Einspritzvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung, insbesondere eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrang.

Stand der Technik

Bei Kraftwagen mit Verbrennungsmotoren muss aufgrund der verschärften Abgasgesetzgebung u. a. der Schadstoff NO _x reduziert werden. Eine Methode, die dabei vorzugsweise zur Anwendung kommt, ist das sogenannte SCR- Verfahren, bei dem NO _x unter Zuhilfenahme eines Flüssigreduktionsmittels, das insbesondere Harnstoff enthält zu N ₂ und H ₂ 0 reduziert wird.

Das Reduktionsmittel wird dabei von einer Einspritzvorrichtung, die auf dem Pumpe/Düse-Prinzip beruht, aus einem Tank entnommen und in den

Abgasstrang eingedüst.

Eine derartige Einspritzvorrichtung ist z.B. aus EP 1878920 P1 bekannt. Eine solche Einspritzvorrichtung weist einen Kolben auf, der durch einen Elektromagneten so bewegbar ist, dass er das Reduktionsmittel zunächst verdichtet und nach dem Öffnen eines Einspritzventils in den Abgasstrang eindüst. Anschließend wird der Kolben durch eine Feder wieder zurück in seine Ausgangsposition bewegt. Bei dieser Rückbewegung wird durch ein Schlitzventil flüssiges Reduktionsmittel in den Verdichtungsraum eingesaugt.

Um eine zuverlässige Funktion des Schlitzventils zu gewährleisten, müssen dessen Kanten sehr scharfkantig ausgebildet und mit hoher Genauigkeit gearbeitet sein. Die für eine zuverlässige Funktion des Schlitzventils notwendige Schärfe der Kanten birgt die Gefahr von Kolbenfressern. Dies hat negative Auswirkungen auf die Dauerhaltbarkeit und den Verschleiß einer derartigen Einspritzvorrichtung. Offenbarung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einspritzvorrichtung bereitzustellen, die fertigungstechnisch einfach zu realisieren ist und eine hohe Haltbarkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Einspritzvorrichtung nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst.

Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 10 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen einer derartigen erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.

Eine erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung, die insbesondere zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist, hat einen Verdichtungsraum, dessen Volumen durch Bewegen eines Kolbens variierbar ist. Der Kolben hat einen dem Verdichtungsraum zugewandten, verdichtungsraumseitigen Bereich und einen vom Verdichtungsraum abgewandten, ankerseitigen Bereich. Die Einspritzvorrichtung hat darüber hinaus ein Einlassventil mit wenigstens einer offenen Position, in der es eine Fluidverbindung zwischen dem Verdichtungsraum und einer externen Fluidquelle schafft, und wenigstens einer geschlossenen Position, in der das Einlassventil die Fluidverbindung zwischen dem Verdichtungsraum und der externen Fluidquelle unterbricht bzw. trennt. Das Einlassventil ist erfindungsgemäß am ankerseitigen, vom Verdichtungsraum abgewandten Bereich des Kolbens ausgebildet.

Dadurch, dass das Einlassventil am ankerseitigen, vom Verdichtungsraum abgewandten Bereich des Kolbens ausgebildet ist, ist es einfacher herzustellen und robuster, insbesondere gegenüber Kolbenfressern, als am Verdichtungsraum ausgebildete Einlassventile, wie sie in bisher bekannten Einspritzvorrichtungen verwendet werden.

In einer Ausführungsform ist in dem Kolben eine Fluidbohrung ausgebildet, die eine Fluidverbindung zwischen dem Verdichtungsraum und dem Einlassventil schafft. Auf diese Weise kann auf fertigungstechnisch einfache und robuste Weise eine Fluidverbindung zwischen dem Einlassventil und dem Verdichtungsraum geschaffen werden, die es ermöglicht, Fluid durch das am abgewandten Bereich des Kolbens ausgebildete Einlassventil in den Verdichtungsraum einzubringen. In einer Ausführungsform ist der Verdichtungsraum in einer Hülse ausgebildet und das Einlassventil wird durch das Zusammenwirken eines Bereiches der Hülse mit einem ankerseitigen Bereich des Kolbens ausgebildet. Auf diese Weise kann ein sehr robustes und fertigungstechnisch einfach herstellbares Einlassventil geschaffen werden.

In einer Ausführungsform wird das Einlassventil insbesondere durch das

Zusammenwirken einer an der Hülse ausgebildeten Kante mit einer Ventilnut geschaffen, die im ankerseitigen Bereich des Kolbens ausgebildet ist.

In einer Ausführungsform weist der Kolben in seinem verdichtungsraumseitigen Bereich zusätzlich eine verdichtungsraumseitige Nut auf, die insbesondere in Fluidverbindung mit der Fluidbohrung steht. Auf diese Weise kann Fluid in den verdichtungsraumseitigen Umfangsbereich des Kolbens geführt werden, um die Schmierung des Kolbens zu verbessern und das tribologische Verhalten des Kolbens zu optimieren.

In einer Ausführungsform ist am ankerseitigen Bereich des Kolbens eine

Ankerplatte ausgebildet, die von einem Elektromagneten anziehbar ist, um den Kolben zu bewegen. In der Ankerplatte ist wenigstens ein wenigstens teilweise um den Kolben umlaufender Einstich ausgebildet, um das Geräusch, das beim Anschlagen der Ankerplatte gegen die Hülse entsteht, zu reduzieren.

In einer Ausführungsform hat der Kolben wenigstens eine um seinen Umfang umlaufende Nut, die sich wenigstens über die Hälfte der Längserstreckung des Kolbens erstreckt. Auf diese Weise kann die Kontaktfläche zwischen dem Umfang des Kolbens und der den Kolben umgebenden Hülse und damit auch die Reibung zwischen dem Kolben und der Hülse noch weiter reduziert werden.

Alternativ kann der Umfang des Kolbens entlang seiner Längserstreckung ballig ausgebildet sein, so dass der Kolben an seinen beiden längsseitigen Enden einen kleineren Durchmesser als in einem mittleren Bereich zwischen den beiden Enden aufweist. Bei einem ballig ausgebildeten Kolben bilden sich beim Bewegen des Kolbens in der Hülse Druckfelder aus, die den Kolben in der Mitte der Hülse zentrieren, so dass die Reibung zwischen dem Kolben und der Hülse reduziert wird und die tribologischen Eigenschaften weiter verbessert werden. In einer Ausführungsform weist die Einspritzvorrichtung ein z. B. mit einem elastischen Element, insbesondere einer Feder, ausgebildetes Auslassventil auf, das es ermöglicht, dass Fluid aus dem Verdichtungsraum austritt, wenn der Druck des Fluids im Verdichtungsraum einen vorgegebenen Grenzwert, der insbesondere durch die Eigenschaften des elastische Elements definiert ist, überschreitet. Auf diese Weise ist es möglich, das Reduktionsmittel mit einem definierten, insbesondere durch die Eigenschaften des elastische Elements vorgegebenen, Druck in den Abgasstrang einzuspritzen. Figurenbeschreibung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrang; Figur 2 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

Einspritzvorrichtung;

Figur 3 ein erstes alternatives Ausführungsbeispiel eines Kolbens mit verbesserten tribologischen Eigenschaften; und

Figur 4 ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel eines Kolbens mit verbesserten tribologischen Eigenschaften.

Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einspritzen eines Reduktionsmittels 30, insbesondere einer wässrigen

Harnstofflösung, das in einem Tank 26 gespeichert ist, in einen Abgasstrang 22 eines in der Figur 1 nicht gezeigten Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors. Im Betrieb wird das Reduktionsmittel 30 dem Tank 26 entnommen und von einer

Förderpumpe 24 unter einen Druck von 2 bis 3 bar über eine geeignete Fluid- leitung 28 einer unmittelbar am Abgasstrang 22 des Verbrennungsmotors angeordneten Einspritzvorrichtung 20 zugeführt, die das Reduktionsmittel in den Abgasstrang 22 einspritzt, um es den durch den Abgasstrang 22 strömenden Verbrennungsgasen 32 des (nicht gezeigten) Verbrennungsmotors zuzuführen.

Die Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 20.

Die Einspritzvorrichtung 20 weist eine in einem äußeren Gehäuse 1 1 angeordnete Hülse 9 auf, wobei ein vorderes, abgasstrangseitiges Ende 9a der Hülse 9, das in der Figur 2 oben dargestellt ist, aus dem Gehäuse 1 1 hinausragt.

In einem vorderen, abgasstrangseitigen Bereich der Hülse 9 ist ein Verdichtungsraum 16 ausgebildet. Auf der abgasstrangseitigen, in der Figur 2 oben dargestellten Seite des Verdichtungsraumes 16 ist im vorderen Ende 9a der Hülse 9 ein Auslassventil 12 vorgesehen, das sich öffnet, um Fluid aus dem Verdich- tungsraum 16 durch das Auslassventil 12 in den in der Figur 2 nicht gezeigten

Abgasstrang 22 einzuspritzen, wenn der Druck im Verdichtungsraum 16 einen durch die Eigenschaften des Auslassventils 12 vorgegebenen Wert überschreitet.

Auf der dem Auslassventil 12 gegenüberliegenden, in der Figur 2 unten darge- stellten Seite des Verdichtungsraumes 16 ist ein im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeter Kolben 1 angeordnet, der den Verdichtungsraum 16 auf seiner von dem Abgasstrang abgewandten Seite begrenzt und der parallel zu seiner Längsrichtung beweglich ist, so dass das Volumen des Verdichtungsraumes 16 durch Bewegen des Kolbens 1 variierbar ist.

In dem Kolben 1 ist parallel zu seiner Längsrichtung, insbesondere entlang seiner Längsachse A, eine Längsbohrung 4 ausgebildet, wobei eine erste, verdichtungsraumseitige Öffnung 4a der Längsbohrung 4 in der Stirnseite 1 a des Kolbens 1 , die den Verdichtungsraum 16 begrenzt, vorgesehen ist und eine zweite, ankerseitige Öffnung 4b der Längsbohrung 4 über eine Querbohrung 3 in

Fluidverbindung mit einer Umfangsnut 6 steht, die an einem ankerseitigen, vom Verdichtungsraum 16 abgewandten Bereich des Kolbens 1 , der in der Figur 2 unten dargestellt ist, ausgebildet ist. Auf diese Weise schafft die Längsbohrung 4 in Kombination mit der Querbohrung 3 und der Umfangsnut 6 eine Fluidverbin- dung zwischen dem Verdichtungsraum 16 und der ankerseitigen Umgebung des

Kolbens 1 . Auf der von dem Verdichtungsraum 16 abgewandten (unten dargestellten) Seite der Umfangsnut 6 ist der Kolben 1 mit einem umlaufenden Bund 15 ausgebildet, der einen größeren Durchmesser als der Kolben 1 auf der verdichtungsraumseitigen (oben dargestellten) Seite der Umfangsnut 6 hat. Der Bund 15 steht in mechanischer Wirkverbindung mit einem Anker 2, der von einer elektrischen

Spule 13, die um den Kolben 1 und die ihn umgebende Hülse 9 ausgebildet ist, anziehbar ist, um den Kolben 1 in Richtung des Verdichtungsraumes 16 zu bewegen und auf diese Weise das Volumen des Verdichtungsraumes 16 zu reduzieren.

Der Anker 2 ist durch ein elastisches Element, z. B. eine Spiralfeder 19, elastisch auf der den verdichtungsraumseitigen Bereich des Kolbens 1 umgebenden Hülse 9 abgestützt, und wird bei deaktivierter, d.h. nicht bestromter, Spule 13 durch das elastische Element 19 in seine Ausgangsposition (in der Darstellung der Figur 2 nach unten) gedrückt, so dass das Volumen des Verdichtungsraumes 16 maximal ist.

Die Umfangsnut 6 ist so ausgebildet, dass sie sich in der Bewegungsrichtung des Kolbens 1 zumindest teilweise außerhalb der Hülse 9 befindet, wenn der Anker 2 und der Kolben 1 bei deaktivierter Spule 13 in ihrer (unteren) Ausgangsposition

(Saugposition) sind, in der das Volumen des Verdichtungsraumes 16 maximal ist. In dieser Saugposition des Kolbens 1 kann daher Reduktionsmittel, das von der in Figur 1 gezeigten Förderpumpe 24 aus dem Tank 26 in ein den Kolben 1 umgebendes Volumen 10 innerhalb des Gehäuses 1 1 gefördert worden ist, durch die Umfangsnut 6, die Querbohrung 3 und die Längsbohrung 4, die in dem

Kolben 1 ausgebildet sind, in den Verdichtungsraum 16 strömen.

Nachdem der Verdichtungsraum 16 auf diese Weise mit Reduktionsmittel 30 gefüllt worden ist, wird die Einspritzvorrichtung 20 aktiviert, indem die Spule 13 bestromt wird. Die bestromte Spule 13 zieht den Anker 2, der ein magnetisches

Material enthält, magnetisch an und bewegt den Anker 2 und den mit dem Anker 2 verbundenen Kolben 1 in Richtung des Verdichtungsraumes 16 (in der Darstellung der Figur 2 nach oben) in eine Einspritzposition, so dass das Volumen des Verdichtungsraumes 16 reduziert wird.

Sobald die Umfangsnut 6 aufgrund der beschriebenen Bewegung des Kolbens 1 vollständig in die Hülse 9, die den Kolben 1 umgibt, eingetreten ist, verschließt die Hülse 9 die Umfangsnut 6 und die Querbohrung 3, wodurch die Fluidverbin- dung zwischen dem Verdichtungsraum 16 und dem den Kolben 1 umgebenden Volumen 10 innerhalb des Gehäuses 1 1 durch die Hülse 9 unterbrochen wird.

Auf diese Weise wird der Verdichtungsraum 16 abgeschlossen und eine weitere Verringerung seines Volumens durch eine fortgesetzte (Aufwärts-)Bewegung des Kolbens 1 führt zu einem Ansteigen des Fluiddrucks im Verdichtungsraum 16.

Sobald der Fluiddruck im Verdichtungsraum 16 den vorgegebenen Öffnungsdruck des Auslassventils 12 überschreitet, öffnet sich das Auslassventil 12 und das fluide Reduktionsmittel strömt durch das geöffnete Auslassventil 12 aus dem Verdichtungsraum 16 in den das Auslassventil 12 umgebenden Abgasstrang 22. Dabei kann das Auslassventil 12 insbesondere als Düse ausgebildet sein, um eine möglichst feine Verteilung des Reduktionsmittels 30 im Abgasstrang 22 zu erreichen.

Nachdem der Einspritzvorgang abgeschlossen ist, wird die Stromversorgung zur Spule 13 unterbrochen, so dass die Spule 13 den Anker 2 nicht länger magnetisch anzieht, und der Anker 2 und der mit ihm verbundene Kolben 1 durch die Kraft des elastischen Elements 19 zurück in ihre (untere) Ausgangsposition (Saugposition) gedrückt werden. Im Zuge dieser Bewegung des Kolbens 1 in die Saugposition tritt die Umfangsnut 6 wieder aus der Hülse 9 aus, wodurch über die Umfangsnut 6, die Querbohrung 3 und die Längsbohrung 6 erneut eine Fluidverbindung zwischen dem den Kolben 1 umgebenden Volumen 10 im Gehäuse 11 und dem Verdichtungsraum 16 geschaffen wird. Aufgrund der Bewegung des Kolbens 1 nimmt das Volumen des Verdichtungsraumes 16 immer weiter zu und Fluid strömt durch die wieder hergestellte Fluidverbindung in den Verdichtungsraum 16. Sobald der Verdichtungsraum 16 auf diese Weise wieder mit Fluid gefüllt ist, kann durch erneutes Bestromen der Spule 13 ein weiterer Einspritzvorgang, wie er zuvor beschrieben worden ist, durchgeführt werden.

In der vom Anker 2 abgewandten Stirnseite 15a des Bundes 15 des Kolbens 1 , die der ankerseitigen Stirnseite 9b der Hülse 9 zugewandt ist, ist ein umlaufender Einstich 14 ausgebildet. Da das Anschlagen des Bundes 16 an die ankerseitige Stirnseite 9b der Hülse 9 durch Fluid, dass sich in dem Einstich 14 ansammelt, gedämpft bzw. gepuffert wird, bewirkt der Einstich 14, dass das Geräusch, das beim Anschlagen des Bundes 15 an die ankerseitige Stirnseite 9b der Hülse 9 entsteht, reduziert wird. In dem in der Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich in einem in der Figur 2 oben gezeigten, verdichtungsraumseitigen Bereich des Kolbens 1 eine zweite Umfangsnut 5 ausgebildet, die ebenfalls in Fluidverbindung mit der Längsbohrung 4 steht und es ermöglicht, dass Fluid aus der Längsbohrung 4 in den Raum zwischen dem vorderen, dem Verdichtungsraum 16 zugewandten Bereich 1 b des Kolbens 1 und der den Kolben 1 umgebenden Hülse 9 strömt und dort als Schmiermittel wirkt.

Insbesondere kann der vordere Bereich 1 b des Kolbens 1 , der zwischen dem Verdichtungsraum 16 und der zweiten Umfangsnut 5 angeordnet ist, mit einem etwas geringeren Durchmesser als der ankerseitige Bereich 1c des Kolbens 1 ausgebildet sein, so dass durch das durch die zweite Umfangsnut 5 strömende Fluid 5 zwischen dem äußeren Umfang des vordersten Bereichs 1 b des Kolbens 1 und der Innenumfangsfläche der Hülse 9 ein kühlender und/oder schmierender Fluidfilm ausgebildet wird, der die tribologischen Eigenschaften des Kolbens 1 in der Hülse 9 verbessert.

Die Figuren 3 und 4 zeigen jeweils ein mögliches alternatives Ausführungsbeispiel eines Kolbens 1 mit verbesserten tribologischen Eigenschaften.

In dem in der Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Umfang des Kolbens 1 zusätzlich mit einer dritten Umfangsnut 36 ausgebildet, die sich zwischen zwei Vorsprüngen 38 über den größten Teil der Längserstreckung des Kolbens 1 erstreckt.

Durch die dritte Umfangsnut 36 wird die Kontaktfläche zwischen dem Umfang des Kolben 1 und der den Kolben 1 umgebenden Hülse 9 reduziert, wodurch die Reibung zwischen dem Kolben 1 und der Hülse 9 noch weiter verringert wird.

Auch die dritte Umfangsnut 36 kann über eine oder mehrere, in der Figur 3 nicht gezeigte, Querbohrungen mit der Längsbohrung 4 verbunden sein, um auch den Bereich der dritten Umlaufnut 36 mit Fluid als Schmiermittel versorgen zu können.

In dem in der Figur 4 gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel ist die äußere Umfangsfläche des Kolbens 1 ballig ausgebildet, so dass der Kolben 1 in seinem in Längsrichtung mittleren Bereich 42 einen größeren Durchmesser als in den der ersten und der zweiten Umlaufnut 6, 5 benachbarten Bereichen 40 an den beiden längsseitigen Enden des Kolbens 1 hat.

Aufgrund der ballig ausgebildeten Umfangsfläche des Kolbens 1 bilden sich bei der Bewegung des Kolbens 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel innerhalb der

Hülse 9 Druckfelder aus, die den Kolben 1 in der Mitte der Hülse 9 zentrieren, so dass die Reibung zwischen dem Kolben 1 und der ihn umgebenden Hülse 9 noch weiter reduziert wird.