DE102009032488A1

DE102009032488A1 - Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102009032488A1
Application number: DE102009032488A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Rusche; Christof Dr. Lücking; Sascha Fuß; Tobias Bukes; Michael Padberg; Daniel Rabiega; Gerd Sonnenhol; Gerd Dr. Gaiser; Guido Domke
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2011-01-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Injektor zur Injektion eines Reduktionsmittels (11) in den von einer Verbrennungsvorrichtung (6) abgegebenen Abgasstrom (61), wobei das zur Aufnahme des Reduktionsmittels (11) ausgebildete Innenvolumen (41) des Injektors (4) einen ersten Hohlraum (41a) konstanter Größe und einen an den ersten Hohlraum angrenzenden zweiten Hohlraum (41b) aufweist, dessen mit dem ersten Hohlraum verbundenes Volumen in Abhängigkeit des im Innenvolumen (41) vorherrschenden Drucks und/oder der darin vorherrschenden Temperatur variiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungseinrichtung für Fahrzeuge, bei der zur Abgasreinigung ein fluides und insbesondere ein flüssiges Reduktionsmittel verwendet wird.
Bei der thermischen Verwertung von festen, gasförmigen und flüssigen natürlichen und fossilen Brennstoffen wie beispielsweise Kohle, Gas, Öl und Holz kommt es in der Regel zur Bildung von Stickoxiden NO_X. Auch die Abgase von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge enthalten Stickoxide. Besonders hoch ist der Anteil an Stickoxiden in Abgasen von dieselbetriebenen Verbrennungsmotoren.
Stickoxide und insbesondere Stickstoffdioxid NO₂ stehen im Verdacht, die menschlichen Atmungsorgane zu reizen oder zu schädigen. Außerdem werden Stickoxide aufgrund der Bildung von Salpetersäure (HNO₃) durch Reaktion mit Wasser (H₂O) (2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂) oder durch Aufnahme von N₂O₅ in Aerosolpartikel und nachfolgender Bildung von NO₃ ^– in flüssiger Phase mit für die Entstehung des ”Sauren Regens” in Verbindung gebracht. Ferner gelten Stickoxide auch an der Bildung von Smog und (unter Einfluss von UV-Strahlung) auch an der Bildung von Ozon (O₃) beteiligt.
Es werden daher verstärkt Anstrengungen unternommen, den Gehalt von Stickoxiden im Abgas zu reduzieren. Hierfür wurde vorgeschlagen, ein ungiftiges fluides Reduktionsmittel aus Wasser (H₂O) und Harnstoff (CH₄N₂O) präzise dosiert in den (noch heißen) Abgasstrom einzuspritzen. Der dabei entstehende Ammoniak (NH₃) reagiert mit den Stickoxiden des Abgases in einem der Einspritzung entlang des Abgasstroms nachgeschalteten SCR-Katalysator (SCR = Selective Catalytic Reduction, zu deutsch: Selektive katalytische Reduktion) zu für die Umwelt unschädlichem Stickstoff und Wasser. Als flüssiges Reduktionsmittel kann beispielsweise mit Wasser versetzter Harnstoff verwendet werden. Eine 32,5%-ige wässrige Harnstofflösung ist zum Beispiel unter dem Markennamen AdBlue^® im Handel erhältlich. Die Einspritzung des Reduktionsmittels kann dabei mit Druckluft vermischt oder direkt in flüssiger Form erfolgen. Prinzipiell wäre es auch möglich Ammoniak anstelle von Harnstoff als Reduktionsmittel zu verwenden, aufgrund der ätzenden, umweltgefährdenden und giftigen Eigenschaft von Ammoniak ist dies jedoch problematisch.
Die Verwendung von fluiden und insbesondere von flüssigen Reduktionsmitteln zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungsvorrichtung birgt abgesehen von der Tatsache, dass zum Betrieb der jeweiligen Verbrennungsvorrichtung zusätzlich zum Brennstoff auch Reduktionsmittel bereitgestellt werden muss, den Nachteil, dass sich das Reduktionsmittel bei tiefen Temperaturen verfestigen kann, wobei die Volumenänderung des Reduktionsmittels beim Einfrieren nicht nur zur Beeinträchtigung, sondern auch zur Beschädigung von mit ihm in Kontakt stehenden Komponenten führen kann.
Der Gefrierpunkt von AdBlue^® liegt beispielsweise bei –11°C, einer Temperatur die auch in den Wintern der gemäßigten Zonen oftmals unterschritten wird. Bei wässrigen Reduktionsmitteln nimmt das von ihnen beim Einfrieren beanspruchte Volumen zu. Bei AdBlue^® beispielsweise um ca. 11% bezogen auf das Volumen im flüssigen Zustand. Steht für die Ausdehnung des einfrierenden Reduktionsmittels kein entsprechender Raum zur Verfügung, so nimmt der Druck im Reduktionsmittel und damit verbunden auch auf die mit ihm in Kontakt stehenden Komponenten zu.
Zum Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom wird eine als Einspritzdüse bzw. Injektor bezeichnete Vorrichtung verwendet, die in der Regel bewegliche Komponenten zur Steuerung von Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge des Reduktionsmittels aufweist. Die mit einem Einfrieren von Reduktionsmittel in der Vorrichtung verbundene Volumen- bzw. Druckänderung kann zu Undichtigkeiten der Vorrichtung und zur Beschädigung dessen eventuell vorhandener beweglicher Komponenten mit der Folge einer Funktionsbeeinträchtigung führen, die sich bis zum Ausfall oder zur Zerstörung der Vorrichtung ausweiten kann.
Um dies zu verhindern kann die Abgasreinigungseinrichtung mit einer Fremdheizung für die Vorrichtung (z. B. Einspritzdüse bzw. Injektor) oder auch weitere Teile der Reduktionsmittelzuführung versehen werden, welche die Temperatur des Reduktionsmittels immer oberhalb dessen Gefrierpunkts hält. Der Energiebedarf entsprechender Heizungen ist jedoch sehr hoch. Bei mobilen Verbrennungsanlagen wird die zum Heizen benötigte Energie meist über separate Energiespeicher begrenzter Kapazität, beispielsweise durch Batterien oder Akkumulatoren, bereitgestellt, so dass eine entsprechende Beheizung der Reduktionsmittelzuführung nur über einen begrenzten Zeitraum aufrecht erhalten werden kann. Vor allem für Kraft- und Nutzfahrzeuge ergeben sich hierdurch nicht unwesentliche Einschränkungen bezüglich deren Funktionsbereitschaft. Außerdem bedeutet eine Fremdheizung einen zusätzlichen technischen Aufwand, der zu einer erheblichen Verteuerung der Abgasreinigungseinrichtung sowie deren Unterhalts führt.
Um die Funktionsbereitschaft der Vorrichtung zum Einspritzen des Reduktionsmittels bei kalten Umgebungstemperaturen auch ohne Beheizen zu verbessern, ist es bekannt, die Vorrichtung bei Nichtbenutzung der Verbrennungsanlage zu entleeren. Hierzu sind jedoch technische Einrichtungen erforderlich, die nach dem Abschalten der Verbrennungsanlage weiterhin mit Strom bzw. Energie versorgt werden müssen. Außerdem ist ein Großteil der Kraftfahrzeughersteller nicht bereit den mit diesen Einrichtungen verbundenen Kostenaufwand zu tragen.
Ausgehend von dem Geschilderten sind Ausführungsformen der Erfindung darauf gerichtet, eine kostengünstige und zuverlässige Vorrichtung anzugeben, die eine Funktionsbeeinträchtigung oder eine Beschädigung des Injektors durch gefrierendes Reduktionsmittel verhindert.
Entsprechende Ausführungsformen sind Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
Eine Ausführungsform umfasst einen Injektor zur Injektion eines Reduktionsmittels in den von einer Verbrennungsvorrichtung abgegebenen Abgasstrom, wobei das zur Aufnahme des Reduktionsmittels ausgebildete Innenvolumen des Injektors einen ersten Hohlraum konstanter Größe und einen an den ersten Hohlraum angrenzenden zweiten Hohlraum aufweist, dessen mit dem ersten Hohlraum verbundenes Volumen in Abhängigkeit des im Innenvolumen vorherrschenden Drucks und/oder der darin vorherrschenden Temperatur variiert.
Durch die Bereitstellung eines druck- bzw. temperaturabhängigen variablen zweiten Volumens im zweiten Hohlraum kann ein Ausgleichsvolumen geschaffen werden, das nur im Bedarfsfall verfügbar ist. In gefrorenem Zustand und dem damit verbundenen hohen Druck nimmt das Reduktionsmittel den ersten und zweiten Hohlraum und damit ein relativ großes Gesamtvolumen ein. Beim Auftauen und damit bei niedrigen Drücken wird das Reduktionsmittel zur Gänze im Inneren des Injektors aufgenommen und steht bei erneuter Inbetriebnahme des Injektors wieder vollständig für die Einspritzung zur Verfügung.
Eine weitere Ausführungsform betrifft eine Abgasreinigungseinrichtung mit einem derart ausgebildeten Injektor, die ferner einen Behälter zur Aufnahme eines fluiden Reduktionsmittels und eine Förderpumpe aufweist, die in einer den Behälter mit dem Injektor verbindenden Fluidverbindung angeordnet und zum Pumpen des Reduktionsmittels aus dem Behälter in den Injektor ausgebildet ist.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung von Merkmalen verwendeten Begriffe ”umfassen”, ”aufweisen”, ”beinhalten”, ”enthalten” und ”mit”, sowie deren grammatikalische Abwandlungen, generell als nichtabschließende Aufzählung von Merkmalen, wie z. B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen aufzufassen sind, und somit das Vorhandensein anderer bzw. zusätzlicher Merkmale oder das Vorhandensein von Gruppierungen anderer oder zusätzlicher Merkmale weder ausschließen noch erfordern.
Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungsformen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer Ausführungsform weist der Injektor einen ersten Gehäusekörper auf, der den ersten Hohlraum umfasst, und einen als Faltenbalg ausgeführten zweiten Gehäusekörper, der den zweiten Hohlraum umfasst. Der Faltenbalg ist hierbei so angeordnet, dass das Volumen des zweiten Hohlraums mit dem Volumen des ersten Hohlraums in Verbindung steht. Der Faltenbalg kann dabei im Innenraum eines dritten Gehäusekörpers angeordnet sein, dessen Geometrie eine Längenänderung des Faltenbalgs innerhalb des Innenraums ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform sind der erste Gehäusekörper und der zweite Gehäusekörper im Innenraum des dritten Gehäusekörpers angeordnet. In einer Ausführungsform beträgt das vom dritten Gehäusekörper eingenommene Volumen weniger als das dreifache und insbesondere weniger als das 2,5-fache und weiter insbesondere weniger als das 1,5-fache des vom ersten Gehäusekörper eingenommenen Volumens.
Bei Ausführungen, bei denen sich der zweite Gehäusekörper im Inneren des dritten Gehäusekörpers befindet, kann der Injektor eine Feder aufweisen, die den zweiten Gehäusekörper zusammengedrückt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Hohlraum an den ersten Hohlraum angrenzend angeordnet und von diesem durch ein Verschlusselement abgetrennt, wobei das Verschlusselement so ausgebildet ist, dass es sich abhängig von dem im ersten Hohlraum vorherrschenden Druck und/oder der darin vorherrschenden Temperatur so in den zweiten Hohlraum hineinbewegt, dass zumindest ein Teil des Volumens des zweiten Hohlraums mit dem Volumen des ersten Hohlraums in Verbindung steht. Das Verschlusselement kann dabei von einem Bimetall gebildet, aber auch als federbelastete Klappe ausgeführt sein.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform beträgt das maximale Innenvolumen des zweiten Hohlraums weniger als das 0,8-fache und insbesondere weniger als das 0,5-fache und weiter insbesondere weniger als das 0,2-fache des Innenvolumens des ersten Hohlraums. Weiter beträgt gemäß einer Ausführungsform das minimale Innenvolumen des zweiten Hohlraums mehr als das 0,05-fache und insbesondere mehr als das 0,1-fache und weiter insbesondere mehr als das 0,15-fache des Innenvolumens des ersten Hohlraums. Somit kann das Innenvolumen des zweiten Hohlraums beispielsweise zwischen dem 0,05-fachen und dem 0,2-fachen des Innenvolumens des ersten Hohlraums betragen.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Abgasreinigungseinrichtung enthält das Reduktionsmittel eine wässrigen Lösung von Harnstoff und insbesondere eine 32,5%ige wässrige Harnstofflösung.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. Die einzelnen Merkmale können bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung je für sich oder zu mehreren verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen
1 eine Verbrennungseinrichtung mit einer Abgasreinigungseinrichtung veranschaulicht, die einen Injektor mit variablem Innenvolumen aufweist,
2a eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels für einen Injektor mit einem variablen Innenvolumen in einer ersten Betriebsstellung zeigt,
2b eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels von 2a in einer zweiten Betriebsstellung zeigt,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Injektor mit einem variablen Innenvolumen in einer schematischen Darstellung zeigt, und
4 ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Injektor mit einem variablen Innenvolumen in einer schematischen Darstellung zeigt.
Gleiche oder gleichwirkende Komponenten sind in den Figuren mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.
Die in der 1 dargestellte Verbrennungseinrichtung weist eine Verbrennungsvorrichtung 6, beispielsweise einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, und eine Abgasreinigungseinrichtung 100 auf. Die Abgasreinigungseinrichtung 100 umfasst einen Abgasstrang 5, in den die von der Verbrennungsvorrichtung 6 erzeugten Abgase eingeleitet und in dem sie gereinigt werden, bevor sie über den Auslass 52 an die Umgebung abgegeben werden. In den Abgasstrang 5 ist ein Katalysator 51, beispielsweise ein wie oben beschriebener SCR-Katalysator eingebunden. Die Abgasreinigungseinrichtung 100 umfasst weiterhin eine Reduktionsmittelzuführung mit einer Einspritzdüse, die im Folgenden als Injektor 4 bezeichnet wird. Der Injektor 4 ist in dem zwischen der Verbrennungsvorrichtung 6 und dem Katalysator 51 angeordneten Segment des Abgasstrangs 5 angebracht. Der Injektor 4 dient dem Einspritzen von Reduktionsmittel 11 in den Abgasstrom 61 vor dem Zuführen zum Katalysator 51. Eine Förderpumpe 3 fördert das Reduktionsmittel 11 über die aus den Saugleitungsabschnitten 21 und 22 sowie dem dazwischenliegenden Filter 2 gebildete Förderleitung aus dem häufig auch als Reduktionsmitteltank bezeichneten Reduktionsmittelbehälter 1 und führt es über die Zufuhrleitung 23 dem Injektor 4 zu. Der Filter 2 dient dazu eventuell im Reduktionsmittel 11 enthaltene partikelförmige Verunreinigungen zurückzuhalten, die sonst zu einer Funktionsbeeinträchtigung des Injektors 4 oder auch der Förderpumpe 3 führen könnten.
Zum dosierten Einspritzen des Reduktionsmittels 11 in den Abgasstrom 61 setzt die Förderpumpe 3 das in der Zufuhrleitung 23 und im Innenraum des Injektors 4 befindliche Reduktionsmittel 11 unter Druck. Der Injektor 4 besitzt im vorgestellten Fall ein elektromagnetisch betätigbares Ventil 42, das den Innenraum 41 des Injektors 4 mit dessen Düsenöffnung 43 verbindet. Alternativ sind auch passive Ventile bekannt. Bei geöffnetem Ventil 42 kann das Reduktionsmittel 11 somit über die Düsenöffnung 43 in den Abgasstrom 61 eingeleitet werden. Die Menge des in den Abgasstrom 61 injizierten Reduktionsmittels wird über die Dauer der Zeitintervalle gesteuert, während denen das Ventil 42 die Düsenöffnung 43 freigibt.
Der Innenraum 41 des Injektors 4 weist einen ersten Hohlraum 41a konstanten Volumens und einen an diesen angrenzenden zweiten Hohlraum 41b auf, der ein an den ersten Hohlraum 41a angebundenes variables zweites Volumen verfügbar macht.
In der schematischen Darstellung von 2 ist ein Beispiel für einen Injektor 4 mit einem solcherart variabel gestalteten Innenvolumen 41 in einer Querschnittsansicht veranschaulicht. Im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung sind in 2 nur die für das Verständnis wesentlichen Komponenten in einer prinzipiellen Darstellung gezeigt, wobei die Gestaltung der Komponenten von der Gezeigten insoweit abweichen kann, als die unten beschriebenen Funktionen dadurch nicht beeinträchtigt werden.
Die in den Zeichnungen der 2 gezeigte Ausführungsform des Injektors 4 weist ein Gehäuse 4a auf, das einen Innenraum 41 umschließt, der sich zur Düsenöffnung 43 hin verjüngen kann. Die Düsenöffnung 43 verbindet die in der Darstellung konisch ausgebildete Verjüngung des Innenraums 41 mit dem Inneren des Abgasstrangs 5. Innerhalb des Innenraums 41 des Gehäuses 4a ist ein üblicherweise als Düsennadel bezeichnetes Element 42b angeordnet, das zum Verschließen und Freigeben der Düsenöffnung 43 entlang den durch den Doppelpfeil gekennzeichneten Richtungen verschoben werden kann. Das zwischen dem verschiebbaren Element 42b und der Gehäusewand 4a ausgebildete Innenvolumen 41a ist im Betriebsfall mit Reduktionsmittel gefüllt. Bei geöffneter bzw. freigegebener Düsenöffnung 43 kann das im Innenvolumen 41a unter Druck stehende fluide Reduktionsmittel 11 zur Abgasreinigung in den Abgasstrom 61 übertreten. Die in 2 im Bereich des Injektorinnenraums 41 dargestellten Pfeile geben die Flussrichtung des Reduktionsmittels 11 bei einem solchen Einspritzvorgang an.
Das Verschieben der Düsennadel 42b erfolgt vorzugsweise über einen (in der Figur lediglich schematisch angedeuteten) elektrischen Antrieb 42a, beispielsweise eine Tauchspule, einen Linearmotor, einen Spindelmotor oder vergleichbare Antriebe. Auch eine passive Betätigung z. B. durch den Druck des Reduktionsmittels 11 ist möglich. Die an die Gehäusegeometrie angepasste, hier kugelsegmentförmige Form der Düsennadelspitze ermöglich ein sicheres Verschließen der Düsenöffnung 43. Selbstverständlich sind andere Geometrien der Düsennadelspitze und des Düsengehäuses 4a, vor allem im Bereich der Düsenöffnung 43, möglich. Um eine genaue Dosierung der Einspritzmenge des Reduktionsmittels 11 sicherzustellen, müssen die Geometrien von Düsennadelspitze und Düsengehäusewand im Kontaktbereich jedoch stets so aufeinander abgestimmt sein, dass ein sicheres Verschließen der Düsenöffnung 43 ermöglicht wird.
Bei Abstellen der Abgasreinigungseinrichtung 100 stellt die Förderpumpe 3 die Förderung des Reduktionsmittels zum Injektor 4 ein, woraufhin die Zufuhrleitung 23 üblicherweise mit der Rücklaufleitung 24 verbunden wird. Selbstverständlich kann die Verbindung der Zufuhrleitung 23 mit der Rücklaufleitung 24 auch mittels eines getrennt von der Pumpe 3 angeordneten Ventils realisiert werden. Durch das Verbinden der Rücklaufleitung 24 mit der Zufuhrleitung 23 entspannt sich der Reduktionsmitteldruck in der Zufuhrleitung 23 und damit auch im Innenvolumen 41a des Injektors 4 auf den im Reduktionsmittelbehälter 1 vorherrschenden Druck, der in der Regel dem Umgebungsdruck entspricht. Außer dem zum Druckabbau erforderlichen Reduktionsmittelrücklauf findet jedoch keine weitere Entleerung der Förderleitung 23 statt, so dass das Innenvolumen 41a des Injektors 4 weiterhin mit Reduktionsmittel 11 gefüllt ist, das sich beim Einfrieren ausdehnt und hierdurch den Injektor 4 beschädigen kann.
Um dies zu verhindern weist das Injektorgehäuse 4a zusätzlich zum konstanten (Standard-)Innenvolumen 41a ein Ausweichvolumen 41b auf, das im Bedarfsfalle ganz oder teilweise mit dem (Standard-)Innenvolumen 41a verbunden werden kann. Bei der in den Darstellungen a) und b) von 2 veranschaulichten Ausführungsform ist das Ausweichvolumen 41b als ringförmige Vertiefung in der Innenwand des Injektorgehäuses 4a ausgebildet. Selbstverständlich kann das Ausweichvolumen auch als Kammer im Injektorgehäuse 4a realisiert sein, oder als außerhalb des Injektorgehäuses 4a angeordneter Hohlraum, der mit dem (Standard-)Innenvolumen 41a über eine die Wand des Injektorgehäuses 4a durchdringende Öffnung verbunden ist.
An der Grenzfläche zwischen (Standard-)Innenvolumen 41a und Ausweichvolumen 41b ist ein Verschlusselement 49 angeordnet. Im regulären Betriebsfall des Injektors 4, bei dem sich die Temperatur des Reduktionsmittels 11 oberhalb dessen Gefrierpunkts befindet, trennt das Verschlusselement 49 das Ausweichvolumen 41b vollständig vom (Standard-)Innenvolumen 41a ab, so dass das Ausweichvolumen 41b nicht für ein Befüllen mit Reduktionsmittel 11 verfügbar ist.
Im in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verschlusselement 49 als Bimetallring ausgeführt, dessen Lage und Form bei Temperaturen unterhalb des Gefrier-/Schmelzpunkts des Reduktionsmittels 11 (Darstellung a) von 2) das Ausweichvolumen 41b vollständig vom (Standard-)Innenvolumen 41a abtrennt, wobei die Geometrie des Bimetallrings die Geometrie des (Standard-)Innenvolumens 41a im Wesentlichen ohne Querschnittsveränderung fortsetzt.
Das Bimetall 49 ist ferner so ausgebildet, dass es sich bei Temperaturen um und unterhalb des Gefrierpunkts des Reduktionsmittels 11 in den für das Ausweichvolumen 41b genutzten Hohlraum hinein verbiegt und dem im Injektor 4 gefrierenden Reduktionsmittel 11 somit mehr Volumen zur Verfügung stellt. Die Auslenkung des Verschlusselements 49 kann dabei, wie in Darstellung b von 2 gezeigt, auf einen maximalen Bereich begrenzt sein.
Um sicherzustellen, dass kein Reduktionsmittel 11 auf die dem (Standard-)Innenvolumen 41a abgewandte Seite des Verschlusselements 49 gelangt, ist das sich bewegende freie Ende des Verschlusselements 49 vorzugsweise mit einer (in der Darstellung nicht gezeigten) Dichtung versehen. Selbstverständlich kann auch der von dem freien Ende des Verschlusselements 49 beim Verbiegen überstrichene Boden des für das Ausweichvolumen 41b zur Verfügung stehenden Hohlraums mit einem Material beschichtet sein, das zur Abdichtung stets in Berührung mit dem freien Ende des Verschlusselements 49 steht und gute Gleiteigenschaften aufweist.
Sobald sich die Temperatur des im Injektor 4 befindlichen Reduktionsmittels 11 dem Schmelzpunkt nähert, wodurch dessen Volumenbedarf abnimmt, bildet sich die Verbiegung des Bimetalls 49 zurück, und drängt das sich nun verflüssigende Reduktionsmittel zurück in den Bereich des (Standard-)Innenvolumens 41a. Mithilfe des als Ausweichvolumen ausgebildeten zweiten Hohlraums 41b und dem als Bimetall ausgeführten Verschlusselements 49 wird somit ein zweites Volumen an das (Standard-)Innenvolumen 41a angebunden, dessen Größe mit der im Injektorinneren vorherrschenden Temperatur und damit mit der Temperatur des darin befindlichen Reduktionsmittels 11 variiert.
Alternativ kann das Verschlusselement auch als Metallring ausgeführt sein, dessen eine Stirnseite wie in 2 gezeigt in der Wand des Injektorgehäuses gelagert ist, und der sich durch den Druck des sich verfestigenden Reduktionsmittels elastisch so verformen kann, dass er ab einem bestimmten Druck zunehmend in den Hohlraum des Ausweichvolumens 41b hineingedrückt wird. Vorzugsweise ist das Verschlusselement hierfür aus Federstahl gefertigt. Insbesondere bei Verwendung eines kammerförmigen Hohlraums kann das Verschlusselement auch von einer Klappe gebildet werden, die z. B. mit einer Feder vorgespannt das Ausweichvolumen 41b der Kammer gegenüber dem (Standard-)Innenvolumen 41a abschließt. Die Feder ist dabei so ausgelegt, dass die Klappe ab einem Druck, der oberhalb des Betriebsdrucks beim Einspritzvorgang 11 liegt und unterhalb von Werten, bei denen Beschädigungen des Injektors 4 auftreten können, vom gefrierenden Reaktionsmittel in das Ausweichvolumen gedrängt wird.
In der gezeigten Ausführungsform beträgt das Ausweichvolumen 41b das 0,2-fache des (Standard-)Innenvolumens 41a.
In der 3 ist eine Ausführungsform eines Injektors 4 gezeigt, bei dem ein konstantes (Standard-)Innenvolumen 41a an ein variables Innenvolumen 41b angebunden ist. Auf die Darstellung der Düsenöffnung 43 und der Düsennadel sowie des Antriebs 42a der Düsennadel 42b ist in dieser Figur (wie auch in 4) aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung verzichtet worden. Dennoch sind diese Komponenten als vorhanden angenommen. Das konstante, in seiner Größe invariable (Standard-)Innenvolumen 41a des Injektors 4 ist in einem ersten Gehäusekörper 44 eingefasst, dessen Form sich bei den auftretenden Reduktionsmitteldrücken nicht merkbar ändert. An diesen ersten Gehäusekörper 44 schließt ein zweiter Gehäusekörper 45 an, dessen Form und verbunden hierüber das von ihm umfasste Volumen sich mit dem in seinem Inneren vorhandenen Reduktionsmitteldruck ändern. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dieser zweite Gehäusekörper 45 als integral mit dem ersten Gehäusekörper 44 ausgeführter Faltenbalg realisiert. Beim Gefrieren eines den Injektorinnenraum ausfüllenden Reduktionsmittels 11 kann sich der zweite Gehäusekörper 45 so entlang der durch die strichpunktierte Achslinie angedeutete Richtung Ausdehnen. Verflüssigt sich das gefrorene Reduktionsmittel 11 später wieder, so bildet sich die Ausdehnung des zweiten Gehäusekörpers 45 durch die dem Faltenbalg eigene Rückstellkraft zurück. Damit sich die Stellung der Düsennadel 42b relativ zur Düsenöffnung 43 durch die Ausdehnung des zweiten Gehäusekörpers 44 nicht verändern kann, ist die Düsennadel 42b gegenüber dem am zweiten Gehäusekörper 45 angeordneten Reduktionsmitteleinlass 47 über eine Feder 46 abgestützt.
In der gezeigten Ausführungsform beträgt das variable Innenvolumen 41b das 0,4-fache des (Standard-)Innenvolumens 41a.
In der 4 ist eine Variante des Injektors von 3 dargestellt, die sich insbesondere zur Verwendung mit Faltenbälgen 45 eignet, die eine geringe Rückstellkraft aufweisen. Neben den in Zusammenhang mit dem Injektor von 3 besprochenen ersten und zweiten Gehäusekörpern 44 und 45 weist der Injektor 4 gemäß 4 noch einen dritten Gehäusekörper 48 auf, in dessen Innenraum die beiden anderen Gehäusekörper 44 und 45 angeordnet sind. Im dargestellten Beispiel ist ein Ende des verformbaren zweiten Gehäusekörpers 45 mit einer Innenwand des dritten Gehäusekörpers 48 dicht verbunden. Bei einer Ausdehnung des im Injektorinneren gefrierenden Reduktionsmittels 11 dehnt sich die als Faltenbalg ausgebildete Wand des zweiten Gehäusekörpers 45 aus und stellt somit ein größeres Volumen zur Verfügung, wodurch wiederum der Druck des gefrierenden Reduktionsmittels auf für die Funktionstüchtigkeit des Injektors 4 gefahrlosem Niveau gehalten wird. Zwischen drittem Gehäusekörper 48 und erstem Gehäusekörper 44 ist ferner ein Federelement 48a angeordnet, das der Ausdehnung des zweiten Gehäusekörpers 45 entgegenwirkt und dieses bei sich wieder verflüssigendem Reduktionsmittel in den Ausgangszustand zurückführt.
In der gezeigten Ausführungsform beträgt das vom dritten Gehäusekörper 45 eingenommene Volumen das 1,5-fache des vom ersten Gehäusekörper 44 eingenommenen Volumens.
In einer weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform ist der zweite Gehäusekörper 45 von 4 als Dichtring ausgebildet, der entweder am ersten Gehäusekörper 44 dichtend befestigt und an der Innenwand des dritten Gehäusekörpers 48 abdichtend entlang gleitet, oder an der Innenwand des dritten Gehäusekörpers 48 dichtend befestigt ist und an der Außenwand des ersten Gehäusekörpers 44 abdichtend entlang gleitet. Bei zunehmendem Volumenbedarf des gefrierenden Reduktionsmittels wird der erste Gehäusekörper 44 gegen den Druck der Feder 48a innerhalb des dritten Gehäusekörpers 48 verschoben, wobei der Dichtring 45 den für die Volumenerweiterung verwendeten Anteil des Innenraums des dritten Gehäusekörpers 48 von dem nicht benötigten Anteil abgrenzt. Die Rückstellung des zweiten Gehäusekörpers 44 bei sich wieder verflüssigendem Reduktionsmittel erfolgt wie zuvor über das Federelement 48a.
Die vorgestellten Injektoren bei denen ein konstantes Innenvolumen mit einem variablen Innenvolumen kombiniert wird, ermöglichen einen zuverlässigen, passiven und kostengünstigen Gefrierschutz, der verhindert, dass der mit dem Einfrieren von Reduktionsmittel 11 in einem Injektor 4 für eine Abgasreinigungseinrichtung 100 verbundene Druckanstieg Werte erreicht, die zu einer Funktionsbeeinträchtigung oder Zerstörung des Injektors führen könnten.

Claims

Injektor zur Injektion eines Reduktionsmittels (11) in den von einer Verbrennungsvorrichtung (6) abgegebenen Abgasstrom (61), wobei das zur Aufnahme des Reduktionsmittels (11) ausgebildete Innenvolumen (41) des Injektors (4) einen ersten Hohlraum (41a) konstanter Größe und einen an den ersten Hohlraum angrenzenden zweiten Hohlraum (41b) aufweist, dessen mit dem ersten Hohlraum verbundenes Volumen in Abhängigkeit des im Innenvolumen (41) vorherrschenden Drucks und/oder der darin vorherrschenden Temperatur variiert.
Injektor nach Anspruch 1, wobei der Injektor einen ersten Gehäusekörper (44) aufweist, der den ersten Hohlraum (41a) umfasst, und einen als Faltenbalg ausgeführten zweiten Gehäusekörper (45) aufweist, der den zweiten Hohlraum (41b) umfasst, wobei der Faltenbalg so angeordnet ist, dass das Volumen des zweiten Hohlraums mit dem Volumen des ersten Hohlraums in Verbindung steht.
Injektor nach Anspruch 2, worin der Faltenbalg (45) im Innenraum eines dritten Gehäusekörpers (48) angeordnet ist, dessen Geometrie eine Längenänderung des Faltenbalgs innerhalb des Innenraums ermöglicht.
Injektor nach Anspruch 3, worin der erste Gehäusekörper (44) und der zweite Gehäusekörper (45) im Innenraum des dritten Gehäusekörpers (48) angeordnet sind.
Injektor nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Injektor (4) eine Feder (48a) aufweist, die den Faltenbalg zusammengedrückt.
Injektor nach Anspruch 3 oder 4, wobei das vom dritten Gehäusekörper (48) eingenommene Volumen weniger als das dreifache und insbesondere weniger als das 2,5-fache und weiter insbesondere weniger als das 1,5-fache des vom ersten Gehäusekörper (44) eingenommenen Volumens beträgt.
Injektor nach Anspruch 1, wobei der zweite Hohlraum (41b) an den ersten Hohlraum (41a) angrenzend angeordnet und von diesem durch ein Verschlusselement (49) abgetrennt ist, das so ausgebildet ist, dass es sich abhängig von dem im ersten Hohlraum vorherrschenden Druck und/oder der darin vorherrschenden Temperatur so in den zweiten Hohlraum hineinbewegt, dass zumindest ein Teil des Volumens des zweiten Hohlraums mit dem Volumen des ersten Hohlraums in Verbindung steht.
Injektor nach Anspruch 7, worin ein Bimetall das Verschlusselement (49) bildet.
Injektor nach Anspruch 7, worin eine federbelastete Klappe das Verschlusselement (49) bildet.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das maximale Innenvolumen des zweiten Hohlraums (41b) weniger als das 0,8-fache und insbesondere weniger als das 0,5-fache und weiter insbesondere weniger als das 0,2-fache des Innenvolumens des ersten Hohlraums (41a) beträgt.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das minimale Innenvolumen des zweiten Hohlraums (41b) mehr als das 0,05-fache und insbesondere mehr als das 0,1-fache und weiter insbesondere mehr als das 0,15-fache des Innenvolumens des ersten Hohlraums (41a) beträgt.
Abgasreinigungseinrichtung mit – einem Behälter (1) zur Aufnahme eines fluiden Reduktionsmittels (11), – einem Injektor (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, und – einer Förderpumpe (3), die in einer den Behälter (1) mit dem Injektor (4) verbindenden Fluidverbindung (21, 2, 22, 23) angeordnet und zum Pumpen des Reduktionsmittels (11) aus dem Behälter (1) in den Injektor (4) ausgebildet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 12, worin das Reduktionsmittel (11) eine wässrige Lösung von Harnstoff enthält.