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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Heizkreislauf zum Aufheizen
einer Ammoniak in gebundener Form speichernden, vom Kühlmittel
eines Kühlmittelkreislaufs aus einer Brennkraftmaschine durchströmten
Vorrichtung, wobei der Heizkreislauf das Kühlmittel als
Wärmetransportmedium zum Aufheizen der Vorrichtung nutzt
und mittels der von der Brennkraftmaschine abgegebenen Wärme
die Vorrichtung auf ein erstes Temperaturniveau aufheizbar ist,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Fahrzeuge
mit Verbrennungsmotoren besitzen üblicherweise einen Kühlmittelkreislauf,
dessen Wärme zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums über
einen Wärmetauscher benutzt wird. Es sind auch Vorrichtungen
bekannt geworden, die zum Beheizen des Fahrzeugs beim Stillstand
des Verbrennungsmotors benutzt werden.
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In
sauerstoffhaltigen Abgasen von Verbrennungsmotoren finden sich Stickoxide
wieder, die mittels einer selektiven katalytischen Reduktion entfernt werden
können, wobei zu diesem Zweck Ammoniak als selektives und
effizientes Reduktionsmittel eingesetzt wird. Die Reduktion findet
dabei in einem so genannten SCR Katalysator statt, dem Ammoniak
zur Reduktion zugeführt wird.
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Bei
bekannten Systemen wird Ammoniak durch Hydrolyse aus wässrigem
Harnstoff gewonnen, indem der Harnstoff verdampft und über
einen Katalysator zur Bildung von Ammoniak geleitet wird.
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Anhand
der
DE 19728343 C1 sind
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen
Reduktion von Stickoxiden bekannt geworden, nach dem Ammoniak nicht
aus wässrigem Harnstoff gewonnen wird, sondern an einem
Metall salz in der Form von beispielsweise Strontiumchlorid gebunden vorliegt
und in einem Behälter bereitgehalten wird, der im Fahrzeug
mitgeführt wird und zur Freigabe des Ammoniak beheizt wird.
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Als
Heizvorrichtung sind nach dieser Druckschrift eine elektrische Heizung
und/oder eine Heizvorrichtung vorgesehen, die die Abwärme
des Motorkühlmittels und/oder des Abgases der Brennkraftmaschine
nutzt. Diese Druckschrift beschreibt auch, dass die das Strontiumchlorid
speichernde Vorrichtung auf 50 bis 200°C, vorzugsweise
auf 80 bis 150°C aufgeheizt wird.
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Anhand
der
DE 2712438 A1 ist
eine Heizeinrichtung für einen Kraftwagen bekannt geworden,
die eine elektrische Wasserpumpe im Kühlkreislauf des Motors
besitzt und die elektrische Wasserpumpe über einen Temperaturfühler,
der die Temperatur des Kühlmittels misst, aus- und eingeschaltet
wird.
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Anhand
der
DE 10 97761 A1 ist
ein Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine bekannt
geworden, der ganz allgemein über einen Thermostaten gesteuert
wird.
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Mittels
der in der
DE 197
28343 C1 genannten Methode, die Ammoniakspeichervorrichtung über die
im Kühlmittel der Brennkraftmaschine vorhandene Abwärme
zu beheizen, kann die Ammoniakspeichervorrichtung aber nicht auf
die angestrebte Temperatur von bis zu 150°C gebracht werden,
da der Kühlmittelkreislauf auch bei unter Volllast laufender Brennkraftmaschine üblicherweise
nur Temperaturen von bis zu etwa 120°C erreicht und somit
nicht genügend Wärme vorhanden ist, um die angestrebte
Temperatur von 150°C zu erreichen. Aus diesem Grund ist
anhand dieser Druckschrift eine elektrische Heizung vorgesehen,
die nach
2 dieser Druckschrift direkt
den Behälter für die Speicherung des Metallsalzes
beheizt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Heizkreislauf
zum Aufheizen einer Ammoniak in gebundener Form speichernden Vorrichtung
zu schaffen, die es ermöglicht, dass die Vorrichtung über
das Kühlmittel im Kühlmittelkreis der Brennkraftmaschine
auf ein Temperaturniveau erwärmt werden kann, welches eine
vollständige Freigabe des im Metallsalz gespeicherten Ammoniaks ermöglicht.
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Die
Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe die im Anspruch
1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon
sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Die
Erfindung schafft einen Heizkreislauf zum Aufheizen einer Ammoniak
in gebundener Form speichernden, vom Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs
aus einer Brennkraftmaschine durchströmten Vorrichtung,
wobei der Heizkreislauf das Kühlmittel als Wärmetransportmedium
zum Aufheizen der Vorrichtung nutzt und mittels der von der Brennkraftmaschine
abgegebenen Wärme die Vorrichtung auf ein erstes Temperaturniveau
aufheizbar ist, und der Heizkreislauf eine Heizeinrichtung aufweist,
mittels der das Kühlmittel auf ein zweites, höheres
Temperaturniveau aufheizbar ist und der Heizkreislauf eine Einrichtung
besitzt, mittels der der Heizkreislauf beim Erreichen des ersten
Temperaturniveaus vom Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine
trennbar ist.
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Der
nach der Erfindung vorgesehene Heizkreislauf nutzt also das im Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine vorhandene Kühlmittel zum Aufheizen
der das Ammoniak speichernden Vorrichtung auch über das
erste Temperaturniveau hinaus. Wenn also beispielsweise die Brennkraftmaschine
soviel Wärme in den Kühlmittelkreislauf einträgt,
dass dieser ein Temperaturniveau von beispielsweise 120°C erreicht,
und daher eine weitere Erhöhung der Temperatur im Kühlmittelkreislauf
nur über die Abwärme der Brennkraftmaschine nicht
mehr möglich ist, wird der Kühlmittelkreislauf über
die vorgesehene Einrichtung vom Heizkreislauf getrennt und über
die im Heizkreislauf vorgesehene Heizeinrichtung, die auch das Kühlmittel
als Wärmetransportmedium zum Aufheizen der Vorrichtung
nutzt, das Kühlmittel und damit die Ammoniakspeichervorrichtung
auf ein zweites, höheres Temperaturniveau gebracht, welches beispielsweise
150°C betragen kann.
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Damit
kann dann eine vollständige Freigabe des im Metallsalz
gebundenen Ammoniaks erreicht werden, ohne dass die Ammoniakspeichervorrichtung
beispielsweise direkt elektrisch beheizt werden muss.
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Die
Trennung des Heizkreislaufs vom Kühlmittelkreislauf der
Brennkraftmaschine kann beispielsweise auch in Abhängigkeit
des Lastzustands der Brennkraftmaschine schon bei niedrigeren Temperaturen
erfolgen, als dies vorstehend erwähnt worden ist. Auch
ist es möglich, die Trennung in Abhängigkeit vom
Dampfdruck in der Ammoniakspeichervorrichtung durchzuführen.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei der
Einrichtung um ein Umschaltventil handeln, welches den Kühlmittelkreislauf
vom Heizkreislauf reversibel trennt. Das Umschaltventil kann also
den Heizkreislauf und den Kühlmittelkreislauf voneinander
trennen und auch wieder miteinander verbinden, beispielsweise in
Abhängigkeit davon, welcher Wärmeeintrag in die
Ammoniakspeichervorrichtung erforderlich ist, um den gewünschten
Ammoniak-Dampfdruck zu erreichen. Dies kann also auch in Abhängigkeit
davon geschehen, welche Restbeladung am Ammoniak in gebundener Form
im Metallsalz der Ammoniakspeichervorrichtung noch vorliegt, was
beispielsweise mittels eines oder mehrerer Sensoren ermittelt werden
kann, die den Ammoniak-Dampfdruck und die Temperatur der Ammoniakspeichervorrichtung
feststellen.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Einrichtung
bis zum Erreichen des ersten Temperaturniveaus eine Kühlmittelfluidverbindung
zwischen der Brennkraftmaschine und der Vorrichtung aufrecht erhält
und beim Erreichen des ersten Temperaturniveaus die Kühlmittelfluidverbindung
trennt derart, dass der Heizkreislauf vom Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine fluidisch und damit auch druckdicht getrennt
ist.
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Nach
der Trennung des Heizkreislaufs vom Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine kann die Temperatur des Heizkreislaufs auf
die beabsichtigte Höhe von beispielsweise bis zu 150°C
erhöht werden, ohne dass es zur Gefahr von Dampf blasenbildung
im Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine kommt oder
beispielsweise der Zylinderkopf der Brennkraftmaschine unzulässig
stark erhitzt wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Heizkreislauf
eine Pumpeneinrichtung aufweist, mittels der das Kühlmittel
im Heizkreislauf förderbar ist. Es kann sich dabei beispielsweise
um eine elektrisch angetriebene Pumpe handeln, die das Kühlmittel
im Heizkreislauf im Kreislauf und durch die Ammoniakspeichervorrichtung
beziehungsweise einen in dieser vorgesehenen oder an dieser angeordneten
Wärmetauscher hindurch pumpt.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Heizkreislauf
eine vom Kühlmittel durchströmte Wärmetauscheinrichtung aufweist,
mittels der elektrisch erzeugte Wärme und/oder von einem
Fluid stammende Wärme und/oder mittels Verbrennung erzeugte
Wärme auf das Kühlmittel übertragbar
ist.
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Bei
der Heizeinrichtung kann es sich also um eine Wärmetauscheinrichtung
handeln, die beispielsweise über das Bordspannungsnetz
des Fahrzeugs elektrisch beheizt wird. Auch können in der
Wärmetauscheinrichtung Mittel vorgesehen sein, über
die Abwärme vom heißen Motoröl oder Abwärme
von den heißen Abgasen der Brennkraftmaschine in das durch
die Wärmetauscheinrichtung strömende Kühlmittel
eingetragen wird und somit diese Wärme in die das Ammoniak
speichernde Vorrichtung eingetragen wird. Auch ist es möglich,
dass in Abhängigkeit vom Lastzustand des Motors über
eine Kombination der vorstehend genannten, unterschiedlichen Mittel
Wärme in die Wärmetauscheinrichtung eingetragen
wird.
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Der
Heizkreislauf nach der vorliegenden Erfindung kann eine Ausgleichsvorrichtung
zum Auffangen gasförmiger Bestandteile des Kühlmittels
besitzen, so dass die Bildung von Dampfblasen, die die Übertragung
der Wärme auf die Ammoniakspeichervorrichtung behindern
würden, vermieden wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist es auch vorgesehen, dass die
Heizeinrichtung zur Abgabe von Wärme an den Heizkreislauf
zum Erreichen des ersten Temperaturniveaus vorgesehen ist. Die Heizeinrichtung
kann also auch dazu ver wendet werden, das erste Temperaturniveau
beschleunigt zu erreichen, damit die Ammoniakspeichervorrichtung schnell
beheizt werden kann, um die Abgabe von Ammoniak aus dem dort gelagerten
Metallsalz zu beschleunigen.
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Schließlich
ist es nach der Erfindung auch vorgesehen, dass die Einrichtung
zur fluidischen Trennung des Heizkreislaufs von dem Kühlmittelkreislauf
unabhängig vom Temperaturniveau im Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Damit kann über
die Heizeinrichtung die Ammoniakspeichervorrichtung auch bei kaltem
Motor beheizt werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur einen schematischen
Aufbau einer Ausführungsform eines Heizkreislaufs nach
der vorliegenden Erfindung.
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Der
Heizkreislauf 1 weist bei der dargestellten Ausführungsform
ein Umschaltventil 2 auf, welches zwei mögliche
Zustände einnehmen kann.
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In
einem ersten, mit Z1 bezeichneten Zustand wird eine Ammoniakspeichervorrichtung 3 lediglich über
die im Kühlmittelkreislauf einer nicht näher dargestellten
Brennkraftmaschine vorhandenen Abwärme beheizt.
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Stromaufwärts
von einem Punkt A tritt Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine in das Umschaltventil 2 ein und
wird von diesem in Richtung des mit C bezeichneten Ausgangs des
Umschaltventils 2 durchgelassen. In diesem Zustand Z1 ist
der Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine mit dem
Heizkreislauf 1 fluidisch verbunden und Kühlmittel
aus dem Kühlmittelkreislauf durchströmt auch den
Heizkreislauf 1 und tritt aus diesem wieder in den Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine ein. Dies geschieht derart, dass das Kühlmittel aus
dem Heizkreislauf 1 an dem Punkt D in das Umschaltventil 2 eintritt
und das Umschaltventil 2 durchströmt und aus diesem
an dem Punkt B in Richtung des Kühlmittelkreislaufs wieder
austritt.
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Der
Heizkreislauf 1 weist eine mit dem Bezugszeichen 4 versehene
elektrisch betriebene Pumpe P auf, über die das Kühlmittel
durch den Heizkreislauf 1 auch hindurch gepumpt werden
kann, wenn das Umschaltventil 2 den Heizkreislauf 1 vom Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine getrennt hat.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform ist stromabwärts
der Pumpe 4 eine Heizeinrichtung 5 angeordnet,
bei der es sich beispielsweise um einen Wärmetauscher oder
einen Durchlauferhitzer handeln kann und über die in den
Heizkreislauf 1 Wärme eingetragen wird.
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Stromabwärts
der Heizeinrichtung 5 ist eine Ausgleichsvorrichtung in
der Form eines Ausgleichsbehälters 6 vorgesehen,
der der Abscheidung gasförmiger Bestandteile aus dem im
Heizkreislauf 1 zirkulierenden Kühlmittel dient.
Damit können etwaige, im Kühlmittel bei einem
Aufheizen auf beispielsweise 150°C auftretende Dampfblasen
abgeschieden werden.
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Stromabwärts
des Ausgleichsbehälters 6 befindet sich die Ammoniakspeichervorrichtung 3,
die über den Heizkreislauf 1 beheizt wird. Dass
erhitzte Kühlmittel tritt an dem Punkt E in die Ammoniakspeichervorrichtung 3 ein,
erhitzt das dort befindliche Metallsalz, so dass Ammoniak aus diesem
austritt und über eine nicht dargestellte Fluidverbindung
einem SCR Katalysator zugeführt werden kann.
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Das
Kühlmittel tritt an dem Punkt F aus der Ammoniakspeichervorrichtung 3 wieder
aus und durchströmt schließlich das Umschaltventil 2 und
tritt wieder in den Kühlmittelkreislauf der nicht näher
dargestellten Brennkraftmaschine ein.
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Auch
in diesem Betriebszustand des Umschaltventils 2, welches
den Heizkreislauf 1 vom Kühlmittelkreislauf der
Brennkraftmaschine noch nicht getrennt hat, kann die Heizeinrichtung 5 zum Eintrag
von Wärme in das Kühlmittel verwendet werden,
um für ein schnelleres Anspringen der Abgabe von Ammoniak
aus dem Metallsalz zu sorgen.
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In
dem mit Z2 bezeichneten Zustand tritt das Kühlmittel aus
dem Kühlmittelkreis lauf am Punkt A in das Umschaltventil 2 ein,
wird von diesem umgeleitet und tritt am Punkt B wieder in den Kühlmittelkreislauf ein,
ohne dass eine fluidische Verbindung zwischen dem Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine und den Heizkreislauf 1 besteht.
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In
diesem Zustand wird das Kühlmittel im Heizkreislauf von
der Pumpe 4 umgepumpt, verlässt also den Heizkreislauf 1 nicht
und kann auf eine Temperatur von beispielsweise über 120°C
erhitzt werden, um die Ammoniakspeichervorrichtung 3 auf
diese Temperatur zu erhitzen, bei der eine vollständige Abgabe
von Ammoniak aus dem dort enthaltenen Metallsalz in der Form von
beispielsweise Strontiumchlorid erreicht werden kann.
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In
diesem Zustand liegt also ein geschlossener Heizkreislauf 1 vor,
der fluidisch und druckdicht vom Kühlmittelkreislauf der
Brennkraftmaschine getrennt ist. Die Pumpe 4 pumpt das
Kühlmittel im Heizkreislauf 1 zur Heizeinrichtung 5,
den Ausgleichsbehälter 6, durch die Ammoniakspeichervorrichtung 3, beziehungsweise
einen darin oder daran vorgesehenen Wärmetauscher, das
Kühlmittel gibt Wärme ab und wird in Richtung
zum Punkt D des Umschaltventils 2 weiter befördert.
Dort findet vom Umschaltventil 2 eine Umleitung in Richtung
des Ausgangs C des Umschaltventils statt, das Kühlmittel
tritt wieder in die Pumpe 4 ein, der Heizkreislauf 1 ist
fluidisch und druckdicht vom Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine
getrennt.
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Durch
das aktive Beheizen der Heizeinrichtung 5 kann diesem Kreislauf
nun Wärme zugeführt werden, der damit verbundene
Druckanstieg im geschlossenen Kreislauf verhindert weit gehend die
Bildung von Dampfblasen und etwaige trotzdem vorhandene Dampfblasen
werden über den Ausgleichsbehälters 6 abgeschieden.
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Somit
ist es möglich, Temperaturen von beispielsweise mehr als
120°C im Heizkreislauf 1 zu erreichen, Temperaturen
also, die höher sind als im geschlossenen Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine. Die Anordnung und Reihenfolge der Pumpe 4,
Heizeinrichtung 5 und des Ausgleichsbehälters 6 im
Heizkreislauf 1 kann vom Anwender entsprechend den jeweiligen
Anforderungen angepasst werden.
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Die
Ammoniakspeichervorrichtung 3 kann im Fahrzeug als auswechselbare
Kartusche vorliegen, so dass eine verbrauchte Kartusche gegen eine
Kartusche mit Metallsalz ausgetauscht werden kann, die noch vollständig
mit Ammoniak beladen ist.
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Bei
einer noch vollständig oder nahezu vollständig
beladenen Kartusche wird der Heizkreislauf 1 im Zustand
Z1 betrieben, dass vorhandene Ammoniak wird durch die Wärme
aus dem Kühlmittelkreislauf aus dem Metallsalz gelöst,
wofür die Abwärme der Brennkraftmaschine ausreichen
kann. Die Wärmezufuhr zur Ammoniakspeichervorrichtung 3 wird über die
im System vorhandene Kühlmittelpumpe oder die Pumpe 4 so
geregelt, dass sich ein entsprechender Ammoniak-Dampfdruck einstellt.
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Bei
den üblichen Temperaturen des Kühlmittels im Kühlkreislauf
einer Brennkraftmaschine kann aber nicht alles im beispielsweise
genannten Strontiumchlorid gebundene Ammoniak ausgelöst
werden, da bis zu einer Auslöseschwelle von etwa 80°C
nur circa sieben Achtel der Ammoniakmoleküle aus dem Speichermaterial
ausgelöst werden können. Das verbliebene letzte
Achtel kann bei dem vorgesehenen Einsatz von Strontiumchlorid erst
bei Temperaturen von etwa 150°C freigesetzt werden.
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Sobald
nun etwa sieben Achtel der gebundenen Ammoniak Gesamtmenge verbraucht
sind, was beispielsweise über eine Massenbilanz und/oder
den fehlenden Druckaufbau in der Ammoniakspeichervorrichtung erfasst
werden kann, wird nun Ammoniak nach einem optionalen vorhergehenden
Aufwärmen der Ammoniakspeichervorrichtung mittels der Abwärme
im Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine dadurch freigesetzt,
dass das Umschaltventil in den Zustand Z2 geschaltet wird und die
Temperatur im Heizkreislauf über einen Energieeintrag mittels
der Heizeinrichtung erhöht wird.
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In
diesem Zustand ist es nun möglich, im geschlossenen Heizkreislauf
durch die Zufuhr von Wärme die Temperatur auf beispielsweise
150°C zum Auslösen des letzten Achtels des Ammoniaks
aus dem in der Ammoniakspeichervorrichtung vorliegenden Strontiumchlorid
auszutragen und somit die volle Speicherkapazität der Ammoniakspeichervorrichtung
zu nutzen.
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Die
Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Ammoniakspeichervorrichtung
auch unabhängig von der Temperatur im Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine durch den Heizkreislauf beheizt werden kann.
Durch das Einbringen von Wärme über das die Ammoniakspeichervorrichtung
auf ein erstes Temperaturniveau aufheizende Kühlmittel ist
die Notwendigkeit der Anbringung einer elektrischen Zusatzheizung
an der Ammoniakspeichervorrichtung entfallen, was insbesondere dann
von Vorteil ist, wenn es sich bei der Ammoniakspeichervorrichtung
um eine auswechselbare Kartusche handelt.
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Durch
den im Zustand Z2 vorliegenden geschlossenen Druckkreislauf kann
das Kühlmittel auf ein zweites Temperaturniveau erhöht
werden, welches über die Abwärme der Brennkraftmaschine nicht
erreicht werden kann. Auch im Zustand Z1 kann durch die Heizeinrichtung
ein schnelleres Aufheizen der Ammoniakspeichervorrichtung erreicht
werden.
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Hinsichtlich
vorstehend im Einzelnen nicht näher dargestellter Merkmale
der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf
die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.
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- 1
- Heizkreislauf
- 2
- Umschaltventil
- 3
- Ammoniakspeichervorrichtung
- 4
- Pumpe
- 5
- Heizeinrichtung
- 6
- Ausgleichsbehälter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19728343
C1 [0005, 0009]
- - DE 2712438 A1 [0007]
- - DE 1097761 A1 [0008]