DE102007031817A1

DE102007031817A1 - Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE102007031817A1
Application number: DE102007031817A
Authority: DE
Inventors: Christof Dr. Lücking
Original assignee: Eberspaecher Unna GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-07-07
Filing date: 2007-07-07
Publication date: 2009-01-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Harnstofflösung in eine Abgasleitung (1) einer Brennkraftmaschine. Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung (E) umfasst eine Düse (2) mit einem Düsenkörper (3), ein mit dem Düsenkörper (3) verbundenes Anschlussteil (5) mit einem Anschluss (6) für eine Zuführung der Harnstofflösung zur Düse (2) und ein Verbindungsteil (4) zur Verbindung der Einspritzvorrichtung (E) mit der Abgasleitung (1). Durch ein den Düsenkörper (3) gegenüber dem Verbindungsteil (4) abschirmendes Abschirmelement (8) ist eine Aufheizung der Einspritzvorrichtung (E) infolge Wärmeübertragung von der Abgasleitung (1) vermindert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung einer wässrigen Reduktionsmittellösung in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine.
Zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas von Brennkraftmaschinen ist es bekannt, eine wässrige Reduktionsmittellösung, insbesondere wässrige Harnstofflösung in das Abgas zu einzuspritzen bzw. zu verdüsen. Mit dem im heißen Abgas aus der eingespritzten Harnstofflösung freigesetzten Ammoniak können die Stickoxide an einem so genannten SCR-Katalysator wirksam zu unschädlichem Stickstoff umgesetzt werden. Zur Einspritzung der Reduktionsmittellösung wird meist eine an die Abgasleitung montierte Düse eingesetzt. Infolge einer Wärmeübertragung von der heißen Abgasleitung auf die Düse kann es jedoch in der Düse oder in angeschlossenen Leitungen zu einer vorzeitigen Zersetzung oder zu einer Ausflockung des gelösten Reduktionsmittels sowie zu einem Sieden des Lösungsmittels Wasser kommen. Dies beeinträchtigt die Genauigkeit der Dosierung oder kann zu einer Fehlfunktion infolge von Düsenverstopfung führen.
Zur Vermeidung dieser Störungen infolge unzulässiger Erhitzung der Düse wird in der EP 1 561 919 A1 eine Düse mit einer inneren Leitung für das Reduktionsmittel und einem diese mit Abstand umgebenden äußeren Rohr vorgeschlagen. Der Zwischen raum zwischen innerer Leitung und äußerem Rohr ist mit einem Isolierstoff ausgefüllt. Auf diese Weise wird einer unerwünschten Erhitzung des Reduktionsmittels durch Wärmeübertragung von der heißen Abgasleitung vorgebeugt und die Zuverlässigkeit des Dosierbetriebs ist verbessert. Nachteilig ist jedoch die relativ aufwändige Fertigung der vorgeschlagenen koaxialen Leitungsstruktur.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Einspritzvorrichtung anzugeben, mit welcher ein zuverlässiger Dosierbetrieb auch bei Einwirkung erhöhter Temperaturen ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung weist eine Düse mit einem Düsenkörper und ein mit dem Düsenkörper verbundenes Anschlussteil mit einem Anschluss für eine Zuführung der Reduktionsmittellösung zur Düse auf. Ferner sind ein Verbindungsteil zur Verbindung der Einspritzvorrichtung mit der Abgasleitung und ein den Düsenkörper gegenüber dem Verbindungsteil abschirmendes Abschirmelement vorgesehen. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Abschirmelement wird insbesondere eine durch Abstrahlung vom Verbindungsteil verursachte Wärmeübertragung auf die Düse und damit ein Wärmeeintrag auf der Düse zugeführtes Reduktionsmittel vermieden oder zumindest vermindert. Bevorzugt ist eine Ausführung des Abschirmelements derart, dass auch eine Abschirmung gegenüber nahe angeordneten Abgasleitungsbereichen gegeben ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, das Anschlussteil unter Zwischenschaltung des Abschirmelements mit dem Verbindungsteil zu verbinden. Dies ermöglicht eine kompakte und mechanisch stabile Ausführung der Einspritzvorrichtung. Das Verbindungsteil ist vorzugsweise als Anschlussflansch ausgeführt.
In Ausgestaltung der Erfindung ragt der Düsenkörper in eine Durchgangsbohrung des Verbindungsteils hinein. Infolge eines sich dabei ergebenden Abstands zwischen dem Düsenkörper und dem Verbindungsteil ist auf natürliche Weise eine direkte Wärmeleitung minimiert. Dadurch ist auch eine Wärmeübertragung auf das Reduktionsmittel verringert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung schirmt das Abschirmelement den in die Durchgangsbohrung des Verbindungsteils hineinragenden Teil des Düsenkörpers ringsum gegenüber dem Verbindungsteil ab. Infolge der umfangsseitig zumindest annähernd vollständigen Abschirmung des Düsenkörpers gegenüber dem Verbindungsteil ist eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung besonders wirksam vermindert. Zusätzlich ist eine konvektive Wärmeübertragung verringert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung deckt das Abschirmelement das Verbindungsteil größtenteils ab und weist im Vergleich zum Verbindungsteil eine größere Außendurchmesserabmessung auf. Durch diese Ausführung wird zusätzlich eine Wärmeübertragung von benachbarten Abgasleitungsbereichen des Verbindungsteils verringert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ragt das Verbindungsteil von der Abgasleitung ab und weist Kühlrippen auf. Auf diese Weise ist die Oberfläche des Verbindungsteils vergrößert und somit eine Wärmeabfuhr an die Umgebung verbessert. Das Verbindungsteil heizt sich daher weniger stark auf und die treibende Kraft für eine Wärmeübertragung auf die Düse ist dementsprechend geringer.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist bei an der Abgasleitung montierter Einspritzvorrichtung die Düsenspitze außerhalb der Abgasleitung angeordnet. Bevorzugt ist eine bezüglich der Abgasleitung zurückversetzte Anordnung derart, dass sich die Düse im Wesentlichen in einer strömungstoten Zone befindet. Dies verhindert, dass die Düse unmittelbar von heißem Abgas umströmt wird. Somit ist eine direkte Aufheizung durch heißes Abgas weitgehend vermieden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Düse ein federbelastetes, über einen hydraulischen Druck der Reduktionsmittellösung betätigbares Verschlusselement auf. Auf einen Hilfskraftantrieb, beispielsweise in Form eines elektromagnetischen Betätigungsmechanismusses für das Verschlusselement der Düse kann somit verzichtet werden. Temperaturempfindliche Bestandteile entfallen somit weitestgehend und es ist ein zuverlässiger Betrieb der Düse auch bei erhöhten Temperaturen ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Düse als eine nach außen öffnende Düse ausgebildet. Diese Ausführungsform hat sich als besonders unempfindlich gegenüber Ablagerungen erwiesen, welche bei entsprechender Temperaturbelastung gelegentlich auftreten können und die Zuverlässigkeit des Dosierbetriebs einschränken.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Einspritzvorrichtung wenigstens teilweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Als Material geringer Wärmeleitfähigkeit kommt hauptsächlich ein Keramikmaterial in Frage. Aufgrund der im Vergleich zu Metall verminderten Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung sowie einer verbesserten Hitzebeständigkeit ist durch diese Ausführung die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung besonders widerstandsfähig gegenüber den im Einsatz vorhandenen erhöhten Umgebungstemperaturen und Temperaturschwankungen. Es können sowohl das Verbindungsteil, der Düsenkörper, das Anschlussteil und das Abschirmelement ganz oder teilweise aus dem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt sein. Vorteilhaft ist eine Verwendung von entsprechenden Materialien bei Trennelementen an direkten Kontaktstellen zur Abgasleitung oder zu anderen Bauteilen, welche sich stark erhitzen können.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung montiert an einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine und
2 eine vorteilhafte, mit vergrößertem Außendurchmesser ausgeführte Ausführungsform eines Abschirmelements für eine Einspritzvorrichtung.
1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine bevorzugte Ausführungsform für die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung E, montiert an einer Abgasleitung 1 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Dabei ist lediglich ein Teil einer Wand der Abgasleitung 1 dargestellt. Die Einspritzvorrichtung E umfasst eine Düse 2, welche von einem Anschlussteil 5 getragen ist. Zur Befestigung der Einspritzvorrichtung E an der Abgasleitung 1 ist ein von der Abgasleitung 1 abragendes, als Anschlussflansch ausgebildetes Verbindungsteil 4 vorgesehen. Mittels Schrauben 13 ist das Anschlussteil 5 mit dem Anschlussflansch 4 verbunden. Dabei ist es generell bevorzugt, wenn an den Verbindungsstellen der Bauteile der Einspritzvorrichtung E untereinander sowie am jeweiligen Kopf der Schrauben ein Kontakt derart realisiert ist, dass der Wärmeübergang behindert bzw. vermindert ist. Vorzugsweise wird dies durch eine Verbindung mit geringer Kontaktfläche und/oder durch einen sich dabei ausbildenden Luftspalt im Verbindungsbereich zwischen den miteinander verbundenen Teilen erzielt. Hierfür und zur gleichzeitigen Abdichtung sind geeignete, Dichtkonturen 10 vorgesehen. Bevorzugt sind Dichtkonturen in Form von Schneidringen oder anderweitige Dichtmittel mit einer linienhaft ausgebildeten Auflage. Zusätzlich oder alternativ können Dichtringe eingesetzt werden, die vorzugsweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt sein können.
Das Anschlussteil 5 weist einen Anschluss 6 für einen Zulauf von Reduktionsmittellösung zur Düse 2 auf. Zur Düse 2 geförderte Reduktionsmittellösung, welche nicht in die Abgasleitung 1 eingedüst wird, kann über einen Rücklaufanschluss 7 vom Anschlussteil 5 zu einem nicht dargestellten Behälter für die Reduktionsmittellösung zurückgeleitet werden.
Der Anschlussflansch 4 ist vorzugsweise rund mit einer Durchgangsbohrung 12 ausgeführt, welche etwa mittig in Bezug auf eine vorzugsweise radial orientierte Öffnung der Abgasleitung 1 angeordnet ist. Dabei ist die mit dem Anschlussteil 5 verbundene Düse 2 wie dargestellt vorzugsweise annähernd zentral bezüglich der Durchgangsbohrung 12 angeordnet und ragt in diese hinein. Der Anschlussflansch 4 ist zweckmäßigerweise so ausgeführt bzw. angeordnet, dass die Düse 2 entsprechend der skizzierten Randstrahlen 14 die Reduktionsmittellösung fein verteilt in einem vorzugsweise spitzwinkligen Absprühkegel durch die Öffnung der Abgasleitung 1 in Abgas einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine absprühen kann. Der Anschlussflansch 4 muss dabei nicht notwendigerweise aufsitzend auf der Abgasleitung 1 angeordnet sein, sondern kann auch anderweitig mit der Abgasleitung 1 verbunden sein bzw. ausgeführt sein. Beispielsweise ist eine Ausführung als Einschraubverbindung möglich, welche in einen Einschraubstutzen eingeschraubt werden kann.
Die Düse 2 ist vorzugsweise als eine nach außen öffnende Düse mit einem federbelasteten Verschlusselement 11 ausgeführt, welches ebenso wie die Feder selbst von einem Düsenkörper 3 aufgenommen ist. Eine Öffnung des Verschlusselements 11 erfolgt bei Überschreiten einer vorgegebenen Druckschwelle für den hydraulischen Druck der zugeführten Reduktionsmittellösung. Infolge dieser Ausführung kann auf fremdgesteuerte Betätigungsmittel für die Düse 2 verzichtet werden.
Die dargestellte Einspritzvorrichtung E ist insbesondere vorgesehen zur dosierten und fein verteilten Abgabe einer wässrigen Lösung von Harnstoff oder eines anderen, Ammoniak in freier oder gebundener Form enthaltenden Reduktionsmittels. Im heißen Abgas wird durch Hydrolyse und/oder Thermolyse das eigentlich in Bezug auf eine selektive Stickoxidreduktion wirksame Reduktionsmittel Ammoniak freigesetzt, welches mit der Abgasströmung einem stromab der Zugabestelle in der Abgasleitung 1 angeordneten Stickoxidreduktionskatalysator zugeführt wird.
Infolge der Montage an der Abgasleitung 1 ist die Einspritzvorrichtung E einer erhöhten Temperaturbelastung ausgesetzt.
Dabei kann eine Wärmeübertragung von der heißen Abgasleitung 1 oder durch Kontakt mit dem heißen Abgas erfolgen. Bei zu starker Erhitzung der Düse 2 bzw. des Anschlussteils 5 kann sich darin befindliche Reduktionsmittellösung zersetzen. Dadurch kann die Wirksamkeit des Reduktionsmittels beeinträchtigt werden. Durch Zersetzung gebildete Schwebstoffe können wiederum zu einer Verstopfung der Düse 2 führen und die Einspritzung der Reduktionsmittellösung und damit deren Dosierung beeinträchtigen. Ferner können durch Überhitzung Siedeblasen entstehen, welche die druckgesteuerte Düsenbetätigung stören.
Einer übermäßigen Temperaturbeanspruchung der Einspritzvorrichtung E und einer Überhitzung von zur Einspritzvorrichtung E geförderter Reduktionsmittellösung wird erfindungsgemäß durch ein Abschirmelement 8 begegnet. Das Abschirmelement 8 ist dabei so ausgeführt, dass durch dieses ein Wärmeübergang zur bzw. eine Wärmeübertragung auf die Düse 2 behindert ist. Insbesondere ist durch das Abschirmelement 8 eine Einwirkung von erhitzten Bauteilen ausgehender Wärmestrahlung weitgehend unterbunden. Hierfür ist das Abschirmelement 8 vorzugsweise als Blech- oder Keramikformteil ausgebildet. Das Abschirmelement 8 umgibt im Inneren der Durchgangsbohrung 12 des Verbindungsteils 4 den zurückversetzt zur Abgasleitung 1 angeordneten Düsenkörper 3 weitgehend ringsum mit Abstand. Eine Befestigung erfolgt durch Verschraubung zwischen Anschlussteil 5 und Anschlussflansch 4, wobei zum Anschlussteil 5 analoge Dichtkonturen 10 für das Abschirmelement 8 vorgesehen sein können. Zwischen Anschlussflansch 4, Abschirmelement 8 und Anschlussteil 5 können alternativ oder zusätzlich auch Dichtscheiben aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden.
Es ist vorgesehen, das Abschirmelement 8 mit einem im Vergleich zum Anschlussflansch 4 vergrößerten Außendurchmesser auszuführen. Auf diese Weise ist einerseits eine vergrößerte von Umgebungsluft umspülbare Fläche gebildet, über welche eine verstärkte Wärmeabfuhr ermöglicht ist. In 2 ist eine entsprechende vorteilhafte Ausführungsform für das Abschirmelement 8 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist ein ringförmiger Randbereich 15 für das Abschirmelement 8 vorgesehen, welcher ringsum vom Anschlussflansch 4 im montierten Zustand im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform stärker abragt. Der Überstand beträgt vorzugsweise etwa ein bis 5 Zentimeter. Durch diese Ausführung ist ein vergrößerter Bereich der Abgasleitung 1 an der Montagestelle der Einspritzvorrichtung E abgeschirmt und ein Wärmeübergang noch wirksamer behindert. Der Randbereich 15 kann seitlich und von der Abgasleitung 1 weg weisend abgebogen ausgeführt sein. Dadurch ist eine konvektive Wärmeabfuhr vom Abschirmelement 8 verbessert.
Eine weitere Verringerung der thermischen Belastung der Einspritzvorrichtung E wird erreicht, wenn wie in 1 dargestellt für das Verbindungsteil 4 Kühlrippen 9 vorgesehen sind. Die Kühlrippen können als Einschnitte oder als abragende Flächen ausgebildet sein. Auf diese Weise ist einerseits die zur Wärmeleitung verfügbare Weglänge (thermischer Weg) und andererseits ist eine der konvektiven Wärmeabfuhr dienende äußere Oberfläche der Einspritzvorrichtung E vergrößert. Durch Einschnitte wird zudem die der Wärmeleitung stehende Materialmenge bzw. die zur Wärmeleitung zur Verfügung stehende Querschnittsabmessung und damit die Wärmeleitfähigkeit des Anschlussflansches 4 vermindert. Einschnitte des Anschlussflansches 4 können dabei sowohl nach außen geöffnet, als auch zum Inneren der Durchgangsbohrung 12 hin geöffnet ausgeführt sein. Weiterhin kann auch der Düsenkörper 3 Kühlrippen in Form von Einschnitten oder abragenden Flächenelementen aufweisen, was in 1 nicht näher dargestellt ist.
Für eine Minimierung der Wärmeleitung von der Abgasleitung 1 auf die Einspritzvorrichtung E ist es generell bevorzugt, wenn die Verbindungsfläche bzw. Kontaktfläche klein ausgeführt ist. Zur Erreichung einer notwendigen mechanischen Stabilität kann als Kontaktfläche zur Abgasleitung ein Ringbereich des Verbindungsteils 4 von einigen Millimetern Breite ausreichend sein. Dabei kann eine Kontakt- oder Dichtscheibe vorgesehen sein, welche aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt sein kann. Zusätzlich oder alternativ können weitere Teile der Einspritzvorrichtung E aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt sein.
Die durch die beschriebenen Maßnahmen erzielte Verminderung der Temperaturbelastung der Einspritzvorrichtung E wird zusätzlich durch eine Kühlwirkung von im Überschuss zugeführter Reduktionsmittellösung verbessert. Generell ist deshalb vorgesehen, der Einspritzvorrichtung E über den Anschluss 6 mehr Reduktionsmittellösung zuzuführen als tatsächlich ins Abgas dosiert wird, wobei die überschüssige Reduktionsmittellösung über den Rücklaufanschluss 7 abgeführt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1561919 A1 [0003]

Claims

Einspritzvorrichtung zur Einspritzung einer wässrigen Reduktionsmittellösung in eine Abgasleitung (1) einer Brennkraftmaschine, umfassend – eine Düse (2) mit einem Düsenkörper (3), – ein mit dem Düsenkörper (3) verbundenes Anschlussteil (5) mit einem Anschluss (6) für eine Zuführung der Reduktionsmittellösung zur Düse (2) und – einem Verbindungsteil (4) zur Verbindung der Einspritzvorrichtung (D) mit der Abgasleitung (1) sowie – ein den Düsenkörper (3) gegenüber dem Verbindungsteil (4) abschirmendes Abschirmelement (8).
Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (3) in eine Durchgangsbohrung (12) des Verbindungsteils (4) hineinragt.
Einspritzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (8) den in die Durchgangsbohrung (12) des Verbindungsteils (4) hineinragenden Teil des Düsenkörpers (3) ringsum gegenüber dem Verbindungsteil (4) abschirmt.
Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (8) das Verbindungsteil (4) größtenteils abdeckt und im Vergleich zum Verbindungsteil (4) eine größere Außendurchmesserabmessung aufweist.
Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil (4) von der Abgasleitung (1) abragt und Kühlrippen (9) aufweist.
Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei an der Abgasleitung (1) montierter Einspritzvorrichtung (E) die Düsenspitze außerhalb der Abgasleitung (1) angeordnet ist.
Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (2) ein federbelastetes, über einen hydraulischen Druck der Reduktionsmittellösung betätigbares Verschlusselement (11) aufweist.
Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (2) als eine nach außen öffnende Düse ausgebildet ist.
Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (E) wenigstens teilweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist.