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Die Erfindung betrifft ein Dosierventil. Ein derartiges Dosierventil kann verwendet werden, um eine Flüssigkeit aus einem unter Druck stehenden Speicher zu dosieren.
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Das Dosierventil ist insbesondere geeignet, um ein einfriergefährdetes flüssiges Additiv zu dosieren. Ein solches einfriergefährdetes flüssiges Additiv ist beispielsweise Harnstoff-Wasser-Lösung. Harnstoff-Wasser-Lösung wird regelmäßig zur Abgasreinigung in Abgasbehandlungsvorrichtungen im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt. In Kraftfahrzeugen wird in Abgasbehandlungsvorrichtungen zur Reinigung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen in letzter Zeit vermehrt das SCR-Verfahren [SCR = Selective Catalytic Reduction] angewendet. Bei diesem Verfahren werden Stickstoffoxidverbindungen im Abgas zu unschädlichen Substanzen reduziert. Dazu wird der Abgasbehandlungsvorrichtung Harnstoff-Wasser-Lösung als Reduktionsmittelvorläufer bzw. Ammoniak als Reduktionsmittel zugeführt. Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird thermolytisch (durch hohe Temperaturen) und/oder hydrolytisch (unterstützt durch einen Katalysator) zu Ammoniak umgesetzt. Die Stickstoffoxidverbindungen im Abgas reagieren mit dem Ammoniak zu unschädlichen Substanzen (insbesondere zu CO2, Wasser und Stickstoff). Das Additiv ist beispielsweise Harnstoff-Wasser-Lösung.
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Für die Abgasreinigung ist eine 32,5 prozentige Harnstoff-Wasser-Lösung verbreitet, welche unter dem Handelsnamen AdBlue® erhältlich ist. Diese Harnstoff-Wasser-Lösung friert bei –11 °C ein. Derart niedrige Temperaturen können im Kraftfahrzeugbereich insbesondere während langer Stillstandszeiten auftreten.
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Ein SCR-Dosiersystem kann so ausgeführt sein, dass in einem Dosierventil zur Dosierung von flüssigem Additiv auch während dieser Stillstandszeiten das flüssige Additiv vorliegt. Das SCR-Dosiersystem wird also im Abstellfall nicht entleert. Das SCR-Dosiersystem muss daher so ausgestaltet sein, dass es durch Einfrieren des Reduktionsmittels nicht zerstört wird. Gleichzeitig sollten gleichwohl alle Komponenten des SCR-Dosiersystems, insbesondere das Dosierventil, möglichst kostengünstig sein.
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Es ist Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zu lösen bzw. zumindest zu lindern. Es soll insbesondere ein besonders vorteilhaftes Dosierventil vorgestellt werden, welches einfrierbeständig ist.
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Diese Aufgaben werden gelöst einem Dosierventil gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Das erfindungsgemäße Dosierventil weist zumindest ein Ventilgehäuse mit einem Kanal und einen Ventilkörper auf, der beweglich ist, um das Dosierventil zu öffnen und zu schließen und eine Feder, welche eine Federkraft auf den Ventilkörper ausübt und den Ventilkörper so in einer Ruhestellung hält, wobei die Feder an mindestens einem Kalibrierkörper abgestützt ist, der Ventilkörper, die Feder und der mindestens eine Kalibrierkörper in dem Kanal angeordnet sind und der mindestens eine Kalibrierkörper von einem Abstützbauteil abgestützt ist, welches mit einer stoffschlüssigen Verbindung in dem Ventilgehäuse befestigt ist, wobei ein Abschnitt des Abstützbauteil aus dem Ventilgehäuse hervorsteht.
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Das Dosierventil weist vorzugsweise zumindest einen Einlass auf, durch welchen flüssiges Additiv in das Dosierventil gelangen kann. Außerdem weist das Dosierventil vorzugsweise mindestens einen Auslass auf, durch welchen flüssiges Additiv von dem Dosierventil dosiert abgegeben werden kann. Von dem Einlass zu dem Auslass existiert durch das Dosierventil vorzugsweise ein Strömungsweg, welchem das flüssige Additiv von dem Einlass zu dem Auslass folgen kann und welcher mit dem Ventilkörper verschließbar ist. Dieser Strömungsweg ist im Betrieb des Dosierventils zumindest teilweise mit dem flüssigen Additiv gefüllt. Wenn der Strömungsweg von dem Einlass zu dem Auslass freigegeben werden soll, wird der Ventilkörper bewegt, um das Dosierventil zu öffnen. Der Ventilkörper wird von der Feder in einer Ruhestellung gehalten, indem die Feder auf den Ventilkörper eine Federkraft ausübt. In Ruhestellung ist der Ventilkörper vorzugsweise mit der Feder und der Federkraft gegen einen Anschlag vorgespannt. Die Feder ist gegen mindestens einen Kalibrierkörper abgestützt. Bei der Montage des Dosierventils wird die Position des Kalibrierkörpers individuell festgelegt, um die Federkraft der Feder auf den Ventilkörper genau einzustellen.
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Der Kanal bildet vorzugsweise zumindest abschnittsweise den Strömungsweg durch das Dosierventil (vorzugsweise von dem zumindest einen Einlass zu dem zumindest einen Auslass) aus. Das Ventilgehäuse ist vorzugsweise als Gussteil ausgeführt, in welches der Kanal eingegossen ist. Es ist auch möglich, dass der Kanal in das Ventilgehäuse hineingebohrt oder hineingefräst ist. Das Ventilgehäuse ist vorzugsweise aus Metall. Das Ventilgehäuse kann auch aus Blechteilen bestehen. Eine stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung sein.
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Die Materialen des Kalibrierkörpers, des Abstützbauteils und das Material des Dosierventils bzw. das Material des Ventilgehäuses im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung sind vorzugsweise metallisch. Die Schweißverbindung ist vorzugsweise eine metallische Schweißverbindung, bei der ein metallisches Material des Abstützbauteils und ein metallisches Material des Ventilgehäuses miteinander verschmolzen sind. Die Schweißverbindung wird vorzugsweise unter der Einwirkung eines Schutzgases hergestellt, um während des Schweißvorgangs Sauerstoff von der Schweißstelle fern zu halten und eine besonders hohe Qualität der Schweißverbindung zu gewährleisten.
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Einfrierendes, flüssiges Additiv in dem Dosierventil kann auf die Komponenten des Dosierventils, welche an das flüssige Additiv angrenzen, sehr große Kräfte erzeugen. Insbesondere wasserbasierte flüssige Additive (wie beispielsweise Harnstoff-Wasser-Lösung) dehnen sich beim Einfrieren aus, wodurch sehr hohe Drücke entstehen können. Es hat sich heraus gestellt, dass die Kalibrierhülse mit Hilfe einer stoffschlüssigen Verbindung an einem Abstützbauteil in dem Ventilgehäuse so befestigt werden kann, dass keine dauerhafte Verschiebung oder Verformung der Kalibrierhülse durch auftretenden Eisdruck auftritt. Damit wird auch die von der Feder auf den Ventilkörper ausgeübte Federkraft nicht dauerhaft verändert.
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Das Dosierventil kann außer dem Ventilkörper, der Feder und dem Kalibrierkörper noch weitere Bauteileile umfassen, wie beispielsweise eine Antriebseinheit, Dichtungen, usw. Eine Antriebseinheit eines Dosierventils umfasst regelmäßig einen elektrischen Antrieb. Der Antrieb ist typischerweise in der Lage, auf den Ventilkörper eine Kraft auszuüben, welche zum Öffnen des Dosierventils gegen die Federkraft wirkt. Wenn die vom Antrieb auf den Ventilkörper ausgeübte Kraft die Federkraft übersteigt, bewegt sich der Ventilkörper und das Dosierventil öffnet. Der Ventilkörper gibt dann den Strömungsweg von dem zumindest einen Einlass zu dem zumindest einen Auslass des Dosierventils frei. Die von dem Antrieb auf den Ventilkörper ausgeübte Kraft ist normalerweise eine magnetische Kraft. Der Ventilkörper weist daher vorzugsweise zumindest einen Abschnitt aus Metall auf, damit eine magnetische Kraft des Antriebs auf den Ventilkörper wirken kann.
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Eine stoffschlüssige Verbindung ist mit verhältnismäßig geringem technischen Aufwand in die Fertigung eines Dosierventils zu integrieren, insbesondere wenn die stoffschlüssige Verbindung zusätzlich zu einer Pressverbindung zwischen dem Dosierventil und dem Kalibrierkörper ausgeführt wird. Es hat sich heraus gestellt, dass es wesentlich aufwändiger wäre eine stabilere Pressverbindung herzustellen, weil hierzu das gesamte Dosierventilgehäuse wesentlich stabiler ausgeführt sein müsste, um die höheren Kräfte der Pressverbindung dauerhaft aufnehmen zu können. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, sowohl eine Pressverbindung als auch die beschriebene stoffschlüssige Verbindung an einem Abstützbauteil zur Fixierung des Kalibrierkörpers zu verwenden, weil dann die Kräfte zum Halten des Kalibrierkörpers (auch bei Eisdruck) auf zwei verschiedene Verbindungen aufgeteilt werden und so auch ohne eine stabilere Ausführung des Dosierventils eine sichere Positionierung des Kalibrierkörpers gewährleistet werden kann.
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Das Abstützbauteil liegt vorzugsweise unmittelbar an dem Kalibrierkörper an. Das Abstützbauteil verlängert den Kalibrierkörper. Der Abschnitt des Abstützbauteils ist vorzugsweise so ausgebildet, dass das Abstützbauteil sich an einer Ventilhalterung für das Dosierventil abstützt. Die Länge, mit der der Abschnitt über das Ventilgehäuse übersteht, ist vorzugsweise entsprechend gewählt. So kann die Kraft zum Halten des Kalibrierkörpers noch weiter erhöht werden. Die Ventilhalterung ist beispielsweise eine Aufnahme für das Dosierventil in einer Zufuhrvorrichtung zur Zugabe des flüssigen Additivs zu einer Abgasbehandlungsvorrichtung. Die Verlängerung des Abstützbauteils ermöglicht insbesondere, dort eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Ventilgehäuse zu realisieren und/oder ein vorgelagertes Einströmvolumen (Hohlraum) zu reduzieren und/oder eine Führung/Lagerung für das Abstützbauteil außerhalb des Ventilgehäuses vorzusehen.
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Das Dosierventil ist außerdem vorteilhaft, wenn der Kalibrierkörper hülsenförmig ist und der Kanal einen Kanalabschnitt aufweist, in welchem der Kalibrierkörper positioniert werden kann, um so die Federkraft der Feder auf den Ventilkörper einzustellen. Das Abstützbauteil ist vorzugsweise ebenfalls hülsenförmig und in dem Kanalabschnitt positioniert.
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Der Kanal ist vorzugsweise abschnittsweise zylindrisch geformt und hat bevorzugt eine kreisförmige Querschnittsfläche. Der hülsenförmige Kalibrierkörper ist an die zylindrische Form des Kanals vorzugsweise derart angepasst, dass der Kalibrierkörper an der Wandung des Kanals anliegt, so dass flüssiges Additiv nicht zwischen dem Kalibrierkörper und der Wand des Kanals hindurchfließt, sondern sich ein Strömungsweg für das flüssige Additiv durch den hülsenförmigen Kalibrierkörper hindurch erstreckt. Der Kalibrierkörper weist vorzugsweise einen (stirnseitigen) Abstützabschnitt auf, an welchem sich die Feder abstützt. Die Federkraft der Feder, welche auf den Ventilkörper wirkt, wirkt vorzugsweise an dem dem Ventilkörper gegenüberliegenden Ende der Feder auf den Kalibrierkörper. Die Feder ist zwischen dem Ventilkörper und dem Kalibrierkörper verspannt. Der Kanalabschnitt, welcher vorzugsweise zylindrisch geformt ist, damit der Kalibrierkörper darin positioniert werden kann, ist vorzugsweise etwas länger ausgestaltet als der Kalibrierkörper, damit die Position des Kalibrierkörpers in dem Kanalabschnitt in einem Bereich variiert werden kann, um die weiter oben beschriebenen Fertigungstoleranzen der Feder auszugleichen.
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Das Dosierventil ist auch vorteilhaft, wenn der Ventilkörper in der Ruhestellung an einem Schließsitz anliegt, das Dosierventil in der Ruhestellung geschlossen ist und der Ventilkörper zum Öffnen des Dosierventils entgegen der Federkraft von dem Schließsitz weg bewegbar ist. Der Schließsitz bildet vorzugsweise die Stelle des Dosierventils bzw. des Ventilgehäuses, an welchem der Ventilkörper in der Ruhestellung anliegt. Der Ventilkörper und der Schließsitz zusammen unterbrechen vorzugsweise den Strömungsweg durch das Dosierventil von dem Einlass zu dem Auslass, wenn der Ventilkörper an dem Schließsitz anliegt. In der Ruhestellung ist das Dosierventil vorzugsweise geschlossen.
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Das Dosierventil ist auch vorteilhaft, wenn der Kalibrierkörper über eine Pressverbindung mit dem Dosierventil verbunden ist. Der Kalibrierkörper ist (wie bereits weiter oben beschrieben) vorzugsweise in einem Kanalabschnitt eines Kanals in dem Dosierventil positioniert. Der Kalibrierkörper, welcher vorzugsweise hülsenförmig ist, ist vorzugsweise in radialer Richtung verformbar. So kann der Kalibrierkörper zunächst in dem Kanalabschnitt positioniert werden und dann in radialer Richtung ausgedehnt werden, um gegen eine Wandung des Kanals gepresst zu werden. Eine solche Verformung verändert vorzugsweise nicht die Positionierung des Kalibrierkörpers in axialer Richtung (entlang des Kanals), durch welche die auf die Feder vom dem Kalibrierkörper ausgeübte Federkraft beeinflusst wird.
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Weiterhin vorteilhaft ist das Dosierventil, wenn das Dosierventil eine Öffnung aufweist, durch welche das zu dosierende Fluid in das Dosierventil gelangen kann, weiter sich der Kalibrierkörper und das Abstützbauteil ausgehend von der Feder bis hin zu der Öffnung erstrecken, und die stoffschlüssige Verbindung an einer Außenfläche des Abstützbauteils und an der Öffnung ausgebildet ist. Das Abstützbauteil erstreckt sich nicht nur bis zu der Öffnung, sondern mit einem Abschnitt noch über die Öffnung hinaus.
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Die beschriebene Öffnung stellt vorzugsweise gleichzeitig den Einlass für das flüssige Additiv in das Dosierventil dar. Außerdem stellt die Öffnung vorzugsweise gleichzeitig einen Eingang in den Kanal durch das Dosierventil dar, in welchem der Kanalabschnitt angeordnet ist, in dem der Kalibrierkörper platziert werden kann. Dadurch, dass der Kalibrierkörper und das Abstützbauteil sich von der Feder bis hin zu der Öffnung erstrecken, wird es ermöglicht, dass die stoffschlüssige Verbindung unmittelbar an der Öffnung vorzusehen. So ist die Position der stoffschlüssigen Verbindung leicht zugänglich und die stoffschlüssige Verbindung ist mit geringem Aufwand herzustellen.
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Besonders bevorzugt ist, wenn die stoffschlüssige Verbindung umlaufend an der Außenfläche des Abstützbauteils ausgebildet ist. Die Außenfläche des Abstützbauteils ist an dem Abschnitt des Abstützbauteils, der aus dem Ventilgehäuse hervorsteht, beispielsweise für ein Schweißgerät sehr gut zugänglich. Außerdem steht die Außenfläche in direktem Kontakt zu dem Ventilgehäuse. Daher ist es vorteilhaft, dort eine (umlaufende) stoffschlüssige (Schweiß-)Verbindung herzustellen.
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Im Rahmen der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine, eine Abgasbehandlungsvorrichtung zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine und eine Zufuhrvorrichtung zur Zufuhr eines Additivs in die Abgasbehandlungsvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Dosierventil.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
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1: eine Ausführungsvariante eines Dosierventils in geschlossenem Zustand,
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2: ein Detail eines Dosierventils, und
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3: ein Kraftfahrzeug, aufweisend ein Dosierventil.
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Die 1 zeigt ein Dosierventil 1 aufweisend ein Ventilgehäuse 6, durch welches ein Kanal 7 verläuft. In dem Kanal 7 ist ein Ventilkörper 2 angeordnet. Der Ventilkörper 2 ist mit einer Feder 3 in dem Dosierventil 1 bzw. in dem Ventilgehäuse 6 bzw. in dem Kanal 7 verspannt. Dazu ist die Feder 3 gegen einen Kalibrierkörper 4 abgestützt. Der Kalibrierkörper 4, die Feder 3 und der Ventilkörper 2 sind durch eine Öffnung 11 des Kanals 7 hindurch in das Ventilgehäuse 6 eingesetzt. Der Kalibrierkörper 4 befindet sich dabei in einem Kanalabschnitt 8 des Kanals 7. Die Feder 3 übt auf den Ventilkörper 2 eine definierte Kraft aus, welche den Ventilkörper 2 gegen einen Schließsitz 9 drückt, und das Dosierventil 1 so verschließt. Der Ventilkörper 2 kann mit einem nicht dargestellten Antrieb entgegen der von der Feder 3 ausgeübten Federkraft bewegt werden, um den Ventilkörper 2 von dem Schließsitz 9 wegzugeben und so einen Strömungsweg 10 durch das Dosierventil 1 von einem Einlass 21 zu einem Auslass 22 freizugeben und das Dosierventil 1 so zu öffnen. Das Dosierventil 1 bzw. das Ventilgehäuse 6 des Dosierventils 1 weist vorzugsweise an einer Außenfläche Dichtungen 23 auf, mit welcher das Dosierventil 1 fluiddicht in eine nicht dargestellte Zufuhrvorrichtung eingesetzt werden kann, mit welcher flüssiges Additiv in eine Abgasbehandlungsvorrichtung zugeführt werden kann. In einer solchen Zufuhrvorrichtung übernimmt das Dosierventil 1 die Aufgabe, die von der Zufuhrvorrichtung zugeführte Menge an flüssigem Additiv einzustellen.
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Der Kalibrierkörper 4 ist an einem Abstützbauteil 13 abgestützt. Das Abstützbauteil 13 stützt den Kalibrierkörper 4 ab. Die stoffschlüssige Verbindung 5 ist an einer Außenfläche 12 an dem Abstützbauteil 13 im Bereich eines Abschnitts 14 des Abstützbauteils 13 ausgebildet, wobei der Abschnitt 14 aus dem Ventilgehäuse 6 hervor steht. Dadurch ist die stoffschlüssige Verbindung 5 in der Nähe der Öffnung 11 angeordnet. Ein Werkzeug zur Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung 5 muss daher nicht sehr tief in den Kanal 7 eindringen, sondern kann in der Nähe der Öffnung 11 verbleiben.
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2 zeigt ein Detail eines Dosierventils. Zu sehen sind ein Teil des Abstützbauteils 13 und ein Teil des Ventilgehäuses 6 Das Abstützbauteil 13 ist hülsenförmig ausgebildet und hier ist nur ein Schnitt durch die Wandung des Abstützbauteils 13 dargestellt. Die stoffschlüssige Verbindung 5 ist an der Außenfläche 12 des Abstützbauteils 13 in einem Abschnitt 14 ausgebildet, welcher sich aus dem Ventilgehäuse 6 hinaus erstreckt. Die stoffschlüssige Verbindung 5 kann umlaufend entlang der gesamten Außenfläche 12 des Abstützbauteils 13 linienförmig ausgebildet sein.
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3 zeigt ein Kraftfahrzeug 15, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine 16 und eine Abgasbehandlungsvorrichtung 17 zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine 16. Das Kraftfahrzeug 15 weist auch einen Tank 19 auf, in welchem flüssiges Additiv (beispielsweise Harnstoff-Wasser-Lösung) gespeichert ist. Das flüssige Additiv aus dem Tank 19 kann mit einer Fördereinheit 20 (z. B. einer Pumpe) zu einer Zufuhrvorrichtung 18 gefördert werden. In der Zufuhrvorrichtung 18 ist ein Dosierventil 1 vorgesehen, mit welchem das flüssige Additiv der Abgasbehandlungsvorrichtung 17 zugeführt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dosierventil
- 2
- Ventilkörper
- 3
- Feder
- 4
- Kalibrierkörper
- 5
- stoffschlüssige Verbindung
- 6
- Ventilgehäuse
- 7
- Kanal
- 8
- Kanalabschnitt
- 9
- Schließsitz
- 10
- Strömungsweg
- 11
- Öffnung
- 12
- Außenfläche
- 13
- Abstützbauteil
- 14
- Abschnitt
- 15
- Kraftfahrzeug
- 16
- Verbrennungskraftmaschine
- 17
- Abgasbehandlungsvorrichtung
- 18
- Zufuhrvorrichtung
- 19
- Tank
- 20
- Fördereinheit
- 21
- Einlass
- 22
- Auslass
- 23
- Dichtung
