DE102014108809C5

DE102014108809C5 - Abgasmischer

Info

Publication number: DE102014108809C5
Application number: DE102014108809.3A
Authority: DE
Inventors: Bertram Stelzer; Joachim Gehrlein; Andreas Lang; Michael Wolf; Christoph Burg
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2034-06-25
Also published as: DE102014108809B3; CN106488797A; CN106488797B; US20170114693A1; DE202014102872U1; US9957870B2; WO2015188999A1

Abstract

Abgasmischrohr (1) zum Einmischen mindestens eines Additivs in einen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine (6) mit einer eine Längsachse L aufweisenden und im Querschnitt runden Gehäusewand (1.1) und einer Stirnwand (2), an der eine Einspritzdüse (2.1) platziert ist, über die das einzumischende Additiv einspritzbar ist, wobei die Gehäusewand (1.1) mehrere über einen Umfang U angeordnete Reihen (1.3) von Öffnungen (1.2) aufweist, durch die Abgas von einer Außenseite des Abgasmischrohres (1) in das Innere des Abgasmischrohres (1) strömen kann, wobei mehrere Öffnungen (1.2) einer Reihe (1.3) jeweils eine Stufe M bilden und wobei die jeweilige Stufe M ihrer Größe nach gekennzeichnet ist durch den mittleren Öffnungsquerschnitt Q der Öffnungen (1.2), wobei die Summe aller Öffnungsquerschnitte Q aller Öffnungen (1.2) aller Reihen (1.3) des Abgasmischrohres (1) gleich SQ ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stufe erster Ordnung, die Stufe M1, vorgesehen ist, wobei die Stufe M1 Öffnungen (1.2) mit einem mittleren Öffnungsquerschnitt Q1 aufweist, und dass zudem vorgesehen ist mindestens eine Stufe zweiter Ordnung, die Stufe M2, wobei die Stufe M2 Öffnungen (1.2) mit einem mittleren Öffnungsquerschnitt Q2 mit Q2 >= f Q1, mit 5 <= f <= 25 aufweist, und dass ein erster Sektor S1 vorgesehen ist, der als Spülsektor ausgebildet ist und aus mindestens der einen Stufe M1 gebildet ist, und dass ein zweiter Sektor S2 vorgesehen ist, der als Mischsektor ausgebildet ist und aus mindestens der einen Stufe M2 gebildet ist, wobei in Richtung der Längsachse L nach der Stirnwand (2) zunächst der erste Sektor S1 und danach der zweite Sektor S2 platziert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasmischrohr zum Einmischen mindestens eines Additivs in einen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine mit einer eine Längsachse L aufweisenden und im Querschnitt runden Gehäusewand und einer mit Bezug zur Längsachse L endseitig angeordneten Stirnwand, an der eine Einspritzdüse platziert ist, über die das einzumischende Additiv einspritzbar ist, wobei die Gehäusewand mehrere über einen Umfang U angeordnete Reihen von Öffnungen aufweist, durch die Abgas von einer Außenseite des Abgasmischrohres in das Innere des Abgasmischrohres strömen kann, wobei mehrere Öffnungen einer Reihe jeweils eine Stufe M bilden und wobei die jeweilige Stufe M ihrer Größe nach gekennzeichnet ist durch den mittleren Öffnungsquerschnitt Q der Öffnungen, wobei die Summe aller Öffnungsquerschnitte Q aller Öffnungen aller Reihen des Abgasmischrohres gleich SQ ist.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Abgasmischer bestehend aus einem Abgasmischrohr und einem Mischergehäuse, wobei das Mischergehäuse eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung für Abgas aufweist und das Abgasmischrohr mit dem der Stirnwand gegenüberliegenden Rohrende an der Auslassöffnung platziert ist.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasmischer und einer in Strömungsrichtung des Abgases nachgeschalteten Abgasnachbehandlungseinrichtung wie ein DPF und/oder ein SCR.
Es ist bereits ein Mischrohr aus der DE 20 2007 010 324 U1 bekannt. Das Mischrohr weist eine zylindrische Grundform mit einer konischen Erweiterung auf. Insgesamt sind neun Reihen von Öffnungen vorgesehen, die jeweils als flügelfreie Ausnehmung der Wand ausgebildet sind. Eine derart ausgebildete Mischstufe ist innerhalb der konischen Erweiterung platziert.
Aus der DE 10 2012 010 878 A1 ist ebenfalls ein Mischrohr bekannt, dem ein Trichterelement mit perforierter Mantelfläche vorangeschaltet ist.
Aus der US 2014/0196441 A1 ist ein zweiteiliges Mischrohr bekannt, wobei beide Teile mit Abstand zueinander angeordnet sind und eine zumindest teilweise perforierte Mantelfläche aufweisen.
Aus der EP 2 687 697 A2 ist ein Abgasmischer mit einem Mischrohr bekannt. Das Mischrohr weist eine ausschließlich zylindrische Grundform auf. Insgesamt sind elf Reihen von Öffnungen vorgesehen, wobei die jeweilige Öffnung als Ausformung der Wand ausgebildet ist, und der ausgeformte Teil der Wand zumindest teilweise einen Flügel bildet. Sowohl der Abstand der Reihen untereinander als auch der Abstand der Öffnungen in Umfangsrichtung nehmen in Strömungsrichtung zu.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mischrohr und einen Abgasmischer derart auszubilden und anzuordnen, dass eine verbesserte Einmischung von Additiv in den Abgasstrom gewährleistet ist.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass mindestens eine Stufe erster Ordnung, die Stufe M1, vorgesehen ist, wobei die Stufe M1 Öffnungen 1.2 mit einem mittleren Öffnungsquerschnitt Q1 aufweist, und dass zudem mindestens eine Stufe zweiter Ordnung, die Stufe M2 vorgesehen ist, wobei die Stufe M2 Öffnungen mit einem mittleren Öffnungsquerschnitt Q2 mit Q2 >= f Q1, mit 5 <= f <= 25 aufweist, und dass ein erster Sektor S1 vorgesehen ist, der als Spülsektor ausgebildet ist und aus mindestens der einen Stufen M1 gebildet ist, und dass ein zweiter Sektor S2 vorgesehen ist, der als Mischsektor ausgebildet ist und aus mindestens der einen Stufe M2 gebildet ist, wobei in Richtung der Längsachse L nach der Stirnwand (2) zunächst der erste Sektor S1 und danach der zweite Sektor S2 platziert ist. Durch die Anordnung von zwei Sektoren S1, S2 mit unterschiedlichen Öffnungsquerschnitten wird eine Spülwirkung des Sektors S1 erreicht, durch die Rückspüleffekte im Bereich der Düse verhindert werden. Dies wiederum unterstützt die Einmischung des Additivs in Sektor 2, dessen Öffnungsquerschnitte größer sind.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die jeweilige Stufe M, also M1, M2, M3 und/oder M4, oder der Sektor S, also S1, S2, S3 und/oder S4, zumindest überwiegend Öffnungen aufweist, die jeweils als Ausnehmung der Wand, mithin flügelfrei bzw. ausformungsfrei ausgebildet sind, und/oder dass die jeweilige Stufe M oder der Sektor S zumindest überwiegend Öffnungen aufweist, die als Ausformung der Gehäusewand ausgebildet sind, wobei der ausgeformte Teil der Wand zumindest teilweise einen Flügel bildet. Sowohl Flügel als auch Löcher sind für eine gute Einmischung dienlich. Dies trifft auch für eine Kombination beider Ausführungen zu. Alles was abweichend von einem reinen Loch in der Gehäusewand einen verbleibenden Wandteil mit anderem Radius als die Gehäusewand selbst aufweist, wird als Flügel bezeichnet. Auf Größe und Anzahl der freistehenden Flügelkanten kommt es demnach nicht an.
Die Flügel können auch gegenläufig ausgerichtet sein. Die Flügelform kann beliebig ausgebildet sein. Die Flügel sind zumindest teilweise nach außen gestellt, können aber auch zumindest teilweise nach innen in das Rohrinnere gestellt sein. Die Flügel können ein-, zwei- oder dreiseitig freigestellt sein. Auch die Größe der Flügel kann von der Größe der Ausformung abweichen.
Die Querschnittsform der Gehäusewand kann kreisrund, oval oder sonst wie rund ausgebildet sein. Eckige Formen sind dagegen wegen der Strömungsführung in Umfangsrichtung nachteilig. Die Gehäusewand kann auch zwei- oder mehrteilig ausgebildet sein.
Die Anordnung der Reihen über den Umfang U bezeichnet zunächst nur die Tatsache, dass die Reihe eine Richtungskomponente in Umfangsrichtung UR aufweist. Die Reihe kann daher auch spiralförmig verlaufen. Zur Begründung einer Stufe ist eine Öffnung für eine Reihe ausreichend. Da mindestens zwei Stufen gefordert werden, sind auch mindestens zwei Öffnungen vorgesehen, die jeweils eine Reihe bzw. Stufe bilden. Mehre Stufen gleicher Ordnung werden als Sektor bezeichnet.
Die Stirnwand ist meist mit Bezug zur Längsachse L endseitig angeordnet. Sie kann aber auch eingerückt platziert sein, so dass die Gehäusewand bzw. das Abgasmischrohr endseitig über die Stirnwand übersteht. Die Stirnwand ist am Abgasmischrohr angeschweißt oder eingepresst und dient auch zur mittel- oder unmittelbaren Aufnahme der Düse.
Das Abgasmischrohr kann zumindest im Bereich aller Sektoren oder zumindest im Bereich einzelner Sektoren zylindrisch oder konisch bzw. kegelmantelförmig ausgebildet sein.
Als Öffnungsquerschnitt wird ungeachtet etwaiger Flügel oder Ausformungen der kleinste effektive Strömungsquerschnitt der Öffnung bezeichnet.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Flügel eine Flügelachse aufweist, die parallel zur Längsachse L verläuft oder die tangential zum Umfang U verläuft oder die mit der Längsachse L in einer gemeinsamen Ebene E angeordnet ist. Die Flügel können längs zum Abgasmischrohr oder quer zum Abgasmischrohr angestellt bzw. angelenkt werden. Dies gilt auch für konisch geformte Rohre.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn der Sektor S1 eine Summe SQ1 der Öffnungsquerschnitte Q1 mit SQ1 <= x1 SQ, mit 0,05 <= x1 <= 0,25 aufweist. Ergänzend zu den kleineren Öffnungsquerschnitten ist die Öffnungsgröße insgesamt reduziert, damit der Spüleffekt noch besser zum Tragen kommt.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Sektor S1 aus maximal drei, vier oder fünf Stufen M1 gebildet ist und/oder dass der Sektor S2 aus maximal zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun oder zehn Stufen M2 gebildet ist. Ergänzend kann es vorteilhaft sein, wenn mindestens einer der beiden Sektoren S1, S2 mindestens zwei Stufen M1, M2 aufweist.
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn mindestens ein weiterer Sektor S3 mit mindestens einer Stufe M3 dritter Ordnung, mit einem mittleren Öffnungsquerschnitt Q3 und mit einer Summe SQ3 der Öffnungsquerschnitte Q3 mit SQ3 <= x2 SQ, mit 0,05 <= x2 <= 0,35 vorgesehen ist. Die Variation der Öffnungsquerschnitte insgesamt führt zu einem guten Einmischergebnis.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn die Öffnungen der Stufe M3 einen mittleren Abstand r3 zur Längsachse L aufweisen und die Öffnungen der Stufe M2 einen mittleren Abstand r2 zur Längsachse L aufweisen mit
r3 >= 1,05 r2. Somit kann durch den Sektor S3 eine Mantelströmung erreicht werden, die sich um die Grundströmung herum anordnet, so dass die Grundströmung sozusagen geschützt wird. Somit werden Wandablagerungen im weiteren Strömungsverlauf verhindert. Der Abstand r3, r2 zur Längsachse L entspricht dem halben Durchmesser DS2, DS3 und bezeichnet einen mittleren Abstand und bezieht sich auf einen fiktiven Mittelpunkt der jeweiligen Öffnung.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn mindestens ein weiterer Sektor S4 vorgesehen ist mit mindestens einer Stufe M1, M2 und/oder M3, wobei der Sektor S4 zwischen dem Sektor S2 und dem Sektor S3 angeordnet ist. Durch den weiteren Sektor S4 wird eine vermehrte Einmischung erreicht.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn das Abgasmischrohr im Bereich des Sektors S1 einen mittleren Durchmesser DS1 aufweist und der Sektor S1 zu der Stirnwand einen maximalen Abstand AS1 mit AS1 <= y1 DS1, mit 0 <= y1 <= 0,3 oder 0 <= y1 <= 0,2 aufweist. Durch die Anordnung des Sektors S1 nahe der Stirnwand, in der die Düse angeordnet ist, wird der vorstehend genannte Spüleffekt, mithin die Vermeidung von Rückströmungen erreicht und gefördert. Der Abstand AS1 bzw. AS2 bezieht sich auf den der Stirnwand zugewandten Teil der jeweiligen Öffnung bzw. Stufe bzw. auf das der Öffnung zugewandte Ende der Stirnwand.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Öffnungsquerschnitt Q2 oder Q3 über einen der Strömung zuwendbaren ersten Teilumfang Ua von 100° bis 180° einen Wert qa aufweist und über einen mit Bezug zur Längsachse L gegenüberliegenden Teilumfang Ub von 100° bis 180° einen Wert qb mit 1,1 qa <= qb aufweist. Durch Variation des Öffnungsquerschnitts über den Umfang kann den dynamischen Strömungsverhältnissen rund um das Abgasmischrohr Rechnung getragen werden. Die vom Abgas angeströmte Seite mit höherem dynamischen Druck weist eine geringere Öffnungsrate auf als die dem Abgasstrom abgewandte Seite, so dass insgesamt eine möglichst gleichmäßige Einströmung in das Abgasmischrohr erreicht wird.
Dabei kann es von Vorteil sein, wenn die Öffnungen und/oder die Flügel der jeweiligen Michstufe M1, M2, M3 mit Bezug zu der Richtung der Längsachse L versetzt zueinander angeordnet sind. Durch die versetzte Anordnung wird eine schraubenförmige Anordnung der Flügel bzw. Öffnungen erreicht, was sich positiv auf die einströmenden Verhältnisse auswirken kann. Die Größe der Flügel und der Öffnungen kann mit Bezug zur Richtung der Längsachse L auch variieren wie in den Ausführungsbeispielen gezeigt.
Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn das Abgasmischrohr zumindest im Bereich eines Rohranfangs und/oder eines Rohrendes in Bezug auf Durchmesser und/oder Querschnittsform kalibriert ist. Durch Kalibrierung wird erreicht, dass das Abgasmischrohr einfach verbunden bzw. angekoppelt werden kann, sowohl mit einer Stirnwand bzw. einem Einspritzdüsenkörper als auch mit dem weiteren Abgasgehäuse bzw. einem Auslassstutzen. Die Kalibrierung gewährleistet eine Einpressung der genannten Bauteile.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn das Abgasmischrohr im Bereich des Sektors S1 einen mittleren Durchmesser DS1 und im Bereich des Sektors S2 einen mittleren Durchmesser DS2 aufweist, wobei DS1 = DS2 oder der Durchmesser DS1 maximal 5 % - 10 % von Durchmesser DS2 abweicht. Vorzugsweise sind beide Sektoren S1, S2 in etwa auf demselben Durchmesser angeordnet. Eine Abweichung von 5 % - 10 % kann hierzu dienlich sein.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Einlassöffnung einen Einströmquerschnitt T mit 0,8 SQ <= T <= 4SQ aufweist. Das Verhältnis zwischen dem Einströmquerschnitt T und der Summe aller Querschnittsöffnungen SQ sollte vorzugsweise in dem vorstehend genannten Bereich liegen, um einerseits die Strömungsverluste zu minimieren und andererseits eine ausreichende Einmischung zu gewährleisten.
Auch kann es von Vorteil sein, wenn [16] zwischen dem Rohrende des Abgasmischrohres und der Auslassöffnung ein Ringspalt mit einem Öffnungsquerschnitt QR mit QR <= x3 SQ, mit 0,05 <= x3 <= 0,35 vorgesehen ist. Der Ringspalt kann alternativ zu dem Sektor S3, der gegenüber dem Sektor S2 einen erhöhten Durchmesser DS3 aufweist, angewendet werden. Durch den Ringspalt wird ebenfalls eine Mantelströmung zur Verfügung gestellt, die die Kernströmung im Abgasmischrohr schützt.
Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn das Abgasmischrohr am Rohranfang und/oder am Rohrende eine konische Aufweitung aufweist. Durch die konische Aufweitung wird der vorgenannte Manteleffekt unterstützt.
Letztlich kann es von Vorteil sein, wenn eine Düse mit einer Austrittsöffnung zum Einbringen von Additiv vorgesehen ist, wobei das Abgasmischrohr im Bereich des Sektors S1 einen mittleren Durchmesser DS1 aufweist und die Austrittsöffnung zu der Stirnwand einen maximalen Abstand ADA mit ADA <= y2 DS1, mit 0,4 <= y2 <= 0,8 oder y2 = 0,5 aufweist. Korrespondierend zu dem Abstand des Sektors S1 ist die Anordnung der Düse bzw. deren vorderster Austrittsöffnung im nahen Bereich der Stirnwand vorteilhaft. Die Austrittsöffnung kann dabei innerhalb des Abgasmischrohres angeordnet sein oder auch dem Abgasmischrohr vorgelagert, mithin also vor der Stirnwand mit Bezug auf die Strömungsrichtung angeordnet sein.
Vorteilhaft kann sein, wenn das Abgasmischrohr im Bereich des Sektors S1 einen mittleren Durchmesser DS1 und im Bereich des Sektors S2 einen mittleren Durchmesser DS2 aufweist und die jeweiligen Sektoren in Richtung der Längsachse L mit einem Abstand AS2 mit DS2 <= 5AS2 oder DS1 <= 5AS2 und 2 AS2 <= DS1 oder 2 AS2 <= DS2 zueinander angeordnet sind.
Vorteilhaft kann sein, wenn die Öffnungen und/oder die Flügel der jeweiligen Stufe M1, M2 mit Bezug zu einer Umfangsrichtung UR unterschiedlich groß ausgebildet sind.
Vorteilhaft kann zudem sein, wenn das Abgasmischrohr am Rohrende über maximal drei oder vier Haltestege im Bereich der Auslassöffnung am Mischergehäuse befestigt ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:

1 bis 10 verschiedenste Ausführungsformen des Abgasmischrohres 1;
11 eine Prinzipskizze zum Öffnungsquerschnitt;
12 eine Prinzipskizze eines Abgasmischers;
13 eine Prinzipskizze einer Abgasanlage.

Gemein ist allen Ausführungsformen eines Abgasmischrohres 1 eine Gehäusewand 1.1 mit mehreren Reihen 1.3 von Öffnungen 1.2, einer Stirnwand 2 am Rohranfang 1.7 und ein offenes Ende am Rohrende 1.6. Zudem ein erster Sektor S1 mit zwei Reihen 1.3 von Öffnungen 1.2 mit einem mittleren Öffnungsquerschnitt Q1, mithin zwei Stufen M1 erster Ordnung. Die Öffnungen 1.2 sind jeweils als flügelfreie Ausnehmung der Gehäusewand 1.1 ausgebildet. Die Summe aller Öffnungsquerschnitte Q1 eines Sektors S1 ist SQ1. Die Summe aller Öffnungsquerschnitte Q aller Öffnungen 1.2 aller Reihen 1.3 des Abgasmischrohres 1 ist SQ. Für das Verhältnis von SQ1 zu SQ gilt zunächst SQ1 <= 0,15 SQ.
Die Gehäusewand 1.1 weist einen Durchmesser DS1 auf, der dem doppelten Abstand zu einer Längsachse L entspricht (siehe 9, 9a). Der Sektor S1 weist zur Stirnwand 2 einen Abstand AS1 mit AS1 <= 0,2 DS1 auf.
Für alle Ausführungsformen des Abgasmischrohres 1 ist ein zweiter Sektor S2 mit mehreren Stufen M2 gebildet aus mehreren Reihe 1.3 von Öffnungen 1.2 mit einem mittleren Öffnungsquerschnitt Q2 vorgesehen. Die Summe aller Öffnungsquerschnitte Q2 des Sektors S2 ist SQ2. Während es sich bei den Ausführungsformen 1, 3 - 6, 8 und 9 um Öffnungen 1.2 handelt, die als Ausformung der Gehäusewand 1.1 ausgebildet sind, wobei der ausgeformte Teil der Gehäusewand 1.1 einen Flügel 1.4 bildet, ist bei den Ausführungsformen 10 und 11 die jeweilige Öffnung 1.2 als Ausnehmung der Gehäusewand 1.1 flügelfrei ausgebildet. Bei den Ausführungsformen 2 und 7 handelt es sich um eine gemischte Variante von Öffnungen 1.2. Die jeweilige Reihe 1.3 ist gebildet aus Ausformungen mit Flügel 1.4 einerseits und dazwischen angeordneten Ausnehmungen andererseits. In diesem Fall ist in Sektor S2 der mittlere Öffnungsquerschnitt Q2 der Quotient gebildet aus der Summe der Öffnungsquerschnitte Q einer Reihe 1.3 dividiert durch die Anzahl der Öffnungen 1.2 dieser Reihe 1.3.
Für die Ausführungsformen 1 bis 7 und 9 kommt als dritter Sektor S3 eine Stufe M3 mit einer Reihe 1.3 von Öffnungen 1.2 mit einem mittleren Öffnungsquerschnitt Q3 in Betracht. Letztere in Verbindung mit einer konischen Aufweitung 1.9 des Abgasmischrohres 1 am Rohrende 1.6, so dass ein vergrößerter Durchmesser DS3 gemäß Schnittdarstellung 9a erreicht wird. Der Durchmesser DS3 sowie dessen Verhältnis zu einem Durchmesser DS2 betreffend die jeweilige Öffnung 1.2 des Sektors S2 ist in 9a, eine Schnittdarstellung A-A aus 9, dargestellt. Für das Verhältnis von SQ3 zu SQ gilt zunächst SQ3 <= 0,2 SQ.
Die Ausführungsformen gemäß den 8, 10 und 12 weisen alternativ zu den Öffnungen 1.2 einen endseitigen Ringspalt 5 auf. Dieser wird nach 12 durch eine Auslassöffnung 4.2 bzw. einen Auslassstutzen eines Mischergehäuses 4 begrenzt. In Umfangsrichtung sind drei Haltestege 1.8, die am Rohrende 1.6 anschließen, vorgesehen, die nach 12 mit einer Auslassöffnung 4.2 eines Mischergehäuses 4 verbunden sind. Am Rohrende 1.6 ist nach 10 eine konische Aufweitung 1.9 vorgesehen, an die die Haltestege 1.8 anschließen.
Nach Ausführungsform 2 sind innerhalb des Sektors S2 zwei Stufen M5, M6 mit jeweils unterschiedlichen Öffnungsquerschnitt Q5, Q6 vorgesehen. Hierbei handelt es sich um Öffnungen 1.2, die jeweils als flügelfreie Ausnehmung der Gehäusewand 1.1 ausgebildet sind. Die beiden Stufen M5, M6 sind bei der Ermittlung des Öffnungsquerschnitts SQ2 nicht zu berücksichtigen, so dass für den Sektor S2 mit den beiden Stufen M5, M6 ein gesonderter Wert für die Summe der Öffnungsquerschnitte zu ermitteln ist.
Nach den Ausführungsformen 4, 6 und 7 ist ein Sektor S4 vorgesehen, der jeweils mit deutlichem Abstand zwischen den Sektoren S2 und S3 angeordnet ist. Der Sektor S4 weist nach 4 sechs Stufen M4, nach 6 drei Stufen M4 und nach 7 zwei Stufen M4 mit jeweils einem Öffnungsquerschnitt Q4 auf. Bei den beiden Ausführungsformen 4 und 6 sind die Stufen M4 unmittelbar nebeneinander angeordnet. Nach 7 ist zwischen den beiden Stufen M4 die Stufe M5 vorgesehen. Während es sich bei dem Sektor S4 um Öffnungen 1.2 handelt, die jeweils als flügelfreie Ausnehmung der Gehäusewand 1.1 ausgebildet sind, handelt es sich bei der Stufe M5 um Öffnungen, die als Ausformung der Gehäusewand 1.1 ausgebildet sind, wobei der ausgeformte Teil der Gehäusewand 1.1 den Flügel 1.4 bildet. Für den Sektor S4 mit der Stufe M5 ist ein gesonderter Wert für die Summe der Öffnungsquerschnitte zu ermitteln.
Nach Ausführungsform 6 ist im Bereich des Sektors S4 ein umlaufender Einlauftrichter 8 vorgesehen, über den die Abgasströmung dem Sektor S4 zugeführt wird.
Nach 7 verläuft eine Flügelachse 1.5 der Flügel 1.4 im Wesentlichen in tangentialer Richtung zur Längsachse L. Nach 8 ist die Gehäusewand 1.1 im Bereich des Sektors S2 konisch ausgebildet, mithin verläuft die Flügelachse 1.5 der Flügel 1.4 nicht parallel zur Längsachse L. Die jeweilige Flügelachse 1.5 und die Längsachse L sind jedoch in einer gemeinsamen Ebene E angeordnet.
Nach 10, 10a ist der Öffnungsquerschnitt Q2 über einen der Abgasströmung zuwendbaren ersten Teilumfang Ua von etwa 180° halb so groß wie ein Öffnungsquerschnitt Q2 eines mit Bezug zur Längsachse L gegenüberliegenden Teilumfangs Ub von etwa 180°. Somit wird dem dynamischen Druckgefälle der Anströmung Rechnung getragen. 10a zeigt eine leicht zentrische Ansicht B-B aus 10. Die Variation des Öffnungsquerschnitts Q bzw. der Öffnungsdichte im unteren Teilumfang Ub, wie in 10 in der Seitenansicht zu sehen, ist in 10a perspektivisch und dem Prinzip nach durch die Schraffurdichte auf der Gehäusewand 1.1 dargestellt.
11 zeigt exemplarisch den Öffnungsquerschnitt Q, der definitionsgemäß die kleinste Durchtrittsöffnung ist. Während bei einer Ausnehmung 1.2, mithin einem einfachen Loch (linke Variante) die Definition des Öffnungsquerschnitts Q eindeutig ist, kann es sich bei Anwendung eines Flügels 1.4 je nach Anstellwinkel unterschiedlich verhalten. Bei stark angestellten Flügeln 1.4 (mittlere Variante) kommt wohl ebenfalls der Öffnungsquerschnitt Q der Ausnehmung 1.2 in Betracht, denn der dreiseitig umlaufende Flügelspalt wird größer sein als die Flügelfläche. Bei einem flach angestellten Flügel 1.4 (rechte Variante) kommt hingegen der umseitige bzw. dreiseitig umlaufende Flügelspalt als kleinster Öffnungsquerschnitt Q in Betracht, denn die Ausformung selbst, hier die Flügelfläche, wird größer sein.
Bei einem Abgasmischer 3 nach 12 ist das Mischergehäuse 4 mit einer Einlassöffnung 4.1 bzw. einem Einlassstutzen und einer Auslassöffnung 4.2 bzw. einem Auslassstutzen versehen. Die Einlassöffnung 4.1 weist einen Einströmquerschnitt T mit 1,3 SQ <= T <= 1,5 SQ auf. An den Auslassstutzen 4.2 angeschlossen ist das Abgasmischrohr 1. Der Anschluss erfolgt über die genannten Haltestege 1.8 am Rohrende 1.6, die den genannten Ringspalt 5 gewährleisten. Aufgrund der konischen Aufweitung 1.9 des Abgasmischrohres 1 bzw. dem vergrößerten Durchmesser der Auslassöffnung 4.2 kann eine Mantelströmung des austretenden Abgases im Auslassstutzen 4.2 gewährleistet werden. Die Mantelströmung umgibt die durch das Abgasmischrohr 1 austretende Strömung, so dass ein Niederschlag am Auslassstutzen 4.2 bzw. an einer Rohrwand verhindert wird. Der Ringspalt 5 weist einen Öffnungsquerschnitt QR auf, wobei zunächst gilt: QR <= 0,2 SQ.
Im Bereich der Stirnwand 2 ist eine Einspritzdüse 2.1 mit einer Austrittsöffnung 2.2 vorgesehen. Die Austrittsöffnung 2.2 weist einen gezeigten Abstand ADA zur Stirnwand 2 mit ADA <= 0,5 DS1 auf.
13 zeigt im Prinzip eine Brennkraftmaschine 6 mit einer Abgasanlage 7, in der ein Abgasmischer 3 angeordnet ist, dem eine Abgasnachbehandlungseinheit 7.1 folgt.
Alle vorgenannten Varianten für die Ausbildung der Sektoren S1, S2, S3, S4 bzw. weiterer Sektoren S5 und S6 mit mehreren Mischstufen M5, M6 sowie die Anzahl und die Ordnung der Mischstufen M1, M2, M3, M4, M5, M6 selbst sind beispielhaft und kommen auch in anderen Kombinationen der beschriebenen Varianten in Betracht.
Bezugszeichenliste

1: Abgasmischrohr
1.1: Gehäusewand
1.2: Öffnung, Ausnehmung
1.3: Reihe
1.4: Flügel
1.5: Flügelachse
1.6: Rohrende
1.7: Rohranfang
1.8: Haltesteg
1.9: Aufweitung
2: Stirnwand
2.1: Einspritzdüse, Düse
2.2: Austrittsöffnung
3: Abgasmischer
4: Mischergehäuse
4.1: Einlassöffnung
4.2: Auslassöffnung
5: Ringspalt
6: Brennkraftmaschine
6.1: Austrittsöffnung
7: Abgasanlage
7.1: Abgasnachbehandlungseinrichtung
8: Einlauftrichter
ADA: Abstand von 6.1
AS1: Abstand S1, S2
AS2: Abstand zwischen S1 und S2
DS1: Durchmesser bei S1
DS2: Durchmesser bei S2
DS3: Durchmesser bei S3
E: Ebene
f: Faktor
L: Längsachse
i: Faktor
k: Faktor
M: Stufe
M1: Stufe
M2: Stufe
M3: Stufe
M4: Stufe
M5: Stufe
M6: Stufe
Q: Öffnungsquerschnitt
Q1: Öffnungsquerschnitt von M1
Q2: Öffnungsquerschnitt von M2
Q3: Öffnungsquerschnitt von M3
Q4: Öffnungsquerschnitt von M4
Q5: Öffnungsquerschnitt von M5
Q6: Öffnungsquerschnitt von M6
QR: Öffnungsquerschnitt von 5
qa: Wert
qb: Wert
r2: Abstand, Radius
r3: Abstand, Radius
S1: Sektor
S2: Sektor
S3: Sektor
S4: Sektor
S5: Sektor
S6: Sektor
SQ: Summe Q
SQ1: Summe Q1 von S1
SQ2: Summe Q1 von S2
SQ3: Summe Q3 von S3
SQ4: Summe Q4 von S4
T: Einströmquerschnitt von 4.1
U: Umfang
Ua: Teilumfang
Ub: Teilumfang
UR: Umfangsrichtung
x1: Faktor
x2: Faktor
x3: Faktor
y1: Faktor
y2: Faktor

Claims

Abgasmischrohr (1) zum Einmischen mindestens eines Additivs in einen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine (6) mit einer eine Längsachse L aufweisenden und im Querschnitt runden Gehäusewand (1.1) und einer Stirnwand (2), an der eine Einspritzdüse (2.1) platziert ist, über die das einzumischende Additiv einspritzbar ist, wobei die Gehäusewand (1.1) mehrere über einen Umfang U angeordnete Reihen (1.3) von Öffnungen (1.2) aufweist, durch die Abgas von einer Außenseite des Abgasmischrohres (1) in das Innere des Abgasmischrohres (1) strömen kann, wobei mehrere Öffnungen (1.2) einer Reihe (1.3) jeweils eine Stufe M bilden und wobei die jeweilige Stufe M ihrer Größe nach gekennzeichnet ist durch den mittleren Öffnungsquerschnitt Q der Öffnungen (1.2), wobei die Summe aller Öffnungsquerschnitte Q aller Öffnungen (1.2) aller Reihen (1.3) des Abgasmischrohres (1) gleich SQ ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stufe erster Ordnung, die Stufe M1, vorgesehen ist, wobei die Stufe M1 Öffnungen (1.2) mit einem mittleren Öffnungsquerschnitt Q1 aufweist, und dass zudem vorgesehen ist mindestens eine Stufe zweiter Ordnung, die Stufe M2, wobei die Stufe M2 Öffnungen (1.2) mit einem mittleren Öffnungsquerschnitt Q2 mit Q2 >= f Q1, mit 5 <= f <= 25 aufweist, und dass ein erster Sektor S1 vorgesehen ist, der als Spülsektor ausgebildet ist und aus mindestens der einen Stufe M1 gebildet ist, und dass ein zweiter Sektor S2 vorgesehen ist, der als Mischsektor ausgebildet ist und aus mindestens der einen Stufe M2 gebildet ist, wobei in Richtung der Längsachse L nach der Stirnwand (2) zunächst der erste Sektor S1 und danach der zweite Sektor S2 platziert ist.
Abgasmischrohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe M oder der Sektor S zumindest überwiegend Öffnungen (1.2) aufweist, die jeweils als Ausnehmung der Gehäusewand (1.1) ausgebildet sind, und/oder dass die Stufe M oder der Sektor S zumindest überwiegend Öffnungen (1.2) aufweist, die als Ausformung der Gehäusewand (1.1) ausgebildet sind, wobei der ausgeformte Teil der Gehäusewand (1.1) zumindest teilweise einen Flügel (1.4) bildet.
Abgasmischrohr (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (1.4) eine Flügelachse (1.5) aufweist, die parallel zur Längsachse L verläuft oder die tangential zum Umfang U verläuft oder die mit der Längsachse L in einer gemeinsamen Ebene E angeordnet ist.
Abgasmischrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sektor S1 eine Summe SQ1 der Öffnungsquerschnitte Q1 mit SQ1 <= x1 SQ, mit 0,05 <= x1 <= 0,25 aufweist.
Abgasmischrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sektor S1 aus maximal drei bis fünf Stufen M1 gebildet ist und/oder dass der Sektor S2 aus maximal 2 bis 10 Stufen M2 gebildet ist.
Abgasmischrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Sektor S3 mit mindestens einer Stufe M3 dritter Ordnung, mit einem mittleren Öffnungsquerschnitt Q3 und mit einer Summe SQ3 der Öffnungsquerschnitte Q3 mit SQ3 <= x2 SQ, mit 0,05 <= x2 <= 0,35 vorgesehen ist.
Abgasmischrohr (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (1.2) der Stufe M3 einen mittleren Abstand r3 zur Längsachse L aufweisen und die Öffnungen (1.2) der Stufe M2 einen mittleren Abstand r2 zur Längsachse L mit r3 >= 1,05 r2 aufweisen.
Abgasmischrohr (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Sektor S4 vorgesehen ist mit mindestens einer Stufe M1, M2 und/oder M3, wobei der Sektor S4 zwischen dem Sektor S2 und dem Sektor S3 angeordnet ist.
Abgasmischrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasmischrohr (1) im Bereich des Sektors S1 einen mittleren Durchmesser DS1 aufweist und der Sektor S1 zu der Stirnwand (2) einen maximalen Abstand AS1 mit AS1 <= y1 DS1, mit 0 <= y1 <= 0,3 oder 0 <= y1 <= 0,2 aufweist.
Abgasmischrohr (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt Q2 oder Q3 über einen der Strömung zuwendbaren ersten Teilumfang Ua von 100° bis 180° einen Wert qa aufweist und über einen mit Bezug zur Längsachse L gegenüberliegenden Teilumfang Ub von 100° bis 180° einen Wert qb mit 1,1 qa <= qb aufweist.
Abgasmischrohr (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (1.2) und/oder die Flügel (1.4) der jeweiligen Stufe M1, M2, M3 mit Bezug zu der Richtung der Längsachse L versetzt zueinander angeordnet sind.
Abgasmischrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasmischrohr (1) zumindest im Bereich eines Rohranfangs (1.7) und/oder eines Rohrendes (1.6) in Bezug auf Durchmesser und/oder Querschnittsform kalibriert ist.
Abgasmischrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasmischrohr (1) im Bereich des Sektors S1 einen mittleren Durchmesser DS1 und im Bereich des Sektors S2 einen mittleren Durchmesser DS2 aufweist, wobei DS1 = DS2 oder der Durchmesser DS1 maximal 5 % - 10 % von Durchmesser DS2 abweicht.
Abgasmischer (3) bestehend aus einem Abgasmischrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Mischergehäuse (4), wobei das Mischergehäuse (4) eine Einlassöffnung (4.1) und eine Auslassöffnung (4.2) für Abgas aufweist und das Abgasmischrohr (1) mit dem der Stirnwand (2) gegenüberliegenden Rohrende (1.6) an der Auslassöffnung (4.2) platziert ist.
Abgasmischer (3) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (4.1) einen Einströmquerschnitt T mit 0,8 SQ <= T <= 4SQ aufweist.
Abgasmischer (3) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rohrende (1.6) des Abgasmischrohres (1) und der Auslassöffnung (4.2) ein Ringspalt (5) mit einem Öffnungsquerschnitt QR mit QR <= x3 SQ, mit 0,05 <= x3 <= 0,35 vorgesehen ist.
Abgasmischer (3) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasmischrohr (1) am Rohranfang (1.7) und/oder am Rohrende (1.6) eine konische Aufweitung (1.9) aufweist.
Abgasmischer (3) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düse (2.1) mit einer Austrittsöffnung (2.2) zum Einbringen von Additiv vorgesehen ist, wobei das Abgasmischrohr (1) im Bereich des Sektors S1 den mittleren Durchmesser DS1 aufweist und die Austrittsöffnung (2.2) zu der Stirnwand (2) einen maximalen Abstand ADA mit ADA <= y2 DS1, mit 0,4 <= y2 <= 0,8 oder y2 = 0,5 aufweist.
Abgasanlage (7) für eine Brennkraftmaschine (6) mit einem Abgasmischer (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer in Strömungsrichtung des Abgases nachgeschalteten Abgasnachbehandlungseinrichtung (7.1) wie ein DPF und/oder ein SCR.