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Die Erfindung betrifft ein Dosierventil zum Einspeisen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors. Die Erfindung betrifft auch ein Dosiermodul und einen Abgasstrang mit einem solchen Dosierventil.
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Stand der Technik
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Zur Nachbehandlung der Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, sind SCR-Systeme („SCR“ = „Selective Catalytic Reduction“) bekannt, die eingesetzt werden, um die in den Abgasen enthaltenen Stickoxide (NOx) zu reduzieren.
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Diese Systeme injizieren vor einem SCR-Katalysator mittels eines sogenannten Dosierventils eine Harnstoffwasserlösung in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors. Im Zusammenwirken mit dem SCR-Katalysator reagiert der in der Harnstoffwasserlösung enthaltene Harnstoff mit den in den Abgasen enthaltenen Stickoxiden (NOx) zu Stickstoff (N2) und Wasser (H2O). Dadurch werden die in den Abgasen enthaltenen Stickoxide reduziert.
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Im Betrieb ist das Dosierventil, das unmittelbar am Abgasstrang angeordnet ist, hohen Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius ausgesetzt. Speziell beim sogenannten „Hot-Shut-Down“ (Heißabsteller) werden im Inneren des Dosierventils sehr hohe Temperaturen erreicht. Bei derart hohen Temperaturen bildet das Reduktionsmittel im Dosierventil Reduktionsmittelkristalle (Harnstoffkristalle), welche die Funktion des Dosierventils beeinträchtigen können.
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Insbesondere können Harnstoffkristalle, die in einen Spalt zwischen einem beweglichen Teil, z.B. einem Anker, und einem feststehenden Teil, z.B. einer den Anker umgebende Hülse, des Dosierventils gelangen, zu einem Verklemmen des beweglichen Teils führen, wodurch das Dosierventil seine Funktion nicht mehr erfüllen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Dosierventil zum Einspritzen fluiden Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, das eine höhere Betriebssicherheit hat. Es ist insbesondere eine Aufgabe, ein Dosierventil bereitzustellen, bei dem die Gefahr des Verklemmens beweglicher Teile, beispielsweise durch Reduktionsmittelkristalle, reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Dosierventil gelöst, wie es durch den unabhängigen Patentanspruch 1 definiert ist. Die abhängigen Patentansprüche beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Dosierventils.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Dosierventil zum Einspritzen eines fluiden Reduktionsmittels, insbesondere einer Harnstoffwasserlösung, in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, eine Hülse und ein innerhalb der Hülse angeordnetes Verschlusselement, das in einer Bewegungsrichtung in der Hülse bewegbar ist.
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Die Hülse weist einen Hülsen-Kontaktbereich auf, und das Verschlusselement weist einen Verschlusselement-Kontaktbereich auf. Der Hülsen-Kontaktbereich und der Verschlusselement-Kontaktbereich bewegen sich gegeneinander, wenn sich das Verschlusselement in der Hülse bewegt. Der Hülsen-Kontaktbereich und der Verschlusselement-Kontaktbereich berühren einander wenigstens teilweise, so dass Reibung auftritt, wenn sich das Verschlusselement in der Hülse bewegt.
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Wenigstens einer von dem Hülsen-Kontaktbereich und dem Verschlusselement-Kontaktbereich ist mit einer Anti-Haftbeschichtung beschichtet. Die Anti-Haftbeschichtung verhindert das Ausbilden von Reduktionsmittelkristallen an dem beschichteten Kontaktbereich und ermöglicht eine reibungsarme Bewegung zwischen dem Verschlusselement und der Hülse.
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Das Verschlusselement ist daher besonders leichtgängig und mit geringer Kraft in der Hülse beweglich.
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Die Gefahr, dass die Bewegungsfähigkeit des Verschlusselements, beispielsweise durch Verklemmen in der Hülse, eingeschränkt wird, wird erheblich reduziert, und die Betriebssicherheit des Dosierventils wird deutlich erhöht.
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In einer Ausführungsform ist nur einer von dem Hülsen-Kontaktbereich und dem Verschlusselement-Kontaktbereich mit einer Anti-Haftbeschichtung beschichtet. Auf diese Weise könne die für das Beschichten anfallenden Produktionskosten gering gehalten werden.
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In einer anderen Ausführungsform sind sowohl der Hülsen-Kontaktbereich als auch der Verschlusselement-Kontaktbereich mit einer Anti-Haftbeschichtung beschichtet. Auf diese Weise kann die Reibung zwischen dem Verschlusselement und der Hülse besonders stark reduziert werden.
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Sind sowohl der Hülsen-Kontaktbereich als auch der Verschlusselement-Kontaktbereich mit einer Anti-Haftbeschichtung beschichtet, können der Hülsen-Kontaktbereich und der Verschlusselement-Kontaktbereich mit einer Anti-Haftbeschichtung aus dem gleichen Material oder mit Anti-Haftbeschichtungen aus unterschiedlichen Materialien beschichtet sein. Die unterschiedlichen Materialien können so aufeinander abgestimmt sein, dass die Reibung zwischen dem Verschlusselement und der Hülse besonders stark reduziert wird.
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In einer Ausführungsform sind die Anti-Haftbeschichtungen bei den im Dosierventil im Betrieb maximal auftretenden Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen von bis zu 190 °C, thermisch stabil.
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Thermisch stabil bedeutet in diesem Zusammenhang, dass keine Veränderungen der chemischen Eigenschaften der Anti-Haftbeschichtung auftreten, welche die Rauigkeit der Anti-Haftbeschichtung relativ zu einer neu aufgebrachten Anti-Haftbeschichtung vergrößern oder die Festigkeit der Anti-Haftbeschichtung derart beeinflusst, dass es zu (Teil-)Ablösungen der Anti-Haftbeschichtung kommt, so dass die Anti-Haftbeschichtung ihre Reibung reduzierende und Kristallbildung verhindernde Funktion über den gesamten Betriebsbereich des Dosierventils beibehält.
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In einer Ausführungsform ist die Anti-Haftbeschichtung gegenüber Stoffen, mit denen sie im Dosierventil in Kontakt kommen können, insbesondere HNO3, H2SO3, und dem Reduktionsmittel / wässriger Harnstofflösung, resistent, so dass sie im Betrieb nicht durch diese Stoffe zersetzt wird, sondern ihre Reibung reduzierende Funktion behält und das Entstehen von Reduktionsmittelkristallen verhindert.
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In einer Ausführungsform enthält die Anti-Haftbeschichtung Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, insbesondere Polymere, wie z.B. wie Perfluoralkoxy-Polymere (PFA), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder hexagonales Bornitrid (hBN).
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In einer Ausführungsform enthält die Anti-Haftbeschichtung Metalle und/oder Übergangsmetalle.
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In einer Ausführungsform enthält die Anti-Haftbeschichtung anorganische Verbindungen.
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In einer Ausführungsform enthält die Anti-Haftbeschichtung keramisches Material. Das keramische Material kann insbesondere in einem Plasmaspritzverfahren auf den Hülsen-Kontaktbereich und/oder auf den Verschlusselement-Kontaktbereich aufgebracht werden.
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In einer Ausführungsform enthält die Anti-Haftbeschichtung hexagonales Bornitrid, wobei das Bornitrid insbesondere in Schichtstrukturen aufgebaut ist.
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In einer Ausführungsform enthält die Anti-Haftbeschichtung dispers in eine Metall-, Kunststoff- oder Keramik-Matrix eingelagerte Partikel. Die dispers eingelagerten Partikel können insbesondere Polymere und/oder anorganische Schichtverbindungen enthalten.
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In einer Ausführungsform weist die Anti-Haftbeschichtung über wenigstens 315 Millionen Bewegungen des Verschlusselements in der Hülse keinen über eine vorgegebene Toleranz hinausgehenden Verschleiß auf. Dies bedeutet, dass sich die Rauigkeit der Anti-Haftbeschichtung im Vergleich zu einer neu aufgebrachten Anti-Haftbeschichtung über 315 Millionen Bewegungen des Verschlusselements nicht über eine vorgegebene Toleranz hinaus vergrößert und dass die Festigkeit der Anti-Haftbeschichtung nicht derart beeinflusst wird, dass es zu (Teil-)Ablösungen der Anti-Haftbeschichtung kommt.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors mit einem Dosiermodul zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang in einer schematischen Darstellung.
- 2 zeigt eine Schnittansicht durch ein Dosierventil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Bereichs des in der 2 gezeigten Dosierventils.
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Figurenbeschreibung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Verbrennungsmotor 4 mit einem Abgasstrang 2 und einem Dosiermodul 6 zum Einspritzen eines Reduktionsmittels 10, insbesondere einer Harnstoffwasserlösung, in den Abgasstrang 2.
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Das Dosiermodul 6 ist zwischen dem Verbrennungsmotor 4 und einem SCR-Katalysator 7, d.h. dem SCR-Katalysator 7 vorgeschaltet, angeordnet. Das Dosiermodul 6 umfasst ein Dosierventil 20, das es ermöglicht, durch geeignetes Ansteuern des Dosierventils 20 eine gewünschte Menge an Reduktionsmittel 10 in einen Abgaskanal 3 des Abgasstrangs 2 einzuspritzen. Durch eine Vorförderpumpe 8 wird das einzuspritzende Reduktionsmittel 10 aus einem Vorratstank 12 entnommen und dem Dosiermodul 6 zugeführt, beispielsweise mit einem Druck von 2 bis 3 bar. Das Dosiermodul 6 spritzt das Reduktionsmittel 10 mit einem höheren Druck, beispielsweise einem Druck von 9 bar, in den Abgaskanal des Abgasstrangs 2 ein. Im Abgaskanal 3 vermischt sich das eingespritzte Reduktionsmittel 10 mit den durch den Abgaskanal 3 strömenden Abgasen 14 des Verbrennungsmotors 4 und reagiert in dem stromabwärts des Dosiermoduls 6 angeordneten SCR-Katalysator 7 mit den in den Abgasen 14 enthaltenen Stickoxiden (NOx), wodurch diese zu N2 und H2O reduziert werden.
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2 zeigt eine Schnittansicht durch ein Dosierventil 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das Dosierventil 20 umfasst eine zylinderförmige Hülse 24 mit einem in der 2 unten dargestellten abgasstrangseitigen Ende 24a und einem gegenüberliegenden, vom Abgasstrang 2 abgewandten (oberen) Ende 24b. „Oben“ und „unten“ beziehen sich hierbei und im Folgenden auf die in den 2 und 3 gezeigte Orientierung des Dosierventils 20. Die in den 2 und 3 dargestellte Orientierung des Dosierventils 20 muss nicht mit der Orientierung des Dosierventils 20 übereinstimmen, wenn es in einer Einbauposition an einem Abgasstrang 2 montiert ist.
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Am abgasstrangseitigen Ende 24a sind in der Hülse 24 ein Ventilsitz 26 und eine Einspritzöffnung 28 vorgesehen. Durch die Einspritzöffnung 28 kann fluides Reduktionsmittel aus dem Dosierventil 20 in den Abgasstrang 2 eingespritzt werden.
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Die Einspritzöffnung 28 ist durch eine in der Hülse 24 beweglich gelagertes Verschlusselement 30 verschließbar. Das Verschlusselement 30 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und koaxial mit der zylinderförmigen Hülse 24 so angeordnet, dass es entlang einer gemeinsamen Achse A des Verschlusselements 30 und der zylinderförmigen Hülse 24 bewegbar ist.
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Das Verschlusselement 30 ist insbesondere zwischen einer (unteren) geschlossenen Position, in es so im Ventilsitz 26 angeordnet ist, dass es die Einspritzöffnung 28 verschließt, und einer (oberen) geöffneten Position, in der das Verschlusselement 30 die Einspritzöffnung 28 freigibt, bewegbar.
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Das Dosierventil 20 umfasst auch ein elastisches Element 38, beispielsweise eine Spiralfeder. Das elastische Element 38 ist ausgebildet, das Verschlusselement 30 in seine (untere) Verschlussposition zu drücken, in es die Einspritzöffnung 28 verschließt. Die Einspritzöffnung 28 ist daher in der Ruheposition des Dosierventils 20, d.h. wenn das Dosierventil 20 nicht angesteuert wird, verschlossen.
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Das Verschlusselement 30 umfasst einen Bereich, der als elektromagnetischer Anker 34 ausgebildet ist. Der elektromagnetische Anker 34 ist insbesondere zylinderförmig an einem von der Einspritzöffnung 28 abgewandten Ende (oberen) Bereich des Verschlusselements 30 ausgebildet.
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Um die Hülse 24 ist ein Elektromagnet 35 mit einer in den Figuren nicht explizit gezeigten elektromagnetischen Spule ausgebildet. Der Elektromagnet 35 und der elektromagnetische Anker 34 bilden zusammen einen elektromagnetischen Aktuator 34, 35, der es ermöglicht, das Verschlusselement 30 durch Bestromen der Spule des Elektromagneten 35 aus der in der 2 dargestellten Verschlussposition, in der es die Einspritzöffnung 28 verschließt, in eine geöffnete Position (in der Darstellung der 2 „nach oben“) zu bewegen, in der das Verschlusselement 30 die Einspritzöffnung 28 freigibt.
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3 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung des Bereichs des Dosierventils 20, in dem der äußere Umfang des Ankers 34 an einer Wand 25 der Hülse 24 anliegt.
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Der Bereich 27 der Hülse 24, der mit dem Verschlusselement 30, insbesondere mit dem Anker 34 des Verschlusselements 30 in Kontakt kommt, wird im Folgenden als Hülsen-Kontaktbereich 27 bezeichnet.
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Der Bereich 31 des Verschlusselements 30, insbesondere des Ankers 34, der mit der Hülse 24, insbesondere der Wand 25 der Hülse 24 in Kontakt kommt, wird im Folgenden als Verschlusselement-Kontaktbereich 31 bezeichnet.
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Wenn sich das Verschlusselement 30 entlang der Achse A bewegt, gleiten der Hülsen-Kontaktbereich 27 und Verschlusselement-Kontaktbereich 31 aufeinander.
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Um die Reibung zwischen dem Hülsen-Kontaktbereich 27 und dem Verschlusselement-Kontaktbereich 31 zu minimieren und um zu verhindern, dass sich zwischen dem Hülsen-Kontaktbereich 27 und dem Verschlusselement-Kontaktbereich 31 Reduktionsmittelkristalle bilden, die zu einem Verklemmen des Verschlusselements 30 in der Hülse 24 führen können, ist wenigstens einer von dem Hülsen-Kontaktbereich 27 und dem Verschlusselement-Kontaktbereich 31 mit einer Anti-Haftbeschichtung 40, 42 beschichtet.
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Sind der Hülsen-Kontaktbereich 27 und der Verschlusselement-Kontaktbereich 31 beide mit einer Anti-Haftbeschichtung 40, 42 beschichtet, können sie mit Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 aus dem gleichen Material oder mit Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 aus unterschiedlichen Materialien beschichtet sein.
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Die Materialien sind dabei so gewählt, dass sie eine glatte und klemmfreie Bewegung des Verschlusselements 30 in der Hülse 40 ermöglichen und verhindern, dass sich zwischen dem Hülsen-Kontaktbereich 27 und dem Verschlusselement-Kontaktbereich 31 Reduktionsmittelkristalle bilden.
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Die Materialien sind insbesondere so gewählt, dass die Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 die Funktion des Dosierventils 20 und des elektromagnetischen Aktuators 34, 35 nicht beeinträchtigen. Insbesondere weisen die Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 eine hohe Verschleißfestigkeit, beispielsweise eine Verschleißfestigkeit über wenigstens 315 Millionen Zyklen des Dosierventils 20, d.h. Bewegungen des Verschlusselements 30, auf. Dies bedeutet, dass sich die Rauigkeit der Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 im Vergleich zu einer neu aufgebrachten Anti-Haftbeschichtung im Laufe der Zeit nicht über eine vorgegebene Toleranz hinaus vergrößert und dass die Festigkeit der Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 nicht derart beeinflusst wird, dass es zu (Teil-)Ablösungen der Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 kommt.
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Die Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 40, 42 sind bei den im Dosierventil 20 im Betrieb auftretenden Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen von bis zu 190 °C, thermisch stabil.
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Thermisch stabil bedeutet in diesem Zusammenhang, dass keine Veränderungen der Eigenschaften der Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 auftreten, welche die Rauigkeit der Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 im Vergleich zu einer neu aufgebrachten Anti-Haftbeschichtung 40, 42 über eine vorgegebene Toleranz hinausgehend vergrößern und/oder die Festigkeit der Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 derart beeinflussen, dass es zu (Teil-)Ablösungen der Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 kommt. Die Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 behalten daher ihre Reibung reduzierende und Kristallbildung verhindernde Funktion über den gesamten thermischen Betriebsbereich des Dosierventils 20.
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Die Anti-Haftbeschichtungen 40, 42 sind gegenüber Stoffen, mit denen sie im Dosierventil 20 in Kontakt kommen können, insbesondere HNO3, H2SO3, und wässriger Harnstofflösung, resistent, so dass sie im Betrieb nicht durch diese Stoffe zersetzt werden, sondern über die gesamte Lebensdauer des Dosierventils 20 erhalten bleiben und so einen zuverlässigen Betrieb über die gesamte Lebensdauer des Dosierventils 20 ermöglichen.
