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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anströmung eines Abgasreinigungselements, mit einem Abgasleitungsabschnitt, dessen Querschnitt sich von einem dem Abgasreinigungselement abgewandten Bereich in Strömungsrichtung des Abgases zu einem dem Abgasreinigungselement zugewandten Bereich vergrößert. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Abgasanlage mit einer Abgasleitung und mit einem in der Abgasleitung angeordneten Abgasreinigungselement.
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Derartige Vorrichtungen und entsprechende Abgasanlagen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.
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Bei sämtlichen dieser bekannten Lösungen wird jedoch lediglich das Innenrohr von dem Abgas durchströmt, da der zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr vorhandene Luftspalt zur thermischen Isolierung dient. Teilweise ist in diesem Luftspalt auch ein Isoliermaterial angeordnet.
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Die Wirkung von Abgasreinigungselementen, insbesondere Katalysatoren, hängt unter anderem davon ab, wie gleichmäßig diese von dem die Abgasleitung durchströmenden Abgas angeströmt werden. Je gleichmäßiger sich die Strömung über den Querschnitt des Abgasreinigungselements verteilt, desto besser sind auch die Wärmeverteilung und die Reinigungswirkung des Abgasreinigungselements.
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Während bei bestimmten geometrischen Verhältnissen innerhalb einer Abgasanlage eine solche gleichmäßige Anströmung ohne großen Aufwand gegeben ist, kommt es insbesondere in Fällen, in denen von dem meist geringen Durchmesser der Abgasleitung zu dem meist großen Durchmesser des Abgasreinigungselements nur eine kurze Strecke vorhanden ist, zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Abgasströmung, die nicht nur die Wirkung des Abgasreinigungselements verschlechtert, sondern aufgrund der dabei auftretenden Überhitzung sogar zu einer Beschädigung desselben führen kann.
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Zum Teil werden in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Abgasreinigungselement auch sogenannte Heizscheiben eingesetzt, deren Wirkung ebenfalls sehr stark von einer gleichmäßigen Anströmung abhängt und die bezüglich einer ungleichmäßigen Anströmung noch empfindlicher sein können als das Abgasreinigungselement selbst.
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Zur Beseitigung dieser Probleme können die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nichts beitragen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Anströmung eines Abgasreinigungselements zu schaffen, die eine gleichmäßigere Anströmung des Abgasreinigungselements über dessen gesamten Querschnitt gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Der erfindungsgemäße, innerhalb des äußeren Abgasleitungsabschnitts angeordnete, wenigstens eine innere Abgasleitungsabschnitt, der wie auch der äußere Abgasleitungsabschnitt von Abgas durchströmt wird, ermöglicht eine Expansion der Abgasströmung und dadurch eine bessere Verteilung des Abgases über den Querschnitt des Abgasreinigungselements, da es mit diesem inneren Abgasleitungsabschnitt möglich ist, der Abgasströmung eine gewünschte Richtung zu geben. Dadurch können eine bessere Verteilung der Abgasströmung und eine gleichmäßigere Anströmung des Abgasreinigungselements erreicht werden, was letztendlich sowohl die Reinigungswirkung als auch die Lebensdauer des Abgasreinigungselements erhöht.
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Dies wird dadurch verstärkt, dass der Querschnitt des inneren Abgasleitungsabschnitts sich in Strömungsrichtung des Abgases vergrößert, wodurch sich eine Art Trichterform des inneren Abgasleitungsabschnitts ergibt und die Abgasströmung nach außen und damit in die äußeren Durchmesserbereiche des Abgasreinigungselements geleitet wird.
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Aufgrund der beschriebenen Wirkungsweise kann der innere Abgasleitungsabschnitt auch als Gaslinse bezeichnet werden.
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Die sich von dem Außenumfang des inneren Abgasleitungsabschnitts zu dem äußeren Abgasleitungsabschnitt erstreckenden Verbindungselemente sorgen dabei für eine sichere Befestigung des inneren Abgasleitungsabschnitts.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Vergrößerung des Querschnitts des inneren Abgasleitungsabschnitts durch eine Krümmung der Mantelfläche desselben gebildet ist. Dies sorgt für eine sehr gleichmäßige Abgasströmung und damit für eine Verbesserung der Anströmung des Abgasreinigungselements.
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Wenn dabei die Mantelfläche des inneren Abgasleitungsabschnitts über ihre Länge in Strömungsrichtung des Abgases einen gleichbleibenden Radius aufweist, so wird durch die Vermeidung von Durchmessersprüngen der Mantelfläche des inneren Abgasleitungsabschnitts die Vergleichmäßigung der Abgasströmung noch weiter verbessert und es ist außerdem eine einfache Herstellung des inneren Abgasleitungsabschnitts möglich.
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Im Hinblick auf eine möglichst gute Anströmung des Abgasreinigungselements hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Radius der Mantelfläche des inneren Abgasleitungsabschnitts 60 bis 220 mm beträgt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass der innere Abgasleitungsabschnitt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei der dem Abgasreinigungselement abgewandte, kleinere Außendurchmesser des inneren Abgasleitungsabschnitts 39 bis 47 mm beträgt. Dies führt bei Abgasanlagen von PKW in der Praxis zu einer verbesserten Gleichmäßigkeit der Abgasströmung. Für die Verwendung der Vorrichtung bei Abgasanlagen von Nutzfahrzeugen, wie LKWs oder Traktoren, sowie von Schiffen, Lokomotiven usw. kann der kleinere Außendurchmesser des inneren Abgasleitungsabschnitts jedoch auch einen sehr viel größeren Durchmesser aufweisen.
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Um insbesondere in den äußeren Bereichen des Abgasreinigungselements eine verstärkte Anströmung durch das Abgas zu erreichen, kann des Weiteren vorgesehen sein, dass eine an einen Radius des inneren Abgasleitungsabschnitts an seiner dem Abgasreinigungselement zugewandten Öffnung angelegte Tangente einen Winkel von 7° bis 27° gegenüber einer Mittelachse des inneren Abgasleitungsabschnitts aufweist.
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Wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vier Verbindungselemente vorgesehen sind, so wird eine sichere Befestigung des inneren Abgasleitungsabschnitts an dem äußeren Abgasleitungsabschnitt gewährleistet, wobei sich gleichzeitig eine geringe Beeinträchtigung der gesamten Abgasströmung ergibt.
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Diese geringe Beeinträchtigung der Abgasströmung kann zusätzlich dadurch gewährleistet werden, dass die Verbindungselemente als schmale Stege ausgebildet sind, die über mehr als die Hälfte der Länge des inneren Abgasleitungsabschnitts in Strömungsrichtung verlaufen.
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Durch diese relativ große Länge der Verbindungselemente ergibt sich außerdem eine noch bessere Befestigung des inneren Abgasleitungsabschnitts an dem äußeren Abgasleitungsabschnitt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Verbindungselemente derart angeordnet sind, dass die Abgasströmung einen in Umfangsrichtung des äußeren Abgasleitungsabschnitts verlaufenden Drall erfährt. Auf diese Weise kann eine noch bessere und an bestimmte Gegebenheiten angepasste Verteilung der Abgasströmung über den gesamten Querschnitt des Abgasreinigungselements erreicht werden.
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Eine Abgasanlage mit einer Abgasleitung, mit einem in der Abgasleitung angeordneten Abgasreinigungselement und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Anspruch 10 angegeben.
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Eine solche Abgasanlage kann für eine verbesserte Anströmung des Abgasreinigungselements und damit für eine wirksamere Reinigung der Abgase und eine längere Lebensdauer des Abgasreinigungselements sorgen.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Es zeigt:
- 1 eine erfindungsgemäße Abgasanlage mit einem darin angeordneten, erfindungsgemäßen Abgasreinigungselement; und 2 einen Schnitt nach der Linie II-II aus 1.
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1 zeigt einen Teil einer Abgasanlage 1, die insbesondere für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug geeignet ist. Die Abgasanlage 1 weist eine Abgasleitung 2, ein in der Abgasleitung 2 angeordnetes Abgasreinigungselement 3, das insbesondere zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors dient und beispielsweise als Katalysator ausgebildet sein kann, und eine nachfolgend näher beschriebene Vorrichtung 4 zur Anströmung des Abgasreinigungselements 3 auf.
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Die Vorrichtung 4 weist einen von Abgas durchströmten, äußeren Abgasleitungsabschnitt 5 auf, der über eine gewisse Länge die Abgasleitung 2 bildet und dessen Querschnitt sich von einem dem Abgasreinigungselement 3 abgewandten Bereich in der mit „x“ bezeichneten Strömungsrichtung des Abgases zu einem dem Abgasreinigungselement 3 zugewandten Bereich vergrößert. Der äußere Abgasleitungsabschnitt 5 weist im vorliegenden Fall über seine gesamte Länge in Strömungsrichtung x des Abgases einen kreisförmigen Querschnitt auf. Grundsätzlich sind zwar auch andere Querschnitte des äußeren Abgasleitungsabschnitts 5 denkbar, ein kreisförmiger Querschnitt hat sich in der Praxis jedoch bewährt.
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Innerhalb des äußeren Abgasleitungsabschnitts 5 ist ein ebenfalls von Abgas durchströmter, innerer Abgasleitungsabschnitt 6 angeordnet, der auch als Gaslinse bezeichnet werden kann. Auch der Querschnitt des inneren Abgasleitungsabschnitts 6 vergrößert sich in Strömungsrichtung x des Abgases von dem dem Abgasreinigungselement 3 abgewandten Bereich zu dem dem Abgasreinigungselement 3 zugewandten Bereich des inneren Abgasleitungsabschnitts 6. Des Weiteren ist auch der Querschnitt des inneren Abgasleitungsabschnitts 6 über seine gesamte Länge in Strömungsrichtung x des Abgases kreisförmig. In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 4 könnten auch mehrere innere Abgasleitungsabschnitte 6 vorgesehen sein, die dann vorzugsweise ineinander angeordnet sein könnten.
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Der innere Abgasleitungsabschnitt 6 ist mit mehreren, sich von einer Mantelfläche desselben zu dem äußeren Abgasleitungsabschnitt 5 erstreckenden Verbindungselementen 7 mit dem äußeren Abgasleitungsabschnitt 5 verbunden. Die Verbindungselemente 7 können beispielsweise mit dem äußeren Abgasleitungsabschnitt 5 und dem inneren Abgasleitungsabschnitt 6 verschweißt sein. Auf diese Weise ergibt sich eine gute Fixierung des inneren Abgasleitungsabschnitts 6 innerhalb der Abgasanlage 1.
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Das Abgas strömt demnach sowohl durch den inneren Abgasleitungsabschnitt 6 als auch durch den ringförmigen Bereich zwischen dem inneren Abgasleitungsabschnitt 6 und dem äußeren Abgasleitungsabschnitt 5.
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Der dem Abgasreinigungselement 3 abgewandte, kleinere Außendurchmesser D des inneren Abgasleitungsabschnitts 6 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 39 bis 47 mm.
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Die Mantelfläche des inneren Abgasleitungsabschnitts 6 ist im vorliegenden Fall gekrümmt, wobei sie über ihre Länge in Strömungsrichtung x des Abgases einen gleichbleibenden Radius R aufweist, der im dargestellten Ausführungsbeispiel 60 bis 220 mm beträgt. In nicht dargestellter Weise könnte die Querschnittsvergrößerung des inneren Abgasleitungsabschnitts 6 auch durch eine konische Ausführung desselben, d. h. durch eine schräg verlaufende, nicht gekrümmte Mantelfläche, erfolgen. Auch Änderungen des Radius R über die Länge des inneren Abgasleitungsabschnitts 6 sind denkbar.
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Des Weiteren weist eine an den Radius R des inneren Abgasleitungsabschnitts 6 an der dem Abgasreinigungselement 3 zugewandten Öffnung angelegte Tangente T einen in 1 mit „a“ bezeichneten Winkel von 7° bis 27° gegenüber einer Mittelachse M des inneren Abgasleitungsabschnitts 6 auf. Da die beiden Abgasleitungsabschnitte 5 und 6 konzentrisch zueinander sind, ist die Mittelachse M des inneren Abgasleitungsabschnitts 6 auch die Mittelachse M des äußeren Abgasleitungsabschnitts 5.
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Die oben genannten Zahlenangaben sind als rein beispielhaft anzusehen und beziehen sich auf das konkrete Ausführungsbeispiel, das in den 1 und 2 dargestellt ist. Bei anderen Ausführungsformen der Abgasanlage 1, insbesondere bei anderen geometrischen Verhältnissen, können der Radius R, der Außendurchmesser D und/oder der Winkel α andere Werte annehmen. Dies gilt insbesondere für die Verwendung der Vorrichtung 4 bei Abgasanlagen von Nutzfahrzeugen, wie LKWs oder Traktoren, sowie von Schiffen, Lokomotiven und ähnlichem. Jedoch haben sich die genannten Werte für das dargestellte Ausführungsbeispiel, bei dem für den äußeren Abgasleitungsabschnitt 5 in Strömungsrichtung x nur ein relativ geringer Bauraum zur Verfügung steht und bei dem das Abgasreinigungselement 3 einen relativ großen Außendurchmesser aufweist, als im Hinblick auf eine gleichmäßige Anströmung des Abgasreinigungselements 3 als am geeignetsten erwiesen.
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In dem Schnitt von 2 ist erkennbar, dass der innere Abgasleitungsabschnitt 6 im vorliegenden Fall mittels vier Verbindungselementen 7 mit dem äußeren Abgasleitungsabschnitt 5 verbunden ist. Die Verbindungselemente 7 sind dabei als schmale Stege bzw. Rippen ausgebildet, die, wie in 1 erkennbar, über mehr als die Hälfte der Länge des inneren Abgasleitungsabschnitt 6 in Strömungsrichtung x betrachtet verlaufen. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel könnte auch eine andere Anzahl an Verbindungselementen 7 vorgesehen sein. Außerdem wäre es möglich, die Länge derselben in Strömungsrichtung x betrachtet zu verlängern oder zu verkürzen.
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Des Weiteren sind im vorliegenden Fall die Verbindungselemente 7 derart angeordnet, dass die Abgasströmung durch die Verbindungselemente 7 einen in Umfangsrichtung des äußeren Abgasleitungsabschnitts 5 verlaufenden Drall erfährt. Diese gegenüber dem Verlauf der Mittelachse M und der Strömungsrichtung x schräge Anordnung der Verbindungselemente 7 ist auch in 2 erkennbar. Die Ebene, in der sich die Verbindungselemente 7 erstrecken, ist also nicht parallel zu der Mittelachse M, sondern verläuft in einem Winkel, vorzugsweise in einem spitzen Winkel, dazu.
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Selbstverständlich könnten die Verbindungselemente 7 auch parallel zu der Mittelachse M ausgerichtet sein, was gegebenenfalls die Fertigung der Vorrichtung 4 vereinfachen würde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4236883 A1 [0003]
- DE 19918301 C1 [0003]
- DE 19962311 A1 [0003]
- EP 0437817 A1 [0003]
- DE 102010044064 A1 [0003]
