JP4801202B2 - 還元剤を貯蔵するためのタンク - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載した形式の液状の還元剤を貯蔵するためのタンクに関する。

内燃機関、特にディーゼル運転される内燃機関では、近々制定される厳しい排ガス規制法に基づき、特に排ガス内の窒素酸化物の割合が削減されなければならない。排ガス内の窒素酸化物割合の削減のために、例えば触媒を用いた選択的な還元が行われる。この還元時には、窒素酸化物が還元剤により還元され、これにより窒素と水とが形成される。還元剤としては、例えば尿素水溶液が使用される。

還元剤は、通常タンクに貯蔵され、管路を介してタンクから調量モジュールに搬送される。この調量モジュールを用いて還元剤が例えば排ガス管内に噴射される。

現在使用されている慣用の液状の還元剤は、添加された凍結防止剤に応じて−１１℃〜−４０℃の範囲内の温度で凍結する。液相の凝集状態から固相の凝集状態への相転移によって、還元剤は約７％の体積膨張を被る。還元剤の凍結によるタンクの破裂を回避するために、現在使用されている、還元剤の貯蔵のためのタンクでは、このタンクが完全には満たされておらず、これにより、凍結時に常にエアクッションが還元剤の上方に存在している。

このエアクッションは、タンクの上側における還元剤の断熱につながる。これにより、還元剤の凍結は側方及び底部で始まる。これにより、凍結した液体の体積膨張は、常にタンク内の空気室の方向に、タンクの中心部に向かって行われる。これにより、隆起部が、凍結した還元剤によって形成される。エアクッションに基づき、還元剤の凍結時にタンクに破損は発生し得ない。

しかしながら、タンク内のエアクッションの欠点は、例えばタンクの充填過多時に還元剤の膨張が生じ、これによりタンクが破損され得るということである。

発明の開示
発明の利点
還元剤、特に内燃機関の排ガスからの窒素酸化物を還元して窒素と水とを形成するための液状の還元剤を貯蔵するための本発明により形成されたタンクは、外側容器を有しており、この外側容器内には内側容器が収容されている。この内側容器は、外側容器の軸線に対して軸方向に移動可能な支承装置で外側容器内に収容されている。この場合、内側容器は、支承装置での内側容器の移動によって、外側容器内の体積が変化させられるように支承されている。

本発明により形成されたタンクの利点は、還元剤の凍結時の外側容器の変形が、内側容器が移動させられることなしに、外側容器の壁の移動につながるという点である。この場合、外側容器内の体積は増大させられる。内側容器の定置の位置決めによって、内側容器の位置変更時に発生し得る破損が回避される。このような破損は、内側容器を例えば車両ボディーと結合している固い結合部または剛性的な管路の、例えば破折または亀裂である。

１つの実施態様では、内側容器と外側容器の間にばねエレメントが取り付けられている。このばねエレメントによって、内側容器が外側容器に対して軸方向に位置決めされ得る。しかしながら、さらに、ばねエレメントの使用により、軸方向への外側容器内での内側容器の移動が可能である。この場合、ばねエレメントは、有利には一方の側で内側容器の底部に支持されていて、他方の側で外側容器の底部に支持されている。有利には内側容器と外側容器の間に取り付けられたこのばねエレメントはエラストマから製造されている。

外側容器の体積が、内側容器の移動によって増大させられるようにするためには、内側容器が、外側容器を超えて突出するように、外側容器に設けられた開口部内に収容されていると有利である。仮に内側容器が完全に外側容器によって取り囲まれている場合には、内側容器の移動が外側容器の体積の幾何学的な変更にしかつながらない。しかし、この場合、体積の量は同じままである。

内側容器を外側容器に結合するために、有利には内側容器に肩部が形成されている。この肩部には結合エレメントが作用する。この結合エレメントは外側容器に摩擦接続的に、つまり摩擦力に基づく部材同士の係合により、または形状接続的に、つまり嵌合に基づく部材同士の係合により接続されている。結合エレメントとしては、例えば結合ナットが適している。この結合ナットは、内側容器を取り囲むねじ山に螺合されている。

結合エレメントによる外側容器への内側容器の取り付け時に内側容器の軸方向の移動性を可能にするために、有利には内側容器と外側容器の間で、内側容器が外側容器を超えて突出する軸方向の支承装置の領域に、弾性的なシールリングが収容されている。この場合、この弾性的なシールリングは、例えば内側容器の肩部に載置しており、外側容器は、肩部に向かいあって位置する面で弾性的なシールリングに接触している。還元剤が凍結しひいては還元剤の体積が増えるやいなや、外側容器の壁が還元剤の体積増加に基づき内側容器に沿って上方に運動させられ、結合エレメントがシールリングから持ち上がる。この場合、弾性的なシールリングは、有利にはシール性を保証するために膨張する。弾性的なシールリングの別の役割は、外側容器から還元剤が漏出しないように、外側容器と内側容器との間の結合部を周囲に対してシールすることである。これは、特に外側容器内の還元剤が凍結していない場合必要である。

内側容器は、有利には圧送モジュールに結合されている。この場合、この圧送モジュールと内側容器との結合は、有利には圧送モジュールと内側容器との間の相対運動が不可能となるように実施されている。このために、圧送モジュールは、有利には内側容器に直接載着されている。一般的には、圧送モジュールはポンプを有している。このポンプを用いて還元剤が内側容器から取り出され得る。

有利には、内側容器内にさらに加熱エレメントが収容されている。この加熱エレメントを用いて、凝固した還元剤が融解され得る。有利には、この加熱エレメントは同様に圧送モジュールに接続されていて、この圧送モジュールを介して制御される。内側容器と圧送モジュールとの間に相対運動が発生し得ないような、内側容器への圧送モジュールの取り付けによって、加熱エレメントの破損も阻止される。この破損は、内側容器内の還元剤が完全に凍結するやいなや、圧送モジュールが内側容器に対して相対的に運動する場合発生し得る。圧送モジュールと内側容器との間の相対運動は、例えば還元剤の凍結が圧送モジュールを押圧し、この圧送モジュールが、不十分な取り付け時に内側容器から持ち上がることによって発生する。一般的に、加熱エレメントは圧送モジュールに剛性的に接続されていて、凍結した還元剤に基づき内側容器内でもはや可動ではないので、場合によっては、加熱エレメントが圧送モジュールから裂断される。加熱がもはや不可能となり、還元剤がもはや融解され得ない。一般的に、タンクは、内側容器に結合されている圧送モジュールが外側容器の外側に位置決めされているように形成されている。圧送モジュールを外側容器の外側に位置決めすることによって、例えば圧送モジュールにおける破損の際、タンク全体を解体する必要なしに、この破損した圧送モジュールを簡単に修理しかつ交換することが可能である。

内部の還元剤が凝固している、還元剤を貯蔵するためのタンクを示した図である。 還元剤を貯蔵するための本発明により形成されたタンクの概略図である。 結合エレメントを用いた外側容器内への内側容器の取り付けの詳細図である。

発明の実施形態
本発明の実施例を図面に示し、以下に詳しく説明する。
図１には還元剤の貯蔵のためのタンクが示されている。タンク１は外側容器３を有しており、この外側容器３内には内側容器５が収容されている。この内側容器５は、例えば結合エレメントによって外側容器３に固定される。適切な結合エレメントは、例えば結合ナットである。しかし、当業者に知られているその他のあらゆる固定可能性も可能である。内側容器５は圧送モジュール７に結合されている。この圧送モジュール７は、例えば圧送ポンプを有しており、この圧送ポンプによって還元剤が内側容器５から圧送され得る。さらに、圧送モジュール７は加熱エレメント９に接続されている。還元剤が凍結している場合、この加熱エレメント９によって内側容器５内の還元剤が融解され得る。加熱エレメント９は、有利には取出し管路１１を取り囲むように形成されている。加熱エレメント９による取出し管路１１の取り囲みによって、取出し管路１１内に存在しかつ凍結している還元剤がまず融解される。取出し管路１１は、圧送モジュール７内に収容されている圧送ポンプ１３に接続されている。

圧送ポンプ１３には還元剤管路１５が接続されている。この還元剤管路１５は調量装置１７で終わっている。この調量装置１７を用いて、液状の還元剤が、ここでは図示されていないＳＣＲ触媒（Selective Catalytic Reduction）に供給される。このＳＣＲ触媒内では、内燃機関での燃料の燃焼の際に生じかつ排ガスと共に導出される窒素酸化物が還元されて、窒素と水とが形成される。還元剤は、例えば尿素水溶液である。

高温の排ガス内で液状の還元剤は気化し、アンモニアを形成する。このアンモニアはＳＣＲ触媒内に蓄えられる。この、触媒内に蓄えられたアンモニアは、排ガス中に含まれている窒素酸化物を元素の窒素と水蒸気とに変換する。

液状の還元剤の融点未満の温度では、この還元剤は凝固している。凝固過程は外側容器３の壁で始まり、外側容器３の内部へ進行する。液状の還元剤として尿素水溶液が使用される場合、この尿素水溶液は−１１℃〜−４０℃の間の温度で凝固する。この場合、この温度は、どのような凍結防止剤が液状の還元剤に添付されているかまたはどれくらい多くの凍結防止剤が液状の還元剤に添加されているかに関連している。還元剤が完全に凝固するためには、通常数日が必要となる。凝固時の還元剤の体積膨張により、隆起部１９が形成される。凝固過程が外側容器３の壁で始まり内部へ進行するので、隆起部１９が内側容器５を取り囲む。外側容器３内で凝固した還元剤は、図１では符号２１で示されている。

隆起部１９の形成によって外側容器３が破壊されないようにするために、外側容器３は、還元剤の上方に空気室２３が存在する程度にしか満たされていない。隆起部１９の形成によって、空気室２３から空気が押し退けられる。この空気室２３は、還元剤２１の完全な凝固時でも、外側容器３の変形が防がれるように大きく選択される。これにより、空気室２３が、少なくとも還元剤の凝固時の還元剤の膨張分を差し引いた体積をとる。

凝固した還元剤２１が内側容器５の壁２５に接触する程度に外側容器３内の還元剤が凝固した後、内側容器５内の還元剤も凝固し始める。内側容器５内でも凝固過程は壁２５で始まり、内側容器５の中心部に向かって進行する。図１で示された実施形態では、内側容器５内の還元剤の一部が既に凝固している。この内側容器５内の凝固した還元剤は符号２７で示されている。還元剤はまだ完全に凝固していないので、液状の還元剤２９も内側容器５内に存在する。凝固過程が内側容器５の壁２５で始まるので、液状の還元剤２９は、凝固した還元剤２７によって取り囲まれている。内側容器５内の液状の還元剤２９がさらに凝固すると、凝固した還元剤２７と液状の還元剤２９との間の相境界３１がさらに上方にかつ中心部に移動する。還元剤の体積膨張に基づき、次いで内側容器５内にも隆起部が形成される。この理由から、内側容器５の破損を回避するために、内側容器５内にエアクッション３３が含まれていることが同様に必要となる。内側容器５内の還元剤の凝固によって加熱エレメント９が破損されないようにするために、内側容器５は、有利には圧送ユニット７に剛性的に結合されている。

内側容器５は、ここでは外側容器３に固く結合されている。外側容器３内での内側容器５の運動は不可能である。外側容器３が過剰に満たされており、エアクッション２３が過度に小さいと、外側容器３の壁が凝固した還元剤によって外向きに押圧される。これにより、外側容器３に破損が発生し得る。

図２では、軸方向に移動可能な内側容器を備えた、本発明により形成されたタンクが示されている。

本発明により形成されたタンク１は、外側容器３内に収容されている内側容器５を同様に有している。この内側容器５は、圧送モジュールに結合されており、これにより、機能ユニットが形成されている。内側容器５と圧送モジュール７との結合部は、当業者に知られており、それ故、ここでは概略的にしか図示されていない。

本発明によれば、内側タンク５は、軸線３７に対して軸方向に可動な支承装置３５で外側容器３内に収容されている。外側容器３内の還元剤が凝固ひいては膨張するやいなや、圧送モジュール７に結合して機能ユニットを形成する内側容器５が、軸方向で外側容器３から押し出される。したがって、外側容器３が過剰に満たされていて、エアクッションが過度に小さい場合でも、外側容器３が還元剤の凝固時に破損されることが回避される。

軸方向に可動な支承装置３５としては、当業者に知られている支承装置が適している。内側容器５が、外側容器３の内側で、例えば外側から加えられた力に基づき運動し始めることを阻止するために、内側容器５は外側容器３に弾性的に結合されている。内側容器５と外側容器３との結合は、例えば図２に示したようにばねエレメント３９によって行われる。このばねエレメント３９は、内側容器５の底部４１と外側容器３の床部４３との間に取り付けられている。内側容器５が振動し始めることを阻止するためには、ばねエレメント３９が十分に高いばね定数を有していることが必要である。ばねエレメント３９としては、例えばエラストマから成るバッファが適している。

外側容器３内での内側容器５の運動は、本発明により形成されたタンク１が自動車に使用される場合に付与される。自動車が発進するやいなや、道路の凹凸が自動車ひいてはタンク１にも伝達される。外側容器３と内側容器５との互いに異なる質量に基づき、この外側容器３と内側容器５とが互いに異なる程度に加速させられ、これにより、車両の運動に基づき外側容器３と内側容器５の間に相対運動が生じる。この内側容器５と外側容器３の間の相対運動は、ばねエレメント３９によって低減されるかまたは有利には完全に回避される。

軸方向に可動な支承装置３５は、有利には液密となるように形成されている。こうして、液状の還元剤が外側容器３から周辺に流出し得ることが回避される。

軸方向に可動な支承装置３５に対する実施例は図３に示されている。

図３に示された実施例では、内側容器５と圧送モジュール７とを有する機能ユニット４５が、結合エレメント４７を用いて外側容器３に取り付けられている。このために、外側容器３にはスリーブ状の延長部４９が形成されており、この延長部４９には雄ねじ山５１が形成されている。スリーブ状の延長部４９は開口部５４を取り囲んでおり、この開口部５４内には機能ユニット４５が押し込まれる。機能ユニット４５を外側容器３に対して位置決めするために、機能ユニット４５には肩部５３が形成されている。ここでは結合ナットとして形成されていて、スリーブ状の延長部４９に設けられた雄ねじ山５１に螺合される結合エレメント４７は、肩部５３に作用し、機能ユニット４５を外側容器３に対して位置決めする。シールのために、スリーブ状の延長部４９と機能ユニット４５との間に弾性的なシールエレメント５５が収容されている。このシールエレメント５５は、有利には異形成形されている。この異形成形に基づき、シールエレメント５５は半径方向に弾性的である。シールエレメント５５は、スリーブ状の延長部４９と機能ユニット４５との間に半径方向の適度なプリロード下で組み付けられる。このことは、１つには軸線３７に対する外側容器３内での機能ユニット４５の軸方向の移動を可能とし、もう１つには機能ユニット４５と外側容器３との間にシールも付与されており、これにより還元剤が外側容器３から周辺に流出し得ない。

有利な実施形態では、シールエレメント５５がつば５７を有している。このつば５７は肩部５３に載置していて、こうして、軸方向の付加的なシールを保証している。外側容器３内での機能ユニット４５の軸方向の移動が可能となるようにするためには、しかしながら、つば５７が極めて弾性的であることが必要となる。このことは、例えば著しい異形成形によって保証され得る。つば５７の別の役割は、シールエレメント５５を軸方向に可動な支承装置内に軸方向で位置決めすることである。この支承装置３５は、スリーブ状の延長部４９と、この延長部４９内に収容された機能ユニット４５とによって形成される。肩部５３と結合エレメント４７との間の十分に大きな間隔は、結合エレメント４７がストッパ５９に当て付けられることによって得られる。このストッパ５９は、例えばスリーブ状の延長部４９における端面として形成されている。

ここで示された実施形態ではエラストマ部材として形成されているばねエレメント３９によって、機能ユニット４５が、外側容器３の底部に起立するまで外側容器３内に降下することが回避される。ばねエレメント３９によって、内側容器５の底部４１と外側容器３の底部４３との間の間隔が調節される。同様に、ばねエレメント３９の高さによって、肩部５３と結合エレメント４７との間の間隔が調節される。

いま、外側容器３内の還元剤が凝固し始めると、所定の力が外側容器３に作用する。このことは矢印６１で示されている。外側容器３に作用する力６１によって、外側容器３の外壁が外方に押圧される。軸方向に可動な支承装置３５によって、この上方に向けられた変形が吸収され得る。タンク１の破損が阻止される。外側容器３の外壁の変形時でも、機能ユニット４５は位置保持される。これにより、機能ユニット４５を例えば車両ボディーに接続する管路と装置とが負荷されない。結合エレメント４７がシールエレメント５５のつば５７から持ち上がっても問題はない。なぜならば、外側容器３内の還元剤が凍結している場合には、液体に対するシールが不要となるからである。還元剤が再び融解するやいなや、結合エレメント４７は再びつば５７に降下し、このつば５７による軸方向のシールが再び行われる。ばねエレメント３９によっても、外側容器３の底部４３が機能ユニット４５に対して運動させられる場合に、機能ユニット４５を位置保持することができる。機能ユニット４５が外側容器３の底部４３に剛性的に結合されていると、機能ユニット４５が車両ボディーに対して運動させられ、これにより破損が生じる恐れもある。

１ タンク、 ３ 外側容器、 ５ 内側容器、 ７ 圧送モジュール、 ９ 加熱エレメント、 １１ 取出し管路、 １３ 圧送ポンプ、 １５ 還元剤管路、 １７ 調量装置、 １９ 隆起部、 ２１ 凝固した還元剤、 ２３ 空気室、 ２５ 壁、 ２７ 凝固した還元剤、 ２９ 液状の還元剤、 ３１ 相境界、 ３３ エアクッション、 ３５ 支承装置、 ３７ 軸線、 ３９ ばねエレメント、 ４１ 底部、 ４３ 底部、 ４５ 機能ユニット、 ４７ 結合エレメント、 ４９ 延長部、 ５１ 雄ねじ、 ５３ 肩部、 ５４ 開口部、 ５５ シールエレメント、 ５７ つば、 ５９ ストッパ、 ６１ 矢印

Claims (9)

1. 還元剤、特に内燃機関の排ガスからの窒素酸化物を還元して窒素と水とを形成するための液状の還元剤を貯蔵するためのタンクであって、当該タンクが外側容器（３）を有しており、該外側容器（３）内に内側容器（５）が収容されている形式のものにおいて、内側容器（５）が、外側容器（３）の軸線（３７）に対して軸方向に移動可能な支承装置（３５）で外側容器（３）内に収容されており、支承装置（３５）での内側容器（５）の移動によって、外側容器（３）内の体積が変化させられるように内側容器（５）が支承されており、内側容器（５）が外側容器（３）を越えて突出するように、内側容器（５）が、外側容器（３）に設けられた開口部（５４）内に収容されていることを特徴とする、還元剤を貯蔵するためのタンク。
2. 内側容器（５）と外側容器（３）との間にばねエレメント（３９）が取り付けられている、請求項１記載のタンク。
3. ばねエレメント（３９）が、一方の側で内側容器（５）の底部（４１）に支持されていて、他方の側で外側容器（３）の底部（４３）に支持されている、請求項２記載のタンク。
4. ばねエレメント（３９）がエラストマから製造されている、請求項２または３記載のタンク。
5. 内側容器（５）に肩部（５３）が形成されており、該肩部（５３）に、外側容器（３）に摩擦接続的にまたは形状接続的に結合されている結合エレメント（４７）が作用している、請求項１から４までのいずれか１項記載のタンク。
6. 内側容器（５）と外側容器（３）との間で、内側容器（５）が外側容器（３）を越えて突出する軸方向の支承装置の領域に、弾性的なシールエレメント（５５）が収容されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のタンク。
7. 内側容器（５）が、圧送モジュール（７）に結合されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のタンク
8. 圧送モジュール（７）が、外側容器（３）の外部に位置決めされているように内側容器（５）に結合されている、請求項７記載のタンク。
9. 内側容器（５）内に加熱エレメント（９）が収容されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のタンク。

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