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Die Erfindung betrifft einen Injektor für eine Fahrzeugabgasanlage sowie eine Fahrzeugabgasanlage mit einem Injektor.
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Derartige Injektoren dienen beispielsweise dazu, ein Reaktionsmittel wie Harnstoff oder Ammoniak in einen Katalysator einer Fahrzeugabgasanlage einzubringen, um Stickoxide im Abgas zu reduzieren. Um eine ausreichende Zerstäubung des Reaktionsmittels zu erreichen, wird dem Injektor in der Regel zusätzlich verdichtete Luft zugeführt.
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Da der Injektor im Bereich der Fahrzeugabgasanlage montiert ist, ist er im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt. Die zugeführte komprimierte Luft hat jedoch eine relativ niedrige Temperatur. Daraus resultieren unterschiedliche Wärmedehnungen in verschiedenen Bereichen des Injektors, was zu Spannungen im Injektor führt. Dies kann dazu führen, dass sich Risse im Injektor bilden.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Injektor bereitzustellen, der geeignet ist, unterschiedliche Wärmedehnungen zu kompensieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Injektor mit einer Einspritzdüse, einem Träger, der mit der Einspritzdüse fest verbunden ist, sowie mit einem Luftzufuhrkanal und einem Reaktionsmittelzufuhrkanal, wobei der Luftzufuhrkanal und der Reaktionsmittelzufuhrkanal strömungstechnisch voneinander getrennt jeweils von einem Reaktionsmitteleinlass und einem Lufteinlass zur Einspritzdüse verlaufen. Der Reaktionsmittelzufuhrkanal ist durch ein Rohr gebildet, das zumindest abschnittsweise durch den Träger zur Einspritzdüse verläuft, wobei das Rohr von einer Hülse umgeben ist, die einen Ausgleichsabschnitt hat, der in axialer Richtung flexibel ausgebildet ist. Die Hülse ist an einem Endabschnitt, der der Einspritzdüse nahe ist, mit dem Rohr fest verbunden und an einem entgegengesetzten Endabschnitt mit dem Träger fest verbunden, wobei die Hülse zumindest abschnittsweise zwischen den Endabschnitten an dem Rohr anliegt und an diesem geführt ist.
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Ein derartiger Injektor hat den Vorteil, dass das Rohr relativ zum Träger ein Stück weit axial beweglich ist. Auf diese Weise können Wärmedehnungen ausgeglichen werden, sodass keine Spannungen im Injektor auftreten. Dadurch ist das Risiko von frühzeitiger Materialermüdung deutlich reduziert, sodass der Injektor eine besonders lange Lebensdauer hat.
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Durch die Führung der Hülse am Rohr wird vermieden, dass der flexible Ausgleichsabschnitt abknickt. Dadurch werden mechanische Spannungen in der Hülse vermieden, was ebenfalls zu einer möglichst langen Lebensdauer des Injektors beiträgt.
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Das Rohr verläuft vorzugsweise geradlinig durch den Injektor.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Ausgleichsabschnitt balgartig, insbesondere mit einer im Längsschnitt wellenförmigen und am Umfang des Rohres umlaufenden Rohrwand ausgebildet. Ein derartiger Ausgleichsabschnitt ist einfach herstellbar und weist eine besonders gute Flexibilität in axiale Richtung auf. Insbesondere kann die Hülse dadurch gestreckt und gestaucht werden.
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Da die Hülse das Rohr umgibt, hat das Reaktionsmittel, welches im Betrieb des Injektors durch das Rohr strömt, keinen Kontakt zum Ausgleichsabschnitt. Es besteht daher kein Risiko, dass sich am balgartigen Ausgleichsabschnitt, genauer gesagt in den Rillen des balgartigen Abschnitts, Ablagerungen bilden.
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Die Länge des Ausgleichsabschnitts kann entsprechend dem zu erwartenden Temperaturunterschied zwischen dem Träger und dem Reaktionsmittelzufuhrkanal und der daraus folgenden zu kompensierenden Längenausdehnung ausgelegt sein. Insbesondere wird auf diese Weise eine erforderliche Mindestlänge ermittelt. Dadurch wird eine ausreichende Flexibilität des Ausgleichsabschnitts in axialer Richtung erreicht. Die Mindestlänge kann jedoch problemlos überschritten werden. Je länger der Ausgleichsabschnitt ist, umso stärker kann die Hülse in axialer Richtung gedehnt oder gestaucht werden.
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Der Ausgleichsabschnitt erstreckt sich beispielsweise über mindestens ein Viertel, insbesondere über mindestens ein Drittel der Länge der Hülse.
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Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung erstreckt sich der Ausgleichsabschnitt über maximal drei Viertel der Länge der Hülse. Das bedeutet, dass ein Teil der Hülse frei von einem balgartigen Ausgleichsabschnitt ist. Dadurch besteht eine ausreichend große Anlagefläche zwischen der Hülse und dem Rohr, wodurch eine stabile Führung der Hülse gegeben ist.
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Der Ausgleichsabschnitt erstreckt sich beispielsweise in axialer Richtung mittig zwischen den Enden der Hülse. Das heißt, dass an beiden Seiten des Ausgleichsabschnitts ein Abschnitt mit konstantem, insbesondere rundem Querschnitt anschließt.
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Die Hülse ist vorzugsweise mit dem Rohr und dem Träger verschweißt oder verlötet. Die Verbindung zwischen der Hülse und dem Rohr bzw. dem Träger ist dadurch besonders stabil und wärmebeständig.
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Gemäß einer Ausführungsform verläuft die Hülse durch eine Öffnung im Träger und stützt sich in der Öffnung ab. Die Führung der Hülse im Injektor ist dadurch zusätzlich verbessert.
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Der Reaktionsmittelzufuhrkanal kann zumindest abschnittsweise innerhalb des Luftzufuhrkanals verlaufen und umfangsmäßig von diesem umgeben sein. Dadurch wird eine kompakte Bauweise des Injektors erreicht. Der Luftzufuhrkanal hat somit einen ringförmigen Querschnitt.
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Beispielsweise ist der Reaktionsmittelzufuhrkanal koaxial im Luftzufuhrkanal angeordnet.
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Der Luftzufuhrkanal verläuft beispielsweise durch den Träger zur Einspritzdüse. Dies trägt ebenfalls zu einer kompakten Bauweise des Injektors bei.
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Der Träger, das Rohr und die Hülse sind vorzugsweise jeweils aus einem hochtemperaturbeständigen Material ausgebildet. Beispielsweise wird als Material Chromstahl verwendet. Dies hat den Vorteil, dass keine oder nur eine reduzierte Kühlung des Injektors erforderlich ist, wenn die Fahrzeugabgasanlage heiß ist, der Injektor jedoch nicht in Betrieb ist. Bei herkömmlichen Injektoren wird dem Injektor üblicherweise auch dann komprimierte Luft zugeführt, wenn keine Einspritzung durch den Injektor erfolgt, um diesen zu kühlen. Durch die Verwendung hochtemperaturbeständiger Materialien kann dies ganz oder teilweise entfallen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann eine Heizeinrichtung vorgesehen sein, um den Reaktionsmittelzufuhrkanal und das durch den Reaktionsmittelzufuhrkanal strömende Reaktionsmittel direkt oder indirekt zu erwärmen.
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Beispielsweise wird das Reaktionsmittel indirekt erwärmt, indem die Luft im Luftzufuhrkanal erwärmt wird. Dadurch, dass der Reaktionsmittelzufuhrkanal zumindest abschnittsweise innerhalb des Luftzufuhrkanals verlaufen und umfangsmäßig von diesem umgeben sein kann, wird das Reaktionsmittel über die erwärmte Luft erwärmt.
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Die Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß gelöst durch eine Fahrzeugabgasanlage mit einem Reduktionsmitteleinspritzsystem, welches einen Injektor aufweist, der wie vorhergehend beschrieben ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beiliegenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine erfindungsgemäße Fahrzeugabgasanlage mit einem erfindungsgemäßen Injektor,
- - 2 einen erfindungsgemäßen Injektor,
- - 3 den Injektor aus 2, wobei ein Träger des Injektors eine geringere Temperatur hat als ein Reaktionsmittelzufuhrkanal, und
- - 4 den Injektor aus 2, wobei der Träger des Injektors eine höhere Temperatur hat als der Reaktionsmittelzufuhrkanal.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Fahrzeugabgasanlage 10 mit einem Reduktionsmitteleinspritzsystem 12.
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Das Reduktionsmitteleinspritzsystem 12 hat einen Injektor 14, mittels dem ein Reduktionsmittel wie Ammoniak oder Harnstoff zerstäubt und in die Fahrzeugabgasanlage 10 eingespritzt werden kann. Das Reduktionsmittel kann anschließend in einem Katalysator 16 mit den im Abgas vorhandenen Stickoxiden reagieren. Dabei werden die Stickoxide in Stickstoff und Wasser umgewandelt.
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2 zeigt den Injektor 14 aus 1. Der Injektor 14 hat eine Einspritzdüse 18, einen Träger 20, der mit der Einspritzdüse 18 fest verbunden ist, sowie einen Luftzufuhrkanal 22 und einem Reaktionsmittelzufuhrkanal 24.
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Der Luftzufuhrkanal 22 verläuft von einem Lufteinlass 26 zur Einspritzdüse 18.
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Genauer gesagt verläuft der Luftzufuhrkanal 22 durch den Träger 20 zur Einspritzdüse 18. Anders ausgedrückt ist der Träger 20 hohl ausgebildet und die Innenwandung des Trägers 20 begrenzt den Luftzufuhrkanal 22.
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Der Träger 20 hat einen an die Einspritzdüse 18 angrenzenden, dünnwandigen Rohrabschnitt 28 und ein massives Anschlussstück 30, in dem der Lufteinlass 26 gebildet ist.
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Der Rohrabschnitt 28 und das Anschlussstück 30 sind z.B. miteinander verlötet oder verschweißt oder gehen einstückig ineinander über.
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Der Reaktionsmittelzufuhrkanal 24 verläuft strömungstechnisch getrennt vom Luftzufuhrkanal 22 von einem Reaktionsmitteleinlass 32 zur Einspritzdüse 18.
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Genauer gesagt verläuft der Reaktionsmittelzufuhrkanal 24 zumindest abschnittsweise innerhalb des im Querschnitt ringförmigen Luftzufuhrkanals 22, insbesondere konzentrisch zum Luftzufuhrkanal 22, und ist von diesem umfangsmäßig umgeben.
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Optional kann eine Heizeinrichtung 33 vorhanden sein, die den Reaktionsmittelzufuhrkanal 24 umgibt, um das durch den Reaktionsmittelzufuhrkanal 24 strömende Reaktionsmittel direkt oder indirekt zu erwärmen.
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Beispielsweise umgibt die Heizeinrichtung 33, wie in den 2 bis 4 gezeigt, den Luftzufuhrkanal 22, sodass zunächst die durch den Luftzufuhrkanal 22 strömende Luft erwärmt wird, welche wiederrum den Reaktionsmittelzufuhrkanal 24 erwärmt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Heizeinrichtung 33 im Luftzufuhrkanal 22 angeordnet ist und den Reaktionsmittelzufuhrkanal 24 direkt beheizt.
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Der Reaktionsmittelzufuhrkanal 24 ist durch ein Rohr 34 gebildet. Das Rohr 34 verläuft durch den Träger 20 zur Einspritzdüse 18.
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Zu diesem Zweck ist in dem Träger 20 eine Öffnung 36 vorhanden, insbesondere in dem Anschlussstück 30, wobei das Rohr 34 durch die Öffnung 36 verläuft.
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Das Rohr 34 sowie der dünnwandige Rohrabschnitt 28 des Trägers 20 sind mit der Einspritzdüse 18 verschweißt oder verlötet.
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Das Rohr 34 ist von einer Hülse 38 umgeben, die einen Ausgleichsabschnitt 40 hat, der in axiale Richtung flexibel ausgebildet ist. Mittels des Ausgleichsabschnitts 40 kann die Hülse 38 reversibel gestreckt oder gestaucht werden.
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Die Länge des Ausgleichsabschnitts 40 ist entsprechend dem zu erwartenden Temperaturunterschied zwischen dem Träger 20 und dem Reaktionsmittelzufuhrkanal 24 und der daraus folgenden zu kompensierenden Längenausdehnung ausgelegt. Der Ausgleichsabschnitt 40 erstreckt sich beispielsweise über mindestens ein Viertel, insbesondere über mindestens ein Drittel und über maximal drei Viertel der Hülse 38.
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Um die gewünschte Flexibilität des Ausgleichsabschnitts 40 zu erreichen, ist der Ausgleichsabschnitt 40 balgartig ausgebildet. Anders ausgedrückt hat der Ausgleichsabschnitt 40 eine im Längsschnitt wellenförmige und am Umfang des Rohres 34 umlaufende Rohrwand. Statt wellenförmig kann die Rohrwand im Längsschnitt auch zick-zack-förmig sein.
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Die Hülse 38 ist an einem Endabschnitt 42, welcher der Einspritzdüse 18 nahe ist, mit dem Rohr 34 fest verbunden, insbesondere mit diesem verlötet oder verschweißt.
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Mit einem entgegengesetzten Endabschnitt 44 ist die Hülse 38 mit dem Träger 20 fest verbunden, insbesondere verlötet oder verschweißt.
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Zwischen den Endabschnitten 42, 44 liegt die Hülse 38 an dem Rohr 34 an und ist an diesem geführt. Dadurch wird ein Abknicken der Hülse 38 im Bereich des flexiblen Ausgleichsabschnitts 40 vermieden.
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Darüber hinaus liegen auch die Endabschnitte 42, 44 an der Hülse 38 an.
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Die Hülse 38 verläuft ebenfalls durch die Öffnung 36 und stützt sich in der Öffnung 36 ab.
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Der Träger 20, das Rohr 34 und die Hülse 38 sind jeweils aus einem hochtemperaturbeständigen Material ausgebildet. Dadurch ist keine Kühlung des Injektors 14 erforderlich.
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Anhand der 3 und 4 wird nachfolgend erläutert, wie mittels der Hülse 38 verschiedene Wärmedehnungen im Injektor 14 kompensiert werden können.
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2 zeigt den Injektor 14 zum Vergleich in einem Normalzustand, beispielsweise wenn die Fahrzeugabgasanlage 10 nicht in Betrieb ist und alle Teile des Injektors 14 Umgebungstemperatur haben.
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In 3 ist ein Zustand veranschaulicht, in dem der Träger 20 kälter ist als das Rohr 34 beziehungsweise der Reaktionsmittelzufuhrkanal 24.
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In diesem Zustand zieht sich der Träger 20 relativ zum Rohr 34 zusammen und/oder das Rohr 34 dehnt sich relativ zum Träger 20 aus.
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Folglich wird die Hülse 38, genauer gesagt der Ausgleichsabschnitt 40, zwischen dem Träger 20 und dem Rohr 34 gestaucht. Dies ist möglich, da die Hülse 38 nur mit einem Endabschnitt 42 an dem Rohr 34 und nur mit dem entgegengesetzten Endabschnitt 44 mit dem Träger 20 fest verbunden ist. Dadurch kann der Endabschnitt 44 an dem Rohr 34 entlang gleiten, wenn zwischen dem Träger 20 und dem Rohr 34 unterschiedliche Wärmedehnungen auftreten.
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Zwischen dem Rohr 34 und dem Träger 20 treten somit keine Spannungen auf, die zu Rissen im Injektor 14 führen könnten.
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In 4 ist ein Zustand veranschaulicht, in dem der Träger 20 wärmer ist als das Rohr 34 beziehungsweise der Reaktionsmittelzufuhrkanal 24. Dieser Zustand tritt beispielsweise auf, wenn im Betrieb der Fahrzeugabgasanlage 10 die Umgebung des Injektors 14 durch das heiße Abgas aufgeheizt ist und gleichzeitig kaltes Reaktionsmittel durch den Reaktionsmittelzufuhrkanal 24 oder komprimierte Luft, die in der Regel deutlich kälter ist als das Abgas, durch den Luftzufuhrkanal 22 strömt.
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In diesem Zustand dehnt sich der Träger 20 relativ zum Rohr 34 aus und/oder das Rohr 34 zieht sich relativ zum Träger 20 zusammen.
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Folglich wird die Hülse 38, genauer gesagt der Ausgleichsabschnitt 40, zwischen dem Träger 20 und dem Rohr 34 auseinandergezogen.
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Die Hülse 38 ist also in ihrer Länge variabel und kann dadurch unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen dem Rohr 34 und dem Träger 20 ausgleichen.
