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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Zerstäubungsvorrichtung einer Flüssigkeit, mit einem Vorratsbehälter für die Flüssigkeit, Fördermitteln zur Förderung der Flüssigkeit und mit einer Zerstäubungseinheit zur Zerstäubung und Einbringung der Flüssigkeit in einen Gasraum, wobei mindestens eine Öffnung der Zerstäubungseinheit in den Gasraum mündet sowie eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer solchen Zerstäubungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor muss aufgrund der in den nächsten Jahren anstehenden verschärften Abgasgesetzgebung unter anderem der Schadstoff NO
X reduziert werden. Eine Methode, die zur Anwendung kommt, ist das SCR-Verfahren, bei dem der Schadstoff NO
X mittels eines flüssigen Reduktionsmittels zu Stickstoff und Wasser reduziert wird. Das Reduktionsmittel wird von einer Förderpumpe von einem Vorratsbehälter in ein Dosiermodul gefördert, und vom dem Dosiermodul bedarfsgerecht einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors zugeführt. Aus der
DE 100 47 512 ist eine Dosiervorrichtung bekannt, bei der das Reduktionsmittel unter Zufuhr von Druckluft zerstäubt wird und dem Abgaskanal des Verbrennungsmotors zugeführt wird.
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Offenbarung
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Die erfindungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung sowie die Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass die Zerstäubungseinheit Mittel zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen aufweist. Ultraschallschwingungen sind ein leistungsfähiges und einfaches Mittel, um eine Flüssigkeit in kleine Tröpfchen mit einer mittleren Tröpfchengröße von ca. 20 µm bis 50 µm zu zerstäuben. Durch den Ultraschall kann auf die Druckluftversorgung zur Zerstäubung der Flüssigkeit verzichtet werden, wodurch sich Kosten und Montageaufwand von Druckversorgungsvorrichtungen und Luftleitungen reduzieren lassen.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der vorgeschlagenen Zerstäubungsvorrichtung sowie der vorgeschlagenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Zerstäubungseinheit eine dem Gasraum zugewandte Oberfläche aufweist, wobei die Oberfläche mittels Ultraschall in Schwingungen versetzbar ist. Wird die Flüssigkeit auf die Oberfläche aufgebracht, kann diese aufgrund der hochfrequenten Ultraschallschwingungen besonders einfach in feine Tröpfchen zerstäubt und in den Gasraum eingebracht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Mittel zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen einen Piezoaktor umfassen. Ein Piezoaktor kann durch geeignete elektrische Anregung einen Ultraschallkonverter, beispielsweise die Oberfläche der Zerstäubungseinrichtung, in mechanische Schwingungen versetzen, wodurch die Flüssigkeit auf einfache Weise zerstäubt wird.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn zwischen dem Piezoaktor und der mindestens einen Öffnung der Zerstäubungseinheit ein Zwischenelement, insbesondere aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff, beispielsweise Inconel oder Hasteloy, angeordnet ist. Durch das Zwischenelement wird die thermische Belastung auf den Piezoaktor reduziert, so dass der Piezoaktor nicht direkt durch heißen Gas im Gausraum, beispielsweise Abgase eines Verbrennungsmotors, thermisch überlastet wird.
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Dabei ist zusätzlich mit Vorteil vorgesehen, dass das Zwischenelement einen Anschluss für ein Kühlmedium, insbesondere Luft oder Wasser, aufweist oder aktiv durch eine Luftströmung gekühlt wird. Durch den Anschluss für ein Kühlmedium kann das Zwischenelement aktiv mit einem Medium, beispielsweise dem Kühlwasser eines Verbrennungsmotors, gekühlt werden, um die thermische Belastung auf den Piezoaktor gering zu halten.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass zwischen den Fördermitteln und der Zerstäubereinheit ein Ventil angeordnet ist. Durch ein Ventil zwischen den Fördermitteln und der Zerstäubereinheit kann die Zufuhr der Flüssigkeit zur Zerstäubereinheit gesteuert oder geregelt werden. Ferner kann über das Ventil die Zufuhr von Flüssigkeit zur Zerstäubereinheit abgestellt werden, wodurch ein unkontrolliertes Austreten von Flüssigkeit in den Gasraum unterbunden wird. Durch kurzzeitigen Weiterbetrieb der Zerstäubereinheit nach dem Schließen des Ventils kann in der Zerstäubereinheit verbliebene Flüssigkeit restlos zerstäubt werden, wodurch störende Ablagerungen der Flüssigkeit, bzw. Auskristallisationen der Flüssigkeit vermieden werden. Etwaige Ablagerungen der Flüssigkeit auf der Zerstäubungseinheit selbst werden aufgrund der Ultraschallschwingungen direkt abgelöst, wodurch ein Verstopfen der Öffnung vermieden wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Zerstäubungseinheit eine Resonanzschallkammer aufweist. Durch die Resonanzschallkammer können die Mittel zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen thermisch von dem Gasraum abgekoppelt werden. Die Luft in der Resonanzschallkammer dient dabei als Isolationsschicht.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Zerstäubungseinheit einen ringförmigen Schwingungskörper aufweist. Durch den ringförmigen Schwingungskörper kann die Flüssigkeit gleichmäßig in den Gasraum eingebracht werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Schwingungskörper auf seinem Innendurchmesser und auf seinem Außendurchmesser Öffnungen aufweist, über welche die Flüssigkeit in den Gasraum eingebracht wird. Somit ist eine besonders gleichmäßig Einbringung der Flüssigkeit über den Querschnitt des Gasraums möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung besteht darin, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung einen Abgaskanal umfasst, wobei auf der der Zerstäubungseinheit gegenüber liegenden Wand des Abgaskanals ein Schallwellenreflektor angeordnet ist. Durch den Schallwellenreflektor kann im Bereich der Zerstäubungseinheit im Gasraum ein Schallwellenfeld erzeugt werden, in dem die Flüssigkeit zerstäubt. Besonders gut ist die Zerstäubung, wenn die Flüssigkeit im Bereich von Knoten der Schallwellen eingebracht wird. Alternativ kann auch anstelle des Reflektors ein zweiter Ultraschallwellen-Erzeuger am Gasraum angeordnet sein, welcher derart auf den ersten Ultraschallwellen Erzeuger abgestimmt ist, dass ein Stehwellenschallfeld erzeugt wird, in dessen Knotenpunkt die Flüssigkeit eingebracht wird.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung.
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2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung.
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3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
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4 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer Zerstäubungsvorrichtung.
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5 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer Zerstäubungsvorrichtung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein Gasraum 50 in Form eines Abgaskanals 60 einer Brennkraftmaschine mit einer Zerstäubungsvorrichtung 10 zur Zerstäubung einer Flüssigkeit 12 dargestellt. Die Zerstäubungsvorrichtung 10 umfasst einen Vorratsbehälter 8 für die Flüssigkeit 12, welcher über eine Leitung 14 mit Fördermitteln 20, beispielsweise einer Pumpe, insbesondere einer elektronisch geregelten Dosierpumpe 21, verbunden ist. Die Fördermittel 20 sind über eine Leitung 17 mit einer Zerstäubungseinheit 30 verbunden, wobei in der Leitung 17 ein Ventil 25, insbesondere ein Magnetventil, angeordnet ist, über welches die Zufuhr von Flüssigkeit 12 zur Zerstäubungseinheit 30 unterbunden werden kann. Die Zerstäubereinheit weist Mittel 40 zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel einen Piezoaktor 45 umfassen, welcher zwischen zwei Metallmassen 46, 47 eingespannt ist. Der Piezoaktor 45 kann durch einen nicht dargestellten Anschluss elektrisch angesteuert werden. Die Leitung 17 führt, bevorzugt zentrisch, durch ein Gehäuse 31, wobei die Leitung 17 an einer Öffnung 32 in den Abgaskanal 60 mündet. Zu beiden Seiten der Öffnung 32 ist an der Zerstäubungseinheit 30 eine dem Abgaskanal 60 zugewandte Oberfläche 33 ausgebildet, welche mittels des Piezoaktors 45 in Schwingungen versetzt werden kann. Im Abgaskanal 60 sind zusätzlich Elemente 90 zur Durchmischung eines Abgasstroms im Abgaskanal 60 angeordnet, welche jedoch auch entfallen können.
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Die Flüssigkeit 12 wird durch die Fördermittel 20 aus dem Vorratsbehälter 8 zu der Zerstäubungseinheit 30 gefördert, wo sie aus der Öffnung 32 austritt und die Oberfläche 33 benetzt. Der Piezoaktor 45 wird elektrisch angesteuert, wobei hochfrequente Ultraschallschwingungen über die metallische Masse 46 auf die Oberfläche 33 übertragen werden und diese Oberfläche 33 in Ultraschallschwingungen versetzt wird. Durch die Ultraschallschwingungen wird die Flüssigkeit 12 auf der Oberfläche 33 zu feinem Spray 12a mit einer mittleren Tröpfchengröße von ca. 20 µm bis 50 µm zerstäubt. Als Flüssigkeiten 12 können in der Abgasnachbehandlung beispielsweise Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, oder wässrige Harnstofflösung verwendet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Flüssigkeiten beschränkt. Durch Regelung der Schwingungsamplitude bzw. zeitmoduliertes Ein- und Ausschalten der Zerstäubungseinheit 30 kann die Dosiermenge der Flüssigkeit 12 in einem sehr breiten Bereich exakt eingestellt werden, beispielsweise kann die Zerstäubungseinrichtung 30 auch variabel getaktet betrieben werden, in dem sie beispielsweise für 100 ms eingeschaltet und darauf folgend für 400 ms ausgeschaltet wird. Über das Ventil 25 kann die Flüssigkeitszufuhr zu der Zerstäubungseinheit 30 unterbrochen bzw. abgeriegelt werden, um ein vorzeitiges Verdampfen sowie Ablagerungen in der Leitung 17 zu vermeiden. Nach Schließen des Ventils 25 ist es vorteilhaft, die Zerstäubungseinheit 30 kurzzeitig weiterzubetreiben, um die noch in der Zerstäubungseinheit 30 befindliche Flüssigkeit 12 restlos zu zerstäuben, wodurch störende Ablagerungen in der Zerstäubungseinheit 30 oder im Abgaskanal 60 vermieden werden. Sollten trotzdem etwaige Ablagerungen an der Zerstäubungseinheit 30 auftreten, werden diese beim nächsten Betrieb durch die Ultraschallschwingungen abgelöst, wodurch ein Blockieren der Öffnung 32 verhindert wird. Die Öffnung 32 kann als Düse ausgeführt werden, wobei die Düse offen oder verschließbar ausgeführt sein kann.
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Die Zerstäubungseinrichtung 30 ist an einem Flansch 55 des Abgaskanals 60 befestigbar und wird dort bevorzugt gegenüber dem Abgaskanal 60 zurückversetzt befestigt. Alternativ ist jedoch auch eine andere Befestigung am Abgaskanal 60 denkbar, wobei der Abgaskanal 60 in der einfachsten Ausführungsform lediglich ein, bevorzugt rundes, Loch zur Aufnahme der Zerstäubungseinrichtung 30 aufweist. Mithilfe der zusätzlichen Elemente 90 zur Durchmischung eines Abgasstroms kann die Homogenität des Sprays 12a im Abgaskanal 60 verbessert werden. Durch Einprägen eines geeigneten Dralleffekts über das Element 90 kann auch eine Dosierung des Sprays 12a in den Wandbereich des Abgaskanals 60 sichergestellt werden. Aufgrund der feinen Zerstäubung des Sprays 12a erfolgt eine sehr zügige Verdunstung der Flüssigkeit 12 im Abgaskanal 60, wodurch die Gefahr von Ablagerungen deutlich reduziert ist. Die Positionierung der Zerstäubungseinheit 30 kann dabei so erfolgen, dass das Spray 12a mit oder entgegen der Strömungsrichtung des Abgases im Abgaskanal 60 erfolgt.
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Alternativ kann die Menge der zu zerstäubenden Flüssigkeit 12 auch über die Fördermittel 20 geregelt werden, wenn die Fördermittel 20 eine Dosierpumpe 21 umfassen. Durch die Dosierpumpe 21 kann der Volumenstrom der Flüssigkeit 12 geregelt werden. In einer besonders einfachen Ausführung kann die Zerstäubungsvorrichtung 10 auch ohne eine Dosierpumpe 21 auskommen, indem die zerstäubten Volumenanteile der Flüssigkeit 12 aufgrund von Kapillarkräften selbstständig nachgesaugt werden. In diesen Fall stellen die Mittel 40 zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen zusammen mit der Leitung 17, welche in diesem Ausführungsbeispiel dann als Kapillare ausgeführt ist, die Fördermittel 20 im Sinne der Erfindung dar.
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In einem erfindungsgemäßen Aufbau ist die Zerstäubungsvorrichtung 10 in dem Abgaskanal 60 einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, eingebaut, wobei sich die Zerstäubungsvorrichtung 10 vor einer Abgasnachbehandlungseinrichtung des Abgaskanals 60, beispielsweise einem DeNOX-Katalysator oder eine Partikelfilter, in den Abgaskanal 60 mündet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Abgaskanal 60 einer Brennkraftmaschine beschränkt, sondern beispielsweise auch zur Zerstäubung von Brennstoffen für eine Kraftfahrzeugstandheizung oder zur Zerstäubung von Wasser, beispielsweise für Raumklimatisierungszwecke. Die Erfindung ist also nicht auf einen Abgaskanal 60 beschränkt, sondern kann auch für andere Gasräume 50, insbesondere Gasräume 50 in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
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In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Zerstäubungsvorrichtung 10 gezeigt. Die Zerstäubungsvorrichtung 10 in 2 unterscheidet sich bei weitestgehend gleichem Aufbau zu der Zerstäubungsvorrichtung 10 in 1 dadurch, dass zwischen dem Piezoaktor 45 und der Öffnung 33 ein Zwischenelement 42 angeordnet ist. Durch das Zwischenelement 42 wird der Piezoaktor 45 gegenüber dem Abgaskanal 60 ein Stück weit zurückversetzt, wodurch die thermische Belastung auf den Piezoaktor 45 sinkt. Das Zwischenelement 42 weist ein Anschluss 48 für ein Kühlmedium, beispielsweise Luft oder Wasser, insbesondere Kühlwasser der Brennkraftmaschine, auf. Durch das Kühlmedium kann die Temperatur des Zwischenelements 42 reduziert werden, wodurch die thermische Belastung des Piezoaktors 45 weiter sinkt.
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In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Der Abgaskanal 60 weist gegenüber den Ausführungsformen in 1 und 2 zusätzlich an der der Zerstäubungseinheit 30 gegenüberliegenden Wand 62 des Abgaskanals 60 einen Schallwellenreflektor 65 auf. Die Leitung 17 muss in diesem Ausführungsbeispiel nicht durch das Gehäuse der Zerstäubungseinheit 30 geführt sein. Die Zerstäubungseinheit 30 umfasst die Leitung 17, welche an der Öffnung 32 in den Abgaskanal 60 mündet. Durch das Anbringen eines Schallwellenreflektors 65 für die Ultraschallschwingungen kann im Bereich des Abgaskanals 60 ein Stehschallwellenfeld erzeugt werden. Wird die Flüssigkeit 12 in einen Knotenbereich 69 des Stehschallwellenfelds eingebracht, so wird diese Flüssigkeit 12 fein zerstäubt. Daher befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel die Öffnung 32 bevorzugt im Knotenbereich 69 des Stehschallwellenfelds. Die zu zerstäubende Flüssigkeit 12 wird über die Dosierpumpe 21, welche vorzugsweise volumengeregelt ist, in den Abgaskanal 60 eingebracht. Eine Bildung von Ablagerungen der Flüssigkeit 12 im Abgaskanal oder an der Leitung 17 wird durch das Stehwellenschallfeld und eine entsprechend vollständige Zerstäubung der Flüssigkeit 12 unterbunden.
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Alternativ zu dem passivem Schallwellenreflektor 65 kann an der der Zerstäubungseinheit 30 gegenüberliegenden Wand 62 des Abgaskanals 60 auch weitere Mittel 67 zur aktiven Erzeugung von Ultraschallschwingungen angeordnet sein, wobei die Schwingungsfrequenzen der Ultraschallschwingungen der Mittel 40 und der Mittel 67 zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein Stehschallwellenfeld im Abgaskanal 60 entsteht.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer Zerstäubungsvorrichtung 10 gezeigt. Die Zerstäubungsvorrichtung unterscheidet sich gegenüber den Ausführungsformen in 1 und 2 dadurch, dass die Zerstäubungseinheit 30 zusätzlich eine Resonanzkammer 36 aufweist. In der Resonanzkammer 36 wird ein Gasvolumen zum Schwingen angeregt. Die Ultraschallschwingungen werden in der Resonanzkammer 36 verstärkt und strahlen durch die Öffnung 32 in der Resonanzkammer 36 in den Abgaskanal 60 hinein. Eine dort eingeleitete Flüssigkeit wird im Abgaskanal 60 durch ein pulsierendes Gasschallfeld zerstäubt. Durch das Gas in der Resonanzkammer 36 wird der Piezoaktor 45 thermisch von dem Abgaskanal 60 entkoppelt, wodurch die thermische Belastung des Piezoaktors 45 reduziert wird.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer Zerstäubungsvorrichtung 10 dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau der Abgasnachbehandlungsvorrichtung wie in den 1 und 2 beschrieben, weißt die Zerstäubungseinheit 30 zusätzlich ein ringförmigen Schwingungskörper 38 auf, welcher, bevorzug zentrisch, im Abgaskanal 60 angeordnet ist. Der ringförmige Schwingungskörper 38 weist einen ringförmige Leitung 77 auf, welche durch die Leitung 17 mit Flüssigkeit 12 gespeist wird. Der ringförmige Schwingungskörper 38 ist durch den Piezoaktor 45 in Schwingungen versetzbar. In dem ringförmigen Schwingungskörper 38 sind mehrere Öffnungen 32 ausgebildet, welche über den Umfang des ringförmigen Schwingungskörpers 38 verteilt sind. Der ringförmige Schwingungskörper 38 ist koaxial Abgaskanal 60 angeordnet, so dass er gleichmäßig von dem Abgas im Abgaskanal 60 umströmt wird. In dem ringförmigen Schwingungskörper 38 sind Kanäle 78 ausgebildet, welche von der Leitung 77 zu den Öffnungen 32 führen. Durch eine Verteilung der Öffnungen 32 an der Innenseite und der Außenseite des ringförmigen Schwingungskörpers 38 kann die Flüssigkeit 12 bzw. das Spray 12a besonders gleichmäßig in den Abgaskanal 60 eingebracht werden. Alternativ können am ringförmigen Schwingungskörper 38 auch nur an der Außenseite oder an der Innenseite Öffnungen 32 ausgebildet sein. Ferner sind auch von der ringform abweichende Ausführungsformen des Schwingungskörpers 38, beispielsweise ein ovaler oder sechseckig Schwingungskörper 38 denkbar, wobei die Geometrie des Schwingungskörpers 38 bevorzugt an die Geometrie des Abgaskanals 60 angepasst ist. Alternativ kann der ringförmige Schwingungskörper 38 auch als Teil des Abgaskanals 60 ausgebildet sein, wobei die Zerstäubung und Einbringung der Flüssigkeit dann über die Öffnungen an der Innenseite des Schwingungskörpers 38 erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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