elements bzw. in dem zweiten axialen Endabschnitt zumindest teilweise verhindert oder zumindest verringert werden. An dem Außenumfang des trichterförmigen Elements können in radialer Richtung nach außen ragende und in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Strömungsleitelemente angeordnet sein, um den das trichterförmige Element umspülenden Teil des Gasstroms mit einer Drallkomponente zu beaufschlagen. Die Strömungsleitelemente können angestellte – d.h. relativ zur Längsachse der Mischereinrichtung geneigte – ebene und/oder gekrümmte Flächenelemente umfassen.
Bei Ausführungsformen der Mischereinrichtung, bei der die Flüssigkeit in den zweiten axialen Endabschnitt der Mischerkammer eingebracht wird, kann eine Gasauslassöffnung vorgesehen sein, die in dem ersten axialen Endabschnitt angeordnet ist, insbesondere an oder in einem den ersten axialen Endabschnitt in axialer Richtung abschließenden Deckelabschnitt. Dies bedeutet, dass der Gasstrom im Bereich des ersten axialen Endabschnitts in die Mischerkammer einströmt und aufgrund der Einströmgeometrie sowie der Geometrie der Mischerkammer und des Tauchrohrs drallbeaufschlagt zu dem zweiten axialen Endabschnitt hin strömt. Aufgrund der Druckverhältnisse im Inneren der Mischerkammer erfährt zumindest ein Teil des einströmenden Gasstrom vor oder in dem zweiten axialen Endbereich eine Umkehrung seiner axialen Strömungsrichtungskomponente – d.h. des axialen Anteils des Strömungsvektors – und strömt – mit einem bereits verdampften Anteil der eingebrachten Flüssigkeit und/oder mit feinen Flüssigkeitströpfchen versetzt – wieder in Richtung zu dem ersten axialen Endabschnitt hin.
Die Gasauslassöffnung steht insbesondere mit dem Inneren des Tauchrohrs in Verbindung, so dass der Gasstrom – oder zumindest ein Teil davon – durch das Tauchrohr strömen muss, um die Mischerkammer verlassen zu können.
Das Tauchrohr kann durch die Gasauslassöffnung aus der Mischerkammer ragen. Beispielsweise ist die Gasauslassöffnung mit einem stutzenförmigen Ansatz versehen, in den das Tauchrohr eingesetzt ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann in dem Tauchrohr eine Mischereinrichtung angeordnet sein, insbesondere ein Drallturbinenmischer. Die Mischereinrichtung kann innerhalb oder außerhalb der Mischerkammer angeordnet sein. Die Mischereinrichtung dient insbesondere zur Drallbeaufschlagung des durch das Tauchrohr strömenden Gasstroms, um die Homogenisierung des Gasstroms und/oder die Verdampfung eventuell noch vorhandener Flüssigkeitströpfchen zu unterstützen.
Das Tauchrohr kann zumindest eine Bypassöffnung aufweisen, durch die zumindest ein Teil des Gasstroms in radialer Richtung in das Innere des Tauchrohrs strömen kann, d.h. nicht durch ein freies offenes Ende des Tauchrohrs, sondern durch dessen Mantelfläche. Je nach Anordnung und/oder Ausgestaltung der Bypassöffnung kann dadurch ein Teil des Gasstroms aus dem Spalt zwischen dem Tauchrohr und der Innenwand der Mischerkammer in das Tauchrohr gelangen. Die Bypassöffnung kann beispielsweise im Bereich des in die Mischerkammer ragenden freien Endes des Tauchrohrs angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch auch möglich, die Bypassöffnung benachbart zu der Auslassöffnung der Mischerkammer anzuordnen. Dadurch kann bei bestimmten Ausführungsformen ein im Wesentlichen direkter Strömungspfad zumindest eines Teils des Gasstroms von der Gaseinlassöffnung zu der Gasauslassöffnung bereitgestellt werden, so dass der entsprechende Teil des Gasstroms nur sehr kurz in der Mischerkammer verweilt. Je nach Anforderungsprofil kann vorgesehen sein, dass 10% bis 50%, insbesondere etwa 1/3 des in die Mischerkammer eingespeisten Gasstroms ohne größere Umwege direkt der Gasauslassöffnung zugeführt wird, d.h. ohne dass dieser Anteil den ersten axialen Endabschnitt der Mischerkammer verlässt.
Um die Strömungsverhältnisse in dem Tauchrohr und/oder im Bereich der Bypassöffnung zu verbessern, kann das Tauchrohr stromaufwärts der Bypassöffnung zumindest abschnittsweise eingezogen sein. Diese Maßnahme kann auch zur Vermeidung von Strömungsabrissen beitragen.
Die Bypassöffnung kann beispielsweise ein Loch oder ein Langloch sein oder schlitzartig ausgebildet sein. Grundsätzlich ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Bypassöffnungen vorzusehen, um die Gasströmung zu optimieren. Insbesondere sind in Umfangsrichtung des Tauchrohrs regelmäßig oder unregelmäßig verteilt angeordnete Bypassöffnungen vorgesehen.
Es hat sich gezeigt, dass Ausführungsformen, bei denen der in die Mischerkammer ragende Abschnitt des Tauchrohrs eine Längserstreckung von mehr als 30%, insbesondere mehr als 50% der Längserstreckung der Mischerkammer aufweist, besonders gute Mischergebnisse liefert.
In den Spalt zwischen dem Tauchrohr und der Innenwand der Mischerkammer können Strömungsleitelemente vorgesehen sein. Diese sind insbesondere an dem Tauchrohr befestigt oder einstückig mit dem Tauchrohr ausgebildet. Durch derartige Strömungsleitelemente kann beispielsweise eine Steigung des Dralls des Gasstroms eingestellt werden, die im Wesentlichen unabhängig von den Eigenschaften – z.B. Druck, Geschwindigkeit oder Temperatur – des in die Mischerkammer einströmenden Gasstroms ist. Die Strömungsleitelemente können beispielsweise relativ zur Längsachse der Mischerkammer bzw. des Tauchrohrs angestellte ebene und/oder gekrümmte Flächenabschnitte aufweisen. Die Strömungsleitelemente können in Umfangsrichtung des Tauchrohrs verteilt angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich, kann ein in die Mischerkammer ragendes freies Ende des Tauchrohrs in axialer Richtung verlaufende Schlitze aufweisen. Insbesondere sind in Umfangsrichtung zwischen den Schlitzen liegende Abschnitte des Tauchrohrs zumindest abschnittsweise relativ zur Umfangsrichtung geneigt und/oder gekrümmt ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Mischerkammer und/oder das Tauchrohr einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt auf. Insbesondere weisen die beiden genannten Komponenten eine zylinderförmige Grundform auf.
Die Gaseinlassöffnung kann mit einem Einlassstutzen versehen sein, der den ersten axialen Endabschnitt in Umfangsrichtung zumindest teilweise umgibt und dessen Innenwand einen in Gasströmungsrichtung abnehmenden Innenradius aufweist. Dadurch kann sich – in einer Ebene quer, insbesondere senkrecht zur Längsachse der Mischerkammer gesehen – beispielsweise eine spiral- oder schneckenförmige Form des Einlassstutzens ergeben, durch die der Gasstrom nicht punktuell, sondern in Umfangsrichtung verteilt in die Mischerkammer gedrängt wird.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 bis 3 verschiedene Ansichten einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung,
4 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung und
5 und 6 verschiedene Ansichten einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung.
1 zeigt eine erste Ausführungsform 10 der Mischereinrichtung mit einer Mischerkammer 12, die durch ein rohrförmiges Kammergehäuse 14 und axiale Deckelabschnitte 36, 36' begrenzt wird. Die Mischerkammer 12 weist einen ersten axialen Endabschnitt 16 und einen diesem in Längsrichtung der Kammer 12 gegenüber liegenden zweiten axialen Endabschnitt 18 auf.
Die Mischereinrichtung 10 findet beispielsweise in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor Verwendung, der mit einem SCR-Katalysator ausgestattet ist. Daher muss der Abgasstrom – wie eingangs geschildert – mit Harnstoff versetzt werden, um das für die Katalyse der Stickoxide erforderliche Ammoniak bereitstellen zu können. Zu diesem Zweck wird Harnstoff in den Abgasstrom eingespritzt. Die Mischereinrichtung 10 dient dabei dazu, das Einspritzen und das Verdampfen des Harnstoffs in dem Gasstrom möglichst effizient zu gestalten.
Der Abgasstrom tritt im Bereich des ersten axialen Endabschnitts 16 in die Mischerkammer 12 ein. Der Übergang zwischen einem Rohr 20 des Abgasstrangs und der Mischerkammer 12 wird durch einen Einlassstutzen 22 definiert, der – wie in nachfolgenden Figuren zu sehen ist – einen spiral- oder schneckenförmigen Querschnitt aufweist. D.h. eine Innenwand 24 des Einlassstutzens 22 nähert sich in Umfangsrichtung der Mischerkammer 12 allmählich an deren Radius an, um den Gasstrom in Umfangsrichtung verteilt in die Mischerkammer 12 einzubringen. Mit anderen Worten wird der Gasstrom durch den in Umfangsrichtung abnehmenden Abstand der Innenwand 24 von der Längsachse L sukzessive in den ersten axialen Endabschnitt 16 der Mischerkammer 12 gedrängt. Eine Einlassöffnung 26 der Mischerkammer 12 ist somit eine streifenartige Öffnung, die sich bei der vorliegenden Ausführungsform in Umfangsrichtung praktisch vollständig um die Mischerkammer 12 herum erstreckt.
Die Geometrie des Einlassstutzens 22 stellt sicher, dass der Gasstrom in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse L der Mischereinrichtung 10 und stets seitlich versetzt zu der Längsachse L in die Mischerkammer 12 gelangt. Mit anderen Worten wird der Gasstrom bewusst nicht koaxial zur Längsachse L oder diese schneidend eingebracht, sondern quer – im vorliegenden Fall senkrecht – und seitlich versetzt zu der Längsachse L bzw. im Wesentlichen tangential zur Umfangsrichtung. Dadurch weist der eingebrachte Gasstrom bereits eine Drallkomponente auf, wenn er in die Mischerkammer 12 eintritt.
Koaxial zu der Längsachse L erstreckt sich eine Tauchrohr 28 von dem Deckelabschnitt 36' durch den ersten axialen Endabschnitt 16. Es ragt weit in die Mischerkammer 12, ohne allerdings den zweiten axialen Endabschnitt 18 zu erreichen. Mit anderen Worten ragt ein freies Ende des Tauchrohrs 28 in einen zwischen den Endabschnitten 16, 18 liegenden Bereich der Mischerkammer 12. Das Tauchrohr 28 und das Kammergehäuse 14 legen einen Ringspalt 30 fest, durch den das in den ersten axialen Endabschnitt 16 eingebrachte Gas in einer spiralförmigen Strömung auf den zweiten axialen Endabschnitt 18 zu strömt. Dabei wird der Gasstrom durch Leitschaufeln 32 zusätzlich beeinflusst. Die Leitschaufeln 32 sind im vorliegenden Fall im Wesentlichen ebene Flügelelemente, die an dem Tauchrohr 28 befestigt sind. Es ist jedoch auch möglich, dass die Leitschaufeln 32 zumindest abschnittsweise gekrümmt sind und/oder an der Innenwand des Kammergehäuses 14 befestigt sind. Der Anstellwinkel der Leitschaufeln 32 – d.h. der Neigungswinkel der Leitschaufeln 32 relativ zu der Längsachse L – prägt dem Gasstrom eine Drallzahl auf, die im Wesentlichen unabhängig von dem Eingangsdruck des Abgases ist, der wiederum u.a. von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors abhängt. Mit anderen Worten wird durch die Leitschaufeln 32 eine definierte Steigung des Dralls des in dem Spalt 30 strömenden Gasstroms eingestellt.
Wie vorstehend bereits erläutert wurde, strömt das Abgas von dem ersten axialen Endabschnitt 16 kommend drallbeaufschlagt durch den Spalt 30 auf den zweiten axialen Endabschnitt 18 zu. Am axialen Ende dieses Endabschnitts 18 ist eine Einsprühvorrichtung zum Einsprühen des Harnstoffs in die Mischerkammer 12 angeordnet, die in 1 jedoch nicht dargestellt ist. Sie kann an einem Flansch 34 befestigt werden, der an dem Deckelabschnitt 36 vorgesehen ist, der den zweiten axialen Endabschnitt 18 und damit die Mischerkammer 12 in axialer Richtung abschließt. Die Einsprühvorrichtung kann eine beliebige Einsprühcharakteristik aufweisen. Beispielsweise sprüht sie den Harnstoff kegel- oder konusartig in die Mischerkammer 12 ein. Um den Einsprühkegel zumindest anfänglich vor übermäßig starker Beeinflussung durch den Abgasstrom zu schützen, ist ein Trichterelement 38 vorgesehen, das einen konusförmigen Trichterabschnitt 38a und einen Zylinderabschnitt 38b aufweist. Radial außenseitig und in Umfangsrichtung verteilt sind an dem Zylinderabschnitt 38b Leitschaufeln 32' vorgesehen.
Das Trichterelement 38 sorgt dafür, dass der Einsprühkegel zumindest anfangs vor in radialer Richtung strömenden Abgasströmen geschützt wird. Der Eintritt von Abgas in den zweiten axialen Endabschnitt 18 wird jedoch in gewissem Umfang bewusst zugelassen, indem ein Ringspalt 30' zwischen dem Trichterabschnitt 38a und der Innenwand des Kammergehäuses 14 vorgesehen ist. Die Menge des durch den Spalt 30' strömenden Abgases hängt unter anderem von der Geometrie des Kammergehäuses 14 und der Geometrie des Trichterelements 38 ab. Dem entsprechenden Abgasstrom wird durch die angestellten Leitschaufeln 32' eine Drallkomponente aufgeprägt. Dieser Abgasstrom bewirkt eine Spülung des zweiten axialen Endabschnitts 18 der Mischerkammer 12. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn zugelassen wird, dass in etwa 5 bis 15% der in die Mischerkammer 12 eingebrachten Abgasmenge durch den Spalt 30' strömen kann. Dieser Teilstrom verhindert oder minimiert die Bildung von Ablagerungen, die sich beispielsweise in Totwasserzonen bilden können.
Die Teile des Abgases, die nicht in den zweiten axialen Endabschnitt 18 der Mischerkammer 12 gelangen, erfahren eine Umkehrung ihrer axialen Bewegungsrichtungskomponente in einem Bereich zwischen dem freien Ende des Tauchrohrs 28 im Inneren der Mischerkammer 12 und dem dem Tauchrohr 28 zugewandten Ende des Trichterelements 38. Dabei strömen sie in radial innenliegende Bereiche der Mischerkammer 12 und gelangen letztlich in das Innere des Tauchrohrs 28, wo sie zu einer Gasauslassöffnung 40 strömen und schließlich die Mischerkammer 12 verlassen. Das stromabwärtige Ende des Tauchrohrs 28 steht mit weiteren Komponenten des Abgasstrangs in Verbindung.
Die Gasauslassöffnung 40 wird durch einen stutzenartigen Ansatz 40' begrenzt, in den das Tauchrohr 28 eingesetzt ist und mit dem es gasdicht verbunden ist.
Im Bereich der Gasauslassöffnung 40 weist das Tauchrohr 28 Bypassöffnungen 42 auf, durch die Abgas im Wesentlichen direkt von der Einlassöffnung 26 zu der Gasauslassöffnung 40 strömen kann. Die gerundete Ausführung des Ansatzes 40' unterstützt diese Strömung. Die genannte Strömung kann als Bypassströmung bezeichnet werden. In vielen Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Bypassöffnungen 42 so auszubilden und anzuordnen, dass 10% bis 50% des in die Mischereinrichtung 10 einströmenden Abgasstroms gleich der Gasauslassöffnung 40 zugeführt wird, ohne den ersten axialen Endabschnitt 16 verlassen zu haben. Das Einströmen der Bypassströmung in die Bypassöffnungen 42, das in dem vorliegenden Beispiel im Wesentlichen in tangentialer Richtung erfolgt, so dass das Abgas mit einer Drallkomponente beaufschlagt in das Tauchrohr 28 einströmt, kann dadurch erleichtert werden, dass das Tauchrohr 28 stromaufwärts der Bypassöffnungen 42 zumindest abschnittsweise eingezogen ist. Insbesondere weisen stromaufwärtige Randbereiche der Bypassöffnungen 42 abschnittsweise einen geringeren Radius auf als der Rest des Tauchrohrs 28. Das Einziehen des Tauchrohrs 28 im Bereich der stromaufwärtigen Kanten der Bypassöffnungen 42 verhindert zudem die Bildung von Strömungsabrissen.
Durch eine geschickte Einstellung der Bypassströmung kann eine deutliche Reduzierung des durch die Mischereinrichtung 10 erzeugten Gegendrucks erreicht werden. Die Ausgestaltung der Bypassöffnungen 42 sowie der Gasauslassöffnung 40 und des Tauchrohrs 28 kann insbesondere so gewählt werden, dass zwischen der Strömung durch das Tauchrohr 28 und der Bypassströmung ein Massenstromverhältnis eingestellt wird, das zwischen 1:1 und 2:1 liegt.
2 zeigt einen Querschnitt durch die Mischereinrichtung 10 in einer Perspektivansicht. Die Schnittebene liegt im Bereich des axialen Endabschnitts 16 und schneidet daher auch den Einlassstutzen 22. Die Schnittebene liegt senkrecht zu der Längsachse L der Mischereinrichtung 10.
Es ist zu erkennen, dass sich das Rohr 20 verjüngt, bevor es in den Einlassstutzen 22 übergeht, der in einer Schnittebene, die die Längsachse L enthält, einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist. Es wird darauf hingewiesen, dass der Einlassstutzen 22 grundsätzlich eine beliebige Querschnittsform aufweisen kann, um den jeweils vorliegenden Anforderungen gerecht zu werden. Beispielsweise kann er in dem genannten Querschnitt auch eine U-Form aufweisen.
Ferner ist in 2 zu erkennen, dass in einem bereits außerhalb der Mischerkammer 12 angeordneten Abschnitt des Tauchrohrs 28 eine Mischereinrichtung 44 angeordnet ist. Diese liegt stromabwärts der Bypassöffnungen 42, so dass auch der nicht in den Spalt 30 eingespeiste und durch das Innere des Tauchrohrs 28 geführte Anteil des Gasstroms mit einer zusätzlichen Drallkomponente beaufschlagt wird. Außerdem trägt die Mischereinrichtung 44 zu einer verbesserten Verdampfung des Harnstoffs bei, so dass auch bei größeren Durchmessern der Harnstofftröpfchen (z.B. SDM > 50 µm) eine gute Einbringung des Harnstoffs in den Abgasstrom gewährleistet ist und damit eine ausreichende Verdampfung des Harnstoffs vor dem Eintritt in den nachgeschalteten Katalysator sichergestellt ist.
Die Mischereinrichtung 44 kann beispielsweise ein herkömmlicher Drallturbinenmischer sein. Andere Ausgestaltungen der Mischereinrichtung 44 sind ebenfalls denkbar.
3 zeigt den bereits in 2 gezeigten Querschnitt in einer Sicht entlang der Längsachse L, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Wiedergabe der Mischereinrichtung 44 verzichtet wurde. 3 ist zu entnehmen, dass die Innenwand 24 des Einlassstutzens 22 von dem Rohr 20 ausgehend einen in Umfangsrichtung kontinuierlich und insbesondere linear abnehmenden Abstand zu der Längsachse L aufweist, wodurch das in die Mischereinrichtung 10 einströmende Abgas zunehmend in radialer Richtung nach innen gedrängt wird. Abweichend von der dargestellten Bauform können auch eine nicht-lineare Abnahme des Abstands von der Längsachse L oder ein nicht-kontinuierlichen Verlauf der Innenwand 24 vorgesehen sein. Insbesondere ist es auch möglich, dass die Innenwand 24 bereits schneller auf den Radius des Kammergehäuses 14 zurückgeführt wird, um eine schnellere Einspeisung des Abgasstroms in die Mischerkammer 12 zu erreichen.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform 10' der Mischereinrichtung, die in vielen Aspekten der Mischereinrichtung 10 gleicht. Abweichend von der Ausgestaltung der Mischereinrichtung 10 weist das Tauchrohr 28 der Mischereinrichtung 10' einen gelochten Bereich 46 an dessen in die Mischerkammer 12 ragenden freien Ende auf. Der gelochte Bereich 46 weist eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilten Löchern 48 auf, die einen Eintritt von Abgas in das Tauchrohr 28 ermöglichen, bevor dieses das dem zweiten axialen Endabschnitt 18 zugewandte Ende des Tauchrohrs 28 erreicht. Der gelochte Bereich 46 dient zur Vermeidung von strömungsdynamischen Totwassergebieten, was sich reduzierend auf den von der Mischereinrichtung 10' erzeugten Gegendruck auswirkt.
Zwar weist das Tauchrohr 28 der Mischereinrichtung 10' keine Bypassöffnungen 42 auf. Bei Bedarf können diese jedoch vorgesehen sein, um eine zusätzliche Gegendruckreduktion zu erreichen.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform 10" der Mischereinrichtung, die anstelle des gelochten Bereichs 46 des Tauchrohrs 28 der Mischereinrichtung 10' einen geschlitzten Bereich 50 aufweist. In dem geschlitzten Bereich 50 ist das Tauchrohr 28 mit in axialer Richtung verlaufenden Schlitzen 52 versehen, die es ermöglichen, das Tauchrohr 28 abschnittsweise nach radial außen zu führen. Dadurch wird einerseits die Breite des Spalts 30 abschnittsweise reduziert. Außerdem kann durch dadurch entstehende Öffnung 54 zwischen benachbarten Tauchrohrendsegmenten 56 ein Teil des drallbeaufschlagten Abgasstroms in das Innere des Tauchrohrs 28 strömen, was ebenfalls zur Gegendruckreduzierung beiträgt.
Die Geometrie der Tauchrohrendsegmente 56 ist in 6 deutlicher zu erkennen (Mischereinrichtung 44 ist nicht gezeigt). Sie zeigt einen Schnitt durch die Mischereinrichtung 10" in Höhe des dem zweiten axialen Endabschnitt 18 zugewandten freien Endes des Tauchrohrs 28. Es ist zu sehen, dass die Segmente 56 ausgehend von einem Radius des Grundkörpers des Tauchrohrs 28 gekrümmt nach außen gebogen sind. Die jeweiligen radial außen liegenden Enden der Tauchrohrendsegmente 56 erstrecken sich bis in etwa zur Hälfte des Spalts 30. Die umfangsseitigen Enden der Tauchrohrendsegmente 56 verlaufen tangential zu der Umfangsrichtung, um Strömungsabrisse zu minimieren.
Neben der Krümmung der Segmente 56 in einer radialen Sicht weisen diese zudem eine Krümmung in axialer Richtung auf.
Der Einlassstutzen 22 der Mischereinrichtung 10' ist in 6 ebenfalls in einer Schnittansicht zu erkennen, wobei die Ebene des entsprechenden Schnitts parallel versetzt zu der vorstehend diskutierten Schnittebene angeordnet ist, die zur Verdeutlichung der Geometrie der Tauchrohrendsegmente 56 gewählt wurde.
Die verschiedenen Maßnahmen zur Ermöglichung eines Stroms eines Teils des Abgases in radialer Richtung in das Innere des Tauchrohrs 28 – d.h. also nicht durch das in axialer Richtung offene freie Ende des Tauchrohrs 28 – lassen sich beliebig kombinieren, um den Gegendruck den jeweils vorliegenden Bedingungen anzupassen. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die Länge des Tauchrohrs 28 ebenfalls beliebig anpassbar ist. Bevorzugt ragt das Tauchrohr 28 jedoch über den ersten axialen Endabschnitt 16 hinaus in die Mischerkammer 12. Insbesondere beträgt die in die Mischerkammer 12 ragende Längserstreckung des Tauchrohrs 28 mehr als 30% der axialen Erstreckung der Mischerkammer 12, bevorzugt mehr als 50%.
Bezugszeichenliste

10, 10', 10": Mischereinrichtung
12: Mischerkammer
14: Kammergehäuse
16: erster axialer Endabschnitt
18: zweiter axialer Endabschnitt
20: Rohr
22: Einlassstutzen
24: Innenwand
26: Einlassöffnung
28: Tauchrohr
30, 30': Ringspalt
32, 32': Leitschaufeln
34: Flansch
36, 36': Deckelabschnitt
38: Trichterelement
38a: Trichterabschnitt
38b: Zylinderabschnitt
40: Gasauslassöffnung
40': Ansatz
42: Bypassöffnung
44: Mischereinrichtung
46: gelochter Bereich
48: Loch
50: geschlitzter Bereich
52: Schlitz
54: Öffnung
56: Tauchrohrendsegment
L: Längsachse

Claims

Mischereinrichtung zum Durchmischen eines Gasstroms, insbesondere zum Verteilen und Verdampfen einer in einen Gasstrom, insbesondere in einen Abgasstrom eingebrachten Flüssigkeit, die eine von dem Gasstrom durchströmbare Mischerkammer (12) mit einem ersten axialen Endabschnitt (16) und einem dem ersten axialen Endabschnitt (16) gegenüber liegenden zweiten axialen Endabschnitt (18) umfasst, wobei in dem ersten axialen Endabschnitt (16) ein sich parallel, insbesondere koaxial zu einer Längsachse (L) der Mischerkammer (12) erstreckendes Tauchrohr (28) angeordnet ist, wobei die Mischerkammer (12) in dem ersten axialen Endabschnitt (16) ferner eine Gaseinlassöffnung (26) aufweist, durch die der Gasstrom in einer Richtung quer, insbesondere senkrecht und seitlich versetzt zu der Längsachse (L) der Mischerkammer (12) in die Mischerkammer (12), insbesondere in einen Spalt (30) zwischen dem Tauchrohr (28) und einer Innenwand der Mischerkammer (12), einbringbar ist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einbringvorrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in die Mischerkammer (12) derart angeordnet ist, dass die Flüssigkeit in den ersten axialen Endabschnitt (16) der Mischerkammer einbringbar ist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einbringvorrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in die Mischerkammer (12) derart angeordnet ist, dass die Flüssigkeit in den zweiten axialen Endabschnitt (18) der Mischerkammer (12) einbringbar ist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringvorrichtung an einem Deckelabschnitt (36, 36') angeordnet ist, der die Mischerkammer (12) an seinem ersten oder zweiten axialen Endabschnitt (16 bzw. 18) in axialer Richtung abschließt.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischerkammer (12) im Bereich des zweiten axialen Endabschnitts (18) ein trichterförmiges Element (38) angeordnet ist, das sich in Richtung zu dem ersten axialen Endabschnitt (16) hin öffnet.
Mischereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das trichterförmige Element (38) zumindest abschnittsweise konusförmig oder gekrümmt ausgebildet ist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem maximalen Außenumfang des trichterförmigen Elements (38) und der Mischerkammer (12) ein Spalt (30') vorgesehen ist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Außenumfang des trichterförmigen Elements (38) in radialer Richtung nach außen ragende und in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Strömungsleitelemente (32') angeordnet sind.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischerkammer (12) eine Gasauslassöffnung (40) aufweist, durch die der Gasstrom aus der Mischerkammer (12) ausströmen kann und die an dem ersten axialen Endabschnitt (16) angeordnet ist, insbesondere in einem den ersten axialen Endabschnitt (16) in axialer Richtung abschließenden Deckelabschnitt (36').
Mischereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasauslassöffnung (40) mit dem Inneren des Tauchrohrs (28) in Verbindung steht.
Mischereinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (28) durch die Gasauslassöffnung (40) aus der Mischerkammer (12) ragt.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Tauchrohr (28) eine Mischereinrichtung (44) angeordnet ist, insbesondere ein Drallturbinenmischer.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (28) zumindest eine Bypassöffnung (42, 48, 54) aufweist, durch die zumindest ein Teil des Gasstroms in radialer Richtung in das Tauchrohr (28) strömen kann.
Mischereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassöffnung (48, 54) im Bereich eines in die Mischerkammer (12) ragenden freien Endes des Tauchrohrs (28) angeordnet ist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassöffnung (42) benachbart zu der Gasauslassöffnung (40) der Mischerkammer (12) angeordnet ist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (28) stromaufwärts der Bypassöffnung (42) zumindest abschnittsweise eingezogen ist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Mischerkammer (12) ragende Abschnitt des Tauchrohrs (28) eine Längserstreckung von mehr als 30%, insbesondere mehr als 50% der Längserstreckung der Mischerkammer (12) aufweist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Spalt (30) zwischen dem Tauchrohr (28) und der Innenwand der Mischerkammer (12) ragende Strömungsleitelemente (32) vorgesehen sind, die insbesondere an dem Tauchrohr (28) befestigt oder einstückig mit dem Tauchrohr (28) ausgebildet sind.
Mischereinrichtung nach Anspruch 8 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (32, 32') in Umfangsrichtung des Tauchrohrs (28) verteilt angeordnet sind und angestellte ebene und/oder gekrümmte Flächenabschnitte umfassen.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in die Mischerkammer (12) ragendes freies Ende des Tauchrohrs (28) in axialer Richtung verlaufende Schlitze (52) aufweist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung zwischen den Schlitzen (52) liegende Abschnitte (56) des Tauchrohrs (28) zumindest abschnittsweise relativ zur Umfangrichtung geneigt und/oder gekrümmt ausgebildet sind.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischerkammer (12) und/oder das Tauchrohr (28) einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweisen.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlassöffnung (26) mit einem Einlassstutzen (22) versehen ist, der den ersten axialen Endabschnitt (16) in Umfangsrichtung zumindest teilweise umgibt und dessen Innenwand (24) einen in Gasströmungsrichtung abnehmenden Innenradius aufweist.