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Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung, insbesondere eine Vorrichtung zum Einspritzen eines Fluids in einen Abgasstrang.
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Stand der Technik:
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Die Anforderungen an die Abgasqualität von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Brennkraftmaschinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, haben in den letzten Jahren ständig zugenommen. Vor allem bei Dieselmotoren stellt die NOx Emission ein Problem dar, dem mit Hilfe von so genannten SCR-Katalysatoren entgegengewirkt wird. In einem SCR-Katalysator werden umweltschädliche NOx, mit Hilfe von NH3, das in der Regel in Form einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue”) in den Abgasstrang eingespritzt wird, in N2 und H2O umgewandelt.
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Um eine möglichst effektive Reaktion der eingespritzten Harnstofflösung mit den Abgasen zu erreichen und unerwünschte Ablagerungen im Abgastrakt zu vermeiden, ist es wünschenswert, die Lösung in Form möglichst kleiner Tropfen in den Abgasstrang einzuspritzen.
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Offenbarung der Erfindung:
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einspritzvorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, Fluid in Form möglichst kleiner Tropfen einzuspritzen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einspritzvorrichtung nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
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Eine erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Fluids insb. in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors hat einen ersten Strömungsbereich, der so ausgebildet ist, dass das Fluid im Betrieb im ersten Strömungsbereich im Wesentlichen in einer ersten Strömungsrichtung, die parallel zu einer Ventilachse ist, strömt, und eine Ventilplatte (Ventilsitz), welche den ersten Strömungsbereich stromabwärts begrenzt. Dabei ist in der Ventilplatte eine Ventilöffnung ausgebildet, die in einer Ebene orthogonal zur Ventilachse einen kleineren Querschnitt als der erste Strömungsbereich hat. Die Einspritzvorrichtung hat auch wenigstens eine Spritzlochplatte, die stromabwärts der Ventilöffnung ausgebildet ist und wenigstens ein Einspritzloch aufweist, das derart ausgebildet ist, dass das Fluid im Betrieb in einer zweiten Strömungsrichtung aus dem Einspritzloch strömt, wobei die zweite Strömungsrichtung eine in Richtung auf die Ventilachse ausgerichtete Komponente aufweist.
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Im Betrieb wird das Fluid von einer Pumpe aus einem Tankbehälter über eine Versorgungsleitung in den ersten Strömungsbereich der Einspritzvorrichtung gefördert. Bei geöffneter Ventilöffnung strömt das Fluid im Wesentlichen parallel zur Ventilachse durch den ersten Strömungsbereich.
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Da die Ventilöffnung in einer Ebene orthogonal zur Strömungsrichtung einen kleineren Durchmesser als der erste Strömungsbereich hat, wird zumindest Fluid, das in Bereichen strömt, die im in radialer Richtung äußeren Umfangsbereich des ersten Strömungsbereiches angeordnet sind, nach innen in Richtung auf die Ventilachse abgelenkt, um durch die geöffnete Ventilöffnung zu strömen.
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Nachdem das Fluid die Ventilöffnung passiert hat, wird es erneut umgelenkt, um durch die wenigstens eine Einspritzöffnung zu strömen. Dadurch, dass das Fluid im Betrieb in einer zweiten Strömungsrichtung aus dem Einspritzloch strömt, die eine in Richtung auf die Ventilachse ausgerichtete Komponente aufweist, wird das einzuspritzende Fluid in einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung zusätzlich ab- bzw. umgelenkt, bevor es aus dem Einspritzloch in den Abgasstrang strömt.
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Durch das zusätzliche Ab- bzw. Umlenken werden in dem Fluid zusätzliche bzw. größere Turbulenzen als in einer herkömmlichen Einspritzvorrichtung erzeugt. Wie sich herausgestellt hat, bewirken zusätzliche bzw. größere Turbulenzen, dass beim Einspritzen des Fluids in den Abgasstrang besonders kleine Fluidtropfen entstehen. Da das Verhältnis zwischen der Oberfläche und dem Volumen eines Tropfens um so größer ist, je kleiner der Tropfen ist, begünstigt eine kleinere Tropfengröße die Reaktion des Fluids.
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In einer Ausführungsform ist das Einspritzloch mit einer Neigung in Bezug auf die Ventilachse in der Ventilplatte ausgebildet. Durch ein geneigt ausgebildetes Einspritzloch kann besonders einfach erreicht werden, dass das Fluid im Betrieb in einer zweiten Strömungsrichtung aus dem Einspritzloch strömt, die eine in Richtung auf die Ventilachse gerichtete Komponente aufweist, und so in der Fluidströmung zusätzliche Turbulenzen erzeugt werden.
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In einer Ausführungsform ist das Einspritzloch in einer Ebene, die orthogonal zur Ventilachse ausgerichtet ist, in einem radialen Abstand von der Ventilachse angeordnet, der größer als der Abstand des Randes der Ventilöffnung von der Ventilachse ist. Ist die Ventilöffnung beispielsweise als Kreis um die Ventilachse ausgebildet, so ist das Einspritzloch in einem Abstand von der Ventilachse angeordnet, der größer als der Radius des Kreises ist, der von der Ventilöffnung beschrieben wird. Durch eine in radialer Richtung außerhalb der Ventilöffnung angeordnete Einspritzöffnung wird das Ab- bzw. Umlenken der Fluidströmung und die daraus resultierende Turbulenzerzeugung noch weiter vergrößert.
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In einer Ausführungsform ist das Einspritzloch so ausgebildet, dass das Fluid in einem Winkel von 3° bis 5° in Bezug auf die Ventilachse einspritzbar ist; insbesondere ist die Längsachse des Einspritzlochs in Bezug auf die Ventilachse um 3° bis 5° geneigt. Eine solche Neigung der Einspritzrichtung gegenüber der Ventilachse ist ausreichend, um zusätzliche Turbulenzen in dem Fluid zu erzeugen, welche kleine Tropfen zur Folge haben, die besser mit den Abgasen reagieren. Einspritzlöcher, die eine Neigung in diesem Winkelbereich aufweisen, können z. B. durch Prägen einfach hergestellt werden.
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In einer Ausführungsform ist das Einspritzloch durch Prägen ausgebildet. Durch Prägen kann das Einspritzloch besonders kostengünstig ausgebildet werden. Insbesondere kann durch die Verwendung eines Prägestempels eine Vielzahl von Einspritzlöchern in einem Arbeitsschritt kostengünstig hergestellt werden.
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In einer Ausführungsform hat das Einspritzloch einen Durchmesser von 50 μm bis 150 μm, insbesondere einen Durchmesser von 100 μm. Einspritzlöcher mit einem Durchmesser in diesem Bereich sind besonders vorteilhaft, um kleine Tropfen auszubilden, welche eine gute Gemischaufbereitung zur Folge haben.
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In einer Ausführungsform weist das Einspritzloch zusätzlich eine Abprägung, insbesondere eine Abprägung mit einem Durchmesser von etwa 200 μm auf, so dass zwischen der Abprägung und dem Einspritzloch eine Stufe ausgebildet ist. Eine solche Abprägung erzeugt zusätzliche Turbulenzen in dem Fluid, wodurch die Größe der Tropfen noch weiter reduziert wird. Vorzugsweise ist die Abprägung auf der Seite des Einspritzlochs ausgebildet, die der Ventilplatte zugewandt ist.
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In einer Ausführungsform ist das Einspritzloch durch Erodieren ausgebildet. Erodieren stellt ein alternatives Verfahren zum Ausbilden von Einspritzlöchern dar, welches die Herstellung von Einspritzlöchern ermöglicht, die eine größere Neigung in Bezug auf die Längsachse der Einspritzvorrichtung als geprägte Einspritzlöcher haben. Alternativ kann das Einspritzloch durch mechanisches Bohren oder Laserbohren hergestellt werden.
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In einer Ausführungsform ist die Ventilöffnung durch ein bewegliches Verschlusselement verschließbar. Dadurch kann das Fluid gezielt durch Öffnen der Ventilöffnung in den Abgasstrang eindosiert werden.
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In einer Ausführungsform ist das Verschlusselement insbesondere in einer Richtung parallel zur Ventilachse zwischen einer geschlossenen Position, in der es die Ventilöffnung verschließt, und einer geöffneten Position, in der es die Ventilöffnung freigibt, bewegbar.
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In einer Ausführungsform weist die Einspritzvorrichtung wenigstens zwei Einspritzlöcher auf, die derart ausgebildet sind, dass aus den Einspritzlöchern austretende Fluidstrahlen aufeinander treffen. Ein Aufeinandertreffen von Fluidstrahlen bewirkt ein Zerfallen der aufeinandertreffenden Tropfen aus den beiden Einspritzlöchern und die Gemischaufbereitung wird noch weiter verbessert. Die Einspritzlöcher können insbesondere so ausgebildet sein, dass die Längsachsen der Einspritzlöcher in Einspritzrichtung aufeinander zulaufen.
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In einer Ausführungsform weist die Einspritzvorrichtung wenigstens drei Einspritzlöcher auf, die insbesondere in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. Derart angeordnete Einspritzlöcher führen zu einer besonders guten Gemischaufbereitung. Insbesondere können die Einspritzlöcher so ausgebildet sein, dass sich die aus den drei Einspritzlöchern austretenden Fluidstrahlen an einem gemeinsamen Punkt treffen. Dies hat besonders kleine Fluidtropfen und eine besonders effektive Gemischaufbereitung zur Folge.
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In einer Ausführungsform hat das Dreieck, an dessen Eckpunkten die Einspritzlöcher angeordnet sind, eine Seitenlänge von 1 mm bis 3 mm, insbesondere von 1,5 mm. Eine derartige Anordnung von Einspritzlöchern hat sich als besonders vorteilhaft zur Gemischaufbereitung erwiesen.
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In einer Ausführungsform ist die Einspritzvorrichtung derart zur Montage an einem Abgasstrang ausgebildet, dass die Ventilachse in einem rechten Winkel zur Strömungsrichtung der Abgase in dem Abgasstrang angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Montage der Einspritzvorrichtung am Abgasstrang.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Einspritzvorrichtung derart ausgebildet, dass sie so an einem Abgasstrang montierbar ist, dass die Ventilachse in einem stumpfen Winkel, d. h. einem Winkel zwischen 90° und 180°, zur Strömungsrichtung der Abgase im Abgasstrang angeordnet ist. Bei einer solchen Montage der Einspritzvorrichtung an dem Abgasstrang ist das Fluid mit einer Komponente, die in Richtung der Strömungsrichtung der Abgase ausgerichtet ist, in den Abgasstrang einspritzbar. Eine solche Einspritzung ist besonders vorteilhaft für die Vermischung des eingespritzten Fluids mit den durch den Abgasstrang strömenden Abgasen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figur näher erläutert.
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Dabei zeigt die Figur einen Schnitt durch einen Bereich einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
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Eine erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 1 hat eine äußere Hülse 2, die z. B. rotationssymmetrisch um eine Längsachse A der Einspritzvorrichtung 1 ausgebildet ist. Die Hülse 2 ist z. B. durch eine Schraub- und/oder Klemmverbindung an einem in der Figur nicht gezeigten Abgasstrang befestigt. Eine rotationssymmetrische Ausbildung der Einspritzvorrichtung 1 um eine Längsachse A ist besonders vorteilhaft, da sie eine einfache Herstellung und Montage der einzelnen Komponenten ermöglicht. Eine solche rotationssymmetrische Ausbildung der Einspritzvorrichtung 1 ist aber nicht erforderlich, um die erfinderische Idee und die mit ihr verbundenen Vorteile zu verwirklichen.
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Innerhalb der Hülse 2 ist eine Ventilplatte 4 mit einer Öffnung 9 ausgebildet, wobei die Öffnung 9 in einer Ebene, die orthogonal zur Längsachse A angeordnet ist, einen kleineren Querschnitt als die Hülse 2 hat. Um die Öffnung 9 ist ein Ventilsitz 5 ausgebildet, der durch eine parallel zur Längsachse A bewegbare Ventilnadel verschließbar und offenbar ist.
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Von der Ventilnadel ist in der Figur nur das kugelförmig ausgebildete und dem Ventilsitz 5 zugewandte Ende 6 gezeigt.
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In der (unteren) Verschlussposition liegt das kugelförmige Ende der Ventilnadel 6 auf dem Ventilsitz 5 auf und schließt diesen fluiddicht ab, sodass kein Fluid aus einem ersten Strömungsbereich 3, der oberhalb der Ventilplatte 4 angeordnet ist, in einen unterhalb des kugelförmigen Endes 6 der Ventilnadel ausgebildeten zweiten Strömungsbereich bzw. Einspritzraum 8 einströmen kann.
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In einer (oberen) geöffneten Position ist das kugelförmige Ende 6 der Ventilnadel vom Ventilsitz 5 abgehoben und Fluid kann durch einen zwischen dem kugelförmigen Ende 6 der Ventilnadel und dem Ventilsitz 5 ausgebildeten Zwischenraum 7 aus dem ersten Strömungsbereich 3 oberhalb der Ventilplatte 4 in den zweiten Strömungsbereich 8 unterhalb der Ventilplatte 4 strömen.
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Der zweite Strömungsbereich 8 wird auf seiner von der Ventilnadel 6 abgewandten und dem nicht gezeigten Abgasstrang zugewandten (in der Figur im unteren Bereich dargestellten) Seite von einer Spritzlochplatte 10 begrenzt, in der wenigstens ein Einspritzloch 12 ausgebildet ist. In dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei in der Spritzlochplatte 10 ausgebildete Einspritzlöcher 12 erkennbar.
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Jedes der beiden gezeigten Einspritzlöcher 12 ist rotationssymmetrisch um eine Spritzlochachse B ausgebildet. Die Einspritzlöcher 12 sind dabei so ausgebildet, dass die Spritzlochachsen B nicht parallel zur Längsachse A der Einspritzvorrichtung 1 bzw. rechtwinklig zur Ebene der Spritzlochplatte 10 angeordnet. Die Spritzlochachsen B sind vielmehr in Bezug auf die Längsachse A der Einspritzvorrichtung 1 geneigt.
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Insbesondere verlaufen die Spritzlochachsen B in Richtung der Fluidströmung, d. h. in der in der Figur gezeigten Darstellung von oben nach unten, auf die Ventilachse A, die auch die Längsachse der Einspritzvorrichtung 1 ist, zu.
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Durch Einspritzlöcher 12, wie sie in der Figur gezeigt sind, wird Fluid, das bei geöffneter Ventilnadel 6 aus dem ersten Strömungsbereich 3 der Einspritzvorrichtung 1 oberhalb der Ventilplatte 4 durch den Zwischenraum 7 zwischen dem unteren Ende der Ventilnadel 6 und dem Ventilsitz 5 in den zweiten Strömungsbereich 8 und von dort weiter durch die Einspritzlöcher 12 in den in der Figur nicht gezeigten Abgasstrang strömt, mehrfach umgelenkt. Jede dieser Richtungsänderungen verursacht jeweils eine Zunahme der Turbulenzen in der Fluidströmung und bewirkt, dass das Fluid beim Einspritzen aus den Einspritzlöchern 12 in den Abgasstrang in besonders kleine Tropfen zerfällt.
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In dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Einspritzlöcher 12 durch Prägen ausgebildet und weisen oberhalb der eigentlichen Einspritzlochbohrung 12b auf der Seite der Spritzlochplatte 10, die der Ventilplatte 4 zugewandt ist, eine sogenannte Abprägung 12a auf. Die Abprägung 12, welche die Spritzlochplatte 10 in ihrer Höhe nicht vollständig durchdringt, hat in einer Ebene, die in einem rechten Winkel zur jeweiligen Einspritzlochachse B angeordnet ist, einen größeren Durchmesser als die eigentliche Einspritzlochbohrung 12b.
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Durch die Abprägung 12a bzw. die zwischen der Abprägung 12a und der Einspritzlochbohrung 12b ausgebildete Stufe wird zusätzliche Turbulenz in der Fluidströmung erzeugt, welche zusätzlich zu der Turbulenz, die durch die Neigung der Spritzlochachsen B erzeugt bzw. verstärkt wird, zur Ausbildung noch kleinerer Tröpfchen des eingespritzten Fluids führt und so die Reaktion des eingespritzten Fluids weiter verbessert.
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Die Erfindung ermöglicht somit bei geringem konstruktivem Aufwand eine verbesserte Gemischaufbereitung, welche eine effektive Reaktion des Fluids mit den Abgasen im Abgasstrang bewirkt. Die Abgasreduktion erfolgt mit erhöhter Effizienz und verringerten Fluidverbrauch.
