Title:
Einspritzvorrichtung mit einer Koaxialströmungsstruktur
Document Type and Number:
Kind Code:
B4

Abstract:

Einspritzvorrichtung 16 zum Einspritzen eines Reagens, mit:
einem Gehäuse 212, 402;
einem innerhalb des Gehäuses angeordneten, axial beweglichen Ventilelement 124;
einem innerhalb des Gehäuses 212, 402 angeordneten Elektromagnet 300 mit einer in der Nähe des Ventilelements 124 angeordneten Drahtspule 302, wobei das Ventilelement 124 sich in Antwort auf eine Erregung des Elektromagneten 300 zwischen einer an einem Ventilsitz 130 anliegenden Position und einer vom Ventilsitz 130 abgehobenen Position bezüglich einer Öffnung 118 bewegt; und
einem mit dem Gehäuse 212, 402 verbundenen Verbinder 210, wobei der Verbinder 210 ein Einlassrohr 216, 404 aufweist, das bezüglich eines Rücklaufrohrs 218, 406 konzentrisch ausgerichtet ist und das Rücklaufrohr 218, 406 umgibt, wobei das Einlassrohr 216, 404 dazu geeignet ist, ein unter Druck stehendes Reagens von einer Reagensquelle zu empfangen, wobei das Rücklaufrohr 218, 406 dazu geeignet ist, das Reagens zur Quelle zurückzuleiten.





Inventors:
Thomas, Stephen M., Mich. (Laingsburg, US)
Lowry, John, Mich. (Brooklyn, US)
Grant, Eric, Mich. (Ypsilanti, US)
Rodrigues, Roshan, Mich. (Dexter, US)
Hammer, David, Mich. (Tecumseh, US)
Otto, Christopher, Mich. (Belleville, US)
Application Number:
DE112013002372T
Publication Date:
02/01/2018
Filing Date:
04/24/2013
Assignee:
Tenneco Automotive Operating Company Inc. (Ill., Lake Forest, US)
International Classes:
F01N3/28; B05B1/02; F01N3/36
Foreign References:
200901790872009-07-16
201101921402011-08-11
Attorney, Agent or Firm:
Michalski Hüttermann & Partner Patentanwälte mbB, 40221, Düsseldorf, DE
Claims:
1. Einspritzvorrichtung 16 zum Einspritzen eines Reagens, mit:
einem Gehäuse 212, 402;
einem innerhalb des Gehäuses angeordneten, axial beweglichen Ventilelement 124;
einem innerhalb des Gehäuses 212, 402 angeordneten Elektromagnet 300 mit einer in der Nähe des Ventilelements 124 angeordneten Drahtspule 302, wobei das Ventilelement 124 sich in Antwort auf eine Erregung des Elektromagneten 300 zwischen einer an einem Ventilsitz 130 anliegenden Position und einer vom Ventilsitz 130 abgehobenen Position bezüglich einer Öffnung 118 bewegt; und
einem mit dem Gehäuse 212, 402 verbundenen Verbinder 210, wobei der Verbinder 210 ein Einlassrohr 216, 404 aufweist, das bezüglich eines Rücklaufrohrs 218, 406 konzentrisch ausgerichtet ist und das Rücklaufrohr 218, 406 umgibt, wobei das Einlassrohr 216, 404 dazu geeignet ist, ein unter Druck stehendes Reagens von einer Reagensquelle zu empfangen, wobei das Rücklaufrohr 218, 406 dazu geeignet ist, das Reagens zur Quelle zurückzuleiten.

2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verbinder 210 mehrere Stege 408 aufweist, die das Einlassrohr 216, 404 und das Rücklaufrohr 218, 406 miteinander verbinden.

3. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Stege 408 an der Innenseite des Einlassrohrs 216, 404 angeordnet sind und sich zwischen dem Einlass- 216, 404 und dem Rücklaufrohr 218, 406 radial erstrecken.

4. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 3, wobei Abschnitte des Einlass- 216, 404 und des Rücklaufrohrs 218, 406 sich senkrecht zu einer Achse erstrecken, um die das Ventilelement 124 sich bewegt.

5. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Reagens in eine erste Richtung durch das Einlassrohr 216, 404 und gleichzeitig in eine entgegengesetzte zweite Richtung durch das Rücklaufrohr 218, 406 strömt, wenn das Ventilelement 124 sich in der am Ventilsitz 130 anliegenden Position befindet.

6. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einem stabförmigen Element 164 mit einem mit dem Rücklaufrohr 218, 406 kommunizierenden Innenkanal.

7. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 6, ferner mit einem im Gehäuse 212, 402 angeordneten unteren Körper 80, wobei der untere Körper 80 mehrere entlang des Umfangs beabstandete Vorsprünge 84, 88 aufweist, die mindestens teilweise Strömungskanäle 90 definieren, wobei die Strömungskanäle 90 mit dem Einlassrohr 216, 404 in Fluidkommunikation stehen.

8. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der untere Körper 80 einen sich radial erstreckenden Kanal 86 aufweist, über den eine Fluidverbindung zwischen einem der Strömungskanäle 90 und dem Rücklaufrohr 218, 406 hergestellt wird.

9. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Ventilelement 124 einen sich durch das Ventilelement 124 erstreckenden Kanal 152 aufweist, der den sich radial erstreckenden Kanal 86 und den im stabförmigen Element 164 ausgebildeten Kanal verbindet.

10. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der sich radial erstreckende Kanal 86 über den im stabförmigen Element 164 ausgebildeten Kanal und den im Ventilelement 124 ausgebildeten Kanal mit dem Rücklaufrohr 218, 406 in Fluidverbindung steht.

11. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der untere Körper 80 mehrere schräge Verwirbelungsschlitze 100 zum Lenken eines Reagens zu einer in der Nähe der Öffnung 118 angeordneten Verwirbelungskammer 102 aufweist.

12. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Verwirbelungsschlitze 100 mit den Strömungskanälen 90 kommunizieren.

13. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der untere Körper 80 eine Bohrung 82 zum Aufnehmen des Ventilelements 124 aufweist.

14. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Ventilelement 124 einen an einem Zapfen 126 montierten magnetischen Zapfenkopf 142 aufweist, wobei die Bohrung 82 einen Abschnitt mit erweitertem Durchmesser aufweist, der dafür dimensioniert ist, den Zapfenkopf 142 zu führen und den Zapfen 126 mit der Öffnung auszurichten.

15. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Reagens vom Einlassrohr 216, 404 um den unteren Körper 80 herum und anschließend durch den unteren Körper 80 strömt, um in das Rücklaufrohr 218, 406 einzutreten.

16. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 6, ferner mit einer im Gehäuse 212, 402 angeordneten Kupplung 174 zum Herstellen einer Fluidverbindung zwischen dem im stabförmigen Element 164 ausgebildeten Kanal 90 und dem Rücklaufrohr 218, 406, wobei das Reagens vom Einlassrohr 216, 404 um die Kupplung 174 herum und anschließend durch die Kupplung 174 strömt, um in das Rücklaufrohr 218, 406 einzutreten.

17. Einspritzvorrichtung 16 zum Einspritzen eines Reagens, mit:
einem Gehäuse 212, 402;
einem im Gehäuse 212, 402 angeordneten, axial beweglichen Ventilelement 124;
einem im Gehäuse 212, 402 angeordneten Elektromagnet 300, so dass das Ventilelement 124 sich in Antwort auf eine Erregung des Elektromagneten 300 zwischen einer an einem Ventilsitz 130 anliegenden Position und einer vom Ventilsitz 130 abgehobenen Position bezüglich einer Öffnung 118 bewegt;
einem mit dem Gehäuse 212, 402 verbundenen Verbinder 210, wobei der Verbinder 210 ein mit einem Rücklaufrohr 218, 406 konzentrisch ausgerichtetes Einlassrohr 216, 404 aufweist, wobei das Einlassrohr 216, 404 dazu geeignet ist, ein unter Druck stehendes Reagens von einer Reagensquelle zu empfangen, wobei das Rücklaufrohr 218, 406 dazu geeignet ist, das Reagens zur Quelle zurückzuleiten; und
einem innerhalb des Gehäuses 212, 404 angeordneten Innenkörper 80, wobei der Innenkörper 80 und das Gehäuse 212, 404 mindestens teilweise einen Strömungspfad für ein dazwischen strömendes Reagens definieren, wobei der Innenkörper 80 einen Umgehungskanal und mehrere Verwirbelungsschlitze 100 aufweist, wobei das Reagens vom Einlassrohr 216, 404 über den Strömungspfad und den Umgehungskanal zum Rücklaufrohr 218, 406 strömt, wenn das Ventilelement 124 am Ventilsitz 130 anliegt, und ein Teil des Reagens vom Einlassrohr 216, 404 über den Strömungspfad, durch die Verwirbelungsschlitze 100 und aus der Öffnung 118 heraus strömt, wenn das Ventilelement 124 sich in der vom Ventilsitz 130 abgehobenen Position befindet.

18. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Verbinder 210 mehrere Stege 408 aufweist, die das Einlassrohr 216, 404 mit dem Rücklaufrohr 218, 406 verbinden.

19. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Stege 408 an der Innenseite des Einlassrohrs 216, 404 angeordnet sind und sich zwischen dem Einlassrohr 216, 404 und dem Rücklaufrohr 218, 406 radial erstrecken.

20. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Einlassrohr 216, 404, das Rücklaufrohr 218, 406 und die Stege 408 Abschnitte eines monolithischen Verbinders 402 aufweisen.

21. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 17, ferner mit einem stabförmigen Element 164 mit einem mit dem Rücklaufrohr 218, 406 kommunizierenden Innenkanal.

22. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 21, wobei das Ventilelement 124 einen Kanal 152 aufweist, der den im unteren Körper 80 ausgebildeten Umgehungskanal und den im stabförmigen Element 164 ausgebildeten Kanal verbindet.

23. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 22, ferner mit einer im Gehäuse 212, 402 angeordneten Kupplung 174, die eine Fluidverbindung zwischen dem im stabförmigen Element 164 ausgebildeten Kanal und dem Rücklaufrohr 218, 406 herstellt, wobei das Reagens vom Einlassrohr 216, 404 um die Kupplung 174 herum und anschließend durch die Kupplung 174 strömt, um in das Rücklaufrohr 218, 406 einzutreten.

24. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Rücklaufrohr 218, 406 vom Einlassrohr 216, 404 hervorsteht.

Description:
ERFINDUNGSGEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft Einspritzsysteme und insbesondere ein Einspritzsystem zum Einspritzen eines Reagens, wie beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung, in einen Abgasstrom zum Reduzieren von Stickoxid(NOx)emissionen in einem Dieselmotorabgas.

HINTERGRUND

Dieser Abschnitt enthält mit der vorliegenden Erfindung in Beziehung stehende Hintergrundinformationen, die nicht unbedingt den Stand der Technik darstellt. Magergemisch(Lean-Burn)motoren haben eine verbesserte Kraftstoffeffizienz durch einen Betrieb mit übermäßigem Sauerstoff, d. h. mit einer Sauerstoffmenge, die größer ist als die für eine vollständige Verbrennung des verfügbaren Kraftstoffs erforderliche Menge. Man sagt, dass derartige Motoren im ”Magerbetrieb” laufen oder mit einem ”Magergemisch” betrieben werden. Diese verbesserte oder erhöhte Kraftstoffeffizienz wird jedoch im Gegensatz zur Nicht-Magergemischverbrennung durch unerwünschte Schadstoffemissionen, insbesondere in der Form von Stickoxiden (NOx), kompensiert.

Ein zum Reduzieren von NOx-Emissionen von Magergemisch-Verbrennungsmotoren verwendetes Verfahren ist als selektive katalytische Reduktion (SCR) bekannt. Die selektive katalytische Reduktion (SCR) beinhaltet, wenn sie beispielsweise zum Reduzieren von NOx-Emissionen eines Dieselmotors verwendet wird, das Einspritzen eines zerstäubten Reagens in den Abgasstrom des Motors in Abhängigkeit von einem oder mehreren ausgewählten Motorbetriebsparametern, z. B. der Abgastemperatur, der Motordrehzahl oder der Motorlast, die durch den Motorkraftstoffdurchsatz, den Turboboost-Druck oder den Abgas-NOx-Massendurchsatz gemessen werden.

Das Reagens/Abgas-Gemisch wird durch einen Reaktor geleitet, der einen Katalysator enthält, wie beispielsweise Aktivkohle oder Metalle, wie beispielsweise Platin, Vanadium oder Wolfram, der dazu geeignet ist, die NOx-Konzentration bei Vorhandensein eines Reagens zu reduzieren.

Es ist bekannt, dass eine wässrige Harnstofflösung ein effektives Reagens in SCR-Systemen für Dieselmotoren ist. Die Verwendung einer wässrigen Harnstofflösung beinhaltet jedoch viele Nachteile. Harnstoff ist hochgradig korrosiv und kann mechanische Komponenten des SCR-Systems, wie beispielsweise die zum Einspritzen des Harnstoffgemischs in den Abgasstrom verwendeten Einspritzvorrichtungen, nachteilig beeinflussen. Harnstoff kann sich außerdem verfestigen, wenn er für länger Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt ist, z. B. den in Dieselabgassystemen auftretenden Temperaturen. Verfestigter Harnstoff wird sich in engen Durchlässen und Austrittsöffnungen ansammeln, die typischerweise in Einspritzvorrichtungen ausgebildet sind. Verfestigter Harnstoff kann außerdem eine Verkrustung beweglicher Teile der Einspritzvorrichtung verursachen und jegliche Öffnungen oder Harnstoffströmungskanäle verstopfen, so dass die Einspritzvorrichtung unbrauchbar wird.

Einige Reagenseinspritzsysteme sind derart konfiguriert, dass sie eine Pumpe, eine Zufuhrleitung und eine Rücklaufleitung aufweisen, so dass wässriger Harnstoff kontinuierlich gepumpt wird, um eine Verfestigung zu minimieren und außerdem Wärme von der Einspritzvorrichtung zum an einer abgesetzten Stelle gespeicherten wässrigen Harnstoff zu übertragen. Typischerweise weist eine Einspritzvorrichtung einen mit der Zufuhrleitung verbundenen Einlass und einen davon beabstandeten, mit der Rücklaufleitung verbundenen Auslass auf. Obwohl derart konfigurierte Einspritzvorrichtungen in der Vergangenheit zufriedenstellend funktioniert haben, können in Verbindung mit der Bereitstellung und Verwendung von mehr als einer Reagenzströmungsleitung Packungs- und Kostenprobleme auftreten. Weitere Betrachtungen beinhalten die Einfachheit der Installation, die Gleichmäßigkeit des Reagenzdurchsatzes und mögliche Vorteile hinsichtlich des Versatzes des Reagenseinlasses derart, dass er weiter von der Wärmequelle entfernt ist. Daher kann es wünschenswert sein, ein verbessertes Einspritzsystem mit einer Reagenseinspritzvorrichtung mit einer Zufuh- und einer Rücklaufleitung bereitzustellen, die koaxial angeordnet sind.

US 2011/0192140 A1 offenbart einen Reagenzinjektor mit einer Patronenauslegung einen Körper mit einem Reagenzeinlass, einem Auslass und einer Drallkammer, der eine Austrittsöffnung aufweist, die durch einen festen, beweglichen Zapfen abgedeckt und abgedeckt werden kann. Reagenz fließt durch den Injektor, wenn die Austrittsöffnung abgedeckt und freigelegt wird, um den Injektor zu kühlen. Ein Isolator kann zwischen dem Injektorkörper und einem Befestigungsflansch angeordnet sein, der mit einem Abgassystem verbindbar ist. Ein Strömungsweg sorgt für die Kühlung eines elektromagnetischen Stellglieds. Reagenz kann eine Düsenwirbelkammer umgehen, wenn der Zapfen die Austrittsöffnung blockiert. Fluid kann zwischen einem Außendurchmesser eines Polstücks und einem Innendurchmesser eines elektromagnetischen Stellglieds durch eine Öffnungskammer fließen und durch eine zentrale Bohrung zurückkehren, die einen massiven Zapfen umgibt, um den Fluid fließen kann. Verschiedene innere Injektorkörperdurchgänge können Fluid in eine Öffnungsverteilungskammer und in den festen Zapfen führen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Reagenz in einen Abgasstrom bereitzustellen.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Kurzbeschreibung der Erfindung und soll nicht ihren vollen Umfang oder alle ihre Merkmale umfassend beschreiben.

Eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Reagens weist ein in einem Gehäuse angeordnetes, axial bewegliches Ventilelement auf. Ein Elektromagnet ist innerhalb des Gehäuses angeordnet und weist eine in der Nähe des Ventilelements angeordnete Drahtspule auf, so dass das Ventilelement sich in Antwort auf eine Erregung des Elektromagneten zwischen einer an einem Ventilsitz anliegenden Position und einer vom Ventilsitz abgehobenen Position bezüglich einer Öffnung bewegt. Ein mit dem Gehäuse verbundener Verbinder weist ein Einlassrohr auf, das bezüglich eines Rücklaufrohrs konzentrisch ausgerichtet ist und das Rücklaufrohr umgibt. Das Einlassrohr ist dazu geeignet, ein unter Druck stehendes Reagens von einer Reagensquelle zu empfangen. Das Rücklaufrohr ist dazu geeignet, Reagens zur Reagensquelle zurückzuführen.

Eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Reagens weist ein in einem Gehäuse angeordnetes, axial bewegliches Ventilelement auf. Ein Elektromagnet ist innerhalb des Gehäuses angeordnet, so dass das Ventilelement sich in Antwort auf eine Erregung des Elektromagneten zwischen einer an einem Ventilsitz anliegenden Position und einer vom Ventilsitz abgehobenen Position bezüglich einer Öffnung bewegt.

Ein Verbinder ist mit dem Gehäuse verbunden und weist ein bezüglich eines Rücklaufrohrs konzentrisch ausgerichtetes Einlassrohr auf. Das Einlassrohr ist dazu geeignet, ein unter Druck stehendes Reagens von einer Reagensquelle zu empfangen. Das Rücklaufrohr ist dazu geeignet, Reagens zur Reagensquelle zurückzuleiten. Ein Innenkörper ist innerhalb des Gehäuses angeordnet, um mindestens teilweise einen Strömungspfad für das Reagens zu definieren, so dass das Reagens zwischen dem Innenkörper und dem Gehäuse strömen kann. Der Innenkörper weist einen Umgehungskanal und mehrere Verwirbelungsschlitze auf. Reagens strömt vom Einlassrohr durch den Strömungspfad und den Umgehungskanal zum Rücklaufrohr, wenn das Ventilelement sich in der am Ventilsitz anliegenden Position befindet. Ein Teil des Reagens strömt vom Einlassrohr durch den Strömungskanal, durch die Verwirbelungsschlitze und aus der Öffnung heraus, wenn das Ventilelement sich in der vom Ventilsitz abgehobenen Position befindet.

Weitere Anwendungsgebiete werden anhand der hierin dargestellten Beschreibung deutlich. Die Beschreibung und spezifische Beispiele in dieser Kurzbeschreibung dienen lediglich zur Erläuterung und sollen den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich zur Erläuterung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken.

1 zeigt eine schematische Ansicht zum Darstellen eines exemplarischen Abgasnachbehandlungssystems mit einer elektromagnetisch gesteuerten Reagenseinspritzvorrichtung, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;

2 zeigt eine perspektivische Ansicht der elektromagnetisch gesteuerten Reagenseinspritzvorrichtung;

3 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht der Reagenseinspritzvorrichtung;

4 zeigt eine Querschnittansicht durch die in den 2 und 3 dargestellte Einspritzvorrichtung;

5 zeigt eine andere Querschnittansicht durch die in den 2 und 3 dargestellte Einspritzvorrichtung;

6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines unteren Innenkörpers der Einspritzvorrichtung;

7 zeigt eine andere perspektivische Ansicht des unteren Innenkörpers der Einspritzvorrichtung;

8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines anderen Verbinders; und

9 zeigt eine Querschnittansicht durch den in 8 dargestellten anderen Verbinder.

Sich entsprechende Bezugszeichen in den mehreren Ansichten der Zeichnungen bezeichnen sich entsprechende Teile.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Nachstehend werden exemplarische Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.

Es wird darauf hingewiesen, dass, obgleich die vorliegenden Lehren in Verbindung mit Dieselmotoren und mit der Reduktion von NOx-Emissionen beschrieben werden, die vorliegenden Lehren auch in Verbindung mit einem beliebigen anderen Abgasstrom anwendbar ist, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, mit dem Abgasstrom einer Diesel-, Benzin-, Turbinen-, Brennstoffzellen-, Strahl- oder einer beliebigen anderen Antriebsquelle, die einen Abgasstrom ausstößt. Außerdem können die vorliegenden Lehren in Verbindung mit der Reduktion einer beliebigen von mehreren unerwünschten Emissionen verwendet werden. Beispielsweise ist die Einspritzung von Kohlenwasserstoffen für die Regeneration von Dieselpartikelfiltern ebenfalls innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung eingeschlossen. Für eine nähere Beschreibung wird die Aufmerksamkeit auf die am 21. November 2008 eingereichte US-Patentanmeldung Nr. 2009/0179087A1 des gleichen Anmelders mit dem Titel ”Method And Apparatus For Injecting Atomized Fluids” gerichtet.

Gemäß den Figuren wird ein Schadstoffregelungssystem 8 zum Reduzieren von NOx-Emissionen vom Abgas eines Verbrennungsmotors 21 bereitgestellt. in 1 zeigen durchgezogene Linien zwischen den Elementen des Systems Fluidleitungen für ein Reagens, und gestrichelte Linien zeigen elektrische Verbindungen. Das erfindungsgemäße System kann einen Reagensbehälter 10 zum Speichern eines Reagens und ein Zufuhrmodul 12 zum Zuführen des Reagens vom Behälter 10 aufweisen. Das Reagens kann eine Harnstofflösung, ein Kohlenwasserstoff, ein Alkylester, ein Alkohol, eine organische Verbindung, Wasser oder dergleichen oder eine Mischung oder Kombination davon sein. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass im System ein oder mehrere Reagenzien bereitgestellt und einzeln oder in Kombination verwendet werden können. Der Behälter 10 und das Zufuhrmodul 12 können ein integriertes Reagensbehälter/Zufuhrmodul bilden. Außerdem werden ein elektronischer Einspritzcontroller 14, eine Reagenseinspritzvorrichtung 16 und ein Abgassystem 18 als Teil des Systems 8 bereitgestellt. Das Abgassystem 18 weist eine Abgasleitung 19 auf, die mindestens einem Katalysatorbett 17 einen Abgasstrom zuführt.

Das Zufuhrmodul 12 kann eine Pumpe aufweisen, die ein Reagens vom Behälter 10 über eine Zufuhrleitung 9 zuführt. Der Reagensbehälter 10 kann aus Polypropylen, epoxidbeschichtetem Kohlenstoffstahl, PVC oder Edelstahl hergestellt und entsprechend der Anwendung dimensioniert sein (z. B. gemäß der Fahrzeuggröße, dem Verwendungszweck des Fahrzeugs und dergleichen). Es kann ein Druckregler (nicht dargestellt) zum Halten des Systems bei einem vorgegebenen Druck-Sollwert (z. B. bei relativ niedrigen Drücken von etwa 0,41–0,55 mPas (60–80 PSI), oder in einigen Ausführungsformen bei einem Druck von etwa 0,41–1,03 mPas (60–150 PSI)) bereitgestellt und in der Rücklaufleitung 35 von der Reagenseinspritzvorrichtung 16 angeordnet werden. In der zur Reagenseinspritzvorrichtung 16 führenden Zufuhrleitung 9 kann ein Drucksensor angeordnet sein. Das System kann außerdem verschiedene Gefrierschutzstrategien zum Auftauen von gefrorenem Reagens oder zum Verhindern des Einfrierens des Reagens aufweisen. Während des Systembetriebs kann, unabhängig davon, ob die Einspritzvorrichtung Reagens in das Abgas freisetzt oder nicht, ein Reagens ununterbrochen zwischen dem Behälter 10 und der Reagenseinspritzvorrichtung 16 zirkulieren, um die Einspritzvorrichtung zu kühlen und die Verweilzeit des Reagens in der Einspritzvorrichtung zu minimieren, so dass das Reagens kühl bleibt. Eine ununterbrochene Reagenszirkulation kann für temperaturempfindliche Reagenzien, wie beispielsweise wässrigen Harnstoff, erforderlich sein, die dazu neigen, sich zu verfestigen, wenn sie erhöhten Temperaturen von 300°C bis 650°C ausgesetzt sind, wie sie in einem Motorabgassystem auftreten würden.

Außerdem kann es wünschenswert sein, das Reagensgemisch bei einer Temperatur von weniger als 140°C zu halten und vorzugsweise in einem unteren Betriebsbereich bei einer Temperatur zwischen 5°C und 95°C zu halten, um sicherzustellen, dass eine Verfestigung des Reagens verhindert wird. Wenn zugelassen würde, dass sich verfestigtes Reagens bilden kann, kann dieses die beweglichen Teile und Öffnungen der Einspritzvorrichtung verkrusten.

Die erforderliche Reagensmenge kann mit der Last, der Abgastemperatur, dem Abgasdurchsatz, dem Motorkraftstoffeinspritzzeitpunkt, der gewünschten NOx-Reduktion, dem Barometerdruck, der relativen Feuchtigkeit, der AGR-Rate und der Motorkühlmitteltemperatur variieren. Ein NOx-Sensor oder ein NOx-Messgerät 25 ist stromabwärts vom Katalysatorbett 17 angeordnet. Der NOx-Sensor 25 ist betreibbar, um einer Motorsteuereinheit 27 ein den NOx-Anteil im Abgas anzeigendes Signal zuzuführen. Alle oder einige der Motorbetriebsparameter können dem elektronischen Reagenseinspritzcontroller 14 von der Motorsteuereinheit 27 über den Motor/Fahrzeugdatenbus zugeführt werden. Der elektronische Reagenseinspritzcontroller 14 könnte auch Teil der Motorsteuereinheit (Motor-ECU) 27 sein. Die Abgastemperatur, der Abgasdurchsatz und der Abgasrückdruck und andere Fahrzeugbetriebsparameter können durch entsprechende Sensoren gemessen werden.

Nachstehend wird die Reagenseinspritzvorrichtung 16 unter Bezug auf die 27 näher beschrieben. Die Reagenseinspritzvorrichtung 16 weist eine Außenkörperanordnung 50 mit einem oberen Außenkörperabschnitt 52 und einem unteren Außenkörperabschnitt 54 auf. Der untere Außenkörperabschnitt 54 kann durch Schweißen oder durch ein mechanisches Befestigungsverfahren am oberen Außenkörperabschnitt 52 befestigt sein. An der Außenkörperanordnung 50 kann ein Montageflansch 56 zum Verbinden der Einspritzvorrichtung 16 mit einer Leitung 19 befestigt sein. Eine Unterlegscheibe 57 ist zwischen dem Montageflansch 56 und der Außenkörperanordnung 50 angeordnet.

Eine Fluidmanschettenanordnung 58 ist als eine dreiteilige Anordnung mit einem ersten Flussüberleitungsring 60 und einem zweiten Flussüberleitungsring 62 dargestellt, die durch ein Flussunterbrecherelement 64 verbunden sind. Die Fluidmanschettenanordnung 58 ist als ein längliches Hohlzylinderelement geformt, das derart dimensioniert und angeordnet ist, dass es sich durch die Außenkörperanordnung 50 erstreckt. Der erste Flussüberleitungsring 60 weist eine Senkung 66 auf, die derart dimensioniert ist, dass sie einen Stufenabschnitt mit reduziertem Außendurchmesser des Flussunterbrecherelements 64 aufnimmt. Das Flussunterbrecherelement 64 weist eine Senkung 68 auf, die derart dimensioniert ist, dass sie mit einem Abschnitt 70 mit reduziertem Außendurchmesser des zweiten Flussüberleitungsrings 62 zusammenwirkt. Der erste Flussüberleitungsring 60 weist einen Abschnitt 72 mit reduziertem Außendurchmesser auf, der mit einer im oberen Außenkörperabschnitt 52 ausgebildeten Aufnahme 74 zusammenwirkt.

Ein länglicher unterer Innenkörper 80 kann in der Fluidmanschettenanordnung 58 aufgenommen sein. Der längliche untere Innenkörper 80 weist eine längliche Durchgangsbohrung 82 auf. Mehrere entlang des Umfangs beabstandete obere Vorsprünge 84 erstrecken sich von einem Zylinderabschnitt 86 radial nach außen. Mehrere entlang des Umfangs beabstandete untere Vorsprünge 88 erstrecken sich vom Zylinderabschnitt 86 radial nach außen. Die Zwischenräume zwischen den oberen Vorsprüngen 84 und zwischen den unteren Vorsprüngen 88 sind miteinander ausgerichtet, um mehrere sich axial erstreckende Strömungskanäle oder Strömungspfade 90 zu definieren. Mehrere entlang des Umfangs beabstandete Öffnungen 94 erstrecken sich radial durch den länglichen unteren Innenkörper 80 und verbinden die Strömungskanäle 90 mit der Bohrung 82. Ein Flansch 96 erstreckt sich vom Zylinderabschnitt 86 an einem Ende des länglichen unteren Innenkörpers 80 radial nach außen. Mehrere Verwirbelungsschlitze 100 erstrecken sich durch den Flansch 96 und enden an einem Innenvolumen oder an einer Verwirbelungskammer 102. Die Verwirbelungsschlitze 100 sind derart angeordnet, dass sie die Verwirbelungskammer 102 tangential schneiden. Die Verwirbelungsschlitze 100 stehen in Fluidkommunikation mit den Strömungskanälen.

Eine Drosselscheibe 110 ist an der Fluidmanschettenanordnung 58 befestigt und steht mit dem unteren Innenkörper 80 in Eingriff. Die Drosselscheibe 110 weist einen erhöhten Mittelnabenabschnitt 112 auf, der in einer im unteren Innenkörper 80 ausgebildeten Vertiefung 114 aufgenommen ist. Eine Oberfläche 116 des Mittelnabenabschnitts 112 definiert einen Abschnitt der Verwirbelungskammer 102. Eine Öffnung 118 erstreckt sich durch die Drosselscheibe 110 und steht in Fluidkommunikation mit der Verwirbelungskammer 102.

Ein Ventilelement 124 ist in der Bohrung 82 gleitend angeordnet. Das Ventilelement 124 weist einen länglichen Zapfen 126 mit einem konisch geformten ersten Ende 128 und einem gegenüberliegenden zweiten Ende 129 auf. Das erste Ende 128 kann mit einem Ventilsitz 130 der Drosselscheibe 110 selektiv in Eingriff gebracht werden, um eine abgedichtete und geschlossene Position des Ventilelements 124 zu definieren, wenn dieses am Ventilsitz anliegt. Eine vom Ventilsitz abgehobene, offene Position wird erhalten, wenn der Zapfen 126 vom Ventilsitz 130 beabstandet ist. Der Ventilsitz 130 umschließt die Öffnung 118. Der Ventilsitz kann konisch oder kegelförmig ausgebildet sein, wie dargestellt, so dass er dem konischen Ende 128 des Zapfens 126 angepasst ist, um den Reagensdurchsatz durch die Öffnung 118 zu begrenzen. In Abhängigkeit von der Anwendung und der Betriebsumgebung können der Zapfen 126 und die Drosselscheibe 110 aus einem Karbidmaterial hergestellt sein, durch das eine geeignete Leistungsfähigkeit erhalten werden kann und das einfacher und kosteneffizienter herstellbar ist. Außerdem können Einschränkungen oder Nachteile vermieden werden, die in Verbindung mit anderen Materialien auftreten, wie beispielsweise bei der Herstellung komplexer Teileformen. Karbid kann zusätzliche Vorteile bieten, beispielsweise ist dieses Material im Gegensatz zu Kohlenstoffstählen und Werkzeugstählen, bei denen die durch Tempern erhaltenen Eigenschaften verloren gehen können, unempfindlich bezüglich Schweißtemperaturen, die im Bereich von 870–980°C liegen können. Karbid kann außerdem im Vergleich zur durch die meisten anderen Stähle erzielbaren Härte eine größere Oberflächenhärte bereitstellen. Karbid kann außerdem hinsichtlich der gesamten Verschleißfestigkeit vorteilhaft sein.

Ein Zapfenkopf 142 ist am zweiten Ende 129 des Zapfens 126 befestigt. Der Zapfenkopf 142 ist in der Bohrung 82 gleitend angeordnet. Durch eine Running-Class-Slip-Fit-Passung zwischen dem Zapfenkopf 142 und der Bohrung 82 wird eine obere Führung für das Ventilelement 124 bereitgestellt. Eine untere Ventilelementführung ist an der Gleitgrenzfläche zwischen dem Zapfen 126 und einem Abschnitt 146 mit reduziertem Durchmesser der Bohrung 82 ausgebildet. Basierend auf dieser Anordnung wird das Ventilelement 124 mit dem Ventilsitz 130 und der Öffnung 118 exakt ausgerichtet.

Mehrere entlang des Umfangs voneinander beabstandete und sich radial erstreckende Öffnungen 150 erstrecken sich durch den Zapfen 126. Ein sich in der Längsrichtung erstreckendes Sackloch 152 erstreckt sich vom zweiten Ende 126 in eine Fluidkommunikation mit den Öffnungen 150. Wenn der Zapfen 126 sich in der geschlossenen oder am Ventilsitz anliegenden Position befindet, sind die Öffnungen 150 in Fluidkommunikation mit den Öffnungen 94 ausgerichtet, um einen Teil eines Reagensrücklaufkanals zu bilden.

Ein stabförmiges Element 164 weist ein erstes Ende 166 mit einem größeren Durchmesser auf, das dafür dimensioniert ist, in der Bohrung 82 aufgenommen zu werden. Das erste Ende 166 des stabförmigen Elements 164 wird beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen am unteren Innenkörper 80 befestigt. Ein gegenüberliegendes zweites Ende 168 mit kleinerem Durchmesser des stabförmigen Elements 164 ist in eine in einer Kupplung 174 ausgebildeten Bohrung 172 abdichtend eingepasst. Eine Dichtung 176 ist in einer Nut 178 der Kupplung 174 angeordnet. Das längliche stabförmige Element 164 weist eine sich durch das Element erstreckende Mittelbohrung 184 auf. Die Mittelbohrung 184 ist mit der Bohrung 152 und mit der Bohrung 172 koaxial ausgerichtet. Eine Öffnung 186 ist in der Mittelbohrung 184 am zweiten Ende 168 des stabförmigen Elements 164 angeordnet. Eine Senkung 188 erstreckt sich vom zweiten Ende 168 des stabförmigen Elements 164 nach innen. Eine Druckfeder 194 ist innerhalb der Senkung 188 angeordnet und steht mit dem Zapfenkopf 142 in einem vorgespannten Zustand in Eingriff, um das Ventilelement 124 in Eingriff mit dem Ventilsitz 130 zu zwingen.

Ein Rohr 200 weist ein innerhalb des ersten Flussüberleitungsrings 60 angeordnetes und daran befestigtes erstes Ende 202 auf. Das erste Ende 202 liegt an entlang des Umfangs beabstandeten Anschlägen 204 an, die sich vom unteren Innenkörper 80 axial erstrecken. Das Rohr 200 weist außerdem einen sich radial nach außen erweiternden Abschnitt 206 und ein zweites Ende 208 auf.

Ein Koaxialverbinder 210 weist ein Gehäuse 212 mit einem erweiterten Muffenteil 214 an einem Ende und einem integral ausgebildeten Einlassrohr 216 am gegenüberliegenden Ende auf. Ein Rücklaufrohr 218 erstreckt sich durch das Einlassrohr 216 und macht eine 90°-Kurve innerhalb des Gehäuses 212. Ein erstes Ende 220 des Rücklaufrohrs 218 erstreckt sich über ein Anschlussende des Einlassrohrs 216 hinaus. Ein zweites, gegenüberliegendes Ende 222 des Rücklaufrohrs 218 steht mit einer mit einem Widerhaken versehenen Außenfläche 224 der Kupplung 174 in Eingriff.

Ein Halteelement 230 und eine Klemme 232 wirken mit dem Muffenteil 214 zusammen, um das Gehäuse 212 entfernbar am Rohr zu befestigen. Insbesondere wird ein zylinderförmiger Führungsring 234 des Halteelements 230 in einer Stufenbohrung 236 des Gehäuses 212 aufgenommen. Ein Abschnitt 206 des Rohrs 200 steht mit einem Steg 238 des Halteelements 230 in Eingriff. Die Klemme 232 hält den Abschnitt 206 gegen den Steg 238. Ein Stutzen 242 steht vom Halteelement 232 radial nach außen hervor und bringt das Muffenteil 214 in einen Schnappverbindungseingriff, indem er durch eine Öffnung 244 hervorsteht und mit einer Fläche 246 in Eingriff kommt. Die Klemme 232 wird in Querrichtung durch eine sich durch das Muffenteil 214 erstreckende Öffnung 250 eingesetzt. Schenkel 252 erstrecken sich durch sich durch das Halteelement 230 erstreckende Öffnungen 254, um eine Relativbewegung zwischen dem Gehäuse 212, dem Halteelement 230 und der Klemme 232 zu begrenzen. Ein Abstandselement 260 ist innerhalb des Gehäuses 212 angeordnet, um einen Pfad für ein durch das Einlassrohr 216 strömendes Reagens bereitzustellen. Ein Käfig 262 ist innerhalb des Rohrs 200 angeordnet, um einen Einlassfilter (nicht dargestellt) darin zu halten.

Eine Elektromagnetanordnung 300 ist innerhalb der Außenkörperanordnung 50 angeordnet, wie in den Figuren dargestellt ist. Die Elektromagnetanordnung 300 weist eine um einen Spulenkörper 304 gewickelte Drahtspule 302 auf. Der Zapfenkopf 142 ist aus einem magnetischen Material hergestellt, wie beispielsweise Edelstahl der Güteklasse 430, so dass durch eine elektrische Erregung der Spule 302 ein Magnetfeld erzeugt wird, das den Zapfenkopf 142 zum stabförmigen Element 164 hin zwingt. Wenn die Spule 302 erregt ist, kommt ein erstes Ende 128 des Zapfens 126 vom Ventilsitz 130 außer Eingriff, wodurch ermöglicht wird, dass ein Reagens durch die Öffnung 118 strömen kann. Der Spule 302 kann beispielsweise in Antwort auf ein Signal vom elektronischen Einspritzcontroller 14 Strom über eine Steckerbuchse 311 zugeführt werden.

Die Flussüberleitungsringe 60 und 62 sind aus ferritischem Edelstahl der Güteklasse 430 hergestellt. Das stabförmige Element 164 ist aus ferritischem Edelstahl der Güteklasse 430 oder aus einem ähnlichen magnetischen Material hergestellt. Der Zapfenkopf 142 kann aus ferritischem Edelstahl der Güteklasse 430 hergestellt sein. Das Flussunterbrecherelement 64 ist genauso wie der untere Innenkörper 80 aus nicht-ferritischem und unmagnetischem Edelstahl der Güteklasse 304 hergestellt. Durch Konstruieren der vorstehend beschriebenen Komponenten aus magnetischen und unmagnetischen Materialien sowie durch Anordnen der magnetischen Materialien nahe benachbart zueinander wird die mit der Elektromagnetanordnung 300 in Beziehung stehende Leistungsfähigkeit der magnetischen Schaltung wesentlich verbessert. Vorteile können die Verwendung eines kleineren Spulendrahtes, einer geringeren Anzahl von Drahtwicklungen und eines geringeren elektrischen Stroms zum Bereitstellen eines verbesserten und kostengünstigeren elektromagnetischen Aktuators mit einer verminderten Größe und Masse beinhalten. Außerdem wird eine verbesserte Steuerung bezüglich der Position des Ventilelements 124 realisiert.

Ein geschlossener Reagensfluidkreislauf wird bereitgestellt, wenn der Zapfen 126 der Reagenseinspritzvorrichtung 16 sich in der geschlossenen Position befindet. Ein Reagens wird vom Reagensbehälter 10 über das Zufuhrmodul 12 dem Einlassrohr 216 über einen Einlasskanal 320 des Doppelkanalverbinders 210 zugeführt, der das Zufuhrmodul 12 und die Einspritzvorrichtung 16 miteinander verbindet. Es wird in Betracht gezogen, dass der Einlasskanal 320 sich innerhalb des Einlassrohrs 216 und entlang einer Außenfläche des Rücklaufrohrs 218 koaxial erstreckt. Ein Rücklaufkanal 322 ist im Inneren des Rücklaufrohrs 218 angeordnet. Ein der Reagenseinspritzvorrichtung 16 zugeführtes Reagens strömt durch den zwischen dem Einlassrohr 216 und dem Rücklaufrohr 218 ausgebildeten Einlasskanal 320. Das Reagens strömt weiter am Abstandselement 260 vorbei. Ein Kanal ist zwischen dem Rohr 200 und der Kupplung 174 ausgebildet, so dass das Reagens den Kanal durchströmen kann. Das Reagens strömt in den Figuren betrachtet nach unten durch den Filterkäfig 262 zur Öffnung 118 hin. Das unter Druck stehende Reagens strömt weiter durch Strömungspfade 90 entlang einer Innenfläche der Fluidmanschettenanordnung 58 und um den unteren Innenkörper 80 herum. Das zugeführte Reagens strömt im Wesentlichen zum Boden der Fluidmanschettenanordnung 58 und durchströmt die Verwirbelungsschlitze 100, um in die Verwirbelungskammer 102 einzutreten. Wenn der Zapfen 126 am Ventilsitz anliegt, strömt kein Reagens durch die Öffnung 118. Das Reagens strömt durch die Öffnungen 94 des unteren Innenkörpers 80 und durch die Öffnungen 150 des Zapfens 126, um in die Längsbohrung 152 einzutreten. Der Zapfenkopf 142 weist eine Öffnung 330 auf, die die Längsbohrung 152 in Fluidkommunikation mit der Mittelöffnung 184 des Rücklauffluidkanals anordnet. Das entlang des Rücklaufpfades strömende Reagens durchläuft die Öffnung 186 und die Bohrung 172 der Kupplung 174. Wie vorstehend erwähnt wurde, ist das Rücklaufrohr 218 an der Kupplung 174 befestigt. Wenn kein Reagens in das Abgassystem eingespritzt wird, wird das Reagens kontinuierlich gepumpt, so dass es an der Spule 302 vorbei und durch den Zapfen 126 strömt, um Wärme von der Drosselscheibe 110 und vom Zapfen 126 zum strömenden Reagens zu übertragen.

Wenn der Elektromagnet 300 erregt ist, wird der Zapfen 126 vom Ventilsitz 130 weg bewegt. Das mit den Verwirbelungsschlitzen 100 kommunizierende, unter Druck stehende Reagens durchströmt jeden der Verwirbelungsschlitze, um in die Verwirbelungskammer 102 einzutreten. Basierend auf der Druckdifferenz zwischen der Öffnung 118 und den Verwirbelungsschlitzen 100 sowie auf der tangentialen Beziehung zwischen den Verwirbelungsschlitzen 100 und der Verwirbelungskammer 102 wird eine Wirbelbewegung des Reagens erzeugt. Der niedrige Druck an der Öffnung 118 in Kombination mit dem unter Druck stehenden Reagens, das sich auf eine wirbelnde oder kreisförmige Weise bewegt, erzeugt einen aus der Öffnung 118 austretenden, fein zerstäubten Sprühnebel. Das Reagens, das nicht aus der Öffnung 118 austritt, wird weiter in Umlauf gehalten, wie vorstehend beschrieben wurde.

Die 8 und 9 zeigen einen durch das Bezugszeichen 400 bezeichneten, anderen Koaxialverbinder. Der Koaxialverbinder 400 weist ein monolithisches, einteiliges Gehäuse 402 auf. Das Gehäuse 402 weist einen Einlassrohrabschnitt 404 und einen Rücklaufrohrabschnitt 406 auf. Mehrere sich radial erstreckende Stegelemente 408 halten den Rücklaufrohrabschnitt 406 innerhalb des Einlassrohrabschnitts 404. Ein Einlasskanal 410 erstreckt sich zwischen einer Innenfläche des Einlassrohrabschnitts 404 und einer Außenfläche des Rücklaufrohrabschnitts 406. Ein Rücklaufkanal 412 erstreckt sich von einem Nippel 414 des Rücklaufrohrabschnitts 406. Eine Dichtungsnut 416 ist auf einer Außenfläche des Rücklaufrohrabschnitts 406 ausgebildet. Auf eine ähnliche Weise ist eine Dichtungsnut 418 auf einer Außenfläche des Einlassrohrabschnitts 404 ausgebildet. Sowohl der Einlassrohrabschnitt 404, als auch der Rücklaufrohrabschnitt 406 sind mit Widerhaken versehen, um eine sichere Schlauchverbindung bereitzustellen.

Ein Muffenabschnitt 420 des Koaxialverbinders 400 ist derart dimensioniert und geformt, dass er ein Ende des Rohrs 200 oder einen ähnlichen Abschnitt der Einspritzvorrichtung 16 aufnimmt. Der Rücklaufrohrabschnitt 406 macht eine 90°-Biegung und endet an einem offenen Ende 422. Außerdem wird durch den Koaxialverbinder 400 eine Fluidverbindung, wie die vorstehend beschriebene, zwischen dem zweiten Ende 222 der Kupplung 174 und dem Rücklaufrohr 218 bereitgestellt. Eine Auslassöffnung 424 ist am Ende des Einlasskanals 410 angeordnet, um der Öffnung 118 das unter Druck stehende Reagens zuzuführen, wie vorstehend beschrieben wurde. Es wird darauf hingewiesen, dass die übrigen Komponenten der Einspritzvorrichtung 16 innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung in Kombination mit einem anderen Koaxialverbinder 400 verwendet werden können.

In der vorstehenden Diskussion wurden lediglich exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben. Für Fachleute ist anhand dieser Diskussion und anhand der beigefügten Zeichnungen und Ansprüche ersichtlich, dass innerhalb des durch die beigefügten Ansprüche definierten Schutzumfangs der Erfindung verschiedene Änderungen, Modifikationen und Varianten möglich sind.