DE102018107690A1 - Mischer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Mischer 1 zum Mischen eines Abgasstroms mit einem Gehäuse 6 zum Leiten von Abgas in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, wobei der Mischer 1 eine um eine Mittelachse M herum angeordnete Struktur mit zwei umlaufend geschlossenen Trägern 2, 4 und mindestens zwei um die Mittelachse M herum angeordnete und an den Trägern 2, 4 form- und/oder stoffschlüssig befestigte Leitelemente 3 aufweist und die Leitelemente 3 in einem Raum positioniert sind, der durch zwei fiktive kegel- oder zylinderförmige Flächen E1, E2 begrenzt ist, die konzentrisch und zueinander beabstandet zur Mittelachse M verlaufen. Es sollen bei gleicher Geometrie der Bauteile unterschiedliche und komplexe Mischerstrukturen erreicht werden und gleichzeitig soll Material und damit Gewicht eingespart werden. Jedes Leitelement 3 ist als einzelnes und separates Bauteil hergestellt und das jeweilige Leitelement 3 ist mit einem ersten Ende 3a am ersten Träger 2 und das jeweilige zweite, dem ersten Ende 3a gegenüberliegende Ende 3b an einem zweiten Träger 4 befestigt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Mischer zum Mischen eines Abgasstroms mit einem Gehäuse zum Leiten von Abgas in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine. Insbesondere ein Mischer zum Mischen eines Reduktionsmittels wie beispielsweise Harnstoff, der dampfförmig oder in feine Tröpfchen zerstäubt in den Abgasstrom eingebracht wird, ist Gegenstand dieser Erfindung. Der Mischer weist eine um eine Mittelachse herum angeordnete Struktur mit zwei umlaufend geschlossenen Trägern und mindestens zwei um die Mittelachse herum angeordnete und an den Trägern form- und/oder stoffschlüssig befestigte Leitelemente auf, wobei die Leitelemente in einem Raum positioniert sind, der durch zwei fiktive kegel- oder zylinderförmige Flächen begrenzt ist, die konzentrisch und zueinander beabstandet zur Mittelachse verlaufen.
  • Es ist bereits ein statischer Mischer zum Mischen eines Reduktionsmittels aus der WO 2015/020820 A1 bekannt, bei dem die Leitelemente über einen Träger um eine Mittelachse umlaufend angeordnet sind. Dabei sind die Leitelemente als Teil des Trägers aus dem Träger teilweise ausgeschnitten und durch einen plastischen Formprozess gegenüber dem Träger angestellt. Die Leitelemente und der Träger sind ein und dasselbe Bauteil.
  • Aus der US 8,061,890 B2 ist ein statischer Mischer bekannt, bei dem die Leitelemente vom Träger separate Bauteile bilden und in den Träger eingesetzt sind. Dabei sind die Leitelemente bezüglich einer Mittelebene des statischen Mischers parallel oder rechtwinklig positioniert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen statischen Mischer derart auszubilden und anzuordnen, dass bei gleicher Geometrie der Bauteile unterschiedliche und komplexe Mischerstrukturen erreicht werden und gleichzeitig Material und damit Gewicht eingespart wird.
  • Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass jedes Leitelement als einzelnes und separates Bauteil hergestellt ist und das jeweilige Leitelement mit einem ersten Ende am ersten Träger und das jeweilige zweite, dem ersten Ende gegenüberliegende Ende an einem zweiten Träger befestigt ist.
  • Hierdurch werden komplexe Designs des Mischers ohne große Werkzeugkosten möglich, weil die einzelnen Leitelemente individuell durch einfaches Stanzen von Blech oder durch Drucken gefertigt und einzeln zum Träger ausgerichtet werden können und dadurch wiederum eine individuelle Anpassung an die jeweiligen Strömungsanforderungen im Gehäuse ermöglicht wird. Der statische Mischer kann dadurch mit immer den gleichen Bauteilen an verschiedene Geometrien der Gehäuse angepasst werden, in die er eingesetzt wird.
  • Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn das jeweilige Leitelement eine Längsachse aufweist und die Leitelemente bezüglich der jeweiligen Längsachse in einem Winkel α zwischen 0° und 90°°, insbesondere in einem Winkel zwischen 15° und 38°, zur Mittelachse angestellt sind. Dadurch kann jede beliebige symmetrische aber auch unsymmetrische Geometrie erreicht werden. Je nach Gestaltung ist hierzu vorgesehen, nur einen Teil des Leitelements zwischen den beiden Enden entsprechend anzustellen, damit sich der übrige Teil des Leitelements in axialer Richtung zur Mittelachse von einem zum anderen Träger erstreckt.
  • Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn mindestens zwei Leitelemente oder alle Leitelemente geometrisch identisch sind und/oder 8 bis 12 Leitelemente vorgesehen sind. Hierdurch wir eine einfache symmetrische Anordnung um die Mittelachse und eine einfache Herstellung erreicht. Die durch Anstellung bewirkte kegelförmige Geometrie hat einen gegenüber einer zylindrischen Anordnung geringeren Staudruck und erlaubt durch Variation des Winkels α eine Adaption an vorhandene Abgasgehäuse.
  • Vorteilhaft kann es auch sein, wenn der zweite Träger als Teil eines Gehäuses und/oder als separates Bauteil hergestellt ist und eine zur Mittelachse koaxiale Öffnung zum Einspritzen eines flüssigen oder gasförmigen Zusatzmittels aufweist. Bevorzugt wird ein Reduktionsmittel wie beispielsweise Harnstoff dampfförmig oder in feine Tröpfchen zerstäubt in den Abgasstrom eingebracht.
  • Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die beiden Träger koaxial zur Mittelachse angeordnet sind und jeweils eine oder mehrere zur Mittelachse koaxiale Anlageflächen aufweisen, wobei das jeweilige erste Ende der Leitelemente an der Anlagefläche des erster Trägers und das jeweilige zweite Ende an der Anlagefläche des zweiten Trägers durch Schweißpunkte oder durch Lötstellen befestigt ist. Hierdurch wird eine stabile und selbsttragende Struktur des statischen Mischers erreicht, ohne dass es weiterer Bauteile bedarf. Die beiden Träger bilden mit den Leitelementen eine Baueinheit, die in ein Gehäuse eingesetzt wird. Bevorzugt ist für den jeweiligen Träger eine einzige Anlagefläche vorgesehen, die den Träger rotationssymmetrisch zur Mittelachse umläuft.
  • Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn der zweite Träger als Flanschplatte für einen Injektor ausgebildet ist und eine koaxial zur Mittelachse angeordnete Öffnung für einen Injektor aufweist. Dadurch kann der statische Mischer als Aufnahme für den Injektor eingesetzt werden und verschließt gleichzeitig das Gehäuse im Bereich des Injektors.
  • Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn das Leitelement aus Blech geformt oder gestanzt oder durch Gießen oder Drucken hergestellt ist. Die Grundidee des statischen Mischers basiert auf einer einfachen Herstellung der einzelnen Leitelemente und einer äußerst variablen Anordnung derselben um die beiden Träger umlaufend. Hierzu hat sich neben dem Stanzen auch das Drucken der Leitelemente als kostengünstig und strömungstechnisch vielseitig herauskristallisiert.
  • Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn an den jeweiligen Enden der Leitelemente eine Befestigungsfläche vorgesehen ist, wobei die Befestigungsfläche am ersten Ende konzentrisch zu der Befestigungsfläche am zweiten Ende ausgerichtet ist und das Leitelement zwischen den beiden Befestigungsflächen eine von der Befestigungsfläche abweichende Flügelfläche als Strömungsleitfläche aufweist, die gegenüber der Befestigungsfläche zumindest teilweise um einen Winkel β bis 45°, insbesondere zwischen 15° und 35°, angestellt ist. Die in ihrer Krümmung um die Mittelachse an den Durchmesser der jeweiligen Auflagefläche angepassten Befestigungsflächen erlauben eine einfache Positionierung zum Befestigen an dem jeweiligen Träger.
  • Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn sich die Flügelflächen in Umfangsrichtung um die Mittelachse zumindest teilweise überdecken. Hierdurch wird einerseits eine intensive Vermischung ermöglicht und andererseits in Kombination mit der Anstellung der Flügelfläche um den Winkel β ein in Strömungsrichtung im Umfang zunehmender Drall erzeugt.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Gehäuse durch seine Formgebung eine Stömungsumlenkung des Abgasstroms derart erzeugt, dass die Strömungsrichtung des Abgasstroms stromauf des statischen Mischers im Wesentlichen rechtwinklig zur Mittelachse und stromab des statischen Mischers im Wesentlichen koaxial zur Mittelachse verläuft und der Injektor koaxial zur Mittelachse am ersten Träger angeordnet ist.
  • Ferner ist ein Verfahren zum Herstellen eines statischen Mischers für ein abgasführendes Gehäuse einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine zum Mischen des Abgasstroms mit folgenden Verfahrensschritten vorteilhaft:
    1. a) Herstellung zweier Träger mit jeweils einer zylinderförmigen Anlagefläche;
    2. b) Herstellung mehrerer einzelner Leitelemente separat von den Trägern mit jeweils einer Befestigungsfläche an jedem der beiden der Längsachse gegenüberliegenden Enden des jeweiligen Leitelements und mit einer als Strömungsprofil geformten Flügelfläche zwischen den beiden Enden, wobei die Befestigungsflächen an den beiden Enden konzentrisch zueinander ausgerichtet sind;
    3. c) form- und/oder stoffschlüssige Befestigung der Leitelemente an den beiden Trägern, wobei die Leitelemente um eine Mittelachse des statischen Mischers umlaufend positioniert sind und
    4. d) wobei sich die Flügelflächen in Umfangsrichtung um die Mittelachse teilweise überdecken und
    5. e) eine stabile selbsttragende Struktur des statischen Mischers ausschließlich durch die beiden Träger und die daran befestigten Leitelemente erreicht wird.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
    • 1 eine perspektivische Darstellung eines statischen Mischers mit einem ersten Träger, einem zweiten Träger und mehreren Leitelementen;
    • 2 einen statischen Mischer gemäß 1 in zusammengebautem Zustand;
    • 3 eine perspektivische Ansicht eines Leitelements und seiner geometrischen Anordnung bezüglich der Mittelachse und der Längsachse;
    • 4 eine Prinzipskizze eines statischen Mischers angeordnet in einem Gehäuse und gekoppelt mit einem Injektor.
  • Gemäß 1 umfasst ein gattungsgemäßer statischer Mischer 1 mehrere Leitelemente 3, die kegelförmig um eine Mittelachse M herum angeordnet sind. Hierzu sind die Leitelemente 3 in einem Raum positioniert, der durch zwei fiktive kegelförmige Flächen E1, E2 begrenzt ist, die konzentrisch und zueinander beabstandet zur Mittelachse M zu definieren sind.
  • Wie in 3 im Detail dargestellt weist jedes Leitelement 3 an jedem seiner beiden Enden 3a, 3b eine Befestigungsfläche 32 auf, mit der das Leitelement 3 an einem Träger 2, 4 durch Schweißen wie beispielsweise Punktschweißen oder durch Löten befestigt werden kann. Die beiden Befestigungsflächen 32 sind bezüglich der Mittelachse M koaxial zueinander angeordnet, wodurch sie einfach an eine Anlagefläche 21, 41 der Träger 2, 4 adaptierbar sind, die wie nachstehend beschrieben ebenfalls koaxial zueinander zur Mittelachse M angeordnet sind.
  • Zwischen den beiden Befestigungsflächen 32 des Leitelements 3 erstreckt sich in Richtung einer Längsachse 31 des Leitelements 3 eine Flügelfläche 33, die eine Strömungsdynamik zum Mischen des Abgasstroms erzeugt. Die Flügelfläche 33 ist gegenüber der jeweiligen Befestigungsfläche 32 um einen Winkel β angestellt, sodass ein auf der Flügelfläche 33 in Umfangsrichtung um die Mittelachse M vorhandener Strömungsfaden einen in radialer Richtung zur Mittelachse M gerichteten Strömungsvektor erfährt. Der innerhalb des Gehäuses von außen auf den statischen Mischer 1 zu strömende Abgasstrom strömt somit zumindest teilweise zwischen den einzelnen Leitelementen 3 hindurch und erfährt somit einen um die Mittelachse M umlaufenden Drall.
  • Die Leitelemente 3 sind mit ihren jeweiligen Enden 3a, 3b an einem ersten Träger 2 und an einem zweiten Träger 4 mittels Punktschweißung befestigt wie es in 2 dargestellt ist. Hierzu weisen die beiden Träger 2, 4 jeweils eine Anlagefläche 21, 41 auf, die beide koaxial zur Mittelachse M verlaufen und an denen die Leitelemente 3 befestigt sind.
  • Wie mit der Prinzipskizze gemäß 4 verdeutlicht, ist an dem ersten Träger 2 des statischen Mischers 1 ein Injektor 7 angeordnet, der ein mit dem Abgasstrom zu mischendes Reduktionsmittel über eine Öffnung 42 im ersten Träger 2 in das Gehäuse 6 einspritzt, in dem der statische Mischer 1 angeordnet ist. Das in rechtwinkliger Richtung auf den statischen Mischer 1 zuströmende Abgas wird unabhängig von dem Strömungseinfluss des statischen Mischers 1 durch das Gehäuse 6 um 90° umgelenkt, sodass sich der mit Reduktionsmittel angereicherte Abgasstrom in paralleler Richtung zur Mittelachse M vom statischen Mischer 1 weg bewegt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2015/020820 A1 [0002]
    • US 8061890 B2 [0003]

Claims (10)

  1. Statischer Mischer (1) zum Mischen eines Abgasstroms mit einem Gehäuse (6) zum Leiten von Abgas in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, wobei der Mischer (1) a) eine um eine Mittelachse (M) herum angeordnete Struktur mit zwei umlaufend geschlossenen Trägern (2, 4) und b) mindestens zwei um die Mittelachse (M) herum angeordnete und an den Trägern (2, 4) form- und/oder stoffschlüssig befestigte Leitelemente (3) aufweist und c) die Leitelemente (3) in einem Raum positioniert sind, der durch zwei fiktive kegel- oder zylinderförmige Flächen (E1, E2) begrenzt ist, die konzentrisch und zueinander beabstandet zur Mittelachse (M) verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass d) jedes Leitelement (3) als einzelnes und separates Bauteil hergestellt ist, e) das jeweilige Leitelement (3) mit einem ersten Ende (3a) am ersten Träger (2) und das jeweilige zweite, dem ersten Ende (3a) gegenüberliegende Ende (3b) an einem zweiten Träger (4) befestigt ist.
  2. Statischer Mischer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Leitelement (3) eine Längsachse (31) aufweist und die Leitelemente (3) bezüglich der jeweiligen Längsachse (31) in einem Winkel α zwischen 0° und 90°, insbesondere in einem Winkel zwischen 15° und 38°, zur Mittelachse (M) angestellt sind.
  3. Statischer Mischer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Leitelemente (3) oder alle Leitelemente (3) geometrisch identisch sind und/oder 8 bis 12 Leitelemente (3) vorgesehen sind.
  4. Statischer Mischer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiter Träger (4) als Teil eines Gehäuses (6) und/oder als separates Bauteil hergestellt ist und eine zur Mittelachse (M) koaxiale Öffnung (42) zum Einspritzen eines flüssigen oder gasförmigen Zusatzmittels aufweist.
  5. Statischer Mischer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Träger (2, 4) koaxial zur Mittelachse (M) angeordnet, jeweils eine oder mehrere zur Mittelachse (M) koaxiale Anlageflächen (21, 41) aufweisen, wobei das jeweilige erste Ende (3a) der Leitelemente (3) an der Anlagefläche (21) des erster Trägers (2) und das jeweilige zweite Ende (3b) an der Anlagefläche (41) des zweiten Trägers (4) durch Schweißpunkte (5) oder durch Lötstellen befestigt ist.
  6. Statischer Mischer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Träger (4) als Flanschplatte für einen Injektor (7) ausgebildet ist und eine koaxial zur Mittelachse (M) angeordnete Öffnung (42) für einen Injektor (7) aufweist.
  7. Statischer Mischer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den jeweiligen Enden (3a, 3b) der Leitelemente (3) eine Befestigungsfläche (32) vorgesehen ist, wobei die Befestigungsfläche (32) am ersten Ende (3a) konzentrisch zu der Befestigungsfläche (32) am zweiten Ende (3b) ausgerichtet ist und das Leitelement (3) zwischen den beiden Befestigungsflächen (32) eine von der Befestigungsfläche (32) abweichende Flügelfläche (33) als Strömungsleitfläche aufweist, die gegenüber der Befestigungsfläche (32) zumindest teilweise um einen Winkel β bis 45°, insbesondere zwischen 15° und 35°, angestellt ist.
  8. Statischer Mischer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Flügelflächen (33) in Umfangsrichtung um die Mittelachse (M) zumindest teilweise überdecken.
  9. Statischer Mischer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Injektor (7) angeordnet in einem Gehäuse (6) einer Abgasanlage, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) durch seine Formgebung eine Stömungsumlenkung des Abgasstroms derart erzeugt, dass die Strömungsrichtung (S) des Abgasstroms stromauf des statischen Mischers (1) im Wesentlichen rechtwinklig zur Mittelachse (M) und stromab des statischen Mischers (1) im Wesentlichen koaxial zur Mittelachse (M) verläuft und der Injektor (7) koaxial zur Mittelachse (M) am ersten Träger (2) angeordnet ist.
  10. Verfahren zum Herstellen eines statischen Mischers (1) für ein abgasführendes Gehäuse (6) einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine zum Mischen des Abgasstroms, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Herstellung zweier Träger (2, 4) mit jeweils einer zylinderförmigen Anlagefläche (21, 41); b) Herstellung mehrerer einzelner Leitelemente (3) separat von den Trägern (2, 4) mit jeweils einer Befestigungsfläche (32) an jedem der beiden der Längsachse (31) gegenüberliegenden Enden (3a, 3b) des jeweiligen Leitelements (3) und mit einer als Strömungsprofil geformten Flügelfläche (33) zwischen den beiden Enden (3a, 3b), wobei die Befestigungsflächen (32) an den beiden Enden (3a, 3b) konzentrisch zueinander ausgerichtet sind; c) form- und/oder stoffschlüssige Befestigung der Leitelemente (3) an den beiden Trägern (2, 4), wobei die Leitelemente (3) um eine Mittelachse (M) des statischen Mischers (1) umlaufend positioniert sind und d) wobei sich die Flügelflächen (33) in Umfangsrichtung um die Mittelachse (M) teilweise überdecken und e) eine stabile selbsttragende Struktur des statischen Mischers (1) ausschließlich durch die beiden Träger (2, 4) und die daran befestigten Leitelemente (3) erreicht wird.
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