CN105612321A - 用于制造安装在容器中的输送模块的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造安装在用于储存液态添加剂的容器(3)中的带有电PTC加热件(1)的输送模块(2)的方法。在方法步骤a)中确定可供输送模块(2)使用的最大电功率。在方法步骤b)中确定输送模块(2)从电PTC加热件(1)的位置(21)向容器(3)中的导热率。在方法步骤c)中，由最大电功率和导热率计算出PTC加热件(1)的转变温度(4)。在方法步骤d)中，在所述位置(21)处安装具有用于PTC加热件(1)的相应转变温度(4)的PTC材料。

Description

用于制造安装在容器中的输送模块的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造带有电PCT加热件的输送模块的方法，该输送模块能够被装入容器中。该输送模块特别适用于存储液态添加剂(尤其是尿素水溶液)的容器。
背景技术
已知为进行排气净化而向其中输入液态添加剂的排气处理装置。在这种排气处理装置中例如实施选择性催化还原方法(SCR方法，SCR＝选择性催化还原)。在该方法中利用还原剂的辅助作用分离在内燃机排气中的氮氧化合物。尤其是将氨作为还原剂使用。氨通常并不直接地、而是以液态添加剂形式存储在机动车中，该液态添加剂在排气内部(在排气处理装置中)和/或在排气外部(在特意为此而设的反应器中)被转化为氨。排气净化特别常用的液态添加剂是尿素水溶液。尿素含量为32.5％的尿素水溶液可以从商品名获得。
在设计输送模块和容器来提供尤其是水性添加剂时要考虑到的是，该水性添加剂在低温时会结冰。尿素水溶液例如在约-11℃时会结冰。在机动车领域中，这种低温尤其会在冬天在机动车长时间停车阶段时出现。这尤其在输送模块再次启动运行时造成问题。通常在机动车启动时需要马上提供液态添加剂。因此已知的是，在用于储存液态添加剂的容器上/中或在输送模块上/中设有(主动的)加热系统。对此推荐使用的是电加热件、利用内燃机的被加热的冷却液体运行的加热件和/或使用内燃机的排气的热量(排气热量)的加热件。
电加热件具有的优点是，在机动车运行开始后的非常短时间内就能够提供大量的热能。相比之下，被加热的冷却液体和排气热量要在内燃机较长的运行阶段之后才可供使用。而能量存储器(例如可充电电池或电容器)必须要提供足够量的电能。在机动车中提供电能的方案一方面在整体可供使用的能量数量方面有限。例如整体上只能够提供特定的能量数量(例如1或2兆焦耳)用于加热。此外，在可需求的电功率方面通常存在限制。该限制原因在于能量存储器和/或能量存储器与加热件的电连接管路的性能。
在设计这种用于容器的加热系统和/或用于提供液态添加剂的输送模块时还要考虑到的是，液态添加剂通常由于过度加热而在化学方面受到影响。尿素水溶液例如在超出极限温度时被以化学方式转化为氨或不需要的中间产物。这在输送模块或容器中不应发生，因为氨成分会腐蚀和损坏输送单元的零部件。因而特别有利的是在超出最高温度时自动去激活加热件。例如已知有电PTC加热元件(PTC＝正温度系数)。它们是电阻对温度具有特别相关性的电加热元件。在不同的PTC加热元件中，各存在一个典型的和/或材料特定的转变温度，在该温度时电阻突然升高。因此当到达该转变温度时，通过PTC加热元件的加热电流减小，并阻止温度明显高于转变温度。具有所述PTC特性的和构成大部分PTC加热元件的材料例如是钛酸钡(BaTiO3)。但值得注意的是，在此能够使用的、可买到的大量不同PTC材料也具有不同的价格。
发明内容
由此，本发明的任务是，解决或至少缓解所述技术问题。尤其要说明一种用于制造带有电PTC加热件的输送模块的方法和一种相应制造的输送模块，其使得加热系统特别有利地以尽可能小的功率损耗和尽可能均匀地加热功率运行。
该任务由根据权利要求1的方法实现。本发明的其它有利的实施方案在从属权利要求中给出。在权利要求中单独所述的特征能够以任何技术上合理的方式相互组合并且可以由说明书的所述内容、尤其是由附图说明得到详细补充。
本发明涉及一种用于制造安装在用于储存液态添加剂的容器中的带有电PTC加热件的输送模块的方法，具有至少如下步骤：
a)确定可供输送模块使用的最大电功率，
b)确定输送模块从电PTC加热件的位置向容器中的导热率，
c)由最大电功率和导热率计算出PTC加热件的转变温度，
d)在所述位置处安装具有针对PTC加热件的相应转变温度的PTC材料。
输送模块优选具有壳体，其中安置有用于输送液态添加剂的(主动的或可控的)部件，并且该输送模块能够被置入到在容器底部的开口中。用于输送液态添加剂的所述部件尤其包括泵，由此能够进行液态添加剂的输送并在必要时还进行液态添加剂的计量。用于液态添加剂的管路优选地穿过该输送模块延伸。在该管路上/中设有所述泵。液态添加剂由泵在抽吸侧从容器抽出并提供给输送模块的供给接口。
在此不详述输送模块构造的全部细节，因为本领域技术人员能够根据容器的构造和/或输送模块的输送功率而进行大量调整。但之后将示例性介绍能利用所述方法制造的输送模块的两种特殊的设计变型方案。
在步骤a)中所确定的最大电功率(Wmax)可以例如由供电管路的横截面限定，利用供电管路来为输送模块供给电能。可供使用的供给电压在机动车中例如为12V、24V或者甚至是48V。根据供电管路的横截面，能够经由供电管路输送的最大电功率来自可供使用的供给电压。也可以由机动车制造者的预先规定来确定最大电功率。也可以通过如下方式确定最大电功率：机动车中的电流供应装置(例如机动车的可充电电池和/或发电机)只能够提供有限的电功率。此外，除了用于液态添加剂的输送模块外，机动车通常还具有其它耗电器，它们有可能在输送模块开始运行时或在其加热时限制可供使用的用于加热的最大电功率。
特别有利的是如下方法：将用于步骤a)的最大电功率的值确定为在100瓦特至200瓦特之间，尤其是在110瓦特至130瓦特之间，并且特别优选确定为(约)120瓦特。在此情况下所认为的最大电功率是在输送单元运行时所能够持久地、即以至少一个预先规定的时间间隔、例如至少5分钟或者甚至至少10分钟供给输送单元并由输送单元需求的最大电功率。输送单元在接通电PTC加热件非常短时间间隔后立即要求的电功率不包含在内。在接通电PTC功率装置时，可能出现短时间的接通电流(峰值电流)，这会造成输送单元在例如小于2分钟或者甚至小于1分钟的短的时间间隔内需要大于250瓦特、尤其是甚至大于350瓦特的电功率。这种峰值在此不加以考虑。
在机动车中，这种电功率能够供用于液态添加剂的输送模块使用，而不会出现对机动车的其它部件的运行的不利影响。
在步骤b)中，确定输送模块从电PTC加热件的位置向容器中的导热率。所述(预先规定的)位置最终还说明了(实际或之后)在输送模块内安装电PTC加热件的位置。导热率通常由功率与温度的比值(W/K)来限定。导热率说明了当加热件的位置与容器之间的温差为1K时，有多少热量从加热件的位置输送到容器中。如果加热件的位置与容器之间的温差增大，则所传输的热量也成比例增大。导热率与输送模块的构造(材料、布置等)有关。对于导热率而言，尤其有关的是从所述位置至容器内室的距离和在所述位置与容器内室之间使用的材料(尤其是输送模块的壳体的材料)。对本领域技术人员而言，(必要时在使用通常的计算辅助设备的情况下)从输送模块的具体构造和加热件所安装的期望地点中确定朝向容器内部的相应导热率的数值，一般是不存在问题的。
特别有利的是如下方法：利用输送模块的有限元模拟确定步骤b)中的导热率。
在有限元模拟中(FEM模拟)可以模拟输送模块的材料并且尤其是输送模块的壳体的材料的热性能以及在输送模块的壳体内部的位于加热件的位置与容器或容器内室之间的全部模块和部件的材料的热性能。在有限元模拟中使用输送模块的模型，其中壳体和所述模块和部件的导热率被(单独)存储。由此可以整体计算出从所述位置到容器中的导热率。
有限元模拟可以利用输送模块的构造的简化的二维模型来进行。二维模型例如可以包括通过输送模块的横截面。如果输送模块构造得至少近似对称的话，则二维模型是较合理的，因为只有这样，利用二维模型确定的导热率的数值才允许实现对三维的实际导热率的现实估计。因此特别优选的是，实施三维的有限元模拟，其中用于有限元模拟的模型与输送模块的实际构造相符并且还考虑到与输送模块的(通常对称的)基本形状相区别的三维特点。在具有圆形或圆柱形的基本形状的输送模块中，这种与基本形状相区别的特点例如可以是用于液位传感器的凹处和/或凸处。圆的或圆形的输送模块本身也可以在无这种特点的情况下被简单地二维模拟。
此外有利的是，步骤b)中的导热率(αModul)通过实验确定，其中确定在容器中在PTC加热件处的第一温度和在容器中的第二温度，并确定从PTC加热件流入容器中的热量，其中由第一温度和第二温度以及热量计算出所述导热率。
这是用于确定步骤b)的导热率的实验方法。对第一和第二温度的确定例如可以以如下方式进行：在输送模块的与容器连接的面上并且在PTC加热件的位置分别设有一个热交换器，该热交换器设定一确定的温度并且与输入或输出相应热交换器的热量无关地保持该温度，来维持所述温度。这类热交换器例如可以是正好具有第一温度或第二温度的大量液体流过的液体热交换器。
在PTC加热件的位置与容器之间由于第一温度与第二温度的温差而流动的热量可以通过在输送模块处的传感器测出。当然在此也可以在周围区域布置多个温度传感器，它们使得能够尽可能精确地确定温度场或温度均值。但也可以通过相应热交换器处的能量平衡来确定热量。向第一热交换器输入或从其输出的热量和向第二热交换器输入或从其输出的热量分别对应于从所述PTC加热件的位置传输至容器中的热量或反之从容器传输至PTC加热件的热量。但这只适用于不出现热损耗的情况。在计算导热率时，必要时可以通过第一热交换器处输入或输出的热量与第二热交换器处输入或输出的热量的比较对热损耗加以考虑。
这种用于确定导热率的实验方法是有利的，因为不需要建立复杂的FEM模型来计算导热率。此外，利用该方法还可以在输送模块构造特别复杂时较为精确地确定实际的导热率。
在步骤c)中，由最大电功率和导热率计算出PTC加热件的转变温度(Tschalt)。该计算可以例如利用数学公式进行，该数学公式描述了转变温度、电功率与导热率之间的关系。
特别有利的方法是，在步骤c)中考虑在不发生液态添加剂的化学改变的情况下在容器中可出现的最大温度(Tmax，HWL)。
该最大温度例如优选处于50℃和90℃之间，优选处于70℃和80℃之间。通过在步骤c)中对该最大温度加以考虑，可以防止容器中的液态添加剂由于使用PTC加热件而发生化学改变。
此外有利的是，在步骤c)中采用一个在容器中会出现的最小温度(Tmin，HWL)，其中该最小温度小于或等于-11℃。PTC加热件的位置或PTC加热件与容器之间的最大可能的温差通常取决于该最小温度。该最小温度可以例如由在机动车环境中会出现的最低温度和/或通过在结冰时将容器中的液态添加剂理论上过冷却的温度来确定。最小温度可以分区域不同地确定，例如在像瑞典或挪威等北部国家要明显低于在像西班牙或意大利等南部国家。最小温度通常处于-20℃和-50℃之间。
最小温度可以被用作是PTC元件的工作范围的下限温度。
优选的是，在步骤d)中安装至少一种基于钛酸钡的PTC材料。钛酸钡(BaTiO3)是一种由钡和钛组成的混合氧化物。钛酸钡在约120℃时发生相变，这导致电阻的阶跃式升高。该效应被作为转变温度使用。通过不同的材料添加可以在必要时根据在步骤c)中所计算出的转变温度还精确地调整PTC材料的所期望的转变温度。基于钛酸钡的PTC材料可以被提供为碳酸钡和二氧化钛的混合物。碳酸钡和二氧化钛的粉末状的混合物通常会在高温下被烧结。由此产生钛酸钡。可以向该粉末状的混合物加上材料添加剂。通过粉末状混合物中的碳酸钡和二氧化钛与附加的材料添加剂的比例关系可以调整PTC材料的电特性以及尤其是转变温度。
优选的是，在步骤d)中安装的PTC材料在转变温度和下限温度之间的范围内具有基本上恒定的电阻。该PTC材料的电阻优选在下限温度和转变温度之间的工作温度范围内的变化小于30％，优选甚至小于20％并且特别优选小于10％。这使得PTC元件所消耗的电功率在整个工作温度范围内基本上恒定，而无需额外措施来影响电功率。例如，可以省却额外的用于控制PTC加热件的控制电阻器。
还要指出的是，在必要时在多个(预先规定的)位置安装多个PTC加热件，而其中各相应于其转变温度设置相匹配的PTC加热件。由此所述多个PTC加热件可以具有相同和/或不同的转变温度，特别是为了实现容器中的(冷冻的)添加剂的尽可能快地加热。
下面要对根据所述方法所提供的输送模块在容器中的安装加以说明，其中该输送模块具有壳体，该壳体能被置入到容器的底部中，并且其中该壳体将输送模块的第一内室与容器的第二内室隔开并且在输送模块的第一内室中设有电PTC加热件，该电PTC加热件的转变温度处于80℃和150℃之间。
特别有利的输送模块是，该输送模块具有热分配结构，该热分配结构布置在壳体的第一内室中并且被布置用于将热量从PTC加热件输送至壳体。
这类输送模块的壳体优选(主要)由合成材料(塑料)构成。热分配结构可以例如由铝制成。PTC加热件向容器中的导热率也就主要取决于壳体并且尤其是壳体的形状、壳体的(壁)厚度和壳体的材料。通过热分配结构实现了热量在壳体的第一内室中的均匀和/或定向的分布。
在将根据所述方法所制成的输送模块安装在容器中的另一种实施变型方案中，设有壳体，该壳体能够被置入到容器的底部中，其中电PTC加热件设置在包围壳体的罩体中，并且PTC加热件的转变温度位于50℃和90℃之间，优选位于70℃和80℃之间。尤其是这样选择转变温度，使得在罩体外部处存在位于50℃和90℃之间、尤其是70℃和80℃之间的确定的最大温度。
这类罩体尤其是钟形的。该罩体只在壳体与容器的第二内室相接处的区域中包围壳体。该罩体优选(主要)由合成(塑料)材料制成。PTC加热件的位置优选位于罩体中/罩体上。该至少一个PTC加热元件可以被浇注到和/或注塑到罩体中。还可以在罩体中设置热分配结构，它们具有非常好的导热性并且与PTC加热件的位置相接触，以便分配钟形罩体中的PTC加热件的热量。
对所述方法所描述的特别的优点和构型特征可以以类似方式应用和转用于所述不同的各输送模块。同样，结合该输送模块所述的特殊的优点和构型特征也同样可以以类似方式应用和转用于所述方法。
下面在此提出一种机动车，该机动车具有内燃机以及用于净化内燃机排气的排气处理装置、用于储存液态添加剂的容器和所述的输送模块，该输送模块布置用于从容器输送液态添加剂至排气处理装置。优选在排气处理装置中设有SCR催化器(催化转化器)，由此转化/减少内燃机排气中的氮氧化合物。
附图说明
下面利用附图详细描述本发明以及技术领域。要指出的是，附图且尤其是附图中所示的大小比例关系只是示意性的。
附图示出：
图1示出所述方法的流程图，
图2示出PTC加热件的特征曲线，
图3示出所述输送模块在容器中的第一实施变型方案，
图4示出所述输送模块在容器中的第二实施变型方案，
图5示出具有所述输送模块的机动车。
具体实施方式
根据图1的流程图中可以看出在制造输送模块时所经过的上面所述的方法步骤a)至d)。
图2示出PTC以线图绘出了电阻轴16关于温度轴17的曲线18。在PTC曲线18上可以看出，绘制到电阻轴16上的电阻在低温时非常低。根据PTC曲线18，电阻在转变温度(Schalttemperatur)4时突然升向高值。因而从到达转变温度4起，流过PTC加热元件的电流突然下降。还可以看出用于输送模块运行的下限温度22。在下限温度22和转变温度4之间存在一个工作温度范围23。在该工作温度范围23内的温度可以在PTC元件运行时出现。在工作温度范围23内以取决于温度的方式至多出现小于30％、优选小于20％并且特别优选小于10％的电阻变化24。
在图3和图4中分别示出了容器3，其中置入了输送模块2。该输送模块2各具有壳体5，其中布置有用于输送液态添加剂的部件，尤其是泵19。泵19在抽吸位置25经由管路14从容器3获取液态添加剂并再经由(具有较高压力的)管路14将该液态添加剂提供给供给接口26。
在根据图3的实施变型方案中，PTC加热件1在壳体5的第一内室7中被布置在位置21处。该PTC加热件1在此还与热分配结构20相组合。热分配结构20在壳体5中并且尤其是在壳体5的壁上分配由PTC加热件1产生的热量。该热量可以从壳体5的第一内室7通过壳体5到达容器3的第二内室8。
在根据图4的实施变型方案中，在输送模块2上设有罩体9，该罩体局部包围壳体5。尤其是壳体5的朝向容器3的内室8的一侧被罩体9包围或者覆盖。在罩体9中在至少一个位置21内置有至少一个PTC加热件1。由PTC加热件1产生的热量必须只通过罩体9的材料传输来到达容器的第二内室8。
图5示出机动车10，其具有内燃机11和用于净化内燃机11的排气的排气处理装置12。在排气处理装置12中设有SCR催化器13，由添加装置15为该SCR催化器供给用于排气净化的液态添加剂。该添加装置15利用输送模块2从容器3获得液态添加剂(尿素水溶液)，其中从容器3输出液态添加剂并经由管路14提供给添加装置15。
预防性地还要指出的是，在附图中所示的技术特征的组合并非一般强制性的。因而一个附图的技术特征可以与其它附图的其它技术特征和/或总的说明相组合。除非特征组合在此已被明确给出和/或除非本领域技术人员认为该装置或方法的基本功能此外不再能满足。
附图标记列表
1PTC加热件
2输送模块
3容器
4转变温度
5壳体
6底部
7第一内室
8第二内室
9罩体
10机动车
11内燃机
12排气处理装置
13SCR催化器
14管路
15添加装置
16电阻轴
17温度轴
18PTC曲线
19泵
20热分配结构
21位置
22下限温度
23工作温度范围
24电阻变化
25抽吸位置
26供给接口。

Claims (11)

1.一种用于制造安装在用于储存液态添加剂的容器(3)中的带有电PTC加热件(1)的输送模块(2)的方法，该方法包括至少如下步骤：
a)确定可供输送模块(2)使用的最大电功率，
b)确定输送模块(2)从电PTC加热件(1)的位置(21)向容器(3)中的导热率，
c)由最大电功率和导热率计算出PTC加热件(1)的转变温度(4)，
d)在所述位置(21)处为PTC加热件(1)安装具有相应转变温度(4)的PTC材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于步骤a)的最大电功率的值确定为在100瓦特至200瓦特之间。
3.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，利用输送模块(2)的有限元模拟确定步骤b)中的导热率。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过实验确定步骤b)中的导热率，其中确定在容器(3)中的第一温度和在容器(3)中在PTC加热件(1)的位置(21)处的第二温度，并确定从PTC加热件(1)流入容器(3)的热量，其中由第一温度和第二温度的温差以及热量计算出所述导热率。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤c)中采用在不发生液态添加剂的化学改变的情况下在容器(3)中能够出现的最大温度。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤c)中考虑在不发生液态添加剂的化学改变的情况下在容器(3)中能够出现的最大温度。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤d)中安装至少一种基于钛酸钡的PTC材料。
8.一种用于安装在容器(3)中的输送模块(2)，该输送模块根据上述权利要求之一所述的方法制造，其中所述输送模块(2)具有壳体(5)，该壳体能被置入到容器(3)的底部(6)中，并且其中该壳体(5)将输送模块(2)的第一内室(7)与容器(3)的第二内室(8)隔开并且在输送模块(2)的第一内室(7)中设有电PTC加热件(1)，该电PTC加热件的转变温度(4)处于80℃和150℃之间。
9.根据权利要求8所述的输送模块(2)，其中所述输送模块(2)具有热分配结构(20)，该热分配结构布置在壳体(5)的第一内室(7)中并且被布置用于将热量从PTC加热件(1)向壳体(5)输送。
10.一种用于安装在容器(3)中的输送模块(2)，该输送模块根据上述权利要求1至7之一所述的方法制造，其中所述输送模块(2)具有壳体(5)，该壳体能够被置入到容器(3)的底部(6)中，其中电PTC加热件(1)设置在包围壳体(5)的罩体(9)中，并且电PTC加热件的转变温度(4)位于50℃和90℃之间。
11.一种机动车(10)，该机动车具有内燃机(11)以及用于净化内燃机(11)的排气的排气处理装置(12)、用于储存液态添加剂的容器(3)和根据权利要求8至10之一所述的输送模块(2)，该输送模块布置用于从容器(3)输送液态添加剂至排气处理装置(12)。
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