DE112013002360B4

DE112013002360B4 - Reagenzinjektor

Info

Publication number: DE112013002360B4
Application number: DE112013002360.1T
Authority: DE
Inventors: Keith G. Olivier; Thomas P. Mallin; Matthew L. Roessle; Rick Simpson
Original assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Current assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: US20150152765A1; CN104321508B; JP5947457B2; KR20140130235A; BR112014027375A2; JP2015517056A; US10465582B2; DE112013002360T8; DE112013002360T5; WO2013169482A1; US20130292498A1; CN104321508A; US8978364B2

Abstract

Injektor (16) zum Einspritzen eines Reagenz in einen Abgasstrom, mit:einem Elektromagneten (52);einem Innenrohr (62);einem Außenrohr (60), das sich durch den Elektromagneten (52) erstreckt unddas Innenrohr (62) umgibt, wobei ein erstes Ende (64) des Innenrohrs (62) dichtend an einer Innenfläche (72) des Außenrohrs (60) befestigt ist;einem Führungselement (96) und einer Öffnungsplatte (100), die jeweils dichtend an der Innenfläche (72) des Außenrohrs (60) befestigt sind, wobei ein zweites Ende (66) des Innenrohrs (62) durch das Führungselement (96) ausgerichtet ist; undeinem beweglichen Ventilelement (154), das einen von der Innenfläche (72) des Außenrohrs (60) geführten Zapfenkopf (162) aufweist, um das Ventilelement (154) mit einer sich durch die Öffnungsplatte (100) erstreckenden Öffnung (170) auszurichten.

Description

BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft Injektorsysteme und genauer betrifft sie ein Injektorsystem zum Einspritzen eines Reagenz, wie einer wässrigen Harnstofflösung, in einen Abgasstrom zur Reduzierung von Stickoxidemissionen (NO_x) aus einem Dieselmotorabgas.
HINTERGRUND
Dieser Abschnitt liefert Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Erfindung, welche nicht unbedingt Stand der Technik sind. Magermischmotoren liefern eine verbesserte Kraftstoffeffizienz, indem sie mit einem Überschuss an Sauerstoff laufen, d.h. einer Menge an Sauerstoff, die größer ist als die für die vollständige Verbrennung des verfügbaren Kraftstoffs erforderliche Menge. Solche Motoren werden als „mager“ oder mit einer „mageren Mischung“ laufende Motoren bezeichnet. Allerdings bedingt diese verbesserte oder gesteigerte Kraftstoffwirtschaftlichkeit gegenüber der nicht mageren Verbrennung im Gegenzug unerwünschte Verschmutzungsemissionen, insbesondere in Form von Stickoxiden (NO_x).
Ein zur Verringerung von NOx-Emissionen aus Magermisch-Verbrennungsmotoren eingesetztes Verfahren ist als selektive katalytische Reduktion (SCR) bekannt. Wenn SCR beispielsweise zur Verringerung von NO_x-Emissionen aus einem Dieselmotor eingesetzt wird, umfasst dieses Verfahren das Einspritzen eines atomisierten Reagenz in den Abgasstrom des Motors in Verbindung mit einem oder mehreren ausgewählten Motorbetriebsparametern, wie der Abgastemperatur, der Motordrehzahl oder der Motorlast, wie durch Kraftstoffverbrauch gemessen, des Turboladedrucks oder des Abgas-NO_x-Massenflusses. Das Gemisch aus Reagenz und Abgas wird durch einen Reaktor geleitet, der einen Katalysator, wie beispielsweise Aktivkohle oder Metalle, wie Platin, Vanadium oder Wolfram, aufweist, welche in der Lage sind, die NOx-Konzentration in Anwesenheit des Reagenz zu verringern.
Eine wässrige Harnstofflösung ist als wirksames Reagenz in SCR-Systemen für Dieselmotoren bekannt. Allerdings hat der Einsatz einer wässrigen Harnstofflösung viele Nachteile. Harnstoff ist hoch korrosiv und kann mechanische Bauteile des SCR-Systems, wie die Injektoren angreifen, die zum Einspritzen des Harnstoffgemisches in den Abgasstrom verwendet werden. Harnstoff neigt ebenso dazu sich zu verfestigen, wenn er über längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wie sie in Diesel-Abgassystemen auftreten. Verfestigter Harnstoff sammelt sich in den engen Durchgängen und den Austrittsöffnungen an, die typischerweise in Injektoren zu finden sind. Verfestigter Harnstoff kann ebenfalls die Verschmutzung beweglicher Teile des Injektors und das Verstopfen von Öffnungen oder Harnstoffströmungswegen bewirken, wodurch der Injektor unbrauchbar wird.
Einige Reagenzeinspritzsysteme sind derart ausgebildet, dass sie eine Pumpe, eine Zuleitung und eine Rückleitung aufweisen, so dass der wässrige Harnstoff kontinuierlich gepumpt wird, um die Verfestigung zu minimieren und auch Wärme von dem Injektor auf den an einem entfernt liegenden Ort gelagerten wässrigen Harnstoff zu übertragen. Diese Injektoren sind typischerweise mit einem an die Zuleitung gekoppelten Einlass und einem an die Rückleitung gekoppelten, beabstandet angeordneten Auslass ausgerüstet, wobei sowohl der Einlass als auch der Auslass auf einer gegenüberliegenden Seite eines Elektromagneten als die Injektoröffnung angeordnet sind. Obwohl Injektoren, die in dieser Art und Weise ausgebildet sind, in der Vergangenheit ausreichend gut funktioniert haben, könnten Bedenken hinsichtlich dessen auftreten, dass das gepumpte Fluid den Magnetkreis unterbricht und die Wirksamkeit des Magneten sinkt. Ein höherer Strom, größerer Spulendurchmesser, Drahtdurchmesser und/oder eine höhere Anzahl von Spulenwindungen kann erforderlich sein, um den leistungsschwachen Magnetkreis auszugleichen.
Weitere Bedenken können im Hinblick auf zuvor bereitgestellte Injektoren hinsichtlich Kosten, Aufwand und Austreten des zu pumpenden Fluids entweder durch die Einspritzöffnung oder eine andere Verbindungsstelle zwischen den Injektorbauteilen auftreten. In diesem Zusammenhang sind Injektoren beispielsweise aus der US 2011 / 0 192 140 A1 und der US 2008 / 0 236 147 A1 bekannt. Diese Druckschriften offenbaren gattungsgemäße Injektoren zur Einspritzung von Harnstofflösungen mit einem Elektromagneten, sowie Innen- und Außenrohre, welche dichtend aneinander befestigt sind. Ferner sind Auslassventile offenbart. Die jeweilige konkrete konstruktive Ausgestaltung setzt eine Vielzahl von miteinander in Wechselwirkung stehender Bauteile ein. Sie ist daher vergleichsweise komplex und erfordert einen erhöhten Wartungsaufwand. Dementsprechend ist es wünschenswert, einen verbesserten Reagenzinjektor bereitzustellen, der sich einiger oder aller dieser Bedenken annimmt.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt liefert eine allgemeine Zusammenfassung der Erfindung und ist keine umfassende Offenlegung in ihrem gesamten Rahmen oder allen ihren Merkmalen.
Der Erfindung liegt ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Injektoren die Aufgabe zu Grunde, einen Injektor anzugeben, der konstruktiv vereinfacht ist um Aufwand und Kosten für Herstellung und Wartung zu reduzieren. Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung einen Injektor zum Einspritzen eines Reagenz in einen Abgasstrom vor, welcher umfasst ein Außenrohr, das durch einen Elektromagneten läuft und ein Innenrohr umgibt. Ein erstes Ende des Innenrohrs ist abdichtend an einer Innenfläche des Außenrohrs befestigt. Ein Führungselement und eine Öffnungsplatte sind jeweils abdichtend an der Innenfläche des Außenrohrs befestigt. Ein zweites Ende des Innenrohrs ist durch das Führungselement ausgerichtet. Ein bewegliches Ventilelement umfasst einen von der Innenfläche des Außenrohrs geführten Zapfenkopf, um das Ventilelement mit einer sich durch die Öffnungsplatte erstreckenden Öffnung auszurichten.
Ein Injektor zum Einspritzen eines Reagenz in einen Abgasstrom umfasst einen an ein Gehäuse gekoppelten Elektromagneten. Eine Schlitzscheibe umfasst eine Vielzahl von umlaufend beabstandet voneinander angeordneten Wirbelöffnungen, die sich durch die Schlitzscheibe hindurch erstrecken. Die Schlitzscheibe weist auch einen Wirbelschlitz auf, der sich zwischen jeder Wirbelöffnung erstreckt und an einer Wirbelkammer endet. Jeder Wirbelschlitz umfasst einen im Wesentlichen linearen Bereich und einen kreisförmigen Bereich, wobei die kreisförmigen Bereiche einen Außendurchmesser der Wirbelkammer definieren. Eine Öffnungsplatte umfasst eine Öffnung und ist an der Schlitzscheibe befestigt. Ein Ventilelement ist innerhalb des Gehäuses beweglich zwischen einer geschlossenen Position, in welcher das Reagenz die Öffnung nicht verlassen kann, und einer offenen Position, in welcher es dem Reagenz möglich ist, basierend auf einer Erregung des Elektromagneten durch die Öffnung zu fließen. Reagenz wird durch die Wirbelöffnungen, die Wirbelschlitze und die Wirbelkammer gepumpt, wenn sich das Ventilelement in der offenen Position befindet.
Weitere Anwendbarkeitsbereiche werden aus der hier erstellten Beschreibung hervorgehen. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur für Illustrationszwecke bestimmt und sollen den Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht begrenzen.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur illustrativen Zwecken ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Umsetzungen, und sie sind nicht dazu bestimmt, den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu begrenzen.

1 ist eine schematische Ansicht, welche ein beispielhaftes Abgas-Nachbehandlungssystem einschließlich eines elektromagnetisch gesteuerten Reagenzinjektors zeigt, der in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung gebaut ist;
2 ist eine auseinander gezogene Perspektivansicht des Reagenzinjektors;
3 ist eine durch den in 2 dargestellten Injektor genommene Querschnittsansicht;
4 ist eine weitere Querschnittsansicht, die durch eine Kartuschenanordnung des in den 2 und 3 dargestellten Injektors genommen ist;
5 ist eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht des Injektors;
6 ist eine fragmentarische Perspektivansicht eines Bereichs des zuvor dargestellten Injektors;
7 ist eine fragmentarische Schnittperspektivansicht des Injektors;
8 ist eine Perspektivansicht eines Montagewerkzeugs mit Bauteilen des Injektors; und
9 ist eine Draufsicht auf die Bauteile mit dem Montagewerkzeug.

Entsprechende Bezugszahlen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen werden nunmehr genauer unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden.
Es ist festzuhalten, dass obwohl die vorliegenden Lehren in Verbindung mit Dieselmotoren und der Reduktion von NOx-Emissionen beschrieben werden, die vorliegenden Lehren ebenso in Verbindung mit irgendeinem aus einer Anzahl von Abgasströmen verwendet werden können, wie als nicht begrenzendes Beispiel diejenigen aus Diesel- und Benzinmotoren, Turbinen, Brennstoffzellen, Triebwerken und anderen Energiequellen, welche einen Abgasstrom ausstoßen. Außerdem können die vorliegenden Lehren in Verbindung mit der Verringerung irgendeiner aus einer Anzahl unerwünschter Emissionen eingesetzt werden. Beispielsweise fällt das Einspritzen von Kohlenwasserstoffen zur Regenerierung von Dieselpartikelfiltern auch in den Rahmen der vorliegenden Erfindung. Als zusätzliche Beschreibung sollte auf die Druckschrift US 8 047 452 B2 dem Titel „Method and Apparatus For Injecting Atomized Fluids“ (Verfahren und Vorrichtung zum Einspritzen atomisierter Fluids) hingewiesen werden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren wird ein Verschmutzungskontrollsystem 8 zur Reduzierung von NO_x-Emissionen aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors 21 bereitgestellt. In 1 kennzeichnen durchgezogene Linien Fluidleitungen für das Reagenz und gestrichelte Linien kennzeichnen elektrische Verbindungen. Das System der vorliegenden Lehren umfasst einen Reagenzbehälter 10 zum Vorhalten des Reagenz und ein Abgabemodul 12 zum Abgeben des Reagenz aus dem Behälter 10. Das Reagenz kann eine Harnstofflösung, ein Kohlenwasserstoff, ein Alkylester, Alkohol, eine organische Verbindung, Wasser oder dergleichen und eine Mischung oder Kombination daraus sein. Es sollte auch klar sein, dass ein oder mehrere Reagenzien in dem System verfügbar sein und einzeln oder in Kombination benutzt werden können. Der Behälter 10 und das Abgabemodul 12 können ein einstückiges Reagenzbehälter-Abgabe-Modul ausbilden. Als Teil des Systems 8 sind ebenfalls ein elektronischer Einspritzregler 14, ein Reagenzinjektor 16 und ein Abgassystem 18 vorgesehen. Das Abgassystem 18 umfasst eine Abgasleitung 19, welche einen Abgasstrom zu zumindest einem Katalysatorbett 17 leitet.
Das Abgabemodul 12 weist eine Pumpe auf, die Reagenz aus dem Behälter 10 durch eine Zuleitung 9 zuführt. Der Reagenzbehälter 10 kann aus Polypropylen, Karbonstahl mit Epoxidharzüberzug, PVC oder Edelstahl bestehen und gemäß der Anwendung bemessen sein (z.B. Fahrzeuggröße, beabsichtigter Gebrauch des Fahrzeugs und dergleichen). Ein Druckregler (nicht gezeigt) ist vorgesehen, um das System auf einem vorbestimmten Drucksollwert (z.B. relativ niedrige Drücke von ungefähr 60-80 psi oder in einigen Ausführungsformen ein Druck von ungefähr 60-150 psi) zu halten, und er ist in der Rückleitung 35 von dem Reagenzinjektor 16 angeordnet. Ein Drucksensor ist in der Zuleitung 9, die zu dem Reagenzinjektor 16 führt, vorgesehen. Das System kann ebenfalls verschiedene Frostschutzstrategien aufweisen, um gefrorenes Reagenz aufzutauen oder zu verhindern, dass das Reagenz einfriert. Während des Betriebs des Systems kann unabhängig davon, ob der Injektor Reagenz in die Abgase einspritzt oder nicht, Reagenz kontinuierlich zwischen dem Behälter 10 und dem Reagenzinjektor 16 zirkulieren, um den Injektor zu kühlen und die Verweilzeit des Reagenz in dem Injektor zu minimieren, so dass das Reagenz kühl bleibt. Eine kontinuierliche Zirkulation des Reagenz kann notwendig sein bei Temperatur-empfindlichen Reagenzien, wie wässrigem Harnstoff, die dazu neigen sich zu verfestigen, wenn sie Temperaturen von 300°C bis 650°C ausgesetzt ist, wie sie in einem Motorabgassystem auftreten.
Außerdem kann es wünschenswert sein, das Reagenzgemisch unter 140°C und vorzugsweise in einem niedrigeren Betriebsbereich zwischen 5°C und 95°C zu halten, um sicherzustellen, dass eine Verfestigung des Reagenz vermieden wird. Verfestigtes Reagenz, wenn es sich bilden kann, kann die beweglichen Teile und Öffnungen des Injektors verschmutzen.
Die Menge an benötigtem Reagenz kann variieren in Abhängigkeit von der Motorlast, der Abgastemperatur, dem Abgasstrom, dem Zeitablauf der Motorkraftstoffeinspritzung, der gewünschten NOx-Reduktion, dem Luftdruck, der relativen Feuchtigkeit, dem Volumenstrom der EGR (Abgasrezirkulation) und der Kühlflüssigkeitstemperatur. Ein NOx-Sensor oder -Messgerät 25 ist stromabwärts von dem Katalysatorbett 17 positioniert. Der NOx-Sensor 25 kann dazu betrieben werden, ein Signal, das die NOx-Menge in dem Abgas anzeigt, an eine Motorsteuereinheit 27 auszugeben. Alle oder einige der Motorbetriebsparameter können von der Motorsteuereinheit 27 über einen Motor/Fahrzeug-Datenbus an den elektronischen Einspritzregler 14 übermittelt werden. Der elektronische Einspritzregler 14 könnte auch als Teil der Motorsteuereinheit 27 ausgebildet sein. Die Abgastemperatur, die Abgasmenge und der Abgasgegendruck und weitere Fahrzeugbetriebsparameter können von jeweiligen Sensoren gemessen werden.
Unter Bezugnahme auf die 2-7 wird der Reagenzinjektor 16 weiter beschrieben werden. Der Reagenzinjektor 16 umfasst eine Kartuschenkörperanordnung 50, eine Elektromagnetanordnung 52, eine Montageplatte 54, eine Einlassanordnung 56 und eine Auslassanordnung 58. Die Kartuschenkörperanordnung 50 umfasst einen röhrenförmigen Außenkörper 60, der an einem röhrenförmigen Innenkörper 62 befestigt ist. Der Außenkörper 60 umfasst ein erstes Ende 64 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 66. Eine Vielzahl von umlaufend voneinander beabstandet angeordneten Öffnungen 68 erstreckt sich durch den Außenkörper 60. Der Außenkörper 60 umfasst eine Innenfläche 72, welche eine im Wesentlichen zylindrische Bohrung 73 mit einem Bereich mit verkleinertem Durchmesser 75 definiert. Der Außenkörper 60 umfasst auch einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser 74. Der Innenkörper 62 ist ein im Wesentlichen hohles Rohr mit einer Bohrung 78, die einen ersten Bereich mit verkleinertem Durchmesser 80 und einen zweiten Bereich mit vergrößertem Durchmesser 82 aufweist. Der Bereich mit vergrößertem Durchmesser 82 ist so bemessen, dass er sich eng in den Bereich mit verkleinertem Durchmesser 75 des Außenkörpers 60 einpasst. Der Innenkörper 62 wird unter Einsatz eines Laserschweißverfahrens an dem Außenkörper 60 befestigt. Die Laserschweißnaht 86 erstreckt sich umlaufend, um eine Dichtung zwischen dem Innenkörper 62 und dem Außenkörper 60 derart auszubilden, dass eine untere Kammer 90 von einer oberen Kammer 92 getrennt wird. Die untere Kammer 90 bildet einen Teil eines Zuführdurchgangs aus.
Die Kartuschenanordnung 50 umfasst auch einen unteren Führer 96, eine Schlitzscheibe 98 und eine Öffnungsplatte 100. Der untere Führer 96 weist eine im Wesentlichen zylindrische Außenfläche 102 auf, die so bemessen ist, dass sie sich eng in den Bereich mit verkleinertem Durchmesser 75 des Außenkörpers 60 einpasst. Eine Bohrung 104 erstreckt sich durch den unteren Führer 96, um zu ermöglichen, dass Fluid dort hindurch strömt. Die Bohrung 104 weist einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser 106 auf, der so bemessen ist, dass er den Innenkörper 62 aufnimmt. Eine Vielzahl von Einlassöffnungen 110 sind umlaufend voneinander beabstandet angeordnet und erstrecken sich durch die zylindrische Außenfläche 102 in Verbindung mit der Bohrung 104. Eine Vielzahl von Bypassöffnungen 112 verbinden die Einlassöffnungen 110 mit der Bohrung 78 des Innenkörpers 62. Die Bohrung 104 weist auch einen Führungsbereich 116 auf. Es ist vorgesehen, dass der untere Führer 96 im Metallspritzgussverfahren aus einem Material wie 17-4 MIM hergestellt ist.
Die Schlitzscheibe 98 kann aus einer Platte oder einem Bogen aus einem Material mit einer genau kontrollierten Dicke hergestellt sein. Die Schlitzscheibe 98 kann aus Edelstahl 304 hergestellt sein und eine Vielzahl ausgestanzter oder mit Laser ausgeschnittener Schlitze 120 aufweisen. Alternativ kann die Schlitzschiebe 98 im Metallspritzgussverfahren aus 17-4 MIM hergestellt sein. Die Schlitze 120 sind bogenförmig ausgebildet und umlaufend voneinander beabstandet angeordnet. Die Schlitze 120 sind derart ausgerichtet, dass sie in Fluidverbindung mit den Einlassöffnungen 110 stehen. Um diese Ausrichtung zu gewährleisten, erstreckt sich einer der Schlitze, der mit 120a identifiziert ist, umlaufend über eine größere Bogenlänge als die anderen Schlitze. Diese asymmetrische Eigenschaft wird in Kombination mit einem Montagewerkzeug 124, das in 8 und 9 dargestellt ist, genutzt, um sicherzustellen, dass die Schlitzscheibe 98 mit einer gewünschten Ausrichtung an dem unteren Führer 96 befestigt wird. Das Montagewerkzeug 124 umfasst eine Vielzahl von umlaufend beabstandet voneinander angeordneten Stützen 126, die jeweils eine sich davon erstreckende Verlängerung 128 aufweisen. Eine Verlängerung, das als Verlängerung 128a identifiziert ist, erstreckt sich umlaufend über eine größere Bogenlänge als die anderen Verlängerungen 128. Zum Zusammenbau des unteren Führers 96 und der Schlitzscheibe 98, wird der untere Führer 96 innerhalb des Montagewerkzeugs 124 angeordnet. Anschließend wird die Schlitzscheibe 98 so ausgerichtet, dass der Schlitz 120a mit der Verlängerung 128a auf eine Linie gebracht wird, so dass es der Schlitzscheibe 98 ermöglicht wird, in den unteren Führer 96 einzugreifen. Danach wird die Schlitzscheibe 98 durch Elektronenstrahlschweißen an dem unteren Führer 96 befestigt. Eine Unteranordnung aus unterem Führer 96 und Schlitzscheibe 98 kann zum Zusammenbau der Kartuschenanordnung 50 verwendet werden.
Die Schlitzscheibe 98 umfasst eine Vielzahl von Wirbelschlitzen 132 in Fluidverbindung mit den Schlitzen 120. Jeder der Wirbelschlitze 132 umfasst einen im Wesentlichen linearen Bereich 134 und einen kreisförmigen Bereich 136. Die Wirbelschlitze 132 geben dem eingespritzten Reagenz, das durch die Einlassöffnungen 110 und die Schlitze 120 strömt, eine Wirbelbewegung.
Die Öffnungsplatte 100 weist eine koaxial mit einem konischen Ventilsitz 142 in einer Linie ausgerichtete Öffnung 140 auf. Die kreisförmigen Bereiche 136 der Wirbelschlitze 132 definieren einen Kreis, der koaxial mit der Öffnung 140 und dem konischen Ventilsitz 142 ausgerichtet ist. Die Öffnungsplatte 100 weist eine zylindrische Außenfläche 148 auf, die so bemessen ist, dass sie sich eng in den Bereich mit verkleinertem Durchmesser 75 des Außenkörpers 60 einpasst. Die Öffnungsplatte 100 wird an dem Außenkörper 60 unter Einsatz eines Elektronenstrahlschweißverfahrens befestigt, welches die Öffnungsplatte 100 an dem Außenkörper 60 befestigt.
Ein Ventilelement 154 ist gleitend in dem verbreiterten Bereich 74 der Bohrung 73 positioniert. Das Ventilelement 154 weist einen länglichen Zapfen 156 mit einem konisch geformten ersten Ende 158 und einem gegenüberliegenden zweiten Ende 160 auf. Das erste Ende 158 ist selektiv eingreifbar mit dem Ventilsitz 142 der Öffnungsplatte 100, um eine abgedichtete und geschlossene Position des Ventilelementes 154 zu definieren, wenn es gesetzt ist. Eine entsperrte, offene Position liegt vor, wenn der Zapfen 156 von dem Ventilsitz 142 beabstandet angeordnet ist. Der Ventilsitz 142 kann, wie gezeigt, konisch oder kegelförmig ausgebildet sein, um das konische erste Ende 158 des Zapfens 156 zu ergänzen, um den Reagenzfluss durch die Öffnung 140 zu begrenzen. Abhängig von der Anwendung und dem operativen Umfeld sind der Zapfen 156 und die Öffnungsplatte 100 aus einem Karbidmaterial hergestellt, das gewünschte Gebrauchseigenschaften liefert und leichter und kosteneffektiver hergestellt werden kann. Im Gegensatz zu Karbonstählen, welche weich werden können, bietet Karbid zusätzliche Vorteile, wie Unempfindlichkeit gegenüber Löttemperaturen, die von 870-980°C reichen können. Karbid bietet im Vergleich zu der Härte der meisten anderen Stähle eine erhöhte Oberflächenhärte. Karbid ist ebenfalls vorteilhaft bezüglich der gesamten Verschleißfestigkeit. Die Öffnungsplatte 100 kann alternativ aus einem ausscheidungsgehärteten Material, wie CPM S90V oder 440C Edelstahl hergestellt sein.
Ein Zapfenkopf 162 ist an dem zweiten Ende 160 des Zapfens 156 befestigt. Der Zapfenkopf 162 ist gleitend innerhalb des verbreiterten Bereichs 74 der Bohrung 73 positioniert und umfasst eine Vielzahl von umlaufend voneinander beabstandet angeordneten Öffnungen 170, die sich dort hindurch erstrecken. Eine Lauf-Slip-fit-Passung zwischen dem Zapfenkopf 162 und der Innenfläche 72 liefert einen oberen Führer für das Ventilelement 154, so dass es sich parallel zu einer Einspritzachse 155 bewegt. Ein Führer für das untere Ventilelement ist an der Gleitschnittstelle zwischen dem Zapfen 156 und dem Führungsbereich 116 des unteren Führers 96 ausgebildet. Basierend darauf, dass die Innenfläche 72 als Richtwert für die Öffnungsplatte 100, den unteren Führer 96 und den Zapfenkopf 162 vorgesehen ist, ist das Ventilelement 154 akkurat in einer Linie mit dem Ventilsitz 142 und der Öffnung 140 ausgerichtet.
Ein Stabstück 174 ist derart bemessen, dass es innerhalb der Bohrung 73 aufgenommen wird. Das Stabstück 174 wird unter Einsatz eines Verfahrens wie des Elektronenstrahlschweißens oder Laserschweißens an dem Außenkörper 60 befestigt. Das längliche Stabstück 174 weist eine zentrale Bohrung 184 auf, die sich durch dieses hindurch erstreckt. Die zentrale Bohrung 184 ist koaxial mit der Bohrung 73 ausgerichtet. Ein Durchflussbegrenzer 186 ist innerhalb einer Tasche 187 des Stabstücks 174 positioniert. Eine Gegenbohrung 190 erstreckt sich nach innen von einem Ende 192 des Stabstücks 174 aus. Eine Druckfeder 194 ist in der Gegenbohrung 190 in vorgespanntem Eingriff mit dem Zapfenkopf 162 angeordnet, um das Ventilelement 154 in Eingriff mit dem Ventilsitz 142 zu drücken.
Die Elektromagnetanordnung 52 weist eine um eine Spule 202 gewickelte Drahtrolle 200 auf. Der Zapfenkopf 162 besteht aus einem magnetischen Material, wie Edelstahl 430, so dass die elektrische Erregung der Rolle 200 ein magnetisches Feld erzeugt, das den Zapfenkopf 162 zu dem Stabstück 174 hin drängt. Wenn die Drahtrolle 200 erregt wird, löst sich das erste Ende 158 des Zapfens 156 aus dem Eingriff mit dem Ventilsitz 142, um zu ermöglichen, dass Reagenz durch die Öffnung 140 fließt. Die Drahtrolle 200 kann über den Zugang zu einer Steckerbuchse 206 eines überformten Gehäuses 208 beispielsweise in Reaktion auf ein Signal von dem elektronischen Einspritzregler mit Strom versorgt werden.
Ein Strömungsrahmen 210 umfasst ein Rohr 212, das die Spule 202 und die Drahtrolle 200 umgibt. Eine Endkappe 214 erstreckt sich von dem Rohr 212 zu einer Außenfläche des Außenkörpers 60. Die Montageplatte 54 liefert den restlichen Teil des Strömungsrahmens 210. Die Montageplatte 54 ist allerdings kein Teil einer überformten Unterbaugruppe, die die Drahtrolle 200, die Spule 202, das Rohr 212, die Endkappe 214, die Steckerbuchse 206 und das überformte Gehäuse 208 umfasst. Das Gehäuse 208 weist eine Verlängerung 216 auf, die so bemessen und geformt ist, dass sie innerhalb einer Keilnut 218 der Montageplatte 54 aufgenommen werden kann. Eine relative winklige Ausrichtung zwischen der Steckerbuchse 206 und einem Einlassvorsprung 220 der Montageplatte 54 ist sichergestellt, sobald die Verlängerung 216 einmal innerhalb der Keilnut 218 angeordnet ist.
Die Kartuschenanordnung 50 erstreckt sich durch die Elektromagnetanordnung 52 sowie durch die Montageplatte 54. Der Außenkörper 60 wird durch Laserschweißen an der Montageplatte in der Nähe einer Montageebene 222 der Montageplatte 54 sowie an einer Stelle in der Nähe des Zapfenkopfes 162 befestigt. Die Laserschweißnähte erstrecken sich ununterbrochen über 360°, um eine Dichtung zwischen der Montageplatte 54 und dem Außenkörper 60 auszubilden. Es sind keine zusätzlichen Elastomerdichtungen erforderlich.
Die Einlassanordnung 56 umfasst ein aus Edelstahl Serie 300 bestehendes Rohr 230 und einen Einlassfilter 232. Das Einlassrohr ist an dem Vorsprung 220 der Montageplatte 54 durch ein Verfahren wie Laserschweißen befestigt. Das Einlassrohr 230 steht in Fluidverbindung mit einem Einlassdurchgang 234, der sich durch die Montageplatte 54 hindurch erstreckt. Der Einlassdurchgang 234 steht in Fluidverbindung mit jeder der Öffnungen 68, die sich durch den Außenkörper 60 und die Kammer 90 oder einen Zufuhrdurchlass erstrecken.
Die Auslassanordnung 58 weist ein aus Edelstahl Serie 300 bestehendes Auslassrohr 236 und einen Auslassfilter 238 auf. Das Auslassrohr 236 umfasst ein erstes Ende 240, das so bemessen ist, dass es innerhalb einer in dem überformten Gehäuse 208 ausgebildeten Tasche 242 aufgenommen werden kann. Das Auslassrohr 236 ist laserverschweißt mit dem Außenkörper 60, um die Elektromagnetanordnung 52 zwischen der Auslassanordnung 58 und der Montageplatte 54 zu halten. Das Auslassrohr 236 steht in Fluidverbindung mit der zentralen Bohrung 184 des Stabstücks 174.
Ein Reagenzströmungsweg in geschlossenem Kreislauf wird bereitgestellt, wenn der Zapfen 156 des Reagenzinjektors 16 sich in der geschlossenen Position befindet. Reagenz wird aus dem Reagenzbehälter 10 über das Abgabemodul 12 dem Einlassrohr 230 zugeführt. Das Reagenz läuft durch den Einlassfilter 232, den Einlassdurchgang 234 und die Öffnung 68, um in die Zuleitung oder untere Kammer 90 zu gelangen. Das Reagenz fließt weiter durch die Einlassöffnungen 110 und die Bypassöffnungen 112, um in eine Rückleitung oder Bohrung 87 des Innenkörpers 62 zu gelangen. Unter Druck gesetztes Reagenz fließt weiter durch die Öffnungen 170 des Zapfenkopfes 162 und die zentrale Bohrung 184 des Stabstücks 174. Der Durchflussbegrenzer 186 weist eine Öffnung 244 auf, durch welche die Rücklaufmenge an Reagenz gesteuert wird. Das Auslassrohr 236 nimmt das zu dem Behälter 10 zurückfließende Reagenz auf. Wenn Reagenz nicht in das Abgassystem eingespritzt wird, wird das Reagenz kontinuierlich gepumpt, um durch den unteren Führer 96 zu fließen und Wärme von der Öffnungsplatte 100 auf das in dem Behälter 10 gelagerte Reagenz zu übertragen.
Wenn die Elektromagnetanordnung 52 erregt wird, wird der Zapfen 156 von dem Ventilsitz 142 weg bewegt. Unter Druck gesetztes Reagenz, das in Verbindung mit den Schlitzen 120 steht, fließt durch jeden der Wirbelschlitze 132, um in eine Wirbelkammer 250 zu gelangen, die von kreisförmigen Bereichen 136, dem unteren Führerf 96, dem Zapfen 156 und der Öffnungsplatte 100 definiert ist. Basierend auf der Druckdifferenz zwischen der Öffnung 140 und den Wirbelschlitzen 132 sowie des Tangentialverhältnisses der Wirbelschlitze 132 zu der Wirbelkammer 250, wird eine schnelle kreisförmige Reagenzbewegung induziert. Der niedrige Druck an der Öffnung 140 in Kombination mit dem unter Druck gesetzten Reagenz, das sich in Wirbelströmen bewegt, schafft ein fein zerstäubtes Spray, das die Öffnung 140 verlässt. Das Reagenz, das die Öffnung 140 nicht verlässt, wird weiterhin zum Zirkulieren gebracht, wie zuvor beschrieben.
Es sollte klar sein, dass es wünschenswert sein kann, den Sprühwinkel, mit welchem das Reagenz die Öffnung 140 verlässt, zu variieren. Es hat sich herausgestellt, dass durch Veränderung des Durchmessers des durch die kreisförmigen Bereiche 136 definierten Kreises und daher des Durchmessers der Wirbelkammer 250 der gesamte, von dem die Öffnung 140 verlassenden Reagenzspray eingeschlossene Winkel auch variiert werden kann. Beispielsweise können die Anzahl der Schlitze, die Schlitzbreite und die Plattendicke variiert werden, um einen gewünschten Sprühwinkel zu erzielen. Es kann schlechthin eine Injektorfamilie bereitgestellt werden, bei welcher jeder Injektor die gleichen Bauteile aufweist, mit Ausnahme einer unterschiedlichen Schlitzscheibe, welche jeweils eine Geometrie aufweist, die auf den gewünschten Sprühwinkel zugeschnitten ist. Im Vergleich zur Herstellung aufwendiger Einspritzbauteile, ist die Bereitstellung verschiedener Schlitzscheiben kostengünstig und einfach.
Außerdem legt die vorausgehende Erörterung lediglich Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar und beschreibt diese. Ein Fachmann wird aus der Darlegung und den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen leicht erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifizierungen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne den Geist und Rahmen der Erfindung, wie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert, zu verlassen.
Bezugszeichenliste

8: Verschmutzungskontrollsystem
9: Zuleitung
10: Reagenzbehälter
12: Abgabemodul
14: elektronischer Einspritzregler
16: Reagenzinjektor
17: Katalysatorbett
18: Abgassystem
19: Abgasleitung
21: Verbrennungsmotors
25: NOx-Sensor oder -Messgerät
27: Motorsteuereinheit
35: Rückleitung
50: Kartuschenkörperanordnung
52: Elektromagnetanordnung
54: Montageplatte
56: Einlassanordnung
58: Auslassanordnung
60: röhrenförmiger Außenkörper
62: röhrenförmiger Innenkörper
64: erstes Ende
66: zweites Ende
68: Öffnungen
72: Innenfläche
73: zylindrische Bohrung
74: vergrößerter Durchmesser
75: verkleinerter Durchmesser
78: Bohrung
80: verkleinerter Durchmesser
82: vergrößerter Durchmesser
86: Laserschweißnaht
90: untere Kammer
92: obere Kammer
96: unterer Führer
98: Schlitzscheibe
100: Öffnungsplatte
102: zylindrische Außenfläche
104: Bohrung
106: vergrößerter Durchmesser
110: Einlassöffnungen
112: Bypassöffnungen
116: Führungsbereich
120: Schlitze
120a: Schlitz
124: Montagewerkzeug
126: Stützen
128: Verlängerungen
128a: Verlängerung
132: Wirbelschlitze
134: linearer Bereich
136: kreisförmigen Bereich
140: Öffnung
142: konischer Ventilsitz
148: zylindrische Außenfläche
154: Ventilelement
155: Einspritzachse
156: Zapfen
158: erstes Ende
160: zweiten Ende
162: Zapfenkopf
170: Öffnungen
174: Stabstück
184: zentrale Bohrung
186: Durchflussbegrenzer
187: Tasche
190: Gegenbohrung
192: Ende
194: Druckfeder
200: gewickelte Drahtrolle
202: Spule
206: Steckerbuchse
208: überformtes Gehäuse
210: Strömungsrahmen
212: Rohr
214: Endkappe
216: Verlängerung
218: Keilnut
220: Einlassvorsprung
222: Montageebene
230: Einlassrohr
232: Einlassfilter
234: Einlassdurchgang
236: Auslassrohr
238: Auslassfilter
240: erstes Ende
242: Tasche
244: Öffnung
250: Wirbelkammer
300: Stickoxid-Sensor
301: Abgasvolumenstrom
302: Abgastemperatur
303: Heizelementsteuerung und Temperaturerfassung
304: Füllstanderfassung
305: Pumpensteuerung
306: Drehzahl
307: Kurbelstellung
308: Last
309: Motorkraftstoffeinspritzsignal
310: Abgastemperaturerfassung
311: Injektorsteuerung

Claims

Injektor (16) zum Einspritzen eines Reagenz in einen Abgasstrom, mit: einem Elektromagneten (52); einem Innenrohr (62); einem Außenrohr (60), das sich durch den Elektromagneten (52) erstreckt und das Innenrohr (62) umgibt, wobei ein erstes Ende (64) des Innenrohrs (62) dichtend an einer Innenfläche (72) des Außenrohrs (60) befestigt ist; einem Führungselement (96) und einer Öffnungsplatte (100), die jeweils dichtend an der Innenfläche (72) des Außenrohrs (60) befestigt sind, wobei ein zweites Ende (66) des Innenrohrs (62) durch das Führungselement (96) ausgerichtet ist; und einem beweglichen Ventilelement (154), das einen von der Innenfläche (72) des Außenrohrs (60) geführten Zapfenkopf (162) aufweist, um das Ventilelement (154) mit einer sich durch die Öffnungsplatte (100) erstreckenden Öffnung (170) auszurichten.
Injektor gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Stabstück (174), das angrenzend an den Zapfenkopf (162) positioniert und an der Innenfläche (72) des Außenrohrs (60) befestigt ist.
Injektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabstück (174) eine Bohrung (184) aufweist, welche eine Feder (194) aufnimmt, die den Zapfenkopf (162) von dem Stabstück (174) weg spannt.
Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (52) eine um eine Spule (202) gewickelte Drahtrolle (200), einen Strömungsrahmen (210), der den Draht umgibt, und ein den Draht, die Spule (202) und den Strömungsrahmen (210) einkapselndes Kunststoffgehäuse (208) aufweist.
Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (60) eine Öffnung (68) aufweist, welche das Reagenz aufnimmt, wobei die Öffnung (68) axial zwischen dem Elektromagneten (52) und der Öffnungsplatte (100) angeordnet ist.
Injektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (62) und das Außenrohr (60) zumindest teilweise eine Zuleitung (9) definieren, durch welche das Reagenz fließt.
Injektor gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Rückleitung (35), die sich durch den Zapfenkopf (162) und das Stabstück (174) erstreckt, um eine Rückführung des Reagenz zu ermöglichen.
Injektor gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine zwischen der Öffnungsplatte (100) und dem Führungselement (96) angeordnete Schlitzscheibe (98), wobei die Schlitzscheibe (98) eine sich durch sie hindurch erstreckende Wirbelöffnung aufweist, wobei das Führungselement (96) eine Einlassöffnung (110) aufweist, die mit der Wirbelöffnung in einer Linie ausgerichtet ist, um eine Fluidverbindung zwischen der Zuleitung (9) und der Öffnung (68) zu schaffen.
Injektor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (96) eine Bypassöffnung (112) aufweist, die eine Fluidverbindung zwischen der Zuleitung (9) und der Rückleitung (35) bereitstellt.
Injektor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzscheibe (98) eine Vielzahl von umlaufend voneinander beabstandet angeordneten Wirbelöffnungen und eine entsprechende Vielzahl von Wirbelschlitzen (132) aufweist, welche sich von den Wirbelöffnungen aus erstrecken und an einer Wirbelkammer (250) enden.
Injektor gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wirbelschlitz (132) einen im Wesentlichen linearen Bereich (134) und einen kreisförmigen Bereich (136) aufweist, wobei die kreisförmigen Bereiche (136) einen Außendurchmesser der Wirbelkammer (250) definieren.
Injektor gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Montageplatte (54), die auf einer ersten Seite des Elektromagneten (52) angeordnet ist, und ein Auslassrohr (236), das auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Elektromagneten (52) angeordnet ist, wobei die Montageplatte (54) und das Auslassrohr (236) an dem Außenrohr (60) befestigt sind, um den Elektromagneten (52) zwischen der Montageplatte (54) und dem Auslassrohr (236) zu halten.
Injektor gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (60) und die Montageplatte (54) an getrennten, axial voneinander beabstandeten Stellen in abdichtender Weise aneinander befestigt sind, um unter Druck gesetztes Reagenz daran zu hindern, aus dem Injektor (16) auszutreten.
Injektor gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Montageplatte (54) einen Teil eines den Elektromagneten (52) umgebenden Strömungsrahmens (210) bildet.
Injektor (16) zum Einspritzen eines Reagenz in einen Abgasstrom, mit: einem Gehäuse; einem an das Gehäuse gekoppelten Elektromagneten (52); einer Schlitzscheibe (98), die eine Vielzahl von umlaufend voneinander beabstandet angeordneten Wirbelöffnungen aufweist, die sich durch sie hindurch erstrecken, wobei die Schlitzscheibe (98) auch einen sich zwischen jeder Wirbelöffnung erstreckenden und an einer Wirbelkammer (250) endenden Wirbelschlitz (132) aufweist, wobei jeder Wirbelschlitz (132) einen im Wesentlichen linearen Bereich (134) und einen kreisförmigen Bereich (136) aufweist, wobei die kreisförmigen Bereiche (136) einen Außendurchmesser der Wirbelkammer (250) definieren; einer Öffnungsplatte (100), die eine Öffnung (140) aufweist und an der Schlitzscheibe (98) befestigt ist; und einem Ventilelement (154), das innerhalb des Gehäuses beweglich ist zwischen einer geschlossenen Position, in welcher das Reagenz die Öffnung (140) nicht verlassen kann, und einer offenen Position, in welcher es dem Reagenz möglich ist, basierend auf einer Erregung des Elektromagneten (52) durch die Öffnung (140) zu fließen, wobei Reagenz durch die Wirbelöffnungen, die Wirbelschlitze (132) und die Wirbelkammer (250) gepumpt wird, wenn sich das Ventilelement (154) in der offenen Position befindet.
Injektor gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein Außenrohr (60) aufweist, das sich durch den Elektromagneten (52) erstreckt, und ein Innenrohr (62), das innerhalb des Außenrohrs (60) angeordnet ist.
Injektor gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Bereich des Innenrohrs (62) an dem Außenrohr (60) befestigt ist und ein zweiter Bereich des Innenrohrs (62) beabstandet von dem Außenrohr (60) angeordnet ist und eine Reagenzzuleitung (9) definiert.
Injektor gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (52) eine um eine Spule (202) gewickelte Drahtrolle (200), einen Strömungsrahmen (210), der den Draht umgibt, und ein den Draht, die Spule (202) und den Strömungsrahmen (210) einkapselndes Kunststoffgehäuse (208) aufweist.
Injektor gemäß Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Montageplatte (54), die auf einer ersten Seite des Elektromagneten (52) angeordnet ist, und ein Auslassrohr (236), das auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Elektromagneten (52) angeordnet ist, wobei die Montageplatte (54) und das Auslassrohr (236) an dem Außenrohr (60) befestigt sind, um den Elektromagneten (52) zwischen der Montageplatte (54) und dem Auslassrohr (236) zu halten.
Injektor gemäß Anspruch 19, gekennzeichnet durch ein an der Montageplatte (54) befestigtes Einlassrohr (230), einen Einlassdurchgang (234), der sich durch die Montageplatte (54) erstreckt, und eine Öffnung, die sich durch das Außenrohr (60) erstreckt, wodurch das Einlassrohr (230) in Fluidverbindung mit der Zuleitung (9) gebracht wird.
Injektor gemäß Anspruch 20, gekennzeichnet durch ein Stabstück (174), das angrenzend an das Ventilelement (154) angeordnet und an dem Außenrohr (60) befestigt ist, und eine Rückleitung (35), die sich durch das Ventilelement (154) und das Stabstück (174) erstreckt, um eine Rückführung des Reagenz zu ermöglichen.
Injektor gemäß Anspruch 21, gekennzeichnet durch ein Führungselement (96), das eine Bypassöffnung (112) aufweist, die eine Fluidverbindung zwischen der Zuleitung (9) und der Rückleitung (35) schafft.
Injektor gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr und die Montageplatte (54) an getrennten, axial voneinander beabstandeten Stellen in abdichtender Weise aneinander befestigt sind, um unter Druck gesetztes Reagenz daran zu hindern, aus dem Injektor (16) auszutreten.