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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beheizen eines Fluids, insbesondere eines flüssigen Reduktionsmittels, in einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, der ein Kraftstoffeinspritzsystem hat.
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Stand der Technik
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Zum Entsticken der Abgase von Dieselmotoren hat sich die SCR-Technik („selective catalytic reduction“) mit einem harnstoffhaltigen Reduktionsmittel bewährt. Dazu wurden Systeme entwickelt, die die Einhaltung der geforderten Abgasgrenzwerte mit Hilfe einer definierten Zugabe einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue®“) in den Abgasstrang durch einen anschließenden SCR-Katalysator ermöglichen.
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Da eine wässrige Harnstofflösung bei –11°C gefriert, müssen der Reduktionsmitteltank, in dem das Reduktionsmittel bereit gehalten wird, beheizbar sein, um auch bei kalten Temperaturen einen flüssigen Aggregatzustand des Reduktionsmittels zu gewährleisten. Bisher bekannte Reduktionsmitteltanks werden mittels elektrischer Energie oder Motorkühlwasser beheizt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Beheizen eines Fluids, beispielsweise eines flüssigen Reduktionsmittels, insbesondere in einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der ein Kraftstoffeinspritzsystem hat, zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht, das Fluid effektiv zu beheizen, und die kostengünstig installiert und betrieben werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beheizen eines Fluids, insbesondere eines flüssigen Reduktionsmittels, in einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, der ein Kraftstoffeinspritzsystem hat, weist wenigstens ein Wärmetauschelement auf, das ausgebildet ist, Wärme von überschüssigem Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinspritzsystem, der von dem Kraftstoffeinspritzsystem unter einen erhöhten Druck gesetzt aber nicht in den Verbrennungsmotor eingespritzt worden ist, an das Fluid zu übertragen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Beheizen eines Fluids, beispielsweise eines flüssigen Reduktionsmittels, insbesondere in einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, der ein Kraftstoffeinspritzsystem aufweist, umfasst, überschüssigen Kraftstoff, der von dem Kraftstoffeinspritzsystem unter erhöhten Druck gesetzt, aber nicht in den Verbrennungsmotor eingespritzt worden ist, in eine Wärmeaustauschverbindung mit dem Fluid zu bringen, um Wärme von dem überschüssigen Kraftstoff an das Fluid zu übertragen.
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In aktuellen Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, wird der Kraftstoff unter hohem Druck in den Verbrennungsraum eingespritzt. Beim Erzeugen des hohen Einspritzdrucks im Kraftstoffeinspritzsystem wird die Temperatur des Kraftstoff stark erhöht. Die hohe Temperatur von überschüssigem Kraftstoff, der unter den erhöhten Druck gesetzt, aber nicht in den Motor eingespritzt worden ist, kann erfindungsgemäß genutzt werden, um das fluide Reduktionsmittel zu erwärmen.
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Die Druckerhöhung und die damit verbundene erhöhte Temperatur des Kraftstoffs steht sofort zur Verfügung, wenn der Motor gestartet wird. Daher kann auch bei einem noch kalten Motor, bei dem das Kühlwasser noch keine nennenswerte Wärme zur Verfügung stellen kann, eine hohe Wärmeleistung und damit eine hohe Auftaumenge an gefrorenem Reduktionsmittel realisiert werden, ohne dass die Notwendigkeit besteht, zusätzliche elektrische Energie einzusetzen. Auf diese Weise kann eine hohe Auftaumenge energiesparend und kostengünstig realisiert werden.
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In einer Ausführungsform ist das Wärmetauschelement stromabwärts einer Rücklaufleitung, die mit dem Kraftstoffeinspritzsystem verbunden ist, um überschüssigen Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinspritzsystem abzuführen, und stromaufwärts einer Ablaufleitung, die ausgebildet ist, den Kraftstoff in einen Kraftstofftank abzuleiten, angeordnet. Auf diese Weise kann überschüssiger Kraftstoff, dessen Temperatur durch das Wärmetauschelement reduziert worden ist, in den Kraftstofftank zurückgeführt werden.
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In einer Ausführungsform ist das Fluid in einem Fluidtank gespeichert und das Wärmetauschelement ist in einer Begrenzung des Fluidtanks, insbesondere in einem Boden des Fluidtanks ausgebildet. Auf diese Weise kann die Wärme aus dem überschüssigen Kraftstoff effektiv an das Fluid übertragen werden. Darüber hinaus kann der Fluidtank durch eingeschlossenen Luft oder warmen Kraftstoff, der sich im Wärmetauschelement am Boden des Fluidtanks befindet, zusätzlich isoliert werden.
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In einer Ausführungsform ist das Wärmetauschelement als Heizschlange, Heizmatte und/oder Rohrsystem ausgebildet und steht in mechanischem Kontakt mit dem Fluid. Auf diese Weise kann die Wärme aus dem überschüssigen Kraftstoff besonders effektiv an das Fluid übertragen werden.
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In einer Ausführungsform ist das Fluid in einem Fluidtank gespeichert und das Wärmetauschelement ist beweglich in dem Fluidtank angeordnet, um durch Fahrzeugbewegungen verursachte Bewegungen des Wärmetauschelements im Fluidtank zu ermöglichen. Diese bewirkt auch bei einer Kavitätenbildung (Ausbilden eines isolierenden Luftmantels um das Wärmetauschelement), dass das Wärmetauschelement immer wieder in Kontakt mit einer ggf. noch vorhandenen Eisfront tritt und Wärme an das Eis überträgt.
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In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Schaltventil auf, das es ermöglicht, den zurückgeführten Kraftstoff wahlweise durch das Wärmetauschelement oder durch eine Umgehungsleitung an dem Wärmetauschelement vorbei zu führen. Auf diese Weise kann die Erwärmung des Fluids durch den zurückgeführten Kraftstoff je nach Bedarf wahlweise eingeschaltet (Winterbetrieb) und ausgeschaltet (Sommerbetrieb) werden, beispielsweise um im Sommerbetrieb ein übermäßiges Erhitzen oder Verdampfen des Fluids zu verhindern.
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In der Umgehungsleitung kann ein Kraftstoffkühler angeordnet sein, um den zurückgeführten Kraftstoff zu kühlen, wenn er nicht durch das Wärmetauschelement geführt wird, um eine Rückführung erhitzten Kraftstoffs in den Kraftstofftank und/oder ein unerwünschtes Verdampfen des Kraftstoffs zu vermeiden.
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Kurze Beschreibung der Figuren:
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1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beheizen eines Fluids.
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1b zeigt einen Schnitt durch das Wärmetauschelement der in 1a gezeigten Vorrichtung.
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2a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beheizen eines Fluids.
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2b zeigt eine Draufsicht auf das Wärmetauschelement der in 2a gezeigten Vorrichtung.
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Die 3a und 3b zeigen jeweils eine dreidimensionale perspektivische Ansicht einer konkreten Ausführung eines Wärmetauschelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt eine dreidimensionale perspektivische Ansicht einer konkreten Ausführung eines Wärmetauschelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Figurenbeschreibung:
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1a zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beheizen eines Fluids.
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Kraftstoffinjektoren 6 eines Einspritzsystems 2 eines in der 1a nicht gezeigten Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, werden über eine gemeinsame Hochdruckleitung ("Common Rail") 4 mit Kraftstoff versorgt, der von einer in der 1a nicht gezeigten Hochdruckpumpe unter einen hohen Druck gesetzt worden ist. Bei der Druckerhöhung hat sich auch die Temperatur des Kraftstoffs erhöht.
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Um eine zuverlässige Versorgung des Verbrennungsmotors mit Kraftstoff zu gewährleisten, wird mehr Kraftstoff in die Hochdruckleitung 4 eingespeist, als für den Betrieb des Motors benötigt wird.
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Überschüssiger Kraftstoff aus der Hochdruckleitung 4, der nicht in einen der Verbrennungsräume des Motors eingespritzt worden ist, wird durch eine Rücklaufleitung 8 von den Kraftstoffinjektoren 6 abgeführt und dem Eingang eines Schaltventils 10 zugeleitet.
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Das Schaltventil 10 weist wenigstens zwei Stellungen auf:
In einer ersten Stellung des Schaltventils 10 („Sommerbetrieb“) wird der überschüssige Kraftstoff aus der Rücklaufleitung 8 durch einen Kraftstoffkühler 12 und eine Ablaufleitung 20 in den Kraftstofftank 22 zurück geführt, wie es in bisher bekannten Einspritzsystemen üblich ist. Im Kraftstoffkühler 12 wird der Kraftstoff, z.B. durch Wärmeaustausch mit Umgebungsluft („Fahrtwind“), gekühlt.
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In einer zweiten Stellung des Schaltventils 10 („Winterbetrieb“) wird der überschüssige Kraftstoff aus der Rücklaufleitung 8 dem Einlass 28 eines Wärmetauschelements 18 zugeführt, das labyrinthartig entlang wenigstens einer Seitenwand 15 und/oder entlang des Bodens 16 eines Reduktionsmitteltanks 14 ausgebildet ist.
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Das Schaltventil 10 kann auch wenigstens eine Zwischenstellung zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung aufweisen, in der Kraftstoff sowohl durch den Kraftstoffkühler 12 als auch durch das Wärmetauschelement 18 strömt, so dass das Ausmaß des Wärmeaustauschs zwischen dem aus dem Einspritzsystem 2 zurückgeführten Kraftstoff und dem im Reduktionsmitteltank 14 gespeicherten Reduktionsmittel mit Hilfe des Schaltventils 10 stufenförmig oder stufenlos einstellbar ist.
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Das Wärmetauschelement 18 ist so ausgebildet, dass Wärme aus dem zurückgeführten Kraftstoff, der durch das Wärmetauschelement 18 strömt, an das Reduktionsmittel 17, das im Reduktionsmitteltank 14 gespeichert ist, übertragen wird, um das Reduktionsmittel 17 aufzutauen, wenn es gefroren ist, bzw. um ein Einfrieren des Reduktionsmittels 17 zu verhindern. Nachdem der Kraftstoff das Wärmetauschelement 18 durchströmt hat, tritt er aus einem Auslass 30 des Wärmetauschelements 18 aus und wird über die Ablaufleitung 20 in den Kraftstofftank 22 zurück geführt.
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1b zeigt einen Schnitt durch das Wärmetauschelement 18 in einer Ebene, die parallel zum Boden 16 des Reduktionsmitteltanks 14 ausgerichtet ist. In der 1b sind die labyrinthartige Struktur des Wärmetauschelements 18 und die mäanderförmige Strömung 19 des überschüssigen Kraftstoffs durch das Wärmetauschelement 18 gut zu erkennen.
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2a zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Einspritzsystem 2 und der Kraftstoffkühler 12 des zweiten Ausführungsbeispiel sind identisch mit dem Einspritzsystem 2 bzw. dem Kraftstoffkühler 12 des ersten Ausführungsbeispiels. Sie sind daher in der 2a nicht gezeigt und werden, um eine Wiederholung zu vermeiden, im Folgenden auch nicht erneut beschrieben.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel ist das Wärmetauschelement 18 in Form einer Heizschlange 18 ausgebildet, die zwischen einem Einlass 28 und einem Auslass 30 durch den Innenraum des Reduktionsmitteltanks 14 geführt ist.
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In dem in der 2a gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Heizschlange 18 insbesondere im Wesentlichen entlang des Bodens 16 des Reduktionsmitteltanks 14 geführt, so dass auch bei einer niedrigen Füllhöhe des Reduktionsmittels 17 im Reduktionsmitteltank 14 eine gute Wärmeübertragung von dem überschüssigen Kraftstoff, der durch die Heizschlange 18 strömt, an das Reduktionsmittel 17 im Reduktionsmitteltank 14 gewährleistet ist.
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So wie im ersten Ausführungsbeispiel wird auch im zweiten Ausführungsbeispiel der überschüssige Kraftstoff, der aus dem Wärmetauschelement 18 (Heizschlange) austritt, über eine Rücklaufleitung 20 zurück in den in der 2a nicht gezeigten Kraftstofftank 22 geführt.
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2b zeigt eine schematische Draufsicht auf den Boden 16 des Reduktionsmitteltanks 14 mit einem darauf in Form einer Heizschlange 18 angeordneten Wärmetauschelement 18. Das Wärmetauschelement 18 ist in S-förmigen Schlägen mäanderförmig über den Boden 16 des Reduktionsmitteltanks 14 geführt, um über einen möglichst großen Bereich der Fläche des Bodens 16 des Reduktionsmitteltanks 14 eine gleichmäßige Wärmeübertragung zu ermöglichen. Die in der 2b gezeigte Ausführung der S-förmigen Schläge ist nur beispielhaft; für den Fachmann ist offensichtlich, dass insbesondere auch eine höhere Anzahl an S-förmigen Schlägen, die einen geringeren Abstand voneinander haben, als in der 2b gezeigt, ausgebildet werden kann und dass die Schläge weder mit einer konstanten Amplitude noch parallel zueinander ausgebildet werden müssen.
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Die Heizschlange 18 wird dabei nicht zwingend vollständig unbeweglich am Boden 16 des Reduktionsmitteltanks 14 fixiert. Vielmehr ist die Heizschlange 18 vorzugsweise so ausgebildet und angebracht, dass sie sich bei Bewegungen des Fahrzeugs (insbesondere im Fahrbetrieb des Fahrzeugs) relativ zum Boden 16 des Reduktionsmitteltanks 14 bewegt. Eine solche Bewegung hat zur Folge, dass die Heizschlange 18 durch ihre Bewegung auch bei einer sogenannten Kavitätenbildung, d. h., wenn sich nach dem Antauen gefrorenen Reduktionsmittels ein isolierender Luftmantel um die Heizschlange 18 ausgebildet hat, immer wieder in Kontakt mit der Oberfläche einer die Heizschlange 18 umgebenden Eismasse kommt, so dass Wärme effektiv von dem durch die Heizschlange 18 strömenden Kraftstoff an die noch verbliebene Eismasse übertragen werden kann.
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Anstelle der Heizschlange 18 kann das Wärmeübertragungselement 18 auch als Draht- oder Flächenheizer, insbesondere in Form einer Heizmatte, ausgebildet sein, deren Wirkungsgrad durch eine bewegliche Anordnung ebenfalls verbessert wird.
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3a zeigt eine dreidimensionale perspektivische Ansicht einer möglichen konkreten Ausführung eines Wärmetauschelements 18 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel „von unten“. Dabei ist das Wärmetauschelement 18 in Form einer Labyrinthstruktur auf der Außenseite (Unterseite) des Bodens 16 eines Reduktionsmitteltanks 14 ausgebildet. Im Betrieb strömt überschüssiger, durch Druckerhöhung erwärmte Kraftstoff durch einen Einlass 28 in das Wärmetauschelement 18 und verlässt das Wärmetauschelement 18 durch einen diagonal gegenüberliegend ausgebildeten Auslass 30.
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In der 3b ist das Wärmetauschelement 18 durch eine Bodenplatte 26 und ggf. in der 3b nicht sichtbare Dichtungen fluiddicht verschlossen, wie es für den Betrieb des Wärmetauschelements 18 notwendig ist. In der 3a wurde die das Wärmetauschelement 18 verschießende Bodenplatte 26 weggelassen, um einen Einblick in die innere Struktur des Wärmetauschelements 18 zu ermöglichen und die Labyrinthstruktur sichtbar zu machen. Die Bodenplatte 26 kann mit den Wänden der Labyrinthstruktur verschweißt oder verklebt werden, um eine fluiddichte Verbindung zu schaffen.
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Die 4 zeigt eine Draufsicht auf den Boden 16 eines Reduktionsmitteltanks 14 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei das Wärmetauschelement 18 in Form einer Heizschlange 18, die sich mäanderförmig über den Boden 16 des Reduktionsmitteltanks 14 erstreckt, ausgebildet ist. Die Heizschlange 18 kann als Rohr- oder Schlauchsystem ausgebildet sein und ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie gegenüber dem Boden des Reduktionsmitteltanks 14 zumindest etwas beweglich ist, um, wie zuvor beschrieben, auch bei eine Kavitätenbildung eine kontinuierliche und zuverlässige Wärmeübertragung von dem erwärmten überschüssigen Kraftstoff an gefrorenes Reduktionsmittel, das im Reduktionsmitteltank 14 gespeichert ist, zu ermöglichen.
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In dem in der 4 gezeigten Reduktionsmitteltank sind die S-Schläge in zwei unterschiedlichen Richtungen, die orthogonal zueinander orientiert sind, ausgerichtet.
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Reduktionsmitteltanks 14 gemäß den gezeigten Ausführungsbeispielen können kostengünstig mit einfachen Werkzeugen, beispielsweise in „Sandwich-Bauweise“ hergestellt werden und ermöglichen eine Verkleinerung oder sogar den vollständigen Verzicht auf einen Kraftstoffkühler 12.
