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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor für Reduktionsmittel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere für eine Abgasnachbehandlung.
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Gattungsgemäße Reduktionsmittelinjektoren sind dazu vorgesehen, Reduktionsmittel, zum Beispiel in Form von wässriger Harnstofflösung (HWL), an einen Abgasstrom zuzuführen, i. e. im Rahmen von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen eingesetzt zu werden. Durch das in das Abgas eingedüste Reduktionsmittel können Schadstoffemissionen von Verbrennungskraftmaschinen auf an sich bekannte Weise die Umwelt schonend reduziert werden.
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Problematisch im Zusammenhang mit der Verwendung von Reduktionsmitteln ist regelmäßig, dass diese im Injektor einfrieren können und denselben im Zuge der damit einhergehenden Volumenzunahme schädigen. Im Stand der Technik wurden deshalb Mittel vorgeschlagen, um einer derartigen Schädigung vorzubeugen. Die Druckschrift
DE 10 2010 045 509 A1 nutzt ein Kompensationselement in der Zuleitung zum Injektor, was jedoch hinsichtlich des zusätzlich benötigten Bauraumes nachteilig ist. Daneben zeigt die Druckschrift
DE 10 2009 032 488 A1 einen gattungsgemäßen Injektor für Reduktionsmittel mit einem Düsengehäuse, welches teilweise federelastisch, insbesondere als Faltenbalg ausgebildet ist. Hieraus resultiert jedoch eine in nachteiliger Weise verwindbare und somit erhebliche Toleranzen generierende Konstruktion.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2009 032 487 A1 ist weiterhin ein Injektor für Reduktionsmittel bekannt, welcher von einem Druckausgleichsventil in einer Umfangswand des Injektorgehäuses Gebrauch macht. Nachteilig ist hierbei, dass durch diese zusätzliche Öffnung in der Wand des Injektorkörpers eine potentielle Fehlerquelle geschaffen wird.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Injektor bereitzustellen, welcher die Nachteile des Standes der Technik überwindet, hohe funktionale Zuverlässigkeit bei kompaktem Bauraum und effektiven Schutz gegen Schädigung bei Einfrieren des Reduktionsmittels gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Injektor für Reduktionsmittel, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Der Injektor ist insbesondere zur Verwendung mit Reduktionsmittel in Form von Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) vorgesehen, z. B. AdBlue®, d. h. für eine Abgasnachbehandlung.
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Der erfindungsgemäße Injektor umfasst ein Injektorgehäuse mit wenigstens einem Einlass(kanal) für Reduktionsmittel, welcher in einen Düsenraum des Injektors mündet, weiterhin eine Düsenanordnung (mit wenigstens einem Spritzloch) sowie ein mittels eines Ventilglieds und eines Ventilsitzes gebildetes Düsenventil, über welches ein Strömungsweg vom Düsenraum zur Düsenanordnung für ein Ausbringen von Reduktionsmittel selektiv freigebbar ist. Das Ventilglied ist bevorzugt als Ventilnadel-(Düsennadel) oder Ventilkolben ausgebildet, i. e. im Wesentlichen stab- bzw. stangenförmig.
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Der Injektor umfasst zudem eine Ventilbetätigungsbaugruppe zur Axialverschiebung des Ventilglieds in einer Ventilbetätigungsrichtung für ein selektives Freigeben des Strömungswegs, i. e. für ein Ventilöffnen und -schließen. Gekennzeichnet ist der Injektor erfindungsgemäß dadurch, dass der Injektor weiterhin wenigstens ein Phasenübergangs-Kompensationselement aufweist, mittels welchem bei einem Phasenübergang von flüssig nach fest an dem Phasenübergangs-Kompensationselement, insbesondere im Zuge eines Einfrierens, eine Kraft in Ventilöffnungsrichtung auf das Ventilglied ausgeübt wird, insbesondere der Strömungsweg vom Düsenraum zur Düsenanordnung freigegeben wird. Die Kraft wird hierbei bevorzugt im Zuge einer Ausdehnung bzw. Volumenvergrößerung am Phasenübergangs-Kompensationselement bei einem Phasenübergang erzeugt. Das Phasenübergangs-Kompensationselement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung dazu vorgesehen, einer potentiell schädigenden Vereisung von Reduktionsmittel im Injektor, insbesondere im Düsenraum, entgegen zu wirken.
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Bevorzugt wird mittels des Phasenübergangs-Kompensationselements bei einem Phasenübergang an demselben von flüssig nach fest eine Kraft in Öffnungsrichtung mittels eines Befüllmediums erzeugt, dessen Phasenübergang von flüssig nach fest sich bei einem Einfrieren vor (zeitlich zuerst) dem Phasenübergang eines mit dem Injektor verwendeten Reduktionsmittels vollzieht. Derart kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass das Düsenventil via das Phasenübergangs-Kompensationselement öffnet, bevor der Düsenraum potentiell schädigendem Eisdruck ausgesetzt ist, insoweit als Reduktionsmittel vor einer Vereisung aus dem Düsenraum über das dann offene Düsenventil austreten kann.
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Insbesondere wenn das Befüllmedium des Phasenübergangs-Kompensationselements derart gewählt ist, dass der Phasenübergang des Phasenübergangs-Kompensationselements bei einem Einfrieren bei einer ersten Temperatur erfolgt und der Phasenübergang des Reduktionsmittels bei einem Einfrieren bei einer zweiten, gegenüber der ersten Temperatur tieferen Temperatur, wobei die Erstarrungstemperaturdifferenz zwischen der ersten und zweiten Temperatur bevorzugt im Bereich von 1 bis 3 Grad Celsius liegt, kann gewährleistet werden, dass der vorgesehene Betriebsbereich des Injektors mit dem vorgesehenen Reduktionsmittel nahezu uneingeschränkt zur Verfügung steht. Als Befüllmedium kann z. B. Wasser gewählt werden, insbesondere z. B. eine Wasser-Frostschutz-Mischung, Salzwasser, o. ä. Beispielsweise kann mittels Auswahl eines geeigneten Befüllmediums der Gefrierpunkt auf –10°C eingestellt werden, d. h. z. B. auf ein Grad Celsius oberhalb des Gefrierpunkts von HWL bzw. Reduktionsmittel.
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Das Phasenübergangs-Kompensationselement kann bevorzugt als Membrandose bereitgestellt sein, z. B. als ein- oder zweifach wirkende, medienbefüllte Membrandose, und hat allgemein zur Aufgabe, das Ventilglied bei Einfrieren des Injektors aus dem Ventilsitz anzuheben, i. e. das Düsenventil zu öffnen. Hierzu ist das Phasenübergangs-Kompensationselement mit dem Ventilglied insbesondere wirkverbunden. Z. B. kann das Phasenübergangs-Kompensationselement über eine (axial verschiebliche) Zugstange auf das Ventilglied wirken. Die Zugstange kann an dem Ventilglied verschraubt oder anderweit befestigt sein. Das Phasenübergangs-Kompensationselement kann z. B. an oder benachbart zu einem düsenfernen Ende im Injektorgehäuse angeordnet sein.
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Das Phasenübergangs-Kompensationselement kann weiterhin vorteilhaft ermöglichen, das Ventilglied bei einem Einfrieren des Injektors in einen Anschlag zu ziehen, z. B. gegen ein Verschiebeelement, s. unten, oder allgemein eine Anschlagfläche am Injektor, so dass z. B. eine Abdichtung des Düsenraumes gegenüber einer Führung für das Ventilglied gewährleistet ist, d. h. derart, dass ein Eindringen gefrierenden Reduktionsmittels in Hohlräume am Injektor weitgehend vermieden ist.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Injektors weist der Injektor weiterhin ein Verschiebeelement bzw. einen Verschiebekörper auf, wobei das Verschiebeelement in der Ventilbetätigungsrichtung verschieblich und durch ein elastisches Element in Ventilschließrichtung gedrängt in dem Injektorgehäuse derart aufgenommen ist, dass bei einer Verschiebung des Verschiebeelements, insbesondere im Zuge eines Einfrierens von Reduktionsmittel, das Düsenraumvolumen variiert, bei einem Einfrieren von Reduktionsmittel im Düsenraum insbesondere vergrößert, wird.
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Durch das Verschiebeelement, welches bevorzugt über seine Außenfläche an einer Injektorgehäuse-Innenwand geführt ist, insbesondere gegen diese dichtend, bei einzelnen Ausführungsformen auch verdrehsicher, ist vorteilhaft eine Volumenzunahme des Düsenraums bei einem Einfrieren des Reduktionsmittels ermöglicht, d. h. durch (Axial-)Verschiebung des Verschiebeelements, wodurch Beschädigungen am Injektor aufgrund von Vereisung wirksam vorgebeugt werden kann. Gleichzeitig wird ein robuster, zuverlässiger und verwindungsfrei funktionierender Reduktionsmittelinjektor bereitgestellt.
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Zur Abdichtung gegen die Innenwand des Injektorgehäuses sind bevorzugt (Ring-)Dichtelemente in die Mantelfläche des Verschiebeelements eingebracht, insbesondere an einem düsennahen Ende.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist an dem Verschiebeelement insbesondere die Ventilbetätigungsbaugruppe aufgenommen, weiterhin bevorzugt auch das Ventilglied. Hierdurch kann der Injektor besonders bauraumsparend ausgebildet werden, insoweit als das Verschiebeelement gleichzeitig als Komponententräger für eine Vielzahl von Komponenten des Injektors wirkt, insbesondere als Komponententräger für die Ventilbetätigungsbaugruppe (und das Ventilglied). Das Ventilglied kann bevorzugt in einer Führung am Verschiebeelement geführt am Verschiebeelement aufgenommen sein.
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Eine insbesondere am Verschiebeelement aufgenommene Ventilbetätigungsbaugruppe kann eine Aktuatorik umfassen, bevorzugt mit einem Solenoiden bzw. einer (Elektro-)Magnetanordnung und einem Anker, welch letzterer insbesondere am Ventilglied angeordnet sein kann. Über den Anker kann die Magnetanordnung bei einer Bestromung mit dem Ventilglied zu dessen Anheben bzw. zu einem Ventilöffnen magnetisch zusammenwirken (magnetaktuatorbetätigtes Ventil). Insbesondere am Verschiebeelement ist bei bevorzugten Ausführungsformen auch ein elastisches Rückstellelement der Ventilbetätigungsbaugruppe (bzw. Aktuatorik) für das Ventilglied angelagert bzw. aufgenommen, insbesondere in Form einer Schraubendruckfeder (Düsenfeder), welches eine Kraft in Schließrichtung auf das Ventilglied ausübt, d. h. für ein Ventilschließen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es weiterhin bevorzugt, dass das Verschiebeelement mittels des elastischen Elements, insbesondere in Form einer Schraubendruckfeder, gegen ein düsenseitiges Distanzelement im Injektorgehäuse gedrängt ist. Das als Anschlag wirkende Distanzelement wird bevorzugt durch einen in das Injektorgehäuse düsenendseitig eingebrachten Distanz- bzw. Einstellring gebildet. Durch Auswahl eines – hinsichtlich seiner axialen Erstreckung bzw. Bauhöhe – geeignet ausgebildeten Distanzelements kann vorteilhaft einfach der dem Ventilglied ermöglichte Ventilhub eingestellt werden, insoweit als ein durch das Verschiebeelement gebildeter Hubanschlag für das Ventilglied in seiner Entfernung zum düsennahen Ende variiert werden kann.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung des Verschiebeelements bzw. des Injektors, weist das Verschiebeelement einen im Querschnitt im Wesentlichen H-förmigen Grundkörper mit insbesondere im Wesentlichen zylindrischer Mantelfläche auf. Die H-Form (deren Schenkel sich axial erstrecken) ermöglicht die Bereitstellung einer ersten, düsenferneren und einer zweiten, düsennäheren Kammer zur Aufnahme bzw. Anlagerung der Ventilbetätigungsbaugruppe und deren Abdichtung auf einfache Weise. Daneben erlaubt das derart ausgebildete Verschiebeelement auch die einfache Aufnahme bzw. Anlagerung des Phasenübergangs-Kompensationselements samt dessen Wirkverbundkomponenten.
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Die erste, düsenferne Kammer kann am Grundkörper zur Aufnahme der Magnetanordnung samt dem damit zusammenwirkenden Anker bereitgestellt sein, während die zweite, düsennahe Kammer zur Aufnahme des elastischen Rückstellelements dient. Bei dieser Ausgestaltung erstreckt sich das Ventilglied bevorzugt von der ersten Kammer in die zweite Kammer, d. h. durch den Quersteg des H-Profils hindurch, wobei das Ventilglied den düsenfernen Anker mit dem düsennahen Verschlusskopf starr verbindet. Das elastische Rückstellelement kann hierbei zwischen einem Verschlusskopf des Ventilglieds und dem Verschiebeelement gefangen sein.
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Zur Abdichtung an dem Ventilglied und der Umfangswand der ersten Kammer (gegenüber einem Anker- und Magnetraum in der ersten Kammer) kann eine Membrandichtung vorgesehen sein, welche radial vom Ventilglied an die Kammerwand geführt ist, insbesondere zwischen dem düsenfernen Ende der Führung des Ventilglieds und einem düsennahen Endabschnitt des Ankers angeordnet ist. Die Membrandichtung ermöglicht eine Ausdehnung bei Eisbildung (Einfrieren von über die Führung des Ventilglieds in die erste Kammer eingetretenem Reduktionsmittel) und somit ein „Trockenlegen” des Magnet- und Ankerraums (in der ersten Kammer). Hierdurch wird die Magnetanordnung und der Anker vor dem aggressivem Reduktionsmittel geschützt.
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Um die Magnetanordnung in der ersten Kammer insbesondere vorteilhaft unaufwändig zu haltern und gleichzeitig die Kammer endseitig mediendicht auszuführen, kann am düsenfernen Ende des Grundkörpers ein Deckelelement montiert sein, welches die Magnetanordnung bevorzugt auch trägt.
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Die zweite Kammer am Verschiebeelement ist bevorzugt zur Düse hin geöffnet, wobei die zweite Kammer insbesondere auch ein Düsenraumvolumen bereitstellt bzw. bildet. Eine Innenseite der zweiten Kammer kann daneben einen Hubanschlag für das Ventilglied bilden.
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Insbesondere um die Ausdehnung des Eises bei Einfrieren des Reduktionsmittels in axialer Richtung zu steuern, ist vorgesehen, den Düsenraum mittels des Verschiebeelements dergestalt auszubilden, dass eine Ausdehnung des Eises in Öffnungsrichtung des Düsenventils kanalisiert wird. Hierzu kann sich zum Beispiel der Querschnitt der zweiten Kammer vom düsennahen Ende hin zum Quersteg des H-Profils verjüngen, die Kammer zum Beispiel kegel- oder kegelstumpfförmige(Hohl-)Form aufweisen.
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Bevorzugt ist das Phasenübergangs-Kompensationselement am Verschiebeelement angeordnet bzw. angelagert, insbesondere an dessen düsenfernen Ende, wobei es insbesondere mit diesem zusammen axialverschieblich ist.
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Insbesondere ein Injektor, welcher neben einem wie oben erläuterten Verschiebeelement gemäß der ersten Ausgestaltung weiterhin ein Phasenübergangs-Kompensationselement aufweist, ist zu einer mehrstufigen Druckentlastung des Düsenraumes in der Lage. In einer ersten Stufe, kann z. B. das Ventilglied über das Phasenübergangs-Kompensationselement angehoben werden, so dass das Düsenventil öffnet, z. B. um 0,5 mm bis 1 mm. Bei weiterem Einfrieren kann nachfolgend das Verschiebeelement zusätzlich benötigtes Ausgleichsvolumen im Zuge einer Verschiebung bereitstellen.
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Allgemein ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, das das elastische Element, insbesondere in Form einer Schraubendruckfeder, gegen ein düsenfernes Ende des Verschiebeelements wirkt, z. B. kann das elastische Element einerseits gegen ein Gehäuseelement am Injektorgehäuse abgestützt sein, d. h. an dessen düsenfernem Ende, andererseits z. B. gegen ein Deckelelement oder einen Grundkörper des Verschiebeelements gedrängt sein, i. e. an dessen düsenfernen Ende.
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Über das – so gefangene – elastische Element wird bevorzugt eine Kraft auf das Verschiebeelement in Ventilschließrichtung ausübt, welche größer ist als eine vorbestimmte maximale Betriebsdruckkraft auf das Verschiebeelement in Ventilöffnungsrichtung, entsprechend einem Druckniveau um das ca. 1,5- bis 2-fache höher als Einspritzdruck. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Verschiebeelement nicht auf unbeabsichtigte Weise während eines Injektorbetriebes bzw. bei anliegendem Betriebsdruck verschoben wird, das heißt eine Verschiebung nur bei Einfrieren des Injektors, einhergehend mit höheren Druckniveaus als dem Betriebsdruck, stattfinden kann.
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Bei dem Injektor kann vorgesehen sein, Reduktionsmittel über einen Einlasskanal zum Düse(ring)raum tangential einströmen und über einen Auslasskanal vom Düsen(ring)raum tangential ausströmen zu lassen. Eine hierbei erzeugte Drallströmung ermöglicht eine gute Kühlung durch das durchströmende Fluid. Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, einen Reduktionsmitteleinlass- und einen Auslasskanal je am düsennahen Ende des Injektors zu bilden. Derart kann ein Injektor über einen Einsteckplatz in einer Aufnahmeplatte zusammen mit weiteren Injektoren insbesondere leitungslos bzw. schlauchlos mit Reduktionsmittel versorgt werden, insbesondere in Reihenschaltung mit mehreren Injektoren.
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Weiterhin ist allgemein vorgesehen, einen Grundkörper aus nicht magnetischem Material zu fertigen, z. B. aus Aluminium oder Legierungen daraus.
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Der Injektor kann mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung verwendet werden, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Personenkraftwagen, einem Schiff oder einem Nutzkraftwagen. Eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann neben dem Injektor weiterhin eine Förderpumpe aufweisen, welche Reduktionsmittel, insbesondere HWL, über eine Leitung zu dem Injektoreinlass fördert, bevorzugt aus einem Reduktionsmittelbehälter der Abgasnachbehandlungsvorrichtung. Über eine elektrische Ansteuerung der Ventilbetätigungsbaugruppe, insbesondere der Magnetanordnung des Injektors, kann das Düsenventil selektiv betätigt und Reduktionsmittel bedarfsgerecht in einen Abgastrakt eingedüst werden, z. B. stromaufwärts eines Katalysators.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch und schematisch eine Schnittansicht eines Injektors mit einem Phasenübergangs-Kompensationselement gemäß einer ersten möglichen Ausführungsform der Erfindung;
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1a exemplarisch ein Hebelelement am Phasenübergangs-Kompensationselement zur Bildung eines Wirkverbundes;
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1b exemplarisch und schematisch das Hebelelement von 1a in der Draufsicht; und
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2 bis 4 exemplarisch und schematisch je eine Schnittansicht von weiteren bevorzugten Ausführungsformen eines Injektors, welcher weiterhin ein Verschiebeelement aufweist.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Die 1 und die 2 bis 4 zeigen je einen Injektor 1 für Reduktionsmittel zur Verwendung mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Der Reduktionsmittelinjektor 1 weist ein Injektorgehäuse 10 auf, welches einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Innenraum 12 definiert. An einem ersten Ende 14 des Gehäuses 10 ist eine Düsenanordnung 16 des Injektors 1 gebildet, über welche das Ausbringen von Reduktionsmittel, insbesondere in Form von Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) ermöglicht ist.
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Der Injektor 1 gemäß 1 weist ein Ventilglied 20 auf, welches in dem Injektorgehäuse 10 in einer Betätigungsrichtung A axialverschieblich geführt aufgenommen ist. Das Ventilglied 20 wirkt mit einem am ersten Ende 14 im Injektorgehäuse 10 gebildeten Ventilsitz 22 zur Bildung eines Düsenventils 24 des Injektors 1 zusammen, d. h. über einen Verschlusskopf 26 des Ventilglieds 20. Über das Düsenventil 24 kann ein Düsenraum 30, welcher über einen Reduktionsmittel-Einlasskanal 32 des Injektors 1 anströmbar ist, entlastet werden.
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Um das Düsenventil 24 mittels des Ventilglieds 20 selektiv öffnen bzw. schließen zu können, i. e. einen Strömungsweg vom Düsenraum 30 zu der Düsenanordnung 16 selektiv freigeben zu können, weist der Injektor 1 weiterhin eine Ventilbetätigungsbaugruppe 40 auf, welche am Injektorgehäuse 10 angelagert bzw. innerhalb desselben aufgenommen ist. Die Ventilbetätigungsbaugruppe 40 umfasst einen Solenoiden bzw. eine Magnetanordnung 42, einen Anker 44, welcher am düsenfernen Ende des Ventilglieds 20 angeordnet ist, und weiterhin eine Rückstellfeder 46. Über den Anker 44 kann das Ventilglied 20 für ein Öffnen des Ventils 24 bei Bestromung des Magneten 42 magnetisch angehoben werden, über die Rückstellfeder 46, welche das Ventilglied 20 mit einer Kraft in Ventilschließrichtung –A beaufschlagt, für ein Ventilschließen zurückbewegt werden.
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Um ein selbsttägiges Öffnen des Düsenventils 24 bei Einfrieren bzw. Vereisung des Injektors 1 und somit eine ggf. notwendige Entlastung des Düsenraumes 30 bewirken zu können, insbesondere bevor/unmittelbar bevor Reduktionsmittel im Injektor 1 einfriert, weist der Injektor 1 weiterhin ein Phasenübergangs-Kompensationselement 50 auf.
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Das Phasenübergangs-Kompensationselement 50 umfasst ein Befüllmedium 52 bzw. eine Flüssigkeit, welche im Zuge eines Einfrierens einen Phasenübergang von flüssig nach fest vollzieht, wobei das Medium derart gewählt ist, dass dessen Phasenübergang bei einer geringfügig höheren Temperatur, i. e. vorliegend z. B. –10°C, als jener, z. B. –11°C, eines korrespondierenden Phasenübergangs des Reduktionsmittels stattfindet. Derart wird der mögliche Betriebsbereich des Injektors 1 nicht nachteilig eingeschränkt. Als Flüssigkeit 52 dient eine Wasser-Frostschutz-Lösung, woneben jedoch auch eine Vielzahl weiterer geeigneter Lösungen bzw. Medien denkbar sind.
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Das am düsenfernen Ende der Magnetanordnung 42 angeordnete Phasenübergangs-Kompensationselement 50 ist als Membrandose gebildet und mit dem Ventilglied 20 wirkverbunden. Zur Herstellung des Wirkverbunds dient eine (axial verschiebliche) Zugstange 54, welche mit dem Ventilglied 20 starr verbunden ist, insbesondere verschraubt ist, weiterhin eine Angriffsfläche 56 an der Zugstange 54, welche für die Krafteinleitung seitens der Membran 58 der Membrandose 50 bereitgestellt (und gegen diese gedrängt) ist. Die Angriffsfläche 56 ist an einer gekonterten Ringscheibe 60 um die Zugstange 54 gebildet, wobei eine Druckfeder 62 als Andruckelement wirkt, um die ununterbrochene Anlage der Ringscheibe 60 an der Membrandose 50 bzw. der Membran 58 zu gewährleisten.
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Bei einem Einfrieren des Befüllmediums 52, i. e. bei einem Phasenübergang von flüssig nach fest, wölbt sich die Membran 58 aufgrund der Volumenvergrößerung des Befüllmediums 52 nach außen, i. e. in der Richtung +A, gestrichelt dargestellt, und wirkt hierbei gegen die Angriffsfläche 56. Die Zugstange 54 erfährt somit eine Kraft in Öffnungsrichtung +A des Ventils 24, welche über die axial verschiebliche Zugstange 54 auch auf das Ventilglied 20 wirkt und zu einem Abheben desselben vom Ventilsitz 22 führt. Über das nunmehr geöffnete Ventil 24 kann Reduktionsmittel somit vor Vereisung austreten und hierbei den Düsenraum 30 entlasten.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass bei einem Anheben des Ventilglieds 20 über das Phasenübergangs-Kompensationselement 50 das Ventilglied 20 auch gegen eine Anschlagsfläche 64 am Injektorgehäuse 10 gedrängt wird, so dass das Eindringen von vereisendem Reduktionsmittel in die am Injektorgehäuse 10 gebildete Führung 66 des Ventilglieds 20 vermieden wird.
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Die 2 bis 4, auf welche nachfolgend näher eingegangen wird, zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen des Injektors 1, wobei in dessen Innenraum 12 ein verschiebbarer Körper bzw. ein Verschiebeelement 70 angeordnet ist, welches in einer axialen Verschieberichtung A, welche der Ventilbetätigungsrichtung A entspricht, relativ zu dem Injektorgehäuse 10 verschieblich ist. Ersichtlich, z. B. 2, ist das Verschiebeelement 70 hierbei an der Innenmantelfläche 72 des Injektorgehäuses 10 mittels korrespondierenden Mantelflächenquerschnitts seines Außenmantels 74 axialverschieblich geführt. An dem Verschiebeelement 70 ist das Ventilglied 20 in der Betätigungsrichtung A axialverschieblich geführt aufgenommen. Das Ventilglied 20 wirkt wie vor bei dem Injektor 1 gemäß 1 mit einem am ersten Ende 14 gebildeten Ventilsitz 22 zur Bildung des Düsenventils 24 des Injektors 1 zusammen, d. h. über den Verschlusskopf 26.
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Um das Düsenventil 24 mittels des Ventilglieds 20 selektiv öffnen bzw. schließen zu können, i. e. einen Strömungsweg vom Düsenraum 30 zu der Düsenanordnung 16 selektiv freigeben zu können, weist der Injektor 1 wiederum eine Ventilbetätigungsbaugruppe 40 auf, welche – im Unterschied zu der vorherigen Ausgestaltung des Injektors 1 gemäß 1 – an dem Verschiebeelement 70 aufgenommen ist, insbesondere vorteilhaft bauraumgünstig. Das Verschiebeelement 70 ist insoweit ein Komponententräger für die Ventilbetätigungsbaugruppe 40 (und das Ventilglied 20). Die Ventilbetätigungsbaugruppe 40 umfasst wie vor eine Magnetanordnung bzw. einen Solenoiden 42, einen Anker 44 und weiterhin eine Rückstellfeder 46.
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Eine einfache und bauraumsparende Aufnahme der Ventilbetätigungsbaugruppe 40 am Verschiebeelement 70 wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Verschiebeelement 70 mittels eines Grundkörpers 80 gebildet ist, welcher im Wesentlichen H-förmigen Querschnitt aufweist, z. B. 2 bis 4. Durch die Ausgestaltung mit H-förmigem Querschnitt (dessen Schenkel sich axial erstrecken) werden an dem Grundkörper 80 eine erste 82 und eine zweite 84 Kammer abgeteilt, welche zur Anordnung bzw. Aufnahme der Komponenten der Ventilbetätigungsbaugruppe 40 zur Verfügung stehen.
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In der düsenfernen ersten Kammer 82 sind neben dem Anker 44 die Magnetanordnung 42 aufgenommen, i. e. an einem Deckelelement 86 des Verschiebeelements 70, welches endseitig mit dem Grundkörper 80 verschraubt ist. Durch das Deckelelement 86 ist weiterhin eine Versorgungsleitung 87 für eine Bestromung des Magnetpakets 42 geführt.
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In der düsennahen zweiten Kammer 84, welche ein Düsenraumvolumen 30 darstellt bzw. bildet, ist die Rückstellfeder 46 aufgenommen. Ersichtlich weist die zweite Kammer 84 sich in Richtung vom düsennahen zum düsenfernen Ende verjüngenden Querschnitt auf, welcher im Falle einer Vereisung von Reduktionsmittel die Ausdehnung des Eises in Verschiebungsrichtung A kanalisiert, um eine Verschiebung des Verschiebeelements 70 in Öffnungsrichtung +A einhergehend mit einer Druckentlastung des Düsenraumes 30 zuverlässig bewirken zu können.
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Sich weiterhin in einer Axialbohrung bzw. Führung 66 von der ersten 82 in die zweite 84 Kammer erstreckend ist das Ventilglied 20 am Grundkörper 80 geführt aufgenommen. Das Ventilglied 20 weist hierbei am düsenfernen Ende den Anker 44 auf, am düsennahen Ende einen Ringbund 88, mittels welchem die Rückstellfeder 46 in der zweiten Kammer 84 gefangen ist.
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Das Verschiebeelement 70 wird mittels eines elastischen Elements 90 in Form einer Schraubendruckfeder, welches anderends gegen einen Gehäuse(schraub)einsatz 92 des Injektorgehäuses 10, z. B. auch ein Deckelelement 94, abgestützt ist, gegen ein Distanzelement 96 gedrängt, welches an dem düsenseitigen Ende 14 im Injektorgehäuse 10 angeordnet ist. Hierbei übersteigt die von dem Druckfederelement 90 erzeugte Druckkraft in Ventilschließrichtung –A, welche auf das Verschiebeelement 70 wirkt, die Betriebsdruckkraft, welche in Ventilöffnungsrichtung +A auf das Verschiebeelement 70 wirkt. Derart ist einerseits sichergestellt, dass das Verschiebeelement 70 während des Betriebs des Injektors 1 nicht unbeabsichtigt verschoben wird, während andererseits gewährleistet wird, dass ein den Betriebsdruck übersteigender Vereisungsdruck vorteilhaft zu einer beabsichtigten Verschiebung des Verschiebeelements 70 führt. Daneben ist über gezielte Auswahl des Distanzelements 96 auf einfache Weise der Hub eingestellt, welcher dem Ventilglied 20 im Betrieb ermöglicht ist. Der ermöglichte Hub wird begrenzt durch eine Anschlagfläche 64 in der zweiten Kammer 84, gegen welche eine Schulterfläche 98 am Ventilglied 20 zur Anlage gelangen kann.
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Zur Abdichtung an dem Ventilglied 20 und der Kammerwand der ersten Kammer 82 gegenüber dem Anker- und Magnetraum, i. e. gegen etwaig über die Führung 66 eintretendes Reduktionsmittel, weist der Injektor 1, wie auch jener gemäß 1, weiterhin eine Membrandichtung 100 auf, welche sich radial um das Ventilglied 20 bis zur Umfangswand der ersten Kammer 82 erstreckt, s. a. 1 und 2 bis 4.
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Der Injektor 1 der Ausgestaltung gemäß 2 bis 4 weist wiederum ein wie vorstehend für den Injektor 1 gemäß 1 beschriebenes Phasenübergangs-Kompensationselement 50 auf, welches nunmehr jedoch am Verschiebeelement 70 aufgenommen und insoweit gemeinsam mit diesem verschieblich ist. Das am düsenfernen Ende des Verschiebeelements 70 angeordnete Phasenübergangs-Kompensationselement 50, s. 2 bis 4, welches düsenabgewandt an dem Deckel 86 angeordnet ist, ist wie vor als Membrandose gebildet und mit dem Ventilglied 20 – wie für den Injektor 1 gem. 1 ausgeführt – wirkverbunden.
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Insbesondere der Injektor 1 gemäß der 2 bis 4, welcher neben dem Verschiebeelement 70 weiterhin von dem Phasenübergangs-Kompensationselement 50 Gebrauch macht, ist zu einer mehrstufigen Druckentlastung des Düsenraumes 30 in der Lage. In einer ersten Stufe, kann z. B. das Ventilglied 20 über das Phasenübergangs-Kompensationselement 50 angehoben werden, so dass das Düsenventil 24 öffnet, z. B. um 0,5 mm bis 1 mm. Bei weiterem Einfrieren kann nachfolgend das Verschiebeelement 70 zusätzlich benötigtes Ausgleichsvolumen im Zuge einer Verschiebung bereitstellen.
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Vorteilhaft ist wiederum, dass bei einem Anheben des Ventilglieds 20 über das Phasenübergangs-Kompensationselement 50 das Ventilglied 20 auch gegen die Anschlagsfläche 64 gedrängt wird, so dass das Eindringen von vereisendem Reduktionsmittel in die Führung 66 oder die erste Kammer 82 vermieden wird.
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Um den durch das Phasenübergangs-Kompensationselement 50 bewirkten Hub ggf. oder nötigenfalls übersetzen zu können, insbesondere vergrößern zu können, kann der Wirkverbund Phasenübergangs-Kompensationselement 50/Ventilglied 20 bzw. der Injektor 1 im Rahmen der vorliegenden Erfindung ferner ein Hebel- bzw. Übersetzungselement bzw. einen Hebelmechanismus 101 aufweisen, z. B. eine geschlitzte Blechscheibe, welche zwischen dem Phasenübergangs-Kompensationselement 50 und der Angriffsfläche 56 der Zugstange 54 angeordnet ist, s. 1a und 1b. Die z. B. ringförmige Blechscheibe 101 kann randseitig am Phasenübergangs-Kompensationselement 50 befestigt sein, z. B. durch Umformen, wobei randseitig befestigte Hebelarme 102 der Blechscheibe 101, welche auf der Membran 58 aufliegen, mit freien Enden bei Volumenausdehnung des Phasenübergangs-Kompensationselements 50 bzw. Wölbung der Membran 58 unter Bereitstellung einer Hebelwirkung (12/11 entspricht dem Übersetzungsverhältnis) gegen die Angriffsfläche 56 wirken.
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Um auch ein Nachströmen von Reduktionsmittel über den Einlass 32 bei Entlastung des Düsenraums 30 zu unterbinden, kann die Verwendung eines Rückhalteventils in einem HWL-Zulauf vorgesehen sein. Zur Erhöhung einer Kapillarwirkung an der Düsenanordnung 16 kann eine geeignete Düseninnenform oder eine Gleitbeschichtung, z. B. Teflon, beitragen.
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Nachfolgend wird noch kursorisch auf unterschiedliche Möglichkeiten zur Ausbildung des Injektoreinlasses 32 bei Verwendung eines Verschiebeelements 70 eingegangen.
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Gemäß 2 kann vorgesehen sein, den Einlasskanal) 32 derart zu bilden, dass ein automatisches Absperren des Zulaufs bei Verschieben des Verschiebeelements 70 erfolgt, insoweit als die Mantelfläche 74 des Verschiebeelements 70 hierbei eine Einlassöffnung 103 im Injektorgehäuse 10 verschließt. Eine Mehrzahl von Dichtelementen 104, welche in Vertiefungen auf dem Mantel 74 als Ringdichtungen ausgeführt aufgenommen sind, verhindert hierbei den Austritt von Leckage an den aneinander grenzenden Mantelflächen 72 und 74. Weiterhin kann z. B. vorgesehen sein, einen Zulaufanschluss 106 mit dem Verschiebeelement 70 mitverschieblich auszubilden, wozu in der Injektorgehäusewand 10 eine korrespondierende Aussparung 108 gebildet ist, 3. Gemäß 4 kann vorgesehen sein, das Reduktionsmittel über einen Einlasskanal 32 am düsenseitigen Ende 14 des Injektorgehäuses 10 in den Düsenraum 30 einzubringen, i. e. im Bereich des (hierfür durchbrochenen) Distanzstücks. Dies stellt eine vorteilhaft unaufwändige Lösung dar, welche zur Vermeidung von Nachströmen ein Rückhalteventil vorsehen kann.
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Allgemein ist für die Ausführungsformen gemäß 2 und 3 – denkbar auch für die weiteren Ausführungsformen gemäß 1 und 4 – vorgesehen, das Verschiebeelement 70 verdrehgesichert im Injektorgehäuse 10 anzuordnen, z. B. mittels korrespondierender Eingriffselemente (nicht dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Injektor
- 10
- Injektorgehäuse
- 12
- Innenraum
- 14
- erstes Ende 10
- 16
- Düsenanordnung/Düse
- 20
- Ventilglied
- 22
- Ventilsitz 10
- 24
- Düsenventil
- 26
- Verschlusskopf 20
- 30
- Düsenraum
- 32
- Einlasskanal
- 40
- Ventilbetätigungsbaugruppe
- 42
- Magnetanordnung
- 44
- Anker
- 46
- Rückstellfeder
- 50
- Phasenübergangs-Kompensationselement
- 52
- Befüllmedium
- 54
- Zugstange
- 56
- Angriffsfläche
- 58
- Membran
- 60
- Ringscheibe
- 62
- Druckfeder
- 64
- Anschlagsfläche
- 66
- Führung
- 70
- Verschiebeelement/-körper
- 72
- Innenmantelfläche 10
- 74
- Außenmantelfläche 70
- 80
- Grundkörper 70
- 82
- erste Kammer
- 84
- zweite Kammer
- 86
- Deckelelement 70
- 87
- Versorgungsleitung
- 88
- Ringbund
- 90
- elastisches Element
- 92
- Schraubeinsatz
- 94
- Deckelelement 10
- 96
- Distanzelement
- 98
- Schulterfläche 20
- 100
- Membrandichtung
- 101
- Übersetzungselement
- 102
- Hebelarm
- 103
- Einlassöffnung
- 104
- Dichtelement
- 106
- Zulaufanschluss
- 108
- Aussparung
- A
- Verschieberichtung
- +A
- Öffnungsrichtung
- –A
- Schließrichtung
