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Die
Erfindung betrifft eine Zerstäubungseinrichtung
für Abgasnachbehandlungsvorrichtungen von
Dieselmotoren nach dem Oberbegriff des Anspru ches 1.
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Es
ist bekannt, in den Abgasstrom von Dieselmotoren ein Abgasnachbehandlungsmedium,
vorzugsweise eine 32,5 %ige Harnstoff-Wasser-Lösung, über eine Zerstäubungseinrichtung
einzubringen. Das Medium wird von einer Pumpe aus einem Tank gefördert und
einem Einspritzventil zugeführt,
das an den Abgasstrang des Dieselmotors angebaut ist. Das Zerstäubevermögen der
Einspritzventile ist sehr beschränkt,
so daß eine
ausreichende Vermischung von Abgas und Abgasnachbehandlungsmedium nicht
direkt erreicht wird. Es ist vielmehr notwendig, wenigstens ein
Wirbelblech vor dem Katalysator des Fahrzeuges einzusetzen. Dieses
Wirbelblech führt aber
zu einem höheren
Abgasgegendruck und damit zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch. Die
Pumpe, Sensoren, das Einspritzventil und weitere Bauteile der Abgasnachbehandlungsvorrichtung
sind räumlich
voneinander getrennt, so daß der
Einbau in das Kraftfahrzeug aufwendig und kostspielig ist. Die Einspritzventile,
die in der Regel magnetbetätigt
sind, sind einer hohen thermischen Beanspruchung ausgesetzt. Es
sind darum zusätzliche
Kühlmaßnahmen erforderlich,
wodurch der konstruktive Aufwand erhöht wird. An das Einspritzventil
müssen
elektrische Leitungen herangeführt
werden, die ebenfalls einer erheblichen thermischen Beanspruchung
an der Abgasanlage des Kraftfahrzeuges ausgesetzt sind. Der massebehaftete
Magnet des Einspritzventiles muß von
der Abgasanlage aufgenommen werden, so daß das Auspuffrohr des Kraftfahrzeuges
entsprechend örtlich
verstärkt
werden muß.
Zudem werden an die Einspritzventile hohe Ansprüche in bezug auf Funktion und
Beständigkeit
gestellt, was zu einem erhöhten Preis
solcher Einspritzventile führt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Zerstäubungseinrichtung
so auszubilden, daß sie
bei konstruktiv einfacher Ausbildung kostengünstig hergestellt und montiert
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Zerstäubungseinrichtung
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Zerstäubungseinrichtung
wird anstelle eines magnetbetätigten
Einspritzventils das Vorspannventil eingesetzt, das innerhalb des
Gehäuses
der Zerstäubungseinrichtung untergebracht
ist. Dieses Vorspannventil ist ein kostengünstig und konstruktiv einfach
ausgebildetes Bauteil, das problemlos und dennoch zuverlässig arbeitet.
Aufgrund der Integration des Vorspannventiles in die Zerstäubungseinrichtung
ergibt sich eine kompakte Ausbildung.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die
Erfindung wird anhand dreier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen
näher erläutert. Es
zeigen
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1 im
Axialschnitt eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Zerstäubungseinrichtung,
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2 und 3 jeweils
in Darstellungen entsprechend 1 weitere
Ausführungsformen
von erfindungsgemäßen Zerstäubungseinrichtungen.
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Die
Zerstäubungseinrichtung
ist Teil einer Abgasnachbehandlungseinrichtung von Dieselmotoren
in Fahrzeugen. Die Zerstäubungseinrichtung
ist am Ende einer Dosierleitung vorgesehen, die an einen Dosierblock
angeschlossen ist. Er kann direkt an einem Tank für die 32,5
%ige Harnstoff-Wasser-Lösung angeordnet
sein, so daß zwischen
dem Dosierblock und dem Tank eine Saugleitung nicht erforderlich
ist. Der Dosierblock kann aber auch an einer anderen Stelle im Fahrzeug
eingebaut und über
eine Saugleitung mit dem Tank verbunden werden. Vom Dosierblock
wird die Dosierleitung direkt zur Eindüsestelle an einem Abgasrohr
geführt,
an der die Harnstoff-Wasser-Lösung in
den Abgasstrom des Dieselmotors eingespritzt wird.
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Die
Harnstoff-Wasser-Lösung
wird mittels einer Pumpe in bekannter Weise aus dem Tank gefördert und
unter Druck einem Dosierventil zugeführt. Es ist ein kostengünstiges
Taktventil, das ohne besondere Anforderungen an die Zerstäubung die
notwendige Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung zudosiert. Über die
Dosierleitung gelangt die Harnstoff-Wasser-Lösung vom Dosierkopf an die
Zerstäubereinrichtung.
Sie hat bei der Ausführungsform nach 1 ein
Gehäuse 1,
das eine im Durchmesser abgestufte axiale Durchgangsöffnung 2 aufweist.
In die Durchgangsöffnung 2 ist
in einen Gewindebereich 3 ein als Gewindestift, vorzugsweise
als Verschlußstopfen
ausgebildetes Stellelement 4 eingeschraubt, das wenigstens
einen axialen Durchgang aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind wenigstens zwei solcher axialer Durchgänge 5, 6 vorgesehen. Über diese
Durchgänge 5, 6 kann
die Harnstoff-Wasser-Lösung
von der Dosierleitung 7 in eine Kammer 8 gelangen,
die zwischen dem Stellelement 4 und einem Vorspannventil 9 in
der Durchgangsöffnung 2 vorgesehen
ist.
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Das
Stellelement 4 kann in der Gewindebohrung 3 des
Gehäuses 1 stufenlos
in die jeweilige Einbaulage gebracht werden. Das Stellelement 4 ist
an seiner vom Vorspannventil 9 abgewandten Stirnseite 10 mit
einer Formschlußöffnung 11 für einen
Inbusschlüssel
oder dergleichen versehen.
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Das
Stellelement 4 ist in seiner dem Vorspannventil 9 zugewandten
Hälfte
verjüngt
ausgebildet, so daß zwischen
der Wandung der Durchgangsöffnung 2 und
diesem Teil des Stellelementes 4 ein Ringraum 12 gebildet
ist, der zur Kammer 8 offen und in entgegengesetzter Richtung
durch den Gewindeteil des Stellelementes 4 begrenzt ist.
In das Stellelement 4 ist stirnseitig ein Schließkörper 13 eingesetzt, der
Stiftform hat und an seinem vom Stellelement 4 abgewandten
Ende 14 kegelförmig
verjüngt
ist.
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Der
Schließkörper 13 durchquert
die Kammer 8 und ragt in eine zentrale axiale Öffnung 15 eines
Ventilkörpers 16.
Er ist mit seinem dem Stellelement 4 zugewandten Ventilkörperteil 17 an
der Innenwand der Durchgangsöffnung 2 geführt. In
diesem Bereich 18 hat die Durchgangsöffnung 2 kleineren Durchmesser
als im Gewindebereich 3. Der Ventilkörperteil 17 geht in
einen im Durchmesser verringerten Ventilkörperteil 19 über, der
in einen Abschnitt 20 der Durchgangsöffnung 2 ragt, in
der der Ventilkörper 16 mit
diesem Ventilkörperteil 19 geführt ist.
Der Abschnitt 20 der Durchgangsöffnung 2 hat kleineren Durchmesser
als der mittlere Öffnungsbereich 18. Zwischen
dem Ventilkörperteil 19 und
der Wandung des Öffnungsbereiches 18 ist
ein Ringraum 21 gebildet, in dem eine den Ventilkörperteil 19 umgebende Druckfeder 22 untergebracht
ist. Sie stützt
sich mit einem Ende an einer radialen Ringfläche 23 des Ventilkörperteiles 17 und
mit ihrem anderen Ende am radialen Boden 24 des Ringraumes 21 ab.
Der Boden 24 ist am Übergang
vom mittleren zu dem in 1 unteren Öffnungsabschnitt gebildet.
Durch die Druckfeder 22 wird der Ventilkörper 16 in
Richtung auf das Stellelement 4 belastet.
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Die Öffnung 15 im
Ventilkörper 16 hat
größeren Durchmesser
als der Schließkörper 13.
Die Öffnung 15 wird
durch einen kegelförmigen
Ventilsitz 25 begrenzt, in den zentrisch eine Öffnung 26 mündet, die
wesentlich kleineren Durchmesser als die Öffnung 15 aufweist.
In der in 1 dargestellten Schließstellung
liegt der Schließkörper 13 mit
seinem Ende 14 am Ventilsitz 25 an und verschließt dadurch die
axiale Öffnung 26.
Sie mündet
in einen Verteilerraum, der in die über den Umfang verteilten radialen Bohrungen 28 mündet. Die
Bohrungen führen über einen
Ringraum im Ventilkörper über (nicht
dargestellte) Querbohrungen in die Wirbelkammer 27, die mit
einer Düsenöffnung 29 leitungsverbunden
ist. Sie ist in einem Fußstück 30 vorgesehen,
das Bestandteil des Vorspannventils 9 ist und das an der
Wandung des Öffnungsabschnittes 20 anliegt.
Das Fußstück 30 ist
napfförmig
ausgebildet und weist einen Boden 31 auf, in dem zentrisch
die Düsenöffnung 29 vorgesehen
ist. Das Fußstück 30 hat
eine zentrale Gewindebohrung 32, in die ein verjüngtes Ende 33 des
Ventilkörpers 16 so
weit geschraubt ist, daß es
am Boden 31 des Fußstückes 30 anliegt.
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Der
Ventilkörperteil 19 ist
am Umfang mit einer Ringnut 34 versehen, in die eine Ringdichtung zur
Abdichtung gegenüber
der Innenwand des Bohrungsabschnittes 20 eingesetzt werden
kann.
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Das
in den Abgasstrom einzusprühende
Medium gelangt über
die Dosierleitung 7 in die Durchgänge 5, 6 des
Stellelementes 4. Von hier strömt das Medium in die Kammer 8 zwischen
dem Stellelement und dem Ventilkörper 16.
Er ist durch die Kraft der Druckfeder 22 so weit in Richtung
auf das Stellelement 4 verschoben, daß der Ventilsitz 25 am
Ende 14 des Schließkörpers 13 dichtend
anliegt. Das zu versprühende
Medium in der Kammer 8 beaufschlagt die Stirnseite 35 des
Ventilkörpers 16 gegen
die Kraft der Druckfeder 22. Außerdem gelangt das Medium in die Öffnung 15 des
Ventilkörpers 16.
Sobald der Druck des zu versprühenden
Mediums auf den Ventilkörper 16 größer ist
als der entgegengerichtete Druck der Druckfeder 22, wird
der Ventilkörper 16 gegen
die Kraft der Druckfeder 22 verschoben. Der Ventilsitz 25 öffnet, so
daß das
Medium aus der Öffnung 15 durch
die Öffnung 26 in
die Bohrungen 28 mit Druck strömen kann. Von hier aus strömt das Medium über den
Ringraum und die (nicht dargestellten) Bohrungen zur Düsenöffnung 29.
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Sobald
der Druck in der Dosierleitung 7 wieder kleiner wird als
der Gegendruck der Druckfeder 22, wird der Ventilkörper 16 in
Richtung auf das Stellelement 4 so weit verschoben, bis
der Ventilsitz 25 am Ende 14 des Schließkörpers 13 anliegt
und die Öffnung 26 verschließt. Sobald
das Dosierventil wieder Harnstoff-Wasser-Lösung der Dosierleitung 7 zuführt, steigt der
Druck in der Dosierleitung 7 wieder an, so daß das Vorspannventil 9 in
der beschriebenen Weise öffnet.
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Bei
der beschriebenen Ausbildung wird eine sehr gleichmäßige Tröpfchenverteilung
erreicht, da die Tröpfchengröße über den
Druck zuverlässig
variiert werden kann. Das Vorspannventil 9 gewährleistet ein
gutes Ein- und Abschaltverhalten. Der Zerstäubungsvorgang erfolgt innerhalb
kürzester
Zeit, sobald das Vorspannventil 9 in der beschriebenen
Weise öffnet.
Die Zerstäubungseinrichtung
ist kompakt, leicht und konstruktiv einfach ausgebildet. Elektrische
Anschlüsse
sind nicht erforderlich, da die Zerstäubung durch Druckbeaufschlagung
des Vorspannventiles 9 ausgelöst wird.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 2 ist das Gehäuse 1 mit
einem verjüngten
Ende im Fußstück 30 befestigt.
In die zentrale axiale Durchgangsöffnung 2 ragt der
Schließkörper 13,
auf den eine Mutter 36 geschraubt ist. Sie liegt auf dem
Ventilkörper 16 des
Vorspannventiles 9 auf. Im Unterschied zur vorigen Ausführungsform
ist der Ventilkörper 16 zweiteilig
ausgebildet. Er hat einen Ventilkörperteil 37, der wenigstens
eine axiale Durchgangsöffnung, im
Ausführungsbeispiel
wenigstens zwei Durchgangsöffnungen 5, 6,
für die
Harnstoff-Wasser-Lösung
aufweist. Die axialen Durchgänge 5, 6 verbinden
die Kammer 8 mit einer mittleren Vertiefung 39. Die
Wirbelkammer 27 befindet sich zwischen dem Ventilkörperteil 37 und
dem anderen, vorteilhaft als Drallplatte wirkenden Ventilkörperteil 38.
Beide Ventilkörperteile 37, 38 sind
an ihren einander zugewandten Stirnseiten mit jeweils einer mittigen
Vertiefung 39, 40 versehen. Sie sind gleich groß und nehmen
eine wellenförmige
Federmembran 41 auf, deren äußerer Rand zwischen den beiden
Ventilkörperteilen 37, 38 festgespannt
ist. Die Federmembran 41 begrenzt die mittlere Vertiefung 39 gegen
die Vertiefung 40.
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Die
Federmembran 41 hat einen zentralen ebenen Mittelteil 42,
in dem zentral der Ventilsitz 25 vorgesehen ist. Er ist
als Öffnung
im Mittelteil 42 der Federmembran 41 ausgebildet.
In den Ventilsitz 25 ragt das kegelförmige Ende 14 des
Schließkörpers 13.
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In
die Vertiefung 40 des Ventilkörperteiles 38 mündet wenigstens
eine Bohrung 43, die axial die Drallplatte 38 durchsetzt
und mit Abstand vom Boden 31 des Fußstückes 30 endet. Im
Ausführungsbeispiel sind über den
Umfang des Ventilkörperteiles 38 verteilt
mehrere axiale Bohrungen 43 vorgesehen. Nicht dargestellt
sind die Verbindungskanäle,
die die Bohrung 43 mit der Wirbelkammer 27 verbinden.
Ab der Düsenöffnung 29 tritt
die Harnstoff-Wasser-Lösung aus
der Zerstäuberdüse aus.
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In
der in 2 dargestellten Schließstellung des Vorspannventiles 9 liegt
die Mutter 36 stirnseitig auf dem Ventilkörperteil 37 des
Ventilkörpers 16.
Der Durchmesser der Mutter 36 ist so groß, daß sie wenigstens
teilweise die Durchgänge 5, 6 überdeckt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
entspricht diese Überdeckung
etwa dem halben Durchmesser der Durchgänge 5, 6.
Mit der Mutter 36 läßt sich
die Schließlage
des Schließkörpers 13 einwandfrei
einstellen.
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Die
Harnstoff-Wasser-Lösung
wird mit Druck über
die Durchgangsöffnung 2 zugeführt. Da
ihr Durchmesser größer ist
als der Durchmesser des stiftförmigen
Schließkörpers 13,
strömt
das Medium am Schließkörper 13 sowie
auch an der Mutter 36 vorbei in die Durchgänge 5, 6.
Von hier aus gelangt das Medium in die Vertiefung 39. Da
das Ende 14 des Schließkörpers 13 den
Ventilsitz 25 verschließt, kann das Medium nicht in
die Wirbelkammer 27 und damit zur Düsenöffnung 29 gelangen.
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Sobald
der Druck der Harnstoff-Wasser-Lösung
einen vorgegebenen Wert überschreitet,
wird die Federmembran 41 elastisch so verbogen, daß der Ventilsitz 25 vom
Ende 14 des Schließkörpers 13' abhebt. Die
Harnstoff-Wasser-Lösung kann
dann über
die Bohrungen 43 in die Wirbelkammer 27 und von
dort zur Düsenöffnung 29 strömen. Sobald
der Druck der Harnstoff-Wasser-Lösung unter
den voreingestellten Wert fällt,
federt die Federmembran 41 in ihre in 2 dargestellte
Ausgangslage zurück,
in der ihr Ventilsitz 25 vom Ende 14 des Schließkörpers 13 geschlossen
wird.
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Auch
diese Ausführungsform
zeichnet sich durch ihre kompakte und konstruktiv einfache Ausbildung
aus.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 3 hat das Gehäuse
die zentrale Durchgangsöffnung 2, über die
die zu versprühende
Harnstoff-Wasser-Lösung
unter Druck zugeführt
wird. In das Gehäuse 1 ist
stirnseitig das Vorspannventil 9 eingesetzt, vorzugsweise
eingeschraubt. Es hat ein Ventilgehäuse 44, das in das
Gehäuse 1 sowie
in das Fußstück 30 eingesetzt
ist. Im Bereich zwischen dem Gehäuse 1 und
dem Fußstück 30 ist
das Ventilgehäuse 44 mit
einem radial nach außen
gerichteten Flansch 45 versehen, an dessen beiden Stirnseiten
das Gehäuse 1 und
das Fußstück 30 anliegen.
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Das
Ventilgehäuse 44 nimmt
den Ventilkörper 16 auf,
der die zentrale, axiale Öffnung 15 aufweist.
In sie strömt
die Harnstoff-Wasser-Lösung.
Die Öffnung 15 hat
den Ventilsitz 25, der in der gezeigten Schließstellung
durch den Schließkörper 13 geschlossen
wird. Er ist als Ventilkugel ausgebildet und liegt unter Federkraft
am Ventilsitz 25 an. Sie wird durch die Druckfeder 22 erzeugt,
die als in Richtung auf den Schließkörper 13 sich verjüngende Kegelfeder
ausgebildet ist. Die Druckfeder 22 liegt in einem kegelförmigen Aufnahmeraum 46 des
Ventilkörpers 16.
Der Aufnahmeraum 46 wird von Bohrungen, die in einen Ringraum 26 münden, durchsetzt,
der koaxial zur Achse des Vorspannventiles 9 verläuft.
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Der
kegelförmige
Aufnahmeraum 46 ist in einem Ventilgehäuseteil 47 vorgesehen,
der in das Ventilgehäuse 44 eingesetzt
ist. Es hat einen Boden 48, mit dem das Ventilgehäuse 44 auf
einem Abschlußstück 49 aufliegt,
das mit einem äußeren radialen
Flansch 50 auf einem radial nach innen gerichteten Flansch 51 des
Fußstückes 30 aufliegt.
Das Ventilgehäuse 44 ist
in das Fußstück 30 geschraubt, wobei
das Abschlußstück 49 mit
seinem Flansch 50 zwischen dem Boden 48 des Ventilgehäuses 44 und dem
Flansch 51 des Fußstückes 30 eingespannt wird.
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Nahe
dem Boden 48 des Ventilgehäuses 44 ist der Ringraum 26 mit
der Düsenöffnung 29 durch Radialbohrungen 52 verbunden,
die über
den Umfang des Ringraumes 26 verteilt angeordnet sind.
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In
der in 3 dargestellten Schließstellung wird der Schließkörper 13 unter
der Kraft der Druckfeder 22 gegen den Ventilsitz 25 gedrückt. Die über die
Durchgangsöffnung 2 zugeführte Harnstoff-Wasser-Lösung gelangt
in die axiale Öffnung 15 des
Gehäuseteiles 47.
Sobald der Druck der Harnstoff-Wasser-Lösung größer ist
als die auf den Schließkörper 13 wirkende
Federkraft, hebt der Schließkörper 13 vom
Ventilsitz 25 ab, so daß die Harnstoff-Wasser-Lösung durch
die Bohrungen, die in den Ringraum 26 münden, gelangen kann. Von hier
aus strömt
die Harnstoff-Wasser-Lösung über die
Radialbohrungen 52 in die Wirbelkammer 27 und
von dort in die Düsenöffnung 29,
aus der sie in Sprühform austritt
und in den Abgasstrom des Dieselmotors gelangt. Der Durchmesser
der Radialbohrungen 52 ist wesentlich kleiner als der Durchmesser
der Düsenöffnung 29.
Sobald die Harnstoff-Wasser-Lösung nicht
mehr mit der Pumpe nachgefördert
wird, drückt die
Druckfeder 22 den Schließkörper 13 in seine Schließstellung,
in der er am Ventilsitz 25 anliegt.
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Die
Düsenöffnung 29 mündet in
eine kegelförmige
Vertiefung 53 in der freien Stirnseite des Abschlußstückes 49.
Die kegelförmige
Vertiefung 53 trägt
dazu bei, daß die
Harnstoff-Wasser-Lösung
optimal in den Abgasstrom eingesprüht wird.