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Stand der Technik
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DE 10 2004 051 746 A1 bezieht sich auf einen Tankmodul für ein Reduktionsmittel und ein Dosiersystem. Gemäß dieser Lösung ist ein Tankmodulgehäuse vorgesehen, wobei innerhalb einer Tankkammer des Tankmodulgehäuses ein Dosiersystem zur Dosierung eines Reduktionsmittels in ein Abgassystem angeordnet ist. Das Dosiersystem ist gemäß dieser Lösung als ein kompaktes Einbaumodul ausgestaltet.
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DE 10 2006 027 487 A1 bezieht sich auf einen Fahrzeugtank für ein flüssiges Reduktionsmittel, insbesondere für eine Harnstofflösung. Der Fahrzeugtank zur Aufnahme einer wässrigen Harnstofflösung zur Reduktion von Stickoxyden im Abgas von Brennkraftmaschinen wird aus Kunststoff gefertigt. Der Fahrzeugtank weist in vorteilhafterweise eine Funktionseinheit auf, die mindestens eine Pumpe, mindestens ein Druckregelventil, mindestens einen Innenbehälter mit integrierter elektrischer Heizung sowie mindestens einer Saugleitung umfasst. Die Funktionseinheit ist in vorteilhafterweise 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 Reduktion) 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 ggf. aufzutauen. Dazu befindet sich innerhalb des Reduktionsmitteltanks eine Heizung. 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 einen Teilbehälter positioniert. Die Wände dieses Teilbehälters, der aus Kunststoff gefertigt ist, stellen eine thermische Isolierung des Teilbehälters zur gefrorenen Flüssigkeit des Gesamttanks dar. Da diese Lösung über dies die Konfektion des über die Heizung aufgetauten Reduktionsmittel auf den Teilbehälter beschränkt, wird dieser weit vor dem Inhalt des Gesamttankes auftauen. Beim Gefrieren dehnt sich das Reduktionsmittel um ca. 10% aus. Diese Volumenausdehnung darf das Tanksystem nicht schädigen, d. h. das System ist so zu dimensionieren, dass es dem sich aufbauenden Eisdruck innerhalb des Tanks wiederstehen kann. Hinsichtlich des Tanks ist dieser so zu dimensionieren, dass ein Ausdehnungsvolumen von bis zu 3 Litern aufgenommen werden könnte. Nicht alle in Personenkraftwagen eingesetzten Tanks haben eine ideale Einbausituation hinsichtlich der für die Eisdruckfestigkeit optimierten Form, manche Einbausituationen im Fahrzeug führen zu sehr ungünstigen Tankgeometrien. Unter ungünstiger Tankgeometrie ist im vorliegenden Zusammenhang eine Geometrie gemeint, 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 Tank 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 wird.
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Die Beeinflussung des Einfrierverhaltens eines Tanks bzw. der in diesem bevorrateten Flüssigkeit über eine zusätzliche Isolierung auf der Außenseite des Tanks ist eine wirksame Maßnahme, jedoch häufig aus Gründen des zur Verfügung stehenden begrenzten Bauraumes nicht möglich. Ein Einfrieren kann bei längeren Abstelldauern nicht verhindert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dem Einfrieren eines gefrierfähigen Betriebs/Hilfsstoffes insbesondere eines Reduktionsmittels eine Richtung vorzugeben, die einer Hauptachse entspricht, in der eine Beschädigung des Tanks entweder vollständig ausgeschlossen oder minimal bleibt. Um eine Vorzugsrichtung beim Einfrieren des gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoffes zu erreichen wird dem Umstand Rechnung getragen, dass Wasser beim Einfrieren kristallisiert und nicht glasartig bzw. amorph erstarrt. Das gerichtete Einfrieren des im Tank bevorrateten, gefrierfähigen Reduktionsmittels wird durch Kristallisationskeime vorgegeben, die nach Einsetzen der Kristallisation stark wachsen, bis die gesamte unterkühlte Flüssigkeit durchkristallisiert ist. Durch die Symmetrie des Wachstums der Eiskristalle ist ein geordnetes und damit gerichtetes Wachstum möglich, wenn diese Ordnung über die Kristallisationskeime induziert, d. h. vorgegeben wird.
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Wird die Ausrichtung des Kristallwachstums über Strukturen im Tankboden induziert, die sich als Kristallisationskeime eignen, so beginnt eine Kristallisation des im Vorratstank bevorrateten gefrierfähigen Mediums stets vom Tankboden aus. Die Hauptausrichtung, d. h. die Hauptachse der ablaufenden Kristallisation und auch die damit einhergehende Ausdehnung ergibt sich dann in senkrechter Richtung nach oben hin. Wie bereits obenstehend erläutert, ist die Ausdehnungsrichtung für Flüssigkeitstanks in vertikale Richtung nach oben am unkritischsten. Einfrierbedingte Beschädigungen an den Tanks können bei einer derartig konfigurierten Hauptachse sicher ausgeschlossen werden.
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Geeignete Materialien, um eine Kristallisation am Tankboden zu initiieren sind zum Beispiel Metalle, die an der Oberfläche mit scharfkantigen Strukturen versehen sind. Diese scharfkantigen Strukturen können zum Beispiel durch Einritzungen oder Einprägungen erzeugt werden. Daneben eignen sich zur Initiierung von Kristallisation ausgehend vom Tankboden Materialien, die auf der mikroskopischen Skala rau sind so zum Beispiel Keramiken oder aber Materialien, die ihrerseits kristallin sind und aufgrund ihrer natürlichen Struktur eine Kristallisation begünstigen. Zu diesen Materialien sind besonders Metalle und Saphirglas zu zählen.
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In besonders vorteilhafter Ausführung der Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird die strukturierte Oberfläche des Tankbodens flächig aufgebracht.
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Damit ist eine Kristallisation mit Kristallisationsinitiierung möglich, die gleichmäßig vom Tankboden her ausgeht.
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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 Einbauten und
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2 eine Darstellung eines Abschnittes des Tankbodens gemäß 1 in vergrößertem Maßstab.
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Ausführungsvarianten
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1 ist ein Vorratstank zur Aufnahme eines wässrigen, gefrierfähigen Reduktionsmittels insbesondere eine Harnstoff-Wasserlösung für ein Abgasnachbehandlungssystem zu entnehmen.
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Wie sich aus 1 ergibt, ist ein Vorratstank 10 zur Aufnahme eines wässrigen, gefrierfähigen Reduktionsmittels durch eine Tankwand 12 und einen Tankboden 14 begrenzt. Im Vorratstank 10 ist ein Hohlraum 16 gebildet, in dem ein wässriges, gefrierfähiges Reduktionsmittel 18, insbesondere eine Harnstoff-Wasserlösung zum Einbringen in den Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine bevorratet wird. Ein Pegel des Reduktionsmittels 18 innerhalb des Hohlraumes 16 des Vorratstanks 10 ist mit Bezugszeichen 20 kenntlich gemacht. Der Vorratstank 10 kann – wie in 1 dargestellt – einen Untertopf 22 aufweisen, in den ein Filter 28 hineinragt, der am unteren Ende einer Sauglanze 26 angebracht ist. Die Sauglanze 26 kann optional auch beheizbar sein.
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Die Sauglanze 26 und ein elektrisch betreibbares Heizelement 32 sind innerhalb eines Schwalltopfes 24 aufgenommen, der sich innerhalb des Hohlraumes 16 des Vorratstanks 10 befindet. Der Schwalltopf 24 ist zum Beispiel mittels einer Halterung 39 mit der Tankwand 12 des Vorratstanks 10 verbunden. Eine elektrische Kontaktierung des Heizelementes 32 ist durch Bezugszeichen 34 angedeutet. Reduktionsmittel 18 wird durch ein Förderaggregat 30 angesaugt, welches das Reduktionsmittel 18 über die optional beheizbare Sauglanze 26 unter Zwischenschaltung des Filters 28 aus dem Untertopf 22 des Vorratstanks 10 ansaugt. Der Hohlraum 16 des Vorratstanks 10 und der Untertopf 22 sind durch eine in 1 schematisch angeordnete Öffnung hydraulisch miteinander verbunden. Desweiteren befindet sich innerhalb des Vorratstanks 10 ein Füllstandssensor 36, über welchen der Pegel 20 an Reduktionsmittel 18 im Vorratstank 10 abgefragt werden kann.
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Der Darstellung gemäß 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Tankbodens des Vorratstanks 10 gemäß 1 zu entnehmen.
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2 zeigt, dass der Tankboden 14, der den Untertopf 22 begrenzt, der jedoch auch die Bodenfläche des Vorratstanks 10 unmittelbar bilden kann, sofern kein Untertopf vorgesehen ist, eine strukturierte Oberfläche 42 aufweist. Die strukturierte Oberfläche 42 kann aus metallischem Material oder auch aus Keramik gefertigt sein. Die strukturierte Oberfläche 42 an der Innenseite 40 des Tankbodens 14 erstreckt sich zumindest teilweise über den Tankboden 14, so dass aufgrund der strukturierten Oberfläche 42 eine gleichmäßige Verteilung von Kristallisationskeimen erreicht werden kann. Die strukturierte Oberfläche 42 kann sich jedoch auch vollflächig über den Tankboden 14 erstrecken.
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Um ein gerichtetes Einfrieren in die in Richtung der in 2 ebenfalls dargestellten Hauptachse 44 zu erreichen, wird ausgenutzt, dass das Wasser der wässrigen, gefrierfähigen Reduktionsmittellösung 18 beim Einfrieren kristallisiert und nicht glasartig bzw. amorph erstarrt. Die Kristallisation, d. h. die Bildung von Eiskristallen setzt um Kristallisationskeime herum ein, die der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend durch die strukturierte Oberfläche 42 an der Innenseite 40 des Tankbodens 14 erreicht wird. Ausgehend von Beginn der Kristallisation in Richtung der Hauptachse 44 von der strukturierten Oberfläche 42 aus, wachsen die Eiskristalle stark an, bis die gesamte unterkühlte Flüssigkeit, d. h. das wässrige, gefrierfähige Reduktionsmittel 18 innerhalb des Vorratstanks 10 durchkristallisiert ist. Durch die Symmetrie der Eiskristalle ist ein geordnetes und damit ein gerichtetes, im Wesentlichen in Richtung der Hauptachse 44 gerichtetes Wachstum möglich, wenn diese Ordnung, d. h. die Vorgabe der Kristallisationsrichtung über die Kristallisationskeime induziert werden kann.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, wird die Ausrichtung des Kristallwachstums durch die strukturierte Oberfläche 42 an der Innenseite 40 des Tankbodens 14 induziert, wobei es sich bei der strukturierten Oberfläche 42 zum Beispiel bei metallischem Material, aus dem der Tankboden 14 gefertigt werden kann um scharfkantige Strukturen, so zum Beispiel Einritzungen oder Einprägungen handeln kann. Von der strukturierten Oberfläche 42 aus erfolgt die Kristallisation des Tankinhaltes stets ausgehend vom Tankboden 14 in Richtung der Hauptachse 44. Richtung der Hauptachse 44, entlang derer die Kristallisation der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung gerichtet ist, verläuft in senkrechte Richtung innerhalb des Vorratstanks 10 nach oben. In dieser Ausdehnungsrichtung ist für Vorratstanks 10 die Schädigung am unkritischsten, einfrierbedingte Schäden an Vorratstanks 10 treten bei einem derartig gerichteten Wachstum der Kristallisation nicht auf. Geeignete Materialien, aus denen der Tankboden 14 des Vorratstanks 10 bevorzugt gefertigt ist, sind zum Beispiel Metalle, die an der Oberfläche, d. h. an der Innenseite 40 des Tankbodens 14 mit scharfkantigen Strukturen versehen sind. Diese scharfkantigen Strukturen bilden die strukturierte Oberfläche 42 und können zum Beispiel als Einritzungen oder als Einprägungen teilweise oder vollflächig die Oberfläche, d. h. die dem Reduktionsmittelvorrat 18 zuweisende Innenseite 40 des Tankbodens 14 bedecken. Alternativ zu metallischem Material, kann der Tankboden 14 auch aus einem Material wie zum Beispiel Keramik mit einer mikroskopischen Rauigkeit versehen sein. Desweiteren eignen sich als Material zur Induzierung einer gerichteten Kristallisation ein Material, welches selbst kristallin ist oder welches aufgrund seiner natürlichen Struktur eine Kristallisation begünstigt, so zum Beispiel die bereits erwähnten metallischen Materialien oder auch Saphirglas. Bei Einsatz von Saphirglas befindet sich dieses aus Kostengründen nur an wenigen Stellen des Tankbodens 14 zur Erzeugung eines Kristallwachstums in Richtung der Hauptachse 44.
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In bevorzugter Ausgestaltung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens ist die strukturierte Oberfläche 42 flächig über die gesamte, dem Reduktionsmittelvorrat 18 zuweisende Innenseite 40 des Tankbodens 14 verteilt ausgebildet.
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Die Erfindung bezieht sich desweiteren auf ein Verfahren zur Erzeugung eines gerichteten Einfrierens einer wässrigen Lösung, wie obenstehend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Bei der wässrigen Lösung handelt es sich insbesondere um ein einen hohen Wasseranteil enthaltendes gefrierfähiges Reduktionsmittel, zum Beispiel eine Harnstoff-Wasserlösung. Diese wird innerhalb des Vorratstanks 10 bevorratet. Die Methode, eine einfrierende wässrige Lösung in Richtung einer Hauptachse 44 eines Vorratstanks 10 einfrieren zu lassen, macht sich den Umstand zunutze, dass der Wasseranteil des wässrigen, gefrierfähigen Reduktionsmittelvorrates 18 nicht glasartig bzw. amorph erstarrt sondern erst allmählich erfolgt. Die Kristallisation, d. h. die Bildung der Eiskristalle setzt um Kristallisationskeime herum ein, die in der Folge stark anwachsen, bis die gesamte unterkühlte Flüssigkeit durchkristallisiert ist. Durch die Symmetrie der Eiskristalle ist ein geordnetes und gerichtetes Wachstum derselben möglich, wenn das Wachstum von den Kristallisationskeimen ausgehend induziert wird. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die Ausrichtung des Kristallwachstums über die strukturierte Oberfläche 42 des Tankbodens 14 induziert, so dass die Kristallisation des im Vorratstank 10 bevorrateten Inhaltes stets vom Tankboden 14 aus erfolgt. Die Hauptausrichtung der Kristallisation und auch der damit verbundenen Ausdehnung des Tankinhaltes verläuft dann in senkrechter Richtung nach oben, die für Vorratstanks 10 am unkritischsten ist. Einfrierbedingte Schäden an Vorratstanks 10 bzw. an deren Einbauten, vgl. Darstellung gemäß 1, können durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren sicher verhindert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004051746 A1 [0001]
- DE 102006027487 A1 [0002]
