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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung sowie eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Im Laufe der Entwicklung von Verbrennungsmotoren hat sich gezeigt, dass es immer schwieriger und aufwendiger wird, die sich stetig verschärfenden Abgasnormen allein mit innermotorischen Maßnahmen zu erfüllen. Daher haben sich Abgasnachbehandlungssysteme durchgesetzt, mit denen die schädlichen Komponenten des Abgases im Abgaskanal des Verbrennungsmotors reduziert werden. Bei Ottomotoren erfolgt die Reduktion der schädlichen Abgaskomponenten in der Regel durch Drei-Wege-Katalysatoren. Bei Dieselmotoren haben sich hierzu Oxidationskatalysatoren, Partikelfilter und Katalysatoren zur Reduktion von Stickoxiden etabliert. Zur Regeneration des Partikelfilters, bzw. als Hilfsstoff für die Katalysatoren werden Flüssigkeiten, beispielsweise Kraftstoff oder wässrige Harnstofflösung, in der Abgaskanal des Verbrennungsmotors eindosiert. Diese Eindosierung erfolgt über ein am Abgasstang angeordnetes Einspritzventil, welches eine Zufuhr der Flüssigkeit in den Abgaskanal freigibt. Dabei können sich Rußpartikel aus dem Abgas des Verbrennungsmotors auf dem Einspritzventil ablagern und so die Spritzöffnungen des Einspritzventils verstopfen. Aus der
DE 10 2006 057 287 ist daher ein Abgaskanal mit einem Einspritzventil bekannt, bei dem zwischen dem Einspritzventil und einer Abgasleitung des Abgasstrangs eine Klappe angeordnet ist, welche in Dosierpausen des Einspritzventils verschließbar ist, um das Einspritzventil vor einer hohen thermischen Belastung und Rußeintrag durch das Abgas im Abgaskanal zu schützen. Ferner ist aus der
DE 10 2008 040 822 ein Einspritzventil bekannt, bei dem das Einspritzventil eine vorgelagerte, elastische Membran mit Spritzlöchern aufweist, um einen Volumenausgleich für evtl. im Einspritzventil verbliebenes und bei tiefen Außentemperaturen gefrierendes Reduktionsmittel zu schaffen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Einspritzventil sowie die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass der Zulauf exzentrisch zu einer Mittelachse des Einspritzventils und die Einspritzöffnung konzentrisch zur Mittelachse des Einspritzventils ausgebildet sind. Durch die exzentrische Einleitung der Flüssigkeit entsteht im Bereich der Einspritzöffnung eine Drallströmung, wobei sich die Strömung der Flüssigkeit fliehkraftbedingt an den Wandungen der Einspritzöffnung anlegt. Somit werden Oberflächenablagerungen, die zu einer Verengung der Einspritzöffnung und einer damit verbundenen Abnahme der Durchflussrate der Flüssigkeit führen können, vermieden. Darüber hinaus sorgt die Drallströmung für eine verbesserte Ablösung der Flüssigkeit von der Düsenspitze, wodurch nach Beendigung eines Einspitzvorgangs weniger Flüssigkeit in der Einspritzöffnung und an der Spitze des Einspritzventils verbleibt. Die auf diese Weise reduzierten benetzten Oberflächen weisen auch eine geringeren Partikelabscheidegrad auf, so dass weniger Rußpartikel an dem Einspritzventil haften bleiben und die Verrußungsneigung der Einspritzöffnungen des Einspritzventils reduziert wird. Durch die mittige Anordnung der Einspritzöffnung kann die Flüssigkeit über nur eine Einspritzöffnung gleichmäßig im Abgaskanal verteilt werden, und die Gefahr von Benetzungen der Wand des Abgaskanals wird reduziert.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des vorgeschlagenen Einspritzventils sowie der vorgeschlagenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass zwischen dem Zulauf und der Einspritzöffnung ein Umlenkelement angeordnet ist, welches einen Strömungskanal aufweist, der radial zur Mittelachse des Einspritzventils ausgebildet ist. Durch das Umlenkelement und den Strömungskanal, der radial zur Mittelachse ausgebildet ist, kann der vorteilhafte Drall erzeugt bzw. noch weiter verstärkt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Strömungskanal exzentrisch zur Mittelachse in eine Wirbelkammer mündet. Durch die exzentrische Einleitung in die Wirbelkammer wird ein Drall- bzw. ein Wirbel um die Mittelachse verstärkt, so dass die Strömung an den Wandbereichen der Einspritzöffnung anliegt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Einspritzöffnung unmittelbar, d.h. ohne Zwischenschaltung weiterer Strömungselemente oder Leitungen, mit der Wirbelkammer verbunden ist. Dadurch kann zum einen eine kompakte Bauweise des Einspritzventils erreicht werden, zum anderen bleibt der erzeugte Drall somit bis zum Austritt der Flüssigkeit aus der Einspritzöffnung erhalten bzw. wird nicht durch Strömungsverluste in zwischengeschalteten Strömungselementen reduziert.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Ventilkörper eine oder mehrere Spritzlochscheiben umfasst, wobei zumindest der Zulauf und die Einspritzöffnung in der einen oder den mehreren Spritzlochscheiben ausgebildet sind. Eine Spritzlochscheibe lässt sich fertigungstechnisch einfach herstellen und kann entsprechend, beispielsweise zur Einbringung von Bohrungen und Kanälen, einfach weiterbearbeitet werden. Dabei wird insbesondere die Einbringung von Kanälen quer zur Mittelachse des Einspritzventils, beispielsweise des Strömungskanals, erleichtert oder gar erst ermöglich, welche bei einem einteiligen Ventilkörper deutlich schwieriger, aufwendiger und teurer oder gar nicht einzubringen wären. Ein Zusammensetzen von mehreren Spritzlochscheiben kann dann einfach, beispielsweise kraftschlüssig oder stoffschlüssig, ausgeführt werden.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Zulauf und der Strömungskanal in Strömungsrichtung vor dem Ventilsitz ausgebildet sind. Dadurch wird das Totvolumen zwischen dem Ventilsitz und der Einspritzöffnung reduziert, wodurch die Gefahr von Belägen und Ablagerungen zwischen dem Ventilsitz und der Einspritzöffnung reduziert wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Einspritzöffnung gestuft ausgeführt ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Einspritzöffnung in Strömungsrichtung der Flüssigkeit zunächst einen kleineren Durchmesser und dann einen größeren Durchmesser aufweist. Durch die gestufte Ausführung wird eine Verengung des engsten Querschnitts der Einspritzöffnung durch Ablagerungen oder Rußpartikel erschwert. Der kleinste Querschnitt der Einspritzöffnung liegt dann in einem weniger exponierten Bereich des Einspritzventils, während der abgasseitige Querschnitt größer ausgeführt ist. Mit einer derartigen Auslegung der Einspritzöffnung kann erreicht werden, dass sich Rußpartikel überwiegend dort ablagern, wo sie die Durchflussrate der Flüssigkeit durch die Einspritzöffnung und das Strahlbild nicht, oder nur geringfügig beeinträchtigen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzventils.
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2a–2c zeigen die Spritzlochscheiben des Einspritzventils aus 1 in Explosionsdarstellung.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzventils.
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4a–4e zeigen die Spritzlochscheiben des Einspritzventils aus 3 in Explosionsdarstellung.
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5a–5c zeigen weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Einspritzventils mit gestufter Einspritzöffnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzventils 10 dargestellt. Das Einspritzventil 10 weist einen Ventilkörper 20 auf, der mehrteilig ausgeführt ist, und ein Gehäuseteil 21, sowie ein Spritzlochscheibenpaket 30 umfasst. Das Spritzlochscheibenpaket 30 umfasst seinerseits die Spritzlochscheiben 43, 44 und 45. In der Spritzlochscheibe 43 sind eine Führung 28 für ein Schließglied 25 und ein Zulauf 33 ausgebildet. Der Zulauf 33 verbindet eine Ventilkammer 26 mit einem Strömungskanal 36. In einer zweiten Spritzlochscheibe 44, welche ein Umlenkelement 34 für die Flüssigkeit im Einspritzventil 10 darstellt, ist der Strömungskanal 36 ausgebildet. Der Strömungskanal 36 mündet radial in eine Wirbelkammer 39. Die Wirbelkammer 39 wird zum einen durch die Führung 28, zum anderen durch eine dritte Spritzlochscheibe 45 begrenzt, an welcher ein Ventilsitz 22 und eine Einspritzöffnung 40 ausgebildet sind. Die Wirbelkammer 39 ist unmittelbar mit der Einspritzöffnung 40 verbunden, welche zentrisch zu einer Mittelachse 12 durch das Einspritzventil 10 angeordnet ist. Die Einspritzöffnung 40 weist eine erste Stufe mit einem kleineren Durchmesser d1 und eine zweite Stufe mit einem größeren Durchmesser d2 auf.
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Bei geschlossenem Einspritzventil 10 ist die Zufuhr von Flüssigkeit zur Einspritzöffnung 40 durch das Schließglied 25, welches den Ventilsitz 22 abdichtet, unterbunden. Wird das Einspritzventil 10 zur Eindosierung der Flüssigkeit angesteuert, so hebt das Schließglied 25 aus dem Ventilsitz 22 ab und gibt einen Strömungspfad aus der Ventilkammer 26 zur Einspritzöffnung 40 frei. Dabei strömt die Flüssigkeit aus der Ventilkammer 26 durch den Zulauf 33 in den Strömungskanal 36, und von dort in die Wirbelkammer 39. Aus der Wirbelkammer 39 gelangt die Flüssigkeit durch die Einspritzöffnung 40 in einen nicht dargestellten Abgaskanal einer Brennkraftmaschine.
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Die drei Spritzlochscheiben des Strömungspfades sind in 2a–c in Explosionsdarstellung gezeigt. In der Spritzlochscheibe 43 sind drei Zuläufe 33 ausgebildet, wobei jeder Zulauf 33 exzentrisch zu der Mittelachse 12 des Einspritzventils 10 ausgebildet ist. Die Spritzlochscheibe 43 weist ferner eine zentrische Bohrung 27 auf, welche die Führung 28 für das Schließglied 25 bildet. In der zweiten Spritzlochscheibe 44, welche in 2b dargestellt ist, sind die drei Zuläufe 33 zu erkennen. Die Zuläufe 33 sind über jeweils einen Strömungskanal 36 mit der Wirbelkammer 39 verbunden. Die Strömungskanäle 36 münden dabei exzentrisch zur Mittelachse 12 tangential in die Wirbelkammer 39. In 2c ist die dritte Spritzlochscheibe 45 des Spritzlochscheibenpakets 30 dargestellt, an der die Einspritzöffnung 40 sowie der Ventilsitz 22 ausgebildet sind.
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Beim Durchströmen des Spritzlochscheibenpakets 30 strömt die Flüssigkeit zunächst in die Zuläufe 33 in der ersten Spritzlochscheibe 43 ein. Am anderen Ende der Zuläufe 33, welches in der Spritzlochscheibe 44 ausgebildet ist, wird die Flüssigkeit um 90° umgelenkt und strömt in die Strömungskanäle 36 ein, wobei durch die Umlenkung Turbulenz erzeugt werden kann. Aus den Strömungskanälen 36 strömt die Flüssigkeit jeweils tangential in die Wirbelkammer 39 ein, wo sich eine Drallströmung ausbildet. Diese Drallströmung wird durch die erste Stufe der Einspritzöffnung 40 geführt, wo sie sich an der Wandung der Einspritzöffnung 40 anlegt und gelangt von dort über die zweite Stufe der Einspritzöffnung 40 in den Abgaskanal der Brennkraftmaschine. Durch die Drallströmung wird die Flüssigkeit derart in Rotation versetzt, dass sich in der Einspritzöffnung 40 ein dünner Flüssigkeitsfilm ausbildet, welcher Ablagerung in diesem Bereich vermeidet und evtl. vorhandene Rußpartikel aus der Einspritzöffnung ausspült.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzventils 10 gezeigt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wie in 1 wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Das Spritzlochscheibenpaket 30 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel fünf Spritzlochscheiben 41, 42, 43, 44, 45, wobei der Ventilsitz 22 in der obersten Spritzlochscheibe 41 ausgebildet ist. Der Aufbau der Spritzlochscheiben 41, 42, 43, 44, 45 ist den 4a–4e zu entnehmen. In der Spritzlochscheibe 42 ist ein Strömungskanal 52 ausgebildet, welcher sternförmig um die Mittelachse 12 des Einspritzventils 10 auseinandergeht. Der Strömungskanal 52 mündet in die Zuläufe 33, welche in der Spritzlochscheibe 43 ausgebildet sind und somit eine fluidische Verbindung zwischen der Spritzlochscheibe 42 und der Spritzlochscheibe 44 darstellen. In der Spritzlochscheibe 44 sind die Strömungskanäle 36 ausgebildet, die wie bei dem Ausführungsbeispiel in 1 tangential und exzentrisch zur Mittelachse 12 in eine Wirbelkammer 39 einmünden, welche in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls in der Spritzlochscheibe 44 ausgebildet ist. Die Spritzlochscheibe 45 weist die Einspritzöffnung 40 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls gestuft, d.h. mit einem ersten, kleineren Durchmesser d1 und mit einem größeren Durchmesser d2 ausgeführt ist.
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Neben Ausführungsformen mit drei Zuläufen 33 und drei Strömungskanälen 36 sind auch Ausführungsformen des Einspritzventils 10 mit einem, zwei oder mehr als drei Zuläufen 33 und entsprechend ebenso vielen Strömungskanälen 36 möglich. Anstelle von einem Spritzlochscheibenpaket 30 ist es möglich, eine einzelne Spritzlochscheibe zu verwenden. Dies ist einfach zu realisieren, wenn die einzelne Spritzlochscheibe von beiden Seiten bearbeitet wird und beispielsweise der Strömungskanal 36 und die Wirbelkammer 39 von der einen Seite in die einzelne Spritzlochscheibe eingebracht werden, und die gestufte Einspritzöffnung von der anderen Seite. Der Zulauf 33 kann alternativ auch im Gehäuseteil 21 ausgebildet sein, so dass sich beim Zusammensetzen der einzelnen Spritzlochscheibe und des Gehäuseteils 21 dieselbe Strömungsgeometrie wie in 1 ergibt.
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In den 5a bis 5c sind verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Einspritzventils 10 mit einer gestuften Einspritzöffnung 40 offenbart. Die 5a entspricht dabei weitestgehend der 1, wobei die Einspritzöffnung 40 eine erste Stufe mit einem Durchmesser d1 und eine zweite Stufe mit einem Durchmesser d2 aufweist. Die zweite Stufe weist keine zylindrische Geometrie auf, sondern ist kalottenförmig in die Spritzlochscheibe 45 eingebracht. Bei dem Ausführungsbeispiel in 5b ist eine zusätzliche dritte Stufe mit einem Durchmesser d3 ausgeführt, wobei die Stufen jeweils zylindrisch oder kalottenförmig ausgebildet sind.
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In 5c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die gestufte Einspritzöffnung 40 in Strömungsrichtung zunächst ein zylindrischen Abschnitt mit kleinem Durchmesser d1 und darauf folgend einen konischen Abschnitt mit sich stetig erweiterndem Durchmesser aufweist.
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Um bereits ein Abreißen des Flüssigkeitsfilms an dem Übergang von der ersten Stufe zur zweiten Stufe der Einspritzöffnung 40 zu erreichen, kann der Übergang von der ersten Stufe der Einspritzöffnung 40 zur zweiten Stufe scharfkantig erfolgen. Dabei wird ein Anlegen des Flüssigkeitsfilms an die zweite Stufe angenommen. Die Auslegung des Wandfilms in der ersten Stufe der Einspritzöffnung 40 erfolgt über die Auslegung des Dralls, d.h. die Strömungsgeometrie, unter der der Strömungskanal 36 in die Wirbelkammer 39 einmündet, sowie den Durchmesser der ersten Stufe der Einspritzöffnung 40. Zur Vermeidung von Ablagerungen können die Länge der ersten und der zweiten Stufe der Einspritzöffnung 40 ebenfalls angepasst werden. Die zweite Stufe ist im Durchmesser d2 und in der Länge so gewählt, dass sich Ablagerungen weitestgehend auf die zweite Stufe beschränken. Durch eine doppelte- oder mehrfache Stufung kann dieser Effekt ggf. noch verstärkt werden. Neben der zylindrischen Stufung (1) kann auch eine kalottenförmige (5a) oder kegelige Geometrie (5c) eingesetzt werden. Bei geringer Ablagerungsneigung kann ggf. auf Stufen verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057287 [0002]
- DE 102008040822 [0002]
