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Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer von Abgas durchströmbaren Abgasleitung, mit einem Bypasskanal, der in einem ersten Bereich der Abgasleitung von der Abgasleitung abzweigt und in einen stromabwärts des ersten Bereichs liegenden zweiten Bereich der Abgasleitung in die Abgasleitung mündet, und mit einer dem Bypasskanal zugeordneten Einrichtung zum Einbringen eines insbesondere flüssigen Reduktionsmittels in den Bypasskanal. Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebseinrichtung.
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Stand der Technik
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist die Einhaltung von Schadstoffemissionen oberstes Ziel. Insbesondere bei mit Diesel betriebenen Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen ist eine Reduzierung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden in Zukunft zwingend erforderlich. Eine Möglichkeit der Reduzierung der Stickoxide ist die selektive katalytische Reduktion. Dabei wird eine wässrige Harnstoffwasserlösung in eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingesprüht/eingespritzt. In der Abgasleitung wird aus der Harnstoffwasserlösung Ammoniak freigesetzt, das mit den Stickoxiden reagiert und dadurch die Reinigung des Abgases bewirkt. Die Harnstoffwasserlösung kann auf verschiedenen Arten dem Abgas zudosiert werden. Gemäß einer ersten Variante von Dosiersystemen wird die Harnstoffwasserlösung mit Druckluft in die Abgasleitung eingedüst. Mittels der Druckluft kann die Harnstoffwasserlösung sehr fein zerstäubt werden. Der Auslass des Dosiersystems ist dabei zentrisch in der Abgasleitung angeordnet, was zu einer guten Verteilung der zerstäubten Harnstoffwasserlösung führt. Gemäß einer zweiten Variante von Dosiersystemen wird der Einspritzdruck der Harnstoffwasserlösung mittels einer elektrischen Pumpe erzeugt und die Einspritzmenge über die Zeitsteuerung des Dosierventils eingestellt. Es ist also kein Druckluftgenerator erforderlich. Neben der homogenen Verteilung der Harnstoffwasserlösung ist die Eisdruckfestigkeit des Dosiersystems eine immer wichtiger werdende Forderung.
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Eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 000 918 A1 bekannt. Von einer im Querschnitt konstanten Abgasleitung zweigt ein Bypasskanal ab, der stromabwärts wieder in dieser mündet. Mittels einer am Bypasskanal vorgesehen Einrichtung wird ein Reduktionsmittel in diesen eingebracht und gelangt mit dem durch den Bypasskanal strömenden Abgas in die Abgasleitung. In Abhängigkeit der momentanen Abgasströmung wird der Bypasskanal nicht immer ausreichend von Abgas durchströmt. Demzufolge wird das Reduktionsmittel nicht immer effektiv in das in der Abgasleitung strömende Abgas eingebracht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist dagegen den Vorteil auf, dass sie langfristig sicher verwendet werden kann und stets eine gute Reinigung des Abgases sicherstellt. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der Durchströmungsquerschnitt der Abgasleitung in dem ersten Bereich größer als in dem zweiten Bereich ist. Aufgrund der unterschiedlichen Größe des Durchströmungsquerschnitts der Abgasleitung in dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich liegt eine statische Druckdifferenz zwischen diesen Bereichen vor, wobei der Druck im ersten Bereich höher als im zweiten Bereich ist. Diese Druckdifferenz bewirkt ein ständiges Durchströmen des Bypasskanals mit Abgas (Venturi-Effekt). Dadurch lässt sich das Reduktionsmittel dem in der Abgasleitung strömenden Abgas effizient zuführen und gut mit diesem durchmischen. Durch die Einrichtung wird ermöglicht, dass das Reduktionsmittel in Form eines impulsarmen Sprays, das sich durch einen sehr kleinen mittleren Tropfendurchmesser auszeichnet, erzeugt und in den Bypasskanal eingebracht wird. Außerdem wird durch die Einrichtung eine intensive Vermischung des Reduktionsmittel-Sprays mit dem Abgas ermöglicht. Auf diese Weise kann die aus der Problematik hinsichtlich der Ablagerung von Reduktionsmittel und/oder Abgas an einer Wandung der Abgasleitung und/oder des Bypasskanals herrührende Forderung nach immer kleiner werdenden Tropfendurchmessern erfüllt werden, ohne dass dabei die Anforderung an die Mischungsgüte zur Erreichung einer effizienten selektiven katalytischen Reduktion, das heißt einer guten Reinigung des Abgases, verletzt wird. Bei der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung werden keine besonderen Anforderungen an den Impuls des Reduktionsmittel-Sprays gestellt, wodurch die Anforderungen an die Einrichtung deutlich reduziert sind, was eine kostengünstige Herstellung der Abgasnachbehandlungseinrichtung ermöglicht. Im Gegensatz dazu muss bei bekannten Abgasnachbehandlungseinrichtungen eine ausreichend hohe Penetrationstiefe des Reduktionsmittel-Sprays erzielt werden, um eine ausreichend hohe Gemischbildung zu erreichen. Die Kombination von kleinen Tropfen mit hoher Eindringtiefe beziehungsweise hohem Impuls fordert jedoch einen hohen Einspritzdruck des Reduktionsmittels, dessen Bereitstellung zu hohen Kosten der Abgasnachbehandlungseinrichtung führt. Die geringe Anforderung hinsichtlich des Impulses des Reduktionsmittel-Sprays beziehungsweise Einspritzdrucks ermöglicht eine einfache, eisdruckfeste Ausbildung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere unter Einsatz von Moosgummi, Teflon oder ähnlichen Materialen. Von Vorteil ist weiterhin, dass die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung keine externe Luftversorgung, beispielsweise in Form eines Kompressors, wie es beispielsweise von Dosiersystemen der ersten Generation bekannt ist, benötigt. Ferner sind auch die Anforderungen an die Einrichtung hinsichtlich deren Temperaturrobustheit im Vergleich zu Einrichtungen, die das Reduktionsmittel direkt in die Abgasleitung einbringen, deutlich reduziert. Dies ist dadurch begründet, dass die Einrichtung das Reduktionsmittel in den Bypasskanal einbringt, der mit einem geringeren Massenstrom und demzufolge einem geringeren Wärmestrom als die Abgasleitung beaufschlagt wird. Außerdem ist der Bypasskanal- und insofern die Einrichtung- von der Abgasleitung beabstandet, wodurch die Einrichtung nicht der hohen Temperatur der Abgasleitung, sondern einer geringeren Temperatur ausgesetzt ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verhältnis des Durchströmungsquerschnitts der Abgasleitung in den ersten Bereich zu dem Durchströmungsquerschnitt der Abgasleitung in dem zweiten Bereich größer als 1,5 ist. Durch eine derartige Ausbildung ergibt sich eine besonders günstige Durchströmung des Bypasskanals und der Abgasleitung.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung einen Zerstäuber, insbesondere Ultraschallzerstäuber aufweist. Da die Einrichtung beabstandet zu der Abgasleitung angeordnet ist und folglich geringeren Temperaturen ausgesetzt ist als dies bei einer Anordnung direkt an der Abgasleitung der Fall ist, wird ermöglicht, dass für die Einrichtung ein Ultraschallzerstäuber verwendet werden kann. Insbesondere wird der Einsatz von einem Piezo-Aktuator in dem Ultraschallzerstäuber begünstigt. Mittels des Ultraschallzerstäubers lässt sich ein sehr feines und impulsarmes Spray des Reduktionsmittels erzeugen. Dadurch wird eine effiziente Reinigung des Abgases in der Abgasleitung durch die selektive katalytische Reduktion ermöglicht.
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Es ist vorteilhaft, wenn mindestens eine Entkopplungsvorrichtung zur zumindest teilweisen thermischen Entkopplung des Bypasskanals von der Abgasleitung und/oder der Einrichtung von dem Bypasskanal vorgesehen ist. Auf diese Weise kann der Wärmeeintrag von der Abgasleitung auf die Einrichtung weiter reduziert werden. Ferner kann der Wärmeeintrag von dem Bypasskanal auf die Einrichtung reduziert werden. Die Entkopplungsvorrichtung kann beispielweise eine Isolationsvorrichtung und/oder eine Kühlungsvorrichtung umfassen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Mischelement in der Abgasleitung stromabwärts des zweiten Bereichs der Abgasleitung angeordnet ist. Das Mischelement intensiviert die Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem in der Abgasleitung strömenden Abgas. Dadurch wird die Reaktionsrate der Stickoxide vorteilhafterweise erhöht und insofern die Reinigung des Abgases verbessert. Vorzugsweise ist das Mischelement als Klappenmischer ausgebildet. Der Klappenmischer erzeugt keinen Drall des Reduktionsmittels und/oder Abgases, sondern makroskopische Wirbel, deren Drehachsen im Wesentlichen senkrecht zu der durch die Abgasleitung definierten Strömungsrichtung verlaufen. Durch den Klappenmischer wird dadurch eine große, der Durchmischung dienende Querströmung erzeugt.
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Insbesondere ist mindestens ein Mischelement in der Abgasleitung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich der Abgasleitung angeordnet. Durch diese Anordnung des Mischelements wird die statische Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich der Abgasleitung weiter erhöht und folglich die Durchströmung des Bypasskanals verstärkt. Ferner werden durch diese Anordnung auch Ablagerungen von Abgas und/oder Reduktionsmittel auf dem Mischelement vermieden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Mischelement unmittelbar an den zweiten Bereich angrenzt. Dadurch wird eine hohe Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas erzielt. Insbesondere ist das Mischelement unmittelbar stromaufwärts des zweiten Bereichs in der Abgasleitung angeordnet.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Bypasskanal in dem zweiten Bereich bereichsweise in die Abgasleitung hineinragt. Dadurch wird verhindert, dass sich das Reduktionsmittel an einer Wandung der Abgasleitung ablagert und somit nicht zur Reinigung des Abgases beiträgt. Ferner wird die Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas durch diese Ausbildung verbessert.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Abgasleitung in dem zweiten Bereich mindestens eine, insbesondere mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Öffnung/Öffnungen aufweist, durch welche der Bypasskanal in die Abgasleitung mündet. Durch das Vorsehen mehrerer Öffnungen, die insbesondere gleichmäßig entlang des Umfangs der Abgasleitung in deren Wandung angeordnet sind, lässt sich eine homogene Mischung des Reduktionsmittels mit dem in der Abgasleitung strömenden Abgas erzielen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Antriebseinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Brennkraftmaschine und mit wenigstens einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zum Nachbehandeln von durch die Brennkraftmaschine erzeugtem Abgas. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß einer oder mehrerer der voranstehenden Ausführungen ausgebildet ist.
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Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, und zwar zeigt die
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1 eine schematische Darstellung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine schematische Darstellung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
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3 eine schematische Darstellung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Die 1 zeigt eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 weist eine Abgasleitung 2 auf, die von Abgas, das beispielsweise von einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs erzeugt wird, durchströmbar ist. Die Abgasleitung 2 weist einen Einlass 3 und einen Auslass 4 für das Abgas auf. Der Einlass 3 ist insbesondere mit der Brennkraftmaschine gekoppelt. Die Strömungsrichtung des durch die Abgasleitung 2 strömbaren Abgases ist durch Pfeile 5 gekennzeichnet.
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Die Abgasleitung 2, die insbesondere als Abgasrohr 6 ausgebildet ist, weist- in Strömungsrichtung des Abgases betrachtet- Abschnitte mit unterschiedlichen Durchströmungsquerschnitten, insbesondere Rohrdurchmessern, auf: Der Einlass 3 ist von einem Einlassabschnitt 7 der Abgasleitung 2 ausgebildet, der einen kleinen Durchströmungsquerschnitt aufweist. An den Einlassabschnitt 7 schließt ein Zwischenabschnitt 8 mit einem kontinuierlich größer werdenden Durchströmungsquerschnitt an. Der Zwischenabschnitt 8 geht in einen Abschnitt 9 der Abgasleitung 2 über, der einen großen Durchströmungsquerschnitt aufweist. An den Abschnitt 9 schließt ein weiterer Zwischenabschnitt 10 an, dessen Durchströmungsquerschnitt kontinuierlich kleiner wird und der in einen Mischabschnitt 11 der Abgasleitung 2 übergeht, der einen kleinen Durchströmungsquerschnitt aufweist. An den Mischabschnitt 11 schließt ein weiterer Zwischenabschnitt 12 an, dessen Durchströmungsquerschnitt kontinuierlich größer wird und der in einen weiteren Abschnitt 13, der einen großen Durchströmungsquerschnitt aufweist, übergeht. Der weitere Abschnitt 13 geht mittels eines weiteren Zwischenabschnitts 14 mit kleiner werdendem Durchströmungsquerschnitt in einen Auslassabschnitt 15 über, der einen kleinen Durchströmungsquerschnitt aufweist und den Auslass 4 ausbildet. Der konstante kleine Durchströmungsquerschnitt des Einlassabschnitts 7, des Mischabschnitts 11 und des Auslassabschnitts 15 sind vorliegend gleich groß ausgebildet. Außerdem sind der konstante große Durchströmungsquerschnitt des Abschnitts 9 und des weiteren Abschnitts 13 ebenfalls gleich groß ausgebildet.
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Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 weist ferner einen Bypasskanal 16 auf. Der Bypasskanal 16 zweigt in einem ersten Bereich 9’ der Abgasleitung 2 von dieser ab, wobei der erste Bereich 9’ im Abschnitt 9 vorgesehen ist. Der Bypasskanal 16 verläuft beabstandet zu der Abgasleitung 2 und mündet in einem stromabwärts des ersten Bereichs 9’ gelegenen zweiten Bereich 11’ der Abgasleitung 2 in dieser, wobei der zweite Bereich 11’ im Mischabschnitt 11 vorgesehen ist. Der Bypasskanal 16 zweigt rechtwinklig in dem ersten Bereich 9’ von der Abgasleitung 2 ab. Gemäß einer alternativen Ausbildung zweigt der Bypasskanal 16 derart von der Abgasleitung 2 ab, dass von der durch die Abgasleitung 2 vorgegebenen Strömungsrichtung (Pfeile 5) und von der durch den abzweigenden Bypasskanal 16 vorgegebenen Strömungsrichtung ein spitzer Winkel eingeschlossen wird. Der Bypasskanal 16 verläuft dann parallel zu der Abgasleitung 2. Der strömungsabwärts gelegene Endbereich 17 des Bypasskanals 16, mittels dem der Bypasskanal 16 in den zweiten Bereich 11’ der Abgasleitung 2 mündet, ist derart angeordnet, dass die durch den Endbereich 17 vorgegebene Strömungsrichtung einen spitzen Winkel mit der durch die Abgasleitung 2 vorgegebenen Strömungsrichtung (Pfeile 5) einschließt.
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Der Durchströmungsquerschnitt des Abschnitts 9, insbesondere des ersten Bereichs 9’, der Abgasleitung 2 ist durch den Doppelpfeil D1 gekennzeichnet, insbesondere kann durch D1 der Durchmesser der Abgasleitung 2 bezeichnet sein. Der Durchströmungsquerschnitt des Mischabschnitts 11, insbesondere des zweiten Bereichs 11’, der Abgasleitung 2 ist durch den Doppelpfeil D2 gekennzeichnet, der ebenfalls den Durchmesser der Abgasleitung 2 bezeichnen kann. Der Durchströmungsquerschnitt D1 des ersten Bereichs 9’ ist größer als der Durchströmungsquerschnitt D2 des zweiten Bereichs 11’.
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Dem Bypasskanal 16 ist eine Einrichtung 18 zugeordnet, die dem Einbringen eines Reduktionsmittels in den Bypasskanal 16 dient. Die Einrichtung 18 weist einen Zerstäuber 19, insbesondere einen Ultraschallzerstäuber 20 auf. Der Zerstäuber 19 dient dazu, aus dem flüssigen Reduktionsmittel, das durch ein Rohr 21 geführt wird, ein feines Spray zu erzeugen, das aus kleinen Tropfen besteht. Das Spray wird mittels einer nicht näher dargestellten Düse der Einrichtung 18 in den Bypasskanal 16 eingebracht beziehungsweise eingesprüht.
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Ferner ist ein Mischelement 22 im Mischabschnitt 11 der Abgasleitung 2 angeordnet. Das Mischelement 22 ist unmittelbar stromabwärts des zweiten Bereichs 11’, d.h. unmittelbar stromabwärts der Mündung des Bypasskanals 16, angeordnet. Ferner ist im Abschnitt 9 der Abgasleitung 2 ein Katalysator 23 und stromabwärts von diesem- ein Dieselpartikelfilter 24 angeordnet. In dem weiteren Abschnitt 13 der Abgasleitung 2 ist ein SCR-Katalysator 26 (SCR = Selektive Katalytische Reduktion) angeordnet. In diesem findet maßgeblich die gewünschte selektive katalytische Reduktion der Stickoxide des Abgases mittels des Reduktionsmittels statt.
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Das in der 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 entspricht der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der 1. Es wird insofern auf sämtliche Ausführungen zur 1 verwiesen und es werden lediglich die zusätzlichen Merkmale des zweiten Ausführungsbeispiels der 2 erläutert. Bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 gemäß der 2 sind zwei thermische Entkopplungsvorrichtungen 25 vorgesehen. Die Entkopplungsvorrichtungen 25 sind jeweils am ersten Bereich 9’ beziehungsweise am zweiten Bereich 11’ an der Abgasleitung 2 vorgesehen. Die Entkopplungsvorrichtungen 25 können beispielsweise eine Isolierungsvorrichtung und/oder eine Kühlungsvorrichtung umfassen, wobei die Kühlungsvorrichtung insbesondere dazu dient, durch den Bypasskanal 16 strömendes Abgas zu kühlen.
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Die 3 zeigt eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 gemäß 3 entspricht im Wesentlichen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 gemäß 1, so dass auf sämtliche Ausführungen zu 1 verwiesen und lediglich auf die Unterschiede zu 1 eingegangen wird. Bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 gemäß 3 ragt der Bypasskanal 16 bereichsweise in den zweiten Bereich 11’ der Abgasleitung 2 hinein. Insbesondere ragt der Bypasskanal 16 derart weit in die Abgasleitung 2 hinein, dass der Bypasskanal in etwa mittig in der Abgasleitung 2 endet. Das Mischelement 22 ist gemäß 3 stromaufwärts des zweiten Bereichs 11’ in der Abgasleitung 2 angeordnet. Das Mischelement 22 grenzt dabei direkt an den zweiten Bereich 11’. Selbstverständlich kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 gemäß 3 auch mit einer Entkopplungsvorrichtung 25, die in der Beschreibung zur 2 erläutert wurde, versehen sein.
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Es ergibt sich folgende Funktion der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1: Aufgrund der unterschiedlichen Durchströmungsquerschnitte der Abgasleitung 2 in deren ersten Bereich 9’ und zweiten Bereich 11’ wird aufgrund des Venturi-Effekts der Bypasskanal 16 ständig von Abgas durchströmt. Das durch die Einrichtung 18 in den Bypasskanal 16 eingebrachte Reduktionsmittel wird somit mit dem Abgas, das durch den Bypasskanal 16 strömt, in die Abgasleitung 2 geleitet. Durch das Mischelement 22 erfolgt eine gute Durchmischung des Abgases mit dem Reduktionsmittel. In der Abgasleitung 2, insbesondere im SCR-Katalysator 26, reagieren die Stickoxide des Abgases mit dem aus dem Reduktionsmittel freigesetzten Ammoniak, wodurch das Abgas gereinigt wird, bevor es die Abgasleitung 2 durch den Auslass 4 verlässt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009000918 A1 [0003]
