DE102019212882A1

DE102019212882A1 - Heating device

Info

Publication number: DE102019212882A1
Application number: DE102019212882.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Huis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Heizeinrichtung (3) mit mindestens einem elektrisch betreibbaren Heizelement (6) und einem mit dem Heizelement (6) thermisch gekoppelten Wärmeverteilungselement (7), wobei das Heizelement (6) mindestens einen Kaltleiter (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand des Heizelements (6) in seinem Temperaturverlauf eine Kaltleiter-Charakteristik aufweist und daß der elektrisch Widerstand des Heizelements (6) in seinem Temperaturverlauf einen Minimalwert (Rmin) aufweist, der kleiner als 1,5 Ohm ist.Heating device (3) with at least one electrically operated heating element (6) and a heat distribution element (7) thermally coupled to the heating element (6), the heating element (6) having at least one PTC thermistor (5), characterized in that the electrical resistance of the Heating element (6) has a PTC thermistor characteristic in its temperature curve and that the electrical resistance of the heating element (6) has a minimum value (Rmin) in its temperature curve which is less than 1.5 ohms.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Heizeinrichtung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.The invention is based on a heating device according to the preamble of the independent claim.

Ein Verfahren, um Stickoxide im Abgas einer Brennkraftmaschine zu reduzieren, ist die chemische Reaktion von Ammoniak und den Stickoxiden zu Wasser und Stickstoff unter Verwendung eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion. Ammoniak entsteht bei der Dosierung einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrang infolge chemischer Zersetzung. Diese Harnstoffwasserlösung wird in einem eigenen Tank im Fahrzeug vorgehalten. Dieses Reduktionsmittel besitzt einen Gefrierpunkt von -11°C. Deshalb muss im Reduktionsmittelvorratsbehälter eine Heizung vorgesehen werden, um gefrorene wässrige Harnstofflösung wieder aufzutauen.One method of reducing nitrogen oxides in the exhaust gas of an internal combustion engine is the chemical reaction of ammonia and the nitrogen oxides to form water and nitrogen using a catalyst for selective catalytic reduction. Ammonia is created when an aqueous urea solution is metered into the exhaust system as a result of chemical decomposition. This urea water solution is kept in a separate tank in the vehicle. This reducing agent has a freezing point of -11 ° C. A heater must therefore be provided in the reducing agent storage tank in order to thaw frozen aqueous urea solution again.

Aus der DE 10 2015 200 168 A1 ist es bekannt, an dem Boden eines solchen Vorratsbehälters ein Fördermodul anzubringen bzw. anzuschweißen, welches neben einer Heizung eine Förderpumpe umfaßt. Ein solches Fördermodul kann auch weitere Komponenten wie einen Füllstandssensor oder einen Qualitätssensor zur Bestimmung der Zusammensetzung der im Vorratsbehälter enthaltenen Flüssigkeit umfassen. Zum Schutz insbesondere der Förderpumpe, aber auch nachfolgender hydraulischer Komponenten eines Dosiersystems ist hierbei saugseitig eine Filteranordnung vorgesehen.From the DE 10 2015 200 168 A1 it is known to attach or weld a delivery module to the bottom of such a storage container which, in addition to a heater, comprises a delivery pump. Such a delivery module can also comprise further components such as a fill level sensor or a quality sensor for determining the composition of the liquid contained in the storage container. To protect the feed pump in particular, but also the downstream hydraulic components of a metering system, a filter arrangement is provided on the suction side.

Liegt beim Start des Fahrzeuges das Reduktionsmittel im Vorratsbehälter in einem gefrorenen Zustand vor, muß es zunächst aufgetaut werden, bevor es zur Abgasreinigung verwendet werden kann. Für diesen Auftauvorgang schreibt die Gesetzgebung eine maximal erlaubte Zeit vor, nach welcher die Abgasreinigung funktionieren muss.If the reducing agent in the storage tank is frozen when the vehicle is started, it must first be thawed before it can be used for exhaust gas cleaning. For this thawing process, the legislation prescribes a maximum permitted time after which the exhaust gas cleaning must function.

Es bestehen ebenfalls hohe Anforderungen an das nachhaltige und wiederkehrende Auftauen des Systems. Bei diesen sogenannten „Working Day Cycles“ (WDC) wird ein zyklisches Auftauen, Dosieren und Wiedereinfrieren in Anlehnung eines für die Anfahrt zur Arbeit verwendeten Personenkraftwagens nachgestellt. Die von der Tank-Heizeinrichtung zur Verfügung gestellte Heizleistung ist bei diesen und anderen System- und Gesetzesanforderungen von großer Bedeutung, wobei das Bereitstellen einer möglichst großen Heizleistung anzustreben ist.There are also high demands on the sustained and recurring thawing of the system. In these so-called “Working Day Cycles” (WDC), cyclical thawing, dosing and refreezing are simulated based on a car used to drive to work. The heating output made available by the tank heating device is of great importance for these and other system and legal requirements, with the aim being to provide the greatest possible heating output.

Aus der nachveröffentlichten DE 10 2018 212 606 A1 ist es bekannt, PTC-Elemente mit einem metallischen Wärmeverteilungskörper wärmeleitend zu koppeln, indem diese mittels einer Federklammer auf den Wärmeverteilungskörper gepresst werden.From the postpublished DE 10 2018 212 606 A1 It is known to couple PTC elements with a metallic heat distribution body in a thermally conductive manner by pressing them onto the heat distribution body by means of a spring clip.

Bei einer solchen Kopplung eines PTC-Elements mit einem Wärmeverteilungskörper kann der Wärmeübertrag auf den Wärmeverteilungskörper verbessert werden, indem die Oberfläche des metallischen Wärmeverteilungskörpers an die Geometrie des PTC-Elements angepaßt wird, indem sie beispielsweise maschinell bearbeitet wird, insbesondere poliert bzw. geglättet wird. Zum Erreichen der benötigten Heizleistung fallen bei der Herstellung der Heizeinrichtung also zusätzliche Bearbeitungsschritte an, oder es werden spezielle Materialien eingesetzt, welche die Kosten erhöhen können.With such a coupling of a PTC element with a heat distribution body, the heat transfer to the heat distribution body can be improved by adapting the surface of the metallic heat distribution body to the geometry of the PTC element, for example by machining it, in particular by polishing or smoothing it. In order to achieve the required heating power, additional processing steps are required in the manufacture of the heating device, or special materials are used which can increase costs.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil einer verbesserten Heizleistung bei weniger Aufwand in der Herstellung. Um die Heizleistung und folglich die komplette Leistungsfähigkeit der mindestens einen Kaltleiter aufweisenden Heizeinrichtung beim Auftauen zu verbessern, wird in vorteilhafter Weise der Minimalwiderstand des Heizelements bzw. des Kaltleiters abgesenkt bzw. ein kleiner Wert für den Minimalwiderstand ausgewählt. Die dadurch erhöhte bzw. hohe Heizleistung führt zu kürzeren Auftauzeiten, besserem Verhalten im WDC-Zyklus und/oder kann als Leistungspuffer für spätere Anforderungen herangezogen werden. Insbesondere kann die Mehrleistung dazu genutzt werden, teure Produktionsschritte oder die Verwendung eines teuren Kühlkörperwerkstoffs zu vermeiden.In contrast, the heating device according to the invention with the characterizing features of the independent claim has the advantage of improved heating performance with less effort to manufacture. In order to improve the heating power and consequently the complete efficiency of the heating device having at least one PTC thermistor during thawing, the minimum resistance of the heating element or PTC thermistor is advantageously lowered or a lower value is selected for the minimum resistance. The resulting increased or high heating output leads to shorter defrosting times, better behavior in the WDC cycle and / or can be used as a performance buffer for later requirements. In particular, the additional power can be used to avoid expensive production steps or the use of an expensive heat sink material.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Heizeinrichtung möglich.The measures listed in the dependent claims enable advantageous developments and improvements of the heating device specified in the independent claim.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the description below.

Es zeigen

1 eine Heizeinrichtung,
2 ein Diagramm,
3 ein weiteres Diagramm und
4 ein weiteres Diagramm.

Show it

1 a heater,
2 a diagram,
3rd another diagram and
4th another diagram.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine Querschnittsansicht 1 einer Heizeinrichtung 3, wie sie in der nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2018 212 606 A1 bereits beschrieben worden ist und deren Offenbarungsinhalt ausdrücklich in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen wird. Diese Heizeinrichtung 3 kann in ein Fördermodul integriert werden, welches in einen Vorratsbehälter für ein flüssiges Reduktionsmittel zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine einbaubar ist. Der im Querschnitt ersichtliche als Wärmeverteilungselement 7 dienende Metallkörper steht auf einer maschinell bearbeiteten, insbesondere polierten Oberfläche 9 in gut wärmeleitendem Kontakt mit einem Kaltleiter bzw. PTC-Element 5. Ersichtlich in dieser Querschnittsseitenansicht ist nur ein PTC-Element. Das gesamte Heizelement 6 weist vorzugsweise zwei solcher PTC-Elemente 5 auf, welche parallelgeschaltet sind. Die Heizeinrichtung weist also ein Heizelement 6 mit zwei parallelgeschalteten Kaltleitern 5 und ein Wärmeverteilungselement 7 auf. 1 Figure 3 shows a cross-sectional view 1 a heater 3rd as described in the postpublished patent application DE 10 2018 212 606 A1 has already been described and its disclosure content expressly included in the present Patent application is included. This heater 3rd can be integrated into a delivery module which can be installed in a storage container for a liquid reducing agent for aftertreatment of the exhaust gas of an internal combustion engine. The one visible in cross section as a heat distribution element 7th Serving metal body stands on a machined, in particular polished surface 9 in good heat-conducting contact with a PTC thermistor or PTC element 5 . Only one PTC element can be seen in this cross-sectional side view. The entire heating element 6th preferably has two such PTC elements 5 which are connected in parallel. The heating device thus has a heating element 6th with two PTC thermistors connected in parallel 5 and a heat dissipation element 7th on.

Ein PTC-Element wandelt zugeführte elektrische Energie in Wärme um. Hierbei besitzen diese auch Kaltleiter genannten Elemente einen von der Temperatur abhängigen Eigenwiderstand. Steigt die Temperatur des Elements, steigt auch dessen Widerstand, wodurch weniger elektrische Leistung in Wärme umgesetzt wird. Dies führt zu einer Selbstregelung bzw. Systemeigensicherheit dieser Elemente. Dieses Prinzip ist in 2 verdeutlicht.A PTC element converts supplied electrical energy into heat. These elements, also known as PTC thermistors, have a temperature-dependent intrinsic resistance. If the temperature of the element rises, its resistance also rises, which means that less electrical power is converted into heat. This leads to a self-regulation or system security of these elements. This principle is in 2 made clear.

2 zeigt in einem Diagramm 11 die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands eines Kaltleiters. Aufgetragen ist der Widerstand 13 normiert bezüglich des Minimalwiderstandswerts Rmin über der Temperatur 15 des Kaltleiters normiert bezüglich der Temperatur To, bei der der Widerstand den Minimalwiderstandswert Rmin einnimmt. Ein solcher Widerstandsverlauf über der Temperatur ist typisch für die Kaltleiter-Charakteristik. 2 shows in a diagram 11 the temperature dependence of the electrical resistance of a PTC thermistor. The resistance is applied 13th normalized with regard to the minimum resistance value Rmin over temperature 15th of the PTC thermistor normalized with respect to the temperature To, at which the resistance assumes the minimum resistance value Rmin. Such a resistance curve over temperature is typical for the PTC thermistor characteristic.

3 zeigt in einem Diagramm 21 die Abhängigkeit einer normierten Heizleistung 23 einer Heizeinrichtung von der angelegten elektrischen Spannung 25 in Volt. Neben dem Minimalwiderstandswert wird ein Kaltleiter bzw. seine Heizleistung und die daraus resultierende Heizleistung der Heizeinrichtung noch durch weitere physikalische Kenngrößen charakterisiert, beispielsweise die Raumgröße des Kaltleiters. In den folgenden Betrachtungen wird von einer Standardgröße als Raumgröße ausgegangen. Auch beziehen sich die Angaben für den Minimalwiderstand Rmin des Heizelements im Folgenden beispielhaft auf eine Parallelschaltung zweier Kaltleiter mit jeweils einer solchen Standardraumgröße. Beide Kurven 27 und 29 zeigen die Spannungsabhängigkeit für den gleichen Minimalwiderstand Rmin zweier parallelgeschalteter Kaltleiter in Höhe einer Standardgröße von 1,605 Ohm. Die Kurve 27 beschreibt die Spannungsabhängigkeit der Heizleistung der Heizeinrichtung bei einer maschinell bearbeiteten und damit wärmeübertragungsoptimierten Oberfläche 9 des Wärmeverteilungselements 7, während die Kurve 29 sich auf eine Heizeinrichtung bezieht, bei der diese Oberfläche nicht derart maschinell bearbeitet worden ist. Die Normierung der Heizleistung bezieht sich auf eine angelegte elektrische Spannung von 13 Volt bei Vorliegen einer maschinell bearbeiteten Oberfläche 9. 3rd shows in a diagram 21 the dependency of a standardized heating output 23 a heating device from the applied electrical voltage 25th in volts. In addition to the minimum resistance value, a PTC thermistor or its heating output and the resulting heating output of the heating device are also characterized by further physical parameters, for example the room size of the PTC thermistor. In the following considerations, a standard size is assumed as the room size. The details for the minimum resistance Rmin of the heating element in the following also relate to a parallel connection of two PTC thermistors, each with such a standard room size. Both curves 27 and 29 show the voltage dependency for the same minimum resistance Rmin of two parallel-connected PTC thermistors with a standard size of 1.605 ohms. The curve 27 describes the voltage dependency of the heating power of the heating device in the case of a machined and thus heat transfer-optimized surface 9 of the heat distribution element 7th while the curve 29 refers to a heater that has not so machined that surface. The normalization of the heating power is based on an applied electrical voltage of 13 volts in the presence of a machined surface 9 .

Das Diagramm 21 zeigt, daß die Heizleistung mit zunehmender elektrischer Spannung zunimmt, der Anstieg der Heizleistung mit zunehmender elektrischer Spannung jedoch kleiner wird. Das Diagramm 21 zeigt des Weiteren, daß bei einer unbearbeiteten Oberfläche des Wärmeverteilungskörpers im Bereich der Kaltleiter die Heizleistung der Heizeinrichtung niedriger ist als bei einer bearbeiteten Oberfläche. Deutlich erkennbar ist die über die komplette Kurve geringere Leistung, welche bei der Normspannung in Höhe von 13V einer Minderleistung von zirka 7 Prozent entspricht. Dies würde zu einem deutlichen, Leistungsverlust beispielsweise beim Auftauen einer gefrorenen wässrigen Harnstofflösung führen.The diagram 21 shows that the heating power increases with increasing electrical voltage, but the increase in heating power becomes smaller with increasing electrical voltage. The diagram 21 also shows that with an unmachined surface of the heat distribution body in the area of the PTC thermistor, the heating power of the heating device is lower than with a machined surface. The lower power over the entire curve is clearly visible, which corresponds to a lower power of around 7 percent at the standard voltage of 13V. This would lead to a significant loss of performance, for example when thawing a frozen aqueous urea solution.

4 zeigt in einem Diagramm 31 nochmals die aus 3 bekannte Kurve 27, welche sich auf eine bearbeitete Oberfläche 9 bezieht. Daneben sind zwei weitere Kurven 33 und 35 abgebildet. Diese beiden Kurven beziehen sich auf eine unbearbeitete Oberfläche, ähnlich wie die Kurve 29 aus 3, jedoch für niedrigere Werte für den Minimalwiderstand der Parallelschaltung der beiden Kaltleiter mit jeweils einer Standard-Raumgröße. So zeigt die Kurve 33 die Abhängigkeit der Heizleistung der Heizeinrichtung von der angelegten elektrischen Spannung bei einem Minimalwiderstand (statt von 1,605 Ohm) von 1,475 Ohm und die Kurve 35 bei einem Minimalwiderstand von 1,2 Ohm. Wie ein Vergleich der Kurve 35 mit der Kurve 27 zeigt, erhöht sich die Heizleistung der Heizeinrichtung um 11 Prozent bei einer angelegten Spannung von 11 Volt, obwohl bei Kurve 35 eine unbearbeitete Oberfläche zum Einsatz kommt, wenn der Minimalwiderstand des Heizelements von 1,605 Ohm auf 1,2 Ohm verkleinert wird. 4th shows in a diagram 31 again the off 3rd known curve 27 which is based on a machined surface 9 relates. Next to it are two more curves 33 and 35 pictured. These two curves refer to an unmachined surface, similar to the curve 29 out 3rd , but for lower values for the minimum resistance of the parallel connection of the two PTC thermistors, each with a standard room size. So shows the curve 33 the dependence of the heating power of the heating device on the applied electrical voltage with a minimum resistance (instead of 1.605 ohms) of 1.475 ohms and the curve 35 with a minimum resistance of 1.2 ohms. Like comparing the curve 35 with the curve 27 shows, the heating power of the heater increases by 11 percent with an applied voltage of 11 volts, although with curve 35 an unprocessed surface is used when the minimum resistance of the heating element is reduced from 1.605 ohms to 1.2 ohms.

Eine Bearbeitung der Oberfläche des Wärmeverteilungselements benötigt einen zusätzlichen, kostspieligen Bearbeitungsschritt, welcher lediglich dazu dient, die geplante Heizleistung zu erreichen. Ein Entfall eines solch aufwendigen Bearbeitungsschritts kann bezüglich seiner Auswirkungen auf die Heizleistung der Heizeinrichtung also kompensiert bzw. überkompensiert werden dadurch, daß der Minimalwiderstand des Heizelements der Heizeinrichtung verkleinert wird, beispielsweise auf 1,475 Ohm oder auf 1,2 Ohm verkleinert wird. Hierdurch wird es auch möglich, einen günstigeren Gusswerkstoff für das beispielsweise als Aluminiumkühlkörper ausgestaltete Wärmeverteilungselment zu verwenden. Ein erniedrigter Minimalwiderstand bewirkt dabei nicht nur, daß trotz eines einfacher hergestellten Wärmeverteilungselements die gewünschte Heizleistung bei einer angelegten elektrischen Spannung von 13 Volt erzielt wird, sondern auch, daß sich die Heizleistung bei Spannungen kleiner als 13 Volt deutlich erhöht. Dies birgt enorme Vorteile für ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung von Stickoxiden, da unter anderem gesetzliche Anforderungen auch bei Heizspannungen bis herab zu 11 Volt Heizspannung erfüllt werden müssen. Insbesondere ein stark verkleinerter Minimalwiderstand führt somit zu einer Glättung und insbesondere einer Anhebung der Heizleistungskurve mit deutlichem „Performance“-Gewinn bei kleinen Heizspannungen.Machining the surface of the heat distribution element requires an additional, costly machining step which is only used to achieve the planned heating output. The omission of such a complex processing step can be compensated or overcompensated with regard to its effects on the heating power of the heating device by reducing the minimum resistance of the heating element of the heating device, for example to 1.475 ohms or 1.2 ohms. This also makes it possible to use a more economical cast material for the heat distribution element designed, for example, as an aluminum heat sink. A reduced minimum resistance not only has the effect that, despite a more simply manufactured heat distribution element, the desired heating power is achieved with an applied electrical voltage of 13 Volt is achieved, but also that the heating power increases significantly at voltages less than 13 volts. This has enormous advantages for an exhaust gas aftertreatment system for reducing nitrogen oxides, since, among other things, legal requirements also have to be met for heating voltages down to 11 volts heating voltage. In particular, a greatly reduced minimum resistance thus leads to a smoothing and, in particular, an increase in the heating power curve with a clear “performance” gain at low heating voltages.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102015200168 A1 [0003]
DE 102018212606 A1 [0006, 0012]

Claims

Heating device (3) with at least one electrically operated heating element (6) and a heat distribution element (7) thermally coupled to the heating element (6), the heating element (6) having at least one PTC thermistor (5), characterized in that the electrical resistance of the Heating element (6) has a PTC thermistor characteristic in its temperature curve and that the electrical resistance of the heating element (6) has a minimum value (Rmin) in its temperature curve which is less than 1.5 ohms.

Heating device after Claim 1 , characterized in that the minimum value (Rmin) is less than 1.48 ohms.

Heating device after Claim 2 , characterized in that the minimum value (Rmin) is approximately 1.2 ohms.

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the heating element (6) has a parallel connection of two PTC thermistors (5).

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat distribution element (7) is a metal body, in particular a cast metal body.

Heating device after Claim 5 , characterized in that a surface (9) of the metal body which thermally interacts with the heating element (6) is adapted to the geometry of the heating element (6).

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that it is set up to heat a fluid.

Heating device after Claim 7 , characterized in that the fluid is a liquid.

Heating device after Claim 8 , characterized in that the fluid is a reducing agent for aftertreatment of the exhaust gas of an internal combustion engine, in particular an aqueous urea solution.

Heating device after Claim 7 , 8th or 9 , characterized in that the heating device is set up for structural integration in a delivery module for pumping out the fluid from a storage container for the fluid.

Heating device after Claim 10 , characterized in that the heating device is set up for its permanent exposure to the fluid as a result of the installation of the delivery module in the floor or in an area of the storage container close to the floor.