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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 197 28 343 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 Metallsalz 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 27 12 438 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 97 761 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 28 343 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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Anhand der
EP 1 662 103 A1 ist eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Motors bekannt geworden. Mit dieser Vorrichtung kann ein in einem Speichertank vorhandenes, in Wasser gelöstes Ammoniak zu einem in einem Abgassystem vorhandenen Reduktionskatalysator geführt werden. Im Speichertank befindet sich eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration an Ammoniakwasser angeordnet und die festgestellte Konzentration wird als Basisinformation für die Steuerung der Zufuhr des Reduktionsmittels verwendet. Weiterhin sind eine Heizvorrichtung zur Erwärmung des Reduktionsmittels und eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Reduktionsmittels vorgesehen.
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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 Dampfblasenbildung 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 verwendet 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 Kühlmittelkreislauf 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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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizkreislauf
- 2
- Umschaltventil
- 3
- Ammoniakspeichervorrichtung
- 4
- Pumpe
- 5
- Heizeinrichtung
- 6
- Ausgleichsbehälter
