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Stand der Technik
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DE 101 39 139 A1 bezieht sich auf ein Dosiersystem zur Dosierung eines Reduktionsmittels für eine Abgasnachbehandlung. Bei dem Reduktionsmittel handelt es sich insbesondere um Harnstoff bzw. Harnstoffswasserlösung. Diese dient der Reduktion von in dem Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxiden. Es ist eine Fördereinrichtung zur Beförderung des Reduktionsmittels von einem Vorratsbehälter zu einem das Abgas führenden Abgasrohr vorgesehen. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung zur Dosierung eine Zumesseinrichtung zur dosierten Zufuhr des Reduktionsmittels in das Abgasrohr, wobei die Fördereinrichtung eine Pumpe und die Zumesseinrichtung ein Dosierventil mit einem Austrittselement enthält. Die Zumesseinrichtung ist eingerichtet zur Befestigung nahe oder am Abgasrohr, so dass das Austrittselement in das Abgasrohr hineinragen kann und die Fördereinrichtung derart eingerichtet ist, dass diese am oder im Vorratsbehälter befestigt ist. Die Fördereinrichtung und die Zumesseinrichtung bilden voneinander getrennte über eine Verbindungsleitung verbundene Module.
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DE 10 2004 051 746 A1 bezieht sich auf ein Tankmodul für ein Reduktionsmittel und ein Dosiersystem. Gemäß dieser Lösung ist ein Tankmodulgehäuse vorgesehen, wobei innerhalb einer Tankkammer des Tankmodulgehäuses ein Dosiersystem zur Dosierung eines Reduktionsmittels in ein Abgassystem angeordnet ist. Das Dosiersystem ist gemäß dieser Lösung als ein kompaktes Einbaumodul ausgestaltet.
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DE 10 2006 027 487 A1 betrifft einen Fahrzeugtank für ein flüssiges Reduktionsmittel, insbesondere für eine Harnstofflösung. Der Fahrzeugtank zur Aufnahme einer wässrigen Harnstofflösung zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas von Brennkraftmaschinen ist aus Kunststoff gefertigt. Der Fahrzeugtank weist in vorteilhafter Weise eine Funktionseinheit auf, die mindestens eine Pumpe, mindestens ein Druckregelventil, mindestens einen Innenbehälter mit integrierter elektrischer Heizung sowie mindestens einer Saugleitung umfasst. Die Funktionseinheit ist in vorteilhafter Weise in einer Öffnung im Tank eingesetzt und dichtet diesen deckelartig ab.
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Das Reduktionsmittel, das im Wege des SCR-Verfahrens eingesetzt wird (SCR = Selective Catalytic Reduction) gefriert je nach zugesetztem Antifrostmittel zwischen -11°C und -40°C. Da auch bei tiefen Temperaturen die Schadstoffe der Verbrennungskraftmaschine zu reduzieren sind, ist das Reduktionsmittel gegebenenfalls aufzutauen. Dazu befindet sich innerhalb des Reduktionsmitteltanks eine Heizung. Bei Personenkraftwagen hat sich im Gegensatz zu Nutzfahrzeuganwendungen eine elektrische Heizung durchgesetzt, während bei Nutzfahrzeuganwendungen die Heizung des Tanks über das Kühlwasser erfolgt.
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Die elektrische Beheizung des Tanks einer Abgasnachbehandlungsanlage unter Verwendung von wässriger Harnstofflösung aus Reduktionsmittel erfordert ein effizientes Heiz- bzw. Auftaukonzept. Dies ist umso wichtiger, da von der Bordelektrik nur eine begrenzte elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden kann. Die gesetzlichen Bestimmungen erfordern ein rasches Auftauen einer begrenzten Reduktionsmittelmenge. Eine elektrische Heizung wird innerhalb des Tanks in einem Teilbehälter positioniert. Die Wände dieses Teilbehälters, der aus Kunststoff gefertigt ist, stellen gewissermaßen eine thermische Isolierung des Teilbehälters zur gefrorenen Flüssigkeit des Gesamttanks dar. Da diese Lösung überdies die Konvektion des über die Heizung aufgetauten Reduktionsmittels auf den Teilbehälter beschränkt, wird dieser weit vor dem Gesamttank auftauen. Beim Gefrieren dehnt sich das Reduktionsmittel um ca. 10% aus. Diese Volumenausdehnung darf das Tanksystem nicht schädigen, d.h. das System ist so zu konfigurieren, dass es dem sich aufbauenden Eisdruck widerstehen kann. Hinsichtlich des Tanks ist dieser so zu dimensionieren, dass ein Ausdehnungsvolumen von bis zu 3 Liter aufgenommen werden könnte. Nicht alle in Personenkraftwagen eingesetzten Tanks haben eine ideale Einbausituation hinsichtlich der für die Eisdruckfestigkeit optimierten Form, manche Einbausituationen im Fahrzeug führen zu sehr ungünstigen Tankgeometrien. Unter ungünstiger Tankgeometrie ist im vorliegenden Zusammenhang eine Geometrie gemeint, bei der die im Tank bevorratete Flüssigkeit der kalten Umgebung eine sehr große Angriffsfläche bietet, wobei ein isolierender Luftraum relativ klein dimensioniert ist. Hinsichtlich der Anforderungen an die Eisdruckfähigkeit eines solchen Tanks ist der isolierende Luftraum zu kleinflächig. Der Tank wird zunächst an der Außenwand gefrieren und es wird somit in der Mitte des Tanks eine flüssige Blase verbleiben, die beim Durchfrieren schließlich aufgrund ihrer Expansion zu einem Zerstören des Tanksystems führen wird.
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Die Beeinflussung des Einfrierverhaltens eines Tanks bzw. der in diesem bevorrateten Flüssigkeit über eine zusätzliche Isolierung auf der Außenseite des Tanks ist eine wirksame Maßnahme, jedoch häufig aus Bauraumgründen nicht möglich.
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Die
DE 10 2006 046 901 A1 beschreibt einen Tank zur Bevorratung eines Reduktionsmittels mit einem beweglichen gelagerten Innenbehälter.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine sich beim Gefrieren eines Tankinhaltes ergebende Flüssigkeitsblase, durch konstruktive Maßnahmen mit einem für den Tank hinsichtlich seiner Festigkeit unkritischen Bereich zu verbinden. Bei diesem Bereich handelt es sich insbesondere um einen an der Oberseite eines Tanks oder eines in den Teilbehälter eines Tanks ergebenden Luftraum. Dieser Luftraum ist so zu dimensionieren, dass er das Expansionsvolumen der verbleibenden durchfrierenden Flüssigkeitsblase aufnehmen kann, ohne dass die Tankwandung bzw. Einbauten im Tank Schaden nehmen können.
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Bei Tanks, die wässrige Harnstofflösung zur Abgasnachbehandlung aufnehmen, wird in einigen Ausführungsvarianten ein Teilbehälter eingebaut, der über mindestens eine Zulaufbohrung vom Haupttank aus gespeist wird. Erfolgt das Einfrieren des im Haupttank bevorrateten Flüssigkeitsvolumens wie oben stehend erwähnt weitflächig beginnend von der Außenseite des Tanks ausgehend, so bildet sich im Inneren eine Flüssigkeitsblase, die sich beim Erstarren über die Zulaufbohrung in den Teilbehälter ausdehnt. In diesem Falle fungiert die Wandung des Teilbehälters, der in der Regel als Kunststoffeinsatz gefertigt wird, als Isolierung des Teilbehälterinhaltes gegenüber dem übrigen Tankinhalt. Aus diesem Grund wird der Inhalt des Teilbehälters später gefrieren und das Expansionsvolumen der zuvor erwähnten Flüssigkeitsblase wird sich über die Zulaufbohrung und den noch nicht komplett gefrorenen Inhalt des Teilbehälters in den Luftraum oberhalb des Teilbehälters hin ausdehnen. Erfindungsgemäß wird dieser Luftraum so dimensioniert, dass er das Expansionsvolumen der gefrierenden Flüssigkeitsblase aufnehmen kann.
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Die Verbindung zwischen der Flüssigkeitsblase, die sich in der Regel im Zentrum des Tanks ausbilden wird, vorausgesetzt ein Gefrieren des im Tank bevorrateten Mediums erfolgt gleichzeitig von der Außenseite her, erfolgt über ein mit ein oder mehreren Öffnungen am Umfang versehenem leicht flexibel ausgebildetem Kunststoffrohr, welches die Flüssigkeitsblase mit dem verbleibenden Luftraum verbindet. Über die Öffnung in der Mantelfläche des aus Kunststoff gefertigten, flexibel und elastisch ausgebildeten Rohres wird die gefrierende Flüssigkeitsblase in den Luftraum im oberen Bereich des Tankes entlastet. Bevorzugt wird das Rohr, welches die Flüssigkeitsblase mit dem Luftvolumen verbindet, aus Kunststoffmaterial gefertigt. Die Wandung des aus Kunststoff gefertigten Rohres stellt eine thermische Isolation der sich im Rohr befindlichen Flüssigkeit gegenüber des restlichen, bereits sehr kalten im Haupttank bevorrateten Mediums dar. Falls erforderlich, kann das flexible aus Kunststoffmaterial gefertigte Rohr mit einem Silikonschaum am Mantel zusätzlich isoliert werden. Aufgrund dieser Isolation wird die Flüssigkeit im Rohr zum Schluss gefrieren, so dass das Expansionsvolumen in den Luftraum entlastet wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Verbindung der Flüssigkeitsblase mit dem Luftraum ein flexibles Rohr eingesetzt wird, welches im Fahrbetrieb des Fahrzeugs schwingen kann. Die Bewegung des Rohres wird die Kristallisation um das Rohr zunächst behindern und sicherstellen, dass im Bereich des mit dem Luftraum in Verbindung stehenden Rohres so lange wie möglich Flüssigphase vorliegt, deren Expansion über den Hohlraum bzw. den Querschnitt des aus flexiblem Kunststoffmaterial gefertigten Rohres in einen oder mehrere Lufträume, die sich an der Oberseite des Tanks befindet, entlastet werden kann.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben. Es zeigt:
- 1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Dosiersystem zur Eindosierung eines Mediums in den Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine,
- 2 eine ungünstige Tankgeometrie mit sich beim Gefrieren des im Tank bevorrateten Medium einstellenden Flüssigkeitsvolumens,
- 3 eine erste Ausführungsvariante einer Verbindung zwischen dem Flüssigkeitsvolumen und einem Luftraum an der Oberseite des Tanks, und
- 4 eine zweite Ausführungsvariante einer Verbindung zwischen einem im Tank von gefrorenem Medium umschlossenen Flüssigkeitsvolumen und dessen Verbindung mit einem Luftraum an der Oberseite des Tanks.
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Ausführungsformen
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Der Darstellung gemäß 1 sind in schematischer Weise die Komponenten eines Dosiersystems zur Eindosierung eines Mediums in den Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine zu entnehmen.
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1 zeigt, dass ein Dosiersystem 10 einen Tank 12 umfasst, in dem ein Medium, insbesondere wässrige Harnstofflösung, zur Beimischung des Abgases eines Abgastrakts einer Verbrennungskraftmaschine bevorratet wird. Der Tank 12 umfasst einen Boden sowie eine Tankwand 14 sowie einen in den Tank 12 eingelassenen Teilbehälter 16. Der Teilbehälter 16 steht über eine Überströmöffnung 38 mit dem Inneren des Tanks 12 bzw. dem dort bevorrateten Flüssigkeitsvolumen in Verbindung. Über eine Pumpe 18 wird Medium aus dem Inneren des Tanks 12 mittels einer Sauglanze 22 angesaugt und über ein hier nur schematisch dargestelltes Dosierventil 20 in den Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingebracht.
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Des Weiteren befindet sich am unteren Ende der Sauglanze 22 eine elektrisch betriebene Heizung 24. Mit Bezugszeichen 26 ist ein Flüssigkeitspegel gekennzeichnet, der sich zwischen dem Flüssigkeitsspiegel im Tank 12 unterhalb einer Tankdecke einstellt. Bezugszeichen 28 deutet Eis an, welches sich bei niedrigen Außentemperaturen ausgehend von der Tankwand 14 im Inneren des Tanks 12 bildet, wobei letztlich im Bereich des Teilbehälters 16 ein verbleibendes Flüssigkeitsvolumen, welches noch nicht durchgefroren ist, und demzufolge Flüssigphase darstellt, verbleibt. Bezugszeichen 29 bezeichnet eine sich beim Durchfrieren des Tankinhalts des Tanks 12 einstellende Volumenvergrößerung.
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2 zeigt eine ungünstige Tankform eines Tanks, welcher ein gefrierendes Medium bevorratet.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführung des Tanks 12 des Dosiersystems 10 bietet die im Tank 12 bevorratete Flüssigkeit der kalten Umgebung eine sehr große Angriffsfläche im Vergleich zu einem isolierenden Luftraum 32 oberhalb des Teilbehälters 16 und einem isolierenden Luftraum 34 an der Oberseite des Tanks 12 selbst. Der Tank 12 wird ausgehend von der Tankwand 14 nach innen durchfrieren, so dass in der Mitte des sich bildenden Eises 28 ein Flüssigkeitsvolumen 36 übrig bleiben wird. Dieses führt beim Gefrieren schließlich aufgrund seiner Expansion zu einer Zerstörung des Tanks 12 mit der Ausführung in 2. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass in den bevorzugt aus Kunststoffmaterial gefertigten Teilbehälter 16 die Sauglanze 22 eingetaucht ist. Am unteren Ende der Sauglanze 22 befindet sich die elektrisch betriebene Heizung 24, über die Sauglanze 22 wird mittels eines als Pumpe 18 ausgebildeten Förderaggregates Flüssigkeitsvolumen zu dem Dosierventil 20 transportiert. Der in 2 dargestellte Tank 12 umfasst den Teilbehälter 16, der über mindestens eine Zulauföffnung 38 vom Tank 12 des Dosiersystems 10 aus gespeist wird. Erfolgt das Einfrieren wie obenstehend erwähnt, weitflächig von der Tankwand 14 nach innen ausgehend, so bildet sich das Flüssigkeitsvolumen 36, welches sich beim Erstarren über die mindestens eine Überströmöffnung 38 in den Teilbehälter 16 des Tanks ausdehnt. Die Wandung des Teilbehälters 16, der bevorzugt aus Kunststoffmaterial gefertigt wird, stellt eine Isolierung des Inhaltes des Teilbehälters 16 gegenüber dem übrigen Tankinhalt des Tankes 12 dar. Aus diesem Grund wird der Inhalt des Teilbehälters 16 später gefrieren und das Expansionsvolumen des Flüssigkeitsvolumens 36 wird sich über die mindestens eine Überströmöffnung 38 und den noch nicht komplett gefrorenen Inhalt des Teilbehälters 16 in den Luftraum 32 oberhalb des Teilbehälters 16 ausdehnen. Dieser Luftraum, d.h. der Luftraum 32 oberhalb des Teilbehälters 16, ist daher so zu dimensionieren, dass dieser das Expansionsvolumen des im Durchfrieren begriffenen Flüssigkeitsvolumen 36 aufnimmt.
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3 zeigt eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung. Die vorliegende Erfindung geht von der Grundüberlegung aus, dass beim Gefrieren im Inneren des Tanks 12 ein Flüssigkeitsvolumen 36 verbleibt, das das Tanksystem, insbesondere den Tank 12, beim Durchfrieren aufgrund der Volumenausdehnung schädigen wird. Die erfindungsgemäße Lösung liegt darin, dass das im Durchfrieren begriffene Flüssigkeitsvolumen 36 durch konstruktive Maßnahmen mit einem für den Tank 12 des Dosiersystems 10 hinsichtlich der Festigkeit unkritischen Bereich umgeleitet bzw. mit diesem Verbunden wird.
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In der Darstellung gemäß 3 weist der Tank 12 des Dosiersystems 10 ebenfalls eine ungünstige Geometrie auf. Diese im vorliegenden Zusammenhang ungünstige Geometrie ist vor allem dadurch charakterisiert, dass das im Tank befindliche Medium der kalten Umgebung eine sehr große Oberfläche anbietet, die durch die Tankwand 14 gegeben ist. Ausgehend von der Tankwand 14 wird das im Tank 12 bevorratete Medium gleichmäßig zum Inneren des Tanks 12 hin durchfrieren. Übrig bleibt im Zentrum des Tanks ein vom Eis 28 umschlossenes Flüssigkeitsvolumen 36, welches beim Durchfrieren aufgrund des Ausdehnungsvolumens den Tank 12 zum Platzen bringen würde, falls keine geeigneten Gegenmaßnahmen getroffen werden.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein mit Öffnungen 46 versehenes leichtbauendes, bevorzugt aus Kunststoffmaterial gefertigtes flexibles Rohr 44 einzusetzen, welches im Tank 12 derart positioniert ist, dass ein Großteil der Öffnungen 46 an der Mantelfläche des Rohres 44 im Bereich des sich im Durchfrieren befindlichen Flüssigkeitsvolumens 36 liegen. Die Mantelfläche des Rohrs 44 wird bevorzugt mit elastischen Bereichen 48 versehen, die einen Querschnitt 50 des Rohres 44 begrenzen. Während sich Bereich des Rohres 44 durch bereits gefrorenes Eis 28 erstrecken, erstreckt sich ein Ende des Rohres 44, an welchem Austrittsöffnungen 52 angeordnet sind, in den Luftraum 34 oberhalb des Tanks 12. Der Luftraum 34 verfügt über eine Tankentlüftung 40; ferner befindet sich an der Oberseite des Luftraumes 44 als Teil der Tankwandung 14 des Tanks 12 ein Zulauf 30, über den das Medium dem Tank 12 zugeleitet wird.
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Über eine Vielzahl von Öffnungen 46, die in der Mantelfläche des Rohres 44 ausgebildet sind, wird das im Gefrieren befindliche Flüssigkeitsvolumen 36 in den Luftraum 34 des Tanks 12 entlastet. Bevorzugt wird das Rohr 44 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Die Kunststoffwandung des Rohres 44 stellt eine thermische Isolation der sich im Querschnitt 50 befindlichen Flüssigkeitsmasse gegenüber dem restlichen, bereits sehr kalten Inhalt des Tanks 12 dar. Falls erforderlich, kann die Mantelfläche des Rohres 44 durch einen Silikonschaum zusätzlich isoliert werden. Aufgrund dieser zusätzlichen Isolation wird die Flüssigkeit, die im Querschnitt 50 des Rohres 44 bevorratet wird, zum Schluss gefrieren und so das Expansionsvolumen über die Ausströmöffnungen 52, die sich im Rohr 44 im Bereich des Luftraumes 34 befinden, in diesen entlasten.
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In vorteilhafter Weise wird das Rohr 44 als flexibles Rohr ausgebildet, da das Rohr während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeuges Schwingungen unterliegt. Die Schwinganregung des Rohrs 44 kann in vorteilhafter Weise dazu ausgenutzt werden, eine Kristallbildung im Flüssigkeitsvolumen 36 an der Mantelfläche des Rohres 44 möglichst weit hinauszuschieben, so dass gewährleistet ist, dass eine Vielzahl von Öffnungen 46 im Rohr 44 mit dem sich beim Einfrieren ergebenden, vom Eis 28 umschlossenen Flüssigkeitsvolumen 36 in Verbindung stehen.
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Der Darstellung gemäß 4 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbindung zwischen einem im Durchfrieren begriffenen Flüssigkeitsvolumen und einem Expansionsraum zu entnehmen.
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Der Darstellung gemäß 4 ist zu entnehmen, dass der dort dargestellte Tank 12 von seiner Tankwand 14 ausgehend durchgefroren ist und Eis 28 das Flüssigkeitsvolumen 36 umschließt. Die Phasengrenze zwischen dem Eis 28 und Flüssigkeitsvolumen 36 ist mit Bezugszeichen 60 bezeichnet, entsprechend der Darstellung gemäß 3. Der Darstellung gemäß 4 ist zu entnehmen, dass die Verbindung 44 in Gestalt eines dickwandiger ausgebildeten Kunststoffrohres sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung in den Innenraum des Tanks 12 erstreckt. Analog zur ersten Ausführungsvariante gemäß 3 wird die Verbindung 44 als Kunststoffrohr ausgeführt, welches in seinem Mantel elastische balgförmig ausgebildete Bereiche 48 umfasst, sowie mindestens zwei Öffnungen 46, die bevorzugt in dem Bereich liegen, in dem sich beim Durchfrieren des Inhalts des Tanks 12 das Flüssigkeitsvolumen 36 befindet. Über die Öffnungen 46 in der Wand der rohrförmig ausgebildeten Verbindung 44 geht das Flüssigkeitsvolumen 36 in Verbindung mit dem Hohlraum 50 der Verbindung 44. Im Unterschied zur in 3 dargestellten Ausführungsvariante befindet sich ein zweiter Luftraum 58 in der Verbindung 44, wobei der zweite Luftraum 58 in der Verbindung 44 von einer Isolation 54 umschlossen ist und mit einer Tankentlüftung 40 versehen ist. Der Tank 12 selbst verfügt über einen ersten Luftraum 56, der ebenfalls mit einer Tankentlüftung 40 versehen ist.
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Bei an der Tankwand 14 bei niedrigen Außentemperaturen einsetzendem Gefrieren des in Tank 12 bevorrateten Mediums kommt es zur Bildung von Eis 28 im Tank 12. Die Eisbildung erfolgt von der Tankwand 14 aus nach innen, bis das Flüssigkeitsvolumen 36 eingeschlossen ist. Mit Bezugszeichen 16 ist die Phasengrenze zwischen dem Flüssigkeitsvolumen 36 und dem festen Eis 28 gekennzeichnet. Bei weiterem Durchfrieren des Flüssigkeitsvolumens 36 dehnt dieses sich durch die mindestens eine Öffnung 46 am Umfang der Verbindung 44 aus und gelangt in den Hohlraum 50. Durch diesen und den zweiten Luftraum 58, der in der Ausführungsvariante gemäß 4 über der Tankdecke liegt, kann sich das Flüssigkeitsvolumen 36 ausdehnen, so dass der Tank 12 nicht zu Schaden kommt. Ein Verdrängen von Luft aus dem zweiten Luftraum 58 erfolgt über die Tankentlüftung 40 ebenso wie ein Verdrängen von Luft aus dem ersten Luftraum 56 ebenfalls über die diesem zugeordnete Tankentlüftung 40 erfolgt. Wenngleich in der Ausführungsvariante gemäß 4 die Verbindung 44 lediglich zwei einander gegenüberliegende Öffnungen 46 aufweist, so ist es selbstverständlich möglich, eine größere Anzahl von Öffnungen 46 in der Verbindung 44 vorzusehen. Die balgförmig ausgebildeten elastischen Bereiche 48 gestatten eine Verformung der Verbindung 44. In 4 sind zwei einander gegenüberliegende Öffnungen 46 in der Wand der Verbindung 44 bevorzugt so angeordnet, dass diese mit Sicherheit innerhalb des Flüssigkeitsvolumens 36 liegen, so dass dessen Expansion in den Hohlraum 50 der Verbindung 44 über die mindestens zwei hier ausgebildeten Öffnungen 46 sichergestellt ist. Die Expansion baut sich gemäß der in 4 dargestellten Lösung im Wesentlichen in vertikale Richtung in den außerhalb des Tanks 12 liegenden zweiten Luftraum 58 ab, der durch eine Isolation 54, z.B. einen Silikonschaum oder dergleichen, nach außen isoliert ist.
