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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betriebsstart einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs. Vorrichtungen zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs finden beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich Anwendung, um einer Abgasbehandlungsvorrichtung zur Reinigung der Abgase einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs ein flüssiges Additiv zuzuführen. Abgasbehandlungsvorrichtungen, bei denen zur Reinigung von Abgasen ein flüssiges Additiv verwendet wird, sind weit verbreitet. Ein besonders häufig in derartigen Abgasbehandlungsvorrichtungen durchgeführtes Abgasreinigungsverfahren ist das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren; SCR = Selective Catalytic Reduction). Bei diesem Verfahren werden Stickstoffoxidverbindungen im Abgas unter Zuhilfenahme eines Reduktionsmittels reduziert. Als Reduktionsmittel wird dabei typischerweise Ammoniak verwendet. Die Abgasbehandlungsvorrichtung weist typischerweise einen SCR-Katalysator auf, an dem die Stickstoffoxidverbindungen im Abgas mit Hilfe des Ammoniaks reduziert werden. Ammoniak wird in Kraftfahrzeugen regelmäßig nicht direkt bevorratet, sondern in Form einer Reduktionsmittelvorläuferlösung gespeichert. Diese Reduktionsmittelvorläuferlösung ist ein flüssiges Additiv. Eine besonders häufig eingesetzte Reduktionsmittelvorläuferlösung ist Harnstoff-Wasser-Lösung. Eine 32,5 prozentige Harnstoff-Wasser-Lösung ist unter dem Handelsnamen AdBlue® erhältlich.
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Beim Betriebsstart einer solchen Vorrichtung ist problematisch, dass diese flüssigen Additive bei niedrigen Temperaturen einfrieren können. Die oben beschriebene Harnstoff-Wasser-Lösung friert beispielsweise bei –11 °C ein. Derart niedrige Temperaturen können insbesondere während einer langen Stillstandsphase des Kraftfahrzeugs auftreten. Nach einer langen Stillstandsphase kann es passieren, dass das flüssige Additiv in der Vorrichtung vollständig eingefroren ist. Die Vorrichtung kann dann zunächst kein flüssiges Additiv bereitstellen. Es ist bekannt, dass Vorrichtungen zur Bereitstellung von flüssigem Additiv ein Heizungssystem aufweisen, um eingefrorenes flüssiges Additiv aufzuschmelzen, so dass zeitnah ein Betriebsstart eine Bereitstellung von flüssigem Additiv möglich ist.
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Als Heizung für derartige Vorrichtungen werden insbesondere PTC-Heizelemente (PTC = Positive Temperature Coefficient) vorgeschlagen. PTC-Heizelemente sind elektrische Heizelemente, die durch einen hindurchfließenden elektrischen Strom erwärmt werden. Sie haben die zusätzliche Eigenschaft, dass sich der elektrische Widerstand für den Strom bei steigender Temperatur erhöht. So wird erreicht, dass sich der elektrische Strom bei hohen Temperaturen automatisch verringert. Durch die Verringerung des elektrischen Stroms verringert sich auch die Heizleistung. Dies stellt einen automatischen Schutz eines PTC-Heizelementes gegen Überhitzen dar.
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Bei der Heizung solcher Vorrichtungen mit PTC-Heizelementen ist allerdings problematisch, dass zum Betrieb der Vorrichtung insgesamt nur eine begrenzte Strommenge zur Verfügung steht, die durch eine maximale Leistungsfähigkeit einer Stromversorgungsquelle definiert ist. Insbesondere während des Betriebsstarts (wenn gleichzeitig eine Vielzahl von Stromverbrauchern versorgt werden müssen) kann diese Strommenge nicht ausreichend sein, um sämtliche Funktionen der Vorrichtung ordnungsgemäß aufrecht zu erhalten. Problematisch ist insbesondere der Stromverbrauch von PTC-Heizelementen während des Betriebsstarts.
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Hiervon ausgehend ist es daher Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zu lösen bzw. zumindest zu lindern. Es sollen insbesondere ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Betriebsstart einer Vorrichtung zur Bereitstellung von flüssigem Additiv sowie eine entsprechend angepasste und vorteilhafte Vorrichtung zur Bereitstellung von flüssigem Additiv vorgestellt werden.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Demnach wird ein Verfahren zum Betriebsstart einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs mit mindestens einem Vorheizelement und mindestens einem PTC-Heizelement vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Schritte:
- a) Heizen mit dem Vorheizelement,
- b) Weiterleiten von Wärme von dem Vorheizelement zu dem mindestens einen PTC-Heizelement, so dass eine Temperatur des mindestens einen PTC-Heizelementes hierdurch angehoben wird, und
- c) Heizen mit dem mindestens einen PTC-Heizelement, wenn die Temperatur des mindestens einen PTC-Heizelementes angehoben ist.
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Das flüssige Additiv ist insbesondere eine (wie oben auch angegeben) Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem Harnstoffgehalt von 32,5 %. Die Durchführung des Verfahrens ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn beim Betriebsstart (vordefinierte) Kaltstartbedingungen vorliegen. Kaltstartbedingungen liegen beispielsweise vor, wenn die Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist und vor dem Betriebsstart eine lange Stillstandsphase mit niedrigen Außentemperaturen stattgefunden hat. Niedrige Außentemperaturen sind beispielsweise Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts (unterhalb von 0 °C) und insbesondere Außentemperaturen unterhalb von –11 °C (der Einfriertemperatur von Harnstoff-Wasser-Lösung). Diese Kaltstartbedingungen können (mittels einer geeigneten Sensorik) erfasst und (mittels einer geeigneten Kontrolleinheit) bewertet werden. So kann beispielsweise Schritt a) erst und/oder nur eingeleitet werden, wenn die mindestens eine vordefinierte Kaltstartbedingung (aktuell erfasste Temperatur ≤ vorgegebene Kaltstarttemperatur; Zustand des Additivs = zumindest teilweise gefroren; Zeitdauer für Niedrigtemperatur ≥ vorgegebene Mindestkaltphase; etc.) erfüllt ist.
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Das PTC-Heizelement ist ein elektrischer Heizleiter, der auch als Kaltleiter bezeichnet wird. Bei einem PTC-Heizelement ist der elektrische Widerstand bei niedrigen Temperaturen deutlich geringer ist als bei höheren Temperaturen. Die elektrische Leitfähigkeit ist somit bei niedrigen Temperaturen deutlich höher. Daher stammt auch die Bezeichnung "Kaltleiter". Vorzugsweise ist der elektrische Widerstand bei niedrigen Temperaturen annährend konstant und steigt dann ab einer Nenntemperatur stark an. Ab einer Endtemperatur ist der elektrische Widerstand dann auf einem hohen Niveau wieder konstant.
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Ein PTC-Heizelement wird vorzugsweise mit einer fest vorgegebenen Heizspannung von beispielsweise 12 Volt oder 24 Volt betrieben. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes passt sich der Stromfluss durch das PTC-Heizelement bei einer fest vorgegebenen Heizspannung und bei steigender Temperatur automatisch an. Damit sinkt auch die Heizleistung des PTC-Heizelementes, so dass eine weitere Heizung auf höhere Temperaturen nicht mehr auftritt. Ein PTC-Heizelement ist somit in einem relativ engen Temperaturbereich selbstregelnd. Ein PTC-Heizelement für eine Vorrichtung zur Bereitstellung von flüssigem Additiv ist vorzugsweise in einem eng umgrenzten Temperaturbereich selbstregelnd. Der Temperaturbereich des mindestens einen PTC-Heizelements liegt vorzugsweise zwischen 10 °C und 80 °C. Die Temperaturangaben 10 °C und 80 °C definieren dabei eine maximale obere Grenze und eine minimale untere Grenze des Temperaturbereichs. Die Temperaturbereiche bei geeigneten PTC-Heizelementen liegen beispielsweise zwischen 20 °C und 30 °C oder zwischen 30 °C und 50 °C oder zwischen 50 °C und 60 °C liegen. Ab ca. 10 °C ist eine effektive Aufschmelzung von eingefrorenem flüssigem Additiv möglich. Ab ca. 80 °C besteht die Gefahr einer chemischen Umwandlung des flüssigen Additivs, so dass Temperaturen oberhalb von 80 °C vermieden werden sollten. Innerhalb der Grenzen von 10 °C und 80 °C ermöglichen höhere Temperaturen ein besonders schnelles Auftauen von eingefrorenem flüssigem Additiv, weil bei höheren Temperaturen die produzierte Wärme besonders schnell in das eingefrorene flüssige Additiv eindringt. Niedrige Temperaturen ermöglichen ein besonders gleichmäßiges Auftauen von eingefrorenem flüssigem Additiv, weil bei niedrigen Temperaturen geringere lokale Temperaturspitzen auftreten. Gleichzeitig können mit niedrigen Temperaturen Energieverluste beim Auftauen vermieden werden.
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Das Vorheizelement ist vorzugsweise ein elektrischer Leiter mit einer einfachen linearen Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur. Die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes ist insbesondere im Bereich der an der Vorrichtung auftretenden Temperaturen linear. Der Bereich der auftretenden Temperaturen liegt typischerweise zwischen –30 °C und 80 °C. Dabei entspricht –30 °C beispielsweise besonders niedrigen Außentemperaturen und 80 °C entspricht den maximal beim Betrieb der Vorrichtung auftretenden Temperaturen oder einer maximalen Außentemperatur, die sich während einer Stillstandsphase eines Kraftfahrzeuges bei stark einwirkender Sonnenstrahlung ergeben kann.
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In Schritt a) wird die Vorrichtung zunächst (nur) mit dem (bevorzugt einen einzigen) Vorheizelement geheizt. Dazu wird das Vorheizelement mit einer Heizspannung beaufschlagt, die beispielsweise ca. 12 Volt oder ca. 24 Volt bzw. einer vom Bordnetz eines Kraftfahrzeuges bereitgestellten Spannung entspricht. Aufgrund dieser Heizspannung stellt sich ein elektrischer Strom ein, der durch das Vorheizelement fließt. Der Widerstand des Vorheizelements ist typischerweise so gewählt, dass eine zur Verfügung stehende elektrische Leistungsfähigkeit einer Stromversorgungsquelle der Vorrichtung ausreicht, um dem Vorheizelement die von dem Vorheizelement angeforderte elektrische Energie bereitzustellen.
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In Schritt b) wird die Wärme von dem Vorheizelement zu dem mindestens einen (noch nicht aktivierten) PTC-Heizelement weitergeleitet, so dass die Temperatur des PTC-Heizelements (spürbar und/oder gezielt) angehoben wird. Hierzu kann mindestens eine Wärmeleitstruktur bzw. eine Wärmebrücke zwischen dem Vorheizelement und dem PTC-Heizelement vorgesehen sein, die die Wärme des Vorheizelements zielgerichtet zu dem PTC-Heizelement weiterleitet. Weiterhin kann auch wenigstens ein Konvektionsförderer vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Gebläse, mit dem die Abwärme des Vorheizelements hin zum PTC-Heizelement übertragen wird.
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Anschließend wird in Schritt c) die Temperatur der Vorrichtung (allein bzw. zusammen mit dem Vorheizelement und) mit dem PTC-Heizelement weiter angehoben. Vorzugsweise wird das Vorheizelement während Schritt c) wieder deaktiviert oder zumindest dessen Heizleistung reduziert.
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Die Verfahrensschritte a) bis c) laufen vorzugsweise in der Reihenfolge a), b), c) ab, wobei insbesondere die Verfahrensschritte a) und b) auch zumindest teilweise parallel stattfinden können. Durch den Start des Heizens der Vorrichtung mit dem Vorheizelement kann vermieden werden, dass beim Start ein besonders stark erhöhter Heizstrom von dem PTC-Heizelement angefordert wird. Insbesondere bei Temperaturen weit unterhalb der Nenntemperatur des PTC-Heizelementes ist der Widerstand des PTC-Heizelementes häufig so niedrig, dass ohne die beschriebenen Verfahrensschritte a) und b) die für den Betrieb des PTC-Heizelementes benötigte Strommenge sehr groß wäre. So kann eine Überlastung einer Stromversorgungsquelle einer Vorrichtung zur Bereitstellung von flüssigem Additiv vermieden werden.
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Gleichzeitig findet im Bereich der Betriebstemperaturen eine besonders genaue Regulierung der Temperatur der Vorrichtung mit Hilfe des mindestens einen PTC-Heizelements statt, weil ein besonders schnell reagierendes PTC-Heizelement mit einem besonders engen selbstregelnden Temperaturbereich und mit einem besonders großen Sprung des elektrischen Widerstandes im Bereich der Nenntemperatur verwendet werden kann. Dies ist möglich, weil das PTC-Heizelement aufgrund der beschriebenen Verfahrensführung unabhängig von typischen Kaltstartbedingungen ausgelegt werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn bei niedrigen Temperaturen der elektrische Widerstand des mindestens einen Vorheizelementes größer ist als der elektrische Widerstand des mindestens einen PTC-Heizelements.
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In diesem Zusammenhang entspricht der Begriff "niedrige Temperatur" Temperaturen, die bei Kaltstartbedingungen typischerweise vorliegen. Dies sind beispielsweise Temperaturen unterhalb von 0 °C oder sogar Temperaturen unterhalb von –11 °C. Dadurch, dass der elektrische Widerstand des Vorheizelements bei niedrigen Temperaturen größer ist als der elektrische Widerstand des mindestens einen PTC-Heizelements, ist die Stromaufnahme des Vorheizelements bei niedrigen Temperaturen niedriger als die Stromaufnahme des PTC-Heizelements.
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Weiterhin ist das Verfahren vorteilhaft, wenn das mindestens eine Vorheizelement eine Antriebsspule einer Pumpe zur Förderung des flüssigen Additivs in der Vorrichtung ist.
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Die Pumpe zur Förderung des flüssigen Additivs in der Vorrichtung kann beispielsweise eine Membranpumpe oder eine Kolbenpumpe sein. Die Pumpe hat vorzugsweise einen elektrischen Linearantrieb oder einen elektrischen Rotationsantrieb. Ein solcher Antrieb hat typischerweise eine Antriebsspule, die ein elektrischer Leiter mit einem elektrischen Widerstand ist. Die Antriebsspule kann vorteilhafterweise als Vorheizelement benutzt werden. Die Antriebsspule wird dazu vorzugsweise von einem Strom durchflossen, welcher nicht ausreichend groß ist, um eine Bewegung des Antriebs der Pumpe zu erzeugen. Der durch die Antriebsspule fließende elektrische Strom wird aufgrund des elektrischen Widerstandes der Antriebsspule (vorrangig) in Wärme umgesetzt. Wenn dann Schritt c) eingeleitet wird bzw. wurde, kann die Pumpe mit dem normalen Betriebsstrom weiter betrieben werden und mit der Förderung beginnen. Durch die Verwendung der Antriebsspule einer Pumpe als Vorheizelement können in der Vorrichtung zusätzliche Bauteile zur Realisierung des beschriebenen Verfahrens vermieden werden. Die Antriebsspule hat bei niedrigen Temperaturen zudem typischerweise einen elektrischen Widerstand, der größer ist als der elektrische Widerstand des PTC-Heizelementes. Daher eignet sich die Antriebsspule einer Pumpe als Vorheizelement für das beschriebene Verfahren.
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Weiterhin ist das Verfahren vorteilhaft, wenn vor Schritt a) eine Referenztemperatur für das mindestens eine PTC-Heizelement bestimmt wird und die Schritte a) und b) nur ausgeführt werden, wenn diese Referenztemperatur unter einer vorgegebenen Grenztemperatur liegt.
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Die Referenztemperatur für das mindestens eine PTC-Heizelement kann insbesondere eine Temperatur des PTC-Heizelements selbst sein. Die Referenztemperatur kann beispielsweise mit Hilfe eines Temperatursensors an dem PTC-Heizelement gemessen werden. Es ist allerdings auch möglich, dass die Referenztemperatur mit Hilfe einer Testspannung gemessen wird. Eine Testspannung kann an dem PTC-Heizelement angelegt werden. Die Testspannung ist vorzugsweise deutlich geringer als die zum Heizen verwendete Heizspannung. Beispielsweise ist die Testspannung kleiner als 3 Volt oder sogar kleiner als 1,5 Volt. Durch den niedrigen Wert der Testspannung kann eine große Leistungsaufnahme des PTC-Heizelementes beim Anlegen der Testspannung vermieden werden. Zur Bestimmung der Temperatur wird dann der elektrische Strom gemessen, welcher das PTC-Heizelement aufgrund der Testspannung durchströmt. Aus diesem elektrischen Strom kann mit Hilfe einer Kennlinie eine Referenztemperatur für das mindestens eine PTC-Heizelement ermittelt werden.
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Die vorgegebene Grenztemperatur entspricht vorzugsweise einer Temperatur, bei der ein ordnungsgemäßer Betrieb des PTC-Heizelementes möglich ist. Wenn die Referenztemperatur des PTC-Heizelementes der vorgegebenen Grenztemperatur entspricht, ist der elektrische Widerstand des PTC-Heizelementes gegenüber Kaltstartbedingungen bereits erhöht. Vorzugsweise ist der elektrische Widerstand bereits so groß, dass die Stromaufnahme des PTC-Heizelementes bei anliegender Betriebsspannung bereits in einem zulässigen bzw. vorgesehenen Bereich liegt und von einer vorgesehenen Stromversorgungsquelle bereitgestellt werden kann. Die vorgegebene Grenztemperatur liegt beispielsweise zwischen –10 °C und 20 °C. Beispielsweise beträgt die vorgegebene Grenztemperatur ca. 0 °C.
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Durch die Bestimmung einer Referenztemperatur für das PTC-Heizelement kann verhindert werden, dass die Schritte a) und b) durchgeführt werden, wenn die Referenztemperatur für das PTC-Heizelement der vorgegebenen Grenztemperatur entspricht oder sogar größer ist als die vorgegebene Grenztemperatur und damit für den ordnungsgemäßen Betrieb des PTC-Heizelements bereits ausreichend ist. Dann liegt keine Kaltstartsituation vor und es tritt auch keine erhöhte Stromaufnahme durch das PTC-Heizelement auf. So kann eine nicht notwendige Verzögerung des Betriebsstarts einer Vorrichtung zur Bereitstellung von flüssigem Additiv vermieden werden.
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Weiterhin ist das Verfahren vorteilhaft, wenn vor Schritt c) eine Referenztemperatur für das mindestens eine PTC-Heizelement bestimmt wird und Schritt c) erst eingeleitet wird, wenn die Referenztemperatur für das PTC-Heizelement größer ist als eine vorgegebene Mindesttemperatur.
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Die hier verwendete Referenztemperatur entspricht vorzugsweise der oben angegebenen Referenztemperatur, die vor Schritt a) zum Vergleich mit einer Grenztemperatur bestimmt werden kann.
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Die Mindesttemperatur ist typischerweise eine Temperatur, bei der ein ordnungsgemäßer Betrieb des PTC-Heizelements möglich ist, ohne dass eine zu große Stromaufnahme des PTC-Heizelements auftritt. Die Mindesttemperatur kann beispielsweise der weiter vorne beschriebenen Grenztemperatur entsprechen. Es ist insbesondere auch möglich, dass die Mindesttemperatur größer ist als die Grenztemperatur. Dies wirkt wie eine Hysterese. Es wird vermieden, dass das Vorheizelement für sehr kurze Zeiträume betrieben wird, wenn die Referenztemperatur im Bereich der Grenztemperatur liegt. Auch ist möglich, dass die Mindesttemperatur kleiner ist als die Grenztemperatur. Dann wirkt die Durchführung des beschriebenen Verfahrens wie ein zusätzlicher Test, der sicherstellt, dass die Referenztemperatur für einen ordnungsgemäßen Betrieb des PTC-Heizelementes tatsächlich ausreichend ist.
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Zudem wird auch eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs vorgeschlagen, aufweisend mindestens ein PTC-Heizelement, welches dazu eingerichtet ist, eingefrorenes flüssiges Additiv in der Vorrichtung aufzuschmelzen, und mindestens ein Vorheizelement, welches dazu eingerichtet ist, das mindestens eine PTC-Heizelement gezielt vorzuheizen.
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Die Vorrichtung ist insbesondere dazu geeignet und eingerichtet, nach dem weiter oben beschriebenen Verfahren zum Betriebsstart aktiviert zu werden. Die im Zusammenhang mit dem Verfahren geschilderten Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind entsprechend auf die vorgeschlagene Vorrichtung übertragbar. Gleiches gilt für die im Folgenden beschriebene Vorrichtung erläuterten Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale, welche in gleicher Weise auf das beschriebene Verfahren anwendbar und übertragbar sind.
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Besonders vorteilhaft ist die Vorrichtung, wenn das Vorheizelement eine Antriebsspule einer Pumpe zur Förderung des flüssigen Additivs in der Vorrichtung ist.
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Weiterhin ist die Vorrichtung vorteilhaft, wenn eine Wärmeleitstruktur vorgesehen ist, um Wärme von dem Vorheizelement zu dem PTC-Heizelement zu leiten.
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Die Wärmeleitstruktur kann beispielsweise mindestens ein Bauteil der folgenden Gruppe umfassen: ein Wärmeleitblech, ein Wärmeleitblock und ein Wärmerohr (Heatpipe). Ein Wärmeleitblech oder ein Wärmeleitblock kann beispielsweise mit Metall (insbesondere aus Kupfer oder Aluminium) und/oder wärmeleitfähigem Kunststoff ausgebildet sein. Die Wärmeleitstruktur kann auch in ein Gehäuse der Vorrichtung oder in eine Montageplatte der Vorrichtung integriert sein. Die Wärmeleitstruktur ist vorzugsweise zwischen dem Vorheizelement und dem mindestens einen PTC-Heizelement angeordnet, so dass sie die Wärmeleitfähigkeit von dem Vorheizelement zu dem PTC-Heizelement verbessert. Die Wärmeleitstruktur ist vorzugsweise nach außen wärmeisoliert, so dass die Wärme des Vorheizelements besonders zielgerichtet von dem Vorheizelement zu dem PTC-Heizelement geleitet wird und ein möglichst geringer Wärmeverlust in die Umgebung der Wärmeleitstruktur und in die Umgebung des PTC-Heizelements auftritt.
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Weiterhin ist die Vorrichtung vorteilhaft, wenn diese eine Einbaueinheit bildet, die in einen Tank für flüssiges Additiv eingesetzt werden kann, wobei das mindestens eine PTC-Heizelement dazu eingerichtet ist, zumindest ein Startvolumen von eingefrorenem flüssigen Additiv in dem Tank aufzuschmelzen.
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Die Einbaueinheit weist vorzugsweise ein Gehäuse auf, welches in einen Tankboden eines Tanks für das flüssige Additiv einsetzbar ist. Das mindestens eine PTC-Heizelement ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Wärme zu produzieren, die von innen durch das Gehäuse in das flüssige Additiv außen in den Tank übertreten kann. Bei dem Startvolumen handelt es sich vorzugsweise um einen (begrenzten) Bereich des gesamten Tankvolumens, welcher um das Gehäuse der Einbaueinheit herum angeordnet ist und welcher dadurch besonders gut für Wärme erreichbar ist, die von dem PTC-Heizelement erzeugt wird. Das Startvolumen entspricht vorzugsweise einer Menge an flüssigem Additiv, die beim Betriebsstart einer Vorrichtung zur Bereitstellung von flüssigem Additiv für einen definierten Zeitraum typischerweise benötigt wird. Beispielsweise kann das Startvolumen 200 ml [Milliliter] entsprechen und für einen Betriebszeitraum der Vorrichtung von ca. 20 min [Minuten] ausreichend sein.
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Häufig weisen Tanks zur Speicherung von flüssigem Additiv zusätzliche Heizmittel auf. Mit "zusätzlichen Heizmitteln" sind hier Heizmittel neben dem beschriebenen Vorheizelement und dem beschriebenen PTC-Heizelement gemeint. Solche Heizmittel können beispielsweise von einer Heizschleife gebildet sein, die von dem Kühlwasser einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist. Mit einem solchen Heizmittel kann das flüssige Additiv im Tank großflächig aufgeheizt werden. Das Startvolumen ist vorzugsweise so groß, dass es ausreicht, um flüssiges Additiv bereitstellen zu können, bis ein derartiges zusätzliches Heizmittel das flüssige Additiv vollständig aufgeschmolzen hat. Typischerweise benötigt eine mit Kühlwasser durchströmte Heizschleife eine wesentlich längere Anlaufphase als ein PTC-Heizelement, weil die Temperatur des Kühlwassers einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Betriebsstart zunächst nur langsam ansteigt.
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Die Vorrichtung, die als Einbaueinheit ausgebildet ist, weist vorzugsweise eine Ansaugstelle auf, an der flüssiges Additiv aus dem Tank entnommen werden kann. Die Ansaugstelle grenzt an einen Innenraum des Tanks an und insbesondere an ein Startvolumen innerhalb des Innenraums des Tanks. Darüber hinaus weist die als Einbaueinheit ausgerichtete Vorrichtung vorzugsweise einen Leitungsanschluss auf, an dem eine Leitung für das flüssige Additiv angeschlossen werden kann.
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Außen um das Gehäuse herum kann an der Vorrichtung ein Filter angeordnet sein. Zwischen dem Gehäuse und dem Filter existiert dann ein zylindrischer Hohlraum. Das Startvolumen kann diesem zylindrischen Hohlraum entsprechen. Der Filter kann mit Hilfe des mindestens einen PTC-Heizelementes aufgeheizt werden.
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Die Vorrichtung ist außerdem vorteilhaft, wenn sie eine Stromversorgungsquelle hat, die eine maximale elektrische Leistung von weniger als 200 Watt bereitstellen kann. Vorzugsweise liegt die maximale elektrische Leistung der Stromversorgungsquelle zwischen 72 Watt und 144 Watt. Bei einer zur Verfügung stehenden Spannung von 12 Volt entspricht dies einem maximal verfügbaren Strom von zwischen 6 Ampere und 12 Ampere. Das mindestens eine Vorheizelement und das mindestens eine PTC-Heizelement sind vorzugsweise so ausgelegt, dass die Durchführung des beschriebenen Verfahrens mit einer Stromversorgungsquelle mit der angegebenen maximalen elektrischen Leistung möglich ist.
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Zudem wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das eine Verbrennungskraftmaschine, eine Abgasbehandlungsvorrichtung zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine und eine beschriebene Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs für die Abgasbehandlungsvorrichtung aufweist.
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In der Abgasbehandlungsvorrichtung ist vorzugsweise ein SCR-Katalysator angeordnet, mit dem das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion durchgeführt werden kann. Die beschriebene Vorrichtung ist vorzugsweise an eine Leitung angeschlossen. Diese Leitung führt zu einer Zugabevorrichtung mit der das flüssige Additiv der Abgasbehandlungsvorrichtung zugeführt werden kann. Die Zugabevorrichtung hat dazu vorzugsweise eine Düse, die das flüssige Additiv in der Abgasbehandlungsvorrichtung (ggf. mit Hilfe eines Druckmediums wie Luft) fein zerstäubt und/oder einen Injektor mit dem das flüssige Additiv dosiert werden kann. Der Injektor kann beispielsweise ein elektrisch öffnendes und schließendes Ventil sein.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
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1: ein Temperatur-Widerstandsdiagramm,
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2: einen Tank mit einer beschriebenen Vorrichtung und
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3: ein Kraftfahrzeug mit einer beschriebenen Vorrichtung.
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In 1 sind die Temperaturabhängigkeiten der elektrischen Widerstände eines Vorheizelements und eines typischen PTC-Heizelements dargestellt. Über die Temperaturachse 14 sind jeweils die Widerstände auf der Widerstandsachse 13 aufgetragen. Der PTC-Heizwiderstand 12 des PTC-Heizelementes hat bei niedrigen Temperaturen einen Anfangswiderstand 7 und beginnt bei einer Nenntemperatur 26 stark anzusteigen. Um die Nenntemperatur 26 herum ist das PTC-Heizelement daher in einem engen Temperaturbereich selbstregelnd. Bei Temperaturen oberhalb der Nenntemperatur 26 steigt der PTC-Heizwiderstand 12 mit der Temperatur bis zu einem Endwiderstand 15. Mit weiter steigender Temperatur steigt der PTC-Heizwiderstand 12 nicht weiter sondern ist im Wesentlichen konstant. Gegebenenfalls fällt der PTC-Heizwiderstand 12 sogar wieder etwas. In diesem Temperaturbereich wird ein PTC-Heizelement jedoch üblicherweise nicht betrieben.
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Der Vorheizwiderstand 11 eines typischen Vorheizelementes steigt mit der Temperatur nur langsam linear an, wie in dem Diagramm in 1 zu erkennen ist.
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Auch im Diagramm eingetragen ist eine Grenztemperatur 6. Nur wenn eine Referenztemperatur des PTC-Heizelements niedriger ist als diese Grenztemperatur 6, werden die Verfahrensschritte a) und b) durchgeführt. Wenn die Referenztemperatur höher ist als diese Grenztemperatur 6, ist es möglich, das PTC-Heizelement unmittelbar in Betrieb zu nehmen (Schritt c) des beschriebenen Verfahrens), so dass ein schneller Betriebsstart der Vorrichtung realisiert werden kann. In 1 ebenfalls dargestellt ist eine Mindesttemperatur 25. Sobald die Referenztemperatur dieser Mindesttemperatur 25 entspricht, wird der Betrieb des PTC-Heizelements gestartet (Schritt c) des beschriebenen Verfahrens).
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Gemäß 1 ist die Grenztemperatur 6 kleiner als die Mindesttemperatur 25. Es ist auch möglich, dass die Grenztemperatur 6 größer ist als die Mindesttemperatur 25 oder sich die Grenztemperatur 6 und die Mindesttemperatur 25 entsprechen.
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2 zeigt einen Tank 10, in dem eine Vorrichtung 1 als Einbaueinheit 9 eingesetzt ist. Die Vorrichtung 1 hat ein Gehäuse 29 und ist in eine Öffnung 31 im Tankboden 28 des Tanks 10 eingesetzt. Vorzugsweise verschließt das Gehäuse 29 die Öffnung 31 im Tankboden 28 fluiddicht. Die Vorrichtung 1 weist eine Ansaugstelle 16 auf, an der flüssiges Additiv (insbesondere Harnstoff-Wasser-Lösung) aus dem Tank 10 entnommen werden kann. Darüber hinaus weist die Vorrichtung 1 einen Leitungsanschluss 17 auf, an welchen eine Leitung zur Bereitstellung des flüssigen Additivs angeschlossen werden kann. Von der Ansaugstelle 16 zu dem Leitungsanschluss 17 verläuft durch die Vorrichtung 1 ein Kanal 18. In dem Kanal 18 ist eine Pumpe 4 angeordnet, mit der das flüssige Additiv gefördert werden kann. Die Pumpe 4 hat eine Antriebsspule 5, welche die Pumpe 4 antreibt. Die Antriebsspule 5 der Pumpe 4 wird als Vorheizelement 2 verwendet. Die Vorrichtung 1 weist darüber hinaus ein PTC-Heizelement 3 auf. Das PTC-Heizelement 3 ist mit einer Wärmeleitstruktur 8 an die Antriebsspule 5 der Pumpe 4 bzw. an das Vorheizelement 2 angebunden. In dem Tank 10 befindet sich um die Vorrichtung 1 herum ein Startvolumen 27 von flüssigem Additiv. Das PTC-Heizelement 3 ist dazu eingerichtet, flüssiges Additiv in dem Startvolumen 27 durch das Gehäuse 29 der Vorrichtung 1 hindurch aufzuheizen. Das PTC-Heizelement 3 und das Vorheizelement 2, bzw. die Pumpe 4 werden von einer Stromversorgungsquelle 32 der Vorrichtung 1 mit elektrischem Strom versorgt. Außen um das Gehäuse 29 herum ist optional noch ein Filter 30 angeordnet, der das Startvolumen 27 begrenzt und die Ansaugstelle 16 verdeckt, so dass das flüssige Additiv bei der Entnahme aus dem Tank 10 mit dem Filter 30 gefiltert wird.
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3 zeigt ein Kraftfahrzeug 19, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine 20 und eine Abgasbehandlungsvorrichtung 21 zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine 20. In der Abgasbehandlungsvorrichtung 21 ist ein SCR-Katalysator 22 vorgesehen. An der Abgasbehandlungsvorrichtung 21 ist eine Zugabevorrichtung 23 angeordnet, mit der das flüssige Additiv der Abgasbehandlungsvorrichtung 21 zugeführt werden kann. Die Zugabevorrichtung 23 wird von einer Vorrichtung 1 über eine Leitung 24 mit flüssigem Additiv aus einem Tank 10 versorgt.
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Durch die Erfindung wird ein besonders vorteilhafter Betrieb einer Vorrichtung zur Bereitstellung von flüssigem Additiv möglich. Insbesondere ist eine Reduzierung des Stroms möglich, der von einer Vorrichtung zur Bereitstellung von flüssigem Additiv beim Betriebsstart benötigt wird. Hierdurch wird eine verbesserte Dimensionierung und Auslegung der Vorrichtung und insbesondere der Stromversorgung der Vorrichtung ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Vorheizelement
- 3
- PTC-Heizelement
- 4
- Pumpe
- 5
- Antriebsspule
- 6
- Grenztemperatur
- 7
- Anfangswiderstand
- 8
- Wärmeleitstruktur
- 9
- Einbaueinheit
- 10
- Tank
- 11
- Vorheizwiderstand
- 12
- PTC-Heizwiderstand
- 13
- Widerstandsachse
- 14
- Temperaturachse
- 15
- Endwiderstand
- 16
- Ansaugstelle
- 17
- Leitungsanschluss
- 18
- Kanal
- 19
- Kraftfahrzeug
- 20
- Verbrennungskraftmaschine
- 21
- Abgasbehandlungsvorrichtung
- 22
- SCR-Katalysator
- 23
- Zugabevorrichtung
- 24
- Leitung
- 25
- Mindesttemperatur
- 26
- Nenntemperatur
- 27
- Startvolumen
- 28
- Tankboden
- 29
- Gehäuse
- 30
- Filter
- 31
- Öffnung
- 32
- Stromversorgungsquelle
