DE102018215682A1

DE102018215682A1 - Einspritzventil für eine Reduktionsmittelabgabeeinheit mit reduziertem Fluidvolumen

Info

Publication number: DE102018215682A1
Application number: DE102018215682.4A
Authority: DE
Inventors: Douglas Edward Cosby; Stephen C. Bugos
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2019-05-16
Also published as: US20190078482A1; FR3071012A1; FR3071012B1

Abstract

Ein Fluideinspritzventil für eine Reduktionsmittelabgabeeinheit umfasst: einen Fluideinlass und einen Fluidauslass, wobei der Einspritzventil einen Fluidweg vom Fluideinlass zum Fluidauslass definiert; eine Betätigungseinheit mit einem Polstück, das in einer festen Position innerhalb des Einspritzventils angeordnet ist, mit einem beweglichen Anker, mit einer Feder, die mit dem Polstück und dem beweglichen Anker gekoppelt ist, und mit einer Spule, die nahe dem Polstück und dem beweglichen Anker angeordnet ist. Eine Ventilanordnung umfasst einen Ventilsitz und ein Dichtungselement, das mit dem Anker verbunden und mit dem Ventilsitz in Eingriff bringbar ist. Der Anker umfasst eine Ankertasche, die ein erstes Ende der Feder aufnimmt, und das Polstück umfasst eine Polstücktasche, die ein zweites Ende der Feder aufnimmt, wobei jede der Ankertaschen und die Polstücktasche eine Endwand umfasst, wobei die Endwand der Ankertasche das erste Ende der Feder und die Endwand der Polstücktasche das zweite Ende der Feder berührt.

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Fluideinspritzventil einer Reduktionsmittelabgabeeinheit (RDU), und insbesondere ein robustes RDU-Fluideinspritzventil für spülungsfreie Anwendungen.
Hintergrund
Die Emissionsvorschriften in Europa und Nordamerika treiben die Einführung neuer Abgasnachbehandlungssysteme voran, insbesondere für Magermotor-Technologien wie Selbstzündungsmotoren (Dieselmotoren) und Fremdzündungsmotoren (meist mit Direkteinspritzung), die unter mageren und ultra-mageren Bedingungen betrieben werden. Magermotoren weisen hohe Stickoxidemissionen (NOx) auf, die in sauerstoffreichen Abgasumgebungen, wie sie für die Magermotor-Verbrennung typisch sind, nur schwer zu behandeln sind. Derzeit werden Technologien zur Abgasnachbehandlung entwickelt, die NOx unter diesen Bedingungen behandeln.
Eine dieser Technologien umfasst einen Katalysator, der die Reaktionen von Ammoniak (NH₃) mit den Stickoxiden (NOx) unter Bildung von Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) erleichtert. Diese Technologie wird als selektive katalytische Reduktion (SCR) bezeichnet. Ammoniak ist im Automobilumfeld in seiner reinen Form schwer zu handhaben, daher ist es bei diesen Systemen üblich, ein Diesel-Abgasfluid (DEF) und/oder eine flüssige wässrige Harnstofflösung zu verwenden, typischerweise bei einer Harnstoffkonzentration von 32% (CO(NH₂)₂). Die Lösung wird als AUS-32 bezeichnet und ist auch unter dem Handelsnamen AdBlue bekannt. Die Reduktionsmittellösung wird dem heißen Abgasstrom typischerweise durch den Einsatz eines Einspritzventils zugeführt und vor dem Eintritt in den Katalysator in Ammoniak umgewandelt. Genauer gesagt, wird die Lösung in den heißen Abgasstrom geleitet und nach einer Thermolyse, oder einer thermischen Zersetzung, im Abgas in Ammoniak und Isocyansäure (HNCO) umgewandelt. Die Isocyansäure wird dann mit dem im Abgas vorhandenen Wasser hydrolysiert und in Ammoniak und Kohlendioxid (CO₂) umgewandelt, wobei das aus der Thermolyse und der Hydrolyse resultierende Ammoniak dann wie zuvor beschrieben einer katalysierten Reaktion mit den Stickoxiden unterzogen wird.
AUS-32, oder AdBlue, hat einen Gefrierpunkt von -11° Celsius, wobei zu erwarten ist, dass ein Einfrieren des Systems in kalten Klimazonen stattfindet. Da diese Fluide wässrig sind, erfolgt die Volumenausdehnung nach dem Übergang in den festen Zustand beim Gefrieren. Der sich ausdehnende Festkörper kann erhebliche Kräfte auf ein beliebiges geschlossenes Volumen, wie beispielsweise ein Einspritzventil, ausüben. Diese Ausdehnung kann zu Schäden an der Einspritzeinheit führen, weshalb es verschiedene SCR-Strategien gibt, um die Ausdehnung des Reduktionsmittels anzugehen.
Es gibt zwei bekannte SCR-System-Strategien auf dem Markt: Systeme mit Spülung und Systeme ohne Spülung (im Folgenden auch als spülungsfrei bezeichnet). In SCR-Systemen mit Spülung wird das Harnstoff-Reduktionsmittel und/oder die DEF-Lösung beim Abstellen des Fahrzeugmotors aus der RDU gespült. Bei SCR-Systemen ohne Spülung bleibt das Reduktionsmittel während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs in den RDUs. Während des normalen Betriebs eines spülungsfreien SCR-Systems arbeitet das RDU-Einspritzventil bei Temperaturen, die über dem Gefrierpunkt des Reduktionsmittels liegen, so dass das Reduktionsmittel in der RDU im flüssigen Zustand bleibt. Wenn der Fahrzeugmotor im spülungsfreien SCR-System jedoch abgestellt wird, bleibt der RDU-Einspritzventil mit Reduktionsmittel gefüllt, wodurch das RDU-Einspritzventil anfällig für Schäden durch unter Gefrierbedingungen sich ausdehnendes Reduktionsmittel wird.
Zusammenfassung
Beispielhafte Ausführungsformen überwinden Nachteile, die bei bestehenden RDU-Fluideinspritzventilen festgestellt wurden, und bieten ein verbessertes Fluideinspritzventil für spülungsfreie SCR-Systeme, bei denen die negativen Auswirkungen der RDU bei Temperaturen, die unter dem Gefrierpunkt des Reduktionsmittels liegen, reduziert werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein RDU-Fluideinspritzventil: einen Fluideinlass und einen Fluidauslass, wobei der Einspritzventil einen Fluidweg vom Fluideinlass zum Fluidauslass definiert; eine Betätigungseinheit mit einem Polstück, das in einer festen Position innerhalb des Einspritzventils angeordnet ist, mit einem beweglichen Anker, mit einer mit dem Polstück und dem beweglichen Anker gekoppelten Feder und mit einer in der Nähe des Polstücks und des beweglichen Ankers angeordneten Spule. Eine Ventilanordnung umfasst einen Ventilsitz und ein Dichtungselement, das mit dem Anker verbunden und mit dem Ventilsitz in Eingriff bringbar ist. Der Anker umfasst eine Ankertasche, die ein erstes Ende der Feder aufnimmt, wobei das Polstück eine Polstücktasche umfasst, die ein zweites Ende der Feder aufnimmt, wobei jede der Ankertaschen und die Polstücktasche eine Endwand umfasst, wobei die Endwand der Ankertasche das erste Ende der Feder und die Endwand der Polstücktasche das zweite Ende der Feder berührt.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Polstück eine Bohrung, die durch das Polstück definiert ist, wobei die Bohrung des Polstücks die Polstücktasche und den Fluidweg durch das Polstück definiert. Die Polstücktasche hat einen Durchmesser, der größer als ein Durchmesser der Bohrung des Pols an Stellen entlang des Polstücks ist, die nicht entlang der Polstücktasche liegen. Der Durchmesser der Polstücktasche kann mindestens doppelt so groß sein wie der Durchmesser der Bohrung des Polstücks an den Stellen entlang des Polstücks, die nicht entlang der Polstücktasche liegen. Die Bohrung des Polstücks kann ausschließlich den Fluidweg durch oder um das Polstück herum definieren.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Fluideinspritzventil weiterhin ein Volumenreduzierelement, das stromaufwärts des Polstücks angeordnet ist, wobei ein stromaufwärts liegendes Ende des Polstücks an ein stromabwärts liegendes Ende des Volumenreduzierelementes angrenzt. Das Volumenreduzierelement kann eine durch ihn definierte Bohrung umfassen. Die Bohrung des Volumenreduzierelements und die Bohrung des Polstücks sind Teil des Fluidwegs des Fluideinspritzventils. Die Bohrung des Volumenreduzierelementes bildet den einzigen Abschnitt des Fluidwegs durch oder um das Volumenreduzierelement herum. Ein Durchmesser der Bohrung des Volumenreduzierelementes entspricht einem Durchmesser der Bohrung des Polstücks an anderen Stellen des Polstücks als entlang der Polstücktasche.
Das Polstück kann innerhalb des Fluideinspritzventils so verschweißt werden, dass es darin stationär ist. Die Feder stellt dem Anker eine Federkraft bereit, die zumindest teilweise auf einer Position des Polstücks innerhalb des Einspritzventils, einer Tiefe der Ankertasche und einer Tiefe der Polstücktasche basiert.
In einer beispielhaften Ausführungsform nimmt die Bohrung des Polstücks nur das zweite Ende der Feder und des Reduktionsmittels auf.
Figurenliste
Im Folgenden werden Aspekte der Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert, wobei:

1 eine Querschnittsseitenansicht einer RDU für ein spülungsfreies SCR-System gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
2 eine Querschnittsseitenansicht eines Fluideinspritzventils der RDU aus 1 ist;
3 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Einlassabschnitts des Fluideinspritzventils der RDU aus 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
4 eine perspektivische Explosionsansicht der Komponenten des Fluideinspritzventils der RDU aus 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
5 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Auslassabschnitts des Fluideinspritzventils der RDU aus 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
6 ein RDU-Fluideinspritzventil gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist;
7 eine perspektivische Explosionsansicht des RDU-Fluideinspritzventils aus 6 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist; und
8 eine Querschnitts-Seitenansicht des Polstücks des RDU-Fluideinspritzventils aus 6 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist.

Detaillierte Beschreibung
Die folgende Beschreibung der beispielhaften Ausführungsform(en) ist lediglich von beispielhafter Natur und dient in keiner Weise dazu, die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendung einzuschränken.
Beispielhafte Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf eine RDU für ein spülungsfreies SCR-System, bei dem schädliche Auswirkungen durch das Einfrieren eines Reduktionsmittels, DEF- und/oder Harnstofflösung im RDU-Einspritzventil reduziert werden.
1 veranschaulicht eine RDU 10 eines spülungsfreien SCR-Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. RDU 10 umfasst ein Magnetspulen-Fluideinspritzventil, im Allgemeinen mit 12 gekennzeichnet, das eine Dosierfunktion des Fluides bereitstellt und die Einspritzvorbereitung des Fluides in den Abgasweg eines Fahrzeugs in einer Dosieranwendung bereitstellt. Somit ist das Fluideinspritzventil 12 so konstruiert und angeordnet, dass es einem Abgasströmungspfad stromaufwärts eines SCR-Katalysators (SCR = selektive katalytische Reduktion) zugeordnet ist (nicht dargestellt). Das Fluideinspritzventil 12 kann ein elektrisch betriebenes, Magnetspulen-Kraftstoffeinspritzventil sein. Wie in den 1 und 2 dargestellt, umfasst das Fluideinspritzventil 12 eine Betätigungseinheit mit einer Spule 14 und einem beweglichen Anker 16. Die Komponenten des Einspritzventils 12 definieren einen Fluidweg für ein Reduktionsmittel, eine DEF- und/oder Harnstofflösung durch das Einspritzventil 12. Das Reduktionsmittel, die DEF- und/oder Harnstofflösung, für welche die RDU 10 ausgebildet ist, um sie in den Abgasweg eines Fahrzeugmotors einzuspritzen, werden aus Gründen der Einfachheit im Folgenden als „Reduktionsmittel“ bezeichnet.
Das Fluideinspritzventil 12 ist in einem Innenträger 18 der RDU 10 angeordnet, wie in 1 dargestellt. Eine Einspritzventilabschirmung, im Allgemeinen mit 20 gekennzeichnet, wird durch eine obere Abschirmung 20A und eine untere Abschirmung 20B gebildet, die das Einspritzventil 12 umgeben und mit dem Träger 18 durch Falten der Laschen eines Flansches 22 der unteren Abschirmung 20B über die Lagermerkmale des Trägers 18 und der oberen Abschirmung 20A gekoppelt sind. Dadurch sind die Abschirmung 20 und der Träger 18 in Bezug auf das Einspritzventil 12 fixiert.
Eine Einlassbecherstruktur von RDU 10, die im Allgemeinen mit 24 in 1 gekennzeichnet ist, umfasst einen Becher 26 und ein Fluidzufuhrrohr 28, das integral mit dem Becher 26 ausgebildet ist. Das Fluidzufuhrrohr 28 steht in Verbindung mit einer Quelle eines Reduktionsmittels (nicht dargestellt), das in einen Fluideinlass 30 des Einspritzventils 12 zum Ausstoß aus einem Fluidauslass 32 desselben und in den Abgasstrom eines Fahrzeugmotors (nicht dargestellt) eingespeist wird. Der Fluideinlass 30 des Einspritzventils 12 steht in Fluidverbindung mit dem Fluidzufuhrrohr 28. Der Fluidauslass 32 ist fluidisch mit einem Flanschauslass 34 eines Abgasflansches 36 verbunden, der direkt mit einem Ende der unteren Abschirmung 20B von RDU 10 gekoppelt ist.
Einspritzventil 12 umfasst eine Einspritzventilkörperstruktur, in der die Komponenten des Einspritzventils 12 angeordnet sind. Die Einspritzventilkörperstruktur umfasst einen ersten Einspritzventilkörperabschnitt 38, in dem Spule 14 und Anker 16 angeordnet sind, und einen Ventilkörperabschnitt 40, in dem eine Ventilanordnung des Einspritzventils 12 zumindest teilweise angeordnet ist. Der erste Einspritzventilkörperabschnitt 38 und der Ventilkörperabschnitt 40 sind direkt oder indirekt fest miteinander verbunden.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 umfasst das Fluideinspritzventil 12 ein Rohrelement 42, das zumindest teilweise im ersten Einspritzventilkörperabschnitt 38 angeordnet ist. Die Außenfläche des Rohrelements 42 berührt die Innenfläche des ersten Einspritzventilkörperabschnitts 38. Ein offenes Ende des Rohrelements 42 ist innerhalb des Bechers 26 angeordnet und steht in Fluidverbindung mit dem Fluidzufuhrrohr 28. Ein O-Ring 44 ist innerhalb des Bechers 26 zwischen einer Innenfläche davon und der Außenfläche des Rohrelements 42, proximal zum offenen Ende des Rohrelements 42, angeordnet. Der O-Ring 44 dient dazu, sicherzustellen, dass das aus dem Fluidzufuhrrohr 28 austretende Reduktionsmittel in das offene Ende des Rohrelements 42 des Einspritzventils 12 gelangt.
Die Betätigungseinheit des Fluideinspritzventils 12 umfasst weiterhin ein Polstück 46, das fest im ersten Einspritzventilkörperabschnitt 38 angeordnet ist. Die Spule 14 umschließt zumindest teilweise das Polstück 46 und den Anker 16. Das Polstück 46 ist stromaufwärts des Ankers 16 im Einspritzventil 12 angeordnet. Das Polstück 46 umfasst eine axial durchgehende Zentralbohrung.
Der Anker 16 umfasst einen U-förmigen Abschnitt, der eine Tasche definiert, in der wenigstens ein Teil einer Feder 50 angeordnet ist. Die Feder 50, die Teil der Betätigungseinheit ist, spannt den beweglichen Anker 16 derart vor, dass der Anker 16 vom Polstück 46 beabstandet ist, wenn kein Strom durch die Spule 14 geleitet wird. Die Feder 50 erstreckt sich teilweise innerhalb der Zentralbohrung des Polstücks 46. Ein Ende der Feder 50, das sich innerhalb des Polstücks 46 erstreckt, kontaktiert ein Federeinstellrohr 52. Das Federeinstellrohr 52 ist zumindest teilweise in der Zentralbohrung des Polstücks 46 stromaufwärts (bezogen auf eine Strömungsrichtung des Reduktionsmittels durch das Einspritzventil 12) der Feder 50 angeordnet. Das Federeinstellrohr 52 umfasst eine axial durchgehende Bohrung.
Die Durchgangsbohrung des Federeinstellrohres 52 definiert teilweise den Fluidweg für Reduktionsmittel im Fluideinspritzventil 12 und definiert den einzigen Fluidweg für Reduktionsmittel durch das Polstück 46. Aufgrund seines Eingriffs in die Feder 50 wird das Federeinstellrohr 52 verwendet, um den dynamischen Fluss des Reduktionsmittels durch das Fluideinspritzventil 12 zu kalibrieren.
Der Anker 16 umfasst weiterhin einen oder mehrere Kanäle 60 (1 und 2), die durch den Anker 16 definiert sind, von einem Inneren der Tasche bis zu einem stromaufwärts gelegenen Endabschnitt des Stiftelements 58. Die Kanäle 60 können gleichmäßig um den Anker 16 angeordnet sein. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Anker 16 einen einzelnen Kanal, der vollständig um die Basis der Tasche herum definiert ist, die durch die Taschenwand 16A gebildet ist. Kanal/Kanäle 60 ermöglicht/ermöglichen es, dass Reduktionsmittel aus der Tasche des Ankers 16 in den Raum um das stromaufwärts gelegene Ende des Stiftelements 58 strömt. Die Tasche des Ankers 16 und der Kanal/die Kanäle 60 definieren zusammen teilweise den Reduktionsmittel-Fluidweg des Fluideinspritzventils 12 und definieren den einzigen Teil des Fluidweges, der durch oder um den Anker 16 verläuft.
Unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 5 umfasst die Ventilanordnung des Einspritzventils 12 ein Dichtungselement 54 und einen Sitz 56. Das Dichtungselement 54 ist mit dem Anker 16 über ein Stiftelement 58 verbunden, das zwischen dem Dichtungselement 54 und dem stromabwärts gelegenen Ende des Ankers 16 angeordnet ist. Das Dichtungselement 54, das Stiftelement 58 und der Anker 16 können kombiniert werden, um eine Ankeranordnung zu bilden. Wenn die Spule 14 unter Spannung steht, erzeugt die Spule 14 eine elektromagnetische Kraft, die auf den Anker 16 wirkt, die die Vorspannkraft der Feder 50 überwindet und bewirkt, dass sich der Anker 16 in Richtung Polstück 46 bewegt, das entsprechend das Stiftelement 58 so bewegt, dass das Dichtungselement 54 vom Sitz 56 abgehoben und gelöst wird, die Ankeranordnung in eine offene Position bewegt und somit das Reduktionsmittel durch den Fluidauslass 32 zum Flanschauslass 34 und in den Abgasweg des Fahrzeugmotors gelangen lässt. Wenn die Spule 14 spannungsfrei ist, wird die elektromagnetische Kraft abgebaut und die Feder 50 spannt den Anker 16 derart vor, dass der Anker 16 vom Polstück 46 wegbewegt wird, was dazu führt, dass das Dichtungselement 54 dichtend mit dem Sitz 56 in Eingriff kommt und die Ankeranordnung wieder in eine geschlossene Position versetzt wird. Wenn sich die Ankergruppe in der geschlossenen Position befindet, wird verhindert, dass Reduktionsmittel durch den Sitz 56 und den Flanschauslass 34 in den Abgasweg des Fahrzeugmotors strömt.
Wie bereits erwähnt, ist RDU 10 Teil eines spülungsfreien SCR-Abgasnachbehandlungssystems. Dadurch verbleibt das Reduktionsmittel nach dem Abschalten des Fahrzeugmotors im Fluideinspritzventil 12. In beispielhaften Ausführungsformen ist das Fluideinspritzventil 12 so ausgebildet, dass die Menge an Reduktionsmittel im Fluideinspritzventil 12 reduziert wird. Mit anderen Worten, das Gesamtvolumen des Fluidwegs für Reduktionsmittel durch das Fluideinspritzventil 12 wird reduziert. Durch den geringeren Platz für das Reduktionsmittel im Einspritzventil 12 wird die Menge an Reduktionsmittel im RDU 10, das möglicherweise einfrieren kann, reduziert, wodurch die Anfälligkeit des Einspritzventils 12 für Schäden durch Expansionskräfte von gefrorenem Reduktionsmittel verringert wird.
Um das Volumen des Reduktionsmittel-Fluidweges im Fluideinspritzventil 12 zu reduzieren, is die Dicke des Ventilkörperabschnitts 40 erhöht. Darüber hinaus ist das Stiftelement 58 als massives Element so konstruiert, dass Reduktionsmittel die Außenfläche des Stiftelements 58 umströmt, anstatt es zu durchströmen. Der Abstand zwischen der Außenfläche von Stift 58 und der Innenfläche des Ventilkörperabschnitts 40, der teilweise den Fluidweg für Reduktionsmittel durch das Einspritzventil 12 definiert, ist verringert. Dieser verengte Abschnitt des Fluidwegs ist der einzige Fluidweg für Reduktionsmittel zwischen Anker 16 und Sitz 56 im Fluideinspritzventil 12. Der verengte Fluidweg zwischen Stift 58 und Ventilkörperabschnitt 40 stellt eine ausreichende Reduktionsmitteldurchflussmenge durch das Fluideinspritzventil 12 bereit, um die Reduktionsmitteleinspritzung während des normalen Betriebs von RDU 10 durchzuführen, während gleichzeitig ein relativ kleines Volumen an Reduktionsmittel im Einspritzventil 12 gehalten wird, um das Risiko zu verringern, dass das Einspritzventil 12 durch das Gefrieren des Reduktionsmittels beschädigt wird.
Weiterhin wird der Durchmesser der Tasche des Ankers 16, in der die Feder 50 zumindest teilweise angeordnet ist, reduziert, wodurch die Dicke der Taschenwand 16A des Ankers 16 erhöht werden kann. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt die Dicke der Taschenwand 16A zwischen 45% und 75% des Durchmessers der Tasche, wie beispielsweise etwa 60%. Die Erhöhung der Dicke der Taschenwand 16A sowie die Erhöhung der Dicke des Ventilkörperabschnitts 40 und des Stiftelements 50 als massiver Stift führen dazu, dass die Komponenten des Einspritzventils 12 verstärkt und damit resistenter gegen Reduktionsmittel-Gefrierkräfte werden.
Noch weiterhin ist die Bohrung des Federeinstellrohres 52 so bemessen, dass das Volumen des Reduktionsmittel-Fluidweges im Einspritzventil 12 reduziert ist. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt der Durchmesser der Bohrung des Federeinstellrohres 52 zwischen 12% und 22% des Außendurchmessers des Polstücks 46, insbesondere zwischen 16% und 19% davon.
3 veranschaulicht einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Einspritzventils 12. Das Rohrelement 42 erstreckt sich zumindest teilweise durch das Einspritzventil 12. Der Reduktionsmittel-Fluidweg durch das Einspritzventil 12 führt durch das Rohrelement 42. Das Einspritzventil 12 umfasst einen Filter 204, der innerhalb des Rohrelements 42 proximal zu dessen offenem Ende angeordnet ist. Der Filter 204 ist ein strukturell starrer, gesinterter Metallfilter, wie beispielsweise ein Edelstahlmaterial, um den Ausdehnungskräften beim Gefrieren von Reduktionsmitteln besser zu widerstehen. Der Filter 204 kann eine tragende Außenstruktur für zusätzliche Festigkeit aufweisen. Der Filter 204, der am besten in 3 zu sehen ist, ist in einem Kappenelement 206 angeordnet. Das Kappenelement 206 ist weitgehend zylindrisch geformt und weist eine Seitenwand 206A auf, die sich in Umfangsrichtung erstreckt und ein Innenvolumen definiert, das zur Aufnahme des Filters 204 darin bemessen ist. Das Kappenelement 206 ist so bemessen, dass es in das Rohrelement 42 passt, insbesondere so, dass die Außenfläche der Seitenwand 206A des Kappenelements 206 die Innenfläche des Rohrelements 42 berührt. Das Kappenelement 206 umfasst weiterhin ringförmige Elemente 206B, die entlang der axialen Enden des Kappenelements 206 angeordnet sind und sich von der Seitenwand 206A radial nach innen erstrecken. Ringelemente 206B dienen dazu, den Filter 204 innerhalb des Kappenelements 206 in einer festen Position zu halten. Das Kappenelement 206 ist aus Metall oder ähnlichen Zusammensetzungen hergestellt.
Einspritzventil 12 umfasst weiterhin einen Haltering 207, der im Rohrelement 42 stromaufwärts des Kappenelements 206 angeordnet ist und mit diesem in Kontakt steht, wie in 1 bis 3 dargestellt. Der Haltering 207 ist am Rohrelement 42 entlang einer Innenfläche befestigt. Der Haltering 207, der entlang des Rohrelements 42 in einer Position fixiert ist, dient dazu, die stromabwärts liegenden Komponenten des Einspritzventils 12 im ersten Einspritzventilkörperabschnitt 38 in festen Positionen zu halten. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Haltering 207 entlang der Innenfläche des Rohrelements 42 verschweißt. Diese Schweißverbindung ist entlang eines gesamten Umfangs der Oberkante des Halterings 207 ausgebildet. Es versteht sich jedoch, dass andere Verbindungsmechanismen zur Befestigung des Halterings 207 am Rohrelement 42 verwendet werden können.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 umfasst das Einspritzventil 12 weiterhin ein Volumenreduzierelement 208, das dazu dient, das Volumen des Reduktionsmittel-Fluidweges im Einspritzventil 12 weiter zu reduzieren. Das Reduktionselement 208 ist, wie in 4 dargestellt, weitgehend zylindrisch geformt und weist ein oberes (stromaufwärtiges) Ende und ein unteres (stromabwärtiges) Ende auf. In einer Ausführungsform ist das Volumenreduzierelement 208 aus einem Metall, wie beispielsweise Edelstahl, aufgebaut. Es versteht sich jedoch, dass das Volumenreduzierelement 208 aus anderen Metallen oder Metallzusammensetzungen gebildet werden kann. Die Außenfläche des Volumenreduzierelementes 208 ist so bemessen, dass sie die Innenfläche des Rohrgliedes 42 berührt.
Das Volumenreduzierelement 208 umfasst weiterhin eine Bohrung 208A (2 und 3), die in axialer Richtung durch das Volumenreduzierelement 208 definiert ist, von einem axialen (oberen) Ende zum anderen axialen (unteren) Ende. Die Bohrung 208A befindet sich entlang der Längsachse des Volumenreduzierelementes 208 und ist selbst Teil des Fluidweges zum Durchleiten von Reduktionsmittel durch das Einspritzventil 12. Die Bohrung 208A bildet den einzigen Fluidweg, um Reduktionsmittel durch oder um das Volumenreduzierelement 208 zu leiten. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt der Durchmesser der Bohrung 208A zwischen 12% und 20% des Außendurchmessers des Volumenreduzierelementes 208, wie beispielsweise etwa 16%. Da sich das Volumenreduzierelement 208 radial zur Innenfläche des Rohrelements 42 erstreckt und der Durchmesser der Bohrung 208A im Verhältnis zum Außendurchmesser des Volumenreduzierelementes 208 klein ist, reduziert das Volumenreduzierelement 208 den Raum oder das Volumen, in dem sich das Reduktionsmittel im Einspritzventil 12 befinden kann, wodurch das Volumen des Fluidwegs des Reduktionsmittels darin reduziert wird. Das Volumenreduzierelement 208 unterstützt weiterhin das Halten des Federeinstellrohrs 52 in Position innerhalb des Einspritzventils 12, so dass das Stifteinstellrohr 52 eine gewünschte Kraft auf die Feder 50 aufrechterhält, um einen Verlust der Kalibrierung zu vermeiden. Insbesondere hält der Haltering 207 die Position des Filters 204 und des entsprechenden Kappenelements 206 aufrecht, die die Position des Volumenreduzierelementes 208 beibehalten, das die Position des Federeinstellelements 52 beibehält.
In Bezug auf die 1-4 umfasst das Fluideinspritzventil 12 weiterhin ein Volumenausgleichselement 210, das zwischen dem unteren (stromabwärtigen) Ende des Volumenreduzierelementes 208 und der Oberseite des Polstücks 46 angeordnet ist. Das Volumenausgleichselement 210 ist aus elastischem Material gefertigt und dient dazu, den Raum zwischen dem Volumenausgleichselement 208 und dem Polstück 46 zu belegen, um das Volumen des Reduktionsmittel-Fluidweges im Einspritzventil 12 weiter zu verringern. Das Volumenausgleichselement 210 kann sich im montierten Zustand im Einspritzventil 12 in einem komprimierten Zustand befinden und das Volumenausgleichselement 208, Polstück 46, die Innenfläche des Rohrelements 42 und die Außenfläche des Federeinstellelements 52 berühren.
5 veranschaulicht einen stromabwärtigen Endabschnitt des Fluideinspritzventils 12. Wie zu sehen ist, umfasst der Sitz 56 eine axial durch den Sitz 56 definierte Bohrung. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Länge der Durchgangsbohrung des Sitzes 56 reduziert, um das Volumen des Reduktionsmittel-Fluidweges durch den Sitz 56 weiter zu reduzieren, insbesondere das Taschenvolumen unterhalb des Dichtbandes des Sitzes 56, das in das Dichtungselement 54 eingreift.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Fluideinspritzventil 12 eine Vielzahl von Lochscheiben 212, die in einer Stapelanordnung angeordnet sind. Der Lochscheibenstapel ist gegen das stromabwärtige Ende des Sitzes 56 angeordnet. In der in 5 dargestellten beispielhaften Ausführungsform umfasst der Scheibenstapel eine erste Scheibe 212A mit einer oder mehreren Öffnungen, die ausgebildet sind, um das gewünschte Sprühmuster des aus dem Einspritzventil 12 austretenden Reduktionsmittels bereitzustellen. Es versteht sich, dass die Abmessungen und Positionen der Öffnungen der ersten Scheibe 212A variieren können und von den Anforderungen an die Reduktionsmitteldosierung des jeweiligen Fahrzeugmotors abhängig sind. Der Scheibenstapel umfasst weiterhin eine zweite Scheibe 212B, die stromabwärts der ersten Scheibe 212A angeordnet ist und Öffnungen umfasst, durch die der Reduktionsmittelsprühstoß hindurchtritt. Die zweite Scheibe 212B hat eine größere Dicke als die Dicke der ersten Scheibe 212A und ist gegen die erste Scheibe 212A angeordnet, und trägt die erste Scheibe 212A, um zu verhindern, dass sich die dünnere erste Scheibe 212A aufgrund von Expansionskräften durch gefrorenes Reduktionsmittel stromaufwärts zu der ersten Scheibe 212A verformt.
Wie oben erläutert, sind das Fluideinspritzventil 12 und insbesondere seine Komponenten ausgebildet, um das Volumen des Reduktionsmittel-Fluidweges im Einspritzventil 12 zu reduzieren. In beispielhaften Ausführungsformen liegt das Verhältnis des Volumens des Fluidwegs im Fluideinspritzventil 12 zu einem Volumen der Komponenten des Einspritzventils 12 (einschließlich, aber nicht unbedingt beschränkt darauf: Spule 14, Anker 16, Polstück 46, Federeinstellrohr 52, Volumenreduzierelement 208, Volumenausgleichselement 210, Filter 204, Haltering 207, Feder 50, Stiftelement 58, Dichtungselement 54, Sitz 56, erster Einspritzventilkörperabschnitt 20A und Ventilkörperabschnitt 40) zwischen 0,08 und 0,30, insbesondere zwischen 0,12 und 0,20, wie etwa 0,15. Diese Volumenmengen werden zwischen orthogonalen Ebenen relativ zur Längsachse des Fluideinspritzventils 12 berechnet - aus einer ersten Ebene entlang des offenen Endes des Rohrelements 42 (d.h. des Fluideinlasses 30) und einer zweiten Ebene entlang der untersten (stromabwärts gelegenen) Oberfläche der zweiten Scheibe 212B (d.h. des Fluidauslasses 32). Es versteht sich, dass das besondere Verhältnis des Volumens des Reduktionsmittelweges zum Volumen der Einspritzventilkomponente innerhalb des Fluideinspritzventils 12 in Abhängigkeit von einer Reihe von kosten- und leistungsbezogenen Faktoren variieren kann und ein beliebiger Wert zwischen etwa 0,08 und etwa 0,30 sein kann. Die Bereitstellung eines Fluideinspritzventils mit einem reduzierten Verhältnis von Reduktionsmittel-Fluidwegvolumen zu Einspritzventilkomponentenvolumen, um in den obigen Bereich zu fallen, führt vorteilhafterweise zu weniger Reduktionsmittel im Einspritzventil 12, was die Anfälligkeit von RDU 10 für Schäden reduziert, wenn das Reduktionsmittel im Einspritzventil 12 gefriert.
6 veranschaulicht das Fluideinspritzventil 12 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform. Die Komponenten des Fluideinspritzventils 12 von 6 umfassen einen Großteil der oben in Bezug auf 1-5 beschriebenen Einspritzventilkomponenten, einschließlich Rohrelement 42, Filter 204, Kappenelement 206, Haltering 207, Volumenreduzierelement 208, Spule 14, Anker 16, Feder 50, Ventilkörperabschnitt 40, Stift 58, Dichtungselement 54 und Sitz 56. Solche Komponenten sind auch in 7 dargestellt. Im Gegensatz zum Fluideinspritzventil 12 von 2 umfasst das Fluideinspritzventil 12 von 6 nicht das Federeinstellrohr 52 und das Volumenausgleichselement 210. Das Fluideinspritzventil 12 von 6 umfasst auch das Polstück 66, das zwischen dem Volumenreduzierelement 208 und dem Anker 16 angeordnet ist. Das Polstück 66 umfasst eine Bohrung 66A, die in Längsrichtung definiert ist. Ein stromabwärts gelegenes Ende des Polstücks 66 ist verbreitert, um eine Tasche 66B zu bilden, die für die Aufnahme eines Teils der Feder 50 bemessen ist. Wie in 8 deutlicher dargestellt, wird die Tasche 66B durch die Seitenwand 66C und die Endwand 66D definiert. Die Endwand 66D definiert einen Rand, an dem das stromaufwärts liegende Ende der Feder 50 anliegt und vorgespannt ist. In der beispielhaften Ausführungsform berühren die beiden Enden der Feder 50 die Endwände der Tasche 16A des Ankers 16 und der Tasche 66B des Polstücks 66.
In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt der Durchmesser der Tasche 66B etwa 2,8 mm, die Höhe der Tasche 66B etwa 1,04 mm und der Durchmesser der Bohrung 66A an anderen Stellen als der Tasche 66B etwa 1,1 mm.
In einer beispielhaften Ausführungsform entspricht der Durchmesser der Bohrung 66A dem Durchmesser der Bohrung 208A des Volumenreduzierelementes 208, mit Ausnahme des Durchmessers der Bohrung 66A innerhalb der Tasche 66B. Der Durchmesser der Tasche 66B ist größer als der Durchmesser der Bohrung 66A an anderen Stellen entlang des Polstücks 66 außerhalb der Tasche 66B. Die Bohrung 66A des Polstücks 66 definiert mindestens einen Teil des Fluidweges für Reduktionsmittel durch das Einspritzventil 12 von 6 und ist der einzige Weg für Reduktionsmittel durch oder um das Polstück 66.
In der in den 6-8 dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist das Polstück 66 im Fluideinspritzventil 12 eingeschweißt. Wenn das Polstück 66 an einer festen Stelle in einem Fluideinspritzventil 12 verschweißt ist und das Polstück 66 eine Tasche 66B mit darin angeordneter Feder 50 aufweist, dient das Polstück 66 dazu, eine feste Kalibrierung durch Zusammendrücken der Feder 50 auf eine vorbestimmte Höhe bereitzustellen, die teilweise auf die Position des Polstücks 66 im Einspritzventil 12 und auf die Höhe der Seitenwand 66C bezogen ist. Dadurch wird das Risiko einer Kalibrierungsänderung bei Gefriertemperaturen reduziert, wenn das Reduktionsmittel im Fluideinspritzventil 12 von 6 einfrieren könnte. Im Einspritzventil 12 von 2 können Ausdehnungskräfte von gefrierendem Reduktionsmittel möglicherweise zu einer Bewegung des Federeinstellstiftes 52 führen, was die Kalibrierung des Fluideinspritzventils 12 verändern würde. Ohne Federeinstellstift 52 und ohne Vorspannung der Feder 50 gegen die Endwand 66D ändert sich die Vorspannkraft der Feder 50 durch das Polstück 66 nicht, da das Polstück 66 stationär und in einer festen Position innerhalb des Fluideinspritzventils 12 bleibt, auch wenn das Reduktionsmittel im Fluideinspritzventil 12 gefriert. Dadurch wird die Notwendigkeit einer erneuten Kalibrierung des Fluideinspritzventils 12 von 6 erheblich reduziert.

Claims

Reduktionsmittelabgabeeinheit, umfassend: ein Fluideinspritzventil mit einem Fluideinlass, der an einem ersten Ende des Fluideinspritzventils zur Aufnahme eines Reduktionsmittels angeordnet ist, und mit einem Fluidauslass, der an einem zweiten Ende des Fluideinspritzventils zur Abgabe des Reduktionsmittels angeordnet ist, wobei das Fluideinspritzventil einen Fluidweg vom Fluideinlass zum Fluidauslass definiert, wobei das Fluideinspritzventil umfasst: eine Betätigungseinheit, die ein Polstück, das in einer festen Position innerhalb des Fluideinspritzventils angeordnet ist, einen beweglichen Anker, eine Spule, die in der Nähe des Polstücks und des beweglichen Ankers angeordnet ist, und eine Feder umfasst; eine Ventilanordnung, umfassend einen Ventilsitz, der am oder in der Nähe des zweiten Endes des Fluideinspritzventils angeordnet ist, und ein Dichtungselement, das mit dem Anker verbunden und mit dem Ventilsitz in Eingriff bringbar ist; wobei der Anker eine Ankertasche umfasst, wobei die Ankertasche zumindest teilweise den Fluidweg des Fluideinspritzventils durch den Anker definiert, und das Polstück eine Polstücktasche umfasst, die in einem stromabwärts gelegenen Ende des Polstücks definiert ist und die zumindest teilweise den Fluidweg durch das Polstück definiert, wobei die Ankertasche ein erstes Ende der Feder und die Polstücktasche ein zweites Ende der Feder aufnimmt, wobei die Ankertasche und die Polstücktasche jeweils eine Endwand umfassen, an der das erste und zweite Ende der Feder jeweils anliegen.
Reduktionsmittelabgabeeinheit nach Anspruch 1, wobei das Polstück eine durch das Polstück definierte Bohrung umfasst, wobei die Bohrung des Polstücks die Polstücktasche umfasst und den Fluidweg durch das Polstück definiert.
Reduktionsmittelabgabeeinheit nach Anspruch 2, wobei die Polstücktasche einen Durchmesser aufweist, der größer ist als ein Durchmesser der Bohrung des Polstücks an Stellen entlang des Polstücks, die sich von der Polstücktasche unterscheiden.
Reduktionsmittelabgabeeinheit nach Anspruch 3, wobei der Durchmesser der Polstücktasche mindestens doppelt so groß ist wie der Durchmesser der Bohrung des Polstücks an den Stellen entlang des Polstücks, die nicht entlang der Polstücktasche liegen.
Reduktionsmittelabgabeeinheit nach Anspruch 2, wobei die Bohrung des Polstücks ausschließlich den Fluidweg durch oder um das Polstück herum definiert.
Reduktionsmittelabgabeeinheit nach Anspruch 2, wobei das Fluideinspritzventil weiterhin ein Volumenreduzierelement umfasst, das stromaufwärts des Polstücks angeordnet ist, wobei ein stromaufwärts liegendes Ende des Polstücks an ein stromabwärts liegendes Ende des Volumenreduzierelements angrenzt.
Reduktionsmittelabgabeeinheit nach Anspruch 6, wobei das Volumenreduzierelement eine durch diee definierte Bohrung umfasst, wobei die Bohrung des Volumenreduzierelements und die Bohrung des Polstücks Teil des Fluidwegs des Fluideinspritzventils sind, wobei die Bohrung des Volumenreduzierelements den einzigen Abschnitt des Fluidwegs durch oder um das Volumenreduzierelement bildet, und ein Durchmesser der Bohrung des Volumenreduzierelements gleich einem Durchmesser der Bohrung des Polstücks entlang anderer Positionen des Polstücks als entlang der Polstücktasche ist.
Reduktionsmittelabgabeeinheit nach Anspruch 1, wobei das Polstück innerhalb des Fluideinspritzventils verschweißt ist, um darin stationär zu sein, und die Feder dem Anker eine Federkraft zuführt, die zumindest teilweise auf einer Position des Polstücks innerhalb des Einspritzventils, einer Tiefe der Ankertasche und einer Tiefe der Polstücktasche basiert.
Fluideinspritzventil für eine Reduktionsmittelabgabeeinheit, umfassend: einen Fluideinlass, der an einem ersten Ende des Fluideinspritzventils zur Aufnahme eines Fluids angeordnet ist, und einen Fluidauslass, der an einem zweiten Ende des Fluideinspritzventils angeordnet ist, aus dem das Fluid aus dem Fluideinspritzventil austritt, wobei das Fluideinspritzventil einen Fluidweg vom Fluideinlass zum Fluidauslass definiert; eine Betätigungseinheit, die ein Polstück, das in einer festen Position innerhalb des Fluideinspritzventils angeordnet ist, einen beweglichen Anker, eine Feder, die funktionsfähig mit dem Polstück und dem beweglichen Anker gekoppelt ist, und eine Spule, die in der Nähe des Polstücks und des beweglichen Ankers angeordnet ist, umfasst; und eine Ventilanordnung, umfassend einen Ventilsitz, der am oder in der Nähe des zweiten Endes des Fluideinspritzventils angeordnet ist, und ein Dichtungselement, das mit dem Anker verbunden und mit dem Ventilsitz in Eingriff bringbar ist; wobei der Anker eine Ankertasche umfasst, die ein erstes Ende der Feder aufnimmt, und das Polstück eine Polstücktasche umfasst, die ein zweites Ende der Feder aufnimmt, wobei jede der Ankertaschen und die Polstücktasche eine Endwand umfasst, wobei die Endwand der Ankertasche das erste Ende der Feder und die Endwand der Polstücktasche das zweite Ende der Feder berührt.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 9, wobei das Polstück eine durch das Polstück definierte Bohrung umfasst, wobei die Bohrung des Polstücks die Polstücktasche umfasst und den Fluidweg durch das Polstück definiert.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 10, wobei die Polstücktasche einen Durchmesser aufweist, der größer ist als ein Durchmesser der Bohrung des Polstücks an Stellen entlang des Polstücks, die sich von der Polstücktasche unterscheiden.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 11, wobei der Durchmesser der Polstücktasche mehr als doppelt so groß ist wie der Durchmesser der Bohrung des Polstücks an Stellen entlang des Polstücks, die sich von der Polstücktasche unterscheiden.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 10, wobei der Fluidweg durch oder um das Polstück herum ausschließlich durch die Bohrung des Polstücks definiert ist.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 10, weiterhin umfassend ein Volumenreduzierelement, das stromaufwärts des Polstücks angeordnet ist, wobei ein stromabwärts gelegenes Ende des Volumenausstoßelements angrenzend an ein stromaufwärts gelegenes Ende des Polstücks angeordnet ist.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 14, wobei das Volumenreduzierelement eine durch sie definierte Bohrung umfasst und der Fluidweg durch oder um das Volumenreduzierelement herum ausschließlich durch die Bohrung des Volumenreduzierelementes definiert ist.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 15, wobei die Bohrung des Volumenreduzierelements in Fluidverbindung mit der Bohrung des Polstücks steht und ein Durchmesser der Bohrung des Volumenreduzierelements einem Durchmesser der Bohrung des Polstücks entspricht.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 10, wobei die Bohrung des Polstücks nur das zweite Ende der Feder und des Reduktionsmittels darin aufnimmt.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 9, wobei das Polstück innerhalb des Fluideinspritzventils so verschweißt ist, dass es darin stationär ist.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 9, wobei das Fluideinspritzventil in der Reduktionsmittelabgabeeinheit angeordnet ist und Teil dieser bildet.