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Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung für ein Dosiersystem und ein Verfahren zum Einspritzen von Fluid in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors.
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Stand der Technik
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Bei Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, muss aufgrund der Abgasvorschriften unter anderem der in den Abgasen enthaltene Schadstoff NOx reduziert werden.
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Ein bekanntes Verfahren zur NOx-Reduzierung ist das so genannte SCR-Verfahren, bei dem ein flüssiges Reduktionsmittel, insbesondere eine wässrige Harnstofflösung ("AdBlue"), in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors eingebracht wird, um die in den Abgasen enthaltenen NOx zu N2 und H2O zu reduzieren.
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Um das flüssige Reduktionsmittel unter definierten Bedingungen in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors einzuspritzen, muss das Reduktionsmittel üblicherweise bei konstantem hydraulischen Druck einer Dosiereinheit, die am Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, zugeführt werden.
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Dazu wird das flüssige Reduktionsmittel mit Hilfe einer Pumpeneinheit aus einem entsprechenden Reservoir (Tank) angesaugt und über eine Druckleitung bei konstantem Druck zur Dosiereinheit gefördert. Die von der Dosiermenge abhängige variable Fördermenge der Pumpeneinheit wird dabei bei konstantem hydraulischen Druck von der Pumpeneinheit geregelt.
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Um den konstanten hydraulischen Druck in der Druckleitung zu erzeugen und aufrecht zu erhalten, wird üblicherweise eine hydraulische Festdrossel mit konstantem Durchfluss verwendet, die in einer Rücklaufleitung zwischen der Druckleitung und dem Tank angeordnet ist. Bei einer derartigen Festdrossel ist die Rücklaufmenge unabhängig von der tatsächlichen Dosiermenge konstant. Dies führt insbesondere bei kleinen Dosiermengen zu einer verhältnismäßig hohen, nutzlosen Rücklaufmenge.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Pumpvorrichtung für ein Dosiersystem und ein verbessertes Verfahren zum Einspritzen eines Fluids in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, um die nutzlose Rücklaufmenge zu verringern.
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Eine erfindungsgemäße Pumpvorrichtung für ein Dosiersystem zum Einspritzen eines Fluids in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors hat eine Pumpe, die ausgebildet ist, um Fluid aus einem Reservoir zu entnehmen und unter erhöhtem Druck in eine Druckleitung, die hydraulisch mit einer am Abgasstrang angeordneten Einspritz- und Dosiervorrichtung verbunden ist, auszugeben. Die Pumpvorrichtung hat auch eine Drossel, die hydraulisch derart mit der Druckleitung verbunden ist, dass sie einen Abfluss von Fluid aus der Druckleitung ermöglicht, ohne dass das durch die Drossel abfließende Fluid in die am Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Einspritz- und Dosiervorrichtung gelangt. Die Drossel ist dabei als regelbare Drossel ausgebildet, so dass die durch die Drossel abfließende Fluidmenge einstellbar ist.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bereitstellen von Fluid an eine Einspritzund Dosiervorrichtung zum Einspritzen von Fluid in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors umfasst den Schritt, Fluid aus einem Reservoir zu fördern und unter erhöhtem Druck durch eine Druckleitung an die Einspritz- und Dosiervorrichtung abzugeben, wobei wenigstens ein Teil des abgegebenen Fluids durch eine regelbare Drossel aus der Druckleitung abgeführt wird, ohne die Einspritz- und Dosiervorrichtung zu erreichen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglichen es, die durch die Drossel abgeführte Rücklaufmenge optimal an die jeweils benötigte Dosiermenge anzupassen. Ein ineffizienter Betrieb der Pumpe, bei dem eine große ungenutzte Rücklaufmenge gefördert wird, kann so vermieden werden. Die Förderleistung der Pumpe wird besser ausgenutzt. Insbesondere kann die einstellbare Drossel bei hohen Dosiermengen vollständig geschlossen werden, so dass die gesamte Fördermenge der Pumpe als Dosiermenge zur Verfügung steht.
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Die Pumpe und insbesondere der Pumpenmotor können über den gesamten Dosierbereich in einem optimalen Drehzahlbereich betrieben werden, da die Dosiermenge bei Verwendung einer erfindungsgemäßen regelbaren Drossel nicht mehr allein von der Pumpendrehzahl abhängig, sondern zusätzlich durch Regeln der Drossel einstellbar ist.
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In einer Ausführungsform enthält die Drossel wenigstens eine deformierbare Membran. Mit einer deformierbaren Membran ist eine erfindungsgemäße regelbare Drossel einfach und kostengünstig realisierbar.
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In einer Ausführungsform enthält die Drossel wenigstens einen beispielsweise kegelförmig oder sphärisch ausgebildeten Drosselkörper, der so angeordnet ist, dass er mit einem entsprechend ausgeformten, korrespondierenden Drosselsitz funktionell zusammenwirkt. Durch Zusammenwirken eines derartigen Drosselkörpers mit einem entsprechend ausgebildeten, korrespondierenden Drosselsitz ist die Durchflussmenge durch die Drossel einfach und mit hoher Genauigkeit einstellbar.
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In einer Ausführungsform ist der Drosselkörper aus Metall oder Kunststoff ausgebildet. Ein aus Metall ausgebildeter Drosselkörper ist besonders widerstandsfähig, insbesondere gegenüber hohen Temperaturen und Drücken. Ein aus Kunststoff hergestellter Drosselkörper hat ein geringes Gewicht und ist besonders kostengünstig herstellbar.
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In einer Ausführungsform weist die regelbare Drossel einen Antrieb zum Bewegen der Membran und/oder des Drosselkörpers auf, so dass die Durchflussmenge durch die Drossel durch Betreiben des Antriebs einstellbar ist. Insbesondere umfasst der Antrieb in einer Ausführungsform einen Spindelantrieb der von einem elektrischen Motor, insbesondere einem Schrittmotor, ansteuerbar ist. Durch einen Spindelantrieb und/oder einen Schrittmotor sind die Membran und/oder der Drosselkörper exakt positionierbar, so dass die Durchflussmenge der Drossel mit hoher Genauigkeit einstellbar ist.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die Membran und/oder der Drosselkörper durch einen piezoelektrischen Antrieb bewegbar. Ein piezoelektrischer Antrieb stellt einen besonders wartungsarmen Antrieb zum Einstellen der Durchflussmenge der Drossel zur Verfügung, der nur wenige bewegliche Teile aufweist und es ermöglicht, die Durchflussmenge mit hoher Genauigkeit exakt einzustellen.
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In einer Ausführungsform ist die Drossel so angeordnet, dass sie einen Rückfluss von Fluid aus der Druckleitung in das Fluidreservoir ermöglicht.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Drossel so angeordnet und hydraulisch mit der Pumpe verbunden, dass sie einen Rückfluss von Fluid aus der Druckleitung direkt zur Saugseite der Pumpe ermöglicht. Eine derartige Konstruktion ermöglicht es, die Pumpeneinheit bei vollständig geschlossener Drossel über die Dosiereinheit zu entlüften. Bei herkömmlichen Pumpeneinheiten mit einer festen, nicht regelbaren Drossel muss zur Entlüftung der Pumpeneinheit der Rücklauf aus der Drossel immer zurück zum Reservoir erfolgen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst auch eine Steuer- und Regeleinheit, die geeignet ist, den Antriebsmotor der Pumpe und den Antrieb der regelbaren Drossel so anzusteuern, dass in der Druckleitung ein gewünschter, vorgebbarer Druck eingestellt wird.
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Vorzugsweise weist eine erfindungsgemäße Pumpvorrichtung einen Drucksensor, der ausgebildet ist, den Druck in der Druckleitung zu messen, und eine Druckregelvorrichtung auf, die ausgebildet ist, den von dem Drucksensor gemessenen Druck mit einem vorgegebenen Soll-Wert zu vergleichen und die Pumpe und/oder die Drossel so anzusteuern, dass sich der gemessene Wert dem vorgegebenen Soll-Wert annähert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 ein schematisches Funktionsschaltbild einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung;
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2 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen regelbaren Drossel; und
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3 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen regelbaren Drossel.
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1 zeigt ein schematisches Funktionsschaltbild einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung 2.
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Die Pumpvorrichtung 2 hat die Aufgabe, flüssiges Reduktionsmittel 6, wie z.B. eine wässrige Harnstofflösung ("AdBlue"), aus einem Reservoir (Tank) 4 zu entnehmen und unter definiertem Druck einer Einspritz- und Dosiereinheit 24 zuzuführen. Die Einspritz- und Dosiereinheit 24 spritzt im Betrieb das Reduktionsmittel 6 in einen in der 1 nicht gezeigten Abgasstrang eines ebenfalls nicht gezeigten Verbrennungsmotors ein.
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Eine erfindungsgemäße Pumpvorrichtung 2 weist dazu eine Druckförderpumpe 10 auf, welche das einzuspritzende Fluid 6 über eine Saugleitung 8 aus dem Reservoir 4 ansaugt und über eine ausgangsseitig an die Druckförderpumpe 10 angeschlossene Druckleitung 12 unter erhöhtem Druck der Einspritz- und Dosiereinheit 24 zuführt.
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Die Druckförderpumpe 10 wird vorzugsweise von einem Elektromotor 14 angetrieben, der von einer elektrischen Steuereinheit 16 angesteuert wird.
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An/in der Druckleitung 12 ist ein Drucksensor 22 vorgesehen, welcher den in der Druckleitung 12 herrschenden Fluiddruck misst und das Messergebnis in Form eines Druckmesssignals einer Druckregeleinheit 20 zur Verfügung stellt. Die Druckregeleinheit 20 vergleicht den von dem Drucksensor 22 gemessenen Druck in der Druckleitung 12 mit einem vorgegebenen Solldruck und gibt ein entsprechendes Steuersignal an die Steuereinheit 16 aus. Die Steuereinheit 16 steuert den Elektromotor 14 der Druckförderpumpe 10 aufgrund des von der Druckregeleinheit 20 zur Verfügung gestellten Steuersignals derart an, dass die Druckförderpumpe 10 den gewünschten Solldruck in der Druckleitung 12 erzeugt.
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Von der Druckleitung 12 zweigt zwischen dem Ausgang der Druckförderpumpe 10 und der Einspritz- und Dosiereinheit 24 eine Rücklaufleitung 26 ab, die in dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel zurück in das Fluidreservoir 4 führt. In einem nicht gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel kann die Rücklaufleitung 26 auch in einem Bereich zwischen dem Fluidreservoir 4 und der Druckförderpumpe 10 in die Saugleitung 8 münden.
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In der Rücklaufleitung 26 ist eine erfindungsgemäße regelbare Drossel 28 vorgesehen. Durch Regeln der Drossel 28 ist die durch die Rücklaufleitung 26 in das Fluidreservoir 4 zurückfließende Fluidmenge einstellbar. Die regelbare Drossel 28 ist über eine Steuerleitung 17 mit der Regelungseinheit 16 verbunden, welche den Duck in der Druckleitung 12 so einerseits durch Regeln des Motors 14, der die Druckförderpumpe 10 antreibt, als auch durch Einstellen der Durchflussmenge durch die Drossel 28 variieren kann.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen regelbaren Drossel 28a.
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Die regelbare Drossel 28a weist eine Grundplatte 30 auf, in der Fluid-Zulaufkanäle 32 ausgebildet sind, durch welche Fluid aus der Rücklaufleitung 26 in die Drossel 28a zuführbar ist.
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Das in der 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Drossel 28a ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Achse A, die in der in der 2 gezeigten Darstellung waagerecht verläuft, ausgebildet. In der Grundplatte 30 ist ein Ablaufkanal 34 rotationssymmetrisch um die Achse A ausgebildet. Durch den Ablaufkanal 34 ist das Fluid aus der Drossel 28a abführbar.
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Die Fluid-Zulaufkanäle 32 können, müssen aber nicht rotationssymmetrisch um die Achse A ausgebildet sein.
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Der Ablaufkanal 34 ist an seinem in der 2 rechts dargestellten Ende kegelstumpfförmig aufgeweitet. Auf der in der 2 rechts dargestellten Seite der Grundplatte 30 ist mit Hilfe einer um den Ablaufkanal 34 umlaufenden Membranhalterung 40 eine rotationssymmetrisch um die Achse A ausgebildete, elastische Membran 36 befestigt. Die Ebene der Membran 36 verläuft im Wesentlichen in einem rechten Winkel zur Achse A parallel zur Grundplatte 30.
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Die elastische Membran 36 weist in ihrem zentralen Bereich rund um die Achse A auf ihrer der Grundplatte 30 zugewandten (linken) Seite einen Drosselkörper 38a auf, der im Wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet und wenigstens teilweise in die kegelstumpfförmige Aufweitung 35 des Ablaufkanals 34 eingeführt ist. Um den Umfang des kegelstumpfförmigen Drosselkörpers 38a ist so zwischen dem Drosselkörper 38a und der Grundplatte 30 ein Drosselspalt 37 ausgebildet, dessen Breite durch Bewegen der Membran 36 variierbar ist.
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Die Membran 36 ist mit Hilfe der Membranhalterung 40 fluiddicht an der Grundplatte 30 fixiert, so dass aus den Zulaufkanälen 32, die rund um den Ablaufkanal 34 in einen durch die Membran 36 und die Grundplatte 30 begrenzten Raum auf der rechten Seite der Grundplatte 30 münden, ausströmendes Fluid nur durch den Drosselspalt 37 aus dem begrenzten Raum in den Ablaufkanal 34 abfließen kann.
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Der Querschnitt des Drosselspaltes 37 ist durch Bewegen der Membran 36 und des Drosselkörpers 38a parallel zur Achse A variierbar.
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An der von der Grundplatte 30 abgewandten Seite der Membran 36 befindet sich ein Verbindungselement 42, das mechanisch mit dem Drosselkörper 38a und/oder der Membran 36 verbunden ist.
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Das Verbindungselement 42 ist in dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine rotationssymmetrisch um die Achse A ausgebildete Hülse 42, die mit einem Innengewinde 43 versehen ist.
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In das Innengewinde 43 der Hülse 42 greift ein entsprechend ausgebildetes Außengewinde 45 einer parallel zur Achse A angeordneten Welle 44 ein.
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Die Welle 44 ist mit einem Stellmotor 46 verbunden, der vorzugsweise als Schrittmotor ausgebildet ist. Betreiben des Stellmotors 46 bewirkt eine Drehung der Welle 44 um die Achse A. Durch das Ineinandergreifen des auf dem Umfang der Welle 44 ausgebildeten Außengewindes 45 mit dem in dem hülsenförmigen Verbindungselement 42 ausgebildeten Innengewinde 43 wird beim Betreiben des Stellmotors 46 eine translatorische Bewegung des Verbindungselements 42 in einer Richtung parallel zur Achse A bewirkt. Da das Verbindungselement 42 fest mit der elastischen Membran 36 und/oder dem Drosselkörper 38a verbunden ist, werden die Membran 36 und der Drosselkörper 38a beim Betreiben des Stellmotors 46 entsprechend parallel zur Achse A bewegt und die Größe des Drosselspaltes 37 wird variiert.
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Die Durchflussmenge durch den Drosselspalt 37 ist so durch Betreiben des Stellmotors 46 mit hoher Genauigkeit einstellbar. Wird als Stellmotors 14 ein Mikroschrittmotor verwendet, kann eine kostengünstige realisierbare regelbare Drossel 28a mit einem sehr genau einstellbaren Drosselverhalten bereitgestellt werden.
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3 zeigt eine Schnittansicht durch ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen regelbaren Drossel 28b.
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Diejenigen Merkmale, die denen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben.
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Im Gegensatz zu der Drossel 28a des ersten Ausführungsbeispiels weist die Drossel 28b im zweiten Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen sphärisch geformten Drosselkörper 38b auf.
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Es sind auch andere, in den Figuren nicht gezeigte, Formen für den Drosselkörper 38a, 38b möglich. Durch die Wahl der Form des Drosselkörpers 38a, 38b kann das Drosselverhalten, d.h. die Durchflussmenge durch die Drossel 28a, 28b als Funktion der Position des Drosselkörpers 38a, 38b entlang der Achse A, definiert werden. Auch kann ein Drosselkörper 38a, 38b mit einer einfach und kostengünstig herstellbaren Form gewählt werden.
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Die Drossel 28b des zweiten Ausführungsbeispiels weist keinen Spindelantrieb 42, 44 mit einem elektrischen Stellmotor 36 auf. Stattdessen ist die von der Grundplatte 30 abgewandte Seite der elastischen Membran 36 mechanisch derart mit einem Piezoaktuator 48 verbunden, dass die Position der Membran 36 und des Drosselkörpers 38b durch Betreiben des Piezoaktuators 48 parallel zur Achse A veränderbar ist. Ein Piezoaktuator 48 stellt einen besonders wartungsarmen Antrieb zur Verfügung, der im Vergleich zu einem Spindelantrieb 42, 44 mit einem elektrischen Stellmotor 36 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel so gut wie keine mechanisch beweglichen Teile aufweist. Eine regelbare Drossel 28b, die von einem Piezoaktuator 48 angetrieben wird, ist daher besonders zuverlässig und wartungsarm.
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Die Wahl der Form des Drosselkörpers 38a, 38b ist unabhängig von der Wahl des Antriebs, der zum Bewegen der Membran 36 verwendet wird. So kann ein Spindelantrieb 42, 44 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel 28a ebenso mit einem sphärischen Drosselkörper 38b gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel 28b kombiniert werden, wie ein Piezoaktuator 48 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel 28b mit einem kegelstumpfförmigen Drosselkörpers 38a gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel 28a kombiniert werden kann.
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Eine erfindungsgemäße regelbare Drossel 28a, 28b, wie sie in den 2 und 3 beispielhaft gezeigt ist, ist im Vergleich zu den bisher bekannten variablen Drosseln (Proportionalventile) sehr kostengünstig und kann erfindungsgemäß für Dosiersysteme zur Abgasreduktion eingesetzt werden.
