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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
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Zur
Reduzierung von Stickoxiden ist es bekannt, in einem Abgas führenden
Abgasstrang einer Abgasanlage ein SCR-Katalysator-System anzuordnen, wobei
SCR für
selektive katalytische Reduktion steht. Stromauf des SCR-Katalysator-Systems kann am Abgasstrang
eine Einspritzeinrichtung angeordnet werden, mit deren Hilfe eine
wässrige
Harnstofflösung
in den Abgasstrang eingespritzt werden kann, sogenanntes AdBlue-System
(AdBlue®).
Im Betrieb der mit der Abgasanlage ausgestatten Brennkraftmaschine
sprüht
die Einspritzeinrichtung mit vorbestimmter Dosierung die Harnstofflösung in
den Abgasstrom ein. Durch Hydrolyse entsteht aus dem Harnstoff Ammoniak,
der im SCR-Katalysator die Umwandlung der Stickoxide in Stickstoff
und Wasser bewirkt.
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Aus
Bauraumgründen
ist es ebenfalls üblich, die
Abgasanlage bei einem Kraftfahrzeug entlang eines Unterbodens anzuordnen.
Durch die tiefe Anordnung der einzelnen Komponenten der Abgasanlage kann
sich gegebenenfalls anfallende Kondensati onsflüssigkeit im Bereich dieser
Komponenten sammeln. Bei SCR-Katalysator-Systemen hat sich gezeigt, dass
Lagermatten, mit denen einzelne Katalysator-Elemente in einem Gehäuse des
SCR-Katalysator-Systems gelagert, gehaltert, gegen Vibrationen geschützt und
thermisch isoliert sind, im Bereich der anfallenden Kondensationsflüssigkeit
angeordnet sind und sich dementsprechend damit vollsaugen. Bei hinreichender
Temperatur der Abgasanlage kommt es in der Regel zu einer rückstandsfreien
Verdampfung der Kondensationsflüssigkeit,
so dass in der Regel keine Funktionsbeeinträchtigung auftritt. Bei niedrigen
Umgebungstemperaturen, im Kurzstreckenbetrieb sowie bei modernen
Dieselmotoren erreicht die Abgasanlage zunehmend seltener die für die Verdampfung
der Kondensationsflüssigkeit
erforderlichen Temperaturen.
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In
Verbindung mit einer Harnstoffeinspritzung kann es bei bestimmten
Betriebszuständen auch
zu einer Kondensation der eingespritzten Harnstofflösung kommen.
Beim Verdampfen des Wasseranteils dieser Lösung können sich körnige Ablagerungen aus Harnstoff
und anderen Stickstoffverbindungen bilden, die erst bei deutlich
höheren
Temperaturen wieder verdampfen. Sofern sich derartige Ablagerungen
in den Lagermatten keramischer Katalysatorelemente einlagern, können sich
die Eigenschaften dieser Lagermatten nachteilig ändern. Beispielsweise wird
die schwingungsdämpfende
Wirkung ebenso reduziert wie die thermische Isolation. Die Lagermatte
kann thermischen Wärmedehnungen nicht
mehr elastisch folgen, wodurch sich die Haltewirkung der Lagermatte
für das
jeweilige Katalysatorelement reduziert und die Katalysatorelemente
können sich
im Gehäuse
bewegen. Ebenso kann sich im Bereich der beeinträchtigten Lagermatten eine Bypassströmung ausbilden,
die das jeweilige Katalysatorelement zwischen dem Gehäuse und
dem Katalysatorelement umgeht.
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Ebenso
ist es bekannt, stromauf eines Oxidationskatalysators Kraftstoff
einzuspritzen, um eine Aufheizung des Katalysators und/oder eines
nachfolgenden Partikelfilters zu erreichen.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine Abgasanlage der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Haltbarkeit
des SCR-Katalysator-Systems auszeichnet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in der Abgasanlage
stromauf des jeweiligen Katalysator-Systems und stromab der Einspritzeinrichtung
einen Sumpf auszubilden, in dem sich Kondensationsflüssigkeit
sammeln kann. Sofern Kondensationsflüssigkeit anfällt, kann
sie sich im Sumpf sammeln und auch bei entsprechenden Abgastemperaturen
aus dem Sumpf verdampfen. Sofern dabei Festkörperablagerungen anfallen,
verbleiben diese im Sumpf und können
sich insbesondere nicht in eine Lagermatte einlagern, die im stromab
des Sump fes angeordneten Katalysator-System dazu dient, das jeweilige
Katalysatorelement zu lagern. Hierdurch kann effektiv eine Beeinträchtigung
dieser Lagermatte durch die Einlagerung von Festkörperrückständen verdampfter
Kompensationsflüssigkeit reduziert
werden.
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Bevorzugt
ist eine Ausführungsform,
bei welcher der Sumpf im Einbauzustand der Abgasanlage, insbesondere
zumindest zwischen der Einspritzeinrichtung und dem Katalysator-System,
an der tiefsten Stelle des Abgasstrangs ausgebildet ist.
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Durch
diese Bauweise wird erreicht, dass Kondensationsflüssigkeit
unabhängig
davon, wo sich der jeweilige Niederschlag bildet, zum Sumpf fließen und
sich darin sammeln kann. Hierdurch wird eine gezielte Sammlung und
Verdampfung des Kondensats erreicht, wobei gleichzeitig eine gezielte
Ablagerung zurückbleibender
Festkörper
im Sumpf begünstigt
wird.
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Bei
vorteilhaften Ausführungsformen
kann vorgesehen sein, den Sumpf im Abgasstrang so anzuordnen, dass
sein Sammelvolumen zumindest von einem Teil der Abgasströmung beaufschlagt
ist. Zusätzlich
oder alternativ kann vorgesehen sein, den Abgasstrang zumindest
im Bereich des Sumpfes thermisch zu isolieren. Durch die genannten
Maßnahmen
wird die Verdampfung der Kondensationsflüssigkeit begünstigt,
da einerseits eine gezielte Anströmung des Kondensats im Sumpf
und andererseits die Erwärmung
des Kondensats im Sumpf begünstigt
wird.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen Teil
einer Abgasanlage im Bereich eines Sumpfes,
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2 einen
Querschnitt der Abgasanlage aus 1 entsprechend
Schnittlinien II,
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3 eine
Ansicht wie in 1, jedoch bei einer anderen
Ausführungsform,
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4 eine
Ansicht wie in 1, jedoch bei einer weiteren
Ausführungsform,
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5 eine
stark vereinfachte, teilweise geschnittene Frontansicht eines mit
der Abgasanlage ausgestatteten Kraftfahrzeugs,
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6 eine
stark vereinfachte, teilweise geschnittene Seitenansicht des Kraftfahrzeugs.
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Entsprechend 1 umfasst
eine Abgasanlage 1 einen abgasführenden Abgasstrang 2 und
ein im Abgasstrang 2 angeordnetes Katalysator-System 3,
das bevorzugt als SCR-Katalysator-System 3 ausgestaltet ist.
Ferner umfasst die Abgasanlage 1 eine stromauf des SCR-Katalysator-Systems 3 am
Abgasstrang 2 angeordnete Einspritzeinrichtung 4,
die insbesondere so ausgestaltet ist, dass damit eine wässrige Harnstofflösung in
den Abgasstrang 2 einspritzbar ist. Die Abgasanlage 1 dient
entsprechend den 5 und 6 dazu,
Abgase einer Brennkraftmaschine 5 von dieser wegzuführen. Beispielsweise sind
die Brennkraftmaschine 5 und die Abgasanlage 1 hierzu
in einem Kraftfahrzeug 6 angeordnet. Die Abgasanlage 1 kann
im Abgasstrang 2 optional einen Oxidationskatalysator 7 sowie
ein Partikelfilter 8 enthalten. Oxidationskatalysator 7 und
Partikelfilter 8 sind dabei stromauf des SCR-Katalysator-Systems 3 sowie
stromauf der Einspritzeinrichtung 4 im Abgasstrang 2 angeordnet.
Das Partikelfilter 8 ist zweckmäßig stromab des Oxidationskatalysators 7 angeordnet.
Stromab des SCR-Katalysator-Systems 3 kann die Abgasanlage 1 einen Schalldämpfer 9 beziehungsweise
ein Schalldämpfersystem 9 im
Abgasstrang 2 aufweisen.
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Das
SCR-Katalysator-System 3 umfasst zumindest ein SCR-Katalysatorelement 10,
in dem mit Hilfe von Ammoniak Stickoxide zu Stickstoff und Wasser
reduziert werden können.
Optional kann dem SCR-Katalysator-Element 10 ein Hydrolyse-Katalysatorelement 11 vorgeschaltet
sein, das eine Hydrolysereaktion unterstützt, bei der die in das Abgas
eingespritzte wässrige
Harnstofflösung
in Ammoniak und Wasser umgesetzt wird. Des weiteren kann optional
dem wenigstens einen SCR-Katalysatorelement 10 ein zusätzliches
Oxidationskatalysatorelement 12 nachgeschaltet sein, das
eine Umsetzung von gegebenenfalls im Abgas verbleibenden Resten
an Ammoniak und Kohlenwasserstoffen ermöglicht.
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Das
jeweilige SCR-Katalysatorelement 10 ist zweckmäßig entlang
seines Umfangs von einer Lagermatte 13 umhüllt. Im
Beispiel gemäß 1 ist
das SCR-Katalysatorelement 10 gemeinsam mit dem Hydrolyse-Katalysatorelement 11 und
dem Oxidationskatalysatorelement 12 in einer gemeinsamen
Lagermatte 13 eingehüllt.
Die Lagermatte 13 dient zur Lagefixierung des jeweiligen
Elements 10, 11, 12 in einem Gehäuse 14 des
SCR-Katalysator-Systems 3. Die
Lagermatte 13 bewirkt zum einen eine axiale Fixierung des
jeweiligen SCR-Katalysatorelements 10 innerhalb des Gehäuses 14,
was durch eine entsprechende radiale Verpressung der Lagermatte 13 zwischen
dem Gehäuse 14 und
dem jeweiligen SCR-Katalysatorelement 10 verzielt wird.
Des weiteren dient die Lagermatte 13 zur thermischen Isolation
des Gehäuses 14 gegenüber dem
im Betrieb vergleichsweise heiß werdenden
SCR-Katalysatorelement 10. Ferner bewirkt die Lagermatte 13 eine
Abdichtung des zwischen dem Gehäuse 14 und
dem jeweiligen SCR-Katalysatorelement 10 ausgebildeten
und von der Lagermatte 13 ausgefüllten Ringspalts, um eine Bypassströmung zur
Umgehung des jeweiligen SCR-Katalysatorelements 10 zu vermeiden.
Die Lagermatte 13 besteht aus einem flexiblen Material,
so dass es thermisch bedingten Dehnungsvorgängen, die zu Relativbewegungen
zwischen dem jeweiligen SCR-Katalysatorelement 10 einerseits
und dem Gehäuse 14 andererseits
führen,
elastisch folgen kann. Ferner bewirkt die Lagermatte 13 eine
Schwingungsdämpfung
für das
jeweilige SCR-Katalysatorelement 10, das insbesondere aus
einem keramischen Monolithen hergestellt sein kann und dementsprechend stoßempfindlich
ist.
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Die
Abgasanlage 1 ist außerdem
mit einem Sumpf 15 ausgestattet, der im Abgasstrang 2 stromab
der Einspritzeinrichtung 4 und stromauf des SCR-Katalysator-Systems 3 angeordnet
ist und der ein Sammelvolumen 16 aufweist. Das Sammelvolumen 16 dient
zur Aufnahme von Kondensat beziehungsweise Kondensationsflüssigkeit,
die im Betrieb der Abgasanlage 1 anfallen kann. Beispielsweise kann
sich im Abgas mitgeführter
Wasserdampf oder Kraftstoffdampf oder dampfförmige Harnstofflösung an
kalten Wänden
des Abgasstrangs 2, des Gehäuses 14 oder eines
anderen Gehäuses
niederschlagen. Ein derartiger Sumpf 15 zum Aufnehmen und Sammeln
von Kondensationsflüssigkeit
ist zwangsläufig
innerhalb der Abgasanlage 1 an einer tiefliegenden Stelle
angeordnet, damit Kondensat, das sich grundsätzlich an einer beliebigen
Stelle innerhalb des Abgasstrangs 2 niederschlagen kann, schwerkraftbedingt
in Richtung des Sumpfes 15 fließt.
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Bei
den hier gezeigten Ausführungsformen der 1 bis 6 ist
der Sumpf 15 jeweils in einer Wandung 17 des Abgasstrangs 2,
insbesondere des Gehäuses 14,
ausgebildet, die einen durch Pfeile symbolisierten Strömungspfad 18 für die im
Abgasstrang 2 geführte
Abgasströmung
begrenzt. Dabei ist der Sumpf 15 durch eine Mulde oder
Ausbuchtung gebildet, die in die Wandung 17 eingearbeitet
ist beziehungsweise daran ausgeformt ist. Bei den Ausführungsformen
der 1 bis 4 ist der Sumpf 15 in das
Gehäuse 14 des
SCR-Katalysator-Systems 3 integriert,
und zwar insbesondere in einen Einlasstrichter 19 des Gehäuses 14.
Besagtes Gehäuse 14 ist dabei
ein Bestandteil des Abgasstrangs 2, das zur Aufnahme des
SCR-Katalysator-Systems 3 dient. Bei den Ausführungsformen
der 5 und 6 ist der Sumpf 15 in
einem Rohrkörper
oder Abgasrohr 20 ausgebildet, wobei dieses Abgasrohr 20 zu
dem das SCR-Katalysator-System 3 enthaltende Gehäuse 14 führt. Außerdem kann
an diesem Abgasrohr 20 die Einspritzeinrichtung 4 angeordnet
sein.
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Zweckmäßig ist
der Sumpf 15 im Einbauzustand der Abgasanlage 1 innerhalb
des Abgasstrangs 2 so angeordnet, dass er von unten beziehungsweise
nach unten an den Strömungsgrad 18 angrenzt.
Bevorzugt sind dabei Ausführungsformen, bei
denen der Sumpf 15 innerhalb der gesamten Abgasanlage 1 oder
zumindest innerhalb eines sich von der Einspritzeinrichtung 4 bis
zum SCR-Katalysator-System 3 erstreckenden Abschnitts der
Abgasanlage 1 an der tiefsten Stelle des Abgasstrangs 2 angeordnet
ist beziehungsweise die tiefste Stelle des Abgasstrangs 2 bildet.
Hierdurch wird erreicht, dass zumindest die eingespritzte Harnstofflösung, sofern sie
stromauf des SCR-Katalysator-Systems 3 kondensiert, in
den Sumpf 15 gelangt und jedenfalls nicht bis in das SCR-Katalysator-System 3 beziehungsweise
bis in die Lagermatte 13.
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Zweckmäßig erfolgt
die Anordnung des Sumpfes 15 innerhalb des Abgasstrangs 2 außerdem so,
dass sein Sammelvolumen 16 im Betrieb der Abgasanlage 1 zumindest
von einem Teil der Abgasströmung
beaufschlagbar ist. Erreicht wird dies dadurch, dass das Sammelvolumen 16 unmittelbar
der Abgasströmung
ausgesetzt ist. Beispielsweise kann wie bei den hier angedeuteten
Ausführungsformen der
Strömungspfad 18 innerhalb
des Abgasstrangs 2 so geführt sein, dass im Bereich des
Sumpfes 15 zumindest für
einen Teil der Abgasströmung
eine Strömungsumlenkung
erfolgt. Beispielsweise können
im Bereich des Sumpfes 15 eine Anströmlängsmittelachse 21 und
eine Abströmlängsmittelachse 22 einen
Winkel 23 einschließen.
Die Anströmlängsmittelachse 21 herrscht
in einem an den Sumpf 15 stromauf anschließenden Abschnitt
des Abgasstrangs 2 vor, während die Abströmlängsmittelachse 22 in
einem stromab an den Sumpf 15 angrenzenden Abschnitt des
Abgasstrangs 2 vorherrscht. Durch diesen Knick des Abgasstrangs 2 beziehungsweise durch
die Umlenkung des Strömungspfads 18 im
Bereich des Sumpfs 15 kann eine direkte Beaufschlagung
des Sammelvolumens 16 mit heißen Abgasen erreicht werden.
Dies unter stützt
die Verdampfung des im Sumpf 15 anfallenden Kondensats.
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Um
die Verdampfung des sich im Sumpf 15 ansammelnden Kondensats
zusätzlich
zu verbessern, kann der Abgasstrang 2 zumindest im Bereich des
Sumpfes 15 mit einer thermischen Isolation 24 versehen
sein. Beispielsweise kann hierzu außen an die Wandung 17 des
Abgasstrangs 2 im Bereich des Sumpfes 15 ein Blechkörper 25 zur
Ausbildung eines Hohlraums angebracht sein, der insbesondere mit
einem thermisch isolierenden Material befüllt sein kann. Durch diese
Isolation 24 kann eine thermische Abstrahlung nach außen im Bereich
des Sumpfes 15 reduziert werden, was ein Auskühlen des
Kondensats verlangsamt. Im Gegenzug wird dadurch das Aufheizen des
Kondensats zum Verdampfen desselben unterstützt. Sofern der Abgasstrang 2 ohnehin eine
thermische Isolation aufweist, kann vorgesehen sein, diese zumindest
im Bereich des Sumpfes 15 stärker auszubilden als in dazu
benachbarten Bereichen des Abgasstrangs 2.
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2 ist
entnehmbar, dass der Sumpf 15 kielförmig oder rinnenförmig ausgestaltet
sein kann, wodurch die Sammelwirkung zur Mitte des Sammelvolumens 16 hin
konzentriert wird.
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Die 3 und 4 zeigen
Ausführungsformen,
bei denen der Sumpf 15 mit einem Schwappschutz 26 ausgestattet
ist. Der Schwappschutz 26 ist dabei zumindest in einem
dem SCR-Katalysator-System 3 zugewandten
Abschnitt des Sumpfes 15 ausgebildet. Der Schwappschutz 26 dient
dazu, ein Ausfließen des
Kondensats aus dem Sammelvolumen 16 zumindest in Richtung
zum SCR-Katalysator-System 3 zu behindern, für den Fall,
dass sich durch Beschleunigungen des mit der Abgasanlage 1 ausgestatteten
Fahrzeugs 6 eine Bewegung in der Kondensationsflüssigkeit
ergibt. Bei den gezeigten Ausführungsformen
ist der Schwappschutz 26 jeweils durch einen Sumpfrand 27 gebildet.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform
ist der Sumpfrand 27 in einem dem SCR-Katalysator-System 3 zugewandten
Bereich exemplarisch an einem separaten Bauteil 28 ausgebildet, über das
der Einlasstrichter 19 mit dem Gehäuse 14, in dem das
SCR-Katalysator-System 3 angeordnet ist, verbunden ist.
Ebenso kann der Sumpfrand 27 integral am Einlasstrichter 19 oder
integral am Gehäuse 14 ausgebildet
sein. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform
ist der Sumpfrand 27 im abströmseitigen Bereich so geformt beziehungsweise
ausgestaltet, dass er das Sammelvolumen 16 randseitig im
wesentlichen parallel zum Strömungspfad 18,
also parallel zur Abströmlängsmittelachse 22, überdeckt.
Gleichzeitig ist in diesem Fall das gesamte Bauteil 28 so
ausgestaltet, dass es eine abströmseitig
an den Sumpf 15 angrenzende Rinne 32 bildet, die
den Strömungspfad 18 umfangsmäßig beziehungsweise
ringförmig
umschließt
und Flüssigkeit,
die aufgrund der Strömungskräfte entlang
der Wandung 17 stromab fließt, sammelt und dem Sumpf 15 zuführt.
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Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform ist der Sumpfrand 27 integral
am Einlasstrichter 19 ausgeformt, wobei er so gestaltet
ist, dass er sich in dem dem SCR-Katalysator-System 3 zugewandten Bereich
quer zum Strömungspfad 18 be ziehungsweise
quer zur Abströmlängsmittelachse 22 erstreckt. Darüber hinaus
kann sich der Sumpfrand 27 zumindest geringfügig bis
in den Strömungspfad 18 hinein erstrecken.
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Die 5 und 6 dienen
zur Veranschaulichung eines bevorzugten Einbauorts beziehungsweise
einer bevorzugten Positionierung des Sumpfes 15 innerhalb
des Abgasstrangs 2 bei am Fahrzeug 6 angebrachter
Abgasanlage 1. Die Abgasanlage 1 erstreckt sich
weitgehend entlang eines Unterbodens 28 des Fahrzeugs 6,
wobei in der Regel eine mittige Anordnung bezüglich der Längsmittelachse des Fahrzeugs 6 bevorzugt
wird. Zur Realisierung einer geforderten Mindestbodenfreiheit 29 bezüglich der Fahrzeugquerrichtung
ist beispielsweise der Sumpf 15 aus der Längsmittelebene
des Fahrzeugs 6 seitlich versetzt, nämlich in Richtung eines der
Räder 30 angeordnet.
Hierdurch ist es möglich,
den Sumpf 15 tiefer als die mittig am Fahrzeug 6 angeordneten übrigen Komponenten
der Abgasanlage 1 am Fahrzeug 6 zu positionieren
und dennoch den gewünschten Wert
für die
Bodenfreiheit 29 zu erreichen. Ferner kann der Sumpf 15 gemäß 6 bezüglich einer Längsmitte
des Fahrzeugs, vorzugsweise nach vorn, versetzt angeordnet sein,
und zwar vorzugsweise ebenfalls relativ nahe an einem der Räder 30.
Hierdurch können
für das
Fahrzeug 6 gewünschte
Böschungswinkel
oder Rampenwinkel 31 realisiert werden, auch wenn der Sumpf 15 tiefer
liegt als mittig angeordnete Komponenten der Abgasanlage 1,
hier das SCR-Katalysator-System 3. Insbesondere ist der Sumpf 15 durch
die hier gezeigten bevorzugten Einbauzustände der Abgasanlage 1 an
einer vor Spritzwasser und/oder vor Fahrtwind geschützten Stelle am Unterboden 28 angeordnet.
Hierdurch können kühlende Effekte
einer Beaufschlagung mit Fahrtwind beziehungsweise einer Beaufschlagung
mit Spritzwasser im Bereich des Sumpfs 15 reduziert werden,
was die Verdampfung des Kondensats im Sumpf begünstigt.