DE102006041863A1

DE102006041863A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen eines Elektrolyten und Verwendung einer magnetohydrodynamischen Pumpe

Info

Publication number: DE102006041863A1
Application number: DE200610041863
Authority: DE
Inventors: Udo Dr. Reiländer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-09-07
Also published as: DE102006041863B4

Abstract

Eine magnetohydrodynamische Pumpe (2) umfasst eine Fluidführung (3). In der Fluidführung (3) sind zwei Elektroden angeordnet zum Erzeugen eines elektrischen Feldes. Das elektrische Feld weist eine auf einer Längsachse der Fluidführung (3) senkrecht stehende elektrische Feldkomponente (E) auf. Ferner umfasst die magnetohydrodynamische Pumpe (2) eine Magnetanordnung zum Erzeugen eines Magnetfeldes. Das Magnetfeld weist eine auf der Achse der Fluidführung (3) und auf der elektrischen Feldkomponente (E) senkrecht stehende Magnetfeldkomponente (B) auf. Zum Erwärmen eines Elektrolyten in der Fluidführung (3) wird ein Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung (U) an die Elektroden angelegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Elektrolyten mit einer magnetohydrodynamischen Pumpe. Die magnetohydrodynamische Pumpe umfasst eine Fluidführung. In der Fluidführung sind zum Erzeugen eines elektrischen Feldes zwei Elektroden angeordnet. Das elektrische Feld weist eine auf einer Längsachse der Fluidführung senkrecht stehende elektrische Feldkomponente auf. Ferner umfasst die magnetohydrodynamische Pumpe eine Magnetanordnung zum Erzeugen eines Magnetfeldes. Das Magnetfeld weist eine auf der Achse der Fluidführung und auf der elektrischen Feldkomponente senkrecht stehende Magnetfeldkomponente auf.
Aus der US 6,146,103 ist eine magnetohydrodynamische Mikropumpe bekannt. Die Mikropumpe kann einen kontinuierlichen und reversiblen Fluss eines Elektrolyten erzeugen, wobei eine Flussrate kontrollierbar ist. Der Fluss kann durch Umdrehen eines elektrischen Ladungsschlusses oder durch Umpolen eines magnetischen Feldes umgedreht werden. Durch einen Versatz der Elektroden kann ein Wirbel im Elektrolyten zum Mixen unterschiedlicher Flüssigkeiten erzeugt werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Elektrolyten zu schaffen, das beziehungsweise die einfach das Erwärmen des Elektrolyten ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Elektrolyten mit einer magnetohydrodynamischen Pumpe aus. Die magnetohydrodynamische Pumpe umfasst eine Fluidführung. In der Fluidführung sind zum Erzeugen eines elektrischen Feldes zwei Elektroden angeordnet. Das elektrische Feld weist eine auf einer Längsachse der Fluidführung senkrecht stehende elektrische Feldkomponente auf. Ferner umfasst die magnetohydrodynamische Pumpe eine Magnetanordnung zum Erzeugen eines Magnetfeldes. Das Magnetfeld weist eine auf der Achse der Fluidführung und auf der elektrischen Feldkomponente senkrecht stehende Magnetfeldkomponente auf. Zum Erwärmen des Elektrolyten wird ein Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung an die Elektroden angelegt.
Der Wechselstrom beziehungsweise die Wechselspannung bewirken, dass eine Lorenzkraft auf Ionen des Elektrolyten in wechselnd unterschiedlicher Richtung wirkt. Dadurch werden die Ionen in Schwingung versetzt. Dies führt zum Erwärmen des Elektrolyten. Das Erwärmen des Elektrolyten durch Anlegen der Wechselspannung ist besonders vorteilhaft, da der Elektrolyt im gesamten Querschnitt der Fluidführung 4 gleichmäßig erwärmt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung wird der Wechselstrom und/oder die Wechselspannung so angelegt, dass ein Wert des Wechselstroms beziehungsweise der Wechselspannung um einen vorgegebenen Mittelwert des Wechselstroms beziehungsweise der Wechselspannung schwingt, wobei der Mittelwert ungleich Null ist. Dies bewirkt, dass trotz des Erwärmens des Elektrolyten ein Elektrolytstrom in eine vorgegebene Richtung entlang der Längsachse der Fluidführung resultiert. Dies ist besonders vorteilhaft, da dann die magnetohydrodynamische Pumpe zum Erwärmen und zum Pumpen des Elektrolyten verwendet werden kann.
Die vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens kann ohne weiteres auf eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung übertragen werden.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung durch eine Verwendung der magnetohydrodynamischen Pumpe zum Pumpen von Harnstoff aus. Dies ist besonders vorteilhaft, da die magnetohydrodynamische Pumpe keine beweglichen Teile aufweist und da lediglich die Fluidführung und die Elektroden dem Harnstoff ausgesetzt sind.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß eines dritten Aspekts der Erfindung durch eine Verwendung der magnetohydrodynamischen Pumpe zum Erwärmen des Harnstoffs aus. Der Harnstoff weist einen relativ hohen Gefrierpunkt auf. In vielen Anwendungen, in denen Harnstoff benötigt wird, kann somit ein Einfrieren des Harnstoffs problematisch sein. Die Verwendung der elektromagnetischen Pumpe zum Erwärmen des Harnstoffs ermöglicht einfach, das Einfrieren des Harnstoffs zu verhindern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des dritten Aspekts der Erfindung wird die magnetohydrodynamische Pumpe zum Erwärmen und/oder zum Pumpen von Harnstoff in einem Kraftfahrzeug verwendet. Im Kraftfahrzeug werden regelmäßig so tiefe Temperaturen erreicht, dass der Harnstoff gefrieren könnte. Der Harnstoff wird im Kraftfahrzeug vorzugsweise zur Minderung von Schadstoffemissionen verwendet. Die Verwendung der elektromagnetischen Pumpe im Kraftfahrzeug trägt somit in Verbindung mit dem Harnstoff zu einem günstigen Schadstoffemissionsverhalten des Kraftfahrzeugs bei. Ferner erübrigt sich durch das Verwenden der Pumpe zum Erwärmen und zum Pumpen des Harnstoffs eine weitere Pumpe zum Pumpen des Harnstoffs.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine magnetohydrodynamische Pumpe,
2 Feldkomponenten und eine Kraftkomponente,
3 ein Spannungs-Zeit-Diagramm,
4 ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Erwärmen eines Elektrolyten.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine magnetohydrodynamische Pumpe 2 (1) umfasst eine Fluidführung 3, zumindest eine erste und zweite Elektrode 4, 6 und eine Magnetanordnung.
Die Fluidführung 3 umfasst beispielsweise einen rechtwinkligen Kanal. Vorzugsweise ist der rechtwinklige Kanal so ausgebildet, dass die Seiten, an denen die Elektroden angeordnet sind, die kurzen Seiten des Rechtecks darstellen. Dies trägt dazu bei, dass durch die Magnetanordnung ein vorzugsweise möglichst großes Magnetfeld erzeugt werden kann, da die Abstände der Magneten durch die kurzen Seiten des rechtwinkligen Kanals vorgegeben sind. Alternativ dazu kann die Fluidführung 3 ein Rohr und/oder einen Schlauch umfassen. Die Fluidführung 3 ist vorzugsweise aus einem isolierenden Material gebildet.
Die Elektroden sind vorzugsweise in der Fluidführung 3 angeordnet. Falls die Fluidführung 3 einen kreisförmigen Querschnitt hat, so können auch die Elektroden im Querschnitt kreisumfangsförmig ausgebildet sein und an die Wandungen der Fluidführung 3 angepasst sein. Ferner kann die magnetohydrodynamische Pumpe 2 mehrere Elektrodenpaare aufweisen.
Die Magnetanordnung umfasst vorzugsweise einen ersten und einen zweiten Permanentmagneten 10, 12, die so angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein magnetisches Feld erzeugt wird. Die Permanentmagnete können beispielsweise Stabmagnete sein. Alternativ dazu kann auch ein Hufeisen- oder C-förmiger Permanentmagnet verwendet werden. Alternativ dazu kann das Magnetfeld auch mit einer Spule und vorzugsweise mit einem Joch erzeugt werden. Die Magnetanordnung ist vorzugsweise außerhalb der Fluidführung 3 angeordnet, damit die Magnetanordnung nicht dem Elektrolyten ausgesetzt ist.
Die Magnetanordnung ist vorzugsweise so angeordnet, dass das von der Magnetfeldanordnung erzeugte Magnetfeld eine Magnetfeldkomponente B aufweist (2), die senkrecht auf einer Achse der Fluidführung 3 steht. Ferner sind die Magnetanordnung und die Elektroden vorzugsweise so angeordnet, dass das elektrische Feld eine elektrische Feldkomponente E aufweist, die senkrecht auf der Magnetfeldkomponente B und senkrecht auf der Achse der Fluidführung 3 steht.
Falls sich der Elektrolyt in der Fluidführung 3 befindet und das elektrische Feld durch Anlegen einer vorgegebenen Gleichspannung mit dem Mittelwert U_NULL der vorgegebenen Gleichspannung erzeugt wird, so werden die Ionen des Elektrolyten entlang der elektrischen Feldlinien beschleunigt. Die elektrischen Feldlinien haben eine Richtungskomponente, die senkrecht auf der Achse der Fluidführung 3 steht. Durch die Bewegung der geladenen Ionen im Magnetfeld mit der Richtungskomponente senkrecht zu der Magnetfeldkomponente B wirkt eine Lorenz-Kraft mit einer Kraftkomponente F auf die Ionen. Die Kraftkomponente F ist parallel zu der Achse der Fluidführung 3. Somit werden die Ionen mit einer Richtungskomponente parallel zu der Achse der Fluidführung 3 beschleunigt.
Die Bewegung der Ionen kann zum Pumpen des Elektrolyten ausgenutzt werden. Bevorzugt wird jedoch mit der magnetohydrodynamischen Pumpe nicht nur der Elektrolyt gepumpt, sondern auch erwärmt. Dazu wird an die Elektroden nicht die Gleichspannung mit dem Mittelwert U_NULL angelegt, sondern eine Wechselspannung U und/oder ein Wechselstrom (3). Falls die Wechselspannung U so an die Elektroden angelegt wird, dass ein Wert der Wechselspannung U um den Nullpunkt der Spannung schwingt, so wird der Elektrolyt lediglich erwärmt.
Wird die Wechselspannung U jedoch so an die Elektroden angelegt, dass der Wert der Wechselspannung U beispielsweise um den vorgegebenen Mittelwert U_NULL der Gleichspannung schwingt und dass eine Amplitude der Wechselspannung U größer ist als der Mittelwert U_NULL, so werden die Ionen mit zumindest einer Richtungskomponente abwechselnd in beide möglichen Richtungen entlang der Achse der Fluidführung 3 beschleunigt, wobei aus der Schwingung um den Mittelwert U_NULL der Gleich spannung eine Bewegung des Elektrolyten in lediglich eine der beiden möglichen Richtungen resultiert. Somit wird der Elektrolyt durch die Fluidführung 3 gepumpt und gleichzeitig erwärmt.
Wird die Wechselspannung U jedoch so an die Elektroden angelegt, dass der Wert der Wechselspannung U beispielsweise um den vorgegebenen Mittelwert U_NULL der Gleichspannung schwingt und dass eine Amplitude der Wechselspannung U kleiner ist als der Mittelwert U_NULL, so werden die Ionen lediglich entlang einer Richtungskomponente parallel zur Achse der Fluidführung 3 beschleunigt, jedoch mit einer unterschiedlich starken Kraft. Auch dies kann zu einem Anregen der Ionen zu einer Schwingung beitragen. Ferner resultiert daraus eine Bewegung der Ionen entlang der Richtungskomponente parallel zur Achse der Fluidführung 3.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die magnetohydrodynamische Pumpe zum Pumpen von Harnstoff, insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Ein Einspritzen des Harnstoffs in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs kann zu einem Reduzieren von NOx-Emissionen des Kraftfahrzeugs beitragen. Der Harnstoff ist jedoch ein aggressives Medium und hat einen relativ hohen Gefrierpunkt. Bei der magnetohydrodynamischen Pumpe sind lediglich die Fluidführung 3 und die Elektroden dem Harnstoff ausgesetzt. Dies ist bezüglich einer Korrosion aufgrund des aggressiven Mediums Harnstoff günstig. Ferner sind Kraftfahrzeuge regelmäßig Temperaturen ausgesetzt, die unterhalb des Gefrierpunkts des Harnstoffs liegen. Bei derartigen Temperaturen wäre dann eine Schadstoffminderung durch Einspritzen des Harnstoffs verhindert. Das Erwärmen des Harnstoffs mit der magnetohydrodynamischen Pumpe trägt somit im Kraftfahrzeug zu einem Vermindern von Schadstoffemissionen des Kraftfahrzeuges bei. Ferner erübrigt sich das Vorsehen einer Harnstoffpumpe beziehungsweise einer Harnstoffheizung.
Ein erstes Programm zum Erwärmen des Elektrolyten, insbesondere des Harnstoffs kann beispielsweise auf einem Speichermedium einer Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs gespeichert sein. Das Programm zum Erwärmen des Elektrolyten wird vorzugsweise in einem Schritt S1 gestartet, in dem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden.
In einem Schritt S2 wird eine Temperatur TEMP des Elektrolyten ermittelt.
In einem Schritt S3 wird geprüft, ob die Temperatur TEMP des Elektrolyten kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert THD ist. Ist die Bedingung des Schritts S3 erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S5 fortgesetzt. Ist die Bedingung des Schritts S3 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S4 fortgesetzt.
Im Schritt S4 wird zum Pumpen des Elektrolyten die Spannung mit dem Mittelwert U_NULL an die Elektroden angelegt. Alternativ dazu kann nach dem Schritt S3 erneut der Schritt S1 abgearbeitet werden, falls lediglich der Elektrolyt erwärmt werden muss.
Im Schritt S5 wird die Wechselspannung U an die Elektroden angelegt.
Vorzugsweise wird das Programm zum Erwärmen des Elektrolyten regelmäßig während des Betriebs des Kraftfahrzeugs abgearbeitet.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann die Magnetanordnung anders ausgebildete Magnete umfassen. Ferner können die Elektroden unterschiedlich ausgebildet sein.

Claims

Verfahren zum Erwärmen eines Elektrolyten mit einer magnetohydrodynamischen Pumpe (2), die eine Fluidführung (3) umfasst, in der zwei Elektroden angeordnet sind zum Erzeugen eines Elektrischen Feldes, das eine auf einer Längsachse der Fluidführung (3) senkrecht stehende elektrische Feldkomponente (E) aufweist, und die eine Magnetanordnung umfasst zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das eine auf der Achse der Fluidführung (3) und auf der elektrischen Feldkomponente (E) senkrecht stehende Magnetfeldkomponente (B) aufweist, bei dem zum Erwärmen des Elektrolyten ein Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung (U) an die Elektroden angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Wechselstrom und/oder die Wechselspannung (U) so an die Elektroden angelegt werden, dass ein Wert des Wechselstroms und/oder ein Wert (U) der Wechselspannung (U) um einen vorgegebenen Mittelwert (U_NULL) des Wechselstroms bzw. der Wechselspannung (U) schwingen, wobei der Mittelwert (U_NULL) ungleich null ist.
Vorrichtung zum Erwärmen eines Elektrolyten mit einer magnetohydrodynamischen Pumpe (2), die eine Fluidführung (3) umfasst, in der zwei Elektroden zum Erzeugen eines Elektrischen Feldes angeordnet sind, das eine auf einer Längsachse der Fluidführung senkrecht stehende elektrische Feldkomponente (E) aufweist, und die eine Magnetanordnung umfasst zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das eine auf der Achse der Fluidführung (3) und auf der elektrischen Feldkomponente (E) senkrecht stehende Magnetfeldkomponente (B) aufweist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, zum Erwärmen des Elektrolyten einen Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung (U) an die Elektroden anzulegen.
Verwendung einer magnetohydrodynamischen Pumpe (2) zum Pumpen von Harnstoff.
Verwendung einer magnetohydrodynamischen Pumpe (2) zum Erwärmen von Harnstoff.
Verwendung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei der die magnetohydrodynamische Pumpe (2) zum Erwärmen und/oder zum Pumpen von Harnstoff in einem Kraftfahrzeug verwendet wird.