DE102013108501A1 - Verfahren zur Herstellung eines Fördermoduls zum Einbau in einen Tank - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fördermoduls (2) mit einer elektrischen PTC-Heizung (1) zum Einbau in einen Tank (3) zur Speicherung eines flüssigen Additivs. In einem Verfahrensschritt a) wird eine maximale elektrische Leistung festgelegt, die dem Fördermodul (2) zur Verfügung gestellt wird. In einem Verfahrensschritt b) wird eine Wärmeleitfähigkeit des Fördermoduls (2) von einem Ort (21) der elektrischen PTC-Heizung (1) in den Tank (3) festgestellt. In Schritt c) wird eine Schalttemperatur (4) der PTC-Heizung (1) aus der maximalen elektrischen Leistung und der Wärmeleitfähigkeit berechnet. In Schritt d) wird ein PTC-Material mit einer entsprechenden Schalttemperatur (4) für die PTC-Heizung (1) an dem Ort (21) montiert.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fördermoduls mit einer elektrischen PTC-Heizung, welches in einen Tank eingebaut werden kann. Das Fördermodul ist insbesondere für Tanks geeignet, in denen ein flüssiges Additiv (insbesondere Harnstoff-Wasser-Lösung) gespeichert wird.
• Es sind Abgasbehandlungsvorrichtungen bekannt, in die zur Abgasreinigung ein flüssiges Additiv zugeführt wird. In solchen Abgasbehandlungsvorrichtung wird z. B. das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren, SCR = Selective Catalytic Reduction) durchgeführt. Bei diesem Verfahren werden Stickstoffoxidverbindungen im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine unter Zuhilfenahme eines Reduktionsmittels entfernt. Als Reduktionsmittel wird insbesondere Ammoniak verwendet. Ammoniak wird in Kraftfahrzeugen normalerweise nicht direkt bevorratet, sondern in Form eines flüssigen Additivs, welches abgasintern (in der Abgasbehandlungsvorrichtung) und/oder abgasextern (in einem eigens dafür vorgesehenen Reaktor) zu Ammoniak umgesetzt werden kann. Ein besonders häufig für die Abgasreinigung verwendetes flüssiges Additiv ist Harnstoff-Wasser-Lösung. Eine Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem Harnstoffgehalt von 32,5 % ist unter dem Handelsnamen AdBlue^® erhältlich.
• Bei der Auslegung von Fördermodulen und Tanks zur Bereitstellung von insbesondere wässrigen Additiven ist zu berücksichtigen, dass diese bei niedrigen Temperaturen einfrieren können. Eine Harnstoff-Wasser-Lösung friert beispielsweise bei ca. –11°C ein. Im Kraftfahrzeugbereich können derart niedrige Temperaturen insbesondere während langer Stillstandphasen des Kraftfahrzeugs im Winter auftreten. Dies ist insbesondere bei einer Wiederinbetriebnahme des Fördermoduls problematisch. Regelmäßig besteht die Anforderung, dass beim Start des Kraftfahrzeuges unverzüglich flüssiges Additiv bereitstehen soll. Aus diesem Grunde ist bekannt, an/in einem Tank zur Speicherung des flüssigen Additivs oder an/in dem Fördermodul ein (aktives) Heizsystem vorzusehen. Vorgeschlagen wurden hierzu elektrische Heizungen, Heizungen, die mit erwärmter Kühlflüssigkeit einer Verbrennungskraftmaschine betrieben werden und/oder Heizungen, die die Wärme der Abgase einer Verbrennungskraftmaschine (Abgaswärme) nutzen.
• Elektrische Heizungen haben den Vorteil, dass diese auch sehr kurz nach dem Betriebsstart eines Kraftfahrzeuges bereits eine große Menge an Heizenergie bereitstellen können. Demgegenüber stehen erwärmte Kühlflüssigkeit und Abgaswärme erst nach einer längeren Betriebsphase einer Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung. Elektrische Energie muss allerdings in ausreichender Menge von einem Energiespeicher (beispielsweise einem Akkumulator oder einem Kondensator) bereitgestellt werden können. Die Möglichkeit, in einem Kraftfahrzeug elektrische Energie bereit zu stellen, ist einerseits hinsichtlich der insgesamt zur Verfügung stehenden Menge an Energie begrenzt. Beispielsweise kann insgesamt nur eine bestimmte Energiemenge (beispielsweise 1 oder 2 Megajoule) zum Heizen zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus existiert typischerweise eine Limitierung hinsichtlich der elektrischen Leistung, die abgerufen werden kann. Diese Limitierung ergibt sich aus den Fähigkeiten des Energiespeichers und/oder der elektrischen Verbindungsleitungen von dem Energiespeicher zu der Heizung.
• Bei der Auslegung solcher Heizsysteme für Tanks und/oder Fördermodule zur Bereitstellung von flüssigen Additiven ist außerdem zu berücksichtigen, dass das flüssige Additiv durch übermäßiges Erhitzen chemisch beeinflusst werden kann. Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird beispielsweise chemisch zu Ammoniak oder unerwünschten Zwischenprodukten umgesetzt, wenn eine Grenztemperatur überschritten wird. Diese sollte im Fördermodul und Tank nicht passieren, weil der Ammoniak Komponenten der Fördereinheit angreifen und beschädigen könnte. Besonders vorteilhaft sind daher Heizungen, die automatisch deaktiviert werden, wenn eine Maximaltemperatur überschritten wird. Bekannt sind beispielsweise elektrische PTC-Heizelemente (PTC = positive temperature coefficient). Dies sind elektrische Heizelemente, die eine besondere Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Temperatur haben. Bei verschiedenen PTC-Heizelementen existiert jeweils eine charakteristische und/oder materialspezifische Schalttemperatur, bei der der elektrische Widerstand sich schlagartig erhöht. Daher reduziert sich der Heizstrom durch ein PTC-Heizelement, wenn die Schalttemperatur erreicht wird, und es ist wird verhindert, dass die Temperatur signifikant über die Schalttemperatur ansteigt. Ein Material, das die beschriebenen PTC-Eigenschaften aufweist und aus dem die meisten PTC-Heizelemente bestehen, ist beispielsweise Bariumtitanat (BaTiO₃). Anzumerken ist jedoch, dass die verfügbar große Anzahl unterschiedlicher PTC-Materialien, die hier zum Einsatz kommen können, auch unterschiedlich teuer sind.
• Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die geschilderten technischen Probleme zu lösen oder zumindest zu lindern. Es sollen insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Fördermoduls mit einer elektrischen PCT-Heizung und ein entsprechend hergestelltes Fördermodul angegeben werden, die einen besonders vorteilhaften Betrieb des Heizsystems mit möglichst geringer Verlustleistung und möglichst gleichmäßiger Heizleistung ermöglichen.
• Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen 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, insbesondere auch aus der Beschreibung der Figuren, näher ergänzt werden.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fördermoduls mit einer elektrischen PTC-Heizung zum Einbau in einen Tank zur Speicherung eines flüssigen Additivs, aufweisend zumindest die folgenden Schritte:
• a) Festlegen einer maximalen elektrischen Leistung, die dem Fördermodul zur Verfügung gestellt wird,
• b) Feststellen einer Wärmeleitfähigkeit des Fördermoduls von einem Ort der elektrischen PTC-Heizung in den Tank,
• c) Berechnen einer Schalttemperatur der PTC-Heizung aus der maximalen elektrischen Leistung und der Wärmeleitfähigkeit, und
• d) Montage eines PTC-Materials mit einer entsprechenden Schalttemperatur für die PTC-Heizung an dem Ort.
• Das Fördermodul hat vorzugsweise ein Gehäuse, in dem sich (aktive bzw. regelbare) Komponenten zur Förderung des flüssigen Additivs befinden, und welches in eine Öffnung im Boden eines Tanks eingesetzt werden kann. Die Komponenten zur Förderung des flüssigen Additivs umfassen insbesondere eine Pumpe, mit der eine Förderung des flüssigen Additivs und gegebenenfalls auch eine Dosierung des flüssigen Additivs erfolgen kann. Vorzugsweise verläuft durch das Fördermodul eine Leitung für das flüssige Additiv. An/in dieser Leitung ist die Pumpe angeordnet. Das flüssige Additiv wird von der Pumpe an einer Ansaugstelle aus dem Tank entnommen und an einem Bereitstellungsanschluss des Fördermoduls bereitgestellt.
• Der Aufbau des Fördermoduls soll hier nicht in allen Einzelheiten vorgegeben sein, weil der Fachmann entsprechend dem Aufbau des Tanks und/oder den Förderleistungen des Fördermoduls hier zahlreiche Anpassungen vornehmen kann. Später werden gleichwohl beispielhaft zwei besondere Ausführungsvarianten eines Fördermoduls vorgestellt, die mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden können.
• Die maximale elektrische Leistung (Wmax), die in Schritt a) festgelegt wird, kann beispielsweise durch den Querschnitt einer elektrischen Versorgungsleitung definiert sein, über die das Fördermodul mit elektrischer Energie versorgt wird. Eine verfügbare Versorgungsspannung in einem Kraftfahrzeug liegt beispielsweise bei 12 V [Volt], bei 24 V oder sogar bei 48 V. Je nach Querschnitt der elektrischen Versorgungsleitung ergibt sich aus der verfügbaren Versorgungsspannung eine maximale elektrische Leistung, die über die Versorgungsleitung übertragen werden kann. Es ist auch möglich, dass die maximale elektrische Leistung durch eine Vorgabe des Kraftfahrzeugherstellers festgelegt ist. Auch kann die maximale elektrische Leistung dadurch festgelegt sein, dass eine Stromversorgung in einem Kraftfahrzeug (beispielsweise ein Akkumulator und/oder eine Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs) nur eine begrenzte elektrische Leistung zur Verfügung stellen kann. Außerdem hat ein Kraftfahrzeug neben dem Fördermodul für das flüssige Additiv regelmäßig noch weitere elektrische Verbraucher, die gegebenenfalls zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Fördermoduls bzw. dessen Heizung die verfügbare maximale elektrische Leistung für die Heizung begrenzen.
• Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn die maximale elektrische Leistung für Schritt a) auf einen Wert zwischen 100 Watt und 200 Watt festgelegt wird, insbesondere auf einen Wert zwischen 110 Watt und 130 Watt und ganz besonders bevorzugt auf (ca.) 120 Watt. In diesem Zusammenhang ist eine maximale elektrische Leistung zu betrachten, die während des Betriebs der Fördereinheit dauerhaft, das heißt mindestens für ein vorgegebenes Zeitintervall von beispielsweise mindestens 5 Minuten oder sogar mindestens 10 Minuten an die Fördereinheit zur Verfügung gestellt und von der Fördereinheit abgerufen wird. Nicht umfasst sind elektrische Leistungen, die Fördereinheit unmittelbar nach dem Einschalten der elektrischen PTC-Heizung für sehr kurze Zeitintervalle abruft. Beim Einschalten der elektrischen PTC-Heizung kann es zu kurzfristigen Einschaltströmen (Peak-Strömen) kommen, die bewirken können, dass die Fördereinheit für sehr kurze Zeitintervalle von beispielsweise weniger als 2 Minuten oder sogar weniger als 1 Minute elektrische Leistungen mehr als 250 Watt, insbesondere sogar mehr als 350 Watt abruft. Insbesondere solche Peaks sind hier nicht berücksichtigt
• Diese elektrische Leistung kann in einem Kraftfahrzeug für ein Fördermodul für flüssiges Additiv üblicherweise zur Verfügung gestellt werden, ohne dass eine Beeinträchtigung des Betriebs der sonstigen Komponenten des Kraftfahrzeugs auftritt.
• In Schritt b) wird eine Wärmeleitfähigkeit des Fördermoduls von einem Ort der elektrischen PTC-Heizung in den Tank festgestellt. Der (vorgegebene) Ort gibt letztlich auch die (tatsächliche bzw. spätere) Position innerhalb des Fördermoduls an, an der die elektrische PTC-Heizung montiert wird. Die Wärmeleitfähigkeit ist üblicherweise als Quotient aus der Leistung und der Temperatur (W/Kelvin) definiert. Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie viel Wärmeenergie von dem Ort der Heizung in den Tank übertragen werden, wenn zwischen dem Ort der Heizung und dem Tank eine Temperaturdifferenz von 1 K vorliegt. Wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem Ort der Heizung und dem Tank steigt, dann steigt auch die übertragene Wärmemenge proportional. Die Wärmeleitfähigkeit ist von der Konstruktion (Material, Anordnung, etc.) des Fördermoduls abhängig. Für die Wärmeleitfähigkeit sind insbesondere der Abstand von dem Ort zu dem Innenraum des Tanks und die zwischen dem Ort und dem Innenraum des Tanks verwendeten Materialien (insbesondere das Material des Gehäuses des Fördermoduls) relevant. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es (ggf. unter Einsatz üblicher Berechnungshilfsmittel) generell unproblematisch, ausgehend von einer konkreten Konstruktion des Fördermoduls und dem gewünschten Ort der Montage für die Heizung, den Betrag der entsprechenden Wärmeleitfähigkeit hin zum Tankinneren zu bestimmen.
• Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn die Wärmeleitfähigkeit in Schritt b) mit einer Finite-Elemente-Simulation des Fördermoduls festgestellt wird.
• In einer Finite-Elemente-Simulation (FEM-Simulation) kann das thermische Verhalten der Materialien des Fördermoduls und insbesondere des Materials des Gehäuses des Fördermoduls sowie sämtlicher Bauteile und Komponenten innerhalb des Gehäuses des Fördermoduls, welche sich zwischen dem Ort der Heizung und dem Tank bzw. dem Innenraum des Tanks befinden, simuliert werden. In der Finite-Elemente-Simulation wird ein Modell des Fördermoduls verwendet, wobei die Wärmeleitfähigkeiten des Gehäuses und der genannten Bauteile und Komponenten (einzeln) hinterlegt sind. So kann die Wärmeleitfähigkeit von dem Ort in den Tank insgesamt berechnet werden.
• Die Finite-Elemente-Simulation kann mit einem vereinfachten zweidimensionalen Modell des Aufbaus des Fördermoduls durchgeführt werden. Ein zweidimensionales Modell kann beispielsweise aus einem Querschnitt durch das Fördermodul bestehen. Ein zweidimensionales Modell ist dann sinnvoll, wenn das Fördermodul zumindest annähernd symmetrisch aufgebaut ist, weil nur dann die an einem zweidimensionalen Modell ermittelten Werte für die Wärmeleitfähigkeit eine realistische Einschätzung der tatsächlichen Wärmeleitfähigkeit in der dritten Dimension ermöglichen. Besonders bevorzugt ist daher, dass eine dreidimensionale Finite-Elemente-Simulation durchgeführt wird, bei der das für die Finite-Elemente-Simulation verwendete Modell dem tatsächlichen Aufbau des Fördermoduls entspricht und auch dreidimensionale Besonderheiten Berücksichtigung finden, die von einer (möglicherweise symmetrischen) Grundform des Fördermoduls abweichen. Bei einem Fördermodul mit einer kreisförmigen oder zylindrischen Grundform können derartige Besonderheiten, die von der Grundform abweichen, beispielsweise Einbuchtungen und/oder Ausbuchtungen für einen Füllstandsensor sein. Ein rundes bzw. kreisförmiges Fördermodul ließe sich für sich genommen ohne derartige Besonderheiten auch einfach zweidimensional simulieren.
• Weiterhin vorteilhaft ist das Verfahren, wenn die Wärmeleitfähigkeit (α_Modul) in Schritt b) mit einem Versuch bestimmt wird, bei dem in dem Tank eine erste Temperatur an der PTC-Heizung und eine zweite Temperatur in dem Tank festgelegt werden und eine Wärmemenge ermittelt wird, die von der PTC-Heizung in den Tank fließt, wobei die Wärmeleitfähigkeit aus der Differenz der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur sowie der Wärmemenge berechnet wird.
• Dies ist ein experimenteller Ansatz zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit in Schritt b). Das Festlegen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass an einer Fläche des Fördermoduls, die mit dem Tank in Verbindung steht und an dem Ort der PTC-Heizung jeweils ein Wärmetauscher angeordnet wird, welcher eine bestimmte Temperatur einstellt und diese Temperatur unabhängig von der Wärmemenge hält, die über den jeweiligen Wärmetauscher zugeführt oder abgeführt wird, um die Temperatur aufrecht zu erhalten. Ein derartiger Wärmetauscher kann beispielsweise ein Flüssigkeitswärmetauscher sein, durch welchen eine große Menge an Flüssigkeit fließt, die exakt die erste Temperatur bzw. die zweite Temperatur hat.
• Die zwischen dem Ort der PTC-Heizung und dem Tank aufgrund der Differenz von der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur fließende Wärmemenge kann durch Sensoren am Fördermodul ermittelt werden. Selbstverständlich ist hierbei möglich, dass mehrere Temperaturfühler im Umfeld positioniert werden, die eine möglichst genaue Bestimmung des Temperaturfelds bzw. eine Temperaturmittelung ermöglichen. Es ist aber auch möglich, dass die Wärmemenge durch eine Energiebilanz an den jeweiligen Wärmetauschern ermittelt wird. Die Menge an Wärme, die an dem ersten Wärmetauscher zu- oder abgeführt wird, und die Menge an Wärme, die an dem zweiten Wärmetauscher ab- oder zugeführt wird, entsprechen jeweils der Wärmemenge, die von dem genannten Ort der PTC-Heizung in den Tank oder umgekehrt übertragen wird. Dies gilt allerdings nur, wenn keine Verlustleistung auftritt. Verlustleistungen können bei der Berechnung der Wärmeleitfähigkeit gegebenenfalls durch einen Vergleich der am ersten Wärmetauscher zu- oder abgeführten Wärmemenge und der am zweiten Wärmetauscher ab- oder zugeführten Wärmemenge berücksichtigt werden.
• Ein derartiger experimenteller Ansatz zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ist vorteilhaft, weil kein aufwändiges FEM-Modell erstellt werden muss, um die Wärmeleitfähigkeit zu berechnen. Darüber hinaus ist mit diesem Ansatz auch bei besonders komplexen Gestaltungen eines Fördermoduls möglich, die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit relativ exakt zu bestimmen.
• In Schritt c) wird eine Schalttemperatur (T_Schalt) der PTC-Heizung aus der maximalen elektrischen Leistung und der Wärmeleitfähigkeit berechnet. Diese Berechnung kann beispielsweise mit einer mathematischen Formel erfolgen, die den Zusammenhang zwischen der Schalttemperatur, der elektrischen Leistung und der Wärmeleitfähigkeit wiedergibt.
• Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn in Schritt c) eine maximale Temperatur (T_max,HWL) berücksichtigt wird, die in dem Tank auftreten darf, ohne dass das flüssige Additiv sich chemisch verändert.
• Diese maximale Temperatur liegt vorzugsweise zwischen 50 °C und 90 °C [Grad Celsius], vorzugsweise zwischen 70 °C und 80 °C. Durch eine Berücksichtigung dieser maximalen Temperatur in Schritt c) kann verhindert werden, dass das flüssige Additiv in dem Tank durch die Verwendung der PTC-Heizung chemisch umgesetzt wird.
• Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn in Schritt c) eine minimale Temperatur (T_min,HWL) angenommen wird, die in dem Tank auftreten kann, wobei die minimale Temperatur kleiner als oder gleich –11°C ist. Von der minimalen Temperatur hängt üblicherweise die maximal mögliche Temperaturdifferenz zwischen dem Ort der PTC-Heizung bzw. der PTC-Heizung und dem Tank ab. Die minimale Temperatur kann beispielsweise durch die niedrigste Temperatur festgelegt sein, die in der Umgebung eines Kraftfahrzeugs auftreten darf und/oder auf die das flüssige Additiv in dem Tank theoretisch unterkühlt werden darf, wenn es eingefroren ist. Diese minimale Temperatur kann regional unterschiedlich festgelegt sein, beispielsweise in nördlichen Ländern wie Schweden oder Norwegen wesentlich niedriger als in südlichen Ländern wie Spanien oder Italien. Die minimale Temperatur liegt beispielsweise zwischen –20 °C und –50 °C.
• Die minimale Temperatur kann als untere Grenztemperatur eines Arbeitsbereiches des PTC-Elementes verwendet werden.
• Bevorzugt ist, dass in Schritt d) zumindest ein PTC-Material auf Basis von Bariumtitanat montiert wird. Bariumtitanat (BaTiO₃) ist ein Mischoxid aus Barium und Titan. Bei ca. 120 °C findet ein Phasenwechsel des Bariumtitanats statt, der zu einer sprunghaften Erhöhung des elektrischen Widerstandes führt. Dieser Effekt kann als Schalttemperatur genutzt werden. Durch verschiedene Materialzusätze kann die gewünschte Schalttemperatur des PTC-Materials an die in Schritt c) berechnete Schalttemperatur ggf. noch genau angepasst werden. PTC-Material auf Basis von Bariumtitanat kann als Mischung von Bariumcarbonat und Titanoxid bereitgestellt werden. Üblicherweise wird eine pulverförmige Mischung von Barumcarbonat und Titanoxid bei hohen Temperaturen gesintert. Dabei entsteht das Bariumtitanat. Materialzusätze können der pulverförmigen Mischung beigegeben werden. Durch das Verhältnis von Bariumcarbonat und Titanoxid in der pulverförmigen Mischung und die zusätzlichen Materialzusätze können die elektrischen Eigenschaften und insbesondere die Schalttemperatur des PTC-Materials eingestellt werden.
• Vorzugsweise wird in Schritt d) ein PTC-Material montiert, das im Bereich zwischen der Schalttemperatur und einer unteren Grenztemperatur einen im Wesentlichen konstanten elektrischen Widerstand aufweist. Vorzugsweise verändert sich der elektrische Widerstand des PTC-Material in einem Arbeitstemperaturbereich zwischen der unteren Grenztemperatur und der Schalttemperatur um weniger als 30 Prozent, vorzugsweise sogar um weniger als 20 Prozent und besonders bevorzugt um weniger als 10 Prozent. Dies ermöglicht es, dass die von dem PTC-Element aufgenommene Heizleistung im gesamten Arbeitstemperaturbereich im Wesentlichen konstant ist, ohne dass zusätzliche Maßnahmen zur Beeinflussung der Heizleistung notwendig sind. Beispielsweise kann ein zusätzlicher Steuerwiderstand zur Steuerung der PTC-Heizung entfallen.
• Es wird auch darauf hingewiesen, dass ggf. eine Mehrzahl von PTC-Heizungen an einer Mehrzahl von (vorgegebenen) Orten montiert wird, wobei dann jeweils entsprechend bezüglich ihrer Schalttemperatur angepasste PTC-Heizungen vorgesehen sind. Demnach können die mehreren PTC-Heizungen gleiche und/oder verschiedene Schalttemperaturen aufweisen, insbesondere mit dem Ziel einer schnellstmöglichen Aufheizung des im Tank befindlichen (gefrorenen) Additivs.
• Weiter wird ein Fördermodul zum Einbau in einen Tank angegeben, das gemäß einem beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, wobei das Fördermodul ein Gehäuse aufweist, welches in den Boden des Tanks eingesetzt werden kann, und wobei das Gehäuse einen ersten Innenraum des Fördermoduls von einem zweiten Innenraum des Tanks abtrennt und die elektrische PTC-Heizung in dem ersten Innenraum des Fördermoduls angeordnet ist und die Schalttemperatur der elektrische PTC-Heizung zwischen 80 °C und 150 °C liegt.
• Besonders vorteilhaft ist das Fördermodul, wenn es eine Wärmeverteilstruktur aufweist, die in dem ersten Innenraum des Gehäuses angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, Wärme von der PTC-Heizung auf das Gehäuse zu übertragen.
• Das Gehäuse eines derartigen Fördermoduls ist vorzugsweise (überwiegend) mit Kunststoff gebildet. Die Wärmeverteilstruktur kann beispielsweise aus Aluminium hergestellt sein. Die Wärmeleitfähigkeit von der PTC-Heizung in den Tank hängt dann maßgeblich von dem Gehäuse und insbesondere von der Form des Gehäuses, der (Wand-)Dicke des Gehäuses und dem Material des Gehäuses ab. Durch die Wärmeverteilstruktur wird insbesondere eine gleichmäßige und/oder zielgerichtete Verteilung der Wärme innerhalb des ersten Innenraums des Gehäuses erreicht.
• Bei einer weiteren Ausführungsvariante des Fördermoduls zum Einbau in einem Tank, welches gemäß einem beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, ist ein Gehäuse vorgesehen, welches in den Boden eines Tanks eingesetzt werden kann, wobei die elektrische PTC-Heizung in einer Haube angeordnet ist, die das Gehäuse umgibt, und die Schalttemperatur der PTC-Heizung zwischen 50 °C und 90 °C, vorzugsweise zwischen 70 °C und 80 °C, liegt. Insbesondere ist die Schalttemperatur so gewählt, dass außen an der Haube eine festgelegte maximale Temperatur zwischen 50 °C und 90 °C, insbesondere zwischen 70 °C und 80 °C anliegt.
• Eine derartige Haube ist insbesondere glockenförmig. Die Haube umgibt das Gehäuse nur in den Bereichen, in denen das Gehäuse in Kontakt mit einem zweiten Innenraum des Tanks steht. Die Haube ist vorzugsweise (überwiegend) aus einem Kunststoffmaterial. Vorzugsweise ist der Ort der PTC-Heizung in/an der Haube. Das mindestens eine PTC-Heizelement kann in die Haube eingegossen und/oder eingespritzt sein. Auch ist es möglich, dass in der Haube Wärmeverteilstrukturen vorgesehen sind, die eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen und die mit dem Ort der PTC-Heizung in Kontakt stehen, um die Wärme der PTC-Heizung in der Glocke zu verteilen.
• Die für das beschriebene Verfahren geschilderten besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind in analoger Weise auf die verschiedenen beschriebenen Fördermodule anwendbar und übertragbar. Gleiches gilt für die im Zusammenhang mit den Fördermodulen geschilderten besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale, welche ebenfalls in analoger Weise auf das Verfahren anwendbar und übertragbar sind.
• Weiterhin wird hier ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine sowie eine Abgasbehandlungsvorrichtung zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine, einen Tank zur Speicherung eines flüssigen Additivs und ein beschriebenes Fördermodul, welches dazu eingerichtet ist, der Abgasbehandlungsvorrichtung das flüssige Additiv aus dem Tank zuzuführen. Vorzugsweise ist in der Abgasbehandlungsvorrichtung ein SCR-Katalysator angeordnet, an dem Stickstoffoxidverbindungen in den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine umgesetzt/reduziert werden.
• Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die in den Figuren dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
• 1: ein Ablaufdiagramm des beschriebenen Verfahrens,
• 2: eine Kennlinie einer PTC-Heizung,
• 3: eine erste Ausführungsvariante eines beschriebenen Fördermoduls in einem Tank,
• 4: eine zweite Ausführungsvariante eines beschriebenen Fördermoduls in einem Tank, und
• 5: ein Kraftfahrzeug, aufweisend ein beschriebenes Fördermodul.
• In dem Ablaufdiagramm gemäß 1 sind die oben erläuterten Verfahrensschritte a) bis d) des beschriebenen Verfahrens zu erkennen, welche bei der Herstellung eines Fördermoduls ablaufen.
• 2 zeigt eine PTC-Kurve 18, aufgetragen in einem Diagramm auf einer Widerstandsachse 16 über die Temperaturachse 17. An der PTC-Kurve 18 ist zu erkennen, dass bei niedrigen Temperaturen der auf der Widerstandsachse 16 aufgetragene elektrische Widerstand relativ niedrig ist. Bei einer Schalttemperatur 4 steigt der elektrische Widerstand gemäß der PTC-Kurve 18 schlagartig auf einen hohen Wert an. Daher sinkt ab Erreichen der Schalttemperatur 4 der elektrische Strom, der durch ein PTC-Heizelement fließt, schlagartig. Zu erkennen ist auch eine untere Grenztemperatur 22 für den Betrieb eines Fördermoduls. Zwischen der unteren Grenztemperatur 22 und der Schalttemperatur 4 liegt ein Arbeitstemperaturbereich 23. Temperaturen, die innerhalb dieses Arbeitstemperaturbereichs 23 liegen, können während des Betriebs des PCT-Elementes auftreten. Innerhalb des Arbeitstemperaturbereichs 23 tritt maximal eine Widerstandsveränderung 24 in Abhängigkeit von der Temperatur auf, die kleiner ist als 30 Prozent, bevorzugt kleiner 20 Prozent und besonders bevorzugt kleiner 10 Prozent.
• In den 3 und 4 ist jeweils ein Tank 3 abgebildet, in den ein Fördermodul 2 eingesetzt ist. Das Fördermodul 2 umfasst jeweils ein Gehäuse 5, in dem Komponenten zur Förderung des flüssigen Additivs angeordnet sind, insbesondere eine Pumpe 19. Die Pumpe 19 entnimmt flüssiges Additiv aus dem Tank 3 über die Leitung 14 an einer Ansaugstelle 25 und stellt das flüssige Additiv über die Leitung 14 wieder (mit einem erhöhten Druck) an einem Bereitstellungsanschluss 26 bereit.
• Bei der Ausführungsvariante gemäß 3 ist die PTC-Heizung 1 an einem Ort 21 in einem ersten Innenraum 7 des Gehäuses 5 angeordnet. Die PTC-Heizung 1 ist hier auch mit einer Wärmeverteilstruktur 20 kombiniert. Die Wärmeverteilstruktur 20 verteilt die von der PTC-Heizung 1 erzeugte Wärme in dem Gehäuse 5 und insbesondere an der Wand des Gehäuses 5. Die Wärme kann von dem ersten Innenraum 7 des Gehäuses 5 durch das Gehäuse 5 in den zweiten Innenraum 8 des Tanks 3 gelangen.
• Bei der Ausführungsvariante gemäß 4 ist an dem Fördermodul 2 eine Haube 9 angeordnet, welche das Gehäuse 5 teilweise umgibt. Insbesondere ist die dem Innenraum 8 des Tanks 3 zugewandte Seite des Gehäuses 5 von der Haube 9 umgeben, bzw. bedeckt. In die Haube 9 ist an mindestens einem Ort 21 mindestens eine PTC-Heizung 1 integriert. Die von der PTC-Heizung 1 produzierte Wärme muss lediglich durch das Material der Haube 9 transportiert werden, um in den zweiten Innenraum 8 des Tanks zu gelangen.
• 5 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine 11 und eine Abgasbehandlungsvorrichtung 12 zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine 11. In der Abgasbehandlungsvorrichtung 12 ist ein SCR-Katalysator 13 angeordnet, welcher von einer Zugabevorrichtung 15 mit flüssigem Additiv zur Abgasreinigung versorgt wird. Die Zugabevorrichtung 15 erhält das flüssige Additiv (Harnstoff-Wasser-Lösung) mittels des Fördermoduls 2 aus einem Tank 3, wobei das flüssige Additiv aus dem Tank 3 hinausfördert und über eine Leitung 14 an die Zugabevorrichtung 15 bereitstellt wird.
• Vorsorglich sei noch darauf hingewiesen, dass die in den Figuren gezeigten Kombinationen von technischen Merkmalen nicht generell zwingend sind. So können technische Merkmale einer Figur mit anderen technischen Merkmalen einer weiteren Figur und/oder der allgemeinen Beschreibung kombiniert werden. Etwas anderes soll nur gelten, wenn hier explizit die Kombination von Merkmalen ausgewiesen wurde und/oder der Fachmann erkennt, dass sonst die Grundfunktionen der Vorrichtung bzw. des Verfahrens nicht mehr erfüllt werden können.
• Bezugszeichenliste

1

PTC-Heizung

2

Fördermodul

3

Tank

4

Schalttemperatur

5

Gehäuse

6

Boden

7

erster Innenraum

8

zweiter Innenraum

9

Haube

10

Kraftfahrzeug

11

Verbrennungskraftmaschine

12

Abgasbehandlungsvorrichtung

13

SCR-Katalysator

14

Leitung

15

Zugabevorrichtung

16

Widerstandsachse

17

Temperaturachse

18

PTC-Kurve

19

Pumpe

20

Wärmeverteilstruktur

21

Ort

22

untere Grenztemperatur

23

Arbeitstemperaturbereich

24

Widerstandsveränderung

25

Ansaugstelle

26

Bereitstellungsanschluss

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Fördermoduls (2) mit einer elektrischen PTC-Heizung (1), zum Einbau in einen Tank (3) zur Speicherung eines flüssigen Additivs, aufweisend zumindest die folgenden Schritte: a) Festlegen einer maximalen elektrischen Leistung, die dem Fördermodul (2) zur Verfügung gestellt wird, b) Feststellen einer Wärmeleitfähigkeit des Fördermoduls (2) von einem Ort (21) der elektrischen PTC-Heizung (1) in den Tank (3), c) Berechnen einer Schalttemperatur (4) der PTC-Heizung (1) aus der maximalen elektrischen Leistung und der Wärmeleitfähigkeit, und d) Montage eines PTC-Materials mit einer entsprechenden Schalttemperatur (4) für die PTC-Heizung (1) an dem Ort (21).
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die maximale elektrische Leistung für Schritt a) auf einen Wert zwischen 100 Watt und 200 Watt festgelegt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Wärmeleitfähigkeit in Schritt b) mit einer Finite-Elemente-Simulation des Fördermoduls (2) festgestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Wärmeleitfähigkeit in Schritt b) mit einem Versuch bestimmt wird, bei dem in dem Tank (3) eine erste Temperatur und an dem Ort (21) der PTC-Heizung (1) eine zweite Temperatur in dem Tank (3) festgelegt wird, und eine Wärmemenge ermittelt wird, die von der PTC-Heizung (1) in den Tank (3) fließt, wobei die Wärmeleitfähigkeit aus der Differenz der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur sowie der Wärmemenge berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in Schritt c) eine maximale Temperatur angenommen wird, die in dem Tank (3) auftreten darf, ohne dass das flüssige Additiv sich chemisch verändert.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in Schritt c) eine maximale Temperatur berücksichtigt wird, die in dem Tank (3) auftreten kann, ohne dass das flüssige Additiv sich chemisch verändert.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in Schritt d) zumindest ein PTC-Material auf Basis von Bariumtitanat montiert wird.
8. Fördermodul (2) zum Einbau in einen Tank (3), hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Fördermodul (2) ein Gehäuse (5) aufweist, welches in den Boden (6) eines Tanks (3) eingesetzt werden kann, wobei das Gehäuse (5) einen ersten Innenraum (7) des Fördermoduls (2) von einem zweiten Innenraum (8) des Tanks (3) abtrennt und die elektrische PTC-Heizung (1) in dem ersten Innenraum (7) des Fördermoduls (2) angeordnet ist und die Schalttemperatur (4) der elektrischen PTC-Heizung zwischen 80 °C und 150 °C liegt.
9. Fördermodul (2) nach Patentanspruch 8, wobei das Fördermodul (2) eine Wärmeverteilstruktur (20) aufweist, die in dem ersten Innenraum (7) des Gehäuses (5) angeordnet ist, und die dazu eingerichtet ist, Wärme von der PTC-Heizung (1) auf das Gehäuse (5) zu übertragen.
10. Fördermodul (2) zum Einbau in einen Tank (3), welches gemäß einem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 hergestellt wurde, wobei das Fördermodul (2) ein Gehäuse (5) aufweist, welches in den Boden (6) eines Tanks (3) eingesetzt werden kann, wobei die elektrische PTC-Heizung (1) in einer Haube (9) angeordnet ist, die das Gehäuse (5) umgibt und die Schalttemperatur (4) der elektrischen PTC-Heizung zwischen 50 °C und 90 °C liegt.
11. Kraftfahrzeug (10) aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (11), sowie eine Abgasbehandlungsvorrichtung (12) zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine (11), einen Tank (3) zur Speicherung eines flüssigen Additivs und ein Fördermodul (2) nach einem der Patentansprüche 8 bis 10, welches dazu eingerichtet ist, der Abgasbehandlungsvorrichtung (12) das flüssige Additiv aus dem Tank (3) zuzuführen.

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