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Die Erfindung betrifft ein Tanksystem, insbesondere zur Speicherung einer Harnstoff-Wasser-Lösung, mit
- – einem Tankbehälter zur Aufnahme der Harnstoff-Wasser-Lösung und
- – eine Heizeinrichtung zur Beheizung der im Tankbehälter befindlichen Harnstoff-Wasser-Lösung.
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Harnstoff-Wasser-Lösungen, beispielsweise genormt nach
DIN 70070 und CEFIC (European Chemical Industry Council), werden z. B. Verbrennungsabgasen von Motoren, insbesondere Dieselmotoren, zugegeben, um vor allem die Stickoxidemissionen von Kraftfahrzeugen zu senken und damit die immer weiter steigenden Anforderungen der Abgasvorschriften zu erfüllen. Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird hierzu in einem Tankbehälter bevorratet und von dort aus über eine entsprechende Leitung in die Verbrennungsabgase eingespritzt. Für die Transportleitung der Harnstoff-Wasser-Lösung ist in der Regel eine Temperierungsmöglichkeit erforderlich, da die Harnstoff-Wasser-Lösung aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung den Nachteil hat, dass sie bei ca. –11 °C ausflockt bzw. gefriert. Auch der Tankbehälter muss dann über eine Heizeinrichtung verfügen, um bei einem Kraftfahrzeug-Kaltstart kurzfristig die Förderung der Harnstoff-Wasser-Lösung aus dem Tank in die Transportleitung zu ermöglichen. Eine entsprechende Leitung zum Transport von Harnstoff-Wasser-Lösungen ist beispielsweise in der
WO 2011/151008 beschrieben.
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Gemäß dem Stand der Technik ist es bekannt, den Tankbehälter mit einer Heizspirale aus Edelstahl auszustatten, welche innerhalb des Behälters angeordnet ist. Diese Heizspirale hat jedoch den Nachteil, dass an ihrer Oberfläche vergleichsweise hohe Temperaturen entstehen können, so dass eine lokale Zersetzung der Harnstoff-Wasser-Lösung unter Bildung von Ammoniak die Folge sein kann. Auch bei üblichen, gemäß dem Stand der Technik verwendeten Heizdrähten kommt es aufgrund der geringen Oberfläche und den dadurch bedingten hohen spezifischen Heizleistungen pro Längeneinheit bzw. Oberfläche potenziell zu einer Überhitzung und damit zu einer Zersetzung, bzw. einer vorzeitigen Alterung der Harnstoff-Wasser-Lösung. Dies führt auch dazu, dass Teile der Heizeinrichtung, die oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegen, aufgrund der schlechten Wärmeabfuhr an die umgebende Gasphase ebenfalls zu einer Überhitzung und damit zu einer Eigenschädigung neigen. Zudem erschwert die für die Verlegung der Heizdrähte erforderliche Stützgeometrie die Montage der Heizeinrichtung.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Tanksystem mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, bei dem eine sehr schnelle Beheizung sichergestellt ist und gleichzeitig eine Überhitzung des zu beheizenden Mediums verhindert wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Heizeinrichtung als zumindest bereichsweise im Tankbehälter angeordnete Heizleitung ausgebildet ist, die eine ein Lumen aufweisende, gegenüber Ammoniak chemisch beständige Schlauchleitung aus Kunststoff sowie mindestens einen im Lumen der Schlauchleitung, vorzugsweise lose, angeordneten, an eine elektrische Stromquelle anschließbaren Widerstandsheizdraht aufweist. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zur Beheizung der im Tankbehälter befindlichen Harnstoff-Wasser-Lösung prinzipiell eine Schlauchleitung zum Einsatz kommen kann, welche auch zum Transport der Harnstoff-Wasser-Lösung aus dem Tankbehälter zu den Verbrennungsabgasen geeignet ist, so wie beispielsweise in der
WO 2011/151008 beschrieben. Überraschenderweise kann mittels derartiger Leitungen, welche natürlich über eine Ammoniak-Beständigkeit verfügen, nicht nur eine im Lumen befindliche Harnstoff-Wasser-Lösung bei einem Fahrzeug-Kaltstart im Winter schnell aufgetaut werden, sondern auch eine Lösung, die erfindungsgemäß im Tankbehälter die äußere Oberfläche der Schlauchleitung benetzt. Aufgrund der kleinen Geometrie der Heizleitung ist trotz des innenliegenden Widerstandsheizdrahtes ein sehr schneller und guter Wärmetransport zur im Tankbehälter befindlichen Harnstoff-Wasser-Lösung möglich. Die Schlauchleitung verfügt neben ihrer chemischen Beständigkeit gegenüber Ammoniak über eine gute Eigenstabilität, so dass eine problemlose Verlegung der Heizleitung innerhalb des Tankbehälters möglich ist. Die Verwendung von sonst üblichen Stützelementen zur Verlegung der Heizeinrichtung ist daher bei der erfindungsgemäßen Lehre in der Regel nicht erforderlich. Gleichzeitig ist der Widerstandsheizdraht durch die Schlauchleitung mechanisch sehr gut geschützt, so dass keine Beschädigung des Drahtes während seiner Montage oder im Betrieb zu befürchten ist. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre ist es möglich, eine vergleichsweise lange Schlauchleitung innerhalb des Tankbehälters platzsparend anzuordnen, wodurch die erforderliche spezifische Heizleistung niedrig gehalten werden kann, beispielsweise < 10 Watt pro Meter Schlauchleitung. Beim Betrieb des Tanksystems gemäß der erfindungsgemäße Lehre liegt nur eine geringe Oberflächenenergiedichte von zweckmäßigerweise weniger als 0,2 W/m
2, z.B. ca. 0,1 W/m
2 an der äußeren Oberfläche der Schlauchleitung vor. Hierdurch wird eine Überhitzung und damit einhergehende Zersetzung der Harnstoff-Wasser-Lösung, welche eine Bildung von Ammoniak zur Folge hat, verhindert. Durch die geringe aufzuheizende Masse der Heizeinrichtung ist darüber hinaus erfindungsgemäß eine sehr hohe Heizdynamik sichergestellt. Der Widerstandsheizdraht ist innerhalb der Schlauchleitung vorzugsweise schlaufenförmig verlegt, so dass der Draht an einem Schlauchleitungsende sowohl in die Schlauchleitung hinein als auch aus dieser herausgeführt werden kann. Im Rahmen der Erfindung liegt es ebenso, dass der Widerstandsheizdraht innerhalb der Schlauchleitung dreidimensional selbsttragend verlegt ist, vorzugsweise in einer spiralförmig gewickelten Form, um die spezifische Heizleistung zu erhöhen.
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Die Schlauchleitung besteht zweckmäßigerweise aus Polyamid (PA), vorzugsweise PA 12, oder Polypropylen (PP). Es hat sich herausgestellt, dass diese Materialien eine besonders gute chemische Beständigkeit gegenüber Ammoniak aufweisen. Um eine möglichst große Leitungslänge zu gewährleisten, ist die Heizleitung zweckmäßigerweise innerhalb des Tankbehälters ebenfalls dreidimensional selbsttragend verlegt, vorzugsweise in einer spiralförmig gewickelten Form. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet die Heizleitung innerhalb des Tankbehälters mehrere nebeneinander angeordnete Heizspiralen. Im Rahmen der Erfindung liegt es insbesondere, dass innerhalb des Tankbehälters ein zylinderförmiges Pumpengehäuse angeordnet ist, das mit der Heizleitung umwickelt ist. Dieses Pumpengehäuse ist ohnehin zur Einhausung einer Pumpe zur Sicherstellung der gewünschten Förderung der Harnstoff-Wasser-Lösung aus dem Tankbehälter zu den Verbrennungsabgasen erforderlich und kann vorteilhafterweise gleichzeitig zur spiralförmigen Anordnung der Heizleitung genutzt werden. Das Pumpengehäuse kann hierbei auf einer Grundplatte des Tankbehälters montiert sein, wobei die Heizleitung die Grundplatte durchfasst und in diesem Bereich vorzugsweise mit der Grundplatte verschweißt ist. Dies ermöglicht eine einfache Montage und stellt gleichzeitig eine sichere Abdichtung des Durchtrittsbereiches der Heizleitung in den inneren Hohlraum des Tankbehälters sicher.
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Der Widerstandsheizdraht kann mit einer Kunststoff-Ummantelung versehen sein. Diese besteht in der Regel aus einem gegenüber Ammoniak beständigen Kunststoff, z. B. FEP (Perfluorethylenpropylen-Copolymer) bzw. allgemein einem fluorhaltigen Polymer. Im Rahmen der Erfindung liegt es ebenfalls, dass der Widerstandsheizdraht eine Oberflächenbeschichtung aus Silber bzw. einer Silberlegierung aufweist. Die zuvor beschriebenen Maßnahmen dienen dazu, den eigentlichen Widerstandsheizdraht gegenüber einem chemischen Angriff durch Ammoniak zu schützen. Wenngleich bei der vorliegenden Anwendung die Harnstoff-Wasser-Lösung nicht in den direkten Kontakt mit dem Widerstandsheizdraht kommt, da dieser durch die Schlauchleitung aus Kunststoff geschützt ist, so sind die beschriebenen Maßnahmen dennoch vorteilhat hinsichtlich einer hohen Prozesssicherheit, die dann auch im Falle einer unwahrscheinlichen Beschädigung der Schlauchleitung gewährleistet ist.
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Das Lumen der Schlauchleitung kann frei bleiben, also mit Luft gefüllt sein. Im Rahmen der Erfindung liegt es jedoch insbesondere auch, das Lumen der Heizleitung zur Verbesserung der Wärmeübertragung mit einer Flüssigkeit zu füllen, wobei in diesem Zusammenhang insbesondere Flüssigkeiten mit sehr niedrigem Gefrierpunkt, hoher Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig hoher Temperaturbeständigkeit, z. B. Öle oder Alkohole, in Frage kommen oder aber auch übliche, beispielsweise bei Kühl- und Gefrierschränken zum Einsatz kommende Kältemittel. Die Befüllung des Lumens mit einem geeigneten Feststoff, z. B. in Form einer nach dem Befüllvorgang erstarrenden Flüssigkeit oder einem feinkörnigen Granulat bzw. einem Pulver, liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung.
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Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass der Widerstandsheizdraht über einen ein Schlauchleitungsende – bzw. eine Abzweigung der Schlauchleitung – verschließenden Stopfen in die Schlauchleitung hinein- und/oder aus dieser herausgeführt ist. Der Stopfen weist zweckmäßigerweise mindestens eine Öffnung zur Durchführung des Widerstandsheizdrahts auf. Vorzugsweise ist der Stopfen in das Schlauchleitungsende bzw. die Abzweigung eingepresst, so dass hierdurch gleichzeitig eine Abdichtung der von dem Widerstandsheizdraht durchfassten Öffnung gewährleistet ist. Zweckmäßigerweise weist der Stopfen eine Öffnung zum Hineinführen und eine Öffnung zum Hinausführen des innerhalb der Heizleitung schlaufenförmig angeordneten Widerstandsheizdrahtes auf. Der Stopfen kann mittels einer, vorzugsweise aus Metall (z.B. Edelstahl oder Messing) bestehenden, Presshülse in das Schlauchleitungsende bzw. die Abzweigung eingepresst sein, wobei die Presshülse hierzu zweckmäßigerweise das Schlauchleitungsende bzw. die Abzweigung umgreift und derart montiert sein kann, dass sie dauerhaft einen radialen, abdichtend wirkenden Pressdruck ausübt. Die beschriebene Abzweigung in der Schlauchleitung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Lumen des Heizdrahtes zwecks Verbesserung der Wärmeübertragung von einem Fluid, z.B. einer im vorigen Absatz beschriebenen Flüssigkeit, durchströmt wird.
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Generell kann die erfindungsgemäße Heizeinrichtung auch dazu genutzt werden, um zusätzlich Bauteile innerhalb und/oder außerhalb des Tankbehälters, z.B. eine Pumpe oder einen Filter, zu beheizen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Tanksystem,
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2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1,
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3 den Schnitt A-A in 2 und
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4 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches innerhalb des gestrichelten Kreises in 3.
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Die 1 zeigt ein Tanksystem zur Speicherung einer Harnstoff-Wasser-Lösung 1, die zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeug-PKWs dient. Der Füllstand der Lösung 1 ist in 1 durch einen entsprechenden Flüssigkeitsspiegel 2 gekennzeichnet ist. Das im Kraftfahrzeug angeordnete Tanksystem weist einen Tankbehälter 3 zur Aufnahme der Harnstoff-Wasser-Lösung 1 und eine Heizeinrichtung 4 zur Beheizung der im Tankbehälter 3 befindlichen Harnstoff-Wasser-Lösung 1 auf. Die Heizeinrichtung 4 ist als praktisch vollständig im Tankbehälter 3 angeordnete Heizleitung ausgebildet, die eine ein Lumen 5 (vergl. 3) aufweisende, gegenüber Ammoniak chemisch beständige Schlauchleitung 6 aus Kunststoff sowie einen im Lumen 5 der Schlauchleitung 6 lose angeordneten, an eine elektrische Batterie 7 anschließbaren Widerstandsheizdraht 8 aus Metall, z.B. Kupfer oder einer Kupferlegierung, aufweist. Wie der 3 zu entnehmen ist, ist der Widerstandsheizdraht 8 innerhalb der Schlauchleitung 6 in Form einer einfachen Schlaufe angeordnet, so dass die beiden Schlaufenabschnitte 9, 9‘ des Widerstandsheizdrahtes 8 in der Schlauchleitung 6 nebeneinander liegen und die beiden Enden dieser Schlaufenabschnitte 9, 9‘ unmittelbar nebeneinander liegend an die Batterie 7 angeschlossen werden können. Entsprechend befindet sich die nicht näher dargestellte Drahtschlaufenumlenkung am innerhalb des Tankbehälters 3 angeordneten Endes der Schlauchleitung 6. Die Schlauchleitung 6 besteht aus PA 12. Wie der 1 zu entnehmen ist, ist die Heizleitung 4 innerhalb des Tankbehälters 3 dreidimensional selbsttragend verlegt, und zwar in einer spiralförmig gewickelten Form, wobei innerhalb des Tankbehälters 4 mehrere nebeneinander angeordnete Heizspiralen 10 angeordnet sind.
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Innerhalb des Tankbehälters 3 ist ein zylinderförmiges Pumpengehäuse 11 zur Einhausung einer nicht näher dargestellten Pumpe angeordnet. Die Pumpe dient zur Förderung der Harnstoff-Wasser-Lösung 1 aus dem Tankbehälter 3 durch eine nicht dargestellte Transportleitung zum Abgasstrang des Kraftfahrzeuges. Wie den 1 und 2 zu entnehmen ist, ist das Pumpengehäuse 11 mit der Heizleitung 4 umwickelt. Das Pumpengehäuse 11 ist auf einer Grundplatte 12 des Tankbehälters 3 montiert, wobei die Heizleitung 4 die Grundplatte 12 durchfasst und in diesem Bereich mit der Grundplatte 12 verschweißt ist. Die Grundplatte 12 ist flüssigkeitsdicht mit der restlichen Wandung des Tankbehälters 3 verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist die Grundplatte 12 im Bodenbereich des Tankbehälters 3 angeordnet. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, dass sich die Grundplatte 12 im Seiten- oder Deckenbereich des Tankbehälters 3 befindet.
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Der 3 ist zu entnehmen, dass der Widerstandsheizdraht 8 mit einer Kunststoff-Ummantelung 13 versehen ist, welche aus einem gegenüber Ammoniak beständigen Kunststoff besteht, z. B. FEP. Darüber hinaus ist der 3 zu entnehmen, dass der Widerstandsheizdraht 8 eine Oberflächenbeschichtung 14 aufweist, welche aus Silber besteht. Das Lumen 5 der Schlauchleitung 6 ist zur Verbesserung der Wärmeübertragung im Ausführungsbeispiel mit einer Flüssigkeit 15 gefüllt, beispielsweise einem üblichen, zum Betrieb von Kühl- bzw. Gefrierschränken geeigneten Kältemittel. Im Rahmen der Erfindung liegt es insbesondere aber auch, dass das Lumen 5 der Schlauchleitung frei bleibt, also mit Luft gefüllt ist. Aufgrund der geringen Abmessungen der Schlauchleitung 6 mit wenigen mm Innendurchmesser ist trotzdem eine sehr gute Wärmeübertragung vom Widerstandsheizdraht 8 zur Harnstoff-Wasser-Lösung 1 hin gewährleistet, zumal der Widerstandsheizdraht 8 – wie aus 3 ersichtlich – an der Innenwandung der Schlauchleitung 6 anliegt.
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Die 4 zeigt, dass der Widerstandsheizdraht 8 über einen das – außerhalb des Tankbehälters 3 befindliche – Schlauchleitungsende 16 verschließenden Stopfen 17 in die Schlauchleitung 6 hinein- und aus dieser herausgeführt ist. Der Stopfen 17 weist entsprechend zwei Öffnungen 18 zur Durchführung der beiden Schlaufenabschnitte 9, 9‘ des Widerstandsheizdrahts 8 auf. Der Stopfen 17 ist in das Schlauchleitungsende 16 eingepresst, so dass hierdurch gleichzeitig eine Abdichtung der beiden vom Widerstandsheizdraht 8 durchfassten Öffnungen 18 gewährleistet ist. Das Schlauchleitungsende 16 weist hierzu eine Anschlusshülse 19 auf, die aus Kunststoff, oder aber auch aus Metall bestehen kann. Der Stopfen 17 liegt im Montagezustand entsprechend an der Innenseite 20 der Anschlusshülse 19 an. Der Stopfen 17 ist mittels einer aus Metall bestehenden Presshülse 21 in das Schlauchleitungsende 16 eingepresst, wobei die Presshülse 21 hierzu das Schlauchleitungsende 16 umgreift und derart auf das Schlauchleitungsende 16 aufgepresst ist, dass sie dauerhaft einen radialen, bzgl. der Harnstoff-Wasser-Lösung 1 dichtend wirkenden Pressdruck ausübt.
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Das zuvor beschriebene Tanksystem wird insbesondere zur Bevorratung von Harnstoff-Wasser-Lösungen für Kraftfahrzeuge eingesetzt, um dieses in die Verbrennungsabgase einspritzen zu können. Grundsätzlich ist jedoch der Einsatz der erfindungsgemäßen Lehre auch für andere Aufgaben geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/151008 [0002, 0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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