DE102008001020B4

DE102008001020B4 - Reduktionsmittelbehälter mit Latentwärmespeicher

Info

Publication number: DE102008001020B4
Application number: DE102008001020.0A
Authority: DE
Inventors: Tobias Hoeffken
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2028-04-08
Also published as: DE102008001020A1

Abstract

Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine und einem Reduktionsmittelbehälter zur Aufnahme eines wässrigen Reduktionsmittels für eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittelbehälter (14) mit einem Latentwärmespeicher (18) ausgestattet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine und einem Reduktionsmittelbehälter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen Reduktionsmittelbehälter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Stand der Technik
Bei vielen modernen Nutzfahrzeugen mit einem Dieselmotor wird das Abgas zur Verminderung des Stickoxidanteils einer selektiven katalytischen Reduktion (Selective Catalytic Reduction (SCR)) unterzogen. Dabei wird gewöhnlich ein Harnstoff enthaltendes Reduktionsmittel verwendet, das in Form einer Harnstoff-Wasser-Lösung in einem Reduktionsmittelbehälter des Fahrzeugs mitgeführt wird. Der Harnstoff der allgemein unter der Bezeichnung AdBlue^® bekannten, in den Abgastrakt zudosierten Harnstoff-Wasser-Lösung wird im Abgastrakt selbst oder in einem im Abgastrakt angeordneten Hydrolysekatalysator zu Ammoniak (NH₃) umgesetzt, das die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NO_x) in einem nachgeschalteten SCR-Katalysator unter Bildung von Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) reduziert. Da die Stickoxide (NO_x) auf diese Weise nahezu vollständig aus dem Abgas entfernt werden können, lassen sich die Dieselmotoren der mit der AdBlue^®-Technologie ausgerüsteten Fahrzeuge mit einem relativ mageren Gemisch betreiben. Der durch die AdBlue^®-Technologie ermöglichte kraftstoffsparende und emissionsarme Betrieb von Dieselmotoren lässt einen Einsatz dieser Technologie auch bei Personenkraftfahrzeugen erwarten.
Allerdings weist AdBlue^® einen Gefrierpunkt von etwa -11°C auf, so dass es insbesondere in Mittel- und Nordeuropa oder in den nördlichen USA und Kanada im Winter nicht ohne einen Zusatz von Gefrierschutzmittel verwendet werden kann. Das Zusetzen von Gefrierschutzmittel in die Harnstoff-Wasser-Lösung hat jedoch Nachteile, weil es eine Veränderung der Dosiermenge der Harnstoff-Wasser-Lösung und wegen der kleineren Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung im Reduktionsmittelbehälter aufgrund des vom Gefrierschutzmittel eingenommenen Behältervolumens ein häufigeres Betanken des Reduktionsmittelbehälters erforderlich macht. Außerdem wird das Gefrierschutzmittel oder Abbauprodukte des Gefrierschutzmittels durch den Abgastrakt in die Umgebung emittiert, was in unerwünschter Weise zu einer Erhöhung des Schadstoffausstoßes des Dieselmotors führen kann.
Aus der DE 44 32 576 A1 ist eine Abgasnachbehandlungsanordnung mit einem großen und mit einem weiteren, kleinen Reduktionsmitteltank bekannt, wobei beide Tanks beheizbar sind.
Aus der DE 42 30 595 A1 ist ein mit einem Latentwärmespeicher umhüllter Abgaskatalysator bekannt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, nach einer anderen Lösung zu suchen, mit der sich ein Gefrieren des wässrigen Reduktionsmittels im Reduktionsmittelbehälter vermeiden lässt.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Reduktionsmittelbehälter mit einem Latentwärmespeicher ausgestattet ist.
Unter einem Latentwärmespeicher wird im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung ein Wärmespeicher mit einem Wärmespeichermedium in Form eines Phasenübergangsmaterials (Phase Change Material (PCM)) verstanden, dessen Phase oder Aggregatzustand während zweier Phasenübergänge reversibel verändert werden kann, wobei es bevorzugt bei einem ersten Phasenübergang von einem festen Aggregatzustand in einen flüssigen Aggregatzustand eine bestimmte Wärmemenge aus einer Wärmequelle aufnimmt, die dann bei einem zweiten Phasenübergang vom flüssigen Aggregatzustand zurück in den festen Aggregatzustand wieder abgegeben wird, im vorliegenden Fall bevorzugt an den Inhalt des Reduktionsmittelspeichers.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Phasenübergangsmaterial mit einer hohen volumenspezifischen Verflüssigungsenthalpie verwendet wird, so dass trotz eines verhältnismäßig kleinen Volumens des Phasenübergangsmaterials dem Inhalt des Reduktionsmittelbehälters beim zweiten Phasenübergang eine große Wärmemenge zugeführt werden kann.
Vorzugsweise wird als Phasenübergangsmaterial ein Salz-Wasser-Eutektikum verwendet. Wenn die Temperatur eines als Phasenübergangsmaterial für einen Latentwärmespeicher geeigneten Salz-Wasser-Eutektikums durch Zufuhr von Wärme einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, löst sich das Salz beim Phasenübergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand im Wasser auf. Bei einem anschließenden Abkühlen des Salz-Wasser-Eutektikums entsteht eine metastabile übersättigte Lösung des Salzes im Wasser, deren Phasenübergang zurück vom flüssigen in den festen Aggregatzustand gewöhnlich durch Bildung von Kristallisationskeimen ausgelöst wird. Die Kristallisationskeime bewirken eine schnelle Kristallisation des Eutektikums, bei der Gitterenergie in Form von Kristallisationswärme frei wird. Durch diese frei werdende Kristallisationswärme erwärmt sich das Eutektikum wieder bis auf eine Temperatur, die zumeist knapp unter dem vorbestimmten Schwellenwert des Phasenübergangs vom festen in den flüssigen Aggregatzustand liegt.
Alternativ können jedoch auch andere Phasenübergangsmaterialien verwendet werden, die vorzugsweise ebenfalls Materialien mit einer hohen spezifischen Schmelzwärme, Lösungswärme oder Adsorptionswärme umfassen.
Die für den Phasenübergang vom festen Aggregatzustand in den flüssigen Aggregatzustand erforderliche Wärme stammt gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung aus einer Wärmequelle, deren Temperatur oberhalb des Schwellenwertes liegt, der zum Phasenübergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand führt. Vorzugsweise wird als Wärmequelle heißes Abgas oder heißes Kühlmittel aus der Brennkraftmaschine eingesetzt, das zum Erwärmen des Phasenübergangsmaterials zweckmäßig durch einen im Kontakt mit dem Phasenübergangsmaterial stehenden Wärmetauscher hindurch geleitet wird.
Eine noch weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Phasenübergang vom flüssigen Aggregatzustand in den festen Aggregatzustand zwecks Abgabe von Wärme an den Inhalt des Reduktionsmittelbehälters ansprechend auf ein Absinken einer Temperatur in der Umgebung des Fahrzeugs oder im Reduktionsmittelbehälter auf oder unter einen vorbestimmten, bei oder etwas oberhalb der Gefriertemperatur des Harnstoff-Wasser-Gemischs gelegenen Auslösewert initiiert wird. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, dass ein geeignetes Phasenübergangsmaterial verwendet wird, bei dem die den Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand auslösende Bildung von Kristallisationskeimen in dem flüssigen Phasenübergangsmaterial selbsttätig erfolgt, wenn die Temperatur des Phasenübergangsmaterials auf einen Auslösewert absinkt, der bei oder etwas oberhalb der Gefriertemperatur der Harnstoff-Wasser-Lösung, d.h. bei AdBlue^® bei oder etwas oberhalb von - 11°C, liegt, vorzugsweise zwischen - 5°C und - 10°C.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die beim Phasenübergang vom flüssigen in den festen Zustand frei werdende Wärme immer kurz vor dem Zeitpunkt an den Inhalt des Reduktionsmittelbehälters abgegeben wird, zu dem ggf. die Gefahr eines Gefrierens des Behälterinhalts droht.
Alternativ kann auch vorgesehen werden, die Umgebungstemperatur oder die Temperatur im Reduktionsmittelbehälter zu messen und die Bildung von Kristallisationskeimen im Phasenübergangsmaterial gezielt auszulösen, wenn die Umgebungstemperatur oder die Temperatur im Reduktionsmittelbehälter unter die Gefriertemperatur des Inhalts des Reduktionsmittelbehälters sinkt. Die Auslösung kann zum Beispiel durch eine lokale mechanische oder thermische Einwirkung auf das Phasenübergangsmaterial erfolgen. Die Auslösung der Keimbildung durch eine lokale mechanische Einwirkung ist zum Beispiel von sogenannten Wärmekissen bekannt, die ein zur Unterkühlung neigendes Phasenübergangsmaterial und ein im Phasenübergangsmaterial schwimmendes Metallplättchen in Form eines sogenannten Knackfroschs enthalten, das zur Auslösung der Keimbildung aus seiner Ruhelage heraus verformt wird und das beim anschließenden Zurückschnellen in die Ruhelage Kristallisationskeime im Phasenübergangsmaterial erzeugt.
Bevorzugt ist der Reduktionsmittelbehälter mit einer Isolierung oder Wärmedämmung versehen, die dafür sorgt, dass sein Inhalt nach dem Phasenübergang des Phasenübergangsmaterials vom flüssigen in den festen Aggregatzustand sowie der daraus resultierenden Abgabe eines Teils der Wärme des Latentwärmespeichers an den Inhalt des Reduktionsmittelbehälters nur langsam abkühlt.
Um ein Gefrieren des Inhalt des Reduktionsmittelbehälters auch bei längeren Stillstandszeiten bei tiefen Umgebungstemperaturen zu vermeiden, kann der Latentwärmespeicher verschiedene Phasenübergangsmaterialien enthalten oder verschiedene Speicherelemente umfassen, in denen die Bildung von Kristallisationskeimen für den Phasenübergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand bei unterschiedlichen Auslösetemperaturen und/oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgelöst wird, so dass dem Inhalt des Reduktionsmittelbehälters mehrere Male Wärme aus dem Latentwärmespeicher zugeführt werden kann. Die Auslösung kann jeweils selbsttätig oder durch äußere Einwirkung erfolgen.
Zur Unterbringung des Phasenübergangsmaterials weist der Reduktionsmittelbehälter vorzugsweise einen Hohlraum auf der mindestens teilweise mit dem Phasenübergangsmaterial gefüllt ist. Der Hohlraum kann dabei entweder zwischen zwei Wänden des Reduktionsmittelbehälters, im Inneren eines mindestens teilweise innerhalb des Reduktionsmittelbehälters befindlichen weiteren Behälters oder zwischen dem Reduktionsmittelbehälter und einem Schwapptopf im Inneren des Reduktionsmittelbehälters angeordnet sein.
Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Phasenübergangsmaterial in mikrogekapselter Form eine Beschichtung auf einer Innenwand des Schwapptopfs oder des Reduktionsmittelbehälters bildet.
Figurenliste
Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung von Teilen eines Abgastrakts eines Kraftfahrzeugs und einer Vorrichtung zur Zudosierung eines wässrigen Reduktionsmittels aus einem im Kraftfahrzeug mitgeführten Reduktionsmittelbehälter in den Abgastrakt;
2: eine vergrößerte Schnittansicht des Reduktionsmittelbehälters aus 1;
3: eine vergrößerte Schnittansicht eines anderen Reduktionsmittelbehälters.

Ausführungsformen der Erfindung
Der in 1 nur teilweise dargestellte Abgastrakt 2 eines Dieselmotors 4 eines Kraftfahrzeugs umfasst in bekannter Weise ein zu einem SCR-Katalysator 6 führendes, vom Abgas des Dieselmotors 4 durchströmtes Abgasrohr 8 und eine in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator 6 angeordnete Dosiervorrichtung 10, mit der sich ein wässriges Reduktionsmittel in Form eines unter der Bezeichnung AbBlue^® bekannten Harnstoff-Wasser-Gemischs 12 aus einem im Kraftfahrzeug mitgeführten Reduktionsmitteltank 14 in das Abgasrohr 8 zudosieren lässt. Dort wird der im Harnstoff-Wasser-Gemisch enthaltene Harnstoff zu Ammoniak (NH₃) umgesetzt, das die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NO_x) anschließend im SCR-Katalysator 6 unter Bildung von Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) reduziert. Die Zufuhr des Harnstoff-Wasser-Gemischs 12 aus dem Reduktionsmitteltank 14 zur Dosiervorrichtung 10 erfolgt mit Hilfe einer Förderpumpe 16.
Das im Reduktionsmitteltank 14 enthaltene Harnstoff-Wasser-Gemisch 12 besitzt einen Gefrierpunkt von etwa - 11°C, so dass es bei Umgebungstemperaturen unterhalb dieses Gefrierpunkts erstarrt. Da Umgebungstemperaturen von - 11°C in Mittel- und Nordeuropa oder in den nördlichen USA und Kanada in kalten Winternächten im Freien zumindest gelegentlich unterschritten werden, ist der Reduktionsmitteltank 14 mit einem Latentwärmespeicher 18 ausgestattet, der ein Gefrieren des Harnstoff-Wasser-Gemischs 12 im Tank 14 verhindert.
Bei dem in 1 und 2 dargestellten Reduktionsmitteltank 14 besteht der Latentwärmespeicher 18 im Wesentlichen aus einem Isolierbehälter 20, der den Reduktionsmitteltank 14 vollständig umgibt und zur Umgebung hin durch eine wärmedämmende Schutzschicht 22 isoliert ist. Die Innenwand 24 des Isolierbehälters 20 begrenzt dort zusammen mit der Außenwand 26 des Reduktionsmitteltanks 14 einen mit einem Phasenübergangsmaterial 28 gefüllten Zwischenraum 30, der den Reduktionsmitteltank 14 im Wesentlichen vollständig umgibt.
Bei dem Phasenübergangsmaterial 28 handelt es sich um ein Salz-Wasser-Eutektikum, bei dem sich das Salz vollständig im Wasser auflöst, wenn das Eutektikum über eine Verflüssigungstemperatur erwärmt wird, und bei dem sich bei einem anschließenden Abkühlen eine metastabile übersättigte Lösung des Salzes im Wasser bildet, die durch Kristallisation des Eutektikums wieder erstarrt, wenn in der metastabilen übersättigten Lösung Kristallisationskeime gebildet werden. Um den Phasenübergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand herbeizuführen, muss Wärme in das Eutektikum zugeführt werden, die bei einer nachfolgenden Kristallisation des Eutektikums in Form von Kristallisationswärme wieder frei gesetzt wird. Beide Phasenübergänge von fest in flüssig sowie von flüssig in fest sind reversibel, so dass sie viele Male wiederholt werden können.
Um die zur Verflüssigung des Eutektikums notwendige Wärmemenge in den Latentwärmespeicher 18 zuzuführen, weist der in 2 dargestellte Reduktionsmitteltank 14 einen Rohrwärmetauscher 32 auf, der sich durch den Zwischenraum 30 zwischen der Außenwand 26 des Reduktionsmitteltanks 14 und der Innenwand 28 des Isolierbehälters 20 erstreckt. Der Wärmetauscher 32 ist über ein Ventil 34 mit einem Kühlmittelkreislauf 36 des Dieselmotors 4 verbunden, so dass bei Bedarf durch Öffnen des Ventils 34 heißes Kühlmittel durch den Wärmetauscher 32 hindurch geleitet werden kann, um das Phasenübergangsmaterial 28 im Zwischenraum 30 zu erwärmen und dadurch den Phasenübergang des Eutektikums vom festen in den flüssigen Aggregatzustand herbeizuführen.
Die Zusammensetzung des Eutektikums ist dort so gewählt, dass sich im Eutektikum selbsttätig Kristallisationskeime bilden, wenn seine Temperatur infolge eines Temperaturabfalls in der Umgebung des Reduktionsmitteltanks 14 bis auf eine zwischen etwa - 5°C und -8°C liegende Auslösetemperatur absinkt. Eine solche Bildung von Kristallisationskeimen hat eine schnelle Kristallisation des Eutektikums und damit die Abgabe eines Teils der frei werdenden Kristallisationswärme an das im Reduktionsmitteltank 14 enthaltene Harnstoff-Wasser-Gemisch 12 zur Folge. Dieses heizt sich dadurch auf eine weit über seinem Gefrierpunkt liegende Temperatur auf, die aufgrund der wärmedämmenden Schutzschicht 22 des Reduktionsmitteltanks 14 nur langsam wieder abnimmt.
Bei dem in 3 dargestellten, ebenfalls mit einem Latentwärmespeicher 18 ausgestatteten Reduktionsmitteltank 14 umfasst der Latentwärmespeicher 18 zwei Speicherelemente 36, die jeweils dasselbe Phasenübergangsmaterial 28 enthalten. Die Speicherelemente 36 umfassen jeweils einen geschlossenen metallischen Behälter 38, der von unten her teilweise ins Innere des Reduktionsmitteltanks 14 und von oben her teilweise ins Innere eines an den Reduktionsmitteltank 14 angrenzenden Abgaskanals 40 ragt. Zur Verflüssigung des Phasenübergangsmaterials 28 in den Speicherelementen 36 kann der Abgaskanal 40 während des Betriebs des Dieselmotors 4 durch Öffnen einer verschließbaren Abgasklappe 42 zwischen dem Abgaskanal 40 und dem Abgasrohr 8 (in 3 nicht dargestellt) mit heißem Abgas beaufschlagt werden. Die für die Kristallisation des Phasenübergangsmaterials 28 beim Übergang in den festen Aggregatzustand erforderliche Bildung von Kristallisationskeimen im Phasenübergangsmaterial 28 wird dort gezielt ausgelöst, indem die Temperatur im Inneren des Reduktionsmitteltanks 14 mittels eines Temperatursensors 44 gemessen wird und indem durch geeignete Maßnahmen die erforderlichen Kristallisationskeime im unterkühlten Phasenübergangsmaterial 28 erzeugt werden, wenn die vom Temperatursensors 44 gemessenen Temperatur im Inneren des Reduktionsmitteltanks 14 bis in die Nähe von - 11°C absinkt. Diese Maßnahmen können zum Beispiel eine mechanische oder thermische Einwirkung auf das Phasenübergangsmaterial 28 umfassen, indem man dieses einer lokalen Druck- oder Temperaturerhöhung unterwirft, die eine Bildung von Kristallisationskeimen zur Folge hat.
Bei dem in 3 dargestellten Reduktionsmitteltank 14 kann die Bildung von Kristallisationskeimen und der daraus resultierende Phasenübergang des Phasenübergangsmaterials 28 vom flüssigen in den festen Aggregatzustand in den zwei Speicherelementen 36 zeitlich nacheinander vorgenommen werden, indem beim erstmaligen Absinken der Temperatur im Reduktionsmitteltank 14 bis in die Nähe von - 11°C nur in einem ersten der beiden Speicherelemente 36 die Keimbildung ausgelöst wird, und indem erst nach einem erneuten Absinken der Absinken der Temperatur im Reduktionsmitteltank 14 bis in die Nähe von - 11°C die Keimbildung im anderen der beiden Speicherelemente 36 ausgelöst wird. Selbstverständlich kann die Anzahl der zeitlich getrennt aktivierbaren Speicherelemente 36 auch mehr als zwei betragen.

Claims

Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine und einem Reduktionsmittelbehälter zur Aufnahme eines wässrigen Reduktionsmittels für eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittelbehälter (14) mit einem Latentwärmespeicher (18) ausgestattet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (18) mindestens ein Phasenübergangsmaterial (28) enthält, dessen Phase unter Aufnahme bzw. Abgabe einer definierten Wärmemenge reversibel veränderbar ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenübergangsmaterial (28) eine hohe volumenspezifische Verflüssigungsenthalpie besitzt.
Fahrzeug nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenübergangsmaterial (28) ein Salz-Wasser-Eutektikum ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch Mittel (32; 40) zum Erwärmen des Phasenübergangsmaterials (28) durch heißes Kühlmittel oder Abgas aus der Brennkraftmaschine (4).
Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (32; 40) einen im Kontakt mit dem Phasenübergangsmaterial (28) stehenden, vom Abgas oder Kühlmittel durch- oder angeströmten Wärmetauscher (32) umfassen.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch Mittel zum Auslösen eines Phasenübergangs im Phasenübergangsmaterial (28) ansprechend auf ein Absinken einer Temperatur in der Umgebung oder im Inneren des Reduktionsmittelbehälters (14) unter einen vorbestimmten Schwellenwert.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittelbehälter (14) einen mindestens teilweise mit dem Phasenübergangsmaterial (28) gefüllten Zwischenraum (30) aufweist.
Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (30) zwischen zwei Wänden (24, 26) des Reduktionsmittelbehälters (14) angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum im Inneren eines mindestens teilweise innerhalb des Reduktionsmittelbehälters (14) angeordneten weiteren Behälters (38) angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum zwischen dem Reduktionsmittelbehälter und einem Schwapptopf im Inneren des Reduktionsmittelbehälters angeordnet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenübergangsmaterial in mikrogekapselter Form eine Beschichtung auf einer Innenwand des Schwapptopfs oder des Reduktionsmittelbehälters bildet.
Reduktionsmittelbehälter zum Einbau in ein mit einer Brennkraftmaschine ausgestattetes Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, sowie zur Aufnahme eines wässrigen Reduktionsmittels für eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch einen Latentwärmespeicher (18).