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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), die im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, enthalten sind, zu reduzieren, wird ein flüssiges Reduktionsmittel in Form einer Harnstoffwasserlösung („AdBlue“O) in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors eingespritzt.
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Durch Erzeugen eines möglichst homogenen Sprays soll eine gute Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas gewährleistet werden.
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DE 10 2017 209 520 A1 offenbart eine Spritzlochscheibe für eine Einspritzvorrichtung, die zum Einspritzen eines Fluids ausgebildet ist, mit wenigstens einer Austrittsöffnung. In der Spritzlochscheibe ist um die wenigstens eine Austrittsöffnung eine Vertiefung derart ausgebildet, dass sie es dem Fluid ermöglicht, so durch die Vertiefung zu der Austrittsöffnung zu strömen, dass wenigstens ein Teil des Fluids die Austrittsöffnung überströmt und wenigstens ein Teil des Fluids, das die Austrittsöffnung überströmt, zur Austrittsöffnung zurückgeführt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Spritzlochscheibe bereitzustellen, die ein Spray mit hoher Homogenität und scharf begrenzten Rändern zur Verfügung stellt.
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Eine erfindungsgemäß ausgebildete Spritzlochscheibe hat wenigstens einen Fluidkanal, der sich von einem zentralen Bereich der Spritzlochscheibe in einer radialen Richtung nach außen erstreckt, und wenigstens ein Spritzloch, dass sich in einer axialen Richtung, die orthogonal zur radialen Richtung ausgerichtet ist, durch die Spritzlochscheibe erstreckt. Das wenigstens eine Spritzloch umfasst: einen an den wenigstens einen Fluidkanal angrenzenden Eintrittsbereich, der in radialer Richtung einen ersten Durchmesser D1 hat; einen an der auf der von dem Fluidkanal abgewandten Seite an den Eintrittsbereich angrenzenden Zwischenbereich, der in radialer Richtung einen zweiten Durchmesser D2 hat, der kleiner als der erste Durchmesser D1 ist; und einen an der auf der von dem Eintrittsbereich abgewandten Seite an den Zwischenbereich angrenzenden Austrittsbereich, der in radialer Richtung einen dritten Durchmesser D3 hat, der kleiner als der zweite Durchmesser D2 ist. Eine gemeinsame innere Begrenzung, die den Eintrittsbereich, den Zwischenbereich und den Austrittsbereich auf einer dem zentralen Bereich zugewandten Innenseite des Spritzlochs begrenzt, erstreckt sich entlang einer geraden Linie.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen auch eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Fluids in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors mit einem Ventilsitz, in dem eine durch ein Verschlusselement verschließbare Fluid-Austrittsöffnung ausgebildet ist, und mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Spritzlochscheibe, die auf der von dem Verschlusselement abgewandten Seite des Ventilsitzes angeordnet ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen auch ein System zum Einspritzen eines fluiden Reduktionsmittels in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors mit einem Fluidtank zur Speicherung des fluiden Reduktionsmittels, einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung, die an dem Abgasstrang angeordnet ist, und mit einem Fördermodul, das dazu ausgebildet ist, Reduktionsmittel aus dem Fluidtank zum Fördermodul zu fördern. Ein solches System umfasst insbesondere auch einen stromabwärts des Dosiermoduls in dem Abgasstrang angeordneten Katalysator.
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Eine Einspritzvorrichtung, die mit einer erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe ausgestattet ist, erzeugt ein Spray, dass eine hohe Homogenität aufweist, so dass lokale Überhäufungen des Reduktionsmittels vermieden werden. Das mit einer erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe erzeugte Spray hat darüber hinaus eine scharfe Begrenzung. Durch ein scharf begrenztes Spray wird die Reduktionsmittelmenge, die an die relativ kalten Wände des Dosierstutzens, an dem die Einspritzvorrichtung angebracht ist, gelangt, reduziert. So können unerwünschte Ablagerungen von Reduktionsmittel an den Wänden des Dosierstutzens verringert oder vermieden werden.
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In einer Ausführungsform erstreckt sich die gerade Linie, die den Eintrittsbereich, den Zwischenbereich und den Austrittsbereich auf einer dem zentralen Bereich zugewandten Innenseite des Spritzlochs begrenzt, in der axialen Richtung orthogonal zur Ebene der Spritzlochscheibe.
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Spritzlöcher mit einer orthogonal zur Ebene der Spritzlochscheibe verlaufenden inneren Begrenzung sind besonders einfach herstellbar und erzeugen einen scharf begrenzten Spray mit hoher Homogenität.
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In einer Ausführungsform ist eine äußere Begrenzung, die den Eintrittsbereich, den Zwischenbereich und den Austrittsbereich auf einer von dem zentralen Bereich abgewandten Außenseite des Spritzlochs begrenzt, stufenförmig ausgebildet. Dabei weist die äußere Begrenzung insbesondere mehrere angrenzende Bereiche auf, die sich abwechselnd in axialer Richtung und in radialer Richtung erstrecken.
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Hierdurch wird ein Spray erzeugt, welches die gewünschten Anforderungen nach hoher Homogenität und einer scharfen Begrenzung des Sprays erfüllt.
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In einer Ausführungsform weist der Eintrittsbereich einen Durchmesser D1 von weniger als 1 mm, insbesondere einen Durchmesser (D1) von 0,3 mm und endet in einer Höhe H1 von 0,1 bis 0,3 mm, insbesondere einer Höhe H1 von 0,15 mm, über einer äußeren Stirnseite der Spritzlochscheibe.
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In einer Ausführungsform weist der Zwischenbereich einen Durchmesser von D2 von weniger als 0,1 bis 0,4 mm, insbesondere einen Durchmesser D2 von 0,19 mm auf hat und endet in einer Höhe H2 von 0,05 bis 0,25 mm, insbesondere in einer Höhe H2 von 0,1 mm, über der äußeren Stirnseite der Spritzlochscheibe.
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In einer Ausführungsform der Austrittsbereich einen Durchmesser D3 von 0,08 bis 0,3 mm, insbesondere einen Durchmesser D2 von 0,14 mm, und endet in einer Höhe H3 von 0,03 bis 0,15 mm, insbesondere in einer Höhe H3, von 0,14 mm über der äußeren Stirnseite der Spritzlochscheibe.
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In einer Ausführungsform weist die äußere Begrenzung, die den Eintrittsbereich, den Zwischenbereich und den Austrittsbereich auf einer von dem zentralen Bereich abgewandten Außenseite des Spritzlochs begrenzt, wenigstens einen abgeschrägten Bereich auf, der sich insbesondere in einem spitzen Winkel zu der axialen Richtung erstreckt.
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In einer Ausführungsform ist der abgeschrägte Bereich in einem Winkel α zwischen 30° und 60°, insbesondere in einem Winkel α von 45° zur axialen Richtung ausgerichtet.
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Durch Spritzlöcher, die auf der von dem zentralen Bereich abgewandten Außenseite des Spritzlochs durch einen abgeschrägten Bereich begrenzt werden, wird ein Spray erzeugt, das die gewünschten Anforderungen nach hoher Homogenität und einer scharfen Begrenzung des Sprays erfüllt.
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In einer Ausführungsform weist die Spritzlochscheibe n Spritzlöcher auf, wobei n eine positive ganze Zahl größer oder gleich eins ist.
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In einer Ausführungsform sind die Spritzlöcher in einer n-zähligen Rotationssymmetrie um den zentralen Bereich der Spritzlochscheibe ausgebildet.
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Durch eine Kombination mehrerer Spritzlöcher, insbesondere rotationssymmetrisch angeordneter Spritzlöcher, lässt sich ein Spray erzeugen, in dem die gewünschten Eigenschaften scharfer Begrenzung und hoher Homogenität besonders stark ausgeprägt sind.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Einrichtung zum Einspritzen eines in einem Tank gespeicherten Reduktionsmittels in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors.
- 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines abgasstrangseitigen Bereichs einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
- 3 zeigt einen Querschnitt durch die Spritzlochscheibe der in der 2 gezeigten Einspritzvorrichtung.
- 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Spritzlochscheibe, die gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.
- 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine Spritzlochscheibe, die gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Einrichtung zum Einspritzen eines in einem Tank 26 gespeicherten fluiden Reduktionsmittels 18 (Fluid 18), insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue“O), in einen Abgasstrang 20 eines Verbrennungsmotors 22, insbesondere eines Dieselmotors 22.
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Im Betrieb der Vorrichtung wird Reduktionsmittel 18 aus dem Tank 26 entnommen und von einer Förderpumpe 30 unter erhöhtem Druck über eine geeignete Druckleitung 32 einer an einem Dosierstutzen 34 des Abgasstrangs 20 angebrachten Einspritzvorrichtung 2 zugeführt. Die Einspritzvorrichtung 2 spritzt das Reduktionsmittel 18 als Spray 19 in den Abgasstrang 20 ein. Im Abgasstrang 29 vermischt sich das eingespritzte Reduktionsmittel 18 mit den durch den Abgasstrang 20 strömenden Abgasen 24 des Verbrennungsmotors 22 und reagiert in einem stromabwärts der Einspritzvorrichtung 2 im Abgasstrang 20 vorgesehenen Katalysator 36 mit den in den Abgasen 24 enthaltenen Stickoxiden.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines abgasstrangseitigen Bereichs der Einspritzvorrichtung 2.
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Die Einspritzvorrichtung 2 umfasst eine dem Abgasstrang 20 zugewandte Spritzlochscheibe 8, in der mehrere Spritzlöcher 10 ausgebildet sind. Durch die Spritzlöcher 10 kann fluides Reduktionsmittel 18 aus dem Inneren der Einspritzvorrichtung 2 in den Abgasstrang 20 einströmen.
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Auf der vom Abgasstrang 20 abgewandten Seite der Spritzlochscheibe 8 ist ein Ventilsitz 6 mit einer Fluid-Austrittsöffnung 7 ausgebildet. Die Fluid-Austrittsöffnung 7 kann durch ein entlang einer Längsachse A beweglich in einer Ventilhülse 5 gelagertes Verschlusselement (Ventilkugel) 4 geöffnet und verschlossen werden. Dadurch kann das Einspritzen des fluiden Reduktionsmittels 18 in den Abgasstrang 20 kontrolliert und gesteuert werden.
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Das Verschlusselement 4 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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3 zeigt einen Querschnitt durch die Spritzlochscheibe 8 entlang der in der 2 eingezeichneten Schnittlinie B-B.
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In dem in der 3 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Spritzlochscheibe 8 vier Spritzlöcher 10, die in einer vierzähligen Symmetrie, d.h. in der Form eines gleichseitigen und rechtwinkligen Kreuzes um das Zentrum Z der Spritzlochscheibe 8 ausgebildet sind. Die in der 1 gezeigte Längsachse A verläuft senkrecht zur Zeichenebene der 3 durch das Zentrum Z der Spritzlochscheibe 8.
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In anderen, nicht in den Figuren gezeigten, Ausführungsbeispielen können in der Spritzlochscheibe 8 auch mehr oder weniger als vier Spritzlöcher 10 vorgesehen sein. Vorzugsweise können bis zu zehn Spritzlöcher 10 in der Spritzlochscheibe 8 ausgebildet sein.
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Von der Fluid-Austrittsöffnung 7 im Ventilsitz 6 ausgehend strömt das Reduktionsmittel 18 durch einen zwischen dem Ventilsitz 6 und der Spritzlochscheibe 8 ausgebildeten Fluidkanal 9 (siehe 2) zu den Spritzlochern 10.
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Mögliche Strömungswege 40 des Reduktionsmittels 18 sind in der 3 durch Stromlinien 40 dargestellt. In der 3 ist erkennbar, dass die Strömungswege 40 nicht nur geradlinig vom Zentrum Z der Spritzlochscheibe 8 zu den Spritzlöchern 10 verlaufen. Ein Teil des Reduktionsmittel 18 strömt zunächst in Bereichen der Spritzlochscheibe 8, in denen keine Spritzlöcher 10 ausgebildet sind, an den Spritzlöchern 10 vorbei, um dann sternförmig in eines der Spritzlöcher 10 einzuströmen. Dieses Strömungsbild hat den vorteilhaften Effekt, dass das Reduktionsmittel 18 mit einer hohen Turbulenz in das jeweilige Spritzloch 10 einströmt. Diese Turbulenz führt zur Erzeugung besonders kleiner Reduktionsmitteltropfen, die sich besonders gut mit den Abgasen 24 im Abgasstrang 20 vermischen.
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4 zeigt eine Längsschnittansicht durch eine Spritzlochscheibe 8, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet ist.
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Die Spritzlochscheiben 8 hat typischerweise einen Durchmesser D0 von 2 bis 6 mm, insbesondere einen Durchmesser D0 von etwa 4 mm und eine Höhe H0 vom 0,15 bis 0,4 mm, insbesondere eine Höhe von ca. 0,2 mm.
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In der Darstellung der 4 sind zwei Spritzlöcher 10 sichtbar. Die Spritzlöcher 10 sind beispielsweise in einem Abstand R von 0,2 bis 1,5 mm, insbesondere in einem Abstand von ca. 0,8 mm von der Längsachse A, die in axialer Richtung durch das Zentrum Z der Spritzlochscheibe 8 verläuft, ausgebildet.
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Jedes Spritzloch 10 weist auf seiner dem Zentrum Z zugewandten Innenseite eine innere Begrenzung 10a auf, die sich in axialer Richtung geradlinig und parallel zur Längsachse A und somit orthogonal zu einer planaren äußeren Stirnseite 8a der Spritzlochscheibe 8 erstreckt.
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Eine der inneren Begrenzung 10a gegenüberliegende äußere Begrenzung 10b, 10c jedes Spritzlochs 10 ist stufen- oder treppenförmig ausgebildet. Die äußere Begrenzung 10b, 10c weist abwechselnd aneinander angrenzende horizontale Bereiche 10b, die sich in radialer Richtung orthogonal zur Längsachse A erstrecken, und vertikale Bereich 10c auf, die sich in axialer Richtung parallel zur Längsachse A erstrecken.
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Aufgrund der stufen- bzw. treppenförmig ausgebildeten äußeren Begrenzung 10b, 10c weist das Spritzloch 10 drei in Axialrichtung aneinander angrenzende Bereiche 12, 14, 16 auf, die jeweils einen anderen Durchmesser D1, D2 und D3 haben:
- Das Spritzloch 10 hat insbesondere einen unmittelbar an den Fluidkanal 9 angrenzenden Eintrittsbereich (erster oder oberster Bereich) 12, der in radialer Richtung einen ersten Durchmesser D1 < 1 mm hat; einen an der auf der von dem Fluidkanal 9 abgewandten Seite an den Eintrittsbereich 12 angrenzenden Zwischenbereich 14 (zweiter oder mittlerer Bereich), der in radialer Richtung einen zweiten Durchmesser 0,1 mm < D2 < 0,4 mm hat, der kleiner als der erste Durchmesser D1 ist; und einen an der auf der von dem Eintrittsbereich 12 abgewandten Seite an den Zwischenbereich 14 angrenzenden Austrittsbereich 16 (dritter oder unterer Bereich), der in radialer Richtung einen dritten Durchmesser 0,08 mm < D3 < 0,3 mm hat, der kleiner als der zweite Durchmesser D2 ist.
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Für jedes Spritzloch 10 gilt also: D3 < D2 < D1.
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Der Austrittsbereich 16 hat in Axialrichtung, d.h. in einer Richtung, die parallel zur Längsachse A ist, von der Stirnseite 8a der Spritzlochscheibe 8 aus gemessen eine Höhe H3 zwischen 0,03 mm und 0,15 mm, insbesondere eine Höhe H3 von 0,05 mm.
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Die Oberkante des Zwischenbereichs 14 ist in Axialrichtung in einer Höhe H2 zwischen 0,05 und 0,25 mm, insbesondere in einer Höhe H2 von 0,1 mm, über der Stirnseite 8a der Spritzlochscheibe 8 ausgebildet.
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Die Oberkante des Eintrittsbereichs 12 ist in Axialrichtung in einer Höhe H1 zwischen 0,1 und 0,3 mm, insbesondere in einer Höhe H1 von 0,15 mm, über der Stirnseite der Spritzlochscheibe 8 ausgebildet.
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Die genannten Durchmesser D1, D2, D3 und Höhen H1, H2, H3 sind nur beispielhaft und können bei Bedarf angepasst werden, um eine möglichst gut an den jeweiligen Abgasstrang 20 angepassten Spray 19 zu erzeugen.
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In weiteren, in den Figuren nicht gezeigten, Ausführungsbeispielen kann die äußere Begrenzung 10b, 10c der Spritzlöcher 10 auch mehr als die in der 4 gezeigten zwei Stufen aufweisen. D.h. anstelle eines einzigen Zwischenbereichs 14, wie er in der 4 gezeigt ist, können auch mehrere treppenförmig aneinander angrenzende Zwischenbereiche 14 mit unterschiedlichen Durchmessern D1, D2, D3 vorgesehen sein.
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Die Strömung des Reduktionsmittels 18 ist auch in der 4 schematisch durch Stromlinien 42, 44 dargestellt.
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Die zuvor beschriebene asymmetrische Ausbildung der Spritzlöcher 10 hat eine asymmetrische Strömung durch die Spritzlöcher 10 zur Folge:
- Die Strömung durch die Spritzlöcher 10 umfasst insbesondere einen von außen nach innen durch das Spritzloch 10 strömenden Strömungsanteil 42 und einen von innen nach außen durch das Spritzloch 10 strömenden Strömungsanteil 44.
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Der von innen nach außen durch das Spritzloch 10 strömende Strömungsanteil 44 durchströmt das Spritzloch 10 in einem steileren Winkel, d.h. in einem kleineren Winkel zur Axialrichtung / Längsachse A, als der von außen nach innen durch das Spritzloch 10 strömende Strömungsanteil 42.
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Für den von innen nach außen strömender Strömungsanteil 44 ist das Verhältnis L/D3 zwischen der Länge (Höhe) L = H1 und dem Durchmesser D3 des Spritzlochs 10 größer als für den von außen nach innen strömender Strömungsanteil 42, für den das Spritzloch 10 die größere Breite D1 (D1 > D3) des Eintrittsbereichs 12 hat.
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Hierdurch wird der von innen nach außen strömende Strömungsanteil 44 stärker kanalisiert von außen nach innen strömende Strömungsanteil 42, was eine geringere Turbulenz zur Folge hat. Aufgrund der geringeren Turbulenz wird die äußere Begrenzung des Sprays 19 auf der äußeren, von der Längsachse A abgewandten Seite scharfkantiger.
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Für den von außen nach innen strömender Strömungsanteil 42 ist das Verhältnis L/D1 zwischen der Länge (Höhe) L = H1 und dem Durchmesser D1 des Spritzlochs 10 kleiner als für den von innen nach außen strömender Strömungsanteil 44.
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Hierdurch wird der von außen nach innen strömende Strömungsanteil 42 weniger kanalisiert, was eine größere Turbulenz zur Folge hat.
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Aufgrund der größeren Turbulenz wird der Rand des Sprays 19 nach innen, d.h. in Richtung des Zentrums Z bzw. der Längsachse Ader Spritzlochscheibe 8 weniger scharfkantig, was zu einer größeren Homogenität des Sprays 19 führt.
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Auf diese Weise wird ein Spray 19 erzeugt, das sowohl eine hohe Homogenität als auch scharfe äußere Ränder hat.
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5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe 8.
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Bei einer Spritzlochscheibe 8 gemäß dem in der 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die äußere Begrenzung 10b der Spritzlöcher 10 im Zwischenbereich 14 nicht geradlinig, sondern schräg zur Axialrichtung bzw. Längsachse A ausgebildet.
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Die äußere Begrenzung 10b des Zwischenbereichs 14 ist beispielsweise in einem Winkel α zwischen 30° und 60°, insbesondere in einem Winkel α von 45°, zur Axialrichtung bzw. Längsachse A ausgerichtet.
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Die Durchmesser D1 und D3 und Höhen H1 und H3 des Eintrittsbereichs 12 und des Austrittsbereichs 16 entsprechen auch in diesem Ausführungsbeispiel den entsprechenden Abmessungen des in der 4 gezeigten Ausführungsbeispiels, in dem die äußere Begrenzung der Spritzlöcher 10 stufenförmig ausgebildet ist.
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Auch das in der 5 gezeigte Ausführungsbeispiel einer Spritzlochscheibe 8 erzeugt ein Spray 19, das sowohl die gewünschte hohe Homogenität als auch scharfe äußere Ränder hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017209520 A1 [0004]
