-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Temperieren eines in einem Vorratstank bevorrateten gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoffes zur Abgasnachbehandlung bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen.
-
Stand der Technik
-
Gängige Abgasnachbehandlungssysteme, die insbesondere bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen zum Einsatz kommen, werden durch ein Reduktionsmittel die im Abgas befindlichen NOx in H2O und N2 umgewandelt. Die gängigen Abgasnachbehandlungssysteme für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen arbeiten nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR), wobei es sich bei dem eingesetzten Reduktionsmittel in den meisten Fällen um eine Harnstoff-Wasser-Lösung handelt, die auch unter dem Namen AdBlue® bekannt ist. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Vorratstank, in dem das gefrierfähige Reduktionsmittel bevorratet wird. Der Vorratstank umfasst einen Filter, gegebenenfalls einen Filterdeckel sowie eine Tankheizung als drei getrennte Komponenten. In manchen Systemen ist zusätzlich ein Wärmeleitpin integriert, der sich in einen Ansaugkanal erstreckt. Beim Dosieren wird das gefrierfähige Reduktionsmittel durch einen Filter über den Ansaugkanal zu einem Förderaggregat gefördert. Der Filter kann auf einen Träger aufgebracht sein, wobei der Filter aus dem eigentlichen Filter, einem Filtervlies sowie einem Filterdeckel besteht, die stoffschlüssig miteinander gefügt sein können und so einen Ansaugkanal für ein Förderaggregat bilden. Bei kalten Temperaturen unterhalb von -11°C wird das gefrierfähige Reduktionsmittel im Vorratstank und im Ansaugkanal aufgetaut. Dazu wird eine dem Vorratstank zugeordnete Tankheizung lokal auf kleine Flächen am Filterdeckel befestigt, um einen Wärmeübergang von der Tankheizung zum Ansaugkanal darzustellen. Zusätzlich wird ein Wärmeleitpin aus besonders wärmeleitfähigem Material, so zum Beispiel Edelstahl, in den Filterdeckel des Filters im Vorratstank integriert, um einen zusätzlichen Wärmetransfer von der Heizung über das Reduktionsmittel im Vorratstank über den Wärmeleitpin in den Ansaugkanal zu ermöglichen.
-
Bei bereits in Betrieb befindlichen Abgasnachbehandlungssystemen wird die Tankheizung auf kleinen Flächen mit dem Filter gefügt. Dadurch entsteht eine Trennung zwischen dem Heizkörper der Tankheizung und dem Ansaugkanal, die beide durch isolierendes Reduktionsmittel voneinander getrennt sind. Dadurch ist kaum eine Wärmeübertragung von der Tankheizung zum gefrorenen Reduktionsmittel im Ansaugkanal möglich. Um diesem Nachteil abzuhelfen wird ein zusätzliches Element, nämlich ein Wärmeleitpin, in der Regel aus Edelstahl gefertigt, eingesetzt, damit die Tankheizung zunächst einen Teil des Reduktionsmittels im Vorratstank auftaut und anschließend Wärme von diesem erwärmten Reduktionsmittel an den Wärmeleitpin abgegeben wird, welcher wiederum die Wärme zum Ansaugkanal leitet und das in diesem gefrorene Reduktionsmittel auftaut. Diese Lösung hat ein träges Auftauverhalten zur Folge, ferner wird ein zusätzliches Element in Gestalt des Wärmeleitpins aus Edelstahl benötigt, ferner stellen sich in Summe relativ große thermische Widerstände dar, die das Auftauverhalten bei gefrorenem Reduktionsmittel nicht unterstützen. Des Weiteren ist die Herstellung bzw. das Erzeugen stoffschlüssiger Verbindungen zwischen den Komponenten recht aufwendig.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Temperieren eines im Vorratstank bevorrateten, gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoffes zur Abgasnachbehandlung bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen vorgeschlagen, in der eine Umspritzung eines Heizkörpers innerhalb eines Überdeckungsbereiches eine Ansaugkanalwand eines Ansaugkanales bildet. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird der thermische Widerstand zwischen dem Heizkörper und dem Ansaugkanal erheblich herabgesetzt. Dadurch kann gefrorener im Ansaugkanal gefangener Betriebs-/Hilfsstoff schneller aufgetaut werden, wobei das bisher zur Verbesserung der Wärmeübertragung eingesetzte zusätzliche Element in Gestalt eines relativ teuren Wärmeleitpins aus Edelstahl entfallen kann. Im Vergleich zur Lösung gemäß des Standes der Technik ist die Kette thermischer Widerstände deutlich kürzer, was einer erheblichen Beschleunigung des Auftauverhaltens mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zum Temperieren eines gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoffes.
-
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist der Ansaugkanal durch die Umspritzung des Heizkörpers einerseits und andererseits entweder durch ein Filtergehäuse oder einen Träger am Vorratstank begrenzt.
-
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zum Temperieren eines in einem Vorratstank bevorrateten gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoffes ist derart gestaltet, dass die Umspritzung des Heizkörpers im Überdeckungsbereich eine reduzierte Wanddicke aufweist. Unter Überdeckungsbereich ist im vorliegenden Zusammenhang der Bereich zu verstehen, über welchen sich der Heizkörper parallel zum Ansaugkanal erstreckt. Wird in diesem Bereich die Wanddicke der Umspritzung des Heizkörpers, die gleichzeitig die Begrenzungswand des Ansaugkanales bildet, reduziert, so lässt sich der thermische Widerstand zwischen dem Heizkörper und dem Ansaugkanal nochmals verringern, wodurch eine weitere Beschleunigung des Auftauvorgangs erreicht werden kann.
-
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird der thermische Widerstand zwischen dem Heizkörper und dem Ansaugkanal ausschließlich durch den thermischen Widerstand des Materials der Umspritzung des Heizkörpers beeinflusst. Dabei kann das bisher übliche Umspritzungsmaterial, so zum Beispiel HDPE und ETFE ersetzt werden durch ein Kunststoffmaterial, welches mit Glasfaser oder mit Bornitrid gefüllt ist, um den thermischen Widerstand der Kunststoffumspritzung des Heizkörpers weiter zu reduzieren. Grundsätzlich sind tieftemperaturbeständige Thermoplastmaterialien geeignet, die eine sehr starke Permeationsbarriere gegenüber dem Betriebs-/Hilfsstoff und dessen Zersetzungsprodukten auch gasförmigen Zersetzungsprodukten wie NH3, aufweisen. Zusätzlich sind gute wärmeleitende Eigenschaften von Vorteil.
-
Vorzugsweise bieten sich auch deshalb ungefüllte HDPE und ETFE Materialien sowie deren Derivate an. Als weitere Alternativen können diverse Füllmaterialien zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Borntirid oder Aluminiumoxid den genannten Materialien beigemischt werden.
-
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend ersetzt der von der Umspritzung umgebene Heizkörper einen Filterdeckel und macht so ein andernfalls erforderliches zusätzliches Bauteil obsolet.
-
Beim Einsatz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann überdies ein Filtervlies eingesetzt werden, das sich im Wesentlichen im Ansaugbereich des Ansaugkanals im Vorratstank erstreckt. Dieses Filtervlies kann derart platziert werden, dass dieses an seiner Oberseite und an seiner Unterseite von dem im Vorratstank bevorrateten gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoff benetzt ist.
-
Der bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung eingesetzte Heizkörper mit einer Umspritzung aus einem Kunststoffmaterial überdeckt im Wesentlichen den gesamten Ansaugkanal als auch der vor dem Ansaugkanal liegende Ansaugbereich im Vorratstank. Durch die besondere geometrische Formgebung der Tankheizung in Flachbauweise, können somit relativ große Bereiche im Vorratstank im Bereich des Ansaugkanales und in dem diesem vorgelagerten Ansaugbereich beheizt werden, was insbesondere gleichzeitig erfolgt, wodurch sich unter Berücksichtigung des verringerten thermischen Widerstandes im Vergleich der bisherigen Lösungen ein deutlich schnelleres Auftauverhalten des gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoffes bei Temperaturen von unterhalb -11°C erreichen lässt.
-
Bei der Herstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zum Temperieren des gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoffes ist hervorzuheben, dass eine erste stoffschlüssige Fügestelle als umlaufende Schweißnaht ausgeführt wird.
-
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf die Verwendung der Vorrichtung zum Temperieren eines in einem Vorratstank bevorrateten gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoffes zur Abgasnachbehandlung bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zum Temperieren eines gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoffes in Abgasnachbehandlungssystemen zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Formgebung des Heizkörpers samt dessen Umspritzung sich dieses Bauteil als Ersatz eines bisher eingesetzten Filterdeckels einsetzen lässt. Damit kann ein Bauteil eingespart werden, ebenso wie der bei bisherigen Lösungen eingesetzte Wärmeleitpin, der da aus Edelstahl gefertigt, ein besonders teures Bauteil darstellt. Durch die Reduktion der thermischen Widerstände zwischen der Heizung und dem Ansaugkanal bei entsprechender Ausbildung der Umspritzung in möglichst geringer Wanddicke, ist durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung ein wesentlich zügigeres Auftauen gefrorenen Betriebs-/Hilfsstoffes sowohl im unteren Bereich des Vorratstanks als auch insbesondere im Ansaugkanal dem Förderaggregat-Zulauf vorgeschaltet, zu erreichen. Verglichen mit den Lösungen aus dem Stand der Technik ist der thermische Widerstand zwischen der Heizung und dem Ansaugkanal reduziert und auf eine Wand aus Kunststoffmaterial begrenzt.
-
In fertigungstechnischer Hinsicht ist hervorzuheben, dass aufgrund weniger Bauteile auch Fügestellen, so zum Beispiel Schweißschnittstellen entfallen können. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird nicht nur der thermische Widerstand im Sinne der Wärmeleitung reduziert, sondern auch die unerwünschte durch den Betriebs-/Hilfsstoff erfolgende Kühlung des Ansaugkanales. Diese unerwünschte Kühlung tritt auf, falls sich zwischen der Heizung und dem Ansaugkanal Betriebs-/Hilfsstoff befindet, zwar noch im Tank aber nicht im Filter, so schwappt dieser Betriebs-/Hilfsstoff beim Fahren in den Ansaugkanal. Damit wird bereits aufgetauter sich zwischen Heizung und Ansaugkanal Betriebs-/Hilfsstoff entfernt, was durch ein Abfließen erfolgt. Dies führt dazu, dass Betriebs-/Hilfsstoff aufgetaut wird, welches für die Dosierbereitschaft irrelevant ist, andererseits wird aufgrund der auftretenden Fluidströmung der Ansaugkanal an einer kritischen Stelle gekühlt, da Energie entzogen wird.
-
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ermöglicht einen Kontakt zwischen Heizung und Ziel, dem Ansaugkanal, ohne dass eine zusätzliche Wärmeleitkomponente erforderlich wäre.
-
Des Weiteren bietet die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine Kombinationsmöglichkeit von Filter und Heizung dar, da das Filtervlies in die Heizung integriert wird. Dadurch erfolgt eine weitere Reduzierung der thermischen Widerstandskette in das Filterinnere, ferner lässt sich eine Bauraumreduzierung durch Entfall von Luftspalten erzielen, was andererseits wieder Montagespielraum ermöglicht. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erfolgt eine Vereinfachung der Montage bei kombinierten Filter und Heizung sowie eine damit einhergehende Kostenreduktion.
-
Figurenliste
-
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
-
Es zeigt:
- 1 eine Konfiguration einer Heizung und eines Ansaugkanales,
- 2 die sich aus dieser Anordnung ergebenden thermischen Widerstände,
- 3 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung, wobei der in Flachbauweise ausgebildete Heizkörper nicht dargestellt ist,
- 4 einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß 3 gemäß des in 3 dargestellten Schnittverlaufes IV - IV und
- 5 der sich bei der vorgeschlagenen Lösung einstellende thermische Widerstand zwischen der Temperatur der Heizeinrichtung und der Temperatur des Ansaugkanales.
-
Der Darstellung gemäß 1 ist ein Vorratstank 10 zu entnehmen, in dem ein gefrierfähiger Betriebs-/Hilfsstoff 12, bei dem es vorzugsweise um ein Reduktionsmittel handelt, aufgenommen ist. Der gefrierfähige Betriebs-/Hilfsstoff gefriert bei einer Temperatur von unter -11°C. Wie 1 zeigt, ist einem Ansaugkanal 28 ein Filter 14 vorgeschaltet. Der Filter 14 kann an einem Träger 16 aufgenommen sein und ein Filtervlies 18 umfassen. Oberhalb des Filters 14 befindet sich ein Heizkörper/Kühlkörper 20, der von einer Umspritzung 22 umschlossen ist, die in der Regel aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist. Darüber hinaus befindet sich in einem Filterdeckel 26 ein Wärmeleitpin 24, der beispielsweise aus Edelstahl gefertigt ist. Vom Ansaugkanal 28 aus erstreckt sich ein Förderaggregat-Zulauf 30 zu einem in 1 nicht dargestellten Förderaggregat.
-
Bei der Lösung gemäß 1 stellen sich die in 2 dargestellten thermischen Widerstände ein. Wie aus der schematischen Darstellung gemäß 2 hervorgeht, bestehen zwischen der THeizung, 36 und der im Ansaugkanal herrschenden Temperatur 48, TAnsaugkanal, ein erster thermischer Widerstand 38 der Umspritzung und ein zweiter thermischer Widerstand 40, wobei der zweite thermische Widerstand 40 besonders kritisch ist, da im besten Falle durch den Betriebs-/Hilfsstoff definiert wird und im schlechtesten Falle bei geringen Füllständen durch Luft. Dadurch steigt der zweite thermische Widerstand 40 erheblich. Zusätzlich können dynamische Einflüsse wie beispielsweise das Bewegen des Betriebs-/Hilfsstoffes (Schwappbewegungen) zum Tragen kommen, die einen ständigen Energieverlust durch Wegfließen des erwärmten Betriebs-/Hilfsstoffes darstellen. Ferner ist ein weiterer thermischer Widerstand 42 durch den Wärmeleitpin 24 gegeben. Schließlich besteht ein zweiter thermischer Widerstand 46, ebenfalls bedingt durch die Umspritzung 22, sowie ein thermischer Widerstand 46, der durch die Anwesenheit des Filterdeckels 26 verursacht wird.
-
Ausführungsvarianten
-
3 zeigt eine teilweise Ansicht einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zum Temperieren eines in einem Vorratstank 10 bevorrateten gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoffes 12. In der Draufsicht gemäß 3 ist ein im Wesentlichen in Flachbauweise ausgeführte Heizkörper 56, der die in 3 dargestellten Komponenten überdeckt, nicht dargestellt. Aus der Draufsicht gemäß 3 ergibt sich, dass das Filtervlies 18 umschlossen von einem Filterrand 54, sich im Ansaugbereich 72 (vergleiche Darstellung gemäß 4) sichelförmig vor dem Ansaugkanal 28 erstreckt. Vom Ansaugkanal 28 aus erstreckt sich senkrecht der Zeichenebene gemäß 3 der Förderaggregat-Zulauf 30. Bezugszeichen 74 und 76 bezeichnen jeweils erste und zweite stoffschlüssige Fügestellen, die als Verbindungsstellen 62, 64, vergleiche 4, zwischen dem eigentlichen Heizkörper 56 in Flachbauweise bzw. dessen Umspritzung 22 und den weiteren Komponenten des Vorratstanks dienen.
-
4 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung gemäß des in 3 dargestellten Schnittverlaufes IV - IV.
-
Wie aus dem Schnitt gemäß 4 hervorgeht, ist der in Flachbauweise ausgebildete Heizkörper 56 von einer Umspritzung 22, die in der Regel aus Kunststoffmaterial gefertigt wird, umgeben. Die Umspritzung 22 hat mehrere Funktionen. Einerseits dient die Umspritzung 22 des in Flachbauweise ausgebildeten Heizkörpers 56 zur Ummantelung und zum Schutz des Heizkörpers 56 gegen das diesen umgebende Medium, d.h. den gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoff 12. Wie aus 4 hervorgeht, ist der von der Umspritzung 22 umgebene, in Flachbauweise ausgebildete Heizkörper 56 an Verbindungsstellen 62, 64, die als stoffschlüssige Fügestellen 74, 76 ausgeführt sind, oberhalb des Ansaugkanales 28 und oberhalb des Filtervlieses 18 befestigt. Dabei ist der in Flachbauweise ausgebildete Heizkörper 56 so beschaffen, dass der Heizkörper 56 bzw. die Umspritzung 22 sich entlang eines Überdeckungsbereiches 58 entlang des Ansaugkanales 28 erstrecken. Aus 4 geht hervor, dass ein Teil der Umspritzung 22 des in Flachbauweise ausgebildeten Heizkörpers 56 als Ansaugkanalwand 50 dient. Um deren thermischen Widerstand 70 möglichst zu minimieren, kann die Umspritzung 22 in dem Bereich, in dem sich die Ansaugkanalwand des Ansaugkanales 28 bildet, in einer reduzierten Wanddicke 52 ausgeführt sein. Dadurch wird der sich einstellende thermische Widerstand 70 beim Wärmeübergang vom Heizkörper 56 den im Ansaugkanal 28 gefangene gefrorene Betriebs-/Hilfsstoff 12 nochmals reduziert. Die Geometrie der Umspritzung bzw. des Heizkörpers ist ferner so beschaffen, dass diese noch einen Ansaugbereich 72 überdeckt. Der Ansaugbereich 72, über den der im Tank bevorratete Betriebs-/Hilfsstoff 12 dem Filtervlies 18 zufließt, befindet sich an dessen Oberseite 66. Wie aus dem Schnitt gemäß 4 hervorgeht, ist das Filtervlies 18, stabilisiert von dem Filterrand 54 von seiner Oberseite 66 als auch seiner Unterseite 68, benetzt. Aufgrund der gewählten Geometrie des in Flachbauweise ausgebildeten Heizkörpers 56 und dem diese umgebende Umspritzung 22, kann auch der Ansaugbereich 72, der dem Ansaugkanal 28 im Vorratstank vorgeschaltet ist, beheizt werden.
-
Mit Bezugszeichen 60 ist eine im Ansaugkanal 28 ausgebildete Zulaufkrümmung bezeichnet, die sich vom Filtervlies 18 zu dem Abschnitt des Ansaugkanales 28 erstreckt, innerhalb dessen die Umspritzung 22 des in Flachbauweise ausgebildeten Heizkörpers 56 die Ansaugkanalwand 50 erstellt. Die Länge dieses Abschnittes entspricht dem Überdeckungsbereich 58.
-
5 zeigt ein thermisches Ersatzschaubild, wonach zwischen THeizung 36 des in Flachbauweise ausgebildeten Heizkörpers 56 und der Ansaugkanaltemperatur 48 lediglich der thermische Widerstand 70 der Umspritzung 22 zu überwinden ist. Dieser ist, wie ein Vergleich mit der Darstellung gemäß 2 zeigt, im Vergleich zu der in 2 dargestellten Lösung deutlich minimiert, so dass die Auftaugeschwindigkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung, wie vorstehend dargelegt, erheblich kürzer ist.
-
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich durch eine Vermeidung von unkontrollierbaren thermischen Widerständen aus, wie sie beispielsweise durch Schwappbewegungen des Betriebs-/Hilfsstoffes oder durch Luft hervorgerufen werden können. Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, sind sämtliche thermische Widerstände durch Festkörperkontakt gegeben und daher wohl definiert.
-
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
