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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Eindosieren von
Additiv in eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors.
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Zur
Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren ist es häufig erforderlich,
in der Regel flüssige
Hilfsstoffe, sog. Additive, in das Abgas einzudosieren. Beispiele
hierfür
sind die Zugabe von Harnstofflösung
(z. B. eine unter dem Namen „AdBlue” bekannte
Lösung
von 32,5% Harnstoff in demineralisiertem Wasser) ins Abgas von Dieselmotoren
zur Regeneration von SCR-NOx-Katalysatoren zur Umsetzung von NOx,
oder/und die Zugabe von flüssigem
Kraftstoff (z. B. Dieselkraftstoff) zur Regeneration von Partikelfiltern.
In allen Fällen
ist es erforderlich, das Additiv möglichst gleichmäßig verteilt
und insbesondere mit einem möglichst
hohen Verdampfungsgrad in das Abgas einzudosieren, da die Katalysatoren
bzw. Filter empfindlich gegenüber
dem Auftreffen von noch flüssigem
Additiv sind, und bei zu geringem Verdampfungsgrad des eindosierten
Additivs Schädigungen
des Katalysators bzw. Filters zu befürchten sind.
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Um
eine den Anforderungen genügende
Gemischaufbereitung zu erzielen, sind bislang in der in der Regel
zusätzliche,
den eigentlichen Dosierelementen (Sprayventilen o. ä.) nachgeschaltete
mechanische Mischelemente, z. B. Klappenmischer, Bandwellenmischer
oder Drallmischer, erforderlich. Eine schematische Darstellung einer
solchen herkömmlichen
Anordnung mit einem direkt von dem eindosierten Additiv beaufschlagten
Mischelement zeigt 1.
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Der
Einsatz von zusätzlichen
Mischelementen führt
zu zusätzlichen
Kosten für
das zusätzliche Bauteil
und wegen des komplexeren Einbaus. Darüber hinaus muss eine solches
Mischelement für
den entsprechenden Rohrquerschnitt des Abgaskanals speziell angepasst
sein, so dass für
unterschiedliche Abgasanlagen in der Regel eigens angepasste Mischelemente
verwendet werden müssen.
Auch die erforderliche Dauerhaltbarkeit der Mischelemente gegenüber thermischer
und mechanischer Belastung lässt
sich nur mit Aufwand erreichen. Ein besonderer Nachteil der bislang
verwendeten Kombinationen von Dosierelement und Mischelement liegt
darin, dass der Einsatz von Mischelementen unweigerlich einen hohen
Druckverlust der Abgasanlage mit sich bringt, der auf den erhöhten Strömungswiderstand des
Mischelements zurückzuführen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung löst
die Aufgabe, die Eindosierung von Additiv in die Abgasströmung eines
Verbrennungsmotors zu verbessern. Insbesondere soll diese Eindosierung
von Additiv mit verringertem Druckverlust der Abgasanlage bei gleich
gutem oder sogar verbessertem Verdampfungsgrad des Additivs ermöglicht werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Anordnung zum Eindosieren von Additiv in eine Abgasanlage eines
Verbrennungsmotors, umfassend ein Abgaskanalsegment mit einem stromaufwärts liegenden
Ende und einem stromabwärts
liegenden Ende, und ein dem Abgaskanalsegment zugeordnetes Dosierelement
zum Eindosieren von Additiv in durch das Abgaskanalsegment strömendes Abgas,
wobei das Abgaskanalsegment wenigstens einen dem Dosierelement zugeordneten
Rampenbereich aufweist, in welchem der Strömungsquerschnitt des Abgaskanals
gegenüber
dem stromaufwärts
liegenden Ende des Abgaskanalsegments verändert ist oder/und in welchem
sich die Richtung der Abgasströmung ändert, wobei
das Dosierelement und der Rampenbereich derart zueinander angeordnet
sind, dass Additiv aus dem Dosierelement in Richtung zu dem Rampenbereich
hin austritt.
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Ändert sich
im Rampenbereich die Form des Abgaskanalsegments in Querschnittsansicht,
führt dies
zu einem veränderten
Strömungsquerschnitt des
Abgaskanals. Damit einher geht eine veränderte Lage der Strömungslinien
der Ab gasströmung
zueinander im Rampenbereich gegenüber den Bereichen stromabwärts oder/und
stromaufwärts.
Vorzugsweise rücken
die Strömungslinien
im Rampenbereich dichter zusammen. Diese Änderung wird erfindungsgemäß ausgenutzt,
um die Durchmischung von Abgas und Additiv zu verbessern.
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Ein
entsprechender Effekt lässt
sich erzielen, wenn im Rampenbereich, alternativ oder zusätzlich zu
der genannten Änderung
der Form des Abgaskanals in Querschnittsrichtung, sich die Richtung
der Strömungslinien
des Abgases in Längsrichtung ändert, und
sich insbesondere die Richtung einer mittleren Strömungslinie
bzw. Strömungsachse
des durch den Abgaskanal strömenden
Abgases gegenüber der
Richtung der Strömungsachse
am stromaufwärts liegenden
Ende des Abgaskanalsegments ändert bzw.
der Abgaskanal eine Umlenkung ausbildet.
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Die
Erfindung ermöglicht
eine gezielte Führung
von Abgasströmung
und eindosiertem Additiv relativ zueinander. Insbesondere kann durch
entsprechende Gestaltung des Querschnitts des Abgaskanalsegments
im Rampenbereich das eindosierte Additiv noch besser in Bereiche
geführt
werden, in denen die Abgasströmung
eine hohe Geschwindigkeit und/oder einen starken Geschwindigkeitsgradient
aufweist, was die Durchmischung von Abgas und Additiv fördert. Die Änderung
des Querschnitts des Abgaskanals im Rampenbereich kann derart erfolgen,
dass der Rampenbereich in den Abgaskanal zur Strömungsachse des Abgases hin
lokal vorragt. Das Additiv kann dann gezielt in den Kernbereich
der Abgasströmung
geführt
werden und sich dort effektiv mit dem Abgas vermischen. Sofern im
Rampenbereich oder stromabwärts
desselben noch Abgassträhnen
mit hoher Konzentration von Additiv auftreten, sind diese auf den
Kernbereich der Abgasströmung
beschränkt
und treten nicht in der Nähe
der Abgaskanalwand auf.
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Vorzugsweise
sind Dosierelement und Rampenbereich an einander gegenüber liegenden
Wänden
des Abgaskanalsegments angeordnet. Die Richtung des vom Dosierelement
ausgehenden Additiv-Dosierstrahls relativ zum Abgaskanalsegment kann
dabei je nach Gegebenheiten geeignet gewählt werden. Beispielsweise
hat es sich als günstig
erwiesen, den Dosierstrahl derart zu richten, dass eine Achse des
Dosierstrahls orthogonal zur Strömungsachse
des Abgaskanals ist.
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Die
Führung
von Abgasströmung
und eindosiertem Additiv relativ zueinander kann insbesondere derart
geschehen, dass der Rampenbereich zumindest teilweise mit dem eindosierten
Additiv beaufschlagt wird und ein unmittelbarer Kontakt von Additiv
und Wandfläche
des Rampenbereichs stattfindet. Beim Auftreffen von (flüssigen)
Additivtropfen auf die Wand des Abgaskanalsegments im Rampenbereich treten
Tropfen-/Wand-Interaktionen auf, die ausgenutzt werden können, um
die Tropfengröße zu verkleinern.
Generell kann die Wand im Auftreffbereich des Additivs dazu genutzt
werden, den Spraywinkel des von der Wand zurückprallenden Additivs zu vergrößern oder/und
das eindosierte Additiv noch besser in Bereiche zu führen, in
denen die Abgasströmung
eine hohe Geschwindigkeit und/oder einen starken Geschwindigkeitsgradient
aufweist.
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Ein
ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
dass der Rampenbereich strömungsgünstig gestaltet
werden kann und damit nur geringe Strömungsverluste auftreten. Der
Rampenbereich braucht insbesondere nur einen zusammenhängenden
Bereich bilden, in welchem die Wand der Wand des Abgaskanalsegments
verformt ist. Der Rampenbereich kann sich im Wesentlichen in Längsrichtung
des Abgaskanalsegments erstrecken und braucht nur wenig in Querschnittsrichtung
in den Abgaskanal hineinragen. Es sind im Vergleich zu herkömmlichen
Mischelementen über
die gesamte Länge
des Abgaskanalsegments und insbesondre auch über den Querschnitt des Abgaskanalsegments
an der Stelle des Rampenbereichs nur äußerst moderate Umlenkungen
der Abgasströmung relativ
zur Richtung der Strömungsachse
erforderlich. Außerdem
braucht die mit der Abgasströmung
in Kontakt tretende Wandfläche
des Abgaskanalsegments im Rampenbereich nicht größer zu sein als in den übrigen Bereichen
des Abgaskanals. Es ergeben sich damit im Vergleich zu herkömmlichen
Mischelementen nur geringe Strömungsverluste.
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Dies
schafft die Möglichkeit,
die Querschnittsfläche
des Abgaskanals im Rampenbereich lokal zu verringern. Mit der Verringerung
der Querschnittsfläche
geht eine lokal im Rampenbereich höhere Strömungsgeschwindigkeit bei verringertem Druck
des Abgases einher, was die Durchmischung von Abgas mit Additiv
fördert.
Eine durch die verringerte Querschnittsfläche des Abgaskanals im Rampenbereich
bewirkte lokale Absenkung des Abgasdrucks kann bei dieser Anordnung
beinahe vollständig
rückgewonnen
werden, sobald sich der Querschnitt des Abgaskanals stromabwärts des
Rampenbereichs, z. B. am stromabwärts liegen den Ende des Abgaskanalsegments,
wieder auf den ursprünglichen Wert
erweitert.
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Insbesondere
kann das Abgaskanalsegment im Rampenbereich eine gegenüber der
Querschnittsfläche
des Abgaskanalsegments am stromaufwärts liegenden Ende um bis zu
50%, vorzugsweise bis zu 30% und ganz besonders bevorzugt bis zu
20% verringerte Querschnittsfläche
aufweisen.
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Der
Rampenbereich kann an die Form und den Verlauf des Abgaskanals angepasst
sein, beispielsweise so, dass das Auftreten von Turbulenzen verstärkt wird
und/oder dass ohnehin auftretende Sekundärströmungen (z. B. in Bereichen
mit gekrümmtem
Verlauf des Abgaskanals) unterstützt
und damit zur Verbesserung der Durchmischung ausgenutzt werden.
In einem besonders einfachen Beispiel kann das Abgaskanalsegment
im Rampenbereich eine Umlenkung des Abgaskanals bilden, welche gesehen
in radialer Richtung der Umlenkung eine innere Wand und eine dieser
gegenüber
liegende äußere Wand
aufweist, und wobei das Dosierelement an der äußeren Wand der Umlenkung derart
angeordnet ist, dass ein von dem Dosierelement ausgehender Dosierstrahl
auf die innere Wand zu gerichtet ist. Der Dosierstrahl kann beispielsweise
eine Dosierstrahlachse aufweisen die in etwa parallel oder in einem kleinen
Winkel zu der Strömungsachse
des Abgases am stromabwärts
liegenden Ende des Abgaskanalsegments verläuft und die in Richtung zur
inneren Wand der Umlenkung hin gerichtet ist. Ähnliche Wirkungen, wenn auch
im Allgemeinen in etwas weniger ausgeprägter Form, können erhalten
werden, wenn sich das Dosierelement an der inneren Wand einer Umlenkung
befindet und er Dosierstrahl auf die äußere Wand im Bereich der Umlenkung
zu gerichtet ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Rampenbereich, bezogen auf den Abgaskanal, eine konkave
Ausformung.
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Eine
konkave Ausformung kann einen, im Vergleich zum übrigen Abgaskanal, zur Strömungsachse
hin vorragenden Bereich, bildlich gesprochen eine zur Strömungsachse
hin in den Abgaskanal hinein ragende „Delle”, bilden. Die konkave Ausformung kann
gebildet sein durch entsprechend konkave Krümmung einer dem Dosierelement
zugewandten Wand des Abgaskanalsegments, z. B. in Form einer gleichmäßige konkav
gekrümmten
Einbuchtung der Abgaskanalwand zur Strömungsachse des Abgases hin.
Eine konkave Ausformung kann aber durchaus auch gebildet sein durch
Aneinanderreihung von mehreren abschnittsweise konkaven oder ebenen Bereichen
mit jeweils unterschiedlicher Neigung zueinander. In manchen Fällen kann
die konkave Ausformung sogar konvex geformte Bereiche umfassen.
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Die
konkave Ausformung kann in Querschnittsrichtung des Abgaskanals,
d. h. in einem Schnitt orthogonal zur Richtung der Strömungsachse,
ausgebildet sein, was insbesondere zu einer besseren Verteilung
des Additivs über
den Abgaskanalquerschnitt nach Zurückprallen von der Wand des Abgaskanalsegements
führt.
Die konkave Ausformung sorgt für
einen gegenüber
dem Öffnungswinkel des
Dosierstrahls vergrößerten „Spraywinkel” des Additivs
nach Kontakt mit der dem Abgas zugewandten Wand der konkaven Ausformung
und verbessert dadurch die Durchmischung von Additiv und Abgas.
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Die
konkave Ausformung kann auch in Richtung der Strömung des Abgases ausgebildet
sein. Auch dann lassen sich hinsichtlich der Verteilung von Additiv
relativ zu der Abgasströmung
Verhältnisse
erzielen, die den bereits genannten entsprechen. Als Beispiel sei
hingewiesen auf eine Umlenkung im Abgaskanalsegment, bei welcher
sich die Richtung der Strömungsachse
des Abgases ändert.
Die radial innere Wand des Abgaskanalsegments weist im Bereich der
Umlenkung eine starke konkave Krümmung in
Längsrichtung
der Abgasströmung
auf. Spritzt man das Additiv in der Nähe einer solchen Umlenkung, vorzugsweise
etwas stromaufwärts
davon, von der radial äußeren Wand
des Abgaskanals her mit nur kleinem Öffnungswinkel des Dosierstrahls
in eine Richtung ein, in der der Dosierstrahl auf die im Bereich
der Umlenkung relativ stark konkav gekrümmte innere Wand des Abgaskanalumlenkung
auftrifft, so erreicht man, dass das Additiv von der inneren Wand in
einem relativ weiten Spraywinkel zur Strömungsachse hin abprallt. Auch
ein anfangs scharf gebündelter
Dosierstrahl mit geringem Öffnungswinkel
verteilt sich so effektiv über
einen weiten Bereich entlang der Strömungsrichtung des Abgases.
Beispielsweise kann die Dosierstrahlachse im Wesentlichen parallel zur
Richtung der Strömungsachse
stromabwärts
der Umlenkung sein oder aber einen kleinen Winkel zu der Strömungsachse
stromabwärts
der Umlenkung bilden.
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Die
konkave Ausformung kann eine Ausdehnung sowohl in Querschnittsrichtung
als auch in Richtung der Abgasströmung haben. Sie wird häufig die
Form einer Einbuchtung oder „Delle” haben
und im Rampenbereich zu einer verringerten Querschnittsfläche des
Abgaskanalsegments über
eine vorbestimmte Länge
des Abgaskanalsegments führen.
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Eine
sich in Richtung der Strömungsachse erstreckende
konkave Ausformung kann eine Verdichtung der Strömungslinien der Abgasströmung im Rampenbereich
bewirken und so die Durchmischung von Additiv und Abgas verbessern.
Die dichter liegenden Strömungslinien
führen
außerdem
zu einer Verringerung der Dicke einer sich an der Wand des Abgaskanalsegments
ausbildenden Grenzschicht. Dies resultiert in einem verbesserten
Wärmeübergang
zwischen Abgas und Rohrbewandung, was sich positiv in einer schnellen
Erwärmung
des Rampenbereichs auswirkt. Im Falle von Bedingungen, unter denen
sich ein Film aus flüssigem
Additiv an der von Additiv beaufschlagten Wand des Abgaskanals ausbildet,
ergibt sich eine verringerte Dicke des Wandfilms aus Additiv. Sofern
durch den Rampenbereich zusätzliche
Turbulenz induziert wird, verringert sich die Dicke der Grenzschicht
und ggf. des Wandfilms sogar noch weiter. Generell ist es günstig, wenn sich
ein möglichst
dünner
und möglichst
weit ausgedehnter Wandfilm einstellt.
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Die
konkave Ausformung kann sich über
den gesamten Rampenbereich erstrecken. Alternativ ist es denkbar,
dass lediglich ein Teil des Rampenbereichs, z. B. dessen Zentrum,
konkav ausgeformt ist.
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Der
Rampenabschnitt kann einen in vertikaler Richtung am höchsten liegenden
Zentralbereich aufweisen und von dem Zentralbereich ausgehend, vorzugsweise
mit zunehmender Neigung, abfallen. Bei dieser Ausführungsform
bildet der Zentralbereich einen zur Strömungsachse des Abgases hin
vorragenden Bereich, auf den vorzugsweise das eindosierte Additiv
auftrifft. Bildet sich ein Wandfilm aus unverdampftem und daher
flüssigem
Additiv aus, so führt
diese Formgebung des Rampenbereichs zu einem Auseinanderlaufen des
flüssigen
Wandfilms unter der Wirkung der Schwerkraft. Der Wandfilm ist damit
dünner
und hat eine größere Oberfläche, die
in Kontakt mit dem im Abgaskanal strömenden Abgas steht. Der Wandfilm
kann somit wesentlich effektiver verdunsten als wenn sich nur im
Bereich um die Auftreffstelle des eindosierten Additivs herum ein
Wandfilm (mit dann entsprechend größerer Dicke) ausbilden könnte. Der
dünnere
Wandfilm hat zudem den Vorteil, dass die Verweilzeit von Additiv
in einem Wandfilm abnimmt, und damit auch eine geringere Gefahr
von Verkokungen und anderen Ablagerungen besteht.
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In
einer Ausführungsform
weist das Abgaskanalsegment im Rampenbereich eine lokale Verformung
auf. Eine solche lokale Verformung lässt sich einfach herstellen
durch einstückige
Verformung des Abgaskanalsegments mittels geeigneter Umformverfahren,
etwa durch Biege-, Press- oder Ziehverfahren. Beispielsweise lässt sich
eine „Delle” oder „Rampe” in ein
Abgaskanalsegment beliebigen Querschnitts und Größe in einfacher Weise eindrücken, wobei
das Abgaskanalsegment ein Rohr aus Metall sein kann, jedoch auch
Kunststoff- oder/und Keramikmaterialien vorgesehen sein können.
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Insbesondere
bei doppelwandiger Ausgestaltung des Abgaskanalsegments ist es günstig, wenn
der Rampenbereich einen vom Abgas hinterspülten Bereich aufweist. Dies
sorgt für
schnelle Erwärmung
des Rampenbereichs durch die Abgasströmung.
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Darüber hinaus
können,
in Richtung der Abgasströmung
oder/und über
den Querschnitt des Abgaskanalsegments hinweg, eine Mehrzahl von
Rampenbereichen vorgesehen sein. Es ist beispielweise denkbar, in
einem mehrere Umlenkungen aufweisenden Abgaskanalsegment mehrere
Rampenbereiche in Strömungsrichtung
des Abgases aufeinanderfolgend in einer solchen Weise vorzusehen,
dass auf die innere Wand einer jeweiligen Umlenkung des Abgaskanalsegments
ein Rampenbereich unmittelbar folgt. Eine weitere mögliche Ausgestaltung
sieht vor, eine Mehrzahl von Rampenbereichen in Strömungsrichtung
des Abgases auf gleicher Höhe,
aber um den Umfang des Abgaskanals verteilt anzuordnen, wobei die
Winkelabstände
zwischen den Rampenbereichen denen zwischen den Einspritzlöchern eines Mehrlochventils
entsprechen, um die von den jeweiligen Einspritzlöchern ausgehenden
Dosierstrahlen gezielt in den Kernbereich der Abgasströmung stromabwärts des
Rampenbereichs zu lenken.
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In
der Regel gestattet es die beschriebene Anordnung der Abgasanlage,
dass flüssiges
Additiv ohne Zuhilfenahme von zusätzlichen Mischelementen in
das Abgas eindosiert werden kann. Sollte dennoch eine zusätzliche
Vermischung gewünscht
sein, so kann selbstverständlich
auch bei der beschriebenen Anordnung eine zusätzliches Mischelement stromabwärts des
Rampenbereichs angeordnet sein, wobei dieses Mischelement so gewählt werden
kann, dass sich der hierdurch verursachte Druckverlust in angemessenen
Grenzen hält.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 in
schematischer und vereinfachter Darstellung eine herkömmliche
Anordnung zum Eindosieren von Additiv in den Abgaskanal eines Verbrennungsmotors,
umfassend ein Dosierelement und ein nachgeschaltetes Mischelement,
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2 in
schematischer und vereinfachter Darstellung eine Anordnung zum Eindosieren
von Additiv in das Abgaskanalsegment eines Verbrennungsmotors gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, umfassend ein Dosierelement und einen
konkav ausgeformten Rampenbereich,
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3 in schematischer und vereinfachter Darstellung
zwei Querschnittsansichten einer herkömmlichen konvexen Wand des
Abgaskanals (a) und einer im Rampenbereich in Querschnittsrichtung konkav
ausgeformten Wand eines Abgaskanalsegments gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, entsprechend einer in 2 angedeuteten
Schnittlinie A-A (b)
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4 in schematischer und vereinfachter Darstellung
zwei Querschnittsansichten eines Wandfilms an einer herkömmlichen
konvex ausgeformten Wand des Abgaskanals (a) und einer im Rampenbereich
in Querschnittsrichtung konkav ausgeformten Wand eines Abgaskanalsegments
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung (b),
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5a),
b), c) jeweils in schematischer und vereinfachter Darstellung eine
Querschnittsansicht einer möglichen
Ausgestaltung einer im Rampenbe reich in Querschnittsrichtung konkav
ausgeformten Wand des Abgaskanalsegments gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung,
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6a),
b), c) jeweils in schematischer und vereinfachter Darstellung eine
Längsschnittsansicht einer
möglichen
Ausgestaltung einer im Rampenbereich in Strömungsrichtung konkav ausgeformten Wand
eines Abgaskanalsegments gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung,
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7a),
b) und c) jeweils in schematischer und vereinfachter Darstellung
eine Längsschnittsansicht
einer möglichen
Anordnung von Dosierelement und Rampenbereich gemäß Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung,
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8 in
schematischer und vereinfachter Darstellung eine Längsschnittsansicht
eines vom Abgas hinterspülten
Rampenbereichs gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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9 in
schematischer und vereinfachter Darstellung eine Längsschnittsansicht
mehrerer in Strömungsrichtung
hintereinander angeordneter Rampenbereiche gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung,
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10 in
schematischer und vereinfachter Darstellung eine Querschnittsansicht
mehrerer in Umfangsrichtung aufeinander folgender Rampenbereichs
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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11 in
schematischer und vereinfachter Darstellung eine Längsschnittsansicht
eines Dosierelements mit zugeordnetem Rampenbereich und nachgeschaltetem
Mischelement gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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1 zeigt
in schematischer und vereinfachter Darstellung eine Anordnung zum
Eindosieren von Additiv in den Abgaskanal 10 eines Verbrennungsmotors,
bestehend aus einem Dosierelement 12 und einem nachgeschalteten
Mischelement 14 gemäß dem Stand
der Technik.
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2 zeigt
demgegenüber
in ebenfalls schematischer und vereinfachter Darstellung eine Anordnung
zum Eindosieren von Additiv in ein Abgaskanalsegment 16 eines
Verbrennungsmotors gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung umfasst ein Dosierelement 18 und
einen konkav ausgeformten Rampenbereich 20. Durch durchgezogene
Pfeile 22 ist die Strömung
von Abgas durch das Abgaskanalsegment 16 als Bündel von
Strömungslinien
angedeutet. Der sich im Abgas ausbreitende Dosierstrahl von Additiv
ist durch das Bezugszeichen 24 angedeutet. Bei dem Additiv
kann es sich beispielsweise um eine Harnstofflösung („Adblue”) zur Regeneration eines SCR(= „selective
catalytic reduction”)-NOx-Katalysators handeln
oder um zusätzlich
eingespritzten Kraftstoff zur Regeneration eines Partikelfilters
handeln. Man erkennt dass der Rampenbereich 20 eine konkave Ausformung
bildet, die sich in den Abgaskanal zur Strömungsachse B hin erstreckt
und gewissermaßen eine „Delle” des Abgaskanalsegments 16 bildet.
Im Rampenbereich 20 ist die Querschnittsfläche des
Abgaskanalsegments 16 gegenüber seiner Querschnittsfläche Q1 am
stromaufwärts
liegenden Ende deutlich reduziert: im vorliegenden Beispiel beträgt das Verhältnis der
Querschnittsfläche
Q2 an der am weitesten nach zur Strömungsachse B hin ragenden zentralen
Stelle des Rampenbereichs 20 zu der Querschnittsfläche Q2 des
Abgaskanalsegments 16 am stromaufwärts liegenden Ende etwa 80%.,
d. h. der Rampenbereich verringert die Querschnittsfläche des
Abgaskanalsegments 16 um bis zu 20%. Dementsprechend treten
die Strömungslinien
des Abgases im Rampenbereich enger zusammen. Damit verbunden ist
eine entsprechende Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit
und Verringerung des Drucks des Abgases.
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3a)
zeigt, ebenfalls in schematischer und vereinfachter Darstellung,
eine Querschnittsansicht einer in Querschnittsrichtung konvex ausgeformten
Wand 26 des Abgaskanals, wie sie bei der Ausführungsform
gemäß 2 am
stromaufwärts liegenden
Ende und am stromabwärts
liegenden Ende des Abgaskanalsegments 16 vorgesehen ist, und
wie sie im Stand der Technik gemäß 1 auch in
dem vom Dosierelement 12 beaufschlagten Bereich des Abgaskanals 10 vorgesehen
ist. 3b) zeigt demgegenüber eine im Rampenbereich 20 des Abgaskanalsegments 16,
genauer an dessen zentraler Stelle gemäß der in 2 angedeuteten
Schnittlinie A-A in Querschnittsrichtung, konkav ausgeformte Wand 28 des
Abgaskanalsegments 16 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Aus dem Vergleich von 3a)
und 3b) ist unmittelbar ersichtlich, dass die konkave
Ausformung der Wand 28 in 3b) zu
einer Aufweitung des einen Dosierkegel bildenden Dosierstrahls 24 führt, sobald
Additiv von der konkav ausgeformten Wand 28 zurück in den
Abgaskanal gelangt. Dies sorgt für
eine effiziente und gleichförmige
Durchmischung von Additiv und Abgas über einen großen Teil
des Querschnitts des Abgaskanalsegments 16 hinweg.
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4 zeigt in schematischer und vereinfachter
Darstellung zwei Querschnittsansichten eines sich unter bestimmten
Bedingungen, insbesondere bei relativ geringen Abgastemperaturen,
bildenden Wandfilms 30 bzw. 32 aus eindosiertem
Additiv. 4a zeigt die Verhältnisse
des Wandfilms 30 an einer in Querschnittsrichtung konvex
ausgeformten Wand 26 des Abgaskanals gemäß dem Stand
der Technik und 4b) zeigt die Verhältnisse
des Wandfilms 32 an einer in einem am Boden befindlichen
Rampenbereich 20 in Querschnittsrichtung konkav ausgeformten
Wand 28 des Abgaskanalsegments 16 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Man erkennt, dass bei der konkav ausgeformten
Wand 28 unter der Wirkung der nach unten gerichteten Schwerkraft
G sich der Wandfilm 32 immer mehr auseinanderzieht, so
dass sich im Vergleich zu der konvex ausgeformten Wand 26 gemäß 4a)
ein wesentlich dünnerer
Wandfilm 32 ergibt, der sich über eine größere Fläche erstreckt. Dies begünstigt die
Verdunstung des flüssigen
Additivs aus dem Wandfilm 32 und fördert dessen gleichmäßige Verteilung
im Abgas. Da der Wandfilm 32 wesentlich schneller verdunstet
als der Wandfilm 30, ergeben sich deutlich geringere Gefahren
der Verkokung von flüssigem
Additiv im Abgaskanal.
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Die 5a),
b), c) zeigen in jeweils in schematischer und vereinfachter Darstellung
in Querschnittsansicht eine Reihe möglicher Ausgestaltungen einer
im Rampenbereich 20 in Querschnittsrichtung konkav ausgeformten
Wand 28 des Abgaskanalsegments 16 gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung. In 5a) besteht
der Rampenbereich 20 aus einer orthogonal zur Strömungsachse
B konkav ausgeformten Wand 28, die eine im Schnitt kreisförmig zur
Strömungsachse
B hin ragende Einbuchtung bildet. Demgegenüber ist der Rampenbereich 20 in
den 5b) und 5c) aus
mehreren Wandteilen 28a, 28b und 28c gebildet,
die jeweils aneinander grenzen und insgesamt eine zur Strömungsachse
B hin ragende Wand 28 bilden. Die einzelnen Wandteile 28a, 28b, 28c können eben sein,
oder aber konkav und sogar konvex ausgebildet sein, wie etwa der
zentrale Teil 28b in 5c).
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Die 6a),
b), c) zeigen in jeweils in schematischer und vereinfachter Darstellung
in Längsschnittsansicht
eine Reihe weiterer möglicher
Ausgestaltungen einer im Rampenbereich 20 in Strömungsrichtung
konkav ausgeformten Wand 28 des Abgaskanalsegments 16 gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung. In 5a) besteht
der Rampenbereich 20 aus einer in Richtung der Strömungsachse
B konkav ausgeformten Wand 28, die eine im Schnitt gleichmäßig gekrümmt zur Strömungsachse
B hin ragenden Einbuchtung bildet. Demgegenüber ist der Rampenbereich 20 in
den 6b) und 6c) aus
mehreren Wandteilen 28a, 28b und 28c gebildet,
die jeweils aneinander grenzen und insgesamt eine zur Strömungsachse
B hin ragende Wand 28 bilden. Auch die einzelnen Wandteile 28a, 28b, 28c können eben
sein, oder aber konkav und sogar konvex ausgebildet sein.
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Es
versteht sich, dass ein Abgaskanalsegment 16 einen Rampenbereichs 20 mit
konkaver Ausformung haben kann, die sich sowohl in Querschnittsrichtung,
wie in 5a), 5b), 5c) gezeigt,
erstreckt als auch in Strömungsrichtung,
wie in 6a), 6b), 6c)
gezeigt, erstreckt.
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7 zeigt in 7a), 7b)
und 7c) jeweils in schematischer und vereinfachter
Darstellung eine Längsschnittsansicht
einer möglichen
Anordnung von Dosierelement 18 und Rampenbereich 20 gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung. In allen Ausführungsbeispielen gemäß 7a), 7b)
und 7c) bildet das Abgaskanalsegment 16 jeweils
eine Umlenkung 34 aus, in der sich die Richtung der Strömungsachse
B des Abgases von einer Richtung B1 im stromaufwärts liegenden Teil zu einer
Richtung B2 im stromabwärts
liegenden Teil ändert.
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Das
Dosierelement 18 gemäß 7a)
ist derart angeordnet, dass sich ein Dosierstrahl 24 ergibt,
dessen Strahlachse C mit der Strömungsachse B2
des Abgases im stromabwärts
liegenden Teil des Abgaskanalsegments 16 zusammenfällt. Unmittelbar stromabwärts der
Umlenkung 34 ist ein sich sowohl in Strömungsrichtung als auch in Querschnittsrichtung
erstreckender Rampenbereich 20 an der radial inneren Wand
des Abgaskanalsegments 16 ausgebildet. Der Dosierstrahl 24 ist
derart gerichtet, dass sein unterer Teil auf den Rampenbereich 20 auftrifft und
von dort in Richtung zur Strömungsachse
B2 gelenkt wird.
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Das
Dosierelement 18 gemäß 7b)
ist derart angeordnet, dass sich ein Dosierstrahl 24 ergibt,
dessen Strahlachse C einen spitzen Winkel mit der Strömungsachse 62 des
Abgases im stromabwärts
liegenden Teil des Abgaskanalsegments 16 bildet. Ein sich
in Strömungsrichtung
erstreckender Rampenbereich 20 ist unmittelbar an der Umlenkung 34,
und zwar durch die radial innere Wand des Abgaskanalsegments 16,
gebildet. Der Dosierstrahl 24 ist derart gerichtet, dass
sein unterer Teil auf den Rampenbereich 20 auftrifft und
von dort in Richtung zur Strömungsachse
B2 gelenkt wird.
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Das
Dosierelement 18 gemäß 7c)
ist derart angeordnet, dass sich ein Dosierstrahl 24 ergibt,
dessen Strahlachse C einen spitzen Winkel mit der Strömungsachse 62 des
Abgases im stromabwärts
liegenden Teil des Abgaskanalsegments 16 bildet. Unmittelbar
stromabwärts
der Umlenkung 34 ist ein sich sowohl in Strömungsrichtung
als auch in Querschnittsrichtung erstreckender Rampenbereich 20 an
der radial äußeren Wand
des Abgaskanalsegments 16 ausgebildet. Der Dosierstrahl 24 ist
derart gerichtet, dass sein oberer Teil auf den Rampenbereich 20 auftrifft
und von dort in Richtung zur Strömungsachse 62 gelenkt
wird.
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8 zeigt
in schematischer und vereinfachter Darstellung eine Längsschnittsansicht
eines vom Abgas hinterspülten
Rampenbereichs 20 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist das Abgaskanalsegment 16 doppelwandig
ausgeführt,
so dass die innere Wand zur Bildung des konkaven Rampenbereichs 20 geformt
sein kann. Die innere Wand weist am Fuß des Rampenbereichs 20 Öffnungen
auf, durch die das Abgas hinter den Rampenbereich 20 strömen kann.
Die äußere Wand
bildet die Begrenzung für
die Abgasströmung.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Temperatur des
Rampenbereichs 20 durch die Hinterspülung mit heißem Abgas
schnell auf Abgastemperatur gebracht werden kann, was die Bildung
von Wandfilmen unterdrückt
und generell die Durchmischung von Abgas und Additiv fördert.
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9 zeit
in schematischer und vereinfachter Darstellung eine Längsschnittsansicht
eines Abgaskanalsegments 16 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem in Strömungsrichtung mehrere Rampenbereiche 20a, 20b aufeinander
folgend angeordnet sind. Die Rampenbereiche 20a, 20b befinden
sich auf gegenüberliegenden
Seiten des Abgaskanalsegments 16, so dass durch die Rampenbereiche
der Strömung
aus Abgas 22 und in das Abgas eingespritztem Dosierstrahl 24 eine
mäanderförmige Bewegung
aufgeprägt
wird, was wiederum die Durchmischung fördert. Auch befindet sich der
stromaufwärts
liegende Rampenbereich 20a unmittelbar im Anschluss an
eine Umlenkung 34 des Abgaskanalsegments 16 an
der radial inneren Seite der Umlenkung 34. Dies ermöglicht die gezielte
Ausnutzung von im Umlenkbereich 34 erzeugten Sekundärströmungen und
Turbulenzen des Abgases zur Durchmischung mit Additiv.
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10 zeigt
in schematischer und vereinfachter Darstellung eine Querschnittsansicht
in Richtung der Strömungsachse
B eines weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung mit mehreren in Umfangsrichtung aufeinander
folgenden Rampenbereichen 20, 20b, 20c.
Die Anordnung der Rampenbereiche 20 ist derart in Umfangsrichtung verteilt,
dass die kegelförmigen
Dosierstrahlen (angedeutet durch Pfeile 24a, 24b, 24c,
die die Projektion der jeweiligen Strahlachse auf die Schnittebene wiedergeben)
eines Dreilochventils, das sich in der Verlängerung der Strömungsachse
B befindet, jeweils auf einen zugeordneten der Rampenbereiche 20a, 20b, 20c auftreffen.
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Schließlich zeigt 11 in
schematischer und vereinfachter Darstellung eine Längsschnittsansicht
eines Dosierelements 18 mit zugeordnetem Rampenbereich 20 und
nachgeschaltetem Mischelement 36 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.