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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung eines Reduktionsmittels für eine Einleitung in das Abgas einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1.
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Beispielsweise gemäß dem Dokument
WO 00/32 914 A1 ist eine Vorrichtung Stand der Technik, mit der stromaufwärts eines Reduktionskatalysators ein Reduktionsmittel in das Abgas einer Brennkraftmaschine eingeleitet werden kann. Als Reduktionsmittel werden insbesondere Kraftstoff oder eine Harnstoff-Wasser-Lösung verwendet. Zum Zweck einer verbesserten Aufbereitung des Reduktionsmittels ist der Düse eine Heizeinrichtung zugeordnet. Insbesondere wird dazu das Reduktionsmittel an Heizelementen vorbeigeführt. Weiterhin ist es gemäß dem Dokument
US 2010/0 078 507 A1 Stand der Technik, schwerflüchtigen Kraftstoff, d. h. ein mögliches Reduktionsmittel, durch einen Hohlzylinder zu leiten, dessen Außenmantelfläche von einem Heizelement umschlossen ist, wobei der Hohlzylinder Teil eines Kraftstoffinjektors ist. Der Hohlzylinder weist an seiner Innenmantelfläche in Richtung seiner Längserstreckung verlaufende Vertiefungen, d. h. sich entlang der Längsachse des Hohlzylinders erstreckende Rippen, auf, so dass der Kraftstoff mit einer möglichst großen Oberfläche des Hohlzylinders in Kontakt ist und von dem Heizelement möglichst viel Wärme auf den Kraftstoff übertragen wird. Optimal ist die Übertragung von Wärme von dem Heizelement auf den Kraftstoff dennoch nicht, insbesondere unmittelbar nach dem Aktivieren des Heizelements vergeht eine gewisse Zeit, bis der Hohlzylinder durchwärmt ist. Aufbereitetes Reduktionsmittel wird jedoch, insbesondere bei einem dynamischen Betrieb einer Brennkraftmaschine, möglichst sofort benötigt, um das Abgas der Brennkraftmaschine zu behandeln. D. h. gemäß dem Stand der Technik muss das Heizelement kontinuierlich aktiv sein oder zumindest alternierend aktiviert werden, um stets aufbereitetes Reduktionsmittel vorzuhalten, wofür unnötig viel Energie benötigt wird. Um dem entgegenzuwirken, ist es denkbar, wie zum Beispiel gemäß dem Dokument
DE 198 43 317 A1 gezeigt, ein Heizelement unmittelbar vom Kraftstoff bzw. Reduktionsmittel zu umspülen, wobei das Heizelement von einem drahtförmigen Widerstandsleiter gebildet ist, der in Wendeln oder Mäandern an der inneren Wandung eines Hohlkörpers bzw. eines Ventilgehäuses an Ösen aufgehängt ist. Ohne Zweifel fördert die Aufhängung des Widerstandsleiters an den Ösen die Verwirbelung der aufzuheizenden Flüssigkeit und somit die Gleichmäßigkeit der Aufheizung. Jedoch bedeutet eine Verwirbelung, dass Strömungsverluste auftreten. Kurz – diese Lösung hat den Nachteil, dass wieder vergleichsweise viel Energie benötigt wird, nämlich um Strömungsverluste zu kompensieren, d. h. wenn mittels einer Pumpe eine bestimmte Menge an Reduktionsmittel im Bedarfsfall bereitgestellt wird, dann wird diese vergleichsweise viel Energie aufnehmen.
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Weiterhin ist gemäß dem Dokument
DE 27 22 168 A1 ein Vergaser für Brennkraftmaschinen Stand der Technik mit einer stromauf eines willkürlich einstellbaren Drosselorgans zur Mengenregulierung im Ansaugkanal angeordneten und stromab in eine Mischzone gerichteten, als ringförmiger Schlitz ausgebildeten Öffnung zur Einbringung des Brennstoffs in den Ansaugluftstrom, sowie mit einer dem ringförmigen Schlitz vorgeschalteten Aufheizeinrichtung für den flüssigen Brennstoff, bestehend aus einer zentrisch im Ansaugkanal angeordneten Heizkammer, die einen Zulauf sowie einen Rücklauf für ein Heizfluid aufweist, und einer die Heizkammer umgebenden Kraftstoffleiteinrichtung, um die herum der Ansaugkanal als Ringkanal ausgebildet ist, wobei die Kraftstoffleiteinrichtung aus einer Vielzahl von über den gesamten Umfang der Heizkammer verteilten dünnen Kraftstoffkanälen besteht, die sich über nahezu die gesamte Außenwandung der Heizkammer erstrecken und in den ringförmigen Schütz für den Austritt des verdampften Brennstoffes münden, wobei der ringförmige Schlitz im Bereich des stromabwärts gerichteten Endes der Heizkammer angeordnet ist.
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Ferner ist gemäß dem Dokument
DE 27 52 457 A1 ein Wärmetauscher zum Aufheizen von Kraftstoffen Stand der Technik, bei dem der Kraftstoff über einen elektrischen Heizwiderstand geleitet wird und die am Widerstand anliegende Spannung in Abhängigkeit von der Kraftstoffaustrittstemperatur gesteuert ist, wobei der Heizwiderstand durch ein zu einer Spule gewickeltes Drahtgitternetz gebildet ist, dessen Windungen gegeneinander flüssigkeitsdurchlässig elektrisch isoliert sind, dessen Enden die elektrischen Anschlüsse zugeordnet sind und das radial durchströmbar ist.
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Darüber hinaus ist gemäß dem Dokument
DE 36 30 084 A1 ein Kraftstoff-Vorwärmer Stand der Technik, insbesondere zur Verwendung bei Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen, in welchem der Kraftstoff als erstes fluides Medium durch Aufnahme von Wärme aus einem zweiten fluiden Medium höherer Temperatur erwärmt wird, und wobei die beiden Medien in voneinander getrennten Kanälen durch den Vorwärmer geführt werden, wobei der Vorwärmer einen Mittelteil aufweist, welcher im Wesentlichen aus einem im Querschnitt mäandrierend verlaufenden Wandungszug besteht, der zwei Gruppen von parallelen, abwechselnd zu der einen und zu der anderen Längsseite hin offenen, zwischen den einzelnen Wandungen des Wandungszuges verlaufenden Kanälen bildet, wobei die Kanäle einer Gruppe alle zur gleichen Längsseite hin offen sind, wobei der Mittelteil zwischen zwei die offenen Längsseiten der Kanäle abdeckenden Deckeln angeordnet ist, wobei im Mittelteil und/oder in wenigstens einem der Deckel für jedes der beiden Medien je ein die Kanäle einer Gruppe jeweils endseitig miteinander verbindender Verteilerkanal mit je einem Zulauf von außen und Sammelkanal mit je einem Ablauf nach außen angeordnet sind, wobei zumindest auf einem Teil der Wandungen des Mittelteils senkrecht zur Strömungsrichtung des jeweiligen Mediums verlaufende, in das Innere der Kanäle vorragende Rippen angeordnet sind.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die für eine Aufbereitung eines Reduktionsmittels für eine Einleitung in das Abgas einer Brennkraftmaschine benötigte Energie zu minimieren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Diese Vorrichtung weist die im Folgenden im Detail beschriebenen Merkmale auf.
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Wie in 1 gezeigt, weist eine Brennkraftmaschine 1 eine Abgasanlage 2 auf. In der Abgasanlage 2 ist ein Katalysator 3 angeordnet, insbesondere für eine Reduktion von Stickoxiden im Abgas der Brennkraftmaschine 1 in Gegenwart eines Reduktionsmittels (z. B. Kraftstoff oder Harnstoff-Wasser-Lösung). Zur Bevorratung des Reduktionsmittels ist ein Tank 4 vorgesehen. Zwischen dem Tank 4 und der Abgasanlage 2 ist eine Leitung 5 angeordnet. An dem der Abgasanlage 2 zugewandten Ende der Leitung 5 ist eine Vorrichtung 6 für eine Einleitung des Reduktionsmittels in das Abgas der Brennkraftmaschine 1 angeordnet. In der Leitung 5 ist, wenn auch nicht gezeigt, natürlich eine Pumpe angeordnet, so dass das Reduktionsmittel zu der Abgasablage 2 bzw. zu dem Abgas über die Vorrichtung 6 transportiert wird, wie hinreichend bekannt ist. Die Vorrichtung 6 weist insbesondere ein Gehäuse 7 auf. Die Vorrichtung 6 weist weiterhin ein, z. B. elektromagnetisch betätigtes, Ventil 8 auf, mit dem kontinuierlich oder intermittierend Reduktionsmittel in das Abgas geleitet werden kann. Wie in 2 gezeigt, ist das Ventil 8 in das Gehäuse 7 integriert. D. h. das Gehäuse 7 und das Ventil 8 wirken für eine Einleitung von Reduktionsmittel in das Abgas (das hier mittels Pfeilen gezeigt ist) zusammen. Das Ventil 8 umfasst ein bewegliches Ventilelement 9 (also insbesondere eine Ventilnadel). Das der Abgasanlage 2 zugewandte Ende des Ventilelements 9 verschließt bzw. gibt eine im Gehäuse 7 angeordnete Öffnung 10 frei, alles wie bekannt. Jedenfalls ist das Ventilelement 9 von einem Hohlzylinder 11 umschlossen (hier im Schnitt, also schraffiert, gezeigt). Der Hohlzylinder 11 kann das Gehäuse 7 selbst sein oder in das Gehäuse 7 integriert sein.
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Wie in 3 gezeigt, weist der Hohlzylinder 11 an der Innenmantelfläche eine Vielzahl in Richtung der Längserstreckung des Hohlzylinders 11 verlaufende Vertiefungen, d. h. sich entlang der Längsachse L des Hohlzylinders 11 an der Innenmantelfläche des Hohlzylinders 11 erstreckende Rippen 12 auf. Anders formuliert, ist der Abstand D zwischen Innenmantelfläche des Hohlzylinders 11 und Längsachse L des Hohlzylinders 11 veränderlich bzw. unterschiedlich groß, also die Entfernung/die Distanz zwischen Innenmantelfläche des Hohlzylinders 11 und der Längsachse L des Hohlzylinders 11 ist über den Innenumfang des Hohlzylinders 11 betrachtet unterschiedlich groß, also mal ist die Innenmantelfläche des Hohlzylinders der Längsachse näher und mal nicht. D. h. wie in 4 gezeigt, gibt es einen ersten Punkt auf der Innenmantelfläche, der einen ersten Abstand D1 zu einem zweiten Punkt auf der Längsachse L aufweist (wobei die beiden Punkte natürlich in einer Ebene liegen) und einen dritten Punkt auf der Innenmantelfläche des Hohlzylinders 11, der einen zweiten Abstand D2 zu dem zweiten Punkt auf der Längsachse L aufweist (auch der dritte Punkt liegt natürlich in einer Ebene mit dem zweiten Punkt auf der Längsachse L), wobei der erste Abstand D1 kleiner ist, als der zweite Abstand D2, da der Hohlzylinder 11 an der Innenmantelfläche in Richtung der Längserstreckung des Hohlzylinders 11 verlaufende Rippen 12 aufweist. Noch anders formuliert, die Innenumfangslinie des Hohlzylinders 11, zwischen welcher und der Außenumfangslinie des Hohlzylinders 11 die Grundflächen des Hohlzylinders 11 gebildet werden, weist einen veränderlichen/unterschiedlichen Abstand D zur Längsachse L des Hohlzylinders 11 auf, da der Hohlzylinder 11 an der Innenmantelfläche in Richtung der Längserstreckung des Hohlzylinders 11 verlaufende Rippen 12, d. h. Vertiefungen aufweist.
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Wie in 4 weiterhin gezeigt, können diese Rippen 12 abgerundet sein, so dass sich bei einer Draufsicht auf den Hohlzylinder 11 eine Wellenform an dessen Innenumfang zeigt bzw. der Querschnitt des Hohlzylinders 11 ist hinsichtlich des Innenumfangs wellenförmig gestaltet bzw. die Innenumfangslinie ist wellenförmig. Erfindungsgemäß können die Rippen 12 auch jede andere Form, also z. B. einen trapezförmigen oder dreieckigen Querschnitt, aufweisen.
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Wesentlich ist lediglich, dass sich an der Innenmantelfläche des Hohlzylinders 11 in Richtung der Längserstreckung des Hohlzylinders 11 verlaufende Rippen 12 bilden bzw. der Abstand D zwischen Innenmantelfläche des Hohlzylinders 11 und Längsachse L des Hohlzylinders 11 veränderlich, d. h. unterschiedlich groß, ist.
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Jedenfalls ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Rippen 12 in Richtung ihrer Längserstreckung bzw. in Richtung der Längserstreckung des Hohlzylinders 11 Öffnungen 13 (Durchbrüche, Durchgangsbohrungen) aufweisen, wobei in diesen Öffnungen 13 ein Heizelement 14 entlanggeführt ist. Das Heizelement 14 ist fadenförmig, also langgestreckt bzw. entspricht einem Draht, also einem Element, dessen Längserstreckung größer ist als der Querschnitt bzw. Durchmesser, sofern das Element einen runden Querschnitt aufweist, also umgangssprachlich ausgedrückt, ist das Heizelement 14 länger als dick. Das Heizelement 14 ist bevorzugt ein elektrisches Widerstandsheizelement bzw. ein Heizwiderstand (Heizleiter).
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Dadurch, dass in den Öffnungen 13 in den Rippen 12 ein Heizelement 14 entlanggeführt ist, ist die Übertragung von Wärme von dem Heizelement 14 auf das Reduktionsmittel optimal bzw. erfindungsgemäß werden unmittelbar die Rippen 12 beheizt – quasi von innen. D. h. erfindungsgemäß werden unmittelbar nach dem Aktivieren des Heizelements 14 die Rippen 12 durchwärmt und nicht erst der gesamte Hohlzylinder 11, so dass insbesondere bei einem dynamischen Betrieb einer Brennkraftmaschine 1 sofort aufbereitetes bzw. erwärmtes/vorkonvertiertes Reduktionsmittel bereitsteht, um das Abgas der Brennkraftmaschine 1 zu behandeln. So ist es nicht nötig, das Heizelement 14 kontinuierlich oder zumindest alternierend zu aktivieren, um stets aufbereitetes Reduktionsmittel vorzuhalten, d. h. es wird vergleichsweise wenig Energie benötigt. D. h. das Heizelement 14 wird nur dann aktiviert, wenn unmittelbar darauf aufbereitetes Reduktionsmittel benötigt wird. Außerdem ist es erfindungsgemäß von Vorteil, dass das Heizelement 14 nicht unmittelbar von dem Reduktionsmittel umspült wird und somit keine Strömungsverluste auftreten, wobei wieder Energie gespart wird, nämlich die Energie, die nötig ist, um Strömungsverluste zu kompensieren. D. h. es wird nicht mehr Energie benötigt, um insbesondere mittels einer Pumpe eine bestimmte Menge an Reduktionsmittel im Bedarfsfall bereitzustellen, da keine zusätzlichen Strömungsverluste auftreten, im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung.
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Das Heizelement 14 bzw. der Heizdraht ist erfindungsgemäß so durch die Öffnungen 13 geführt, dass das Heizelement 14 bzw. der Heizdraht die Form eines Mäanders beschreibt, d. h. das Heizelement 14 bzw. der Heizdraht wird, wie in 5 gezeigt (Schnitt A-A gemäß 4), ausgehend von der ersten Stirnseite A (bzw. der ersten Grundfläche) des Hohlzylinders 11 in eine erste der Vielzahl von Öffnungen 13 eingeführt und an der zweiten Stirnseite B (bzw. der zweiten Grundfläche) des Hohlzylinders 11 aus dieser ersten der Vielzahl von Öffnungen 13 wieder herausgeführt und dann wiederum ausgehend von der zweiten Stirnseite B des Hohlzylinders 11 in eine weitere der Vielzahl von Öffnungen 13 eingeführt und an der ersten Stirnseite A des Hohlzylinders 11 aus dieser weiteren der Vielzahl von Öffnungen 13 wieder herausgeführt, wobei dieses Hindurchführen des Heizelementes 14 durch die Öffnungen 13 fortgeführt wird, bis das Heizelement durch sämtliche Öffnungen 13 geführt ist, so dass sich Schleifen/Schlaufen/Wendeln bilden bzw. das Heizelement 14 mäandriert, also einen schlaufenförmigen Verlauf beschreibt, während es durch die Öffnungen 13 in den Rippen 12 im Hohlzylinder 11 geführt ist.
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Ist eine gerade Anzahl von Rippen 12 bzw. von Öffnungen 13 in den Rippen 12 vorgesehen, dann befinden sich beide Enden des Heizelementes 14 auf einer Stirnseite, also entweder auf der ersten Stirnseite A oder der zweiten Stirnseite B, so dass eine Verbindung bzw. Kontaktierung des Heizelements 14 mit einer Heizenergiequelle, also insbesondere einer elektrischen Energiequelle bzw. einem Speicher für elektrische Energie vorgenommen werden kann und zwar auf einer der beiden Stirnseiten A oder B.
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Ist eine ungerade Anzahl von Rippen 12 bzw. von Öffnungen 13 in den Rippen 12 vorgesehen, dann befindet sich ein Ende des Heizelementes 14 auf einer Stirnseite, also z. B. auf der ersten Stirnseite A und das andere Ende des Heizelementes 14 auf der anderen Stirnseite, also z. B. auf der zweiten Stirnseite B, so dass eine Verbindung bzw. Kontaktierung des Heizelements 14 mit einer Heizenergiequelle, also insbesondere einer elektrischen Energiequelle bzw. einem Speicher für elektrische Energie vorgenommen werden kann und zwar jeweils auf einer der beiden Stirnseiten A und B.
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Denkbar ist es freilich auch, dass das Heizelement 14 ein Schlauch ist, durch den ein Fluid (Flüssigkeit oder Gas) geleitet wird, welches die Wärme von einer Quelle zu dem Hohlzylinder 11 transportiert, also insbesondere erhitztes Kühlwasser der Brennkraftmaschine 1.
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Erfindungsgemäß treten vor allem dadurch keine Strömungsverluste auf, dass das Heizelement 14, wenn es, nachdem es ausgehend von der ersten Stirnseite A des Hohlzylinders 11 in eine erste der Vielzahl von Öffnungen 13 eingeführt und an der zweiten Stirnseite B des Hohlzylinders 11 aus dieser ersten der Vielzahl von Öffnungen 13 wieder herausgeführt und dann wiederum ausgehend von der zweiten Stirnseite B des Hohlzylinders 11 in eine weitere der Vielzahl von Öffnungen 13 eingeführt wird, derart in diesem Übergang von einer der Vielzahl von Öffnungen 13 zu einer weiteren der Vielzahl von Öffnungen 13 geformt ist, und zwar betreffend jeden Übergang von Öffnung 13 zu Öffnung 13 auf jeder der beiden Stirnseiten A, B des Hohlzylinders 11, dass zwischen dem Heizelement 14 und der Längsachse L des Hohlzylinders 11 stets mindestens ein Abstand besteht, der dem Abstand D zwischen Innenmantelfläche des Hohlzylinders 11 und Längsachse L des Hohlzylinders 11 entspricht, so dass das Heizelement 14 nicht das durch den Hohlzylinder 11 strömende Reduktionsmittel verwirbelt und keine Strömungsverluste auftreten. Anders gesagt, steht bei einer Draufsicht auf eine der beiden Stirnseiten A, B des Hohlzylinders 11 das Heizelement 14 nicht über die (oben genauer definierte) Innenumfangslinie drüber, in Richtung der Längsachse L des Hohlzylinders 11, sondern ist so auf einer der beiden Grundflächen des Hohlzylinders 11 entlanggeführt, dass das Heizelement 14 nicht über die Innenumfangslinie in Richtung der Längsachse L des Hohlzylinders 11 hinausragt, also es gibt keinen Überhang des Heizelements 14 in den Strömungspfad des Reduktionsmittels.
