DE102007025690A1

DE102007025690A1 - Verfahren und Anordnung zum Erwärmen eines Mediums in einem lang gestreckten Behältnis, insbesondere in einer schlauchförmigen Flüssigkeitszuleitung

Info

Publication number: DE102007025690A1
Application number: DE200710025690
Authority: DE
Inventors: Vladimir Minčenja; Helmut Roppelt
Original assignee: HPF GmbH
Current assignee: HPF GmbH
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2008-12-04
Also published as: WO2008145367A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Anordnung (1) zum Erwärmen eines Mediums (2) in einem lang gestreckten Behältnis (6), insbesondere in einer schlauchartigen Flüssigkeitszuleitung, mit wenigstens zwei das Behältnis (6) zumindest abschnittsweise umgebenden Spulen (12) sowie mit einer Wechselspannungsquelle (20), welche die Spulen (12) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes innerhalb des Behältnisses (6) mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt, zeichnen sich dadurch aus, dass innerhalb des Behältnisses (6) ein sich innerhalb des Mediums (2) erstreckendes Heizelement (14) aus einem ferromagnetischen oder magnetostriktiven Werkstoff angeordnet ist, dass die Spulen (12) in der Weise außerhalb des Behältnisses (6) angeordnet sind, dass innerhalb des Behältnisses (6) zwei einander entgegengerichtete magnetische Wechselfelder erzeugt werden und dass die Wechselspannungsquelle (20) die Spulen (12) mit einer Wechselspannung beaufschlagt, deren Frequenz im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der mechanischen Längsschwingung des Heizelements (14) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Erwärmen eines Mediums in einem lang gestreckten Behältnis, insbesondere in einer schlauchartigen Flüssigkeitszuleitung, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 13.
Beim Betrieb von Dieselmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, besteht bekanntermaßen das Problem, dass der Dieselkraftstoff bei tiefen Temperaturen seine Fließfähigkeit verliert, wodurch das Starten und auch der zuverlässige Betrieb der Motoren insbesondere im Winter stark beeinträchtigt wird.
Das gleiche Problem ergibt sich bei Dieselmotoren ebenfalls im Zusammenhang mit der Reinigung der Verbrennungsabgase unter Einsatz eines Reduktionsmittels in Form von wässriger Harnstofflösung, welche zur Neutralisation der Stickoxidverbindungen bekanntermaßen in den Abgasstrom eingespritzt wird, da die Harnstofflösung aufgrund ihres Wasseranteils bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ebenfalls ihre Fließfähigkeit verliert, und hierdurch eine präzise Einspritzung nicht mehr möglich ist.
Die DE 44 32 576 A1 beschreibt in diesem Zusammenhang eine zuvor erwähnte Einrichtung zum Einbringen von einer Harnstofflösung in die Abgasleitung eines Verbrennungsmotors, bei welcher die Zufuhrleitung für den Harnstoff über ihre gesamte Länge hinweg über eine Heizung beheizbar ist, um ein Einfrieren der Harnstofflösung zu verhindern. Mit der Ausnahme, dass die Wärmeenergie für die Zufuhrleitung elektrisch zugeführt werden kann, gibt die Schrift keinen Hinweis darauf, wie die Heizung der Zuführleitung konkret ausgestaltet ist.
Weiterhin ist es aus der DE-OS 2363244 bekannt, innerhalb einer Zuführleitung für eine viskose Flüssigkeit in einer Dosiereinrichtung für Polyurethanschaum einen elektrischen Heizdraht vorzusehen, der über von außen durch die Leitung hindurch geführte elektrische Anschlussleitungen mit Strom beaufschlagt werden kann, um den Draht zu erwärmen.
Ein Problem bei der beschriebenen Anordnung stellt es hierbei dar, dass im Bereich der Durchführung der elektrischen Anschlussleitungen in den Innenraum der Zuleitung leicht Undichtigkeiten auftreten können, die insbesondere durch einen hohen Innendruck sowie große Temperaturdifferenzen zwischen dem Medium und der Umgebung noch begünstigt werden.
Weiterhin ist aus der DE 197 32 834 A1 eine Vorrichtung zur Behandlung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen bekannt, die zwei um die Brennstoffleitung herum angeordnete elektrische Spulen aufweist, welche über eine Wechselstromquelle mit einer elektrischen Spannung bzw. einem elektrischen Strom versorgt werden, um im Inneren der Brennstoffleitung ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, welches den Brennstoff für eine verbesserte Verbrennung konditionieren soll. Die Schrift gibt keinen Hinweis darauf, die beschriebene Vorrichtung zum Erwärmen des in der Zuleitung geführten Brennstoffs einzusetzen und hierzu innerhalb der Leitung ein Heizelement aus einem ferromagnetischen oder magnetostriktiven Werkstoff anzuordnen.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Mediums in einem lang gestreckten Behältnis, insbesondere in einer schlauchartigen Flüssigkeitszuleitung, zu schaffen, mit denen eine Erwärmung des in dem Behältnis geführten Mediums von außen her erfolgen kann, ohne dass es hierzu einer Durchführung von elektrischen Zuleitungen durch die Außenwand des Behältnisses bedarf.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 und 13 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren zum Erwärmen eines Mediums in einem lang gestreckten Behältnis, welches vorzugsweise eine schlauchartige Flüssigkeitszuleitung für Kraftstoff oder für ein Reduktionsmittel wie Harnstofflösung in einem Verbrennungsmotor ist, das Behältnis von wenigstens zwei Spulen umgeben, die innerhalb des Behältnisses jeweils ein magnetisches Wechselfeld erzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass jede Spule ein – bezogen auf die benachbarten beiden Spulen – jeweils entgegengerichtetes magnetisches Wechselfeld erzeugt. Die Magnetfelder der Spulen durchdringen hierbei die Wandung des Behältnisses und durchsetzen den Innenraum des Behältnisses, in welchem sie auf ein Heizelement einwirken, das aus einem ferromagnetischen oder magnetostriktiven Werkstoff besteht, und sich innerhalb des Mediums über wenigstens einen Teil der Länge des Behältnisses im Bereich der Spulen erstreckt.
Die Frequenz der magnetischen Wechselfelder, die von den bevorzugt mehr als zwei, z. B. 6 oder 10 Spulen erzeugt wird, ist vorzugsweise für alle Spulen gleich und wird in Abhängigkeit vom Werkstoff, dem Abstand der Spulen sowie auch der Länge des Heizelements in der Weise gewählt, dass das Heizelement abschnittsweise zu gegenphasigen mechanischen Längsschwingungen angeregt wird, welche sich auf das das Heizelement umgebende Medium übertragen und dieses erwärmen.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass in der bevorzugten umfänglich geschlossenen Wand des gestreckten Behältnisses keine Durchbrüche vorgesehen werden müssen, um das Heizelement wie im Falle eines elektrischen Widerstandsdrahtes von außen her mit einem elektrischen Strom zum Erwärmen desselben zu beaufschlagen.
Hierdurch ergibt sich insbesondere im Zusammenhang mit Kraftstoffzufuhrleitungen oder auch Zufuhrleitungen für Reduktionsflüssigkeiten wie wässriger Harnstofflösung in Abgasreinigungssystemen von Kraftfahrzeugmotoren der Vorteil, dass Leckagen auch bei großen Temperaturschwankungen über einen langen Zeitraum hinweg systembedingt nicht auftreten.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der zur Durchführung des Verfahrens vorgesehenen erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich dadurch, dass als Heizelement im einfachsten Falle ein sich geradlinig erstreckender Draht eingesetzt werden kann, der bevorzugt freiliegend in der Leitung angeordnet wird, und der sich im Falle von flexiblen Leitungen nicht nur der gewünschten Form der Leitung anpasst, sondern der zudem auch im Gegensatz zu Widerstandsdrähten, die über eine elektrische Durchführung von außen her direkt mit Strom beaufschlagt werden, einen vergleichsweise geringen Strömungswiderstand aufweist.
Ein weiterer Vorteil, der sich durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der zugehörigen Anordnung ergibt ist darin zu sehen, dass das Heizelement sich im Falle von schlauchartigen Flüssigkeitszuleitungen auch bis in die Anschlussbereiche oder Anschlussabschnitte der jeweiligen Zuleitung hinein erstrecken kann, in welchen die Leitungen beispielsweise mit Hilfe eines Anschlussadapters mit einem weiteren Bauteil, z. B. einer Einspritzpumpe, verbunden sind.
Hierbei ergibt sich beispielsweise im Falle der zuvor erwähnten Kraftstoff- oder Harnstoffleitungen die Möglichkeit, ohne größeren mechanischen und elektrischen Aufwand auch den Innenraum der Zuleitung im Bereich eines Anschlussabschnitts zu erwärmen, der üblicherweise von einem metallischen Kragen oder Stutzen umgeben ist, um die Zuleitung flüssigkeitsdicht mit dem Bauteil zu verbinden. Da derartige Anschlussabschnitte in der Praxis nur sehr aufwändig mit einer elektrischen Heizwicklung versehen werden können, und sich gerade in diesen nicht beheizten Bereichen der Zuleitungen erfahrungsgemäß sehr leicht Eispfropfen bilden, die nur indirekt – und damit vergleichsweise langsam – über das in einem benachbarten Abschnitt erwärmte Medium abgeschmolzen werden können, eröffnet sich durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Anordnung die Möglichkeit, die Zeitdauer zur Inbetriebnahme eines Verbrennungsmotors auch bei sehr tiefen Außentemperaturen stark zu verkürzen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich in diesem Zusammenhang dadurch, dass das Medium in unmittelbarer Nähe des Heizelementes direkt innerhalb der Zuleitung erwärmt wird, wodurch sich z. B. bei eingefrorenen Zuleitungen, bei denen sich das Medium verfestigt hat, im Bereich der Oberfläche des Heizelements nach kurzer Zeit eine Flüssigkeitslage bildet, die von Beginn an einen wenn auch geringen Durchfluss des Mediums ermöglicht.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Zentren der Spulen in einem Abstand voneinander angeordnet, der im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der mechanischen Längsschwingung des Heizelements entspricht, wodurch dieses mit einer sehr hohen Effizienz angeregt und die eingebrachte Magnetfeldenergie effektiv in Wärmeenergie überführt wird.
Wie sich im Rahmen von Versuchen an schlauchförmigen Flüssigkeitszuleitungen mit einem eingebrachten Draht als Heizelement in überraschender Weise gezeigt hat, wird durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie den Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung erheblich mehr Wärmeenergie in das Medium eingebracht, als dies durch eine rein induktive Erwärmung eines drahtförmigen Heizelements möglich ist, welch letztere aufgrund der lang gestreckten Geometrie des Drahtes insgesamt nur einen sehr kleinen Beitrag zur Gesamterwärmung liefert, der insbesondere eine praxistaugliche Beheizung einer Kraftstoff- oder Harnstoffzuleitung nicht zulässt.
Nach einem weiteren der Erfindung zu Grunde liegenden Gedanken sind die Spulen, welche sich entlang der Flüssigkeitszuleitung erstrecken, elektrisch in Reihe geschaltet und werden bevorzugt durch ein und dieselbe Strom- bzw. Spannungsquelle mit einer elektrischen Wechselspannung versorgt, die beispielsweise ein Sinussignal mit einer Frequenz von mehr als 1 kHz, bevorzugt jedoch beispielsweise zwischen 18 kHz und 44 kHz, erzeugen kann, je nach Länge und Art des Werkstoffs des Heizelements.
Hierbei ist es in schaltungstechnischer Hinsicht von besonderem Vorteil, wenn die Wicklungsrichtung benachbarter Spulen jeweils gegenläufig ist, so dass sich bei einer Reihenschaltung der Spulen sozusagen automatisch Magnetfelder mit entgegengesetzt wirkender Magnetfeldrichtung ergeben, die das Heizelement abschnittsweise im Bereich der Spulen zu gegenphasigen mechanischen Schwingungen im Schall, bzw. Ultraschallbereich anregen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement in vorteilhafter Weise als ein sich zumindest abschnittsweise linear entlang des Behältnisses erstreckender Draht ausgestaltet.
Durch den Einsatz eines im Wesentlichen abschnittsweise geradlinig innerhalb des Behältnisses verlaufenden Drahtes als Heizelement ergibt sich der Vorteil, dass die Strömungsverluste im Falle von schlauchartigen Flüssigkeits- oder auch Gaszuleitungen vergleichsweise gering sind, so dass auch bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten keine Verwirbelungen des in der Zuleitung zugeführten Mediums auftreten.
Das als zumindest abschnittsweise geradlinig verlaufender gestreckter Draht ausgestaltete Heizelement bietet weiterhin den Vorteil, dass dieses freiliegend innerhalb des Behältnisses angeordnet werden kann, wodurch sich insbesondere im Zusammenhang mit flexiblen schlauchartigen Flüssigkeits- oder Gaszuleitungen der Vorteil ergibt, dass diese in eine den jeweiligen örtlichen Verhältnissen angepasste Form gebracht werden können, um diese beispielsweise bogenförmig um Ecken herum zu (ihren. Hierbei nimmt der Draht aufgrund seiner biegeelastischen Eigenschaften automatisch die der schlauchartigen Zuleitung aufgegebene Form an.
Der Draht kann z. B. im Falle einer schlauchartigen Flüssigkeitszuleitung für Kraftstoff oder auch für Harnstofflösung bei einem Leitungsinnendurchmesser von beispielsweise 4 bis 6 mm einen Außendurchmesser von 0,4 bis 1,5 mm, bevorzugt 0,8 mm, aufweisen, so dass – allgemein gesprochen – der Drahtdurchmesser bei den zuvor genannten Leitungen bevorzugt in etwa 1/3 bis 1/15 des Innendurchmessers der Zuleitung beträgt.
Die Länge des Drahtes kann prinzipiell beliebig sein und beträgt bevorzugt ein ganzzaliges Vielfaches der Wellenlänge der mechanischen Längsschwingung des Heizelements (n·λ/2, mit n = 1, 2, 3, 4 ....), wobei jedoch die Anzahl der Spulen, die in einem Abstand von einer halben Wellenlänge der mechanischen Längsschwingung des Drahtmaterials in vorteilhafter Weise direkt auf die äußere Umfangsfläche der Leitung aufgewickelt sind, entsprechend der Länge des Drahtes gewählt werden muss, um diesen über seine gesamte Länge hinweg zu erwärmen.
Der Draht besteht bevorzugt aus einem ähnlichen Material, wie es z. B. bei Schweißdrähten zum Schutzgasschweißen verwendet wird, und welches neben Eisen beispielsweise 0,05 bis 0,11 Gew.-% Kohlenstoff, 0,7 bis 0,95 Gew.-% Silizium, 1,8 bis 2,1 Gew.-% Magnesium, bis zu 0,2 Gew.-% Chrom, bis zu 0,25 Gew.-% Nickel und bis zu 0,025 Gew.-% Schwefel sowie weniger als 0,03 Gew.-% Phosphor enthalten kann.
Bei einer von der Anmelderin im Rahmen von Testversuchen eingesetzten Ausführungsform der Erfindung hatte der Heizdraht einen Durchmesser von 0,8 mm und eine Länge von ca. 2 m. Der Abstand der Spulen betrug dabei z. B. 3,4 cm, bei einer Breite der Spulen von 1,2 cm.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die sich durch eine verbesserte Effizienz bei der Umwandlung der eingebrachten Magnetfeldenergie in thermische Energie des zu erwärmenden Mediums auszeichnet, werden ein erster und ein zweiter Draht eingesetzt, die miteinander verdrillt sind. Durch das Verdrillen oder miteinander Verwinden der beiden Einzeldrähte werden die erzeugten mechanischen Längsschwingungen in vorteilhafter Weise zusätzlich in Torsionsschwingungen überführt, die zu einer zusätzlichen mechanischen Reibung zwischen den jeweiligen Oberflächen der beiden Drähte führen, wodurch wiederum der Wärmeeintrag in das Medium erhöht und entsprechend die Zeit zum Erwärmen des Mediums in vorteilhafter Weise verkürzt wird.
Obgleich hierbei die beiden eingesetzten Drähte bevorzugt aus dem gleichen magnetostriktiven oder ferromagnetischen Werkstoffbestehen, kann es ebenso vorgesehen sein, dass die Werkstoffe sich hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften und Parameter oder auch der Materialdicke unterscheiden, um z. B. zusätzlich Transversalschwingungen und/oder Biegeschwingungen anzuregen, die den Wärmeeintrag zusätzlich steigern.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken kann das Heizelement zwei Teilelemente aus unterschiedlichen Werkstoffen umfassen, die fest miteinander verbunden sind, und die sich hinsichtlich ihrer jeweiligen Schallausbreitungsgeschwindigkeiten unterscheiden. Die beiden Werkstoffe sind hierbei bevorzugt nach Art eines Bimetalls miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verklebt, verlötet oder verschweißt, wodurch die mechanischen Längsschwingungen des Heizelements in Transversalschwingungen überführt werden. Bei einer entsprechenden geometrischen Ausgestaltung des Heizelements ist es bei dieser Ausführungsform der Erfindung mitunter auch möglich, die Längsschwingungen zusätzlich oder alternativ in Torsionsschwingungen zu überführen, z. B. wenn das Heizelement ähnlich der beiden miteinander verdrillten Drähte ausgestalte wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Heizelement einen aus einem ersten Werkstoff bestehenden Kern umfassen, der mit einem zweiten Werkstoff, z. B. Nickel, Kupfer, Chrom oder einem sonstigen, bevorzugt inerten Material beschichtet ist, welches eine gegenüber dem ersten Werkstoff unterschiedliche Schallausbreitungsgeschwindigkeit aufweist. Hierbei kann das Heizelement im einfachsten Falle als ein zumindest abschnittsweise geradlinig verlaufender Draht ausgebildet sein, oder aber eine andere geometrische Form besitzen.
Diese Ausführungsform der Erfindung besitzt den Vorteil, dass es bedingt durch die unterschiedlichen Schallausbreitungsgeschwindigkeiten zwischen dem Kern und der diesen umgebenden Beschichtung zu einer Art molekularer Reibung kommt, die ihrerseits wiederum zu einer zusätzlichen Erwärmung des Drahtes führt, welche durch die bevorzugt nur wenige Zehntel Millimeter dicke Beschichtung hindurch direkt in das Medium übertragen wird.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken besitzt das Heizelement die Form einer Spirale, welche sich entlang des Behältnisses erstreckt, und die bevorzugt einen Durchmesser von wenigstens 3 mm und eine Ganghöhe von wenigsten 1 mm aufweist. Durch diese Ausgestaltung des Heizelements kann in vorteilhafter Weise eine verbesserte Durchmischung des Mediums während seiner Erwärmung erhalten werden, da sich die Spirale, bzw. deren Windungen beim Anlegen der einander entgegenwirkenden magnetischen Wechselfelder mit der Frequenz der Wechselfelder zusammenzieht und wieder ausdehnt, was wiederum dazu führt, dass das Medium im Bereich der Spiralwindungen durch diese alternierend verdrängt wird.
Ein weiterer Vorteil der spiralartigen Ausführungsform des Heizelements besteht darin, dass die Oberfläche des Heizelements insgesamt vergrößert wird, was den Wärmeübergang vom Heizelement auf das Medium ebenfalls verbessert.
Nach einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das Heizelement als ein mit dem zu erwärmenden Medium gefülltes Hohlrohr aus ferromagnetischem oder magnetostriktivem Werkstoff ausgestaltet sein. Hierbei sind die Windungen der wechselweise in entgegen gesetzter Richtung von Strom durchflossenen Spulen in vorteilhafter Weise im Abstand der halben Wellenlänge der mechanischen Längsschwingung des Hohlrohres bevorzugt unmittelbar auf die Außenoberfläche des Hohlrohres aufgewickelt.
Die zuvor beschriebene Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere zu einer direkten Erwärmung von Flüssigkeitsdruckleitungen wie Dieseleinspritzleitungen oder Benzineinspritzleitungen in einem entsprechenden Diesel- oder Benzinmotor eingesetzt werden kann, bietet den Vorteil, dass die Flüssigkeitsdruckleitung nicht nur rein induktiv, sondern zusätzlich auch in erfindungsgemäßer Weise aufgrund der mechanischen Längsschwingungen erwärmt wird, wodurch sich die pro Zeiteinheit eingebrachte Wärmemenge zusätzlich steigern lässt. Zudem ergibt sich gegenüber den zuvor erwähnten ohmschen Widerstandsheizelementen, die an der Außenseite einer Zuleitung angebracht sind der Vorteil, dass zu Beginn des Erwärmungsvorgangs nicht zuerst die gesamt Leitung von außen nach innen hin erwärmt werden muss, um im Anschluss daran das Medium zu erwärmen, sondern dass der Energieübertrag der in mechanische Längsschwingungen versetzten Leitung von vorn herein in erster Linie im Bereich der Kontaktfläche zwischen der Innenwand der Leitung und dem Medium erfolgt. Demgemäß wird die benötigte Zeitdauer zum Aufheizen des Mediums in vorteilhafter Weise weiter verkürzt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Frequenz der von den Spulen erzeugten magnetischen Wechselfelder, die bevorzugt größer als 1 kHz ist, in vorteilhafter Weise durchstimmbar, wodurch das Auffinden der durch den Abstand der Spulen sowie den Werkstoff des Heizelements bestimmten Resonanzfrequenz in der Praxis sehr erleichtert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform am Beispiel einer Anordnung zur Einspritzung von Harnstofflösung beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen
1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Anordnung zur Zufuhr von Harnstofflösung aus einem Vorratsbehälter in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, bei welchem die Zufuhrleitung durch eine erfindungsgemäße Anordnung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beheizbar ist,
2a eine schematische ausschnittsweise Darstellung eines aus zwei miteinander verbundenen Teilelementen geformten Heizelements,
2b eine schematische ausschnittsweise Darstellung eines aus zwei miteinander verdrillten Drähten geformten Heizelements,
2c eine schematische ausschnittsweise Darstellung eines als Spirale ausgestalteten Heizelements, und
2d eine schematische ausschnittsweise Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der das Heizelement als ein das Medium führendes Innenhohlrohr aus einem magnetostriktiven oder ferromagnetischen Material ausgestaltet ist.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung 1 zum Erwärmen von wässriger Harnstofflösung 2, die in einem lediglich schematisch gezeigten Flüssigkeitsvorratsbehälter 4 aufbewahrt und von diesem über eine schlauchartige Zuleitung 6 einer Harnstoffeinspritzeinrichtung 8 zugeführt wird, welche die wässrige Harnstofflösung 2 in das durch die Pfeile 10 angedeutete Abgas eines nicht dargestellten Dieselmotors einspritzt, eine, Vielzahl von Spulen 12a, 12b, 12c, 12d und 12e, die um die Flüssigkeitszuleitung 6 herum angeordnet sind. Die Spulen können eine Breite von z. B. 1,2 cm bzw. 2,8 cm besitzen, und sind z. B. in einem Abstand z. B. 3,4 cm bzw. 5,2 cm angeordnet.
Innerhalb der Flüssigkeitszuleitung 6 ist in erfindungsgemäßer Weise ein Heizelement 14 aus einem ferromagnetischen oder aus einem magnetostriktiven Werkstoff angeordnet, welches bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung als ein sich gradlinig entlang der Zuleitung 6 erstreckender Draht 14a ausgestaltet ist. Das eine Ende des Drahtes 14a, der bevorzugt lediglich frei in der Zuleitung 6 liegt, in dieser jedoch auch durch nicht näher gezeigte Haltemittel fixiert sein kann, erstreckt sich hierbei bevorzugt um einen Abstand B in einen flanschartigen Anschlussabschnitt 16 der Harnstoffeinspritzeinrichtung 8 hinein, in welchem die Flüssigkeitsleitung 6 dichtend mit der Harnstoffeinspritzeinrichtung verbunden ist. Hierdurch wird erreicht, dass auch dieser Abschnitt der Flüssigkeitszuleitung 6 beheizbar ist, so dass sich nach dem Einfrieren der Harnstofflösung in der Zuleitung 6 im Anschlussabschnitt 16 kein Eispfropfen bilden kann, der sich nur sehr langsam auflöst und hierdurch die Inbetriebnahme der Anordnung 1 verzögert.
Wie der Darstellung von 1 weiterhin entnommen werden kann, sind die Spulen 12a bis 12e elektrisch in Reihe geschaltet, wobei sich die Windungsrichtung zwischen benachbarten Spulen jeweils unterscheidet, was in der Darstellung von 1 schematisch durch die jeweils mit einem Kreuz, bzw. mit einem Punkt versehenen Kreise angedeutet ist, die die Spulenwindungen schematisch andeuten.
Die Anschlussleitungen 18a und 18b der im Bereich der Enden des Heizelements 14 angeordneten Spulen 12a und 12e sind mit einer elektrischen Wechselspannungsquelle 20 verbunden, die die Spulen mit einer Wechselspannung beaufschlagt, sodass innerhalb der Spulen einander entgegengerichtete Magnetfelder erzeugt werden, die das megnetostriktive oder ferromagnetische Material des Heizelements 14 jeweils mit einer magnetischen Kraft beaufschlagen. Die magnetischen Kräfte, die in den jeweils durch die Spulen definierten Bereichen wechselweise auf das Heizelement 14 wirken und dieses wechselweise komprimieren und expandieren, sind in 1 durch die unterhalb der Spulen 12a bis 12e angeordneten Pfeile angedeutet.
Wie der Darstellung von 1 weiterhin entnommen werden kann, sind die Zentren der Spulen 12a bis 12e jeweils in einem Abstand D voneinander angeordnet, der bevorzugt der Hälfte der Wellenlänge λ der mechanischen Längsschwingung des Heizelements 14 entspricht, die von der Länge des Heizelements 14 sowie dessen Materialzusammensetzung abhängt.
Der Abstand D zwischen den Spulen 12 kann beispielsweise wie bei der von der Anmelderin eingesetzten Versuchsanordnung bei einem ca. 2 m langen Stahldraht mit der zuvor beschriebenen Materialzusammensetzung und einer Dicke von 0,8 mm im Bereich von ca. 3,4 cm liegen, wobei die Spulen selbst eine Breite von ca. 1,2 cm besitzen und die schlauchartige Zufuhrleitung 6 einen Innendurchmesser von 4 mm aufweist.
Die Frequenz F der von den Spulen 12 erzeugten magnetischen Wechselfelder zur Anregung der Längsschwingungen des Heizelements 14 entspricht bevorzugt der Resonanzfrequenz der Longitudinalschwingungen des Heizelements 14. Sie wird bevorzugt empirisch dadurch ermittelt, dass die Wechselspannungsquelle 20 solange durchgestimmt wird, bis die akustisch wahrnehmbare Schallamplitude, dh. die Lautschtärke der Longitudinalschwingungen des Heizelements 14 ein Maximum annimmt. Nach dem Auffinden des Lautstärkemaximums kann eine Feinabstimmung der Frequenz der Wechselspannungsquelle 20 dadurch erfolgen, dass die Größe des durch die Spulen 12 fließenden Wechselstroms gemessen und durch einen Feinabgleich der Frequenz der Wechselspannungsquelle 20 auf einen Maximalwert eingestellt wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Heizelement als ein stabförmiges Element 14b ausgestaltet sein, das ein erstes Teilelement 22a und ein zweites Teilelement 22b umfasst, die nach Art eines Bimetalls miteinander verbunden sind. Die Teilelemente 22a und 22b bestehen dabei aus verschiedenen ferromagnetischen oder magnetostriktiven Werkstoffen, deren Schallausbreitungsgeschwindigkeiten sich voneinander unterscheiden, so dass das Heizelemente 14 ebenfalls zu Transversalschwingungen angeregt wird, die in 2a durch die Pfeile 24 angedeutet sind.
Wie weiterhin in der Darstellung von 2c gezeigt ist, kann das Heizelement zwei miteinander verdrillte Drähte 14c umfassen, die die durch die magnetischen Wechselfelder angeregten mechanischen Längsschwingungen in Torsionsschwingungen überführen, die in 2c durch die Pfeile 26 angedeutet sind.
Gemäß der weiteren in 2d dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement als eine Spirale 14d ausgestaltet, die aus einem ferromagnetischen oder magnetostriktiven Werkstoff besteht, und die gewünschten Falls auch mit einer Beschichtung oder einem Schutzüberzug aus einem inerten Material überzogen sein kann. Die Spirale 14d kann beispielsweise einen Durchmesser von wenigstens 3 mm und eine Ganghöhe von wenigsten 1 mm aufweisen und erstreckt sich über die gesamte Länge der schlauchartigen Zuleitung oder zumindest über eine Teil derselben hinweg.
Schließlich kann das Heizelement als ein mit dem zu erwärmenden Medium 6 gefülltes Hohlrohr 14e aus einem ferromagnetischen oder magnetostriktiven Werkstoff ausgestaltet sein, z. B. als Stahldruckleitung. In diesem Falle ist das Hohlrohr 14e in gleicher Weise wie die Flüssigkeitszuleitung der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf seiner Außenseite mit den Spulen 12 umgeben und wird durch die magnetischen Wechselfelder der Spulen zu jeweils abschnittsweise einander entgegen gerichteten mechanischen Längsschwingungen mit einer Frequenz im Ultraschallbereich angeregt, die sich auf das Medium 6 im inneren des Hohlrohres 14e übertragen und dieses erwärmen.
Wie in 1 ebenfalls mit gezeigt ist, wird die erfindungsgemäße Anordnung 1 bevorzugt in Verbindung mit einer Harnstoffeinspritzeinrichtung 8 verwendet, bei der der Vorratsbehälter 4 durch eine Druckluftquelle 30 mit Druckluft beaufschlagt wird, welche die Harnstofflösung 2 durch die Zuleitung 6 in Richtung der Harnstoffeinspritzeinrichtung 8 fördert. Hierdurch ergibt sich im Gegensatz zu mechanischen Förderpumpen der Vorteil, dass infolge des unmittelbaren Kontakts der Außenseite des Heizelements 14 mit der Harnstofflösung 2 letztere im Falle eines Einfrierens der Lösung nach dem Aktivieren der Spulen 12 in kürzester Zeit einen Flüssigkeitsfilm um das Heizelement 14 herum bildet. Dieser Flüssigkeitsfilm bewirkt in Verbindung mit dem im Vorratsbehälter 4 anliegenden Druck, dass die Harnstofflösung ohne Verzögerung zur Einspritzeinrichtung 8 gefördert wird.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es weiterhin vorgesehen, dass die Einspritzeinrichtung 8 ein Magnetventil 32 umfasst, das eingangsseitig mit der Flüssigkeitszuleitung 6 sowie der Druckluftquelle 30 verbunden ist, und das über eine nicht näher dargestellte elektrische Steuerungseinrichtung getaktet wird, um die Harnstofflösung 2 mit der Druckluft zu vermischen und das Gemisch über die schematisch angedeutete Düse 34 in den Abgasstrom 10 zu injizieren. Die Druckluft dient hierbei bevorzugt als Trägermedium für die Harnstofflösung 2, die z. B. über eine nicht näher gezeigte, dem Magnetventil 32 nachgeordnete weitere Düse in einen mischrohrartigen Zufuhrabschnitt 36 eingebracht wird, an dessen Ende sich die Düse 34 befindet.

1: erfindungsgemäße Anordnung
2: Medium/Harnstofflösung
4: Vorratsbehälter
6: Flüssigkeitszuleitung
8: Harnstoffeinspritzeinrichtung
10: Abgas
12a bis e: elektrische Spulen
14: Heizelement
14a: geradliniger Draht
14b: stabförmiges Heizelement aus zwei Teilelementen
14c: verdrillter Draht
14d: Spirale
14e: Hohlrohr
16: Anschlussabschnitt
18a, b: elektrische Anschlussleitungen
20: Wechselspannungsquelle
22a: erstes Teilelement
22b: zweites Teileement
24: Pfeile
26: Pfeile
30: Druckluftquelle
32: Magnetventil
34: Düse
36: mischrohrartiger Zufuhrabschnitt
B: Breite des Anschlussabschnitts
D: Abstand der Spulenzentren

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4432576 A1 [0004]
- DE 2363244 A [0005]
- DE 19732834 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Erwärmen eines Mediums (2) in einem lang gestreckten Behältnis (6), insbesondere in einer schlauchartigen Flüssigkeitszuleitung, welches von wenigstens zwei Spulen (12) umgeben ist, die innerhalb des Behältnisses (6) jeweils ein magnetisches Wechselfeld erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Behältnisses (6) ein sich über einen Teil der Länge desselben erstreckendes Heizelement (14) aus einem ferromagnetischen oder magnetostriktiven Werkstoff angeordnet ist, und dass die Spulen (12) einander entgegen gerichtete magnetische Wechselfelder mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugen, die das Heizelement (14) zu mechanischen Längsschwingungen anregen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentren der Spulen (12) in einem Abstand (D) voneinander angeordnet sind, der im Wesentlichen λ/2 entspricht, und dass das Heizelement (14) insbesondere eine Länge aufweist, die im Wesentlichen n = λ/2 beträgt, wobei n eine natürliche ganze Zahl und λ die Wellenlänge der mechanischen Längsschwingung des Heizelements (14) sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (12) elektrisch miteinander verbunden sind, und dass der Umlaufsinn der Wicklung der einen Spule (12a, 12c, 12e) entgegengesetzt zum Umlaufsinn der Wicklung der anderen Spule (12b, 12d) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement einen Draht (14a) umfasst, der innerhalb des Behältnisses (6) freiliegend angeordnet ist, und der sich im Wesentlichen geradlinig entlang eines mit den Spulen (12) besetzten Teilabschnitts des Behältnisses erstreck.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement einen ersten und zweiten Draht (14c) umfasst, die miteinander verdrillt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement als stabförmiges Heizelement (14b) ausgestaltet ist, welches wenigstens zwei Teilelemente (22a, 22b) aus unterschiedlichen Werkstoffen mit voneinander verschiedenen Schallausbreitungsgeschwindigkeiten umfasst, die in der Weise miteinander verbunden sind, dass das Heizelement (14b) durch die magnetischen Wechselfelder zu Transversalschwingungen und/oder Torsionsschwingungen angeregt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (14) einen aus einem ersten Werkstoff bestehenden Kern umfasst, der mit einem zweiten Werkstoff beschichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement die Form einer Spirale (14d) besitzt, welche sich entlang des Behältnisses (6) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das die Spirale (14d) einen Durchmesser von wenigstens 3 mm und eine Ganghöhe von wenigstens 1 mm besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement ein mit dem zu erwärmenden Medium gefülltes Hohlrohr (14e) ist, welches das lang gestreckte Behältnis (6) bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der magnetischen Wechselfelder durchstimmbar ist, und dass die Frequenz der magnetischen Wechselfelder auf die Resonanzfrequenz der mechanischen Längsschwingung des Heizelements (14) abgestimmt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der magnetischen Wechselfelder größer als 1 kHz, bevorzugt größer 14 kHz, ist.
Anordnung (1) zum Erwärmen eines Mediums (2) in einem lang gestreckten Behältnis (6), insbesondere in einer schlauchartigen Flüssigkeitszuleitung, mit wenigsten zwei das Behältnis (6) zumindest abschnittsweise umgebenden Spulen (12), sowie mit einer Wechselspannungsquelle (20), welche die Spulen (12) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes innerhalb des Behältnisses (6) mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Behältnisses (6) ein sich innerhalb des Mediums (2) erstreckendes Heizelement (14) aus einem ferromagnetischen oder magnetostriktiven Werkstoff angeordnet ist, dass die Spulen (12) in der Weise außerhalb des Behältnisses (6) angeordnet sind, dass innerhalb des Behältnisses (6) zwei einander entgegen gerichtete magnetische Wechselfelder erzeugt werden, und dass die Wechselspannungsquelle (20) die Spulen (12) mit einer Wechselspannung beaufschlagt, deren Frequenz im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der mechanischen Längsschwingung des Heizelements (14) entspricht.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis eine schlauchartige Flüssigkeitszuleitung (6) für Kraftstoff oder Hamstofflösung ist, die von einer Vielzahl von Spulen (12a–12e) umgeben ist, die entlang der Flüssigkeitszuleitung wechselweise entgegen gerichtete magnetische Wechselfelder erzeugen, und dass das Heizelement ein Draht (14a) ist, der sich über einen Großteil der Länge der Flüssigkeitszuleitung (6) im Bereich der Wechselfelder erstreckt.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die schlauchartige Flüssigkeitszuleitung (6) einen Außendurchmesser von wenigstens 1 mm, bevorzugt 4 mm bis 6 mm aufweist, dass der Draht (14a) eine Länge von wenigstens 5 cm, bevorzugt wenigstens 100 cm und besonders bevorzugt 2 m besitzt, und dass der Außendurchmesser des Drahtes (14) wenigstens 0,2 mm, bevorzugt 0,8 mm beträgt.
Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsvorratsbehälter (4) durch eine Druckluftquelle (30) mit Druckluft beaufschlagt wird, und dass eine Harnstoffeinspritzeinrichtung (8) vorgesehen ist, die ein getaktetes Magnetventil (32) umfasst, welches eingangsseitig mit der Flüssigkeitszuleitung (6) sowie mit der Druckluftquelle (30) verbunden ist, um die Harnstofflösung (2) dem Abgasstrom (10) zusammen mit der Druckluft zuzuführen.