Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Leiten und zum Behandeln eines Abgasstroms mit einem Außengehäuse, einem an das Außengehäuse anschließen- den Einlassrohr und einem an das Außengehäuse anschließenden Auslassrohr und einem im Außengehäuse angeordneten und den Abgasstrom leitenden Strömungs- kanal mit einer Kanalwand und mit mehreren Kanalabschnitten, der das Einlassrohr mit dem Auslassrohr verbindet. Die Vorrichtung zum Leiten und zum Behandeln ei- nes Abgasstroms weist zudem eine erste SCR-Katalysator-Einheit und eine stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit angeordnete zweite SCR-Katalysator-Einheit so- wie eine stromauf der ersten SCR-Katalysator-Einheit vorgesehene erste Öffnung im Außengehäuse für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungskanal auf.

Ein Strömungskanal im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung, die den Abgasstrom leitet und die durch die das Abgas führenden Kanalwände und gegebenenfalls auch inklusive der Wand des Außengehäuses gebildet wird. Das Außengehäuse, in dem der Strömungskanal angeordnet ist, ist als Box ausgebildet. Das Abgas durchströmt den Strömungskanal in einer Strömungsrichtung. Alle Komponenten wie beispiels- weise auch SCR-Katalysator-Einheiten sind im Strömungskanal angeordnet. Diese Kanalwände werden gebildet durch Wände von Rohren oder Wände von Gehäusen und dem Außengehäuse oder durch sonstige Bauteile wie Substrate etc., die mit In- nen- und/oder Außenflächen den Abgasstrom führen und die den Strömungskanal hauptsächlich in rechtwinkliger Richtung zur Strömungsrichtung, aber auch grund- sätzlich begrenzen. Dabei begrenzt die jeweilige Wand den Strömungskanal in Be- zug auf die jeweilige mittige Strömungsachse nach innen oder nach außen. In dem besonderen Fall einer Wärmetransferzone begrenzt dieselbe Wand einen Kanalab- schnitt des Strömungskanals nach innen und einen anderen Kanalabschnitt des Strö- mungskanals nach außen. Oder zumindest begrenzt dieselbe Wand einen Kanalab- schnitt einer Wärmetransferzone in eine andere Richtung als einen anderen Kanal- abschnitt der Wärmetransferzone. Als Kanalabschnitt ist ein Teilstück des Strö- mungskanals in Strömungsrichtung zu verstehen. Unter der Strömungsrichtung ist die grundsätzliche Hauptströmungsrichtung innerhalb des Strömungskanals zu ver- stehen. Die Strömungsrichtung ändert sich relativ zur zentralen Achse des Außengehäuses. Sonstige von der Hauptströmungsrichtung abweichenden Strö- mungsrichtungen sind für die hier maßgebliche Definition der gegenständlichen Merkmale nur dann relevant, wenn explizit darauf Bezug genommen wird. Einzelne in Strömungsrichtung nacheinander angeordnete Punkte werden als stromab ange- ordnet bezeichnet. Entsprechend werden entgegen der Strömungsrichtung angeord- nete Punkte als stromauf angeordnet bezeichnet. Einzelne Bauteile sind dünn- oder einwandige Blechteile, insbesondere die Wärmetransferzonen.

Grundsätzlich können die Rohre und Katalysatoren neben einem runden Querschnitt auch einen ovalen Querschnitt oder auch einen Querschnitt mit mehreren geraden Seitenflächen in Form eines Polygons aufweisen. Jedes den Strömungskanal bil- dende Bauteil steht unmittelbar in Kontakt mit dem Abgasstrom.

Je nach Prozess innerhalb dieser Vorrichtung hat der Abgasstrom auf der einen Seite eines beidseitig umströmten Bauteils eine andere Temperatur als auf der anderen Seite. Die Bauweise aus Blech ermöglicht einen Wärmeübertrag durch das jeweilige Bauteil von dem heißeren Abgasstrom in den relativ kälteren Abgasstrom. Dieser Wärmeeintrag wird nicht nur beeinflusst durch die Temperaturdifferenz von der In- nenseite zu der Außenseite und durch die Länge des jeweiligen Abschnitts in Strö- mungsrichtung oder der Verweildauer des Abgasstroms, sondern auch durch die Strömungsrichtung. Werden die Innen- und die Außenseite in gleicher Richtung durchströmt, dann nimmt die Temperaturdifferenz in Strömungsrichtung ab. Bei einer entgegengesetzten Durchströmung bleibt die Temperaturdifferenz konstanter. Stromab, stromauf bezieht sich auf den Strömungskanal und die im Strömungskanal gegebene Strömungsrichtung. Dabei gilt per Definition stromab und stromauf auch in Bezug auf ein Abgasteilchen, das sich im Strömungskanal in einer sich ändernden Strömungsrichtung bewegt. Das Teilchen ist beispielsweise zu einem Zeitpunkt t1 an einer Position in axialer Richtung eines Rohrs auf der Innenseite des Rohrs und zu einem Zeitpunkt t2 größer t1 an einer Position in axialer Richtung auf der Außenseite des Rohrs.

Ineinander angeordnete Kanalabschnitte werden auch als „duct-in-duct“ bezeichnet. Im Sinne dieser Erfindung definiert eine solche „duct-in-duct“-Konstruktion oder -An- ordnung zwei stromab nacheinander und nebeneinander angeordnete Kanalabschnitte, die eine gemeinsame Kanalwand aufweisen, durch die die Wärme vom wärmeren Abgasstrom zum kälteren Abgasstrom geleitet wird. Die derart über- tragene Wärme wird als passive Wärme oder passive Wärmezufuhr bezeichnet. Ne- beneinander bedeutet im Wesentlichen in einer Richtung rechtwinklig zur Strömungs- richtung nebeneinander. Über die gemeinsame Kanalwand wird unmittelbar Wärme von einem heißeren Abgas in einem der beiden Kanalabschnitte auf ein kühleres Abgas in dem anderen Kanalabschnitt übertragen. Mittel zur Vergrößerung der Ober- fläche der Wand des jeweiligen Kanalabschnitts sind dabei wahlweise miterfasst. Nicht erfasst von einer „duct-in-duct“ Anordnung sind Monolithen wie Katalysatoren oder Filter in den benachbarten Kanalabschnitten, weil der Monolith nicht den unmit- telbaren Wärmeübertrag vom Abgasstrom auf die Kanalwand ermöglicht. Die „duct- in-duct“ Anordnung dient dazu, die Wärme des Abgasstroms auf die Kanalwand zu übertragen und stromab der jeweiligen „duct-in-duct“ Anordnung eine bessere Reak- tion im SCR-Katalysator zu erreichen. Durch einen Monolithen Monolithen in dem jeweiligen Kanalabschnitt wäre der Wärmeübertrag des gesamten Abgasstroms nicht möglich, weil der Abgasstrom nicht direkt mit Kanalwand in Berührung kommt, son- dern nur mit dem Monolithen. Der Abgasstrom wird erfindungsgemäß auch in der „duct-in-duct“-Anordnung durch die Kanalwand geleitet und nicht durch den Monolit- hen. Der Abgasstrom wird erfindungsgemäß auch in der „duct-in-duct“-Anordnung Die gemeinsame Kanalwand ist bevorzugt einwandig, sie kann aber auch doppel- oder mehrwandig sein. Im Sinne dieser Erfindung ist mit dem Merkmal „duct-in-duct“ auch eine Anordnung erfasst, bei der der Abgasstrom von einem Kanal auf mehrere Kanäle aufgeteilt wird, solange das Merkmal einer gemeinsamen Kanalwand für alle Kanäle und für den gesamten Abgasstrom zu demselben Zeitpunkt t erfüllt ist.

Abgasbehandlungseinrichtungen mit zwei hintereinander geschalteten SCR- Katalysatoren sind aus der US 6,444,177 B1 bekannt. Nach der DE 697 04 351 T2 ist eine Gehäuseanordnung mit einer stromab oder stromauf weiterer Monolithen an- geordneten SCR-Katalysatoreinheit mit einer Position für die Zuführung von Reduk- tionsmittel bekannt. Jeweils zwei Einheiten von Monolithen befinden sich in ineinan- der liegenden Kanalabschnitten. Der Abgasstrom wird in diesen Kanalabschnitten jedoch durch die Katalysatoren geleitet und nicht durch die Kanalabschnitte als Teil des Strömungskanals. Die DE 100 22 981 A1 nimmt ohne Bezug zu einem Gehäuse die theoretische Anordnung von zwei stromab nacheinander angeordneten SCR- Katalysatoreinheiten mit jeweils einer separaten Zuführung von Reduktionsmittel vor- weg.

Aufgabe ist es, mit der vom Abgasstrom in das Außengehäuse eingebrachten Wär- meenergie die Hydrolysereaktion zu maximieren und gleichzeitig zusätzliche Energie zu sparen. Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass stromab der ersten SCR- Katalysator-Einheit und stromauf der zweiten SCR-Katalysator-Einheit eine zweite Öffnung im Außengehäuse für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungska- nal vorgesehen ist und der Strömungskanal zwei hintere Kanalabschnitte mit einer gemeinsamen hinteren Kanalwand aufweist, wobei die beiden hinteren Kanalab- schnitte in einer Richtung rechtwinklig zu der Strömungsrichtung nebeneinander und in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind und ein hinteres Paar bilden, wobei der zweite Kanalabschnitt des hinteren Paares stromab der ersten SCR- Katalysator-Einheit angeordnet ist. Das Abgasgehäuse in Form einer Box weist hin- tereinander geschaltete SCR-Einheiten auf, bei der für jede der beiden hintereinan- der geschalteten SCR-Einheiten eine separate Einspritzung für Reduktionsmittel vor- gesehen ist. Das Außengehäuse bildet insbesondere im Bereich der Öffnung einen Teil des Strömungskanals. Durch das Einbringen des Reduktionsmittels an mehreren Positionen entlang des Strömungskanals wird eine ähnliche Wirkung erreicht wie durch die Verlängerung der Messstrecke. Denn an jeder der Positionen wird eine entsprechend kleinere Menge an Reduktionsmittel eingebracht, für die der notwen- dige Strömungsweg für eine gleichmäßige Verteilung und Hydrolyse entsprechend kleiner ist. Erfindungswesentlich ist es dabei, dass die beiden ersten SCR-Einheiten in einem als Box gestalteten Außengehäuse angeordnet sind. Die Box hat den ther- mischen Vorteil, dass die Wärme, die über die Kanalwände entlang des gesamten Strömungskanals abgegeben wird, zunächst für ein relativ hohes Temperaturniveau des gesamten Abgasstroms in der Box sorgt, weil sie eine thermisch geschlossene Einheit bildet. Dieser Vorteil überwiegt gegenüber dem Nachteil des geringen Platz- angebots in einem als Box gestalteten Außengehäuse. Erfindungsgemäß wird er- reicht, dass noch ausreichend passive Wärme stromab der ersten SCR-Katalysator- Einheit vorhanden ist, um die Hydrolyse vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit und nicht die vor der ersten SCR-Katalysator-Einheit zu unterstützen. Diese Maßnahme dient dazu, die passive Wärmezufuhr vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit zu gewährleisten.

Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Öffnung im Außengehäuse vorgese- hen ist und das Außengehäuse im Bereich der Öffnung einen Teil des Strömungska- nals bildet. Dadurch wird erreicht, dass kein zusätzliches Bauteil im Außengehäuse zum Anschließen des Injektors an den Strömungskanal notwendig ist.

Ergänzend kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass stromab der Öffnung und stromauf der SCR-Katalysator-Einheit ein Mischrohr oder ein Mischer als stati- sches Mischelement vorgesehen ist. Das Mischrohr bildet dabei weder eine Auf- nahme noch ein Lager für den Injektor.

Ferner kann es zur Nutzung der übertragenen Wärme vorteilhaft sein, wenn der Strö- mungskanal zwei vordere Kanalabschnitte mit einer gemeinsamen vorderen Kanal- wand aufweist, wobei die beiden vorderen Kanalabschnitte in einer Richtung recht- winklig zu einer Strömungsrichtung nebeneinander und in Strömungsrichtung nach- einander angeordnet sind und ein vorderes Paar als „duct-in-duct“ Anordnung für eine passive Wärmezufuhr bilden. Eine solche Geometrie wird als „duct-in-duct“ bezeich- net und dient als Wärmetransferzone für Wärme von einem heißen Abgasstrom zu einem relativ kälteren Abgasstrom. Diese Art der Wärmezufuhr in den relativ kälteren Abgasstrom wird mit passiver Wärmezufuhr umschrieben. Im Gegenteil dazu wird mit Hilfe einer zusätzlichen Einrichtung zum Erzeugen von thermischer Energie wie bei- spielsweise einem Brenner eine aktive Wärmezufuhr im Sinne dieser Erfindung um- schrieben.

Es ist wesentlich, dass der Strömungskanal zwei weitere ein hinteres Paar bildende hintere Kanalabschnitte mit einer gemeinsamen hinteren Kanalwand aufweist, wobei die beiden hinteren Kanalabschnitte in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strö- mungsrichtung im Strömungskanal nebeneinander und in Strömungsrichtung stromab nacheinander angeordnet sind eine „duct-in-duct“ Anordnung für eine pas- sive Wärmezufuhr bilden. Durch den hintereinander geschalteten zweifachen Wär- meaustausch innerhalb des Abgasstroms wird es möglich, die passive Wärmezufuhr im Strömungskanal zu verbessern und gleichzeitig über die gesamte Länge des Strömungskanals eine relativ ausgeglichene, aber auch für die Hydrolysereaktion ausreichend hohe Temperatur zu erreichen.

Das Abgasgehäuse in Form einer Box weist erfindungsgemäß zwei unabhängig von- einander funktionierende und als System hintereinander geschaltete „duct-in-duct“- Zonen auf, in denen jeweils eine „duct-in-duct“-Anordnung vorgesehen ist. Durch den hintereinander geschalteten zweifachen Wärmeaustausch innerhalb des Ab- gasstroms wird es möglich, die passive Wärmezufuhr im Strömungskanal zu verbes- sern und gleichzeitig über die gesamte Länge des Strömungskanals eine relativ aus- geglichene, aber auch für die Hydrolysereaktion ausreichend hohe Temperatur zu erreichen. Es wurde ermittelt, dass eine ausreichend hohe Temperatur in der zweiten ,,duct-in-duct“-Zone gewährleistet werden kann, wenn in der ersten „duct-in-duct“- Zone nicht der maximal mögliche, sondern nur der für eine Reaktion notwendige Wär- meaustausch realisiert wird. Für die zweite „duct-in-duct“-Zone bleibt auch aufgrund der Geometrie der Box ausreichend Wärme übrig. Die Geometrie des Außengehäu- ses als Box ist wesentlich, weil die Box eine thermisch geschlossene Einheit bildet, in der sich grundsätzlich die Wärme hält und über den Strömungskanal verteilt. In der Box werden ausreichend hohe Temperaturen in wichtigen Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine erreicht, um das gesamte eingebrachte Reaktionsmittel einer Hydrolysereaktion zuzuführen und die nachgeordnete Reaktion mit einzelnen Komponenten des Abgases zu gewährleisten. Die Trennung der beiden Kanalab- schnitte der jeweiligen „duct-in-duct“-Zone durch nur eine und bevorzugt einfache oder einwandige Kanalwand ermöglicht einen optimalen Wärmeaustausch in der Wärmetransferzone, in der die Wärmeenergie mit wenig Verlusten und schnell durch die Kanalwand geleitet werden kann.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn alle Kanalabschnitte in Strömungsrichtung nacheinander an- geordnet sind. Die Kanalabschnitte sind derart angeordnet, dass jedes theoretische Strömungsteilchen des Abgasstroms in dem Strömungskanal alle Kanalabschnitte durchströmt Dabei ist es nicht vorgesehen, dass der Abgasstrom in mehrere Kanal- abschnitte aufgeteilt wird. Erfindungsgemäß ist wesentlich, dass die Strömungsrichtungen in den beiden vorde- ren Kanalabschnitten entgegengesetzt und in den beiden hinteren Kanalabschnitten gleichgerichtet sind. Durch die unterschiedliche Wahl der relativen Strömungsrich- tungen kann auf die Temperaturdifferenzen Einfluss genommen werden, die sich ent- lang des jeweiligen Kanalabschnitts zwischen dem heißen Abgasstrom und dem kal- ten Abgasstrom einstellen. Damit kann die auszutauschende Wärmemenge gleich- mäßig auf beide „duct-in-duct“-Zonen bzw. beide Paare von Kanalabschnitten verteilt werden.

In Bezug auf nicht ausreichende Wärme aufgrund von kritischen Betriebsparametern im System kann es vorteilhaft sein, dass eine Einrichtung für eine aktive Wärmezu- fuhr in den Strömungskanal vorgesehen ist. An dem Abgasgehäuse in Form einer Box ist die Einrichtung zum Erzeugen thermischer Energie angeordnet und derart gestaltet, dass die thermische Energie gleichzeitig vor der ersten SCR-Einheit und vor der zweiten SCR-Einheit eingebracht wird.

In Bezug auf separat eingebrachte aktive Wärmeenergie kann es von besonderer Bedeutung für die vorliegende Erfindung sein, wenn der Strömungskanal zwei wei- tere obere Kanalabschnitte mit einer gemeinsamen oberen Kanalwand aufweist, wo- bei die beiden oberen Kanalabschnitte in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strö- mungsrichtung nebeneinander und in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind und ein oberes Paar bilden. Dadurch wird es möglich, die separate aktive Wär- mezufuhr zweifach zu nutzen, nämlich einmal in dem Kanal, in dem sie eingebracht wird, und ein zweites Mal an der indirekt erhitzten Außenseite dieser Kanalwand. Der Abgasstrom im Inneren der beiden oberen Kanäle kann ein erstes Mal direkt durch das heiße Gas von einem Brenner oder durch eine elektrische Wärmequelle erhitzt und einer ersten Hydrolysereaktion zugeführt werden. Die Kanalwand des entspre- chenden oberen Abschnitts des Strömungskanals, in den die aktive Wärme einge- bracht wird, wird dadurch ebenfalls erhitzt. Die Wärme dieser erhitzten Kanalwände wird über die Kanalwände nach außen vom inneren Strömungskanal auf die andere äußere Seite der Kanalwand zum äußeren Strömungskanal weggeführt. Dort wird die Wärme erfindungsgemäß durch den Abgasstrom weiter stromab ein zweites Mal ab- gegriffen, der dann einer zweiten Hydrolysereaktion zugeführt wird. Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn der erste Kanalabschnitt des hinteren Paares stromauf der ersten SCR-Katalysator-Einheit. Stromauf der ersten SCR-Katalysator- Einheit ist der Abgasstrom noch relativ heiß. Dadurch wird erreicht, dass noch aus- reichend passive Wärme stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit vorhanden ist, um die Hydrolyse vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit und nicht die vor der ers- ten SCR-Katalysator-Einheit zu unterstützen.

Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn der erste Kanalabschnitt des oberen Paares stromauf des ersten Kanalabschnitts des vorderen Paares und der zweite Kanalab- schnitt des oberen Paares stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit angeordnet ist. Hierdurch wird auch erreicht, dass noch ausreichend passive Wärme stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit vorhanden ist, um die Hydrolyse vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit und nicht die vor der ersten SCR-Katalysator-Einheit zu un- terstützen. Diese Maßnahme dient ebenfalls dazu, die passive Wärmezufuhr im Strö- mungskanal besser zu verteilen.

Dabei kann es von Vorteil sein, wenn der zweite Kanalabschnitt des oberen Paares stromauf des zweiten Kanalabschnitts des hinteren Paares angeordnet ist. Hierdurch wird mit einer dritten Maßnahme erreicht, dass noch ausreichend passive Wärme stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit vorhanden ist, um die Hydrolyse vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit und nicht die vor der ersten SCR-Katalysator- Einheit zu unterstützen. Auch dadurch wird die passive Wärmezufuhr im Strömungs- kanal besser verteilt.

Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn stromauf der SCR-Katalysator-Einheit eine Öffnung im Strömungskanal für das Einspritzen von Zusatzstoff in den Strömungska- nal vorgesehen ist. Der Zugang zu der jeweiligen SCR-Katalysator-Einheit durch das Außengehäuse in den Strömungskanal ist unabhängig davon vorzusehen, ob das Außengehäuse einen Teil des Strömungskanals bildet oder im Bereich der Öffnung der Strömungskanal beispielsweise durch das Mischrohr begrenzt wird.

In Bezug auf einen möglichst langen Strömungskanal ist es von Vorteil, wenn strom- auf der Strömungskanal derart aufgebaut ist, dass der Strömungskanal den Ab- gasstrom vier- bis achtmal, bevorzugt sechsmal um 180° umlenkt oder faltet. Das Falten oder die Umlenkung erfolgt im Bereich oder in Richtung der Stirnseiten des Außengehäuses, sodass die hauptsächliche Strömungsrichtung im Wesentlichen entlang der zentralen Achse in beide Richtungen verläuft und der Richtungswechsel durch das Falten oder Umlenken gegeben ist

Die Ortsbezeichnungen „vorne“, „hinten“ und „oben“ dienen allein einer klaren Diffe- renzierung der Bauteile. Hinsichtlich der Funktion und der erfindungsgemäßen Wech- selwirkung kommt es nicht auf die geometrische Lage der Bauteile an.

Weitere vorteilhafte Merkmale sind nachstehend aufgelistet, die in einer speziellen Ausgestaltung auch in den Figuren dargestellt, aber nicht auf diese Ausgestaltungen beschränkt sind:

- der Zusatzstoff wird durch die erste Öffnung in einer Richtung eingespritzt, die der Richtung entgegengesetzt ist, in die der Zusatzstoff durch die zweite Öffnung ein- gespritzt wird;

- an der jeweiligen Öffnung sind ein oder mehrere Injektoren oder eine Aufnahme für einen oder mehrere Injektoren oder mehrere Öffnungen im Bereich der jeweili- gen Einspritzstelle vorgesehen;

- der Strömungskanal verbindet das Zentralrohr mit dem ersten Mantelrohr und das erste Mantelrohr mit der ersten SCR-Katalysator-Einheit;

- der Strömungskanal verbindet die erste SCR-Katalysator-Einheit mit dem zweiten Mantelrohr;

- das erste Mantelrohr ist stromauf und das zweite Mantelrohr stromab der ersten SCR-Katalysator-Einheit angeordnet;

- die zweite SCR-Katalysator-Einheit ist stromab des zweiten Mantelrohrs angeord- net; das Zwischengehäuse ist mit einer Einrichtung für eine aktive Wärmezufuhr ge- koppelt; - zwischen dem Zentralrohr und der ersten Öffnung ist eine Filtereinheit mit einem Filterkörper und einem Filtergehäuse im Strömungskanal vorgesehen, wobei das Filtergehäuse einen Teil des Strömungskanals bildet;

- zwischen 8 und 12, bevorzugt 9 Kanalabschnitte sind vorgesehen, die gerade und parallel zueinander sowie in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind und die durch jeweils einen den Abgasstrom mindestens um 90° umlenkenden Kurvenabschnitt getrennt sind.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren einer speziellen Ausgestaltung darge- stellt. Es zeigen:

Figur 1 eine stilisierte Schnittansicht einer Vorrichtung mit einem Außenge- häuse in Form einer Box;

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Zentralrohrs mit zwei Mantelrohren und endseitigen Kragen;

Figur 3-5 Schnittdarstellungen A-C gemäß Figur 1 ;

Figur 6-8 Prinzipskizzen der Abgasbehandlung;

Figur 9-10 Darstellungen von jeweils zwei Innengehäusen.

Eine Vorrichtung 1 zum Leiten und zum Behandeln eines Abgasstroms weist wie in Figur 1 dargestellt ein Außengehäuse 2 in Form einer Box auf. In das Außengehäuse 2 wird der Abgasstrom über ein Einlassrohr 10 eingeleitet und über ein Auslassrohr 11 ausgeleitet. Das Einlassrohr 10 und das Auslassrohr 11 schließen jeweils am Au- ßengehäuse 2 an. Im Außengehäuse 2 ist ein Strömungskanal K angeordnet, der den Abgasstrom leitet und der das Einlassrohr 10 mit dem Auslassrohr 11 verbindet. Der Strömungskanal K beziehungsweise die Kanalwand des Strömungskanals K wird durch unterschiedliche Bauteile gebildet, wie Rohre, Gehäuse im Außengehäuse 2 und das Außengehäuse 2 selbst. Gemäß Figur 1 wird der Strömungskanal K ausge- hend vom Ende des Einlassrohrs 10 im Wesentlichen durch folgende in Strömungs- richtung S nacheinander angeordnete Bauteile gebildet: Verbindungsrohr 29, Kanalsegment 27 bestehend aus Zwischengehäuse 28 und Verbindungsrohr 29, Zentralrohr 20, Leitblech 23, Filtereinheit 6, Außengehäuse 2, erstes Mischrohr 25, Innengehäuse 50, erstes Mantelrohr 21 , Kragen 203, erste SCR-Katalysator-Einheit 31 , Außengehäuse 2, zweites Mischrohr 26, Innengehäuse 51 , zweites Mantelrohr 22, Kragen 204, zweite SCR-Katalysator-Einheit 32, Außengehäuse 2 und Rohr 30. Das Außengehäuse 2 bildet mit verschiedenen nicht näher bezifferten Teilen der Ge- häusewand unterschiedliche Abschnitte des Strömungskanals K.

Die Vorrichtung 1 ist teilweise symmetrisch zu einer zentralen Achse Z aufgebaut. Das Zentralrohr 20, die beiden Mantelrohre 21 , 22, die Filtereinheit 6 sowie das Zwi- schengehäuse 28 sind ebenso koaxial zu der zentralen Achse Z angeordnet wie eine separate Einrichtung 7 zum Zuführen von Brennstoff, die von außen an das Außen- gehäuse 2 angesetzt ist. Jede der beiden SCR-Katalysator-Einheiten 31 , 32 umfasst jeweils vier Katalysatoren 31 a-d, 32a-d, die gemäß der Schnittansicht A-A nach Figur 3 symmetrisch um jeweils 90° versetzt um die zentrale Achse Z umlaufend positio- niert sind. Im Außengehäuse 2 sind mehrere Zwischenböden zur Lagerung der Kom- ponenten vorgesehen. Zwischenböden 241 , 242 sind beispielhaft dargestellt.

In dem Strömungskanal K sind insgesamt drei Wärmetransferzonen zum Übertragen von Wärme von einem heißen Abgasstrom zu einem relativ zum heißen Abgasstrom kälteren Abgasstrom vorgesehen. Speziell sind die Wärmetransferzonen als „duct-in- duct“ ausgebildet. Am Beispiel der vorderen Wärmetransferzone umfasst die „duct- in-duct“-Anordnung zwei Kanalabschnitte K1a, K1 b mit einer gemeinsamen vorderen Kanalwand KW1. Der Kanalabschnitt K1 a wird durch einen vorderen Teil des Zent- ralrohrs 20 gebildet. Der Kanalabschnitt K1 b wird durch den äußeren vorderen Teil des Zentralrohrs 20 nach innen begrenzt und durch die Innenseite des ersten Man- telrohrs 21 nach außen begrenzt. Die beiden Kanalabschnitte K1a, K1 b sind durch das Zentralrohr 20 und damit durch eine gemeinsame Kanalwand KW1 voneinander getrennt. Die beiden Kanalabschnitte K1a, K1b sind in einer Richtung rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung S, in diesem Fall in radialer Richtung zu der zentrale Achse Z nebeneinander angeordnet. Zudem sind die beiden Kanalabschnitte K1a, K1 b in Strömungsrichtung S derart nacheinander angeordnet, dass der Abgasstrom nach dem ersten Kanalabschnitt K1a zunächst weitere Bauteile des Strömungska- nals K durchströmt, bevor er den zweiten Kanalabschnitt K1 b durchströmt. Diese beiden vorderen Kanalabschnitte K1a, K1b bilden ein vorderes Paar P1 von Kanal- abschnitten.

Ein zweites und hinteres Paar P2 von Kanalabschnitten K2a, K2b, die eine hintere Wärmetransferzone nach dem „duct-in-duct“-Prinzip bilden, umfasst den hinteren Teil des Zentralrohrs 20 sowie das zweite Mantelrohr 22. Auch hier begrenzt das Zentral- rohr 20 den Kanalabschnitt K2a nach außen und den Kanalabschnitt K2b nach innen. Das zweite Mantelrohr 22 begrenzt den Kanalabschnitt K2b nach außen. Aus dieser Anordnung ergibt sich die rechtwinklig zur Strömungsrichtung S angeordnete be- nachbarte Geometrie mit nur einer gemeinsamen Kanalwand KW2. Nach dem Ka- nalabschnitt K2a werden auch bei dem hinteren Paar zunächst weitere Bauteile des Strömungskanals K durchströmt, bevor der zweite Kanalabschnitt K2b durchströmt wird.

Die dritte Wärmetransferzone mit einer gemeinsamen Kanalwand KW3 wird durch das obere Paar P3 von Kanalabschnitten K3a, K3b gebildet. Der Kanalabschnitt K3a wird durch das Kanalsegment 27 gebildet, das das Verbindungsrohr 29 und das Zwi- schengehäuse 28 umfasst und das den Kanalabschnitt K3a nach außen begrenzt und die gemeinsame Kanalwand KW3 bildet. Der Kanalabschnitt K3b wird nach in- nen durch das Verbindungsrohr 29 und das Zwischengehäuse 28 begrenzt. Nach außen bildet im Wesentlichen die Innenseite des Außengehäuses 2 die Grenze für den Kanalabschnitt K3b.

Zudem sind zwei SCR-Katalysator-Einheiten 31 , 32 vorgesehen und stromauf jeder SCR-Katalysator-Einheit 31 , 32 ist jeweils ein Injektor 41a, 42a zum Einspritzen von Zusatzstoff angeordnet.

Die Art der Wärmeübertragung in den Wärmetransferzonen zu dem relativ kälteren Abgasstrom wird mit passiverWärmezufuhr umschrieben. Im Gegenteil dazu wird mit Hilfe der zusätzlichen am Außengehäuse 2 angeordneten Einrichtung 7 zum Erzeu- gen von thermischer Energie eine aktive Wärmezufuhr in den Abgasstrom erreicht. Hierzu ist im Zwischengehäuse 28 ein Flammrohr 70 vorgesehen, das vom Ab- gasstrom um- und durchströmt wird. Der heiße Abgasstrom durchströmt unmittelbar nacheinander den oberen Kanalabschnitt K3a, den vorderen Kanalabschnitt K1a und den hinteren Kanalabschnitt K2a. Zum ersten passiven Wärmeaustausch kommt es in dem vorderen Paar P1 im vorderen, äußeren Kanalabschnitt K1 b im ersten Man- telrohr 21 , nachdem dem Abgasstrom über einen Injektor 41a Reduktionsmittel zu- geführt wurde und bevor er in die erste SCR-Katalysator-Einheit 31 einströmt. Nach- folgend ist der hintere, äußere Kanalabschnitt K2b vorgesehen, um den Abgasstrom nach dem Zuführen von Reduktionsmittel mit einem Injektor 42a erneut passiv zu erwärmen, bevor er in die zweite SCR-Katalysator-Einheit 32 einströmt. Der obere, äußere Kanalabschnitt K3b ermöglicht, den Abgasstrom zusätzlich mit passiver Wärme an der Stelle zu versorgen, an der mit Hilfe der Einrichtung 7 dem Abgasstrom aktiv Wärme zugeführt wird. Die aktive Wärme wird im oberen Kanalabschnitt K3a zugeführt und über die gemeinsame Kanalwand KW3 passiv im oberen Kanalab- schnitt K3b an den Abgasstrom übertragen. Mit dem dritten Paar ist auch erreicht, dass der Abgasstrom vor der zweiten Behandlung mit Reduktionsmittel und nach ei- nem entsprechend langen Strömungsweg ein zweites Mal mit passiver Wärme ver- sorgt wird. Das erste Mal vor dem zweiten Injektor 42a vor dem Mischrohr 26 und das zweite Mal nach dem zweiten Mischrohr 26 unmittelbar vor der zweiten SCR- Katalysator-Einheit 32.

Mit dieser Architektur wird erreicht, dass der Wärmetransfer in den drei „duct-in-duct“- Wärmetransferzonen nacheinander durchgeführt wird. Ein theoretisches Strömungs- teilchen wird dem hinteren Wärmetransfer erst dann zugeführt, wenn der vordere Wärmetransfer abgeschlossen ist. Entsprechend findet der obere Wärmetransfer erst dann statt, wenn der hintere Wärmetransfer abgeschlossen ist. Ein weiterer maßgeb- licher Aspekt der Architektur ist es, dass der Abgasstrom insgesamt sechs Mal gefal- tet, also um 180° umgelenkt wird. Ein dafür maßgebliches Bauteil ist der jeweils am Ende des Zentralrohrs 20 angeordnete und in Figur 2 verdeutlicht dargestellte Kragen 203, 204, der eine Faltung des Abgasstroms bewirkt, der aus dem jeweiligen Mantel- rohr 21 , 22 austritt und nach der Faltung in die Katalysatoren 31a-d, 32a-d einströmt. Der Kragen 203, 204 lenkt mit seiner Außenseite 203a, 204a den aus dem Mantelrohr 21 , 22 ausströmenden Abgasstrom um 180° um. Der Kragen 203 bildet an der Ein- lassseite 201 mit seiner Innenseite 203i einen Trichter für das in das Zentralrohr 20 einströmende Abgas und der Kragen 204 bildet an der Auslassseite 202 mit seiner Innenseite 204i einen Diffusor für das aus dem Zentralrohr 20 ausströmende Abgas. Die zahlreichen Strömungswege sind auch in den Figuren 3-5 verdeutlicht, welche jeweils einen Schnitt in einer Ebene zeigen, wie sie in Figur 1 erkennbar ist. Die dar- gestellten Öffnungen sind, soweit sie keine Bezugsziffern tragen, nicht näher be- schriebene Öffnungen in einem der Zwischenböden. Figur 3, ein Schnitt A-A durch die hintere Wärmetransferzone, lässt die vier Katalysatoren 32a-d erkennen, die um das Zentralrohr 20 und das zweite Mantelrohr 22 angeordnet sind. Im oberen Bereich ist das erste Mischrohr 25 im Schnitt dargestellt. Im unteren Bereich erkennt man in der Flucht das Rohr 30, welches den Abgasstrom im Außengehäuse 2 sammelt und in das Auslassrohr 11 führt. Der Schnitt B-B liegt in einem Zwischenboden 241 un- mittelbar vor den vier Katalysatoren 32a-d. Der Abgasstrom strömt im oberen Bereich aus dem ersten Mischrohr 25 in das Innengehäuse 50. Im unteren Bereich strömt das Abgas aus dem Innengehäuse 51 in das zweite Mantelrohr 22. Zudem strömt ein weiterer Teil des Abgasstroms aus den Katalysatoren 32a-d heraus und findet seinen Weg durch mehrere Öffnungen in dem Zwischenboden nach unten hin zum Rohr 30. Nach dem Schnitt C-C bewegt sich der Abgasstrom gemäß Figur 5 aus dem Verbin- dungsrohr 29 heraus in das Zwischengehäuse 28 hinein und umströmt das im Zwi- schengehäuse 28 angeordnete Flammrohr 70, welches koaxial zum Zentralrohr 20 angeordnet ist. Der aus den in diesem Schnitt nicht dargestellten Katalysatoren 31a- d austretende Abgasstrom findet seinen Weg durch nicht näher bezifferte Öffnungen in einem Zwischenboden hin zu dem zweiten Mischrohr 26. Stromab des Zentralrohrs 20 ist ein Leitblech 23 vorgesehen, durch das eine Verteilung des Abgasstroms auf einen wiederum stromab vorgesehenen Filterkörper 60 der Filtereinheit 6 erfolgt, der in einem Filtergehäuse 61 gelagert ist.

In den Figuren 6 bis 8 sind verschiedene vereinfachte Modelle für die passive und aktive Wärmezufuhr dargestellt, die sich mit der vorstehend beschriebenen konkreten Geometrie einer Box verwirklichen lassen. Für eine bessere Übersicht wird bei diesen Modellen auf die Darstellung von Außengehäuse, Einlassrohr, Auslassrohr, Ka- nalsegment und Zwischengehäuse sowie weiteren Bauteilen verzichtet. Nach Figur 6 strömt das noch relativ heiße Abgas in das Zentralrohr 20 und wird nach der Injek- tion mit dem ersten Injektor 41a mit Reduktionsmittel in der vorderen „duct-in-duct“- Anordnung durch die gemeinsame vordere Kanalwand KW1 das erste Mal im ersten Mantelrohr 21 passiv erwärmt, bevor es in die erste SCR-Katalysator-Einheit 31 einströmt. Danach erfolgt die zweite Injektion mit dem Injektor 42a im zweiten Misch- rohr 26 und die zweite passive Erwärmung in der hinteren „duct-in-duct“-Anordnung durch die zweite gemeinsame Kanalwand KW2, bevor es die zweite SCR- Katalysator-Einheit 32 durchströmt. Ergänzend zu den passiven Erwärmungen wird gemäß Figur 7 dem Abgasstrom unmittelbar nach dem Einströmen in die Box aktive Wärme über die Einrichtung 7 zugeführt. Die weitere Möglichkeit, von dem aktiv er- hitzten Abgasstrom passive Wärme über eine „duct-in-duct“-Anordnung abzugreifen, ist in Figur 8 dargestellt, nach der der Abgasstrom vor dem Eintreten in das zweite Mischrohr 26 durch die gemeinsame dritte Kanalwand KW3 passive Wärme auf- nimmt.

Das Herzstück der Box-Geometrie, wie sie in den Figuren 1 bis 5 dargestellt ist, bilden die beiden Innengehäuse 50, 51 , die in den Figuren 9 und 10 dargestellt sind. Das jeweilige Innengehäuse 50, 51 verbindet das Mischrohr 25, 26 mit dem Mantelrohr 21 , 22, auf das folgend stromab die Katalysatoren 32a-32d angeordnet sind. Die das Mantelrohr 21 , 22 umgreifende Gestaltung der beiden Innengehäuse 50, 51 ermög- licht es, die beiden Gehäuse um das Mantelrohr 21 , 22 herum aneinander anzuord- nen und gleichzeitig zwei Abgasströme unabhängig voneinander und entgegenge- setzt in Richtung der zentralen Achse Z durch das Außengehäuse 2 zu führen.

Das jeweilige Innengehäuse 50, 51 ist um die zentrale Achse Z herum angeordnet und schließt ein Volumen ein, das das Mischrohr 25, 26 in seiner Funktion als Ein- lassstutzen sowie das Mantelrohr 21 , 22 in seiner Funktion als Auslassstutzen ver- bindet. Das Innengehäuse begrenzt völlig unabhängig vom Außengehäuse ein sepa- rates oder eigenes Volumen. Der Einlassstutzen 25, 26 ist parallel und azentrisch zu der zentralen Achse Z und der Auslassstutzen 21 , 22 relativ zum Innengehäuse 50, 51 und in axialer Richtung der zentralen Achse Z gegenüberliegend zum Einlassstut- zen 25, 26 und koaxial zu der zentralen Achse Z angeordnet. Das Innengehäuse 50, 51 ist mit dem Zentralrohr 20 derart kombiniert, dass das Zentralrohr 20 das Innen- gehäuse 50, 51 vollständig durchsetzt, wobei das Innengehäuse 50, 51 gegenüber dem Zentralrohr 20 abgedichtet ist. Zwei gleiche Innengehäuse 50, 51 in radialer Richtung zur zentralen Achse Z aneinander positioniert bilden ein punktsymmetri- sches Gesamtgehäuse G mit zwei getrennten Kammern, wobei das Gesamtgehäuse G eine um die gleiche zentrale Achse Z umlaufende Kontur zum Befestigen in einem Außengehäuse 2 aufweist. Die Innengehäuse 51 , 52 weisen jeweils eine gleiche randseitige Außenkontur auf, die zu dem Gesamtgehäuse G zusammengesetzt einen um die zentrale Achse Z kreisförmig, elliptisch oder stetig umlaufenden äußeren Kra- gen 52 ergibt. Das Außengehäuse 2 weist einen Zwischenboden 242 auf, in den die Innengehäuse 50, 51 eingesetzt sind. Das Innengehäuse 50, 51 weist eine um den Auslassstutzen 21 , 22 umlaufende und halbkreisförmige, das Volumen begrenzende Kontur auf, die konzentrisch zu der zentralen Achse Z ist. Die Geometrie eines ein- zelnen Zwischengehäuses 50 ist in Figur 10 näher dargestellt.