DE19741199C2 - Statischer Mischer - Google Patents
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Abstract
Erfindungsgemäß wird als statischer Mischer im Strömungskanal (2) einer Abgasreinigungsanlage eines mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmotors ein Streckgitter (4) mit einer Anzahl von zwischen Stegen (22) gebildeten Maschen (24) eingesetzt. Durch die Verwendung des Streckgitters (4) wird bei gleichzeitig kurzer Mischstrecke sowohl eine gute Durchmischung des Abgases (A) mit einem Reduktionsmittel (R) als auch eine Strömungsrichtung, d. h. eine Ausrichtung der Strömung des Abgases (A) im Strömungskanal (2), erzielt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Mischer im
Strömungskanal einer Abgasreinigungsanlage eines mit Luft
überschuß betriebenen Verbrennungsmotors.
Zur Vermeidung der im Abgas eines Verbrennungsmotors enthal
tenen Schadstoffe, im besonderen der Stickoxide, hat sich das
Prinzip des geregelten oder gesteuerten Dieselkatalysators
(GDK) als vorteilhafte Technik erwiesen. Diese Technik wird
vor allem bei Verbrennungsmotoren, die mit Luftüberschuß be
trieben werden, wie z. B. bei Diesel- und Magermotoren, einge
setzt. Bei dieser im wesentlichen auf dem Verfahren der se
lektiven katalytischen Reduktion (SCR) beruhenden Technik
werden die Stickoxide zusammen mit einem Reduktionsmittel an
einem selektiven Katalysator kontaktiert und dort zu unbe
denklichem Stickstoff und zu Wasser umgesetzt.
Eine nach diesem Prinzip arbeitende Abgasreinigungsanlage
wird unter der Bezeichnung SiNOx-Abgasreinigungssystem von
der Firma Siemens AG, Berlin und München, Deutschland, ver
trieben (Firmenbroschüre "SINOx Stickoxidminderung für sta
tionäre Dieselmotoren", Bestell-Nr. A96001-U91-A232). Mit ei
ner solchen Anlage kann die Stickoxid-Emission eines Diesel
motors drastisch reduziert werden. Dabei werden die Stick
oxide des Abgases mit dem Reduktionsmittel, üblicherweise aus
Harnstoff durch Hydrolyse gewonnener Ammoniak, im Abgasrohr
vermischt und zur katalytischen Umsetzung in einen Reaktions
raum mit einer Katalysator-Einrichtung geleitet. Zur Vermi
schung des Reduktionsmittels mit dem Abgas wird üblicherweise
ein statischer Mischer eingesetzt, wie dieser z. B. aus der
DE 43 13 393 A1 bekannt ist.
Zwar liefert der bekannte statische Mischer bezüglich einer
homogenen Mischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas bei
einer derartigen reduktionsmittelbetriebenen Abgasreinigungs
anlage bereits ein zufriedenstellendes Ergebnis. Da bei Fahr
zeugen üblicherweise die Abgasrohrführung und damit die Füh
rung des Strömungskanals entsprechend der Fahrzeugkonstruk
tion angepaßt werden muß, kann in vielen Anwendungsfällen
aufgrund des fehlenden Einbauraumes die von diesem Mischer
benötigte Mindestmischstrecke häufig nicht realisiert werden.
In einem solchen Fall ergeben sich dann ungünstige Einström
verhältnisse in den den Katalysator enthaltenden Reaktions
raum mit der Folge eines ungleichmäßigen Strömungsprofils am
Katalysatoreintritt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen stati
schen Mischer im Strömungskanal einer derartigen Abgasreini
gungsanlage anzugeben, der bei gleichzeitig möglichst kurzer
Mischstrecke auch eine Strömungsrichtung, d. h. eine Ausrich
tung der Strömung des Abgases im Strömungskanal, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale
des Anspruchs 1. Dabei wird als statischer Mischer ein
Streckgitter mit einer Anzahl von zwischen Stegen gebildeten
Maschen in den Strömungskanal eingesetzt.
Das Streckgitter kann aus Kunststoff oder aus Metall beste
hen, wobei letzteres auch als Streckmetall bezeichnet wird.
Ein derartiges Streckgitter ist z. B. in dem Firmenprospekt
"Strecken macht größer, Streckgitter" der Firma Ernst
Sorst + Co., Hannover (DE) beschrieben und in vielfältiger
Ausführung im Handel erhältlich. Aus der DE-C 32 08 634 ist
es bekannt, ein Streckmetallblech als Träger für eine kata
lytische Substanz bei der Herstellung von Katalysatorplatten
einzusetzen.
Das Streckgitter weist zusätzlich zur Funktion eines Mischers
auch die Funktion eines Strömungsrichters auf. Beim Betrieb
der Abgas- und Abgasreinigungsanlage wird aufgrund der durch
das Streckgitter erzeugten Mischbewegung ein in die Abgasrei
nigungsanlage eingebrachtes Reduktionsmittel mit dem Abgas
vermischt. Gleichzeitig beeinflußt das Streckgitter die Strö
mung hinsichtlich einer gezielten Ausrichtung stets zumindest
annähernd parallel zur Längsachse oder Symmetrieachse des
Strömungskanals. Unterstützt durch eine geeignete Anordnung
des Streckgitters werden insbesondere infolge vorgegebener
Einbauverhältnisse hervorgerufene ungünstige Strömungsprofile
innerhalb des Strömungskanals in besonders einfacher und ef
fektiver Weise aufgehoben und die Strömung vergleichmäßigt.
Das Streckgitter füllt zweckmäßigerweise den gesamten Rohr
querschnitt des Strömungskanals aus und weist einen freien
Querschnitt von 25% bis 85% auf. Das Streckgitter kann je
nach Anwendungsfall fein- oder grobmaschig sowie als Lang
stegstreckgitter ausgebildet sein. Dabei erfolgt der Einbau
des Streckgitters zweckmäßigerweise senkrecht zur Längs- oder
Rohrachse des Strömungskanals oder unter einem Neigungswinkel
gegenüber dem senkrechten Einbau von bis zu 45%.
Bei einer Umströmung der Gitterknoten oder Knotenpunkte des
Streckgitters werden Wirbel und Turbulenzen erzeugt, die die
Mischung hervorrufen. Gleichzeitig richten die Stege des
Streckgitters die Strömung des Abgases oder des bereits mit
Reduktionsmittel beaufschlagten Abgases entsprechend deren
Anstellwinkel aus. Mit zunehmendem Verhältnis zwischen der
Stegbreite und der Stegdicke wird ein zunehmender Effekt der
Strömungseinrichtung ausgebildet. Mit abnehmendem Verhältnis
ergibt sich demgegenüber ein verstärkter Mischeffekt. Ein be
sonders bevorzugter Bereich des Verhältnisses zwischen Steg
breite und Stegdicke wurde zwischen 0,5 und 5 gefunden.
Das Streckgitter kann mit weiteren Streckgittern nach Art ei
nes Lagenpaketes zusammengefaßt sein. Auch können mehrere
einzelne Streckgitter oder Streckgitter-Lagenpakete bezogen
auf die Strömungsrichtung des Abgases hintereinander angeord
net sein. Dabei ist der Abstand zwischen benachbarten Lagen
vorzugsweise kleiner oder gleich dem 5-fachen des Durchmes
sers des Strömungskanals.
Bei einer Eindüsung von üblicherweise wäßrigem Reduktionsmit
tel in den Einströmkanal ist vorteilhafterweise bezogen auf
die Strömungsrichtung des Abgases vor der Eindüsstelle minde
stens eines der Streckgitter angeordnet. Dies ist besonders
vorteilhaft, wenn die Eindüsung innerhalb eines Rohrbogens
des Einströmkanals erfolgt, da im äußeren Bereich des Rohrbo
gens mehr Abgas strömt als im inneren Bereich. Die dadurch
bedingten ungünstigen Strömungsverhältnisse im Rohrbogen füh
ren normalerweise zu einer besonders ungleichmäßigen Beauf
schlagung des Abgases mit dem strahlkegelförmig in den Ein
strömkanal eingebrachten Reduktionsmittel. Dieses ungünstige
Strömungsprofil wird mittels des vorgeordneten Streckgitters
vergleichmäßigt, so daß auch im Krümmungsbereich eine homoge
ne Vermischung des Abgases mit dem Reduktionsmittel erfolgt.
Zur weiteren Vergleichmäßigung des Strömungsprofils bei Ein
tritt des Abgas-Reduktionsmittel-Gemisches in den Reaktions
raum und damit unmittelbar vor dem Katalysator ist dort
zweckmäßigerweise ein weiteres Streckgitter vorgesehen.
Bei Verwendung einer Anzahl von Streckgittern in mehreren La
gen oder Lagenpaketen erfolgt die Ausrichtung der Streckgit
ter zueinander zunächst im Hinblick auf eine besonders gute
Mischung des Abgases mit dem Reduktionsmittel. Dabei dient
die stromabwärts letzte Lage außerdem zur Strömungsrichtung
entsprechend der nachfolgenden Rohr- oder Kanalführung. Bei
mehreren Lagen werden vorzugsweise unterschiedliche Streck
gitter mit verschiedenen Maschenöffnungen, Stegabmessungen
und/oder Knotenabmessungen eingesetzt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson
dere darin, daß durch Verwendung eines Streckgitters als sta
tischer Mischer im Strömungskanal einer Abgasreinigungsanlage
eines mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmotors einer
seits bereits auf einer besonders kurzen Mischstrecke eine
gute Durchmischung des Abgases mit einem Reduktionsmittel er
reicht wird. Andererseits wird in besonders einfacher Weise
auch eine Vergleichmäßigung der Strömung des Abgases und/oder
eines Abgas-Reduktionsmittel-Gemisches aufgrund der zusätzli
chen Funktion einer Strömungsrichtung des Streckgitters er
zielt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich
nung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Abgasreinigungsanlage mit Anord
nung jeweils eines statischen Mischers vor und nach
einer Eindüs-Einrichtung und mit einem SCR-Kataly
sator,
Fig. 2 im Ausschnitt einen Strömungskanal der Abgasreini
gungsanlage gemäß Fig. 1 mit einem darin geneigt an
geordneten statischen Mischer,
Fig. 3 der statische Mischer in Form eines Streckgitters,
und
Fig. 4 das Streckgitter in einer Seitenansicht entlang der
Linie IV-IV gemäß Fig. 3.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
Nach Fig. 1 wird von einem (nicht dargestellten) mit Luftüber
schuß betriebenen Verbrennungsmotor, z. B. einem Dieselmotor,
ein Abgas A abgegeben, daß (z. B. über einen nicht gezeigten
Abgasturbolader) in einen Strömungskanal in Form eines Abgas
rohres 2 geleitet wird. Im Abgasrohr 2 befindet sich ein sta
tischer Mischer in Form eines in Fig. 3 dargestellten Streck
gitters 4. In Strömungsrichtung nachfolgend ist eine Ein
düs-Einrichtung 6 für ein Reduktionsmittel R in einem Krüm
mungsbereich des Abgasrohres 2, d. h. in einem Rohrbogen 8
angeordnet. Bei diesem Reduktionsmittel R kann es sich um Am
moniak (NH3), insbesondere aber um eine wäßrige Lösung von
Harnstoff handeln. An einer Übergangsstelle 10 erweitert sich
das Abgasrohr 2 zur Aufnahme eines Abgaskatalysators 12. Die
ser kann z. B. gemäß der WO 97/01387 angeordnet und ausge
führt sein. Stromaufwärts dieser Übergangsstelle 10 - und da
mit vor dem Gehäuse des Abgaskatalysators 12 - ist im Ausfüh
rungsbeispiel ein weiterer statischer Mischer in Form eben
falls eines Streckgitters 4 im Abgasrohr 2 angeordnet.
Der vorliegend drei hintereinander angeordnete SCR-Katalysa
tor-Module 14 aufweisende Abgaskatalysator 12 dient der Be
seitigung von Stickoxiden (NOx) im Abgas A. Das auf diese
Weise gereinigte Abgas A' verläßt das Abgasrohr 2 über eine
Austrittsöffnung 16.
Anstelle des oder jedes einzelnen Streckgitters 4 können je
weils auch Lagenpakete 18 (Fig. 2) aus mehreren hintereinander
gereihten Streckgittern 4 in das Abgasrohr 2 eingesetzt sein.
Der Abstand x zwischen den einzelnen Streckgittern 4 bzw.
zwischen den Lagenpaketen 18 ist zweckmäßigerweise kleiner
als das 5-fache des Durchmessers D des Abgasrohres 2.
Gegenüber dem Stand der Technik hat sich der Einsatz des
Streckgitters 4 als statischer Mischer in einer derartigen
Abgasreinigungsanlage als Verbesserung einerseits der Strö
mungs- und Reduktionsmittel-Gleichverteilung und andererseits
der Strömungsausrichtung innerhalb des Abgasrohres oder Strö
mungskanals 2 herausgestellt. So konnte bei der Verwendung
des SINOx-Abgasreinigungssystems für ein Nutzfahrzeug, bei
dem der Rohrbogen 8 des vom Fahrzeugmotor kommenden Abgasroh
res 2 aufgrund des verfügbaren Einbauraums im Fahrzeug unmit
telbar vor dem Abgaskatalysator 12 eingebaut werden mußte,
durch den Einbau des Streckgitters 4 als Mischer bzw. als
Strömungsrichter insbesondere vor dem Rohrbogen 8 eine nen
nenswerte Steigerung des NOx-Umsatzes festgestellt werden.
Diese Steigerung gegenüber dem bekannten Mischer kann auf den
Effekt der Strömungsrichtung durch das jeweilige Streckgit
ter 4 zurückgeführt werden, da der Rohrbogen 8 bekanntermaßen
zur Ausbildung eines unsymmetrischen Strömungsprofils an der
durch die Position der Eindüs-Einrichtung 6 bestimmten Ein
düsstelle 19 und am Abgaskatalysator 12 führt.
Wie Fig. 2 zeigt, kann das oder jedes Streckgitter 4 - bezogen
auf die Querrichtung 20 des Abgasrohres 2 - auch unter einem
Neigungswinkel α auf die Rohrlängsachse 21 zu geneigt ange
ordnet sein. Dabei beträgt der Neigungswinkel α vorzugsweise
zwischen 0° und 45°. Das dargestellte Lagenpaket 21 ist im
Ausführungsbeispiel aus drei Streckgitterlagen 4a bis 4c ge
bildet.
Die einzelnen Streckgitter 4 und/oder die innerhalb eines La
genpaketes 18 eingesetzten Streckgitterlagen 4a bis 4c können
auch verschiedenartig sein. So können innerhalb einer Abgas
reinigungsanlage verschiedene der im vorgenannten Firmenpro
spekt dargestellten Streckgittertypen, wie z. B. Langsteg
streckgitter und verformte oder plissierte Streckgitter, kom
biniert werden.
Eine mögliche Ausführungsform des Streckgitters 4 ist in
Fig. 3 in perspektivischer Draufsicht und in Fig. 4 in einer
Seitenansicht dargestellt. Definitionsgemäß weist das Streck
gitter 4 eine Anzahl von jeweils durch Stege 22 begrenzte Ma
schen 24 auf, durch die beim Betrieb der Abgasreinigungsan
lage das Abgas A hindurchströmt. Dabei wird der Effekt der
Strömungsrichtung im wesentlichen durch die Stegbreite b be
stimmt, während die durch die Dicke des verwendeten Materials
festgelegte Stegdicke d sowie die Länge und Breite der durch
vier aneinanderstoßende Stege 22 gebildeten Knotenpunkte 26
den Effekt der Durchmischung bestimmen. Eine besonders gute
Durchmischung und effektive Strömungsrichtung ergibt sich bei
einem Verhältnis der Stegbreite b zur Stegdicke d im Bereich
zwischen 0,5 und 5. Dabei sollte der durch die Summe der Öff
nungen aller Maschen 24 gebildete freie Querschnitt zwischen
25% und 85% des Streckgitters 4 und damit der Querschnitts
fläche πD2/4 des Abgasrohres 2 betragen.
Claims (10)
1. Statischer Mischer im Strömungskanal (2) einer Abgasreini
gungsanlage eines mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungs
motors,
gekennzeichnet durch die Verwendung eines
Streckgitters (4) mit einer Anzahl von zwischen Stegen (22)
gebildeten Maschen (24).
2. Statischer Mischer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der durch
die Maschen (24) gebildete freie Querschnitt 25% bis 85% der
Querschnittsfläche des Strömungskanals (2) beträgt.
3. Statischer Mischer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Streck
gitter (4) gegenüber der zur Längsachse (21) des Strömungska
nals (2) senkrechten Querrichtung (20) geneigt ist, wobei der
Neigungswinkel 0° ≦ α ≦ 45° ist.
4. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhält
nis der Stegbreite (b) zur Stegdicke (d) zwischen 0,5 und 5
beträgt.
5. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl
von Streckgittern (4a bis 4c) nach Art eines Lagenpakets (18)
zusammengesetzt sind.
6. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl
von Streckgittern (4) oder Streckgitterlagen (18) - in Strö
mungsrichtung des Abgases (A) gesehen - hintereinander ange
ordnet sind.
7. Statischer Mischer nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ab
stand (x) zwischen benachbarten Lagen (4, 18) kleiner oder
gleich dem 5-fachen des Durchmessers (D) des Strömungska
nals (2) ist.
8. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Streck
gitter (4) - in Strömungsrichtung des Abgases (A) gesehen -
vor einer Eindüsstelle (19) für ein Reduktionsmittel (R) der
Abgasreinigungsanlage angeordnet ist.
9. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß - in Strö
mungsrichtung des Abgases (A) gesehen - ein erstes Streckgit
ter (4) vor einer Eindüsstelle (19) für ein Reduktionsmit
tel (R) der Abgasreinigungsanlage angeordnet ist, und daß ein
zweites Streckgitter (4) hinter der Eindüsstelle (19) und vor
einem Abgaskatalysator (12) angeordnet sind.
10. Statischer Mischer nach einem oder mehreren der vorherge
henden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren
Lagen unterschiedliche Streckgitter (4) mit voneinander ver
schiedenen Abmessungen der Maschen (24), der Stege (22)
und/oder der Knoten (26) vorgesehen sind.
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