-
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Einspritzvorrichtung, insbesondere zum Kühlen einer Einspritzvorrichtung, die vorgesehen ist, ein flüssiges Reduktionsmittel in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors einzuspritzen.
-
Bei Kraftwagen mit Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, muss aufgrund der Abgasgesetzgebung unter anderem der Schadstoff NOx reduziert werden. Eine Methode, die dabei zur Anwendung kommt, ist das Verfahren der sogenannten selektiven katalytischen Reduktion („SCR-Verfahren“), bei dem NOx unter zu Hilfenahme eines Reduktionskatalysators und eines flüssigen Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue“®), zu N2 und H2O reduziert wird.
-
Das Reduktionsmittel wird dazu aus einem Tank entnommen und von einer Einspritzvorrichtung, die insbesondere auf dem Pumpe/Düse-Prinzip beruht, stromaufwärts des Reduktionskatalysators in die Abgasströmung des Verbrennungsmotors eingedüst.
-
Da die Einspritzvorrichtung direkt am Abgasstrang angebracht ist, der beim Betrieb des Verbrennungsmotors durch die Abgasströmung auf hohe Temperaturen erhitzt wird, ist es in der Regel notwendig, die Einspritzvorrichtung zu kühlen, um ein Überhitzen der Einspritzvorrichtung zu verhindern und einen zuverlässigen Betrieb der Einspritzvorrichtung zu gewährleisten.
-
Es ist daher wünschenswert, eine Kühlvorrichtung für eine Einspritzvorrichtung, insbesondere für eine Einspritzvorrichtung, die an einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors montiert ist, bereitzustellen, die es ermöglicht, die Einspritzvorrichtung gleichmäßig und zuverlässig zu kühlen.
-
Eine Kühlvorrichtung für eine Einspritzvorrichtung, insbesondere für eine Einspritzvorrichtung, die ausgebildet ist, um ein flüssiges Reduktionsmittel in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors einzuspritzen, hat einen Kühltopf, der ausgebildet ist, eine zu kühlende Einspritzvorrichtung derart aufzunehmen, dass um den Umfang der Einspritzvorrichtung ein Kühlraum zur Aufnahme eines Kühlmittels ausgebildet ist. In dem Kühltopf ist wenigstens ein Strömungsführungselement vorgesehen, das ausgebildet ist, eine Kühlmittelströmung im Kühlraum um die Einspritzvorrichtung zu führen. Dabei wird der Kühlmittelströmung durch das wenigstens eine Strömungsführungselement insbesondere eine tangentiale und/oder eine axiale Komponente aufgezwungen.
-
In einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung wird eine Kühlmittelströmung durch wenigstens ein entsprechend ausgebildetes Strömungsführungselement um die Einspritzvorrichtung geführt, wobei der Kühlmittelströmung insbesondere eine tangentiale Komponente in Umfangsrichtung und/oder eine axiale Komponente, d.h. eine Komponente in Längsrichtung der Einspritzvorrichtung aufgezwungen wird. Auf diese Weise wird eine effiziente und gleichmäßige Kühlung der Einspritzvorrichtung entlang ihres gesamten Umfangs und über ihre gesamte Länge gewährleistet. Insbesondere wird das Ausbilden von lokal überhitzten Stellen (Wärmenestern), die zu einer Fehlfunktion und/oder Beschädigung der Einspritzvorrichtung führen können, zuverlässig verhindert. Im Ergebnis wird die Betriebssicherheit der Einspritzvorrichtung verbessert und ihre Lebensdauer erhöht.
-
In einer Ausführungsform umfasst die Kühlvorrichtung mehrere Strömungsführungselemente, die in Abständen entlang des inneren Umfangs des Kühltopfes ausgebildet sind. Auf diese Weise kann die Kühlmittelströmung besonders effizient um die Einspritzvorrichtung geführt werden.
-
In einer Ausführungsform sind die Strömungsführungselemente als Stege ausgebildet, die sich in einer Axialrichtung des Kühltopfes erstrecken. Derart ausgebildete Stege stellen besonders effektive und kostengünstig zu realisierende Strömungsführungselemente zur Verfügung.
-
In einer Ausführungsform weist die Mehrzahl der Strömungsführungselemente jeweils eine Öffnung auf. Dabei sind die Öffnungen der einzelnen Strömungsführungselemente in Axialrichtung gegeneinander versetzt. Das Kühlmittel wird so durch die Strömungsführungselemente und die in den Strömungsführungselementen ausgebildeten Öffnungen zu einer meanderförmigen Kühlmittelströmung gezwungen. Die Kühlmittelströmung weist dabei eine tangentiale Komponente, die in Richtung des Umfangs der Einspritzvorrichtung ausgerichtet ist, und eine axiale Komponente, die in der Axialrichtung der Einspritzvorrichtung ausgerichtet ist, auf.
-
In einer Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung einen Kühlmittelzulauf und einen Kühlmittelablauf auf, die vorgesehen sind, kaltes Kühlmittel in den Kühlmittelraum einzubringen und erwärmtes Kühlmittel aus dem Kühlmittelraum abzuführen.
-
Der Kühlmittelzulauf und der Kühlmittelablauf sind insbesondere durch ein spezielles Strömungsführungselement, in dem keine Öffnung ausgebildet ist, voneinander getrennt, um einen direkten Kühlmittelfluss von dem Kühlmittelzulauf in den Kühlmittelablauf („Kühlmittel-Kurzschluss“) zu verhindern.
-
In einer Ausführungsform wird die Kühlmittelströmung von dem Kühlmittelzulauf zu dem Kühlmittelablauf nahezu vollständig um den Umfang der Einspritzvorrichtung geführt, um eine gleichmäßige Kühlung um den gesamten Umfang der Einspritzvorrichtung zu gewährleisten.
-
In einer Ausführungsform ist der Kühlmittelraum mit einer in Axialrichtung variablen Breite ausgebildet, wobei der Kühlmittelraum auf der im Betrieb dem Abgasstrang zugewandten Seite der Einspritzvorrichtung eine größere Breite als auf der vom Abgasstrang abgewandten Seite aufweist. Auf diese Weise können die im Betrieb unterschiedlicher Wärmeeinstrahlung ausgesetzten Bereiche der Einspritzvorrichtung gleichmäßig und effizient gekühlt werden.
-
Der Kühlmittelraum kann dabei insbesondere einen minimalen Durchmesser von 1 mm und einen maximalen Durchmesser von mehr als 2 mm aufweisen. Derartige Abmessungen haben sich als besonders vorteilhaft für eine effiziente Kühlung erwiesen.
-
In einer Ausführungsform ist das wenigstens eine Strömungsführungselement mit dem Kühltopf verschweißt, um eine sichere Verbindung zwischen dem Strömungsführungselement und dem Kühltopf zu schaffen. Alternativ kann das wenigstens eine Strömungsführungselement integral mit dem Kühltopf ausgebildet sein. In diesem Fall kann auf den Schritt des Verschweißens des wenigstens eines Strömungsführungselements mit dem Kühltopf verzichtet werden, wodurch die Herstellung des Kühltopfes vereinfacht werden kann.
-
In einer Ausführungsform ist zwischen dem der Einspritzvorrichtung zugewandten Ende des wenigstens einen Strömungsführungselements und dem äußeren Umfang der Einspritzvorrichtung eine Lücke von beispielsweise 0,1 bis 0,2 mm ausgebildet. Eine solche Lücke ermöglicht eine einfache Montage der Einspritzvorrichtung in dem Kühltopf.
-
Kurze Beschreibung der Figuren
-
1 zeigt ein System zum Einspritzen eines flüssigen Reduktionsmittels in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors.
-
2 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines Kühltopfes einer Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
3 zeigt schematisch eine Abwicklung der Innenseite der Wand des in der 2 gezeigten Kühltopfes.
-
4 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Kühltopf gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
5 zeigt eine perspektivische Außenansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
-
Figurenbeschreibung
-
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein System zum Einspritzen eines flüssigen Reduktionsmittels in einen Abgasstrang 52 eines Verbrennungsmotors 51.
-
Eine Einspritzvorrichtung 50, die insbesondere auf dem Pumpe/Düse-Prinzip beruht, ist zwischen dem Verbrennungsmotor 51 und einem stromabwärts des Verbrennungsmotors 51 angeordneten SCR-Katalysator 53 am Abgasstrang 52 angebracht. Durch eine Vorförderpumpe 54 wird ein einzuspritzendes fluides Reduktionsmittel 58 aus einem Vorratstank 56 entnommen und der Einspritzvorrichtung 50 mit einem leicht erhöhten Druck von beispielsweise 2 bis 3 bar zugeführt. Die Einspritzvorrichtung 50 erhöht den Druck des Reduktionsmittels 58 weiter, beispielsweise auf 10 bar, und spritzt das Reduktionsmittel 58 mit dem erhöhten Druck in den Abgasstrang 52 ein. Im Abgasstrang 52 vermischt sich das eingespritzte Reduktionsmittel 58 mit den durch den Abgasstrang 52 strömenden Abgasen 55 und reagiert in einem stromabwärts der Einspritzvorrichtung 50 angeordneten SCR-Katalysator 53 mit den in den Abgasen 55 enthaltenen Stickoxiden (NOx), wobei diese zu N2 und H2O reduziert werden. Das Vermischen des Reduktionsmittels 58 mit den Abgasen 55 kann durch ein oder mehrere im Abgasstrang 52 angeordnete Mischelemente, die in der 1 nicht gezeigt sind, unterstützt werden.
-
Um die Einspritzvorrichtung 50 ist eine Kühlvorrichtung 1 mit einem Kühltopf 2, einem Kühlmittelzulauf 4 und einem Kühlmittelablauf 6 ausgebildet, die es ermöglicht, die Einspritzvorrichtung 50 im Betrieb zu kühlen, um einen zuverlässigen Betrieb der Einspritzvorrichtung 50 zu gewährleisten.
-
2 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines Kühltopfes 2 einer Kühlvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Der Kühltopf 2 umfasst eine Wand 10, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine in der 2 nicht gezeigte Achse ausgebildet ist. Auf der Innenseite der Wand 10 sind mehrere Strömungsführungselemente 8 ausgebildet, die sich in Form von in das Innere des Kühltopfes 2 hineinragenden Stegen entlang der Axialrichtung der Wand 10 des Kühltopfes 2, d.h. parallel zur Achse, erstrecken.
-
In einer in der 2 unten dargestellten Stirnseite des Kühltopfes 2, die im Betrieb dem Abgasstrang zugewandt ist, ist eine zentrale Öffnung 20 ausgebildet, die es einer in der 2 nicht gezeigten Einspritzvorrichtung 12 ermöglicht, Reduktionsmittel in den Abgastrang 52 einzuspritzen.
-
An dem Kühltopf 2 sind Befestigungsöffnungen 22 ausgebildet, durch die in der 2 nicht gezeigte Befestigungselemente geführt werden können, um den Kühltopf 2 mechanisch am Abgasstrang 52 zu befestigen.
-
In der Wand 10 des Kühltopfes 2 sind eine mit einem Kühlmittelzulauf 4 verbundene Kühlmitteleintrittsöffnung 54 sowie eine mit einem Kühlmittelablauf 6 verbundene Kühlmittelaustrittsöffnung 55 ausgebildet, die es ermöglichen, ein fluides Kühlmittel in das Innere des Kühltopfes 2 einzuführen und aus diesem abzuführen, so dass in dem Kühltopf 2 eine zirkulierende Kühlmittelströmung erzeugt werden kann.
-
Die Strömungsführungselemente 8 sind insbesondere so ausgebildet, dass ein über den Kühlmittelzulauf 4 zugeführtes Kühlmittel in einer meanderförmigen Strömung entlang des Umfangs auf der Innenseite der Wand 10 des Kühltopfes 2 um dessen Umfang geführt und durch den Kühlmittelablauf 6 wieder abgeführt werden kann.
-
3 zeigt schematisch eine Abwicklung der Innenseite der Wand 10 des Kühltopfes 2 und verdeutlicht dabei das Zusammenwirken der Strömungsführungselemente 8, um die meanderförmige Kühlmittelströmung zu erzeugen.
-
Insbesondere ist in jedem der Strömungsführungselemente 8 jeweils eine Öffnung 9 ausgebildet. Dabei sind die Öffnungen 9 abwechselnd in einem im Betrieb vom Abgasstrang 52 abgewandten („oberen“) Bereich und in einem im Betrieb dem Abgasstrang 52 zugewandten („unteren“) Bereich des Kühltopfes 2 vorgesehen.
-
Eine Kühlmittelströmung 53, die durch die Kühlmitteleintrittsöffnung 54 eintritt, wird durch diese Struktur der Strömungsführungselemente 8 dazu gebracht, in der Axialrichtung des Kühltopfes 2 abwechselnd aufwärts und abwärts zu strömen, während sie sich um den Umfang des Kühltopfes 2 bewegt und dabei eine innerhalb des Kühltopfes 2 angeordnete Einspritzvorrichtung 12 umspült.
-
Auf diese Weise kühlt die Kühlmittelströmung 53 eine innerhalb des Kühltopfes 2 angeordnete Einspritzvorrichtung 12 gleichmäßig entlang ihres gesamten Umfangs und über ihre gesamte Höhe/Länge.
-
4 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Kühltopf 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit einer schematisch dargestellten Einspritzvorrichtung 12, die in dem Kühltopf 2 angeordnet ist.
-
Ein zwischen der Einspritzvorrichtung 12 und dem Kühltopf 2 ausgebildeter Kühlraum 14, der sich um den Umfang der Einspritzvorrichtung 12 erstreckt, wird auf seiner Innenseite durch die äußere Wand 19 der Einspritzvorrichtung 12 und auf seiner Außenseite durch die Wand 10 des Kühltopfes 2 begrenzt.
-
Der im Betrieb dem Abgasstrang 52 zugewandte, in der 4 unten dargestellte Bereich des Kühltopfes 2 ist im Betrieb einer höheren Wärmeeinstrahlung von dem heißen Abgasstrang 52 ausgesetzt, als der von dem Abgasstrang 42 abgewandte, in der 4 oben dargestellten Bereich des Kühltopfes 2.
-
Der Kühlmittelraum 14 ist daher in seinem in der 4 unten dargestellten, dem Abgasstrang 52 zugewandten Bereich 16 mit einer größeren Breite t2 ausgebildet, als der von dem im Betrieb heißen Abgasstrang 52 abgewandte Bereich 18, der in der 4 oben dargestellt ist und eine geringere Breite t1 hat.
-
Auf diese Weise wird der in den einzelnen Bereichen unterschiedlichen, von dem im Betrieb heißen Abgasstrang 52 ausgehenden Wärmeeinstrahlung Rechnung getragen, so dass trotz der in den verschiedenen Bereichen unterschiedlichen Wärmeeinstrahlung eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur der Einspritzvorrichtung 12 entlang ihrer Axialrichtung erreicht wird.
-
Die auf der Innenseite der Wand 10 des Kühltopfes 2 ausgebildeten Strömungsführungselemente 8 erstrecken sich von der Wand 10 des Kühltopfes 2 in radialer Richtung bis fast an die äußere Wand 19 der Einspritzvorrichtung 12. Um eine einfache Montage der Einspritzvorrichtung 12 in dem Kühltopf 2 zu ermöglichen, können die Strömungsführungsvorrichtungen 8 einen minimalen Abstand von etwa 0,1 bis 0,2 mm von der äußeren Wand 19 der Einspritzvorrichtung 12 haben. Der Abstand von der äußeren Wand 19 der Einspritzvorrichtung 12 wird dabei insbesondere so klein gewählt, dass keine wesentliche Menge des Kühlmittels von der durch die Struktur der Strömungsführungselemente 8 vorgegebenen meanderförmigen Strömungsbahn (vgl. 3) abweicht. Auf diese Weise wird ein "Kurzschluss" der Kühlmittelströmung verhindert.
-
5 zeigt eine perspektivische Außenansicht einer Kühlvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Kühltopf 2 und einer auf die im Betrieb vom Abgasstrang 42 abgewandten Seite des Kühltopfes 2 aufgebrachten Schutzhülse 24. Die Schutzhülse 24, die beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist, isoliert den Kühlmittelzulauf 4, den Kühlmittelablauf 6 und die elektrischen Leitungen 22, welche die Einspritzvorrichtung 12 mit elektrischem Strom versorgen, thermisch von der von dem im Betrieb heißen Abgasstrang 52 aufgeheizten Umgebungsluft.
