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Die
Erfindung betrifft eine Zweistoffdüse, insbesondere zur
Zerstäubung einer Flüssigkeit mittels Druckluft,
insbesondere zur Einspritzung einer Harnstofflösung in
einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Düse
zumindest eine erste Düsenöffnung und eine zweite
Düsenöffnung aufweist.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Zweistoffdüse,
insbesondere einer Düse zur Zerstäubung einer
Flüssigkeit mittels Druckluft, wobei die Düse
zumindest eine erste Düsenöffnung und eine zweite
Düsenöffnung aufweist.
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Derartige
Zweistoffdüsen zur Zerstäubung von Flüssigkeiten
sind bekannt. Insbesondere kommen derartige Zweistoffdüsen
zur Zerstäubung von Lacken zum Einsatz. Zur Einspritzung
von Harnstoff in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors werden
Einloch- oder Mehrlochdüsen verwendet. Hierbei wird das
Aerosol bereits in einer vorgelagerten Mischkammer erzeugt.
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In
Abgassystemen, in denen die Harnstofflösung mittels Druckluft
in den Abgasstrom eingespritzt wird, werden zurzeit 1-Loch-Düsen
oder Mehrlochdüsen verwendet, bei denen die Aerosolbildung
in einer vorgelagerten Baugruppe erfolgt. Dies bedeutet, dass durch
die verwendeten Düsen das Aerosol nur noch verteilt wird.
Weiter ist durch die verwendete Geometrie der Düsenöffnung
nur eine geringe Variabilität des Austrittswinkels möglich.
Die Mehrlochdüse hat den weiteren Nachteil, dass sie das
Aerosol radial verteilt und damit eine Berührung des Aerosols mit
der Rohrwandung begünstigt.
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Die
bekannten druckluftfreien Harnstoffeinspritzsysteme arbeiten in
der Regel mit aktiven Düsen (Ventilen). Dies bedeutet,
dass auf dem heißen Abgasrohr elektrisch aktive Bauelemente
montiert werden müssen. Diese müssen entsprechend
den Temperaturvorgaben der Hersteller gekühlt werden. Dies
erfolgt in der Regel durch das Kühlwasser. Dadurch steigt
die Komplexität des Düsensystems erheblich an.
Weiter wird ein wesentlich größerer Bauraum für
den Einbau und die Schläuche benötigt.
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Nachteilig
bei den bekannten Zweistoffdüsen zur Zerstäubung
einer Flüssigkeit mittels Druckluft ist es somit, dass
diese einen relativ großen Einbauraum beanspruchen, da
sie eine vorgelagerte Mischkammer umfassen müssen. Weiterhin
nachteilig bei den bekannten Zweistoffdüsen ist es, dass
diese eine relativ hohe Bauteilanzahl und eine sehr komplexe Gestaltung
aufweisen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße
Zweistoffdüse derartig weiterzubilden, dass der erforderliche
Bauraum reduziert werden kann und die Düse insgesamt einen
weniger komplexen Aufbau mit einer reduzierten Teileanzahl aufweist.
Weiter soll die kostengünstige Herstellung einer Düse
ermöglicht werden, bei der die Aerosolbildung vorzugsweise
erst im Abgasstrom erfolgt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zweistoffdüse
gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte
Weiterausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Besonders
vorteilhaft bei der Zweistoffdüse, insbesondere zur Zerstäubung
einer Flüssigkeit mittels Druckluft, insbesondere zur Einspritzung
einer Harnstofflösung in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine,
wobei die Düse zumindest eine erste Düsenöffnung
und eine zweite Düsenöffnung aufweist, ist es,
dass die zweite Öffnung durch einen Ringspalt gebildet
wird, der zur ersten Öffnung konzentrisch angeordnet ist.
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Somit
ist es möglich durch die erste Düsenöffnung
die zu zerstäubende Flüssigkeit zu leiten und durch
den diese erste Düsenöffnung konzentrisch umgebenden
Ringspalt die Druckluft zu leiten, so dass bei Ausdüsen
der Flüssigkeit durch die Druckluft die Flüssigkeit
zerstäubt und somit das benötigte Aerosol gebildet
wird. Hierzu müssen die beiden Stoffe (Harnstofflösung
und Druckluft) auf getrennten Wegen der Düse zugeführt
werden.
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Anstelle
von Druckluft ist auch ein anderes Treibgas zur Zerstäubung
der Flüssigkeit einsetzbar, sodass Druckluft hier als Synonym
für jedes beliebige Treibgas gelten soll.
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Besonders
vorteilhaft kommt dementsprechend eine derartige Zweistoffdüse
bei der Eindüsung einer Harnstofflösung in den
Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur Reduktion von Stickoxyden zum
Einsatz, d. h. zur Einspritzung von Harnstofflösung, wie
insbesondere AdBlue gemäß DIN 70070, zur
selektiven katalytischen Reduktion.
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Vorzugsweise
ist die erste Öffnung mit einer ersten Kammer und/oder
Zuleitung verbunden, wobei die erste Öffnung von dieser
Kammer und/oder Zuleitung mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit
gespeist wird.
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Bevorzugt
ist die zweite Öffnung mit einer zweiten Kammer und/oder
Zuleitung verbunden und wird von dieser mit Druckluft gespeist.
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Das
Grundprinzip der Düse ist somit eine Mischung der Komponenten
und der damit verbundenen Aerosolbildung außerhalb des
Bauteiles. Hierbei wird durch die erste Kammer die zu zerstäubende Flüssigkeit
geleitet. Das Zerstäubungsmedium Druckluft wird über
die zweite Kammer zugeführt. Das Zerstäubungsmedium
wird um die erste Kammer herum geleitet. An der Düsenspitze
ist ein Ringspalt ausgebildet, der die erste Düsenöffnung
aus der die zu zerstäubende Flüssigkeit austritt,
konzentrisch umgibt. Durch den Ringspalt wird das Zerstäubungsmedium
in Form der Druckluft geleitet. Die Aerosolbildung erfolgt somit
außerhalb der Düse, wodurch die Bauteilkomplexität
in vorteilhafter Weise reduziert werden kann.
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Die
zweite konzentrische Düsenöffnung kann insbesondere
auch durch eine Mehrzahl kleinerer Spalte, Spaltabschnitte oder Öffnungen
gebildet sein, die insgesamt konzentrisch zur ersten Düsenöffnung,
d. h. auf einem Kreis oder auf Kreisabschnitten liegend um die erste
Düsenöffnung herum, angeordnet sind und insgesamt
einen Ringspalt oder eine ringspaltähnliche Öffnung
ausbilden. Dabei kommt es lediglich darauf an, dass die zweite Düsenöffnung insgesamt
konzentrisch zur ersten Düsenöffnung ist, um die
aus der ersten Düsenöffnung austretende Flüssigkeit
mittels Druckluft aus der zweiten konzentrischen Düsenöffnung
zu zerstäuben.
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Die
Düse kann einteilig ausgeführt sein. Die Düse
kann mittels des Metallpulver-Spritzgieß-Verfahrens hergestellt
werden, d. h. durch Metallpulverspritzgießen (MIM, Metal-Injection-Molding).
Hierbei wird der Hohlraum beim Spritzen des Bauteils durch einen
Kunststoffkörper gebildet. Dieser Kunststoffkörper
wird beim nachfolgenden Entbindern verdampft. Insbesondere ist hierfür
der Binder auf den Werkstoff des Kunststoffkörpers abgestimmt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Düse
mehrteilig ausgeführt, insbesondere zweiteilig, insbesondere
dergestalt, dass ein erstes Bauteil die erste Düsenöffnung
aufweist, und ein zweites Bauteil, das erste Bauteil zumindest teilweise
umgibt, so dass die zweite Düsenöffnung zwischen
dem ersten und dem zweiten Bauteil gebildet wird.
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Durch
diese Ausgestaltung, in dem das zweite Bauteil das erste Bauteil
zumindest teilweise umgibt oder umgreift, kann gleichzeitig zwischen
den beiden Bauteilen der die zweite Öffnung bildende Ringspalt
ausgebildet werde, der die erste Düsenöffnung
konzentrisch umgreift, d. h. einen zur ersten kreisförmigen
Düsenöffnung einen konzentrischen Ring bildet.
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Bevorzugt
sind beide Düsenöffnungen jeweils mit einer Kammer
und/oder Zuleitung verbunden, wobei die Kammern und/oder Zuleitungen
Anschlussbereiche für Schläuche, Leitungen, Flansche oder
dergleichen aufweisen, insbesondere Anschlussstutzen. Insbesondere
können die Anschlussstutzen derartig ausgebildet sein,
dass Schläuche oder dergleichen über die Stutzen übergestülpt
werden können, wobei die Anschlussstutzen derartig ausgestaltet
sein können, dass sie widerhakenähnliche Absätze
aufweisen, so dass Schläuche nicht herunterrutschen können,
sondern einen festen Sitz bilden, insbesondere durch Ausbildung
eines Form- und/oder Kraftschlusses.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind an dem Bauteil außenseitig
Kühlrippen angeordnet. Zur Kühlung der Bauteiloberfläche
und des Bauteiles, d. h. zur Kühlung der Zweistoffdüse
und zur Wärmeabfuhr sind Kühlrippen angeordnet.
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Vorzugsweise
weist die Düse außenseitig eine thermische Isolationsschicht
auf, insbesondere kann die Düse eine keramische Beschichtung
aufweisen. Durch die Anordnung einer thermischen Isolationsschicht,
insbesondere einer keramischen Beschichtung, kann die Düse
auf effektive Weise gegen Hitze wie sie im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors
auftritt, geschützt werden.
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Vorzugsweise
ist die Düse mittels eines Metallpulver-Spritzgieß-Verfahrens
hergestellt, d. h. durch Metallpulverspritzgießen (MIM,
Metal-Injection-Molding).
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Hierdurch
ist es möglich, auch für größere Stückzahlen
und/oder technisch anspruchsvolle komplexe Teile ein effektives
Fertigungsverfahren mit ausgezeichneten Toleranzeinhaltungen anzuwenden.
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Die
Düse wird vorzugsweise aus einen hochtemperaturbeständigen
und temperaturfestem Werkstoff gefertigt, da die Umgebungstemperatur
der Düse bis zu 600°C erreichen kann, wenn diese
Düsen zur Einspritzung von Harnstofflösung, wie
AdBlue, insbesondere gemäß DIN 70070 zur
selektiven katalytischen Reduktion (SCR) bei Verbrennungskraftmaschinen
im Abgasstrang zum Einsatz kommen. In der Regel gehören
diese Werkstoffe in die Gruppe der schwer zerspanbaren Metalle und
sind daher nur unter hohem Kostenaufwand zu bearbeiten. Dieser Nachteil
wird mit dem Herstellungsverfahren des Metallpulverspritzgießens
(MIM, Metal-Injection-Molding) überwunden.
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Vorzugsweise
werden die Bauteile und/oder die vollständig montierte
Düse, die mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgeführt
sein kann, entbindert und/oder gesintert und/oder keramikbeschichtet.
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Vorzugsweise
werden die Bauteile und/oder die vollständig montierte
Düse aus mehreren Teilen in einem weiteren thermischen
Prozess verdichtet. Damit werden die Materialendeigenschaften erreicht. Bei
diesem Prozess spricht man von Sintern oder Brennen. Anschließend
kann eine Keramikbeschichtung aufgebracht werden.
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Vorzugsweise
wird die Düse mehrteilig ausgeführt, wobei die
Bauteile insbesondere miteinander verklebt werden können.
Insbesondere können die Bauteile verklebt werden, bevor
die Baugruppe die Prozessschritte Entbinden und Sintern durchläuft. Weiter
sind das Verschweißen mittels Laser, Plasma oder WIG möglich.
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Besonders
bevorzugt ist/sind die erste und/oder die zweite Düsenöffnung
mittels Laserschneiden hergestellt.
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Dies
bedeutet, dass die Düsenöffnungen mittels Laserschneiden
in den Düsenkörper eingebracht sind. Hierdurch
sind sehr feine Wandstärken und eine sehr hohe Genauigkeit
erzielbar. Daraus resultiert ein optimiertes Spraybild und eine
sehr gleichmäßige Verteilung der Tröpfchen
des zu zerstäubenden Mediums. Bei den bekannten Düsen
war es hingegen sehr nachteilig, dass sie aufgrund des Herstellprozesses
nur eine unzureichende Genauigkeit aufweisen, was dazu führte,
dass sich eine unsymmetrische Verteilung bei der Zerstäubung
der Flüssigkeit und eine ungleichmäßige
Tröpfchenbildung einstellte.
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Durch
die Fertigung der ersten und der zweiten Düsenöffnung
mittels Laserschneiden wird somit die Qualität der Zerstäubung
erhöht und eine Verbesserung der Homogenität hinsichtlich
der Tröpfchenbildung und der Tröpfchenverteilung
erzielt.
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Die
Düsenöffnungen sind sowohl mittels Laserschneiden
oder mittels wasserstrahlgeführten Laserschneiden herstellbar.
Beide Verfahren sollen hier unter dem Begriff Laserschneiden subsumiert
werden.
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Vorzugsweise
wird die Zweistoffdüse als einteiliges Bauteil oder aus
mehreren Bauteilen mittels des MIM-Verfahrens (Metal Injection Molding,
d. h. Metallspritzverfahren) hergestellt. Durch dieses Herstellverfahren
ist es möglich, die benötigten Kanäle, insbesondere
gekrümmte und verwinkelte Kanäle, Anschlussbereiche,
Gewinde, etc. in den Düsenkörper einzubringen.
Die dabei erzielbaren Wandstärken und Geometrien sind jedoch
hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Feinheit durch das Herstellverfahren
des Metallspritzens beschränkt. Durch das Herstellen der Düsenöffnungen
mittels Laserschneiden kann das Herstellverfahren des Metallspritzens
jedoch weiter zur Herstellung des Düsenkörpers
als Rohling beibehalten werden, wobei durch das Laserschneiden sehr
feine und exakte Düsenöffnungen in den Düsenkörper
eingebracht werden. Die Zweistoffdüse wird somit in einem
mehrstufigen Herstellverfahren zunächst als Rohling enthaltend
die erforderlichen Kanäle, Hinterschneidungen und dergleichen
mittels des MIM-Verfahrens hergestellt. Dabei werden die Düsenaustrittsöffnungen
noch nicht in den Düsenkörper eingebracht. Die
erste und die zweite Düsenöffnung werden in einem
zweiten Verfahrensschritt mittels Laserschneiden in den Düsenkörper
eingebracht.
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Beim
Laserschneiden kann sehr exakt gearbeitet werden, es besteht jedoch
nicht die Möglichkeit, eine Hohlkammer oder einen gekrümmten
Kanal in ein Material, d. h. in einen Körper einzubringen. Mittels
des MIM-Verfahrens, d. h. mittels des Metallspritzverfahrens, hingegen
können die verschiedensten Konturen, Hohlkammern oder gekrümmte
und verwinkelte Kanäle in einen Block oder Körper,
d. h. hier in den Düsenkörper, eingebracht werden.
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Hier
vorliegend werden die besonderen Vorteile und Möglichkeiten
beider Herstellverfahren in besonders vorteilhafter Weise kombiniert
zur Herstellung einer kompakten, aus wenigen Einzelteilen bestehenden
Zweistoffdüse zur Zerstäubung einer Flüssigkeit
mittels Druckluft oder sonstigen Treibgases, die eine hohe Genauigkeit
zur Erzielung eines homogenen, gleichmäßigen Sprays mit
einer konstanten Tröpfchengröße ermöglicht.
Durch die Kombination des MIM-Verfahrens zur Herstellung des Düsenkörpers
mit dem Laserschneiden zur Herstellung der Düsenöffnungen
wird einerseits die Möglichkeit zur freien Wahl und Herstellung
der benötigten Konturen verbunden mit einer sehr hohen
Genauigkeit gegeben.
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Die
Düse wird bevorzugt mit den nötigen Konturen,
Kanälen, Anschlussbereichen und dergleichen im Pulverspritzgießverfahren,
insbesondere MIM-Verfahren (Metallpulverspritzgießen) in
der Art hergestellt, dass die erste Düsenöffnung
und der die zweite Düsenöffnung bildende Ringspalt
nicht gefertigt werden. Das heißt, dass alle nötigen
Kanäle in den Düesnkörper eingebracht
sind, jedoch kurz vor der Düsenspritze enden und nicht
bis nach außen reichen.
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Die
erste Düsenöffnung und die zur ersten Düsenöffnung
konzentrische zweite Düsenöffnung werden erst
im zweiten Herstellungsschritt mittels Laserschneiden oder wasserstrahlgeführtem
Laserschneiden hergestellt. Hierdurch werden die geforderten Geometrien
und Toleranzen eingehalten.
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Durch
das MIM-Verfahren werden die Düsenrohlinge mit allen Gewinden,
Kanälen und äußeren Konturen hergestellt.
Hier wird dann keine zeitaufwendige Nachbearbeitung mehr benötigt.
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Erst
durch das Laserschneiden wird dem Rohling die Größe
der Düsenöffnung gegeben, somit kann der Rohling
auf verschiedene Dosiermengenbereiche abgestimmt werden.
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Für
den „Kanal” zur Dosierung der Flüssigkeit,
insbesondere des AdBlues ergeben sich folgende Vorteile:
- • Die Form des Düsenaustritts
ist frei wählbar, diese kann z. B. zylindrisch oder kegelförmig
sein.
- • Die Form der Düsenaustrittsöffnung
ist frei wählbar, diese kann z. B. anstelle von scharfkantig,
mit einer Fase oder als Tulpe/Rundung oder dergleichen ausgeführt
werden.
- • Die Austrittsgeschwindigkeit der zu zerstäubenden
Flüssigkeit wird hiermit herabgesetzt, insbesondere des
Reduktionsmittels wie AdBlue im Falle der Verwendung der Düse
in einem Abgasnachbehandlungssystem. Somit ist die Verweilzeit des
Mediums länger im räumlichen Zentrum der Spraybildung,
es wird hiermit auch die Richtung des Flüssigkeitsaustritts
in Richtung Luftstrom gelenkt. Das Kreuzen der beiden Medien verbessert
das Spraybild in Richtung feinerer Tröpfchengrößenverteilung.
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Für
den Ringspalt, der zur Luftzuführung zuständig
ist, ergeben sich folgende Vorteile:
- • Hier
ist ebenfalls die Form frei wählbar.
- • Das Spaltmaß des Ringspaltes wird sehr symmetrisch
verlaufen (hierdurch entsteht ein symmetrisches Spraybild)
- • Das Spaltmaß des Ringspaltes kann kleiner
ausgelegt werden, hierdurch wird die Luftaustrittsgeschwindigkeit
erhöht, was kleinere Tröpfchen erzeugt und/oder
die benötigte Luftmenge kann reduziert werden.
- • Die Form des Ringspaltes ist frei wählbar,
hier kann der gesamte Ringspalt zum Düseninneren hin vom
Durchmesser größer werden. Hierdurch entsteht
ein Trichter, dessen Richtung nicht gleich (parallel) zur Austrittsrichtung
der Flüssigkeit (insbesondere der AdBlue-Austrittsrichtung)
ist, sondern auf das Zentrum des Flüssigkeitsstrahls gerichtet
ist. Die zu zerstäubende Flüssigkeit wird somit
durch den Luftstrom zerrissen und in kleine, gleichmäßige
Tröpfchen verteilt.
- • Die Form des Luftaustrittes kann so gestaltet werden,
dass der Luftstrom einen Drall erhält. Durch diesen rotierenden
Luftstrom wird ebenfalls das Zerreißen des Flüssigkeitsstrahls
gefördert.
- • Das Spaltmaß des Ringspaltes kann zum Düseninneren
hin vergrößert werden, damit wird der Luftstrom
langsam zu einer kleineren Austrittsfläche geführt
und somit besser beschleunigt. Dies ergibt eine höhere
Austrittsgeschwindigkeit.
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Alle
hier aufgeführten Punkte zielen unter anderen auf eine
mögliche Reduktion des benötigten Luftvolumenstromes
hin.
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Ein
weiteres Ziel ist, eine feinere Tröpfchengrößenverteilung
zu erzeugen, welche zum Einen zu einer besseren NH3-Verteilung
im Abgasstrom führt und zum Anderen werden die feineren
Tropfen des Reduktionsmittels (insbesondere AdBlue) schneller im
Abgas verdampft, somit kann die benötigte Strecke zur Hydrolyse
verringert werden.
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Dem
vorstehenden entsprechend erfolgt die Herstellung einer solchen
Zweistoffdüse, insbesondere einer Düse zur Zerstäubung
einer Flüssigkeit mittels Druckluft, wobei die Düse
zumindest eine erste Düsenöffnung und eine zweite
Düsenöffnung aufweist, erfindungsgemäß in
der Weise, dass in einem ersten Herstellungsschritt ein Rohling
der Düse im Falle einer einteiligen Düse oder
die Rohlinge der Bauteile der Düse im Falle einer mehrteiligen
Ausführung der Düse mittels Metallpulverspritzgießen
hergestellt werden, und danach in einem weiteren Herstellungsschritt
die erste und/oder die zweite Düsenöffnung mittels
Laserschneiden hergestellt wird/werden.
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Vorzugsweise
werden bei dem Herstellungsschritt des Metallpulverspritzgießens
bereits Kanäle und/oder Kammern und/oder Befestigungsbohrungen
und/oder Anschlussbereiche und/oder Gewinde und/oder Anschlussstutzen
und/oder Kühlrippen und/oder Rippen hergestellt.
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Besonders
vorteilhaft ist dabei, dass das MIM-Verfahren, d. h. das Metallpulverspritzen,
es gestattet, komplexe dreidimensionale Strukturen mit integrierten
Kanälen, Hohlräumen und dergleichen zu erzeugen.
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Dabei
werden vorzugsweise die inneren Konturen und Hohlräume
durch Kunststoffkörper beim Metallpulverspritzgießen
eingebracht, wobei der oder die Kunststoffkörper nach dem
Metallpulverspritzgießen geschmolzen oder verdampft werden.
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Bei
einer mehrteiligen Ausführung der Düse werden
vorzugsweise die Rohlinge der Bauteile der Düse miteinander
verklebt. Hierzu werden die Teile zueinander exakt ausgerichtet
und dann miteinander verklebt.
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Vorzugsweise
werden das Bauteil, d. h. der Rohling einer einteiligen Ausführungsform,
oder die Bauteile, d. h. die Rohlinge einer mehrteiligen Ausführungsform
der Düse, nach dem Pulverspritzgießen in einem
nachfolgenden Herstellungsschritt zunächst entbindert und
gesintert. Durch das entbindern und sintern erhalten die Rohlinge
ihre Form und Festigkeit. Sodann können mittels des Laserschneidens
die Düsenöffnungen eingebracht werden. Abschließend
kann nach der Herstellung der Düsenöffnungen eine
thermische Isolationsschicht, insbesondere ein keramischer Überzug,
aufgebracht werden. Hierdurch kann die Düse gegen eine
zu hohe thermische Belastung geschützt werden.
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In
den Figuren sind mehrere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen
Zweistoffdüsen in Schnittdarstellungen dargestellt und
werden nachfolgend erläutert. Es zeigen:
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1 Eine
erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Zweistoffdüse im Schnitt;
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2 Eine
zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Zweistoffdüse im Schnitt;
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3 Eine
dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Zweistoffdüse im Schnitt;
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4 Eine
vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Zweistoffdüse im Schnitt;
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5 Einen
vergrößerten Ausschnitt einer fünften
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zweistoffdüse
im Schnitt;
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6 Eine
sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Zweistoffdüse im Schnitt;
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7 Den
Bereich der Düsenspitze der sechsten Ausführungsform
gemäß 6 im Schnitt bei einem Rohling
vor der Fertigung der Düsenöffnungen;
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8 Den
Bereich der Düsenspitze gemäß 7 im
Schnitt nach der Fertigung der Düsenöffnungen;
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9 Den
Bereich der Düsenspitze im Schnitt bei einer weiteren Variante
der Sollkontur nach der Fertigung der Düsenöffnungen;
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Identische
Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche Bauteile der verschiedenen
Ausführungsformen von Zweistoffdüsen.
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Die
Düse gemäß 1 ist gebildet
durch zwei Bauteile 10, 20. Das erste Bauteil 10 weist
eine erste Düsenöffnung 11 auf, die von
einer ersten Kammer 12 mit der zu zerstäubenden
Flüssigkeit, d. h. im Falle der Anwendung als Düse
in einer Abgasnachbehandlungsanlage mit Harnstofflösung,
gespeist wird.
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Das
zweite Bauteil 20 übergreift das erste Bauteil 10 in
der Weise, dass zwischen den beiden Bauteilen 10, 20 ein
die zweite Düsenöffnung 21 bildender
Ringspalt gebildet wird, der von einer in das zweite Bauteil 20 integrierten
Kammer 22 mit Druckluft zur Zerstäubung der aus
der ersten Düsenöffnung 11 austretenden
Flüssigkeit beaufschlagt wird. Der Ringspalt 21 ist
konzentrisch zur ersten Düsenöffnung 11.
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Grundprinzip
der Düse ist eine Mischung der Komponenten außerhalb
des Bauteiles. Hierbei wird durch die erste Kammer 12 die
zu zerstäubende Flüssigkeit geleitet. Das Zerstäubungsmedium Druckluft
wird über die zweite Kammer 22 zugeführt. Das
Zerstäubungsmedium wird um die erste Kammer 12 herumgeleitet.
An der Düsenspitze ist ein Ringspalt 21 ausgebildet,
durch den das Zerstäubungsmedium geleitet wird. Die Anordnung
der Befestigungsbohrungen 31, 32 zur Montage der
beiden Bauteile 10, 20 respektive der gesamten
Anordnung kann entsprechend der Einbauräume variiert werden.
Gezeichnet ist hier die längliche Anordnung der Befestigungsbohrungen 31, 32.
Die Anbindung der Düse an die Verbindungsleitungen zur
Versorgung mit Druckluft und Harnstofflösung kann über
verschiedene Verfahren erfolgen. 1 zeigt
die Aufnahme für Verschraubungen. In 2 sind
die Aufnahmen für die Schläuche bereits in das
Oberteil integriert. Die Befestigung der Düse kann wahlweise
mittels Schrauben, Nieten und dergleichen erfolgen.
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In
die Kammern 12, 22 sind Innengewinde eingebracht,
die als Anschlussbereiche für die anzuschließenden
Zuleitungen für Flüssigkeit und Druckluft dienen.
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Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind
Anschlussstutzen 13, 23 zur Anbringung von Schläuchen
zur Zuleitung von Flüssigkeit zur ersten Düsenöffnung 11 sowie
zur Zuleitung von Druckluft zur zweiten Düsenöffnung 21 vorgesehen. Die
Stutzen 13, 23 weisen ringförmige Hinterschneidungen
auf, um einen festen Sitz eines aufgeschobenen Schlauches auf dem
jeweiligen Stutzen zu gewährleisten. Ebensolche Anschlussstutzen
weist die Ausführungsform gemäß 4 auf.
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Zur
Kühlung der Bauteiloberfläche und des Bauteiles 10 können
an dem Oberteil 10 eine oder mehrere Rippen 14, 15 angebracht
werden, wie dies in 3 dargestellt ist. Die Anzahl
und Größe der Kühlrippen 14, 15 sowie
deren Lage kann dem Einbauraum und der notwendigen Kühlleistung,
d. h. der erforderlichen Wärmeübertragung an die
Umgebung angepasst werden.
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Zur
Reduzierung des Wärmeeintrages über die Kontaktfläche
zum Abgasrohr der Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors
kann die Düse an der Unterseite des Unterteiles 20 mit
einem keramischen Überzug 30 versehen werden,
wie dies bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 der Fall
ist. Die thermische Isolationsschicht, d. h. die Keramik 30,
dient hier als thermischer Isolator gegen einen übermäßigen
Wärmeeintrag in die Bauteile 10, 20 der
Düse, wenn diese als Düse zur Einspritzung von
Harnstofflösung zur selektiven katalytischen Reduktion
(SCR) in Abgasnachbehandlungseinrichtungen bei Verbrennungsmotoren
zum Einsatz kommt, da hier hohe Temperaturen auftreten.
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In 5 ist
ein vergrößerter Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform
dargestellt. Zur Entleerung der Düse und zur Vermeidung
von Verblockungen durch Harnstoffkristalle können in die
Kammer oder Zuleitung 12, durch die die erste Düsenöffnung 11 gespeist
wird, Rippen 17 eingebracht werden. Nach dem Abstellen
des Motors findet keine Kühlung durch die Harnstofflösung
mehr statt. Die eingetragene Wärme wird nun über
die Rippen 17 in die Mitte des Harnstoffkanals 12 geleitet.
Hierdurch wird an der Rippenposition der Harnstoff über
die Verdampfungsgrenze hinweg erhitzt. Der entstehende Dampf treibt
die vor ihm stehende Harnstoffsäule aus der Düse 11 heraus.
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Die
hier beschriebenen Düsen werden aus nur zwei Teilen 10, 20 gefertigt.
Diese sind das Oberteil 10 mit der Kammer oder dem Kanal 12 und
der Kammer oder dem Kanal 22, sowie das Unterteil 20. Zur
Herstellung der Einzelteile 10, 20 kommt hier
das MIM-Verfahren (Metall-Injection-Molding), d. h. Metallpulverspritzgießen,
zum Einsatz.
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Die
beiden Einzelteile 10, 20 werden nach dem Spritzen
zueinander ausgerichtet und miteinander verklebt. Im Anschluss wird
das Bauteil entbindert und gesintert. Hierdurch erhält
das Bauteil seine endgültige Festigkeit. Nach dem Sintern
erhält man das einbaufertige Bauteil. Vorteil des Verfahrens
liegt in der freien Konturgestaltung und in den erreichbaren Toleranzklassen.
Die keramische Isolationsschicht 30 wird in einem weiteren
Arbeitsgang auf das Bauteil aufgespritzt und anschließend
gebrannt.
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Die
Düse gemäß 6 ist gebildet
durch ein einziges Bauteil 6, aufweisend die erste Düsenöffnung 11,
die von einer ersten Kammer 12 mit der zu zerstäubenden
Flüssigkeit, d. h. im Falle der Anwendung als Düse
in einer Abgasnachbehandlungsanlage mit Harnstofflösung,
gespeist wird. Weiter weist das Bauteil 6 die zweite Düsenöffnung 21 in
Form eines Ringspaltes auf, der von einer integrierten Kammer 22 mit
Druckluft zur Zerstäubung der aus der ersten Düsenöffnung 11 austretenden
Flüssigkeit beaufschlagt wird. Der Ringspalt 21 ist
konzentrisch zur ersten Düsenöffnung 11.
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Die
Düsenöffnungen 11, 21, die Kammern 12, 22 zur
Speisung der Düsenöffnungen 11, 21 sowie
die Kanäle zwischen den Kammern 12, 22 und Düsenöffnungen 11, 21 sind
in den einteiligen Düsenkörper 6 integriert.
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Die
Düse gemäß 6 ist als
einteiliges Bauteil mittels des Metallpulver-Spritzgieß-Verfahrens
hergestellt, d. h. durch Metallpulverspritzgießen (MIM,
Metal-Injection-Molding). Hierbei wird der komplexe Hohlraum zur
Ausbildung der in das Bauteil 6 integrierten Kammern 12, 22 und
Verbindungskanäle hin zu den Düsenöffnungen 11, 21 beim
Spritzen des Bauteils 6 durch einen Kunststoffkörper
gebildet. Dieser Kunststoffkörper wird beim nachfolgenden
Entbindern verdampft. Hierfür wird der Binder auf den Werkstoff
des Kunststoffkörpers abgestimmt.
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In
die Kammern 12, 22 sind Innengewinde eingebracht,
die als Anschlussbereiche für die anzuschließenden
Zuleitungen für Flüssigkeit und Druckluft dienen.
Die Durchgangsbohrungen 31, 32 dienen der Montage
des Düsenkörpers 6.
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Die
Düsenöffnungen 11, 21 werden
in einem weiteren Herstellungsschritt mittels Laserscheiden in den
Düsenkörper 6 eingebracht.
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Das
erfindungsgemäße Herstellungsverfahren des Düsenkörpers 6 mittels
Metallpulverspritzgießen und die Herstellung der Düsenöffnungen 11, 21 mittels
Laserschneiden wird anhand der 7 und 8 deutlich.
In den 7 und 8 ist ein vergrößerter
Ausschnitt der Düsenspitze der Düse gemäß 6 dargestellt.
Dabei zeigt 7 den Bereich der Düsenspitze
der Ausführungsform gemäß 6 im Schnitt
bei einem Rohling vor der Fertigung der Düsenöffnungen
und 8 zeigt den Bereich der Düsenspitze gemäß 7 im
Schnitt nach der Fertigung der Düsenöffnungen
mittels Laserschneiden.
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Wie
oben dargestellt, wird bereits bei der Fertigung des Rohlings 6 gemäß 7 der
komplexe Hohlraum zur Ausbildung der in das Bauteil 6 integrierten
Kanäle zu den Kammern 12, 22 und Verbindungskanäle
hin zur Düsenspitze beim Spritzen des Bauteils 6 durch
einen Kunststoffkörper gebildet und gefertigt. Die Kanäle
reichen bis kurz vor der Düsenspitze, die später
die Düsenöffnungen 11, 21 aufweisen
wird. Der Kunststoffkörper wird beim nachfolgenden Entbindern
verdampft. Hierfür wird der Binder auf den Werkstoff des
Kunststoffkörpers abgestimmt. Bei der Herstellung des Düsenkörpers 6 mittels
Metallpulverspritzgießen werden die Düsenöffnungen 11, 21 jedoch
noch nicht gefertigt. Dies erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt
mittels Laserschneiden, da hierdurch feinere Konturen und eine höhere
Genauigkeit als bei Metallpulverspritzgießen erzielbar sind.
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7 zeigt
den Bereich der Düsenspitze des Rohlings 6 vor
der Fertigung der Düsenöffnungen 11, 21 mittels
Laserschneiden im Schnitt. 8 zeigt den
Schnitt nach der Herstellung der Düsenöffnungen 11, 21 mittels
Laserschneiden.
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Die
Düsenöffnungen 11, 21 sind mittels
Laserschneiden in den Düsenkörper 6 eingebracht. Hierdurch
sind sehr feine Wandstärken und es ist eine sehr hohe Genauigkeit
erzielbar. Daraus resultiert ein optimiertes Spraybild und eine
sehr gleichmäßige, symmetrische Verteilung der
Tröpfchen des zu zerstäubenden Mediums.
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Durch
die Fertigung der ersten Düsenöffnung 11 und
der zweiten Düsenöffnung 21 mittels Laserschneiden
wird somit die Qualität der Zerstäubung erhöht
und eine Verbesserung der Homogenität hinsichtlich der
Tröpfchenbildung und der Tröpfchenverteilung erzielt.
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Bei
der Ausführungsform der Zweistoffdüse gemäß den 6 bis 8 werden
die beiden Düsenöffnungen 11, 21 mittels
Laserschneiden derartig gefertigt, dass die Verbindungskanäle
zur ersten 11 und die zweite Düsenöffnung 21 senkrecht
auf der Unterseite der Düsenspitze stehen. Dies hat zur
Folge, dass die Austrittsrichtung der aus der ersten Düsenöffnung 11 austretenden
und zu zerstäubenden Flüssigkeit sowie die Austrittsrichtung
des aus der zweiten Düsenöffnung 21 austretenden
Zerstäubungsmediums Druckluft parallel zueinander und senkrecht
zur Unterseite der Düse 6 ist.
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9 zeigt
eine abweichende Variante der Sollkontur der endgültigen
Spitzengeometrie der Düsenspitze einer aus einem Bauteil 7 gefertigten
Düse nach der der Fertigung der Düsenöffnungen 11, 21 mittels
Laserschneiden im Schnitt. Dabei ist der Kanal zur ersten Düsenöffnung 11 ebenfalls
senkrecht zur Unterseite der Düsenspitze. Der Kanal zur
zweiten Düsenöffnung 21 ist jedoch nicht
senkrecht zur Düsenunterseite sondern vielmehr sich in
Richtung der Düsenöffnung 21 sich verjüngend.
Die zweite Düsenöffnung 21 ist konzentrisch
zur ersten Düsenöffnung 11. Durch die
Verjüngung der Kanalkontur auf die zweite Düsenöffnung 21 hin
erfolgt nach dem Austritt der beiden Medien aus der Düsenspitze
eine frühere und stärkere Durchmischung der Flüssigkeit und
des Zerstäubungsmediums, als bei der Düsenspitze
gemäß der Ausführung nach 8.
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Wie
in den 7 bis 9 dargestellt, ist es mittels
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens möglich,
beliebige und hochgenaue Düsengeometrien zu fertigen. Hierdurch
kann die Bildung des Sprays und die Größe und
Verteilung der Tröpfchen entsprechend den Anforderungen
an die Zweistoffdüse eingestellt werden. Durch die Herstellung
der beiden Düsenöffnungen 11, 21 mittels
Laserschneiden können geringste Toleranzen eingehalten
werden.
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Die
Beschreibung des Herstellungsverfahrens anhand einer einteiligen
Düse ist dabei nur beispielhaft. Selbstverständlich
können auch bei einer Ausführungsform einer Düse
aus zwei Bauteilen 10, 20 oder mehr Bauteilen
bestehend die Düsenöffnungen 11, 21 in
besonders vorteilhafter Weise mittels Laserschneiden hergestellt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN 70070 [0012]
- - DIN 70070 [0025]