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Stand der Technik
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Bei bekannten Dosiervorrichtungen, wie zum Beispiel in
DE 10 2008 041 486 A1 beschrieben, wird ein Dosiermodul verwendet, welches als Dosiereinheit beispielsweise ein Dosierventil zum Einspritzendes Reduktionsmittels in den Abgasbereich enthält und die Anbindung von hydraulischen Komponenten sowie die Kühlung der Einheit übernimmt. Ein bedeutendes Problem der Anbindung des Dosiermoduls an den Abgasstrang liegt darin, dass Dosierventile oder -injektoren eine zulässige Grenztemperatur von etwa 150°C aufweisen. Im Abgasstrang von Verbrennungskraftmaschinen können jedoch Maximaltemperaturen von 700°C erreicht werden. Aufgrund dieses zwangsläufig hohen Wärmeeintrags in das Dosiermodul besteht somit die Gefahr der Überhitzung des Dosiereinheit, wobei insbesondere die Funktionstüchtigkeit durch Überhitzung des Materials, wie zum Beispiel Dichtungen oder Isolierungen, nachhaltig beeinträchtigt werden kann. Dies stellt eine hohe thermische Belastung der Dosiereinheit dar und kann im Extremfall zur Zerstörung führen und damit die Abgasreinigungsanlage unbrauchbar machen.
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Um solche Schäden aufgrund von Wärmeeinbringung durch das Abgas zu vermeiden, wird das Dosiermodul üblicherweise in einem zurückgesetzten Stutzen aufgenommen, der durch eine Flanschverbindung am Abgasrohr angebracht ist. Weiteren Schutz bietet in der Regel eine passive Kühlung, die als Kühlkörper mit Kühlrippen am Dosiermodul angebracht ist. Mittels solcher Kühlrippen wird der Wärmeeintrag durch das Abgas aus dem Dosiermodul und damit aus der Dosiereinheit an die Umgebung abgeführt und so die Temperatur des Dosiereinheit gesenkt. Abhängig von den Umgebungsbedingungen ist eine passive Kühlung, wie sie beispielsweise in
DE 10 2008 041 486 A1 beschrieben ist, jedoch nicht immer ausreichend. Als besonders kritisch erweisen sich in diesem Zusammenhang hohe Temperaturen im Außenbereich, bei denen verstärkt kritisch hohe Temperaturen der Dosiervorrichtung auftreten können. Dies führt insbesondere dazu, dass der Kühlkörper keine ausreichende Kühlung mehr zur Verfügung stellen kann.
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Darstellung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zum Einbringen eines Betriebs- oder Hilfsstoffes in ein Strömungsrohr einer Brennkraftmaschine, wobei zur Kühlung der Dosiervorrichtung eine aktive Kühlung eingesetzt wird. Eine solche Dosiervorrichtung kann insbesondere zum Einbringen eines Reduktionmittels in ein Abgasrohr zur Reduktion von Stickstoff verwendet werden.
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Diese Dosiervorrichtungen umfassen unter anderem ein Dosiermodul, das eine in einer Aufnahmehülse untergebrachte Dosiereinheit wie zum Beispiel ein Dosierventil beinhaltet. Diese Aufnahmehülse ist ferner mit Hilfe eines Verbindungsstutzens mit dem Strömungsrohr verbunden. Erfindungsgemäß wird ein Kühlsystem für Dosiervorrichtungen vorgeschlagen, wobei der Verbindungsstutzen ein Zwischenstück umfasst, das einen Kühlmedium führenden Kanal aufweist. Dieses erfindungsgemäß vorgeschlagene Kühlsystem bietet den Vorteil, eine aktive Kühlung zu ermöglichen und kann so auch bei hohen Temperaturen eine zuverlässige Kühlung der Dosiervorrichtung bereitstellen. Aufgrund der zuverlässigen Kühlung kann ferner, insbesondere bei der Verwendung von Harnstoff-Wasser Lösung, die Ablagerungsbildung durch Verdampfen des Flüssiganteils und die darauffolgende Kristallisation des Betriebs- oder Hilfsstoffes vermieden werden. Des Weiteren können die Hohlrippen von den aus dem Stand der Technik bekannten Dosiermodulen wegfallen, was einen vereinfachten und flexibleren Anbau des Dosiermoduls an das Abgasrohr gewährleistet. Bei besonders kritischen Systemen kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Kühlsystem jedoch auch in Kombination mit Hohlrippen ausgestaltet sein, um einen größeren Wärmeaustrag zu realisieren.
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In bevorzugter Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlsystems ist das Zwischenstück zwischen der Aufnahmehülse und dem Strömungsrohr aufgenommen, wobei eine Flanschverbindung das Zwischenstück an dem Strömungsrohr fixiert. Die Verbindung zwischen Flanschverbindung und Zwischenstück kann zum Beispiel stoffschlüssig durch Verschweißen oder formschlüssig mittels Bördeln hergestellt werden. Das Zwischenstück ist somit einerseits mittels der Flanschverbindung an das Strömungsrohr angebracht und andererseits mit der Aufnahmehülse des Dosiermoduls verbunden. Damit legt die Länge des Zwischenstücks den Abstand der in der Aufnahmehülse aufgenommenen Dosiereinheit zum Strömungsrohr fest. Dies bietet die Möglichkeit einer platzsparenden Ausgestaltung und erlaubt mit erfindungsgemäß vorgeschlagenem Kühlsystem eine Platzierung der Dosiervorrichtung näher am Strömungsrohr. Durch eine Variation der Länge des Zwischenstücks können auf einfache Weise die optimalen Bedingungen bezüglich der Eindosierung, der Kühlung und der damit verbundenen Reduktion von Ablagerungen erreicht werden.
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Die Wandung zwischen Dosiereinheit und Flanschverbindung oder in bevorzugter Ausführungsform die Innenwandung des Zwischenstücks ist vorzugsweise zu dem Strömungsrohr hin konisch zulaufend. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine optimale Verteilung des eindosierten Betriebs- oder Hilfsstoffes in das Strömungsrohr. In vorteilhafter Weise umschließt der im Zwischenstück ausgebildete Kanal das Dosiermodul, insbesondere die Dosiereinheit, zumindest teilweise. Dabei ist es von Vorteil, wenn vor allem die Spitze der Dosiereinheit und der konisch zulaufende Bereich des Zwischenstücks von dem Kühlmedium führenden Kanal umschlossen und somit gekühlt sind. So wird der Materialverschleiß aufgrund von Überhitzung beziehungsweise Ablagerungen reduziert und die Dosiervorrichtung insgesamt langlebiger ausgelegt. Ferner umschließt der Kühlmedium führende Kanal das Dosiermodul vorzugsweise vollumfänglich, um einen effizienten Kühlzyklus bereitzustellen, wobei die Kühleffizienz vom Volumenstrom und Wärmeübergangskoeffizienten des Kühlmediums abhängt.
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In bevorzugter Ausführungsform ist der Kühlmedium führende Kanal des Zwischenstücks über ein Anschlussstück mit einem Reservoir verbunden, das das Kühlmedium bereitstellt. Dabei kann das Kühlmedium eine Flüssigkeit oder ein Gasgemisch sein. In besonders vorteilhafter Weise ist das Reservoir einer ohnehin schon vorhandenen Einrichtung der Brennkraftmaschine außerhalb der Dosiervorrichtung zugeordnet. Im Fall einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, können solche Einrichtungen beispielsweise die Klimaanlage, die Regenwassersammeleinrichtung oder die Scheibenwaschanlage einer Brennkraftmaschine darstellen. Eine solche Ausgestaltung ergibt eine kostengünstigere und einfachere Möglichkeit dem Dosiermodul Kühlflüssigkeit zuzuführen ohne zusätzliche Bevorratungstanks vorsehen zu müssen. Des Weiteren sind auch Gasgemische wie zum Beispiel Luft aus dem Außenbereich der Brennkraftmaschine als Kühlmedium denkbar, wobei solche Gasgemische auch von anderen Einrichtungen der Brennkraftmaschine genutzt werden können. Auf diese Weise wird ein einfaches und platzsparendes System zur Versorgung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlsystems bereitgestellt, das zusätzlich den Montageaufwand minimiert.
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Im Hinblick auf die Fertigung kann das Zwischenstück aus wärmeleitenden Werkstoffen, wie zum Beispiel Aluminium oder wärmeleitenden Kunststoffen, als einteiliges oder zweiteiliges Bauteil ausgestaltet sein. Die Verwendung eines solchen Zwischenstücks, das zwischen Flanschverbindung und Aufnahmehülse aufgenommen wird, wirkt sich auch vorteilhaft auf den Fertigungsprozess aus.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Darstellung einer Eindüsstelle in ein Abgasrohr einer Brennkraftmaschine gemäß des Standes der Technik,
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2 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlsystems für Dosiervorrichtungen,
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3 eine zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlsystems für Dosiervorrichtungen gemäß 2,
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4 ein vergrößerter Ausschnitt der Dosiervorrichtung gemäß des Standes der Technik mit Bördelung zwischen einer Hohlrippe und der Flanschverbindung,
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5 eine dritte Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlsystems gemäß 2 mit einteiligem Zwischenstück,
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6 eine vierte Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlsystems gemäß 2 mit einteiligem Zwischenstück,
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7 eine fünfte Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlsystems gemäß 2 mit zweiteiligem Zwischenstück,
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8 eine sechste Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlsystems gemäß 2 mit zweiteiligem Zwischenstück und
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9 ein zweiteiliges Zwischenstück gemäß 8, Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Dosiervorrichtung 10 wie sie typischerweise in SCR-Systemen zum Dosieren von Reduktionsmittel in das Abgasrohr 12 eingesetzt wird, wobei das Abgasrohr 12 von einem Abgasstrom in Strömungsrichtung B durchströmt ist. Der Abgasstrom stammt von einer in 1 nicht dargestellten Brennkraftmaschine, an der auslassseitig das Abgasrohr 12 angeordnet ist. Am Abgasrohr 12 ist entlang einer beispielsweise stoffschlüssig ausgeführten Verbindung 42, die zum Beispiel als Schweißverbindung ausgebildet ist, eine Flanschverbindung 28 angebracht. Über diese Flanschverbindung 28 ist ein Dosiermodul 14 mit dem Abgasrohr 12 verbunden, wobei diese Verbindung beispielsweise mittels einer Schweißverbindung oder wie in 4 gezeigt durch Bördeln einer Rippe 48 hergestellt werden kann. Des Weiteren sind bei der in 1 gezeigten Ausführungsform, Anschlüsse 44 zur Versorgung des Dosiermoduls 14 mit Reduktionsmittel vorgesehen. Das Dosiermodul 14 umfasst in einer Aufnahmehülse 16 eine Dosiereinheit wie beispielsweise ein Dosierventil oder alternativ einen Injektor, über welche das Reagenz in den Abgasstrom eingebracht wird. Die Abgastemperatur des in Richtung B strömenden Abgasstromes kann an dieser Stelle eine Temperatur von bis zu 700°C erreichen. Demzufolge ist das Abgasrohr 12 durch den in Strömungsrichtung B strömenden Abgasstrom entsprechend aufgeheizt. Dies stellt eine hohe thermische Belastung der Dosiereinheit dar und kann im Extremfall zu deren Zerstörung führen. Daher wird üblicherweise ein Kühlsystem, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, mit Kühlrippen 46 entlang der Aufnahmehülse 16 eingesetzt, um das Dosierventil oder den Injektor der Eindosierung zu kühlen.
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2 zeigt eine möglich Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlsystems, wobei in dem Zwischenstück 20 ein Kühlmedium führender Kanal 26 zwischen der Innenwandung 22 und der Außenwandung 24 ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform ist das Zwischenstück 20 einteilig gefertigt und der das Kühlmedium führende Kanal 26 ist in dem Zwischenstück 20 mit einem wannenförmigen Profil ausgestaltet, das durch die Aufnahmehülse 16 deckelartig verschlossen wird. Dieses wannenförmige Profil des Zwischenstücks 20 ist vorzugsweise zu der Aufnahmehülse 16 hin offen und ein Deckel 50 an dem Umfang der Aufnahmehülse 16 ermöglichtes einen abgeschlossenen, Kühlmedium führenden Kanal 26 auszubilden. Diese Ausgestaltung des Zwischenstücks, wobei die Innenwandung den Kühlmedium führenden Kanal 26 abgrenzt und somit wenig Material zwischen dem Kühlmedium führenden Kanal 26 und dem zu kühlenden Bereich einbringt, ermöglicht es in einfacher Weise einen effizienten Wärmeübertrag zu erreichen. Bei der Verwendung von wämeleitenden Materialen, wie zum Beispiel Aluminium, kann der Wärmeübertrag weiter erhöht werden.
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In der Ausführungsvariante der 2 wird die Dichtheit des Kühlmedium führenden Kanals 26, was besonders im Falle von Flüssigkeiten als Kühlmedium von Bedeutung ist, mittels Dichtringen 52 an den Auflageflächen zwischen Deckel 50 der Aufnahmehülse 16 und dem Zwischenstück 20 hergestellt. Die Verbindung zwischen der Aufnahmehülse 16 und dem Zwischenstück 20 bzw. zwischen dem Zwischenstück 20 und der Flanschverbindung 28 kann auf unterschiedliche Arten erfolgen, wobei form-, kraft- oder stoffschlüssige Verbindungen, wie zum Beispiel Schnapp-, Bördel- oder Schweißverbindungen, verwendet werden können. 4 zeigt beispielsweise eine solche Verbindung mittels Bördeln. Als Kühlmedium kann eine Flüssigkeit oder ein Gasgemisch verwendet werden, welches aus dem Reservoir 32 einer anderen Einrichtung der Brennkraftmaschine entnommen werden kann. Des Weiteren kann das Anschlussstück 30, welches die Verbindung zu einem Reservoir 32 für das Kühlmedium herstellt, sowohl am Zwischenstück 20 als auch am Deckel 50 der Aufnahmehülse 16 vorgesehen werden. Diese Ausführungsvariante erlaubt wie in 3 gezeigt den Abstand zwischen dem Strömungsrohr 12 und der Aufnahmehülse 16 durch die Länge 54 des Zwischenstücks 20 zu variieren und damit auch hinsichtlich der Kühlung sowie der Einspritzcharakteristik zu optimieren.
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Alternativ zur vorhergehend beschriebenen Ausgestaltung kann das Zwischenstück 20 auch wie in 5 oder 6 dargestellt als einteiliger Block mit eingelassenem Rohr 34 ausgebildet sein, wobei das eingelassene Rohr über ein Anschlussstück 30 mit einem nicht dargestellten Reservoir 32 für Kühlmedium verbunden ist. Das als einteiliger Block ausgestaltete Zwischenstück kann sowohl aus Stahl oder als Gusskonstruktion gefertigt sein. In diesem Fall kann das als einteilige Block ausgebildete Zwischenstück 20 beispielsweise formschlüssig mittels Schnappverbindung oder kraftschlüssig mittels Verschraubung zwischen der Flanschverbindung 28 und der Aufnahmehülse 16 aufgenommen werden. In bevorzugter Ausführungsform ist das eingelassene Rohr, das den Kühlmedium führenden Kanal 26 bildet, nah an der zu kühlenden Dosiereinheit angesiedelt, um so die Materialdicke zu minimieren und eine effizientere Kühlung aufgrund eines besseren Wärmeübertrags zu erreichen. Ferner kann eine wärmeleitende Schicht, wie zum Beispiel Wärmeleitpaste oder Glasfasermatten, zwischen dem als einteiliger Block ausgebildeten Zwischenstück 20 und einer konisch zulaufenden Innenwandung 22 den Wärmeübertrag verbessern.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Zwischenstück 20 wie in 7 gezeigt als zweiteiliges Bauteil auszugestalten. In diesem Fall kann eine deckelartige Verschraubung 36 verwendet werden, die einerseits mit der Aufnahmehülse 16 befestigt zum Beispiel verschraubt ist und andererseits den Kühlmedium führenden Kanal 26 des Zwischenstücks 20, der ähnlich wie in 2 gezeigt ausgebildet sein kann, verschließt. Ähnlich wie bei der in 2 oder 3 gezeigten Ausführungsform kann das Anschlussstück 30, welches die Verbindung zu einem nicht dargestellten Reservoir 32 für Kühlmedium herstellt, sowohl am Zwischenstück 20 als auch an der Aufnahmehülse 16 vorgesehen werden. Dichtringe 52 an den Rändern der deckelartigen Verschraubung 36 sorgen für die Dichtheit des Kühlmedium führenden Kanals 26. Diese Ausgestaltung des Kühlsystems ermöglicht eine einfache und kostensparende Integration in den Fertigungsprozess.
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8 zeigt eine weitere alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlsystems, wobei das Zwischenstück 20 zweiteilig mit Fräsungen 38 für ein einsetzbares Rohr 40 ausgestaltet ist. Hierbei können das zweiteilig ausgefertigte Zwischenstück 20 sowie das einsetzbare Rohr 40 formschlüssig zwischen der Aufnahmehülse 16 und dem Flanschverbindung 28 verklemmt werden, wobei die Verbindung zwischen Aufnahmehülse 16 und der Flanschverbindung 28 durch ein zusätzliches Verbindungselement, das der Innenwandung 22 des Zwischenelementes aus 2 entspricht hergestellt ist. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass durch das Einsetzen eines Rohres 40 keine zusätzlichen Dichtelemente 52 vorgesehen werden müssen. Außerdem ergibt sich in vorliegender Ausführungsvariante in besonders vorteilhafter Weise, dass das Anschlussstück 30, welches die Verbindung zu einem Reservoir 32 herstellt und der Kühlmittel führende Kanal 26 ein Bauteil bilden, das kostengünstig als Standardteil zugekauft werden kann und keine Sonderanfertigung verlangt. Dies ermöglicht eine vereinfachte und kostengünstige Herstellung von erfindungsgemäßem Kühlsystem für Dosiervorrichtungen 10.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008041486 A1 [0001, 0002]
