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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit Mitteln zur Erzeugung einer Drallströmung im Abgasstrom.
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Aufgrund strenger werdender Abgasvorschriften für Verbrennungsmotoren müssen Stickoxide (NOx) im Abgas reduziert werden. Eine bekannte Möglichkeit besteht darin, die Stickoxide in einer so genannten selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zu Stickstoff und Wasser zu reduzieren. Dies erfolgt in einem so genannten SCR-Katalysator unter Verwendung eines in das Abgas eingedüsten Reduktionsmittels. Hierfür kann insbesondere ein Wasser-Harnstoff-Gemisch verwendet werden, dessen Harnstoff im Abgas zu Ammoniak zerfällt, das mit den Stickoxiden reagiert. Des Weiteren kann auch Flüssigkraftstoff in Form unterschiedlicher Kohlenwasserstoffverbindungen (HC) in das Abgas eingedüst werden.
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Wünschenswert ist bei derartigen Reduktionsverfahren grundsätzlich, dass einerseits das Reduktionsmittel möglichst gleichmäßig mit dem Abgas vermischt wird und andererseits eine möglichst vollständige Verdampfung bzw. Thermolyse des flüssigen Reduktionsmittels erzielt wird, um einen hohen Wirkungsgrad bei der Reduktion sowie einen ablagerungsfreien Betrieb zu erreichen.
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Die Verteilung des Fluids im Abgasstrom wird in der Regel durch eine Drallströmung unterstützt, die bisher durch in eine Rohrleitung des Abgasstrangs eingesetzte Drallerzeuger und Mischer erzeugt wird. Solche innenliegenden Drallerzeuger und Mischer sind jedoch nicht nur relativ aufwendig, sie bringen auch eine relativ hohe Querschnittsverblockung mit sich.
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In der
DE 100 38 796 A1 ist ein Modul für Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren mit Benzin-Dirketeinspitzung beschrieben, das ein als Drallrohr ausgebildetes Rohrstück umfasst, dessen Rohrwand gewindeartig profiliert ist.
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In der
DE 102 01 044 A1 ist eine Abgasanlage für Verbrennungsmotoren beschrieben, die im Anschluss an einen vorgeschalteten Drallerzeuger ein wendelförmig profiliertes Rohr umfasst, mit dem die Umfangsgeschwindigkeitskomponente der Querströmung weiter vergrößert wird. Dabei ist das Rohr an seiner Innenseite mit einem nach innen vorstehenden wendelförmig verlaufenden Steg versehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Abgasanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die zuvor erwähnten Probleme beseitigt sind. Dabei sollen insbesondere der Aufwand für die Drallerzeugung reduziert und eine Querschnittsverblockung möglichst vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung einen im Abgasstrang der Abgasanlage liegenden Rohrabschnitt umfassen, der einen länglichen Querschnitt besitzt und in Art einer schraubenförmigen Wendel um die Mittellängsachse des Rohrabschnitts verdreht ist.
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Aufgrund dieser Ausbildung kann eine jeweilige Drallströmung insbesondere auch ohne innen liegende Drallerzeuger und/oder Mischer nur durch die Formgebung der Rohrgeometrie erzeugt werden. Es ist somit insbesondere ein Ersatz eines herkömmlichen innen liegenden Mischers z. B. für SCR- und HCl-Anwendungen möglich.
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Zudem ergibt sich aufgrund der fehlenden Querschnittsverblockung ein geringerer Gegendruck. Dabei ist insbesondere eine CFD-basierte (CFD = computational fluid dynamics) Optimierung zur Vermeidung von Totwassergebieten möglich. Zusätzlich kann die Außenrohrgeometrie auch die Funktion eines Phasenabscheiders, Sekundärzerstäubers, Verdampfers und/oder Turbulenzgenerators, d. h. herkömmliche SCR-Mischerfunktionen erfüllen. Dabei ist eine Phasenabscheidung über einen relativ großen Querschnittsbereich möglich. So können, abhängig vom Längen-Breiten-Verhältnis des länglichen Querschnitts, beispielsweise über 50% der Querschnittsfläche ohne freien Durchgang sein. Mit einer solchen Rohrgeometrie kann insbesondere bei einer Verwendung von achsmittigen Hohlkegeldüsen zum Eindüsen des Fluids ein herkömmlicher Drallturbinenmischer ersetzt werden.
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Um die Querschnittsfläche zu 100% ”blickdicht” zu bekommen, ist z. B. auch eine Kombination des schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts mit einem relativ kleinen, turbinenartige stationäre Gasumlenkschaufeln aufweisenden Nebenstromdrallerzeuger oder -mischer möglich. Damit sind praktisch alle marktgängigen Dosiersysteme wie z. B. Denoxtronic, Departronic usw. zum Eindüsen des Fluids einsetzbar. Unter einer 100% ”blickdichten” Querschnittsfläche ist zu verstehen, dass an keiner Stelle des Abgasrohrquerschnitts ein Durchblick von der Eintrittsseite der SCR- oder HCl-Strecke zu deren Austrittsseite möglich ist. Es ist also beispielsweise denkbar, im bisher frei durchgängigen Innenbereich des Abgasrohrquerschnitts einen kleinen Nebenstromdrallerzeuger oder -mischer mit turbinenartigen stationären Gasumlenkschaufeln zu verbauen, dessen Drallrichtung mit der des Außendrallmischers oder schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts übereinstimmt. Damit erhält man eine Abscheidung der Flüssigkeitströpfchen (Flüssigphasenabscheidung) zur Sekundärzerstäubung und Verdampfung über den gesamten Querschnitt des Abgasrohres, womit ein Durchschlagen nicht verdampfter Teilchen vermieden wird. Unter einem Nebenstromdrallerzeuger ist zu verstehen, dass ein Teil des Abgasmassenstroms seitlich an dem Drallerzeuger vorbeiströmt. Die Innenquerschnittsfläche des schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts ist also größer als die Querschnittsfläche des Nebenstromdrallerzeugers.
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Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage besitzt der schraubenförmig gewendelte Rohrabschnitt einen zwei zueinander senkrechte Symmetrieachsen aufweisenden Querschnitt. Dabei kann der Querschnitt insbesondere elliptisch oder rechteckig sein.
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Vorteilhafterweise liegt das Verhältnis der beiden Symmetrieachsen des länglichen Querschnitts des schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts in einem Bereich von etwa 1,5:1 bis etwa 3:1.
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Bevorzugt ist das Verhältnis der beiden Symmetrieachsen des schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts über die Länge des Rohrabschnitts zumindest im Wesentlichen konstant. Grundsätzlich ist jedoch auch ein über die Länge des Rohrabschnitts variables Verhältnis der beiden Symmetrieachsen denkbar.
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Der längliche Querschnitt des Rohrabschnitts ist zur Bildung der schraubenförmigen Wendel vorteilhafterweise um einen Winkel im Bereich von etwa 90° bis etwa 180° um die Mittellängsachse des Rohrabschnitts verdreht ist.
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Die Drallstärke wird maßgeblich von der gegenüber der Mittellängsachse des Rohrabschnitts gemessenen Schraubensteigung des einen länglichen Querschnitt besitzenden, schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts bestimmt. Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt diese Schraubensteigung des einen länglichen Querschnitt besitzenden, schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts in einem Bereich von etwa 35° bis etwa 55°, wobei sie insbesondere 45° betragen kann.
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Bevorzugt ist die gegenüber der Mittellängsachse gemessene Schraubensteigung des einen länglichen Querschnitt besitzenden, schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts über dessen Länge zumindest im Wesentlichen konstant. Grundsätzlich ist jedoch auch eine über die Länge des Rohrabschnitts variable Schraubensteigung denkbar.
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Zweckmäßigerweise ist im Abgasstrang ein den Rohrabschnitt mit dem länglichen Querschnitt umfassendes Rohrteil vorgesehen, das im Bereich seines in Abgasstromrichtung betrachtet stromaufwärtigen Endes einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und dessen Querschnitt in einem Übergangsbereich zwischen dem einen kreisförmigen Querschnitt besitzenden stromaufwärtigen Endbereich und dem einen länglichen Querschnitt besitzenden schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitt kontinuierlich vom kreisförmigen in den länglichen Querschnitt übergeht, wobei der Übergang vorzugsweise ohne Drehung um die Mittellängsachse erfolgt.
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Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn im Abgasstrang ein den Rohrabschnitt mit dem länglichen Querschnitt umfassendes Rohrteil vorgesehen ist, das im Bereich seines in Abgasstromrichtung betrachtet stromabwärtigen Endes einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und dessen Querschnitt in einem Übergangsbereich zwischen dem einen länglichen Querschnitt besitzenden schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitt und dem einen kreisförmigen Querschnitt besitzenden stromabwärtigen Endbereich kontinuierlich vom länglichen in den kreisförmigen Querschnitt übergeht, wobei dieser Übergang vorzugsweise unter Beibehaltung der vorherigen Schraubensteigung, d. h. insbesondere der am stromabwärtigen Endes des Rohrabschnitts vorhandenen Schraubensteigung erfolgt.
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Bevorzugt ist eine Kombination der beiden zuletzt genannten Ausgestaltungen vorgesehen, wonach der den Rohrabschnitt mit dem länglichen Querschnitt umfassende Rohrteil sowohl im Bereich seines in Abgasstromrichtung betrachtet stromaufwärtigen Endes als auch im Bereich seines in Abgasstromrichtung betrachtet stromabwärtigen Endes jeweils einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und der Übergang zwischen dem stromaufwärtigen Endbereich und dem einen länglichen Querschnitt besitzenden schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitt und der Übergang zwischen diesem und dem stromabwärtigen Endbereich vorzugsweise wie angegeben erfolgt.
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Gemäß einer zweckmäßigen praktischen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist eine Einrichtung zum Eindüsen eines Fluids, insbesondere eines Wasser-Harnstoff-Gemisches oder eines Flüssigkraftstoffs, in einen Abgasstrom vorgesehen.
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Dabei kann die wenigstens eine Düse umfassende Eindüseinrichtung beispielsweise so angeordnet und ausgeführt sein, dass das Fluid im Bereich des stromaufwärtigen Endes des Rohrteils in den Abgasstrom ein düsbar ist. Die erfindungsgemäße Geometrie des Rohrteils kann hier also insbesondere die Funktion eines Mischers nach der Eindüsung erfüllen.
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Es ist jedoch beispielsweise auch eine solche Ausführung denkbar, bei der die wenigstens eine Düse umfassende Eindüseinrichtung so angeordnet und ausgeführt ist, dass das Fluid im Bereich des stromabwärtigen Endes des Rohrteils in den Gasstrom eindüsbar ist. Die erfindungsgemäße Geometrie des Rohrteils kann in diesem Fall also insbesondere die Funktion eines Turbulenzgenerators vor der Eindüsung erfüllen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die wenigstens eine Düse umfassende Eindüseinrichtung jedoch auch so angeordnet und ausgeführt sein, dass das Fluid in einem in Abgasstromrichtung betrachtet mittleren Bereich des Rohrteils in den Abgasstrom eindüsbar ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines im Abgasstrang einer Abgasanlage liegenden erfindungsgemäßen Rohrteils,
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2 eine Draufsicht des Rohrteils gemäß 1,
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3 eine perspektivische Darstellung des Rohrteils gemäß 1,
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4 eine weitere perspektivische Darstellung des Rohrteils, wobei das Rohrteil gegenüber der Darstellung in 3 jedoch um 90° um seine Mittellängsachse gedreht ist,
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5 eine Vorderansicht des Rohrteils gemäß 1 auf dessen stromaufwärtiges Ende,
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6 eine Rückansicht des Rohrteils gemäß 1 auf dessen stromabwärtiges Ende,
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7 eine perspektivische Darstellung des Rohrteils gemäß 1 mit einer zugeordneten Eindüseinrichtung zum Eindüsen des Fluids im Bereich des stromaufwärtigen Endes des Rohrteils,
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8 eine perspektivische Darstellung des Rohrteils gemäß 1 mit einer zugeordneten Eindüseinrichtung zum Eindüsen des Fluids im Bereich des stromabwärtigen Endes des Rohrteils,
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9 eine perspektivische Darstellung des Rohrteils gemäß 1 mit einer zugeordneten Eindüseinrichtung zum Eindüsen des Fluids in einem in Abgasstromrichtung mittleren Bereich des Rohrteils, und
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10 bis 12 unterschiedliche schematische Darstellungen einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrteils in Kombination mit einem turbinenartige Gasumlenkschaufeln aufweisenden Nebenstromdrallerzeuger oder -mischer zur Erzielung einer 100% ”blickdichten” Querschnittsfläche.
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Das dargestellte Rohrteil 10 ist Bestandteil einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit einer Einrichtung 12 zum Eindüsen eines Fluids (vgl. die 7 bis 9), insbesondere eines Wasser-Harnstoff-Gemisches oder eines Flüssigkraftstoffs, in einen Abgasstrom und einer Verteileinrichtung zum Verteilen des Fluids im Abgasstrom. Dabei umfasst die Verteileinrichtung das im Abgasstrang der Abgasanlage liegende Rohrteil 10. Das Abgas durchströmt dieses Rohrteil 10 in Abgasstromrichtung A.
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Das im Abgasstrang der Abgasanlage liegende Rohrteil 10 besitzt im Bereich seines in Abgasstromrichtung A betrachtet stromaufwärtigen Endes 14 und im Bereich seines in Abgasstromrichtung A betrachtet stromabwärtigen Endes 16 jeweils einen kreisförmigen Querschnitt. Zwischen den beiden Enden 14, 16 umfasst das Rohrteil 10 einen Rohrabschnitt 18, der einen elliptischen Querschnitt besitzt und zur Bildung einer schraubenförmigen Wendel um die Mittellängsachse 20 des Rohrteils 10 verdreht ist. In dem einen elliptischen Querschnitt besitzenden Rohrabschnitt 18 ergibt sich somit eine Querschnittsverschränkung.
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Der elliptische Querschnitt des schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts 18 kann insbesondere durch eine Ellipse definiert sein, deren Halbachsenverhältnis unter Beibehaltung der Rohrquerschnittsfläche in einem Bereich von etwa 1,5:1 bis etwa 3:1 liegt, wobei es beispielsweise 2:1 betragen kann.
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Zweckmäßigerweise ist das Halbachsenverhältnis der den elliptischen Querschnitt des schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts 18 definierenden Ellipse über die Länge L des Rohrabschnitts 18 zumindest im Wesentlichen konstant. Grundsätzlich ist jedoch auch ein über die Länge L des Rohrabschnitts 18 variables Halbachsenverhältnis denkbar.
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Der einen elliptischen Querschnitt besitzende Rohrabschnitt 18 des Rohrteils 10 kann zur Bildung der schraubenförmigen Wendel insbesondere um einen Winkel im Bereich von etwa 90° bis etwa 180° um die Mittellängsachse 20 des Rohrteils 10 verdreht sein. Bevorzugt beträgt die Querschnittsverschränkung also mindestens 90°, wobei 180° in jedem Fall ausreichend ist.
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Die gegenüber der Mittellängsachse 20 gemessene Schraubensteigung des einen elliptischen Querschnitt besitzenden, schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts 18 liegt insbesondere in einem Bereich von etwa 35° bis etwa 55°, wobei sie insbesondere 45° betragen kann.
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Bevorzugt ist die gegenüber der Mittellängsachse 20 gemessene Schraubensteigung des einen elliptischen Querschnitt besitzenden, schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts 18 über dessen Länge L zumindest im Wesentlichen konstant. Grundsätzlich ist jedoch auch eine über die Länge L des Rohrabschnitts 18 variable Schraubensteigung denkbar.
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In einem Übergangsbereich 22 (vgl, insbesondere 1 und 2) zwischen dem einen kreisförmigen Querschnitt besitzenden stromaufwärtigen Endbereich 14 und dem einen ellipsenförmigen Querschnitt besitzenden schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitt 18 geht der Querschnitt des Rohrteils 10 insbesondere kontinuierlich vom kreisförmigen in den elliptischen Querschnitt über. Dabei erfolgt der Übergang insbesondere ohne Drehung um die Mittellängsachse 20.
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In einem Übergangsbereich 24 (vgl. insbesondere 1 und 2) zwischen dem einen elliptischen Querschnitt besitzenden schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitt 18 und dem einen kreisförmigen Querschnitt besitzenden stromabwärtigen Endbereich 16 geht der Querschnitt des Rohrteils 10 insbesondere kontinuierlich vom elliptischen in den kreisförmigen Querschnitt über, wobei dieser Übergang vorzugsweise unter Beibehaltung der vorangehenden Schraubensteigung, d. h. insbesondere der am stromabwärtigen Ende des Rohrabschnitts 18 vorhandenen Schraubensteigung, erfolgt.
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Im Übergangsbereich 22 kann beispielsweise ein Übergang vom kreisförmigen Querschnitt zu einem elliptischen Querschnitt mit einem Halbachsenverhältnis von 2:1 ohne Drehung erfolgen. Im Übergangsbereich 24 kann beispielsweise ein Übergang von einem elliptischen Querschnitt mit einem Halbachsenverhältnis von 2:1 auf einen kreisförmigen Querschnitt unter Beibehaltung der Schraubensteigung erfolgen.
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Beim in der 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die wenigstens eine Düse 26 umfassende Eindüseinrichtung 12 so angeordnet und ausgeführt, dass das Fluid im Bereich des stromaufwärtigen Endes 14 angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Geometrie der Rohrteils 10 kann hier also insbesondere die Funktion eines Mischers nach der Eindüsung erfüllen.
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Bei dem in der 8 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel ist die wenigstens eine Düse 26 umfassende Eindüseinrichtung 12 so angeordnet und ausgeführt, dass das Fluid im Bereich des stromabwärtigen Endes 16 des Rohrteils 10 in den Abgasstrom eindüsbar ist. Im vorliegenden Fall kann die erfindungsgemäße Geometrie des Rohrteils 10 also insbesondere die Funktion eines Turbulenzgenerators vor der Eindüsung erfüllen.
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Bei dem in der 9 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel ist die wenigstens eine Düse 26 umfassende Eindüseinrichtung 12 so angeordnet und ausgeführt, dass das Fluid in einem in Abgasstromrichtung A betrachtet mittleren Bereich des Rohrteils 10 in den Abgasstrom eindüsbar ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Geometrie des Rohrteils 10 ergibt sich aufgrund der fehlenden Querschnittsverblockung ein geringerer Gegendruck. Es ist insbesondere eine CFD-basierte Optimierung zur Vermeidung von Totwassergebieten und entsprechend von Ablagerungen möglich. Die Außengeometrie des Rohrteils 10 kann insbesondere auch die Funktion eines Flüssigphasenabscheiders, Sekundärzerstäubers, Verdampfers und Turbulenzgenerators und damit klassische SCR-Mischerfunktionen erfüllen.
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Es ist eine Flüssigphasenabscheidung über einen großen Querschnittsbereich möglich. So können, in Abhängigkeit vom elliptischen Hauptachsenverhältnis, insbesondere über 50% der Querschnittsfläche ohne freien Durchgang sein und damit zur Phasenabscheidung dienen.
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Die erfindungsgemäße Geometrie des Rohrteils 10 kann insbesondere bei achsmittigen Hohlkegeldüsen einen klassischen Drallturbinenmischer ersetzen.
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Um die Querschnittsfläche zu 100% ”blickdicht” zu bekommen, ist beispielsweise auch eine Kombination des schraubenförmig gewendelten Rohrabschnitts 18 mit einem relativ kleinen, turbinenartige statonäre Gasumlenkschaufeln 30 aufweisenden Nebenstromdrallerzeuger bzw. -mischer 28 (vgl. die 10 bis 12) oder dergleichen möglich, wodurch insbesondere der Einsatz aller marktgängigen Dosiersysteme wie z. B. Denoxtronic, Departronic usw. ermöglicht wird. Unter einer 100% ”blickdichten” Querschnittsfläche ist zu verstehen, dass an keiner Stelle des Abgasrohrquerschnitts ein Durchblick von der Eintrittsseite der SCR- oder HCl-Strecke zu deren Austrittsseite möglich ist. Es ist also beispielsweise denkbar, im bisher frei durchgängigen Innenbereich des Abgasrohrquerschnitts einen kleinen Nebenstromdrallerzeuger oder -mischer 28 (vgl. die 10 bis 12) mit turbinenartigen stationären Gasumlenkschaufeln 30 zu verbauen, dessen Drallrichtung mit der des Außendrallmischers oder Rohrabschnitts 18 übereinstimmt. Damit erhält man eine Abscheidung der Flüssigkeitströpfchen (Flüssigphasenabscheidung) zur Sekundärzerstäubung und Verdampfung über den gesamten Querschnitt des Abgasrohres, womit ein Durchschlagen von nicht verdampften Teilchen vermieden wird. Unter einem Nebenstromdrallerzeuger ist zu verstehen, dass ein Teil des Abgasmassenstromes seitlich an dem Drallerzeuger vorbeiströmt (vgl. insbesondere 11). Dabei ist die Innenquerschnittsfläche des Rohrabschnitts 18 größer als die Querschnittsfläche des Nebenstromdrallerzeugers.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rohrteil
- 12
- Eindüseinrichtung
- 14
- stromaufwärtiges Ende
- 16
- stromabwärtiges Ende
- 18
- Rohrabschnitt
- 20
- Mittellängsachse
- 22
- Übergangsbereich
- 24
- Übergangsbereich
- 26
- Düse
- 28
- Nebenstromdrallerzeuger oder -mischer
- 30
- Gasumlenkschaufel
- A
- Abgasstromrichtung
- L
- Länge