DE102012020040B4 - Einrichtung zur Bevorratung und Förderung eines wässrigen Additivs - Google Patents

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Abstract

Einrichtung zur Bevorratung und Förderung eines wässrigen Additivs, insbesondere zur katalytischen Abgasentstickung an einem Kfz, umfassend einen Vorratsbehälter (1), der ein Vorratsvolumen (2) umschließt, wenigstens eine Förderpumpe (8) für das Additiv sowie Mittel zur Beheizung wenigstens von Teilen des Vorratsvolumens (2) oder eines separaten Abschmelzvolumens, wobei der Vorratsbehälter (1) zumindest teilweise doppelwandig ausgebildet ist, und wobei ein mit dem Wärmeträgermedium durchströmbares Volumen (5) des Vorratsbehälters (1) mehrere Kanäle (15a, 15b, 15c) umfasst, die wahlweise einzeln oder zusammen mit dem Wärmeträgermedium durchströmbar sind und in dem Boden und/oder in der Wandung des Vorratsbehälters (1) verschiedene Heizzonen (I, II, III) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster innerer Kanal (15a) mit einem Vorlaufanschluss (13) kommuniziert und dass wenigstens ein zweiter äußerer Kanal (15b) an einem Rücklauf des ersten Kanals (15a) angeschlossen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bevorratung und Förderung eines wässrigen Additivs, insbesondere zur katalytischen Abgasentstickung an einem Kfz, umfassend einen Vorratsbehälter, der ein Vorratsvolumen umschließt, wenigstens eine Förderpumpe für das Additiv sowie Mittel zur Beheizung wenigstens von Teilen des Vorratsvolumens und/oder eines separaten Abschmelzvolumens.
  • Eine solche Einrichtung ist beispielsweise aus der EP 1 767 417 A1 bekannt. Die EP 1 767 417 A1 betrifft ein Tanksystem zur Bereitstellung eines von einem Flüssigkeitsverbraucher nach einem Kaltstart benötigten eisfreien Kaltvolumens einer Harnstofflösung für einen SCR-Katalysator, die einen Haupttank mit einer Befüllöffnung umfasst, durch die der Tankinnenraum des Haupttanks mit Betriebsflüssigkeit betankbar ist. Um sicherzustellen, dass der Betrieb des Flüssigverbrauchers auch bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts der Betriebsflüssigkeit kurz nach dem Kaltstart eines Kraftfahrzeugs gewährleistet ist, ist vorgesehen, dass das Tanksystem eine Abschmelzvorrichtung mit einem Schmelztank umfasst, wobei der Schmelztank als Schmelztankmodul an dem Tankmantel des Haupttanks angebracht ist.
  • Bei Einrichtungen nach dem Stand der Technik ist grundsätzlich sowohl die Beheizung des Vorratvolumens als auch die Beheizung eines geringeren Abschmelzvolumens vorgesehen, um alsbald nach Kaltstart des Kraftfahrzeuges bereits eine Förderung von Additiv sicherzustellen.
  • Insbesondere deshalb ist es beispielsweise aus der EP 1 767 417 A1 bekannt, ein verhältnismäßig kleines Abschmelzvolumen in Form eines separaten Schmelzetanks vorzusehen, im Übrigen aber auch im Hauptvolumen des Vorratsbehälters Heizeinrichtungen in Form von beispielsweise elektrischen Widerstandsheizelementen vorzusehen.
  • Die elektrische Konnektierung der Heizeinrichtung sowie deren Anordnung im Inneren des Behälters sind verhältnismäßig aufwendig.
  • Die DE 10 2010 029 269 A1 offenbart einen Fluidtank für ein Kraftfahrzeug, wobei der Fluidtank ein Tankvolumen zur Aufnahme eines Fluids und wenigstens ein Heizelement aufweist. Das Heizelement ist dabei mit einem Kühlsystem des Kraftfahrzeugs verbindbar, so dass das Fluid in dem Tankvolumen durch die von einem Motor des Kraftfahrzeugs im Betrieb erzeugten Wärme beheizbar ist. Ferner offenbart die DE 10 2010 029 269 A1 , dass der Fluidtank wenigstens zwei Heizelemente umfassen kann, die unabhängig voneinander mit dem Kühlsystem verbindbar sind.
  • Die DE 101 55 675 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Speicherung und Dosierung von im Rahmen einer katalytischen Abgasnachbehandlung verwendbarer Reduktionsmittel mit einer Einrichtung zur Speicherung des zu dosierenden Reduktionsmittels und mit einer Dosiereinrichtung zur Beaufschlagung des zu behandelnden Abgases mit dem Reduktionsmittel. Die Einrichtung zur Speicherung des Reduktionsmittels weist mindestens einen äußeren Behälter und eine in diesem auswechselbar positionierbare, das Reduktionsmittel enthaltende Kartusche auf. Der Behälter ist mit Hohlwänden ausgebildet, in deren Hohlräume Motorkühlwasser zum Beheizen der Kartusche einbringbar ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine besonders zuverlässige und sichere Aufschmelzung und/oder Aufheizung des Additivs bei Gefrierpunktsunterschreitung oder bei tiefen Umgebungstemperaturen ermöglicht und die konstruktiv besonders einfach ausgeführt ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung zur Bevorratung und Förderung eines wässrigen Additivs, insbesondere zur katalytischen Abgasentstickung an einem Kfz, umfassend einen Vorratsbehälter, der ein Vorratsvolumen umschließt, wenigstens eine Förderpumpe für das Additiv sowie Mittel zur Beheizung wenigstens von Teilen des Vorratsvolumens oder eines separaten Abschmelzvolumens, wobei der Vorratsbehälter zumindest teilweise doppelwandig ausgebildet ist, und wobei ein mit dem Wärmeträgermedium durchströmbares Volumen des Vorratsbehälters mehrere Kanäle umfasst, die wahlweise einzeln oder zusammen mit dem Wärmeträgermedium durchströmbar sind und in dem Boden und/oder in der Wandung des Vorratsbehälters verschiedene Heizzonen definieren, wobei sich die Einrichtung gemäß der Erfindung dadurch auszeichnet, dass ein erster innerer Kanal mit einem Vorlaufanschluss kommuniziert und dass wenigstens ein zweiter äußerer Kanal an einem Rücklauf des ersten Kanals angeschlossen ist. Hierdurch wird einerseits eine gewisse Isolationswirkung erzielt, andererseits wird ein zusätzliches Volumen erzeugt, welches beispielsweise einen Latentwärmespeicher oder ein Heizungsfluid umfassen kann. Auf diese Art und Weise ist eine besonders effektive und kostengünstige Beheizung des Vorratsvolumens möglich. Selbstverständlich ist die Erfindung so zu verstehen, dass mehr als zwei einzeln oder gruppenweise wahlweise mit einem Wärmeträgermedium beaufschlagbare Kanäle vorgesehen sein können, die verschiedene Heizzonen an dem Vorratsbehälter definieren.
  • Bei einer besonders bevorzugten Variante der Einrichtung gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Vorratsbehälter wenigstens ein mit einem Wärmeträgermedium durchströmbares Mantelvolumen aufweist, das mit einem Vorlaufanschluss und wenigstens einem Rücklaufanschluss für ein Wärmeträgermedium versehen ist.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das mit dem Wärmeträgermedium durchströmbare Volumen durch die Doppelwandigkeit des Vorratsbehälters gebildet wird. Der Vorratsbehälter kann in Teilen beispielsweise seiner Umfassungswand und/oder des Bodens oder vollständig doppelwandig ausgebildet sein.
  • Bei einer zweckmäßigen und bevorzugten Variante des Vorratsbehälters ist vorgesehen, dass dieser wenigstens einen doppelwandigen Boden aufweist, der einen mit einem Wärmeträgermedium durchströmbares Volumen bildet.
  • Das mit dem Wärmeträgermedium durchströmbare Volumen kann beispielsweise mehrere Kanäle umfassen, die wahlweise einzeln oder zusammen mit dem Wärmeträgermedium durchströmbar und in dem Boden und/oder in der Wandung des Vorratsbehälters verschiedene Heizzonen definieren, die beispielsweise je nach Betriebszustand des Fahrzeuges bzw. der Brennkraftmaschine wahlweise ansteuerbar bzw. mit einem Wärmeträgermedium beaufschlagbar sind.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Einrichtung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kanäle einen zentral angeordneten Fördersumpf im Boden des Vorratsbehälters zumindest teilweise umschließen. Durch eine solche Anordnung ist gewährleistet, dass zunächst alsbald nach Kaltstart des Fahrzeuges ein aufgeschmolzenes Teilvolumen an Additiv in unmittelbarer Nähe des Ansaugbereichs der Förderpumpe bereitsteht, sodass nach einer geringfügigen zeitlichen Verzögerung nach Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine bereits Additiv aus dem Vorratsbehälter entnommen werden kann.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Einrichtung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kanäle konzentrisch oder spiralförmig um den Fördersumpf herum angeordnet sind. Der Fördersumpf und der Boden des Behälters können im Grundriss eine beliebige Geometrie aufweisen.
  • Wenn beispielsweise das mit dem Wärmeträger durchströmbare Volumen an den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine angeschlossen ist, kann eine Zuschaltung von Kanälen im Sinne einer Vergrößerung des zu beheizenden oder zu durchströmenden Volumens in Abhängigkeit der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine erfolgen.
  • Beispielsweise kann der zweite Kanal über ein Thermostatventil mit dem ersten Kanal verbunden sein, sodass bei Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur eine Erweiterung des mit dem Wärmeträgermedium durchströmbaren Volumens möglich ist.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Einrichtung gemäß der Erfindung,
  • 2 eine vereinfachte Darstellung des Bodens des Vorratsbehälters der Einrichtung gemäß der Erfindung nach einer ersten Variante und
  • 3 eine schematische Darstellung des Behälterbodens einer zweiten Variante der Einrichtung gemäß der Erfindung mit einer prinzipiellen Darstellung der hydraulischen Verschaltung des Wärmeträgerkreislaufs.
  • Es wird zunächst Bezug genommen auf die 1, die eine mögliche Variante der Einrichtung gemäß der Erfindung zeigt.
  • Diese umfasst einen Vorratsbehälter 1, der ein Vorratsvolumen 2 umschließt. Der Vorratsbehälter 1 besteht beispielsweise aus thermoplastischem Kunststoff und ist aus spritzgegossenen Halbschalen zusammengesetzt, von denen in 1 nur die in Einbaulage bodenseitige Halbschale dargestellt ist. Diese ist wiederum mehrteilig ausgebildet und umfasst einen mit dem Vorratsbehälter 1 verschweißten Untersatz 3, der einen Doppelboden 4 des Vorratsbehälters 1 bildet, derart, dass zwischen dem Vorratsvolumen 2 und dem Untersatz 3 ein weiteres mit einem Wärmeträgermedium durchströmbares Volumen 5 gebildet wird.
  • Alternativ zu dieser Ausgestaltung des Vorratsbehälters 1 kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Vorratsbehälter 1 vollständig doppelwandig ausgebildet ist oder dass Teile der Umfassungswand des Vorratsbehälters 1 doppelwandig ausgebildet sind. Dies kann beispielsweise durch Ineinandersetzen mehrerer Behälterschalen oder ganzer Behälter unter Zwischenlage von Abstandshaltern realisiert werden.
  • Bei der Variante des Vorratsbehälters 1 gemäß 1 umfasst dieser einen inneren Boden 4a, der unmittelbar das Vorratsvolumen 2 begrenzt und einen äußeren Boden 4b, der durch den Untersatz 3 gebildet wird. Der innere Boden 4a umfasst eine einen Pumpensumpf bildende Vertiefung 6, in welcher ein Förderpumpenmodul 7 eingesetzt ist. Die Vertiefung des inneren Bodens 4a bildet die tiefste Stelle des Vorratsvolumens 2 in dessen Einbaulage, aus der das Förderpumpenmodul 7 bzw. eine in diesem angeordnete Förderpumpe 8 Additiv aus dem Vorratsvolumen 2 über eine Dosierleitung 9 an das Abgassystem eines Dieselkraftfahrzeuges liefert. Das Förderpumpenmodul 7 kann beispielsweise selbst ein zusätzliches Abschmelzvolumen definieren und mit einer elektrischen Heizeinrichtung für dieses zusätzliche Abschmelzvolumen versehen sein.
  • Das Förderpumpenvolumen 7 umfasst weiterhin vorzugsweise ein Modulgehäuse 10, welches innerhalb der Vertiefung 6 mit dem äußeren Boden 4b des Vorratsbehälters 1 verschweißt sein kann und oberhalb einer Durchführungsöffnung 11 in dem äußeren Boden 4b angeordnet sein kann.
  • Das Förderpumpenmodul 7 sowie die innerhalb des Förderpumpenmoduls 7 angeordnete nicht dargestellte Heizeinrichtung wird über eine elektrische Versorgungsleitung 12 mit Spannung versorgt. Die Dosierleitung 9 und die elektrische Versorgungsleitung 12 sind durch die Durchführungsöffnung 11 aus dem Modulgehäuse 10 aus dem Vorratsbehälter 1 hinausgeführt.
  • Das Volumen 5 ist in Form eines die Vertiefung 6 umgebenden Kanals ausgebildet, der mit einem Vorlaufanschluss 13 und einem Rücklaufanschluss 14 für ein Wärmeträgermedium versehen ist. Diese Anordnung gewährleistet eine Umströmung der Vertiefung 6 derart, dass die Vertiefung bzw. der durch die Vertiefung 6 gebildete Fördersumpf von dem Volumen 5 so umschlossen ist, dass eine Wärmeübertragung von dem Wärmeträgermedium durch den inneren Boden 4a auf das in der Vertiefung 6 befindliche Additiv stattfindet und dort zunächst einmal ein kleines Teilvolumen an Additiv erwärmt bzw. abschmilzt. Der Vorlaufanschluss 13 ist an den Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine vorlaufseitig angeschlossen, der Rücklaufanschluss 14 ist ebenfalls an den Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine angeschlossen, sodass bei Betrieb des Kfz das Volumen 5 mit dem mit Wärme von der Brennkraftmaschine beladenen Wärmeträgermedium durchströmt wird. Das Wärmeträgermedium gibt seine Wärmefracht wiederum an das innerhalb des Vorratsvolumens 2 bevorratete Additiv ab. Auf diese Art und Weise ist nach relativ kurzer Brenndauer der Brennkraftmaschine eine effektive und einfache Beheizung des Vorratsvolumens möglich.
  • Der Vorratsbehälter 1 kann eine Grundfläche besitzen, die von ihrer geometrischen Gestaltung beliebig sein kann. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel hat der Vorratsbehälter 1 eine etwa kreisförmige Grundfläche, was für die Erfindung nicht beschränkend sein soll.
  • Der von dem Volumen 5 gebildete Kanal 15 kann beispielsweise den in 2 dargestellten spiralförmigen Verlauf aufweisen. Alternativ kann das Volumen 5 durch erste, zweite und dritte Kanäle 15a, 15b, 15c gebildet werden (siehe 3), die insgesamt drei Heizzonen I, II, III innerhalb des Doppelbodens 4 des Vorratsbehälters 1 bilden. Die Kanäle 15a, 15b, 15c umgeben die zentral vorgesehene Vertiefung 6, innerhalb derer das Förderpumpenmodul 7 angeordnet ist.
  • Der mit 15a bezeichnete innere Kanal umschlingt unmittelbar die Vertiefung 6 bzw. grenzt randseitig unmittelbar an die Vertiefung 6 an. An den Rücklauf des ersten inneren Kanals 15a ist ein zweiter äußerer Kanal 15b angeschlossen, an dessen Rücklauf ist wiederum ein dritter äußerer Kanal 15c angeschlossen. An den Rücklauf des ersten inneren Kanals 15a ist der zweite äußere Kanal 15b mittels eines Thermostatventils 16a angeschlossen, an den Rücklauf des zweiten äußeren Kanals 15b ist ein zweites Thermostatventil 16b angeschlossen.
  • In 3 ist schematisch der Kühlkreislauf 17 eines Verbrennungsmotors 18 dargestellt. Dieser umfasst einen Wärmetauscher 19 mit Vorlauf 19a und Rücklauf 19b. An den Vorlauf 19a des Wärmetauschers 19 von dem Verbrennungsmotor 18 zu dem Wärmetauscher 19 ist ein Thermostatventil 20 angeschlossen, das mit dem Vorlaufanschluss 13 des ersten inneren Kanals 15a kommuniziert, in dem Rücklauf 19b von dem Wärmetauscher 19 zu dem Verbrennungsmotor 18 ist ein Schaltventil 21 vorgesehen, welches mit dem Rücklaufanschluss 14 der Kanäle 15a, 15b, 15c kommuniziert.
  • Hat der Verbrennungsmotor 18 eine gewisse vorgegebene Betriebstemperatur erreicht, öffnet das Thermostatventil 20 und beschickt den ersten inneren Kanal 15a mit erwärmter Kühlflüssigkeit, die diesen durchströmt und bei geöffnetem Schaltventil 21 in den Rücklauf 19b zwischen den Wärmetauschern 19 und dem Verbrennungsmotor 18 wieder eingespeist wird. Der erste innere Kanal 15a definiert eine innere Heizzone I. Bei weiterhin steigender Betriebstemperatur des Verbrennungsmotor öffnet das Thermostatventil 16a, sodass der zweite äußere Kanal 15b zugeschaltet wird, welcher eine zweite äußere Heizzone II definiert. Bei einem weiteren Anstieg der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors 18 bzw. des Wärmetauschermediums kann ggf. das zweite Thermostatventil 16b öffnen, sodass der zweite äußere Kanal 15c zugeschaltet wird, welcher eine dritte äußere Heizzone III definiert. Die Heizzonen I bis III werden im Verlauf des Auftauvorgangs erst beginnend mit I, dann II und zum Schluss III mit dem Thermostatventil 16a und 16b geöffnet, sodass die verfügbare Heizleistung zunächst auf die unmittelbare Umgebung der Vertiefung 6 bzw. auf den Fördersumpf konzentriert wird. Anschließend wird die Leistung durch Zuschalten der Heizzonen II und III in die Peripherie des Vorratsbehälters 1 gelenkt. Auf diese Art und Weise wird der Vorratsbehälter 1 von innen nach außen aufgetaut, wobei die Thermostatventile in der zuvor genannten Reihenfolge jeweils eigene steigende Arbeitstemperaturen aufweisen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorratsbehälter
    2
    Vorratsvolumen
    3
    Untersatz
    4
    Doppelboden
    4a
    innerer Boden
    4b
    äußerer Boden
    5
    Volumen
    6
    Vertiefung
    7
    Förderpumpenmodul
    8
    Förderpumpe
    9
    Dosierleitung
    10
    Modulgehäuse
    11
    Durchführungsöffnung
    12
    elektrische Versorgung
    13
    Vorlaufanschluss
    14
    Rücklaufanschluss
    15
    Kanal
    15a
    erster innerer Kanal
    15b
    zweiter äußerer Kanal
    15c
    dritter äußerer Kanal
    16a
    erstes Thermostatventil
    16b
    zweites Thermostatventil
    17
    Kühlkreislauf
    18
    Verbrennungsmotor
    19
    Wärmetauscher
    19a
    Vorlauf Kühlkreislauf
    19b
    Rücklauf Kühlkreislauf
    20
    Thermostatventil
    21
    Schaltventil
    I
    innere Heizzone
    II
    zweite äußere Heizzone
    III
    dritte äußere Heizzone

Claims (9)

  1. Einrichtung zur Bevorratung und Förderung eines wässrigen Additivs, insbesondere zur katalytischen Abgasentstickung an einem Kfz, umfassend einen Vorratsbehälter (1), der ein Vorratsvolumen (2) umschließt, wenigstens eine Förderpumpe (8) für das Additiv sowie Mittel zur Beheizung wenigstens von Teilen des Vorratsvolumens (2) oder eines separaten Abschmelzvolumens, wobei der Vorratsbehälter (1) zumindest teilweise doppelwandig ausgebildet ist, und wobei ein mit dem Wärmeträgermedium durchströmbares Volumen (5) des Vorratsbehälters (1) mehrere Kanäle (15a, 15b, 15c) umfasst, die wahlweise einzeln oder zusammen mit dem Wärmeträgermedium durchströmbar sind und in dem Boden und/oder in der Wandung des Vorratsbehälters (1) verschiedene Heizzonen (I, II, III) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster innerer Kanal (15a) mit einem Vorlaufanschluss (13) kommuniziert und dass wenigstens ein zweiter äußerer Kanal (15b) an einem Rücklauf des ersten Kanals (15a) angeschlossen ist.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (1) wenigstens ein mit einem Wärmeträgermedium durchströmbares Mantelvolumen (5) aufweist, das mit wenigstens einem Vorlaufanschluss (13) und wenigstens einem Rücklaufanschluss (14) für das Wärmeträgermedium versehen ist.
  3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (1) wenigstens einen doppelwandigen Boden aufweist, der das mit dem Wärmeträgermedium durchströmbare Volumen (5) bildet.
  4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (15a, 15b, 15c) einen zentral angeordneten Fördersumpf im Boden des Vorratsbehälters (1) zumindest teilweise umschließen.
  5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (15a, 15b, 15c) konzentrisch oder spiralförmig um den Fördersumpf angeordnet sind.
  6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Wärmeträgermedium durchströmbare Volumen (5) an den Kühlkreislauf (17) einer Brennkraftmaschine angeschlossen ist.
  7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal (15b) über ein Thermostatventil (16a) mit dem ersten Kanal (15a) verbunden ist.
  8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (1) aus thermoplastischem Kunststoff ausgebildet ist.
  9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (1) aus Schalen zusammengesetzt ist.
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