耐热的还原剂喷射喷嘴的制作方法

本发明还涉及一种用于将还原剂喷入内燃机的废气流中以便选择性催化还原的还原剂计量系统(Reduktionsmitteldosiersystem)，具有至少一个输送泵，借助所述输送泵将还原剂储箱中的还原剂经由抽吸管路从储箱中吸出，经由至少一条压力管路进行输送，并经由至少一个喷嘴引入内燃机的废气流中，其中计量系统具有压缩空气供给部(Druckluftversorgung)且还原剂借助压缩空气在喷嘴外部被雾化。

所述类型的喷射喷嘴已公知且被用于计量系统以便向燃烧动力机械的废气流中喷射还原剂，例如尿素溶液，特别是根据DIN 70070的尿素溶液，以进行选择性催化还原。

术语还原剂计量系统或计量系统在本发明中被同义使用。术语还原剂溶液或还原剂包括各种适合用于选择性催化还原的还原剂，在此优先使用根据DIN 70070的尿素溶液。但本发明并非局限于此。

使用用于选择性催化还原的催化剂，即所谓的SCR催化剂(英文：selective catalyic reduction，缩写：SCR)来降低柴油发动机、燃烧设备、垃圾焚化设备、工业设备等的氮氧化物排放。为此使用计量装置向排气系统喷入还原剂。用作还原剂的是氨或氨溶液或其它的还原剂。

由于车辆中携带氨不安全，因此特别根据DIN 70070标准使用尿素浓度通常为32.5％的尿素水溶液。当温度超过150摄氏度时，废气中的尿素分解成气态的氨和CO₂。尿素分解的参数主要是时间(汽化时间和反应时间)、温度以及喷入的尿素溶液的微滴大小。在这些SCR催化剂中，通过选择性催化还原(英文：selective catalyic reduction，SCR)使氮氧化物的排放降低90％左右。

由于内燃机的废气流温度可达几百摄氏度，特别是高达450℃或更高的温度，而且还因为用于将还原剂喷入废气流中的喷射喷嘴至少将喷嘴头和与其连接的部分喷嘴主体伸进废气流中，因此造成喷射喷嘴变热。经由通过接触或对流进行的热辐射或热传递可以进一步将热量传递至输送还原剂的元件，例如传递至穿过喷嘴主体通向喷嘴头的还原剂管路，因而也会将还原剂加热。

喷嘴主体和引入其中的还原剂管路可承受巨大的温度波动，因此沿其长度可见具有高温度梯度。这能够引起喷射喷嘴中的热应力。特别当喷嘴主体的热膨胀与还原剂管路的热膨胀不同时，会在还原剂管路与喷嘴头之间的连接处，尤其是在焊缝处产生应力。所述热应力可以使喷射喷嘴受到损害以及可能发生故障。

此外还期待还原剂一直足够冷，从而阻止尿素-水-溶液的局部分解与溶解的尿素的结晶，其可能会减少且在极端情况下可能会阻止尿素水溶液流过喷射阀，并且能够尽量有效地喷射还原剂。

将液体的喷射喷嘴构造成耐温是现有技术公知的。例如从EP 2 060758B1中可知这种类型的喷射喷嘴。在此，隔离套包围喷嘴主体，使得隔离套与喷嘴主体之间产生可用隔离材料填充的空间。这里不利的是，需要附加组件来实现喷嘴主体的隔离，这增加了安装费用和成本。

因此，本发明的任务在于，进一步构造前述类型的喷射喷嘴，使得无需附加组件就能够减少喷射喷嘴的热膨胀以及减少向还原剂管路传递热量和热应力。

根据本发明，此任务通过根据权利要求1的外混式喷射喷嘴以及根据权利要求10的还原剂计量系统得以解决。本发明有利的改进形式在从属权利要求中进行说明。

外混式喷射喷嘴用于将还原剂喷入内燃机的废气流中以便选择性催化还原，特别是用于借助压缩空气或燃料气将还原剂雾化，其中喷射喷嘴包括喷嘴主体和喷嘴头，其中还原剂管路布置在喷嘴主体中并与喷嘴头连接，在这种外混式喷射喷嘴中特别有利的是，喷嘴主体具有至少一个热保护件，其至少部分地将还原剂管路热隔离。

通过使喷嘴主体具有至少部分地将还原剂管路热隔离的至少一个热保护件，有可能减少从废气流经由喷嘴主体向还原剂管路传递热量。因此，热保护件被用于将还原剂管路与内燃机的废气流中的热废气热隔离。通过将至少一个热保护件集成到喷嘴主体中可以减小喷嘴主体的热膨胀，这会导致喷射喷嘴中的热应力减少。在此也会减少从喷嘴主体至喷嘴头以及还原剂管路的热应力传递。

优选地，热保护件在喷嘴主体的整个长度上或基本在喷嘴主体的整个长度上延伸，借以完全在整个长度或几乎在整个长度上隔离还原剂管路。可替代地，热保护件仅在前部、靠近喷嘴头的区域中延伸。喷嘴主体的前部区域是指伸入废气流中的区域。例如，至少一个热保护件可以总计达到喷嘴主体长度的10％或20％或30％或40％或50％或60％或70％或80％或90％。至少一个热保护件的结构是几何可变的，例如长度和直径可变，从而能与安装情况和环境条件如温度高低以及在排气道中包围喷嘴主体的流场相匹配。

根据优选的实施形式，喷射喷嘴通过将至少一个热保护件集成到喷嘴主体中而比现有技术已知的喷射喷嘴更耐废气高温。因此，喷射喷嘴可更深地伸入内燃机的废气流中，这又致使还原剂与废气更好地混合并提高了还原剂的效率。此外，还可以通过减少还原剂管路上，特别是还原剂管路与喷嘴头的连接处，例如焊缝处的热应力来提高喷射喷嘴的使用寿命。

在优选实施例中，热保护件由外壁和内壁构成。优选地，内壁为支承壁，它与喷嘴头和喷嘴主体刚性连接。而外壁优选在第一端部与喷嘴头刚性连接且在第二端部被布置成可相对于喷嘴主体自由移动。替代地，外壁的布置也可以反过来进行，即它可以在第二端部与喷嘴主体刚性连接且在第一端部被布置成可自由移动。

外壁被布置成在一端可相对于喷嘴主体自由移动，通过这种方式，它在被废气流加热时可以在此自由端不受阻碍地膨胀，而不会在喷射喷嘴中产生热应力。这意味着，喷嘴主体在废气流中被加热时，没有热应力从外壁传递到内壁和还原剂管路。

在另一个优选实施例中，外壁被布置成与内壁相隔一段距离，使得在热保护件中在外壁和内壁之间形成空腔，该空腔由空气和/或另外用热隔离材料来填充。由空气和/或另外用隔离材料来填充的外壁与内壁之间的空腔减少了从外壁向内壁的热传递。

至少一个热保护件的结构是几何可变的。例如可以改变外壁与内壁的间隔距离并从而改变隔离空腔的体积。

在优选的实施例中，空腔由空气填充。替代地，空腔可以由隔离材料，例如作为粉末或纤维的陶瓷材料填充。

优选地，内壁材料优选具有尽可能小的热膨胀系数。由于自由移动的布置，外壁材料可以是具有高热膨胀系数的材料。但内壁和外壁也可以使用相同的材料。

在优选的实施例中，外壁和内壁由两种不同的金属材料构成。优选地，在这种情况下内壁材料具有的热膨胀系数小于外壁材料。

具有高热膨胀系数的外壁被布置成在一端可相对于喷嘴主体自由移动并从而能够在气流中被加热时不受阻碍地膨胀。由于内壁的热膨胀系数较小，其在受热时产生的热膨胀比外壁小。而且由于外壁与内壁之间隔离的空腔，内壁进一步比外壁受热少。因此，可以通过将外壁和内壁集成到喷嘴主体中来减小喷嘴主体的热膨胀。较小的热膨胀又会使喷射喷嘴中的热应力减少并从而导致从喷嘴主体传递至还原剂管路的热应力减少。

在另一个优选的实施例中，还原剂管路是弯曲的。如果由于喷嘴主体的热膨胀而在喷射喷嘴中产生热应力，则该热应力可至少部分地被弯曲的还原剂管路吸收。还原剂管路的弯曲自动地与喷射喷嘴中的应力情况相匹配。

与弯曲的还原剂管路连接的热保护件使喷射喷嘴对温度梯度的变化以及对还原剂和压缩空气的温度变化不敏感。

在另一个优选的实施例中，喷嘴主体在内部构成压缩空气室，其中位于室中的压缩空气包围贯穿该室延伸的还原剂管路。由于压缩空气与喷嘴主体、特别是与集成在喷嘴主体中的热保护件的内壁、喷嘴头以及还原剂管路接触，因此它们被流进压缩空气室的压缩空气冷却。

在另一个优选的实施例中，喷嘴主体在一端具有压缩空气入口和还原剂入口并在相反的另一端具有带至少一个还原剂出口孔和至少一个压缩空气出口孔的喷嘴头。还原剂管路将还原剂入口与还原剂出口孔相连，并且至少一个压缩空气出口孔与压缩空气室相连，从而与喷嘴主体的内部相连。通过将至少一个热保护件集成到喷嘴主体中可以减少由喷嘴主体的热膨胀引起的热应力传递至还原剂管路，特别是传递至还原剂管路与喷嘴头的连接处。

经由还原剂入口和还原剂管路向还原剂出口孔提供将要雾化的还原剂。经由压缩空气入口和压缩空气室向至少一个压缩空气出口孔提供压缩空气以雾化还原剂。至少一个压缩空气出口孔例如可由环形间隙构成，该环形间隙与还原剂出口孔同轴布置。

优选地，在外混式双料喷嘴中，还原剂从压力管路的出口流出并且压缩空气从压缩空气管路的出口排出。优选地，压缩空气管路的出口以如下方式定位，即借助从压缩空气管路的出口排出的压缩空气在喷嘴头外部直接雾化从压力管路的出口流出的还原剂。通过压力管路和压缩空气管路的出口的流通优化的布置，喷嘴外部气溶胶的形成直接在内燃机的排气系统中得以改善。借助调节阀可将压缩空气设置成用压缩空气来雾化还原剂所期望的压力级。

用于将还原剂喷入内燃机的废气流中以便选择性催化还原的还原剂计量系统具有至少一个输送泵，借助所述输送泵将还原剂储箱的还原剂经由至少一条抽吸管路从储箱中吸出，经由至少一条压力管路进行输送，并经由至少一个喷嘴引入内燃机的废气流中，其中计量系统具有压缩空气供给部且还原剂借助压缩空气在喷嘴外部被雾化，在这样的还原剂计量系统中特别优选的是，喷嘴是根据本发明的外混式喷射喷嘴。

通过将至少一个热保护件形式的热隔离件集成到喷射喷嘴的主体中来减少从喷嘴主体到还原剂管路的热传递，该还原剂管路使还原剂穿过喷嘴主体通向喷嘴头且由此与喷嘴头刚性连接。此外，还通过相应地选择喷嘴主体内壁的材料以及外壁可相对于喷嘴主体自由移动来减少喷射喷嘴中热应力的形成，以及减少向还原剂管路传递热应力。此外，弯曲的还原剂管路还可以将产生的热应力至少吸收一部分。这样一来就可以延长喷射喷嘴的使用寿命并从而延长还原剂计量系统的使用寿命。

还原剂计量系统可以具有调节阀。借助调节阀可将压缩空气设置成用压缩空气雾化还原剂所期望的压力级。

例如可将磁力泵且特别是管道泵(Inline-Pumpe)用作输送泵。管道泵是双活塞泵形式的活塞泵的特殊形式，其中两个活塞在一个套筒中被驱动。借助线圈磁力驱动的高压活塞借助控制活塞的反作用力将通过抽吸管进入泵中的还原剂向前移动，经由压力管输送至喷嘴。这样的泵(其中借助线圈磁力驱动活塞)也被称作磁力活塞泵。每个输送泵都可以构造成泵单元，并且此外还具有其它的部件，特别换向阀和/或传感器作为必不可少的组成部分。

优选地，计量系统具有至少一个还原剂过滤器。由此来确保提供所需质量和纯度的还原剂溶液，以便预防管路或喷嘴堵塞。

优选地，借助压力传感器来检测和监控输送泵下游的压力。通过对通向喷嘴的输送还原剂的压力管路中的压力进行此种检测和监控可以持续地监控输送泵的正常运行和计量。此外还有可能将用于检测还原剂温度的温度传感器和/或流量传感器集成到计量系统中。

此外，计量系统还可以具有带调节阀的压缩空气供给部，经由它将压缩空气引入压缩空气管路中。

优选地，在关闭计量系统之后将压缩空气经由调节阀引入压缩空气管路中并从那里经由截止阀引入压力管路中，以便排空位于压力管路中的还原剂。优选地，截止阀阻止还原剂进入压缩空气管路。可以优选将截止阀构造成磁力阀和/或止回阀。通过接通所述磁力阀和/或应用计量系统的设置有止回阀的压缩空气接头可以在计量结束之后借助压缩空气冲洗包括输送还原剂的管路和喷嘴的计量系统，用于预防例如由于还原剂溶液冻结或结晶而造成的沉积和堵塞。由此能有效地预防冻伤和堵塞。

优选地，调节阀是用于调节计量系统的压缩空气供给部的可控阀。调节阀被用于控制，即接通或断开用于整个或部分计量系统的压缩空气供给部。调节阀在此可以在控制架构(Rahmen einer Steuerung)中进行控制。也存在这种可能性，即在开环或闭环控制回路的架构中调节此阀以调节压缩空气。

术语调节压缩空气在此特别包括控制或调节压缩空气供给的持续时间和/或脉冲式压缩空气供给的节奏和/或压缩空气供给的质量流和/或压缩空气的压力。

所需的压缩空气可以借助压缩机，特别是借助受到控制的压缩机来提供。可替代或可补充的是，可由车辆侧面提供的压缩空气供给部将压缩空气供给到计量系统中。通过布置换向阀和/或调压阀和/或特别是受到控制的压缩机可以调节和提供所需的压缩空气质量流以及所需的空气压力。优选地，经由空气过滤器来引导压缩空气。由此可确保压缩空气所需的纯度且没有颗粒。

此外，压缩空气还可被用于在喷嘴外部雾化从压力管路流出来的还原剂。为此，压缩空气可额外用于雾化排气系统中的还原剂，并且被用于在计量结束后清洁输送还原剂的管路。

可以在喷嘴外部借助压缩空气来实现还原剂的雾化，通过这种方式可以不布置混合室，如在用于将还原剂喷入内燃机的废气流中以便选择性催化还原的许多现有技术公知的还原剂计量系统中已知的。通过可能省去此种混合室来进一步优化本发明所述还原剂计量系统所需的安装空间。

优选地，计量系统可以具有集成的控制器，例如CanBus连接器。通过将控制器集成到计量系统中可集成用于控制和运行计量系统所需的电子元件。CanBus连接器使计量系统能够以简单的方式集成到机动车的控制系统中并从而集成到机动车的车载诊断中。

优选地，可在还原剂喷射下游的排气系统中设置NO_x传感器。借助还原剂喷射下游的排气系统中的所述NO_x传感器可监测选择性催化还原的质量，并且特别是可以使用NO_x传感器的测量值来控制计量系统并调节计量的量的时间分布。这意味着，可以借助在还原剂喷射下游的排气系统中的所述NO_x传感器来实现用于调节整个计量系统的闭环控制回路。

在另一个优选的实施例中，计量系统可以具有用于监测还原剂溶液的质量传感器。借助此种质量传感器可监测到，实际上是还原剂溶液位于储箱中并借助计量系统进行输送，而不是例如纯水或类似物。此种质量传感器可基于此，即对所输送的流体的电阻进行测量。可替代或可补充的是，在所输送的流体内实现声速的测量。此种质量传感器可以特别布置在储箱中，其中存储着还原剂溶液。

本发明的实施例在图中示出并且将在下文中进行更加详细的阐述。图中示出：

图1示出了还原剂计量系统的概略视图；

图2示出了应用在还原剂计量系统中的喷射喷嘴的概略视图；

图3示出了根据图2的喷射喷嘴的喷嘴头经过放大的详细视图。

附图中相同的部件用相同的参考标记表示。

图1示出了用于将还原剂喷入未示出的内燃机的废气流中以便选择性催化还原的还原剂计量系统10的概略视图。借助输送泵20经由抽吸管路45将还原剂从储箱40中吸出，经由压力管路50输送至喷射喷嘴60。经由喷射喷嘴60将还原剂喷入到内燃机的废气流中。此外，还原剂计量系统10还具有压缩空气接头30，经由它提供压缩空气用于在计量结束之后清洗引导还原剂的管路和元件并且用于气溶胶的形成。计量结束之后，引导还原剂的管路和元件的清洗借助经由第一压缩空气管路34进行输送的压缩空气来实现。气溶胶的形成在喷嘴60外部借助经由第二压缩空气管路36进行输送的压缩空气来实现。连接管路的描述仅为示意性的。

喷嘴60是外混式双料喷嘴60。气溶胶通过以下方式形成，即经由这样的双料喷嘴60的至少一个第一喷嘴开口将经由压力管路50引入的还原剂喷入排气道中。经由喷嘴60的一个或多个第二喷嘴开口将经由压缩空气管路36引入的压缩空气也引入排气道中，从而使还原剂在喷嘴60外部借助压缩空气被雾化。因此，由于喷嘴60外部气溶胶的形成可以不布置混合室。

图2示出了图1所示还原剂计量系统10的喷射喷嘴60的剖面。喷射喷嘴10是用于将还原剂喷入内燃机的废气流中以便选择性催化还原的外混式喷射喷嘴，其中还原剂的雾化借助压缩空气在喷嘴外部来实现。

喷射喷嘴60包括喷嘴主体61和喷嘴头62，喷嘴头布置在喷嘴主体61的一端且与喷嘴主体连接。喷嘴头62具有还原剂出口孔63和在示出的实施例中环状间隙形状的压缩空气出口孔64。

图3中示出了具有还原剂出口孔63和环状间隙形状的压缩空气出口孔64的喷嘴头62经过放大的详细视图。可以看到还原剂出口孔63和压缩空气出口孔64的流道平行延伸至喷嘴头62的外侧面。压缩空气出口孔64环状地包围还原剂出口孔63。

在未示出的替代实施形式中，喷嘴可以具有一个或多个还原剂出口孔63以及一个或多个压缩空气出口孔64。一个或多个还原剂出口孔63以及一个或多个压缩空气出口孔64在此可以如下方式彼此定位并成一定角度放置，即流到喷嘴头62外部的还原剂直接被压缩空气雾化且形成足够细的气溶胶。

在喷嘴主体61相反的另一端布置了还原剂入口65和压缩空气入口66。喷嘴主体61在其内部形成压缩空气室67，其与压缩空气入口66相连。压缩空气从压缩空气管路36经由压缩空气入口66被输送到压缩空气室67中。压缩空气室67与喷嘴头62的压缩空气出口孔64相连。位于压缩空气室67中的压缩空气将压缩空气室67冷却并从而将喷嘴主体61的内部(包括喷嘴头62)冷却。紧固部件69集成在喷嘴主体61中且被用于固定喷嘴60，使得至少喷嘴头62和连接在喷嘴头62上的喷嘴主体61的前部伸入内燃机的废气流中。

还原剂管路68布置在喷嘴主体61中，并延伸穿过其中且将还原剂入口65与喷嘴头62的还原剂出口孔63连接起来。通过还原剂管路68将还原剂从压力管路50经由还原剂入口65引导至喷射喷嘴60。还原剂管路68在示出的实施例中通过焊接与喷嘴头62刚性连接。还原剂管路68被构造成弯曲的，以便可以吸收至少一部分的在喷嘴60中产生的热应力。还原剂管路68的弯曲度大小以如下方式来确定，即还原剂管路68即使在最大可能的弯曲程度下不直接接触喷嘴主体61。位于压缩空气室67中的压缩空气包围延伸通过压缩空气室67的还原剂管路68。因此，还原剂管路68也被位于压缩空气室67中的压缩空气冷却。

喷嘴主体61包括热保护件70，它将还原剂管路68热隔离并从而减少从废气流经由喷嘴主体61到还原剂管路68的热传递。热保护件70被构造成使长度沿喷嘴主体61延伸的部件。

在未示出的替代方案中，热保护件也可以由集成在喷嘴主体61中的多个子部件组成。

热保护件70由外壁71和内壁72构成。内壁72是支承壁，它与喷嘴头62和喷嘴主体61刚性连接。外壁71在第一端与喷嘴头62刚性连接并在第二端被布置成可相对于喷嘴主体61自由移动。因此，当受热时，外壁71可以不受阻碍地膨胀，而不会将应力传递至还原剂管路68。

外壁71被布置成与内壁72相隔一定距离，使得在热保护件70的外壁71和内壁72之间形成用空气填充的空腔73。空气的导热性差，因此被用作热隔离物质。

外壁71和内壁72由两种不同的金属材料构成。在示出的实施例中，内壁72材料具有的热膨胀系数小于外壁71材料。因此，作为支承壁在两侧与喷嘴主体61刚性连接的内壁72在受热时膨胀比外壁71少。因此可以减少从喷嘴主体61，特别是从内壁72传递到还原剂管路68的热应力。

为了适应安装情况和环境条件可以改变外壁71和内壁72之间的间隔距离并从而改变空腔73的体积。外壁71与内壁72之间的间隔距离增大原则上会提供更好的绝热，其中在空腔73体积过大时可以形成增加的对流。因此，可以如下方式来选择外壁71和内壁72的间隔距离，即在空腔73内的对流尽可能小时达到尽可能好的隔热效果。