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Stand der Technik
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Bei Kraftfahrzeugen mit einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einem Dieselmotor, muss aufgrund der in nächsten Jahren anstehenden verschärften Abgasgesetzgebung in Europa und USA unter anderem der Schadstoff NOx‘ erheblich reduziert werden. Ein Verfahren, das in diesem Zusammenhang zur Anwendung kommt, ist das SCR-Verfahren (Selective Catalytic Reduction), bei dem der Schadstoff NOx unter Zuhilfenahme eines Reduktionsmittels an einem Katalysator zu N2 und H2O reduziert wird. Dazu wird üblicherweise wässrige Harnstofflösung (HWL) vor dem SCR-Katalysator in das Abgasrohr mit Hilfe eines Dosierventils eingespritzt. Die HWL verdampft und zersetzt sich im heißen Abgas unter anderem auch zu Ammoniak, welches am SCR-Katalysator die Stickoxide reduziert.
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Zur Versorgung des Abgasnachbehandlungssystems verfügen Kraftfahrzeuge über Zusatztanks, die beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung als Additiv bevorraten. Die Harnstofflösung wird über ein Förder-Pumpsystem in einen Abgasstrang eingespritzt. Im Betrieb des Kraftfahrzeuges liegt der Verbrauch einer solchen Harnstofflösung bei ungefähr 2 bis 10 % des verbrauchten Dieselkraftstoffes. Somit ist es notwendig einen Zusatztank entsprechend dimensionierten mit Mitteln vorsehen, die das Befüllen mit HWL erlauben.
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Zusatztanks sind üblicherweise so ausgebildet, dass eine Außenbetankung erfolgen kann, wobei ein zugehöriger Einfüllstutzen vorgesehen ist. Beispiele für solche Zusatztanks sind der Wassertank für die Scheibenwischanlage oder Bremsflüssigkeit. Neben der Außenbetankung ist aus
DE 10 2008 033 749 A1 ein Wechseltanksystem bekannt, das einen Tank vorsieht, der die benötigte Menge im PKW mitführt, um von Service zu Serviceintervall zu kommen. Dieser Zusatztank ist lösbar an der Karosserie des Fahrzeuges befestigbar und mit einer Kupplung ausgestattet, über die der Zusatztank an entsprechende Förderleitungen des Systems zur Abgasnachbehandlung anschließbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Versorgungssystem für ein Abgasnachbehandlungssystem vorgeschlagen, das mindestens einen separaten Wechseltank für einen Betriebs-/Hilfsstoff und eine am Fahrzeug angeordnete Tankaufnahme aufweist, wobei der separate Wechseltank und die Tankaufnahme über einen abdichtenden Schließmechanismus verbindbar sind.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet abdichtend, dass eine leckagefreier Verschluss vorliegt. Demnach kann sowohl der Wechseltank als auch die Tankaufnahme im nicht verbundenen Zustand jeweils einzeln durch Elemente des Schließmechanismus abdichtend verschlossen sein. Bei Aufnahme des Wechseltanks in der Tankaufnahme kann der Schließmechanismus so wirken, dass der Betriebs-/Hilfsstoff leckagefrei in das Abgasnachbehandlungssystem eingeführt wird.
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In einer Realisierung des erfindungsgemäßen Versorgungssystems ist der Schließmechanismus wiederverschließbar ausgestaltet. Dies hat den Vorteil, dass der Nutzer nicht mit dem Betriebs-/Hilfsstoff in Berührung kommt und etwaige gesundheitliche Schäden bei adäquater Nutzung ausgeschlossen sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schließmechanismus durch eine vorgespannte, wiederverschließbare Dichtfläche realisiert, die in einer Öffnung im Wechseltank vorgesehen ist. In einer weiteren Ausführungsform kann der Schließmechanismus am Wechseltank eine Tankkegeldichtung umfassen. Diese Tankkegeldichtung kann zusätzlich beheizbar sein und so sicherstellen, dass auch bei niedrigen Temperaturen Betriebs-/Hilfsstoffe, die einfrieren können, flüssig bleiben.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Versorgungssystems ist die Tankaufnahme als Flansch ausgestaltet und weist eine Flanschkegeldichtung auf, die komplementär zu der Tankkegeldichtung des Wechseltanks ausgestaltet ist. Im vorliegenden Zusammenhang zeichnet komplementär, dass die beiden Kegeldichtungen bei Verbinden des Wechseltanks mit dem Flansch so zusammenwirken, dass Betriebs-/Hilfsstoff aus dem Tank über dem Flansch im Abgasnachbehandlungssystem zugeführt werden kann. Auf diese Weise wird erreicht, dass sowohl der Wechseltank als auch die Tankaufnahme im nicht verbundenen Zustand dicht verschlossen sind. Beim Einbringen des Wechseltanks in die Tankaufnahme wirken die Kegeldichtungen der beiden Elemente so zusammen, dass Betriebs-/Hilfsstoff aus dem Wechseltank dem Abgasnachbehandlungssystem zugeführt werden kann. Beim Entfernen des Wechseltanks aus der Tankaufnahme wird diese Verbindung unterbrochen und sowohl der Wechseltank als auch die Tankaufnahme sind durch die Kegeldichtung dichtend verschlossen. Auf diese Weise kann ein Schmutzeintrag in einerseits den Wechseltank und andererseits die Tankaufnahme verhindert werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Wechseltank wiederverwertbar ausgestaltet ist. Da der Wechseltank im ausgebauten Zustand aufgrund des speziellen Abdichtsystems immer verschlossen ist, können Systemverunreinigungen beim Tanken und Fehlbetankungen vermieden werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Versorgungssystems weisen der Wechseltank und die Tankaufnahme eine eindeutige und zueinander komplementäre Formgebung auf. Dies dient der Vermeidung einer Fehlmontage, da die Formgebung die Ausrichtung der beiden Komponenten zueinander eindeutig festlegt. Bei einer weiteren Realisierung wird der Wechseltank mit einer Entnahmeöffnung in Richtung des Flansches aufgenommen. Die Entnahmeöffnung ist dabei vorzugsweise in einer Mulde vorgesehen, die eine tiefste Stelle im Wechseltank darstellt. Weiterhin kann ein Entlüftungsventil im Wechseltank vorgesehen sein. Durch die spezielle Formgebung des Wechseltanks mit der Entnahmeöffnung in der Mulde ist eine vollständige Entleerung möglich, was durch ein integriertes Entlüftungsventil im Wechseltank weiter begünstigt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Entlüftung ist diese bei ausgebautem Wechseltank selbstdichtend.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Wechseltank und/oder die Tankaufnahme eine Füllstandsüberwachung. In einer bevorzugten Realisierung ist die Füllstandsüberwachung an der Tankaufnahme vorgesehen und ausgestaltet, den Füllstand mittels berührungsfreien, kapazitiven Sensoren zu messen. Verfahren zur kapazitiven Füllstandsmessung beruhen üblicherweise auf den unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten oder Leitfähigkeiten der Füllflüssigkeit gegenüber Gasen oder Luft. Das Messprinzip beruht dabei vornehmlich auf der Änderung der Kapazität eines teilweise durch die Flüssigkeit gebildeten Kondensators bei Veränderung des Füllstandes. Sensoren zur Messung der Kapazität können innerhalb oder außerhalb des Tanks vorgesehen sein. Zur Messung innerhalb des Tankes können kapazitive Sonden verwendet werden, während bei der Messung außerhalb kapazitive Näherungsschalter eingesetzt werden, die in der Lage sind, auch nichtleitende Stoffe zu erkennen. Sie werden außen an der Seite des höchsten und/oder niedrigsten Füllstandes angebracht und derart kalibriert, dass sie nur bei einem Medium im Innern ansprechen, jedoch nicht durch die Behälterwand selbst. Auf diese Weise kommt die Füllstandsanzeige nicht mit dem Medium in Kontakt, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer auswirkt. Weiterhin ermöglicht eine Füllstandsanzeige in der Tankaufnahme, dass die Füllstandsüberwachung im Fahrzeug verbleibt und nicht mit jedem Wechsel des Wechseltanks ausgetauscht werden muss.
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In einer weiteren Realisierung des erfindungsgemäßen Versorgungssystems umfasst der Wechseltank eine Signaturkarte. Auf diese Weise kann eine einfach Überwachung des Mediums gegen falsche Befüllung realisiert werden, indem auf der Signaturkarte des Wechseltanks die relevanten Daten, wie Herstelldatum, Hersteller, des Mediums abgespeichert werden.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zum Versorgen eines Abgasnachbehandlungssystems in einem Fahrzeug vorgeschlagen, das folgende Schritte umfasst:
- – Einsetzen eines befüllten Wechseltanks mit abdichtendem Schließmechanismus in einer am Fahrzeug angeordneten Tankaufnahme,
- – Bereitstellen von Betriebs-/Hilfsstoff aus dem Wechseltank für das Abgasnachbehandlungssystem,
- – Ersetzen des zumindest teilweise entleerten Wechseltanks durch einen anderen befüllten Wechseltank.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nunmehr anhand der beigefügten Zeichnungen eingehender beschrieben.
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Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Wechseltanks und einer Tankaufnahme für das erfindungsgemäße Versorgungssystem,
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2a, eine schematische Darstellung der Abfolge bei Verwendung des 2b, 2c erfindungsgemäßen Versorgungssystems,
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3 eine schematische Darstellung eines Wechseltanks in der Draufsicht, Seitenansicht und Frontansicht,
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4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Versorgungssystems, wobei der Wechseltank betriebsbereit in die Tankaufnahme eingesetzt ist,
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5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Versorgungssystems mit geöffneter Tankaufnahme und entnehmbarem Wechseltank.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Darstellung einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Versorgungssystems 11, das einen Wechseltank 12 sowie einen Flansch 14 zur Aufnahme des Wechseltanks umfasst. Neben den in 1 dargestellten Komponenten ist das erfindungsgemäße Versorgungssystem 11 Teil eines Abgasnachbehandlungssystems, das in einem Fahrzeug vorgesehen ist und Versorgungsleitungen umfasst, die von dem Flansch 14 zu dem Abgasnachbehandlungssystem führen.
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Der Wechseltank 12 umfasst einen Schließmechanismus 16, durch den das im Wechseltank bevorratete Medium, wie zum Beispiel Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) 10 entnehmbar aufbewahrt wird. Der Schließmechanismus 16 des Wechseltanks 12 umfasst eine Dichtfläche, die eine Öffnung 21 im Gehäuse des Wechseltanks 19 durch eine vorgespannte Feder 18 abdichtet. Die Dichtwirkung der Dichtfläche 20 wird durch zusätzliche O-Ringe 24 zwischen dem Gehäuse 19 des Wechseltanks 12 und der Dichtfläche 20 verstärkt. Der Schließmechanismus 16 des Wechseltanks 20 umfasst ferner einen Dichtkegel 22 der mittig mit der Dichtfläche 20 verbunden ist und durch ein Verbindungsstück 26 von äußeren Einflüssen, wie zum Beispiel Transportfäden geschützt ist. Zum weiteren Schutz des Wechseltanks ist eine Sicherheitsfolie so mit dem Verbindungsstück 26 verbunden, so dass der Wechseltank 12 bei nicht Gebrauch versiegelt ist.
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Zur Bereitstellung des im Wechseltank 12 bevorrateten Mediums 10 wird dieser auf den Flansch 14 aufgesteckt. Der Flansch 14 umfasst ebenfalls einen Schließmechanismus 17, der eine Dichtfläche 38, die ebenfalls als Kegeldichtung ausgestaltet ist, vorsieht. Diese Dichtfläche 38 ist in einer Umlaufnut am inneren Umfang des Flansches 14 vorgesehen und mit Hilfe einer Dichtung 36 abdichtend zum Beispiel durch eine Feder vorgespannt. Auf diese Weise kann der Versorgungstrakt des Abgasnachbehandlungssystems, der über den Flansch 14 mit Betriebs-/Hilfsmittel versorgt wird, vor Umwelteinflüssen und Schmutz geschützt werden. Weiterhin umfasst der Flansch 14 zwei Dichtungen 32, 34, die in zwei Umlaufnuten am äußeren Umfang des Flansches 14 vorgesehen sind. Diese Dichtungen 32, 34 stellen bei aufgenommenem Wechseltank 12 eine zur Umgebung abgedichtete Verbindung zu dem Verbindungsstück 26 des Wechseltanks 12 her.
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Die 2a bis 2c illustrieren die Abfolge von Schritten bei Aufnahme des Wechseltanks 12 auf dem Flansch 14. In 1 sind der Wechseltank 12 und der Flansch 14 getrennt voneinander dargestellt, wobei der Wechseltank 12 mit der Sicherheitsfolie 30 versiegelt ist. Zur Bereitstellung von Medium 10 aus dem Wechseltank 12 für das Abgasnachbehandlungssystem wird der Wechseltank 14 in Aufsteckrichtung 28 bewegt.
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Ausgehend von der in 1 gezeigten Position ist in 2a die Position dargestellt, in der die Kegeldichtungen 22 und 38 in Berührung kommen. So ist die Kegeldichtung 22 des Schließmechanismus 16 im Wechseltank 12 komplementär zu der Kegeldichtung des Schließmechanismus 16 im Flansch 14 ausgestaltet. Das bedeutet, dass die Kegel 38 und 22 in jeweils entgegengesetzter Richtung an der Dichtung 16 des Wechseltankes 12 und der Kegeldichtung 38 ausgebildet sind. Auf diese Weise wird bei Aufschieben des Verbindungsstücks 26 des Wechseltanks 12 auf den Flansch 14 der erste Kontakt zwischen den als Kegelstümpfe ausgestalten Elementen 22 und 38 hergestellt. Dieser Kontakt übt eine Kraft auf die in den Schließmechanismen 16, 17 vorgesehenen Dichtflächen 20, 38 aus. So wirkt eine Kraft in Richtung des Pfeiles 40 auf die Dichtfläche 20 des Wechseltanks 12. Entgegengesetzt dazu ergibt sich eine Kraftkomponente in Richtung des Pfeils 42 auf die Kegeldichtung 38 des Flansches 14.
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Wie in 2b gezeigt, wirken die Kräfte entgegengesetzt zueinander auf die Kegeldichtungen 22 und 38, so dass die Dichtfläche 20 des Wechseltanks 12 sich nach oben bewegt und Medium 10 aus dem Wechseltank 12 austreten kann.
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Die Dichtelemente 32, 34 stellen sicher, dass eine dichte Verbindung zwischen dem Verbindungsstutzen 26 und dem Flansch 14 sichergestellt ist. Die Dichtungen 32 und 34 ermöglichen zusätzlich einen festen Sitz zwischen Verbindungsstück 26 und dem Flansch 14.
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Durch die auf die Kegelstümpfe 22 und 38 entgegengesetzt wirkenden Kräfte wird in der Kegeldichtung 38 ein Durchlass geöffnet, der den Fluss von Medium 10 aus dem Wechseltank 12 über Versorgungsleitungen zu dem Abgasnachbehandlungssystem erlaubt. Durch die entgegengesetzten Kräfte bewegt sich die Kegeldichtung 38 in der Umlaufnut am inneren Umfang des Flansches 14. Auf diese Weise wird die Bewegung der Kegeldichtung 38 begrenzt. In dem in 2b dargestellten Zustand wird dem Abgasnachbehandlungssystem Betriebs-/Hilfsstoff 10 aus dem Wechseltank 12 bereitgestellt.
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Ist der Wechseltank 12 ganz oder teilweise entleert, wird dieser vom Flansch 14 abgenommen und durch einen befüllten Wechseltank 12 ausgetauscht. Dazu wird der Wechseltank 12 von dem Flansch 14 abgezogen. Während des Abziehens bewegen sich die Dichtflächen 20 und 38 des Wechseltanks 12 und des Flansches 14 wie durch die Pfeile 40, 42 angedeutet in ihre Ausgangsposition zurück. Dadurch wird eine Abdichtung des Wechseltanks 12 und des Flansches 14 sichergestellt. Beim erneuten Aufstecken eines befüllten Wechseltanks 12 auf den Flansch 14 beginnt das vorstehend beschriebene Verfahren, wobei der Wechseltank gemäß den 1 bis 2c auf den Flansch 14 aufgeschoben wird.
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3 zeigt einen Wechseltank 12, der eine eindeutige Formgebung aufweist, um Fehlmontage in dem Flansch 14 zu vermeiden. Ferner ist die Öffnung 21 des Wechseltanks 12 in einer Mulde des Wechseltanks 12 vorgesehen, die die tiefste Stelle im Wechseltank darstellt. Auf diese Weise kann ein vollständiges Entleeren des Wechseltanks 12 ermöglicht werden.
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Zur Überwachung des Füllstandes ist innerhalb des Flansches ein Füllstandssensor vorgesehen, der bei Aufsetzend es Wechseltanks 12 auf den Flansch 14 im Kanal 48 des Wechseltanks 12 aufgenommen wird. Weiterhin umfasst der Wechseltank 12 ein Entlüftungsventil 50, das gegenüber der Entnahmeöffnung 21 vorgesehen ist. Dieses Entlüftungsventil erleichtert das vollständige Leeren des Wechseltanks 12. Weiterhin ist eine Kontaktschleife 52 im Bereich der Entnahmeöffnung 21 angebracht, die bei Einstecken des Wechseltankes 12 in den Flansch 14 eine elektrische Verbindung zum Fahrzeug herstellt und auf diese Weise als Heizung fungiert. Die Beheizung im Bereich der Entnahmestelle 21 ist von besonderer Bedeutung im Falle von gefrierfähigem Medium 10, wie zum Beispiel HWL, um eine dauernde Betriebsbereitschaft des Abgasnachbehandlungssystems auch bei tiefen Temperaturen zu ermöglichen. Zusätzlich zu dem Entlüftungsventil 50 ist ein Ventil zur Zwangsbelüftung im Bereich der Entnahmeöffnung 21 vorgesehen, das mit einer Sicherungsfolie 54 geschützt wird. Die Sicherungsfolie 54 kann durch eine Stoßnadel in der Tankaufnahme des Versorgungssystems durchstoßen werden um eine Zwangsbelüftung zu ermöglichen.
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4 zeigt schematisch ein Versorgungssystem 11 das einen Wechseltank 12 und eine Tankaufnahme 13 umfasst. Die Tankaufnahme 13 beinhaltet den Flansch 14, wobei am Flansch 14 ein Schieber 58 angeordnet ist.
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Die Tankaufnahme 13 umfasst einen Aufnahmerahmen 68, an dem ein Deckel 66 beweglich angeordnet ist. Der Deckel 66 ist über einen Umlenkhebel 60 und ein Umlenkgelenk 62 mit einer Umlenkung für den Schieber verbunden, so dass der Deckel 66 den Schieber 58 in einer den Wechseltank 12 und den Flansch 14 verriegelnde Position bewegt. Im Vergleich zu 4, in der ein geschlossener Deckel 66 dargestellt ist, zeigt 5 das Versorgungssystem mit geöffnetem Deckel 66. Insbesondere in der Darstellung der 5 ist die Stoßnadel 55 gezeigt, die eine Sicherungsfolie auf dem Entlüftungsventil 50 des Wechseltanks 12 beim Schließen des Deckels 66 durchstößt.
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Als weitere Elemente umfasst die Tankaufnahme eine Mediumpumpe 64, die Medium wie zum Beispiel HWL aus dem Wechseltank 12 in das Versorgungssystem des Abgasnachbehandlungssystems (nicht gezeigt) befördert. Weiterhin sind Füllstandssensoren 70 im dafür vorgesehenen Kanal 48 des Wechseltanks 12 eingelassen. Ferner erfolgt die Beheizung des Mediums durch elektrisch leitende Kegeldichtung, die über eine Verschlussfeder im Kanal 48 über eine Kontaktschleife 52 elektrisch verbunden wird. Die Masseanbindung erfolgt über den Schieber 58.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008033749 A1 [0003]
