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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft eine Fluidstrom-Steuerungsvorrichtung, ein damit ausgestattetes Abgasbehandlungssystem sowie ein Verfahren zum Feinverteilen eines Abgasstroms in einer Abgasleitung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, des Anspruchs 9 bzw. des Anspruchs 13, wie aus der
DE 10 2005 023 398 A1 grundsätzlich bekannt.
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Hintergrund
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Die Dieselabgasnachbehandlung umfasst die Verwendung einer selektiven katalytischen Reduziervorrichtung (SCR, kurz vom engl. Selective Catalyst Reducer) und eines Dieselpartikelfilters (DPF) zusammen mit der Einspritzung von Harnstoff-Wasser-Lösung und Dieselkraftstoff in das Abgas. Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2006 059 277 A1 einen Strömungsverteiler in einer Abgasleitung, der stromaufwärts des Strömungsverteilers Harnstoff zugeführt wird. Die Leistungsfähigkeit, die Haltbarkeit und die Kosten dieser Vorrichtungen hängen stark von der Verdampfung und dem Mischen des eingespritzten Fluids in das Abgas ab. Das eingespritzte Fluid kann eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Mischung beider Phasen sein. Daher werden Mischvorrichtungen in dem Abgasstrom positioniert, um eine Verdampfung (wenn eine Flüssigkeit eingespritzt wird) und ein Mischen des eingespritzten Fluids (sowohl Flüssigkeits- als auch Dampfphase) mit dem Abgas zu maximieren. Derzeit im Einsatz befindliche bestimmte Mischvorrichtungen und Mischkonfigurationen sind aber bei der Verdampfung und dem Mischen des eingespritzten Fluids ungenügend, sind von komplexer Konstruktion und daher schwierig herzustellen und unterzubringen, sind teuer und/oder erzeugen unannehmbaren Gegendruck im Abgasstrom, z. B. ist der Gegendruck der zusätzliche Druckabfall in der Abgasanlage aufgrund des Hinzufügens der Mischvorrichtung(en), und seine negativen Folgen für Motorleistungsfähigkeit, zum Beispiel Leistung und Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
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Im Hinblick auf das Vorstehende ist eine verbesserte Fluidmischvorrichtung und Verdampfungsvorrichtung erwünscht, die eine relativ einfache Konstruktion aufweist, einfach herzustellen ist, eine hohe Haltbarkeit aufweist und/oder preisgünstig ist, während sie immer noch einen relativ niedrigen oder annehmbaren Gegendruck in der Abgasanlage beibehält.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf eine Einrichtung und ein Verfahren für die Steuerung von Fluidstrom durch eine Leitung einer Abgasanlage eines Motors, insbesondere vor einer Abgasbehandlungsvorrichtung, gerichtet. In einer Ausführungsform ist eine Fluidstrom-Steuerungsvorrichtung zum Aufnehmen und Leiten von Abgas von einem Motor hin zu einer Abgasbehandlungsvorrichtung vorgesehen, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Die Fluidstrom-Steuerungsvorrichtung umfasst eine in einer Abgasleitung des Motors angeordnete Düse. Die Düse umfasst eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung zum Bilden eines ersten Strömungspfads durch die Düse. Die Düse ist zum Bilden eines zweiten Strömungspfads zwischen der Düse und der Abgasleitung von der Abgasleitung beabstandet. Die Fluidstrom-Steuerungsvorrichtung umfasst auch einen benachbart zur Düse angeordneten Injektor. Der Injektor kann so ausgerichtet sein, dass er ein druckbeaufschlagtes Fluid in den ersten oder zweiten Strömungspfad lenkt.
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In einer anderen Ausführungsform ist ein Abgasbehandlungssystem für einen Motor vorgesehen, das die Merkmale des Anspruchs 9 aufweist. Das Abgasbehandlungssystem umfasst eine Abgasbehandlungsvorrichtung. Das Abgasbehandlungssystem umfasst auch eine Fluidstrom-Steuerungsvorrichtung, die sich stromaufwärts mindestens eines Abschnitts der Abgasbehandlungsvorrichtung befindet. Die Fluidstrom-Steuerungsvorrichtung umfasst eine in einer Abgasleitung angeordnete Düse. Die Düse umfasst eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung zum Bilden eines ersten Strömungspfads durch die Düse. Die Düse ist zum Bilden eines zweiten Strömungspfads zwischen der Düse und der Abgasleitung von der Abgasleitung beabstandet. Das Abgasbehandlungssystem umfasst weiterhin einen benachbart zur Düse der Fluidstrom-Steuerungsvorrichtung angeordneten Injektor. Der Injektor ist so ausgerichtet, dass er ein druckbeaufschlagtes Fluid in den ersten oder zweiten Strömungspfad benachbart zu der Düse lenkt.
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In einer noch anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Feinverteilen eines Abgasstroms in einer Abgasleitung eines Motors vorgesehen, das die Merkmale des Anspruchs 13 aufweist. Das Verfahren umfasst: Strömenlassen eines ersten Teils des Abgases durch eine in der Abgasleitung angeordnete Düse, um einen ersten Strömungspfad zu bilden, wobei die Düse eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung umfasst; Strömenlassen eines zweiten Teils des Abgasstroms zwischen der Düse und der Abgasleitung, um einen zweiten Strömungspfad zu bilden; und Einspritzen von Fluid in den ersten Strömungspfad oder den zweiten Strömungspfad, wobei sich der erste Teil des Abgases, der zweite Teil des Abgases und das eingespritzte Fluid bei Passieren der Düse vereinen, um ein Gemisch zu bilden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten gehen lediglich beispielhaft aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen hervor, wobei die eingehende Beschreibung sich auf die Zeichnungen bezieht. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Abgasanlage eines Motors;
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2 eine Querschnittansicht einer Fluidsteuerungsvorrichtung nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Querschnittansicht entlang der in 2 gezeigten Linien 3-3;
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4 eine perspektivische Ansicht einer Düse nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 eine perspektivische Ansicht einer Düse nach einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 bis 10 schematische Ansichten unterschiedlicher Fluidsteuerungsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung, die einen Fluidstrom durch diese nach beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen;
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11 eine Querschnittansicht einer Fluidsteuerungsvorrichtung nach einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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12A eine Querschnittansicht einer Fluidsteuerungsvorrichtung nach einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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12B eine Querschnittansicht einer Fluidsteuerungsvorrichtung nach einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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13 eine Seitenansicht einer Düse nach einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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14A eine Seitenansicht einer Fluidsteuerungsvorrichtung nach einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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14B eine Vorderansicht der in 14A gezeigten Fluidsteuerungsvorrichtung;
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15 eine Querschnittansicht einer Abgasanlage und einer Fluidsteuerungsvorrichtung nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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16 eine Querschnittansicht einer Fluidsteuerungsvorrichtung nach einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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17 bis 20 schematische Ansichten unterschiedlicher Fluidsteuerungsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung, die Fluidstrom durch diese nach beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen eine Fluidsteuerungsvorrichtung zum Mischen und gleichmäßigen Verteilen von Abgas und Zusätzen zu diesem über eine Querschnittfläche einer Leitung vor. In einer bestimmten Ausführungsform ist die Fluidsteuerungsvorrichtung weiterhin zum Mischen von eingespritztem Fluid (z. B. Gas- oder Flüssigkeitsphase), beispielsweise Harnstofflösung, Kohlenwasserstoffkraftstoff u. a., mit dem Abgas konfiguriert, so dass das eingespritzte Fluid über die Querschnittfläche der Leitung verteilt wird. Vorteilhafterweise ist diese gleichmäßige Abgabe für Abgasbehandlungsvorrichtungen, beispielsweise eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR), einen Dieseloxidationskatalysator (DOC), einen Dieselpartikelfilter (DPF) u. a., besonders vorteilhaft. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung von Abgas und eingespritztem Fluid arbeitet die Abgasbehandlungsvorrichtung effizienter, da das Ansammeln oder die Reaktion verglichen mit einem örtlich begrenzten Ansammeln oder einer örtlich begrenzten Reaktion über der gesamten Querschnittfläche der Abgasbehandlungsvorrichtung in einer relativ gleichmäßigen Weise erfolgt.
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In einer beispielhaften Ausführungsform werden diese Vorteile durch die Positionierung einer Düse in einem Abgasstrom eines Motors verwirklicht. Die Düse ist zum Leiten und Anheben der Geschwindigkeit eines ersten Teils des durch die Düse strömenden Abgases konfiguriert. Die Düse ist auch so in der Leitung positioniert, dass zwischen der Düse und der Leitung eine beabstandete Beziehung ausgebildet wird. Diese beabstandete Beziehung sieht vor, dass ein zweiter Teil des Abgases um die Düse (z. B. zwischen der Düse und der Leitung) strömt. Das Endergebnis ist ein zwischen dem ersten Teil des Abgases und dem zweiten Teil des Abgases ausgebildeter Geschwindigkeitsgradient, der ein Mischen derselben bewirkt.
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Bei einer ersten Konfiguration umfasst die Düse eine abnehmende Querschnittfläche, die einen eine erste Geschwindigkeit aufweisenden ersten Strömungspfad durch die Düse bildet. Eine beabstandete Beziehung zwischen der Düse und einer umgebenden Leitung bildet eine zunehmende Querschnittfläche (z. B. zwischen der Leitung und einer Außenfläche der Düse), die einen eine zweite Geschwindigkeit aufweisenden Strömungspfad bildet. Aufgrund des schmäler werdenden ersten Strömungspfads und des sich weitenden zweiten Strömungspfads wird ein Geschwindigkeitsgradient gebildet, der zu einem Mischen des ersten und zweiten Strömungspfads bei Austreten aus der Düse oder Strömen an der Düse vorbei führt. Wie hierin beschrieben umfasst die vorliegende Erfindung eine „Düse”; es versteht sich aber, dass die Düse sowohl als Düse, die das Fluid beschleunigt (wie im ersten Strömungspfad dieser Konfiguration), als auch als Diffusor, der das Gas verlangsamt (wie in dem zweiten Strömungspfad), fungiert.
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Bei einer zweiten Konfiguration umfasst die Düse umgekehrt eine zunehmende Querschnittfläche, die einen eine erste Geschwindigkeit aufweisenden ersten Strömungspfad durch die Düse bildet. Die beabstandete Beziehung zwischen der Düse und der umgebenden Leitung bildet eine abnehmende Querschnittfläche, die den eine zweite Geschwindigkeit aufweisenden zweiten Strömungspfad bildet. In dieser Ausführungsform wird aufgrund des Weitens des ersten Strömungspfads und des Schmälerwerdens des zweiten Strömungspfads ein Geschwindigkeitsgradient gebildet, der zu einem Mischen des ersten und zweiten Strömungspfads bei Austreten aus der Düse oder Strömen an der Düse vorbei führt.
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Die vorstehend angesprochenen Konfigurationen sind insbesondere vorteilhaft, wenn Fluid, beispielsweise Harnstofflösung oder Kohlenwasserstoffe, mit dem sich langsamer bewegenden ersten oder zweiten Strömungspfad zum Vorsehen längerer Misch- und Verdampfungszeit des eingespritzten Fluids mit dem langsameren des ersten oder zweiten Strömungspfads gemischt wird. Bei Austreten aus der Düse oder Strömen an der Düse vorbei vermischt sich aufgrund des Geschwindigkeitsgradienten der Teil des Abgases, der das eingespritzte Fluid umfasst, mit dem anderen Teil des Abgases. Es versteht sich, dass wie hierin beschrieben andere Merkmale zum Unterstützen des Mischens des eingespritzten Fluids und des Abgases über einen Querschnitt der Leitung zur Verfügung stehen.
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Im Hinblick auf das Vorstehende ist unter Bezug auf 1 und 2 eine Fluidstrom-Steuerungsvorrichtung 10 für eine Abgasanlage 12 eines Motors 14 gezeigt. Die Fluidstrom-Steuerungsvorrichtung 10 umfasst eine in einer Leitung 18 der Abgasanlage 12 befindliche Düse 16 zum Steuern des Strömens von Abgas durch die Fluidstrom-Steuerungsvorrichtung 10 und nach dieser. Die Leitung 16 kann einen Abschnitt eines Abgasrohrs umfassen, das sich zwischen dem Motor und einer Abgasbehandlungsvorrichtung 19 erstreckt, oder kann eine zur Anbringung an einem Abgasrohr u. a. konfigurierte Leitung umfassen. Die Düse 16 umfasst eine Einlassöffnung 20 zum Aufnehmen eines ersten Teils des Abgases und eine Auslassöffnung 22 für das Austreten des ersten Teils des Abgases aus der Düse. Die Einlassöffnung 20 und die Auslassöffnung 22 bilden einen ersten Strömungspfad ,F1' durch die Düse 16. Die Düse 16 ist durch geeignete Befestigungsmerkmale 24 an der Leitung 18 angebracht. In einer Ausführungsform ist die Düse 16 bei Anbringen von der Leitung 18 beabstandet, um eine oder mehrere ringförmige Öffnungen 26 zu bilden, die sich zwischen der Düse und der Leitung befinden. Die eine oder die mehreren Öffnungen 26 lassen einen zweiten Teil des Abgases zwischen der Düse und der Leitung strömen, um einen zweiten Strömungspfad ,F2' zu bilden. Der erste Strömungspfad F1 umfasst eine erste Geschwindigkeit v1, und der zweite Strömungspfad umfasst eine zweite Geschwindigkeit v2. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die erste Geschwindigkeit v1 und die zweite Geschwindigkeit v2 unterschiedlich, wodurch ein Geschwindigkeitsgradient und ein Mischen des sich durch den ersten und den zweiten Strömungspfad bewegenden Abgases erzeugt wird. Dieses Mischphänomen ist während der Einspritzung von Fluiden in den langsameren des ersten und zweiten Strömungspfads F1 und F2, beispielsweise bei der Einspritzung von Harnstofflösung oder Kohlenwasserstoffen oder anderen Kraftstoffen durch den Injektor 28, besonders vorteilhaft, da eingespritztes Fluid (Flüssigkeit oder Dampf) anschließend mit dem Abgas gemischt wird, das durch den schnelleren des ersten und zweiten Strömungspfads strömt. Die hohe Oberflächentemperatur der Düse 16 fördert aufgrund des Abgasstroms eine Verdampfung der Tropfen der Flüssigkeitsphase, wenn diese auf die Oberfläche der Düse gespritzt werden.
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Unter Bezug auf die in 4, 5 und 6 gezeigten Düsenausführungsformen umfasst die Düse 16 im Einzelnen ein erstes Ende 30, das die Einlassöffnung 20 festlegt, und ein zweites Ende 32, das die Auslassöffnung 22 festlegt. Die Düse umfasst ein oder mehrere ringförmige Wände 34, die sich von dem ersten Ende 30 der Düse 16 zu dem zweiten Ende 32 der Düse erstrecken. Die ringförmige Wand bildet einen Hohlraum 36, der zum Leiten von Abgasstrom von der Einlassöffnung 20 zu der Auslassöffnung 22 konfiguriert ist, um den ersten Strömungspfad F1 zu bilden. Die Düse 16 umfasst weiterhin eine Düsenachse ,An', die sich durch eine Mitte der Einlassöffnung 20 und eine Mitte der Auslassöffnung 22 erstreckt. In einer Ausführungsform ist die Düsenachse An im Allgemeinen parallel zur Leitungsachse ,Ac'. In einer in 7 gezeigten anderen Ausführungsform ist die Düsenachse An nicht parallel zur Leitungsachse Ac. Bei dieser nicht parallelen Ausführungsform bewegt sich die Düsenachse An und das entlang des ersten Strömungspfads F1 strömende Abgas unter einem Winkel θ bezüglich der Leitungsachse Ac, um die Leitung 18, eine Mischvorrichtung 42 u. a. zu schneiden. Der Winkel θ kann zum Bewirken eines geeigneten Aufeinanderstoßens des ersten Strömungspfads F1 mit dem zweiten Strömungspfad F2, der Leitung, der Mischvorrichtung 42, Kombinationen derselben u. a. konfiguriert sein. Es wird zum Beispiel in Betracht gezogen, dass der Winkel θ zwischen etwa 0° bis 75°, etwa 5° bis 45°, etwa 10° bis 30° u. a. liegt.
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Die Einlassöffnung 20 und die Auslassöffnung 22 können eine beliebige geeignete Form aufweisen. Die Form der Einlassöffnung 20 und der Auslassöffnung 22 kann auch ähnlich oder unähnlich sein. In einer Konfiguration umfasst die Einlassöffnung eine Form, die einem inneren Abschnitt der Leitung 18 entspricht, und die Auslassöffnung 22 umfasst eine Form, die der Form des inneren Abschnitts der Leitung, der Form der Einlassöffnung 20 oder beiden entspricht. Der Querschnitt der Düse senkrecht zu ihrer Achse An kann an jeder Stelle an der Achse kreisförmig, oval, polygonal oder von einer anderen erwünschten Form sein. Unter Bezug auf 3 ist zum Beispiel in einer Konfiguration die Form der Einlassöffnung und der Auslassöffnung kreisförmig oder oval.
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Analog kann die Größe der Einlassöffnung 20 und der Auslassöffnung 22 auch jede geeignete Größe umfassen. Dies kann Durchmessergröße, Querschnittfläche oder beides umfassen. Unter Bezug auf 7 ist aber in einer Konfiguration die Auslassöffnung 22 kleiner als die Einlassöffnung 20. In dieser Konfiguration nimmt die Geschwindigkeit v1 des durch die Düse und entlang des ersten Strömungspfads F1 strömenden Abgases aufgrund der schmäler werdenden beschränkten Auslassöffnung 20 zu. Unter Bezug auf 10 ist in einer anderen Konfiguration die Einlassöffnung 20 kleiner als die Auslassöffnung 22. Bei dieser Konfiguration nimmt die Geschwindigkeit v1 des durch den ersten Strömungspfad F1 strömenden Abgases aufgrund der sich weitenden Auslassöffnung ab. Analog können die Einlass- und Auslassebenen der Düse unter jedem gewünschten Winkel zur Düsenachse An stehen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die ringförmige Wand 34 ein oder mehrere Öffnungen zum Zulassen eines Fluidstroms zwischen dem ersten Strömungspfad F1 und dem zweiten Strömungspfad F2. Solche Öffnungen können kreisförmige Öffnungen, Schlitze u. a. umfassen und können sich an beliebiger Stelle entlang einer Länge der Düse 16 befinden. Unter Bezug auf 4 befinden sich zum Beispiel mehrere kreisförmige Öffnungen 38 nahe einer Stelle eines Injektors und mehrere Schlitzöffnungen 40 befinden sich gegenüber dem Injektor. Bei dieser Konfiguration dringt ein Teil des durch den Injektor 28 eingespritzten Fluids in kreisförmige Öffnungen 38 ein, um sich entlang des ersten Strömungspfads F1 zu bewegen. Wie sich versteht, sieht diese offene Verbindung ein zusätzliches Mischen von Abgas, das sich durch die Düse 16 bewegt, vor und kann verringerten Gegendruck vorsehen. Der Ort und die Größe der Öffnungen 38 können optional so ausgelegt werden, dass sie zum Verbessern von Mischen und Verdampfung eine Wirbelbewegung in dem Abgasstrom erzeugen.
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Die Form der Düse 16 kann jede geeignete Form zum Erreichen eines Sollgeschwindigkeitsgradienten zwischen dem ersten Strömungspfad F1 und dem zweiten Strömungspfad F2 umfassen. Die Form oder Ausrichtung der Düse 16 kann auch geeignet sein, um ein weiteres Mischen des ersten und zweiten Strömungspfads F1, F2 zu bewirken. Ein solches zusätzliches Mischen kann durch Leiten von Fluidstrom hin zur Leitung 18, der Mischvorrichtung 42 u. a., was in dem Strom eine Taumelbewegung erzeugt, erreicht werden. Bezüglich der Form der Düse 16 kann die Düse symmetrisch (z. B. ein Kegelstumpf eines regelmäßigen oder symmetrischen Hohlkegels) oder asymmetrisch (z. B. ein Kegelstumpf eines unregelmäßigen oder asymmetrischen Hohlkegels) sein. Die Ausrichtung der Düse kann entlang einer oder mehrerer Achsen oder Ebenen symmetrisch sein. Wie in 6 und 8–10 gezeigt ist, ist die Düse 16 zum Beispiel von symmetrischer Form und ist entlang von zwei Achsen oder Ebenen ausgerichtet, was Fluidstrom in die Richtung der Leitungsachse Ac bewirkt. Unter Bezug auf 7 kann in einem anderen Beispiel die Düse 16 von symmetrischer oder asymmetrischer Form sein, ist aber entlang einer einzigen Achse An ausgerichtet, was Fluidstrom hin zu der Leitungswand 18 und einer Mischvorrichtung 42 bewirkt. In einer anderen Konfiguration kann die Düse entlang von zwei Achsen symmetrisch sein, wie in einer von 6 und 8–10 gezeigt, ist aber in einer Richtung ausgerichtet, die die Leitungswand 18, die Mischvorrichtung 42 u. a. schneidet. Die Düse 16 kann zum Bilden eines geeigneten Fluidstroms auch eine oder mehrere geometrische oder nicht geometrische Formen umfassen. Die Düse kann zum Beispiel aus einem zylindrischen Abschnitt 80 (9) gebildet sein oder diesen umfassen. Die Düse kann auch aus einem konischen oder kegelstumpfförmigen Abschnitt 82 gebildet sein oder diesen umfassen. Des Weiteren kann die Düse eine Kombination von geometrischen Formen, beispielsweise einen zylindrischen Teil 80 und einen kegelstumpfförmigen Teil 82, umfassen. Die Düse kann auch gegossen oder gefertigt sein.
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Unter Bezug auf 2, 3 und 6 wird im Hinblick auf das Vorstehende eine erste Düsenkonfiguration gezeigt. Bei dieser Konfiguration wird eine symmetrische, kegelstumpfförmig geformte Düse 16, die entlang von zwei Achsen symmetrisch ist, mit einer Düsenachse An und dem ersten Strömungspfad F1 vorgesehen, die sich im Allgemeinen parallel zur Leitungsachse Ac erstrecken. Unter Bezug auf 4, 5 und 7 ist bei einer anderen Konfiguration eine zweite Düsenkonfiguration gezeigt. Bei dieser Konfiguration ist eine verdrehte oder geneigte, kegelstumpfförmig geformte Düse 16, die entlang einer einzigen Achse symmetrisch ist, mit einer Düsenachse An und dem ersten Strömungspfad F1 vorgesehen, die sich in eine Richtung nicht parallel zur Leitungsachse Ac erstrecken. Unter Bezug auf 8 umfasst bei einer anderen Konfiguration die Düse 16 einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 82, der mit einem zylindrischen Abschnitt 80 verbunden ist, wobei Fluidstrom durch den kegelstumpfförmigen Abschnitt 82 in den zylindrischen Abschnitt 80 eindringt. Bei dieser Konfiguration ist die Düse entlang von zwei Achsen symmetrisch und sieht eine Düsenachse An und den ersten Strömungspfad F1 vor, die sich im Allgemeinen parallel zur Achse Ac erstrecken. Unter Bezug auf 9 ist bei einer anderen Konfiguration eine zu 8 ähnliche Konfiguration vorgesehen; der Fluidstrom erfolgt aber durch den zylindrischen Abschnitt 80 und dann durch den kegelstumpfförmigen Abschnitt 82. Bei dieser Konfiguration ist die Düse entlang von zwei Achsen symmetrisch und sieht eine Düsenachse An und den ersten Strömungspfad F1 vor, die sich im Allgemeinen parallel zur Leitungsachse Ac erstrecken. Unter Bezug auf 10 ist bei einer noch anderen Konfiguration eine ähnliche Konfiguration zu 9 vorgesehen, doch ohne zylindrischen Abschnitt 80. Bei dieser Konfiguration ist die Düse entlang von zwei Achsen symmetrisch und sieht eine Düsenachse An und den ersten Strömungspfad F1 vor, die sich im Allgemeinen parallel zur Leitungsachse Ac erstrecken. Wie hierin gezeigt und beschrieben versteht sich, dass noch andere Konfigurationen möglich sind und die exakte Wahl der Düsenform und Abmessungen durch Leistung, Kosten, Platzangebot etc. bestimmt werden kann.
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Bezüglich des zweiten Strömungspfads F2 kann sich der zweite Strömungspfad abhängig von den Konfigurationen der Öffnung 26, die zwischen der Düse 16 und der Leitung 18 ausgebildet ist, in eine oder mehrere Richtungen erstrecken. Die Richtung des zweiten Strömungspfads kann für ein Schneiden mit dem ersten Strömungspfad F1, der Leitung 18, der Mischvorrichtung 42, Kombinationen derselben u. a. ausgebildet sein. Der zweite Strömungspfad F2 kann sich parallel zu der Achse An der Düse 16, der Achse Ac der Leitung 18 oder beiden erstrecken. Alternativ kann der zweite Strömungspfad F2 zur Achse An der Düse, der Achse Ac der Leitung oder beiden nicht parallel sein. Unter Bezug auf 6 zum Beispiel umfasst der Strömungspfad durch die Öffnung 26 einen im Allgemeinen gleichförmigen Strömungspfad, der im Allgemeinen parallel zu dem ersten Strömungspfad F1, der Düsenachse An und der Leitungsachse Ac ist. Unter Bezug auf 7 umfasst der zweite Strömungspfad F2 alternativ einen ersten Abschnitt 41, der im Allgemeinen zu dem ersten Strömungspfad F1 und der Düsenachse An parallel ist und zu der Leitungsachse Ac parallel ist. Der zweite Strömungspfad F2 umfasst auch einen zweiten Abschnitt 43, der zu dem ersten Strömungspfad F1 und der Düsenachse An nicht parallel ist, aber zur Leitungsachse Ac parallel ist. Demgemäß versteht sich, dass infolge eines Zusammenprallens zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungspfad F1, F2 und der Leitung 18 unterschiedliches Mischen erfolgt.
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Bei den in 6–10 gezeigten Konfigurationen umfasste die Leitung 18 eine im Allgemeinen konstante Querschnittfläche und Form. Unter Bezug auf die in 6 gezeigte Ausführungsform nimmt demgemäß die Querschnittfläche des zweiten Strömungspfads F2, der aus dem ringförmigen Raum zwischen der Düse 16 und der Leitung 18 besteht, in der Strömrichtung zu, was entlang des zweiten Strömungspfads eine Diffusorwirkung hervorruft. Bezüglich der in 10 gezeigten Ausführungsform kann dagegen eine kleiner werdende Querschnittfläche des zweiten Strömungspfads F2 gebildet werden, wobei die zweite Geschwindigkeit v2 des zweiten Strömungspfads zunimmt. Die Leitung 18 ist aber nicht auf eine Leitung mit konstantem Durchmesser oder konstanter Querschnittfläche beschränkt, sondern kann auch mit einem Durchmesser oder einer Querschnittfläche gebildet werden, die sich andern oder besonders ausgelegt sind.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Leitung 18 zum Beispiel eine gesamte andere Auslasskomponente oder einen Teil davon umfassen, beispielsweise eine Abgasbehandlungsvorrichtung 19. Wie bereits erwähnt können solche Abgasbehandlungsvorrichtungen eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR), einen Dieseloxidationskatalysator (DOC), einen Dieselpartikelfilter (DPF) u. a. umfassen. Demgemäß kann die Düse 16 in der gesamten Abgasbehandlungsvorrichtung 19 oder einem Teil davon oder vor der Abgasbehandlungsvorrichtung angeordnet sein. Unter Bezug auf 16 umfasst die Fluidsteuerungsvorrichtung 10 zum Beispiel eine Düse 16, die in einer Einlassöffnung 90 der Abgasbehandlungsvorrichtung 19 positioniert ist. Bei dieser Konfiguration umfasst die Düse 16 eine Einlassöffnung 20 und eine Auslassöffnung 22, um den ersten Strömungspfad F1 und die erste Geschwindigkeit v1 zu bilden. Die zwischen der Düse 16 und einer ringförmigen Wand 92 der Abgasbehandlungsvorrichtung 19 gebildete Querschnittfläche bildet den zweiten Strömungspfad F2 und die zweite Geschwindigkeit v2, wobei aufgrund der abnehmenden Querschnittfläche die zweite Geschwindigkeit v2 größer als die erste Geschwindigkeit v1 ist.
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Unter Bezug auf 17 ist in einem anderen Beispiel eine Fluidsteuerungsvorrichtung 10, die eine in einer Abgasbehandlungsvorrichtung positionierte Düse 16 umfasst, gezeigt. Bei dieser Konfiguration ist die Düse 16 vollständig in einem kegelstumpfförmigen Einlassabschnitt 94 der Abgasbehandlungsvorrichtung 19 angeordnet. Die Düse 16 umfasst eine Einlassöffnung 20 mit einer größeren Querschnittfläche als die einer Auslassöffnung 22, um den ersten Strömungspfad F1 und die erste Geschwindigkeit v1 zu bilden. Die zwischen der Düse 16 und dem kegelstumpfförmigen Einlassabschnitt 94 der Abgasbehandlungsvorrichtung 19 gebildete Querschnittfläche bildet den zweiten Strömungspfad F2 und die zweite Geschwindigkeit v2. Aufgrund der zunehmenden Querschnittfläche des zweiten Strömungspfads F2 und der abnehmenden Querschnittfläche des ersten Strömungspfads F1 ist die zweite Geschwindigkeit v2 kleiner als die erste Geschwindigkeit v1. Die Fluidstrom-Steuerungsvorrichtung kann wie gezeigt einen oder mehrere Injektoren 28, 28' für die Einspritzung von Fluid in den ersten Strömungspfad F1, den zweiten Strömungspfad F2 oder beide umfassen. Unter Bezug auf 18 ist in einem anderen Beispiel die Düse 16 aus einem zylindrischen Abschnitt 80 und einem kegelstumpfförmigen Abschnitt 82 gebildet. Unter Bezug auf 19 und 20 sind in noch anderen Beispielen Konfigurationenähnlich zu denen von 17 bzw. 18 gezeigt. Bei diesen Konfigurationen ist die Querschnittfläche der Einlassöffnungen 20 kleiner als die Querschnittflächen der Auslassöffnungen 22, wodurch eine erste Geschwindigkeit v1 gebildet wird, die kleiner als die zweite Geschwindigkeit v2 ist. Bei den in 16 bis 20 gezeigten Konfigurationen ist die Leitungsachse Ac im Allgemeinen parallel zur Düsenachse An. Es versteht sich aber, dass die Leitungsachse Ac und die Düsenachse An nicht parallel, z. B. unter einem Winkel θ, sein können.
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Die in 4 und 5 gezeigten beispielhaften Ausführungsformen der Düse veranschaulichen eine Düse 16 mit einer im Allgemeinen festen Form. Bezüglich 11 wird aber in einer beispielhaften Ausführungsform in Betracht gezogen, dass die Form der Düse 16 anpassbar ist. Rechnergestützte Fluiddynamik-Untersuchungen (CFD, kurz vom engl. Computational Fluid Dynamic) haben verglichen mit der Außenseite der Düse auf der Innenseite der Düse durchwegs einen höheren Fluiddruck gezeigt, wobei die Differenz bei höheren Durchflüssen des Abgases größer wird. Demgemäß können anpassbare Düsen verwendet werden, um Fluiddruck und Gegendruck zu senken. Die Düse 16 wird in dieser Ausführungsform eine Düse veränderlicher Geometrie. Die Düse 16 umfasst zum Beispiel einen oberen Abschnitt 44 und einen unteren Abschnitt 46, wobei der obere Abschnitt bezüglich des unteren Abschnitts beweglich ist. Die Bewegung des oberen Abschnitts im Verhältnis zum unteren Abschnitt kann durch einen Schwenkverbinder 48 verwirklicht werden, der sich an dem ersten Ende der Düse 16 befindet. Der untere Abschnitt 46 der Düse 16 umfasst ein Steuerelement 50, das sich für die Bewegung des unteren Abschnitts 46 durch die Leitung 18 erstreckt. Weiterhin kann ein elastisches Element 52 zum Rückführen der Düse 16 zu einer ursprünglichen oder vorherigen Konfiguration vorgesehen werden. Es versteht sich bei dieser Ausführungsform, dass der erste Strömungspfad F1 und die Düsenachse An vor oder während des Einsatzes des Motors zu einem abgewandelten ersten Strömungspfad F1' verändert werden können, um eine erwünschte Mischkonfiguration zu erhalten. Diese Veränderung kann beruhend auf dem Durchfluss eines durch die Düse 16 strömenden Abgases verändert werden und kann durch ein Steuergerät, beispielsweise ein Motorsteuergerät u. a., automatisiert werden.
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Unter Bezug auf 12A und 12B sind in einer alternativen Ausführungsform biegsame oder bewegliche Düsen 16 zum Verringern eines anfänglichen Gegendrucks in der Abgasanlage vorgesehen. Die bewegliche Düse umfasst eine oder mehrere Blattfedern 68 aus Metallstreifen, die an die Düse 16 angeschweißt und an einem oberen Abschnitt 70 und/oder Bodenabschnitt 72 an der Abgasleitung 18 angebracht sind. Unter Bezug auf 12A ist die Düse 16 durch die Blattfeder 68 aufgehängt, was es der gesamten Düse als ein Element ermöglicht, sich als dadurch gebildetes Mittel zum Senken von Gegendruck während höherer Abgasdurchflüsse seitlich senkrecht zu ihrer Achse zu bewegen. Bei Konfigurationen, bei denen die Düse Schlitze aufweist, verringert eine seitliche Bewegung, die den ringförmigen Raum zwischen den Schlitzen und der Leitung vergrößert, den Strömungswiderstand und den Druckabfall. Unter Bezug auf 12B wird in einer alternativen Ausführungsform die Verringerung des Gegendrucks durch die einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt aufweisende Düse 16 erreicht, wobei der obere Abschnitt bezüglich des unteren Abschnitts beweglich ist. Bei dieser Konfiguration ist der untere Abschnitt durch ein starres Element 88 fest an dem Bodenabschnitt 72 der Leitung 18 angebracht, und der obere Abschnitt 84 ist durch die Blattfeder 68 beweglich an dem oberen Abschnitt 70 der Leitung 18 angebracht. Die Bewegung des oberen Abschnitts 84 im Verhältnis zum unteren Abschnitt 86 wird durch die Blattfeder 68 erreicht.
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Die Düse 16 kann weiter abgewandelt werden, um eine weitere Steuerung des Mischens des ersten Strömungspfads F1 und des zweiten Strömungspfads F2 zu erreichen. Zum Beispiel kann die Düse einen oder mehrere Abwandlungselemente umfassen, die sich an einem inneren Abschnitt 55 oder äußeren Abschnitt 56 der ringförmigen Wand 34 befinden. Unter Bezug auf 13 umfasst in einer beispielhaften Ausführungsform ein Strömungsabwandlungselement eine Lippe 54, die sich an dem zweiten Ende der Düse 16 und an einem äußeren Abschnitt 56 der ringförmigen Wand 34 befindet. Die Lippe 54 kann sich auch an dem Einlass oder dem ersten Ende 30 der Düse (nicht gezeigt) befinden. Bei einer anderen Konfiguration befinden sich ein oder mehrere Vorsprünge oder Vertiefungen 58 oder Grate 74 (siehe 14A und 14B) entlang des inneren oder äußeren Abschnitts 55, 56 der ringförmigen Wand 34. Alternativ können Einschnitte oder Nute (nicht gezeigt) ausgebildet sein, die sich zum Vorsehen weiteren Mischens von der Einlassöffnung 20, der Auslassöffnung 22 oder von beiden nach innen erstrecken. Ferner könnte die Düse 16 aus einem gewellten Element gebildet sein. Der Einlass und der Auslass der Düse können abgeschrägt oder anderweitig geformt sein, um eine erwünschte Fluidstromwirkung u. a. zu bilden. Andere Konfigurationen sind möglich.
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Die Anbringung der Düse 16 an der Leitung 18 kann in jeder geeigneten Weise erreicht werden. Bei einer Konfiguration wird die Anbringung der Düse 16 an der Leitung 18 durch Schweißen der Düse direkt an die Leitung erreicht. Bei einer anderen Konfiguration können ein oder mehrere Anbringungsmerkmale (z. B. mechanische Befestigungsmittel u. a.) zum Anbringen der Düse an der Leitung verwendet werden. Unter Bezug auf 3 und 4 ist zum Beispiel ein Anbringungsmerkmal 24 zum Anbringen der Düse 16 an der Leitung 18 an einer oder an mehreren Stellen vorgesehen. Die resultierende Anbringung erzeugt eine beabstandete Beziehung zwischen der Düse 16 und der Leitung 18 zum Bilden des zweiten Strömungspfads F2.
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Unter Bezug auf 5 kann bei einer anderen Konfiguration die Anbringung der Düse 16 an der Leitung 18 durch ein poröses Element 60 erreicht werden. Hier nimmt das poröse Medium über eine kurze axiale Strecke an der Einlassöffnung 20 den ringförmigen Raum zwischen der Düse 16 und der Leitung 18 ein. Bei dieser Konfiguration umfasst das poröse Element mehrere durch dieses hindurch ausgebildete Öffnungen, um zum Bilden des zweiten Strömungspfads F2 Abgas durch diese strömen zu lassen. Das poröse Element 60 kann aus einem beliebigen Material gebildet sein, das gegenüber Abgastemperaturen eines Motors beständig ist. Bei einer Konfiguration ist das poröse Material aus Keramik oder Metallschaum gebildet. Das poröse Material kann durch jedes geeignete Mittel, beispielsweise mechanische Befestigungsmittel, hochtemperaturfestes Klebemittel, unter bestimmten Umständen Schweißen u. a., an der Düse und Leitung angebracht werden. Das poröse Material erzeugt eine relativ gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung bei Eintritt in den zweiten Strömungspfad. Dies führt zusammen mit den verringerten Strömungsgeschwindigkeiten in dem zweiten Strömungspfad zu mehr Verweil- oder Aufenthaltszeit für die Einspritzung und Verteilung von Flüssigkeitstropfen in dem zweiten Strömungspfad F2, wodurch Verdampfungs- und Mischzeit vergrößert werden. Die so geartete Verwendung eines porösen Mediums verbessert das Mischen und Verdampfen von Fluid, wie in rechnergestützten Fluiddynamik-Untersuchungen (CFD) ersichtlich ist.
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Unter Bezug auf 6 bis 10 sieht die Fluidsteuerungsvorrichtung 10 weiterhin die Verwendung von ein oder mehreren Injektoren 28, 28' für die Einspritzung von Fluid (z. B. Harnstofflösung, Kohlenwasserstoffkraftstoff u. a.) in den Abgasstrom vor. Der eine Injektor bzw. die mehreren Injektoren 28, 28' bildet/bilden druckbeaufschlagtes Fluid, das in den ersten Strömungspfad F1, den zweiten Strömungspfad F2 oder beide eingespritzt wird. Demgemäß können sich der eine Injektor oder die mehrere Injektoren 28, 28' durch eine Öffnung erstrecken, die durch die ringförmige Wand 34 der Düse 16 ausgebildet ist. Bei einer bestimmten Konfiguration ist ein Injektor 28 zum Einspritzen von Fluid in den langsameren des ersten und zweiten Strömungspfads F1, F2, vorgesehen, um eine größere Misch- und Verdampfungszeit in dem sich langsamer bewegenden Fluid zu ermöglichen. Es wird aber auch in Betracht gezogen, dass der Injektor Fluid in dem schnelleren des ersten und zweiten Strömungspfads F1, F2 einspritzen kann. Des Weiteren wird erwogen, dass die Fluidsteuerungsvorrichtung sowohl in den ersten als auch den zweiten Strömungspfad F1, F2 Fluid einspritzt. Es versteht sich, dass die Spritzeigenschaften, z. B. Durchfluss, Geschwindigkeit, Muster u. a., bei Injektor 28 und Injektor 28' unterschiedlich sein können.
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Unter Bezug auf 2 und 3 ist der Injektor erfindungsgemäß so ausgerichtet, dass er ein druckbeaufschlagtes Fluid so lenkt, dass es die Düse 16 schneidet. Bei dieser Konfiguration prallt das eingespritzte Fluid auf die Düse 16, was aufgrund der Geschwindigkeit des Fluids und der Temperatur der Düse eine Verdampfung des eingespritzten Fluids bewirkt. Dann bewegt sich das eingespritzte Fluid entlang des zweiten Strömungspfads F2, wo es sich in dem zweiten Strömungspfad und mit dem ersten Strömungspfad F1 vermischt. Der Winkel des Injektors zur Düsenwand kann verändert werden, um erwünschte Verdampfung und Mischergebnisse zu erreichen. Es versteht sich, dass das durch den Injektor 28 oder Injektor 28' eingespritzte Fluid für einen erwünschten Zusammenprall mit dem inneren Abschnitt 55 oder dem äußeren Abschnitt 56 der ringförmigen Wand 34 positioniert und ausgerichtet werden kann.
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die Fluidsteuerungsvorrichtung 10 weiterhin zum Mischen des Abgases und/oder von Abgas mit dem von dem Injektor 28 eingespritzten Fluid eine oder mehrere Mischvorrichtungen 42, die sich stromabwärts der Düse befinden. Solche Mischvorrichtungen können Scheiben, Scheibenhälften, Umlenkelemente, Abgasstrom-Mischvorrichtungen, Wirbelvorrichtungen, perforierte und nicht perforierte Platten u. a. umfassen. Unter Bezug auf 15 werden zum Beispiel zwei Scheibenhälften-Mischvorrichtungen 64, 65 gezeigt. Bei dieser Konfiguration ist die Düsenachse An hin zur Leitung 18 und der ersten Scheibenhälften-Mischvorrichtung 64 ausgerichtet. Das Abgas aus dem ersten und zweiten Strömungspfad F1, F2 prallt auf die erste Scheibenhälfte, was das Abgas nach oben hin zu der zweiten Scheibenhälften-Mischvorrichtung 65 bewirkt. Bei Zusammenprall mit der zweiten Scheibenhälften-Mischvorrichtung 65 wird das Abgas nach unten gelenkt. Der sich ergebende Abgasstrom zu der Abgasbehandlungsvorrichtung 19 ist im Allgemeinen eine gleichmäßige Verteilung von Abgas und Dämpfen sowie des Abgases und nicht verdampfter Flüssigkeitstropfen der eingespritzten Flüssigkeit hin zu der Abgasbehandlungsvorrichtung 19, wodurch ein dritter Strömungspfad und eine dritte Geschwindigkeit gebildet werden.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Fluidsteuerungsvorrichtung 10 können in verschiedenen Motoranwendungen eingesetzt werden, einschließlich Benzinmotoren, Dieselmotoren, Hybridmotor, Flex-Fuel-Motor u. a. Es wird auch erwogen, dass die Fluidsteuerungsvorrichtung 10 für eine oder mehrere der Abgasbehandlungsvorrichtungen dieser Motoren verwendet werden kann. Die Fluidsteuerungsvorrichtung kann zum Beispiel zum Vorsehen eines im Allgemeinen gleichmäßigen Musters von Abgas, einschließlich Harnstoff oder Kraftstoffdampf und/oder Tropfen, zu einer Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR), einem Dieseloxidationskatalysator (DOC), einem Dieselpartikelfilter (DPF), Kombinationen derselben u. a. verwendet werden. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform werden mehrere Düsen 16 in einen Abgasstrom einer Abgasanlage positioniert, wobei die zusätzlichen Düsen ein weiteres Mischen des eingespritzten Fluids (nicht verdampfte Flüssigkeit und Dampf) mit dem Abgas vorsehen. Dies ist analog zum Verwenden von Abgasstrom-Mischvorrichtungen, Wirbelvorrichtungen, perforierten Platten etc. oder sogar von einem kleinen Rohr in der Abgasleitung zum Verbessern des Mischens und der Verdampfung, die durch eine einzige Düse erreicht wird. Diese mehreren Düsen können in Reihe angeordnet werden oder es können andere Komponenten, beispielsweise Abgasbehandlungsvorrichtungen u. a., dazwischen gesetzt werden.
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Wichtige Eigenschaften der Fluidsteuerungsvorrichtung 10 sind das Teilen des Abgasstroms in zwei oder mehr Strömungspfade, wobei einer den Abgasstrom als Düse beschleunigt und der andere den Abgasstrom als Diffusor verlangsamt und wobei die Einspritzung einer Flüssigkeit in das sich langsam bewegende Gas oder den Diffusorbereich durchgeführt wird, um seine Verweil- oder Aufenthaltszeit darin zu verlängern und daher die Verdampfung und das Mischen in dem Abgasstrom zu verbessern. Es versteht sich aber, dass der Schutzumfang dieser Erfindung auch das Einspritzen des Gases oder der Flüssigkeit entweder in den Diffusorabschnitt oder den Düsenabschnitt oder in beide umfasst, um Anpassung an bestimmte Situationen, an bestimmte Ziele bei Mischen und Platzbedarf zu bieten. Der Schutzumfang dieser Erfindung umfasst auch Konfigurationen, bei denen einer der Pfade das Abgas (wie bei einer Düsen- oder Diffusor-Konfiguration) beschleunigt oder verlangsamt, während der andere Pfad nichts dergleichen tut. Die beiden Strömungspfade mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vereinen sich wieder bei Austreten aus der Düse oder Strömen an der Düse vorbei und mischen sich. Bestimmte Ausführungsformen, beispielsweise eine Düse veränderlicher Geometrie mit oder ohne Blattfedern, kann auch Gegendruck in der Abgasanlage des Motors senken. Die Düse und die Leitung können auch so ausgelegt (z. B. geformt, bemessen oder anderweitig konfiguriert) werden, dass die Kompromisse bei Mischen, Verdampfen, Gegendruck, Platzbedarf, Kosten etc. optimiert werden.