ITTO20101057A1 - Miscelatore statico per il trattamento di gas di scarico e suo metodo di fabbricazione - Google Patents

Description

Miscelatore statico per il trattamento di gas di scarico e suo metodo di fabbricazione

DESCRIZIONE

Settore della Tecnica

L'invenzione concerne un miscelatore statico per il trattamento di gas di scarico ed il suo metodo di fabbricazione.

Più precisamente l'invenzione concerne un miscelatore statico per il trattamento di gas di scarico di motori a combustione interna, suscettibile di essere incorporato in un sistema di riduzione catalitica selettiva degli ossidi di azoto (SCR) "selective catalytic reduction".

Arte Nota

I miscelatori statici vengono comunemente utilizzati per promuovere la miscelazione dei gas di scarico con la sostanza riducente, immessa allo stato gassoso o liquido nei sistemi di scarico dei motori a combustione interna.

In questo contesto, il miscelatore statico ha principalmente lo scopo di favorire la formazione di una miscela altamente omogenea e di far si che la sostanza riducente immessa nel sistema di scarico, risulti quanto più possibile evaporata.

Per soddisfare questa esigenza vengono oggi prodotti miscelatori statici comprendenti una serie di alette, variamente orientate all'interno del condotto in cui transitano i gas di scarico e la miscela di sostanza riducente .

Le alette sono generalmente associate ad una cornice anulare destinata ad aderire alle pareti interne del condotto in cui à ̈ ospitato il miscelatore, il quale à ̈ solitamente disposto trasversalmente nel condotto, in.modo che il flusso di gas di scarico venga intercettato dalle suddette alette.

Il miscelatore statico promuove la miscelazione dei gas con la sostanza riducente, generalmente grazie all'aumento del fenomeno della turbolenza nel flusso di gas di scarico.

Per contro, la presenza di un miscelatore statico nella zona di passaggio dei gas determina un aumento della pressione all'interno del sistema di scarico. Tale aumento della pressione rappresenta un inconveniente poiché ostacola l'evacuazione dei gas di scarico e in generale può risultare più o meno significativo, a seconda della conformazione del miscelatore e del sistema di scarico.

Inoltre, la superficie di un miscelatore à ̈ suscettibile di provocare la condensazione della miscela riducente, con la conseguente formazione di un film liquido, che aderisce alle alette, provocando la perdita di efficacia del miscelatore stesso.

Due sono pertanto i fenomeni che occorre contrastare nella progettazione di un miscelatore del tipo suddetta.

Il primo fenomeno à ̈ quello determinato da eccessivi aumenti di pressione nel sistema di scarico che ospita il miscelatore. Il secondo à ̈ quello determinato dalla riduzione della capacità di miscelazione, conseguente alla formazione di condensa della sostanza riducente sulle superfici del miscelatore .

Nel tentativo di raggiungere il migliore compromesso fra le opposte esigenze di ottenere una buona miscelazione e di non provocare gli inconvenienti suddetti, sono state proposte nel tempo numerose soluzioni.

Alcune soluzioni prevedono una matrice di alette la cui densità, inclinazione e dimensione à ̈ scelta tenendo conto delle esigenze suddette. US20070204751 descrive un esempio di questo tipo di miscelatore.

Altre soluzioni prevedono una serie di alette, generalmente disposte radialmente all'interno del condotto in cui transitano i gas, e orientate in modo da provocare la miscelazione dei suddetti gas con la miscela di sostanza riducente. Miscelatori statici di questo secondo tipo sono descritti ad esempio in US 7,533,520, US 2009/0320453 e US 2009/0266064 .

In tutte le soluzioni suddette à ̈ evidente lo sforzo di trovare il migliore compromesso fra le esigenze di miscelazione e di libero transito per i gas di scarico.

Nonostante questi sforzi, i miscelatori noti non risolvono tuttavia completamente il problema di come ottenere la migliore miscelazione, minimizzando al contempo gli inconvenienti suddetti.

Inoltre, gli sforzi finora compiuti hanno dato origine a soluzioni sempre più elaborate, complesse e costose da realizzare.

Nel settore à ̈ pertanto ancora fortemente sentita l'esigenza di disporre di un miscelatore statico, altamente efficiente, che non determini significativi aumenti di pressione, che presenti scarsa attitudine a promuovere la formazione di condensa e che non presenti gli inconvenienti suddetti, dovuti alla complessità ad ai costi di produzione.

Un primo scopo dell'invenzione à ̈ pertanto quello di raggiungere questo risultato, provvedendo un dispositivo miscelatore statico, per il trattamento di gas di scarico, che permetta una migliore miscelazione rispetto ai dispositivi noti e che determini un ridotto aumento di pressione ed una ridotta attitudine alla formazione di condensa .

Un altro scopo dell'invenzione à ̈ quello di provvedere un miscelatore statico del tipo anzidetto, che possa essere realizzato industrialmente con maggiore semplicità ed a costi più contenuti rispetto ai miscelatori noti.

Non ultimo scopo dell'invenzione à ̈ quello di provvedere un miscelatore del tipo suddetto, che possa essere impiegato sostanzialmente in qualsiasi sistema di scarico, in cui venga sfruttata la tecnologia della riduzione catalitica selettiva SCR.

Questi ed altri scopi sono ottenuti con il miscelatore statico per il trattamento di gas di scarico e con il metodo per la sua fabbricazione, come rivendicati nelle unite rivendicazioni.

Descrizione dell'Invenzione

□n primo vantaggio dell'invenzione deriva dalla previsione di una pluralità di alette radiali, disposte all'interno di un perimetro anulare, convergenti verso il centro del miscelatore, e di forma torta attorno all'asse longitudinale delle alette.

Un altro vantaggio dell'invenzione à ̈ dato dal fatto che la larghezza della proiezione assiale sul piano su cui giacciono le alette, della superficie delle alette à ̈ maggiore dello spessore delle alette. Vantaggiosamente, tale condizione si verifica lungo tutta la lunghezza dell'aletta.

Un ulteriore vantaggio dell'invenzione deriva dal fatto che le alette presentano una forma torta il cui angolo di torsione à ̈ preferibilmente diverso da 90°; grazie a questa disposizione à ̈ infatti possibile ottenere un efficace effetto di miscelazione dovuto alla turbolenza che si viene a determinare a valle del miscelatore, senza provocare un eccessivo aumento di pressione nel condotto attraversato dai gas di scarico.

Un secondo vantaggio dell'invenzione deriva dalla previsione nel miscelatore di una porzione centrale libera, ossia priva di ostacoli per il libero passaggio dei gas di scarico e verso la quale convergono le alette radiali; grazie a questa porzione centrale libera e alla conformazione torta delle alette radiali, à ̈ possibile ottenere un efficace effetto di miscelazione dei gas di scarico con la miscela di sostanza riducente. Tale effetto di miscelazione à ̈ promosso dalla presenza di detto foro centrale il quale per contro contribuisce ad evitare un eccessivo aumento della pressione dovuta alla presenza del miscelatore. In corrispondenza del foro centrale si determina infatti un aumento della velocità dei gas ed una conseguente energica spinta in avanti dei gas, con un vantaggioso moto turbolento a valle del miscelatore.

Un ulteriore vantaggio dell'invenzione deriva dalla possibilità di realizzare il miscelatore grazie alla successione di semplici operazioni di taglio e torsione e/o piegatura .

Non ultimo vantaggio dell'invenzione deriva dalla possibilità di ottenere il miscelatore sia partendo da corpi piani sia da corpi tubolari.

Descrizione Sintetica delle Figure

Alcune forme preferite di realizzazione dell'invenzione saranno descritte nel seguito con riferimento alle figure allegate in cui:

- la Figura 1 Ã ̈ una vista prospettica del miscelatore;

- la Figura 2 Ã ̈ una vista in pianta del miscelatore di Figura 1;

- la Figura 3 Ã ̈ una vista laterale del miscelatore di Figura 1;

- la Figura 4 Ã ̈ una vista in sezione lungo la linea IV-IV di Figura 2;

- la Figura 5 Ã ̈ una vista schematica di un sistema di scarico che incorpora il miscelatore;

- la Figura 6 Ã ̈ una vista prospettica del miscelatore, in una fase di lavorazione intermedia, in una prima forma di esecuzione del metodo di fabbricazione secondo 1'invenzione;

- la Figura 7 Ã ̈ una vista in pianta del miscelatore nella fase di lavorazione di Figura 6;

- la Figura 8 Ã ̈ una vista prospettica del miscelatore, in una fase di lavorazione intermedia, in una seconda forma di esecuzione del metodo di fabbricazione secondo 1'invenzione;

- la Figura 9 Ã ̈ una vista ingrandita di un particolare di Figura 7.

Descrizione di una Forma Preferita di Realizzazione Riferendoci alle Figure da 1 a 4 il miscelatore statico per il trattamento di gas di scarico secondo l'invenzione, Ã ̈ stato complessivamente indicato con il riferimento 11.

Il miscelatore 11 comprende una porzione di supporto anulare 13 ed una pluralità di alette radiali 15, sostanzialmente complanari, disposte a raggiera ed aventi l'estremità posteriore o base 17 associata a detta porzione di supporto 13 e l'estremità anteriore o punta 19, che converge verso il centro "C" del miscelatore.

Secondo l'invenzione, le punte 19 delle alette 15 circondano una porzione centrale 21 del miscelatore. Detta porzione 21, sostanzialmente circolare nell'esempio illustrato, à ̈ libera, ossia non à ̈ occupata dalle alette o altre parti del miscelatore e definisce un passaggio per il gas di scarico, privo di interferenze.

Sempre secondo l'invenzione, le alette 15 presentano una forma torta, nel verso contrassegnato della freccia "T", attorno all'asse longitudinale "R" delle alette, ossia l'asse che incontra il centro "C" del miscelatore.

La porzione di supporto anulare 13 comprende una corona 13a, preferibilmente chiusa ad anello che, nell'esempio illustrato, definisce un perimetro sia interno 13b che esterno 13c di forma circolare per il miscelatore 11. Altre forme di realizzazione saranno comunque possibili in cui il perimetro interno 13b e/o il perimetro esterno 13c hanno una forma diversa da quella circolare, ad esempio ottagonale, esagonale, quadrata o rettangolare. In altre forme di realizzazione ancora, le alette 15 potranno essere associate direttamene alla parete interna del condotto del sistema di scarico che ospita il miscelatore.

Secondo una forma preferita di realizzazione dell 'invenzione le alette 15 sono distribuite angolarmente in modo regolare lungo il perimetro interno 15b della porzione di supporto anulare 13.

Sempre con riferimento ad una forma preferita di realizzazione dell'invenzione, le alette radiali 15 saranno in numero di dodici. Il numero ottimale di alette può essere tuttavia scelto in base alle caratteristiche del sistema di scarico in cui il miscelatore à ̈ incorporato e può essere in generale qualsiasi. Altre forme di realizzazione del miscelatore saranno pertanto possibili in cui le alette sono in numero diverso da dodici. Un numero di alette compreso fra otto e sedici à ̈ risultato fornire le prestazioni migliori.

In una forma preferita di realizzazione il diametro della porzione centrale 21 circolare à ̈ inoltre circa H del diametro del perimetro interno 13b del miscelatore.

Secondo una forma preferita di realizzazione dell'invenzione, le alette 15 presentano una forma torta attorno all'asse longitudinale "R" delle alette in modo che la larghezza della proiezione assiale della superficie delle alette sul piano su cui giacciono le alette sia maggiore dello spessore delle alette sostanzialmente lungo tutta la lunghezza delle alette. Questo risultato à ̈ ottenuto torcendo le alette di un angolo diverso da 90°. I migliori risultati di miscelazione sono stati ottenuti con un angolo di torsione della alette indicativamente compreso fra 70 e 150°. Preferibilmente detto angolo di torsione à ̈ maggiore di 90° e ancor più preferibilmente à ̈ di circa 110°.

Complessivamente, all'interno del perimetro interno 13b, il miscelatore 11 comprende un'area occupata dalla pluralità di alette 15, che intercettano i gas di scarico e la miscela di sostanza riducente, ed un'area libera rappresentata dalle zone comprese fra le alette e indicate con il riferimento 23 e dalla porzione centrale 21.

In una forma preferita di realizzazione dell'invenzione, l'area della superficie della proiezione, sul piano su cui giacciono le alette 15, delle porzioni piene del miscelatore, ossia delle porzioni che intercettano assialmente il flusso di gas e miscela riducente, à ̈ complessivamente circa la metà di quella delle zone vuote, ossia libere per il passaggio di detti gas e miscela riducente.

Con riferimento alla Figura 5 à ̈ illustrata schematicamente un'unità 111 di trattamento dei gas di scarico per un motore a combustione interna, in cui à ̈ impiegata la tecnologia SCR. Detta unità 111 comprende una serie di condotti per i gas di scarico, alloggiati in un involucro 113. In uno dei condotti, indicato in figura con il riferimento 115, il quale à ̈ percorso dai gas di scarico nel verso indicato dalla freccia "F", à ̈ ospitato il miscelatore statico 11 secondo l'invenzione. Nell'esempio illustrato, il miscelatore 11 à ̈ disposto trasversalmente lungo il condotto 115, immediatamente a valle della zona 117 in cui viene immessa la miscela di sostanza riducente. Sempre con riferimento all'esempio illustrato, la miscela di sostanza riducente viene immessa per iniezione da mezzi 119 comprendenti preferibilmente un ugello o un'apposita valvola, disposti assialmente all'inizio del condotto 115 nel verso percorso dai gas di scarico. Fra i mezzi 117 ed il miscelatore 11, detto condotto 115 comprende inoltre un ingresso 121 per i gas di scarico, orientato radialmente, ottenuto mediante una corrispondente porzione del condotto 115 dotata di fori radiali 123.

In accordo con la suddetta configurazione, la quale corrisponde alla disposizione preferita, ma non esclusiva, i gas di scarico entrano nel condotto 115 radialmente e sono intercettati dalla sostanza riducente†̃la quale proviene in direzione assiale, ossia a 90° rispetto alla direzione di ingresso dei gas. Il flusso di gas di scarico perviene quindi in direzione assiale, ossia con una deviazione di circa 90° rispetto alla direzione di ingresso nel condotto 115, al miscelatore 11, il quale occupa sostanzialmente tutta la sezione trasversale del condotto 115.

Vantaggiosamente, secondo l'invenzione, il miscelatore 11 può essere ottenuto con una sequenza di semplici operazioni di lavorazione meccanica di taglio e di torsione. Secondo questo metodo di fabbricazione, il miscelatore à ̈ preferibilmente ottenuta partendo da un copro di lamiera di spessore preferibilmente compreso fra 0,8 e 2,0 miti, e ancor più preferibilmente di 1,5 mm. Le alette 15 avranno pertanto sostanzialmente una consistenza laminare.

Alternativamente, il miscelatore può essere ottenuto mediante altre lavorazioni meccaniche, ad esempio fresatura o elettroerosione.

In una prima forma di esecuzione del metodo di realizzazione del miscelatore, Ã ̈ prevista la lavorazione di un corpo metallico laminare piano, ad esempio un foglio di lamiera.

In una seconda forma di esecuzione del metodo di realizzazione del miscelatore, Ã ̈ prevista la lavorazione di un corpo metallico tubolare.

Con riferimento alle Figure da 6 e 7 à ̈ illustrato il prodotto intermedio, ottenuto in accordo con la prima forma di esecuzione del metodo di fabbricazione del miscelatore. Detto prodotto intermedio comprende un disco piano 11' ottenuto per taglio o tranciatura da un foglio piano di lamiera. Le alette 15 così ottenute e visibili nelle figure, saranno successivamente torte attorno al proprio asse longitudinale "R", ad esempio per mezzo di un manipolatore robotizzato, così da ottenere il prodotto finale consistente nel miscelatore 11 di cui alle Figure da 1 a 4.

Riferendoci alla Figura 8 à ̈ illustrato il prodotto intermedio 11'' ottenuto in accordo con la seconda forma di esecuzione del metodo di fabbricazione del miscelatore. Detto prodotto intermedio comprende un corpo tubolare sul quale sono ottenute, per taglia o tranciatura, le alette 15. Nel corpo tubolare le alette 15 sono disposte con i propri assi longitudinali "R" lungo le generatrici del cilindro che definisce detto corpo tubolare. Una successiva operazione di piegatura a 90° delle alette, in corrispondenza della loro base 17, viene effettuata per portare le alette in un piano comune. Dette alette 15 vengono quindi torte attorno al proprio asse longitudinale †R", ad esempio per mezzo di un manipolatore robotizzato determinando l'ottenimento di un prodotto finale consistente nel miscelatore 11 di cui alle Figure da 1 a 4. Sempre secondo l'invenzione, in questa seconda forma di esecuzione del metodo, la fase di torcitura della alette 15 può eventualmente precedere quella di piegatura a 90°.

Nel suo complesso il metodo secondo l'invenzione prevede le fasi di:

- predisporre un corpo metallico laminare;

- ricavare su detto corpo in lamiera una pluralità di alette radiali disposte a raggiera e sostanzialmente complanari ;

- torcere le alette attorno al loro asse longitudinale ottenendo il miscelatore.

Ci si riferirà ora alla Figura 9, la quale mostra un in particolare ingrandimento di una delle alette illustrate in Figura 7, ma corrispondente genericamente ad una qualsiasi delle alette dei prodotti intermedi 11' ed 11'', ossia delle Figure 6, 7 e 8. Dette alette 15, prima di essere torte, presentano una porzione posteriore 15a, prossima alla base 17, di forma sciancrata, ossia assottigliata lungo i fianchi laterali secondo un profilo curvilineo, ed una porzione anteriore 15b, prossima alla punta 19, rastremata, ossia di larghezza che si riduce man mano che ci si avvicina alla punta 19. Inoltre, fra detta porzione posteriore 15a e detta porzione anteriore 15b si determina una porzione intermedia di raccordo 15c. La larghezza della proiezione di detta porzione di raccordo sul piano su cui giacciono le alette del miscelatore sarà preferibilmente sostanzialmente corrispondente alla larghezza massima dell'aletta 15.

La punta 19 Ã ̈ inoltre preferibilmente arrotondata per evitare la formazione di spigoli vivi. Secondo l'invenzione, le alette 15 sono realizzate in modo che la loro forma risulti torta, in verso orario o antiorario, lungo il loro asse longitudinale "R", sostanzialmente in corrispondenza della zona assottigliata della porzione sciancrata 15a.

II miscelatore statico così come descritto ed illustrato à ̈ suscettibile di numerose varianti e modificazioni, rientranti nello stesso principio inventivo.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Miscelatore statico (11) per il trattamento di gas di scarico comprendente una porzione di supporto anulare (13) ed una pluralità di alette (15) radiali disposte a raggiera, sostanzialmente complanari, aventi l’estremità posteriore o base (17) associata a detta porzione di supporto (13) e l’estremità anteriore o punta (19) che converge verso il centro (“C†) del miscelatore, caratterizzato dal fatto che le alette (15) presentano una forma torta attorno all’asse longitudinale (“R†) delle alette.
2. 2. Miscelatore secondo la rivendicazione 1, in cui le punte (19) delle alette (15) circondano una porzione centrale (21) libera del miscelatore.
3. 3. Miscelatore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la larghezza della proiezione assiale sul piano su cui giacciono le alette (15) della superficie delle alette, Ã ̈ maggiore dello spessore delle alette stesse.
4. 4. Miscelatore secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui l’angolo di torsione della forma delle alette à ̈ compreso fra 70 e 150°.
5. 5. Miscelatore secondo la rivendicazione 4, in cui detto angolo à ̈ di circa 110°.
6. 6. Miscelatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le alette sono distribuite angolarmente in modo regolare.
7. 7. Miscelatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le alette sono in numero compreso fra otto e sedici.
8. 8. Metodo per la fabbricazione di un miscelatore statico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui sono previste le fasi di: - predisporre un corpo metallico laminare (11’; 11†); - ricavare su detto corpo una pluralità di alette radiali (15) disposte a raggiera e sostanzialmente complanari; - torcere le alette (15) attorno al loro asse longitudinale (“R†) ottenendo il miscelatore.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8, in cui à ̈ prevista una fase di piegatura a 90° delle alette, in corrispondenza della loro base (17) per portare le alette in un piano comune.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui le alette prima di essere torte presentano una porzione posteriore (15a), prossima alla base (17) delle alette, di forma sciancrata ed una porzione anteriore (15b), prossima alla punta (19) delle alette, di forma rastremata, fra detta porzione anteriore e detta porzione posteriore determinandosi una porzione di raccordo (15c), la larghezza della proiezione assiale di detta porzione di raccordo sul piano su cui giacciono le alette del miscelatore essendo sostanzialmente corrispondente alla larghezza massima dell’aletta (15).