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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur
Nachbehandlung von Abgasen, insbesondere von Abgasen von Brennkraftmaschinen,
beispielsweise im Automobilbereich, in der Energieerzeugung oder
in ähnlichen Bereichen der Naturwissenschaft und Technik.
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Aus
derartigen Bereichen sind Techniken bekannt, bei welchen schadstoffvermindernde
Medien, insbesondere fluide Medien (beispielsweise Flüssigkeiten
oder Gase), in das Abgas eindosiert, beispielsweise eingesprüht,
werden. Dabei werden unterschiedliche Techniken und unterschiedliche
Arten von Medien eingesetzt, welche beispielsweise in
DE 10 2004 004 738 A1 beschrieben
sind.
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Ein
wesentliches Anwendungsbeispiel, auf welches die vorliegende Erfindung
jedoch nicht beschränkt ist, ist das Einsprühen
einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) in das Abgas von Dieselmotoren, um
den Anteil der Stickoxide (NOx) im Abgas zu vermindern. Dabei wird
in einer Reduktionsreaktion das NOx unter Bildung von Stickstoff
und Wasser zu N2O reduziert. Bei PKW-Systemen
kann beispielsweise eine ausreichende Menge an HWL in einem Tank
bevorratet werden, mit der das Fahrzeug während eines Wartungsintervalls
(beispielsweise bis zum nächsten Ölwechsel) betrieben
werden kann. Anstelle von HWL sind auch andere Reduktionsmittel
und/oder Reduktionsmittel-Vorläufer (welche sich beispielsweise
erst im Abgas oder im Bereich des Abgases zum Reduktionsmittel umsetzen)
bekannt.
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Derartige
Verfahren werden oft auch als SCR-Verfahren (SCR: selektive catalytic
reduction) bezeichnet. Durch die selektive katalytische Reduktion
werden beispielsweise Stickoxide mit hoher Selektivität
zu Stickstoff reduziert, wodurch die Stickoxidkonzentration im Abgas
deutlich verringert werden kann. Harnstoff-Wasser-Lösungen
als Beispiele für Reduktionsmittel sind beispielsweise
unter dem Markennamen „AdBlue” erhältlich.
Durch thermische Zersetzung des Harnstoffs entsteht aus dem Harnstoff
als Reduktionsmittel-Vorläufer das eigentliche Reduktionsmittel,
nämlich gasförmiger Ammoniak.
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Neben
Verfahren und Vorrichtungen, welche auf der Verwendung von Reduktionsmitteln
oder Reduktionsmittel-Vorläufern als schadstoffvermindernden
Medien basieren, sind auch andere Arten von schadstoffvermindernden
Medien bekannt. So wird beispielsweise, ebenfalls in
DE 10 2004 004 738 A1 , die
nachmotorische Erwärmung von Abgas durch Einspritzen von
Kraftstoff in den Abgasstrang beschrieben, wodurch die zur Regeneration
von nachgeschalteten Katalysatoren oder Dieselpartikelfiltern erforderlichen
Abgastemperaturen erreicht werden. Hierbei handelt es sich also
um ein Beispiel eines „indirekt” schadstoffvermindernden
Mediums, dessen Einbringung in das Abgas jedoch ebenfalls allgemein dem
Zweck der kurzfristigen, mittelfristigen oder langfristigen Schadstoffverminderung
dient. Zahlreiche andere Ausführungsbeispiele schadstoffvermindernder
Medien sind bekannt.
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Bei
bekannten Dosiervorrichtungen, wie beispielsweise der
DE 10 2004 004 738 A1 ,
wird in der Regel ein Dosiermodul verwendet, welches beispielsweise
ein Dosierventil zum Erzeugen eines Sprays, eines Strahls, eines
Nebels oder einer anderen Art von Strahl oder Wolke des schadstoffvermindernden
Mediums enthält. Das Dosiermodul kann beispielsweise mit
einem entsprechenden Tank zur Aufnahme des schadstoffvermindernden
Mediums verbunden sein, wobei sinngemäß auch mehrere schadstoffvermindernde
Medien in Kombination oder sequenziell verwendet werden können.
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Insbesondere
bei den genannten Harnstoff-Wasser-Lösungen, jedoch auch
bei anderen Arten von schadstoffvermindernden Medien, welche beispielsweise
in zeitlichen Intervallen in die Abgase eingespritzt werden können,
stellt die Frostsicherheit eine erhebliche Herausforderung dar.
So gefriert beispielsweise AdBlue bei ca. –11°C.
Um das schadstoffvermindernde Medium, insbesondere wässrige Lösungen
und/oder Gemische, pumpfähig zu erhalten, werden in diesen
Systemen üblicherweise aufwändig herzustellende
Heizsysteme, üblicherweise Heizsysteme mit Heizelementen
mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Heizelemente) und/oder Widerstands-Heizelemente
eingebaut. Derartige Heizelemente setzen sich üblicherweise
aus unedlen bzw. Nicht-Eisen-Metallen zusammen, welche zum Schutz
gegen das schadstoffvermindernde Medium bzw. gegen elektrische Überschläge üblicherweise
in Extrudermaschinen mit organischen Materialien, insbesondere isolierenden
Kunststoffen, umspritzt werden.
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Derartige
Heizsysteme mit umspritzten Heizelementen sind jedoch in der Praxis
aufwändig herzustellen und teuer. Zudem ist in der Regel
der Spritzprozess mit einer hohen Unsicherheit behaftet. Weiterhin
müssen beim Auftauprozess und einer daraus resultierenden
Erzeu gung von dynamischen Kräften durch Eisgang im Fahrbetrieb
die bekannten Heizsysteme und Zu- bzw. Ableitungen mechanisch geschützt
werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
daher eine Dosiervorrichtung vorgeschlagen, welche die Nachteile
bekannter Dosiervorrichtungen zum Einbringen schadstoffvermindernder
Medien in Abgase zumindest weitgehend vermeidet. Die Dosiervorrichtung
kann weitgehend den oben beschriebenen Dosiervorrichtungen gemäß dem
Stand der Technik entsprechen und kann insbesondere zum Einbringen
von Reduktionsmitteln und/oder Reduktionsmittel-Vorläufern
in durch ein Strömungsrohr strömendes Abgas, insbesondere
ein Abgas einer Brennkraftmaschine, eingesetzt werden.
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Die
Dosiervorrichtung umfasst ein Dosiermodul zum Dosieren des schadstoffvermindernden
Mediums. Dieses Dosiermodul kann beispielsweise ein oder mehrere
Dosierventile umfassen, mittels derer das schadstoffvermindernde
Medium, beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung, in
das Abgas eingespritzt werden kann. Dieses Dosierventil kann beispielsweise
druckgesteuert und/oder aktorgesteuert sein.
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Weiterhin
umfasst die Dosiervorrichtung ein Versorgungssystem zum Bereitstellen
des schadstoffvermindernden Mediums. Dieses Versorgungssystem kann
insbesondere mindestens ein Leitungsrohr umfassen, sowie mindestens
einen Vorratstank zum Bevorraten des mindestens einen schadstoffvermindernden
Mediums. Daneben kann das Versorgungssystem eine Reihe weiterer
Elemente umfassen, wie beispielsweise Ventile, Pumpen, Drosselelemente,
Steuerungen oder Ähnliches. Insbesondere dieses Versorgungssystem
soll mittels der vorgeschlagenen Erfindung frostsicher ausgestaltet
werden, wobei jedoch auch alternativ oder zusätzlich die Frostsicherheit
des Dosiermoduls ganz oder teilweise erhöht werden kann.
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Die
Dosiervorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine Heizvorrichtung,
mittels derer das Versorgungssystem und/oder das Dosiermodul zumindest
teilweise mit Wärme beaufschlagbar sind. Diese Heizvorrichtung
kann beispielsweise über ein Steuergerät gesteuert
werden, über eine Energieversorgung mit Energie versorgt
werden oder auf andere Weise gesteuert werden.
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, an Stelle der bekannten Heizvorrichtungen mit umspritzten
Heizelementen die Heizvorrichtung unter Verwendung mindestens eines
Flächen heizsystems auszugestalten. Unter einem „Flächenheizsystem” wird
dabei ein flaches Heizsystem verstanden, dessen laterale Ausdehnung
(beispielsweise die maximale laterale Ausdehnung) seine Dicke um
ein Mehrfaches oder Vielfaches übersteigt, beispielsweise
um mindestens das 10-Fache, vorzugsweise um mindestens das 1000-Fache.
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Besonders
bevorzugt umfasst das Flächenheizsystem ein PTC-Flächenheizsystem,
also ein Flächenheizsystem mit mindestens einem Material mit
positivem Temperaturkoeffizienten. Beispielsweise kann dieses Material
mit positivem Temperaturkoeffizienten in Form von Leiterbahnen bzw.
Widerstandsbahnen auf ein Trägermaterial, insbesondere eine
Trägerfolie, aufgedruckt sein, beispielsweise in Form eines
Mäandermusters, eines Spiralmusters, eines Schlangenlinienmusters,
eines Zickzackmusters oder eines ähnlichen Musters.
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Alternativ
oder zusätzlich kann das Flächenheizsystem beispielsweise
auch ein Widerstands-Flächenheizsystem umfassen, also ein
Flächenheizsystem mit einem Material, welches einen Ohmschen
Widerstand aufweist. Auch dieses Material mit Ohmschen Widerstand
kann beispielsweise in Form von Widerstandsbahnen, beispielsweise
wiederum in Form eines der oben genannten Muster, auf einen Träger,
insbesondere eine Trägerfolie, aufgedruckt sein.
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Der
Vorteil der genannten Flächenheizsysteme, insbesondere
der PTC- und/oder Widerstands-Flächenheizungen, besteht
darin, dass diese die oben beschriebenen Nachteile bekannter Heizsysteme
vermeiden und sich insbesondere prozesssicher und kostengünstig
herstellen lassen. Weiterhin sind derartige Flächenheizsysteme,
im Gegensatz zu den herkömmlichen, beispielsweise durch
Umspritzen integrierten Heizsystemen, gegen Eisgang weitgehend sicher
und robust und sind variabel an nahezu jeder gewünschten
Stelle im Versorgungssystem und/oder am Dosiermodul einsetzbar.
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Die
Flächenheizsysteme lassen sich also als separate Bauteile
nachträglich, d. h. nach Herstellung der übrigen
Komponenten, beispielsweise des Dosiermoduls und/oder des Versorgungssystems, auf
das Versorgungssystem und/oder das Dosiermodul aufbringen. Beispielsweise
lassen sich derartige Flächenheizsysteme an nahezu jeder
gewünschten Stelle in einem AdBlue-Tanksystem einsetzen.
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Mit
den Flächenheizsystemen, insbesondere den PTC- und/oder
Widerstands-Flächenheizsystemen, sind für einen
Großserienprozess kostengünstige und prozesssichere
Einsatzmöglichkeiten gefunden worden. Eine aufwändige
Umspritzung, beispielsweise mittels Extrusionsmaschinen und werkstückspezifischen
Werkzeugen ist, im Gegensatz zu bislang eingesetzten Heizsystemen,
nicht mehr erforderlich. Dadurch erhöht sich insbesondere auch
die Ausbeute bei der Herstellung, d. h. der Gutanteil der hergestellten
Dosiervorrichtungen.
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Das
Flächenheizsystem kann insbesondere ein flexibles und/oder
plastisch verformbares Flächenheizsystem sein bzw. ein
derartiges Flächenheizsystem umfassen. Dies bedeutet, dass
das Flächenheizsystem vorzugsweise manuell oder ohne größeren
Kraftaufwand, beispielsweise allein durch Einwirkung der Kräfte
des Eigengewichts des Flächenheizsystems, seine Form ändern
kann. Damit kann das Flächenheizsystem einfach beispielsweise an
gekrümmte Flächen des Versorgungssystems und/oder
des Dosiermoduls angepasst werden und beispielsweise mittels Klebens
an diesen Flächen fixiert werden.
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Insbesondere
kann das Flächenheizsystem eine Heizfolie umfassen. Diese
Heizfolie kann beispielsweise als selbstklebende Folie ausgestaltet sein,
also beispielsweise mit einer selbstklebenden Trägerfolie
ausgestattet sein. Dies erleichtert die Montage zusätzlich,
da das Heizsystem in diesem Fall auf einfache Weise beispielsweise
am Dosiermodul und/oder dem Versorgungssystem fixiert werden kann,
ohne dass zusätzliche Fixiermittel zum kraftschlüssigen,
stoffschlüssigen oder formschlüssigen Fixieren
eingesetzt werden müssen. Derartige Fixiermittel sind jedoch
selbstverständlich auch zusätzlich einsetzbar.
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Die
Dicke der selbstklebenden Folie, insbesondere der selbstklebenden
Trägerfolie, kann beispielsweise zwischen 5 und 500 μm
liegen, vorzugsweise zwischen 100 und 200 μm und besonders
bevorzugt bei ca. 150 μm. Derartige Folien bieten somit eine
lediglich geringe Angriffsfläche gegenüber Eisgang,
im Gegensatz zu herkömmlichen, massiven Heizsystemen. Zudem
werden die Einbauverhältnisse, d. h. beispielsweise die
Dimensionierung von Rohrquerschnitten oder Tankvolumina, auf diese Weise
nicht oder nur unwesentlich beeinflusst.
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Die
Heizfolie kann insbesondere ein gedrucktes System von Heizwiderständen
umfassen, also, wie oben dargelegt, ein gedrucktes System von PTC-Widerständen
und/oder Ohmschen Widerständen. Beispielsweise kann dieses
gedruckte System ein Mäandermuster und/oder ein anderes
der oben genannten Muster derartiger Heizwiderstände umfassen.
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Beispielsweise
können leitende Schichten mittels metallischer Schichtsysteme
auf einen Träger, insbesondere eine Trägerfolie,
aufgedruckt werden. Dabei ist es bevorzugt, wenn das metallische Schichtsystem
insgesamt die Dicke des Flächenheizsystems nicht wesentlich
beeinflusst, so dass das gesamte Flächenheizsystem im Bereich
der oben genannten Dicken liegt. Das Flächenheizsystem
als Ganzes sollte also eine Dicke zwischen 5 und 500 μm,
bevorzugt zwischen 100 und 200 μm und besonders bevorzugt
bei ca. 150 μm aufweisen.
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Die
Materialien bzw. Schichtsysteme des Flächenheizsystems
können dabei je nach Anforderung der Medienbeständigkeit
bzw. der Leitfähigkeit angepasst werden. So ist es insbesondere
bevorzugt, wenn das Flächenheizsystem mindestens eine gegen
das schadstoffvermindernde Medium zumindest teilweise beständige
Schicht, insbesondere eine Trägerfolie, umfasst. Zu diesem
Zweck können beispielsweise AdBlue-beständige,
selbstklebende Folien verwendet werden, welche mit metallisch leitenden
Schichten oder Mehrschichtsystemen bedruckt sind. Weiterhin kann
das Flächenheizsystem mindestens eine gegen das schadstoffvermindernde
Medium zumindest teilweise beständige Zuleitung, insbesondere
eine Litze, umfassen.
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Wie
oben dargelegt, ist das vorgeschlagene Flächenheizsystem
flexibel und schnell montierbar, beispielsweise unter Verwendung
stoffschlüssiger und/oder kraftschlüssiger und/oder
formschlüssiger Montagemechanismen, wobei ein Aufkleben
der Flächenheizsysteme bevorzugt ist. So lässt
sich das Flächenheizsystem beispielsweise zumindest teilweise flächig
an mindestens eine Innenfläche eines Vorratstanks und/oder
eines Leitungsrohres des Versorgungssystems anpassen, insbesondere
an dieser Innenfläche aufkleben. Auf diese Weise kann nahezu jede
gewünschte Form des Flächenheizsystems entsprechend
des Einsatzortes und der technischen Spezifikationen hergestellt
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 und 2 zwei
Ausführungsbeispiele von im Rahmen der erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung einsetzbaren Flächenheizsystemen.
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In
den 1 und 2 sind zwei verschiedene Ausführungsbeispiele
von Flächenheizsystemen 110 dargestellt, welche
beispielsweise in einem Versorgungssystem (z. B. einem Vorratstank und/oder
einem Leitungsrohr) einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung
zum Einsatz kommen können.
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Die
Flächenheizsysteme 110 umfassen eine selbstklebende
Trägerfolie 112. Das Material dieser selbstklebenden
Trägerfolie 112 soll insbesondere beständig
sein gegenüber den verwendeten schadstoffvermindernden
Materialien, beispielsweise gegenüber einer AdBlue- Lösung.
Beispielsweise lassen sich als Materialien für die selbstklebende
Trägerfolie Polyimide einsetzen, beispielsweise Kapton®. Die selbstklebende Trägerfolie 112 hat
vorzugsweise eine Dicke im Bereich von ca. 150 μm.
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In 1 ist
eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels in Ansicht
von vorne (d. h. von der klebenden Seite her) dargestellt, bei welchem
auf die selbstklebende Trägerfolie 112 ein Heizelement 114 in
Form von Widerstandsbahnen 116 als leitende Schichten eines
metallischen Schichtsystems in einem Mäandermuster aufgedruckt
ist. Die Materialien bzw. Schichtsysteme können je nach
Anforderung der Medienbeständigkeit bzw. der Leitfähigkeit
angepasst werden. Ein partielles Einbauen und ein Verkleben von
gefrierträchtigen Bereichen in der Dosiervorrichtung, insbesondere
in einem Vorratstank und/oder einem Leitungsrohr des Versorgungssystems,
sind somit möglich.
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Das
Heizelement 114 weist Anschlussflächen 118 als
elektrische Pole auf. Die Kontaktierung dieser Anschlussflächen 118 erfolgt
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über
verlötete, metallische und AdBlue-beständige Litzen 120.
Mittels dieses Systems ist nahezu jede gewünschte Form
entsprechend des Einsatzortes und der technischen Spezifikationen
realisierbar.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Flächenheizsystems 110 gezeigt.
Bei dieser Darstellung ist, im Gegensatz zu 1, eine
Draufsicht auf eine Trägerfolie 112 gezeigt. Wie
auch bei dem Ausführungsbeispiel in 1 weist
das Flächenheizsystem 110 gemäß 2 ein
Heizelement 114 in Form von Widerstandsbahnen 116 als
leitende Schichten eines metallischen Schichtsystems auf, welche
wiederum beispielsweise mäanderfömig auf die in 2 abgewandte
und beispielsweise wieder selbstklebende Seite der Trägerfolie 112 aufgedruckt sind.
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Weiterhin
ist in 2 die Trägerfolie 112, welche
nur eine Dicke von ca. 150 Mikrometern aufweist, zumindest teilweise
transparent. Daher sind die Anschlussflächen 118 in
Durchsicht auf der der Betrachtungsseite gegenüberliegenden
Seite der Trägerfolie 112 teilweise zu erkennen.
Die Anschlusslitzen 120 sind nicht dargestellt.
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Als
weitere Besonderheit ist die Trägerfolie 112 bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kleeblattförmig
ausgestaltet. Insbesondere weist die Trägerfolie 112 vier
Schlitze 122 auf. Diese Schlitze 122 können
beispielsweise einer mechanischen Entlastung des Flächenheizsystems 110 beim Aufkleben
dienen. So kann beispielsweise auch ein Aufkleben auf gekrümmte
Oberflächen erfolgen, beispielsweise Oberflächen
bzw. Innenflächen von Leitungsrohren, gekrümmte
Oberflächen bzw. Innenflächen von Vorratstanks
für schadstoffvermindernde Medien oder auf ähnliche
Flächen. Die Schlitze 122, welche auch durch andere
mechanische Entlastungen wie beispielsweise Löcher, Einkerbungen
oder ähnliches ersetzt werden können, können
einen Faltenwurf oder eine mechanische Beschädigung der Flächenheizsysteme 110 verhindern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004004738
A1 [0002, 0005, 0006]