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Stand der Technik
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DE 10 2006 027 487 A1 betrifft einen Fahrzeugtank für ein flüssiges Reduktionsmittel, insbesondere eine Harnstofflösung. Der Fahrzeugtank zur Aufnahme einer wässrigen Harnstofflösung zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen wird aus Kunststoff gefertigt. Der Fahrzeugtank weist in vorteilhafter Weise eine Funktionseinheit auf, die mindestens eine Pumpe, mindestens ein Druckregelventil, mindestens einen Innenbehälter mit integrierter elektrischer Heizung sowie mindestens eine Saugleitung umfasst. Die Funktionseinheit ist in vorteilhafter Weise in einer Öffnung im Tank eingesetzt und dichtet diesen deckelartig ab.
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Das Reduktionsmittel, das im Wege des SCR-Verfahrens eingesetzt wird (SCR = selective catalytic reduction), gefriert je nach zugesetztem Antifrostmittel zwischen –11°C und –40°C. Da auch bei tiefen Temperaturen die Schadstoffe der Verbrennungskraftmaschine zu reduzieren sind, ist das Reduktionsmittel gegebenenfalls aufzutauen. Dazu befindet sich innerhalb des Reduktionsmitteltanks eine Heizung, die in der Regel elektrisch betrieben wird. Bei Personenkraftwagen hat sich im Gegensatz zu Nutzfahrzeuganwendungen eine elektrische Heizung durchgesetzt, während bei Nutzfahrzeuganwendungen die Heizung des Tanks über das Kühlwasser erfolgt.
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Die elektrische Beheizung des Tanks einer Abgasnachbehandlungsanlage unter Verwendung von wässriger Harnstofflösung als Reduktionsmittel, erfordert ein effizientes Heiz- bzw. Auftaukonzept. Dies ist umso wichtiger, da von der Bordelektrik nur eine begrenzte elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden kann. Die gesetzlichen Bestimmungen erfordern ein rasches Auftauen einer begrenzten Reduktionsmittelmenge. Eine elektrische Heizung wird innerhalb des Tanks in ein Teilbehälter positioniert und ist in der Regel von einem Schwapp- oder Schwalltopf umgeben. Die Wände dieses Teilbehälters, der in der Regel aus Kunststoff gefertigt ist, stellen eine thermische Isolierung des Volumens, welches im Teilbehälter bevorratet ist, zur außen gegebenenfalls gefrorenen Flüssigkeit des Vorratstanks dar. Da diese Lösung überdies die Konvektion des über die Heizung aufgetauten Reduktionsmittels auf den Inhalt des Teilbehälters beschränkt, wird dieser weit vor dem Inhalt des Vorratstanks auftauen. Beim Gefrieren dehnt sich das Reduktionsmittel um ca. 10 Vol.-% aus. Diese Volumenausdehnung darf das Tanksystem nicht schädigen, d. h. das System ist so zu konfigurieren, dass es dem sich aufbauenden Eisdruck widersteht. Hinsichtlich des Tanks ist dieser so zu dimensionieren, dass ein Ausdehnungsvolumen von bis zu 3 l aufgenommen werden kann. Nicht alle in Personenkraftwagen eingesetzten Tanks haben eine ideale Einbausituation hinsichtlich der für die Eisdruckfähigkeit optimierten Form des Vorratstanks, manche Einbausituationen im Fahrzeug führen zu sehr ungünstigen Tankgeometrien. Unter ungünstiger Tankgeometrie ist im vorliegenden Zusammenhang eine Geometrie zu verstehen, bei der die im Tank bevorratete Flüssigkeit der kalten Umgebung eine sehr große Angriffsfläche bietet, wobei ein isolierender Luftraum relativ klein dimensioniert ist. Hinsichtlich der Anforderungen an die Eisdruckfähigkeit eines solchen Tanks ist der isolierende Luftraum zu kleinflächig. Der Vorratstank wird zunächst an der Außenwand gefrieren und es wird somit in der Mitte des Tanks eine flüssige Blase verbleiben, die beim Durchfrieren schließlich aufgrund ihrer Expansion zu einer Zerstörung des Tanksystems führen kann.
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Die Beeinflussung des Einfrierverhaltens des im Vorratstank bevorrateten Reduktionsmittels über eine zusätzliche Isolierung auf der Außenseite des Tanks stellt zwar eine wirksame Maßnahme dar, ist jedoch häufig aus Bauraumgründen nicht möglich.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Vorratstank zur Aufnahme eines Betriebs-/Hilfsstoffes, insbesondere eines gefrierfähigen Reduktionsmittels wie Harnstoff oder eine Harnstoff-Wasser-Lösung an seiner Mantelfläche und/oder im Bodenbereich zu beheizen, wobei als Heizmedium eine bereits an der Verbrennungskraftmaschine im Fahrzeug vorgesehene Wärmequelle herangezogen wird. Bei dieser im Fahrzeug bereits vorgesehenen Wärmequelle handelt es sich insbesondere um die Verbrennungskraftmaschine selbst, so zum Beispiel um den von dieser erzeugten Abgasstrom, der ein erhöhtes Temperaturniveau aufweist bzw. das innerhalb der Verbrennungskraftmaschine zirkulierende Kühlmedium.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, ist eine Zuleitung, in welcher entweder ein Abgasstrom oder besser gesagt ein Teil des Kühlwassers zirkuliert, in Mäanderform innerhalb des Vorratstanks angeordnet oder in die Mantelfläche des Vorratstanks integriert. Da der Vorratstank im Allgemeinen als Kunststoffspritzgussbauteil gefertigt ist, können die das Heizmedium führenden Kanäle bereits bei der Herstellung des Vorratstanks bzw. von Tankwänden bzw. Tankboden in diesen integriert werden. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, die das Heizmedium führende Leitung in Mäanderform im Inneren des Vorratstanks zu befestigen. Zulauf und Rücklauf der das Heizmedium führenden Leitung können an einer Bypass-Leitung angeschlossen werden, mit der ein z. B. Teilabgasstrom aus dem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine hinter dem Endschalldämpfer entnommen und vor dem Endschalldämpfer wieder zugeführt wird. Wird die das Heizmedium führende Leitung an der Bodenfläche bzw. der Mantelfläche des Vorratstanks oder in dessen Innenraum in Mäanderform verlegt, so ergibt sich eine hohe vom Heizmedium bestrichene Fläche, so dass gefrorenes Reduktionsmittel, welches im Inneren des Vorratstanks bevorratet wird, gegebenenfalls schnell von innen aufgetaut werden kann. Neben einer Bedeckung der Mantelfläche bzw. einer Integration der Heizelemente in die Mantelfläche oder in die Bodenfläche, besteht auch die Möglichkeit, in Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung in Mäanderform vorgesehene Heizleitungen deckelseitig am Vorratstank aufzubringen oder in die Deckelgeometrie des Vorratstanks zu integrieren.
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Die Nutzung einer bereits im Fahrzeug vorhandenen Wärmequelle erlaubt eine Systemvereinfachung, da auf die elektrische Heizung verzichtet werden kann, die zudem eine relativ hohe elektrische Verlustleistung erzeugt, die über die Motorleistung zu kompensieren ist. Des Weiteren ist bei einer elektrischen Heizung deren Heizwirkung auf das Innere des Schwapptopfes begrenzt, ferner stellt eine elektrische Heizung eine Restriktion hinsichtlich des Tankdesigns dar.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können potentielle Systemausfälle durch Ausfall des elektrischen Heizers komplett eliminiert werden. Des Weiteren trägt die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zur CO2-Reduzierung bei und begünstigt ein schnelles Auftauen, was gesetzlich vorgeschrieben ist. Des Weiteren wird in Bezug auf die Fahrzeugelektrik die Pin-Belegung an einem EDC-Steuergerät reduziert sowie die Endstufenzahl der DCU reduziert. Die Heizfläche, auf die das von der Verbrennungskraftmaschine erzeugte Heizmedium oder das in dieser zirkulierende Heizmedium wirkt, ist erheblich größer, verglichen mit der Fläche, die über eine elektrisch betriebene Beheizung erwärmt werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 einen Vorratstank zur Aufnahme eines gefrierfähigen Reduktionsmittels mit einer elektrisch betriebenen Heizung,
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2 die Darstellung des Verlaufes der das Heizmedium führenden Leitung an der Mantelfläche des Vorratstanks und
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3 die Einbindung der das Heizmedium führenden Leitung zum Beispiel in den Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine mit Bypass-Leitung samt Rückschlagventil und Bypass-Ventil.
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1 zeigt eine Ausführungsvariante eines ein gefrierfähiges Reduktionsmittel bevorratenden Vorratstanks gemäß des Standes der Technik.
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Ein Vorratstank 10 zur Aufnahme eines gefrierfähigen Reduktionsmittels, angedeutet durch Bezugszeichen 19, umfasst einen topfförmigen Einsatz 12. Der Vorratstank 10 ist einerseits durch eine Bodenfläche 14, und andererseits durch eine Mantelfläche 34 begrenzt. Im Inneren des topfförmigen Einsatzes 12 verläuft eine Sauglanze 16, die gegebenenfalls auch beheizt ausgebildet ist. An der Saugöffnung der Sauglanze 16 ist ein elektrisch betriebenes Heizelement 18 vorgesehen. Unterhalb des topfförmigen Einsatzes 12 befindet sich ein Untertopf 20 der über eine Befüllöffnung 22, die sich in radiale Richtung durch die Wand des Untertopfes 20 erstreckt, mit Reduktionsmittel beaufschlagt ist. Der Vorratstank 10 ist durch einen Tankdeckel 26 verschlossen, auf dessen Oberseite sich ein Fördermodul 24 befindet. Dem Fördermodul 24 ist ein Rücklauf 28 zugeordnet, über welchen überschüssiges Reduktionsmittel 19 dem Inneren des Vorratstanks 10, insbesondere dem topfförmigen Einsatz 12 zuströmt. Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass das elektrisch betriebene Heizelement 18 sich im Wesentlichen im Untertopf 20 befindet und die erwärmbare Fläche, die durch das elektrisch betriebene Heizelement beaufschlagt werden kann, aufgrund der Einbaugeometrie begrenzt ist.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 2 ist eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung zu entnehmen.
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2 zeigt, dass der Vorratstank 10 ebenfalls den topfförmigen Einsatz 12 umfasst und durch die Bodenfläche 14 begrenzt ist. Innerhalb des topfförmigen Einsatzes 12 befindet sich die Sauglanze 16, der jedoch im Unterschied zur Ausführungsvariante gemäß 1 kein elektrisches Heizelement zugeordnet ist. Der Vorratstank 10 ist mit Reduktionsmittel 19 befüllt. Analog zur Darstellung gemäß 1 befindet sich unterhalb des topfförmigen Einsatzes 12, der in der Regel aus Kunststoffmaterial gefertigt wird, der Untertopf 20, der die Befüllöffnung 22 umfasst. Das Reduktionsmittel 19 wird aus dem Vorratstank 10 über das Fördermodul 24 gefördert, welches auf der Oberseite des Tankdeckels 26 angeordnet ist. Stromab des Fördermoduls 24 befindet sich der Rücklauf 28, über den überschüssiges Reduktionsmittel 19 in den Vorratstank 10 zurückströmt, insbesondere in den darin aufgenommenen topfförmigen Einsatz 12.
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Bezugszeichen 30 bezeichnet die äußere Umfangsfläche des Tanks, dargestellt durch dessen Mantelfläche 34. Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass im Inneren des Vorratstanks 10, d. h. insbesondere innerhalb des Reduktionsmittels 19 eine Leitung 32 in Mäanderform 36 verläuft. Diese Leitung, in der ein Heizmedium geführt ist, erstreckt sich sowohl durch die Partien des Vorratstanks 10, welche den topfförmigen Einsatz 12 umgibt, als auch durch den topfförmigen Einsatz 12 selbst. Aufgrund des Umstandes, dass die das Heizmedium führende Leitung 32 in einen Mäander-Verlauf 36 aufweist, ist eine relativ hohe Heizfläche gegeben. Alternativ zur in 2 dargestellten Ausführungsmöglichkeit, kann die Leitung 32 für das Heizmedium, so zum Beispiel einen Abgasteilstrom oder Kühlwasser der Verbrennungskraftmaschine auch an der Innenseite der Mantelfläche 34 verlaufen oder auch bereits bei der Herstellung des Vorratstanks 10 in die Mantelfläche 34 integriert sein. In vorteilhafter Weise sind ein Zulauf 38 sowie ein Rücklauf 40 der das Heizmedium führenden Leitung 32 analog zum Rücklauf 28 durch den Tankdeckel 26 geführt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann im Unterschied zur Lösung gemäß 1 erreicht werden, dass sowohl der Inhalt des Vorratstanks 10 als auch der Inhalt des topfförmigen Einsatzes 12 mit ein und demselben Heizelement, in diesem Falle der Heizleitung 32 über eine bereits am Fahrzeug befindliche Wärmequelle aufgetaut werden kann. Die elektrische Heizung mit ihrer relativ geringen kleinen erwärmbaren Fläche kann entfallen. Vorraussetzung zum Auftauen des Inhalts des Vorratstanks 10 bzw. des topfförmigen Einsatzes 12 ist, dass das Heizmedium bereits eine ausreichende Temperatur aufweist, um Wärme an den gegebenenfalls gefrorenen Inhalt von Reduktionsmittel 19 im Inneren des Vorratstanks 10 bzw. im Inneren des topfförmigen Einsatzes 12 abzugeben. Dies ist in der Regel bei Abgas von Verbrennungskraftmaschinen unmittelbar nach deren Start der Fall.
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In besonders platzsparender Bauweise kann die Leitung 32 zur Führung des Heizmediums, sei es ein Teilabgasstrom, sei es in der Verbrennungskraftmaschine zirkulierendes Kühlwasser durch den Tankdeckel 26 in das Innere des Vorratstanks 10 sowie durch das Fördermodul 24 geleitet werden. Damit ist neben der Beheizung des Inhaltes des Volumens des topfförmigen Einsatzes 12, des Inneren des Vorratstanks 10 auch die Beheizung des Fördermoduls 24 möglich. Bei geschicktem Verlegen der Leitung 32 kann über diese auch die Sauglanze 16 bzw. deren oberhalb der Bodenfläche befindliche Ansaugöffnung vor Zufrieren geschützt werden.
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3 zeigt die Einbindung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung in das Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine.
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In der Darstellung gemäß 3 befindet sich in einem Abgasstrang 42 der Vorratstank 10, der in der Darstellung gemäß 2 in größerem Maßstab dargestellt ist. Der Vorratstank gemäß 2 ist in der Ausführungsvariante 3 in einen Abgasstrang 42 einer Verbrennungskraftmaschine eingebunden. Durch den Abgasstrang 42 strömt gereinigtes Abgas 44 der Verbrennungskraftmaschine in Richtung eines Endschaltdämpfers 56. Sowohl der Zulauf 38 der Leitung 32 für das Heizmedium als auch deren Rücklauf 40 sind an einer Bypass-Leitung 50 angeschlossen. Die Bypass-Leitung 50 wird von einem Teilabgasstrom in Strömungsrichtung 52 durchströmt. Der Teilstrom vom Abgas 44 wird an einer Abzweigstelle 58 entnommen, sobald ein in der Bypass-Leitung 50 integriertes Bypass-Ventil 46 über ein Motorsteuergerät 48 oder ein SCR-Steuergerät angesteuert wird.
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Bei Betätigung des Bypass-Ventiles 46 in der Abgasleitung 50 strömt ein Teilabgasstrom in Strömungsrichtung 52 in die Bypass-Leitung 50 ein. In der Bypass-Leitung 50 ist darüber hinaus ausgangsseitig ein Rückschlagventil 54 angeordnet. Der Teilabgasstrom wird an der Abzweigstelle 58 stromab des Endschalldämpfers 56 entnommen und an einer Einleitungsstelle 60 vor dem Endschalldämpfer 56 wieder in den Abgasstrom eingeleitet.
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Über die Bypass-Leitung 50 tritt das Heizmedium – in der Ausführungsvariante gemäß 3 der Teilabgasstrom – am Zulauf 38 in die Leitung 32 ein und durchströmt diese in Strömungsrichtung. Je nach Anzahl der Windungen innerhalb des Mäanderverlaufes 36 der Leitung 32 innerhalb des Vorratstanks 10 bzw. innerhalb des Schwapptopfes des topfförmigen Einsatzes 12 kann entsprechend Wärme an das gefrorene Reduktionsmittel 19 im Inneren des Vorratstanks 10 bzw. im Inneren des topfförmigen Einsatzes 12 abgegeben werden. Über den Rücklauf 340 strömt der entsprechend abgekühlte Teilabgasstrom wieder in die Bypass-Leitung 50 in Strömungsrichtung 52 der Einspeisungsstelle 16 vor dem Endschalldämpfer 56 zu und wird dort wieder in den Abgasstrang 42 der in 3 nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine eingeleitet. Im Gegensatz zu der im Zusammenhang mit 1 dargestellten elektrisch betriebenen Heizung 18 kann eine wesentlich gleichmäßigere und großflächigere Erwärmung des gefrorenen Reduktionsmittels 19 im Inneren des Vorratstanks 10 bzw. im Inneren des topfförmigen Einsatzes 12 erreicht werden. In besonders vorteilhafter Weise können zur Erhöhung der wärmeabgebenden Fläche der Leitung 32 in der Wandfläche des topfförmigen Einsatzes 12 Durchbrüche 64 vorgesehen werden, durch welche die Leitung 32 radial durch den topfförmigen Einsatz 12 verläuft und Wärme an das im topfförmigen Einsatz 12 befindliche Volumen von Reduktionsmittel 19 abgibt.
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Mittels eines Rückschlagventils 54, welches in der Darstellung gemäß 3 stromab eines Rücklaufes 40 der Leitung 32 dargestellt ist und in die Leitung integriert ist, wird die Strömungsrichtung in der Leitung 32 bestimmt. Das Rückschlagventil ist federbeaufschlagt ausgebildet und verhindert ein Einströmen von Abgas aus dem Endschalldämpfer 56 entgegen der Strömungsrichtung 52 wie in 3 dargestellt. Des Weiteren schützt das Rückschlagventil 54 vor Überhitzung innerhalb des Vorratstanks 10, wenn das Bypassventil 46 geschlossen ist. Wenngleich in der Darstellung gemäß 3 außerhalb des Leitungsstranges der Leitung 32 angeordnet, ist das Rückschlagventil 54, einen kugelförmigen Schließkörper, der mittels einer Feder beaufschlag ist, umfassend in die Leitung 32 integriert, was z. B. kurz vor der Einbindungsstelle der Leitung 32 in den Endschalldämpfer 56 erfolgt sein kann.
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Der Entfall des elektrisch betriebenen Heizelementes 18 gemäß der Lösung des Standes der Technik in 1 erlaubt ebenfalls die Freilegung eines Anschlusses an der ECU 48, da die Steuerung des elektrisch betriebenen Heizelementes nun entfällt und die Erwärmung des gefrorenen Reduktionsmittels ausschließlich über das Heizmedium, sei es ein Teilabgasstrom wie in 3 dargestellt, sei es ein Teilstrom von Kühlflüssigkeit der Verbrennungskraftmaschine. In der Schnittdarstellung gemäß 2 lässt sich der Mäanderverlauf 36 der das Heizmedium führenden Leitung 32 erkennen. Senkrecht zur Zeichenebene kann die das Heizmedium führende Leitung 32 auch spiralförmig oder in konzentrischen Kreisen unterschiedlichen Radien durch das Innere des Vorratstanks 10 geführt sein. In besonders vorteilhafter Weise ist bei allen möglichen Ausführungsvarianten die Möglichkeit eröffnet, Zulauf 38 und Rücklauf 40 der das Heizmedium führenden Leitung 32 durch den Tankdeckel 26 zu leiten und mit dem Heizmedium auch das an der Oberseite des Tankdeckels 26 befindliche Fördermodul 24 zu beheizen und gegebenenfalls aufzutauen.
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Als weiteres Medium anstelle von von der Verbrennungskraftmaschine erzeugtem Abgas kann eine Beheizung des Vorratstanks 10 durch Motoröl oder auch durch Kraftstoff erfolgen. Wird Kraftstoff zur Temperierung des im Vorratstank 10 aufgenommenen Betriebs-/Hilfsstoffes eingesetzt, so kann durch eine entsprechende Ansteuerung von Regelelementen die Temperatur des Kraftstoffs auf die Wunschtemperatur eingeregelt werden. Je nach Außentemperatur kann der Kraftstoff für ein optimales Auftauen der im Vorratstank 10 bevorrateten Menge des Betriebs-/Hilfsstoffes, insbesondere dem Auftauen des gefrierfähigen Reduktionsmittels eingesetzt werden. Ähnlich wie beim Einsatz von Kraftstoff kann das innerhalb der Verbrennungskraftmaschine im Rahmen des Schmierkreislaufs zirkulierende Motoröl zur Temperierung des im Vorratstank 10 bevorrateten Betriebs-/Hilfsstoffes eingesetzt werden. In der Regel kann sowohl als Heizmedium eingesetztes Motoröl wie auch als Heizmedium eingesetzter Kraftstoff seine Heiztemperatur kurz nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine erreicht haben, so dass eine wirksame Temperierung des im Vorratstank 10 bevorrateten Betriebs-/Hilfsstoffes erreicht werden kann, so dass auch bei niedrigen Außentemperaturen stets ein ausreichendes in flüssiger Phase befindliches Volumen insbesondere eines gefrierfähigen Reduktionsmittels im Vorratstank 10 bevorratet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006027487 A1 [0001]
