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Die Erfindung betrifft eine außenmischende Reduktionsmitteleinspritzdüse zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine zur selektiven katalytischen Reduktion, wobei eine Aerosolbildung mittels Druckluft oder Treibgas außerhalb der Düse erfolgt, indem bei einem Paar von zwei Austrittsöffnungen das aus einer ersten Düsenöffnung austretende Reduktionsmittel mittels der/des aus einer zweiten Düsenöffnung austretenden Druckluft oder Treibgases zerstäubt wird.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer außenmischenden Reduktionsmitteleinspritzdüse zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine zur selektiven katalytischen Reduktion, wobei eine Aerosolbildung mittels Druckluft oder Treibgas außerhalb der Düse erfolgt, indem bei einem Paar von zwei Austrittsöffnungen das aus einer ersten Düsenöffnung austretende Reduktionsmittel mittels der/des aus einer zweiten Düsenöffnung austretenden Druckluft oder Treibgases zerstäubt wird.
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Derartige Einspritzdüsen sind bekannt und kommen zum Einsatz in Dosiersystemen zur Einspritzung eines Reduktionsmittels, wie einer Harnstofflösung, insbesondere gemäß DIN 70070, in den Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine. Dosiersysteme zur Einbringung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxyden (engl. selective catalytic reduction, SCR) werden zur Minimierung der Stickoxydemissionen von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt. Hierzu wird ein Reduktionsmittel in das Abgassystem mit einer Dosiervorrichtung eingedüst. Als Reduktionsmittel dient Ammoniak. Unter Reduktionsmittel bzw. Harnstofflösung soll in diesem Sinne sowohl Ammoniak als auch Harnstofflösung oder ein anderes reduzierend wirkendes Mittel und insbesondere eine Harnstofflösung gemäß DIN 70070 verstanden werden.
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In solchen Abgassystemen wird Reduktionsmittel wie beispielsweise Harnstofflösung mittels Druckluft in den Abgasstrom eingespritzt und zerstäubt, um ein möglichst feines und homogen verteiltes Aerosol zu bilden. Das Reduktionsmittel dient der selektiven katalytischen Reduktion (englisch: Selective Catalytic Reduction, abgekürzt SCR) in sogenannten SCR-Katalysatoren zur Reduktion der Stickoxydemissionen von Dieselmotoren.
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Eine gattungsgemäße außenmischende Einspritzdüse und ein gattungsgemäßes Herstellungsverfahren ist aus der
DE 10 2009 005 528 A1 bekannt.
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Nachteilig bei der bekannten Düse ist es, dass diese nur einen eng begrenzten Sprühwinkel aufweist. Der übliche Sprühwinkel liegt bei ca. 20°. Um das einzuspritzende Reduktionsmittel über dem gesamten Querschnitt des Abgasstranges vor dem Eintritt des stromab angeordneten SCR-Katalysators zu verteilen, ist daher ein entsprechender Mindestabstand zur Eintrittsebene des SCR-Katalysators einzuhalten. Falls dieser Mindestabstand bauraumbedingt nicht eingehalten werden kann, müssen mehrere Düsen angeordnet werden. Nachteilig ist dabei, dass eine Mehrzahl von Düsen einzubauen und anzuschließen ist, wodurch der Fertigungs- und Wartungsaufwand erhöht wird.
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Bei dem bekannten Herstellungsverfahren des Metallpulverspritzgießens mit anschließendem entbindern und sintern zur Herstellung einer solchen außenmischenden Düse hat sich gezeigt, dass die für ein optimales Spraybild benötigten feinen Strukturen der Düsenaustrittsöffnungen sich nicht in der geforderten Qualität herstellen lassen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Düse mit einem optimierten Spraybild zu schaffen, die eine feine Aerosolbildung und gleichzeitig eine weiträumige Verteilung des Reduktionsmittels über dem Querschnitt in dem Abgasstrang ermöglicht, ohne dass eine Mehrzahl von Düsen anzuordnen ist, um ferner den Montageaufwand der zu montierenden Komponenten im Abgassystem zu vermindern und somit die Herstellungskosten zu senken. Eine weitere Aufgabe liegt darin, ein Herstellungsverfahren für eine solche Düse anzugeben, welches die Fertigung feinster Konturen und exakter Düsenaustrittsöffnungen gestattet, welche die Voraussetzung für ein optimales Spraybild sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Reduktionsmitteleinspritzdüse gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Besonders vorteilhaft bei der außenmischenden Reduktionsmitteleinspritzdüse zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine zur selektiven katalytischen Reduktion, wobei eine Aerosolbildung mittels Druckluft oder Treibgas außerhalb der Düse erfolgt, indem bei einem Paar von zwei Austrittsöffnungen das aus einer ersten Düsenöffnung austretende Reduktionsmittel mittels der/des aus einer zweiten Düsenöffnung austretenden Druckluft oder Treibgases zerstäubt wird, ist es, dass die Düse einen Düsenkopf mit mehreren Paaren von ersten und zweiten Düsenöffnungen aufweist.
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Die Aerosolbildung erfolgt demnach außerhalb der Düse. Hierzu weist die Düse mehrere Paare mit einer ersten Düsenöffnung und einer zweiten Düsenöffnung auf, die derart zueinander angeordnet sind, dass ein durch die erste Düsenöffnung austretendes Reduktionsmittel mittels des durch die zweite Düsenöffnung austretenden Treibgases wie Druckluft zerstäubt wird und außerhalb des Düsenkörpers ein homogenes Aerosol gebildet wird. Das Grundprinzip ist somit eine Aerosolbildung außerhalb der Düse.
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Anstelle von Druckluft ist auch ein anderes Treibgas zur Zerstäubung der Flüssigkeit einsetzbar, sodass Druckluft hier als Synonym für jedes beliebige Treibgas gelten soll.
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Als Reduktionmittel kommt vorzugsweise eine Harnstofflösung insbesondere gemäß DIN 70070 zum Einsatz. Es kann jedoch auch jede andere Reduktionsmittellösung eingesetzt werden, die zur selektiven katalytischen Reduktion geeignet ist.
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Der Kern der Erfindung ist somit die Anordnung mehrerer Paare von Düsenöffnungen auf einem Düsenkopf, wobei dadurch, dass der Düsenkopf mehrere solcher Paare von Düsenöffnungen aufweist, eine großflächige Verteilung des Aerosol über dem Querschnitt des Abgastraktes ermöglicht wird. Dabei wird bei jedem Paar von Düsenöffnungen Reduktionsmittel durch eine erste Düsenöffnung in flüssiger Form in den Abgastrakt eingespritzt und durch eine zweite Düsenöffnung Druckluft oder ein anderes Treibgas in den Abgastrakt eingeleitet, wobei die zweite Düsenöffnung derart angeordnet ist, dass mittels der Druckluft oder mittels des Treibgases der austretende Flüssigkeitsstrahl zerstäubt wird und ein feines, gleichmäßiges Aerosol außerhalb der Düse gebildet wird.
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Durch die Anordnung mehrerer Paare von Düsenöffnungen auf dem Düsenkopf können sehr breite Sprühwinkel erzeugt werden, die eine Mehrzahl von Austrittstrahlen erzeugt. Durch die Mehrstrahldüse kann die Einspritzung und Dosierung des Reduktionsmittels in sehr kurzem Abstand vor dem Katalysator erfolgen. Mit der Mehrzahl von Austrittstrahlen wird eine gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels über der Katalysatoroberfläche erreicht. Die mit außenmischenden Düsen mögliche feine Tröpfchengröße im Bereich von 10 μm ermöglicht eine Aufbereitung des Harnstoffes, d. h. des Ammoniaks, auf dem begrenzten Bauraum.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung einer solchen Düse zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine zur selektiven katalytischen Reduktion.
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Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Düse ist die Einspritzung eines Reduktionsmittels in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine zur selektiven katalytischen Reduktion mittels einer solchen Düse bei mager laufenden Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren. Ein besonders bevorzugter Einsatz erfolgt vor allem bei kleineren Motoren, beispielsweise bei Transportern und PKW, bei denen zwischen Eindüsestelle und Katalysator nur ein sehr begrenzter Bauraum zur Verfügung steht.
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Vorzugsweise ist bei jedem Paar von Austrittsöffnungen die zweite Düsenöffnung zur Ausleitung von Druckluft oder Treibgas konzentrisch zur ersten Austrittsöffnung zur Einspritzung von Reduktionsmittel angeordnet.
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Eine besonders bevorzugte Anordnung der beiden Düsenöffnungen ergibt sich insbesondere dann, wenn die zweite Öffnung durch einen Ringspalt gebildet wird, der zur ersten Öffnung konzentrisch angeordnet ist.
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Somit ist es möglich, durch die erste Düsenöffnung bei jedem Paar von Düsenöffnungen die zu zerstäubende Flüssigkeit zu leiten und durch den diese erste Düsenöffnung konzentrisch umgebenden Ringspalt die Druckluft oder das Treibgas zu leiten, so dass bei Ausdüsen der Flüssigkeit durch die Druckluft bzw. das Treibgas die Flüssigkeit zerstäubt und somit das benötigte Aerosol gebildet wird. Hierzu werden die beiden Stoffe, Reduktionsmittellösung und Druckluft/Treibgas auf getrennten Wegen der Düse zugeführt.
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Die zweite konzentrische Düsenöffnung kann insbesondere auch durch eine Mehrzahl kleinerer Spalte, Spaltabschnitte oder Öffnungen gebildet sein, die insgesamt konzentrisch zur ersten Düsenöffnung, d. h. auf einem Kreis oder auf Kreisabschnitten liegend um die erste Düsenöffnung herum angeordnet sind und insgesamt einen Ringspalt oder eine ringspaltähnliche Öffnung ausbilden.
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Dabei kommt es lediglich darauf an, dass die zweite Düsenöffnung insgesamt konzentrisch zur ersten Düsenöffnung ist, um die aus der ersten Düsenöffnung austretende Flüssigkeit mittels Druckluft oder Treibgas aus der zweiten konzentrischen Düsenöffnung zu zerstäuben.
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Vorzugsweise sind die Paare von Düsenöffnungen auf einer Kreislinie auf dem Düsenkopf angeordnet.
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Hierdurch wird ein insgesamt in etwa kegelförmiger Gesamtaustrittsstrahl mit einem großen Austrittswinkel des Aerosols ausgebildet.
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Alternativ können die Paare von Düsenöffnungen auch auf einer von einer Kreislinie abweichenden Linie auf dem Düsenkopf angeordnet sein. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, um den Gesamtaustrittsstahl der Geometrie und/oder den Strömungsverhältnissen des Abgases im Abgastrakt anzupassen, insbesondere wenn der Querschnitt des Abgastraktes von einer Kreisform abweicht, wie es aufgrund des im Automobilbaus stets sehr begrenzten vorhandenen Bauraumes notwendig werden kann.
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Besonders bevorzugt weisen die Paare von Düsenöffnungen voneinander abweichende Austrittsrichtungen und/oder voneinander abweichende Austrittswinkel auf.
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Insbesondere kann die Anordnung der Paare von Düsenöffnungen und/oder der Düsenkopf kegelförmig oder ballig ausgeführt sein, sodass mehrere auf seiner Oberfläche angeordnete Paare von Düsenöffnungen keine parallelen Austrittsstahlen erzeugen, sondern divergieren und somit einen sich öffnenden Austrittskegel bilden, um hierdurch einen noch größeren Gesamtaustrittswinkel und eine feinere Verteilung des Aerosol zu erzeugen.
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Die Austrittsstrahlen einzelner oder aller Paare von Düsenöffnungen können somit von der Düsenmittellinie abweichen, d. h. einen Winkel zu der Mittellinie der Düse aufweisen.
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Alternativ oder kumulativ können auch die Durchmesser der ersten Düsenöffnungen und/oder der zweiten Düsenöffnungen und/oder die geometrischen Verhältnisse von zweiten Düsenöffnungen zu ersten Düsenöffnungen variieren, um hierdurch unterschiedliche Mengendurchsätze und/oder Austrittswinkel der einzelnen Düsenöffnungspaare zu erzeugen, um das gewünschte Gesamtspraybild zu erzeugen. Hierdurch sind Anpassungen der Reduktionsmitteldüse an bestimmte Geometrien und/oder Strömungsverhältnisse im Abgastrakt möglich.
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Vorzugsweise weist der Düsenkopf 3, 4 oder 5 Paare von Düsenöffnungen auf. In einer fertigungstechnisch besonders bevorzugten Ausführungsform sind diese Paare von Düsenöffnungen alle auf einer Kreislinie auf dem Düsenkopf angeordnet. Hierdurch ergibt sich einerseits ein sehr großer Gesamtöffnungswinkel des einzuspritzenden Reduktionsmittels und gleichzeitig eine homogene Verteilung des Aerosols über einem kreisförmigen Querschnitt. Vorzugsweise sind die ersten Düsenöffnungen aller Paare mit einer ersten Kammer und/oder einer ersten Zuleitung verbunden und werden von dieser mit dem Reduktionsmittel gespeist.
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Vorzugsweise sind die zweiten Düsenöffnungen aller Paare mit einer zweiten Kammer und/oder einer zweiten Zuleitung verbunden und werden von dieser mit Druckluft oder Treibgas gespeist.
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Das Grundprinzip der Düse ist somit eine Mischung der Komponenten und der damit verbundenen Aerosolbildung außerhalb des Bauteiles. Hierbei wird durch die erste Kammer bzw. über die erste Zuleitung die zu zerstäubende Flüssigkeit geleitet. Das Zerstäubungsmedium Druckluft oder Treibgas wird über die zweite Kammer bzw. die zweite Zuleitung zugeführt. Am Düsenkopf ist bei jedem Paar von Austrittsöffnungen beispielsweise ein Ringspalt ausgebildet, der die erste Düsenöffnung, aus der die zu zerstäubende Flüssigkeit austritt, konzentrisch umgibt. Durch den Ringspalt wird das Zerstäubungsmedium in Form der Druckluft geleitet. Die Aerosolbildung erfolgt somit außerhalb der Düse, wodurch der Druckluftverbrauch reduziert werden und gleichzeitig die Tröpfchenqualität des Aerosols gesteigert werden kann. Dabei sind jeweils nur eine Anschlussleitung zur Zufuhr von Reduktionsmittel und eine weitere zur Zufuhr von Druckluft anzuschließen, da die ersten bzw. zweiten Austrittsöffnungen jeweils über einen einzigen Anschluss und entsprechende Kanäle innerhalb der Düse mit dem jeweiligen Medium versorgt werden.
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Vorzugsweise ist die Düse einteilig oder mehrteilig ausgeführt, insbesondere zweiteilig, insbesondere dergestalt, dass ein erstes Bauteil die ersten Düsenöffnungen aufweist, und ein zweites Bauteil das erste Bauteil zumindest teilweise umgibt oder abdeckt, sodass die zweiten Düsenöffnungen zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil gebildet werden
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Dabei können die sogenannten Grünlinge der Düse mittels des Metallpulverspritzgießverfahrens hergestellt werden. Dabei werden die benötigten Hohlräume beim Spritzen des Bauteils durch ein oder mehrere Kunststoffkörper gebildet, wobei diese Kunststoffkörper bei einem nachfolgenden Entbinden verdampfen.
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Durch eine mehrteilige Ausgestaltung der Düse, bei der das zweite Bauteil das erste Bauteil zumindest teilweise umgibt oder umgreift, kann gleichzeitig zwischen den beiden Bauteilen der die zweite Öffnung bildende Ringspalt ausgebildet werden, der die erste Düsenöffnung konzentrisch umgreift, d. h. einen zur ersten kreisförmigen Düsenöffnung konzentrischen Ring bildet.
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Anstelle eines konzentrischen Ringes können auch mehrere einzelne kleine Öffnungen die erste Düsenöffnung umgeben, wobei über die Mehrzahl zweiter Öffnungen die Druckluft oder das Treibgas ausgeleitet wird, um die aus der ersten Düsenöffnung austretende Flüssigkeit zu zerstäuben und das benötigte Aerosol zu bilden.
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Vorzugsweise sind die Düse oder einzelne Bauteile der Düse, respektive die sogenannten Grünlinge durch Metallpulverspritzgießen hergestellt, wobei insbesondere die Düse oder einzelne Bauteile der Düse entbindert und/oder gesintert und/oder keramikbeschichtet ist/sind.
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Bei einer mehrteiligen Ausführung der Düse können die Bauteile miteinander verklebt sein.
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Besonders vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer außenmischenden Reduktionsmitteleinspritzdüse zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine zur selektiven katalytischen Reduktion, wobei eine Aerosolbildung mittels Druckluft oder Treibgas außerhalb der Düse erfolgt, indem bei einem oder mehreren Paaren von zwei Austrittsöffnungen das aus einer ersten Düsenöffnung austretende Reduktionsmittel mittels der/des aus einer zweiten Düsenöffnung austretenden Druckluft oder Treibgases zerstäubt wird, ist es, dass in einem ersten Herstellungsschritt ein Rohling der Düse oder die Rohlinge mehrerer Bauteile der Düse durch Metallpulverspritzgießen hergestellt werden, wobei die Endfertigung der ersten und/oder der zweiten Düsenöffnung/en in einem weiteren Herstellungsschritt durch elektrochemisches Abtragen erfolgt.
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Die Düse bzw. die Bauteile der Düse werden dabei aus einem Metallpulver gepresst. Durch anschließendes elektrochemisches Abtragen lassen sich feinste Konturen erzeugen, wodurch eine hohe Formtreue erzielbar ist. Hierdurch sind Düsenöffnungen herstellbar, die eine sehr hohe Güte bei der Aerosolbildung und eine feinste Tröpfchengröße von ca. 10 μm (10 Mikrometer) Durchmesser ermöglichen. Durch das Fertigungsverfahren des elektrochemischen Abtragens ist eine exaktere Fertigung mit geringeren Toleranzen insbesondere der Düsenöffnungen möglich als beim Metallpulverspritzgießen.
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Vorzugsweise werden die inneren Konturen und Hohlräume der Düse durch Kunststoffkörper beim Metallpulverspritzgießen eingebracht, wobei der oder die Kunststoffkörper nach dem Metallpulverspritzgießen ausgeschmolzen oder verdampft werden.
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Vorzugsweise werden die Düse oder die Bauteile der Düse nach dem Metallpulverspritzgießen in einem nachfolgenden Herstellungsschritt zunächst entbindert und gesintert.
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Bei einer mehrteiligen Ausführung der Düse werden die Bauteile der Düse vorzugsweise miteinander verklebt und/oder verschweißt.
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Vorzugsweise ist die Düse mittels eines Metallpulver-Spritzgieß-Verfahrens hergestellt, d. h. durch Metallpulverspritzgießen (sog. MIM-Verfahren, englisch: Metal-Injection-Molding). Hierdurch ist es möglich, auch für größere Stückzahlen und/oder technisch anspruchsvolle komplexe Teile ein effektives Fertigungsverfahren mit ausgezeichneten Toleranzeinhaltungen anzuwenden.
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Die Düse wird vorzugsweise aus einen hochtemperaturbeständigen und temperaturfestem Werkstoff gefertigt, da die Umgebungstemperatur der Düse im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors bis zu 600°C erreichen kann, wenn diese Düsen zur Einspritzung von Harnstofflösung, insbesondere gemäß DIN 70070, zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) bei Verbrennungskraftmaschinen im Abgasstrang zum Einsatz kommen. In der Regel gehören diese Werkstoffe in die Gruppe der schwer zerspanbaren Metalle und sind daher nur unter hohem Kostenaufwand zu bearbeiten. Dieser Nachteil wird mit dem Herstellungsverfahren des Metallpulverspritzgießens (MIM, Metal-Injection-Molding) und dem anschließenden elektrochemischen Abtragen überwunden.
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Die Bauteile und/oder die vollständig montierte Düse, die mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgeführt sein kann, werden entbindert und/oder gesintert und/oder keramikbeschichtet.
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Dabei werden die Bauteile und/oder die vollständig montierte Düse aus mehreren Teilen in einem weiteren thermischen Prozess verdichtet. Damit werden die Materialendeigenschaften erreicht. Bei diesem Prozess spricht man von Sintern oder Brennen.
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Durch dieses Herstellverfahren ist es möglich, die benötigten Kanäle, insbesondere gekrümmte und verwinkelte Kanäle, Anschlussbereiche, Gewinde, etc. in den Düsenkörper einzubringen. Die dabei erzielbaren Wandstärken und Geometrien sind jedoch hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Feinheit durch das Herstellverfahren des Metallspritzens beschränkt. Durch das Endfertigen der Düsenöffnungen mittels elektrochemischen Abtragens kann das Herstellverfahren des Metallspritzens jedoch weiter zur Herstellung des Düsenkörpers als Rohling beibehalten werden, wobei durch das elektrochemische Abtragen sehr feine und exakte Düsenöffnungen in den Düsenkörper eingebracht werden. Die Zweistoffdüse wird somit in einem mehrstufigen Herstellverfahren zunächst als Rohling enthaltend die erforderlichen Kanäle, Hinterschneidungen und dergleichen beispielsweise mittels des sogenannten MIM-Verfahrens hergestellt. Dabei werden die Düsenaustrittsöffnungen noch nicht in ihrer endgültigen Geometrie in den Düsenkörper eingebracht. Die ersten und die zweiten Düsenöffnungen werden in einem weiteren Verfahrensschritt mittels elektrochemischen Abtragens endgefertigt.
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Die endgültige Form der Düse oder einzelner Konturen und/oder Bauteile der Düse wird somit vorzugsweise durch elektrochemisches Abtragen erzeugt, wobei insbesondere die Endfertigung der Düsenöffnungen durch elektrochemisches Abtragen erfolgt.
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Durch elektrochemisches Abtragen lassen sich feinste Konturen erzeugen, wie es das Metallpulverspritzgießen als solches nicht ermöglicht. Hierdurch sind sehr exakte Düsenöffnungen herstellbar, um ein optimiertes Spraybild und eine hohe Qualität der Aerosolbildung mit feinsten Tröpfchen im Bereich von 10 μm zu gewährleisten.
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Durch eine Steigerung der Fertigungsqualität kann der Bedarf an Druckluft zur Erzeugung des Aerosol gesenkt werden, wodurch insgesamt Kraftstoff eingespart werden kann.
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Vorzugsweise wird die Düse mehrteilig ausgeführt, wobei die Bauteile insbesondere miteinander verklebt werden können. Insbesondere können die Bauteile verklebt werden, bevor die Baugruppe die Prozessschritte Entbinden und Sintern durchläuft. Weiter sind das Verschweißen mittels Laser-, Plasma- oder WIG-Schweißen möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind an dem Bauteil außenseitig Kühlrippen angeordnet. Zur Kühlung der Bauteiloberfläche und des Bauteiles, d. h. zur Kühlung der Zweistoffdüse und zur Wärmeabfuhr sind Kühlrippen angeordnet.
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Es kann eine Keramikbeschichtung auf die Düse aufgebracht werden. Bevorzugt weist die Düse außenseitig, d. h. insbesondere in Richtung auf den Abgasstrom im eingebauten Zustand eine thermische Isolationsschicht auf. Hierdurch ist die Düse auf effektive Weise gegen Hitze, wie sie im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors auftritt, geschützt.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:
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1: Eine Reduktionsmitteleinspritzdüse im Schnitt.
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In 1 ist dargestellt eine erfindungsgemäße Zweistoffdüse 1 im Schnitt. Die Düse 1 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einstückig ausgebildet. In nicht dargestellten alternativen Ausführungsformen kann die außenmischende Zweistoffdüse auch aus mehreren Bauteilen zusammengefügt sein.
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Die Düse 1 verfügt über zwei Anschlussbereiche 10 und 20.
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Über den ersten Anschlussstutzen 10 wird der Düse 1 die zu zerstäubende Flüssigkeit, d. h. das einzuspritzende Reduktionsmittel zugeführt.
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Im Inneren der Düse 1 wird das einzuspritzende Reduktionsmittel vom Anschlussstutzen 10 weiter über den Kanal 11 zur Düsenspitze geleitet und über vier Austrittsöffnungen, von denen zwei Austrittsöffnungen 12, 13 in der Schnittebene gemäß 1 liegen, in den nicht dargestellten Abgastrakt eingespritzt.
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Die Austrittsöffnungen 12, 13 bilden somit die jeweiligen ersten Düsenöffnungen, durch die das Reduktionsmittel ausgetragen wird.
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Die Bohrungen, die die ersten Düsenöffnungen 12, 13 bilden, sind gegen die Mittellinie 14 des Düsenkanals 11 geneigt, d. h., dass der Gesamtaustrittskegel an der Düsenspitze sich öffnet und die Austrittsstrahlen divergieren.
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Über den zweiten Anschlussstutzen 20 wird der Düse 1 Druckluft zugeleitet, die über den internen Strömungskanal 21 im inneren des Düsenkörpers 1 den Austrittsöffnungen 22, 23 zugeführt werden.
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Bei den Austrittsöffnungen 22, 23, die die jeweiligen zweiten Düsenöffnungen der Paare von Düsenöffnungen bilden, handelt es sich um Ringspalte, die die jeweiligen ersten Düsenöffnungen 12, 13 konzentrisch umgeben.
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Durch die konzentrische Anordnung der zweiten Düsenöffnungen 22, 23 um die ersten Düsenöffnungen 12, 13 herum, durch die das Reduktionsmittel austritt, erfolge eine Aerosolbildung außerhalb des Düsenkörpers 1. Grundprinzip der Düse 1 ist somit eine Mischung der Komponenten außerhalb des Bauteiles. Hierbei wird durch den ersten Anschlussstutzen 10 die zu zerstäubende Flüssigkeit geleitet. Das Zerstäubungsmedium Druckluft wird über den zweiten Anschlussstutzen 20 zugeführt.
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An der Düsenspitze ist eine Mehrzahl von Paaren von Austrittsöffnungen 12, 22 bzw. 13, 23 angeordnet. Dabei sind bei jedem Paar von Düsenaustrittsöffnungen die Druckluftöffnungen 22, 23 durch ringförmige Spalte gebildet, die die ersten Düsenöffnungen 12, 13 konzentrisch umgeben. Mittels der Druckluft wird das Reduktionsmittel außerhalb der Düse 1 zerstäubt und es erfolgt eine sehr homogene Aerosolbildung mit einer sehr feinen Tröpfchengröße.
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Dadurch, dass die Austrittsrichtungen 32, 33 gegen die senkrechte Achse 14 geneigt sind und einen Winkel aufspannen, ergibt sich ein gegenüber einer Düse mit lediglich einer Austrittsöffnung deutlich verbreiterter Sprühkegel, so dass eine Benetzung des im Abgastrakt stromab angeordneten Katalysators auf einer kurzen Strecke möglich ist.
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Die Sprühstrahlrichtungen 32, 33 sind sowohl in der Bildebene gemäß 1 als auch senkrecht zur Bildebene gegen die Mittellinie 14 des Hauptkanals 11 der Düse 1 geneigt. Eine Sprühkegelaufweitung erfolgt daher sowohl in der Bildebene gemäß 1 als auch senkrecht dazu.
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Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt 4 Paare von Austrittsöffnungen an der Düsenspitze angeordnet. Dabei liegen jeweils 2 Paare von Düsenöffnungen in einer Schnittebene der Düse 1 gemäß 1, so dass sich insgesamt eine gleichmäßige räumliche Verteilung des in den Abgastrakt eingespritzten Aerosols von Reduktionsmittellösung bei Verwendung der Düse 1 ergibt.
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Die sehr feinen Konturen der Austrittsöffnungen 12, 13, 22, 23 sind durch elektrochemisches Abtragen endgefertigt. Der Rohling des Düsenkörpers 1 wird durch ein Metallpulverspritzgießverfahren erzeugt, wobei die in den Rohling eingebrachten Anschlussstutzen 10, 20, weitere Absätze und Kanäle 11, 21 durch eingelegte Kunststoffteile erzeugt werden, die nach dem Metallpulverspritzgießen geschmolzen und ausgeleitet werden.
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Nach dem Pulverspritzgießen wird der Rohling der Düse 1 entbindert und gesintert, so dass der Rohling seine Form und Festigkeit erhält. Abschließend erfolgt mittels eines elektrochemischen Abtragens die exakte Fertigung der Düsenaustrittsöffnungen 12, 13, 22, 23, da hier eine hohe Präzision verlangt wird, um eine entsprechende Qualität der Tröpfchenbildung zu erreichen.
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Es hat sich gezeigt, dass das Fertigungsverfahren des elektrochemischen Abtragens besonders geeignet ist, um sehr feine und exakte Strukturen zu erzeugen, wie sie hier erforderlich sind, um die geforderte Tröpfchengröße bei der außenmischenden Düse 1 zu erzielen. Beim elektrochemischen Abtragen wird der Rohling der Düse 1, also das Werkstück als Anode (positiv) und ein Werkzeug als Kathode (negativ) polarisiert. Die Form der Werkzeugkathode gibt die Form des Werkstückes vor. Den Ladungstransport im Arbeitsspalt übernimmt eine Elektrolytlösung. Der entstehende Elektronenstrom löst Metallionen vom Werkstück, wobei die gelösten Metallionen an der Anode Reaktionen mit Teilen des gespaltenen Elektrolytes eingehen.
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Bei diesem Fertigungsverfahren sind sehr gute Oberflächengüten und sehr geringe Fertigungstoleranzen erzielbar, so dass eine exakte Fertigung der benötigten Düsenöffnungen 12, 13, 22, 23 möglich ist. Hierdurch kann eine hohe Qualität bei der Aerosolbildung mit einer sehr feinen Tröpfchengröße von etwa 10 μm (10 Mikrometer) Durchmesser erzielt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009005528 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 70070 [0003]
- DIN 70070 [0003]
- DIN 70070 [0013]
- DIN 70070 [0045]
