DE102013109805A1

DE102013109805A1 - Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs

Info

Publication number: DE102013109805A1
Application number: DE102013109805.3A
Authority: DE
Inventors: Georges Maguin
Original assignee: Emitec France SAS
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-03-12
Also published as: US10634028B2; EP3044434A1; CN105556080A; US20160215668A1; CN105556080B; WO2015032935A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs (2) für die Abgasreinigung, aufweisend zumindest einen Kanal (3) zur Leitung des flüssigen Additivs mit einer Kanalwand (4), wobei in den Kanal (3) ein Einlegebauteil (5) eingesetzt ist, welches sich zumindest abschnittsweise entlang des Kanals (3) erstreckt, wobei das Einlegebauteil (5) aus einem Vollmaterial besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs für die Abgasreinigung. Eine derartige Vorrichtung kann insbesondere dazu verwendet werden, um einer Abgasbehandlungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs ein flüssiges Additiv (insbesondere Harnstoff-Wasser-Lösung) zuzuführen.
Flüssige Additive werden beispielsweise in Abgasbehandlungsvorrichtungen benötigt, in denen Stickstoffverbindungen im Abgas unter Zuhilfenahme eines Reduktionsmittels reduziert werden. In derartigen Abgasbehandlungsvorrichtungen wird das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren, SCR = Selective Catalytic Reduction) durchgeführt. Bei dem SCR-Verfahren wird als Reduktionsmittel Ammoniak verwendet. Ammoniak wird in Kraftfahrzeugen oft nicht direkt bevorratet, sondern in Form eines flüssigen Additivs, welches abgasintern (in der Abgasbehandlungsvorrichtung) und/oder abgasextern (in einem dafür vorgesehenen Reaktor) zu Ammoniak umgesetzt werden kann. Ein besonders häufig für das SCR-Verfahren verwendetes flüssiges Additiv ist Harnstoff-Wasser-Lösung, die mit einem Harnstoffgehalt von 32,5% unter dem Handelsnamen AdBlue^® erhältlich ist.
Bei der Auslegung solcher Vorrichtungen ist zu beachten, dass das flüssige bzw. wässrige Additiv bei niedrigen Temperaturen einfrieren kann. Eine Harnstoff-Wasser-Lösung friert bei einer Temperatur von ca. –11 °C ein. Derart niedrige Temperaturen können bei Kraftfahrzeugen insbesondere während längerer Stillstandzeiten im Winter auftreten. Beim Einfrieren dehnt sich das flüssige Additiv aus, wobei so die Vorrichtung zur Bereitstellung des flüssigen Additivs beschädigt oder sogar zerstört werden kann. Die Volumenausdehnung beim Einfrieren kann Kanäle einer derartigen Vorrichtung verformen oder sogar sprengen. Es ist aus diesem Grund bekannt, an einer derartigen Vorrichtung Schutzmaßnahmen vorzusehen, die eine Beschädigung und/oder Zerstörung der Vorrichtung möglichst weitgehend verhindern. Bekannt sind beispielsweise flexible oder verformbare Elemente, die in den Kanälen einer Vorrichtung angeordnet sind, und die eine Volumenausdehnung beim Einfrieren aufnehmen können. Problematisch ist allerdings, dass derartige Schutzmaßnahmen oft eine geringe Haltbarkeit aufweisen und durch mehrmaliges bzw. wiederholtes Einfrieren des flüssigen Additivs doch beschädigt werden können.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die geschilderten technischen Probleme zu lösen oder zumindest zu lindern. Es soll insbesondere eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs mit einer technisch einfachen, kostengünstigen, effektiven, nachrüstbaren und/oder dauerhaften Einfrierschutzmaßnahme angegeben werden.
Diese Aufgaben werden mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung 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 der Beschreibung der Figuren, ergänzt werden.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines flüssigen Additivs für die Abgasreinigung, aufweisend zumindest einen Kanal zur Leitung des flüssigen Additivs mit einer Kanalwand, wobei in den Kanal ein Einlegebauteil eingesetzt ist, welches sich entlang des Kanals erstreckt, wobei das Einlegebauteil aus einem Vollmaterial besteht.
Der Kanal ist vorzugsweise Bestandteil eines Kanalsystems der Vorrichtung. Die Vorrichtung zur Bereitstellung von flüssigem Additiv hat vorzugsweise eine an/in dem Kanalsystem angeordnete Pumpe, mit der das flüssige Additiv entlang bzw. durch das Kanalsystem gefördert werden kann. Das Kanalsystem mündet an einer Ansaugstelle an einem Tank zur Speicherung des flüssigen Additivs und führt vorzugsweise zu einem Anschluss, an dem das flüssige Additiv (außerhalb des Tanks) bereitgestellt werden kann. Der Kanal kann ein beliebiger Abschnitt dieses Kanalsystems sein. Der Kanal kann beispielsweise mit einem Schlauch, einer Bohrung und/oder einem sonstigen Hohlraum gebildet sein. Der Kanal kann insbesondere auch in einer Grundplatte der Vorrichtung ausgebildet sein, die zur Montage von Komponenten der Vorrichtung dient. Der Kanal kann auch abschnittsweise auf verschiedene Art und Weise gebildet sein. Beispielsweise kann der Kanal teilweise von einem Schlauch und teilweise von einer Grundplatte gebildet sein. Bauteile, durch welche der Kanal verläuft, können auch als Kanalbauteile bezeichnet werden. Das Kanalsystem bzw. der Kanal kann auch Abzweigungen aufweisen. Beispielsweise ist es möglich, dass das Kanalsystem eine Rücklaufleitung umfasst, die von einem Hauptstrang des Kanals abzweigt und zurück in den Tank führt, und durch die eine Kreisförderung von flüssigem Additiv aus dem Tank, in den Kanal und wieder zurück in den Tank möglich ist. Das Material eines Kanalbauteils, welches den Kanal unmittelbar begrenzt, wird auch als Kanalwand bezeichnet. Die Kanalwand kann beispielsweise mit dem Material eines (Kunststoff-)Schlauchs oder dem Material einer (metallischen) Grundplatte gebildet sein.
Das Einlegebauteil ist ein (separates und ggf. in dem Kanal bewegliches) Bauteil, welches in den Kanal eingelegt ist. Das Einlegebauteil ist vorzugsweise stabförmig und erstreckt sich entlang (eines Teilsektors) des Verlaufs des Kanals. Durch das Einlegebauteil sinkt die relative Volumenzunahme beim Einfrieren des flüssigen Additivs, so dass eine technisch einfache, kostengünstige, effektive, nachrüstbare und dauerhafte Einfrierschutzmaßnahme angegeben ist.
Das Einlegebauteil besteht aus einem Vollmaterial. Das Einlegebauteil weist insbesondere keine integrierten Hohlräume auf, in denen sich ein komprimierbares Medium befindet. Der Begriff "Vollmaterial" umfasst beispielsweise auch massive Materialien oder vollständig feste Materialien. Der Begriff "Vollmaterial" umfasst insbesondere folgende Materialien nicht:

– Schaummaterialien,
– poröse Materialien, und
– Materialien mit mindestens einer Kammer, die mit einem komprimierbaren Medium, insbesondere mit Luft befüllbar sind.

Aufgrund der Tatsache, dass das Einlegebauteil aus einem Vollmaterial besteht, verhält es sich auch bei sehr hohen Drücken in dem Kanal im Wesentlichen inkompressibel. Mit einem sehr hohen Druck sind hier Drücke oberhalb des maximalen Betriebsdrucks einer Vorrichtung gemeint. Der maximale Betriebsdruck liegt beispielsweise zwischen 5 bar und 10 bar. Sehr hohe Drücke sind insbesondere Drücke im Bereich des maximal möglichen Eisdrucks, der innerhalb der Vorrichtung auftreten kann, wenn das flüssige Additiv einfriert. Der maximal mögliche Eisdruck liegt beispielsweise zwischen 20 bar und 50 bar. Bei sehr hohen Drücken, kann zwar eine Komprimierung des Vollmaterials auftreten. Diese Komprimierung ist jedoch vernachlässigbar gering. Eine vernachlässigbare Komprimierung entspricht hier einer Volumenreduktion des Einlegebauteils von weniger als 2 Prozent, insbesondere weniger als 1 Prozent. Vorzugsweise tritt bei einer Erhöhung des Drucks in dem Kanal von 1 bar auf mehr als 20 bar lediglich eine Volumenreduktion des Einlegebauteils um weniger als 2 Prozent, vorzugsweise weniger als 1 Prozent auf. Die Komprimierung eines Vollmaterials bei sehr hohen Drücken ist insbesondere im Vergleich zu der Komprimierung eines Bauteils aus dem selben Werkstoff vernachlässigbar, welches porös ist oder welches (wie weiter oben beschrieben) mindestens eine befüllbare Kammer aufweist, die mit einem komprimierbaren Medium gefüllt ist. Bei einem porösen Material oder einem Material mit befüllbaren Kammern tritt eine Verformung insbesondere auf, weil die mindestens eine Kammer bzw. die Poren komprimiert werden. Demgegenüber ist es bei einem Vollmaterial notwendig, dass das Material in sich selbst komprimiert wird. Für eine Komprimierung des Materials in sich selbst sind regelmäßig erheblich höhere Drücke notwendig. Selbst Materialien, die als Schaum eine sehr hohe Komprimierbarkeit aufweisen, verhalten sich als Vollmaterial im Wesentlichen inkompressibel, wenn sie für ein Einlegebauteil in dem Kanal einer beschriebenen Vorrichtung verwendet werden.
Weiterhin ist die Vorrichtung vorteilhaft, wenn eine erste Querschnittsfläche des Kanals und eine zweite Querschnittsfläche des Einlegebauteils rund sind.
Das Einlegebauteil ist vorzugsweise ein (im Wesentlichen) runder Stab, der sich entlang (eines Teilsektors) des Kanals erstreckt. Durch den Einsatz eines Einlegebauteils mit einer runden Querschnittsfläche und eines Kanals mit einer runden Querschnittsfläche existiert zwischen dem Einlegebauteil und dem Kanal ein im Wesentlichen ringförmiger Spalt, welcher um das Einlegebauteil herum verläuft, oder ggf. auch ein etwa halbmondförmiger Spalt, welcher zumindest abschnittsweise um das Einlegebauteil herum verläuft. Es hat sich herausgestellt, dass ein derartig geformter Spalt besonders günstig ist, um durch die Volumenausdehnung des flüssigen Additivs beim Einfrieren eine gegenüber bekannten Maßnahmen geringere Spannung in der Kanalwand hervorzurufen. Insbesondere wird die Volumenausdehnung des flüssigen Additivs gleichmäßig auf die gesamte Kanalwand verteilt, so dass Spannungsspitzen, die durch eine lokal stark erhöhte Volumenausdehnung hervorgerufen werden könnten, durch das Einlegebauteil sicher reduziert werden.
Weiterhin ist die Vorrichtung vorteilhaft, wenn zwischen der Kanalwand und dem Einlegebauteil ein durchströmbarer Spalt existiert, der das Einlegebauteil zu zumindest 270° [Winkelgrad] umgibt.
Besonders bevorzugt umgibt der Spalt das Einlegebauteil sogar für mindestens 330° (betrachtet im Querschnitt und in Umfangsrichtung des Einlegebauteils) und ganz besonders bevorzugt sogar vollständig (360°). Dann können die Volumenausdehnung des flüssigen Additivs beim Einfrieren besonders gleichmäßig über den gesamten Umfang des Einlegebauteils verteilt und die beim Einfrieren in der Kanalwand auftretenden Spannungen besonders wirkungsvoll reduziert werden.
Weiterhin ist die Vorrichtung vorteilhaft, wenn eine zweite Querschnittsfläche des Einlegebauteils mindestens 30 % einer ersten Querschnittsfläche des Kanals ausfüllt. Besonders bevorzugt füllt die zweite Querschnittsfläche des Einlegebauteils sogar 50 % und ganz besonders bevorzugt 60 % einer ersten Querschnittsfläche des Kanals aus.
Durch ein derartiges Verhältnis der zweiten Querschnittsfläche zu der ersten Querschnittsfläche kann sichergestellt werden, dass die verbleibende Restquerschnittsfläche des durchströmbaren Spalts so klein ist, dass die dort befindliche Menge an flüssigem Additiv keine Volumenausdehnung bewirken kann, die für die Kanalwand kritisch ist.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn das Einlegebauteil aus zumindest einem der folgenden Materialien besteht:

– einem Metall,
– einer Keramik, und
– einem Kunststoff, der gegenüber flüssigem Additiv beständig ist.

Diese genannten Materialien sind einfach und kostengünstig verfügbar, um ein Einlegebauteil aus einem Vollmaterial bereitzustellen. Vorzugsweise werden besonders leichte Materialien verwendet. Aufgrund der Tatsache, dass das Material als Vollmaterial eingesetzt wird, würden schwere Materialien das Gewicht der Vorrichtung zu sehr erhöhen. Das Metall kann beispielsweise Aluminium sein, welches aufgrund einer passivierenden Schicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) korrosionsbeständig (insbesondere gegen Harnstoff-Wasser-Lösung) ist. Aluminium ist ein besonders leichtes Metall. Als Keramik bieten sich beispielsweise Zirkonoxid (ZrO₂) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) an, weil beide Werkstoffe relativ leicht und gegenüber den bekannten flüssigen Additiven beständig sind. Als Kunststoffmaterial kann beispielsweise Polyoxylmethylen (POM), Polyamid (PA), insbesondere PA 6.6 (Nylon), Polyphthalamid (PPA) oder Polyphenylensulfid (PPS) verwendet werden.
Weiterhin ist die Vorrichtung vorteilhaft, wenn die Kanalwand mit einem Spritzgussverfahren gefertigt ist. Mit einem Spritzgussverfahren können Kanäle einer Vorrichtung zur Bereitstellung von flüssigem Additiv besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden und die weiter oben genannten Kunststoffe sind zur Verarbeitung mit einem Spritzgussverfahren geeignet.
Weiter wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine, eine Abgasbehandlungsvorrichtung zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine und eine beschriebene Vorrichtung, mit der ein flüssiges Additiv an die Abgasbehandlungsvorrichtung bereitgestellt werden kann. In der Abgasbehandlungsvorrichtung ist vorzugsweise ein SCR-Katalysator vorgesehen, mit welchem Stickstoffoxidverbindungen im Abgas der Verbrennungskraftmaschine gemäß dem SCR-verfahren reduziert werden können. Dazu kann der Abgasbehandlungsvorrichtung über eine beschriebene Vorrichtung ein flüssiges Additiv zugeführt werden, das von der Vorrichtung aus einem Tank entnommen wird.
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 vor allem die in den Figuren dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsvariante einer beschriebenen Vorrichtung,
2 einen Querschnitt durch einen Kanal der beschriebenen Vorrichtung aus 1,
3 eine zweite Ausführungsvariante einer beschriebenen Vorrichtung,
4 einen Querschnitt durch einen Kanal der beschriebenen Vorrichtung aus 3,
5 ein Kraftfahrzeug aufweisend eine beschriebene Vorrichtung.
1 zeigt eine Vorrichtung 1, die in einen Boden 22 eines Tanks 13 eingesetzt ist. Die Vorrichtung 1 entnimmt flüssiges Additiv 2 aus dem Tank 13 an einer Ansaugstelle 20 und stellt es an einem Bereitstellungsanschluss 21 bereit. Der Bereitstellungsanschluss 21 und die Ansaugstelle 20 sind mit einem Kanal 3 miteinander verbunden. An dem Kanal 3 befindet sich eine Pumpe 14 zur Förderung des flüssigen Additivs 2. Der Kanal 3 wird abschnittsweise von einer Kanalwand 4 begrenzt. Diese Kanalwand 4 ist von einem Kanalbauteil 19 gebildet. Dieses Kanalbauteil 19 kann beispielsweise ein Schlauch, eine Grundplatte oder eine andere beliebige Komponente sein, die einen Abschnitt der Kanalwand 4 des Kanals 3 ausbildet. In den Kanal 3 ist ein längliches Einlegebauteil 5 eingelegt, welches sich entlang des Kanals 3 abschnittsweise erstreckt.
Der Kanal 3 mit der Kanalwand 4 und dem Einlegebauteil 5 ist in 2 im Querschnitt dargestellt. Zu erkennen ist die erste Querschnittsfläche 6 des Kanals 3 und die zweite Querschnittsfläche 7 des Einlegebauteils 5. Zwischen dem Einlegebauteil 5 und der Kanalwand 4 ergibt sich ein hier halbmondförmiger Spalt 8, durch den das flüssige Additiv strömen kann. Das Einlegebauteil 5 und der Kanal 3 haben jeweils runde Querschnitte mit einem ersten Durchmesser 17 bzw. einem zweiten Durchmesser 18.
Die 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsvariante einer Vorrichtung 1, die im Wesentlichen der Vorrichtung 1 aus den 1 und 2 entspricht. In 4 ist zu erkennen, dass das Einlegebauteil 5 hier konzentrisch in dem Kanal 3 angeordnet ist. Um das Einlegebauteil 5 dort zu halten, weist der Kanal 3 bzw. die Kanalwand 4 eine Aufnahme 23 auf, in der zumindest ein Ende des Einlegebauteils 5 gehalten ist. Es können auch für beide Enden des Einlegebauteils 5 derartige Aufnahmen 23 vorgesehen sein. In 4 ist außerdem zu erkennen, dass der Spalt 8 zwischen der Kanalwand 4 und dem Einlegebauteil 5 hier nicht halbmondförmig ist. Der Spalt 8 ist vielmehr ringförmig und umgibt das Einlegebauteil 5 zu 360°.
5 zeigt ein Kraftfahrzeug 9, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine 10 und eine Abgasbehandlungsvorrichtung 11 zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine 10. In der Abgasbehandlungsvorrichtung 11 ist ein SCR-Katalysator 12 vorgesehen, mit welchem das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 mit dem SCR-Verfahren gereinigt werden kann. Dazu kann der Abgasbehandlungsvorrichtung 11 mit einer Zugabevorrichtung 16 ein flüssiges Additiv zugeführt werden. Die Zugabevorrichtung 16 wird über eine Vorrichtung 1 mit flüssigem Additiv aus einem Tank 15 versorgt.
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.
Die Vorrichtung 1 zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs ist demnach mit einer technisch einfachen, kostengünstigen, effektiven, nachrüstbaren und dauerhaften Einfrierschutzmaßnahme ausgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: flüssiges Additiv
3: Kanal
4: Kanalwand
5: Einlegebauteil
6: erste Querschnittsfläche
7: zweite Querschnittsfläche
8: Spalt
9: Kraftfahrzeug
10: Verbrennungskraftmaschine
11: Abgasbehandlungsvorrichtung
12: SCR-Katalysator
13: Tank
14: Pumpe
15: Tank
16: Zugabevorrichtung
17: erster Durchmesser
18: zweiter Durchmesser
19: Kanalbauteil
20: Ansaugstelle
21: Bereitstellungsanschluss
22: Boden
23: Aufnahme

Claims

Vorrichtung (1) zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs (2) für die Abgasreinigung, aufweisend zumindest einen Kanal (3) zur Leitung des flüssigen Additivs mit einer Kanalwand (4), wobei in den Kanal (3) ein Einlegebauteil (5) eingesetzt ist, welches sich zumindest abschnittsweise entlang des Kanals (3) erstreckt, wobei das Einlegebauteil (5) aus einem Vollmaterial besteht.
Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, wobei eine erste Querschnittsfläche (6) des Kanals (3) und ein zweite Querschnittsfläche (7) des Einlegebauteils (5) rund sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zwischen der Kanalwand (4) und dem Einlegebauteil (5) ein durchströmbarer Spalt (8) existiert, der das Einlegebauteil (5) zu zumindest 270° umgibt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine zweite Querschnittsfläche (7) des Einlegebauteils (5) mindestens 30 % einer ersten Querschnittsfläche (6) des Kanals (3) ausfüllt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Einlegebauteil (5) aus zumindest einem der folgenden Materialien besteht: – ein Metall, – eine Keramik, und – einem Kunststoff, der gegenüber flüssigem Additiv beständig ist.
Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 5, wobei die Kanalwand (4) mit einem Spritzgussverfahren gefertigt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Einlegebauteil (5) im Temperaturbereich zwischen –30 °C und +50 °C eine Wärmeausdehnung von mehr als 100 µm/mK [Mikrometer pro Meter und Kelvin] hat.
Kraftfahrzeug (9), aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (10), eine Abgasbehandlungsvorrichtung (11) zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine (10) und eine Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit welcher ein flüssiges Additiv an die Abgasbehandlungsvorrichtung (11) bereitgestellt werden kann.