DE102010028979A1

DE102010028979A1 - Dosiervorrichtung

Info

Publication number: DE102010028979A1
Application number: DE102010028979A
Authority: DE
Inventors: Peter Gmainer; Uwe Hammer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2011-11-17

Abstract

Dosiervorrichtung (1) mit einer Druckleitung (5) und einer Rücklaufleitung (26); einem Einspritzraum (14) und einem Druckraum (9), die jeweils hydraulisch mit der Druckleitung (5) verbunden sind; einem beweglichen Druckkolben (6), der so ausgebildet ist, dass die Volumina des Druckraums (9) und des Einspritzraums (14) durch Bewegen des Druckkolbens (6) variierbar sind; und einem Steuerschieber (23), der zwischen einer Druckaufbauposition, in der er die Druckleitung (5) von der Rücklaufleitung (26) trennt, und einer Druckabbauposition, in der er die Druckleitung (5) hydraulisch mit der Rücklaufleitung (26) verbindet, bewegbar ist. Das Volumen des Steuerraums (22) ist durch Bewegen des Steuerschiebers (23) variierbar, und der Druckkolben (6) ist so ausgebildet, dass der Steuerraum (22) hydraulisch mit der Rücklaufleitung (26) verbunden ist, wenn sich der Druckkolben (6) in einer ersten Position befindet, und dass der Steuerraum (22) hydraulisch mit dem Druckraum (9) verbunden ist, wenn sich der Druckkolben einer zweiten Position befindet. Ein elastisches Druckkolben-Element (24a) drückt den Druckkolben (6) in die erste Position und speichert Energie, wenn der Druckkolben (6) gegen die Kraft des elastischen Druckkolben-Elements (24a) aus der ersten Position in Richtung der zweiten Position gedrückt wird.

Description

Stand der Technik
Die Anforderungen an die Abgasqualität von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Brennkraftmaschinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, haben in den letzten Jahren ständig zugenommen. Vor allem bei Dieselmotoren stellt die NOx Emission ein Problem dar, dem mit Hilfe von so genannten SCR-Katalysatoren entgegengewirkt wird. In einem SCR-Katalysator wird umweltschädliches NOx mit Hilfe von NH₃, das dem Katalysator in der Regel in Form einer wässrigen Harnstofflösung zugeführt wird, in N₂ und H₂O umgewandelt.
Zum Zuführen der Harnstofflösung ist ein Dosiersystem erforderlich, welches herkömmlicherweise eine elektrisch betriebene Pumpe und ein elektrisch angesteuertes Dosierventil umfasst. Die Fördermenge der Pumpe ist dabei konstant, der Systemdruck wird mit Hilfe eines Druckbegrenzungsventils bzw. einer Drossel eingestellt und die Einstellung der Einspritzmenge erfolgt über die elektrische Ansteuerung des Dosierventils.
Da das elektrisch betriebene Dosierventil in unmittelbarer Nähe der im Betrieb heißen Abgasanlage angebracht ist, ist eine Kühlung des Dosierventils erforderlich, um zu vermeiden, dass die elektrischen Bauteile des Dosierventils durch die hohe Temperatur der Abgasanlage beschädigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dosiervorrichtung zum Einspritzen eines Fluids in einen Abgasstrang bereitzustellen, für die keine Kühlung erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine mechanische Dosiervorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung.
Eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung hat eine Druckleitung, durch die der Dosiervorrichtung im Betrieb einzuspritzendes Fluid unter erhöhtem Druck zugeführt wird, und eine drucklose Rücklaufleitung, die geeignet ist, überschüssiges Fluid aus der Dosiervorrichtung abzuführen.
Die Dosiervorrichtung hat einen Einspritzraum (Hochdruckraum) und einen Druckraum, die jeweils hydraulisch mit der Druckleitung verbunden sind, und einen beweglichen Druckkolben, der derart ausgebildet ist, dass die Volumina des Druckraums und des Einspritzraums durch Bewegen des Druckkolbens variierbar sind. Insbesondere hat der Druckkolben eine erste Wirkfläche, die den Druckraum begrenzt, und eine zweite Wirkfläche, die den Einspritzraum begrenzt. Bei Bewegung des Druckkolbens bewegen sich auch die erste und die zweite Wirkfläche und variieren dabei jeweils das Volumen des Einspritzraums bzw. des Druckraums.
Eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung hat auch einen Steuerschieber, der zwischen einer Druckaufbauposition und einer Druckabbauposition beweglich ist. In der Druckaufbauposition trennt der Steuerschieber die Druckleitung von der Rücklaufleitung und ermöglicht so einen Druckaufbau in der Druckleitung. In der Druckabbauposition verbindet der Steuerschieber die Druckleitung hydraulisch mit der Rücklaufleitung, so dass in der Druckleitung kein Druck aufgebaut werden kann. Der Steuerschieber hat eine Druckfläche, die einen Steuerraum begrenzt, so dass der Steuerschieber durch Variieren des Drucks im Steuerraum bewegbar ist.
Der Druckkolben ist weiterhin so ausgebildet, dass der Steuerraum mit der Rücklaufleitung verbunden ist, wenn sich der Druckkolben in einer ersten Position befindet, und dass der Steuerraum hydraulisch mit dem Druckraum verbunden ist, wenn sich der Druckkolben in einer zweiten Position befindet.
Zusätzlich ist ein elastisches Druckkolben-Element vorgesehen, welches den Druckkolben in die erste Position drückt und Energie speichert, wenn der Druckkolben gegen die Kraft des elastischen Druckkolben-Elements aus der ersten Position in Richtung der zweiten Position bewegt wird.
Eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung hat einen zwischen einer Verschlussposition und wenigstens einer geöffneten Position beweglichen Druckschieber, der so ausgebildet ist, dass das Volumen des Einspritzraums durch Bewegen des Druckschiebers variierbar ist. Der Druckschieber hat insbesondere eine Druckschieberwirkfläche, die den Einspritzraum begrenzt. Wird der Druckschieber bewegt, bewegt sich auch die Druckschieberwirkfläche und das Volumen des Einspritzraums wird variiert. Der Druckschieber verschließt einen Abfluss aus dem Einspritzraum, wenn er sich in der Verschlussposition befindet, und gibt den Abfluss frei, wenn er sich in einer geöffneten Position befindet.
Da eine erfindungsgemäße Dosiereinheit keine elektrischen Komponenten aufweist, ist sie sehr temperaturbeständig. Eine Kühlung ist auch dann nicht erforderlich, wenn die Dosiereinheit an einem Abgasstrang angeordnet ist, der im Betrieb sehr heiß wird.
Eine erfindungsgemäße Dosiereinheit kann so ausgebildet sein, dass sie bei jedem Einspritzvorgang eine konstante Fluidmenge in den Abgasstrang einspritzt. Die Dosierung des in den Abgasstrang eingespritzten Fluids kann dann durch die Variation der Anzahl der Einspritzvorgänge pro Zeiteinheit erfolgen und hängt somit direkt von der Fördermenge der Pumpe ab. Die Variation der Einspritzmenge kann daher durch eine leicht zu steuernde Variation der Drehzahl des Antriebes der Pumpe erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Dosiereinheit ermöglicht eine exakte Dosierung des eingespritzten Fluids bei geringem Elektronikaufwand und Energieverbrauch.
Die Erfindung ermöglicht eine geringe Baugröße der Pumpe und der Dosiereinheit. Das Zusammenwirken des elastischen Druckkolben-Elements mit dem Druckkolben erhöht den Einspritzdruck über den von der Pumpe bereitgestellten Druck hinaus und bewirkt so eine gute Sprayaufbereitung auch bei einem relativen geringen Druck in der Zuleitung. Ein Einspritzsystem mit einer erfindungsgemäßen Dosiereinheit kann daher kostengünstig realisiert werden.
In einer Ausführungsform ist zwischen der Druckleitung und dem Einspritzraum ein Ein-Wege-Ventil (Rückschlagventil) angeordnet, das einen Fluidfluss aus der Druckleitung in den Einspritzraum zulässt und einen Rückfluss von Fluid aus dem Einspritzraum in die Druckleitung, der die Funktion der Dosiervorrichtung beeinträchtigen könnte, verhindert.
In einer Ausführungsform ist zwischen dem Druckraum und dem Steuerraum ein Ein-Wege-Ventil (Rückschlagventil) angeordnet ist, welches einen Fluidfluss aus dem Druckraum in den Steuerraum zulässt und einen Rückfluss von Fluid aus dem Steuerraum in den Druckraum, der die Funktion der Dosiervorrichtung beeinträchtigen könnte, verhindert.
In einer Ausführungsform weist die Dosiervorrichtung wenigstens ein elastisches Druckschieber-Element auf, welches den Druckschieber in die Verschlussposition drückt.
In einer Ausführungsform weist die Dosiervorrichtung wenigstens ein elastisches Steuerschieber-Element auf, welches den Steuerschieber in die Druckaufbauposition drückt.
Jedes der elastischen Elemente kann insbesondere als Druckfeder ausgebildet sein, welche den jeweiligen Kolben bzw. Schieber entlang seiner jeweiligen Bewegungsachse wenigstens teilweise umgibt. Durch ein elastisches Element wird zuverlässig sichergestellt, dass der jeweilige Kolben bzw. Schieber im Ruhezustand die jeweils gewünschte Position einnimmt.
In einer Ausführungsform sind der Druckkolben und der Druckschieber entlang parallel zueinander ausgerichteter Achsen bewegbar. Insbesondere können der Druckkolben und der Druckschieber entlang einer gemeinsamen Achse bewegbar sein. Dies ermöglicht einen Platz sparenden und einfach herzustellenden Aufbau der Dosiervorrichtung.
In einer Ausführungsform ist ein Bereich des Druckschiebers ringförmig um einen Bereich des Druckkolbens angeordnet. Dies ermöglicht einen besonders Platz sparenden und einfach herzustellenden Aufbau der Dosiervorrichtung.
In einer Ausführungsform hat die erste Wirkfläche des Druckkolbens einen größeren Durchmesser als die zweite Wirkfläche des Druckkolbens. Dies ermöglicht es, das Fluid mit einem erhöhten Einspritzdruck in den Abgasstrang einzuspritzen. Ein erhöhter Einspritzdruck ermöglicht eine feine Vernebelung des eingespritzten Fluids. Durch eine feine Vernebelung des eingespritzten Fluids wird die chemische Reaktion des Fluids mit den Abgasen verbessert, so dass die gewünschte chemische Reaktion mit einer geringeren Menge eingespritzten Fluids erreicht werden kann. Eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung reduziert daher die für die Abgasnachbehandlung notwendige Fluidmenge.
In einer Ausführungsform ist die Dosiervorrichtung modular mit einer Steuerreinheit, die den Steuerraum und den Steuerschieber umfasst, und einer Druckeinheit, welche den Druckraum, den Einspritzraum, den Druckkolben und den Druckschieber umfasst, aufgebaut. Ein solcher modularer Aufbau der Dosiervorrichtung ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar und ermöglicht eine effektive und kostengünstige Wartung der Dosiervorrichtung.
Der Aufbau und die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figur, welche schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung in einer Schnittdarstellung zeigt, näher erläutert. Dabei dienen Angaben wie „oben” und „unten” bzw. „links” und „rechts” der besseren Erläuterung der in der Figur gezeigten schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, ohne die Erfindung auf das gezeigte Ausführungsbeispiel oder eine bestimmte Einbauposition zu beschränken.
Die in der Figur gezeigte Dosiervorrichtung 1 ist modular aufgebaut und weist eine Einspritzeinheit 1a und eine Steuereinheit 1b auf.
Die Einspritzeinheit 1a hat ein Gehäuse 7 mit einer Außenwand 7a, welche z. B. zylinderförmig um eine Längsachse A der Einspritzeinheit 1a ausgebildet ist.
In dem in der Figur unten dargestellten Bereich ist in dem Gehäuse 7 ein Einspritzraum (Hochdruckraum) 14 ausgebildet, der über eine seitlich in der Außenwand 7a des Gehäuses 7 ausgebildete Einspritzraum-Bohrung 11, ein Ein Wege-Ventil 10 und eine Druckleitung 5 mit dem Ausgang einer von einem Motor 3 antreibbaren Pumpe 2 verbunden ist. Wenn sie durch den Motor 3 angetrieben wird, fördert die Pumpe 2 Fluid aus einem Fluidtank 4 durch die Druckleitung 5, das Ein-Wege-Ventil 10 und die Einspritzraum-Bohrung 11 in den Einspritzraum 14.
Der Einspritzraum 14 ist auf seiner in der Figur unten dargestellten Seite durch eine Ventilplatte 13 begrenzt, in der eine zentrale Ablaufbohrung 27 ausgebildet ist, durch die Fluid aus dem Einspritzraum 14 entweichen kann, um in einen in der Figur nicht gezeigten Abgasstrang eingespritzt zu werden.
Auf der dem Einspritzraum 14 zugewandten (oberen) Seite der Ventilplatte 13 ist um die Ablaufbohrung 27 ein Ventilsitz 13a ausgebildet, der durch einen unteren Bereich 12a eines in dem Einspritzraum 14 angeordneten Druckschiebers 12 verschließbar ist. Im unteren Bereich 12a des Druckschiebers 12 ist ein Hohlraum 12d ausgebildet, der über wenigstens eine Druckschieberbohrung 12c hydraulisch mit dem Einspritzraum 14 verbunden ist. Der Hohlraum 12d ist auf seiner unteren, der Ablaufbohrung 27 zugewandten Seite durch eine untere Wirkfläche A5 begrenzt.
Der Druckschieber 12 weist auch einen oberen Bereich 12b mit einer dem Einspritzraum 14 zugewandten obere Wirkfläche A3 auf, die quer, insbesondere in einem rechten Winkel, zur Längsachse A des Gehäuses 7 angeordnet ist, den Einspritzraum 14 auf seiner oberen, von der Ventilplatte 13 abgewandten Seite begrenzt und im Wesentlichen fluiddicht abdichtet. Der obere Bereich 12b ist in einer Ebene quer zur Längsachse A des Gehäuses 7 mit einem größeren Durchmesser ausgebildet als der untere Bereich 12a, so dass die obere Wirkfläche A3 größer als die untere Wirkfläche A5 ist.
Der Druckschieber 12 ist parallel zur Längsachse A des Gehäuses 7 der Einspritzeinheit 1a zwischen einer Verschlussposition und wenigstens einer geöffneten Position beweglich. Wenn sich der Druckschieber 12 in der Verschlussposition befindet, liegt der untere Bereich 12a des Druckschiebers 12 auf dem Ventilsitz 13a auf und verschließt die Ablaufbohrung 27, so dass kein Fluid durch die Ablaufbohrung 27 aus dem Einspritzraum 14 entweichen kann.
Ist der Druckschieber 12 parallel zur Längsachse A in eine geöffnete Position verschoben, so gibt der untere Bereich 12a des Druckschiebers 12 den Ventilsitz 13a frei und Fluid kann durch die Ablaufbohrung 27 aus dem Einspritzraum 14 in den in der Figur nicht gezeigten Abgasstrang entweichen.
Der Druckschieber 12 ist durch eine Druckschieberfeder 24c an einer im mittlerer Bereich des Gehäuses 7 der Einspritzeinheit 1a oberhalb des Einspritzraumes 14 ausgebildeten Trennwand 7c, die quer, insbesondere in einem rechten Winkel, zur Längsachse A des Gehäuses 7 angeordnet ist, abgestützt. Die Druckschieberfeder 24c ist so ausgebildet, dass sie den Druckschieber 12 in Richtung auf die Ventilplatte 13 in die Verschlussposition drückt.
In der oberen Wirkfläche A3 des oberen Bereichs 12b des Druckschiebers 12 ist eine zentrale Bohrung ausgebildet, die entlang der Längsachse A des Gehäuses 7 der Einspritzeinheit 1a ausgerichtet ist. In der zentralen Bohrung ist ein unterer Bereich 6a eines entlang der zentralen Bohrung parallel zur Längsachse A beweglichen Druckkolbens 6 so angeordnet, dass der untere Bereich 6a des Druckkolbens 6 die zentrale Bohrung im Wesentlichen fluiddicht verschließt.
Der untere Bereich 6a Druckkolbens 6 hat eine zweite Wirkfläche A2, welche den Einspritzraum 14 begrenzt, und erstreckt sich mit seiner vom Einspritzraum 14 abgewandten (oberen) Seite durch eine in der Trennwand 7c ausgebildete Öffnung in einen oberhalb der Trennwand 7c in dem Gehäuse 7 ausgebildeten Verbindungsraum 15. Zwischen dem oberen Ende 28 des Druckkolbens 6 im Verbindungsraum 15 und einer oberen Begrenzung 7d an der oberen Stirnseite des Gehäuses 7 ist eine Druckkolbenfeder 24a angeordnet, welche sich an der oberen Begrenzung 7d des Gehäuses 7 abstützt und auf den Druckkolben 6 eine Kraft ausübt, die den Druckkolben 6 in Richtung auf die Ventilplatte 13 drückt.
Ein oberer Bereich 6b des Druckkolbens 6, der im Verbindungsraum 15 oberhalb der Trennwand 7c angeordnet ist, hat in einer Ebene, die quer zur Längsachse A angeordnet ist, einen größeren Querschnitt als der untere Bereich 6a des Druckkolbens 6, der sich durch die Öffnung in der Trennwand 7c und die im oberen Bereich 12b des Druckschiebers 12 ausgebildete Bohrung in den Einspritzraum 14 erstreckt. Insbesondere entspricht der Querschnitt des oberen Bereichs 6b des Druckkolbens 6 im Wesentlichen dem Querschnitt des Verbindungsraums 15, so dass der obere Bereich 6b des Druckkolbens 6 mit einer der Trennwand 7c zugewandten ersten Wirkfläche A1 den Verbindungsraum 15 im Wesentlichen fluiddicht abdichtet.
Der Druckkolben 6 kann einstückig ausgebildet sein. Alternativ kann der Druckkolben zweiteilig, z. B. aus einem unteren Teil 6a und einem oberen Teil 6b, zusammengesetzt sein.
Wenn der Druckkolben 6 durch die Druckkolbenfeder 24a in eine tiefstmögliche Position (unterer Totpunkt) gedrückt ist, liegt ein unterer Rand 17 des oberen Bereichs 6b des Druckkolbens 6 auf einer Stützhülse 16 auf, welche um die Öffnung in der Trennwand 7c auf der Seite der Trennwand 7c, die dem Verbindungsraum 15 zugewandt ist, angeordnet ist und den unteren Bereich 6a des Druckkolbens 6 im Verbindungsraum 15 radial umgibt.
In der Außenwand 7a des Gehäuses 7 sind im Bereich des Verbindungsraums 15 oberhalb der Trennwand 7c auf der Höhe des oberen Bereichs 6b des Druckkolbens 6 in verschiedenen Höhen, d. h. in verschiedenen vertikalen Abständen von der Trennwand 7c, vier Bohrungen 8, 19, 39, 30 derart ausgebildet, dass die Bohrungen 8, 19, 39, 30 durch Bewegen des Druckkolbens 6 in Richtung parallel zur Längsachse A des Gehäuses 7 der Einspritzeinheit 1a jeweils hydraulisch mit dem Verbindungsraum 15 verbindbar bzw. durch den oberen Bereich 6b des Druckkolbens 6 von diesem trennbar sind. Dabei gibt der obere Bereich 6b des Druckkolbens 6 je nach Stellung des Druckkolbens 6 die jeweilige Bohrung 8, 19, 39, 30 frei oder verschließt sie. Die zweite und die dritte Bohrung 19, 39 sind jeweils mit einem um die Innenwand des Verbindungsraums 15 umlaufenden Einstich ausgebildet.
Unterhalb des unteren Randes 17 des oberen Bereichs 6b des Druckkolbens 6 ist rund um die Stützhülse 16 ein Druckraum 9 ausgebildet, der auf einer (oberen) Seite durch den unteren Rand 17 bzw. die erste Wirkfläche A1 des oberen Bereichs 6b des Druckkolbens 6 und auf einer gegenüberliegenden (unteren) Seite durch die Trennwand 7c begrenzt ist, so dass das Volumen des Druckraumes 9 durch Bewegen des Druckkolbens 6 entlang der Längsachse A variierbar ist bzw. der Druckkolben 6 durch Variation des Drucks im Druckraum 9 entlang der Längsachse A bewegbar ist.
Der Druckraum 9 ist über eine in der Außenwand 7a des Gehäuses 7 ausgebildete erste Bohrung 8, die unmittelbar oberhalb der Trennwand 7c angeordnet ist, und die Druckleitung 5 derart mit dem Ausgang der Pumpe 2 verbunden, dass Fluid aus dem Tank 4 durch die Pumpe 2 in den Druckraum 9 förderbar ist.
Oberhalb der ersten Bohrung 8, d. h. in einem größeren Abstand von der Trennwand 7c als die erste Bohrung 8, ist in der Außenwand 7a eine zweite Bohrung 19 ausgebildet, die über ein Ein-Wege-Ventil 21 mit einem in einer Steuereinheit 1b ausgebildeten Steuerraum 22 verbunden ist. Der Aufbau der Steuereinheit 1b wird weiter unten beschrieben.
Oberhalb der zweiten Bohrung 19, d. h. in einem größeren Abstand von der Trennwand 7c als die zweite Bohrung 19, ist in der Außenwand 7a eine dritte Bohrung 39 ausgebildet, die über eine Steuerleitung 31 direkt, d. h. ohne dass in der Steuerleitung 31 ein Ein-Wege-Ventil angeordnet ist, ebenfalls mit dem in der Steuereinheit 1b ausgebildeten Steuerraum 22 verbunden ist.
Oberhalb der dritten Bohrung 39, d. h. in einem größeren Abstand von der Trennwand 7c als die dritte Bohrung 39, ist in der Außenwand 7a eine vierte Bohrung 30 ausgebildet, die über eine drucklose Rücklaufleitung 26 mit dem Fluidtank 4 verbunden ist.
Links neben der Einspritzeinheit 1a ist in der Figur ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuereinheit 1b gezeigt.
Die Steuereinheit 1b hat ein Gehäuse 7b mit einer Längsachse B. Ein Steuerschieber 23 mit einem unteren Bereich 23a und einem oberen Bereich 23b, wobei der obere Bereich 23b in einer Ebene quer zur Längsachse B eine größere Fläche als der untere Bereich 23a hat, ist parallel zur Längsachse B des Gehäuses 7b der Steuereinheit 1b beweglich. Zwischen einer Stirnfläche am oberen Ende des oberen Bereichs 23b des Steuerschiebers 23 und einer oberen stirnseitigen Begrenzung 7e des Gehäuses 7b der Steuereinheit 1b ist eine Steuerschieberfeder 24b angeordnet, welche sich an der oberen stirnseitigen Begrenzung 7e des Gehäuses 7b abstützt und den Steuerschieber 23 in eine untere Position drückt.
Unterhalb einer unteren Stirnfläche A4 des oberen Bereichs 23b des Steuerschiebers 23 ist radial um den unteren Bereich 23a des Steuerschiebers 23 der Steuerraum 22 ausgebildet. Der Steuerraum 22 wird durch die untere Stirnfläche A4 des oberen Bereichs 23b des Steuerschiebers 23 begrenzt, so dass das Volumen des Steuerraums 22 durch Bewegen des Steuerschiebers 23 entlang der Längsachse B der Steuereinheit 1b variierbar ist bzw. der Steuerschieber 23 durch Variieren des Drucks im Steuerraum 22 bewegbar ist. Der Steuerraum 22 steht, wie zuvor beschrieben, über die Druckleitung 31 bzw. das Rückschlagventil 21 in hydraulischer Verbindung mit der zweiten und der dritten Bohrung 19, 39, die in der Außenwand 7a des Gehäuses 7 der Einspritzeinheit 1a ausgebildet sind.
Unterhalb des Steuerraums 22 ist in der Steuereinheit 1b ein Druckreduktionsraum 32 ausgebildet, der über eine Druckleitung 5 hydraulisch mit dem Ausgang der Pumpe 2 verbunden ist. In der unteren Stirnseite 7f des Gehäuses 7b der Steuereinheit 1b ist ein Ablauf 34 ausgebildet, der über eine drucklose Rücklaufleitung 26, 26a mit dem Fluidtank 4 verbunden ist.
Am Übergang vom Druckreduktionsraum 32 in den Ablauf 34 ist ein Steuerventilsitz 25 ausgebildet. Wenn sich der Steuerschieber 23 in seiner unteren Position befindet, liegt der untere Rand des unteren Bereichs 23a des Steuerschiebers 23 auf dem Steuerventilsitz 25 auf und verschließt diesen im Wesentlichen fluiddicht.
In dem Steuerschieber 23 ist parallel zur Längsachse B des Gehäuses 7b der Steuereinheit 1b eine Bohrung 36 ausgebildet, die einen Raum oberhalb des oberen Bereichs 23b des Steuerschiebers 23, in dem die Steuerschieberfeder 24b angeordnet ist, unabhängig von der Stellung des Steuerschiebers 23 mit dem Ablauf 34 verbindet, so dass stets ein Druckausgleich zwischen dem Raum oberhalb des Steuerschiebers 23 und dem Ablauf 34 hergestellt ist.
Im Folgenden wird der Ablauf eines Einspritzvorgangs beschrieben:
Von der mit Hilfe des elektrischen Antriebes bzw. Motors 3 angetriebene Pumpe 2 wird einzuspritzendes Fluid aus dem Fluidtank 4 durch die Druckleitung 5 zur Einspritzeinheit 1a gefördert.
In der in der Figur gezeigten Ausgangsposition befindet sich der Druckkolben 6 am unteren Totpunkt. Der obere Bereich 6b des Druckkolbens 6 wird von der Druckkolbenfeder 24a mit ihrer Federkraft F1 gegen die Stützhülse 16 gedrückt.
Das Fluid gelangt von der Pumpe 2 durch die Druckleitung 5 und die erste Bohrung 8 in der Außenwand 7a des Gehäuses 7 der Einspritzeinheit 1a in den Druckraum 9, der durch die erste Wirkfläche A1 am unteren Rand 17 des oberen Bereichs 6b des Druckkolbens 6, die Außenwand 7a und die Trennwand 7c des Gehäuses 7 begrenzt ist.
Gleichzeitig wird Fluid aus dem Fluidtank 4 von der Pumpe 2 durch die Druckleitung 5, das Ein-Wege-Ventil 10 und die Einspritzraum-Bohrung 11 in der Außenwand 7a des Gehäuses 7 in den Einspritzraum (Hochdruckraum) 14 gefördert, der innerhalb der Einspritzeinheit 1a ausgebildet und durch die obere Wirkfläche A3 am oberen Bereich 12b des Druckschiebers 12, die zweite Wirkfläche A2 am unteren Bereich 6a des Druckkolbens 6, die Außenwand 7a des Gehäuses 7 und die Ventilplatte 13 begrenzt ist.
Durch Betreiben der Pumpe 2 wird im Druckraum 9 ein Fluiddruck erzeugt, der eine auf die erste Wirkfläche A1 des oberen Bereichs 6a des Druckkolbens 6 wirkende und gegen die Federkraft F1 der Druckkolbenfeder 24a gerichtete Kraft F2 bewirkt.
Sobald die durch den Druck des Fluids im Druckraum 9 erzeugte Kraft F2 größer als die Federkraft F1 der Druckkolbenfeder 24a ist, wird der Druckkolben 6 gegen die Federkraft F1 der Druckkolbenfeder 24a (nach oben) in den Verbindungsraum 15 gedrückt und elastische Energie in der Druckkolbenfeder 24a gespeichert.
Durch die Aufwärtsbewegung des Druckkolbens 6 bewegt sich auch die erste Wirkfläche A1 am unteren Rand 17 des oberen Bereichs 6a des Druckkolbens 6 parallel zur Längsachse A des Gehäuses 7 der Einspritzeinheit 1a nach oben.
Sobald sich der Druckkolben 6 so weit bewegt hat, dass der untere Rand 17 des oberen Bereichs 6b des Druckkolbens 6 oberhalb eines unteren Randes 18 der zweiten Bohrung 19 in der Außenwand 7a des Gehäuses 7 angeordnet ist, strömt Fluid aus dem Druckraum 9 durch die zweite Bohrung 19 und das Ein-Wege-Ventil 21 in den Steuerraum 22 der Steuereinheit 1b und erzeugt dort am Steuerschieber 23 eine zum Druck des Fluids und zur Größe der unteren Stirnfläche A4 des Steuerschiebers 23 proportionale Kraft F3, die der Vorspannkraft F4, welche die Steuerschieberfeder 24b auf den Steuerschieber 23 ausübt, entgegenwirkt und den Steuerschieber 23 gegen die Kraft F4 der Steuerschieberfeder 24b nach oben in eine Druckabbauposition drückt.
Der untere Bereich 23a des Steuerschiebers 23 hebt vom Ventilsitz 25 ab und die Druckleitung 5 wird hydraulisch mit der Rücklaufleitung 26a verbunden. Fluid aus der Druckleitung 5 fließt über den geöffneten Steuerventilsitz 25 und die Rücklaufleitungen 26a, 26 in den Fluidtank 4 ab und der Druck in der Druckleitung 5 fällt ab.
Das zwischen dem Steuerraum 22 und der zweiten Bohrung 18 angeordnete Ein Wege-Ventil 21 verhindert, dass Fluid aus dem Steuerraum 22 durch die zweite Bohrung 18 und den Druckraum 9 in die Druckleitung 5 gelangt. Dies führt dazu, dass durch den Druckabfall in der Druckleitung 5 auch der Druck im Druckraum 9 abfällt und die Federkraft F1 der Druckkolbenfeder 24 den Druckkolben 6 in Richtung auf die Ablaufbohrung 27 nach unten drückt. Im Einspritzraum 14 wird durch den Druckkolben 6 ein zusätzlicher Druck erzeugt, der dem Quotienten aus der Federkraft F1 der gespannten Druckkolbenfeder 24a und der zweiten Wirkfläche A2 am unteren Bereich 6a des Druckkolbens 6 entspricht. Das zwischen der Einspritzraum-Bohrung 11 und der Druckleitung 5 angeordnete Ein-Wege-Ventil 10 verhindert, dass Fluid aus dem Einspritzraum 14 durch die Einspritzraum-Bohrung 11 zurück in die Druckleitung 5 gelangt.
Der Druck im Einspritzraum 14 wirkt auf Wirkflächen A3 und A5 des Druckschiebers 12 und verursacht eine der Vorspannkraft F5 der Druckschieberfeder 24c entgegen gerichtete Kraft F6, welche proportional zur Differenz zwischen den Größen der Wirkflächen A3 und A5 des Druckschiebers 12 ist. Unter Einfluss der Kraft F6 bewegt sich der Druckschieber 12 gegen die von der Druckschieberfeder 24c ausgeübten Kraft F5 nach oben, der untere Bereich 12a des Druckschiebers 12 hebt vom Ventilsitz 13 ab und Fluid tritt durch die Ablaufbohrung 27 in der Ventilplatte 13 aus dem Einspritzraum 14 aus.
Dadurch, dass Fluid aus dem Einspritzraum 14 durch die Ablaufbohrung 27 austritt, fällt der Druck im Einspritzraum 14 ab und der Druckkolben 6 bewegt sich unter Einwirkung der von der Druckkolbenfeder 24a ausgeübten Kraft F1 nach unten in den Einspritzraum 14. Dabei wird die in der Druckkolbenfeder 24a gespeicherte Energie frei und erhöht den Druck des Fluids im Einspritzraum 14, so dass das Fluid mit erhöhtem Druck in den Abgasstrang eingespritzt wird.
Sobald sich der Druckkolben 6 so weit nach unten bewegt hat, dass der obere Rand 28 des oberen Bereichs 6b des Druckkolben 6 unterhalb eines oberen Randes 29 der dritten Bohrung 39 in der Außenwand 7a des Gehäuses 7 angeordnet ist, ist der Steuerraum 22 über die Steuerleitung 31, die dritte Bohrung 39, den Verbindungsraum 15 und die vierte Bohrung 30 hydraulisch mit der drucklosen Rücklaufleitung 26 verbunden. Fluid aus dem Steuerraum 22 gelangt durch die dritte Bohrung 39, den Verbindungsraum 15 und die vierte Bohrung 30 in die Rücklaufleitung 26 und der Druck im Steuerraum 22 fällt so weit ab, dass er nicht mehr ausreicht, um den Steuerschieber 23 gegen die Federkraft F4 der Steuerschieberfeder 24b in der Druckabbauposition zu halten, in der er die Verbindung zwischen dem Druckreduktionsraum 32 und dem Ablauf 34 freigibt.
Der Steuerschieber 23 wird durch die Federkraft F4 der Steuerschieberfeder 24b nach unten in die Druckaufbauposition gedrückt, in der der untere Bereich 23a des Steuerschiebers 23 auf dem Ventilsitz 25 aufsitzt und die Verbindung zwischen der Druckleitung 5 und der Rücklaufleitung 26a unterbricht.
Wenn die Verbindung zwischen der Druckleitung 5 und der Rücklaufleitung 26a unterbrochen ist, wird im Druckraum 9 durch Fluid, das von der Pumpe 2 in den Druckraum 9 gefördert wird, erneut ein Druck aufgebaut, der den Druckkolben 6 gegen die Kraft F1 Druckkolbenfeder 24a nach oben drückt. Die Dosiervorrichtung 1 befindet sich wieder in der Ausgangsposition und der beschriebene Prozess kann erneut beginnen.

Claims

Dosiervorrichtung (1) mit einer Druckleitung (5); einer Rücklaufleitung (26); einem Einspritzraum (14) und einem Druckraum (9), die beide hydraulisch mit der Druckleitung (5) verbunden sind; einem beweglichen Druckkolben (6), der so ausgebildet ist, dass die Volumina des Druckraums (9) und des Einspritzraums (14) durch Bewegen des Druckkolbens (6) variierbar sind; einem Steuerschieber (23), der zwischen einer Druckaufbauposition, in der er die Druckleitung (5) von der Rücklaufleitung (26) trennt, und einer Druckabbauposition, in der die Druckleitung (5) hydraulisch mit der Rücklaufleitung (26) verbunden ist, bewegbar ist; wobei das Volumen des Steuerraums (22) durch Bewegen des Steuerschiebers (23) variierbar ist, wobei der Druckkolben (6) so ausgebildet ist, dass der Steuerraum (22) hydraulisch mit der Rücklaufleitung (26) verbunden ist, wenn sich der Druckkolben (6) in einer ersten Position befindet, und dass der Steuerraum (22) hydraulisch mit dem Druckraum (9) verbunden ist, wenn sich der Druckkolben einer zweiten Position befindet; und wobei ein elastisches Druckkolben-Element (24a) vorgesehen ist, welches den Druckkolben (6) in die erste Position drückt.
Dosiervorrichtung (1) nach Anspruch 1 mit einem zwischen einer Verschlussposition und einer geöffneten Position bewegbaren Druckschieber (12), der so ausgebildet ist, dass das Volumen des Einspritzraums (14) durch Bewegen des Druckschiebers (12) variierbar ist und der Druckschieber (12) in der Verschlussposition einen Ablauf (27) aus dem Einspritzraum (14) verschließt und in der geöffneten Position den Ablauf (27) freigibt
Dosiervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der Druckleitung (5) und dem Einspritzraum (14) ein Ein-Wege-Ventil (10) derart angeordnet ist, dass es einen Fluidfluss aus der Druckleitung (5) in den Einspritzraum (14) zulässt und einen Fluidfluss aus dem Einspritzraum (14) in die Druckleitung (5) verhindert.
Dosiervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Druckraum (9) und dem Steuerraum (22) ein Ein-Wege-Ventil (21) derart angeordnet ist, dass es einen Fluidfluss aus dem Druckraum (9) in den Steuerraum (22) zulässt und einen Fluidfluss aus dem Steuerraum (22) in den Druckraum (9) verhindert.
Dosiervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem elastischen Druckschieber-Element (24c), das so ausgebildet ist, dass es den Druckschieber (12) in die Verschlussposition drückt.
Dosiervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem elastischen Steuerschieber-Element (24b), das so ausgebildet ist, dass es den Steuerschieber (23) in die Druckaufbauposition drückt.
Dosiervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Druckkolben (6) und der Druckschieber (12) entlang parallel zueinander ausgerichteter Achsen beweglich sind.
Dosiervorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei ein Bereich des Druckschiebers (12) ringförmig um einen Bereich des Druckkolbens (6) angeordnet ist.
Dosiervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Druckkolben (6) eine erste Wirkfläche (A1), die den Druckraum (9) begrenzt, und zweite Wirkfläche (A2), die den Einspritzraum (14) begrenzt, hat und wobei die erste Wirkfläche (A1) größer als die zweite Wirkfläche (A2) ist.
Dosiervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Steuerreinheit (1b), die den Steuerraum (22) und den Steuerschieber (23) umfasst, und einer Einspritzeinheit (1a), die den Druckraum (9), den Einspritzraum (14), den Druckkolben (6) und den Druckschieber (12) umfasst.