DE102009036260A1

DE102009036260A1 - Vorratsbehälter

Info

Publication number: DE102009036260A1
Application number: DE102009036260A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. Horrer; Ulrich Dipl.-Ing. Moll; Marc Dipl.-Ing. Schreiber
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2011-02-10

Abstract

Ein Vorratsbehälter (38) für einen Betriebsstoff (34) wie beispielsweise in Reduktionsmittel für einen SCR-Katalysator einer Abgasnachbehandlungsanlage (14-18) einer Brennkraftmaschine (10) ist mit einem Wärme leitenden Element (44) versehen, das in den Vorratsbehälter (38) hineinragt. Durch dieses Wärme leitende Element (44) wird ein gerichtetes Gefrieren des Reduktionsmittels (34) im Vorratsbehälter (38) von innen nach außen erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vorratsbehälter für einen Betriebsstoff einer mit einer Abgasnachbehandlungsanlage ausgestatteten Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen wie beispielsweise Ottomotoren und Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen sind üblicherweise mit Abgasnachbehandlungsanlagen versehen, um die schädlichen Abgasemissionen unter den gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerten zu halten.
Derartige Abgasnachbehandlungsanlagen enthalten insbesondere bei Dieselmotoren zum Beispiel so genannte SCR-Katalysatoren zum selektiven katalytischen Reduzieren der im Abgasstrom der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide NO_x zu Stickstoff und Wasser. Für diese Reduktionsreaktion wird dem Abgasstrom stromauf des SCR-Katalysators Ammoniak (NH₃) zugemischt.
Eine solche Abgasnachbehandlungsanlage mit SCR-Katalysator ist zum Beispiel in der DE 10 2007 040 439 A1 beschrieben.
Der Ammoniak wird dem Abgasstrom zum Beispiel in Form einer wässrigen Harnstofflösung (HWL, zum Beispiel AdBlue^®) injiziert. Es ist dabei bekannt, dass eine ungefähr 32,5-prozentige Harnstoff-Wasser-Lösung bei etwa –11,5°C gefriert.
Aus diesem Grunde werden die Vorratsbehälter zum Speichern der wässrigen Harnstofflösung zum Beispiel mit einer Temperiervorrichtung versehen, die ein Einfrieren des Reduktionsmittels bei niedrigen Umgebungstemperaturen verhindern soll (vgl. DE 10 2007 042 836 A1 ) bzw. bei niedrigen Umgebungstemperaturen gefrorenes Reduktionsmittel nach dem Starten der Brennkraftmaschine auftauen soll (vgl. DE 10 2008 008 324 A1 ).
Ferner offenbart die DE 10 2008 040 708 A1 eine wässrige Harnstofflösung, der ein organisches Lösungsmittel aus der Gruppe von Alkoholen beigemischt ist, um den Gefrierpunkt auf unter –30°C zu senken.
Es ist des Weiteren ein bekanntes Problem, dass bei einem Gefrieren des Reduktionsmittels im Vorratsbehälter bei niedrigen Umgebungstemperaturen Bauteile wie zum Beispiel die Dosierpumpe aufgrund der Volumenausdehnung des gefrierenden Reduktionsmittels beschädigt werden können.
Zur Vermeidung einer Beschädigung von Bauteilen durch Einfrieren von Medien schlägt die DE 103 62 140 B4 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung vor, bei welcher das zu schützende Bauteil einen Kanal aufweist, der in einen Expansions- bzw. Speicherraum mündet, welcher die beim Einfrieren des Mediums auftretende Volumenausdehnung sowie den damit verbundenen Druckanstieg aufnehmen soll.
Weiter offenbart die WO 2008/058591 A1 eine Fluidleitung, die für den Transport und das Dosieren eines Fluids geeignet ist, das bei niedrigen Umgebungstemperaturen gefriert. Diese Fluidleitung besitzt eine spezielle Querschnittsform, die bei einem gefrierenden Fluid eine Zunahme des spezifischen Leitungsvolumens ermöglicht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Vorratsbehälter für einen Betriebsstoff einer mit einer Abgasnachbehandlungsanlage ausgestatteten Brennkraftmaschine zu schaffen. Insbesondere soll eine Beschädigung von Bauteilen beim Gefrieren des Betriebsstoffes im Vorratsbehälter ausgeschlossen oder zumindest vermindert werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Vorratsbehälter für einen Betriebsstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Vorratsbehälter für einen Betriebsstoff einer mit einer Abgasnachbehandlungsanlage ausgestatteten Brennkraftmaschine ist mit einem Wärme leitenden Element versehen, das in den Vorratsbehälter hinein ragt.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass das typische Gefrierverhalten von AdBlue eine Vulkanbildung des gefrorenen Additivs zeigt. D. h. das Reduktionsmittel friert im Vorratsbehälter von außen nach innen ein, sodass ein flüssiger Kern in der Mitte des Vorratsbehälters zuletzt gefriert. Durch die Ausdehnungskräfte beim Gefrieren dieser Mitte wird die umliegende Eisschicht gesprengt. Eine vulkanartige Erhebung entsteht auf der Ober- bzw. Außenseite des Additivs und drückt gegen die angrenzenden Bauteile (z. B. Dosierpumpe), die dadurch beschädigt werden können. Ähnliches Verhalten zeigen auch andere Betriebsstoffe.
Durch das Wärme leitende Element, das in den Vorratsbehälter hinein ragt, wird die Wärme gezielt aus dem Innern des Vorratsbehälters heraus nach außen abgeführt und so ein gerichtetes Einfrieren des Betriebsstoffes in dem Vorratsbehälter von innen nach außen erzielt. Eine Vulkanbildung wird auf diese Weise verhindert, sodass durch diese Maßnahme Bauteilbeschädigungen durch den gefrierenden Betriebsstoff reduziert bzw. ausgeschlossen werden können.
Die vorliegende Erfindung ist in vorteilhafter Weise für Vorratsbehälter zum Aufnehmen von Betriebsstoffen mit relativ hohen Gefrierpunkten einsetzbar. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist ein Vorratsbehälter für eine wässrige Harnstofflösung (z. B. AdBlue^®), der bereits bei etwa –11°C gefriert, für einen SCR-Katalysator einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Es sei aber darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung grundsätzlich für alle Vorratsbehälter für Betriebsstoffe und für beliebige Brennkraftmaschinen mit Abgasnachbehandlungsanlage von Vorteil sein kann.
Auch ist der jeweilige Gefrierpunkt des Betriebsstoffes im Vorratsbehälter für die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung nicht von Bedeutung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann ein Ende des Wärme leitenden Elements in etwa der Mitte des Vorratsbehälters positioniert werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Wärme leitende Element einen im Wesentlichen stiftförmig ausgebildeten Abschnitt aufweisen, der in den Vorratsbehälter hinein ragt. Ein „stiftförmig ausgebildeter” Abschnitt im Sinne dieser Erfindung ist ein Abschnitt, dessen Ausdehnungen in Querschnittsebene wesentlich kleiner als seine Länge sind. Der stiftförmig ausgebildete Abschnitt muss jedoch nicht notwendigerweise geradlinig ausgebildet sein, eine konstante Querschnittsform über seine Länge, eine konstante Dicke über seine Länge oder eine Spitze an seinem Ende aufweisen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Wärme leitende Element einen plattenförmigen Abschnitt aufweisen, der außerhalb des Vorratsbehälters angeordnet ist. Ein „plattenförmig ausgebildeter” Abschnitt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Abschnitt mit einer möglichst großen Oberfläche außerhalb des Vorratsbehälters, um die Wärme aus dem Innern gut abführen zu können Dabei kann zum Beispiel der plattenförmige Abschnitt des Wärme leitenden Elements aus dem Vorratsbehälter heraus ragen oder in die Außenwand des Vorratsbehälters integriert sein.
Das Wärme leitende Element kann zumindest teilweise aus einem Metall gebildet sein. Für den erfindungsgemäßen Vorratsbehälter geeignete Metalle mit einer guten Wärmeleitfähigkeit sind zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Silber und deren Legierungen. Das Wärme leitende Element kann dabei zum Beispiel vollständig aus dem Metall gebildet sein; zumindest aber sollte seine Oberfläche metallisch sein. Je nach Art des Betriebsstoffes in dem Vorratsbehälter und der Materialauswahl für das Wärme leitende Element ist dieses bevorzugt mit einer Beschichtung, Oberflächenbehandlung oder dergleichen versehen, um eine Beschädigung (z. B. Korrosion) des Wärme leitenden Elements durch den Betriebsstoff zu verhindern.
Obige sowie weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Vorratsbehälters besser verständlich. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer beispielhaften Abgasnachbehandlungsanlage für eine Brennkraftmaschine, bei der ein Vorratsbehälter gemäß der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise einsetzbar ist; und
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Vorratsbehälters gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt beispielhaft eine Brennkraftmaschine 10 mit einer zugehörigen Abgasnachbehandlungsanlage. Die Brennkraftmaschine 10 ist zum Beispiel ein Ottomotor oder ein Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs, ohne dass die Erfindung auf diese spezielle Anwendung beschränkt sein soll.
Das von der Brennkraftmaschine 10 erzeugte Abgas wird einer Abgasleitung 12 zugeführt. In dieser Abgasleitung 12 durchströmt der Abgasstrom nacheinander zum Beispiel einen Oxidationskatalysator 14, einen Partikelfilter 16 und einen SCR-Katalysator (zur selektiven katalytischen Reduktion) 18 als Komponenten der Abgasnachbehandlungsanlage. Ebenso können noch weitere Abgasreinigungskomponenten wie beispielsweise Stickoxidspeicherkatalysator, Hydrolysekatalysator, weiterer Oxidationskatalysator und dergleichen vorgesehen sein.
Der Brennkraftmaschine 10 kann ferner ein Abgasturbolader 20 zugeordnet sein, dessen Turbine 22 vom Abgasstrom in der Abgasleitung 12 angetrieben wird und dessen Verdichter 24 im Ansaugtrakt 26 der Brennkraftmaschine 10 dieser Verbrennungsluft zuführt. Zwischen dem Verdichter 24 des Abgasturboladers 20 und der Brennkraftmaschine 10 sind in dem Ansaugtrakt ferner ein Ladeluftkühler 28 und eine Drosselklappe 30 angeordnet.
Stromauf des SCR-Katalysators 18 ist an der Abgasleitung 12 eine Zugabevorrichtung 32 mit einem Dosierventil zur Abgabe eines Reduktionsmittels 34 in den Abgasstrom angeordnet. Das Reduktionsmittel 34 wird der Zugabevorrichtung 32 mittels einer Dosierpumpe 36 aus einem Vorratsbehälter 38 zugeführt, welcher nachfolgend anhand von 2 näher erläutert wird.
Bei dem Reduktionsmittel 34 handelt es sich zum Beispiel um eine 34-prozentige Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL, zum Beispiel AdBlue^®). Durch dieses Reduktionsmittel 34 wird dem Abgasstrom Ammoniak zugeführt. Der SCR-Katalysator 18 setzt die im Abgasstrom vorhandenen Stickoxide NO_x bei Anwesenheit des Ammoniaks in Stickstoff und Wasser um und verringert so die Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschine 10 auf ein gewünschtes bzw. gesetzlich vorgegebenes Maß.
Zur Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 und der zugeordneten Abgasnachbehandlungsanlage 14–18 ist eine Steuereinrichtung 40 vorgesehen. Diese Steuereinrichtung 40 ist mit zahlreichen Messvorrichtungen (nicht dargestellt, Drucksensoren, Temperatursensoren, Stickoxidsensor, Lambdasensor, Drehzahlsensor, Drehmomenterfassung, etc.) gekoppelt, um die Betriebszustände der Brennkraftmaschine 10 und der Abgasnachbehandlungsanlage 14–18 zu erfassen und dann die Komponenten entsprechend zu steuern bzw. zu regeln.
Bezug nehmend auf 2 wird nun der Aufbau des Vorratsbehälters 38 für die wässrige Harnstofflösung 34 näher beschrieben.
Der Vorratsbehälter 38 kann zum Beispiel aus einem Metall oder einem Kunststoffmaterial gebildet sein. Außerdem ist der Vorratsbehälter 38 mit einer 46 Einfüllöffnung versehen.
Die Dosierpumpe 36 zum Zuleiten des Reduktionsmittels 34 aus dem Vorratsbehälter 38 zum Dosierventil der Zugabevorrichtung 32 in der Abgasleitung 12 ist beispielsweise im Wesentlichen mittig am Vorratsbehälter 38 vorgesehen.
Ferner ist der Vorratsbehälter 38 mit einer Temperier- bzw. Heizvorrichtung 42 ausgestattet, die ein Gefrieren des Reduktionsmittels 34 verhindern bzw. ein Auftauen des Reduktionsmittels 34 im Vorratsbehälter 38 bewirken soll. Die Heizvorrichtung 42 ist vorzugsweise in der Nähe der Dosierpumpe 36 angeordnet, sodass der Dosierpumpe 36 ein noch nicht gefrorener bzw. ein bereits aufgetauter Bereich des Reduktionsmittels 34 zur Verfügung gestellt wird.
Wie in 2 angedeutet, ist der Vorratsbehälter 38 weiter mit einem Wärme leitenden Element 44 versehen, das in den Vorratsbehälter 38 hinein ragt.
Das Wärme leitende Element 44 ist vollständig oder zumindest an seiner Oberfläche aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet. Geeignete Metalle sind zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Silber und deren Legierungen, ohne dass die Erfindung auf die genannten Metalle oder auf Metalle überhaupt beschränkt sein soll. Beispielsweise können auch spezielle Verbundwerkstoffe wie Kunststoffe mit guter Wärmeleitfähigkeit für den Vorratsbehälter benutzt werden.
Je nach Art des Betriebsstoffes 34 in dem Vorratsbehälter 38 und der Materialauswahl für das Wärme leitende Element 44 sollte dieses gegebenenfalls mit einer Beschichtung, Oberflächenbehandlung oder dergleichen versehen werden, um eine Beschädigung (z. B. Korrosion) des Wärme leitenden Elements 44 durch den Betriebsstoff 34 zu verhindern.
Wie in 2 angedeutet, hat das Wärme leitende Element 44 einen ersten Abschnitt 44a, der im Wesentlichen stiftförmig ausgebildet ist und in das Innere des Vorratsbehälters 38 hinein ragt. Vorzugsweise ist das Ende dieses stiftförmig ausgebildeten ersten Abschnitts 44a etwa in der Mitte des Vorratsbehälters 38 angeordnet.
Weiter besitzt das Wärme leitende Element einen zweiten Abschnitt 44b, der im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und außerhalb des Vorratsbehälters 38 vorgesehen ist. Der erste und der zweite Abschnitt 44a, 44b müssen Wärme leitend miteinander verbunden sein; sie sind vorzugsweise einteilig ausgebildet.
Der plattenförmig ausgebildete zweite Abschnitt 44b des Wärme leitenden Elements 44 kann zum Beispiel aus dem Vorratsbehälter 38 heraus ragen, wie in 2 angedeutet, oder in die Außenwand des Vorratsbehälters 38 integriert sein.
Durch dieses Wärme leitende Element 44 entsteht ein guter Wärmefluss zwischen der Umgebung des Vorratsbehälters 38 und der Mitte in seinem Innern. Auf diese Weise wird deshalb gewährleistet, dass der Betriebsstoff 34 im Vorratsbehälter 38 gerichtet von innen nach außen gefriert (siehe Pfeile). Die oben beschriebene Vulkanbildung beim Gefrieren des Betriebsstoffes und die damit verbundene Gefährdung einer Bauteilbeschädigung werden so vermindert bzw. ausgeschlossen.
Es sei vorsorglich noch einmal darauf hingewiesen, dass der oben beschrieben Vorratsbehälter der Erfindung auch für andere Betriebsstoffe als eine wässrige Harnstofflösung für einen SCR-Katalysator verwendet werden kann. Der Vorratsbehälter kann in vorteilhafter Weise für alle Betriebsstoffe eingesetzt werden, die einen Gefrierpunkt haben, der innerhalb der üblicherweise auftretenden Betriebs- bzw. Umgebungstemperaturen der Brennkraftmaschine liegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007040439 A1 [0004]
- DE 102007042836 A1 [0006]
- DE 102008008324 A1 [0006]
- DE 102008040708 A1 [0007]
- DE 10362140 B4 [0009]
- WO 2008/058591 A1 [0010]

Claims

Vorratsbehälter (38) für einen Betriebsstoff (34) einer mit einer Abgasnachbehandlungsanlage (14–18) ausgestatteten Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärme leitendes Element (44) in den Vorratsbehälter (38) hinein ragt.
Vorratsbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende des Wärme leitenden Elements (44) in etwa der Mitte des Vorratsbehälters (38) positioniert ist.
Vorratsbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme leitende Element (44) einen im Wesentlichen stiftförmig ausgebildeten Abschnitt (44a) aufweist, der in den Vorratsbehälter (38) hinein ragt.
Vorratsbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme leitende Element (44) einen plattenförmigen Abschnitt (44b) aufweist, der außerhalb des Vorratsbehälters (38) angeordnet ist.
Vorratsbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der plattenförmige Abschnitt (44b) des Wärme leitenden Elements (44) aus dem Vorratsbehälter (38) heraus ragt.
Vorratsbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der plattenförmige Abschnitt (44b) des Wärme leitenden Elements (44) in die Außenwand des Vorratsbehälters (38) integriert ist.
Vorratsbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme leitende Element (44) zumindest teilweise aus einem Metall gebildet ist.