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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft eine Abgasreinigungseinrichtung für einen Motor, insbesondere eine Abgasreinigungseinrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass ein von einem Additivinjektionsmittel injiziertes Additiv in einem im Abgas diffundierten Zustand an eine Katalysatoreinrichtung geleitet wird.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Eine Abgasreinigungseinrichtung, umfassend einen SCR-Katalysator (selektiv-Reduktions-artiger NOx-Katalysator), ist ein Beispiel einer Abgasreinigungseinrichtung, welche Abgase durch Umwandeln von gesundheitsschädlichen Substanzen im Abgas in harmlose Substanzen unter Nutzung eines Additivs reinigt. Eine Abgasreinigungseinrichtung dieses Typs ist beispielsweise in der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2003-232218 (im Folgenden als Patentdokument 1 bezeichnet) offenbart.
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Die in Patentdokument 1 offenbarte Abgasreinigungseinrichtung umfasst einen Mischer zum Durchrühren des Abgases, welcher stromaufwärts von einem SCR-Katalysator in einer Abgasleitung eines Motors angeordnet ist und mit einer Vielzahl von Trennscheiben versehen ist, sowie eine Injektionsdüse zum Injizieren von wässriger Harnstofflösung, welche stromaufwärts vom Mischer angeordnet ist. Während des Betriebs des Motors wird wässrige Harnstofflösung von der Injektionsdüse in den Abgasstrom in der Abgasleitung injiziert. Die injizierte wässrige Harnstofflösung wird durch die Mischerbewegung im Abgas diffundiert und atomisiert, während sie durch Hitze und Dampf im Abgas hydrolisiert wird, um Ammoniak (NH3) zu bilden. Im SCR-Katalysator dient der derart gebildete Ammoniak als Reduktionsstoff und erzeugt eine Reduktion des NOx (Stickstoffoxid) im Abgas in harmloses N2 (Stickstoff).
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In einer derartigen Abgasreinigungseinrichtung sollte die Menge der wässrigen Harnstofflösung, welche von der Injektionsdüse injiziert wurde, wünschenswerterweise entsprechend der Abgastemperatur gesteuert werden. Weiterhin sollte, wenn die Abgastemperatur unter eine Untergrenze gefallen ist, welche eine gewünschte Menge an Ammoniakbildung erlaubt, die Injektion der wässrigen Harnstofflösung gestoppt werden. Daher umfasst die Abgasreinigungseinrichtung aus Patentdokument 1 einen Temperatursensor, welcher zwischen dem Mischer und dem SCR-Katalysator angeordnet ist, um die Menge der wässrigen Harnstofflösung zu steuern, welche von der Injektionsdüse entsprechend der Abgastemperatur injiziert wurde, die durch den Temperatursensor detektiert wurde.
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Bei der in Patentdokument 1 offenbarten Abgasreinigungseinrichtung ist der Temperatursensor dennoch fernab der Injektionsdüse angeordnet, so dass die Injektionsmenge der wässrigen Harnstofflösung weit stromaufwärts von dort, wo die Abgastemperatur detektiert wird, gesteuert wird. Dies hindert die Abgasreinigungseinrichtung an der geeigneten Steuerung der Injektionsmenge der wässrigen Harnstofflösung. Um dieses Problem zu lösen ist es denkbar, den Temperatursensor nahe der Injektionsdüse anzuordnen. Dennoch ruft diese Lösung folgende neue Probleme hervor:
In diesem Fall haftet ein Teil der von der Injektionsdüse injizierten wässrigen Harnstofflösung an dem Temperatursensor nahe der Injektionsdüse und aufgrund des Kühlvorgangs der anhaftenden wässrigen Harnstofflösung, welche eine niedrige Temperatur hat, und der latenten Wärme der Verdampfung der wässrigen Harnstofflösung, ist die Temperatur, die durch den Temperatursensor detektiert wird, niedriger als die gegenwärtige Abgastemperatur. Wie die Abgastemperatur durch solche konventionelle Technologie detektiert wird, ist in 4 in einer gestrichelten Line dargestellt. Der Graph zeigt, dass der durch den Temperatursensor detektierte Wert vielfach einen Temperatursturz erfährt. Wie in 4 dargestellt, entspricht der Zeitverlauf des Temperatursturzes überwiegend dem Zeitverlauf der Injektion der wässrigen Harnstofflösung, welche unter der gestrichelten Line dargestellt ist. Daher kann angenommen werden, dass die wässrige Harnstofflösung, welche am Temperatursensor haftet, den Temperatursturz des Wertes hervorruft, welcher durch den Temperatursensor detektiert wird.
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Folglich wird bei der Abgasreinigungseinrichtung mit wie oben beschrieben angeordnetem Temperatursensor die Injektionsmenge der wässrigen Harnstofflösung ungeeignet auf Basis des fernab des wahren Wertes detektierten Wertes gesteuert. Obwohl das Abgas gegenwärtig eine Temperatur hat, die die durch die injizierte wässrige Harnstofflösung hervorgerufene Reduktion von NOx erlaubt, wird beispielsweise bestimmt, dass die Abgastemperatur unter einer erlaubten unteren Grenze liegt, so dass die Injektion der wässrigen Harnstofflösung gestoppt wird. Dies bedeutet ein Verfehlen des Zeitverlaufes zum Reduzieren des NOx, und daher ein Verfehlen der besten Ausnutzung der NOx-Reduzierleistung des SCR Katalysators, um das Abgas zu reinigen. Nicht erwähnt zu werden braucht, dass eine spätere zusätzliche Injektion von wässriger Harnstofflösung zu der der gestoppten Injektion entsprechenden Menge nur zu übermäßiger Injektion von wässriger Harnstofflösung führt, welche zu einem überflüssigen Verbrauch von wässriger Harnstofflösung und Ammoniakverlust vom SCR-Katalysator führt.
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Aus der Druckschrift
JP 2005-256633 A ist eine Abgas-Reinigungs-Einrichtung mit einem Abgaskontrollsystem bekannt. Die Einrichtung umfasst mehrere Katalysatoren, welche in einem Abgasweg angeordnet sind. In den Abgasweg wird mittels einer zwischen den Katalysatoren angeordneten Injektionsdüse ein auf Kohlenwasserstoff basierendes Additiv eingespritzt. Im Bereich der Injektionsdüse ist zum Messen einer Abgastemperatur ein Temperatursensor vorgesehen. Zwischen den Katalysatoren und stromabwärts der Katalysatoren ist zum Messen einer NOx-Konzentration des Abgases je ein Sensor angeordnet. Auf Basis dieser Temperatur- und Konzentrationsdaten regelt eine Kontrolleinheit die Menge des durch die Injektionsdüse eingespritzten Additivs.
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Die Druckschrift
JP 2006-183509 A offenbart ein Verwirbelungselement eines Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor weist einen Abgaskanal auf, durch welchen ein Abgasstrom fließt. Der Abgaskanal umfasst stromaufwärts eines Katalysators einen erweiterten Bereich zum Senken eines Abgasdrucks. In diesem Bereich ist ein Verwirbelungselement zum Verwirbeln des Abgasstroms angeordnet. Stromabwärts des Verwirbelungselements ist im Abgaskanal zum Einspritzen eines Additivs in das verwirbelte Abgas eine Einspritzvorrichtung angeordnet.
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Aus der Druckschrift
US 4,261,170 geht eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem in einem Abgasweg angeordneten, einteiligen Katalysator hervor. Zwischen Brennkammern eines Motors und einem Katalysatorraum, in welchem der Katalysator angeordnet ist, verlaufen separate Abgaskanäle, welche im Katalysatorraum zusammentreffen. Stromabwärts des Katalysatorraums ist zum Messen der Katalysatortemperatur ein Temperatursensor angeordnet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Probleme zu lösen. Das vorrangige Ziel davon ist es, eine Abgasreinigungseinrichtung für einen Motor vorzuschlagen, welche geeignet ist, die Injektion eines Additivs geeignet zu steuern auf der Basis der Abgastemperatur, welche mit hoher Genauigkeit detektiert wird, und zwar dadurch, dass verhindert wird, dass das injizierte Additiv an einem Temperaturdetektionsmittel anhaftet.
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Um dieses Ziel zu erreichen umfasst gemäß der vorliegenden Erfindung eine Abgasreinigungseinrichtung für einen Motor eine Katalysator-Einrichtung, welche in einem Abgasweg des Motors angeordnet ist, um vom Motor abgeleiteten Abgas unter Nutzung eines Additivs zu reinigen; ein Umlenk-Mittel, welches stromaufwärts von der Katalysator-Einrichtung im Abgasweg angeordnet ist, um das Abgas stromabwärts hindurchströmen zu lassen und den Abgasstrom umzulenken, wodurch das Abgas verwirbelt wird; ein Additivinjektions-Mittel, welches stromabwärts des Umlenk-Mittels im Abgasweg angeordnet ist, um ein Additivs in den Abgasweg zu injizieren; ein Temperaturdetektions-Mittel, welches stromabwärts des Umlenk-Mittels im Abgasweg angeordnet ist, um die Abgastemperatur zu detektieren; und ein Steuerungs-Mittel zum Steuern des Additivinjektions-Mittels auf der Basis der durch das Temperaturdetektions-Mittel detektierten Abgastemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturdetektions-Mittel einen Temperaturdetektions-Abschnitt hat, der in einem Bereich angeordnet ist, wo der beim Hindurchtreten durch das Umlenk-Mittel umgelenkte und dadurch beschleunigte Abgasstrom einen Zustand behält, in welchem die Geschwindigkeit erhöht ist.
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Beim Passieren des Umlenkmittels wird das Abgas vom Motor umgelenkt und daher durchgerührt. Daher wird stromabwärts vom Umlenkmittel das durch das Additivinjektionsmittel injizierte Additiv im Abgas diffundiert und atomisiert und bei der Abgasreinigung in der Katalysatoreinrichtung benutzt. In diesem Prozess wird die Injektion des Additivs durch das Additivinjektionsmittels durch das Steuermittel auf der Basis der durch das Temperaturdetektionsmittel detektierten Abgastemperatur gesteuert.
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Aus dem Umlenkmittel strömt Abgas stromabwärts hervor, welches kein Additiv enthält und umgelenkt wird und wodurch dessen Geschwindigkeit vergrößert wird, so dass unmittelbar stromabwärts des Umlenkmittels ein Bereich entsteht, welcher immer mit wenig Additiv enthaltendem Abgas belegt ist. Durch Anordnung des Temperaturdetektionsabschnittes des Temperaturdetekionsmittels innerhalb dieses Bereiches wird das Anhaften des durch das Additivinjektionsmittel injizierten Additivs am Temperaturdetektionsabschnitt verhindert. Dadurch werden Erkennungsfehler vermieden, die durch das Anhaften des Additivs hervorgerufen werden.
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Dies ermöglicht es, die Additivinjektion durch das Additivinjektionsmittel auf Basis der mit hoher Genauigkeit detektierten Abgastemperatur durchzuführen, was es der Katalysatoreinrichtung ermöglicht, eine hohe Abgasreinigungsleistung beizubehalten.
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Insbesondere kann in der Abgas-Reinigungs-Einrichtung für einen Motor das Umlenk-Mittel eine Basisplatte, welche den Abgasweg in Stromauf- und Stromab-Bereiche teilt, wobei die Basisplatte eine ringförmige Anordnung aus einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen hat, welche durch eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Verbindungsbereichen definiert werden; und eine Vielzahl von Rippen umfassen, welche sich stufenlos vom jeweiligen Verbindungsbereich zur gleichen Seite, der ringförmigen Anordnung folgend, erstrecken, wobei sich die Rippen aus der Basisplatte erheben, um stromabwärts vorzuragen, wobei es das Umlenk-Mittel dem Abgas ermöglicht, durch die Durchtrittsöffnungen zu strömen, und den Abgasstrom mit den Rippen umlenkt, wodurch das Abgas veranlasst wird, einen im Stromab-Bereich des Abgaswegs wirbelnden Strom zu bilden; und der Temperaturdetektions-Abschnitt des Temperaturdetektions-Mittels in der Nähe der Durchtrittsöffnung, welche mit einer bestimmten Rippe der Rippen korrespondiert, zwischen der Kante der bestimmten Rippe und der Basisplatte in senkrechter Richtung zur Basisplatte, und zwischen der Kante der bestimmten Rippe und der Grenze, die die zur Kante der bestimmten Rippe benachbarte Rippe mit dem Verbindungsbereich verbindet, in der Richtung der Anordnung der Rippen angeordnet ist.
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Bei der Abgasreinigungseinrichtung mit derartigem Aufbau ist der gesamte Öffnungsbereich der Durchtrittsöffnungen des Umlenkmittels kleiner als der Stromdurchtrittsbereich stromaufwärts und stromabwärts des Umlenkmittels. Daher wird der Abgasstrom eingeengt, wenn er die Durchtrittsöffnungen passiert, und dadurch wird die Geschwindigkeit erhöht, und unmittelbar danach wird die Geschwindigkeit weiterhin durch Umlenken entlang der Rippen erhöht, so dass das Abgas aus den Durchtrittsöffnungen stromabwärts mit hoher Geschwindigkeit herausschießt. Dies bildet einen Bereich unterhalb des Umlenkmittels nahe der Durchtrittsöffnungen, der stets durch wenig Additiv enthaltendes Abgas belegt ist. Zwischen der Kante der bestimmten Rippe und der Basisplatte in senkrechter Richtung zur Basisplatte und zwischen der Kante zur bestimmten Rippe und der Grenze, die die zur Kante der bestimmten Rippe benachbarte Rippe mit dem Verbindungsbereich verbindet, in der Richtung der Anordnung der Rippen behält das Abgas einen Zustand, in dem die Geschwindigkeit erhöht ist, was das Abgas davor bewahrt, mit dem Additiv vermischt zu werden. Daher wird durch Anordnung des Temperaturdetektionsabschnittes vom Temperaturdetektionsmittel innerhalb dieses Bereiches das Anhaften von Additiv am Temperaturdetektionsabschnitt verlässlich verhindert.
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Weiterhin kann bei der Herstellung der Bereich, in dem der Temperaturdetektionsabschnitt angeordnet werden soll, einfach auf der Basis von Positionsbeziehungen zu der Basisplatte, den Rippen, etc. identifiziert werden, was zu einer Erhöhung der Produktivität führt.
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Insbesondere kann in der Abgas-Reinigungs-Einrichtung für einen Motor die Katalysator-Einrichtung ein NOx-Katalysator vom Selektiv-Reduktions-Typ sein, welcher ausgeführt ist, NOx im Abgas selektiv unter Nutzung von Ammoniak als Reduktionsmittel zu reduzieren; wobei das Additivinjektions-Mittel eine wässrige Harnstofflösung als Additiv injiziert.
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Bei dieser Anordnung kann die Zufuhr von wässriger Harnstofflösung auf der Basis der mit hoher Genauigkeit detektierten Abgastemperatur gesteuert werden, so dass Ammoniak weder in zu großen noch in zu kleinen Mengen an den NOx-Katalysator vom Selektiv-Reduktion-Typ geleitet werden kann. Dies macht es möglich, die hohe Abgasreinigungsleistung des NOx-Katalysators vom Selektiv-Reduktions-Typ beizubehalten, welcher zur Abgasreinigung durch Reduktion von NOx bestimmt ist, wobei ein Auslaufen von Ammoniak verhindert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen, welche nur Illustrationszwecken dienen und daher die vorliegende Erfindung nicht begrenzen, vollständiger verstanden, wobei
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1 eine Ansicht des Gesamtaufbaus zeigt, der einen Dieselmotor mit einer Abgasreinigungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 eine Graphik zeigt, welche eine Rippeneinheit mit Blickrichtung von Pfeil A in 1 zeigt, nämlich von der stromabwärtsseitigen Seite bezogen auf dem Abgasstrom;
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3 eine Graphik zeigt, welche einen Querschnitt der Rippeneinheit entlang Linie III-III in 2 darstellt; und
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4 einen Graph zeigt, welcher darstellt, wie die Abgastemperatur bei der Ausführungsform und gemäß dem Stand der Technik detektiert wird, gewonnen bei einem Vergleichstest.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Bezogen auf die beiliegenden Zeichnungen wird eine Abgasreinigungseinrichtung für einen Motor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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1 ist eine Ansicht des Gesamtaufbaus, zeigend einen Dieselmotor (im Folgenden als Motor bezeichnet) 1 mit einer Abgasreinigungseinrichtung gemäß der Ausführungsform. Der Motor 1 ist ein Reihen-Sechszylindermotor, bei dem ein Kraftstoffinjektionsventil 2 für jeden Zylinder des Motors 1 vorgesehen ist. Unter Druck gesetzter Kraftstoff wird mittels eines Common-Rails 3 an die jeweiligen Injektionsventile 2 geleitet und jedes Kraftstoffinjektionsventil 2 injiziert Kraftstoff in seinem entsprechenden Zylinder, indem es zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, welcher abhängig vom Betriebszustand des Motors 1 bestimmt wird.
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Ein Ansaugverteiler 4 zum Zuführen von Ansaugluft zum Motor 1 ist mit der Ansaugseite des Motors 1 verbunden. Eine Ansaugleitung 5, welche mit dem Ansaugverteiler 4 verbunden ist, umfasst einen Luftreiniger 6, einen Kompressor 7a eines Turboladers 7 und einen Ladeluftkühler 8, welcher in Richtung des Ansaugluftstroms angeordnet ist, und zwar in dieser Reihenfolge.
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Ein Abgasverteiler 9 zum Ausleiten von Abgas aus dem Motor 1 ist mit der Abgasseite des Motors 1 verbunden. Am Auslass des Abgasverteilers 9 ist eine Turbine 7b des Turboladers 7 vorgesehen und mechanisch mit dem Kompressor 7a durch eine gemeinsame Achse verbunden. Eine Abgasleitung 10 ist mit der Turbine 7b verbunden.
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Im Betrieb des Motors 1 wird Ansaugluft, welche durch den Ansaugweg 5 durch den Luftreiniger 6 angesaugt wurde, durch den Kompressor 7a des Turboladers 7 komprimiert, wobei sie dann den Ladeluftkühler 8 passiert, dann durch den Ansaugverteiler 4 auf die Zylinder verteilt und dann beim Ansaughub in den jeweiligen Zylinder gesaugt. Kraftstoff wird von jedem Kraftstoffinjektionsventil in seinen entsprechenden Zylinder zum vorbestimmten Zeitpunkt injiziert, und der Kraftstoff entzündet sich bei ungefähr dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes zum Verbrennen im Zylinder. Von der Verbrennung des Kraftstoffs resultierendes Abgas gelangt zur Turbine 7b, um diese nach Passieren des Abgasverteilers 9 zu rotieren, und passiert die Abgasleitung 10, um an die Umgebung abgegeben zu werden.
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Eine Abgasreinigungseinrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in die Abgasleitung 10 eingegliedert. Die Abgasreinigungseinrichtung umfasst ein stromauf angeordnetes Gehäuse 11, ein stromab angeordnetes Gehäuse 12 und eine Mischkammer 13, welche zwischen den beiden Gehäusen 11, 12 vorgesehen ist. Daher bilden zusätzlich zur Abgasleitung 10 das stromauf angeordnete Gehäuse 11, die Mischkammer 13 und das stromab angeordnete Gehäuse 12 einen Abgasweg.
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In dem stromauf angeordneten Gehäuse 11 ist ein Vorstufenoxidationskatalysator 14 und ein DPF (Dieselpartikelfilter) 15 – in der Richtung des Abgasstromes genannt – angeordnet. In dem stromab angeordneten Gehäuse 12 sind ein SCR-Katalysator (NOx-Katalysator vom Selektions-Reduktions-Typ, welcher der Katalysatoreinrichtung der vorliegenden Erfindung entspricht) 16 und ein nachgeschalteter Oxidationskatalysator 17 – genannt im Abgasstromrichtung – angeordnet. Die Mischkammer 13 hat als Ganzes gesehen die Form einer Venturi-Verengung, die in der Mitte eingeschürt ist. Insbesondere verjüngt sich vom hinteren Ende des stromauf angeordneten Gehäuses 11 die Mischkammer oder es verringert sich zumindest schrittweise der Durchmesser in Richtung des Abgasstroms, und dann vergrößert sich der Durchmesser wieder schrittweise bis zu dem vorderen Ende des stromab angeordneten Gehäuses 12.
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In der Mischkammer 13 ist an der stromaufwärts gelegenen Seite eine Rippeneinheit 18 (Umlenkmittel) vorgesehen. Die Rippeneinheit 18 wird hergestellt, indem eine scheibenförmige Basisplatte 19 aus Stahl einer Pressformung unterworfen wird, und hat eine ringförmige Anordnung von acht Rippen 20. Die Umgebung der Basisplatte 19 ist mit der Wandoberfläche der Mischkammer 13 verschweißt, so dass die Basisplatte 19 das Innere der Mischkammer 13 in stromaufseitige und stromabseitige Bereiche teilt.
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2 ist eine Graphik, zeigend die Rippeneinheit 18 in Blickrichtung gemäß Pfeil A in 1, nämlich von der stromabwärts gelegenen Seite, und 3 ist eine Graphik, zeigend einen Querschnitt der Rippeneinheit 18 entlang der Line III-III in 2. In 3 läuft die Richtung des Abgasstroms von unten nach oben. Auf der Basisplatte 19 sind acht Verbindungsbereiche 21 definiert, welche von der Mitte nach Außen laufen, und näherungsweise dreiecksförmige Bereiche zwischen den Verbindungsbereichen 21 bilden die oben genannten Rippen 20. Obwohl die Längsmittelachse jedes Verbindungsbereiches 21 nicht durch die Mitte der Basisplatte 19 verläuft, ist die Anordnung der Verbindungsbereiche nicht darauf begrenzt. Die Verbindungsbereiche 21 können so definiert sein, dass sie eine Längsmittelachse haben, welche durch die Mitte der Basisplatte 19 verläuft.
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Jede Rippe 20 ist mit einem benachbarten Verbindungsbereich 21 durch eine Grenzlinie 22 auf einer Seite (erste Seite) verbunden und von einem benachbarten Verbindungsbereich 21 auf der anderen Seite (zweite Seite) durch Stanzung beim Pressformen separiert. Genauso ist jede Rippe 20 von einem Umgebungsbereich der Basisplatte 19 durch Stanzen beim Pressformen separiert. Beim Pressformen wird jede Rippe 20 vom Verbindungsbereich 21 der ersten Seite entlang der Grenzlinie 22 geknickt. Folglich erheben sich die jeweiligen Rippen 20 von der Basisplatte 19 in Richtung des Abgasstromes mit gleichem Winkel α zur Basisplatte 19. Durch Anstellen der Rippen 20 auf diese Weise entstehen in der Basisplatte 19 Durchtrittsöffnungen 23, welche näherungsweise dreiecksförmig sind und den stromaufseitigen und den stromabseitigen Bereich der Basisplatte 19 verbinden. Auch wenn bei der vorliegenden Ausführungsform der Rippenwinkel α auf 10° gesetzt ist, kann der Rippenwinkel α und die Anzahl der Rippen 20 je nach Wunsch geändert werden.
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In der Mischkammer 13 ist stromabwärts der Rippeneinheit 18 eine Injektionsdüse 24 (Additivinjektionsmittel) vorgesehen. Die Injektionsdüse 24 erstreckt sich vom Umfang zur Mitte der Mischkammer 13 und hat ein distales Ende 24a, welches in der Mitte der Mischkammer 13 angeordnet ist und bezüglich des Abgasstroms stromabwärts gerichtet ist. Eine wässrige Harnstofflösung (Additiv) wird mit einem vorbestimmten Druck zu der die Injektionsdüse 24 von einem (nicht gezeigten) Harnstofftank über ein an der Außenseite der Mischkammer 13 angeordnetes Magnetventil 26 geleitet. Entsprechend der Öffnung und Schließung des Magnetventils 25 injiziert die Injektionsdüse 24 die wässrige Harnstofflösung radial durch eine Vielzahl von Injektionsöffnungen an der Außenseite 24a in Richtung des Umfanges der Mischkammer 13. Obwohl dies nicht in der Figur gezeigt ist, sind Injektionsausnehmungen der Injektionsdüse 24 an äquidistant verteilten acht Orten vorgesehen, die mit den acht Rippen 20 der Rippeneinheit 18 korrespondieren. Daher wird die wässrige Harnstofflösung von den entsprechenden Injektionsausnehmungen in einem mit den entsprechenden Rippen 20 korrespondieren Muster injiziert, wie in 2 mit gestrichelten Linien gezeigt. In der Nähe der Injektionsdüse 24 ist ein Temperatursensor 26 (Temperaturdetektionsmittel) zum Detektieren der Temperatur T des Abgases, welches durch die Mischkammer 13 strömt, vorgesehen. Der Temperatursensor 26 erstreckt sich vom Umfang zur Mitte der Mischkammer 13 und hat einen Temperaturdetektionsabschnitt 26a an der Außenseite, welcher bezogen auf den Abgasstrom stromaufwärts gerichtet ist (in Richtung der Rippeinheit 18). Der Temperaturdetektionsabschnitt 26a des Temperatursensor 26 ist in der Nähe der Durchtrittsöffnung 23 angeordnet, welche mit einer vorbestimmten Rippe 20a korrespondiert. Jede der acht Rippen 20 kann als die vorbestimmte Rippe 20a ausgewählt werden, und die Auswahl kann nach Wunsch geändert werden.
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Insbesondere ist der Temperaturdetektionsabschnitt 26a, wie in 2 gezeigt, auf einen Radius von der Mitte der Mischkammer 13 (übereinstimmend mit der Aussenseite 24a der Injektionsdüse 24) im Abstand L zur Mitte hin, bezogen auf den Umfang der Mischkammer 13 angeordnet. Weiterhin ist der Temperaturdetektionsabschnitt 26a, wie in 3 gezeigt, mit einem Abstand H (4 mm z. B.) von der Oberfläche der Basisplatte 19 in Richtung des Abgasstromes beabstandet angeordnet. Weiterhin ist, wie aus 2 und 3 ersichtlich, der Temperaturdetektionsabschnitt 26a in der Umfangsrichtung der Mischkammer 13 (Richtung der Rippenanordnung 20) in Übereinstimmung mit dem Verbindungsbereich 21 angeordnet, welcher die zur bestimmten Rippe 20a benachbarte Rippe 20 trägt.
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Sensoren, einschließlich des Temperatursensors 26, sind mit der Eingangsseite einer elektronischen Steuereinheit (abgekürzt mit ECU) 31 als Steuermittel verbunden, während Einrichtungen einschließlich des Kraftstoffinjektionsventiles 2 und des Magnetventiles 25, welches mit der Injektionsdüse 24 verbunden ist, mit der Ausgangseite der ECU 31 verbunden sind. Die ECU 31 schaltet und steuert die Einrichtungen auf Basis der Ausgabe der Sensoren. Beispielsweise setzt die ECU 31 eine Kraftstoffinjektionsmenge basierend auf einer Motordrehzahl Ne und Gaspedaldruckbetrages θacc, unter Benutzung von Tabellen (nicht gezeigt), welche die Beziehung zwischen diesen Parametern definieren, und setzt sie die Kraftstoffinjektionstaktung basierend auf einer Motordrehzahl Ne und Kraftstoffinjektionsmenge, unter Benutzung von Tabellen (nicht gezeigt), welche die Beziehung zwischen diesen Parameter definieren. Die ECU 31 steuert den Motor 1 durch Steuern und Schalten der Kraftstoffinjektionsventile 2 basierend auf der Kraftstoffinjektionsmenge und der derart festgelegten Kraftstoffinjektionstaktung an.
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Weiterhin setzt die ECU 31 eine Zielinjektionsmenge für die Zufuhr von wässriger Harnstofflösung basierend auf der Abgastemperatur T, welche durch den Temperatursensor 26 detektiert wird, um Ammoniak (NH3) derart an den SCR-Katalysator 16 zuzuführen, dass der SCR-Katalysator 16 die Reduktion des NOx zum Reinigen des Abgases durchführen kann. Die ECU 31 steuert und schaltet das Magnetventil 25 basierend auf der derart festgesetzten Zielinjektionsmenge, wodurch das Injektionsventil 24 veranlasst wird, wässrige Harnstofflösung zu injizieren.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Phänomen, dass die wässrige Harnstofflösung, welche vom Injektionsventil 24 injiziert wurde, am Temperatursensor 26 anhaftet, dadurch vermieden, dass der Temperaturdetekionsabschnitt 26 des Temperatursensors 26 wie oben beschrieben angeordnet wird. Nun wird beschrieben, wie das Abgas durch die Mischkammer 13 strömt und wie die wässrige Harnstofflösung zerstäubt und atomisiert wird.
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Das vom Motor 1 abgegebene Abgas strömt durch den Ansaugverteiler 10 in das stromauf gelegene Gehäuse 11. Während das Abgas nach dem Vorstufen-Oxidationskatalysator 14 den DPF 15 passiert, werden Partikel im Abgas in DPF 15 eingefangen. Dann strömt das Abgas in die Mischkammer 13 und bewegt sich auf jede der Durchtrittsöffnungen 23 in der Rippeneinheit 18 zu. Unmittelbar nach Passieren der Durchtrittsöffnungen 23 trifft das Abgas auf die Rippen 20 und wird entsprechend des Rippenwinkels umgelenkt.
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Folglich bildet das Abgas innerhalb der Mischkammer 13 einen wirbelnden Strom, in welchen die wässrige Harnstofflösung von der Injektionsdüse 24 injiziert wird. Der Wirbelstrom des Abgases wird bezüglich seiner radialen Größe entsprechend dem variierenden Querschnittsbereich der Mischkammer 13 zunächst verkleinert und dann vergrößert, was es ermöglicht, die wässrige Harnstofflösung auf gute Art und Weise im Abgas zu verteilen und zerstäuben. Nachdem die wässrige Harnstofflösung in die Mischkammer 13 abgegeben wurde, wird sie durch die Hitze und den Dampf im Abgas hydrolisiert um Ammoniak zu bilden. Mit dem derart gebildeten Ammoniak versorgt reduziert der SCR-Katalysator 16 NOx im Abgas, um NOx in harmloses N2 umzuwandeln, so dass das Abgas gereinigt wird. Bei der Reduktion nicht verbrauchter Ammoniak wird durch den nachgeschalteten Oxidationskatalysator 17 aus dem Abgas entfernt.
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Wie oben erwähnt, steuert die ECU 31 die Injektion von wässriger Harnstofflösung von der Injektionsdüse 24 basierend auf der Abgastemperatur T. Außer wenn die Injektion der wässrigen Harnstofflösung gestoppt wird, weil die Abgastemperatur T unterhalb eines erlaubten unteren Limits liegt oder wenn der Motor 1 in einem Betriebszustand ist, in dem die Reduktion des NOx durch den SCR-Katalysator 16 nicht notwendig ist, wird wässrige Harnstofflösung von der Injektionsdüse 24 in die Mischkammer 13 injiziert. Wie aus 1 ersichtlich, liegt der Temperaturdetekionsabschnitt 26a des Temperatursensors 2 etwas stromaufwärts der Aussenseite 24a der Injektionsdüse 24. Weil die wässrige Harnstofflösung von der Aussenseite 24a der Injektionsdüse 24 radial injiziert wird, wenn die Rippeneinheit 18 nicht vorgesehen oder nicht geeignet vorgesehen ist, erreicht dennoch ein Teil der injizierten wässrigen Harnstofflösung den Temperaturdetekionsabschnitt 26a des Temperatursensors 2 stromaufwärts gegen den Abgasstrom. Dies erzeugt die Abweichung des durch den Temperatursensor 26 detektierten Wertes von der gegenwärtigen Abgastemperatur T.
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Um dieses Problem zu entschärfen, ist es denkbar, die Injektionsdüse 24 so anzuordnen, dass die wässrige Harnstofflösung zur stromabwärts gelegenen Seite hin injiziert wird. In diesem Fall wird die wässrige Harnstofflösung dennoch in einem unzureichend verteilten/zerstäubten Zustand an den SCR-Katalysator 16 geleitet, was zu einer niedrigeren NOx-Reduktions-Leistung des SCR-Katalysators 16 führt. Daher muss die wässrige Harnstofflösung mehr oder weniger in Richtung des Umfanges der Mischkammer 13 radial injiziert werden und haftet daher unausweichlich am Temperatursensor 26 an, wenn die Rippeneinheit 18 nicht oder nur unzureichend vorgesehen ist.
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Nun wird zur Bestätigung beschrieben, wie das Abgas vor und hinter der Rippeneinheit 18 bei der vorliegenden Ausführungsform strömt. Die gesamte Öffnungsfläche der acht Durchtrittsöffnungen 23 der Rippeneinheit 18 ist viel kleiner als die Durchstromfläche der Mischkammer 13 vor und hinter der Rippeneinheit 18. Daher wird der Abgasstrom durch die Durchtrittsöffnungen 23 der Rippeneinheit 18 beschränkt, wodurch seine Geschwindigkeit erhöht wird, und unmittelbar danach wird die Geschwindigkeit durch die Umlenkung entsprechend dem oben genannten Rippenwinkel weiter erhöht. Es muss angemerkt werden, dass wie oben erwähnt der Abschnitt der Mischkammer 13 stromaufwärts der Rippeneinheit 18 nur Abgas enthält, nämlich keine wässrige Harnstofflösung, während der Abschnitt der Mischkammer 13 stromabwärts der Rippeneinheit 18 wässrige Harnstofflösung im zerstäubten Zustand enthält. Daher passiert das keine wässrige Harnstofflösung enthaltende Abgas die Durchtrittsöffnungen 23 der Rippeneinheit 18. Somit schießt, wie mit den gestrichelten Linien in 3 gezeigt, Abgas mit hoher Geschwindigkeit aus den Durchtrittsöffnungen 23 heraus. Dies bildet einen Bereich, welcher immer durch wenig wässrige Harnstofflösung enthaltendes Abgas belegt ist (im Folgenden als Anhaftungs-Verhinderungs-Bereich bezeichnet), stromabwärts der Rippeneinheit 18, in der Nähe der Durchtrittsöffnungen 23.
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Das durch die Durchtrittsöffnungen 23 hindurch getretene Abgas vermischt sich solange nicht mit der wässrigen Harnstofflösung, wie der Abgasstrom eine hohe Geschwindigkeit beibehält. Folglich erstreckt sich der Anhaftungsverhinderungsbereich nur nahe der Durchtrittsöffnungen 23. Insbesondere kann wie in 3 gezeigt dieser Bereich als der Anhaftungsverhinderungsbereich betrachtet werden, weil der Abgasstrom ausreichend hohe Geschwindigkeit in dem Bereich behält, der durch die Rippenhöhe E1 definiert ist, gemessen von der Oberfläche der Basisplatte 19 zur Außenseite der bestimmten Rippe 20a in Richtung des Abgasstroms, die definiert ist durch den Abstand E2, gemessen von der Außenseite der bestimmten Rippe 20a zur Grenzlinie 22 an der Innenseite der benachbarten Rippe 20 in der Umfangsrichtung der Mischkammer 13.
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Wie oben erwähnt ist der Temperaturdetektionsabschnit 26a des Temperatursensors 26 mit dem Abstand H von der Oberfläche der Basisplatte 19 beabstandet, und dieser Abstand H liegt innerhalb der Höhe E1. Ferner ist, wie in 2 und 3 ersichtlich, der Temperaturdetektionsabschnit 26a des Temperatursensors 26 in Übereinstimmung mit dem Verbindungsbereich 21 angeordnet, welcher mit der zur bestimmten Rippe 20a benachbartem Rippe 20 verbunden ist, in der Umfangsrichtung der Mischkammer 13 und daher im Abstand E2. Folglich liegt der Temperaturdetektionsabschnitt 26a innerhalb des Anhaftungsverhinderungsbereiches. Aufgrund dieser Anordnung des Temperaturdetektionsabschnittes 26a wird die Anhaftung von wässriger Harnstofflösung am Temperaturdetektionsabschnitts 26a verhindert, auch wenn die zerstäubte und von der Injektionsdüse 24 injizierte wässrige Harnstofflösung in die Mischkammer 13 spritzt, so dass das Problem verhindert wird, dass die am Temperaturdetektionsabschnitt anhaftende wässrige Harnstofflösung den Temperaturdetektionsabschnitt veranlasst, eine Temperatur zu detektieren, die niedriger als die gegenwärtige Abgastemperatur ist.
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In 4 ist mit einer durchgezogenen Linie gezeigt, wie die Abgastemperatur T bei der vorliegenden Ausführungsform detektiert wird. Wie aus 4 ersichtlich, wird die Abgastemperatur T stabil detektiert, ohne durch die Injektion der wässrigen Harnstofflösung beeinflusst zu werden, woraus gefolgert werden kann, dass die Anhaftung der wässrigen Harnstofflösung am Temperaturdetektionsabschnitt 26a wie gewünscht effektiv verhindert werden kannte. Weiterhin zeigt der Graph in 4, dass sich bei der vorliegenden Ausführungsform der vom Temperatursensor 26 detektierte Wert zu anderen Zeiten als der Injektion von wässriger Harnstofflösung von den mit herkömmlicher Technologie detektierten Wert durch einen im Wesentlichen konstanten Wert unterscheidet. Dieser Unterschied entsteht nicht durch die Anhaftung der wässrigen Harnstofflösung, sondern durch die unterschiedliche Anordnungen des Temperatursensorabschnittes 26a.
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Wie oben beschrieben, ist bei der vorliegenden Ausführungsform der Abgasreinigungseinrichtung der Temperatursensor 26a des Temperatursensor 26 innerhalb des Anhaftungsverhinderungsbereiches angeordnet, während der Abgasstrom in der Nähe der Durchtrittsöffnungen 23 der Rippeneinheit 18 eine hohe Geschwindigkeit hat. Folglich wird das Phänomen verhindert, dass die von der Injektionsdüse 24 injizierte wässrige Harnstofflösung am Temperaturdetektionsabschnitt 26a anhaftet, was eine optimale Steuerung der Injektion der wässrigen Harnstofflösung über die Injektionsdüse 24 basierend auf der immer mit hoher Genauigkeit detektierten Abgastemperatur T ermöglicht.
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Weiterhin kann die vorliegende Ausführungsform der Abgasreinigungseinrichtung das Problem verhindern, dass, obwohl das Abgas gegenwärtig eine Temperatur hat, welche die Reduktion von NOx ermöglicht, die durch Injektion von wässriger Harnstofflösung hervorgerufen wird, bestimmt wird, dass die Abgastemperatur unter einer erlaubten unteren Grenze liegt, so dass die Injektion der wässrigen Harnstofflösung gestoppt wird und dadurch das Abgas durch Reduktion des NOx zu geeigneten Zeiten reinigen kann.
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Ferner kann die vorliegende Ausführungsform der Abgasreinigungseinrichtung den optimalen Wert der zu injizierenden wässrigen Harnstofflösung setzen, basierend auf der mit hoher Genauigkeit detektierten Abgastemperatur. Folglich kann sie beispielsweise eine Erhöhung des Verbrauchs von wässriger Harnstofflösung und Ammoniakauslauf vom SCR-Katalysator 16 verhindern, welcher durch einen Überschuss von wässriger Harnstofflösung hervorgerufen wird. Umgekehrt kann die vorliegende Ausführungsform eine Verschlechterung der NOx-Reduktions-Leistung des SCR-Katalysator 16 verhindern, welche durch einen Mangel an wässriger Harnstofflösung hervorgerufen wird. Aus diesen Gründen kann die vorliegende Ausführungsform immer eine gute Abgasreinigungsleistung bereitstellen, durch beste Ausnutzung der NOx-Reduktions-Funktion des SCR-Katalysators 16.
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Bei der Herstellung kann der Anhaftungsverhinderungsbereich, innerhalb welchem der Temperaturdetektionsabschnitt 26a des Temperatursensors 26 angeordnet sein sollte, leicht basierend auf einer Positionsbeziehung zwischen der Basisplatte 19, den Rippen 20, den Grenzlinien 22, etc. identifiziert werden, was es ermöglicht, die Abgasreinigungseinrichtung mit hoher Produktivität herzustellen.
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Als Maßnahme zum Verhindern der Anhaftung von wässriger Harnstofflösung am Temperaturdetektionsabschnitt 26a des Temperatursensors 26 ist die Anordnung des Temperatursensors 26 stromaufwärts der Rippeneinheit 18 denkbar. In diesem Fall muss dennoch Raum für den Temperatursensor 26 zwischen dem DPF 15 und der Rippeneinheit 18 existieren, was zur Vergrößerung der Abgasreinigungseinrichtung führt. Weiterhin erfordert das Ersetzen eines verbrauchten DPF 15 ein Entfernen und Einsetzen des Temperatursensors 26, was sich nachteilig auf die Wartung auswirkt. Die vorliegende Ausführungsform der Abgasreinigungseinrichtung kann die Anhaftung von wässriger Harnstofflösung ohne Anordnung des Temperatursensors 26 stromaufwärts verhindern und daher solche Problem vermeiden.
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Auch wenn bei der vorliegenden Ausführungsform der Temperaturdetektionsabschnitt 26a mit dem Abstand H beabstandet von der Oberfläche der Basisplatte 19 und in Übereinstimmung mit dem Verbindungsbereich 21 in Umfangsrichtung der Mischkammer 13 angeordnet ist, ist die Anordnung des Temperaturdetektionsabschnittes 26a nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann der Temperaturdetektionsabschnitt 26a überall angeordnet werden, solange dies innerhalb des Anhaftungsverhinderungsbereiches definiert durch die oben genannte Rippenhöhe E1 und den Abstand E2 erfolgt. Dennoch angemerkt werden muss, dass die Anordnung des Temperaturdetektionsabschnittes 26a zu nahe an der Rippeneinheit 18 in einem höher detektierten Wert als die gegenwärtige Abgastemperatur resultiert, weil der Temperaturdetektionsabschnitt 26a von der Rippeneinheit 18 ausgestrahlter Hitze unterliegt. Daher ist eine extrem kleine Rippenhöhe E1 unerwünscht. Der Temperaturdetektionsabschnitt 27a sollte geeigneter Weise innerhalb der Region angeordnet sein, welche einen der Rippenhöhe E1 bis nahe null (beispielsweise 0 bis 2 mm) entsprechenden Bereich ausnimmt.
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Im Gegensatz zur Rippenhöhe E1 und dem Abstand E2 ist der die Position des Temperaturdetektionsabschnittes 26a anzeigende Abstand L kein Parameter, welcher den Anhaftungsverhinderungsbereich direkt definiert und kann bezüglich des Radius der Mischkammer 13 wie gewünscht verändert werden. Es muss dennoch angemerkt werden, dass die Umfangsweite der Durchtrittsöffnung 23 genau wie die der Rippe 20 sich radial nach Außen vergrößert, d. h. in Richtung des Umfanges der Mischkammer 13, so dass bei radial weiter außen liegender Position die Rippenhöhe E1 und der Abstand E2 größer sind und dadurch einen größeren Anhaftungsverhinderungsbereich definieren. Bei der Herstellung ist es fast nicht vermeidbar, dass der Temperaturdetektionsabschnitt 26a mit einem gewissen Fehler positioniert wird. Allerdings erlaubt ein größerer Anhaftungsverhinderungsbereich einen größeren Positionierungsfehler. Daher ist ein kleiner Abstand L nämlich eine radial weiter außen gelegene Position des Temperaturdetektionsabschnittes 26a wünschenswerter, solange andere Beschränkungen, beispielsweise Beschränkungen im Zusammenhang mit der Beeinflussung der Injektionsdüse 24 nicht auftreten oder vernachlässigt werden können, weil dies einen größeren Fehler bei der Positionierung des Temperaturdetektionsabschnittes 26a ermöglicht und daher zur Vergrößerung der Produktivität beiträgt.
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Oben wurde eine Ausführungsform beschrieben. Dennoch ist der Aufbau der vorliegenden Erfindung nicht auf diese beschriebene Ausführungsform einer Abgasreinigungseinrichtung beschränkt. Auch wenn die beschriebene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einer Abgasreinigungseinrichtung für einen Dieselmotor 1 mit einem SCR-Katalysator 16 zum Reinigen von Abgas versehen ist, so ist die vorliegende Erfindung beispielsweise auf jeden Motor anwendbar, der mit einer Katalysatoreinrichtung versehen ist, die die Zufuhr eines Additivs erfordert. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf einen Motor angewandt werden, der mit einem Adsorptionsartigen NOx Katalysator versehen ist, welcher im Abgasweg angeordnet ist, um das NOx im Abgas zu adsorbieren. In solch einem Motor ist es notwendig eine regelmäßige Abführung von NOx durchzuführen, in welchen Kraftstoff in den Abgasweg als Additiv injiziert wird, um zu veranlassen, dass das adsorbierte NOx aus den NOx Katalysator abgeleitet wird und reduziert wird. In diesem Fall wird der in 1 gezeigte Aufbau derart modifiziert, dass der SCR-Katalysator 16 mit einem NOx-Katalysator vom Adsorptionstyp ersetzt wird, und das die Injektionsdüse 26 Kraftstoff anstatt wässriger Harnstofflösung injiziert. In solch einer Abgasreinigungseinrichtung kann eine Anhaftung Kraftstoff am Temperatursensor 26 durch Anordnung des Temperaturdetektionsabschnittes 26a des Temperatursensors 26 auf die gleiche Weise wie in der beschriebenen Ausführungsform verhindert werden. Dies erlaubt es, die Abfuhr von NOx basierend auf der mit hoher Genauigkeit detektierten Temperatur T durchzuführen.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform umfasst die Abgasreinigungseinrichtung als Umlenkmittel eine Rippeneinheit 18, welche das Abgas veranlasst, einen wirbelnden Strom zu bilden. Der Aufbau des Umlenkmittels ist dennoch nicht darauf beschränkt, so lange wie das Abgas stromabwärts hindurch strömen kann und dadurch umgelenkt wird, wodurch das Abgas durchgemischt wird. Unabhängig von Veränderungen von Besonderheiten des Aufbaus können solche Umlenkmittel die gleiche Wirkung wie in der beschriebenen Ausführungsform hervorrufen, wenn der Temperaturdetektionsabschnitt 26a des Temperatursensors 26 innerhalb des Anhaftungsverhinderungsbereiches positioniert wird, welcher als ein Bereich gekennzeichnet ist, wo der Abgasstrom umgelenkt ist und eine erhöhte Geschwindigkeit hat.
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Es ist offensichtlich, dass die zuvor beschriebene Erfindung auf viele Weisen variiert werden kann. Derartige Variationen sollen nicht als Abweichen vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung aufgefasst werden und wie einem Fachmann offensichtlich ist, sollen all diese Modifikationen vom Schutzbereich der folgenden Ansprüche erfasst sein.