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Die
Erfindung betrifft eine Befülleinrichtung zur Befüllung
von Gehäusen, Kreisläufen, Ausgleichbehältern
und ähnlichen Baugruppen mit Kraft-, Schmier-, Kühl-
und sonstigen Betriebsstoffen, insbesondere zur Befüllung
von Behältern zur Aufnahme von wässrigen Harnstofflösungen
zur Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren, gemäß dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Für
verschiedenartige Anwendungen müssen Behälter
mit Flüssigkeiten oder Gasen gefüllt werden. Ein
diesbezüglich typisches Einsatzgebiet ist die Automobilindustrie,
bei der eine Befüllung von Gehäusen, Kreisläufen,
Ausgleichbehältern und ähnlichen Baugruppen mit
Kraft-, Schmier-, Kühl- und sonstigen Betriebsstoffen notwendig
ist. Hierfür sind bereits zahlreiche technische Lösungen
sowohl für eine Erstbefüllung an Fertigungslinien
der Fahrzeughersteller als auch für spätere Nachbefüllungen durch
den Fahrzeughalter vorgeschlagen worden.
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So
beschreibt
DE 196
42 239 C2 ein Verfahren zum Befüllen von Behältern
mit Bremsflüssigkeit. Hierbei wird der Behälter
vor einer Ersatzbefüllung mit Überdruck oder Unterdruck
beaufschlagt, um die alte Bremsflüssigkeit vollständig
ableiten zu können.
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Aus
DE 202 06 057 U1 ist
eine Befülleinrichtung für einen zur Aufnahme
von Flüssigkeiten bestimmten Behälter bekannt,
wobei in der Befüllleitung ein zusätzliches Sicherheitsventil
angeordnet ist.
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In
DE 199 10 331 A1 wird
ein Verfahren zur Erstbefüllung eines Kraftstoffsystems
beschrieben, bei dem durch gleichzeitiges Betätigen von
zumindest zwei im Fahrzeug vorgesehenen Bedienelementen eine Kraftstoffpumpe
zur Befüllung betrieben wird.
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Gegenstand
von
DE 101 64 355
A1 ist ein Hydraulikbremssystem mit einer aufwendigen hydraulischen
Schaltung, mit der eine Vorrichtung zur Erstbefüllung mit
Bremsflüssigkeit frei geschaltet oder abgeschaltet wird.
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Die
benannten technischen Lösungen sind grundsätzlich
zur Handhabung konventioneller Betriebsstoffe für Kraftfahrzeuge
geeignet. Probleme ergeben sich allerdings durch zunehmend höhere
Befülldrücke und kürzere Befüllzeiten
sowie durch die Verwendung von neuartigen Betriebsstoffen. So sind die
Automobilhersteller aus Umweltaspekten, beispielsweise unter Beachtung
der zunehmenden globalen Erwärmung veranlasst, den Schadstoffausstoß der
Verbrennungsmotoren weiter zu reduzieren.
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Ein
diesbezüglich interessanter Lösungsansatz ist
die Nachbehandlung der Abgase von Dieselmotoren innerhalb eines
Katalysators. Dabei kann der Ausstoß von Stickoxiden (NOx) durch selektive katalytische Reduktion
um etwa 90% reduziert werden. Das hierfür verwendete Katalyt – eine
synthetisch hergestellte wässrige Harnstofflösung – ist
ein Verbrauchsmedium. Diese Harnstofflösungen, die u. a.
unter den Bezeichnungen „AdBlue”, „Urea” und „AUS
32” bekannt sind, werden im Unterschied zu konventionellen
Additiven nicht dem Kraftstoff zugemischt, sondern aus einem separaten
Behälter unmittelbar in den Abgasstrom eingespritzt. Dabei
wird die Harnstofflösung während der Endmontage
beim Automobilhersteller erstmals befüllt und im späteren Nutzungszyklus
des Kraftfahrzeuges innerhalb definierter Serviceintervalle regelmäßig
nachgefüllt.
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Die
gegenwärtig eingesetzten Befülleinrichtungen für
wässrige Harnstofflösungen sind als volumetrische
Befüllsysteme ausgestaltet, mit denen fahrzeugabhängig
eine vordefinierte Menge in einen im Fahrzeug integrierten Behälter
gefüllt wird. Der Aufbau dieser Anlagen gliedert sich üblicherweise
in die Hauptkomponenten belüfteter Tank, Füllpumpe mit
Druckbegrenzung, Durchflussmessgerät, Ventile und Fahrzeugadaption.
Mit derartigen Befüllsystemen werden jedoch die spezifischen
Eigenschaften der Harnstofflösung nicht ausreichend berücksichtigt. Die
wässrige Harnstofflösung ist eine Flüssigkeit,
die sehr hohe Ansprüche an das Handling stellt. So tritt unter
dem Einfluss von Umgebungsluft innerhalb kürzester Zeit
ein Verdunsten der Wasseranteile und eine Kristallbildung auf, die
hochgradig korrosive Eigenschaften aufweist. Weiterhin beginnt oberhalb von
60°C der chemisch-physikalische Prozess der Hydrolyse,
bei dem Ammoniak freigesetzt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Befülleinrichtung zur Befüllung
von Gehäusen, Kreisläufen, Ausgleichbehältern
und ähnlichen Baugruppen mit Kraft-, Schmier-, Kühl-
und sonstigen Betriebsstoffen zu schaffen, mit der konstante Umgebungsbedingungen
für den Betriebsstoff gewährleistet werden, in
deren Folge eine qualitative Beeinträchtigung der zu befüllenden
Betriebsstoffe (insbesondere wässrige Harnstofflösungen)
vermieden wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst, indem die Befülleinrichtung
einen Zentraltank und einen Anlagentank aufweist, die über
jeweils eine Zuführleitung und eine Rückführleitung
derart miteinander in Wirkverbindung stehen, dass der vom Zentraltank
befüllbare Anlagentank in jedem Zeitpunkt zu mindestens
fast 100% mit Betriebsstoff gefüllt ist. Im Anlagentank sind
also ständig entweder 100% oder geringfügig weniger
% an Betriebsstoff verfügbar. Ein Befüllungsgrad
von geringfügig weniger als 100% kann beispielsweise entstehen,
sofern am Eingangsbereich des Anlagentanks eine Restgasblase verbleibt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen
Ansprüchen, deren technische Merkmale in einem Ausführungsbeispiel
näher beschrieben werden.
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Indem
der Betriebsstoff, insbesondere eine wässrige Harnstofflösung,
in einem Anlagentank bevorratet wird, der zu annähernd
100% mit dem flüssigen Medium gefüllt ist, wird
eine Belüftung der Harnstofflösung mit Atmosphärenluft
verhindert. Der Anlagentank wird mittels einer Pumpe in der Zentralversorgung
von dem vorzugsweise als Erdtank ausgestalteten Zentraltank und
einem anlagentankseitigen Eingangsventil ständig mit frischem
und kühlem Medium versorgt.
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Damit
der Druck im Anlagentank nicht unzulässig ansteigt, wird
auftretender Überdruck durch ein Ventil mit einer zugeordneten
Leitung zum Erdtank zurückgeführt, wobei der Erdtank
ein Druckniveau von Atmosphäre aufweist. In diese Leitung wird
auch ein Entlüfter vom Anlagentank eingebunden. Somit wird
erreicht, dass zu keinem Zeitpunkt Gasphasen im Anlagentank auftreten. Über
diese, in zwei Richtungen wirksam werdende Leitung werden auch eventuelle
Ausdunstungen von Ammoniak zurück zum Erdtank geführt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Leitungen vom und
zum Anlagentank sowie der Anlagentank selbst wärmeisoliert
ausgebildet sind.
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Die
eigentliche Füllstrecke der Befülleinrichtung,
beginnend an einer Pumpe mit einer Überdruckabsicherung
bis hin zu einem Adapter-Füllventil, ist so ausgeführt,
dass sie ausgehend vom Anlagentank einen geschlossenen Kreislauf
wieder zurück zum Anlagentank bildet. Somit kann die Füllpumpe
ständig im drucklosen Umlauf arbeiten und die wässrige
Harnstofflösung in Bewegung halten.
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Der
Anlagentank kann zusätzlich mit einem Temperaturfühler
ausgestattet werden, der die Temperatur im Tank überwacht
und den Umlauf zwischen Erdtank und Anlagentank steuert. Damit kann
gewährleistet werden, dass die wässrige Harnstofflösung
stets unterhalb der Solltemperatur bevorratet und der Verlustwärmeeintrag
durch die Füllpumpe kompensiert wird.
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Die
erfindungsgemäße Befülleinrichtung ist für
verschiedenartige Füllanlagen geeignet. Eine bevorzugte
Anwendung ist die Befüllung von Behältern zur
Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren mit wässrigen Harnstofflösungen.
Dabei werden konstante Umgebungsbedingungen gewährleistet,
in deren Folge eine qualitative Beeinträchtigung der zu
befüllenden wässrigen Harnstofflösung
oder ähnlicher Stoffe vermieden wird. Hierfür
ist ein lediglich geringer energetischer Aufwand notwendig. Gleichzeitig kann
auf zusätzliche Kühlkreisläufe und Tankbelüftungsfilter
verzichtet werden.
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Folglich
sind als wesentliche Vorteile der erfindungsgemäßen
Befülleinrichtung eine mediengerechte Behandlung der wässrigen
Harnstofflösung und artverwandter Stoffe während
der Befüllung sowie eine hohe Prozesssicherheit bei geringem
Energieeinsatz zu nennen.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung beschrieben.
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Die
in der Zeichnung dargestellte Befülleinrichtung ist zur
Befüllung von Gehäusen, Kreisläufen, Ausgleichbehältern
und ähnlichen Baugruppen mit Kraft-, Schmier-, Kühl-
und sonstigen Betriebsstoffen geeignet. Eine bevorzugte Anwendung
ist beispielsweise die Befüllung von Behältern
zur Aufnahme von wässrigen Harnstofflösungen für
eine Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren.
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Diese
Befülleinrichtung weist einen Zentraltank 1 und
einen Anlagentank 3 auf. Der Zentraltank 1 ist
vorzugsweise als ein Erdtank ausgestaltet. Die entsprechende Anordnung
des Zentraltanks 1 ist in der Zeichnung mit einem ”E” bezeichnet,
wobei diese Linie ”E” die Oberfläche
des Erdbodens stilisiert darstellen soll. Der Zentraltank 1 weist
ein Druckniveau auf atmosphärischem Niveau auf.
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Der
Zentraltank 1 und der Anlagentank 3 sind über
jeweils eine Zuführleitung L1 und eine Rückführleitung
L2 miteinander verbunden. Die Strömungsrichtungen innerhalb
von Zuführleitung L1 und Rückführleitung
L2 sind – ebenso wie die Strömungsrichtungen von
weiteren, noch näher zu erläuternden Leitungen – jeweils
mit Pfeilen stilisiert dargestellt.
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Die
Wirkverbindung zwischen Zentraltank 1 und Anlagentank 3 ist
so ausgestaltet, dass der Anlagentank 3 ständig
zu 100% oder zumindest zu fast 100% mit Betriebsstoff gefüllt
ist. Dies wird aus der Zeichnung ersichtlich, indem der Anlagentank 3 vollständig
eng schraffiert dargestellt ist, während der Zentraltank 1 lediglich
teilweise gefüllt und deshalb nur teilweise eng schraffiert
dargestellt ist.
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In
der Zuführleitung L1 vom Zentraltank 1 zum Anlagentank 3 sind
zentraltankseitig eine Pumpe 2 mit Druckbegrenzungseinrichtung
und anlagentankseitig ein Eingangsventil 4 angeordnet.
Der Pumpe 2 ist eine Rückführleitung
L3 zum Zentraltank 1 nachgeordnet.
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In
der Rückführleitung L2 vom Anlagentank 3 zum
Zentraltank 1 ist anlagentankseitig ein Sicherheitsventil 7 oder
ein Druckbegrenzer 7 angeordnet. In diese Rückführleitung
L2 mündet außerdem eine Entlüftung 8 vom
Anlagentank 3, wobei die zugeordnete Leitung entweder ausgehend
vom Anlagentank 3 oder gerichtet zum Anlagentank 3 – also
in zwei Richtungen – betrieben werden kann.
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Der
Zuführleitung L1, der Rückführleitung
L2 und dem Anlagentank 3 ist jeweils eine Wärmeisolationen 11 zugeordnet,
die in der Zeichnung linienförmig stilisiert dargestellt
ist.
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Die
eigentliche Füllstrecke zwischen dem Anlagentank 3 und
einem Adapter-Füllventil 9 als Schnittstelle zu
dem zu befüllenden Behälter 12 in einem
Fahrzeug ist als geschlossener Kreislauf ausgestaltet. Diese Füllstrecke
umfasst eine Zuführleitung L4 mit zugeordneter Füllpumpe 5 und
eine Rückführleitung L5. Dabei ist der Zuführleitung
L4 eine Druckbegrenzungseinrichtung 6 zugeordnet. Ausgehend von
dieser Druckbegrenzungseinrichtung 6 mündet eine
Rückführleitung in den Anlagentank 3.
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Der
Anlagentank 3 ist außerdem mit einem Temperaturfühler 10 ausgestattet.
Die von diesem Temperaturfühler 10 erfassten Parameter
können zur Steuerung des Umlaufs des Betriebsstoffes zwischen dem
Zentraltank 1 und dem Anlagentank 3 verwendet
werden. Hierbei wird der Umlauf des Betriebsstoffes zwischen Zentraltank 1 und
Anlagentank 3 so gesteuert, dass der Betriebsstoff stets
mit einer Temperatur unterhalb der Solltemperatur bevorratet und
der Verlustwärmeeintrag durch die Füllpumpe 5 kompensiert
wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung weist die Befülleinrichtung
drei grundlegende Komponenten auf: den vorzugsweise als Erdtank
ausgeführten Zentraltank, die eigentliche Füllanlage
und den Fülladapter als Schnittstelle zum Fahrzeug. Dieser
modulartige Aufbau wird aus der Zeichnung ersichtlich, indem die
drei entsprechenden Komponenten nochmals als Gesamtheit der jeweiligen
Bauteile und Leitungen mit ”A/B/C” bezeichnet
sind.
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- 1
- Zentraltank/Erdtank
- 2
- Pumpe
mit Druckbegrenzungseinrichtung
- 3
- Anlagentank
- 4
- Eingangsventil
- 5
- Füllpumpe
- 6
- Druckbegrenzungseinrichtung
- 7
- Sicherheitsventil/Druckbegrenzer
- 8
- Entlüftung
- 9
- Adapter-Füllventil
- 10
- Temperaturfühler
- 11
- Wärmeisolation
- 12
- zu
befüllender Behälter im Fahrzeug
- L1
- Zuführleitung
vom Zentraltank zum Anlagentank
- L2
- Rückführleitung
vom Anlagentank zum Zentraltank
- L3
- Rückführleitung
von Pumpe zum Zentraltank
- L4
- Zuführleitung
vom Anlagentank zum Adapter-Füllventil
- L5
- Rückführleitung
vom Adapter-Füllventil zum Anlagentank
- A
- Komponenten
Erdtank/Zentraltank
- B
- Komponenten
Füllanlage
- C
- Komponenten
Fülladapter/Fahrzeug
- E
- Oberfläche
des Erdbodens
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19642239
C2 [0003]
- - DE 20206057 U1 [0004]
- - DE 19910331 A1 [0005]
- - DE 10164355 A1 [0006]