DE102009047334A1

DE102009047334A1 - Tank mit mindestens einem elektrischen Heizelement und Abgasvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit elektrisch beheizbarem Tank

Info

Publication number: DE102009047334A1
Application number: DE102009047334A
Authority: DE
Inventors: Roland Herwig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Es wird ein Tank 19 für eine Harnstoff-Wasser-Lösung vorgeschlagen, bei dem die elektrische Heizung 27 in die Wand 19.2 des Tanks 19 integriert ist. Dadurch wird der Aufbau des Tanks 19 vereinfacht, die Prozesssicherheit bei der Herstellung gefördert und gleichzeitig wird das Heizelement 27 wirksam vor mechanischen Schäden durch Eisgang und durch Korrosionsangriffe durch eine Harnstoff-Wasser-Lösung geschützt.

Description

Stand der Technik
Zur Reduzierung von Stickoxiden in den Abgasen von Brennkraftmaschinen werden Systeme angeboten, die bei Bedarf ein flüssiges Reduktionsmittel, wie zum Beispiel Harnstoff-Wasser-Lösung, in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine einspritzen. Dabei kommt es zu einer chemischen Reaktion zwischen den im Abgas enthaltenen Stickoxiden und der Harnstoff-Wasser-Lösung mit den unschädlichen Endprodukten Stickstoff und Wasser.
Harnstoff-Wasser-Lösung gefriert bei Temperaturen unterhalb von –11°C. Um das Einfrieren des Reduktionsmittels zu verhindern, sind elektrische Widerstandsheizungen bekannt, die in einen mit Reduktionsmittel gefüllten Tank ragen. Diese elektrischen Widerstandsheizungen bestehen in aller Regel aus unedlen oder aus NE-Metallen, die nicht beständig gegenüber einer Harnstoff-Wasser-Lösung sind. Daher ist es bei solchen in den Tank eingesetzten elektrischen Heizelementen erforderlich, die eigentlichen Heizelemente mit einem Kunststoff zu umspritzen. Des Weiteren ist es erforderlich, diese elektrischen Heizelemente vor möglicherweise im Tank entstehendem Eis zu schützen. Diese Vorsorgemaßnahmen hierfür sind kostenintensiv.
Aus der DE 10 2005 037 201 A1 ist ein Heizsystem für einen Tank bekannt, bei dem in den eigentlichen Tank ein Einsatz eingesetzt wird. Dieser Einsatz umfasst einen Auftaubehälter zum raschen Auftauen eines Teils der in dem Tank gespeicherten Harnstoff-Wasser-Lösung, ein Filtergehäuse in Form eines Filterbechers und eine elektrische Tankheizung zum Auftauen von Harnstoffeis in dem Auftaubehälter sowie Anschlussleitungen mit Heizstrom durch ein in der Tankheizung enthaltenes Heizelement geleitet werden kann. Diese Anordnung ist sehr aufwändig, da zusätzlich zu dem Tank noch ein relativ aufwändiger Einsatz erforderlich ist, was die Herstellungskosten und die Montagekosten in die Höhe treibt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Tank vorgeschlagen, bei dem mindestens ein elektrisches Heizelement in eine Wand des Tanks integriert ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das Heizelement gegen mechanische Beschädigungen aufgrund von Eisgang sowie Korrosionsangriffe des Reduktionsmittels geschützt ist. Außerdem ist sichergestellt, dass aufgrund der großen wirksamen Heizfläche das Einfrieren der Harnstoff-Wasser-Lösung wirksam verhindert und eingefrorene Harnstoff-Wasser-Lösung sehr rasches aufgetaut werden kann. Da der Tank über die Wand Wärme an die Umgebung abgibt und das erfindungsgemäße Heizelement in der Wand des Tanks angeordnet ist, kann mit einer relativ geringen Heizleistung der Wärmeverlust ausgeglichen und infolgedessen das Einfrieren des Reduktionsmittels sicher verhindert werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Tank aus mindestens zwei Teilen zusammengesetzt, wobei in einem oder beiden Teilen des Tanks mindestens ein Heizelement integriert ist. Die Heizelemente können beispielsweise in Form einer flächigen Struktur, wie beispielsweise einem Metallgewebe, aus mehreren parallel zueinander verlaufenden einzelnen Heizdrähten oder einem Gewebe aus Karbonfasern beziehungsweise elektrisch leitfähigem NE-Metall und/oder Kunststoff ausgebildet sein. In vielen Fällen wird es ausreichend sein, nur einen Teil des Tanks mit einem elektrischen Heizelement zu versehen. Für Anwendungen mit zu erwartenden sehr tiefen Außentemperaturen können auch beide Teile des Tanks mit Heizelementen versehen werden, so dass eine größere beheizbare Oberfläche zur Verfügung steht und eine noch größere Sicherheit gegen Einfrieren des Reduktionsmittels gewährleistet ist.
Das Heizelement, sei es ein elektrisches Widerstandselement mit einem metallischen Leiter oder einem Halbleiter aus Karbonfasern beziehungsweise elektrisch leitfähigem NE-Metall und/oder Kunststoff, kann durch Umspritzen in die Wand des Tanks integriert werden. Dazu wird in an sich bekannter Weise das Heizelement vorab in Formwerkzeug eingelegt, dort, falls erforderlich, fixiert und anschließend mit Kunststoff umspritzt. Dadurch ergeben sich eine sehr hohe Prozesssicherheit und damit eine gleichbleibend hohe Qualität.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die mindestens zwei Teile des Tanks zum Beispiel durch Schweißen, Kleben oder in einem Formwerkzeug, insbesondere durch Verbindungsspritzgießen, dichtend zu einem Tank zusammenzufügen.
Dabei sind verschiedenste aus dem Stand der Technik bekannte Schweißverfahren durchführbar. Exemplarisch sei hier auf das Ultraschallschweißen, Laserschweißen, das Heizplattenschweißen, aber auch das Heißluftschweißen, verwiesen. Durch das sogenannte Verbindungsspritzgießen ist es möglich, in einem ersten Schritt in den Teil des Tanks zu spritzen, in den die Heizelemente integriert sind. Anschließend wird einem zweiten Schritt der andere Teil des Tanks zu spritzen. Dabei wird das zuvor gespritzte erste Teil mit integriertem Heizelement in das Formwerkzeug für das zweite Teil eingesetzt wird, so dass gleichzeitig mit dem Spritzen des zweiten Teils eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil hergestellt wird.
Selbstverständlich ist eine zwingende Voraussetzung für den erfindungsgemäßen Tank, wenn er zur Bevorratung einer Harnstoff-Wasser-Lösung eingesetzt werden soll, dass er beständig gegen Harnstoff-Wasser-Lösung ist. Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn das mindestens eine Heizelement einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. In diesem Fall findet eine automatische Regelung der Heizleistung statt, weil mit zunehmender Temperatur des Heizelements der elektrische Widerstand zunimmt und infolgedessen die Heizleistung reduziert wird.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Es zeigen:
1 den schematischen Aufbau einer Abgasnachbehandlungseinrichtung; und
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tanks.
In 1 ist eine bevorzugte Anwendung eines erfindungsgemäßen Tanks 19 in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 Brennkraftmaschine 1 stark vereinfacht und schematisch dargestellt. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 umfasst ein Abgasrohr 5, einen Oxidationskatalysator 7, einen Partikelfilter 9 und einen SCR-Katalysator 11. Die Strömungsrichtung des Abgases durch das Abgasrohr 5 ist durch Pfeile (ohne Bezugszeichen) angedeutet.
Um den SCR-Katalysator 11 mit flüssigem Reduktionsmittel, bevorzugt einer Harnstoff-Wasser-Lösung, zu versorgen, sind stromaufwärts des SCR-Katalysators 11 ein Injektor 13 für das Reduktionsmittel und ein Mischer 15 angeordnet. Der Injektor 13 ist an einem Stutzen 17 des Abgasrohrs 5 befestigt.
Der Injektor 13 wird aus einem erfindungsgemäßen Tank 19 mittels einer elektrischen Förderpumpe 21 über eine Leitung 23 mit Reduktionsmittel versorgt und spritzt dieses bei Bedarf oberhalb des Mischers 15 in das Abgasrohr 5 ein.
In dem Tank 19 können ein kapazitiver, ein induktiver Füllstandssensor 25 oder ein Ultraschallfüllstandssensor und ein elektrisches Heizelement 27 angeordnet sein. Von dem Heizelement 27 sind in 1 nur die elektrischen Anschlüsse 27.1 und 27.2 angedeutet. Wie aus 1 ersichtlich, ist ein Steuergerät 29 vorhanden, welches über elektrische Leitungen mit dem Füllstandssensor 25, dem Heizelement 27, der Förderpumpe 21 und dem Injektor 13 verbunden ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der Tank 19 aus zwei Halbschalen 19.1 und 19.2 zusammengefügt. Die Fügefläche zwischen den Halbschalen 19.1 und 19.2 ist in 2 durch eine gestrichelte Linie 24 angedeutet. In der in 2 gezeigten unteren Halbschale 19.2 ist ein elektrisches Heizelement 27 eingebettet. Dieses elektrische Heizelement 27 kann in Form eines oder mehrerer Widerstandsdrähte oder eines Gewebes aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein. Ein solches Gewebe kann aus Metalldrähten, Karbonfasern beziehungsweise elektrisch leitfähigem NE-Metall und/oder Kunststoff hergestellt werden.
Selbstverständlich müssen die elektrischen Anschlüsse 27.1 und 27.2 nicht, wie in 2 dargestellt, an gegenüberliegenden Enden des Tanks 19 angeordnet sein. Es ist auch möglich, die beiden elektrischen Anschlüsse 27.1 und 27.2 in unmittelbarer Nähe zueinander aus der Wandung der Halbschale 19.2 oder 19.1 herauszuführen.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der oberen Halbschale 31.1 kein elektrisches Heizelement 27 vorgesehen. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, bei Bedarf in der oberen Halbschale 31.1 ein oder mehrere elektrische Heizelemente anzuordnen. Dadurch kann die zu beheizende Oberfläche vergrößert werden.
Zusätzlich zu der Leitung 23, über die Harnstoff-Wasser-Lösung (nicht dargestellt) aus dem Tank 19 gefördert wird, kann noch eine Rücklaufleitung 33 vorgesehen sein. Zur Entlüftung des Tanks 19 ist es vorteilhaft, ein Entlüftungselement 40 vorzusehen, das vorteilhafter Weise am höchsten Punkt des Tanks 19 angeordnet ist.
Die Herstellung der Halbschale 21.2 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Heizelement 27 in ein Formwerkzeug eingelegt und anschließend mit Kunststoff umspritzt wird. Dadurch entsteht die erste Halbschale 31.2. Die obere Halbschale 31.1 kann in ähnlicher Weise durch Kunststoffspritzen hergestellt werden. Anschließend ist es möglich, im Bereich der Fügefläche 24 die beiden Halbschalen miteinander zu verschweißen. Dies kann durch Laserschweißen, Ultraschallschweißen und andere aus dem Stand der Technik bekannte Schweißverfahren erfolgen. Selbstverständlich ist darauf zu achten, dass die obere Halbschale 31.1 und die untere Halbschale 31.2 gut auf Stoß aufeinandersitzen, wenn die Schweißnaht angebracht wird, um eine maximale Festigkeit und Dichtheit des Tanks 19 zu erzielen.
Ein alternatives Herstellungsverfahren ist das sogenannte Verbindungsspritzen. In diesem Fall wird beispielsweise die obere Halbschale 31.1 in einem ersten Formwerkzeug hergestellt. Anschließen wird das Heizelement 27 in ein zweites Formwerkzeug eingelegt und die obere Halbschale 31.1 in eine entsprechende Kavität des zweiten Formwerkzeugs eingesetzt. Bei dem nun folgenden Spritzvorgang wird die untere Halbschale 31.2 hergestellt, das Heizelement 27 umspritzt und gleichzeitig die neu gespritzte untere Halbschale 31.2 mit der bereits zuvor hergestellten oberen Halbschale 31.1 im Bereich der Fügefläche dichtend verbunden. Dadurch kann das Schweißen entfallen.
Das elektrische Heizelement 27 kann aus einem elektrischen leitfähigen Metall, wie beispielsweise einer FeCrAl-Legierung oder in einer anderen Legierung, mit einem positiven Temperaturkoeffizienten hergestellt werden. Alternativ ist es auch möglich, Karbonfasern als Heizelement beziehungsweise elektrisch leitfähigem NE-Metall und/oder Kunststoff einzusetzen.
Es ist auch denkbar, den Tank 19 doppelwandig auszuführen (nicht dargestellt) und zwischen die beiden Wände das elektrische Heizelement 27 einzulegen. Anschließend werden die beiden Wände miteinander verbunden, zum Beispiel durch Schweißen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005037201 A1 [0003]

Claims

Tank (19) mit mindestens einem elektrischen Heizelement (27), wobei der Tank (19) aus Kunststoff hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (27) in eine Wand (19.2) des Tanks (19) integriert ist.
Tank (19) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (19) aus mindestens zwei Teilen (19.1, 19.2) zusammengesetzt ist, und dass in einem oder beiden Teilen (19.1, 19.2) des Tanks (19) ein Heizelement (27) integriert ist.
Tank (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (19) oder mindestens das Teil (19.2) in welches ein Heizelement (27) integriert ist durch Kunststoffspritzen hergestellt wird, und dass das Heizelement (27) vor dem Kunststoffspritzen in das Formwerkzeug eingelegt und anschließend umspritzt wird.
Tank (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Teile (19.1, 19.2) des Tanks (19) durch Schweißen oder in einem Formwerkzeug, insbesondere durch Verbindungsspritzgießen, dichtend zu einem Tank (19) gefügt werden.
Tank (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er beständig gegen Harnstoff-Wasser-Lösung ist.
Tank (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heizelement (27) einen positiven Temperatur-Koeffizienten aufweist (PTC-Heizelement).