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Die Erfindung betrifft einen Vorratstank zur Bevorratung eines gefrierfähigen Betriebs- oder Hilfsstoffs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei dem Betriebs- oder Hilfsstoff handelt es sich insbesondere um ein Reduktionsmittel zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise um eine wässrige Harnstofflösung. Ein solches Reduktionsmittel ist zum Beispiel unter dem Markennamen „AdBlue“ bekannt.
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Stand der Technik
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Da ein Reduktionsmittel der vorstehend genannten Art bei tiefen Außentemperaturen gefriert, wird es in der Regel in einem beheizbaren Vorratstank bevorratet. Dadurch ist sichergestellt, dass auch bei tiefen Außentemperaturen flüssiges Reduktionsmittel zur Verfügung steht, das über eine Pumpe angesaugt und einem Abgasnachbehandlungssystem zugeführt werden kann. Die Beheizung des Vorratstanks kann beispielsweise mittels einer elektrischen Heizung erfolgen, die in einem bestimmten Bereich angeordnet und somit örtlich begrenzt oder als Flächenheizung ausgebildet ist. Die Leistungsfähigkeit derartiger Heizungen ist jedoch nicht immer zufriedenstellend. Insbesondere erlaubt die Regelung der Heizung kein optimales Einbringen der Heizenergie in den Vorratstank. Beispielsweise muss die elektrische Heizung bei einer Kavität abgeregelt werden, um eine Überhitzung der an der Luft liegenden Heizoberfläche zu vermeiden. Zudem zeigen sich heutige Werkstoffe empfindlich gegenüber Ammoniak- oder Harnstoffdiffusion, insbesondere wenn die Reduktionsmitteltemperatur 80°C übersteigt.
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Aus dem Stand der Technik sind daher alternative Heizungen zur Beheizung eines Reduktionsmittel-Vorratstanks bekannt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 200 711 A1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zum Beheizen eines Fluids, insbesondere eines flüssigen Reduktionsmittels, mit wenigstens einem Wärmetauscherelement bekannt, das dazu ausgebildet ist, Wärme von überschüssigem Kraftstoff, der von einem Kraftstoffeinspritzsystem unter einem erhöhten Druck gesetzt, aber nicht in einen Verbrennungsmotor eingespritzt worden ist, an das Reduktionsmittel zu übertragen. Das Wärmetauscherelement ist hierzu in den Vorratstank integriert und wird von dem erwärmten Kraftstoff durchströmt.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Beheizung eines in einem Vorratstank aufgenommenen gefrierfähigen Betriebs- oder Hilfsstoffs zu optimieren. Insbesondere soll die Beheizung effektiver und nachhaltiger sein, so dass bei tiefen Außentemperaturen eine größere Menge flüssigen Betriebs- oder Hilfsstoffs zur Verfügung steht.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Vorratstank mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorgeschlagene Vorratstank zur Bevorratung eines gefrierfähigen Betriebs- oder Hilfsstoffs, insbesondere eines Reduktionsmittels zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, umfasst ein Tankvolumen zur Aufnahme des gefrierfähigen Betriebs- oder Hilfsstoffs sowie einen Heizkreislauf zur Erwärmung des im Tankvolumen aufgenommenen gefrierfähigen Betriebs- oder Hilfsstoffs. Erfindungsgemäß ist der Heizkreislauf geschlossen ausgeführt und mit einem Wärmeträgerfluid befüllt, das durch eine als Wand oder Boden ausgebildete Begrenzung des Tankvolumens und/oder ein Rohr vom im Tankvolumen aufgenommenen Betriebs- oder Hilfsstoff getrennt ist.
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Der vorgeschlagene Vorratstank umfasst demnach einen eigenständigen Heizkreislauf, dessen Wärmeträgerfluid nicht einem Kraftstoff- oder Kühlmittelrücklauf entnommen ist. Im Schadensfall kann demnach auch keine Kontaminierung des Kraftstoff- oder Kühlmittelrücklaufs mit dem gefrierfähigen Betriebs- oder Hilfsstoff eintreten. Zur Erwärmung des Wärmeträgerfluids können unterschiedliche standardisierte Heizungen, insbesondere elektrische Heizungen, oder sonstige Wärmequellen eingesetzt werden. Das durch den Heizkreislauf zirkulierende Wärmeträgerfluid ermöglicht zudem eine kontinuierliche und effektive Erwärmung des im Tankvolumen aufgenommenen Betriebs- oder Hilfsstoffs, da die Trennung lediglich durch eine als Wand oder Boden ausgebildete Begrenzung des Tankvolumens oder ein Rohr erfolgt.
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Bevorzugt weist das Wärmeträgerfluid einen Gefrierpunkt unter –15°C, vorzugsweise unter –30°C auf. Auf diese Weise ist auch bei tiefsten Außentemperaturen eine effektive Beheizung des im Vorratstank aufgenommenen Betriebs- oder Hilfsstoffs gewährleistet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine als Wand oder Boden ausgebildete Begrenzung des Tankvolumens zumindest abschnittsweise doppelwandig ausgeführt, so dass ein Hohlraum zur Aufnahme des Wärmeträgerfluids ausgebildet wird. Die Heizfläche wird demnach durch die Begrenzung des Tankvolumens selbst gebildet, was die Ausbildung besonders großflächiger Heizflächen ermöglicht. Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Hohlraum durch Zwischenwände labyrinthartig unterteilt ist. Das Wärmeträgerfluid wird demnach durch den Hohlraum geführt, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgerfluids und damit gleichmäßige Wärmeabgabe an den im Tankvolumen aufgenommenen Betriebs- oder Hilfsstoff sichergestellt ist.
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Sofern das Wärmeträgerfluid – gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung – durch ein Rohr zirkuliert, ist vorzugsweise das Rohr schlangenförmig entlang einer als Wand oder Boden ausgebildeten Begrenzung innerhalb des Tankvolumens geführt. Auf diese Weise kann die Heizfläche vergrößert und eine effektivere Beheizung des im Tankvolumen aufgenommenen Betriebs- oder Hilfsstoffs bewirkt werden.
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Vorteilhafterweise ist das Rohr zumindest abschnittsweise flexibel ausgeführt und lediglich punktuell an einer als Wand oder Boden ausgebildeten Begrenzung des Tankvolumens fixiert. Das heißt, dass sich das Rohr innerhalb des Tankvolumens begrenzt bewegen kann, so dass das Rohr in Kontakt mit noch gefrorenem Betriebs- oder Hilfsstoff gelangen kann, wenn der Vorratstank bzw. das Fahrzeug, in das der Vorratstank eingebaut ist, bewegt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Heizkreislauf einen Wärmetauscher zur Erwärmung des Wärmeträgerfluids umfasst, der außerhalb des Vorratstanks angeordnet ist und den Anschluss des Heizkreislaufs an einen Motorkühlmittel- oder Kraftstoffrücklauf ermöglicht. Auf diese Weise kann die Wärme des Kühlmittels aus dem Kühlmittelrücklauf bzw. die Wärme des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffrücklauf zur Erwärmung des Wärmeträgerfluids genutzt werden, ohne Gefahr zu laufen, dass im Schadensfall der Betriebs- oder Hilfsstoff den Kühlmittel- bzw. den Kraftstoffrücklauf kontaminiert.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Heizkreislauf eine elektrische Heizung zur Erwärmung des Wärmeträgerfluids umfasst. Die elektrische Heizung kann beliebig angeordnet werden. Vorzugsweise ist sie außerhalb des Vorratstanks angeordnet, so dass sie nicht in Kontakt mit dem im Vorratstank aufgenommenen Betriebs- oder Hilfsstoff gelangt. Es müssen somit keine zusätzlichen Maßnahmen zum Schutz elektrischer und/oder elektronischer Bauteile der Heizung vor dem Betriebs- oder Hilfsstoff ergriffen werden.
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Alternativ oder ergänzend wird ferner vorgeschlagen, dass der Heizkreislauf zur Erwärmung des Wärmeträgerfluids an mindestens einem Lager und/oder einem Antriebselement einer Pumpe vorbeigeführt ist. Denn dann kann die im Betrieb der Pumpe entstehende Abwärme zur Erwärmung des Wärmeträgerfluids genutzt werden. Zugleich wird eine Kühlung der Pumpe im Bereich des Lagers und/oder des Antriebelements erreicht. Bei dem Antriebselement kann es sich beispielsweise – in Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung der Pumpe – um einen Elektromotor oder einen Elektromagneten handeln. Die Pumpe kann beliebig angeordnet werden, vorzugsweise ist sie außerhalb des Vorratstanks angeordnet.
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Vorteilhafterweise ist bzw. sind die elektrische Heizung und/oder die Pumpe außerhalb des Vorratstanks in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse kann an einer beliebigen Stelle an den Vorratstank angeflanscht werden, so dass Rücksicht auf den jeweils zur Verfügung stehenden Bauraum genommen werden kann. Dies erlaubt eine größtmögliche Flexibilität.
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Werden zur Erwärmung des im Heizkreislauf zirkulierenden Wärmeträgerfluids eine elektrische Heizung und mindestens eine weitere Wärmequelle genutzt, kann die Effizienz des Systems deutlich gesteigert werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Vorratstank gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
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2 einen schematischen Querschnitt durch den Vorratstank der 1 im Bereich eines doppelwandig ausgeführten Bodens,
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3 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Vorratstank gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
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4 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Vorratstank gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
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5 einen schematischen Längsschnitt durch ein an einen erfindungsgemäßen Vorratstank angeflanschtes Gehäuse mit einer Pumpe und
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6 einen schematischen Längsschnitt durch ein an einen erfindungsgemäßen Vorratstank angeflanschtes Gehäuse mit einer elektrischen Heizung, einer Pumpe und einem Wärmetauscher.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist ein Vorratstank 1 mit einem Tankvolumen 6 zu entnehmen, in dem ein gefrierfähiger Betriebs- oder Hilfsstoff 2 aufgenommen ist. Bei dem Betriebs- oder Hilfsstoff 2 handelt es sich vorliegend um eine wässrige Harnstofflösung. Wände 3 und ein Boden 4 bilden jeweils eine Begrenzung 5 des Tankvolumens 6 aus, wobei der Boden 4 zur Ausbildung eines Hohlraums 9 doppelwandig ausgeführt ist. Im Hohlraum 9 ist ein Wärmeträgerfluid aufgenommen, das den Hohlraum 9 durchströmt. Zur Strömungsführung ist der Hohlraum 9 durch Zwischenwände 10 labyrinthartig unterteilt (siehe 2). Über einen Zulauf 17 und einen Rücklauf 18 ist der Hohlraum 9 an ein Gehäuse 16 angeschlossen, so dass ein geschlossener Heizkreislauf 7 ausgebildet wird.
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Im Gehäuse 16 ist eine elektrische Heizung 12 zur Erwärmung des Wärmeträgerfluids aufgenommen. Ferner ist im Gehäuse 16 eine Pumpe 15 zur Förderung des Wärmeträgerfluids angeordnet. Die Pumpe 15 kann, wie weiter unten beschrieben, als weitere Wärmequelle eingesetzt werden.
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Da sich der das Wärmeträgerfluid aufnehmende Hohlraum 9 über die gesamte Fläche des Bodens 4 erstreckt, wird eine vergleichsweise große Heizfläche geschaffen, die eine effektive Beheizung im Tankvolumen 6 aufgenommenen Betriebs- oder Hilfsstoffs 2 ermöglicht. Über den Boden 4 wird die Wärme des Wärmeträgerfluids an den Betriebs- oder Hilfsstoff 2 abgegeben.
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Anstelle durch einen Hohlraum 9, der durch einen doppelwandig ausgebildeten Boden 4 gebildet wird, kann der Heizkreislauf 7 auch durch ein Rohr 8 geführt werden. Diese Ausführungsform ist beispielhaft in der 3 dargestellt. Das Rohr 8 ist innerhalb des Tankvolumens 6 angeordnet und punktuell im Bereich mehrerer Fixierpunkte 19 am Boden 4 fixiert. Da das Rohr flexibel ist, kann es sich zwischen den Fixierpunkten 19 bewegen, so dass die Reichweite und damit der Wirkungsgrad des Heizkreislaufs 7 optimiert. Durch die Schlangenform des Rohrs 8 wird die Heizfläche bzw. die Wärmeübertragungsfläche vergrößert.
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Alternativ oder ergänzend kann das Rohr 8 auch entlang einer Wand 3 des Vorratstanks 1 geführt und an dieser punktuell befestigt werden. Diese Ausführungsform ist in den Figuren nicht dargestellt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist der 4 zu entnehmen. Hier ist nicht nur der Boden 4, sondern ferner mindestens eine Wand 3 doppelwandig ausgeführt, so dass sich der Hohlraum 9 um das Tankvolumen 6 herum erstreckt. Auf diese Weise kann die Heizfläche bzw. die Wärmeübertragungsfläche nochmals vergrößert werden. Zudem ist in der 4 eine andere Anordnung des Gehäuses 16 am Vorratstank 1 gezeigt, denn das Gehäuse 16 ist nicht seitlich, sondern oberhalb des Vorratstanks 1 platziert. Der Rücklauf 18 führt über ein außerhalb des Vorratstanks 1 angeordnetes Rohr, da die dem Rohr benachbarte Wand 3 nicht doppelwandig ausgeführt ist. Alternativ kann aber auch diese Wand 3 doppelwandig ausgeführt werden, so dass sich der Rücklauf 18 verkürzt.
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In der 5 ist ein Gehäuse 16 mit einer Pumpe 15 dargestellt, das analog den 1 bis 4 an einen erfindungsgemäßen Vorratstank 1 angeflanscht werden kann. Die Pumpe 15 umfasst eine über Lager 13 drehbar gelagerte Antriebswelle 20, die mittels eines Antriebselements 14 in einer Drehbewegung antreibbar ist. Als Antriebselement 14 dient ein Elektromotor 21. Ferner weist die Pumpe 15 ein Pumpenrad 22 zur Förderung des Wärmeträgerfluids auf. Der Heizkreislauf 7 ist durch das Gehäuse 16 geführt, wobei der Zulauf 17 und der Rücklauf 18 des Heizkreislaufs 7 in der Weise angeordnet sind, dass das Wärmeträgerfluid an den Lagern 13 und am Elektromotor 21 vorbeigeführt wird. Auf diese Weise kann die Abwärme der Lager 13 bzw. des Elektromotors 21 zur Erwärmung des Wärmeträgerfluids genutzt werden. Zugleich werden die Lager 13 und der Elektromotor 21 durch das Wärmeträgerfluid gekühlt.
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Im Gehäuse 16 kann ferner ein Wärmetauscher 11 angeordnet sein, der über einen eigenen Zulauf 23 und einen eigenen Rücklauf 24 an einen Kühlmittel- oder Kraftstoffrücklauf anschließbar ist, um die Wärme des erwärmten Kühlmittels bzw. die Wärme des erwärmten Kraftstoffs zur Erwärmung des Wärmeträgerfluids des Heizkreislaufs 7 zu nutzen. Der Rücklauf 18 des Heizkreislaufs 7 führt demnach in den Wärmetauscher 11.
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Die Nutzung der Abwärme der Pumpe 15 und/oder die Führung des Heizkreislaufs 7 durch den Wärmetauscher 11 ist bzw. sind jeweils optional. Durch die Nutzung kann die Effizienz der Beheizung gesteigert und/oder elektrische Energie eingespart werden.
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Ferner kann die Positionierung des Gehäuses 16, das die elektrische Heizung 12 und/oder die Pumpe 15 aufnimmt, entsprechend den jeweiligen Bauraumverhältnissen gewählt werden. Die Erfindung umfasst daher auch Ausführungsformen, die in den Figuren nicht dargestellt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014200711 A1 [0004]
