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Die Erfindung betrifft eine Spritzlochscheibe für eine Einspritzvorrichtung, insbesondere für eine Einspritzvorrichtung, die zum Einspritzen eines flüssigen Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist.
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Stand der Technik
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Um die Stickoxide (NOx) im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, insbesondere ein Dieselmotors, zu reduzieren, wird ein flüssiges Reduktionsmittel in Form einer Harnstoffwasserlösung („AdBlue“®) in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors eingespritzt. Durch Erzeugen von Sprays soll eine gute Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas gewährleistet werden. Um eine gute Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas zu gewährleisten, sollte die Ausbreitungsform der Sprays an die Geometrie des Abgassystems angepasst sein.
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Um diese Anpassung zu ermöglichen, stehen verschiedene Verfahren der Sprayaufbereitung zur Verfügung. Es wird zwischen turbulenten Zerstäubern und Drallzerstäubern unterschieden. Ein Drallzerstäuber zeichnet sich durch ein verhältnismäßig homogen in den Raum abgegebenes Spray mit verhältnismäßig kleinen Tropfengrößen aus. Auch wenn in vielen Fällen kleine Tropfen erwünscht sind, kann auch die Anforderung nach größeren Tropfen bestehen, da diese tiefer in Gasströmungen eindringen können und nicht so rasch abgelenkt werden. Größere Tropfen können mit einem Turbulenzzerstäuber erzeugt werden. Diese haben jedoch den Nachteil, dass die abgegebenen Spraykeulen nur einen engen Winkel aufweisen und die Abgabe in einem breiten homogenen Winkel wie mit Drallzerstäubern nicht möglich ist.
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Eine ähnliche Problematik ergibt sich auch beim Eindosieren von Kraftstoffen oder Wasser in den Brennraum oder das Abgassystem eines Verbrennungsmotors.
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DE 10 2004 03 5119 offenbart eine Zerstäubereinrichtung für Abgasnachbehandlungsvorrichtungen mit einer Wirbelkammer, die zwischen Ventil und Düsenöffnung ausgebildet ist.
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US 6 102 299 A offenbart eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer Injektionsnadel, die zwischen einer geschlossenen Position und einer offenen Position hin und her bewegbar ist. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung hat einen Nadelsitz, um die Injektionsnadel in der geschlossenen Position aufzunehmen. Der Nadelsitz hat eine zentrale Öffnung. Eine Spritzlochscheibe ist stromabwärts des Nadelsitzes angeordnet. Stromaufwärts der Spritzlochscheibe ist ein Strahlzerstäuber vorgesehen. Mindestens zwei Brennstoffströme werden so aufeinander geleitet, dass sie miteinander kollidieren.
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Offenbarung der Erfindung:
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Spray mit verhältnismäßig großen Tropfen zu erzeugen, welches sich mit einem großen Spraywinkel in den Raum ausbreitet, wobei die Spraykeule eine möglichst homogene Massenverteilung aufweist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Spritzlochscheibe für eine Einspritzvorrichtung, die zum Einspritzen eines Fluids ausgebildet ist, wenigstens eine Austrittsöffnung. In der Spritzlochscheibe ist um die wenigstens eine Austrittsöffnung eine Vertiefung derart ausgebildet, dass sie es dem Fluid ermöglicht, durch die Vertiefung zu der Austrittsöffnung zu strömen, wobei wenigstens ein Teil des Fluids nicht durch die Austrittsöffnung austritt, sondern die Austrittsöffnung in der Vertiefung überströmt. Die Vertiefung ist so ausgebildet, dass wenigstens ein Teil des Fluids, das die Austrittsöffnung überströmt, zur Austrittsöffnung zurückgeführt wird. Das Fluid wird der Vertiefung nur von einer Seite zugeführt. Insbesondere verfügt ein Bereich der Vertiefung, der stromabwärts, d.h. in Strömungsrichtung hinter, der Austrittsöffnung angeordnet ist, über keine eigene Fluidzufuhr. In den stromabwärts der Vertiefung angeordneten Bereich gelangt daher nur Fluid, das die Austrittsöffnung überströmt hat.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen auch eine Einspritzvorrichtung, die mit einer solchen Spritzlochscheibe ausgestattet ist, und ein Abgasreinigungssystem mit einer derartigen Einspritzvorrichtung. Dabei ist die Einspritzvorrichtung ausgebildet, ein fluides Reduktionsmittel in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, einzuspritzen.
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Die Vertiefung ist so geformt, dass das Fluid nicht sofort vollständig aus der Austrittsöffnung austritt. Stattdessen überströmt ein Teil des Fluids die Austrittsöffnung und wird dann zur Austrittsöffnung zurückgeführt. Diese Rückströmung hat eine starke Turbulenz des durch die Austrittsöffnung austretenden Fluidstrahls zur Folge.
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Da die Geometrie der Vertiefung die Massenanteile von direkt austretendem Fluid und zurückströmendem Fluid nicht präzise vorgibt, werden eine zeitlich inhomogene Strömung und eine Spraykeule mit einem breiten Öffnungswinkel erzeugt. Dies hat eine sehr effiziente Vermischung des Fluids zur Folge.
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In einer Ausführungsform hat die Vertiefung stromaufwärts der Austrittsöffnung eine geringere Tiefe als stromabwärts der Austrittsöffnung. Durch Variation der Tiefe stromaufwärts und stromabwärts der Austrittsöffnung kann das Verhältnis zwischen direkt ausströmendem Fluid und Fluid, das die Austrittsöffnung überströmt gezielt eingestellt werden.
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In einer Ausführungsform ist die Vertiefung als offener Kanal mit einem stromaufwärtigen Bereich und einem stromabwärtigen Bereich in der Spritzlochscheibe ausgebildet, und das Fluid wird entlang des Kanals zur Austrittsöffnung geführt.
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In dem Kanal kann stromaufwärts der Austrittsöffnung eine Verengung ausgebildet sein. Dadurch kann die Variation im zuströmenden Fluid gesteigert werden. Der Fluidstrahl wird in der auf die Verengung folgenden Erweiterung zu turbulentem Verhalten angeregt, was eine noch stärkere zeitliche Variation des Sprays zur Folge hat.
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In einer Ausführungsform ist die Vertiefung stromabwärts der Austrittsöffnung so ausgebildet, dass Fluid, das die Austrittsöffnung überströmt, in einem Winkel von 80° bis 100°, insbesondere in einem Winkel von 90° zur Strömung stromaufwärts der Austrittsöffnung zur Austrittsöffnung zurückgeführt wird. Dazu kann die Vertiefung stromabwärts der Austrittsöffnung beispielsweise mit wenigstens einer kreisförmigen oder halbkreisförmigen Rückführungskammer ausgestattet sein, die ausgebildet ist, Fluid, das die Austrittsöffnung überströmt, zur Austrittsöffnung zurückzuführen. Eine derartige Umleitung der Fluidströmung ermöglicht eine weitere Variation des Verhältnisses zwischen direkt ausströmendem Fluid und Fluid, welches die Austrittsöffnung überströmt.
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In einer Ausführungsform kann die Spritzlochscheibe mit wenigstens zwei Rückführungskammern ausgestattet sein, wobei die Rückführungskammern insbesondere symmetrisch zur Strömungsrichtung des Fluids stromaufwärts der Austrittsöffnung ausgebildet sind, um eine symmetrische und besonders effektive Rückführung des Fluids zu ermöglichen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht einer Einrichtung zum Einspritzen eines in einem Tank gespeicherten Reduktionsmittels in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors;
- 2 eine schematische Schnittansicht des abgasstrangseitigen Bereichs einer Einspritzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Spritzlochscheibe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 zeigt eine vergrößerte seitliche Schnittansicht eines Bereichs um eine der Austrittsöffnungen einer Spritzlochscheibe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Spritzlochscheibe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 zeigt eine Draufsicht auf eine Spritzlochscheibe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 7 zeigt eine Draufsicht auf eine Spritzlochscheibe gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Einrichtung zum Einspritzen eines in einem Tank 36 gespeicherten Reduktionsmittels 18 (Fluid), insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue“®), in einen Abgasstrang 20 eines Verbrennungsmotors 22, insbesondere eines Dieselmotors 22.
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Im Betrieb der Vorrichtung wird das Fluid 18 aus dem Tank 26 entnommen und von einer Förderpumpe 30 unter erhöhtem Druck über eine geeignete Druckleitung 32 einer unmittelbar am Abgasstrang 20 positionierten Einspritzvorrichtung 2 zugeführt. Die Einspritzvorrichtung 2 spritzt das Fluid 18 im Betrieb in den Abgasstrang 20 ein, wo es sich mit den durch den Abgasstrang 20 strömenden Abgasen 24 des Verbrennungsmotors 22 vermischt.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht des abgasstrangseitigen Bereichs der Einspritzvorrichtung 2.
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Die Einspritzvorrichtung 2 umfasst eine dem Abgasstrang 20 zugewandte Spritzlochscheibe 8, in der mehrere Austrittsöffnungen 10 ausgebildet sind, durch die fluides Reduktionsmittel 18 aus dem Inneren der Einspritzvorrichtung 2 in den Abgasstrang 20 strömen kann. Auf der vom Abgasstrang 20 abgewandten Seite der Spritzlochscheibe 8 ist ein Ventilsitz 6 ausgebildet, der durch eine beweglich in der Einspritzvorrichtung 2 gelagerte Ventilkugel 4 geöffnet und verschlossen werden kann, um das Einspritzen des fluiden Reduktionsmittels 18 in den Abgasstrang 20 zu steuern. Die Ventilkugel 20 wird durch einen in den Figuren nicht gezeigten Aktuator bewegt, der von einer ebenfalls nicht gezeigten Steuervorrichtung angesteuert wird, um die gewünschte Menge an fluidem Reduktionsmittel 18 in den Abgasstrang 20 einzuspritzen.
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Auf der vom Abgasstrang 20 abgewandten (in der 2 oben dargestellten) Seite der Spritzlochscheibe 8 ist um jede der Austrittsöffnungen 10 eine Vertiefung 12 derart ausgebildet, das wenigstens ein Teil des Fluids 18, das den Ventilsitz 6 und die Ventilkugel 4 passiert hat, durch die Vertiefung 12 zur jeweiligen Austrittsöffnung 10 strömt. Die Vertiefungen 12 sind insbesondere so ausgebildet, dass wenigstens ein Teil des Fluids 18 die Austrittsöffnung 10 überströmt und in der Folge zur Austrittsöffnung 10 zurückgeführt wird.
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3 zeigt eine Draufsicht auf eine Spritzlochscheibe 8 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung von Seiten der Ventilkugel 4. In der 3 sind beispielhaft zwei Austrittsöffnungen 10 mit jeweils einer Vertiefung 12 gezeigt. Der Fachmann versteht jedoch, dass die Spritzlochscheibe 8 mit weniger (einer) oder mehr Austrittsöffnungen 10 und Vertiefungen 12 ausgebildet sein kann.
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4 zeigt eine vergrößerte seitliche Schnittansicht eines Bereichs um eine der Austrittsöffnungen 10.
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Zwischen der Austrittsöffnung 10 und dem Ventilsitz 6 ist die zuvor beschriebene Vertiefung 12 ausgebildet, durch die das Fluid (Reduktionsmittel) 18 zur Austrittsöffnung 10 strömt. Fluid 18, das die Austrittsöffnung 10 überströmt, wird in einem stromabwärts (in Strömungsrichtung hinter) der Austrittsöffnung 10 angeordneten Bereich 12b der Vertiefung 12 umgeleitet und zur Austrittsöffnung 10 zurückgeführt. Das Fluid wird der Vertiefung 12 nur von einer Seite zugeführt. Der Bereich 12b der Vertiefung 12, der stromabwärts der Austrittsöffnung 10 angeordnet ist, verfügt über keine eigene Fluidverbindung zum Ventilsitz 6. In den stromabwärts der Vertiefung 12 angeordneten Bereich 12b gelangt daher nur Fluid 18, das die Austrittsöffnung 10 überströmt hat. Das zurückgeführte Fluid 18 trifft an der Austrittsöffnung 10 auf frisch zugeführtes Fluid 18. Die hat eine turbulente Strömung zur Folge, die bewirkt, dass das Fluid mit einem großen Spraywinkel und mit einer sehr homogenen Massenverteilung durch die Austrittsöffnung 10 austritt.
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Die Höhe h1 der Vertiefung 12 ist in einem Bereich 12a, der stromaufwärts der Austrittsöffnung 10 (in der Darstellung der 4 auf der linken Seite) angeordnet ist, geringer als die Höhe h2 in einem Bereich 12b der Vertiefung 12, der stromabwärts der Austrittsöffnung 10 (in der Darstellung der 4 auf der rechten Seite) angeordnet ist. Durch Variieren der Höhen h1, h2 der Vertiefung 12 in den Bereichen 12a, 12b stromaufwärts und stromabwärts der Austrittsöffnung 10 kann das Verhältnis zwischen direkt ausströmendem Fluid 18 und die Austrittsöffnung 10 überströmendem Fluid 18 bedarfsgemäß verändert werden.
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5 zeigt eine Draufsicht auf eine Spritzlochscheibe 8 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dem in der 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist in der Vertiefung 12 zusätzlich eine seitliche Verengung 34 ausgebildet. Durch eine solche Verengung 34 kann die Variation des zuströmenden Fluids 18 noch weiter gesteigert werden. In der in der Strömungsrichtung auf die Verengung 34 folgenden Erweiterung der Vertiefung 12 wird die Strömung zu turbulentem Verhalten angeregt, was eine noch stärkere zeitliche Variation des durch die Austrittsöffnung 10 ausgegebenen Fluidsprays zur Folge hat.
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6 zeigt eine Draufsicht auf eine Spritzlochscheibe 8 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der Spritzlochscheibe 8 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist der stromabwärtige Bereich der Vertiefung 12 als Rückführkammer 36 mit einem runden, insbesondere kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist. Die Rückführkammer 36 ist so geformt, dass Fluid 18, das die Austrittsöffnung 10 überströmt hat, so in einem Bogen zurück zur Austrittsöffnung 10 geführt wird, dass es in einem Winkel zwischen 80° und 100°, insbesondere in einem Winkel von 90°, auf die ursprüngliche Reduktionsmittelströmung trifft. Eine derart ausgebildete Rückführkammer 36 ermöglicht eine zusätzliche Variation des Verhältnisses zwischen direkt ausströmendem Fluid 18 und Fluid 18, welches die Austrittsöffnung 10 überströmt. Damit können die Geometrie und die Zusammensetzung des Sprays noch weiter variiert werden.
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7 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Variante, in der zwei Rückführkammern 36 ausgebildet sind. Die beiden Rückführkammern 36 sind insbesondere spiegelsymmetrisch zur ursprünglichen Reduktionsmittelströmung stromaufwärts der Austrittsöffnung 10 ausgebildet.
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Zwischen Rückführkammern 36 ist eine der Austrittsöffnung 10 zugewandte Kante 38 ausgebildet, welche das die Austrittsöffnung 10 überströmende Fluid 18 symmetrisch auf die beiden Rückführkammern 36 verteilt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004035119 [0005]
- US 6102299 A [0006]
