DE102015204621A1

DE102015204621A1 - Behälter für flüssige Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102015204621A1
Application number: DE102015204621.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bruhn; Markus Wolf
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-15

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Behälter 100 für ein flüssiges Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges. Der Behälter umfasst (i) einen Außenbehälter 110, der ein Behältervolumen 300 ausbildet; und (ii) mindestens ein Tauchrohr 200 zur Ausbildung eines Eiskompensationsvolumens 310. Das Tauchrohr 200 ist zumindest teilweise elastisch verformbar.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Behälter für flüssige Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges.
Bei Kraftfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor muss aufgrund der Abgasgesetzgebung unter anderem der Schadstoff NOx reduziert werden. Eine Methode, die zur Anwendung kommt, ist das sogenannte SCR-Verfahren („Selective Catalytic Reduction”), bei dem der Schadstoff NOx unter zu Hilfenahme von flüssigem Reduktionsmittel zu N2 und H2O reduziert wird. Dazu fördert eine Pumpe das Reduktionsmittel über eine Leitung von einem Behälter zu einem Dosiermodul. Die in der Regel als Reduktionsmittel verwendete wässrige Harnstofflösung gefriert bei –11°C.
Die Behälter zur Speicherung des Reduktionsmittels umfassen eine Befüllentlüftung. Oft wird mittels einer Tauchlanze bzw. einem Tauchrohr das Eiskompensationsvolumen im Tank festgelegt. Beim Einfrieren des AdBlue^® (Gefrierpunkt: –11°C) entsteht zunächst an den äußeren Rändern sowie an der zum Kompensationsvolumen hin gerichteten Oberfläche des Betriebsmittels eine erste Eisschicht. Mit der Zeit wächst diese Eisschicht zum Inneren des Behälters hin an. Gleichzeitig wölbt sich die Eisschicht E₀ während des Anwachsens leicht in Z-Richtung. Auch die DE 10 2006 050 808 A1 beschreibt das Phänomen der Eisbildung. Diese Wölbung des zusätzlichen Eisvolumens kann den gesamten Behälter verformen. Blechstrukturen über dem Behälter können die Verformung nur plastisch aufnehmen und sind somit dauerhaft beschädigt.
Die DE 10059549 A1 offenbart einen Behälter für Harnstoffwasserlösungen, bei der ein Behälterwandteil elastisch verformbar ist. Auch die DE 10 2006 050 808 A1 zeigt einen Behälter mit einer elastischen Wand. Oftmals kann es jedoch erwünscht sein, eine konventionelle und im Wesentlichen gleiche Behälterwand für beide Halbschalen einer Behälterwand zu verwenden. Ein solcher Behälter lässt sich einfach herstellen und genügt den mechanischen Anforderungen ohne Zusatzmaßnahmen. Insbesondere bei dünnwandigen Spritzgussbehältern, die nur über angespritzte Laschen befestigt werden, kann eine partielle Materialschwächung einer Behälterwand die gesamte Steifigkeit negativ beeinflussen. Eine dauerhafte Deformation kann dann nicht ausgeschlossen werden. Auch akustische Einflüsse durch z. B. Schwappen des Mediums im Tank können durch schwächere Behälterwandstrukturen negativ beeinflusst werden.
Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe, Beschädigungen am Behälter und am Fahrzeug infolge von Eisdruck zu vermeiden, ohne dass es hierzu große Veränderungen an der Behälterkonstruktion bedarf. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Behälter bzw. Vorratsbehälter für ein flüssiges Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges. Das Betriebsmittel kann bspw. ein bei Umgebungstemperaturen von bis zu –30°C gefrierendes Betriebsmittel, insbesondere Additive (z. B. Reduktionsmittel) sein. Beispielsweise kann das Reduktionsmittel eine Harnstoff-Wasser-Lösung sein. Für die Abgasreinigung ist eine 32,5%-ige Harnstoff-Wasser-Lösung unter dem Handelsnamen Adblue^® erhältlich. Ein solches Reduktionsmittel gefriert unterhalb von minus 11°C, Das Betriebsmittel kann bspw. eine Reinigungsflüssigkeit von Scheiben- bzw. Scheinwerfer-Waschanlagen in Kraftfahrzeugen sein. Diese Reinigungsflüssigkeiten werden mit Frostschutzmittel zugesetzt. Allerdings senkt das Frostschutzmittel lediglich den Gefrierpunkt des Scheibenwischwassers auf ca. –17°C bis –20°C, so dass die Flüssigkeit trotz Frostschutzmittels bei Temperaturen von unter –20°C im Behälter und den Leitungen der Scheibenwaschanlage erstarren kann.
Es wurde festgestellt, dass es während des Anwachsens der Eisschichten zu Betriebsmitteleinschlüssen in der Kammer V (vgl. 1) kommt. Der Druck innerhalb der Kammer V steigt allmählich an, bis es zu einer Druckentladung bzw. zum Eis(auf)bruch A kommt. Der Eisaufbruch A entsteht zumeist im Mittelpunkt des Behälters und er findet in der Regel in positiver Z-Richtung (in der Fahrzeughochachse bzw. vom Behälterboden zur Oberseite hin) statt. Das Tauchrohr ist in der Regel genau in dem Bereich angeordnet, in dem es zum Eisaufbruch A kommt. Ein im Flächenschwerpunkt positioniertes Tauchrohr sowie der Außentank können von dem Eisaufbruch A also beschädigt werden.
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Behälter für ein flüssiges Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges, umfassend einen Außenbehälter, der ein Behältervolumen ausbildet und mindestens ein Tauchrohr zur Ausbildung eines Eiskompensationsvolumens, wobei das Tauchrohr zumindest teilweise elastisch verformbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der 1 näher erläutert. Die 1 zeigt einen Behälter 100 für ein flüssiges Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges in der Seitenansicht. Der Behälter 100 umfasst einen Außenbehälter 110. Der Außenbehälter 110 bildet das Behältervolumen 300 aus. Der Außenbehälter 110 ist hieraus zwei Schalen gebildet. Eine Unterschale 114 und eine Oberschale 112, die wie bei herkömmlichen Behältern miteinander fluiddicht verschweißt sein können. Die Schalen 112, 114 sind beispielsweise aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) oder aus Polypropylen (PP) hergestellt. Bevorzugt werden diese Schalen 112, 114 im Spritzgießverfahren gefertigt. In der Unterschale 114 ist hier das Betriebsmittel aufgenommen. Die gestrichelte Linie E₀ stellt die Oberfläche des Betriebsmittels dar, die an dem Eiskompensationsvolumen 310 angrenzt. Das Betriebsmittel bildet das Volumen 320 aus. Das Betriebsmittelvolumen 320 und das Eiskompensationsvolumen 310 addieren sich zum Behältervolumen 300. Wird der Behälter 100 durch ein Einfüllrohr (nicht gezeigt) befüllt, so kann das im Behälter 100 vorhandene Gas durch das Tauchrohr 200 entweichen bis das Tauchrohr 200 in das Betriebsmittel 320 eintaucht. Dann kann das Gas nicht mehr entweichen und die Betankung wird beendet. Das Tauchrohr 200 ist also derart ausgebildet und angeordnet, dass es im oberen Teil des Behältervolumens 300 ein Eiskompensationsvolumen 310 ausbildet. In gängigen Behältern 100 beträgt das so vorgehaltene Eiskompensationsvolumen 310 beispielsweise 12% des Gesamtvolumens 300. Gefriert das Betriebsmittel im Behälter 100, so bildet sich zunächst eine Eisschicht an den Außenwänden des Außenbehälters 110. Zeitgleich gefriert die Betriebsmitteloberfläche E₀. Zu einer ersten Zeit t₁ wächst das Eis beispielsweise bis zur Linie E₁ an. Zu einem späteren Zeitpunkt t₂ kann das Eisvolumen weiter zunehmen bis zur Linie E₂. Dabei wird ein flüssiges Betriebsmittelvolumen V im Inneren eingeschlossen, dessen Druck immer weiter steigt. Schließlich kommt es zur Druckentladung durch Eisaufbruch A, der sich i. d. R. in Richtung der Fahrzeughochachse (Z-Achse) ausbreitet. Über der Betriebsmitteloberfläche E0 befindet sich das Eiskompensationsvolumen 310, das diesen Aufbruch A aufnehmen kann. Das Tauchrohr 200 zur Ausbildung eines Eiskompensationsvolumens 310 indes ragt funktionsbedingt zumindest bis zur Betriebsmitteloberfläche E₀. Ein steifes Tauchrohr vorbekannter Lösungen wird in solchen Fällen beschädigt und/oder überträgt die vom Eis ausgehenden Kräfte und Momente auf den Außenbehälter und/oder das Fahrzeug, die bzw. das dann beschädigt werden kann. Das Tauchrohr 200 gemäß der hier offenbarten Technologie ist zumindest teilweise elastisch verformbar. Es kann also durch den Betriebsmittel-Eisaufbruch A aus seiner eigentlichen funktionsbedingten Lage verdrängt werden, beispielsweise in Richtung der Z-Achse oder in laterale Richtung, ohne das es zum Bruch des Tauchrohrs 200 bzw. des Außenbehälters kommt. Insbesondere ist das Tauchrohr 200 ausgebildet, dass es aus der nachgiebig verformten Lage nach der Rückbildung des Eisvolumens (Auftauen des Betriebsmittels) wieder in seine funktionsbedingte (Ursprungs) Lage übergeht. Bei der nächsten Betankung kann das Tauchrohr 200 dann wieder das Kompensationsvolumen 310 des Behälters 100 begrenzen. Das Tauchrohr 200 kann also derart elastisch verformbar sein, dass es durch einen Eisbruch A des Betriebsmittels verursachte Kräfte, Momente und/oder Impulse aufnimmt, insbesondere derart dass der Außenbehälter 110 nicht oder nur unwesentlich belastet wird. Eine unwesentliche Belastung ist dabei eine Belastung, die ohne zusätzliche Verstärkungs- bzw. Versteifungsmaßnahmen (z. B. größere Wandstärken des Außenbehälters, zusätzliche Verstrebungen, Metalleinsätze, etc.) aufgenommen werden kann.
Das Tauchrohr 200 kann zumindest bereichsweise aus einem elastomeren Material hergestellt sein, bevorzugt einem thermoplastischen Elastomer (TPE) (insbesondere ein thermoplastisches Elastomer auf Olefinbasis), und besonders bevorzugt einem geschlossenzelligen Schaumstoffmaterial, beispielsweise aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM).
Bevorzugt ist das Tauchrohr 200 mit in der Oberschale 112 integriert. Beispielsweise kann ein Entlüftungsstutzen 113 vorgesehen sein, der einstückig mit der Oberschale 112 ausgebildet ist. Der Entlüftungsstutzen 113 kann beispielsweise gleichzeitig mit der Oberschale 112 spritzgegossen werden, angeschweißt, angeklipst oder im 2K-Spritzverfahren hergestellt werden. Bevorzugt ragt der Entlüftungsstutzen 113 im montierten Zustand ein wenig (z. B. 1 bis 6 cm) in den Behälterinnenraum hinein. Ferner bevorzugt ist das Tauchrohr 200 ein separates Bauteil, dass auf den Entlüftungsstutzen 113 montierbar bzw. aufsteckbar ist. Somit können Entlüftungsstutzen 113 und Tauchrohr 200 aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein. Der Entlüftungsstutzen 113 kann beispielsweise aus demselben Material hergestellt sein wie die Oberschale 112, wohingegen das Tauchrohr 200 aus dem elastischen Material zumindest bereichsweise hergestellt sein kann. Der Entlüftungsstutzen 113 kann bevorzugt ein Tauchrohr 200 aus elastisch verformbarem Material enthalten. Das Tauchrohr 200 kann bevorzugt in seiner Eigensteifigkeit den Befüllanforderungen entsprechen, bei übermäßigen Belastungen durch den Eisschub aber verformbar sein.
Das Tauchrohr 200 kann bevorzugt in der Mitte des Behälters 100 bzw. im Flächenschwerpunkt des Behälters 100 angeordnet sein. Somit kann ein Überfüllen des Behälters 100 unter allen erlaubten Schräglagen verhindert werden. Das vorgehaltene Eiskompensationsvolumen im Behälter 100 kann dann bevorzugt das Tauchrohr 200 nicht als Störvariable berücksichtigen. Ein möglicher Eisschub hat eine größere Strecke zur Ausdehnung zur Verfügung. Schäden an Behälter 100 und umliegenden Bauteilen sowie Karosserieteilen werden vermindert oder ganz vermieden.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006050808 A1 [0003, 0004]
DE 10059549 A1 [0004]

Claims

Behälter (100) für ein flüssiges Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges, umfassend: – einen Außenbehälter (110), der ein Behältervolumen (300) ausbildet; und – mindestens ein Tauchrohr (200) zur Ausbildung eines Eiskompensationsvolumens (310); wobei das Tauchrohr (200) zumindest teilweise elastisch verformbar ist.
Behälter (100) nach Anspruch 1, wobei das Tauchrohr (200) zumindest bereichsweise aus einem elastomeren Material hergestellt ist.
Behälter (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Tauchrohr (200) zumindest bereichsweise aus einem thermoplastischen Elastomer hergestellt ist.
Behälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Tauchrohr (200) zumindest bereichsweise aus einem geschlossenzelligen Schaumstoffmaterial hergestellt ist.
Behälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Tauchrohr (200) zumindest bereichsweise aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk hergestellt ist.
Behälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Tauchrohr (200) derart elastisch verformbar ist, dass es durch einen Eisbruch des Betriebsmittels verursachte Kräfte, Momente und/oder Impulse aufnimmt.
Behälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Tauchrohr (200) in der Mitte des Behälters angeordnet ist.
Behälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Tauchrohr (200) an der Oberschale (112) montierbar ausgebildet ist.
Behälter (100) nach Anspruch 8, wobei das Tauchrohr (200) auf einen Entlüftungsstutzen (113) der Oberschale (112) aufsteckbar ausgebildet ist.