-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus einem Magnetventil nach Gattung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 hervor. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach ein Ventil zur Verwendung in einem Fördermodul eines Abgasnachbehandlungssystems eines Abgasstrangs einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, wie z.B. eines Dieselmotors. Zur Erfüllung gesetzlicher Vorgaben muss das von dem Dieselmotor erzeugte Abgas bestimmte Schadstoff-Grenzwerte einhalten, insbesondere müssen die aus dem Abgasstrang austretenden Stickoxidemissionen möglichst gering gehalten werden, wobei üblicherweise bekannte Abgasnachbehandlungssysteme zur Anwendung kommen, die in der Regel in der Fahrzeugtechnik dazu entworfen worden sind, um speziell bei Dieselfahrzeugen die Stickoxidemissionen zu senken. Kern dieser Abgasnachbehandlungssyteme sind Abgasnachbehandlungseinrichtungen wie z.B. Oxidationskatalysator (DOC)-Dieselpartikelfilter (DPF)-Kombinationen, NOx-Speicherkatalysatoren oder SCR (Selective Catalytic Reduction“ oder selektive katalytische Reduktion)-Katalysatoren, die entsprechend in einem Abgasstrang eines Dieselmotors angeordnet sind.
-
Für eine Regeneration eines SCR-Katalysators eines derartigen Abgasnachbehandlungssystems ist es erforderlich, bestimmte Reduktionsmittel in den Abgasstrang des Dieselmotors mit einzudosieren bzw. in diesen einzuspritzen, üblicherweise durch eine Einspritzvorrichtung wie z.B. einen Injektor oder dergleichen. Derartige Reduktionsmittel enthalten typischerweise Harnstoffe (Ammoniak) zur selektiven katalytischen Reduktion in dem SCR-Katalysator. Das hierbei für die SCR-Reaktion benötigte Ammoniak wird in der Regel nicht direkt, d. h. in reiner Form, in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine eingebracht, sondern in Form einer wässrigen Harnstofflösung, wie z.B. der DIN-geregelten, wässrigen „AdBlue“-Harnstofflösung. AdBlue wird dabei üblicherweise vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang eingespritzt, wobei aus der beigegebenen Harnstofflösung durch eine Hydrolysereaktion Ammoniak und CO2 entstehen. Das so erzeugte Ammoniak kann in dem SCR-Katalysator bei entsprechender Temperatur mit den Stickoxiden im Abgas reagieren, wobei mittels der selektiven katalytischen Reduktion mit einem hohen Wirkungsgrad Stickoxide aus dem Abgas entfernt werden können.
-
Für die Beförderung der Harnstofflösung zu dem Injektor und damit letztendlich zu dem SCR-Katalysator hin ist herkömmlicherweise ein Fördersystem erforderlich, das üblicherweise -in dieser Reihenfolge- aus einem Behälter oder Tank für die Harnstofflösung, einem einer Filter- und Pumpeneinheit vorgeschalteten, saugseitigen Ventil, der Pumpeneinheit selbst, die u.a. eine Förderpumpe aufweist, einem der Pumpeneinheit druckseitig nachgeschalteten, druckseitigen Ventil, einer Filtereinheit, sowie einem elektronischen Steuergerät zur Ansteuerung der Förderpumpe der Filter- und Pumpeneinheit besteht. Der Tank, die beiden Ventile und die Filter- und Pumpeneinheit sind dabei in der Regel durch ein einfaches Rohrleitungssystem miteinander verbunden. Das bezüglich der Erfindung in Rede stehende Ventil ist das der Pumpeneinheit nachgeschaltete, druckseitige Ventil oder Druckventil, das sich demnach auf der Druckseite der Förderpumpe, wie z.B. einer Membranpumpe, befindet und dazu dient, eine Förderung der Harnstofflösung zu dem Injektor hin zur Versorgung des Abgasnachbehandlungssystems des Dieselmotors mit Reduktionsmittel zu kontrollieren bzw. entsprechend zu dosieren.
-
Bei der Förderung der Harnstofflösung durch die Förderpumpe besteht generell das Problem, dass der Öffnungsdruck während des Betriebs der Förderpumpe, insbesondere beim Anlaufen der Förderpumpe, bei welchem zuerst Luft gepumpt wird, einen von der Förderpumpe erreichbaren Grenzwert nicht überschreiten soll. Bei abgestelltem System muss das Druckventil ferner dem saugseitig anstehenden Druck, also dem auf der Tankseite von der Förderpumpe anstehenden Druck standhalten und demnach das Rohrleitungssystem auf der Druckseite der Förderpumpe fluiddicht abdichten, um ein ungewolltes Nachrinnen der Harnstofflösung zu dem Injektor hin zu verhindern. Bei bekannten, druckseitig anzuordnenden Ventilen ist eine entsprechende Abdichtung in dem Ventil durch eine Kombination aus Bauteilen aus einem thermoplastischen Werkstoff und einem Elastomer ausgeführt, wobei das Elastomerbauteil aufgrund seiner Werkstoffeigenschaften der Abdichtung der Rohrleitung gegenüber der Harnstofflösung dient, die im Betrieb der Förderpumpe in einer von der Förderpumpe kommenden Rohrleitung zu dem Druckventil hin strömt. Dazu muss eine bestimmte Gegendruckkraft auf das Elastomerbauteil aufgebracht werden, um dem saugseitig anstehenden Druck entgegenzuwirken und dadurch die Rohrleitung fluiddicht abzudichten. Bei den bisher bekannten Ventilen wird diese Kraft in der Regel durch eine Druckfeder auf das Elastomerbauteil aufgebracht. Eine für eine derartige Druckfeder typische, lineare Federkennlinie ist beispielhaft in 2a gezeigt, in der F die Druckkraft und l den Federweg kennzeichnet. In 2a ist gezeigt, dass eine Druckkraft der Druckfeder unabhängig von einer Längenänderung der Druckfeder und damit einer Verformung des Elastomerbauteils mit einem konstanten Kraftgradienten auf das Elastomerbauteil aufgebracht wird. Da aufgrund der weichen Konsistenz des Elastomers diese linear verlaufende Druckkraft der Druckfeder ab einem gewissen Punkt eine plastische Einwirkung auf das Elastomerbauteil zur Folge haben würde, wird bisher ein weiteres Bauteil aus thermoplastischem Kunststoff in Verbindung mit dem Elastomerbauteil vorgesehen, das als Anlagebauteil für die Druckfeder dient, an dem die Druckfeder in Anlage geht und seine Druckkraft ausübt und damit die Druckkraft auf das Elastomerbauteil überträgt. Um nun eine dauerhafte und verlässliche Verbindung zwischen dem, Elastomerbauteil und dem Bauteil aus thermoplastischen Kunststoff zu erzielen, ist es bis dato üblich, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Elastomerbauteil und dem Bauteil aus thermoplastischen Werkstoff herzustellen, die jedoch überaus problematisch zu bewerkstelligen ist und nur durch aufwendige Kunststoffverbindungstechniken umgesetzt werden kann.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Magnetventil für ein Abgasnachbehandlungssystem einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass keine stoffschlüssige Verbindung zwischen unterschiedlichen Kunststoffen wie vorhergehend beschrieben erreicht werden muss, da erfindungsgemäß lediglich eine einfach umzusetzende kraftschlüssige Verbindung notwendig ist, um ein entsprechendes Druckventil umzusetzen. Genauer gesagt wird dies durch ein Magnetventil erreicht, das zwischen einer Förderpumpe und einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei das Magnetventil aus einem Membranbauteil mit einen Membranmagneten und einem Adapterbauteil mit einem Adaptermagneten besteht, die zueinander in Wechselwirkung stehen. Vorzugsweise sind dabei der Membranmagnet und der Adaptermagnet in dem Magnetventil in einer abstoßenden Art und Weise angeordnet, wodurch sich eine magnetkraftbedingte Gegendruckanordnung ergibt, durch die ein kontinuierliches Öffnungs- und Schließverhalten des Magnetventils abhängig von dem auf das Membranbauteil ausgeübten Fluiddruck erreicht werden kann. Der Abstand zwischen dem Membranmagnet und dem Adaptermagnet wird dabei bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung konstruktiv so gewählt, dass eine fluiddichte Abdichtung zwischen der Förderpumpe und dem Abgasstrang im Ruhezustand der Förderpumpe erreicht wird. Damit ist es möglich, das Öffnungs- und Schließverhalten des Magnetventils entsprechend den zu erwartenden Druckverhältnissen in dem Rohrleitungssystem des Abgasnachbehandlungssystems einzustellen und eine übermäßige Abnutzung des Magnetventils, beispielsweise durch Abreibung des Membranbauteils an der abzudichtenden Rohrleitung zu verhindern bzw. zu verringern.
-
Das Magnetventil, genauer gesagt das Membranbauteil des Magnetventils hat vorzugsweise eine bewegliche Dichtmembran, die dazu dient, das Förderrohr der Förderpumpe gegen einen Durchfluss von Harnstofflösung im Ruhezustand der Förderpumpe abzudichten. Dadurch kann sichergestellt werden, dass keine Harnstofflösung ungewollt in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine gelangt. Die Beweglichkeit der Dichtmembran kann dabei einerseits durch die Wahl eines flexiblen Werkstoffs des Membranbauteils bzw. der Dichtmembran selbst oder aber durch konstruktive Merkmale des Membranbauteils erreicht werden, wie z.B. eine Anordnung der Dichtmembran in dem Membranbauteil über mehrere Stege oder dergleichen, die konstruktiv eine gewisse Flexibilität inne haben.
-
Um radial als auch axial möglichst exakt zwischen dem Förderrohr und dem Abgasstrang positioniert und geführt zu sein, kann das Magnetventil an dem Pumpenadapterrohr befestigt sein, beispielsweise durch eine kraftschlüssige Verbindung wie z.B. einer Klemmverbindung, Kunststoffschweißung oder dergleichen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Dichtmembran das Förderrohr bzw. die Förderrohrleitung möglichst umfassend abdichten kann. Die Einzelkomponenten des Magnetventils selbst (Adapterbauteil und Membranbauteil) sind vorzugsweise über eine schnell und einfach zu montierende Klemmverbindung verbunden. Im montierten Zustand, also mit dem im Pumpenadapterrohr verschweißten Magnetventil (Magnetventil = Adapterbauteil + Membranbauteil) wird ein ungewollter Durchtritt von Harnstofflösung zwischen Förderrohr und Abgasstrang verhindert. Ferner kann das Membranbauteil des erfindungsgemäßen Magnetventils bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung aus einem Elastomerkunststoff bestehen, und/oder das Adapterbauteil kann aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen, wobei das Membranbauteil und das Adapterbauteil vorzugsweise durch Spritzgießen hergestellt sind. Durch dieses Thermoplast-Spritzgießen bzw. Elastomer-Spritzgießen ist es möglich, jede denkbare Ausgestaltung für das Membranbauteil oder das Adapterbauteil auf kostengünstige Art und Weise zu erzielen. Der Membranmagnet kann dabei in dem Membranbauteil von dem Elastomer umspritzt angeordnet sein. Ferner kann der Adaptermagnet in dem Adapterbauteil von dem Thermoplast ebenfalls umspritzt angeordnet sein. Jede dieser Kunststoff-Umspritzungen wird dadurch erreicht, dass der jeweilige Magnet in die entsprechende Negativform der beiden Bauteile bei einem Spritzvorgang eingesetzt und platziert wird, so dass der einzuspritzende Kunststoff den jeweiligen Magneten anschließend vollständig umschließen kann. Eine derartige umschlossene Anordnung der Magneten in dem jeweiligen Bauteil hat zur Folge, dass die Harnstofflösung ausschließlich mit dem jeweiligen Kunststoffmaterial in Berührung kommt und demnach verhindert werden kann, dass die Harnstofflösung durch das Material des Magneten beeinträchtig wird, oder andererseits das Magnetmaterial nicht durch die in der Regel aggressive Harnstofflösung angegriffen wird.
-
Der Membranmagnet und/oder der Adaptermagnet sind dabei vorzugsweise Permanentmagnete, die für ein stabiles Öffnungsverhalten des Magnetventils sorgen. Die Magnete können aber in einer alternativen Ausführung auch beispielsweise als Elektromagnete ausgeführt werden, um eine einzelne, gezielte Ansteuerung des jeweiligen Magneten zu ermöglichen. Permanentmagnete haben demgegenüber jedoch den Vorteil, ohne Stromversorgung auszukommen und eine im Vorfeld zu planende, konstruktive Ausführung der Magnetventilbauteile zu vereinfachen, da die jeweilige Konstruktion nur auf ein festes Magnetkraftverhältnis auszulegen ist, ohne ein durch Elektromagnete erreichbares, sich veränderndes Magnetkraftverhalten der Magnetanordnung in einem entsprechenden erfindungsgemäßen Magnetventil in Betracht ziehen zu müssen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine Darstellung eines Magnetventils gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht;
-
2a ein Diagramm einer Federkennlinie einer Druckfeder für ein Druckventil gemäß dem Stand der Technik;
-
2b ein Diagramm einer Kennlinie eines in 1 gezeigten Magnetventils;
-
3a eine Darstellung des in 1 gezeigten Magnetventils in einer Draufsicht;
-
3b eine Schnittdarstellung des in 1 gezeigten Magnetventils gemäß dem in 3a gezeigten Schnitt A-A; und
-
3c eine Schnittdarstellung des in 1 gezeigten Magnetventils gemäß dem in 3a gezeigten Schnitt B-B.
-
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
-
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetventils 1 für ein Abgasnachbehandlungssystem einer selbstzündenden Brennkraftmaschine in einer Schnittdarstellung, bei der das Magnetventil 1 zwischen einem Förderrohr 41 bzw. einer Förderrohrleitung 41 einer Förderpumpe 4 (nicht gezeigt) und einem Pumpenadapterrohr 51 eines das Gegenstück zu der Förderpumpe 4 darstellenden Pumpenadapters (nicht gezeigt) angeordnet ist, das mit einem Abgasstrang 5 (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine in Verbindung steht. Durch die Förderpumpe wird eine wässrige Harnstofflösung angesaugt und durch das Förderrohr 41, das Magnetventil 1 und das Pumpenadapterrohr 51 in dieser Reihenfolge zu einem Injektor (nicht gezeigt) befördert, über den die wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrang 5 eingespritzt wird.
-
Das in 1 gezeigte Magnetventil 1 besteht aus einem Membranbauteil 2 und einem Adapterbauteil 3, die miteinander durch eine leichte Verpressung verbunden sind. Das Adapterbauteil 3 ist dabei in das Pumpenadapterrohr 51 fest eingeschweißt oder eingepresst, um dadurch das damit verbundene Membranbauteil 2 sicher zu positionieren und zu führen. Das Membranbauteil 2 hat im Wesentlichen eine Ringform und zeigt im Schnitt annähernd eine nach außen gerichtete Pfeilform. Das Membranbauteil 2 weist eine zylinderförmige Dichtmembran 22 in seiner radialen Mitte auf, die durch zwei flexible Stege 23 (siehe 3a und 3b) beweglich gehalten ist und dazu dient, das Förderrohr 41 der Förderpumpe 4 abzudichten. In 1 ist die Dichtmembran 22 und das Förderrohr 41 so dargestellt, dass der maximale Außendurchmesser des Zylinderkörpers der Dichtmembran 22 den maximalen Innendurchmesser des Förderrohrs 41 exakt abschließen kann. Der Durchmesser des Förderrohrs 41 kann jedoch auch kleiner gewählt sein bzw. der Außendurchmesser des Zylinderkörpers der Dichtmembran 22 kann größer gewählt sein, um eine Abdichtung durch die Dichtmembran 22 sicher zu gewährleisten. 1 zeigt hier einen Ruhezustand der Förderpumpe 4 bzw. einen Zustand der Förderpumpe 4 mit geringem Förderdruck, bei dem die Dichtmembran 22 nicht durch den evtl. anliegenden Druck aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird und dadurch das Förderrohr 41 abdichtet, indem die Dichtmembran 22 mit diesem in Anlage steht, wodurch ein ungewünschter Durchfluss bzw. ein ungewünschtes Entweichen der wässrigen Harnstofflösung durch das Magnetventil 1 hindurch verhindert wird. Das Magnetventil 1 hat dabei die Funktion eines druckabhängigen Abdichtventils. Im Inneren der Dichtmembran 22 ist ein scheibenartiger Membranmagnet 21 angeordnet, wie es in 1, 3a und 3c zu sehen ist. Das Membranbauteil 2 ist in diesem Beispiel aus einem Elastomerkunststoff wie z.B. HNBR (Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk) spritzgegossen, wobei der Membranmagnet 21 in die Dichtmembran 22 des Membranbauteils 2 eingegossen ist und dadurch vollständig von dem Elastomer umschlossen ist. Das Membranbauteil 2 kann an dessen äußersten Außendurchmesser, also an der Spitze 24 der Pfeilform, durch eine zusätzliche Halterung (nicht gezeigt) gehalten sein, die durch ein zusätzlich zu dem Förderrohr 41 vorgesehenes Außenrohr oder dergleichen umgesetzt wird.
-
Das Adapterbauteil 3 hat ebenfalls im Wesentlichen eine Ringform bzw. eine Hohlzylinderform, bei der in der radialen Mitte der Ringform bzw. des Hohlzylinders ein zylinderförmiger Positionierkörper 32 durch zwei Stege 33 (siehe 3a und 3c) gehalten ist, wobei ein scheibenartiger Positioniermagnet oder Adaptermagnet 31 in dem Positionierkörper 32 eingeschlossen ist, der den magnetischen Gegenpol zu dem Membranmagneten 21 darstellt. Das Adapterbauteil 3 ist in diesem Beispiel aus einem thermoplastischen Kunststoff wie z.B. PA66 (Polyamid 66) oder PPA (Polyphthalamid) spritzgegossen, wobei der Adaptermagnet 31 in den Positionierkörper 32 des Adapterbauteils 3 eingegossen ist und dadurch vollständig von dem thermoplastischen Kunststoff umschlossen ist. Das Adapterbauteil 3 weist an seinem zu dem Membranbauteil 2 hin gerichteten Ende eine Aussparung 34 im Außendurchmesser auf, die mit der Ringform des Membranbauteils 2 im zusammengesetzten Zustand des Magnetventils 1 in Eingriff steht. Dadurch ist es möglich, die Dichtmembran 22 relativ zu dem Förderrohr 41 exakt zu positionieren, um eine möglichst flächendeckende Abdichtung des Förderrohrs 41 zu gewährleisten.
-
Im zusammengesetzten Zustand des Magnetventils 1 befinden sich der Membranmagnet 21 und der Adaptermagnet 31 übereinander in einer sich gegenseitig abstoßenden Anordnung. Das bedeutet, dass der Membranmagnet 21 und dadurch die Dichtmembran 22 durch die Magnetanordnung eine Magnetkraft in Richtung hin zu dem Förderrohr 41 erfährt. Weiterhin wird dann, wenn eine durch das Förderrohr 41 strömende Harnstofflösung auf die Dichtmembran 22 trifft, diese durch den Strömungsdruck in Richtung weg von der Förderpumpe 4 und zu dem Positionierkörper 32 hin entgegen der abstoßenden Magnetkraft bewegt, wodurch die Harnstofflösung durch in dem Magnetventil 1 vorgesehene Kanäle 11 (siehe 1, 3a und 3b) strömen kann. Da sich mit der Bewegung der Dichtmembran 22 bzw. der flexiblen Verformung der Stege 23 in Richtung hin zu dem Positionierkörper 32 der Membranmagnet 21 dem Adaptermagnet 31 nähert, verringert sich der Abstand zwischen den beiden Magneten 21, 31 und die Abstoßungskraft zwischen diesen erhöht sich, wobei die Abstandsänderung mit der dritten Potenz in die sich nun ergebende abstoßende Magnetkraft eingeht, wie es auch in 2b zu sehen ist. 2b zeigt eine annähernd hyperbelähnliche Kennlinie der Magnetkraft des Magnetventils 1 gegenüber der linearen Federkennlinie der Druckfeder des Stands der Technik, die in 2a gezeigt ist. In 2b bezeichnet entsprechend Fr die abstoßende Magnetkraft zwischen den beiden Magneten 21, 31, und s bezeichnet den Abstand s zwischen den beiden Magneten 21, 31. Bei einer Auslegung der Magneten 21, 31 in einer Art und Weise, dass sich eine Veränderung des Abstands zwischen den beiden Magneten 21, 31 in dem in 2b gezeigten Bereich zwischen s1 und s2 abspielt, nimmt die Kraft bei Öffnen des Magnetventils 1 weniger zu als bei Verwendung einer Druckfeder (siehe 2a), was einer Funktion der Pumpe 4 zu Gute kommt. In der bevorzugten Ausführungsform entsprechen die Form und die Größe des Membranmagneten 21 der Form und der Größe des Adaptermagneten 31, um eine möglichst gleichmäßige Abstoßung zwischen diesen zu erreichen. Alternativ dazu können die Formen der Magnete 21, 31 eine andere Form als die beschriebene Scheibenform aufweisen, z.B. eine Kugelform oder dergleichen, wobei es auch denkbar ist, dass die beiden Magnete 21, 31 zueinander unterschiedliche Formen oder Größen aufweisen können.
-
Wie es in 3a in einer Draufsicht auf das Magnetventil 1 zu sehen ist, liegt das Membranbauteil 2 so auf dem Adapterbauteil 3 auf, dass die Stege 23 und 33 senkrecht zueinander angeordnet sind und entsprechend zwischen den Stegen 23 und 33 durchgehende Kanäle 11 verbleiben, durch die Harnstofflösung im offenen Zustand des Magnetventils 1 strömen kann. Die Stege 23 und 33 sind dabei fertigungsbedingt jeweils an deren Enden abgerundet ausgebildet. Alternativ zu einer derartigen Ausbildung mit jeweils zwei Stegen 23 und 33 wäre es ebenfalls denkbar, jeweils nur einen einzigen Steg bzw. jeweils mehr als zwei Stege vorzusehen.
