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Technisches Sachgebiet
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Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung und eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die mit der Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung versehen ist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung, die zum Zuführen einer wässrigen Reduktionsmittellösung, wie z. B. einer wässrigen Harnstofflösung, zu einer selektiven katalytischen Reduktion zum Reinigen von Abgas verwendet wird, und eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die mit der Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung versehen ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die Stickoxide (NOx), welche im Abgas eines Motors enthalten sind, mittels einer selektiven katalytischen Reduktion (nachstehend abgekürzt als „SCR“ = selective catalytic reduction) reinigt, ist bekannt. Eine wässrige Harnstofflösung, die mittels einer Einspritzeinrichtung eingespritzt wird, wird der SCR zugeführt. Die Einspritzeinrichtung ist an einer Mischvorrichtung angebracht, die relativ zur SCR stromaufwärts angeordnet ist. Die wässrige Harnstofflösung wird von der Einspritzeinrichtung in das Abgas eingespritzt, das durch die Mischvorrichtung strömt, um die wässrige Harnstofflösung mit dem Abgas in der Mischvorrichtung zu mischen. Folglich wird die wässrige Harnstofflösung durch die Wärme des Abgases thermisch zersetzt, um Ammoniak zu bilden. Das Ammoniak wird als ein Reduktionsmittel bei der SCR verwendet.
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Wenn die eingespritzte wässrige Harnstofflösung in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung nicht in ausreichendem Maße mit dem Abgas gemischt wird, kann ein Teil der wässrigen Harnstofflösung an der Innenwand der Mischvorrichtung anhaften, deren Außenseite mit Außenluft gekühlt wird, wodurch möglicherweise ein Mangel an Ammoniak bei der SCR auftritt. Ferner kann die wässrige Harnstofflösung, die Tropfen an der Innenwand der Mischvorrichtung bildet, kristallisieren, um sich an der Innenwand abzusetzen, wodurch das Strömen des Abgases behindert wird. Zur Lösung der oben genannten Probleme besitzt die Mischvorrichtung manchmal eine Doppelröhrenstruktur, die eine Außenröhre und eine Innenröhre aufweist. Da sowohl die Innen- als auch die Außenflächen der Innenröhre der Mischvorrichtung mit dem Abgas in Kontakt stehen, um von diesem erwärmt zu werden, wird die an der Innenwand anhaftende wässrige Harnstofflösung durch Einspritzen der wässrigen Harnstofflösung in das Innere der Innenröhre thermisch zersetzt. Somit kann verhindert werden, dass die wässrige Harnstofflösung in Form von Tropfen an der Innenwand anhaftet, um zu kristallisieren oder sich abzusetzen.
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Ferner legen Patentschriften 1 und 2 ein Mischrohr offen, das relativ zu einer Einspritzeinrichtung in einer Mischvorrichtung stromabwärts angeordnet ist, so dass die wässrige Harnstofflösung in ausreichendem Maße thermisch zersetzt wird. Eine Vielzahl von Öffnungen ist an einem Außenumfang des Mischrohrs vorgesehen. Das Abgas strömt durch die Öffnungen in das Mischrohr, um eine Turbulenz oder einen Wirbel in dem Mischrohr zu erzeugen. Die wässrige Harnstofflösung wird von der Einspritzeinrichtung in den Abgasstrom eingespritzt, um die Größe der wässrigen Harnstofflösungspartikel zu verringern, wodurch das Abgas leichter mit der Harnstofflösung gemischt werden kann und die Effizienz des Zersetzens der wässrigen Harnstofflösung in Ammoniak verbessert wird. Ähnliche Mischvorrichtungen für eine wässrige Reduktionsmittellösung sind in den Patentschriften 3 bis 5 veröffentlicht.
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Liste der Anführungen
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Patentschrift(en)
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- Patentschrift 1 US 2010 / 0 263 359
- Patentschrift 2 JP 2008 - 208 726 A
- Patentschrift 3 DE 20 2007 010 324 U1
- Patentschrift 4 US 2011 / 0 094 206 A1
- Patentschrift 5 US 2011 / 0 079 003 A
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Übersicht über die Erfindung
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Mit der Erfindung zu lösende Probleme
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Eine Einspritzdüse der Einspritzeinrichtung, die zum Inneren der Mischvorrichtung hin freiliegt, befindet sich jedoch in einer konkaven Ausnehmung, die in der Mischvorrichtung vorgesehen ist, so dass die Einspritzdüse um eines ihrer Enden herum von einer Wandfläche der Ausnehmung umgeben ist. Bei Vorhandensein der Ausnehmung wird ein Teil der eingespritzten wässrigen Harnstofflösung verwirbelt, um in Richtung der Ausnehmung, in der der Druck geringfügig negativ wird, zurückgeführt zu werden, um dort zu verweilen. Wenn die dort verweilende wässrige Harnstofflösung kristallisiert, um sich abzusetzen, wird die Einspritzung der wässrigen Harnstofflösung aus der Einspritzdüse gestört.
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Es wird spekuliert, dass ferner durch Vorsehen einer zum Erzeugen eines Wirbels im Mischrohr dienenden Öffnung im Mischrohr nahe der Einspritzdüse das Abgas in der Nähe der Einspritzdüse strömt, wodurch dieser nahe Bereich erwärmt wird, um die thermische Zersetzung der wässrigen Harnstofflösung zu fördern, was dazu führt, dass das Verweilen der wässrigen Harnstofflösung verhindert wird. Nur bei der Anordnung, bei der einfach eine Öffnung im Mischrohr vorgesehen ist, kann jedoch möglicherweise das Abgas nicht in der Lage sein, in ausreichendem Maße in Richtung der Nähe der Einspritzdüse zu strömen, was zu lösen ist.
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Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, eine Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung, die in der Lage ist, das Verweilen der wässrigen Harnstofflösung in einer Region um eine Einspritzdüse einer Einspritzeinrichtung herum zu verhindern, und eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die mit der Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung versehen ist, zur Verfügung zu stellen.
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Mittel zum Lösen der Probleme
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Nach einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung, die zwischen einer Filtervorrichtung, welche Partikel in einem Abgas einfängt, und einer Vorrichtung für eine selektive katalytische Reduktion, welche sich relativ zu der Filtervorrichtung stromabwärts befindet, angeordnet ist, wobei die Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung eine wässrige Reduktionsmittellösung dem Abgas hinzufügt, auf: ein Knierohr, das an einem Auslassrohr der Filtervorrichtung angebracht ist, wobei das Knierohr eine Strömungsrichtung des Abgases ändert, das aus der Filtervorrichtung strömt; ein gerades Rohr, das mit einer stromabwärtigen Seite des Knierohrs verbunden ist, wobei sich das gerade Rohr in einer Richtung erstreckt, die eine axiale Linie des Auslassrohrs der Filtervorrichtung schneidet; eine Einspritzeinrichtung, die an dem Knierohr angebracht ist, wobei die Einspritzeinrichtung die wässrige Reduktionsmittellösung in Richtung des geraden Rohrs in das Innere des Knierohrs einspritzt; und ein Mischrohr, das in dem Knierohr angeordnet ist, um als eine Abdeckung für die wässrige Reduktionsmittellösung zu dienen, die von der Einspritzeinrichtung eingespritzt wird, wobei eine Vielzahl von großen Öffnungen an einer Umfangswand des Mischrohrs nahe der Einspritzeinrichtung vorgesehen ist und eine Vielzahl von kleinen Öffnungen an einer Umfangswand des Mischrohrs nahe dem geraden Rohr vorgesehen ist, und wobei dann, wenn das Mischrohr von einer axialen Linie des geraden Rohrs in Richtung des Einlasses des Knierohrs betrachtet wird, die Vielzahl von großen Öffnungen über eine vorgegebene Breite in der Umfangsrichtung des Mischrohrs wegfällt.
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Hierbei ist eine Öffnungsfläche jeder der großen Öffnungen größer als eine Öffnungsfläche jeder der kleinen Öffnungen. Eine Gesamtöffnungsfläche der Vielzahl von großen Öffnungen und eine Gesamtöffnungsfläche der Vielzahl von kleinen Öffnungen sind jedoch nicht begrenzt.
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Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist bei der Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung die Vielzahl von großen Öffnungen in der Umfangsrichtung des Mischrohrs vorgesehen.
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Nach einem dritten Aspekt der Erfindung fällt bei der Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung dann, wenn das Mischrohr von einer axialen Linie des geraden Rohrs in Richtung des Einlasses des Knierohrs betrachtet wird, die Vielzahl von großen Öffnungen über eine vorgegebene Breite in der Umfangsrichtung des Mischrohrs weg.
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Nach einem vierten Aspekt der Erfindung ist bei der Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung die Vielzahl von großen Öffnungen nur in einem Umfangs-Winkelbereich der Umfangswand vorgesehen.
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Nach einem fünften Aspekt der Erfindung ist bei der Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung die Vielzahl von kleinen Öffnungen nur in einem Umfangs-Winkelbereich der Umfangswand vorgesehen.
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Nach einem sechsten Aspekt der Erfindung weist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung auf: eine Filtervorrichtung, die Partikel in einem Abgas einfängt; eine Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung nach einem der ersten bis fünften Aspekte der Erfindung, wobei die Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung relativ zu der Filtervorrichtung stromabwärts parallel zu der Filtervorrichtung angeordnet ist; und eine Vorrichtung für eine selektive katalytische Reduktion, die relativ zu der Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung stromabwärts angeordnet ist, wobei die Vorrichtung für eine selektive katalytische Reduktion ein Stickoxid im Abgas reduziert und reinigt.
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Nach den ersten und sechsten Aspekten der Erfindung kann, da die Vielzahl von großen Öffnungen, die jeweils eine größere Öffnungsfläche besitzen als die kleine Öffnung, an dem Mischrohr nahe der Einspritzeinrichtung vorgesehen ist, das Abgas auf effizientere Weise durch die großen Öffnungen in das Mischrohr strömen. Bei dieser Anordnung wird das Abgas, das in das Mischrohr strömt, in Richtung der Einspritzdüse der Einspritzeinrichtung geleitet. Entsprechend kann selbst dann, wenn die Einspritzdüse von einer Ausnehmung umgeben ist, die Region um die Einspritzdüse herum auf effiziente Weise vom Abgas erwärmt werden. Entsprechend kann die wässrige Harnstofflösung, die in Form eines Wirbels in Richtung der Einspritzdüse zurückkehrt, auf zuverlässige Weise thermisch zersetzt werden, wodurch verhindert wird, dass die wässrige Harnstofflösung in der Region um die Einspritzdüse herum verweilt.
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Nach dem zweiten Aspekt der Erfindung kann, da die Vielzahl von großen Öffnungen in der Umfangsrichtung vorgesehen ist, das Abgas leichter in Richtung der Einspritzdüse strömen.
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Nach dem dritten Aspekt der Erfindung ist keine große Öffnung in einer Region des Mischrohrs vorgesehen, die vom Einlass des Knierohrs aus zu sehen ist. Die Region ist von einer Umfangswand gebildet. Entsprechend wird verhindert, dass das Abgas, das durch den Einlass eintritt, schnell in das Mischrohr strömt und direkt in Richtung der Einspritzdüse geführt wird. Somit wird die wässrige Reduktionsmittellösung, die von der Einspritzdüse eingespritzt wird, nicht vom Abgas geblasen, sondern die wässrige Reduktionsmittellösung kann in einer richtigen Richtung eingespritzt werden.
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Nach dem vierten Aspekt der Erfindung kann, da die großen Öffnungen nur in einem vorgegebenen Winkelbereich vorgesehen sind, das Abgas, das aus den großen Öffnungen strömt, verwirbelt werden, und die wässrige Reduktionsmittellösung kann unmittelbar nach dem Einspritzen mit dem Abgas gemischt werden, wodurch ein solches Mischen weiter gefördert wird.
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Nach dem fünften Aspekt der Erfindung kann, da die kleinen Öffnungen ebenfalls nur in einem vorgegebenen Winkelbereich vorgesehen sind, das Abgas, das aus den kleinen Öffnungen strömt, ebenfalls im Mischrohr in Abhängigkeit vom Winkelbereich verwirbelt werden, wodurch es auf effizientere Weise mit der wässrigen Reduktionsmittellösung gemischt wird.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Draufsicht mit Darstellung einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
- 2 ist ein Querschnitt mit Darstellung einer Mischvorrichtung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
- 3 ist ein Querschnitt mit Darstellung eines relevanten Teils der Mischvorrichtung.
- 4 ist ein Querschnitt eines Mischrohrs, das in der Mischvorrichtung vorgesehen ist, entlang der Linie IV-IV in 3.
- 5A ist ein weiterer Querschnitt des Mischrohrs entlang der Linie V-V in 3.
- 5B ist ein weiterer Querschnitt des Mischrohrs aus einer anderen Richtung als der Richtung in 5A betrachtet.
- 6 ist ein Querschnitt mit Darstellung eines relevanten Teils einer Mischvorrichtung nach einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
- 7 ist ein Querschnitt eines Mischrohrs, das in der Mischvorrichtung der zweiten beispielhaften Ausführungsform vorgesehen ist, entlang der Linie VII-VII in 6.
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Beschreibung von beispielhaften Ausführungsform(en)
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Erste beispielhafte Ausführungsform
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Eine erste beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine Draufsicht mit Darstellung einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 nach der ersten beispielhaften Ausführungsform. Es sei darauf hingewiesen, dass sich in der folgenden Beschreibung der Ausdruck „stromaufwärts“ auf eine stromaufwärtige Seite in einer Strömungsrichtung des Abgases bezieht, und sich der Ausdruck „stromabwärts“ auf eine stromabwärtige Seite in der Strömungsrichtung des Abgases bezieht.
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Wie in 1 gezeigt ist, weist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 eine Dieselpartikelfilter- (nachstehend als „DPF“ abgekürzt) Vorrichtung 2, eine Mischvorrichtung 3, eine Vorrichtung 4 für eine selektive katalytische Reduktion (nachstehend als „SCR“ abgekürzt) auf. Diese Vorrichtungen 2 bis 4 sind in dem Abgasrohr vorgesehen, in dem das Abgas von einem (nicht gezeigten) Dieselmotor strömt. Bei einer Baumaschine, wie z. B. einem Hydraulikbagger, Radlader und Bulldozer, ist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 zusammen mit dem Motor in einem Motorraum aufgenommen.
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Die DPF-Vorrichtung 2 weist ein zylindrisches Gehäuse 21 und ein zylindrisches DPF 22 auf, das in dem Gehäuse 21 aufgenommen ist. Das DPF 22 fängt die Partikel im Abgas ein, das das DPF 22 durchläuft. Ein Oxidationskatalysator kann relativ zu dem DPF 22 stromaufwärts in dem Gehäuse 21 vorgesehen sein. Der Oxidationskatalysator aktiviert oxidativ einen Nacheinspritzungskraftstoff oder einen Dosierkraftstoff (beide sind das Gleiche wie Dieselmotorkraftstoff), der auf seiner stromaufwärtigen Seite zugeführt wird, um die Temperatur des Abgases, das in das DPF 22 eintritt, auf eine Temperatur zu erhöhen, bei der das DPF 22 regenerierbar ist. Das Abgas, das eine hohe Temperatur aufweist, bewirkt eine Selbstverbrennung (Ausbrennen) der vom DPF 22 eingefangenen Partikel, um das DPF 22 zu regenerieren.
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Die Mischvorrichtung 3 fügt eine wässrige Reduktionsmittellösung in Form einer wässrigen Harnstofflösung dem Abgas zu. Die Mischvorrichtung 3 weist auf: ein stromaufwärtiges Knierohr 31, das mit einem Auslassrohr 23 der DPF-Vorrichtung 2 verbunden ist und als ein Knierohr zum Ändern der Strömungsrichtung des Abgases, das durch die DPF-Vorrichtung 2 strömt, um ungefähr neunzig Grad dient; ein gerades Rohr 32, das mit einem stromabwärtigen Ende des stromaufwärtigen Knierohrs 31 verbunden ist und sich in einer Richtung erstreckt, die eine axiale Linie CL2 (2) des Auslassrohrs 23 der DPF-Vorrichtung 2 schneidet; ein stromabwärtiges Knierohr 33, das mit einem stromabwärtigen Ende des geraden Rohrs 32 zum weiteren Ändern der Strömungsrichtung des Abgases von dem geraden Rohr 32 um ungefähr neunzig Grad verbunden ist; und eine Einspritzeinrichtung 5, die an dem stromaufwärtigen Knierohr 31 angebracht ist und die wässrige Harnstofflösung in Richtung des geraden Rohrs 32 in ein Inneres des stromaufwärtigen Knierohrs 31 einspritzt. Die SCR-Vorrichtung 4 ist mit einem stromabwärtigen Ende des stromabwärtigen Knierohrs 33 verbunden.
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Die SCR-Vorrichtung 4 weist ein zylindrisches Gehäuse 41 und eine zylindrische SCR 42 auf, die in dem Gehäuse 41 aufgenommen ist. Die SCR 42 reduziert und reinigt Stickoxide im Abgas mit Ammoniak (Reduktionsmittel), das in der Mischvorrichtung 3 erzeugt wird. Ein Ammoniakreduktionskatalysator kann relativ zur SCR 42 stromabwärts in dem Gehäuse 41 vorgesehen sein. Der Ammoniakreduktionskatalysator oxidiert das Ammoniak, das in der SCR 42 nicht genutzt wird, um das Ammoniak unschädlich zu machen, wodurch Emissionen im Abgas weiter verringert werden.
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Die wässrige Harnstofflösung, die von der Einspritzeinrichtung 5 in das Abgas eingespritzt wird, wird von der Wärme des Abgases thermisch zersetzt, um zu Ammoniak zu werden. Das Ammoniak als ein Reduktionsmittel wird zusammen mit dem Abgas der SCR-Vorrichtung 4 zugeführt.
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Die oben beschriebene DPF-Vorrichtung 2, die Mischvorrichtung 3 und die SCR-Vorrichtung 4 sind so nebeneinander angeordnet, dass die Strömungsrichtungen des in den Vorrichtungen strömenden Abgases im Wesentlichen parallel verlaufen. Bei dieser Anordnung verlaufen die Richtungen des Abgases, das in der DPF-Vorrichtung 2 und der SCR-Vorrichtung 4 strömt, entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung des Abgases, das in der Mischvorrichtung 3 strömt. Somit sind diese Vorrichtungen 2 bis 4 in der Draufsicht im Wesentlichen in einer S-Form angeordnet. Entsprechend kann die Größe der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 insgesamt kompakt ausgelegt sein, wodurch ermöglicht wird, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 in einem begrenzten Aufnahmeraum, wie z. B. einem Motorraum, sicher angeordnet (z. B. an einem Motor montiert) werden kann.
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2 ist ein Querschnitt der Mischvorrichtung 3. Die Mischvorrichtung 3 wird nachstehend mit Bezug auf 2 besonders beschrieben.
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In der Mischvorrichtung 3, die in 2 gezeigt ist, ist ein Teil des stromaufwärtigen Knierohrs 31 zum Ändern der Strömungsrichtung des Abgases als ein Richtungsänderungsbereich 31A ausgebildet. Das stromaufwärtige Knierohr 31 weist auf: einen kreisförmigen Einlass 31B, der sich zu dem Auslassrohr 23 der DPF-Vorrichtung 2 hin öffnet und mit diesem verbunden ist; und einen kreisförmigen Auslass 31C, der zu dem geraden Rohr 32 hin geöffnet und mit diesem verbunden ist. Der Richtungsänderungsabschnitt 31A ist zwischen dem kreisförmigen Einlass 31B und Auslass 31C ausgebildet. Ein Anbringabschnitt 6 ist an einer Außenseite des Richtungsänderungsabschnitts 31A vorgesehen. Eine Einspritzeinrichtung 5 ist an einer Außenseite des Anbringabschnitts 6 angebracht. Ein Mischrohr 34, das als eine Abdeckung für die wässrige Harnstofflösung dient, die von der Einspritzeinrichtung 5 eingespritzt wird, ist an einer Innenseite (d. h. einer inneren Seite des Richtungsänderungsbereichs 31A) des Anbringabschnitts 6 angebracht. Details des Anbringabschnitts 6 und des Mischrohrs 34 werden später beschrieben.
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Das gerade Rohr 32 besitzt eine Doppelröhrenstruktur aus einer Außenröhre 35 und einer Innenröhre 36, die in der Außenröhre 35 angeordnet ist. Die Innenröhre 36 ist an einer Vielzahl von Tragausnehmungen 35A, die an der Außenröhre 35 vorgesehen sind, angeschweißt o. ä. und ist über ein ringförmiges Tragelement 35B an ihrem stromabwärtigen Ende an einer Innenwand der Außenröhre 35 angeschweißt o. ä. Ferner steht ein stromaufwärtiges Ende der Innenröhre 36 in das stromaufwärtige Knierohr 31 vor. Das stromaufwärtige Ende der Innenröhre 36 ist so ausgebildet, dass die wässrige Harnstofflösung, die von der Einspritzeinrichtung 5 in einem Einspritzwinkel θ1 (siehe gestrichelte Linien in 2) von ungefähr 25 Grad eingespritzt wird, sicher in das Innere der Innenröhre 36 eintritt. Eine Vielzahl von Öffnungen 36A ist in einer Zone nahe dem stromabwärtigen Ende der Innenröhre 36 vorgesehen.
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Das Abgas strömt in einen Spalt zwischen der Außenröhre 35 und der Innenröhre 36. Da die Tragausnehmungen 35A diskontinuierlich in Umfangsrichtung vorgesehen sind, strömt das eintretende Abgas durch die Spalte zwischen den Tragausnehmungen 35A zu dem Tragelement 35B. Das ringförmige Tragelement 35B blockiert den Strom des Abgases, so dass das Abgas durch die Öffnungen 36A in die Innenröhre 36 strömt, um sich mit dem Abgas zu vereinigen, das in der Innenröhre 36 strömt, damit es weiter stromabwärts strömt. Anders ausgedrückt wird die Innenröhre 36 auf effiziente Weise vom Abgas erwärmt, das innerhalb und außerhalb der Innenröhre 36 strömt. Somit wird die wässrige Harnstofflösung, die in das Innere der Innenröhre 36 eingespritzt wird, sicher thermisch zersetzt, ohne dass sie Tropfen bildet, selbst wenn sie an einer Innenwand der Innenröhre 36 anhaftet.
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3 zeigt das stromaufwärtige Knierohr 31 der Mischvorrichtung 3 in einer vergrößerten Ansicht. 4 und 5A zeigen jeweils Querschnitte entlang der Linie IV-IV und der Linie V-V in 3. 5B zeigt den geschnittenen Teil, der in der Figur von oben betrachtet wird.
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Wie in 3 gezeigt ist, weist der Anbringabschnitt 6 für die Einspritzeinrichtung 5 und das Mischrohr 34 eine erste Platte 61 zum Verschließen einer Einspritzeinrichtungs-Anbringöffnung 31D, die in dem Richtungsänderungsbereich 31A vorgesehen ist, und eine zweite Platte 62 auf, die an der ersten Platte 61 angebracht ist.
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Eine konkave Ausnehmung 63, die sich in Richtung des Inneren des Richtungsänderungsbereichs 31A vergrößert, ist in der Mitte der ersten Platte 61 vorgesehen. Eine Einspritzöffnung 64 ist in einem Tiefenteil der Ausnehmung 63 vorgesehen. Ein Ende einer Einspritzdüse 51 der Einspritzeinrichtung 5 steht durch die Einspritzöffnung 64 vor. Ein offener Grad θ2 (2) einer trichterförmig geneigten Wand 65 der Ausnehmung 63 ist, obwohl nicht besonders begrenzt, bei 90 Grad oder mehr, vorzugsweise 120 bis 140 Grad festgelegt, damit das Abgas leicht in die Tiefenseite der Ausnehmung 63, d. h. die Region um die Einspritzdüse 51 herum, eintreten kann.
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Ein flacher ringförmiger Befestigungsabschnitt 66, der rechtwinklig zu einer axialen Linie CL1 des geraden Rohrs 32 verläuft, ist an einem Außenumfang der Ausnehmung 63 vorgesehen. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist ein Ende des Mischrohrs 34 an dem Befestigungsabschnitt 66 angeschweißt. Das Mischrohr 34 umgibt eine stromabwärtige Seite der Einspritzdüse 51. Die Einspritzdüse 51, das Mischrohr 34 und das gerade Rohr 32 sind von einer stromabwärtigen Seite aus sequenziell entlang der gemeinsamen axialen Linie CL1 angeordnet. Das Abgas wird von einer unteren Seite (in der Figur) nahe dem Einlass 31B des stromaufwärtigen Knierohrs 31 in das Mischrohr 34 geblasen, das in dem Richtungsänderungsabschnitt 31A aufgenommen ist. Die Richtung des Abgasstroms von der unteren Seite aus wird an dem Richtungsänderungsabschnitt 31A so geändert, dass sie entlang der axialen Linie CL1 verläuft.
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Andererseits dient ein Spalt zwischen der ersten Platte 61 und der zweiten Platte 62 als ein Wärmeisolierraum. Der Wärmeisolierraum verhindert eine Wärmeübertragung von der ersten Platte 61, die dem Abgas ausgesetzt ist, zu der zweiten Platte 62, wodurch verhindert wird, dass die Einspritzeinrichtung 5, die an der zweiten Platte 62 angebracht ist, direkt von der Wärme beeinflusst wird.
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Wie in 3, 4 und 5A gezeigt ist, besitzt das Mischrohr 34 charakteristische Merkmale einer Vielzahl von kreisförmigen Löchern 34A (kleine Öffnungen), die an einer Umfangswand nahe dem geraden Rohr 32 vorgesehen sind, und drei rechteckige Ausschnitte 34B, 34C und 34D (große Öffnungen), die an der Umfangswand nahe der Einspritzeinrichtung 5 vorgesehen sind. Das Abgas strömt durch die kreisförmigen Löcher 34A und die Ausschnitte 34B, 34C und 34D in das Innere des Mischrohrs 34. Die kreisförmigen Löcher 34A sind in einer Längsrichtung des Mischrohrs 34 im Wesentlichen gleichmäßig von ungefähr der Mitte bis zu einer Zone nahe dem geraden Rohr 32 vorgesehen.
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Die Ausschnitte 34B, 34C und 34D sind in der Umfangsrichtung an einem Längsende nahe dem Befestigungsabschnitt 66 an dem Mischrohr 34 vorgesehen. Das Abgas, das durch die Ausschnitte 34B, 34C und 34D in das Mischrohr 34 strömt, wird durch das Vorhandensein der Ausschnitte 34B, 34C und 34D am Ende des Mischrohrs 34 in Richtung der Einspritzdüse 51 geleitet. Eine Länge L2 jedes der Ausschnitte 34B, 34C und 34D beträgt ungefähr 34 % (L2/L1 ≈ 0,34) einer Länge L1 des gesamten Mischrohrs 34.
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Somit strömt das Abgas, das die Ausschnitte 34B, 34C und 34D durchläuft, ruhig in Richtung der Ausnehmung 63, wobei es dicht über einer Fläche des Befestigungsabschnitts 66 strömt, um in Richtung der Einspritzdüse 51 geleitet zu werden. Folglich wird, da der Teil um die Ausnehmung 63 herum zwecks Temperaturerhöhung vom Abgas erwärmt wird, selbst dann, wenn die von der Einspritzeinrichtung 5 eingespritzte wässrige Harnstofflösung zu der Ausnehmung 63 zurückkehrt, die wässrige Harnstofflösung leicht erwärmt und zersetzt, wodurch verhindert wird, dass die wässrige Harnstofflösung in der Ausnehmung 63 verweilt, wo sie kristallisiert oder sich absetzt.
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Das Mischrohr 34 wird durch Stanzen etc. einer flachen Metallplatte zwecks Ausbildung der kreisförmigen Löcher 34A und der rechteckigen Ausschnitte 34B, 34C und 34D, Biegen der Metallplatte in einer vorgegebenen abgewickelten Ausgestaltung in eine zylindrische Form nach dem Stanzen und Verschweißen des stumpfen Abschnitts der gebogenen Platte erzeugt. Der Durchmesser und die Länge des Mischrohrs 34 sind so ausgelegt, dass die wässrige Harnstofflösung, die von der Einspritzeinrichtung 5 eingespritzt wird, nicht mit dem Mischrohr 34 in Kontakt kommt (siehe θ1 in gestrichelten Linien in 2).
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Wie in 4 gezeigt ist, sind dann, wenn das Mischrohr 34 am Umfang in Neunzig-Grad-Abständen gevierteilt ist, anders ausgedrückt, wenn eine erste Zone A1, eine zweite Zone A2, eine dritte Zone A3 und eine vierte Zone A4 entgegen dem Uhrzeigersinn vom untersten Teil, an dem das Abgas aus der DPF-Vorrichtung 2 eingeblasen wird, aus ausgebildet sind, die kreisförmigen Löcher 34A nur in der ersten Zone A1 und der dritten Zone A3 vorgesehen, und zwar punktsymmetrisch mit der ersten Zone A1. Die kreisförmigen Löcher 34A sind über die Gesamtheit der ersten und dritten Zonen A1 und A3 vorgesehen.
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Da die kreisförmigen Löcher 34A in den vorgegebenen Zonen, wie z. B. den ersten und dritten Zonen A1 und A3, konzentriert sind, erzeugt das Abgas, das durch die kreisförmigen Löcher 34A in das Mischrohr 34 strömt, einen Wirbel, wodurch das Abgas auf effiziente Weise mit der eingespritzten wässrigen Harnstofflösung gemischt wird. Die Größe und Anzahl der kreisförmigen Löcher 34A werden wie gewünscht festgelegt, wobei der Durchmesser und die Länge des Mischrohrs 34 und die Mischbedingung des Abgases und der wässrigen Harnstofflösung berücksichtigt werden.
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Wie in 5A gezeigt ist, sind die Ausschnitte 34B, 34C und 34D des Mischrohrs 34 achssymmetrisch um eine Mittellinie Ov (Symmetrielinie) herum angeordnet, die in der Figur senkrecht gezeichnet ist. Die Öffnungsflächen der Ausschnitte 34B und 34D sind gleich, während die Öffnungsfläche des Ausschnitts 34C größer ist als die Öffnungsflächen der Ausschnitte 34B und 34D.
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Insbesondere nimmt der Ausschnitt 34B ungefähr zwei Drittel der ersten Zone A1 ein und tritt teilweise in die zweite Zone A2 ein. Der Ausschnitt 34C ist so vorgesehen, dass er ungefähr eine Hälfte der zweiten Zone A2 und eine Hälfte der dritten Zone A3 um die Mittellinie Ov herum einnimmt. Der Ausschnitt 34D ist achssymmetrisch zu dem Ausschnitt 34B. Der Ausschnitt 34D nimmt ungefähr zwei Drittel der vierten Zone A4 ein und tritt teilweise in die dritte Zone A3 ein.
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Die anderen Teile außer den Ausschnitten 34B, 34C und 34D am Ende des Mischrohrs 34 nahe dem Befestigungsabschnitt 66 definieren drei Tragabschnitte 34E, 34F und 34G, die von der Umfangswand gebildet sind. Die Tragabschnitte 34E, 34F und 34G sind ebenfalls achssymmetrisch um die Mittellinie Ov (Symmetrielinie) herum angeordnet. Ränder der Tragabschnitte 34E, 34F und 34G sind an dem Befestigungsabschnitt 66 angeschweißt. Die Umfangslänge des Tragabschnitts 34E ist jeweils länger als die Umfangslänge der Tragabschnitte 34F und 34G. Die Umfangslänge des Tragabschnitts 34F ist die gleiche wie die des Tragabschnitts 34G.
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Der Tragabschnitt 34E ist in beiden der ersten und vierten Zonen A1 und A4 vorhanden, anders ausgedrückt ist er zwischen den Ausschnitten 34B und 34D angeordnet, um um die Mittellinie Ov als eine Symmetrielinie herum achssymmetrisch zu sein. Ein Winkel α, der von beiden Umfangsrändern des Tragabschnitts 34E und einer Mitte O (die gleiche wie die axiale Linie CL1) des Mischrohrs 34 gebildet ist, beträgt ungefähr 60 bis 70 Grad. Die Tragabschnitte 34F und 34G sind jeweils in den zweiten und dritten Zonen A2 und A3 vorhanden. Ferner liegt dann, wenn das Mischrohr 34 von der axialen Linie CL1 (Mitte O) in einer Richtung auf den Einlass 31B (2 und 3) des stromaufwärtigen Knierohrs 31 zu betrachtet wird, die Einspritzzone (eine Zone, die in 5 mit dem Einspritzwinkel θ1 gezeigt ist) der wässrigen Harnstofflösung innerhalb einer Projektionsbreite W des Tragabschnitts 34E ohne Ausschnitt in einer Richtung, die rechtwinklig zu der axialen Linie CL1 verläuft, wie in 5 B gezeigt ist, wodurch verhindert wird, dass das aus der DPF-Vorrichtung 2 strömende Abgas direkt in die wässrige Harnstofflösung geblasen wird. Anders ausgedrückt ist der Tragabschnitt 34E eine Zone mit einer vorgegebenen Breite ohne Öffnung, innerhalb derer die Einspritzzone begrenzt ist.
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Wie oben beschrieben ist, ist der Tragabschnitt 34E so angeordnet, dass er den (in der Figur) untersten Teil des Mischrohrs 34 abdeckt. Da ein großer Teil des aus der DPF-Vorrichtung 2 strömenden Abgases mit dem Tragabschnitt 34E kollidiert, tritt das Abgas nicht schnell in das Mischrohr 34 ein, ohne seine Strömungsrichtung zu ändern. Somit wird die wässrige Harnstofflösung unmittelbar nach dem Einspritzen weder in Richtung der zweiten und dritten Zonen A2 und A3 geblasen noch in hohem Maße vom Abgas abgeleitet.
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Das Strömen des Abgases in dem stromaufwärtigen Knierohr 31 wird nachstehend mit Bezug auf 3 bis 5 beschrieben. In diesen Figuren ist das Strömen des Abgases von durchgezogenen Pfeilen angezeigt.
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Wie in 3 gezeigt ist, strömt das aus der DPF-Vorrichtung 2 strömende Abgas durch den Einlass 31B des stromaufwärtigen Knierohrs 31 in Richtung des Richtungsänderungsbereichs 31A. Das entlang der Innenseite des Richtungsänderungsbereichs 31A strömende Abgas strömt direkt entlang einer Innenwand des Richtungsänderungsbereichs 31A in Richtung der Innenröhre 36. Andererseits strömt der größte Teil des übrigen Abgases in Richtung des Mischrohrs 34.
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In der Nähe des Mischrohrs 34 strömt das Abgas durch die kreisförmigen Löcher 34A in das Mischrohr 34, wie in 4 gezeigt ist. Dabei erzeugt, da die kreisförmigen Löcher 34A nur in den ersten und dritten Zonen A1 und A3 vorgesehen sind, das Abgas einen Wirbel in dem Mischrohr 34. Wenn die wässrige Harnstofflösung in den Wirbel eingespritzt wird, wird die Größe der Partikel der wässrigen Harnstofflösung verringert, damit diese auf effiziente Weise mit dem Abgas gemischt werden, wodurch eine thermische Zersetzung gefördert wird. Anschließend strömt das Abgas in Richtung der Innenröhre 36.
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Im Gegensatz dazu strömt, wie in 5A und 5B gezeigt ist, in der Nähe der Ausschnitte 34B, 34C und 34D, sogar in der Nähe des Mischrohrs 34, das Abgas durch die Ausschnitte 34B, 34C und 34D in das Mischrohr 34. Nachdem das Abgas entlang des Befestigungsabschnitts 66, insbesondere an einer Seite nahe dem Befestigungsabschnitt 66, geströmt ist, strömt das Abgas entlang der geneigten Wand 65 der Ausnehmung 63, die in dem großen offenen Grad θ2 (2) vergrößert ist, in Richtung der Einspritzdüse 51, um dicht über der Region um die Einspritzdüse 51 herum zu strömen und folglich von dem Wirbel mitgerissen zu werden. Entsprechend wird, da der Teil um die Ausnehmung 63 herum vom Abgas erwärmt wird, um auf einer hohen Temperatur gehalten zu werden, die wässrige Harnstofflösung, die verwirbelt wird, um zu der Ausnehmung 63 zurückgeführt zu werden, daran gehindert, in der Region um die Einspritzdüse 51 herum zu verweilen und folglich zu kristallisieren, um sich abzusetzen.
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Ferner kollidiert, wie oben beschrieben ist, an dem Teil nahe dem Befestigungsabschnitt 66 der größte Teil des aus der DPF-Vorrichtung 2 strömenden Abgases mit dem Tragabschnitt 34E, der zwischen den Ausschnitten 34B und 34D vorgesehen ist, um am Strömen gehindert zu werden, und strömt nicht direkt in das Mischrohr 34. Entsprechend strömt das Abgas in Richtung der Ausschnitte 34B, 34C und 34D, wodurch das Abgas in drei Richtungen in das Mischrohr 34 strömt. Somit wird die in das Mischrohr 34 eingespritzte wässrige Harnstofflösung nicht so geblasen, dass sie vom Abgas unmittelbar nach dem Einspritzen in eine Richtung abgeleitet wird, wodurch die wässrige Harnstofflösung in einer richtigen Richtung eingespritzt wird, um auf effiziente Weise mit dem Abgas gemischt zu werden.
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Zweite beispielhafte Ausführungsform
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6 ist ein Querschnitt mit Darstellung des stromaufwärtigen Knierohrs 31 der Mischvorrichtung 3 nach einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. 7 ist ein Querschnitt des Mischrohrs 34, das in dem stromaufwärtigen Knierohr 31 vorgesehen ist, entlang der Linie VII-VII in 6. Es sei darauf hingewiesen, dass sich bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen Komponenten oder die Komponenten mit ähnlichen Funktionen bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform wie diejenigen der ersten beispielhaften Ausführungsform beziehen, damit die Erläuterung wegfallen oder vereinfacht werden kann.
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Wie in 6 und 7 gezeigt ist, unterscheiden sich die Anzahl, Lage und axiale Länge der Ausschnitte des Mischrohrs 34 der zweiten beispielhaften Ausführungsform wesentlich von denen der ersten beispielhaften Ausführungsform. Die anderen Anordnungen (z. B. die Form der Ausschnitte und Zonen für die vorzusehenden kreisförmigen Löcher) sind die gleichen wie diejenigen der ersten beispielhaften Ausführungsform.
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Das Mischrohr 34 nach der zweiten beispielhaften Ausführungsform weist ein Paar von Ausschnitten 34H und 34J (große Öffnungen) auf, die jeweils in den ersten und dritten Zonen A1 und A3 vorgesehen sind. Axiale Längen der Ausschnitte 34H und 34J sind kürzer als diejenigen der Ausschnitte 34B, 34C und 34D der ersten beispielhaften Ausführungsform, es ist jedoch entsprechend eine größere Anzahl von kreisförmigen Löchern 34A vorgesehen. Eine Länge L2 jedes der Ausschnitte 34H und 34J beträgt ungefähr 8 % (L2/L1 = 0,08) des gesamten Mischrohrs 34.
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Andererseits besitzt der Ausschnitt 34H eine Umfangslänge, die sich im Wesentlichen über die gesamte erste Zone A1 erstreckt. Anders ausgedrückt treten Umfänge der Tragabschnitte 34K und 34L, die zwischen dem Ausschnitt 34H und dem Ausschnitt 34J angeordnet sind, nur geringfügig in die erste Zone A1 ein, und der größte Teil der ersten Zone A1 wird von dem Ausschnitt 34H eingenommen. Der Ausschnitt 34J ist in der Umfangslänge kürzer als der Ausschnitt 34H und befindet sich näher an der zweiten Zone A2 in der dritten Zone A3. Die Tragabschnitte 34K und 34L sind umfangsmäßig lang genug, um die zweiten und vierten Zonen A2 und A4 vollständig abzudecken.
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Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Ausschnitt 34H umfangsmäßig weit geöffnet, und der angrenzende Tragabschnitt 34L ist nicht lang genug, um die erste Zone A1 im (in der Figur) untersten Teil des Mischrohrs 34 umfangsmäßig abzudecken.
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Da jedoch die axiale Länge des Ausschnitts 34H kurz ist, ist die Öffnungsfläche nicht so groß wie diejenige der ersten beispielhaften Ausführungsform. Ferner sind die Ausschnitte 34H und 34J auf die gleiche Weise punktsymmetrisch wie die kreisförmigen Löcher 34A, und das Abgas, das durch die Ausschnitte 34H und 34J in das Mischrohr 34 strömt, erzeugt einen Wirbel wie bei dem Abgas, das durch die kreisförmigen Löcher 34A strömt. Ferner sind die Tragabschnitte 34K und 34L umfangsmäßig lang genug, um die zweiten und vierten Zonen A2 und A4 vollständig abzudecken.
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Entsprechend enthält das Abgas, das durch die Ausschnitte 34H und 34J in das Mischrohr 34 strömt, unmittelbar nach dem Eintreten Wirbelkomponenten, so dass das Abgas strömt, während es die geneigte Wand 65 der Ausnehmung 63 entlang in Richtung der Einspritzdüse 51 wirbelt, um dicht über der Region um die Einspritzdüse 51 herum zu strömen. Somit wird, da der Teil um die Ausnehmung 63 herum vom Abgas auf einer hohen Temperatur gehalten wird, selbst dann, wenn die wässrige Harnstofflösung, die von der Einspritzdüse 51 eingespritzt wird, in Form eines Wirbels zu der Ausnehmung 63 zurückkehrt, die wässrige Harnstofflösung daran gehindert, zu verweilen.
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Da das Abgas, das durch die Ausschnitte 34H und 34J strömt, eine größere Wirbelkomponente begleitet, wird selbst dann, wenn die Seite des Mischrohrs 34 nahe der DPF-Vorrichtung 2 (untere Seite in 7) nicht in ausreichendem Maße von dem Tragabschnitt 34K abgedeckt ist, die wässrige Harnstofflösung aus der Einspritzdüse 51 daran gehindert, vom Abgas in übermäßigem Maße in Richtung der zweiten und dritten Zonen A2 und A3 geblasen zu werden, sondern sie wird in einer richtigen Richtung eingespritzt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist, sondern Modifikationen und Verbesserungen umfasst, solange die Modifikationen und Verbesserungen mit der Erfindung kompatibel sind.
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Beispielsweise sind die Ausschnitte 34B, 34C, 34D, 34H und 34J (große Öffnungen) bei den oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zwar rechteckig, und die Öffnungen sind von kreisförmigen Löchern 34A (kleine Öffnungen) gebildet, die Form der Ausschnitte und der Öffnungen kann jedoch wie gewünscht festgelegt werden und ist nicht auf rechteckig und kreisförmig beschränkt. Ferner können die Anzahl und dergleichen der großen Öffnungen bei der Ausführung der Erfindung wie gewünscht festgelegt werden.
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Die großen Öffnungen sind nicht auf einen Ausschnitt beschränkt, sondern können als eine vollständig umgegebene Öffnung vorgesehen sein.
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Der Tragabschnitt 34E, der von einer Umfangswand gebildet ist, ist bei der ersten beispielhaften Ausführungsform an einem Teil des Mischrohrs 34 nahe dem Einlass 31B des stromaufwärtigen Knierohrs 31 vorgesehen, und die Ausschnitte 34H und 34J sind bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform in den ersten und dritten Zonen A1 und A3 vorgesehen, um zu verhindern, dass die wässrige Harnstofflösung, die in das Mischrohr 34 eingespritzt wird, vom Abgas geblasen wird. Da es jedoch möglich ist, die Region um die Einspritzdüse 51 herum durch das Abgas zu erwärmen, selbst dann, wenn ein Ausschnitt an einer Seite nahe dem Einlass 31B vorgesehen ist, ist eine solche Anordnung mit der Erfindung kompatibel und fällt ebenfalls in den Umfang der Erfindung.
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Obwohl wässrige Harnstofflösung als die wässrige Reduktionsmittellösung verwendet wird, kann bei einer Modifikation der Erfindung das andere Fluid als die wässrige Reduktionsmittellösung verwendet werden.
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Industrielle Anwendung
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Die Erfindung ist auf geeignete Weise auf eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung anwendbar, die in einer Baumaschine eingebaut ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 2
- DPF-Vorrichtung (Filtervorrichtung)
- 3
- Mischvorrichtung für eine wässrige Reduktionsmittellösung
- 4
- Vorrichtung für eine selektive katalytische Reduktion (SCR)
- 5
- Einspritzeinrichtung
- 23
- Auslassrohr
- 31
- Stromaufwärtiges Knierohr (Knierohr)
- 31B
- Einlass
- 32
- Gerades Rohr
- 34
- Mischrohr
- 34A
- Kreisförmige Löcher (kleine Öffnungen)
- 34B, 34C, 34D, 34H, 34J
- Ausschnitte (große Öffnung)
- 34E
- Tragabschnitt, gebildet von einer Umfangswand
- A1
- Erste Zone (Winkelbereich)
- A3
- Dritte Zone (Winkelbereich)
- CL1, CL2
- Axiale Linien
