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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen
einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Es ist schon eine derartige Vorrichtung aus der
DE 199 46 901 bekannt, bei der in
einem in ein Abgasrohr hineinragenden Dosierrohr eine Drossel angeordnet
ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass in einfacher Weise eine Möglichkeit geschaffen wird,
das Reaktionsmittel bzw. die kristallisationsbildende Flüssigkeit
untereinander bzw. mit einem Transportgas so zu vermischen, dass
eine lokale Übersättigung
des reaktiven Bestandteils des Reaktionsmittels verhindert und somit
dessen Kristallisation vermieden werden kann. Als weiterer Vorteil
ist anzusehen, dass hierbei der Durchfluss des Reaktionsmittels
durch Leitungen bzw. reaktionsmittelführende Bereiche nicht oder
nur unwesentlich beeinträchtigt
wird. In vorteilhafter Weise wird hierbei nicht nur eine Verengung
des Strömungsquerschnitts
infolge Auskristallisation, sondern auch eine Verstopfung der Einbringungsstelle
bzw. der Leitungen vermieden. Wird eine Verengung verhindert, muss
der Transportdruck des Reaktionsmittels bzw. des Transportgases
nicht erhöht
werden, um eine bestimmte Menge an Reaktionsmittel dem Abgas zuzuführen bzw.
um weiterhin eine Auskristallisation zu vermeiden. Das Dosiersystem
wird insgesamt robuster hinsichtlich in der Praxis auftretender
Schwankungen bei den Betriebsparametern. Insbesondere sind in vorteilhafter
Weise auch kleinere Mengen an Reaktionsmittel, insbesondere an Harnstoff-Wasser-Lösung, einspritzbar,
ohne eine Auskristallisation mit der Folge eines eventuellen Lahmlegens
des gesamten Systems zu provozieren. Darüber hinaus können mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
auch zukünftige
Abgasnormen, die eine feiner abzustimmende Dosierung mit kleineren Toleranzen
der Reaktionsmittelmenge erfordern, erfüllt werden. Ferner können in
vorteilhafter Weise Mengenschwankungen aufgrund von Teilverstopfungen
bzw. zäher
werdendem Reaktionsmittel infolge Kristallbildung und Wiederauflösen derselben
verringert werden.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch
angegebenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft
ist es hierbei, wenn sich eine Aufweitungsstruktur nahe der Einbringungsstelle
befindet, so dass in zuverlässiger
Weise eine Durchgängigkeit
beispielsweise von Sprühlöchern in
einem Dosierrohr gewährleistet
werden kann.
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Eine
stufenförmige
Aufweitung ist in vorteilhafter Weise einfach herstellbar. Insbesondere
ist es vorteilhaft, in einer Leitung mit kreisförmigem Querschnitt, beispielsweise
im Dosierrohr, die Aufweitung als stufenförmige Aufbohrung auszubilden.
Eine derartige stufenförmige
Aufbohrung ist in an sich bereits bekannten Dosierrohren in einfacher
Weise anbringbar.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den weiteren in den weiteren abhängigen Ansprüchen und
in der Beschreibung genannten Merkmalen.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen 1 eine Anordnung zur luftunterstützten Einbringung
einer Harnstoff-Wasser-Lösung, 2 ein
Dosierrohr, 3 ein Dosierrohr mit Aufweitungsstruktur, 4 ein
Dosierrohr mit Aufweitungsstruktur und Hülse und 5 ein Dosierrohr
mit Aufweitungsstruktur und Gewindebereich.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen dargestellt. Mit 1 ist
ein Harnstofftank bezeichnet, aus welchem eine Harnstoff-Wasser-Lösung mit
einem 32,5 %igem Harnstoffanteil über eine Leitung 1a,
beispielsweise eine Schlauchleitung, mit einem Rückschlagventil 2 und einem
als Filtersieb ausgeführten
Filter 3 von einer Förderpumpe 4 angesaugt
und über
ein weiteres Rückschlagventil 6 zu
einem Dosierventil 7 gefördert wird. Das Dosierventil 7 dosiert
die erforderliche Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung in eine Mischkammer 8.
Eine eventuell auftretende Überströmmenge der
Harnstoff-Wasser-Lösung
ist über
einen Druckregler 5 und ein weiteres Rückschlagventil 11 durch
eine Rücklaufleitung 12 in
den Harnstofftank 1 zurückführbar. Eine
eventuell notwendige Entlüftung der
Leitung 1a ist über
einen Entlüftungskreislauf
mit einem Entlüftungsventil 10 durchführbar. Mit 20 ist ferner
ein Druckluftbehälter
bezeichnet, aus welchem Druckluft über einen Druckbegrenzer 21,
ein 2/2-Wegeventil 22 und ein Rückschlagventil 23 in
die Mischkammer einbringbar ist. Durch Vorsehen des Rückschlagventils 23,
welches beispielsweise als Kugelventil oder Flachsitzventil ausgebildet
sein kann, kann ein Rückströmen eines
Reduktionsmittel-Luft-Gemisches aus der Mischkammer in die Druckluftleitung 24 hinaus
verhindert werden. Hierdurch ist die Gefahr einer Kontamination
eines mit der Druckluftleitung 24 kommunizierenden Druckluft-Bordnetzes gegenüber herkömmlichen
Systemen stark reduziert.
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In
der Mischkammer 8 wird unter Beaufsehlagung der Harnstoff-Wasser-Lösung mittels
der Druckluft ein Aerosol erzeugt, welches über eine Aerosolleitung 25 und
ein in die Abgasleitung hineinragendes Dosierrohr 60 in
einen Katalysator 30 eingebracht wird. Ein Steuergerät 40 erfaßt hierbei
Signale, die von einem übergeordneten
Motorsteuergerät über eine
CAN-Datenleitung 41 empfangen
werden, sowie die Signale von Druck-, Temperatur- bzw. Füllstandssensoren 50 bis 55,
deren Funktionsweise an sich bekannt ist und hier nicht weiter erläutert wird. Das
Steuergerät 40 berechnet
aus diesen Informationen eine Harnstoff-Dosiermenge, welche einem den Katalysator 30 durchströmenden Abgas
zugegeben werden soll.
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Das
Steuergerät 40 regelt
mit Hilfe der beschriebenen Magnetventile den Druck in der Druckluftleitung 24 und überwacht
ferner den Harnstoff-Wasser-Lösungsdruck.
Das Steuergerät 40 erkennt
Abweichungen und Fehler, speichert diese und bringt sie durch ein
(nicht gezeigtes) Diagnosegerät, beispielsweise
an einem PC, zur Anzeige.
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2 stellt
den in eine nicht näher
dargestellte Abgasleitung hineinragenden Teil eines Dosierrohrs 61 dar,
das anstelle des in der 1 abgebildeten Dosierrohrs 60 eingesetzt
werden kann. Der Pfeil 62 kennzeichnet die Strömungsrichtung
des Reaktionsmittels bzw. des Reaktionsmittel-Transportgas-Gemischs,
beispielsweise einer Harnstoff-Wasser-Lösung, die druckluftunterstützt ins
Dosierrohr eingebracht wird. Das Dosierrohr ist am stromabwärtigen Ende
mit einem Verschlussstopfen 64 abgedichtet. Stromaufwärts des
Verschlussstopfens 64 sind radial ausgerichtete Sprühlöcher 63 mit
einem Durchmesser von typischerweise 0,5 Millimeter in der Wandung
des Dosierrohrs angeordnet, die sich gleichmässig über den Umfang des Dosierrohrs
verteilen. Das Dosierrohr weist eine Biegung um 90 Grad auf, so
dass das senkrecht durch eine Wandung des Abgasrohrs hindurchtretende
Dosierrohr einen parallel zur Abgasströmung 66 verlaufenden Abschnitt 65 aufweist.
Eine Ausschnittsvergrößerung 70 zeigt
einen an der Dosierrohr- bzw. Sprührohrwand 71 entlanglaufenden
flüssigen
Wandfilm 72, Pfeil 73 kennzeichnet dessen Strömungsrichtung. Der
Pfeil 74 kennzeichnet die Strömungsrichtung eines sich ausbildenden
Aerosols bzw. der zum Transport und Zerstäubung des Reaktionsmittels
verwendeten Druckluft.
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Bei
der Anordnung nach 1 bildet sich in der Leitung 25 nach
der Vermischung des Reaktionsmittels mit Druckluft in der Mischkammer 8 zur
Bildung eines Aerosols ein flüssiger
Reaktionsmittel-Wandfilm aus, der sich auch im Dosierrohr 61 wellenförmig als
Wandfilm 72 fortbewegt und beispielsweise bei einer Strömungsgeschwindigkeit
von 1 m/s und einem Luftdruck von 1,5 bar eine Dicke von zirka 10
Mikrometer aufweist. Ein Teil weiterhin vorhandenen Aerosols sowie
die Druckluft selbst bewegt sich (Strömungsrichtung 74)
in der Mitte des Dosierrohrs fort. Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird
schließlich über die
Sprühlöcher 63 quer
zur Strömung 66 des Abgases
in die Abgasleitung eingespritzt.
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3 zeigt
die erfindungsgemäße Ausführung eines
Teils eines Dosierrohrs 81 aus Edelstahl, das anstelle
eines in der 1 dargestellten Dosierrohrs 60 verwendet
werden kann. Dargestellt ist das stromabwärtige Ende des Dosierrohrs
hinter der oben beschriebenen 90-Grad-Biegung,
also der Abschnitt des Dosierrohrs, der parallel zur Abgasströmung 66 verläuft. Das
Dosierrohr hat einen Aussendurchmesser 85 und bei seinem
Eintritt in die Abgasleitung bis hinter der 90-Grad-Biegung einen
Innendurchmesser 83. Das Dosierrohr ist an seinem stromabwärtigen Ende
mit einem als Pressstopfen ausgebildeten und mit dem Dosierrohr
verschweissten Verschlussstopfen 64 aus Edelstahl gas-
und flüssigkeitsdicht
verschlossen. Die Sprühlöcher 63 sind
in einem Randabstand 89 vom Dosierrohrende, kurz vor dem
Verschlussstopfen 64, radial in das Dosierrohr eingebracht
zur Herstellung einer Strömungsverbindung
zwischen dem Innenbereich des Dosierrohrs und dem außerhalb
des Dosierrohrs strömenden
Abgases. Der kreisförmige
Strömungsquerschnitt
ist in einem Bereich stromaufwärts
der Sprühlöcher aufgeweitet,
und zwar auf einen Querschnitt mit einem Innendurchmesser 87 im
Aufweitungsbereich, der größer ist
als der Innendurchmesser 83. Dieser Aufweitungsbereich
hat eine Länge 91 gerechnet
von den Sprühlochmitten.
Das kurze Stück stromabwärts der
Sprühlöcher hat
ebenfalls den vergrößerten Innendurchmesser 87,
und der Verschlussstopfen weist einen entsprechend dimensionierten
Bereich zum endseitigen Verschluss des Sprührohrs auf. Der Aussendurchmesser 85 beträgt im Ausführungsbeispiel
4,1 Millimeter, der Innendurchmesser 83 2,1 Millimeter,
der Innendurchmesser 87 im Aufweitungsbereich 2,5 Millimeter,
der Randabstand 89 2,5 Millimeter und die Länge 91 10 Millimeter.
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Das
strömende
Abgas 66 hat eine Temperatur von beispielsweise 350 Grad
Celsius. Die bei einem druckluftunterstützten System im Zentrum des Dosierrohrs
strömende
Druckluft erwärmt
sich dabei auf zirka 60 Grad Celsius. Der sich ausbildende Temperaturgradient
führt dann
beispielsweise zu einer Temperatur an der Innenwandung des Dosierrohrs von
115 Grad Celsius. An der Innenwand des Dosierrohrs wandert der flüssige Wandfilm
aus der Harnstoff-Wasser-Lösung entlang,
und der direkt an der Rohrwand entlang laufende Wasseranteil der
Lösung kann,
unterstützt
durch die trocknende Wirkung des in der Dosierrohrmitte strömenden Luftstroms,
aus einer heißen
Randschicht verdampfen, solange keine Maßnahmen getroffen werden, um
dies zu verhindern. Verdampft nämlich
das Wasser aus der heißen Randschicht,
so stellt sich eine Übersättigung
an Harnstoff in der Harnstoff-Wasser-Lösung ein und es besteht die
Gefahr der Kristallisation des Harnstoffs, die zu einer Verengung
des Strömungsquerschnitts, zu
einem erforderlichen Druckanstieg zur Förderung einer bestimmten Harnstoffmenge
und schließlich auch
zur Verstopfung insbesondere der Sprühlöcher führen kann. Eine Verstopfung
der Sprühlöcher wiederum
kann dazu führen,
dass die über
das Druckluftsystem zugeführte
Luft über
das Dosierventil 7 (1) in die
Leitung 1a drückt,
so dass nun auch hier, unterstützt
durch die trocknende Wirkung der Luft, Kristallisation eintreten
kann. Mit einer Erhöhung
der Durchflussmenge an Harnstoff-Wasser-Lösung pro Zeiteinheit kann eine
Kristallisation vermieden werden, dies geht jedoch zu Lasten der
Dosiergenauigkeit und führt
zu einem erhöhten
Reduktionsmittelverbrauch. Bei Überdosierung
wiederum entsteht ungewollter Ammoniak-Schlupf als Sekundäremission,
der bei hoher Konzentration gesundheitsbeeinträchtigend sein kann. Daher ist
erfindungsgemäß eine Aufweitung
des für
die Harnstoff-Wasser-Lösung
zur Verfügung
stehenden Strömungsquerschnitts
vorgesehen, speziell in einem Bereich mit einer Länge 91 unmittelbar
vor den Sprühlöchern, um diese
vor einer Kristallisation von Harnstoff zu schützen. Die vorzugsweise als
stufenförmiger Übergang ausgebildete
Aufweitung des Strömungsquerschnitts vom
Innendurchmesser 83 auf den größeren Innendurchmesser 87 führt zu einer
Durchmischung bzw. Aufwirbelung des Wandfilms. Dadurch werden kühlere, zunächst dem
Innenbereich des Dosierrohrs zugewandte Abschnitte des Wandfilms
nach außen
in Richtung Innenwandung des Dosierrohrs gewälzt. Somit kühlt die
der Innenwandung des Dosierrohrs unmittelbar benachbarte Randschicht
des Wandfilms ab, die Gefahr der Wasserverdampfung und damit der
Harnstoffübersättigung
ist verringert, was wiederum zu einer geringeren Gefahr der Auskristallisation von
Harnstoff bzw. an Reaktionsmittel führt. Die Länge 91 ist dabei so
bemessen, dass die durch die Aufweitung entstandene Verwirbelung
und damit Erniedrigung der Temperatur der Harnstoff-Wasser-Lösung unmittelbar an der Innenwand
des Dosierrohrs noch bis zu den Sprühlöchern fortwirkt. Je größer die
Länge 91,
desto größer ist
tendenziell der vor Kristallisation geschützte Bereich. Ab einer gewissen
Obergrenze jedoch würde
sich wieder ein gleichmässig fließender Wandfilm
mit den oben genannten Problemen ausbilden, so dass gerade im Bereich
der Sprühlöcher kein
Schutz mehr vor Kristallisation bestünde. Daher wird die Länge 91 in
einem Bereich zwischen 2 Millimetern und einigen Zentimetern gewählt, bevorzugt
zirka 10 +/– 2
Millimeter. Durch diese einfache Maßnahme lässt sich insbesondere auch eine
höhere
Dosiergenauigkeit erzielen, weil kleinere Mengen an Harnstoff-Wasser-Lösung pro
Zeit gefördert
bzw. in die Abgasleitung eingebracht werden können, ohne in den kritischen
Bereich der Harnstoffübersättigung
und Auskristallisation zu gelangen, der das gesamte System lahm
legen und eine Abgasentstickung außer Kraft setzen kann.
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Der
Verschlussstopfen 64 kann wahlweise auch als Stopfen ausgebildet
sein, der mit Spiel, d.h. leicht, bei der Fertigung in das Dosierrohr
einführbar ist
und anschließend
ebenfalls mit dem Dosierrohr verschweisst wird.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines Teils eines Dosierrohrs 101, bei dem gleiche oder ähnliche
Bestandteile wie bei der in 3 gezeigten
Ausführung
mit gleichem Bezugszeichen versehen sind und nicht nochmals beschrieben
werden. Analog zum Dosierrohr 81 gemäß 3 weist auch
das Dosierrohr 101 einen Aufweitungsbereich auf, der sich
auf einer Länge 92 vor
den Sprühlöchern erstreckt.
Dabei ist der Innendurchmesser 87 des Dosierrohrs im Aufweitungsbereich
größer als der
Innendurchmesser 98 fernab der Sprühlöcher. Bei der Fertigung wird
hierbei durch Aufbohrung der Innendurchmesser des Sprührohrs vergrößert. Dabei wird
tiefer gebohrt als zur Ausbildung des Aufweitungsbereichs notwendig
wäre, um
anschließend passgenau
eine Hülse 93 in
die Aufbohrung einschieben und mit der Aufbohrung beispielsweise
per Laser verschweissen zu können,
wobei die Hülse 93 eine Hülsenlänge 94 aufweist,
so dass sich der stromaufwärts
der Sprühlöcher befindliche
Bereich 96 der Aufbohrung um die Hülsenlänge 94 verkürzt und
sich der genannte Aufweitungsbereich mit der Länge 92 ausbildet.
Die Hülsendicke
ist größer als
die halbe Differenz von Innendurchmesser 98 mit Innendurchmesser 87 im
Aufweitungsbereich, mit anderen Worten, der Hülseninnendurchmesser 99 ist
kleiner als der Innendurchmesser 98. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
beträgt
der Hülseninnendurchmesser 99 1,7 Millimeter,
der Innendurchmesser 98 2,1 Millimeter, der Außendurchmesser 85 4,1
Millimeter, die Länge 92 4,9
Millimeter, die Hülsenlänge 94 4,1
Millimeter und der Innendurchmesser 87 im Aufweitungsbereich
2,5 Millimeter.
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Der
sich auf die Sprühlöcher zubewegende Wandfilm
sieht zunächst
im Bereich des Übergangs zur
Hülse einen
leicht positive Störkontur,
also ein zur Symmetrieachse des Dosierrohrs hinführendes Wandprofil, um anschließend beim Übergang
von der Hülse
in den Aufweitungsbereich eine umso größere negative Störkontur
zu durchlaufen, die von der Symmetrieachse des Dosierrohrs wegführt. Beide
Störkonturen
tragen zur Verwirbelung und Durchmischung und damit zur Vermeidung
einer Harnstoffkristallisation bei.
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Das
Dosierrohr nach 5 weist ebenfalls eine dem Aufweitungsbereich
vorgelagerte positive Störkontur
auf. Im Unterschied zur 4 ist jedoch die Hülse durch
einen Gewindebereich 193 mit einer Länge 94 ersetzt, wobei
der Innendurchmesser des Gewindes kleiner ist als der Innendurchmesser 98 des
Dosierrohrs fernab der Sprühlöcher.
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Die
Wirkung des Innenprofils des Dosierrohrs gemäß 5 ist ähnlich wie
bei dem Aufbau nach 4.
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Die
in den Ausführungsbeispielen
beschriebene Aufweitungsstruktur im Dosierrohr kann auch in anderen
Leitungsbereichen bzw. in das Reaktionsmittel führenden Bereichen angewendet
werden. Sie kann auch mit im Dosierrohr eingebrachten Störkörpern, wie
beispielsweise einer passgenau in das Dosierrohr eingelegten, befestigten
oder darin beweglichen Metallspirale, oder Mischeranordnungen wie beispielsweise
Gittern, kombiniert werden. Des Weiteren können zusätzlich weitere Maßnahmen
zur Kristallisationsvermeidung vorgesehen sein, wie beispielsweise
das Vorsehen von Zonen erhöhter
Oberflächenrauhigkeit
an der Innenwand von Leitungen bzw. des Dosierrohrs, auch Quernuten
oder spiralförmige
Nuten in der Dosierrohrinnenwand nach Art eines Gewindes oder eines
Gewehrlaufs. Die Anwendung ist nicht auf die Verwendung einer Harnstoff-Wasser-Lösung beschränkt, sondern
ist für
jede Art von Reaktionsmittel von Interesse, bei der die Gefahr der
Kristallisation und damit der Verstopfung besteht. Auch Abgasnachbehandlungsanordnungen sind
von der Erfindung umfasst, bei denen das Reaktionsmittel ohne Transportgas
in den Abgastrakt befördert
wird. Auch hier kann das Vorsehen von Aufweitungsstrukturen in vorteilhafter
Weise eine Verdampfung eines Bestandteils des Reaktionsmittels bzw.
der Reaktionsmittellösung
verhindern und somit eine Auskristallisation des eigentlichen reaktiven
Bestandteils verhindern, insbesondere in Phasen, in denen die reaktionsmittelführenden
Bereiche nach bereits erfolgter Dosierung zum Austreiben sich noch darin
befindlichen Reaktionsmittels beispielsweise mit Luft ausgeblasen
werden, oder bei denen beispielsweise durch Rückwärtsbetrieb der Dosierpumpe
oder durch Inbetriebnahme einer anderen Pumpe noch in den Leitungen
befindliches Reaktionsmittel herausgesaugt und durch Luft oder angesaugtes
Abgas ersetzt wird. Die Grundform des Dosierrohrs kann auch von
der beschriebenen 90 Grad Biegung abweichen, indem es beispielsweise
schräg
verlaufend in den Abgastrakt hineinragt und dementsprechend Winkel
größer oder
kleiner als 90 Grad vorgesehen sind, um einen Abschnitt des Dosierrohrs
parallel zur Strömungsrichtung
des Abgases verlaufen zu lassen. Des Weiteren sind auch solche Ausführungsformen
des Dosierrohrs von der Erfindung umfasst, bei denen die Sprühlöcher sich
in einem stirnseitigen Verschluß des
Sprührohrs
befinden bzw. bei denen die Sprühlöcher parallel
zur Strömungsrichtung
des Abgases oder schräg
mit einem spitzen oder stumpfen Winkel relativ zur Strömungsrichtung des
Abgases ausgerichtet sind.