DE102018209363A1 - Behälter für ein gefrierbares Fluid zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug und Verfahren mit Verwendung des Behälters - Google Patents

Behälter für ein gefrierbares Fluid zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug und Verfahren mit Verwendung des Behälters Download PDF

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Abstract

Erfindungsgemäß ist ein Behälter für ein Eis bildendes Fluid, zum Zuführen in einen Brennraum oder in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter ein Druckbehälter ist, insbesondere aus Edelstahl oder Aluminium, insbesondere mit wenigstens einer verstärkenden Außenschicht aus CFK und/oder GFK, so kann dieser durch eine Heiz- und Druckerzeugungseinrichtung zum Erwärmen und Bedrucken des Fluids im Innenraum des Druckbehälters über eine Verbindungsleitung zu einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine mit Abgas versorgt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Behälter für ein beim Betrieb einer Brennkraftmaschine verwendbares Fluid und ein Verfahren zur Verwendung des Fluids mit Verwendung des Behälters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei mit Dieselkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotoren wird zur Reduzierung von Stickoxiden eine Abgasbehandlung auf der Basis der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) durchgeführt. Bei den dazu verwendeten SCR-Abgasreinigungssystemen wird zum Beispiel nach einem Vorkatalysator in den Abgasstrom ein Reduktionsmittel eingespritzt, welches einem im Fahrzeug befindlichen Reduktionsmitteltank entnommen wird. Als Reduktionsmittel kann hierfür eine wässrige Harnstofflösung mit einem Harnstoffanteil von 32,5 Prozent verwendet werden, die bei etwa minus 11 Grad Celsius gefriert. Um das Einfrieren des Reduktionsmittels zu verhindern, sind herkömmliche Reduktionsmitteltanks mit einer Heizeinrichtung ausgestattet.
  • Bei manchen mit Ottokraftstoff betriebenen Verbrennungsmotoren wird Wasser zur Kühlung über die Einspritzanlage mit eingespritzt, um eine Vollastanreicherung des Gemischs vermeiden zu können. Die DE 10 2015 1110 204 A1 beschreibt Verfahren und Systeme für eine Motorverdünnungssteuerung über Direkteinspritzung von Wasser aus einem Behälter.
  • Aus der DE 10 2011 108 213 A1 ist ein beheizbarer Behälter zur Verwendung als Reduktionsmitteltank für ein gefrierempfindliches SCR-Reduktionsmittel bekannt. Dieser wird mittels elektrischen Heizelementen beheizt und ist sehr kompliziert aufgebaut, was die Herstellkosten erhöht. Außerdem wird, um die Funktionen des Förderns des Fluids, mittels einer im Fluidtank verbauten elektrischen Pumpe zur Einspritzung in den Motor und des Auftauens des Fluids zu realisieren, elektrische Energie verbraucht, die eine Lichtmaschine produziert, was wiederum den Verbrauch von Kraftstoff erhöht.
  • Für alle Anwendungen ist es Aufgabe der Erfindung, einen heizbaren Behälter für ein Eis bildendes Fluid, zum Zuführen in einen Kraftstoff- oder Abgasbereich einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, zu schaffen, der auf einfache Weise eine sichere Versorgung des Kraftstoff- oder Abgasbereichs der Brennkraftmaschine mit dem Fluid gewährleistet, insbesondere mit Reduktionsmittel für eine SCR-Abgasanlage oder mit Wasser. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, insbesondere mittels einer Heiz- und Druckerzeugungseinrichtung nach Anspruch 2 und/oder 3. Ein Verfahren zum Betrieb der Heiz- und Druckerzeugungseinrichtung, das keine elektrische Energie verbraucht, kommt gemäß Anspruch 4 zur Anwendung.
  • Erfindungsgemäß ist ein Behälter für ein Eis bildendes Fluid, zum Zuführen in einen Brennraum oder in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter ein Druckbehälter ist, insbesondere aus Edelstahl oder Aluminium, insbesondere mit wenigstens einer verstärkenden Außenschicht aus CFK und/oder GFK, also kohlefaser- und/oder glasfaserverstärktem Kunststoff.
  • Vorteilhafterweise kann hierdurch eine durch Druckerhöhung im Behälter arbeitende Fördereinrichtung für das Fluid zum Einsatz kommen, die gleichzeitig das Fluid erwärmt, indem die Abgasenergie der Brennkraftmaschine genutzt wird, also Wärme und Druck.
  • Insbesondere durch eine Heiz- und Druckerzeugungseinrichtung zum Erwärmen und Bedrucken des Fluids in dem Druckbehälter die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Innenraum des Druckbehälters über eine Verbindungsleitung mit einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine stromabwärts nach einer Abgasreinigungsanlage verbunden ist und dass jeweils ein Ventil eingebaut ist, ein erstes Ventil in ein Endrohr der Abgasanlage stromabwärts nach dem Anschluss der Verbindungsleitung, ein zweites Ventil in die Verbindungsleitung, und ein drittes Ventil in eine vom Druckbehälter ausgehende Zuführleitung zur Förderung des Fluids zu wenigstens einer Einspritzdüse.
  • Durch diese Ventile kann vorteilhafterweise zum Beispiel das Endrohr der Abgasanlage geschlossen und dadurch von der Brennkraftmaschine bedrucktes Abgas, bei gleichzeitig offenem Ventil in der Verbindungsleitung, durch diese in den Druckbehälter geleitet werden. Dieses heiße Abgas erhöht sowohl den Druck, als auch die Temperatur des Fluids im Druckbehälter und durch Öffnen des Ventils in der Zuführleitung wird Fluid zur Einspritzdüse der Brennkraftmaschine oder der Abgasanlage gefördert und dort mit entsprechendem Einspritzdruck zur gesteuerten Einspritzung bereitgestellt.
  • Diese bevorzugt dadurch, dass die Ventile in Abhängigkeit voneinander und/oder von Parametern einer Brennkraftmaschinen-Steuereinrichtung in ihrem Öffnungsgrad verstellt werden, was eine genauere Fluiddrucksteuerung ermöglicht, gegenüber einer Verwendung von Ventilen mit ausschließlich nur einer Offen- und einer Schließstellung.
  • Den Druckaufbau im Druckbehälter ermöglicht zum Beispiel ein Schließen des ersten Ventils am Abgasanlagen-Ausgang, also am Endrohr bei gleichzeitigen Öffnen des zweiten Ventils in der Verbindungsleitung und geschlossenem dritten Ventil in der Zuführleitung. Wenn dann ein vorgegebener Druck, zum Beispiel 10 bar, im Druckbehälter mittels eines Drucksensors gemessen wird, wird das zweite Ventil der Verbindungsleitung geschlossen und das Ventil am Endrohr öffnet wieder. Zur Steuerung der Förderung des Fluids dient ein Ventil in der Zuführleitung. Da das Abgas außerdem warm ist, kann dieses genutzt werden um gefrorenes Fluid im Tank aufzutauen. Um den Druck stand zu halten, sollte der Druckbehälter aus Edelstahl oder Aluminium mit jeweils einer CFK oder GFK Wicklung ausgeführt werden.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb der Heiz- und Druckerzeugungseinrichtung für das Fluid in dem Druckbehälter ist dadurch gekennzeichnet, dass Abgas ventilgesteuert, wenigstens oder ausschließlich wenn die Brennkraftmaschine ohne Last betrieben wird, wenigstens durch Öffnen des zweiten Ventils, zur Druckerhöhung und Erwärmung im Druckbehälter, in diesen geführt wird.
  • Wenn Abgas nur im Falle der Lastwegnahme von der Brennkraftmaschine durch den Fahrer in Richtung Druckbehälter geleitet wird, entsteht an dieser vorteilhafterweise keine Leistungseinbuße und es erhöht sich zusätzlich die Motorbremsleistung.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung näher dargestellt. Dazu zeigt die einzige Figur in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Behälter für ein flüssiges Additiv zum Zuführen in einen Kraftstoffbereich oder in einen Abgasbereich einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Das Additiv kann zum Beispiel Wasser zum Einspritzen in einen Ottomotor oder eine Harnstofflösung zum Einspritzen in einen Dieselmotor sein.
  • Ein in der Figur dargestellter Behälter, als Druckbehälter 1 ausgebildet, der in Einbaulage in einem nicht gezeichneten Kraftfahrzeug dargestellt ist, besitzt einen Einfüllstutzen 2 zum Befüllen eines Innenraumes 3 des Druckbehälters 1 mit einem Fluid 4. Es ist auch eine Entnahmevorrichtung zur Entnahme von Fluid 4 aus dem Druckbehälter 1 vorgesehen, um das Fluid 4 einer bestimmungsgemäßen Verwendung zuzuführen. Dies ist beispielsweise eine Abgasbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine 8 des Kraftfahrzeugs mit dem Fluid 4, beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung oder Wasser als Fluid 4, zur Schadstoffreduktion. Beide möglichen Inhaltsstoffe im Innenraum 3 des Druckbehälters 1 haben die Eigenschaft, bei einer Umgebungstemperatur von ca. -11 Grad Celsius, die Harnstofflösung, bzw. Null Grad Celsius, das Wasser, zu gefrieren. Daher müssen bestimmte Vorkehrungen getroffen werden, um die Abgasnachbehandlung bei allen vorkommenden Umgebungstemperaturen zu ermöglichen.
  • So besteht die Entnahmevorrichtung, an einem Boden 3' des Innenraums 3 des Druckbehälters 1, zum Beispiel angebracht an dessen, geodätisch gesehen, tiefster Stelle, aus einem Fluid-Auslass 5 zur Fluidentnahme hin zur Brennkraftmaschine 8.
  • Der Druckbehälter 1 selbst besteht aus einem dichten Liner aus Edelstahl oder Aluminium, der durch eine, nicht gezeichnete, druckfeste Außenschicht aus Kohle-(CFK) oder Glasfaser (GFK) verstärktem Kunststoff umgeben ist. Die Kunststofflagen sind hier vorzugsweise gewickelt.
  • Der Innenraum 3 des Druckbehälters 1 wird zum Erwärmen und Bedrucken des Fluids 4 mittels einer Heiz- und Druckerzeugungseinrichtung, die eine Verbindungsleitung 6 umfasst und über diese mit einer Abgasleitung 7 der Brennkraftmaschine 8 stromabwärts nach einer Abgasreinigungsanlage 9 verbunden ist, mit Abgas der Brennkraftmaschine 8 gesteuert versorgt. Dazu ist ein erstes Ventil 10 in ein Endrohr 7' der Abgasanlage stromabwärts nach dem Anschluss der Verbindungsleitung 6 eingebaut, ein zweites Ventil 11 in die Verbindungsleitung 6 selbst und ein drittes Ventil 12 in eine vom Druckbehälter 1 ausgehende Zuführleitung 13 für das Fluid 4 zur Brennkraftmaschine 8 zu dessen Förderung zu wenigstens einer nicht gezeichneten Einspritzdüse. Die Ventile 10, 11, 12 werden in Abhängigkeit voneinander und/oder von Parametern einer nicht gezeichneten Brennkraftmaschinen-Steuereinrichtung in ihrem Öffnungsgrad verstellt, mittels eines Verfahrens zum Betrieb der Heiz- und Druckerzeugungseinrichtung für das Fluid 4 in dem Druckbehälter 1, wodurch das Abgas ventilgesteuert, wenigstens oder ausschließlich wenn die Brennkraftmaschine ohne Last betrieben wird, wenigstens durch Öffnen des zweiten Ventils 11, vorzugsweise bei gleichzeitigem Schließen des ersten Ventils 10, zur Druckerhöhung und Erwärmung des Fluids 4 im Druckbehälter 1, in diesen geführt wird.
  • Ein Öffnen des zweiten Ventils 11 bei geschlossenem ersten Ventil 10 ausschließlich bei Betrieb der Brennkraftmaschine 8 ohne Last, also nur im Falle einer Gaswegnahme durch den Fahrer, hat den Vorteil, dass keine Leistungseinbuße entsteht, wenn der Fahrer wieder Leistung von der Brennkraftmaschine 8 anfordert. Zusätzlich erhöht sich die Bremsleistung der Brennkraftmaschine 8 durch das Schließen des ersten Ventils 10.
  • Wenn ein vorgegebener Druck, zum Beispiel 10 bar, gemessen mittels eines nicht gezeichneten Drucksensors in der Verbindungsleitung 6, im Druckbehälter 1 erreicht ist, schließt das zweite Ventil 11 die Verbindungsleitung 6 und das erste Ventil 10 öffnet das Endrohr 7' wieder. Zur Steuerung der Förderung des Fluids 4 mittels einer Fluiddruckmessung in der Nähe der Einspritzdüse dient das dritte Ventil 12 in der Zuführleitung 13. Die Abgaswärme, wird dazu benutzt, gefrorenes Fluid 4 im Druckbehälter 1 aufzutauen.
  • Im Falle einer Verwendung von Wasser als Fluid 4, kann dieses auch mittels Abgaskühlung durch einen nicht gezeichneten Kühler in der Abgasanlage erzeugt werden und das hierbei anfallende Kondensat gesammelt und dem Druckbehälter 1 als Fluid 4 zugeführt werden, was die Nachfüllzyklen von Fluid 4 in den Druckbehälter 1 verlängert oder ein Nachfüllen gänzlich unnötig macht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 1020151110204 A1 [0003]
    • DE 102011108213 A1 [0004]

Claims (4)

  1. Behälter für ein Fluid (4), zum Zuführen in wenigstens einen Brennraum oder in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter ein Druckbehälter (1) ist, insbesondere aus Edelstahl oder Aluminium, insbesondere mit wenigstens einer verstärkenden Außenschicht aus CFK und/oder GFK.
  2. Heiz- und Druckerzeugungseinrichtung zum Erwärmen und Bedrucken des Fluids (4) in dem Druckbehälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenraum (3) des Druckbehälters (1) über eine Verbindungsleitung (6) mit einer Abgasleitung (7) der Brennkraftmaschine (8) stromabwärts nach einer Abgasreinigungsanlage (9) verbunden ist und dass jeweils ein Ventil (10, 11, 12) eingebaut ist, ein erstes Ventil (10) in ein Endrohr (7') der Abgasanlage stromabwärts nach dem Anschluss der Verbindungsleitung (6), ein zweites Ventil (11) in die Verbindungsleitung (6), und ein drittes Ventil (12) in eine vom Druckbehälter (1) ausgehende Zuführleitung (13) zur Förderung des Fluids (4) zu wenigstens einer Einspritzdüse.
  3. Heiz- und Druckerzeugungseinrichtung zum Erwärmen und Bedrucken des Fluids (4) in dem Druckbehälter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (10, 11, 12) in Abhängigkeit voneinander und/oder von Parametern einer Brennkraftmaschinen-Steuereinrichtung in ihrem Öffnungsgrad verstellbar sind.
  4. Verfahren zum Betrieb der Heiz- und Druckerzeugungseinrichtung für das Fluid (4) in dem Druckbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas ventilgesteuert, wenigstens oder ausschließlich wenn die Brennkraftmaschine (8) ohne Last betrieben wird, wenigstens durch Öffnen des zweiten Ventils (11), zur Druckerhöhung und Erwärmung im Druckbehälter (1), in diesen geführt wird.
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Citations (2)

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DE102011108213A1 (de) 2011-07-21 2013-01-24 Audi Ag Beheizbarer Reduktionsmitteltank
DE102015110204A1 (de) 2015-06-25 2017-01-12 Krones Ag Adiabate Hochdruckerzeugung

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