-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beheizen eines Fluids, insbesondere eines Reduktionsmittels zur Reduktion der Abgase eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug.
-
Stand der Technik
-
Zum Entsticken der Abgase von Dieselmotoren hat sich die SCR-Technik („selective catalytic reduction“) mit einem harnstoffhaltigen Reduktionsmittel bewährt. Dazu wurden Systeme entwickelt, welche die Einhaltung der geforderten Abgasgrenzwerte mit Hilfe einer definierten Zugabe einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue“®) in den Abgasstrang ermöglichen. Diese Systeme umfassen im Wesentlichen einen Tank für die Harnstofflösung, ein Fördermodul mit einer Filter- und Pumpeneinheit, ein am Abgasstrang montiertes Dosiermodul und ein elektronisches Steuergerät.
-
Da die wässrige Harnstofflösung einen relativ hohen Gefrierpunkt hat, der durch Zusatz von Frostschutzmitteln nicht beliebig abgesenkt werden kann, ohne die Funktionsfähigkeit als Reduktionsmittel zu beeinträchtigen, ist es bei niedrigen Außentemperaturen notwendig, den Reduktionsmittelvorrat zu beheizen, um ein Einfrieren des Reduktionsmittels zu verhindern.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Heizvorrichtung zum Beheizen eines Fluids, insbesondere eines Reduktionsmittels zum Reduzieren der Abgase eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, zur Verfügung zu stellen.
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beheizen eines Fluids, insbesondere eines Reduktionsmittels zum Reduzieren der Abgase eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, hat wenigstens ein von einem Wärmeträgerfluid, insbesondere einer Wärmeträgerflüssigkeit, umgebenes Heizelement. Das Wärmeträgerfluid ist dazu ausgebildet, Wärme von dem wenigstens einen Heizelement aufzunehmen und an das zu beheizende Fluid zu übertragen.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Beheizen eines Fluids, insbesondere eines Reduktionsmittels zum Reduzieren der Abgase eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Heizelement, wobei das Verfahren umfasst, ein das Heizelement umgebendes Wärmeträgerfluid zu erwärmen und das Wärmeträgerfluid seinerseits Wärme an das zu beheizende Fluid abgibt.
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglichen es, das Fluid besonders gleichmäßig zu erwärmen und ggf. aufzutauen. Darüber hinaus wird durch das „zwischengeschaltete“ Wärmeträgerfluid ein direkter Kontakt zwischen dem Heizelement und dem zu beheizenden Fluid vermieden, so dass verhindert werden kann, dass das Heizelement durch ein aggressives Fluid korrodiert wird.
-
In einer Ausführungsform hat das Wärmeträgerfluid einen Gefrierpunkt unterhalb von –15°C, insbesondere unterhalb von –30°C, so dass das Wärmeträgerfluid auch bei sehr niedrigen Temperaturen, z.B. im Winterbetrieb unter extremen Verhältnissen, nicht einfriert und seine Funktion als Wärmeüberträger ausüben kann.
-
In einer Ausführungsform ist das zu beheizende Fluid in einem Tank gespeichert. Wenigstens eine Heiztasche, die mit dem Wärmeträgerfluid gefüllt ist und in der wenigstens ein Heizelement angeordnet ist, ist in wenigstens einer Begrenzung des Tanks, insbesondere im oder am Boden des Tanks ausgebildet. Durch derart ausgebildete Heiztaschen können die Heizelemente auf einfache Weise so angeordnet werden, dass sie im Betrieb das im Tank gespeicherte Fluid besonders effektiv erwärmen. Insbesondere kann der Tank mehrere über den Boden verteilte Heizelemente aufweisen, die ein besonders gleichmäßiges Beheizen und Auftauen des im Tank gespeicherten Fluids ermöglichen.
-
Die Heizelemente können von der Außenseite des Tanks in die Heiztaschen eingeführt sein, so dass die Heizelemente bei Bedarf einfach ausgetauscht werden können, ohne dass der Tank dafür entleert werden muss.
-
In einer Ausführungsform ist das wenigstens eine Heizelement kerzenförmig, insbesondere als Glühstiftkerze, ausgebildet. Eine Glühstiftkerze stellt ein zuverlässiges und bewährtes Heizelement zur Verfügung, das insbesondere gut und einfach an einem Fluidtank angebracht werden kann.
-
In einer Ausführungsform ist in dem Tank ein mit einem Wärmeträgerfluid gefüllter Konvektionskreis ausgebildet, der sich wenigstens durch einen Bereich des Tankvolumens erstreckt, um das Fluid, das sich in diesem Bereich des Tankvolumens befindet, zu erwärmen und insbesondere aufzutauen.
-
Der Konvektionskreis kann dabei so ausgebildet sein, dass er sich im Wesentlichen parallel oder senkrecht zum Boden des Tanks erstreckt; der Konvektionskreis kann sich auch quer, d.h. mit einer Richtungskomponente parallel sowie auch senkrecht zum Boden des Tanks erstrecken, um einen möglichst großen Bereich des Tankvolumens erwärmen und bei Bedarf auftauen zu können.
-
Wenigstens ein Teil des Konvektionskreises kann in Form einer flexiblen Heizschlange ausgebildet sein, die beweglich in dem Tank angeordnet ist, so dass sie sich im Betrieb des Fahrzeugs bewegt und auf diese Weise auch dann in Kontakt mit gefrorenem Fluid kommt, wenn die Heizschlange bereits von einer Schicht aufgetauten Fluids umgeben ist. Die Auftauwirkung des Konvektionskreises kann auf diese Weise erhöht werden.
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren weisen im Vergleich zu bisher bekannten Heizvorrichtungen eine höhere Effizienz auf, so dass sie bei gleichem Energieeintrag eine erhöhte Auftaumenge zur Folge haben bzw. weniger Energie benötigen, um eine vorgegebene Auftaumenge zu erreichen.
-
Tanks mit einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung sind mit einfachen Werkzeugen, z.B. in Sandwichbauweise, herstellbar. Dabei können insbesondere Standardbauteile, wie z.B. handelsübliche Glühstiftkerzen, verwendet werden, um die Kosten so gering wie möglich zu halten.
-
Die Heizelemente einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung weisen keinen direkten Kontakt mit dem zu beheizenden Fluid auf, so dass eine Korrosion der Heizelemente durch das aufzutauende Fluid effektiv verhindert wird. Durch eine dezentrale Anordnung, in der die Heizelemente über das gesamte Tankvolumen verteilt sind, kann ein gleichmäßiges Erwärmen und Auftauen des im Tank gespeicherten Fluids erreicht werden.
-
Kurze Beschreibung der Figuren:
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
-
Dabei zeigt:
-
1 eine Schnittansicht eines Bereichs eines Fluidtanks mit einem herkömmlichen Heizelement;
-
2 eine Schnittansicht eines Bereichs eines Fluidtanks, in dem Heiztaschen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet sind;
-
3 eine seitliche Schnittansicht eines Fluidtanks, in dem ein Konvektionskreis gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet ist;
-
4 eine Draufsicht auf den in 3 gezeigten Fluidtank;
-
5a eine Querschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Konvektionskreis;
-
5b eine Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Konvektionskreis;
-
6a eine seitliche Schnittansicht durch einen Fluidtank mit einem an seinem Boden angeordneten Konvektionskreis;
-
6b eine Draufsicht auf den Boden des in 6a gezeigten Fluidtanks; und
-
7 den Temperaturverlauf entlang des Bodens eines erfindungsgemäßen Fluidtanks, der mit mehreren erfindungsgemäßen Heizelementen ausgestattet ist.
-
Figurenbeschreibung:
-
1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch das Volumen 2 eines Fluidtanks, in dem oberhalb des Bodens 3 des Tankvolumens 2 ein herkömmliches Heizelement 5 angeordnet ist, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
-
Ein derartiges herkömmliches Heizelement 5 erwärmt im Betrieb nur einen begrenzten Bereich 11 des fluiden Reduktionsmittels (Fluids) 7 in seiner unmittelbaren Umgebung, insbesondere oberhalb des Heizelements 5, während weite Bereiche des Tankvolumens 2, die insbesondere in horizontaler Richtung einen größeren Abstand zum Heizelement 5 aufweisen, nicht erwärmt und demzufolge auch nicht aufgetaut werden. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein gleichmäßigeres Beheizen des Fluids 7 im Tankvolumen 2 zu ermöglichen.
-
2 zeigt eine schematische Schnittansicht durch das Tankvolumen 2 eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fluidtanks, an dessen Boden 3 mehrere Heiztaschen 8 ausgebildet sind, die sich ausgehend vom Boden 3 des Tanks in das Tankvolumen 2 hinein erstrecken.
-
Die Innenräume 4 der Heiztaschen 8 sind jeweils mit einem geeigneten Wärmeträgerfluid, insbesondere einer Wärmeträgerflüssigkeit, gefüllt. Das Wärmeträgerfluid weist einen besonders niedrigen Gefrierpunkt auf, so dass es auch bei sehr kalten Temperaturen, wie sie im Winterbetrieb auftreten können, nicht einfriert.
-
Am Boden 3 des Tankvolumens 2 sind Heizelemente 20 angebracht, die jeweils eine Glühstiftkerze 6 aufweisen, die durch den Boden 3 des Tankvolumens 2 in den Innenraum 4 der Heiztaschen 8 eingeführt ist, um das Wärmeträgerfluid, das sich in den Innenräumen 4 der Heiztaschen 8 befindet, zu erwärmen.
-
Durch eine gleichmäßige Verteilung der Heiztaschen 8 über den Boden 3 des Tankvolumens 2 kann erreicht werden, dass das Fluid 7 im Tankvolumen 2 über die gesamte Fläche des Bodens 3 erwärmt und aufgetaut wird, so dass ein sich über den gesamten Boden 3 des Tankvolumens 2 erstreckender Auftaubereich realisiert wird.
-
Im Ergebnis wird bei gleicher Heizleistung ein größeres Volumen 10 des Fluids 7 aufgetaut, als in einem herkömmlichen Fluidtank, wie er in der 1 gezeigt ist, so dass auch bei extremen Winterbedingungen in kurzer Zeit die für eine effektive Stickstoffreduktion notwendige Menge an flüssigem Reduktionsmittel zur Verfügung gestellt werden kann.
-
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluidtanks, in dem innerhalb des Tankvolumens 2 ein Konvektionskreis 16 ausgebildet ist, in dem im Betrieb ein Wärmeträgerfluid zirkuliert.
-
In der Nähe einer Fluidfördervorrichtung 12, die im Betrieb des Abgasreduktionssystems Fluid 7 aus dem Tankvolumen 2 in eine Fluidleitung 14 fördert, die mit einem, in der Figur nicht gezeigten, an einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, installierten Dosiermodul verbunden ist, ist ein erstes Heizelement 20 mit einer Glühstiftkerze 6 angeordnet, welches bewirkt, dass das Wärmeübertragungsfluid erwärmt wird und aufgrund von Konvektion durch den Konvektionskreis 16 strömt.
-
Da das Heizelement 20 in der Nähe der Fluidfördervorrichtung 1 angeordnet ist, wird zunächst Fluid 7, das sich in unmittelbarer Umgebung der Fördervorrichtung 12 befindet, erwärmt und aufgetaut, so dass es der Fördervorrichtung 12 zugeführt werden kann, um das Abgasreduktionssystem schnell mit flüssigem Reduktionsmittel versorgen zu können.
-
Im Verlauf des Konvektionskreises 16 können zusätzliche Heizelemente 20 vorgesehen sein, um die Heizleistung zu erhöhen und auch in größeren Abständen von der Fluidfördervorrichtung 12 ein gleichmäßiges Auftauen des Fluids 7 im Tankvolumen 2 zu ermöglichen.
-
Die 4 zeigt eine Draufsicht auf den in der 3 gezeigten Fluidtank mit dem Konvektionskreis 16. Aus der Kombination der 3 und 4 wird deutlich, dass sich der Konvektionskreis 16 sowohl vertikal als auch parallel zum Boden 3 des Fluidtanks erstreckt, so dass er einen möglichst großen Bereich des Tankvolumens 2 abdeckt und im Betrieb erwärmt und bei Bedarf auftaut.
-
Zusätzliche Heizelemente 20 sind dabei vorzugsweise am Boden 3 des Tankvolumens 2 ausgebildet, wo sie einfach zugänglich sind. Zusätzliche Heizelemente 20 können aber auch in Bereichen vorgesehen sein, in denen der Konvektionskreis 16 in der Nähe einer der Seitenwände 9 des Tankvolumens 2 verläuft.
-
Die 5a und 5b zeigen einen Querschnitt (5a) bzw. einen Längsschnitt (5b) durch den Konvektionskreis 16 in der Nähe des Bodens 3 des in den 3 und 4 gezeigten Tankvolumens 2.
-
Es ist insbesondere zu erkennen, dass der Konvektionskreis 16 im Querschnitt (5a) ähnlich wie die in der 2 gezeigten Heiztaschen 8 ausgebildet ist.
-
Eine Glühstiftkerze 6 ist durch eine im Boden 3 des Fluidtanks ausgebildete Öffnung geführt, um das Wärmeträgerfluid, das im Betrieb durch das Innere 4 des Konvektionskreises 16 strömt, zu erwärmen.
-
Die Verbindung zwischen der Glühstiftkerze 6 und dem Boden 3 des Tankvolumens 2 ist fluiddicht abgedichtet, um zu vermeiden, dass Wärmeträgerfluid aus dem Inneren 4 des Konvektionskreises 16 austritt.
-
Die 6a und 6b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluidtanks, bei dem der Konvektionskreis 16 in Form einer Heizschlange 16 am Boden 3 des Tankvolumens 2 angeordnet ist, in einer seitlichen Schnittansicht (6a) und einer Draufsicht (6b). Mehrere Heizelemente 16 sind im Verlauf einer meanderförmig verlegten Heizschlange 16 angeordnet, um ein durch die Heizschlange 16 strömendes Wärmeträgerfluid und damit auch das Fluid 7 im Tankvolumen 2 möglichst über die gesamte Fläche des Bodens 3 gleichmäßig zu erwärmen.
-
7 zeigt in einem Diagramm auf der y-Achse schematisch den Temperaturverlauf über die auf der x-Achse aufgetragene Breite des Bodens 3 des Tankvolumens 2 entlang der in der 6b gezeigten Linie A-A.
-
Aus dem in der 7 gezeigten Diagramm ist erkennbar, dass die Temperatur an den Positionen x1, x2, x3, x4 und x5, an denen jeweils eines der Heizelemente 20 angeordnet ist, maximal ist (T = Tmax) und im weiteren Verlauf in der Flussrichtung des Konvektionskreises 16 durch die Übertragung von Wärme von dem Wärmeträgerfluid an das Fluid 7 im Tankvolumen 2 abfällt, bevor die Temperatur an der Position eines in Strömungsrichtung folgenden Heizelements 20 wieder auf den Wert Tmax ansteigt. Dabei wird über die gesamte Breite des Bodens 3 des Fluidvolumens 2 eine minimale Temperatur Tmin nicht unterschritten. Der Konvektionskreis 16 ist typischerweise so eingerichtet, dass die minimale Temperatur Tmin deutlich über den Gefrierpunkt des im Fluidvolumen 2 gespeicherten Fluids 7 liegt, so dass das Fluid 7 über die gesamte Breite des Fluidvolumens 2 gleichmäßig und zuverlässig aufgetaut wird.
-
Die Temperaturdifferenz Δ = Tmax – Tmin kann durch Anordnen zusätzlicher Heizelemente 20 zwischen den in den 6a und 6b gezeigten Heizelementen 20 weiter minimiert werden. Hier ist im Einzelfall ein angemessener Kompromiss zwischen dem mit zusätzlichen Heizelementen 20 verbundenen Aufwand und einer möglichst homogenen Temperaturverteilung im Fluidvolumen 2 anzustreben.
