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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere ein Pumpe-Düse-System, zum Einspritzen eines Mediums, insbesondere eines flüssigen Abgasnachbehandlungsmittels, mit einem Gehäuse, in welchem ein Kolben axial verschieblich gelagert ist, und mit einem elektromagnetischen Aktor zum Verschieben des Kolbens entgegen einer Federkraft, wobei der Aktor einen dem Kolben zu dessen Verschieben zugeordneten und mitverschiebbaren Magnetanker aufweist.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Abgasnachbehandlungsanlage für ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Vorrichtung, die dazu dient, Abgasnachbehandlungsmittel in einen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs einzuspritzen.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen und Abgasnachbehandlungsanlagen der Eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschine beziehungsweise Verbrennungsmotor muss aufgrund der Abgasgesetzgebungen unter anderem der Schadstoff NO
X reduziert werden. Als ein effizientes Verfahren hat sich das sogenannte SCR-Verfahren (SCR = Selektive Katalytische Reduktion) erwiesen, bei dem der Schadstoff NO
X unter Zuhilfenahme von flüssigem Reduktionsmittel zu Stickstoff und Wasser reduziert wird. Das Abgasnachbehandlungsmittel wird von einer Vorrichtung, die auf dem Pumpe-Düse-Prinzip beruht, von einem Tank angesaugt und in das Abgas eingedüst, wo es stromabwärts der Eindüsstelle in einem Katalysator mit dem Abgas zur Reduktion der Schadstoffe reagiert. Der Einsatz des Pumpe-Düse-Systems für die Eindüsung von wässriger Harnstofflösung als Abgasnachbehandlungsmittel ist beispielsweise aus der
EP 1 878 920 B1 bereits bekannt.
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Die Vorrichtung aus der genannten Druckschrift weist einen Kolben auf, der in einem Gehäuse axial verschieblich gelagert ist, wobei zum Verschieben eine elektromagnetischer Aktor vorgesehen ist, der den Kolben entgegen einer Federkraft betätigt beziehungsweise verschiebt, so dass durch den Aktor eine Kraft nur in eine Richtung aufgebracht wird, während der Kolben durch Federkraft wieder in seine Ausgangsstellung zurückbewegt wird. Der Aktor weist dabei einen mit dem Kolben mitverschiebbaren Magnetanker auf, so dass durch Erzeugen eines Magnetfeldes der Magnetanker bewegt wird und dadurch den Kolben mitnimmt. Der Magnetanker weist dabei eine Öffnung auf, durch welche der Kolben sich axial erstreckt und reibschlüssig radial mit dem Magnetanker zu dessen Mitnahme verbunden ist. Da die wässrige Harnstofflösung eine geringe Viskosität hat, kann es in den engen Führungen, beispielsweise zwischen Kolben und Gehäuse, zu großem Verschleiß kommen. Beim Druckaufbau können darüber hinaus Kräfte auftreten, die dazu führen, dass der Kolben radial belastet wird, wodurch sich auch radial wirkende Kräfte ergeben, die zu einem erhöhten Verschleiß, insbesondere zu Adhesion und Abrasion, führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Verschleiß der Vorrichtung verringert und dadurch die Lebensdauer erhöht wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Magnetanker an dem Kolben nur axial anliegt und radial an dem Gehäuse geführt gehalten ist. Die Führung des Magnetankers erfolgt somit in radialer Richtung nicht durch den Kolben, sondern allein durch das Gehäuse. Darüber hinaus wird dadurch, dass der Kolben nur axial an dem Magentanker anliegt, erreicht, dass der Kolben keine Querkräfte beziehungsweise Radialkräfte auf den Magnetanker oder der Magnetanker Radialkräfte auf den Kolben übertragen kann. Dadurch, dass der Magnetanker an dem Gehäuse geführt gehalten ist, lassen sich die Führungsflächen auf einfache Art und Weise vergrößern, um die Führung zu verbessern und Querkräfte zu vermeiden. Durch die axiale Anlage an dem Kolben werden Querkräfte an den Kolben nicht weitergegeben, so dass der Berührungskontakt von Kolben und Gehäuse beziehungsweise Lagerstelle verringert wird. Hierdurch ergibt sich ein verringerter Verschleiß der Vorrichtung.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Magnetanker einen becherförmigen Längsschnitt mit einem Boden und einer Mantelwand aufweist, wobei der Kolben axial an dem Boden anliegt. Der Magnetanker umfasst somit radial den Kolben, wobei die Mantelwand zweckmäßigerweise beabstandet zu dem Kolben liegt. Durch den becherförmigen Längsschnitt kann der Magnetanker radial an seiner Mantelaußenwand gut in dem Gehäuse geführt werden und gleichzeitig den Kolben axial mit einer Betätigungskraft beaufschlagen.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass in dem Boden beabstandet zu dem Kolben wenigstens eine Öffnung ausgebildet ist. Durch die Öffnung kann Medium, insbesondere Luft oder Flüssigkeit, strömen, um einen Druckausgleich zu ermöglichen, so dass durch eine Betätigung des Magnetankers nicht ein Druck aufgebaut wird, der der erzeugten Magnetkraft oder Federkraft entgegenwirken könnte. Dadurch wird ein leichter Betrieb der Vorrichtung mit sehr geringem Kraftaufwand gewährleistet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist weiterhin vorgesehen, dass die Mantelwand ein den Kolben lagerndes Gehäuseteil des Gehäuses radial umfängt. Die Mantelwand weist somit einen Innendurchmesser auf, der größer ist als ein Außendurchmesser eines den Kolben lagernden Gehäuseteils. Dadurch, dass die Mantelwand das Gehäuseteil radial umfängt, wird eine besonders kompakt bauende Vorrichtung gewährleistet. Vorzugsweise liegt die Mantelwand radial an der Außenseite des Gehäuseteils an und wird dadurch radial in dem Gehäuseteil geführt. Hierdurch erfolgt also die Führung des Magnetankers an dem Gehäuse in besonders kompakter Form.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kolben und/oder das Gehäuseteil wenigstens eine Einführfase oder -Rundung aufweisen. Unter eine Einführfase ist dabei insbesondere eine derartige Fase zu verstehen, die an einem Ende des Kolbens und/oder Gehäuseteils dort vorgesehen ist, wo Kolben und Gehäuseteil bei der Montage zuerst in Kontakt miteinander treten. Insbesondere weist der Kolben somit an seinem dem Gehäuseteil zugewandten Ende eine Einführfase auf und/oder das Gehäuse an dem außenliegenden Ende einer den Kolben lagernden Kolbenaufnahme. Der Kolben weist vorzugsweise an beiden seiner Enden eine entsprechende Einführfase oder -Rundung auf. Das Gehäuseteil kann dabei eine Einführfase oder -Rundung aufweisen, die dem Kolben oder dem Magnetanker zugeordnet ist. Vorzugsweise weist das Gehäuseteil für den Kolben und den Magnetanker jeweils wenigstens eine Einführfase oder -Rundung auf. Insbesondere ist auch vorgesehen, dass der Magnetanker selbst ebenfalls mit einer Einführfase oder -Rundung versehen ist, die dem Gehäuseteil zugeordnet ist. Die Einführfase oder -Rundung beziehungsweise Einführfasen oder -Rundungen tragen dazu bei, dass Flüssigkeit in die Spalte zwischen Kolben und Gehäuseteil beziehungsweise Magnetanker und Kolbenteil hineingezogen wird. Dadurch kommt es in der Führung zwischen Kolben und Gehäuse oder Gehäuseteil und Magnetanker zu einem Druckaufbau, der zu einer Zentrierung der Bauteile zueinander führt. Darüber hinaus wird Haft- beziehungsweise Mischreibung vermieden und eine Flüssigreibung zwischen Kolben und Gehäuseteil beziehungsweise zwischen Gehäuseteil und Magentanker gewährleistet, die den Verschleiß in der Vorrichtung weiter verringert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolben aus Keramik, insbesondere aus Zirkonoxid-Keramik gefertigt ist. Dieses Material weist einen hohen Widerstand gegen Ausbreitung von Rissen auf und eignet sich insbesondere für Verbindungen zwischen Keramik und Stahl.
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Vorzugsweise ist das Gehäuse dabei aus einem austenitischen, unmagnetischen Edelstahl gefertigt. Dadurch werden Adhesionen zwischen Kolben und Gehäuse beziehungsweise Gehäuseteil vermieden. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Gehäuse beziehungsweise der Edelstahl kolsterisiert ist. Kolben und Gehäuseteil bestehen somit aus unterschiedlichen, insbesondere artfremden Materialien, wodurch die Adhesion vorteilhaft vermieden wird.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kolben als kolsterisierter Kolben aus austenitischem Edelstahl gefertigt ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ergeben sich bereits grundsätzliche Vorteile, die zuvor bereits erläutert worden und zu den genannten Vorteilen im Betrieb führen. Die Fertigung des Kolbens aus Edelstahl ist gegebenenfalls kostengünstiger darstellbar.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kolben in jedem Fall eine Kohlenstoffbeschichtung aufweist. Insbesondere bei einer Ausbildung aus austenithischem Edelstahl führt die Kohlenstoffbeschichtung zu einer verringerten Adhesion.
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Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dazu zeigt die einzige
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Figur eine vorteilhafte Vorrichtung einer Abgasnachbehandlungsanlage zum Einspritzen eines flüssigen Abgasnachbehandlungsnachbehandlungsmittels in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung.
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Die Figur zeigt in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung eine Vorrichtung 1, die als Pumpen-Düsen-System ausgebildet ist und Teil einer Abgasnachbehandlungsanlage zum Nachbehandeln von Abgas einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs darstellt. Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das vorliegend mehrteilig ausgebildet ist. Dabei weist das Gehäuse 2 einen ersten außenliegenden Gehäuseteil 3 und ein zweites innenliegendes Gehäuseteil 4 auf. Das Gehäuseteil 4 weist eine Kolbenaufnahme 5 auf, in welcher ein Kolben 6 axial verschieblich gleitgelagert gehalten ist. Die Kolbenaufnahme 5 weist dabei einen Innendurchmesser auf, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Kolbens 6 entspricht, so dass sich eine vorteilhafte Gleitlagerung für den Kolben 6 ergibt. Die Kolbenaufnahme 5 ist als Sacklochbohrung oder -Vertiefung ausgebildet, so dass sie einendig einen verjüngten Durchmesser aufweist. Der verjüngte Durchmesser bildet dabei eine Einspritzöffnung 7, die durch ein Ventilelement 8 verschlossen wird. Das Ventilelement 8 wird dazu durch ein Federelement 8‘, das sich an dem Gehäuse 2 abstützt, gegen das Gehäuseteil 4 auf der dem Kolben 6 abgewandten Seite der Durchströmungsöffnung 7 gedrängt. In die Kolbenaufnahme 5 mündet weiterhin ein Zulaufkanal 9, dem ein Rückschlagventil 10 zugeordnet ist. Der Zulaufkanal 9 ist beispielsweise mit einem das Abgasnachbehandlungsmittel bereitstellenden Tank verbunden. Der Zulaufkanal 9 und die Einspritzöffnung 7 münden beide in eine von Kolben 6 und Gehäuseteil 4 gebildete Druckkammer 11. Bewegt sich der Kolben 6 derart, dass das Volumen der Druckkammer 11 vergrößert wird, so wird Abgasnachbehandlungsmittel angesaugt. Bewegt sich der Kolben 6 in die entgegengesetzte Richtung, so wird das Abgasnachbehandlungsmittel komprimiert und durch die Einspritzöffnung 7 unter Öffnung des Ventilelements 8 ausgedüst.
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Zum Verschieben des Kolbens 6 ist einerseits ein Federelement 12 vorgesehen, das zwischen dem Kolben 6 und dem Gehäuseteil 4 in der Druckkammer 11 axial vorgespannt angeordnet ist, und andererseits ein Aktor 13, der zur elektromagnetischen Betätigung des Kolbens 6 ausgebildet ist. Der Aktor 13 weist eine bestrombare Spule 14 auf, sowie einen Magnetanker 15 und optional einen Polkern, an welchem vorliegend das Rückschlagventil 10 angeordnet ist. Elektromagnetische Aktoren zur Betätigung von Ventilen oder Einspritzdüsen sind grundsätzlich bekannt, so dass vorliegend nicht auf jedes Detail einzeln eingegangen werden soll. Von Bedeutung ist vorliegend die Ausbildung des Magnetankers 15 sowie dessen Beziehung zu dem Kolben 6.
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Vorliegend ist der Magnetanker 15 becherförmig ausgebildet, mit einem Boden 16 und einer Mantelwand 17. Die Mantelwand 17 weist einen Innendurchmesser auf, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Gehäuseteils 4 entspricht, so dass der Magentanker 15 an dem Gehäuseteil 4 axial gleitgelagert gehalten ist. Radial liegt der Magnetanker 15 somit auf dem Gehäuseteil 4 auf. Der Boden 16 des Magnetankers 15 ist einem Ende des Kolbens 6 derart zugeordnet, dass der Kolben 6 an dem Boden 16 axial anliegt. Zwischen Kolben 6 und Magnetanker 15 ist somit eine axiale Stoßfläche 18 ausgebildet. Radial beabstandet zu dem Kolben 6 und insbesondere der Stoßfläche 18 sind in dem Boden mehrere über den Umfang insbesondere gleichmäßig verteilt angeordnete Öffnungen 19 vorgesehen, die zum Druckausgleich dienen.
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Der Magnetanker 15 weist weiterhin an seinem dem Gehäuseteil 4 zugewandten Ende eine dem Gehäuseteil 4 zugewandte Einführfase 20 auf. Ebenso ist das Gehäuseteil 4 an seinem dem Magnetanker 15 zugewandten Ende mit einer radial außenliegenden Einführfase 21 und einer radial innenliegenden Einführfase 22 versehen, so dass die Einführfase 21 dem Magnetanker 15 und die Einführfase 22 dem Kolben 6 zugeordnet ist. Der Kolben 6 weist ebenfalls an seinem der Druckkammer 11 zugewandten Ende eine Einführfase 23 auf. Auch an dem gegenüberliegenden Ende 6 ist der Kolben mit einer Einführfase versehen.
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Die Vorrichtung 1 hat den Vorteil, dass der Magnetanker 15 nicht durch den Kolben 6 radial geführt ist, sondern an dem Gehäuseteil 4. Somit ergibt sich zwischen Kolben 6 und Magnetanker 15 eine nur kleine axiale Stoßfläche 18. Der Kolben 6 und der Magnetanker 15 sind somit hinsichtlich auftretender Querkräfte zueinander entkoppelt. Die zur Verdichtung erforderliche Magnetkraft wird vom Magnetanker 15 auf den Kolben 6 axial übertragen. Die Zurückstellung des Kolbens 6 erfolgt durch das Federelement 12, das vorliegend als Schraubenfeder ausgebildet ist. Der Rückstellvorgang trägt aufgrund einer vorteilhaft gering gewählten Federkraft nicht oder kaum zum Verschleiß der Vorrichtung 1 bei. Zwischen dem Gehäuseteil 4 und dem Magnetanker 15 wird aufgrund der großen radialen Auflagefläche und der rein axialen Bewegung des Magnetankers 15 kein Verschleiß erzeugt, weil der Magnetanker 15 keine oder kaum Querkräfte erfährt.
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Durch die Einführfasen wird das tribologische System zwischen Kolben 6 und Gehäuseteil 4 sowie zwischen Gehäuseteil 4 und Magnetanker 15 optimiert. Die Einführfasen 20 bis 23 tragen dazu bei, dass Flüssigkeit, insbesondere das flüssige Abgasnachbehandlungsmittel, in die Spalte zwischen den einzelnen Bauteilen hineingezogen wird. Dadurch kommt es in den Führungen zwischen Kolben 6 und Gehäuseteil 4 sowie zwischen Gehäuseteil 4 und Magnetanker 15 zu einem Druckaufbau, der zu einer Zentrierung und einer optimierten Gleitlagerung führt. Durch diese Maßnahme wird Haft- beziehungsweise Mischreibung vermieden und eine Flüssigreibung gewährleistet, die verschleißfrei oder zumindest verschleißarm die Vorrichtung 1 schont und dadurch die Lebensdauer der Vorrichtung deutlich verlängert.
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Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass der Kolben aus Keramik, insbesondere aus Zirkonoxid-Keramik und das Gehäuse 2, insbesondere das Gehäuseteil 4, aus einem austenitischen, unmagnetischen Edelstahl, der zusätzlich kolsterisiert ist, gefertigt sind. Der Kolben 6 und das Gehäuseteil 4 beziehungsweise das Gehäuse 2 bestehen somit aus artfremden Materialien, wodurch Adhesion zwischen diesen vermieden wird. An dem Keramik-Kolben 6 ist die Einführfase 23 besonders einfach anzubringen. Der Kolben 6 ist glatt und kann, falls er aus hartem, martensitischem Edelstahl besteht, zusätzlich über eine Kohlenstoffschicht/Kohlenstoffbeschichtung gegenüber Adhesion geschützt werden. Alternativ kann auch ein kolsterisierter Kolben 6 aus austenitischem Edelstahl als Basis für eine Kohlenstoffbeschichtung hergenommen werden. Der Kolben 6 weist dann zweckmäßigerweise eine ausreichende Grundhärte auf, um ein Brechen der Kohlenstoffbeschichtung bei Belastung zu vermeiden. Die Einführfasen 20 bis 23 sind vorzugsweise klein ausgebildet, um zu gewährleisten, dass die Kohlenstoffbeschichtung an diesen Stellen nicht abplatzen kann. Alternativ zu den Einführfasen 20–23 können auch Einführrundungen an Kolben 6, Gehäuseteil 4 und/oder Magnetanker 15 vorgesehen sein. Auch müssen nicht alle Einführfasen 20–23 (beziehungsweise Einführrundungen) vorgesehen sein. Insbesondere können die der Magnetankerführung dienenden Einführfasen 20, 21 auch bei Bedarf entfallen, um beispielsweise Kosten zu verringern. Aufgrund des größeren Durchmessers der Gleitlagerung zwischen Magnetanker 15 und Gehäuseteil 4 (im Vergleich zu der Gleitlagerung zwischen Kolben 6 und Gehäuseteil 4) können ausreichend große Durchmesser gewählt werden, die von sich aus bereits den Verschleiß verringern oder vermeiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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