DE102012015768A1

DE102012015768A1 - Kühlanordnung zum Kühlen eines Auslasses einer Dosiereinrichtung

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Publication number: DE102012015768A1
Application number: DE102012015768A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Gerald (BA) Krüger; Dipl.-Ing. Hermann Thomas
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2013-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung (10) zum Kühlen eines Auslasses (18) einer Dosiereinrichtung (12), über welchen eine Reduktionsmittellösung (14) für die Abgasnachbehandlung in eine Abgasleitung (16) eines Fahrzeugs einbringbar ist. Die Kühlanordnung (10) umfasst eine Wärmeaufnahmeeinrichtung, welche zumindest mittelbar mit dem Auslass (18) gekoppelt ist. Hierbei ist die Wärmeaufnahmeeinrichtung als Wärmespeicher (24) ausgebildet ist, welcher ein Wärmespeichervolumen (26) zum Aufnehmen von Abwärme des Auslasses (18) aufweist. Mittels des Wärmespeichervolumens (26) ist ein Temperaturanstieg des Auslasses (18) auf einen vorbestimmten Schwellenwert der Temperatur begrenzbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zum Kühlen eines Auslasses einer Dosiereinrichtung. Über den Auslass ist ein Reduktionsmittel für die Abgasnachbehandlung in eine Abgasleitung eines Fahrzeugs einbringbar. Die Kühlanordnung umfasst eine Wärmeaufnahmeeinrichtung, welche zumindest mittelbar mit dem Auslass gekoppelt ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, über ein Dosiergerät, welches als Auslass eine Dosierspitze aufweist, eine Reduktionsmittellösung, welche in der Abgasnachbehandlung zum Einsatz kommt, etwa eine Harnstoff-Wasser-Lösung, in den Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs zu dosieren. Das Dosiergerät selbst, vor allem aber die Dosierspitze, soll hierbei möglichst keine Temperatur oberhalb von 130°C erreichen, da sonst elektrische Komponenten des Dosiergeräts Schaden nehmen können. Auch kann es bei Temperaturen von über 130°C sein, dass die Harnstoff-Wasser-Lösung in der Dosierspritze chemisch-physikalische Umwandlungen erfährt. Beispielsweise kann der Harnstoff nach dem Verdampfen des Wassers der Lösung schmelzen, und es können sich Zwischenprodukte und Spaltprodukte bilden. Diese können wiederum in der Folge die Funktionstüchtigkeit des Dosiergeräts einschränken oder gar zu einer Zerstörung desselben führen.
Üblicherweise wird das Dosiergerät auf einer Temperatur unterhalb 130°C gehalten, indem die Harnstoff-Wasser-Lösung nach Art einer Umlaufkühlung zu dem Dosiergerät hin und nach dem Aufnehmen von Wärme wieder von dem Dosiergerät weggeführt wird. Es können jedoch Situationen auftreten, in denen diese Umlaufkühlung nicht durchführbar ist.
Aus dem Stand der Technik ist es in diesem Zusammenhang bekannt, die Dospierspitze bzw. das Dosiergerät thermisch von der Abgasleitung zu entkoppeln oder über eine Steuerlogik die Abgastemperatur so lange gering zu halten, bis etwa nach einem Einfrieren der Harnstoff-Wasser-Lösung zumindest eine geringe Menge von für die Kühlung einsetzbarer Lösung zur Verfügung steht.
Des Weiteren beschreibt die DE 199 19 426 C1 ein Dosierventil, welches einen Auslass aufweist, über welchen eine wässrige Harnstofflösung in eine Abgasleitung eingespritzt wird. Zum Kühlen des Auslasses ist ein auch als Heatpipe bezeichnetes Wärmerohr vorgesehen, welches im Bereich des Auslasses einen Ringkanal bildet. Das Wärmerohr führt zu einem Lamellenkühler, von welchem über Wärmestrahlung und konvektiven Wärmetransport Wärme abgeführt wird. Als Nachteil ist hierbei der Umstand anzusehen, dass dennoch die erforderliche Grenztemperatur der Dosierspitze nicht in allen Fällen zuverlässig eingehalten werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine besonders zuverlässige Kühlanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Kühlanordnung umfasst als Wärmeaufnahmeeinrichtung einen Wärmespeicher, welcher ein Wärmespeichervolumen zum Aufnehmen von Abwärme des Auslasses aufweist. Das Wärmespeichervolumen ist hierbei derart bemessen bzw. ausgewählt, dass ein Temperaturanstieg des Auslasses auf einen vorbestimmten Schwellenwert der Temperatur begrenzbar ist. Die Einhaltung der Temperatur des Auslasses, also das Begrenzen des Temperaturanstiegs des Auslasses auf einen Schwellenwert, welcher unterhalb der kritischen Bauteiltemperatur liegt, wird ohne mechanische Bauteile wie Lüfter oder dergleichen und auch ohne elektrische Bauteile realisiert, und zwar durch Abführen der Abwärme des Auslasses in den Wärmespeicher. Hierbei ist das Wärmespeichervolumen des Wärmespeichers so gewählt, dass seine Arbeitstemperatur bzw. sein Arbeitsbereich unterhalb des Schwellenwerts der Temperatur liegt.
Als Wärmespeicher kann ein separates, in Bezug auf die Wärmeaufnahmekapazität geeignet bemessenes Bauteil für die Kühlanordnung vorgesehen sein. Es kann jedoch auch ein ohnehin im Fahrzeug vorgesehenes Bauteil mit entsprechend großer Wärmeaufnahmekapazität vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein insbesondere aus Metall gefertigtes Bauteil vorgesehen sein, welches vorzugsweise mit der Umgebungsluft in ständigem Kontakt steht und somit aufgenommene Wärme an die Umgebung abführen kann. Besonders geeignet sind hierfür etwa ein Kraftstoff- oder ein Drucklufttank, ein Metallträgerbauteil, wie beispielsweise eine Tank- oder Batteriekonsole oder Längs- oder Querträger des Rohbaus. Ein Karosseriebauteil wie eine Seitenwand kann ebenfalls als Wärmespeicher dienen.
Die Dosiereinrichtung kommt vorliegend zum Dosieren von wässriger Harmstofflösung in den Abgasstrang insbesondere eines Nutzfahrzeugs zum Einsatz. Die Dosiervorrichtung kann jedoch auch zum Dosieren von Kraftstoff in den Abgasstrang des Fahrzeugs vorgesehen sein.
Die Kühlanordnung ist insbesondere in Situationen zweckmäßig, in welchen nach dem Abstellen des Fahrzeugs eine vorgesehene Reduktionsmittel-Umlaufkühlung oder eine separate Wasserkühlung nicht nachläuft. Dies ist beispielsweise bei einem Fahrzeug der Fall, welches als Gefahrgut-Transportfahrzeug ausgebildet ist. Hier werden nämlich nach dem Abstellen desselben auch Steuergeräte außer Betrieb genommen, welche bei anderen Fahrzeugen die Aufrechterhaltung der Nachlaufkühlung gewährleisten. Bei einem solchen Gefahrgut-Transportfahrzeug oder ADR-Fahrzeug ist nun eine Situation denkbar, in welcher die abgasführenden Bauteile auf Betriebstemperatur, also durchgewärmt sind, wenn das Fahrzeug komplett abgestellt, also stromlos geschaltet wird. Die Nachlaufkühlung ist dann unterbunden. Die Reduktionsmittellösung im Bereich des Auslasses hat zunächst noch aufgrund der vorherigen Umlaufkühlung eine Temperatur von beispielsweise 60°C bis 70°C.
Aufgrund eines Wärmeeintrags, welcher durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung der umliegenden Abgas führenden Bauteile und den Wegfall der Umlaufkühlung bedingt ist, könnte es nun zu einem Ansteigen der Temperatur des Auslasses kommen. Jedoch sorgt der Wärmespeicher dafür, dass die vom Auslass abgeführte Wärme von diesem aufgenommen und gegebenenfalls an die Umgebung abgegeben wird. So steigt die Temperatur des Auslasses zunächst gar nicht und dann erst langsam weiter an. Der Wärmespeicher oder Wärmepuffer weist eine hohe spezifische Wärmekapazität auf und ausreichend gute Wärmeleiteigenschaften, um die Wärme im Wärmespeicher schnell und gleichmäßig zu verteilen.
Im vorangehenden Kühlbetrieb, also bei laufender Umlauf- oder Wasserkühlung, hat der Wärmespeicher etwa die gleiche Temperatur wie der gekühlte Auslass. Fällt jedoch die Kühlung weg und steigt infolgedessen die Temperatur durch Wärmeeintrag an, so nimmt der Wärmespeicher diese Wärme auf. Über die gesamte Kühlanordnung betrachtet steigt damit die Temperatur nur langsam an, und der Wärmespeicher ist so dimensioniert bzw. gewählt, dass die Temperatur unterhalb des vorbestimmten Schwellenwerts der Temperatur verbleibt. Dies ist leicht realisierbar, da sich auch die warmen Bauteile der Abgasanlage nicht weiter erwärmen, sondern sich deren Temperatur an die Umgebungstemperatur angleicht. Anschließend kühlt dann der Auslass zusammen mit dem Wärmespeicher über einen längeren Zeitraum langsam ab, wobei der Wärmestrom dann sogar wieder von dem Wärmespeicher hin zum Auslass gerichtet sein kann.
Eine andere Situation, in welcher die Kühlanordnung ein besonders zuverlässiges Kühlen des Auslasses gewährleistet, ist der eines Kaltstarts bei einer Umgebungstemperatur, welche unterhalb des Gefrierpunkts der Reduktionsmittellösung liegt. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das Fahrzeug als Pistenfahrzeug ausgebildet ist. Hier sind dann alle Fahrzeugteile durchgekühlt, der Motor wird gestartet und läuft unter Leistungsabnahme. Infolgedessen steigt die Temperatur des Abgases innerhalb kurzer Zeit stark an. Solange jedoch die Reduktionsmittellösung innerhalb von Leitungen und eines Reduktionsmitteltanks gefroren ist, kann die Umlauf- oder Wasserkühlung nicht zum Kühlen des Auslasses beitragen. In diesem Fall wird ebenfalls die Abwärme des Auslasses auf den Wärmespeicher übertragen. Da dieser aufgrund der niedrigen Außentemperatur ebenfalls sehr stark gekühlt ist, lässt sich eine relativ große Wärmemenge speichern, bis die Temperatur im Bereich des Auslasses in einen kritischen Bereich gelangt, also in einen Bereich oberhalb des vorbestimmten Schwellenwerts der Temperatur. Durch die entsprechende Dimensionierung des Wärmespeichers kann somit die Zeit überbrückt werden, bis die Umlauf- oder Wasserkühlung wieder für das Kühlen des Auslasses sorgt. Im anschließenden Betrieb der Kühlung stellt sich dann in der Kühlanordnung vom Auslass bis zum Wärmespeicher die mittels der Umlaufkühlung erzielbare Temperatur ein.
Der Wärmespeicher kann direkt mit dem Auslass in Anlage sein, so dass eine im Hinblick auf die Wärmeleitwiderstände und den Bauraum besonders günstige Anordnung erreichbar ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Wärmespeicher als Latentwärmespeicher ausgebildet ist, welcher ein Phasenwechselmaterial aufweist, über welches Wärme aufgenommen wird, ohne dass sich zunächst die Temperatur des Latentwärmespeichers erhöht. Vielmehr führt die aufgenommene Wärme zu einem Phasenübergang des Phasenwechselmaterials.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch der Wärmespeicher mit dem Auslass über wenigstens ein Wärmerohr Wärme leitend verbunden, welches ein im Bereich des Auslasses infolge des Betriebs der Abgasleitung verdampfbares und im Bereich des Wärmespeichers kondensierbares Medium enthält. Solche Wärmerohre werden auch als Heatpipes bezeichnet, für welche sich Arbeitstemperaturen von etwa 70°C einstellen lassen, etwa indem Wasser als Medium verwendet wird, jedoch die Wärmerohre vor dem Versiegeln vakuumiert werden. Das Wärmerohr nutzt die Verdampfungswärme des Mediums und erlaubt eine hohe Wärmestromdichte, also den Transport einer großen Menge an Wärme auf kleiner Querschnittsfläche. Zudem ist zur Umwälzung des Mediums in dem Wärmerohr keine Hilfsenergie etwa für eine Pumpe notwendig.
Es können insbesondere Heatpipes mit Wasser als Wärmetransportfluid zum Einsatz kommen, deren Arbeitspunkt bei 50°C bis 70°C liegt, und welche eine Temperaturfestigkeit in einem Temperaturbereich von 200°C bis 250°C aufweisen. Es können jedoch auch andere Medien als Wasser zum Einsatz kommen. Als Mantelmaterial kann Kupfer, Aluminium und/oder Edelstahl vorgesehen sein.
Durch derartige Wärmerohre kann besonders gut die Abwärme des Auslasses hin zu dem Wärmespeicher geleitet werden, welcher dann besonders gut vor Wärmeleitung oder Wärmeabstrahlung heißer Bauteile des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder der Abgasanlage geschützt angeordnet werden kann. Der Wärmespeicher befindet sich dann also in einer Umgebung, in welcher vergleichsweise moderate Temperaturen vorliegen.
Das Wärmerohr kann direkt mit dem Auslass gekoppelt sein, etwa indem ein Fußbereich des Auslasses eine Aussparung aufweist, in welche ein Endbereich des Wärmerohrs eingeführt ist.
Günstig ist es jedoch auch, wenn die bestehende Dosiereinrichtung einfach nachgerüstet werden kann. Hierfür ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein den Auslass umgreifendes Anschlussstück vorgesehen, an welchem das wenigstens eine Wärmerohr angeordnet ist. Das Anschlussstück kann insbesondere aus Kupfer, Edelstahl und/oder aus Aluminium gebildet sein. Die genannten Metalle weisen nämlich eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Edelstahl ist aufgrund der Korrosionsbeständigkeit vorteilhaft. Zwischen das Anschlussstück und den Auslass kann eine Wärmeleitpaste eingebracht sein.
Das Anschlussstück kann besonders gut an die jeweiligen Bauraumverhältnisse angepasst bereitgestellt werden. Die optionale Wärmeleitpaste zwischen der undefinierten Oberfläche des beispielsweise als Gussbauteil ausgebildeten Auslasses und dem Anschlussstück dient einer Verbesserung der Wärmeübertragung. Auch zwischen dem Anschlussstück und den Endbereichen der Wärmerohre sorgt bevorzugt eine Wärmeleitpaste für einen besonders guten Wärmeübergang. Bevorzugt ist eine entsprechende temperaturfeste Wärmeleitpaste vorgesehen.
Das wenigstens eine Wärmerohr kann insbesondere durch ein Abschirmelement hindurchgeführt sein, von welchem der Wärmespeicher beabstandet ist. So ist besonders sicher eine Beaufschlagung des Wärmespeichers mit Wärme der Abgasleitung vermieden.
Der Wärmespeicher kann als Flüssigkeitstank oder als Festkörper ausgebildet sein. So lässt sich besonders gut das zum Begrenzen des Temperaturanstiegs auf den vorbestimmten Schwellenwert vorzusehende Wärmespeichervolumen bereitstellen. Bei dem als Flüssigkeitstank oder Festkörper ausgebildeten Wärmespeicher erhöht sich die Temperatur nur langsam und verlängert dadurch die Zeitspanne, bis eine kritische Temperatur des Auslasses erreicht ist.
Bei einer Ausbildung des Wärmespeichers als Festkörper kann dieser insbesondere aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer, gebildet sein. Ein solcher Kupferblock zeichnet sich nämlich durch eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Wärmekapazität aus. Wenn an dem Wärmespeicher zusätzlich seine Oberfläche vergrößernde Rippen vorgesehen sind, so kann dies durch Wärmeabstrahlung zu einem vorteilhaften Verringern der Temperatur des Wärmespeichers führen.
Der Wärmespeicher kann jedoch auch als Latentwärmespeicher ausgebildet sein, welcher als Phasenwechselmaterial insbesondere ein Paraffin und/oder ein Salzhydrat und/oder einen Zuckeralkohol aufweist. Die Wärmekapazität wird hierbei nicht nur durch die Masse des Wärmespeichers und dessen spezifische Wärmekapazität bestimmt. Vielmehr dient auch die Phasenübergangsenthalpie, insbesondere Schmelzenthalpie, des Phasenwechselmaterials dem Aufnehmen von Wärme ohne eine Temperaturerhöhung des Latentwärmespeichers. Erst nach erfolgtem Phasenübergang erhöht sich auch dessen Temperatur.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 schematisch eine Kühlanordnung, bei welcher von einem Dosiergerät zum Dosieren einer Harnstoff-Wasser-Lösung in eine Abgasleitung eines Fahrzeugs ein Wärmerohr zu einem Wärmespeicher führt;
2 die Temperaturverhältnisse auf Seiten des Dosiergeräts und auf Seiten des Wärmespeichers bei laufender Umlaufkühlung des Dosiergeräts;
3 den Wärmefluss bei ausgeschalteter Umlaufkühlung;
4 in einer Explosionsdarstellung das Dosiergerät mit einem Anschlussstück, welches zum Umgreifen des Auslasses und zum Aufnehmen eines Endbereichs des Wärmerohrs ausgebildet ist;
5 die in 4 gezeigten Komponenten in verbautem Zustand;
6 in einer weiteren Explosionsdarstellung das Dosiergerät mit einem alternativen Anschlussstück, welches zum Umgreifen des Auslasses und zum Aufnehmen eines jeweiligen Endbereichs zweier Wärmerohre ausgebildet ist;
7 die Komponenten gemäß 6 in verbautem Zustand;
8 eine Variante, bei welcher das Wärmerohr direkt in einen Fußbereich des Dosiergeräts integriert ist;
9 den in einem Latentwärmespeicher eingebrachten weiteren Endbereich des Wärmerohrs in einer schematischen Perspektivansicht;
10 den Latentwärmespeicher gemäß 9 mit dem in diesen hineinragenden Wärmerohr in einer Schnittansicht; und
11 eine Variante, bei welcher der Latentwärmespeicher direkt an einer Dosierspitze des Dosiergeräts angeordnet ist.
Eine in 1 gezeigte Kühlanordnung 10 umfasst ein Dosiergerät 12, welches dem Eindosieren einer Harnstoff-Wasser-Lösung 14 in eine Abgasleitung 16 eines Fahrzeugs dient. In dem Abgas, welches die Abgasleitung 16 durchströmt, wird aus dem Harnstoff Ammoniak gebildet, welcher in einem nachgeschalteten (vorliegend nicht gezeigten) SCR-Katalysator (SCR = selektive catalytic reduction, selektive katalytische Reduktion) in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion im Abgas enthaltene Stickoxide zu Stickstoff und Wasser umsetzt.
Das Reduktionsmittel in Form der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 wird in das Abgas über eine als Auslass dienende Dosierspitze 18 eingebracht. Um diese Dosierspitze 18 zu kühlen, wird das Dosiergerät 12 über einen Zulaufkanal 20 mit der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 oder mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagt, welche über einen Ablaufkanal 22 wieder von dem Dosiergerät 12 abgeführt wird. Damit diese Umlaufkühlung 14 funktioniert, muss jedoch eine Pumpe betrieben werden. Dies kann nicht gewährleistet werden, wenn bei einem als Gefahrgut-Transportfahrzeug ausgebildeten Fahrzeug nach dem Abstellen desselben ein Steuergerät außer Betrieb genommen wird, welches die Pumpe ansteuert. Ebenso kann es sein, dass bei sehr kalten Umgebungstemperaturen noch keine flüssige Harnstoff-Wasser-Lösung 14 vorliegt, welche für die Umlaufkühlung genutzt werden kann.
Um in solchen Fällen ein Überhitzen der Dosierspitze 18 zu verhindern, wird vorliegend die Abwärme der Dosierspitze 18 einem Wärmespeicher 24 zugeführt. Dieser Wärmespeicher 24 weist ein Wärmespeichervolumen 26 auf, welches derart dimensioniert ist, dass die Temperatur der Dosierspitze 18 einen Schwellenwert von beispielsweise 130°C nicht übersteigt.
Von der Dosierspitze 18 führt zu dem Wärmespeicher 24 ein Wärmerohr oder Wärmeleitrohr, welches auch als Heatpipe 28 bezeichnet wird. In einem solchen Wärmerohr verdampft ein Medium, etwa Wasser, im Bereich der Dosierspitze 18. Unter Wärmeabgabe an den Wärmespeicher 24 kondensiert dieses Medium wieder im Bereich des Wärmespeichers 24. Bevorzugt ist die in 1 gezeigte Heatpipe 28 durch ein Abschirmblech 30 hindurchgeführt, auf dessen der Abgasleitung 16 abgewandter Seite der Wärmespeicher 24 angeordnet ist. Hierbei ist der Wärmespeicher 24 bevorzugt von dem Abschirmblech 30 beabstandet.
Die Heatpipe 28 kann mit der Dosierspitze 18 über ein Anschlussstück 32 Wärme leitend gekoppelt sein, welches die im Querschnitt üblicherweise runde Dosierspitze 18 nach Art einer Manschette umfangsseitig umgreift (vgl. 4 bis 7).
2 veranschaulicht die Wärmeflüsse und Temperaturverhältnisse bei sich im Betrieb befindender Umlaufkühlung. Über das Abgas wird kontinuierlich eine Wärmemenge Q in das Dosiergerät 12 eingetragen, wie dies in 2 durch einen Pfeil 34 veranschaulicht ist. Diese Wärme wird zum Teil über die Umlaufkühlung abgeführt, wobei der entsprechende Wärmestrom Q_u durch einen weiteren Pfeil 36 veranschaulicht ist. Über die Heatpipe 28 wird Wärme hin zum Wärmespeicher 24 transportiert, welcher über Wärmestrahlung 38 Wärme an die Umgebung abgibt. In der Folge ist die Temperatur T₁ im Bereich der Dosiereinrichtung der Temperatur T₂ im Bereich des Wärmespeichers 24 im Wesentlichen gleich.
3 veranschaulicht den Zustand bei ausgeschalteter Umlaufkühlung. Hierbei steigt durch fortwährenden Wärmeeintrag aus dem Abgas die Temperatur T₁ auf Seiten des Dosiergeräts 12 an. Infolgedessen findet eine Wärmeleitung über die Heatpipe 28 hin zum Wärmespeicher 24 statt. Der Wärmespeicher 24 nimmt die von dem Dosiergerät 12, insbesondere von dessen Dosierspitze 18 abgeführte Wärme auf. Dies erfolgt so lange bis ebenfalls die Temperatur T₁ auf Seiten des Dosiergeräts 12 der Temperatur T₂ auf Seiten des Wärmespeichers 24 gleich ist. Hierbei ist das Wärmespeichervolumen 26 des Wärmespeichers 24 so bemessen, dass die Temperatur T₂ geringer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert der Temperatur, welchen die Dosierspitze 18 nicht überschreiten sollte, etwa geringer als der Wert von 130°C.
In 4 ist das Dosiergerät 12 mit seiner Dosierspitze 18 perspektivisch gezeigt, ebenso wie das Anschlussstück 32, welches die Dosierspitze 18 nach Art einer Manschette umgreift (vgl. 5). Das Anschlussstück 32 weist eine Aussparung 40 auf, in welche ein Endbereich 42 der Heatpipe 28 eingeführt wird. Zudem weist das Anschlussstück 32 einen Schlitz 44 auf, welcher ein Aufweiten des Anschlussstücks 42 beim Herumlegen desselben um die Dosierspitze 18 ermöglicht. Im Bereich des Schlitzes 44 ist eine Bohrung vorgesehen, in welche eine Schraube 46 eingeschraubt wird, um die Dosierspitze 18 fest zu umschließen und so das Anschlussstück 32 dort zu verklemmen. Die Schraube 46 oder Klemmschraube wird hierfür angezogen. Bei dem in 4 gezeigten Anschlussstück 32 kann die Heatpipe 28 einen Durchmesser von 6 mm aufweisen. 5 zeigt das Dosiergerät mit an der Dosierspitze 18 befestigtem Anschlussstück 32 und in der Aussparung 40 aufgenommener Heatpipe 28.
Bei der in 6 gezeigten Variante umschließt das Anschlussstück 32 die Dosierspitze 28 ebenfalls wie eine Manschette, jedoch sind hier zwei Aussparungen 40 im Anschlussstück 32 vorgesehen, in welche jeweilige Endbereiche 42 zweier Heatpipes 28 eingeführt werden. Die beiden Heatpipes 28 können hierbei einen Durchmesser von jeweils 4 mm aufweisen.
7 zeigt das an die Abgasleitung 16 montierte Dosiergerät 12 mit den beiden an dem Anschlussstück 32 festgelegten Heatpipes 28 in einer Perspektivansicht. Beim Verklemmen der Heatpipe mit dem Anschlussstück 32 kann eine Umformung dieser Bauteile erfolgen, oder es kann ein auch als Madenschraube bezeichneter Gewindestift zum Einsatz kommen. Durch Verwendung der Anschlussstücke gemäß 4 bis 7 können bestehende Dosiergeräte 12 leicht nachgerüstet werden.
8 zeigt hingegen eine Variante, bei welcher im Bereich der Dosierspitze 18 ein einstückig mit dieser ausgebildeter Block 48 vorgesehen ist, welcher eine Durchtrittsöffnung zum Aufnehmen des Endbereichs 42 der Heatpipe 28 aufweist.
Die Größe, also insbesondere der Durchmesser und die Länge sowie der Arbeitsbereich der Heatpipe 28 ist im Hinblick auf die Anforderungen der Wärmeleitung hin zum Wärmespeicher 24 ausgelegt. Zudem sind sämtliche Bauteile korrosionsbeständig, für welche ein Kontakt mit der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 zu befürchten ist, insbesondere in Bezug auf den Kontakt mit dem Harnstoff. Die von der Dosierspitze 18 abgeführte Wärme wird am anderen Endbereich der Heatpipe 28 durch den Wärmespeicher 24 abgenommen. Bei dem Wärmespeicher kann es sich insbesondere um einen Festkörper oder um einen Flüssigkeitstank handeln.
9 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der Wärmespeicher 24 als Latentwärmespeicher ausgebildet ist. Hierbei ist ein Endbereich 50 der Heatpipe 28 außenumfangsseitig von dem Latentwärmespeicher umschlossen. In einem Temperaturbereich zwischen 70°C und 120°C kommen als geeignete Phasenwechselmaterialien(PCM = phase change material)Paraffine, Salzhydrate oder Zuckeralkohole in Frage. Diese Phasenwechselmaterialien 52 können in einem offenporigen Metallschaum 54 eingebettet sein (vgl. 10).
Der Metallschaum 54 ermöglicht eine homogenen Verteilung des Phasenwechselmaterials 52. Durch die große Oberfläche und die verzweigte Matrix des Metallschaums 54 ist zudem eine schnelle und gleichmäßige Wärmeverteilung und Wärmeabgabe gewährleistet. Als Metallschaum 54 kann insbesondere ein Aluminiumschaum zum Einsatz kommen. Der in 9 und 10 gezeigte Latentwärmespeicher umfasst eine zylindrische Hülle 56 aus einem Metall und einen offenporig aufgeschäumten Kern aus dem Metallschaum 54.
Als Phasenwechselmaterial 52 kann insbesondere der Zuckeralkohol Xylitol zum Einsatz kommen, welcher auch unter dem Namen Xylit oder Birkenzucker bzw. als Zuckeraustauschstoff E 967 bekannt ist. Dieser weist einen Schmelzpunkt von 92°C auf und eine Schmelzenthalpie von 246 J/g.
Bei einem Latentwärmespeicher mit einem solchen Phasenwechselmaterial 52 in Form von Xylitol kann bei einer Ausgangstemperatur von 70°C und einer Wärmeleistung von 3 Watt eine Verzögerung bis zum Erreichen einer Grenztemperatur von 130°C von ca. 35 Minuten beobachtet werden. Dies gilt für Abmessungen des Latentwärmespeichers von 50 mm bei einem Durchmesser von 30 mm, einer Aufnahme für die Heatpipe 28 mit einem Durchmesser von 6 mm, einer Wandstärke der Hülle 56 von 3 mm und bei einer relativen Dichte von 8% im Schaumanteil. Der Aluminium-Metallschaum-Behälter weist hierbei eine Masse 50 g auf und ist mit 26 g Xylitol befüllt.
Bei der in 11 gezeigten Variante ist der Latentwärmespeicher direkt an der Dosierspitze 18 angeordnet. Hiermit kann die Wärmeübertragung in eine Heatpipe 28, die Wärmeübertragung innerhalb der Heatpipe 28 und auch die Wärmeübertragung von der Heatpipe 28 in den Wärmespeicher 24 entfallen. Der geschäumte Kern des Latentwärmespeichers ist hierbei vor einer Beaufschlagung mit der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 geschützt. Im Fußbereich des Dosiergeräts 12 ist hier das ausreichend große Wärmespeichervolumen des Latentwärmespeichers bereitgestellt.
Bezugszeichenliste

10: Kühlanordnung
12: Dosiergerät
14: Harnstoff-Wasser-Lösung
16: Abgasleitung
18: Dosierspitze
20: Zulaufkanal
22: Ablaufkanal
24: Wärmespeicher
26: Wärmespeichervolumen
28: Heatpipe
30: Abschirmblech
32: Anschlussstück
34: Pfeil
36: Pfeil
38: Wärmestrahlung
40: Aussparung
42: Endbereich
44: Schlitz
46: Schraube
48: Block
50: Endbereich
52: Phasenwechselmaterial
54: Metallschaum
56: Hülle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19919426 C1 [0005]

Claims

Kühlanordnung zum Kühlen eines Auslasses (18) einer Dosiereinrichtung (12), über welchen ein Reduktionsmittel (14) für die Abgasnachbehandlung in eine Abgasleitung (16) eines Fahrzeugs einbringbar ist, mit einer Wärmeaufnahmeeinrichtung (24), welche zumindest mittelbar mit dem Auslass (18) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmeeinrichtung als Wärmespeicher (24) ausgebildet ist, welcher ein Wärmespeichervolumen (26) zum Aufnehmen von Abwärme des Auslasses (18) derart aufweist, dass ein Temperaturanstieg des Auslasses (18) auf einen vorbestimmten Schwellenwert der Temperatur begrenzbar ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (24) mit dem Auslass (18) über wenigstens ein Wärmerohr (28) Wärme leitend verbunden ist, welches ein im Bereich des Auslasses (18) infolge des Betriebs der Abgasleitung (16) verdampfbares und im Bereich des Wärmespeichers (24) kondensierbares Medium enthält.
Kühlanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein den Auslass (18) umgreifendes Anschlussstück (32), an welchem das wenigstens eine Wärmerohr (28) angeordnet ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das, insbesondere aus Kupfer, Edelstahl und/oder aus Aluminium gebildete, Anschlussstück (32) und den Auslass (18) eine Wärmeleitpaste eingebracht ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück (32) wenigstens eine, insbesondere mit einer Wärmeleitpaste versehene, Aussparung (40) aufweist, in welche ein Endbereich (42) des wenigstens einen Wärmerohrs (28) eingeführt ist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Wärmerohr (28) durch ein Abschirmelement (30) hindurchgeführt ist, von welchem der Wärmespeicher (24) beabstandet ist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (24) als Flüssigkeitstank oder als, insbesondere aus einem Metall gebildeter, Festkörper ausgebildet ist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (24) als, insbesondere ein Paraffin und/oder ein Salzhydrat und/oder einen Zuckeralkohol als Phasenwechselmaterial (52) aufweisender, Latentwärmespeicher ausgebildet ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (52) des Latentwärmespeichers in eine offenporige, insbesondere durch einen Metallschaum (54) bereitgestellte, Matrix des Latentwärmespeichers eingebettet ist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch wenigstens einen in einem Kühlbetrieb mit dem Reduktionsmittel (14) oder einer Kühlflüssigkeit beaufschlagbaren und an einem Grundkörper der Dosiereinrichtung (12) angeordneten Kühlkanal (20, 22).