DE102010035426A1

DE102010035426A1 - Behälteranordnung für Kraftfahrzeug und Verfahren zum Beaufschlagen eines Reduktionsmittelbehälters mit kühler oder warmer Luft

Info

Publication number: DE102010035426A1
Application number: DE102010035426A
Authority: DE
Inventors: Marcus Dipl.-Ing. Thiemicke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2011-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Behälteranordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Reduktionsmittelbehälter (12) zum Bevorraten einer Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung, und mit einem Luftkanal (26) zum Beaufschlagen des Reduktionsmittelbehälters (12) mit kühler oder warmer Luft. Hierbei ist der Luftkanal (26) über einen Einlass (32) mit einer Wärmequelle gekoppelt, welche eine Abgasanlage und/oder einen elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs und/oder die Umgebung des Kraftfahrzeugs umfasst. Ergänzend oder alternativ weist der Luftkanal (26) wenigstens eine Wärmebrücke (44) auf, welche durch eine Wand (24) des Reduktionsmittelbehälters (12) hindurchtritt, und in den Reduktionsmittelbehälter (12) hineinreicht. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beaufschlagen eines Reduktionsmittelbehälters (12) mit kühler oder warmer Luft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Behälteranordnung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Reduktionsmittelbehälter zum Bevorraten einer Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung, und mit einem Luftkanal zum Beaufschlagen des Reduktionsmittelbehälters mit kühler oder warmer Luft. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beaufschlagen eines zum Bevorraten einer Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung ausgebildeten Reduktionsmittelbehälters mit kühler oder warmer Luft über einen Luftkanal.
Die EP 2 149 685 A1 beschreibt eine Baumaschine mit einem Verbrennungsmotor. Zur Abgasnachbehandlung ist in einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors ein SCR-Katalysator (SCR = Selective Catalytic Reduction, selektive katalytische Reduktion) angeordnet. In den SCR-Katalysator wird eine wässrige Harnstofflösung eingebracht, um in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion Stickoxide aus dem Abgas in Stickstoff und Wasser umzusetzen. Eine Klimaanlage dient dem Beaufschlagen einer Fahrerkabine der Baumaschine mit kühler oder warmer Luft, welche über einen Luftkanal in die Fahrerkabine geleitet wird. Die Klimaanlage ist über eine Kühlmittelleitung mit dem Verbrennungsmotor der Baumaschine gekoppelt und steht über einen weiteren Luftkanal mit einem Vorratsbehälter für die wässrige Harnstofflösung in Verbindung. Der Vorratsbehälter ist mit einem Temperaturfühler versehen. Übersteigt die Temperatur der wässrigen Harnstofflösung 40°C, so wird der Vorratsbehälter über den weiteren Luftkanal mit kühler Luft der Klimaanlage beaufschlagt, um ein Freisetzen von Ammoniak aus der Harnstofflösung zu verhindern. Bei einer Temperatur von –10°C wird der Vorratsbehälter über den weiteren Luftkanal hingegen mit warmer Luft beaufschlagt, um ein Gefrieren der Harnstofflösung zu verhindern.
Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass die zum Erwärmen oder Kühlen der Reduktionsmittellösung genutzte Luft nicht zum Beheizen oder Kühlen der Fahrerkabine zur Verfügung steht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Behälteranordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bzw. welches ein verbessertes Temperieren der Reduktionsmittellösung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Behälteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung durch eine Behälteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Behälteranordnung für ein Kraftfahrzeug ist gemäß dem ersten Aspekt ein Reduktionsmittelbehälter zum Bevorraten einer Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung vorgesehen, und ein Luftkanal zum Beaufschlagen des Reduktionsmittelbehälters mit kühler oder warmer Luft. Hierbei ist der Luftkanal über einen Einlass mit einer Wärmequelle gekoppelt, welche eine Abgasanlage und/oder einen elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs und/oder die Umgebung des Kraftfahrzeugs umfasst. Je nach der Temperatur der Umgebungsluft kann die Umgebung des Kraftfahrzeugs auch eine Kältequelle darstellen, über welche kühle Luft zum Kühlen des Reduktionsmittelbehälters bereitstellbar ist.
Das Nutzen der Abwärme der Abgasanlage oder des elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs, welcher insbesondere eine Hochvoltbatterie eines Hybridfahrzeugs umfassen kann, ermöglicht bei kalter Außentemperatur ein rasches Auftauen oder Erwärmen der Reduktionsmittellösung. Es braucht also nicht eigens Wärme generiert werden, sondern die Wärmequellen stehen beim Betrieb des Kraftfahrzeugs ohnehin zur Verfügung und ermöglichen das Beaufschlagen des Reduktionsmittelbehälters mit Wärme. Zudem geht die Nutzung der Abwärme nicht zulasten des Klimatisierungskomforts für einen Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs. Die Behälteranordnung ermöglicht so ein verbessertes Temperieren der Reduktionsmittellösung.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist bei der Behälteranordnung der eingangs genannten Art der Luftkanal wenigstens eine Wärmebrücke auf, welche durch eine Wanddes Reduktionsmittelbehälters hindurchtritt und in den Reduktionsmittelbehälter hineinreicht. Dadurch kann die Wärme der den Luftkanal durchströmenden Luft besonders effizient in die Reduktionsmittellösung eingebracht werden. Soll hingegen die Reduktionsmittellösung gekühlt werden, um ein Zersetzen von Komponenten derselben zu verhindern, ermöglicht die wenigstens eine Wärmebrücke eine effiziente Abfuhr der Wärme aus dem Inneren des Behälters in den Luftkanal, welcher dann zum Kühlen mit kühler Luft beaufschlagbar ist. Die Wärmebrücken ermöglichen so ein verbessertes Temperieren der Reduktionsmittellösung.
Die Wärmebrücken können insbesondere auch in das Innere des Luftkanals hineinragen, um eine besonders effiziente Wärmeübertragung von der warmen Luft aus dem Luftkanal auf die Reduktionsmittellösung oder von der Reduktionsmittellösung auf die kalte Luft im Luftkanal zu ermöglichen.
Auch beim Nutzen der Abgasanlage, des elektrischen Energiespeichers oder der Umgebung des Kraftfahrzeugs als Wärmequelle bzw. Kältequelle kann der Luftkanal wenigstens eines Wärmebrücke aufweisen, welche durch eine Wand des Reduktionsmittelbehälters hindurchtritt und in den Reduktionsmittelbehälter hineinreicht.
Bevorzugt reicht die wenigstens eine Wärmebrücke in einen Bereich des Reduktionsmittelbehälters hinein, in welchem eine Förderleitung für die Reduktionsmittellösung angeordnet ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass bereits eine geringe über die Wärmebrücke in das Innere des Reduktionsmittelbehälters eingebrachte Wärmemenge ausreicht, um in dem Bereich der Förderleitung verflüssigte Reduktionsmittellösung bereitzustellen.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die wenigstens eine Wärmebrücke zu der Wand des Reduktionsmittelbehälters hin thermisch isoliert ist. So kann besonders viel Wärme im Inneren des Reduktionsmittelbehälters abgegeben bzw. aus dem Inneren des Reduktionsmittelbehälters abgeführt werden.
Wenn der Luftkanal mit einem Antriebsaggregat, insbesondere einem Verbrennungsmotor, des Kraftfahrzeugs als Wärmequelle gekoppelt ist, lässt sich besonders rasch eine besonders große Wärmemenge zum Temperieren der Reduktionsmittellösung bereitstellen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Luftkanal einen Einlass für Kaltluft aufweist. Hierbei kann der Einlass insbesondere mit einem Ansaugtrakt des Kraftfahrzeugs gekoppelt sein, über welchem einem Verbrennungsmotor Umgebungsluft zugeführt wird. Das Beaufschlagen des Reduktionsmittelbehälters mit Kaltluft ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Reduktionsmittellösung eine Temperatur von ca. 60°C erreicht, da hier eine Zersetzung von Verbindungen der Reduktionsmittellösung, insbesondere bei Verwendung einer wässrigen Harnstofflösung eine Freisetzung von Ammoniak, in verstärktem Maße zu befürchten ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beaufschlagen eines zum Bevorraten einer Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung ausgebildeten Reduktionsmittelbehälters mit kühler oder warmer Luft über einen Luftkanal wird in den Luftkanal Wärme einer Abgasanlage und/oder eines elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs oder Wärme oder Kälte der Umgebung des Kraftfahrzeugs eingebracht.
Auch hier kann der Übertritt von Wärme aus dem Luftkanal in das Innere des Reduktionsmittelbehälters oder in die umgekehrte Richtung durch Vorsehen wenigstens einer Wärmebrücke erleichtert werden.
Die für die erfindungsgemäße Behälteranordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt schematisch eine Behälteranordnung mit einem Reduktionsmitteltank, an dessen Wand ein Luftkanal angeordnet ist, wobei in den Luftkanal warme oder kalte Luft eingebracht werden kann.
Eine Behälteranordnung 10 für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Reduktionsmitteltank 12, in dessen Innenraum 14 sich eine wässrige Harnstofflösung befindet, welche beispielsweise unter dem Markennamen AdBlue^® vertrieben wird. Über einen Einfüllstutzen 16 wird der Reduktionsmitteltank 12 mit der wässrigen Harnstofflösung befüllt. Eine Saugleitung 18 dient dem Entnehmen der wässrigen Harnstofflösung aus dem Innenraum 14 des Reduktionsmitteltanks 12. Im Überschuss geförderte Harnstofflösung wird über eine Rücklaufleitung 20 wieder in den Reduktionsmitteltank 12 eingebracht.
Eine Seitenwand 22 und ein Boden 24 des Reduktionsmitteltanks 12 sind mit einem Luftkanal 26 in Anlage, über welchen der Reduktionsmitteltank 12 mit Warmluft 28 oder mit Kaltluft 30 beaufschlagbar ist. Der Luftkanal 26, welcher im Bereich des Bodens 24 des Reduktionsmitteltanks 12 verläuft, sorgt dafür, dass sich am Boden 24 des Reduktionsmitteltanks 12 befindende Harnstofflösung besonders gut erwärmt oder gekühlt werden kann.
Über die Warmluft 28 wird Abwärme aus einem Motorraum des Kraftfahrzeugs abgeführt und zum Erwärmen der Harnstofflösung genutzt. Bei Ausbildung des Kraftfahrzeugs als Hybridfahrzeug kann ergänzend oder alternativ die Abwärme einer Hochvoltbatterie desselben genutzt werden, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet sein kann.
In alternativen Ausführungsformen kann zusätzlich oder alternativ die Abwärme einer Abgasanlage, insbesondere einer Abgasnachbehandlungseinheit derselben, Wärme für die Warmluft 28 bereitstellen. Insbesondere, wenn die Abgasnachbehandlungseinheit einen Partikelfilter umfasst, welcher periodisch aufgeheizt wird, um diesen zu regenerieren, steht in der Regenerationsphase besonders viel Wärme bereit, welche über einen Einlass 32 für die Warmluft 28 in den Luftkanal 26 eingebracht und zum Erwärmen der Harnstofflösung genutzt werden kann.
Über einen weiteren Einlass 34 kann Kaltluft 30 in den Luftkanal 26 eingebracht werden. Der Einlass ist hierzu bevorzugt mit einem Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs oder mit einem Ansaugtrakt einer Klimaanlage gekoppelt. Es kann auch eine insbesondere wahlweise Kopplung mit der Umgebung oder einer anderen Kühlluftquelle wie beispielsweise einem insbesondere gekühlten Fahrgastinnenraum des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.
Als Absperreinrichtungen sind in dem Einlass 32 für die Warmluft 28 eine erste Mischklappe 36 und in dem Einlass 34 für die Kaltluft 30 eine zweite Mischklappe 38 angeordnet. Durch Mischen der Warmluft 28 und der Kaltluft 30 miteinander lässt sich so in dem Luftkanal 26 die zum Temperieren der Harnstofflösung gewünschte Temperatur einstellen.
In dem Luftkanal ist ein Gebläse 40 angeordnet, mittels welchem ein Luftstrom erzeugbar ist. Das Gebläse 40 kann insbesondere als Axialgebläse ausgebildet sein. Über einen Temperatursensor 42 am Gebläse 40 kann die Temperatur der den Luftkanal 26 durchströmenden Luft erfasst werden.
Metallstifte 44, von denen vorliegend lediglich einer beispielhaft gezeigt ist, treten durch den Boden 24 des Reduktionsmitteltanks 12 hindurch und reichen in den Innenraum 14 des Reduktionsmitteltanks 12 hinein. Diese Metallstifte 44, welche vorliegend auch bereichsweise in den Luftkanal 26 hineinragen, dienen als Wärmebrücken zum Übertragen von Wärme der Warmluft 28 auf die sich in dem Innenraum 14 des Reduktionsmitteltanks 12 befindende Harnstofflösung.
Der Metallstift 44 sorgt hierbei insbesondere für ein Erwärmen eines Bereichs des Reduktionsmitteltanks 12, in welchem sich eine Ansaugöffnung 46 der Saugleitung 18 befindet. Die wässrige Harnstofflösung, welche beim Unterschreiten der Temperatur von –11°C gefriert, kann also über den Metallstift 44, welcher mit der Warmluft 28 beaufschlagt wird, aufgetaut werden, wobei die Abwärme von Komponenten des Kraftfahrzeugs oder die Umgebungswärme zum Bereitstellen der Wärme für die Warmluft 28 genutzt wird.
Die Temperatur im Innenraum 14 des Reduktionsmitteltanks 12 wird mittels eines weiteren Temperatursensors 48 erfasst, welcher insbesondere in Bodennähe im Bereich der Saugleitung 18 angeordnet sein kann. Nachdem die Warmluft 28 über den als Wärmebrücke dienenden Metallstift 44 Wärme an die Harnstofflösung abgegeben hat, verlässt der Luftstrom den Luftkanal 26 als kühlere Luft 50.
Wenn die Temperatur der Harnstofflösung sehr hoch ist und es zu einer Zersetzung des Harnstoffs und damit einhergehend einer Freisetzung von Ammoniak kommen kann, so wird dies ebenfalls mittels des Temperatursensors 48 erfasst. Entsprechend steuert ein Steuergerät 52 über (nicht gezeigte) Aktuatoren die Mischklappen 36, 38 an, und sorgt so für ein Beaufschlagen der Metallstifte 44 mit der Kaltluft 30.
Für ein besonders starkes Kühlen der Harnstofflösung kann die am Einlass 32 für die Warmluft 28 angeordnete Mischklappe 36 vollständig geschlossen und die am Einlass 34 für die Kaltluft 30 angeordnete Mischklappe 38 vollständig geöffnet sein. Über ein kontinuierliches Verändern der Stellungen der Mischklappen 36, 38 lässt sich die jeweils zum Temperieren der Harnstofflösung notwendige Temperatur einstellen.
Die zur Wand des Reduktionsmitteltanks 12 hin mittels einer Isolierung thermisch isolierten Metallstifte 44 können bei der Herstellung des Reduktionsmitteltanks 12 aus einem Kunststoff, etwa durch Blasformen oder Spritzgießen, besonders einfach, kostengünstig und zeitsparend in die Wand des Reduktionsmitteltanks 12, vorliegend in dessen Boden 24, eingebracht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2149685 A1 [0002]

Claims

Behälteranordnung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Reduktionsmittelbehälter (12) zum Bevorraten einer Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung, und mit einem Luftkanal (26) zum Beaufschlagen des Reduktionsmittelbehälters (12) mit kühler oder warmer Luft, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (26) über einen Einlass (32) mit einer eine Abgasanlage und/oder einen elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs und/oder die Umgebung des Kraftfahrzeugs umfassenden Wärmequelle gekoppelt ist.
Behälteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (26) wenigstens eine Wärmebrücke (44) aufweist, welche durch eine Wand (24) des Reduktionsmittelbehälters (12) hindurchtritt und in den Reduktionsmittelbehälter (12) hineinreicht.
Behälteranordnung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Reduktionsmittelbehälter (12) zum Bevorraten einer Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung und mit einem Luftkanal (26) zum Beaufschlagen des Reduktionsmittelbehälters (12) mit kühler oder warmer Luft, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (26) wenigstens eine Wärmebrücke (44) aufweist, welche durch eine Wand (24) des Reduktionsmittelbehälters (12) hindurchtritt und in den Reduktionsmittelbehälter (12) hineinreicht.
Behälteranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wärmebrücke (44) in einen Bereich des Reduktionsmittelbehälters (12) hineinreicht, in welchem eine Förderleitung (18) für die Reduktionsmittellösung angeordnet ist.
Behälteranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wärmebrücke (44) zu der Wand (24) des Reduktionsmittelbehälters (12) hin thermisch isoliert ist.
Behälteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (26) mit einem Antriebsaggregat, insbesondere einem Verbrennungsmotor, des Kraftfahrzeugs als Wärmequelle gekoppelt ist.
Behälteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (26) einen, insbesondere mit einem Ansaugtrakt des Kraftfahrzeugs gekoppelten, Einlass (34) für Kaltluft aufweist.
Behälteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch wenigstens ein Gebläse (40) zum Erzeugen eines Luftstroms durch den Luftkanal (26).
Behälteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch wenigstens eine Absperreinrichtung (36, 38) zum zumindest partiellen Absperren zumindest eines Einlasses (32, 34) des Luftkanals (26).
Verfahren zum Beaufschlagen eines zum Bevorraten einer Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung ausgebildeten Reduktionsmittelbehälters (12) mit kühler oder warmer Luft über einen Luftkanal (26), dadurch gekennzeichnet, dass in den Luftkanal (26) Wärme einer Abgasanlage und/oder eines elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs und/oder Wärme oder Kälte einer Umgebung des Kraftfahrzeugs eingebracht wird.