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Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, mit einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von in dem Abgas enthaltenen Schadstoffen, mit einer Einbringvorrichtung zum Einbringen von Reduktionsmittel in das Abgas an einer stromaufwärts des Katalysators vorliegenden Einbringstelle sowie mit einem strömungstechnisch zwischen der Einbringstelle und dem Katalysator in einer Abgasleitung angeordneten Mischer.
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Die Brennkraftmaschine dient beispielsweise dem Antreiben eines Kraftfahrzeugs, insoweit also dem Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Drehmoments. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine fällt Abgas an, welches mittels der Abgasanlage abgeführt wird, insbesondere in Richtung einer Außenumgebung der Brennkraftmaschine beziehungsweise der Abgasanlage. Weil in dem von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgas üblicherweise Schadstoffe enthalten sind, ist in der Abgasanlage wenigstens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen. Diese liegt in der hier beschriebenen Abgasanlage in Form des Katalysators vor, welcher zur selektiven katalytischen Reduktion der Schadstoffe vorgesehen ist. Der Katalysator kann auch als SCR-Katalysator (SCR: selective catalytic reduction; selektive katalytische Reduktion) bezeichnet werden kann.
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Zur Durchführung der selektiven katalytischen Reduktion benötigt der Katalysator das Reduktionsmittel. Dieses wird stromaufwärts des Katalysators in das Abgas eingebracht. Zu diesem Zweck ist die Einbringvorrichtung vorgesehen. Das Einbringen des Reduktionsmittels erfolgt an der Einbringstelle. Um die Verfügbarkeit des Reduktionsmittels für den Katalysator zu verbessern ist es notwendig, das Reduktionsmittel möglichst gut mit dem Abgas zu vermischen. Hierzu ist der Mischer vorgesehen, welcher strömungstechnisch zwischen der Einbringstelle und dem Katalysator vorliegt. Der Mischer sorgt für eine stärkere Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas, sodass die Effizienz des Katalysators verbessert beziehungsweise die auf den Abgasmassenstrom bezogene spezifische Menge des Reduktionsmittels verringert wird. Der Mischer kann grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein. Der Mischer hat jedoch den Nachteil, dass er den Druckverlust des Abgases in der Abgasanlage erhöht.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welche gegenüber bekannten Abgasanlagen Vorteile aufweist, insbesondere eine Verringerung des Druckverlusts des Abgases bewirkt.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist ein pneumatischer Steller zum Verstellen des Mischers vorgesehen, wobei der Steller ein Stellelement aufweist, das mit einem, insbesondere stromaufwärts des Mischers vorliegenden Abgasdruck beaufschlagt ist. Der Mischer ist insoweit verstellbar und/oder verlagerbar in dem Abgas beziehungsweise der die Einbringstelle und den Katalysator strömungstechnisch verbindenden Abgasleitung angeordnet. Das Verstellen beziehungsweise Verlagern des Mischers kann grundsätzlich auf beliebige Art und Weise vorgesehen sein. Bevorzugt bewirkt der Mischer in einer ersten Einstellung beziehungsweise Stellung einen größeren Druckverlust als in einer zweiten Einstellung beziehungsweise Stellung.
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Der Steller arbeitet pneumatisch. Das bedeutet, dass er einerseits mit dem Abgasdruck beaufschlagt ist, welcher insbesondere stromaufwärts des Mischers vorliegt. Andererseits ist er mit dem Mischer wirkverbunden, beispielsweise mechanisch wirkverbunden. Bei einer derartigen Ausgestaltung setzt der Steller also den Abgasdruck in eine mechanische Stellbewegung um, mit welcher der Mischer beaufschlagt wird. Der pneumatische Steller verfügt über das Stellelement, welches dem Abgasdruck ausgesetzt ist. Das Stellelement liegt beispielsweise in Form einer elastischen Membran oder als federkraftbeaufschlagtes starres Element vor.
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Alternativ zu der Verwendung des stromaufwärts des Mischers vorliegenden Abgasdrucks kann selbstverständlich der Abgasdruck stromabwärts des Mischers oder eine Druckdifferenz über den Mischer, also der Druckverlust über den Mischer, zur Beaufschlagung des Stellelements herangezogen werden. In jedem Fall wird jedoch vorzugsweise ein stromabwärts der Brennkraftmaschine vorliegender Abgasdruck verwendet. Der Abgasdruck kann insoweit auch strömungstechnisch zwischen der Brennkraftmaschine und einer Abgasturbine eines Abgasturboladers, zwischen der Abgasturbine und dem Mischer, zwischen dem Mischer und der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorliegen.
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Eine derartige Ausgestaltung der Abgasanlage beziehungsweise des Stellers hat den Vorteil, dass ein rein passives Verstellen des Mischers in Abhängigkeit von dem Abgasdruck möglich ist und insoweit kein aktiver Aktuator benötigt wird, welcher zum Verstellen des Mischers beispielsweise mit elektrischer Energie versorgt werden müsste. Der pneumatische Steller ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass er bei einem geringeren Abgasmassenstrom des Abgases durch den Katalysator eine höhere Versperrung und insoweit einen kleineren verbleibenden Durchströmungsquerschnitt bewirkt als bei einem höheren Abgasmassenstrom. Bei kleineren Abgasmassenströmen ist die von dem Abgas selbst bewirkte Verwirbelung des Reduktionsmittels mit dem Abgas weniger stark ausgeprägt als bei hohen Abgasmassenströmen.
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Insoweit ist zur Erzielung derselben beziehungsweise zumindest einer ähnlichen Verwirbelung bei den niedrigen beziehungsweise niedrigeren Abgasmassenströmen ein größerer Einfluss des Mischers notwendig als bei hohen beziehungsweise höheren Abgasmassenströmen. Hinzu tritt, dass bei kleineren Abgasmassenströmen die Temperatur beziehungsweise die Enthalpie des Abgases geringer ist als bei höheren Abgasmassenströmen, sodass bei den höheren Massenströmen das Reduktionsmittel bereits allein aufgrund der höheren Enthalpie verdampft und mithin gut verwirbelt wird beziehungsweise werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Mischer zumindest in einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung anordenbar ist, wobei in der ersten Stellung der Durchströmungsquerschnitt der Abgasleitung von dem in der zweiten Stellung vorliegenden Durchströmungsquerschnitt verschieden ist. Wie bereits vorstehend erläutert, ist der Mischer verstellbar beziehungsweise verlagerbar. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist er sowohl in die erste Stellung als auch in die zweite Stellung verlagerbar, wobei in den beiden Stellungen unterschiedliche Durchströmungsquerschnitte vorliegen. Bei gleichem Abgasmassenstrom ist also der Druckverlust über den Mischer in der ersten Stellung von dem in der zweiten Stellung vorliegenden Druckverlust verschieden.
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Eine bevorzugte weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Mischer als Drehklappe vorliegt und drehbar in der Abgasleitung gelagert ist, wobei die erste Stellung des Mischers einer ersten Drehwinkelstellung und die zweite Stellung des Mischers einer zweiten Drehwinkelstellung entspricht.
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Die Drehklappe ist um eine Drehachse drehbar in der Abgasleitung angeordnet beziehungsweise gelagert. Die Drehachse kann grundsätzlich beliebig in der Abgasleitung vorliegen. Beispielsweise ist sie im Querschnitt durch die Abgasleitung gesehen mittig angeordnet. Die Drehklappe kann in unterschiedlichen Drehwinkelstellungen angeordnet werden, wobei die erste Drehwinkelstellung in der ersten Stellung und die zweite Drehwinkelstellung der zweiten Stellung entspricht.
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Beispielsweise ist die Drehklappe an die Abgasleitung formangepasst, wobei insbesondere ein Außenumfang der Drehklappe zumindest hinsichtlich seiner Form einem Innenumfang der Abgasleitung entspricht. Zusätzlich oder alternativ kann der Außenumfang des Mischers hinsichtlich seiner Größe mit dem Innenumfang der Abgasleitung übereinstimmen. In diesem Fall kann der Mischer in wenigstens einer Stellung den gesamten Querschnitt der Abgasleitung durchgreifen beziehungsweise übergreifen. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann es vorteilhaft sein, wenn der Mischer wenigstens einen Strömungsdurchlass aufweist, durch welchen trotz vollständig durchgriffenem Querschnitt der Abgasleitung Abgas strömen kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Mischer im Querschnitt gesehen kleiner ist als der Innenumfang der Abgasleitung, sodass in jeder Stellung des Mischers beziehungsweise der Drehklappe Abgas um den Mischer herum durch die Abgasleitung strömen kann.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Stellelement eine Stellkammer in eine erste Teilkammer und eine zweite Teilkammer unterteilt, wobei die erste Teilkammer mit einer stromaufwärts des Mischers vorliegenden Entnahmestelle der Abgasleitung strömungsverbunden ist. Der Steller weist also neben dem Stellelement die Stellkammer auf, in welcher das Stellelement angeordnet ist. Das Stellelement unterteilt die Stellkammer in die erste Teilkammer und die zweite Teilkammer, vorzugsweise fluiddicht.
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Das bedeutet, dass die erste Teilkammer und die zweite Teilkammer von dem Stellelement fluidtechnisch vollständig voneinander getrennt sind.
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Die erste Teilkammer steht nun strömungstechnisch mit der Entnahmestelle der Abgasleitung in Verbindung, sodass in der ersten Teilkammer derselbe Druck vorliegt wie an der Entnahmestelle oder zumindest näherungsweise derselbe Druck. In der ersten Teilkammer liegt folglich der Abgasdruck oder zumindest nahezu der Abgasdruck vor. Die zweite Teilkammer ist dagegen beispielsweise mit dem Referenzdruck beaufschlagt, sodass in der zweiten Teilkammer der Referenzdruck vorliegt. Der Referenzdruck entspricht beispielsweise einem Umgebungsdruck oder einem konstant vorgegebenen Druck. In letzterem Fall kann die zweite Teilkammer strömungsdicht ausgestaltet sein, sodass davon ausgegangen werden kann, dass der Referenzdruck konstant ist. In Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen dem Abgasdruck und dem Referenzdruck wird nun auf das Stellelement eine Kraft ausgeübt. Über eine vorzugsweise mechanische Wirkverbindung wird diese Kraft von dem Stellelement auf den Mischer übertragen, sodass sie eine Verstellung des Mischers bewirkt.
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Selbstverständlich kann das Stellelement alternativ oder zusätzlich zu dem Beaufschlagen der zweiten Teilkammer mit dem Referenzdruck federkraftbeaufschlagt sein, wozu vorzugsweise ein elastisches Element, insbesondere ein Federelement, vorgesehen ist. Mittels dieses Elements kann auf das Stellelement eine Rückstellkraft ausgeübt werden, welche alternativ zu der von dem Referenzdruck bewirkten Rückstellkraft vorliegt oder zusätzlich neben diese tritt.
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Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Entnahmestelle stromabwärts einer Abgasturbine eines Abgasturboladers angeordnet ist. Der Brennkraftmaschine ist insoweit der Abgasturbolader zugeordnet, um ihre Leistung zu erhöhen und/oder den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu verringern. Die Abgasturbine ist der Abgasanlage zugeordnet und wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine von Abgas durchströmt. Die Entnahmestelle, an welcher der Abgasdruck ermittelt wird, ist nun stromabwärts der Abgasturbine vorgesehen. Vorzugsweise ist weiterhin die Einbringstelle stromabwärts der Abgasturbine angeordnet. Selbstverständlich kann sie jedoch auch stromaufwärts der Abgasturbine vorliegen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Stellelement über eine Schubstange mit dem Mischer wirkverbunden ist, wobei in der Wirkverbindung zwischen der Schubstange und dem Mischer ein Kurbeltrieb vorliegt. Wie bereits vorstehend erläutert, ist vorzugsweise eine mechanische Wirkverbindung zwischen dem Steller und dem Mischer realisiert. Diese mechanische Wirkverbindung umfasst die Schubstange, welche vorzugsweise unmittelbar an dem Stellelement angreift. Während es selbstverständlich vorgesehen sein kann, dass die Schubstange andererseits unmittelbar an dem Mischer angreift, ist es bevorzugt vorgesehen, dass zwischen der Schubstange und dem Mischer der Kurbeltrieb vorliegt. Das bedeutet, dass die Schubstange auf ihrer dem Stellelement abgewandten Seite an dem Kurbeltrieb angreift, welcher seinerseits mit dem Mischer in Wirkverbindung steht, vorzugsweise unmittelbar. Die von dem Stellelement beaufschlagte Schubstange beschreibt im Wesentlichen eine lineare Bewegung, welche mithilfe des Kurbeltriebs in eine Drehbewegung zur Beaufschlagung des Mischers beziehungsweise der Drehklappe umgewandelt wird.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Mischer und/oder der Steller mittels eines Federelements vorgespannt sind/ist. Das Federelement ist insbesondere dazu vorgesehen, unterschiedlichen Abgasdrücken jeweils definierte Durchströmungsquerschnitte zuzuordnen, welche mithilfe des Mischers eingestellt werden. Insbesondere ist das Federelement vorgespannt, weist also in wenigstens einer Endstellung des Mischers eine Vorspannung auf. Beispielsweise entspricht die Endstellung der ersten Stellung oder der zweiten Stellung. Vorzugsweise ist dem Mischer beziehungsweise dem Steller ein Endanschlag zugeordnet, welcher ein Verstellen beziehungsweise Verlagern des Mischers über den Endanschlag hinaus verhindert. Insoweit wird der Mischer bei vorgespanntem Federelement von dem Federelement in Richtung des Endanschlags verstellt beziehungsweise verlagert, insbesondere an den Endanschlag gedrängt.
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In einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Steller den Mischer bis zu einem ersten Abgasdruck in die erste Stellung und ab einem zweiten Abgasdruck in die zweite Stellung bringt, wobei die erste Stellung eine maximale Versperrung und die zweite Stellung eine minimale Versperrung der Abgasleitung durch den Mischer bewirkt. Beispielsweise ist sowohl der ersten Stellung als auch der zweiten Stellung jeweils ein Endanschlag zugeordnet, sodass also der Steller nicht in die der zweiten Stellung abgewandte Richtung über die erste Stellung hinaus sowie in die von der ersten Stellung abgewandte Richtung über die zweite Stellung hinaus verlagert werden kann.
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Der Steller ist nun derart ausgebildet, dass er den Mischer bis zu dem ersten Abgasdruck in die erste Stellung bringt beziehungsweise in dieser belässt. Erreicht der Abgasdruck den zweiten Abgasdruck beziehungsweise überschreitet diesen, so soll der Steller den Mischer in die zweite Stellung bringen beziehungsweise in dieser belassen. In der ersten Stellung liegt die maximale Versperrung und in der zweiten Stellung die minimale Versperrung der Abgasleitung aufgrund des Mischers vor. In der ersten Stellung ist entsprechend der für das Abgas verbleibende Durchströmungsquerschnitt der Abgasleitung kleiner als in der zweiten Stellung. Der zweite Abgasdruck ist vorzugsweise größer als der erste Abgasdruck. Bei niedrigerem Abgasdruck soll insoweit eine größere Versperrung vorliegen als bei einem größeren Abgasdruck, insbesondere soll die maximale Versperrung vorliegen. Steigt dagegen der Abgasdruck an, so wird die Versperrung der Abgasleitung durch den Mischer verringert, sodass sich infolge der Druckverlust über den Mischer ebenfalls verringert.
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Eine besonders bevorzugte weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Steller bei einem zwischen dem ersten Abgasdruck und dem zweiten Abgasdruck liegenden Abgasdruck den Mischer in eine von dem Abgasdruck abhängige, zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung liegende Zwischenstellung bringt. Der Steller kann den Mischer also nicht lediglich in die erste Stellung oder in die zweite Stellung bringen. Vielmehr ist die Zwischenstellung beziehungsweise eine Vielzahl von Zwischenstellungen möglich. Die Zwischenstellung, in welche der Mischer von dem Steller gebracht wird, hängt dabei von dem Abgasdruck ab, der in der Abgasleitung beziehungsweise an der Entnahmestelle vorliegt.
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Beispielsweise ist es also vorgesehen, dass der Mischer bei einem Abgasdruck, welcher kleiner oder gleich dem ersten Abgasdruck ist, in die erste Stellung bringt. Übersteigt der Abgasdruck den ersten Abgasdruck, ist jedoch kleiner als der zweite Abgasdruck, so wird der Mischer von dem Steller in eine in Abhängigkeit von dem Abgasdruck ermittelte Zwischenstellung gebracht. Diese liegt zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung. Mit Erreichen des zweiten Abgasdrucks durch den Abgasdruck ist die zweite Stellung erreicht, in welcher der Mischer nachfolgend verharrt, solange der Abgasdruck größer oder gleich dem zweiten Abgasdruck ist. Auf diese Art und Weise wird zumindest zwischen dem ersten Abgasdruck und dem zweiten Abgasdruck eine Regelung des Druckverlusts über den Mischer und mithin des Abgasdrucks mithilfe des Stellers sowie des Mischers realisiert.
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Schließlich ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Mischer einen Mischteller aufweist, der massiv ausgestaltet ist oder wenigstens einen Strömungsdurchlass und/oder der Mischer ein Strömungsprofil aufweist. Der Mischteller ist vorzugsweise starr mit einer Verstellwelle verbunden, an welcher der vorstehend erläuterte Kurbeltrieb angreift. Beispielsweise liegt die Verstellwelle zentral an dem Mischteller vor. Vorzugsweise ist die Verstellwelle wenigstens einseitig, insbesondere beidseitig des Mischtellers bezüglich der Abgasleitung drehbar gelagert. Der Mischteller kann massiv ausgestaltet sein, also keinerlei Strömungsdurchlass oder dergleichen aufweisen. Bevorzugt ist der massiv ausgestaltete Mischteller mit einem Außenumfang versehen, welcher kleiner ist als der Innenumfang der Abgasleitung, um in jeder Stellung des Mischtellers ein Durchströmen der Abgasleitung durch das Abgas zu ermöglichen.
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Alternativ kann selbstverständlich der Mischteller den wenigstens einen Strömungsdurchlass aufweisen oder der Mischer mit einem Strömungsprofil versehen sein. Unter dem Strömungsdurchlass ist ein randoffener oder randgeschlossener Durchbruch durch den Mischteller zu verstehen, während das Strömungsprofil beispielsweise in Form eines Tragflächenprofils des Mischers vorliegt. Ein derartiges Strömungsprofil beziehungsweise Tragflächenprofil kann die Verwirbelung des Reduktionsmittels mit dem Abgas weiter verbessern. Beispielsweise gehen bei einer derartigen Ausgestaltung mehrere Strömungsprofile von einer zentralen Nabe des Mischers aus und erstrecken sich in radialer Richtung nach außen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige
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Figur eine schematische Darstellung eines Bereichs einer Abgasanlage.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Bereichs einer Abgasanlage 1, die beispielsweise einer hier nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine zugeordnet ist. Die Abgasanlage 1 weist einen Katalysator 2 auf, der als SCR-Katalysator ausgestaltet ist und insoweit der selektiven katalytischen Reduktion von in dem Abgas enthaltenen Schadstoffen dient. Die Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasanlage 1 ist durch die Pfeile 3 angedeutet. Neben dem Katalysator 2 weist die Abgasanlage 1 eine Einbringvorrichtung 4 auf, mittels welcher an einer Einbringstelle 5 Reduktionsmittel in das Abgas einbringbar ist. Die Einbringstelle 5 liegt stromaufwärts des Katalysators 2 vor. Das Reduktionsmittel ist durch einen Einbringkegel 6 angedeutet.
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Das Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas erfolgt in eine Abgasleitung 7, die die Einbringstelle 5 und den Katalysator 2 strömungstechnisch verbindet. Das Abgas strömt durch die Abgasleitung 7 von der Einbringstelle 5 in Richtung des Katalysators 2. Strömungstechnisch zwischen der Einbringstelle 5 und dem Katalysator 2 ist in der Abgasleitung 7 ein Mischer 8 angeordnet, der in der hier dargestellten Ausführungsform als Drehklappe vorliegt und einen Mischteller 9 aufweist. Der Mischteller 9 ist mittels einer Verstellwelle 10 in der Abgasleitung 7 drehbar beweglich angeordnet. Dies ist durch die Pfeile 11 angedeutet. Die Verstellwelle 10 ist vorzugsweise beidseitig des Mischtellers 9 mittels jeweils einem Lager 12 gelagert.
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Zum Verstellen des Mischers 8 ist ein pneumatischer Steller 13 vorgesehen. Dieser weist ein Stellelement 14 auf, das mit einem stromaufwärts des Mischers 8 vorliegenden Abgasdruck beaufschlagt ist. Beispielsweise ist das Stellelement 14 in einer Stellkammer 15 angeordnet und unterteilt diese in eine erste Teilkammer 16 und eine zweite Teilkammer 17. Die erste Teilkammer 16 ist nun mit einer stromaufwärts des Mischers 8 vorliegenden Entnahmestelle 18 der Abgasleitung 7 strömungsverbunden. Entsprechend liegt in der ersten Teilkammer 16 derselbe Druck vor wie an der Entnahmestelle 18. In der zweiten Teilkammer 17 ist dagegen ein Referenzdruck vorgesehen. Das Stellelement 14 ist über eine Schubstange 19, deren Bewegungsrichtung durch den Doppelpfeil 20 angedeutet ist, mit dem Mischer 8 wirkverbunden. Vorzugsweise liegt in der Wirkverbindung zwischen der Schubstange 19 und dem Mischer 8 ein Kurbeltrieb 21 vor. Dieser ist einerseits mit der Schubstange 19 und andererseits mit der Verstellwelle 10 verbunden. Mithilfe des Kurbeltriebs 21 wird eine im Wesentlichen lineare Bewegung der Schubstange 19 in eine Drehbewegung der Verstellwelle 10 und mithin des Mischtellers 9 umgesetzt.
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Mithilfe der hier beschriebenen Abgasanlage 1 kann eine Regelung des Mischers 8 in Abhängigkeit von dem Abgasdruck beziehungsweise einem Druckverlust über den Mischer 8 auf einfache Art und Weise umgesetzt werden. Zudem erfolgt die Regelung passiv, sodass keine zusätzlichen elektronischen oder elektrischen Bauelemente notwendig sind. Entsprechend ist ein einfacher und langlebiger Aufbau der Abgasanlage 1 realisiert.
