CN101263022A - 用于液态还原剂尤其是尿素溶液的机动车储罐 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机动车储罐(1；21；41；51；62；121)，其用于一种水状的尿素溶液，该尿素溶液用于还原内燃机废气中的氮氧化物，该机动车储罐由塑料制成。该机动车储罐以有利的方式具有一个功能单元(131)，该功能单元具有至少一个泵(57)、至少一个压力调节阀(61)、至少一个具有集成的电加热装置的内部容器(43，129)及至少一个抽吸管路(55，63，163)。该功能单元以有利的方式安装在储罐的一个开口中并密封该开口。

Description

用于液态还原剂尤其是尿素溶液的机动车储罐
背景技术
由于在接下来几年中确定要制定的更严格的废气法规，在用柴油燃料驱动的汽车中主要是必须大大地降低有害物质NOX。所使用的一种方法是SCR方法(选择催化还原)，在该方法中，在水状的尿素溶液的辅助下，有害物质NOX(氮氧化物)还原为N2和H2O。为此，水状的尿素溶液在SCR催化器前面通过配量阀喷入排气管中。水状的尿素溶液在热的废气中蒸发并形成氨，这些氨积聚在SCR催化器中。在该催化器中积聚的氨将废气中包含的氮氧化物转化为基本的氮和水蒸气。水状的尿素溶液储备在一个储罐中。这种还原剂对储罐有特别的要求。该SCR方法已经在商用车中批量使用。在此使用由优质钢或铝制造的储罐，该储罐通过发动机的冷却水来加热。
发明内容
由优质钢或铝制造的储罐很昂贵且其成型也受到限制。由于这种原因，提出一种具有不同建设性细节的塑料储罐。该塑料储罐可尤其是成本低地用吹塑方法来制造。
其它优点由从属权利要求及说明中所述的特征得出。
附图说明
图1a示出按本发明的还原剂储罐的储罐壁2，
图1b为装有还原剂的还原剂储罐，
图2为具有绝缘层的还原剂储罐，
图3为具有加热棒的还原剂储罐，
图4为安装有罐的还原剂储罐，
图5为具有一管路的还原剂储罐，
图6为具有一管路及一罐管路的还原剂储罐，
图7为具有设置有节流阀的管路的还原剂储罐，
图8为扁平的铝本体，
图9为具有罐和加热装置的还原剂储罐，
图10为还原剂储罐的一个罐，
图11为一种加热装置，
图12为具有罐和容器的还原剂储罐，
图13一个输送模块，和
图14为具有通风元件的还原剂储罐的示意图。
具体实施方式
图1在分图b中示意性(未示出用于灌注的储罐开口或未示出连接废气后处理装置的接头)示出具有储罐壁2的储罐1。该储罐由塑料例如PE(聚乙烯)、PA(聚酰胺)、PAA(聚丙烯酸(Polyarylamid))制成。如果是还原剂，，水状尿素溶液”，则必须避免氨穿过容器壁向外渗透。这可通过相应大的壁厚或所谓的复合材料(Coex-Werkstoff)来保证。在使用复合材料时，容器壁由多个不同的材料层组成，其中，例如某层可以是阻挡层。复合材料通常借助多层复合的混合挤压来制造。图1a示出由三层组成的复合层的储罐壁2的结构，这三层为：朝向储罐填充物的内层11，外层13和设置在该内层与外层之间的阻挡层15。水状的尿素溶液在低于零下11°时凝固。在液体水平面的上方具有空气垫层。如果储罐周围的温度低于零下11°，则首先是该储罐底部附近及壁附近的区域中凝固。因为液体上方的空气垫层7用作隔离层，因此表面上的液体最后才凝固。因此，液体上方的空气垫层用作凝固的水状尿素溶液的补偿容积。由于底部及壁的目标明确的凝固不会导致储罐的破裂，因为体积增长有目的地被导向填满空气的区域中。在图1b中，用圆圈圈起来的数字1至4标记了区域的顺序，在这些区域中当温度低于零下摄氏11度时储罐填充物凝固。由此在空气垫层7的区域中在储罐中间形成一个小丘似的凸起9。
图2示出具有由塑料制成的壁2及一个附加的隔热装置23的储罐21，该隔热装置例如是设置在储罐底部上中间的隔热的隔离层形式的。在零下11摄氏度时的相变期间，水状尿素溶液要膨胀约7％。由于这种体积增长，可能导致储罐的损坏。附加的消除弊端或预防措施可局部地控制储罐内装物的凝固，其中，其基础是储罐不被完全装满，即，在液体水平面的上方具有空气垫层。通过有目的地在储罐的确定的部位上设置隔热材料，如这里的隔热装置23，可局部地有目标地控制储罐中的凝固过程。可这样选择该隔热装置，使得冰可以在确定的、对容器无关紧要的区域中形成并积聚，例如在表面上可以有空气垫层的地方。底部上的隔热装置23改变了区域中的的凝固特性，即，在储罐中间的区域(见用小圆圈起来的数字5)可很长时间地保持其液体不冻结，这一方面使得作用在储罐上的冰块力减小，另一方面使得，即使在温度很低时，储罐的某个区域相对长时间地提供可被吸出的及可被用于废气后处理装置的工作的液体。类似于图1中所示地，用小圆圈起来的数字1至5给出了区域的顺序，在这些区域中当温度低于零下摄氏11度时储罐填充物凝固。
在例如借助电加热或借助通过与储罐热接触的管路而循环的发动机冷却水来进行的融化过程期间，融化热可通过加热装置的相应布置集中在目标明确的部分容积上。图3中示出具有一个电融化机构的储罐，该电融化机构是一个连同其电接头的电加热棒32。因为仅是有限的电功率可供使用，因此仅有限的、还与储罐的填充状态有关的冰体积34可在短时间内融化，使得后置的废气后处理装置或本储罐装置在最短的时间后就已经做好工作准备。在几乎空的储罐或低的填充状态时，可供用来融化的体积很小，也就是说，在小的行驶路程后，不再有可供使用的融化的还原剂，主要是因为加热棒周围的液体被吸走，因此热量通过空气不再能传递给冻结的还原剂。
有利的是，待融化的部分体积相对整个储罐容积热隔离。否则传递进来的热量分布到冻结的全部体积上，融化时间增大。如果集中到一个小的部分体积，系统在最短的时间后就可做好工作准备。图4相应地示出具有塑料壁2的储罐41，该储罐在其内部具有一个将一个部分体积与该储罐的余下部分分隔开来的罐43。一个在此未示出的类似于图3中所示的加热元件的加热元件，可设置在该部分体积中，或设置在罐壁上、尤其是罐壁的内侧上，以便有目标地加热或融化该部分体积。所述罐优选定位在储罐的中间。这是有利的，因为液体首先在壁附近的区域中凝固，然后才在中间凝固。因为直到储罐中间最终也凝固，要持续较长的时间，因此，尽管外部温度低于零下11°，在一个定位在储罐中间的罐中，加热装置也仅少数时候要被接通。这种罐也可以具有一个溢流口，如下面示例性地在图5中所示的那样。
图5示出一储罐装置或储罐51，设置在该储罐中(在储罐中间)的罐43具有一个溢流口53。按图5的实施方式中的罐43始终是完全被填充的。通过如下方式来保证该罐的持续灌注，即，由一个设置在一个输送模块中的泵57从该罐的外部、即从储罐的“余下部分”中，将液体经过一个管路55输送给未详细示出的后置的废气后处理装置。系统的机械的压力调节通过一个机械的压力调节阀61来进行。该压力调节阀设置在所述输送模块中，其中，该压力调节阀的溢流量通过回流管路59流入罐43中。由此该罐总是最大量地被填充，仅过剩的量通过溢流口53在朝着外部的储罐区域的方向上离开罐43。在低温时，首先是位于该罐中的冰借助一个未详细示出的、设置在该罐的区域中的电加热元件优选全部地被融化。剩余储罐中的冰首先不被融化。罐43也由塑料构成并因此形成待解冻的罐与冻结的整个体积之间的隔热层。
图6示出一个在罐43中附加地具有一个罐管路63的储罐装置62。该罐管路直接在输送模块的前面在溢流口53的上方与管路55连接，该罐管路可以从该罐中抽吸还原剂并将还原剂共给后置的废气后处理装置。如果通入到储罐中的管路55在其吸入口67上被冻结的剩余储罐封闭，则通过位于罐中的已经解冻的罐管路63从该罐里抽吸已融化的还原剂。储罐62在此具有一个设置在罐43底部区域中的加热装置65。所述输送模块应理解为以下的全部零部件：泵57、压力调节阀61、选择地附加地接通的回流管路59、管路55和罐管路63。
有利的是罐43始终是满的，使得罐解冻后总是很快就可提供足够量的可被抽吸的还原剂。如果在(罐与剩余储罐)解冻的状态下，同时通过管路55与63既从罐中也从剩余储罐中抽吸(还原剂)，则罐总是满的这一原则得到满足。在按图7的装置中，这通过管路55与63中的节流阀来示出：管路55具有一个第一节流阀75，罐管路63具有一个第二节流阀77。在此要注意的是，由剩余储罐中吸走的液体总是比喷入排气部件(Abgastrakt)中的要多。因此，通过压力调节阀61的回流保证持续地填充罐43。过多的还原剂必要时可通过溢流口53流回到外部的储罐区域中(回流量73)。
图8示出一个扁平的铝本体81形式的加热装置65的实施方式，在该铝本体中集成有一个或多个点状的加热元件83、例如在高温时自动调节(abregeln)的PTC加热元件(“PTC”＝正温度系数)。这些点状的加热元件将所述罐的区域中的热量传递至该扁平的铝本体上，在此箭头85表示热量流的方向。由于好的导热性，铝是有利的。该铝本体中间的孔82用于使该本体固定在一个支架上。
图9示出扁平的铝本体81形式的加热装置91的一种可能的布置，该铝本体被用塑料注塑包封。该扁平的加热构件连同集成的PTC加热元件借助棒状的支架93设置在罐底部附近，其中，在该支架中集成有流体输送装置93。塑料注塑包封件用来保护所述PTC加热元件或铝本体，使其不受水状尿素溶液的影响。
图10示出一加热装置在罐43中的布置，其中，扁平的用塑料注塑包封的铝本体具有在边缘上固定的对流孔103，这些对流孔连接位于底部附近的、该铝本体下方的还原剂区域与该铝本体上方的区域。该加热装置建立在对流之上，其中，环绕着这些对流地存在对流流动，即流动回路105。该加热装置空间上的布置使得首先是加热本体周围解冻。通过向上指向的对流流动，使已经解冻的介质中的热量不断地向上传递。在那里它们被冷却，然后又下沉而被加热。因此，存在着由加热装置向上的流动回路，尤其是在设置在铝本体中的对流孔的区域中。一定的时间后，可解冻的热流动到达冰表面。因此，罐中的部分容积部分地解冻(已解冻的区域107，还是凝固的区域109)。如果此时在罐管路63的吸部位与空气之间通过已解冻的液体形成了连接(直到冰表面或直到已解冻的区域108的空气垫层)，则只要用于抽吸的罐管路63一解冻，系统就可开始工。在所述部分容积中还存在的冰容积，优选在表面上，也被通过所述压力调节阀回流的热的介质融化。这些热的介质落到还余留在表面上的余下的冰上，并因此促进解冻过程。
图11示出一个可在罐内被使用的加热装置113的实例，其具有一个例如与所述铝本体一体地连接的保持元件，在该保持元件中集成有一个罐管路163，用于从该罐里吸取还原剂。电供给线路115与罐管路163平行地延伸，该电供给线路给一个或多个PTC加热元件83提供电流。其中，如扁平的铝本体那样，所述集成有罐管路163的保持元件在底部附近的吸入部位也被用塑料注塑(未详细示出)。罐管路163在罐的上方进入所述输送模块。到PTC的电引线(供给线路115)实施成电阻丝。该电引线布置在罐管路163的紧附近。因此，罐管路163可通过该电阻丝中产生的热量而及时解冻。因此，系统可在最短的时间后使用罐中的液体量以开始工作。由此，可以保证在最短的时间后系统的工作。借助存在的已融化的量可行驶例如约500到1000km的路程。其出发点在于，在该时间之后，通过周围环境来使整个储罐中其它的含水尿素溶液融化，这些尿素溶液然后部分地通过管路55被吸走。
图12示出另一储罐装置121，其中，设置有另一个围绕着罐143的容器129。该储罐装置在底部区域中具有一个池槽123，即一个凹槽，在最下面的区域中具有一个屏蔽阀(Schirmventil)125。容器129具有一个到储罐的溢流口127。通过静压压力迫使液体穿过屏蔽阀125进入容器中。从该容器里液体通过管路55被吸入罐中。因此回流量首先注入到内部的罐中。液体通过溢流口进入容器129中。如果该容器被灌满了，则液体通过溢流口127回到储罐中。溢流口127使得容器129具有比剩余储罐高的液位。因此容器里的抽吸管路55总是远远地位于液体表面之下。这种设计结构“罐在容器中，容器在储罐中”使得储罐对晃动、冰撞击、空气抽吸及由晃动与冰撞击引起的噪声不敏感。此外，将“罐在容器中”设置在储罐的中间有利地在晃动运动及冰撞击时起作用。在储罐中冻结的液体形成一个冻结的环，该环在中间被容器挡住并因此仅具有有限的运动自由。
图13示出一种实施方式，其中，输送模块133深入地位于罐143上。因此，输送模块与储罐无需额外的管路及连接部位而直接相连接。此外，输送模块在储罐上定位在储罐壁的一个未详细示出的凹槽中。因此确保少量的渗漏不会沿着储罐表面流向四周或根本不会露出来，因为它被挡在或保持在该凹槽中。因此，渗漏不会进入汽车中并可以容易地被从该凹槽中取走。具有加热装置的罐、具有屏蔽阀的容器以及输送模块构成一功能单元131，该功能单元几乎与储罐无关并可作为一个整体从该储罐中拆除。该功能单元也可选择地配设用于液体高度、还原剂的温度或质量的传感器。输送模块可用一密封盖相对储罐齐平地被盖住。这样来设计储罐，使得所有热源(储罐加热装置、输送模块的未详细示出的加热装置、泵电机等)都集中在该功能单元中，并共同用于储罐的一核心区域的解冻，以保证短的加热阶段。
图14示意性示出一具有储罐壁2的储罐，而未详细示出其它的零部件如罐、输送模块等。储罐内装有的物品由于取走、温度波动以及水状溶液的分解，在储罐中在空气垫层7的区域中存在不同的压力。通过充气阀141或到外围环境中的排气阀145来考虑这种压力波动。因为在排气时存在氨进入外围环境并导致气味难闻的危险，仅在高的储罐内部压力时才进行排气过程，即，储罐有利地这样构造，使得该储管可接受适度的内部压力而不会有不允许的形状变化或必要时可设置一个活性碳过滤器，在排气时，引导含氨的气体经过该过滤器。

Claims (27)

1.机动车储罐(1；21；41；51；62；121)，其用于一液态的例如水状的还原剂、尤其是用于一尿素溶液，该还原剂或尿素溶液用于还原内燃机废气中的氮氧化物，其特征在于，该机动车储罐具有由塑料制成的容器壁(2；43；129)。
2.如权利要求1所述的机动车储罐，其特征在于，塑料储罐用吹塑方法来制造。
3.如权利要求1或2所述的机动车储罐，其特征在于，所述容器壁由多个材料层(11，13，15)组成，所述多个材料层中的至少一层构造成阻挡层(15)。
4.如权利要求3所述的机动车储罐，其特征在于，所述还原剂尤其是一种水状的尿素溶液并且至少间接地包含氨，所述阻挡层(15)阻止氨渗透穿过所述容器壁。
5.如以上权利要求中任一项所述的机动车储罐，其特征在于，所述容器壁配设有一隔热装置(23)，该隔热装置在确定的部位产生相对于其它部位更强的隔热作用，其方式是，该隔热装置例如仅部分地覆盖所述容器壁。
6.如以上权利要求中任一项所述的机动车储罐，其特征在于，所述机动车储罐具有一个设置在该机动车储罐内部的、用于容纳部分体积的还原剂的内部容器(43，129)，该内部容器将机动车储罐划分为一部分储罐和一剩余储罐。
7.如权利要求6所述的机动车储罐，其特征在于，所述内部容器构造成罐状(43)并且由塑料构成。
8.如权利要求7所述的机动车储罐，其特征在于，所述内部容器基本上设置在机动车储罐的中间并且相对容器壁具有间距。
9.如权利要求6至8之一所述的机动车储罐，其特征在于，设置有一围绕着所述内部容器的晃动容器(129)，该晃动容器在其最深的部位上具有一到所述机动车储罐的开口。
10.如权利要求9所述的机动车储罐，其特征在于，在所述开口中设置有一屏蔽阀(125)，该屏蔽阀在机动车储罐中液位高时通过该机动车储罐中还原剂的静压压力而打开，该屏蔽阀在机动车储罐中液位低时封闭到机动车储罐的该开口。
11.如权利要求10所述的机动车储罐，其特征在于，所述屏蔽阀设置在所述晃动容器中最深的部位(池槽123)的区域中。
12.如权利要求6至11之一所述的机动车储罐，其特征在于，还原剂可在所述内部容器中被加热。
13.如权利要求12所述的机动车储罐，其特征在于，在所述内部容器中设置有一电加热装置(32，65，81，83，91，93，113)。
14.如权利要求13所述的机动车储罐，其特征在于，所述电加热装置具有多个自动调节的加热元件(83)，例如PTC加热元件。
15.如权利要求14所述的机动车储罐，其特征在于，所述加热元件设置在一铝本体(81)上。
16.如权利要求15所述的机动车储罐，其特征在于，所述铝本体板式地构成，并且水平地设置在所述内部容器中并且横向于其纵轴线地具有至少一个通孔(对流孔103)。
17.如权利要求6至16之一所述的机动车储罐，其特征在于，在所述剩余储罐中具有一个第一抽吸管路(管路55)，在所述部分储罐中具有一个第二抽吸管路(罐管路63，163)，这些管路通向至少一个泵，其中，在所述至少一个泵的下游设置有一压力调节阀，该压力调节阀将过剩的还原剂导出到所述部分储罐中。
18.如权利要求17所述的机动车储罐，其特征在于，所述第一抽吸管路(55)的横断面的尺寸被这样确定，使得通过该第一抽吸管路(55)可吸入的还原剂多于用于还原废气所需的还原剂最大量。
19.如权利要求18所述的机动车储罐，其特征在于，所述抽吸管路(55，63)分别包括至少一个节流阀(75，77)，其中，所述第一抽吸管路(55)的一个第一节流阀(75)比所述第二抽吸管路(63，163)的一个第二节流阀(77)具有更大的通流截面。
20.如权利要求6至19之一所述的机动车储罐，其特征在于，所述内部容器具有一到所述剩余储罐的溢流口(53，127)。
21.如权利要求6至20之一所述的机动车储罐，其特征在于，在所述第二抽吸管路(163)的附近设置有一电的线路(115)。
22.如权利要求21所述的机动车储罐，其特征在于，该电的线路作为电阻丝构造在一构造成加热棒的支架中。
23.如权利要求16至22之一所述的机动车储罐，其特征在于，泵(57)与压力调节阀(61)组成一输送模块，该输送模块固定在所述内部容器或罐上和/或所述储罐上。
24.如权利要求23所述的机动车储罐，其特征在于，所述内部容器与所述输送模块(133)构成一功能单元(131)，该功能单元可作为一个整体从所述机动车储罐中拆除并且盖式地封闭该机动车储罐中的一开口。
25.如以上权利要求中任一项所述的机动车储罐，其特征在于，该机动车储罐可被充气和向外排气(141，145)。
26.如权利要求25所述的机动车储罐，其特征在于，所述排气通过一活性碳过滤器来进行。
27.用于一机动车储罐的功能单元，该机动车储罐用于储存用于还原内燃机的废气中的氮氧化物的水状的还原剂，该功能单元具有至少一个泵(57)、至少一个压力调节阀(61)、至少一个具有集成的电加热装置的内部容器(43，129)及至少一个从该内部容器到所述泵的抽吸管路(55；63；163)。
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