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Die Erfindung betrifft ein Heizsystem für ein Dosierventil, insbesondere zum Dosieren eines Fluids in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, sowie ein Dosierventil mit einem solchen Heizsystem.
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Stand der Technik
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Zur Reduzierung der Stickoxidbelastung in Abgasen von Dieselmotoren ist es bekannt, eine definierte Menge eines Fluids, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue“), in den Abgasstrang einzuspritzen, um die geforderten Abgasgrenzwerte einzuhalten. Üblicherweise wird dazu das einzuspritzende Fluid aus einem Tank über ein Dosierventil in den Abgasstrang eingespritzt. Bei Außerbetriebnahme des Verbrennungsmotors bleibt Fluid in dem Dosierventil zurück, wodurch es bei niedriger Umgebungstemperatur zum Gefrieren des Fluids in dem Dosierventil kommen kann. Beispielsweise liegt die Gefriertemperatur von üblicherweise verwendeten Harnstofflösungen bei –11°C und ist auch durch die Zugabe von Additiven nur begrenzt absenkbar.
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Wenn das Fluid beim Gefrieren sein Volumen ausdehnt, wie es bei wässriger Harnstofflösung der Fall ist, kann es zu irreversibler Schädigung bis hin zur Zerstörung des Dosierventils kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschädigung des Dosierventils durch Einfrieren von Fluid in dem Dosierventil zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Heizsystem für ein Dosierventil, insbesondere zum Dosieren eines Fluids in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein erfindungsgemäßes Heizsystem für ein Dosierventil umfasst mindestens ein Heizelement, das mit einer Quelle für elektrische Energie verbunden oder verbindbar ist. Das Dosierventil umfasst einen Ventilgehäuseschaft, der betriebsgemäß an seinem einen Ende mit dem Abgasstrang verbunden ist, und einen innerhalb des Ventilgehäuseschafts ausgebildeten Dosierraum, in dem sich betriebsgemäß Fluid befindet. Das erfindungsgemäße Heizelement ist dazu ausgebildet, in dem Dosierraum befindliches Fluid, wenigstens nach Außerbetriebnahme des Verbrennungsmotors, zu erwärmen.
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Im Betrieb des Dosierventils füllt sich der Dosierraum nach dem Einspritzvorgang mit Fluid. Auch nach Außerbetriebnahme des Verbrennungsmotors bleibt der Dosierraum in der Regel ganz oder teilweise mit Fluid gefüllt zurück.
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Gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis der Erfinder umfasst der Bereich, in dem es zu Zerstörungen des Ventils durch Eisdruck kommen kann, den Dosierraum, insbesondere in einem vom vorderen Bereich des Ventilgehäuseschafts umgebenen Bereich.
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Durch ein Heizsystem mit einem Heizelement, das dazu ausgebildet ist, in dem Dosierraum befindliches Fluid, wenigstens nach Außerbetriebnahme des Verbrennungsmotors, zu heizen, wird ein Einfrieren des Fluids in dem Dosierraum zuverlässig verhindert. Bei Außerbetriebnahme des Motors befindet sich das Dosierventil in der Sperrposition, wobei der Dosierraum mit Fluid gefüllt ist oder sich wieder mit Fluid füllt. Eine Beschädigung des Dosierventils, insbesondere des Dosierraums, durch Ausdehnen des sich darin befindlichen Fluids beim Einfrieren wird durch ein solches Heizelement zuverlässig vermieden. Dies gilt besonders in dem Fall, in dem das Fluid eine wässrige Harnstofflösung ist.
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Bei dem beschriebenen Heizsystem kann es sich beispielsweise um ein autarkes Heizsystem handeln, das unabhängig von dem Verbrennungsmotor betrieben werden kann und somit auch nach Außerbetriebnahme des Verbrennungsmotors zum Heizen des Fluids in dem Dosierraum zur Verfügung steht. Das Heizsystem kann über das elektrische Bordsystem des Fahrzeugs versorgt werden, günstigerweise so, dass nach Außerbetriebnahme des Fahrzeugs die Energieentnahme zum Heizen unabhängig vom Bordnetz erfolgt.
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Das Heizsystem gibt beispielsweise gerade so viel Wärme an das Fluid in dem Dosierraum ab, dass die Fluidtemperatur über dessen Gefrierpunkt gehalten wird. Als Fluid bei Dosierventilen zum Dosieren eines Fluids in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors kann beispielsweise wässrige Harnstofflösung („AdBlue“) verwendet werden, die bei einer Temperatur von –11°C gefriert.
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Zum Dosieren von Fluid in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors können beispielsweise Dosierventile benutzt werden, die eine bewegliche Ventilnadel aufweisen. Ein beispielhaftes Dosierventil umfasst ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse mit einer in Ventillängsrichtung bewegbaren Ventilnadel, die an ihrem einen Ende einen, meist kugelförmigen, Sperrkörper aufweist und an ihrem anderen Ende gegen eine Druckfeder abgestützt ist. Der Sperrkörper verschließt in einer Sperrposition eine Dosieröffnung am Ventilende. Über die Dosieröffnung gelangt Fluid bei geöffneter Ventilnadel aus dem Dosierraum in den Abgasstrang. Um die Dosieröffnung zu öffnen, wird die Ventilnadel in Ventillängsrichtung weg von der Dosieröffnung bewegt und der Sperrkörper gibt die Dosieröffnung frei. Die Bewegung der Ventilnadel ist dabei beispielsweise über einen Elektromagneten mit Spule und Eisenkern realisierbar, wobei die stromdurchflossene Spule ein Magnetfeld ausbildet, und die Ventilnadel durch die Magnetfeldkraft bewegt wird.
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In einer ersten Ausführungsform ist das Heizsystem derart ausgelegt, dass im Dosierraum befindliches Fluid auf eine Temperatur oberhalb seiner Gefriertemperatur erwärmt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass es nicht zu einem Einfrieren des Fluids innerhalb des Dosierraums kommen kann. Beispielsweise wird das Fluid dabei gerade soweit erwärmt, dass seine Temperatur gerade oberhalb der Gefriertemperatur liegt. Sobald die Fluidtemperatur die Gefriertemperatur überschritten hat, kann das Heizsystem ausgeschaltet werden und so energetisch günstig arbeiten. Dies kann beispielsweise durch eine einfache Regelung mit Hilfe eines Temperatursensors in dem Dosierraum realisiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Heizelement in der Nähe eines abgasstrangseitigen Endbereichs des Ventilgehäuseschafts anbringbar.
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In dem abgasstrangseitigen Endbereich des Ventilgehäuseschafts ist der Dosierraum, indem sich Fluid befindet, angeordnet, wie Gefrierversuche gezeigt haben, kann es gerade in diesem Bereich zu Schäden durch Eisdruck kommen. Ein Heizelement in der Nähe dieses Bereichs ermöglicht eine gezielte Wärmeeinleitung in den Dosierraum mit dem Fluid.
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Das Heizelement kann ferner auch nur an einem Teil des abgasstrangseitigen Endbereichs des Ventilgehäuseschafts oder an einem den Sperrkörper umgebenden Bereich angebracht sein. Dadurch wird zumindest sichergestellt, dass das den Sperrkörper umgebende Fluid geheizt wird und ein Festfrieren des Sperrkörpers auf dem Ventilsitz zuverlässig verhindert wird. Somit wird zumindest eine Bewegbarkeit der Ventilnadel und somit die Funktionsfähigkeit des Ventils sichergestellt.
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Bei dem Heizelement kann es sich beispielsweise um ein Metallplättchen handeln, das mit Strom durchflossen wird. Das Metallplättchen kann beispielsweise aus einem bedingt leitenden Metall bestehen und über den elektrischen Widerstand Energie in Form von Wärme erzeugen. Weitere Ausgestaltungen des Heizelements, wie beispielsweise eine Heizwendel, sind ebenfalls denkbar.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das mindestens eine Heizelement eine den Ventilgehäuseschaft umschließende, zylinderförmige Hülse.
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Eine solche Hülse sorgt für eine gleichmäßige Erwärmung des Fluids in dem Dosierraum, da der Ventilgehäuseschaft von dem als Hülse ausgebildeten Heizelement umschlossen ist.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Quelle für elektrische Energie eine Batterie, insbesondere eine aufladbare Batterie. Eine Batterie stellt eine von dem Verbrennungsmotor unabhängige elektrische Energiequelle dar, wodurch sichergestellt wird, dass bei Außerbetriebnahme des Verbrennungsmotors das Fluid in dem Dosiervolumen beheizbar ist. Die Speicherkapazität der Batterie kann dabei dem Zeitraum, in dem der Verbrennungsmotor erfahrungsgemäß üblicherweise außer Betrieb ist, angepasst werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die aufladbare Batterie durch eine Quelle elektrischer Energie aufladbar, die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie mit Hilfe eines thermoelektrischen Effekts aus einer Temperaturdifferenz zwischen einem abgasstrangseitigen Kontakt und einem dosierventilseitigen Kontakt eines mit der Batterie verbundenen Stromkreises zu erzeugen. Dabei wird die hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Abgasstrang und beispielsweise einem Kühlkörper, in dem sich die Batterie befindet, ausgenutzt. Zum Aufladen der Batterie kann ein Stromkreis mit zwei verschiedenen Leitern mit der Batterie verbunden sein, wobei die Leiter jeweils eine Kontaktstelle aufweisen, die eine hohe Temperaturdifferenz zueinander besitzen. Dazu kann eine Kontaktstelle in dem Abgasstrang oder in der Nähe des Abgasstrangs und die andere Kontaktstelle in einem Kühlkörper um das Dosierventil angeordnet sein. Im Betrieb des Verbrennungsmotors erreicht der Abgasstrahl eine Temperatur von bis zu 800°C, und der Kühlkörper kühlt das sich teilweise darin befindende Dosierventil auf eine Temperatur von etwa 120° C ab. Durch die hohe Temperaturdifferenz im Betrieb des Verbrennungsmotors wird die Batterie aufgeladen.
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Außerdem kann die aufladbare Batterie durch ein elektrisches Bordsystem eines Kraftfahrzeugs aufladbar sein, wodurch ein Aufladen der Batterie während des Betriebs des Verbrennungsmotors ermöglicht wird. Nach Außerbetriebnahme des Verbrennungsmotors versorgt die aufgeladene Batterie das Heizsystem unabhängig vom Bordnetz. Ein Nachladen der Batterie kann ggf. für den Fall vorgesehen sein, dass die Batterie einen bestimmten Ladezustand unterschreitet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Quelle für elektrische Energie und dem Heizelement ein temperaturabhängiger Schalter angeordnet.
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Ein solcher temperaturabhängiger Schalter ermöglicht es, ab einer bestimmten, voreingestellten Temperatur, einen elektrischen Kontakt zwischen der Quelle für elektrische Energie und dem Heizelement herzustellen. Dadurch wird eine unnötige Beheizung des Fluids, während des Betriebs des Verbrennungsmotors und/oder, wenn durch die Umgebungstemperatur keine Gefahr des Einfrierens besteht, vermieden. Des Weiteren ermöglicht ein solcher temperaturabhängiger Schalter ein vollständiges Aufladen der Batterie im Betrieb des Verbrennungsmotors.
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Der temperaturabhängige Schalter umfasst in einer weiteren Ausführungsform einen Bimetallschalter. Ein solcher Bimetallschalter realisiert das Herstellen eines elektrischen Kontakts zwischen der Quelle für elektrische Energie und dem Heizelement ab einer bestimmten Temperatur durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zweier verbundener Metalle. Beispielsweise kann durch einen solchen Schalter ab einer bestimmten Temperatur von beispielsweise –10°C der Schalter geschlossen werden. Überschreitet die Umgebungstemperatur den eingestellten Temperaturwert, wird der Schalter wieder geöffnet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der temperaturabhängige Schalter derart ausgebildet, dass er, nach Außerbetriebnahme des Verbrennungsmotors, bei einer Temperatur von etwa –15°C bis –5°C eine elektrische Verbindung zwischen der Energiequelle und dem Heizelement herstellt. Dadurch wird beispielsweise das Gefrieren einer wässrigen Harnstofflösung bei –11°C zuverlässig vermieden.
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Es ist außerdem denkbar, eine elektrische Leitung zwischen der Batterie und dem Bordsystem des Fahrzeuges mit einem solchen temperaturabhängigen Schalter zu versehen, um ein Laden der Batterie im Betrieb des Verbrennungsmotors abhängig von der Außentemperatur zu gestalten. Die Batterie wird dann beispielsweise nur dann geladen, wenn die Außentemperatur einen bestimmten Wert unterschreitet und eine Gefahr des Einfrierens des Fluids besteht.
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Des Weiteren ist es möglich, das Heizsystem gegen Funkenbildung zwischen den Elementen des Heizsystems und dem Dosierventil oder der Fahrzeugkarosserie zu isolieren, um das Heizsystem auch in einer Situation, in der Explosionsgefahr herrscht, wie beispielsweise beim Betanken des Fahrzeuges, betreiben zu können. Eine solche Isolierung kann beispielsweise aus einer Beschichtung des Heizelements und der Leitung oder aus einer Kapselung des gesamten Heizsystems gegen die Fahrzeugkarosserie bestehen. Ein Einfrieren des Fluids in dem Dosierventil wird somit auch dann zuverlässig verhindert, wenn das Fahrzeugbordsystem, beispielsweise wegen Explosionsgefahr, abgeschaltet werden muss.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Dosierventil, insbesondere zum Dosieren eines Fluids in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, das ein Heizsystem wie vorangehend beschrieben aufweist.
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Ein solches Dosierventil verwirklicht die oben beschriebenen Vorteile des Heizsystems, und sämtliche mit Bezug auf das Heizsystem beschriebenen Ausführungsformen und damit verbundenen Vorteile treffen auch für das Dosierventil zu.
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Der Ventilgehäuseschaft ist in einer ersten Ausführungsform innerhalb eines Kühlkörpers angeordnet, wobei der Kühlkörper derart ausgebildet ist, dass die Quelle für elektrische Energie innerhalb des Kühlkörpers angeordnet werden kann.
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Zum Dosieren eines Fluids in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors wird das Dosierventil zumindest in der Nähe des Abgasstrangs angeordnet. Durch die in dem Abgasstrang herrschenden hohen Temperaturen wird das Dosierventil aufgeheizt, wobei es ab einer Temperatur von etwa 120°C zu irreversiblen Temperaturschäden an dem Dosierventil kommen kann.
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Durch die Anordnung des Ventilgehäuseschafts innerhalb eines Kühlkörpers wird, im Betrieb des Verbrennungsmotors, eine ständige Kühlung des Dosierventils sichergestellt. Die Anordnung der Quelle für elektrische Energie innerhalb des Kühlkörpers stellt eine kompakte Ausgestaltung des Heizsystems dar, wobei die Komponenten des autarken Heizsystems in der Nähe des Dosierventils angeordnet sind.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Dabei dienen die Angaben wie oben und unten bzw. links und rechts der besseren Erläuterung der in den Figuren gezeigten schematischen Darstellungen oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, ohne die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsbeispiele oder eine bestimmte Einbauposition zu beschränken.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Dosierventils mit einem Heizsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung;
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2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Dosierventils nach 1 mit einem Heizsystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Dosierventils nach 1 mit einem Heizsystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung.
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In 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Dosierventils 2 mit einem Heizsystem 25 dargestellt. Bei dem Dosierventil 2 mit Heizsystem 25 handelt es sich exemplarisch um ein Magnetstellventil.
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Die generelle Strömungsrichtung eines durch das Dosierventil 2 strömenden Fluids verläuft in 1 im Betrieb, wenn Fluid in den Abgasstrang eingespeist wird, durch das Dosierventil 2 von oben nach unten.
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Am oberen Ende des Dosierventils 2 ist ein Flansch 14 angeordnet, über welchen das Dosierventil 2 an eine nicht dargestellte Zuleitung für einzuspritzendes Fluid, beispielsweise aus einem Fluidtank, anschließbar ist.
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An den Flansch 14 schließt sich in Strömungsrichtung ein zylinderförmiges Filterelement 22 an, das beispielsweise aus Keramik oder Metall ausgebildet sein kann. Durch das Filterelement wird in das Dosierventil 2 strömendes Fluid gefiltert und somit das Eindringen von Schmutz und Fremdkörpern, durch welche das Dosierventil 2 verstopft oder dessen Funktion beeinträchtigt werden könnte, verhindert.
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Das Filterelement 22 ist von einer Hülse 19 umgeben, die sowohl das Filterelement 22 als auch einen unteren Bereich des darüber angeordneten Flansches 14 umschließt. Am oberen Ende der Hülse 4 befindet sich auf Höhe des Flansches 14 ein ringförmiges Dichtelement 16 zum fluiddichten Abschließen des Zulaufbereichs des Dosierventils 2 mit einer hier nicht dargestellten Zuleitung.
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Das Dosierventil 2 weist des Weiteren ein Zulaufgehäuse 18 auf, das die Hülse des Filterelements 22 umschließt und an seinem oberen Ende an das Dichtelement 16 anschließt. An seinem unteren Ende steht das Zulaufgehäuse 18 mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse 24 im Eingriff. Die Verbindung des Zulaufgehäuses 18 mit dem Gehäuse 24 kann beispielsweise über eine Schraub- oder Pressverbindung ausgebildet sein.
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In dem in 1 oben links dargestellten Bereich des Zulaufgehäuses 18 ist ein Stecker 28 angeordnet, der einen elektrischen Kontakt 30 aufweist. Über den Stecker 28 ist das Dosierventil 2 mit einer hier nicht dargestellten externen Stromquelle verbindbar.
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Innerhalb des Zulaufgehäuses 18 schließt sich in Strömungsrichtung an das Filterelement 22 eine zylinderförmige Abstützhülse 20 an, deren Durchmesser etwas geringer als der des Filterelements 22 ist. An dem von dem Filterelement 22 abgewandten Ende der Abstützhülse 20 stützt sich eine Druckfeder 34 ab, deren Durchmesser dem Durchmesser der Abstützhülse 20 entspricht. Die in 1 dargestellte Druckfeder 34 übt eine Vorspannkraft, in Strömungsrichtung von oben nach unten, auf eine sich in Strömungsrichtung an die Druckfeder 34 anschließende Ventilnadel 36 aus. Die Ventilnadel 36 wird so gegen eine Bewegung entgegen der Strömungsrichtung fixiert und der Sperrkörper 38 wird in den Ventilsitz 40 gedrückt.
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Der untere Teil der Abstützhülse 20, die Druckfeder 34 und der obere Bereich der Ventilnadel 36 sind von einer zylinderförmigen Führungshülse 23 umschlossen, die mit ihrem oberen Ende an der unteren Innenseite des Zulaufgehäuses 18 und mit dem unteren Ende an der Innenseite des Gehäuses 24 anschließt. In radialer Richtung um den mittleren Bereich der Führungshülse befindet sich des Weiteren eine Spule 32, die um einen Eisenkern 26 angeordnet ist. Die Spule 32 ist über eine in 1 nicht dargestellte Leitung mit dem elektrischen Kontakt 30 des Steckers 28 verbunden und über diesen bestrombar.
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Der untere, die Ventilnadel 36 umschließende Bereich des Gehäuses 24 bildet einen hier dünnwandiger dargestellten Ventilgehäuseschaft 46 aus, an dessen unterer Stirnseite eine Dosieröffnung 42 angeordnet ist. Die von dem Ventilgehäuseschaft 46 umschlossene Ventilnadel 36 weist an ihrem unteren Ende einen kugelförmigen Sperrkörper 38 auf, der die am stirnseitigen Einspritzende des Ventilgehäuseschafts ausgebildete Dosieröffnung 42 verschließt. Zwischen der Ventilnadel 36 und dem Ventilgehäuseschaft 46 ist ein Dosierraum 44 ausgebildet. In der in 1 gezeigten Sperrposition des Dosierventils 2, in welcher die Dosieröffnung 42 von dem Sperrkörper 38 verschlossen ist, befindet sich der Sperrkörper 38 in vorgespannter Anlage mit einem am unteren Ende des Ventilgehäuseschafts 46 angeordneten Ventilsitz 40. Die hierfür erforderliche Vorspannkraft wird durch die Druckfeder 34 ausgeübt.
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1 zeigt des Weiteren eine um den Ventilgehäuseschaft 46 ist angeordnete Hülse 4, die sich mit ihrem oberen, von der Dosieröffnung 42 abgewandten Ende, an einem Vorsprung des Gehäuses 24 abstützt. Die Hülse 4 erstreckt sich über den gesamten Bereich des Ventilgehäuseschafts 46 und kann auf diesem beispielsweise angeschweißt, angeschraubt oder über ein Gewinde auf dem Ventilgehäuseschaft 46 aufgebracht sein. Bei der Hülse 4 kann es sich beispielsweise um eine Hülse aus einem elektrisch bedingt leitenden Material, beispielsweise einem metallischen Material, handeln. Die Hülse 4 soll in thermischem Kontakt mit dem Ventilgehäuseschaft 46 stehen.
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In 1 ist ferner ein Teil eines Kühlkörpers 10 gezeigt, der die Hülse 4 umschließt und mit dem Gehäuse 24 des Dosierventils 2 verbunden ist. Innerhalb des Kühlkörpers 10 befindet sich eine Aussparung 12, in der eine Batterie 6 angeordnet ist. Die Batterie 6 ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit der Hülse 4 über eine elektrische Leitung 8 verbunden.
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Das in 1 dargestellte Dosierventil 2 kann beispielsweise zum Dosieren eines Fluids in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors verwendet werden. Dabei wird zumindest der Ventilgehäuseschaft 46 über den Kühlkörper 10 mit einem in 1 nicht dargestellten Abgasstrang verbunden. Durch den Kühlkörper 10 wird das Ventil gegen die in dem Abgasstrang herrschenden sehr hohen Temperaturen, z.B. auf eine Temperatur geringer als 120°, gekühlt. Bei dem Kühlkörper 10 kann es sich beispielsweise um einen wassergekühlten Aluminiumkörper handeln, der über einen in 1 nicht dargestellten Kühlkreislauf gekühlt wird.
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Im Betrieb des Dosierventils 2 wird Fluid aus beispielsweise einem externen Tank über eine hier nicht dargestellte Zuleitung, die sich an den Flansch 14 anschließt, in den Zulaufbereich des Dosierventils 2 eingeleitet. Das Fluid strömt über das Filterelement 22 in den Dosierraum 44. In dem in 1 dargestellten Sperrzustand des Ventils 2 wird die Dosieröffnung 42 durch den kugelförmigen Sperrkörper 38 der Ventilnadel 36 verschlossen.
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Ein in dem Dosierventil 2 beispielhaft verwendetes Fluid kann eine wässrige Harnstofflösung („AdBlue“) umfassen, die eine Gefriertemperatur von etwa –11 °C aufweist.
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Bei einem Dosiervorgang wird die Spule 32 von dem elektrischen Kontakt 30 des Steckers 28 mit Strom versorgt und bildet ringförmig um die Spule 32 und den Eisenkern 26 herum ein magnetisches Feld aus. Durch das magnetische Feld wird die Ventilnadel 36 entgegen der Strömungsrichtung und der Kraft der Druckfeder 34 in Ventillängsrichtung nach oben bewegt, wodurch sich der Sperrkörper 38 am unteren Ende der Ventilnadel 36 von einer Sperrposition innerhalb des Ventilsitzes 40 in eine geöffnete Position bewegt, in der sich der Sperrkörper 38 außerhalb des Ventilsitzes 40 befindet und die Einspritzöffnung 42 freigibt. Wird die Stromzufuhr von dem elektrischen Kontakt 30 zur Spule 32 unterbrochen, drückt die Federkraft der Druckfeder 34 die Ventilnadel 36 in Ventillängsrichtung nach unten, so dass der Sperrkörper 38 in die Sperrposition zurückkehrt und die Dosieröffnung 42 versperrt.
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In der Sperrposition der Ventilnadel 36 befüllt sich der Dosierraum 44, der zwischen der Ventilnadel 36 und dem die Ventilnadel 36 umgebenden Ventilgehäuseschaft 46 ausgebildet ist, mit Fluid. Bei abgeschaltetem Motor und geringen Umgebungstemperaturen kann es daher zum Einfrieren des Fluids in dem Dosierraum 44 kommen, wodurch sich das Fluid ausdehnt und das Dosierventil beschädigen oder zerstören kann.
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Die in 1 dargestellte Hülse 4 stellt ein elektrisches Heizelement dar, das über die Batterie 6 bestrombar ist. Nach Außerbetriebnahme des Verbrennungsmotors ist das Heizelement 4 über die Batterie 6 unabhängig von dem Verbrennungsmotor betreibbar. Die Batterie 6 ist in 1 exemplarisch innerhalb einer Aussparung 12 des Kühlkörpers 10 angeordnet. Es ist auch denkbar, die Batterie 6 außerhalb des Kühlkörpers 10, innerhalb des Kraftfahrzeugs anzuordnen.
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Die stromdurchflossene Hülse 4 gibt, insbesondere bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor, Wärme an den Ventilgehäuseschaft 46 und somit in den Dosierraum 44 ab. Dadurch wird sich innerhalb des Dosierraums 44 befindendes Fluid von der Hülse 4 erwärmt.
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Durch das beispielhafte Heizsystem 25 in 1 bestehend aus der Batterie 6, der elektrischen Leitung 8 und der Hülse 4, ist es möglich, das sich innerhalb des Dosierraums 44 befindende Fluid, beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung, gerade soweit zu erwärmen, dass die Temperatur des Fluids über der Gefriertemperatur des jeweiligen Fluids, beispielsweise –11 °C, liegt.
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Es ist ebenfalls denkbar, die Hülse 4 nur um einen Bereich des Ventilgehäuseschafts 46 anzuordnen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um den unteren, dosieröffnungsseitigen Bereich des Ventilgehäuseschafts 46. In diesem Bereich treten, wie aus Gefrierversuchen ermittelt wurde, häufig irreversible Schäden durch Eisdruck in dem Dosierventil 2 auf.
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Bei der Batterie 6 handelt es sich vorzugsweise um eine wiederaufladbare Batterie, die beispielsweise bei eingeschaltetem Verbrennungsmotor durch ein in 1 nicht gezeigtes Bordsystem des Kraftfahrzeugs, über den Stecker 28 durch das Stromversorgungssystems des Dosierventils oder durch eine externe Stromquelle aufgeladen werden kann. Es ist außerdem möglich, die hohe Temperaturdifferenz zwischen Abgasstrang und Kühlkörper, in dem sich die Batterie befindet, auszunutzen, und die Batterie mit Hilfe des thermoelektrischen Effekts aufzuladen. Dabei wird ein Stromkreis mit zwei verschiedenen Leitern mit der Batterie verbunden, wobei die Leiter jeweils eine Kontaktstelle aufweisen, die eine hohe Temperaturdifferenz zu einander besitzen. Dazu kann eine Kontaktstelle in oder in der Nähe des Abgasstrangs und die andere Kontaktstelle in dem Kühlkörper angeordnet sein.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung eines unteren Bereichs eines Dosierventils gemäß 1 mit einem Heizsystem 48. Der Einfachheit halber ist in 2 lediglich der untere Bereich des Dosierventils umfassend den Ventilgehäuseschaft 46 mit der sich darin befindenden Ventilnadel 36 dargestellt. Der Kühlkörper 10 ist in 2 ebenfalls nicht dargestellt.
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Das in 2 gezeigte Heizsystem 48 umfasst eine wendelförmig um den Ventilgehäuseschaft 46 angebrachte Heizwendel 50, eine elektrische Leitung 8 und eine Batterie 6. Die schematisch dargestellte Heizwendel 50 weist exemplarisch zehn Windungen auf, die wendelförmig um den Ventilgehäuseschaft 46 verlaufen. Beispielsweise besteht die Heizwendel 50 aus einem bedingt leitenden Material, wie z.B. Wolfram, und ist über die Leitung 8 mit der Batterie 6 verbunden.
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Bei der in 2 dargestellten Heizwendel 50 handelt es sich lediglich um eine beispielhafte Heizwendel, wobei die Anzahl der Windungen variieren kann und es des Weiteren denkbar ist, die Heizwendel nur um einen Teilbereich des Ventilgehäuseschafts 46 anzuordnen. Die Heizwendel 50 kann an ihren Enden an den Ventilgehäuseschaft 46 aufgeschweißt oder über eine lösbare Verbindung mit dem Ventilgehäuseschaft 46 verbunden sein. Auch hier ist lediglich ein guter Wärmekontakt zwischen Heizwendel 50 und Ventilgehäuseschaft 46 zu beachten.
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Im Betrieb des Heizsystems 48 fließt über die Batterie 6 und die Leitung 8 Strom durch die Heizwendel 50, wobei die elektrische Energie in Form von Wärme an den Ventilgehäuseschaft 46 und somit, durch die gute Wärmeleitung des Ventilgehäuseschafts 46, an ein sich in dem Dosierraum 44 befindendes Fluid abgegeben wird.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines unteren Bereichs eines Dosierventils gemäß 1 mit einem Heizsystem 52. Der in 3 dargestellte Bereich des Dosierventils entspricht dem in 2 dargestellten Dosierventilbereich.
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Das Heizsystem 52 in 3 besteht aus einem Heizelement 56, einer Leitung 8 und einem Temperaturschalter 54. Die Leitung 8 ist mit einer in 3 nicht dargestellten Quelle für elektrische Energie verbunden.
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Das in 3 dargestellte Heizelement 56 ist um einen unteren Teilbereich des Ventilgehäuseschafts 46 angeordnet. Exemplarisch ist das Heizelement 56 lediglich um ein in 3 rechts unten auf dem Ventilgehäuseschaft dargestellten Bereich angeordnet, der in der Nähe des hier nicht eingezeichneten Abgasstrangs liegt und den Sperrkörper 38 teilweise umgibt.
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Das Heizelement 56 kann beispielsweise aus einem metallischen Material bestehen oder eine Heizmatte umfassen, in der beispielsweise wendelförmig ein Draht verläuft.
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In 3 ist das Heizelement 56 exemplarisch an einem Bereich des Ventilgehäuseschafts 46 angeordnet, an welchem ein Gefrieren des sich in dem Dosierraum 44 befindenden Fluids vermutet wird. Es handelt sich dabei lediglich um eine exemplarische Anordnung des Heizelements 56. Es ist ebenfalls denkbar, das Heizelement 56 an einem anderen Bereich des Ventilgehäuseschafts 46 anzubringen. Das Heizelement 56 Heizelement kann auf dem Ventilgehäuseschaft durch eine Kleb- oder Schweißverbindung angebracht sein.
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In 3 ist des Weiteren ein Temperaturschalter 54 dargestellt. Ein solcher Temperaturschalter schließt bei Unterschreiten einer bestimmten Umgebungstemperatur und sorgt somit für einen Stromfluss von der in 3 nicht dargestellten Quelle für elektrische Energie zu dem Heizelement 56. Bei dem Temperaturschalter 54 kann es sich beispielsweise um einen Bimetallschalter handeln, wobei aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zweier verbundener Metalle der Schalter 54 temperaturabhängig geschlossen und geöffnet werden kann. Weitere Bauformen von Temperaturschaltern, wie beispielsweise flüssigkeitsgefüllte Temperaturschalter, sind ebenfalls denkbar. Der Temperaturschalter 54 verbindet das Heizelement 56 beispielsweise mit der Quelle für elektrische Energie, wenn die Temperatur unter einen vorbestimmten Wert, beispielsweise –5 bis –11°C, fällt und löst die Verbindung bei einer Temperatur höher als der voreingestellte Wert wieder.
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Es ist ebenfalls denkbar, die in 1 und 2 gezeigten Leitungen 8 zwischen der Batterie 6 und dem Heizelement 4, 50 mit einem solchen Temperaturschalter 54 auszustatten.
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Durch die in den vorangehenden 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen eines Dosierventils mit einem Heizsystem ist es möglich, ein Fluid in dem Dosierraum 44 nach Außerbetriebnahme des Verbrennungsmotors zu heizen und ein Einfrieren des Fluids, was zur Beschädigung des Dosierventils führen kann, zuverlässig zu verhindern. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich jeweils um ein autarkes Heizsystem für ein Dosierventil 2, wobei das Heizsystem unabhängig von dem Betrieb des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs betreibbar ist.
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Bei dem dargestellten Dosierventil 2 handelt es sich lediglich um ein beispielhaftes Magnetstellventil, wobei jegliche Bauarten von Dosierventilen 2, wie beispielsweise Servoventile, denkbar sind.
