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Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine zur selektiven katalytischen Reduktion, insbesondere zur Zerstäubung mittels Druckluft oder Treibgas, wobei die Düse einen Düsenkörper und zumindest einen Injektor aufweist.
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Derartige Einspritzdüsen sind bekannt und kommen zum Einsatz in Dosiersystemen zur Einspritzung eines Reduktionsmittels, wie einer Harnstofflösung, insbesondere gemäß DIN 70070, in den Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine. Dosiersysteme zur Einbringung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxyden (engl. selective catalytic reduction, SCR) werden zur Minimierung der Stickoxydemissionen von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt. Hierzu wird ein Reduktionsmittel in das Abgassystem mit einer Dosiervorrichtung eingedüst. Als Reduktionsmittel dient Ammoniak. Unter Reduktionsmittel bzw. Harnstofflösung soll in diesem Sinne sowohl Ammoniak als auch Harnstofflösung oder ein anderes reduzierend wirkendes Mittel und insbesondere das so genannte AdBlue, d. h. eine Harnstofflösung gemäß DIN 70070 verstanden werden.
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In solchen Abgassystemen wird Reduktionsmittel wie beispielsweise Harnstofflösung mittels Druckluft in den Abgasstrom eingespritzt und zerstäubt, um ein möglichst feines und gleich verteiltes Aerosol zu bilden. Das Reduktionsmittel dient der selektiven katalytischen Reduktion (englisch: Selective Catalytic Reduction, abgekürzt SCR) in sogenannten SCR-Katalysatoren zur Reduktion der Stickoxydemissionen von Dieselmotoren.
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Ein wichtiger Parameter zur Steuerung der Dosierung und Einspritzung des Reduktionsmittels in Abgasnachbehandlungseinrichtungen zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxyden ist die Abgastemperatur. Daher ist innerhalb derartiger Abgasnachbehandlungseinrichtungen ein Abgastemperatursensor anzuordnen.
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Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist es, dass eine große Anzahl von Einzelteilen zu montieren und anzuschließen sind, insbesondere einerseits der Abgastemperatursensor mit den entsprechenden Kabelverbindungen sowie ferner die Einspritzdüse und die entsprechenden Anschlussleitungen zur Zuleitung des Fluides und der Druckluft, die der Zerstäubung des Reduktionsmittels und der Aerosolbildung dient. Infolgedessen ist eine große Anzahl einzelner Teile zu montieren und anzuschließen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Montageaufwand der zu montierenden Komponenten im Abgassystem zu vermindern und somit die Herstellungskosten zu senken. Eine weitere Aufgabe liegt darin, dass in der Produktion des Abgasnachbehandlungsystems weniger Teile zu montieren sind und eine Bauraumoptimierung erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einspritzdüse gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Besonders vorteilhaft bei der Einspritzdüse zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine zur selektiven katalytischen Reduktion, insbesondere zur Zerstäubung mittels Druckluft oder Treibgas, wobei die Düse einen Düsenkörper und zumindest einen Injektor aufweist, ist es, dass seitlich beabstandet von dem Injektor von dem Düsenkörper ein Temperatursensor integriert ist, dessen Messfühler im eingebauten Zustand der Einspritzdüse in den Abgasstrom ragt.
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Hierdurch ist eine sehr kompakte Anordnung sowohl der Einspritzdüse zur Einspritzung des Reduktionsmittels in den Abgasstrom als auch des Temperatursensors zur Erfassung der Abgastemperatur geschaffen. Es ergibt sich eine deutliche Reduktion des Montage- und Fertigungsaufwandes. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der benötigte Bauraum für die Gesamtanordnung deutlich kleiner ausfällt als bei den Systemen nach dem Stand der Technik.
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Mittels der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ist es möglich, ein Reduktionsmittel wie Harnstofflösung, insbesondere eine solche gemäß DIN 70070, in den Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine einzubringen und zu zerstäuben und gleichzeitig eine besonders vorteilhafte, platzsparende und leicht zu montierende Gesamtanordnung von Injektor und Temperatursensor zur Erfassung der Abgastemperatur zu realisieren.
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Die Erfindung bezieht sich somit auf die Anordnung von Injektor zur Einspritzung und Zerstäubung eines Reduktionsmittels in einem Abgasnachbehandlungssystem zur selektiven katalytischen Reduktion und eines Temperatursensors zur Erfassung der Abgastemperatur innerhalb einer Baugruppe. Dazu trägt der Düsenkörper einerseits den Injektor und gleichzeitig ist ein Temperatursensor in den Düsenkörper integriert.
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Die Erfindung dient somit insbesondere dem Einsatz bei der Abgasnachbehandlung von Kraftfahrzeugen, beispielsweise Nutzfahrzeugen. Besondere Vorteile liegen in der Kosteneinsparung der Fertigung, sowie der vereinfachten Montage und die besonders platzsparende Einbausituation. Es ist durch die Erfindung nicht mehr erforderlich, einerseits eine Einspritzdüse zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom sowie ferner einen Temperatursensor anzuordnen, dessen Messfühler im eingebauten Zustand in den Abgasstrom ragt, da beide Elemente die für die Abgasnachbehandlung im so genannten SCR-Katalysator (engl. Selectiv Catalytic Reduction, abgekürzt SCR) benötigt werden, in einer Baugruppe zusammen gefasst sind.
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Vorzugsweise ist der Temperatursensor dergestalt in den Düsenkörper integriert, dass der Messfühler des Sensors im eingebauten Zustand der Einspritzdüse stromauf des Injektors in den Abgasstrom ragt.
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Dadurch, dass der Messfühler des Temperatursensors stromauf des Injektors in den Abgasstrom ragt, wird eine unverfälschte Messung der Abgastemperatur garantiert, da die Messung der Abgastemperatur an einer Stelle durchgeführt wird, an der die Temperatur des Abgases nicht durch das eingespritzte Reduktionsmittel herabgesetzt ist.
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Da die Abgastemperatur jedoch ein wichtiger Parameter für die Steuerung der Einspritzmenge ist, ist durch die Anordnung des Messfühlers stromauf des Injektors eine unverfälschte Messung möglich.
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Vorzugsweise weist der Düsenkörper eine Durchgangsbohrung oder eine Sensoraufnahme auf, in die der Temperatursensor eingesetzt, insbesondere eingeschraubt ist. Alternativ oder kumulativ kann der Temperatursensor auch eingeklebt oder mittels Kraftschluss im Düsenkörper festgelegt oder an diesem angeordnet sein, so dass der Messfühler des Temperatursensors im eingebauten Zustand in den Abgasstrom hineinragt und die Messung der Abgastemperatur zuverlässig ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Injektor dergestalt ausgeführt, dass er als außenmischende Zweistoffdüse ausgestaltet ist. Hierzu weist der Injektor in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zumindest eine erste Düsenöffnung und eine zweite Düsenöffnung auf, die derart zueinander angeordnet sind, dass ein durch die erste Düsenöffnung austretendes Reduktionsmittel mittels des durch die zweite Düsenöffnung austretenden Treibgases wie Druckluft zerstäubt wird und außerhalb des Düsenkörpers ein homogenes Aerosol gebildet wird.
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Eine besonders bevorzugte Anordnung der beiden Düsenöffnungen ergibt sich, wenn die zweite Öffnung durch einen Ringspalt gebildet wird, der zur ersten Öffnung konzentrisch angeordnet ist.
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Somit ist es möglich, durch die erste Düsenöffnung die zu zerstäubende Flüssigkeit zu leiten und durch den diese erste Düsenöffnung konzentrisch umgebenden Ringspalt die Druckluft oder das Treibgas zu leiten, so dass bei Ausdüsen der Flüssigkeit durch die Druckluft bzw. das Treibgas die Flüssigkeit zerstäubt und somit das benötigte Aerosol gebildet wird. Hierzu werden die beiden Stoffe, Reduktionsmittellösung und Druckluft/Treibgas auf getrennten Wegen der Düse zugeführt. Da neben Druckluft auch jedes andere Treibgas zur Zerstäubung der Flüssigkeit einsetzbar ist, wird Druckluft in diesem Sinne als Synonym für jedes beliebige Treibgas verwendet.
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Als zu zerstäubendes Reduktionsmittel kommt vorzugsweise Harnstofflösung insbesondere gemäß DIN 70070 zur selektiven katalytischen Reduktion zum Einsatz. Das Grundprinzip der Düse in dieser besonders bevorzugten Ausführungsform ist somit eine Aerosolbildung außerhalb der Düse bzw. des Injektors.
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Die Kombination von Temperatursensor und Einspritzdüse zur Einspritzung des Reduktionsmittels ist jedoch grundsätzlich für jede Art von Reduktionsmittelinjektoren geeignet. Die Kombination des Temperatursensors mit einer solchen Zweistoffdüse stellt jedoch eine besonders bevorzugte Ausführungsform dar.
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Vorzugsweise ist die erste Öffnung des Injektors mit einer ersten Kammer und/oder einem ersten Anschlussstutzen verbunden und wird hiervon mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit, d. h. mit dem Reduktionsmittel, gespeist.
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Bevorzugt ist die zweite Öffnung des Injektors mit einer zweiten Kammer und/oder einem zweiten Anschlussstutzen verbunden und wird hierüber mit Druckluft oder Treibgas gespeist.
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Die Einspritzdüse kann einteilig ausgeführt sein. Hierzu kann die Düse mittels des Metallpulverspritzgießverfahrens hergestellt werden. Dabei werden die benötigten Hohlräume beim Spritzen des Bauteils durch ein oder mehrere Kunststoffkörper gebildet, wobei diese Kunststoffkörper beim nachfolgenden Entbindern verdampfen.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Düse mehrteilig ausgeführt.
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Vorzugsweise ist die Düse zweiteilig oder mehrteilig ausgeführt, wobei ein erstes Bauteil eine erste Düsenöffnung aufweist, und ein zweites Bauteil das erste Bauteil zumindest teilweise umgibt, sodass eine zweite Düsenöffnung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil gebildet wird.
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Durch diese Ausgestaltung, in dem das zweite Bauteil das erste Bauteil zumindest teilweise umgibt oder umgreift, kann gleichzeitig zwischen den beiden Bauteilen der die zweite Öffnung bildende Ringspalt ausgebildet werden, der die erste Düsenöffnung konzentrisch umgreift, d. h. einen zur ersten kreisförmigen Düsenöffnung konzentrischen Ring bildet.
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Anstelle eines konzentrischen Ringes können auch mehrere einzelne kleine Öffnungen die erste Düsenöffnung umgeben, wobei über die Mehrzahl zweiter Öffnungen die Druckluft oder das Treibgas ausgeleitet wird, um die aus der ersten Düsenöffnung austretende Flüssigkeit zu zerstäuben und das benötigte Aerosol zu bilden.
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Bei einer mehrteiligen Ausführung der Düse können die Bauteile miteinander verklebt sein.
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Vorzugsweise weist die Düse außenseitig, d. h. insbesondere in Richtung auf den Abgasstrom, im eingebauten Zustand eine thermische Isolationsschicht auf. Insbesondere kann die Düse eine keramische Beschichtung aufweisen. Hierdurch ist die Düse auf effektive Weise gegen Hitze, wie sie im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors auftritt, geschützt.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:
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1: Einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Einspritzdüse mit einem integrierten Temperatursensor.
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In 1 dargestellt ist die Einbringung eines Temperatursensors 40 in eine Zweistoffdüse. Die Zweistoffdüse selbst besteht aus einem Düsenkörper mit Oberplatte 10 und Unterplatte 20.
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Die beiden Bauteile 10, 20 bilden somit den Düsenkörper und gleichzeitig den Injektor 30, über den die Harnstofflösung in den Abgasstrang eingespritzt und zerstäubt wird.
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Der Düsenkörper gemäß 1 ist gebildet durch zwei Bauteile 10, 20. Das erste Bauteil 10 weist eine erste Düsenöffnung 11 auf, die über eine erste Kammer 12 mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit, d. h. mit Reduktionsmittel wie Harnstofflösung, gespeist wird. Die Kammer 12 mündet in den Stutzen 13, der gleichzeitig den Anschlussbereich für eine entsprechende Reduktionsmittelleitung bildet und hierzu Hinterschneidungen aufweist, um die Leitung zu halten.
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Das zweite Bauteil 20 übergreift das erste Bauteil 10 in der Weise, dass zwischen den beiden Bauteilen 10, 20 ein die zweite Düsenöffnung 21 bildender Ringspalt gebildet wird, der von einer in das zweite Bauteil 20 integrierten Kammer 22 mit Druckluft zur Zerstäubung der aus der ersten Düsenöffnung 11 austretenden Flüssigkeit beaufschlagt wird. Der Ringspalt 21 ist konzentrisch zur ersten Düsenöffnung 11.
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Die erste Düsenöffnung 11 und die dazu konzentrische zweite Düsenöffnung 21 bilden somit den Injektor 30 zur Einspritzung und Zerstäubung des Reduktionsmittels, d. h. der Harnstofflösung. Bevorzugt kommt ein Reduktionsmittel gemäß DIN 70070 zum Einsatz. Es können aber auch alle anderen geeigneten Reduktionsmittel mittels der Düse in den Abgasstrom eingespritzt werden.
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Grundprinzip der Düse ist eine Mischung der Komponenten außerhalb des Bauteiles. Hierbei wird durch die erste Kammer 12 die zu zerstäubende Flüssigkeit geleitet. Das Zerstäubungsmedium Druckluft wird über die zweite Kammer 22 zugeführt. Das Zerstäubungsmedium wird um die erste Kammer 12 herumgeleitet. An der Injektorspitze ist ein Ringspalt 21 ausgebildet, durch den das Zerstäubungsmedium Druckluft geleitet wird. Die Anbindung der Düse an die Verbindungsleitungen zur Versorgung mit Druckluft und Harnstofflösung kann über verschiedene Verfahren erfolgen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind Anschlussstutzen 13, 23 zur Anbringung von Schläuchen zur Zuleitung von Flüssigkeit zur ersten Düsenöffnung 11 sowie zur Zuleitung von Druckluft zur zweiten Düsenöffnung 21 vorgesehen. Die Stutzen 13, 23 weisen ringförmige Hinterschneidungen auf, um einen festen Sitz eines aufgeschobenen Schlauches auf dem jeweiligen Stutzen zu gewährleisten.
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Bei der Ausführungsform gemäß 1 sind somit die Aufnahmen an den Stutzen 13, 23 für die Schläuche bereits in das Oberteil integriert. Zur Befestigung brauchen der Reduktionsmittelschlauch lediglich über den Stutzen 13 und der Druckluftschlauch lediglich über den Stutzen 23 geschoben zu werden. Durch die Hinterschneidungen an den Stutzen 13, 23 ergibt sich ein sicherer Sitz der in 1 nicht dargestellten Schläuche.
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Alternativ können die Kammern 12, 22 Innengewinde und/oder die Stutzen 13, 23 Außengewinde zur Befestigung der Zuleitungen für das Reduktionsmittel sowie die Druckluft aufweisen.
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Zur Montage der Anordnung sind Befestigungsbohrungen 31, 32 vorgesehen. Die Befestigung der Düse kann wahlweise mittels Schrauben, Nieten und dergleichen erfolgen.
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Ferner ist eine weitere Durchgangsbohrung 33 in den aus den beiden Teilen 10, 20 zusammengesetzten Düsenkörper eingebracht, in die der Temperatursensor 40 eingesetzt ist. Der Temperatursensor 40 ist dergestalt im Düsenkörper vormontiert, dass der Messfühler 41 des Temperatursensors im eingebauten Zustand in den Abgasstrom hineinragt und eine zuverlässige Messung der Abgastemperatur ermöglicht.
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In der Einbausituation sind Injektor 30 und Temperatursensor 40 derart zueinander positioniert, dass der Temperatursensor 40 mit seinem Messfühler 41 stromauf des Injektors 30 positioniert ist, wie dies durch die Richtung 50 der Strömung des Abgases in 1 dargestellt ist. Hierdurch wird eine Verfälschung der Temperaturmessung unterbunden, die anderenfalls durch die infolge der Aerosoleinbringung durch den Injektor herbeigeführte Absenkung der Abgastemperatur eintreten könnte. Die Injektion des Reduktionsmittels erfolgt somit stromab der Temperaturmessung, um die Messung der Abgastemperatur nicht zu beeinflussen.
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Das Signal der Messfühlers 41 des Temperatursensors 40 wird über das an der Oberseite des Sensors 40 angedeutete Kabel zur weiteren Verarbeitung und Auswertung an ein Steuergerät des Abgasnachbehandlungssystem weitergeleitet. Die Abgastemperatur ist ein wichtiger Parameter für den Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems und die Bemessung der Reduktionsmitteleinspritzmenge, die über den Injektor 30 in den Abgasstrom eingespritzt und zerstäubt wird.
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Alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Temperatursensor in der außen liegenden Bohrung 32 eingesetzt sein, während in die Bohrung 33 eine Befestigungsschraube oder dergleichen eingesetzt wird. Die gesamte Anordnung kann somit den gegebenen Einbausituationen und Anforderungen sehr flexibel angepasst werden.
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Der besondere Vorteil liegt in der Einsparung von Bauraum und Montageaufwand, da die gesamte Anordnung aus Injektor mit den dafür erforderlichen Anschlussbereichen sowie Temperatursensor als kompakte Baueinheit vormontiert werden kann und ohne großen Aufwand in das Abgasnachbehandlungssystem eingebaut werden kann.
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Zur Reduzierung des Wärmeeintrages über die Kontaktfläche zum Abgasrohr der Abgasnachbehandlungsanlage des Verbrennungsmotors kann die Düse an der Unterseite des Unterteiles 20 mit einem keramischen Überzug versehen werden. Eine solche thermische Isolationsschicht, d. h. die Keramik, dient als thermischer Isolator gegen einen übermäßigen Wärmeeintrag in die Bauteile 10, 20 der Düse, wenn diese als Düse zur Einspritzung von Harnstofflösung zur selektiven katalytischen Reduktion (engl. Selective Catalytic Reduction, abgekürzt SCR) in Abgasnachbehandlungseinrichtungen bei Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommt, da hier hohe Temperaturen auftreten.
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Die dargestellte Düse wird aus zwei Teilen 10, 20 gefertigt. Diese sind das Oberteil 10 mit der Kammer 12 in dem Stutzen 13 und hiervon ausgehend die Verbindung zur ersten Injektoröffnung 11. Ferner weist das Oberteil 10 auch die zweite Kammer 22 in dem zweiten Stutzen 23 auf. Der Verbidnungskanal ausgehend von der zweiten Kammer 22 zur zweiten Injektoröffnung wird beim Zusammenfügen der beiden Bauteile 10, 20 zwischen den beiden Bauteilen ausgebildet. Durch die Geometrie der beiden Teile 10, 20, die derart gestaltet ist, dass das zweite Bauteil 20 das erste Bauteil 10 in der Weise übergreift, dass ein zur ersten Injektoröffnung konzentrischer Ringspalt 21 als zweite Injektoröffnung 21 ausgebildet wird, wird bei dem Zusammensetzen der beiden Teile 10, 20 gleichzeitig die zweite Injektoröffnung 21 geschaffen.
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Durch die geometrische Gestaltung des Druckluftaustritts 21 als konzentrischen Ringspalt zur ersten Injektoröffnung 11, durch die das Reduktionsmittel ausgebracht wird, wird eine optimale Aerosolbildung und gleichmäßige Tröpfchenbildung realisiert. Hierdurch lässt sich eine optimale Abgasnachbehandlung durch selektive katalytische Reduktion erreichen.
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Zur Herstellung der Einzelteile 10, 20 kommt beispielsweise das MIM-Verfahren (Metall-Injection-Molding), d. h. Metallpulverspritzgießen, zum Einsatz. Die beiden Einzelteile 10, 20 werden nach dem Spritzen zueinander ausgerichtet und miteinander verklebt. Im Anschluss wird das Bauteil entbindert und gesintert. Hierdurch erhält das Bauteil seine endgültige Festigkeit. Nach dem Sintern erhält man das einbaufertige Bauteil. Vorteil des Verfahrens liegt in der freien Konturgestaltung und in den erreichbaren Toleranzklassen. Eine keramische Isolationsschicht kann in einem weiteren Arbeitsgang auf das Bauteil aufgespritzt und anschließend gebrannt werden.
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Die Düsenöffnungen 11, 21 können auch mittels Laserschneiden in den Düsenkörper eingebracht werden. Hierdurch sind sehr feine Wandstärken und es ist eine sehr hohe Genauigkeit erzielbar. Daraus resultiert ein optimiertes Spraybild und eine sehr gleichmäßige, symmetrische Verteilung der Tröpfchen des zu zerstäubenden Mediums. Durch die Fertigung der ersten Düsenöffnung 11 und der zweiten Düsenöffnung 21 mittels Laserschneiden kann somit die Qualität der Zerstäubung erhöht und eine Verbesserung der Homogenität hinsichtlich der Tröpfchenbildung und der Tröpfchenverteilung erzielt werden.
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In einer nicht dargestellten Alternative kann die gesamte Anordnung auch einteilig ausgeführt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 70070 [0002]
- DIN 70070 [0002]
- DIN 70070 [0010]
- DIN 70070 [0020]
- DIN 70070 [0037]
