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Stand der Technik
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DE 10 2006 057 425 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regeneration von Dieselpartikelfiltern und/oder Katalysatoren. Diese Vorrichtung ermöglicht es, mit einer gezielten Einspritzung von Dieselkraftstoff in den Abgasstrang den Dieselpartikelfilter zu regenerieren. Dabei wird der Dieselkraftstoff oberhalb des Oxidationskatalysators in den Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt. Der eingespritzte Kraftstoff reagiert mit dem unverbrannten Sauerstoff im Abgas, so dass sich die Abgastemperatur beim Durchströmen des Oxidationskatalysators auf etwa 600 °C erhöht. Bei dieser Abgastemperatur brennt der im Strom abwärts angeordnete Dieselpartikelfilter gespeicherte Ruß ab und der Dieselpartikelfilter wird auf diesem Wege wieder regeneriert.
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DE 10 2009 002 484 A1 bezieht sich auf ein Einspritzventil für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung. Das Einspritzventil umfasst ein Ventilglied und einen Ventilsitz, wobei das Ventilglied einen Schaft aufweist, der Ventilsitz eine Führungsbohrung aufweist, wobei der Schaft in der Führungsbohrung in axialer Richtung verschiebbar angeordnet ist. Die Führungsbohrung ist in einer Hülse ausgebildet, wobei die Hülse stoff- und/oder formschlüssig mit dem Ventilsitz verbunden ist.
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Einrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff in Abgasnachbehandlungssysteme, so zum Beispiel Einspritzeinheiten, sind vielfach mit einer Wasserkühlung ausgestattet. Mittels der Einspritzventile erfolgt eine Zerstäubung des Kraftstoffes durch den Kraftstoffdruck. Bei der Zerstäubung des Kraftstoffs ist mittlerweile eine technisch kleinstmögliche Tröpfchengröße der Kraftstofftropfen erreicht. Für eine weitere Verbesserung der Aufbereitung eines Sprühnebels mit kleinsten Kraftstofftröpfchen zur Erfüllung von derzeit gültigen Abgasgesetzgebungen und künftig zu erwartenden, so zum Beispiel Euro 6, sind weitere Maßnahmen erforderlich.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine luftunterstützte Kraftstoffeinspritzung über ein Einspritzventil, welches Teil einer Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in ein Abgasnachbehandlungssystem ist, vorgeschlagen. In einem Montageflansch beziehungsweise einem Ventilhalter befindet sich das Einspritzventil, welches den Kraftstoff fein zerstäubt in den Abgasstrang der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine einspritzt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens, ist ein Ventilkörper des Einspritzventils im Bereich seiner Stirnseite von einem Luftspalt umschlossen. Der Luftspalt steht mit einer Luftkammer oder einem anderen Druckluftreservoir in Verbindung. Dazu kann am Ventilhalter ein entsprechender Druckluftanschluss vorgesehen werden, über welchen eine, beispielsweise im Ventilhalter direkt ausgebildete Luftkammer mit Druckluft gespeist werden kann, die permanent oder in zeitlichen Intervallen bei Betätigung des Einspritzventiles Druckluft in einen Hohlraum leitet, der sich im Abgasstrang, einerseits begrenzt durch eine Stirnseite des Einspritzventiles und andererseits begrenzt durch eine Dichteinheit, befindet.
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In vorteilhafter Weise mündet der ringförmig konfigurierte Luftspalt, welcher durch die Außenseite des Ventilkörpers des Einspritzventiles einerseits und andererseits durch eine Begrenzungswand des Ventilhalters gebildet sein kann, im Bereich der Stirnseite des Einspritzventiles. Der durch den beispielsweise in Ringform ausgebildete Luftspalt austretende Druckluftstrahl trifft im Wesentlichen in vertikaler Richtung strömend auf einen Abschnitt der den Hohlraum begrenzenden Dichteinheit. Dieser Abschnitt weist beispielsweise eine gebogene Kante auf, sodass dem aus der Mündung des Luftspaltes austretenden Luftdruckstrahl eine Umlenkung aufgezwungen wird und der in den Hohlraum einströmende Druckluftstrahl umgelenkt wird und durch eine Austrittsöffnung im Wesentlichen in Radialrichtung auf den Ventilsitz des Einspritzventils geleitet wird. Durch die Umlenkung des Druckluftstrahles kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Druckluft direkt auf eine Ventilnadel beziehungsweise den Ventilnadelkopf geleitet wird, sodass unmittelbar beim Öffnen eine Verwirbelung von Kraftstoff druckluftunterstützt erreicht werden kann.
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Die Umlenkung, die dem Druckluftstrahl aufgeprägt wird, hängt einerseits ab vom Druck, mit dem die Druckluft beaufschlagt ist und andererseits von der Geometrie der Austrittsöffnung, die einerseits durch eine Stirnseite des Einspritzventiles und andererseits durch besagte Umlenkkante der Dichteinheit gebildet wird. Entscheidend ist eine radiale Umlenkung der Druckluft beziehungsweise deren Umlenkung in Richtung auf den Ventilsitz des Einspritzventiles, aus welchem der Kraftstoff austritt.
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Die Dichteinheit, die sich an der dem Abgasstrang zugewandten Seite des Ventilhalters befindet, dient darüber hinaus auch als Abschirmung des Einspritzventiles gegen das erhöhte Temperaturniveau. Durch eine feinere Zerstäubung des Kraftstoffs beim Einbringen in das Abgasnachbehandlungssystem kann der Kraftstoff schneller verdampfen, wodurch die Abgaswege, beispielsweise vom Motorauslass oder einer Aufladeeinrichtung in Gestalt eines Turboladers, zum Dieseloxidationskatalysator (DOC) / Partikelfilter minimiert werden können. Dadurch wird das erforderliche Temperaturniveau zur Regeneration des Dieselpartikelfilters schneller erreicht. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine Wandbenetzung durch nicht verdampften Dieselkraftstoff vermieden werden, der Kraftstoff wird vielmehr idealerweise fast zu 100 Prozent zur Wärmeerzeugung genutzt und kann benachbarte Aggregate nicht beschädigen. Des Weiteren kann mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erreicht werden, dass eine Einspritzung von kleineren Mengen, im Vergleiche zu bisherigen Lösungen, möglich ist. Damit kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung auch Anwendung an kleineren Verbrennungskraftmaschinen finden.
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Des Weiteren zeichnet sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung dadurch aus, dass bestehende Komponenten der bestehenden Einspritztechnik bestehen bleiben können, so zum Beispiel bisher eingesetzte Einspritzventile unverändert eingesetzt werden können, ohne dass diese einer Modifikation bedürften. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird der bisher im Ventilhalter vorgesehene Wasserkühlkreislauf in besagte Druckluftzufuhr und den Wasserkreislauf unterteilt. Der Druckluftstrom kann permanent anliegen und wirkt in Kraftstoffdosierphasen unterstützend und bewirkt insbesondere eine weitere Verbesserung der Aufbereitung des Kraftstoffnebels und damit dessen bessere Verteilung im zu behandelnden Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ventilhalters mit darin eingelassenem Einspritzventil und
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2 einen Detailausschnitt der 1 mit Druckluftzufuhr im Bereich der Stirnseite des Einspritzventils.
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Ausführungsformen
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1 ist ein Einspritzventil 10 zu entnehmen, welches Teil eines nicht in allen Details dargestellten Abgasnachbehandlungssystem ist, beispielsweise zur Regeneration von Komponenten im Abgasstrang selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen. Das Einspritzventil 10 umfasst einen Ventilkörper 12 sowie eine im Wesentlichen in axiale Richtung bewegbare Ventilnadel 14, die einen Ventilsitz 16 an der Stirnseite des Ventilkörpers 12 öffnet oder verschließt. Das Einspritzventil 10 ist mit seinem Ventilkörper 12 in einen Ventilhalter 18 eingebettet. Der Ventilhalter 18 dient einerseits zur Kühlung des Einspritzventiles 10 und andererseits zu dessen Befestigung im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine. Der Ventilhalter 18 weist beispielsweise eine Anzahl von Bohrungen 20 auf. An der unteren Stirnseite, d.h. der Stirnseite, die dem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt ist und damit einem höheren Temperaturniveau, befindet sich eine Dichteinheit 22, welche auch als Abschirmung dient. Durch das Einspritzen eines fein zerstäubten Sprühnebels aus Kraftstoff in den Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine reagiert im Abgas enthaltener, noch unverbrauchter Sauerstoff mit dem Kraftstoff, wodurch sich eine Temperaturerhöhung auf ca. 600 °C einstellt, die zur Regeneration eines stromab gelegenen Dieselpartikelfilters dient, bei diesem Temperaturniveau im Partikelfilter abgelagerter Ruß abbrennt. Der Darstellung gemäß 1 ist zu entnehmen, dass der Ventilkörper 12 des Einspritzventiles 10 symmetrisch zu seiner Symmetrieachse 26 ausgebildet ist. An der unteren Seite der Ventilnadel 14 befindet sich ein Ventilnadelkopf 24, der mit dem Ventilsitz 16 des Einspritzventiles 10 zusammenwirkt. Durch den Ventilhalter 18 für das Einspritzventil 10 erstreckt sich darüber hinaus auch eine Druckluftzufuhr 40, mit welcher Druckluft in den Ventilhalter 18, insbesondere in Richtung des Ventilsitzes 16 des Einspritzventiles 10 transportiert werden kann, wie nachfolgend noch eingehender beschrieben wird.
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Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass im Ventilhalter 18 auch ein Kühlwasserkreislauf 36 aufgenommen ist, welcher der Kühlung des Einspritzventiles 10 bei dem erhöhten Temperaturniveau in der Größenordnung von 600 °C dient. Mit Bezugszeichen 42 ist eine Austrittsöffnung eines Hohlraumes bezeichnet, welche einerseits durch eine Stirnseite des Einspritzventiles 10 und andererseits durch die Dichteinheit 22 an der unteren Stirnseite des Ventilhalters 18 begrenzt ist.
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Der Darstellung gemäß 2 ist im vergrößerten Maßstab der Bereich des Ventilhalters und des Einspritzventiles mit Kühlwasserkreislauf und Druckluftzufuhr zu entnehmen.
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Wie die Schnittdarstellung gemäß 2 zeigt, befindet sich im Ventilhalter 18 ein Kühlwasserkreislauf 36. Der Kühlwasserkreislauf dient einerseits der Kühlung des Ventilhalters 18, der als Kühlkörper dient und so die durch Abgaskontakt eingebrachte Wärme insbesondere vom Einspritzventil abführt. Der Kühlwasserkreislauf 36 ist durch ein Kühlelement, insbesondere ein Kühlblech 38 von einem Hohlraum 46 getrennt. An der unteren Stirnseite des in der Schnittdarstellung gemäß 2 teilweise dargestellten Ventilhalters 18 befindet sich die bereits in 1 dargestellte Dichteinheit 22, die zusammen mit dem Kühlblech 26 und einer Stirnseite 34 des Einspritzventiles 10 den Hohlraum 46 begrenzt.
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Des Weiteren befindet sich im Ventilhalter 18 eine Luftzufuhrkammer 28, die ihrerseits beispielsweise über den in 1 dargestellten Druckluftanschluss 40 mit Druckluft beaufschlagt ist. Von der Luftzufuhrkammer 28 aus erstreckt sich ein Luftspalt 30 bis zu einer Luftspaltmündung 32, die in der Darstellung gemäß 2 in unmittelbarer Nähe zur Stirnseite 34 des Einspritzventiles 10 liegt. Anstelle des in 2 dargestellten Luftspaltes, der beispielsweise den Ventilkörper 12 des Einspritzventiles 10 ringförmig umgibt, kann auch eine Vielzahl von Bohrungen im Inneren des Ventilhalters 18 ausgebildet werden, über welche die Druckluft dem Hohlraum 46 zu- und in diesen einströmt.
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Wie aus der Darstellung gemäß 2 hervorgeht, tritt die an der Luftspaltmündung 32 austretende Druckluft in den Hohlraum 46 ein und trifft auf die der Luftspaltmündung 32 gegenüberliegende Innenseite der Dichteinheit 22. Dadurch wird die, im Wesentlichen der Orientierung gemäß 2 folgend, in vertikale Richtung aus dem Luftspalt 30 austretende Druckluft umgelenkt, sodass eine Druckluftströmung 48 erzeugt wird, die im Wesentlichen in radiale Richtung in Richtung auf den Ventilsitz 16 durch eine Austrittsöffnung 42 aus dem Hohlraum 46 abströmt.
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Die Austrittsöffnung 42 ist einerseits durch die Stirnseite 34 des Einspritzventiles 10 begrenzt und andererseits durch eine gebogene Kante 44 der Dichteinheit 22. Aus Symmetriegründen ist in der Darstellung gemäß 2 lediglich eine Hälfte des Hohlraumes 46 beziehungsweise der Dichteinheit 22 dargestellt. Die Austrittsöffnung 42, die einerseits durch die Stirnseite 34 des Einspritzventiles 10 und andererseits durch die gebogene Kante 44 der Dichteinheit 22 begrenzt ist, erstreckt sich in Ringform um die Stirnseite 34 des Einspritzventiles 10. Ist der Luftspalt 30 permanent mit Druckluft beaufschlagt, so stellt sich eine in Richtung auf den in der 2 geschlossen dargestellten Ventilsitz 16 gerichtete Druckluftströmung 48 ein. Beim Öffnen des Ventilnadelkopfes 24 bei Betätigung des Einspritzventiles 10 wird der aus diesem austretende Kraftstoff, unterstützt durch die Wirkung der Druckluft, in einen feinen Tröpfchennebel umgewandelt, der schlussendlich in den Abgasstrom des nachzubehandelnden Abgases der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird, dort mit dem noch unverbrauchten Sauerstoff des Abgases reagiert und eine Temperaturerhöhung des Abgases bis auf ca. 600 °C nach sich zieht.
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Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass im Ventilhalter 18 der Kühlwasserkreislauf 36 einerseits und die Druckluftkomponenten, so zum Beispiel die Luftzufuhrkammer 28, der Luftspalt 30 und dessen Mündung 32 voneinander getrennte Kreisläufe darstellen. Der aus der Luftspaltmündung 32 beispielsweise austretende Druckluftstrom liegt permanent an und wirkt insbesondere bei Kraftstoffdosierphasen unterstützend.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ermöglicht insgesamt gesehen eine feinere Zerstäubung des aus dem Einspritzventil 10 austretenden Kraftstoffs. Daher kann der Kraftstoff schneller verdampfen. Dies wiederum ermöglicht eine Verkürzung der Abgaswege ausgehend von den Auslassventilen der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise von Aufladeeinrichtung der Verbrennungskraftmaschine zu dem Diesel-Oxidations-Katalysator/Partikelfilter. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann durch feinere Zerstäubung des Kraftstoffes der Kraftstoff schneller in Wärme umgesetzt werden, das Leitungssystem kann kürzer ausgelegt werden. Zudem wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine Wandbenetzung durch nicht verdampften Kraftstoff vermieden. Der Kraftstoff wird vielmehr zu fast 100 Prozent in Wärme umgesetzt. Bei einer Wandbenetzung käme es im Abgastrakt zu einer Pfützenbildung, d.h. zu einer Ansammlung unverdampften flüssigen Kraftstoffs vor dem Dieseloxidationskatalysator, was zwangsläufig zu dessen Beschädigung führen würde. Des Weiteren kann durch eine Vermeidung von Wandbenetzung eine unmittelbare Verfügbarkeit von Kohlenwasserstoffen zur Erhöhung der Abgastemperatur ermöglicht werden.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung der Erzeugung einer feineren Zerstäubung eines Kraftstoffnebels ist eine Einspritzung kleinerer Mengen von Kraftstoff im Vergleich zu bisherigen Lösungen möglich, sodass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zur Nachbehandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen auch bei kleiner dimensionierten Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden kann. Des Weiteren können Einspritzventile 10 eingesetzt werden, die sich in der Serienfertigung bereits bewährt haben und so ohne weitere Modifikationen eingesetzt werden können. Die Druckluftzufuhr erfolgt allein durch eine Modifikation des Ventilhalters 18 beziehungsweise die Modifikation des Kühlwasserkreislaufes 36 und des Kühlelementes 38 zur Darstellung getrennter Wasser- und Luftströmungspfade.
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In der Darstellung gemäß 2 erfolgt eine Umlenkung der Strömung 48 durch die in dieser Ausführungsvariante gebogene Kante 44 der Dichteinheit 22. Alternativ zur Kante 44 der Dichteinheit 22 könnten kleine Bohrungen beziehungsweise Schlitze in der Dichteinheit 22 vorgesehen sein, um denselben Umlenkungseffekt zu bewirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057425 A1 [0001]
- DE 102009002484 A1 [0002]
