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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels in das Abgas einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es ist bekannt, dass der Stickoxidgehalt im Abgas einer Brennkraftmaschine durch eine selektive katalytische Reduktion (SCR) in einem SCR-Katalysator verringert werden kann. Dazu wird dem Abgas eine unmittelbar reduzierend wirkende Substanz wie Ammoniak oder ein Vorprodukt zugeführt, welches erst im Abgas reduzierende Substanzen freisetzt. Als Vorprodukt kann beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung verwendet werden. Ammoniak wird bei der selektiven katalytischen Reduktion mit Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid zu molekularem Stickstoff und Wasser umgewandelt.
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Zu diesem Zweck wird die Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgastrakt eingespritzt. Die dabei eingesetzten Dosiersysteme weisen Parallelen zu den bekannten Kraftstoffeinspritzsystemen auf. Allerdings benötigen die Dosiersysteme keine mechanisch angetriebene Hochdruckpumpe. Der Einspritzdruck wird durch eine elektrisch angetriebene Pumpe erzeugt.
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Bei einer Ausführung eines Dosiersystems sind Pumpe und Düse in einer Einheit integriert; ähnlich wie bei den bekannten Pumpe-Düse-Kraftstoffeinspritzsystemen. Dieses integrierte Dosiermodul (IDM) arbeitet ohne Rücklauf der nicht dosierten Harnstoff-Wasser-Lösung zum Vorratstank. Die Pumpe umfasst einen Kolben oder Stempel, der mit jedem Hub eine definierte Menge des Reduktionsmittels fördert. Angetrieben wird der Stempel durch einen elektromagnetischen Aktuator. Damit ist eine genaue Dosierung des Reduktionsmittels gewährleistet. Die Düse ist ähnlich wie eine nach außen öffnende Kraftstoff-Einspritzdüse, bekannt aus
DE 10 2007 030 711 A1 , aufgebaut. Sie umfasst einen Düsenkörper mit einer als Stufenbohrung ausgeführten Ausnehmung. An einem Ende ist die Ausnehmung als Ventilsitz ausgeführt. In der Ausnehmung ist eine Düsennadel geführt. Die Düsennadel weist an einem Ende einen Ventilkegel auf, der mit dem Ventilsitz dichtend zusammenwirkt.
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An einem dem Ventilkegel gegenüberliegenden Ende der Düsennadel ist eine Anschlagscheibe angeordnet. Eine Düsenfeder ist in der Ausnehmung so angeordnet, dass sie einenends an der Anschlagscheibe anliegt und sich anderenends an einer Ringschulter der Ausnehmung abstützt. Die Düsennadel verfügt weiterhin über in axialer Richtung verlaufende Kanäle, so dass ein Druckausgleich stattfindet und der Flüssigkeitsdruck in einem Hochdruckraum herrschende Druck auch auf den Ventilkegel der Düsennadel wirkt. Dadurch wird die Düsennadel entgegen der schließend wirkenden Federkraft der Düsenfeder axial verschoben, so dass der Ventilkegel „nach außen“ aus dem Ventilsitz gehoben, wenn ein ausreichender Druck im Hochdruckraum herrscht. Damit ist die Düsennadel geöffnet.
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Nachteilig an diesem rücklauffreien integrierten Dosiermodul ist die geringe Schließkraft der Düsennadel, was zu einer Leckage der Düse führen kann. Eine derartige Leckage hat Ablagerungen von Reduktionsmittel an der Düsenspitze zur Folge. Diese Ablagerungen beeinträchtigen die Funktion des Dosiermoduls.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein integriertes Dosiermodul nach Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung gewährleistet ein leckagefreies Schließen der Düse ohne zusätzliche Bauteile. Dabei wird durch konstruktive Anordnung von Niederdruckräumen und Hochdruckräumen, eine so große Düsenschließkraft erzeugt, bzw. an der Düsennadel werden die in Öffnungsrichtung wirkenden Kräfte soweit reduziert, dass die Schließkräfte ein sicheres und leckagefreies Schließen der Düsennadel die Dichtheit der Düse gewährleisten. Weil die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung aus wenigen Bauteilen besteht ist sie einfach und kostengünstig zu fertigen.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Fördermodul einen Pumpenstempel umfasst, der über eine Ausnehmung, zum Beispiel in Form eine Längsbohrung, verfügt. Über diese Ausnehmung ist der Niederdruckraum mit dem Hochdruckraum verbindbar. Wird die Magnetspule bestromt, bewegt sich der Pumpenstempel nach unten. Die Ausnehmung wird dabei von der Kugel eines Rückschlagventils verschlossen. Durch die Verdrängung des im Hochdruckraum befindlichen Reduktionsmittels durch den Pumpenstempel steigt der Druck im Hochdruckraum an bis der Öffnungsdruck der Düse erreicht ist. Das ist dann der Fall, wenn die am Ventilkegel der Düsennadel angreifende Druckkraft die Federkraft der Düsenfeder übersteigt und die Düse öffnet.
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Wird die Stromzufuhr unterbrochen, bewegt eine Magnetventilfeder den Pumpenstempel in seine Ausgangsstellung zurück. Dadurch vergrößert sich das Volumen des Hochdruckraums und der Druck im Hochdruckraum fällt abrupt ab. In Folge dessen wird die Düsennadel von der Schließfeder rasch und sicher geschlossen. Wenn der Druck im Hochdruckraum das Niveau des Niederdruckraums unterschreitet, gibt das Rückschlagventil die Ausnehmung im Pumpenstempel frei und Reduktionsmittel strömt aus dem Niederdruckraum in den Hochdruckraum. Nach erfolgtem Druckausgleich zwischen Hochdruckraum und Niederdruckraum schließt das Rückschlagventil und der Befüllvorgang des Hochdruckraums ist abgeschossen. Auf diese Weise wird ein Fördermodul bereitgestellt, das mit wenigen bewegten Bauteilen auskommt und deshalb kaum verschleißanfällig aber einfach und kostengünstig herstellbar ist und das eine mengengenaue Dosierung sicherstellt.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Rückschlagventil eine Kugel als Ventilglied umfasst. Dadurch wird eine kostengünstige und genau einstellbare Lösung zur hydraulischen Trennung der beiden Druckräume erreicht. Das Rückschlagventil verhindert einen Rückstrom des Reduktionsmittels in den Niederdruckraum durch die Ausnehmung im Pumpenstempel, wenn sich der Pumpenstempel im bestromten Zustand der Magnetspule nach unten bewegt und das Reduktionsmittel verdrängt. Fährt im unbestromten Zustand der Pumpenstempel wieder in seine Ausgangsposition zurück, trennt das Rückschlagventil den Hochdruckraum vom Niederdruckraum, wenn der Hochdruckraum ein, durch die Federschließkraft definiertes Druckniveau erreicht hat und damit der Befüllvorgang des Hochdruckraums abgeschlossen ist.
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Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung sieht weiter vor, dass die nach außen öffnende Düse einen Düsenkörper mit einer Ausnehmung und darin angeordnet eine Düsennadel umfasst. Wobei die Ausnehmung an ihrem dem Abgasstrom zugewandten Ende, als Ventilsitz ausgebildet ist, und die Düsennadel an ihrem, dem Abgasstrom zugewandten Ende, als Ventilkegel ausgebildet ist. Wobei an einem, dem Ventilkegel gegenüberliegenden, Ende der Düsennadel eine Anschlagscheibe angeordnet ist und eine Düsenfeder, die sich an einer Ringschulter der Ausnehmung abstützt, gegen die Anschlagscheibe drückt und dadurch den Ventilkegel von außen in den Ventilsitz zieht. Auf diese Weise wird eine Düse bereitgestellt, deren Verstellweg zur Überführung in eine Offenstellung gering ist. Dadurch können sehr kurze Schaltzeiten realisiert werden und die Dosiergenauigkeit steigt.
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Besonders gut arbeitet die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung, wenn eine Öffnungskraft der Düsennadel so gewählt ist, dass ein Druckniveau in einem Hochdruckraum der Dosiereinheit deutlich über einem Druckniveau in einem Niederdruckraum der Dosiereinheit liegt. Im unbestromten Zustand der Dosiereinheit, kann der Druck im Hochdruckraum auf das Druckniveau des Niederdruckraums abfallen, wenn beispielsweise das Rückschlagventil nicht geschlossen ist. Wird nun die Düsenfeder und/oder der Ventilkegel so dimensioniert, dass zum Öffnen der Düse ein Druckniveau erforderlich ist, welches über dem Druckniveau des Niederdruckraums liegt, so ist die Düse auch im Ruhezustand des Dosiermoduls immer sicher und leckagefrei geschlossen.
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Um ein Wiederbefüllen des integrierten Dosiermoduls zu gewährleisten, ist weiter vorgesehen, die Öffnungskraft der Düsennadel so zu wählen, dass der Öffnungsdruck der Düsennadel kleiner oder gleich dem von einer Vorförderpumpe bei Nullförderung maximal erzeugten Druck ist.
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Bei Nullförderung, dass heißt, wenn die Vorförderpumpe nur einen Druck aufbaut jedoch keine nennenswerte Menge an Reduktionsmittel fördert, dann ist der Druck etwa doppelt so hoch wie der normale Betriebsdruck mit Förderung von Reduktionsmittel. Wenn der Öffnungsdruck der Düsennadel unterhalb dieses Maximaldrucks liegt, dann kann das Dosiermodul auf diese Weise einfach und zuverlässig entlüftet beziehungsweise mit Reduktionsmittel (wieder-)befüllt werden.
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Vorteilhafterweise wird das Druckniveau im Niederdruckraum von der Vorförderpumpe erzeugt. Damit ist sichergestellt, dass der Niederdruckraum und auch der Hochdruckraum immer mit Reduktionsmittel gefüllt sind. Außerdem stellt sich im Ruhezustand des Dosiermoduls ein definiertes Druckniveau im Hochdruckraum ein, so dass die Düse immer sicher und leckagefrei geschlossen ist.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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Es zeigt die einzige Figur ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung.
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Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung 10 im Längsschnitt. Eine Vorförderpumpe 12 versorgt die Dosiervorrichtung 10 mit flüssigem Reduktionsmittel 14. Das flüssige Reduktionsmittel 14, bevorzugt in Wasser gelöster Harnstoff, ist in einem Tank 16 bevorratet.
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Die Dosiervorrichtung 10 umfasst einen Injektorkörper 18 und darin hintereinander angeordnet einen Niederdruckraum 20 und einen Hochdruckraum 24. Der Niederdruckraum 20 ist über einen Hydraulikanschluss 26 mit der Vorförderpumpe 12 verbunden.
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Zwischen Niederdruckraum 20 und Pumpenraum 22 befindet sich ein Fördermodul 28. Das Fördermodul 28 umfasst einen elektromagnetischen Aktuator 30 und einen Pumpenstempel 32. An einem in der Zeichnung oberen Ende des Pumpenstempels 32 ist eine Ankerplatte 34 angebracht. Die Ankerplatte 34 ist Teil des Aktuators 30. Der Aktuator 30 umfasst auch eine Magnethülse 36, die zwischen Ankerplatte 34 und einer Anschlagplatte 35 angeordnet ist. Eine Länge der Magnethülse 36 ist mit dem Bezugszeichen L gekennzeichnet. Der Abstand zwischen Ankerplatte 34 und Anschlagplatte 35 ist mit F bezeichnet. Im unbestromten Zustand des Aktuators 30 drückt eine Magnetventilfeder 38 die Anschlagplatte 35 von unten gegen die Magnethülse 36.
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Der Pumpenstempel 32 ist rohrförmig und weist in seinem Zentrum eine Ausnehmung 76 auf, welche den Niederdruckraum 20 und den Hochdruckraum 24 miteinander verbindet. An dem in der Zeichnung unteren Ende des Pumpenstempels 32 ist ein Rückschlagventil 44 angeordnet. Das zwischen Niederdruckraum 20 und Hochdruckraum 24 angeordnete Rückschlagventil 44 schließt sich, wenn im Hochdruckraum 24 größerer oder gleicher Druck, wie im Niederdruckraum 20 herrscht und verhindert das Rückströmen von flüssigem Reduktionsmittel vom Hochdruckraum 24 in den Niederdruckraum 20. Das Rückschlagventil 44 ermöglicht das Befüllen des Hochdruckraums 24 mit Reduktionsmittel.
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Fährt der Pumpenstempel 32 durch Bestromung des Aktuators 30 nach unten, bis die Ankerplatte an der Magnethülse anliegt, wird die Ausnehmung 76 von einem bevorzugt kugelförmigen Ventilglied 48 des Rückschlagventils 44 verschlossen. Ein Hub des Pumpenstempels 32 ist durch den Abstand F zwischen Ankerplatte 34 und Anschlagplatte 35 einerseits und der Länge L der Magnethülse 36 andererseits festgelegt. Damit ist auch das Fördervolumen des Pumpenstempels 32 festgelegt.
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Das Rückschlagventil 44 ist im Hochdruckraum 24 angeordnet und umfasst eine Rückschlagventilfeder 46, die eine Kugel 48 gegen die Verbindungsbohrung 50 drückt und die Verbindungsbohrung 50 dadurch verschließt. Gestützt wird die Rückschlagventilfeder 46 dabei durch einen Sicherungsring 52, der in eine Nut 54 des Hochdruckraumes 24 eingesetzt ist.
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An einem in der Zeichnung unteren Ende des Injektorkörpers 18 ist eine Düse 55 angeordnet und mit diesem in einer in der Zeichnung nicht dargestellten Art und Weise verbunden.
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Die Düse 55 umfasst einen Düsenkörper 56. Der Düsenkörper 56 verfügt über eine koaxial zu einer Längsachse angeordnete als Stufenbohrung ausgebildete durchgängige Ausnehmung 58. An einem in der Zeichnung unteren Ende ist die Ausnehmung 58 zu einen Ventilsitz 60 ausgebildet. An einem dem Ventilsitz entgegengesetzten Ende verfügt die Ausnehmung 58 über einen oder mehrere Zulaufschlitze 61, die eine hydraulische Verbindung zu dem Hochdruckraum 24 herstellen. Die Ausnehmung 58 ist von einer Düsennadel 62 durchsetzt. An einem in der Figur oberen Ende verfügt die Düsennadel 62 über eine Anschlagscheibe 64.
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An einem der Anschlagscheibe 64 entgegengesetzten Ende der Düsennadel 62 ist ein Ventilkegel 66 ausgeformt. Eine Düsenfeder 68 stützt sich gegen eine Ringschulter 70 des Düsenkörpers 56 und drückt so gegen die Anschlagscheibe 64, dass der Ventilkegel 66 der Düsennadel 62 „von außen“ in den Ventilsitz 60 gezogen wird, so dass die Ausnehmung 58 durch den Ventilkegel 66 und damit auch die Düse 55 verschlossen wird.
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Die Düsennadel 62 weist einen polygonförmigen Abschnitt 72 auf. Der polygonförmige Abschnitt 72 bewirkt, dass bei geschlossener Ausnehmung 58 eine hydraulische Verbindung zwischen Ventilkegel 66 und Hochdruckraum 24 besteht, so dass sich am Ventilkegel 66 der gleiche Druck einstellt wie im Hochdruckraum 24. Ist die Düse 55 geöffnet, liegt die Anschlagscheibe 68 an einer ringförmigen Planfläche 73 an. Die hydraulische Verbindung zum Hochdruckraum 24 ist dabei über den Zulaufschlitz 61 gewährleistet.
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Wird der elektromagnetische Aktuator 30 bestromt, bewegt sich der Pumpenstempel 32 in der Zeichnung nach unten, dann ist das Rückschlagventil 44 geschlossen. Dadurch wird die hydraulische Verbindung zwischen Hochdruckraum 24 und Niederdruckraum 20 unterbrochen. Gleichzeitig erhöht der Pumpenstempel 32 den Druck im Hochdruckraum 24 und der Druck steigt an, bis die auf den Ventilkegel 66 wirkende Druckkraft die Schließkraft der Düsenfeder 68 übersteigt (Öffnungsdruck). Der Ventilkegel 66 wird aus dem Ventilsitz 60 gehoben und das Reduktionsmittel 14 strömt aus.
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Endet die Bestromung des Aktuators 30, bewegt sich der Pumpenstempel 32 wieder in Richtung seiner Ausgangsposition (in der Figur nach oben). Der Druck im Hochdruckraum 24 fällt ab, weil dessen das Volumen zunimmt. Dadurch muss die Düsenfeder 68 die Düsennadel 62 nicht gegen das im Hochdruckraum 24 befindliche Reduktionsmittel schließen. Im Ergebnis wird die Düsennadel 62 rasch und sicher gegen den Ventilsitz 60 gepresst und somit ein leckagefreies schließen der Düsennadel 62 erreicht.
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Sobald der Druck im Hochdruckraum 24 unter den Druck im Niederdruckraum 20 sinkt, öffnet das Rückschlagventil 44 und das Reduktionsmittel 14 strömt durch die Ausnehmung 76 im Pumpenstempel 32 aus dem Niederdruckraum 20 in den Hochdruckraum 24. Die Befüllung des Hochdruckraums 24 endet, wenn die Druckdifferenz zwischen Hochdruckraum 24 und Niederdruckraum 20 ausgeglichen ist und infolgedessen das Rückschlagventil 44 schließt.
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Die zum Ausheben des Ventilkegels 66 aus dem Ventilsitz 60 erforderliche Kraft, muss so gewählt sein, dass das Druckniveau im Hochdruckraum 24 beim Öffnen der Ausnehmung 58 deutlich über dem Druckniveau im Niederdruckraum 20 liegt. Dann ist sichergestellt, dass die Ausnehmung 58 bei nicht bestromten Aktuator 30, mit einer ausreichend großen Schließkraft sicher geschlossen ist.
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Die vom Dosiermodul 10 mit jeder Ansteuerung des Aktuators 30 dosierte Reduktionsmittelvolumen ergibt sich aus einer Differenz zwischen einer oberen Endposition und einer unteren Endposition des Pumpenstempels 32. Die obere Endposition des Pumpenstempels 32 ist festgelegt durch das Aufliegen der Anschlagplatte 35 des Pumpenstempels 32 an der Magnethülse 36. Die untere Endposition bestimmt ein Anschlag der Ankerscheibe 34 an die Magnethülse 36. Der Abstand F zwischen Ankerscheibe 34 und Anschlagplatte 35 sowie eine Länge L der Magnethülse 36 können fertigungstechnisch sehr exakt hergestellt werden. Damit ist ein Fördervolumen des Dosiermoduls 10 unabhängig vom dessen Montagezustand sehr genau bestimmt. Die Hubbewegung der Düsennadel 62 wird über Anschlagsscheibe 64 begrenzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007030711 A1 [0004]