DE102011010641A1

DE102011010641A1 - Injektor für eine Harnstoff-Wasser-Lösung

Info

Publication number: DE102011010641A1
Application number: DE201110010641
Authority: DE
Inventors: Cheikh Diouf
Original assignee: Emitec France SAS
Current assignee: ActBlue France SAS
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2012-08-09
Also published as: JP5934256B2; RU2566208C2; KR101521741B1; WO2012107484A1; KR20130117861A; CN103370507B; CN103370507A; JP2014506648A; US20140034170A1; EP2673483A1; RU2013141033A

Abstract

Injektor (1) für eine Harnstoff-Wasser-Lösung, zumindest aufweisend einen Grundkörper (2) mit einem Anschluss (3) für die Harnstoff-Wasser-Lösung, ein Ventil (4) mit einem Ventilantrieb (5) und eine separate Zugabeleitung (6) für eine Harnstoff-Wasser-Lösung, die sich zumindest teilweise durch den Grundkörper (2) hindurch erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor für eine Harnstoff-Wasser-Lösung, mit der eine Harnstoff-Wasser-Lösung insbesondere zu Abgassystemen eines Kraftfahrzeuges zugegeben werden kann. Der Injektor dient dabei insbesondere zur dosiergenauen Zugabe von Harnstoff-Wasser-Lösung im flüssigen Zustand zum Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei in dem Abgassystem dann das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren) durchgeführt werden kann, so dass im Abgas enthaltene Stickoxide deutlich reduziert werden können.
Es ist bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Injektoren für diesen Anwendungszweck vorgeschlagen worden. Gleichwohl besteht hier insbesondere auch im Hinblick auf die kostengünstige Herstellung eines solchen Injektors für den Automobilbereich Verbesserungsbedarf. Problematisch bei den bisherigen Injektoren ist insbesondere, dass die Injektoren auch geeignet sein müssen, unter Frostbedingungen funktionstüchtig zu bleiben. Hierbei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass die in dem Injektor enthaltene Harnstoff-Wasser-Lösung auch bei üblichen Einsatzbedingungen eines Kraftfahrzeuges gefrieren kann, was zu einer Volumenexpansion der Harnstoff-Wasser-Lösung führt. Diese Volumenexpansion kann wiederholt zu Verstopfungen des Leitungssystems, Fehlfunktionen oder der Zerstörung von Teilkomponenten des Injektors aufgrund des hohen Eisdruckes führen. Außerdem ist bei solchen Injektoren problematisch, dass diese üblicherweise an einer heißen Abgasleitung positioniert sind. Diese zum Teil erheblichen thermischen Belastungen können ebenfalls zu Problemen bei der Förderung bzw. Dosierung von Harnstoff-Wasser-Lösung führen. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine gasförmige Zufuhr des Harnstoffes nach Möglichkeit vermieden werden soll bzw. wenn eine Grenztemperatur der Harnstoff-Wasser-Lösung bei der Zugabe nicht überschritten werden soll. Hierbei ist zu beachten, dass die Harnstoff-Wasser-Lösung bereits bei ca. 110°C verdampft und damit gegebenenfalls eine kontrollierte, exakt dosierte Zugabe der Harnstoff-Wasser-Lösung schwierig ist. Außerdem können sich hierbei unerwünschte und nur schwer wieder beseitigbare Rückstände bilden, die die Zuleitung der Harnstoff-Wasser-Lösung hin zum Abgas behindern können. Insofern stellt sich auch wiederholt das Problem der Kühlung des Injektors.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Injektor für eine Harnstoff-Wasser-Lösung angegeben werden, der kostengünstig herstellbar ist, unanfällig gegen einen Eisdruck der Harnstoff-Wasser-Lösung im Einfrierfall ist, und einen ausreichenden Schutz gegen die hohen Temperaturen des Abgassystems aufweist.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Injektor gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Injektors sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es Ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinan der kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und gibt zusätzliche Ausführungsbeispiele an.
Der Injektor für eine Harnstoff-Wasser-Lösung weist zumindest einen Grundkörper mit einem Anschluss für eine Harnstoff-Wasser-Lösung, ein Ventil mit einem Ventilantrieb und eine separate Zugabeleitung für Harnstoff-Wasser-Lösung auf, die sich zumindest teilweise durch den Grundkörper hindurch erstreckt.
Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird gelegentlich auch als Reduktionsmittel bzw. Reduktionsmittelvorläufer bezeichnet, da die Harnstoff-Wasser-Lösung, nach einer Thermolyse bzw. Hydrolyse, zu Ammoniak umgewandelt wird und dann mit den Stickoxiden im Abgas reagieren kann. Hierbei kommt insbesondere eine 32%ige Harnstoff-Wasser-Lösung in Betracht, die beispielsweise auch unter dem Handelsnamen AdBlue^® im Markt erhältlich ist.
Der Grundkörper ist insbesondere ein metallisches Bauteil, das zum einen mit Bohrungen, Oberflächenvertiefungen, Anlageflächen für das Ventil, einem Kühlsystem und mit Kanälen für die Förderung der Harnstoff-Wasser-Lösung ausgeführt sein kann. Der Grundkörper ist dabei insbesondere ein massiv ausgeführtes Bauteil, das gleichzeitig als Basis bzw. Halterung für das Ventil dient. Auch wenn es grundsätzlich möglich ist, dass der Grundkörper mehrere Ventile und/oder mehrere Anschlüsse für die Harnstoff-Wasser-Lösung aufweist, so ist doch die Ausgestaltung mit einem einzelnen Ventil und einem einzelnen Anschluss bevorzugt. Der Anschluss ist dabei regelmäßig als eine Bohrung im Grundkörper ausgeführt. Da insoweit der Grundkörper zumindest teilweise auch mit der Harnstoff-Wasser-Lösung in Kontakt ist, ist das Material für den Grundkörper und/oder eine Beschichtung an den Kontaktflächen mit der Harnstoff-Wasser-Lösung widerstandsfähig hinsichtlich der Harnstoff-Wasser-Lösung ausgeführt. Der Anschluss ist dabei insbesondere auch so gestaltet, dass gegebenenfalls übliche Anschlussverbindungen hin zu den Leitungen dort integriert bzw. befestigt werden können.
Das Ventil weist regelmäßig ein Ventilelement auf, in dem die Ansaugleitungen und die Dosierstromleitungen ausgebildet sind. Zudem ist gegebenenfalls ein kontrolliert betätigbarer Kolben vorgesehen, der bedarfsgerecht mittels des Ventilantriebs betätigbar ist, so dass insbesondere die Verbindung von den Ansaugleitungen zur Dosierstromleitung bedarfsgerecht (z. B. als Funktion der Zeit) geöffnet und geschlossen werden kann. Zu diesem Zweck kann das Ventil zusätzlich einen Stecker aufweisen, mit dem das Ventil bzw. der Ventilantrieb mit einer Regeleinheit (elektrisch bzw. signalleitend) verbunden ist, die bedarfsgerecht den Betrieb des Ventils und damit des Injektors veranlasst. Besonders ist bevorzugt, dass das Ventil mit dem Ventilantrieb möglichst weit weg von der Zugabestelle für die Harnstoff-Wasser-Lösung ausgeführt ist, also insbesondere auf der der Abgasleitung gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers. Damit ergibt sich insbesondere auch die Position des Anschlusses für die Harnstoff-Wasser-Lösung, die demnach zwischen der Abgasleitung und dem Ventil positioniert ist.
Außerdem ist vorgesehen, dass der Injektor eine separate Zugabeleitung für Harnstoff-Wasser-Lösung hat, die sich zumindest teilweise durch den Grundkörper hindurch erstreckt. Die separate Zuleitung ist demnach insbesondere so gestaltet, dass diese ein separates Bauteil ist, das im Inneren des Grundkörpers aufgenommen ist, bevorzugt vollständig. Die Zugabeleitung ist insbesondere nach Art eines Röhrchens ausgeführt, insbesondere als gradlinig verlaufendes Röhrchen. Hierbei kommt bevorzugt eine metallische Zugabeleitung zum Einsatz, insbesondere aus einem anderen Material als der Grundkörper. Darüber hinaus ist bevorzugt, dass die separate Zugabeleitung zum überwiegenden Anteil beabstandet vom Grundkörper positioniert ist, so dass insbesondere eine Wärmeleitung zwischen der separaten Zugabeleitung und dem Grundkörper minimiert ist. Ganz besonders bevorzugt ist demnach die separate Zugabeleitung mit höchstens 10% ihrer Oberfläche mit dem Grundkörper in Kontakt. Die Zugabeleitung betrifft insbesondere den Abschnitt des Leitungssystems für die Harnstoff-Wasser-Lösung, der dem Ventil nachgeordnet ist, insbesondere bis unmittelbar hin zur Abgabestelle in das Abgassystem. Da gemäß der oben dargestellten Ausführungsvariante, bevorzugt das Ventil auf der einen, der Abgasleitung abgewandten Seite des Grundkörpers angeordnet ist, erstreckt sich somit die Zugabeleitung beispielsweise zentral durch den gesamten Grundkörper hindurch.
Eine solche Ausgestaltung des Injektors führt bereits zu einer erheblichen Verbesserung hinsichtlich der eingangs angeführten Probleme. Zum einen kann so das Ventil vor den hohen Temperaturen des Abgassystems geschützt werden, gleichzeitig wird jedoch auch ein Siedeprozess der Harnstoff-Wasser-Lösung in der separaten Zugabeleitung aufgrund der geringen Wärmeleitung zum Grundkörper reduziert.
Gemäß einer Weiterbildung des Injektors wird auch vorgeschlagen, dass die separate Zugabeleitung in einer Düsenplatte endet. Diese Düsenplatte ist bevorzugt gegenüberliegend zum Ventil stirnseitig an der separaten Zugabeleitung befestigt. Insbesondere bilden die separate Zugabeleitung und die Düsenplatte eine separat entfernbare Einheit. Die Düseplatte zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass diese von Düsenöffnungen durchdrungen ist, die nunmehr mit einem vorgegebnen Düsenstrahlwinkel die Harnstoff-Wasser-Lösung aus der Zugabeleitung in die Abgasleitung einsprühen. Der Düsenstrahlwinkel kann dann insbesondere unter Berücksichtigung der Ausgestaltung der Düse bzw. dem damit erzeugten Sprühkegel eingestellt werden. Die Düsenplatte ist dabei bevorzugt nach Art eines Tellers ausgeführt, wobei insbesondere der die separate Zugabeleitung umgebende Raum bei Anordnung in dem Injektor begrenzt wird, insbesondere hin zum beabstandeten Grundkörper. Außerdem kann die Düsenplatte dazu genutzt werden, eine Verbindung bzw. Fixierung hin zum Injektor auszuführen, die entfernt von der separaten Zugabeleitung positioniert ist, so dass eine exakte Ausrichtung der Zugaberichtung möglich ist. Die Düsenplatte kann auch mit einem Material bereitgestellt werden, das eine geringe Wärmeleitung, (z. B. im Vergleich zum Grundkörper) aufweist, das hochtemperaturbeständig ist (da es gegebenenfalls mit dem Abgas in Kontakt steht) und das gegebenenfalls mit einer Antihaftoberfläche für Harnstoff-Wasser-Lösung ausgeführt ist. Damit ist die Düsenplatte hin zum Abgassystem insbesondere so ausgeführt, dass sich dort verbleibende Tropfen der Harnstoff-Wasser-Lösung nur kurzzeitig halten können. Diese Antihaftbeschichtung verhindert insbesondere eine (nur) teilweise Verdampfung der Harnstoff-Wasser-Lösung und damit die Bildung von unerwünschten Nebenprodukten bzw. Ablagerungen. Bevorzugt hat die Außenfläche der Düsenplatte dabei eine Rauhigkeit kleiner 0,2 mm und/oder eine Titanoxidbeschichtung.
Gemäß einer Weiterbildung dieses Injektors wird auch vorgeschlagen, dass die Düsenplatte zumindest mehrere Düsenöffnungen ausbildet oder ein hervorstehendes Ende der Zugabeleitung bildet. Dabei ist ganz besonders bevorzugt, dass beide Merkmale verwirklicht sind. Hinsichtlich der Anzahl der Düsenöffnungen ist bevorzugt, dass mindestens zwei Düsenöffnungen vorgesehen sind, die Anzahl der Düsenöffnungen aber beispielsweise 5 nicht überschreitet. Ganz besonders bevorzugt ist hierbei, dass die Düsenöffnungen so ausgerichtet bzw. positioniert sind, dass sich die dort austretenden Strahlen von Harnstoff-Wasser-Lösung kreuzen bzw. miteinander kollidieren. Auf diese Weise kann ein besonders vorteilhafter Sprühkegel erzeugt werden. Dabei sind die Düsenöffnungen beispielsweise nach Art von Mikrokanälen durch die Düsenplatte hindurchgebohrt, bevorzugt mittels Laserbohren.
Weiter ist bevorzugt, dass im Einsatz des Injektors Abgas möglichst parallel entlang der Düsenplatte (und den Düsenöffnungen) vorbeiströmen kann. Um hier möglichst alle am Ende des Dosiervorganges noch anhaftenden Tropfen der Harnstoff-Wasser-Lösung zu entfernen, sollte dieser Bereich hervorstehend ausgebildet sein, also insbesondere am weitesten in die Abgasleitung hineinragen. Hierbei ist es ausreichend, wenn der Überstand sehr gering ausgeführt ist, beispielsweise bis maximal 1 mm [Millimeter], insbesondere sogar nur bis 0,5 mm oder bis 0,2 mm. Dieser geringe Überstand hat den Vorteil, dass gleichzeitig die thermische Belastung des Injektors im Bereich der Düsenplatte reduziert wird, insbesondere auch für die daran anschließend ausgebildete separate Zugabeleitung.
Zudem wird als besonders vorteilhaft angesehen, dass der Grundkörper zusätzlich ein Kühlsystem aufweist, welches einen Zulauf und einen Ablauf sowie wenigstens einen Kühlkanal aufweist, der sich durch den Grundkörper hindurch erstreckt und teilweise von der Zugabeleitung durchdrungen ist. Das heißt mit anderen Worten insbesondere, dass der Grundkörper Bohrungen aufweist, die einen Zulauf für Kühlmittel und einen Ablauf für Kühlmittel ausbilden. Dabei ist besonders bevorzugt, dass der Kühlkanal insbesondere entlang eines überwiegenden Abschnittes der separaten Zugabeleitung konzentrisch, also nach Art eines Ringkanals, um die Zugabeleitung ausgeführt ist. Folglich verläuft der Kühlkanal bevorzugt so, dass er ausgehend von dem Zulauf in einen inneren Bereich des Grundkörpers verläuft, dort in einem Bereich zwischen der Zugabeleitung und der Außenwand nach unten bzw. hin zur Seite gegenüberliegend zum Ventil verläuft, dort im Bereich der Zugabestelle bzw. der Düsenplatte wieder zentral nach innen bin zur Zugabeachse geführt wird und dann zumindest teilweise parallel zur Zugabeachse und konzentrisch um die Zugabeleitung herum verläuft, bevor der Kühlkanal schließlich kurz bevor er die Seite mit dem Ventil erreicht, wieder hin zum Ablauf verläuft. Insofern ist das Kühlsystem insbesondere so ausgelegt, dass im Bereich der Zugabeleitung ein Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist, wobei das Kühlmittel hin zum Ventil und die zudosierte Harnstoff-Wasser-Lösung weg vom Ventil strömt. Dabei ist ganz besonders bevorzugt, dass sich der Kühlkanal auch bis hin zur Düsenplatte erstreckt, wobei insbesondere dort der gesamte Umgebungsbereich der separaten Zugabeleitung mit frischen, kühlen Kühlmittel umströmbar ist.
Zudem wird auch als vorteilhaft angesehen, dass der Grundkörper angrenzend zum Ventil ein Reservoir für eine Harnstoff-Wasser-Lösung bildet, wobei das Ventil beweglich zu diesem Reservoir angeordnet ist. Das Reservoir dient dabei insbesondere der Bereitstellung von Harnstoff-Wasser-Lösung für das Ventil. Damit ist das Reservoir insbesondere zwischen dem Ventil und dem Grundkörper ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt ist, dass das Ventil zumindest teilweise in dem Reservoir angeordnet ist, so dass das Reservoir von dem Grundkörper, dem Ventil und Dichtmitteln, insbesondere Ringdichtungen, begrenzt ist. Das Reservoir, in dem während des Betriebes schließlich Harnstoff-Wasser-Lösung für das Ventil bevorratet wird, ist bevorzugt ringförmig ausgebildet. Der zentrale Kreisabschnitt dient insbesondere zur Durchleitung des zudosiserten Anteils der Harnstoff-Wasser-Lösung hin zur separaten Zugabeleitung. Da sich nun in diesem Reservoir regelmäßig Harnstoff-Wasser-Lösung befindet und bei niedrigen Temperaturen gefrieren kann, dehnt sich die Harnstoff-Wasser-Lösung in diesem Reservoir aus. Um hier nun eine Beschädigung des Injektors zu vermeiden, ist das Ventil beweglich zu diesem Reservoir angeordnet. Das heißt insbesondere, dass sich das (gesamte) Ventil vom Grundkörper weg bewegen kann, insbesondere entlang der Zugabeachse. Diese Bewegung, insbesondere Hubbewegung (z. B. bis zu 2 mm, insbesondere größer 1 mm), ist reversibel, das heißt bei einem erneuten Auftauen der Harnstoff-Wasser-Lösung bewegt sich das Ventil in die herkömmliche Position zurück. Damit ist auch gewährleistet, dass das Reservoir während des Betriebes stets die gleiche Menge der Harnstoff-Wasser-Lösung bevorratet.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Grundkörper angrenzend zum Ventil ein Reservoir für eine Harnstoff-Wasser-Lösung bildet, wobei das Ventil mehrere Ansaugleitungen aufweist, die in das Reservoir münden. Hierbei ist bevorzugt, dass mehrere Ansaugleitungen beispielsweise mit einer regelmäßigen Teilung in Umfangsrichtung des Ventils ausgebildet sind, also beispielsweise alle 120° eine Ansaugleitung. Die Ausgestaltung mit mehreren Ansaugleitungen hat den Vorteil, dass der Injektor hinsichtlich der letztendlichen Positionierung zum Abgassystem flexibler einsetzbar ist. Gleichermaßen ist eine Versorgung des Ventils aus dem Reservoir auch dann sichergestellt, wenn der Injektor im Fahrbetrieb beispielsweise Vibrationen, etc. ausgesetzt ist. Je nach Lage bzw. Füllgrad des Reservoirs ist so im Wesentlichen sichergestellt, dass mindestens eine der mehreren Ansaugleitungen in dem Bereich des Reservoirs angeordnet ist, der aktuell Harnstoff-Wasser-Lösung bereitstellt. Dies vergrößert erheblich die Einsatzflexibilität und die Dosiergenauigkeit im Betrieb.
Gemäß einer Weiterbildung des Injektors ist mindestens ein Federelement vorgesehen, dass das Ventil gegen den Grundkörper verspannt. Das Federelement hat insbesondere die Aufgabe, die Hubbewegung bzw. die Bewegung des Ventils gegenüber dem Grundkörper, welche nach der Eisbildung entstanden ist, wieder zurückzuführen. Außerdem kann unter Berücksichtigung des Reservoirs bzw. der Menge der dort bevorrateten Harnstoff-Wasser-Lösung das Federelement so ausgelegt werden, dass es eine Bewegung des Ventils gegenüber dem Reservoir tatsächlich nur bei der Eisbildung gestattet. Das Federelement kann dabei insbesondere zwischen einer Kappe und dem Ventilantrieb angeordnet sein, es ist aber auch möglich, dass beispielsweise eine Kappe über Spannmittel am Grundkörper befestigt wird, wobei dort gegebenenfalls zwischen der Kappe dem Grundkörper bzw. den Spannmitteln Federelemente vorgesehen sind. Die Federelemente können insbesondere als Ringfedern oder Tellerfedern ausgeführt sein.
Darüber hinaus wird als vorteilhaft angesehen, dass ein Sockel mit einer Aufnahme für den Grundkörper vorgesehen ist, wobei in einem Bereich um einen Teil der Zugabeleitung herum eine Luftspaltisolation zwischen Sockel und Grundkörper ausgebildet ist. Der Sockel hat insbesondere die Aufgabe, den Grundkörper zur Abgasleitung auszurichten und dort sicher zu fixieren. Der Sockel ist insbesondere auch metallisch ausgeführt. Die Aufnahme ist dabei insbesondere so gestaltet, dass eine Lageausrichtung des Grundkörpers in dem Sockel realisiert ist. Da der Sockel regelmäßig großflächig an der heißen Abgasanlage befestigt ist, ist der Wärmefluss hin zum Grundkörper zu reduzieren. Aus diesem Grund ist hier vorgeschlagen, dass insbesondere der untere, zur Abgasleitung hin gerichtete Bereich des Grundkörpers wärmeentkoppelt ist. Hierbei ist bevorzugt, einerseits einen unerwünscht hohen Wärmeeintrag von der Abgasleitung hin zur Harnstoff-Wasser-Lösung weitestgehend zu unterbinden (Vermeiden von Kochen) und andererseits eine unerwünscht starke Kühlung der Abgasleitung weitestgehend zu vermeiden (Reduzierung der Gefahr von Ablagerungen an der Innenseite der Abgasleitung). Hierzu ist insbesondere zwischen dem Sockel und dem Grundkörper ein ringförmiger bzw. sogar topfförmiger Hohlraum geschaffen, der eine Luftspaltisolation bildet. Somit ist insbesondere bevorzugt, dass ein Kontakt zwischen Grundkörper und Sockel direkt nur an der der Abgasleitung gegenügerliegenden Seite des Sockels vorgesehen ist. Insbesondere ist auch bevorzugt, dass nur ein Linienkontakt bzw. wiederholte punktförmige Kontakte zwischen der Zugabeleitung bzw. der Düsenplatte und dem Sockel im Abgabebereich der Harnstoff-Wasser-Lösung ausgebildet sind. Gegebenenfalls kann der Spalt zwischen Sockel und Düsenplatte auch durch im Luftspalt angeordnete Dichtungsmittel bzw. Abstandshalter abgedichtet werden.
Nach einer Weiterbildung des Injektors ist in der mindestens einen Luftspaltisolation mindestens ein Abstandshalter vorgesehen. Der Abstandshalter dient insbesondere zur exakten Ausrichtung bzw. zur vereinfachten Montage von Sockel und Grundkörper zueinander. Dieser Abstandshalter kann beispielsweise als Unterlegscheibe, als Metalldichtung, als Federelement oder dergleichen ausgeführt sein. Der Abstandshalter ist insbesondere so ausgestaltet, dass eine Wärmeleitung vom Sockel hin zum Grundkörper möglichst gering ist. Hierbei werden insbesondere Materialien geringerer Wärmeleitfähigkeit und/oder Bauteile mit geringen Kontaktflächen hin zum Sockel und zum Grundkörper vorgesehen. Ganz besonders bevorzugt ist, dass lediglich ein einzelner Abstandshalter vorgesehen ist, der eine Führung für den Grundkörper in der Aufnahme des Sockels bildet.
Zudem wird auch vorgeschlagen, dass der Anschluss für die Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem verschließbaren Ablass ausgeführt ist. Ein solcher Injektor ist regelmäßig einem Förderapparat für Harnstoff-Wasser-Lösung nachgeordnet. Das führt dazu, dass in der Verbindungsleitung von dem Förderapparat (z. B. eine Pumpe) hin zum Injektor und damit auch im Bereich des Anschlusses des Grundkörpers Harnstoff-Wasser-Lösung mit erhöhtem Druck bereitgehalten wird, beispielsweise mit einem Druck von 5 bis 8 bar. Aufgabe des verschließbaren Ablasses ist es nun, diesen Druck an einer vorgegebenen Position entspannen zu können, beispielsweise wenn eine Wartung bzw. ein Austausch des Injektors erforderlich ist. Somit kann insbesondere das im Injektor befindliche, unter Druck stehende Volumen der Harnstoff-Wasser-Lösung entspannt werden und zumindest teilweise durch den Ablass ausfließen. Der Ablass ist insbesondere nach Art einer Stichbohrung hin zum Anschluss ausgebildet und mit einem Stopfen verschlossen, beispielsweise einer dichtenden Schraube.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung aufzeigen, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
1: eine Außenansicht eines Injektors für eine Harnstoff-Wasser-Lösung in einer teilweisen Explosionsdarstellung,
2: eine Schnittdarstellung durch einen Injektor für eine Harnstoff-Wasser-Lösung,
3: eine Schnittdarstellung durch einen Grundkörper und einen Sockel im gefügten Zustand,
4: eine Baueinheit aus separater Zugabeleitung und Düsenplatte,
5: ein Detail aus 4,
6: ein Detail betreffend eine Luftspaltisolation zwischen Sockel und Grundkörper,
7: ein Detail eines Injektors für eine Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem verschließbaren Ablass, und
8: ein Kraftfahrzeug mit einem Abgasnachbehandlungssystem aufweisend einen Injektor für eine Harnstoff-Wasser-Lösung.
1 zeigt perspektivisch und teilweise in einer Explosionsdarstellung eine Ausführungsvariante eines Injektors 1 für eine Harnstoff-Wasser-Lösung. Rechts in 1 ist gestrichelt ein Adapter für Leitungsanschlüsse 28 vorgesehen, wobei die nach oben gerichteten Leitungsanschlüsse beispielsweise die Kühlwasserversorgung bzw. -entsorgung darstellen und der zentrale, gradlinig ausgeführte Leitungsanschluss die Verbindungsleitung für die Harnstoff-Wasser-Lösung darstellt. Diese Leitungsanschlüsse 28 können nun passend an dem Grundkörper 2 des Injektors 1 angeordnet werden, beispielsweise mittels Schrauben, wie das hier dargestellt ist. Dabei münden die Leitungsanschlüsse 28 für das Kühlsystem in dem dafür vorgesehen Zulauf 11 bzw. Ablauf 12. Gegenüberliegend zu dem Leitungsanschluss 28 für die Harnstoff-Wasser-Lösung ist der Anschluss 3 im Grundkörper 2 ausgebildet, insbesondere nach Art einer Bohrung. Der Grundkörper stellt dabei ein Gussteil dar. Um zu verhindern, dass feste Bestandteile in den Injektor 1 eingeleitet werden, ist im Bereich des Anschlusses 3 zudem ein Filter 27 vorgesehen, der insbesondere einen Grobfilter (z. B. Maschenweite größer 100 μm) und einen Feinfilter (z. B. eine Maschenweite kleiner 50 μ) umfasst, also mehrlagig aufgebaut ist. Über diesen Anschluss 3 bzw. den Filter 27 strömt folglich die Harnstoff-Wasser-Lösung in den Injektor 1 ein.
Oberhalb des Grundkörpers 2 ist nun auch das Ventil 4 angedeutet, das hier jedoch unter der Kappe 24 angeordnet ist. Die Kappe 24, in der das Ventil 4 mit dem zugehörigen Stecker 26 untergebracht ist, wird mittels Spannmitteln 25 gegen den Grundkörper 2 vorgespannt. Gegebenenfalls ist auch möglich, dass zwischen den Spannmitteln 25 und der Kappe 24 Federelemente vorgesehen sind, so dass sich insbesondere bei einer Bewegung des Ventils 4 gegebenenfalls auch die Kappe gegenüber den Spannmitteln 25 eine Ausgleichsbewegung, insbesondere nach Art eines Hubes, ausführen kann.
Diese Baueinheit kann nun in einen Sockel 17 eingesetzt werden, der üblicherweise mit der Abgasleitung verbunden ist. Hierfür weist der Sockel 17 eine innere Aufnahme 18 auf, so dass der Grundkörper 2 passgenau und in Umfangsrichtung ausgerichtet zu dem Sockel 17 positioniert ist.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Injektors 1 für eine Harnstoff-Wasser-Lösung. Rechts in 2 ist wiederum der Anschluss 3 für die Harnstoff-Wasser-Lösung dargestellt. Mit schwarzen Pfeilen ist zudem die Strömungsrichtung 30 der Harnstoff-Wasser-Lösung durch den Injektor 1 veranschaulicht. In diesem Anschluss 3 ist wiederum der Filter 27 dargestellt, hierbei weist er eine Krümmung entgegen der Strömungsrichtung 30 auf, was insbesondere deshalb vorteilhaft ist, weil sich gegebenenfalls ankommende feste Bestandteile im außen liegenden Randbereich ablagern und damit den Strömungsfluss zentral nicht behindern. Die gefilterte Harnstoff-Wasser-Lösung strömt dann weiter durch einen verengten Kanalabschnitt bin zum Ventil 4. Der Grundkörper 2 ist dabei so gestaltet, dass zwischen dem in den Grundkörper 2 hineinragenden Ventil 4 und dem Ende des Kanalabschnittes vom Anschluss 3 für die Harnstoff-Wasser-Lösung ein Reservoir 14 ausgebildet ist. Das Reservoir 14 ist hier im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet und wird innen und außen durch Ringdichtungen 35 (O-Ringe) begrenzt bzw. abgedichtet. Das Ventil 4 weist eine Mehrzahl (nämlich 3) Ansaugleitungen 15 auf, mit denen die Harnstoff-Wasser-Lösung angesaugt werden kann. Oberhalb davon ist dann das eigentliche Ventil (mit der Ventilklappe bzw. dem Ventilbolzen) angeordnet, das mittels des Ventilantriebes 5 betätigbar ist. Die Steuersignale bzw. die Stromversorgung für den Ventilantrieb 5 werden dabei über den Stecker 26 zugeführt, der aus der Kappe 24 herausragt. Der Stecker 26 ist somit auch weit von der Abgasleitung entfernt und damit einer geringen thermischen Belastung ausgesetzt. Wird nun das Ventil 4 betätigt, wird der Zugang bin zur Zugabeleitung 6 geöffnet, so dass dann die Harnstoff-Wasser-Lösung mit der vorgegebenen Menge in die Zugabeleitung 6 einströmen kann, bis sie gegenüberliegend wieder aus der Zugabeleitung 6 austritt, insbesondere hin in den Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine. Die separate Zugabeleitung 6 ist dabei bündig an dem Ventil 4 angeordnet, insbesondere umgeben von der inneren Ringdichtung 35. Gegebenenfalls kann eine Schweißverbindung zwischen der separaten Zugabeleitung 6 und dem Grundkörper 2 im Bereich der Kontaktfläche hin zum Ventil 4 ausgebildet sein.
Da sich nunmehr in dem Reservoir 14 Harnstoff-Wasser-Lösung ansammeln kann, besteht die Gefahr, dass sich beim Einfrieren der Harnstoff-Wasser-Lösung ein beachtlicher Druck aufbaut. Zu diesem Zweck ist das Ventil 4 samt dem Ventilantrieb 5 beweglich zum Grundkörper 2 und der Kappe 24 ausgebildet. Steigt der Druck innerhalb des Reservoirs 14 an, ist es möglich, dass das Ventil 4 und der Ventilantrieb 5 eine Verschiebebewegung, insbesondere nach Art eines Hubes 22, ausführen können. Dabei sorgt die äußere Ringdichtung 35 dafür, dass das Reservoir 14 weiterhin dicht ist. Diese Ausgleichsbewegung bzw. der Hub 22 wird über ein Federelement 16 ermöglicht bzw. eingestellt, mit dem das Ventil 4 samt dem Ventilantrieb 5 gegen den Grundkörper 2 vorgespannt ist. Wird der Druck aufgrund der Eisbildung zu groß, bewegt sich das Ventil 4 nach oben, taut die gefrorene Harnstoff-Wasser-Lösung wieder auf und wird der Druck dort geringer, bewegt das Federelement 16 das Ventil 4 wieder nach unten zurück.
Im unteren Bereich des Grundkörpers 2 ist auch das Kühlsystem 10 dargestellt, wobei hier die Kühlmittelflussrichtung 29 durch weiße Pfeile veranschaulicht ist. Dazu strömt das Kühlmittel über den (hier nicht dargestellten) Zulauf in innere Bereiche des Grundkörpers 2 ein, bis es den veranschaulichten bzw. sichtbaren Teil des Kühlkanals 13 erreicht. Wie aus 2 hervorgeht, strömt dabei das Kühlmittel beabstandet von der Zugabeleitung 6 nach unten in Richtung der Abgabestelle bzw. der heißesten Stelle für die Harnstoff-Wasser-Lösung, wird dort (nahezu in entgegen gesetzter Richtung) umgelenkt und strömt dann über den überwiegenden Anteil der separaten Zugabeleitung 6 konzentrisch nach Art eines Mantelstrahles zurück in Richtung des Ventils 4. Kurz bevor das Ventil 4 erreicht wird, verlässt der Kühlkanal 13 die Region um die separate Zugabeleitung 6 und verläuft dann weiter zum (nicht dargestellten) Ablauf. Damit ist, unabhängig von der sonstigen Gestaltung des Injektors, ein Gegenstromwärmetauscher im Inneren des Grundkörpers 2 ausgebildet, der gewährleistet, dass die in der Zugabeleitung 6 befindliche Harnstoff-Wasser-Lösung sicher gekühlt wird und ein Sieden der Harnstoff-Wasser-Lösung unterbunden werden kann. Damit dies auch bis nahezu hin zur Abgabestelle für die Harnstoff-Wasser-Lösung realisiert ist, erstreckt sich der Kühlkanal 13 insbesondere bis hin zu einer Düsenplatte 7, die ein hervorstehendes Ende 9 des Injektors 1 bildet. Damit ist gerade dieser hochtemperaturbelastete Abschnitt sicher kühlbar.
Darüber hinaus ist hier auch der Sockel 17 dargestellt, wobei umlaufend um den Grundkörper 2 bzw. auch die separate Zugabeleitung 6 eine Luftspaltisolation 20 ausgebildet ist. Folglich ist im Bereich 19 nahe der Abgabestelle um die Zugabeleitung 6 herum einerseits ein Kühlmittelmantel und andererseits ein Luftspaltmantel vorgesehen, so dass hier eine aktive und eine passive thermische Isolation in Umfangsrichtung konzentrisch zur Zugabeleitung 6 ausgeführt sind.
3 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung, wobei ein Grundkörper 2 in einen Sockel 17 eingesetzt ist. Die 3 soll insbesondere vergrößert die Luftspaltisolation 20 veranschaulichen. Es ist zu erkennen, dass der Grundkörper 2 tatsächlich nur im Bereich der der Abgasleitung gegenüberliegenden Stirnseite in wärmeleitendem Kontakt ist. Die Luftspaltisolation 20 und der konzentrische Kühlkanal 13 um die zentrale Zugabeachse 31 erstreckt sich somit nahezu über die gesamte Höhe des Sockels 17, jedoch über zumindest über 70% oder sogar über 80% der Höhe der Aufnahme des Sockels 17. Dabei ist die Luftspaltisolation 20 dort am stärksten ausgebildet (z. B. durch einen großen Abstand zwischen Sockel 17 und Grundkörper 2), wo der Sockel 17 nahe der Abgasleitung massiv ausgeführt ist, weil dort eine hohe Wärmekapazität für die Abhitze des Abgassystems bereitgestellt wird. Daher ist genau in diesem Bereich 19 die Luftspaltisolation 20 besonders stark ausgeprägt.
4 veranschaulicht eine Baueinheit aus einer separaten Zugabeleitung 6 für Harnstoff-Wasser-Lösung sowie eine nahe der Abgabestelle, also gegenüberliegend vom nicht dargestellten Ventil, zu positionierende Düsenplatte 7. Die separate Zugabeleitung 6 kann nahe den Stirnseiten mit einer Erweitung 38 ausgeführt sein, beispielsweise um Lagetoleranzen zu kompensieren. Das Leitungsvolumen 32 im Inneren der Zugabeleitung 6 ist nach Möglichkeit gering zu halten, also ist insbesondere ein kleiner Leitungsquerschnitt 33 zu realisieren. Das Leitungsvolumen 32 kann beispielsweise weniger als 100 mm³ bzw. weniger als 60 mm³ umfassen. An einer Stirnseite ist demnach eine einzelne Düsenplatte 7 ausgebildet, die fest mit der Zugabeleitung 6 verbunden (verschweißt) ist. Die Düsenplatte 7 weist dabei eine Vertiefung 49 um den Kontaktbereich mit der Zuleitung 6 auf, wodurch ermöglicht wird, dass das Kühlmittel möglichst nahe der Stirnseite der Zugabeleitung 6 strömen kann. Insbesondere ist so auch möglich, dass eine Kühlung der Düsenöffnungen 8 erfolgt, die stirnseitig der Zugabeleitung 6 in der Düsenplatte 7 ausgebildet sind. Dieses Detail V wird in 5 vergrößert dargestellt.
5 zeigt nun das angesprochene Detail V aus 4. Zu erkennen ist hierbei, dass die Düsenplatte 7 frontal mit der Stirnseite der Zugabeleitung 6 eine Schweißnaht 37 aufweist. Die Schweißnaht 37 kann auch als Punktschweißung ausgeführt sein. Die Düsenplatte 7 sitzt dabei bündig an der Stirnseite der Zugabeleitung 6 an und schließt das Ende der Zugabeleitung auch in Umfangsrichtung ab. Anschließend der hier gezeigten Erweiterung 38 sind dann zwei Düsenöffnungen 8 gezeigt, deren Verlauf geneigt zur Zugabeachse 31 ist. Die Düsenöffnungen 8 sind insbesondere so gestaltet, dass sich ein Düsenstrahlwinkel 36 zwischen beiden ergibt, der bevorzugt kleiner als 20° ist. Dabei sind die Düsenöffnungen 8 bevorzugt so ausgerichtet, dass sich die damit gebildeten Harnstoff-Wasser-Lösung-Strahlen nach Verlassen der Düsenplatte 7 treffen. Mit solchen kollidierenden Strahlen kann ein besonders gutes Sprühbild mit sehr kleinen Tropfen der Harnstoff-Wasser-Lösung erzeugt werden, wodurch eine bessere Verteilung der Harnstoff-Wasser-Lösung im Abgas ermöglicht ist.
6 zeigt ein weiteres Detail eines Injektors 1 für eine Harnstoff-Wasser-Lösung. Gezeigt ist hierbei insbesondere wieder eine Ausführungsvariante einer Luftspaltisolation 20. Um nun gleichermaßen zu gewährleisten, dass der Grundkörper 2 in dem Sockel 17 sicher und bewegungsarm positioniert ist, gleichzeitig aber auch die Wärmeleitung vom Sockel 17 hin zum Grundkörper 2 reduziert ist, ist die Luftspaltisolation 20 mit einem Ablauf 12 ausgebildet. Der Abstandshalter 21 ist hier nach Art eines Metallprofils 39 ausgeführt, das nach Art eines Korbes den Grundkörper 2 aufnimmt. Das Metallprofil ist insbesondere eine Art Federelement, das so gestaltet ist, dass es nur Linienkontakte 40 hin zum Grundkörper 2, bzw. der Düsenplatte 7 einerseits und dem Sockel 17 andererseits realisiert. Die Linienkontakte 40 ermöglichen einerseits eine Ausrichtung des Grundkörpers 2 bzw. der Düsenplatte 7 hin zum Sockel 17 und überwinden aber keine signifikante Wärmeleitung über das Metallprofil 39.
7 zeigt einen weiteren Querschnitt eines Injektors für eine Harnstoff-Wasser-Lösung, wobei hier nur ein unterer Teilbereich veranschaulicht ist. Wiederum ist zentral die den Grundkörper 2 durchdringende separate Zugabeleitung 6 mit der Düsenplatte 7 zu erkennen. In diesem Fall wird die Luftspaltisolation 20 auch dadurch erreicht, dass als Abstandshalter eine Unterlegscheibe 34 vorgesehen ist. Die Unterlegscheibe 34 kann aus einem thermischen Isolator und/oder einem Dichtmaterial bin zur Abgasleitung ausgebildet sein. Damit kann auch eine entsprechende Luftspaltisolation 20 zwischen der Düsenplatte 7 und dem Sockel 17 bis zur Abgabestelle erreicht werden, wo die Düsenplatte 7 den Sockel 17 durchdringt. So kann die Luftspaltlsolation 20 auch im zusammengefügten Zustand von Grundkörper 2 und Sockel 17 über Spannmittel 25 aufrecht erhalten werden.
Im rechten Bereich der 7 ist zudem ein Ablass 23 dargestellt, der eine Verbindung hin zum Anschluss 3 des Grundkörpers 2 für die Harnstoff-Wasser-Lösung erzeugt. Dieser Ablass 23 kann mit einem Stopfen 41, insbesondere einer Gewindeschraube, verschlossen werden. Für die Demontage bzw. Wartung des Injektors kann der Stopfen 41 entfernt werden, so dass sich das im Anschluss 3 befindliche Volumen der Harnstoff-Wasser-Lösung über diesen Ablass 23 entfernen lässt.
8 veranschaulicht nun ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet des Injektors 1 für eine Harnstoff-Wasser-Lösung. Veranschaulicht ist schematisch ein Kraftfahrzeug 50 mit einer Verbrennungskraftmaschine 42, beispielsweise einem Diesel-Motor. Das in der Verbrennungskraftmaschine erzeugte Abgas wird dann in ein Abgassystem 43 überführt, welches mindestens eine Abgasleitung 44 aufweist. Zur Verwirklichung des sogenannten SCR-Verfahrens wird das Abgas zunächst mit Reduktionsmittel, hier Ammoniak, versetzt und dann gemeinsam über eine Abgasbehandlungseinheit 45, insbesondere einen sogenannten SCR-Katalysator, geleitet. Bei entsprechenden Temperaturen des Abgases und einer gezielten Dosierung von Harnstoff-Wasser-Lösung zum Abgas stromaufwärts der Abgasbehandlungseinheit 45 kann dann eine katalytische Umsetzung der im Abgas enthaltenen Stickoxide in der Abgasbehandlungseinheit 45 erfolgen. Der für dieses Verfahren erforderliche Ammoniak wird durch Thermolyse und/oder Hydrolyse, bevorzugt in Anwesenheit von Abgas, aus der Harnstoff-Wasser-Lösung erzeugt. Diese wiederum wird mit dem Injektor 1 bedarfsgerecht zugeführt. Die Harnstoff-Wasser-Lösung lässt sich beispielsweise in einem Tank 46 bevorraten und kann über eine Verbindungsleitung 48 hin zum Injektor 1 mit einem Förderapparat 47, insbesondere umfassend eine Pumpe, gefördert werden. Der Betrieb des Förderapparates 47 und/oder des Injektors 1 kann von einer übergeordneten Kontrolleinheit bedarfsgerecht geregelt werden. Diese kann Messdaten betreffend die Abgaszusammensetzung, die Abgastemperatur und/oder den Zustand der Verbrennungskraftmaschine berücksichtigen. Ebenso kann diese Kontrolleinheit auch Teil einer Motorsteuerung sein.
Damit offenbart die Erfindung einen praktischen, kostengünstig herstellbaren, exakt dosierenden und einfriersicheren Injektor.
Bezugszeichenliste

1: Injektor
2: Grundkörper
3: Anschluss
4: Ventil
5: Ventilantrieb
6: Zugabeleitung
7: Düsenplatte
8: Düsenöffnung
9: Ende
10: Kühlsystem
11: Zulauf
12: Ablauf
13: Kühlkanal
14: Reservoir
15: Ansaugleitungen
16: Federelement
17: Sockel
18: Aufnahme
19: Bereich
20: Luftspaltisolation
21: Abstandshalter
22: Hub
23: Ablass
24: Kappe
25: Spannmittel
26: Stecker
27: Filter
28: Leitungsanschlüsse
29: Kühlmittelflussrichtung
30: Strömungsrichtung
31: Zugabeachse
32: Leitungsvolumen
33: Leitungsquerschnitt
34: Unterlegscheibe
35: Ringdichtung
36: Düsenstrahlwinkel
37: Schweißnaht
38: Erweiterung
39: Metallprofil
40: Linienkontakt
41: Stopfen
42: Verbrennungskraftmaschine
43: Abgassystem
44: Abgasleitung
45: Abgasbehandlungseinheit
46: Tank
47: Förderapparat
48: Verbindungsleitung
49: Vertiefung
50: Kraftfahrzeug

Claims

Injektor (1) für eine Harnstoff-Wasser-Lösung, zumindest aufweisend einen Grundkörper (2) mit einem Anschluss (3) für die Harnstoff-Wasser-Lösung, ein Ventil (4) mit einem Ventilantrieb (5) und eine separate Zugabeleitung (6) für eine Harnstoff-Wasser-Lösung, die sich zumindest teilweise durch den Grundkörper (2) hindurch erstreckt.
Injektor (1) nach Patentanspruch 1, bei dem die separate Zugabeleitung (6) in einer Düsenplatte (7) endet.
Injektor (1) nach dem vorhergehenden Patentanspruch, bei dem die Düsenplatte (7) zumindest mehrere Düsenöffnungen (8) ausbildet oder ein hervorstehendes Ende (9) der Zugabeleitung (6) bildet.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem der Grundkörper (2) zusätzlich ein Kühlsystem (10) aufweist, welches einen Zulauf (11) und einen Ablauf (12) sowie wenigstens einen Kühlkanal (13) aufweist, der sich durch den Grundkörper (2) hindurch erstreckt und teilweise von der Zugabeleitung (6) durchdrungen ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem der Grundkörper (2) angrenzend zum Ventil (4) ein Reservoir (14) für eine Harnstoff-Wasser-Lösung bildet, wobei das Ventil (4) beweglich zu diesem Reservoir (14) angeordnet ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem der Grundkörper (2) angrenzend zum Ventil (4) ein Reservoir (14) für eine Harnstoff-Wasser-Lösung bildet, wobei das Ventil (4) mehrere Ansaugleitungen (15) aufweist, die in das Reservoir (14) münden.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem mindestes ein Federelement (16) vorgesehen ist, dass das Ventil (4) gegen den Grundkörper (2) vorspannt.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem ein Sockel (17) mit einer Aufnahme (18) für den Grundkörper (2) vorgesehen ist, wobei in einem Bereich (19) um einen Teil der Zugabeleitung (6) herum eine Luftspaltisolation (20) zwischen Sockel (17) und Grundkörper (2) ausgebildet ist.
Injektor (1) nach dem vorhergehenden Patentanspruch, bei dem in der Luftspaltisolation (20) mindestens ein Abstandshalter (21) vorgesehen ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem der Anschluss (3) für die Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem verschließbaren Ablass (23) ausgeführt ist.