-
Die Erfindung betrifft eine Entnahmeeinrichtung für eine Tankvorrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die in einem Flüssigkeit bereitstellenden Tank der Tankvorrichtung anordenbare Entnahmeeinrichtung wenigstens eine Entnahmeöffnung, durch welche die Flüssigkeit aus dem Tank entnehmbar ist, und wenigstens eine Heizeinrichtung aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Tankvorrichtung mit einer entsprechenden Entnahmeeinrichtung.
-
Stand der Technik
-
Moderne Kraftfahrzeuge nutzen zur Abgasnachbehandlung häufig ein flüssiges Abgasnachbehandlungsmittel, in Form einer wässrigen Harnstofflösung, die im Kraftfahrzeug in einem Tank mitgeführt wird. Der Gefrierpunkt des Abgasnachbehandlungsmittels liegt regelmäßig bei etwa -11°C. Bei kälteren Umgebungsbedingungen friert die Flüssigkeit im Tank ein und muss, bevor es durch die Entnahmeöffnung des Tanks herausgefördert werden kann, im Tank aufgetaut werden. Dazu wird regelmäßig eine Heizeinrichtung vorgesehen, die üblicherweise als Festkörperheizung ausgebildet ist und beispielsweise zwei in einen umspritzten Aluminiumblock eingepresste, sogenannte PTCs verwendet. Die Heizleistung hängt dabei direkt vom temperaturabhängigen Widerstand der PTCs (PTC = „Positive Temperature Coefficient“ = positiver Temperaturkoeffizient) ab. Die Heizeinrichtung befindet sich im Tank und steht in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit. Sobald ein gewissen Volumen der Flüssigkeit aufgetaut ist, entsteht durch natürliche Konvektion eine Kühlströmung innerhalb des Tanks.
-
Wärmeverluste an den Kontaktstellen zwischen PTC, Aluminiumblock und Umspritzung führen zu einer schlechten Wärmeabgabe der Heizeinrichtung zu der Flüssigkeit und somit zu hohen PTC-Temperaturen. Da der Widerstand der PTCs bereits bei Temperaturen von etwa 60°C stark ansteigt, fällt die Heizleistung signifikant ab. Bei niedrigem Tankfüllstand oder Schwappen liegen Teile der Heizeinrichtung beziehungsweise der Heizelemente frei und werden nicht mehr gekühlt, was einen zusätzlichen starken Abfall der Heizleistung zur Folge haben kann. Beim Auftauen muss der Wärmestrom von der Heizeinrichtung durch die bereits aufgetaute Flüssigkeit bis zur Schmelzfront transportiert werden. Maßgebliche Effekte sind Wärmeleitung und natürliche Konvektion. Diese sind schwach, weshalb sich die Schmelzfront nicht weit von der Heizeinrichtung wegbewegen kann. Eine entsprechende Entnahmeeinrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 088 684 A1 bekannt.
-
Während des Auftauens nimmt der Füllstand des Tanks in der durch das Heizen entstandenen Kavität ab. Zwischen der Flüssigkeit und dem noch gefrorenen Eis entsteht eine Luftblase. Diese Luftblase isoliert das darüber und daneben befindliche Eis und verhindert ein weiteres Auftauen in diese Richtung. In der Abkühlphase gefriert die vorhandene Flüssigkeit wieder, wobei die Luftblase erhalten bleibt. Dieser Vorgang wiederholt sich mit der nächsten Heizphase, wobei die Luftblase bei jedem Vorgang größer wird und das durch Erwärmen und natürliche Konvektion erreichte Eisvolumen schrumpft.
-
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Entnahmeeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Tankvolumen des Tanks auf einfache Art und Weise sicher großflächig auch beabstandet zur Entnahmeöffnung aufgetaut wird, so dass auch bei sinkendem Füllstand das Eisvolumen vorteilhaft aufgetaut wird. Die erfindungsgemäße Entnahmeeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Fluidleitung vorgesehen ist, die einen geschlossenen Kreislauf bildet, wobei wenigstens ein erster Abschnitt der Fluidleitung als Steigrohr mit einem oberen und einem unteren Ende ausgebildet ist, und wobei das untere Ende der Heizeinrichtung zugeordnet ist. Die Erfindung sieht somit eine Fluidheizung vor, bei welcher ein flüssiges und/oder gasförmiges Medium durch die Fluidleitung gefördert wird. Dabei wird das Fördern des Fluids dadurch erreicht, dass ein Steigrohr an seinem unteren Ende beheizt wird, so dass das aufgrund der Erwärmung sich insbesondere in seiner Dichte verändernde Fluid in dem Steigrohr aufsteigt und dadurch den Kreislauf in Bewegung bringt. So ist es beispielsweise möglich, mittels einer bereits vorhandenen beziehungsweise bekannten Heizeinrichtung zusätzlich die Fluidheizung zu betreiben. Durch das Steigrohr wird darüber hinaus gewährleistet, dass Wärme auch weiter oberhalb, insbesondere beabstandet zu der Entnahmeöffnung an das gefrorene Volumen angegeben wird. Insbesondere bei einem ersten Auftauvorgang wird dadurch erreicht, dass eine möglichst große Kavität oder eine nach oben hin offene Kavität in dem Eisvolumen gebildet wird, um die Gasblase im Bereich der Entnahmeöffnung möglichst klein zu halten. Dadurch werden die zuvor genannten Nachteile auf einfache Art und Weise sicher vermieden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluidleitung wenigstens abschnittsweise verformbar, insbesondere elastisch verformbar ausgebildet ist. Die verformbare Ausbildung der Fluidleitung ermöglicht ein einfaches Einbringen der Fluidleitung in den Tank, beispielsweise durch eine Öffnung im Boden des Tanks. Insbesondere ist es hierdurch möglich, die Fluidleitung in einem Bereich anzuordnen, der die Fläche der Öffnung des Tanks überragt, indem die Fluidleitung vor dem Einführen in den Tank zusammengefaltet beziehungsweise verformt wird, um durch die Öffnung zu gelangen. Anschließend entfaltet sich die Fluidleitung wieder in die gewünschte Ausrichtung/Position innerhalb des Tanks, beispielsweise aufgrund ihrer Eigenelastizität und/oder aufgrund des in der Fluidleitung erzeugten Fluiddrucks. Bevorzugt ist das Steigrohr steif beziehungsweise nicht verformbar ausgebildet, um seine Position und Ausrichtung innerhalb des Tanks stets zu gewährleisten, auch wenn Eisdruck das Steigrohr beaufschlagt. Besonders bevorzugt ist das Steigrohr derart ausgerichtet, dass es senkrecht in die Höhe ragt, wobei der Tank der Tankvorrichtung in diesem Fall seine Öffnung für die Entnahmeeinrichtung bevorzugt im Tankboden aufweist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein sich an das obere Ende des Steigrohrs anschließender zweiter Abschnitt der Fluidleitung zumindest bereichsweise als Sinkrohr ausgebildet ist. Das Sinkrohr zeichnet sich dadurch aus, dass es das durch das Steigrohr nach oben geförderter Fluid wieder nach unten führt, wobei das Sinkrohr bevorzugt von dem Steigrohr in einem Winkel weggeführt ist, so dass die Flüssigkeit nicht wieder senkrecht nach unten geführt, sondern insbesondere seitlich nach außen beziehungsweise in Richtung zu einer seitlichen Tankwand des Tanks hingeführt wird, also von der Heizeinrichtung weg, so dass die Wärme des geförderten Fluids auch außenliegende Bereiche des Tanks erreicht und dort zu einem Auftauen gefrorener Flüssigkeit führt. Dadurch wird insbesondere bei einer wiederholten oder längeren Auftauphase gewährleistet, dass der Tank großflächig erwärmt beziehungsweise aufgetaut wird. Gleichzeitig wird gewährleistet, dass das Fluid in dem Steigrohr nicht durch die Heizeinrichtung erwärmt wird, wodurch eine Gegenströmung in dem Sinkrohr vermieden wird.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Sinkrohr auf Höhe des unteren Ende des Steigrohrs endet. Dadurch wird das Fluid wieder auf das Ausgangsniveau zurückgeführt, so dass es auch für das Ausgangsniveau, insbesondere nahe zu dem Boden des Tanks weiträumig gegebenenfalls gefrorenes Fluid auftaut.
-
Bevorzugt erstreckt sich vom Sinkrohr ausgehend ein dritter Abschnitt der Fluidleitung in einer Ebene, insbesondere parallel zum Tankboden, flächig, insbesondere großflächig, und führt zu dem unteren Ende des Steigrohrs zurück. In dem dritten Abschnitt ist die Fluidleitung insbesondere derart gestaltet, dass sie sich in der Ebene auffächert beziehungsweise ringförmig, kreisringförmig, serpentinenförmig, wellenförmig oder blütenförmig in der Ebene verläuft. Dadurch werde viele Bereiche des Tanks erreicht und ein entsprechend großes Volumen aufgetaut.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung außerhalb der Fluidleitung angeordnet ist. In diesem Fall wird beispielsweise das untere Ende des Steigrohrs - wie bereits erwähnt - der bereits vorhandenen Heizeinrichtung zugeordnet, wobei die von ihr ausgehende Wärme das untere Ende des Steigrohrs und damit das darin befindliche Fluid mit der zuvor beschriebenen Wirkung erwärmt.
-
Alternativ oder zusätzlich hierzu ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung innerhalb der Fluidleitung angeordnet ist, um das in der Fluidleitung befindliche Fluid direkt zu erwärmen. Hierzu ist bevorzugt vorgesehen, dass die Heizeinrichtung als Glühstiftkerze ausgebildet und in der Fluidleitung angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Glühstiftkerze an der Stelle am unteren Ende des Steigrohrs angeordnet, an welcher der dritte Abschnitt der Fluidleitung in das Steigrohr mündet, um eine besonders effiziente Energieausbeute zu gewährleisten.
-
Bevorzugt weist die Fluidleitung an ihrer höchsten Stelle, also nahe zu dem oberen Ende des Steigrohrs, einen Luftfänger auf. Der Luftfänger zeichnet sich dadurch aus, dass er einen Hohl-Raum zur Verfügung stellt, in welchen durch die Fluidleitung geförderte Luft entweichen kann. Hierzu ist der Luftfänger beispielsweise als becherförmige Abzweigung am oberen Ende des Steigrohrs vorgesehen. Besonders bevorzugt ist der Luftfänger in einem Teil der Fluidleitung zwischen dem oberen Ende des Steigrohrs und dem Sinkrohr vorgesehen, der im Wesentlichen waagerecht verläuft.
-
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Heizeinrichtung der Entnahmeöffnung und/oder wenigstens eine weitere Heizeinrichtung der Entnahmeöffnung zugeordnet ist. Je nachdem, ob die Heizeinrichtung außerhalb oder innerhalb der Fluidleitung angeordnet ist, wird der Entnahmeöffnung bevorzugt eine weitere Heizeinrichtung zugeordnet, um diese in dem Bereich um die Entnahmeöffnung schnell und direkt aufzutauen, so dass in kürzester Zeit flüssiges Abgasnachbehandlungsmittel beziehungsweise aufgetaute Flüssigkeit zur Verfügung steht.
-
Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Entnahmeeinrichtung aus. Vorzugsweise weist der Tank der Tankvorrichtung in seinem Boden eine Öffnung auf, in welche die Entnahmeeinrichtung dichtend eingesetzt beziehungsweise einsetzbar ist.
-
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 eine vorteilhafte Tankvorrichtung mit einer Entnahmeeinrichtung in einer Schnittdarstellung,
- 2 eine Draufsicht auf die Entnahmeeinrichtung und
- 3 eine perspektivische Darstellung der Entnahmeeinrichtung.
-
1 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung eine Tankvorrichtung 1, die einen Tank 2 zur Bereitstellung eines flüssigen Abgasnachbehandlungsmittels sowie eine in einer Öffnung 3 im Boden des Tanks angeordnete Entnahmeeinrichtung 4 aufweist. Die Entnahmeeinrichtung 4 ist die Öffnung 3 dicht verschließend an dem Tank 2 angeordnet. Die Entnahmeeinrichtung 4 weist eine Fördereinrichtung 5 auf, die einer Entnahmeöffnung 6 zugeordnet ist, durch welche die im Tank 2 befindliche Flüssigkeit mittels der Fördereinrichtung 5 entnommen werden kann.
-
Die Entnahmeeinrichtung 5 weist weiterhin eine Heizeinrichtung 7 auf, die vorliegend eine Fluidheizeinrichtung bildet. Dazu weist die Entnahmeeinrichtung 4 eine Fluidleitung 8 auf, die einen geschlossenen Kreislauf bildet, der im Folgenden mit Bezug auf 1 bis 3 näher erläutert werden soll.
-
2 zeigt eine Draufsicht auf die Entnahmeeinrichtung 4, während 3 die Entnahmeeinrichtung 4 in einer perspektivischen Darstellung zeigt.
-
Die Fluidleitung 8 weist einen ersten Abschnitt 9 auf, der als Steigrohr ausgebildet ist. Dazu ist der Abschnitt 9 im Wesentlichen steif ausgebildet und geradlinig ausgerichtet, wobei der erste Abschnitt 9 senkrecht nach oben zeigt beziehungsweise vertikal ausgerichtet ist. Das untere Ende des Steigrohrs beziehungsweise des Abschnitts 9 ist der Heizeinrichtung 7 zugeordnet, so dass in diesem Bereich ein in der Fluidleitung 8 befindliches Fluid erhitzt beziehungsweise erwärmt werden kann. An das obere Ende des Abschnitts 9 schließt sich ein zweiter Abschnitt 10 an. In dem Abschnitt 10 verläuft ausgehend von dem oberem Ende des Steigrohrs die Fluidleitung zunächst waagerecht beziehungsweise horizontal von dem Steigrohr weg, um dann nach unten in Richtung des Bodens des Tanks 2 und weiter von dem Abschnitt 9 weg zu führen. Der nach unten führende Teil des Abschnitts 10 bildet dabei ein Sinkrohr. Das Sinkrohr ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Winkel von etwa 45° bezüglich des Steigrohrs ausgerichtet. An seinem Ende geht das Sinkrohr in einen dritten Abschnitt der Fluidleitung über, der am besten in 2 zu erkennen ist. In dem dritten Abschnitt 11 wird die Fluidleitung 8 knapp oberhalb des Bodens des Tanks 2 großflächig umher geführt. Vorliegend wird die Fluidleitung 8 in dem Abschnitt 11 in etwa blütenförmig beziehungsweise entsprechend der Kontur einer Blüte durch den Innenraum des Tanks 2 geführt. Der dritte Abschnitt 11 endet am unteren Ende des ersten Abschnitts 9 beziehungsweise des Steigrohrs und mündet dort in dieses.
-
Bei dem Fluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit, die eine geringe Viskosität, eine starke Temperaturabhängigkeit der Dichte und eine niedrige Schmelztemperatur, insbesondere von <40°C aufweist. Hierzu kann beispielsweise eine Wasser-Glykol-Mischung in einem Mischverhältnis von 40:60 verwendet werden. Die Fluidleitung 8 selbst sollte für Temperaturen von mindestens -50°C bis 120°C ausgelegt sein.
-
Mittels der Heizeinrichtung 7 wird das Fluid in der Fluidleitung 8 an seinem tiefsten Punkt, am unteren Ende des Abschnitts 9 erhitzt. Die Erwärmung des Fluids führt zu einer Dichteabnahme, wodurch das Fluid senkrecht in dem Abschnitt 9 beziehungsweise in dem Steigrohr aufsteigt und dadurch die das Steigrohr umgebende Flüssigkeit beheizt und gegebenenfalls auftaut. Das Fluid wird dabei derart weit aufgeheizt, dass der Differenzdruck des Fluids in der Fluidleitung 8 aufgrund des Dichteunterschieds größer ist als der Druckverlust in der Fluidleitung 8, der durch Reibung und Krümmungen der Fluidleitung 8 entstehen kann. Der Durchmesser des Steigrohrs wird vorzugsweise möglichst oder verhältnismäßig gering gewählt, um hohe Strömungsgeschwindigkeiten zu erreichen und um Rückströmungen zu verhindern. Vorzugsweise werden die übrigen Abschnitte 10 und 11 der Fluidleitung 8 mit einem größeren Durchmesser ausgebildet, um geringere Reibverluste zu erhalten.
-
Das durch das Steigrohr aufgestiegene Fluid gelangt anschließend in den Abschnitt 10 und wird in Richtung des Bodens des Tanks 2 geführt, wie durch Pfeile angedeutet. Dadurch, dass das Sinkrohr beabstandet zu dem Steigrohr angeordnet ist, wird vermieden, dass das Fluid in dem Sinkrohr ebenfalls erhitzt wird, was zu einer Gegenströmung führen könnte. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass sowohl das Steigrohr als auch der waagerecht verlaufende Teil der Fluidleitung 8 im Wesentlichen steif ausgebildet sind. Der dritte Abschnitt 11 ist vorzugsweise flexibel ausgebildet, um ein verformtes Einbringen der Fluidleitung 8 durch die Öffnung 3 in den Tank 2 zu ermöglichen.
-
Das sich abkühlende Fluid sinkt entlang des Sinkrohrs zurück auf das Ausgangsniveau und wird aufgrund der Druckdifferenzen durch den Abschnitt 11 gefördert, bis es zurück zur Heizeinrichtung 7 gelangt. Es wird somit ein geschlossener Kreislauf gebildet. Durch die vorteilhafte Führung der Fluidleitung 8 wird erreicht, dass das in dem Tank 2 befindliche Fluid großflächig aufgeheizt beziehungsweise erwärmt und aufgetaut wird.
-
Die Heizeinrichtung 7 kann außerhalb der Fluidleitung 8 oder innerhalb der Fluidleitung 8 angeordnet sein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Einmündung des Abschnitts 11 in den Abschnitt 9 die Heizeinrichtung 7 in der Fluidleitung 8 als Glühstiftkerze angeordnet, wodurch das in der Fluidleitung 8 befindliche Fluid direkt erhitzt wird. Wie in 1 gezeigt, wird dazu beispielsweise das Steigrohr nach unten verlängert, so dass es durch die Entnahmeeinrichtung hindurch nach außen geführt wird. Von da aus kann beispielsweise die Glühstiftkerze bis zu der gewünschten Stelle eingeführt und die Fluidleitung 8 nach außen abgedichtet werden.
-
Die so gebildete Fluidheizung kann den Tank 2 entweder alleine beheizen, wobei dann vorteihafterweise ein Abschnitt der Fluidleitung 8 strömungstechnisch nach der Heizeinrichtung an der Entnahmeöffnung 6 und einem der Entnahmeöffnung 6 gegebenenfalls zugeordneten Filter entlang geführt wird, oder, um eine bessere zusätzliche Nachaltigkeitsheizung darzustellen, sie kann zusätzlich zu einer herkömmlichen Heizeinrichtung 12 vorgesehen sein, die als Heizelement beispielsweise ein PTC-Heizelement aufweist, wie in den Figuren gezeigt. Die weitere Heizeinrichtung 12 ist dabei zweckmäßigerweise der Entnahmeöffnung 6 und dem gegebenenfalls vorgesehenen Filter zugeordnet. Die verfügbare Heizleistung wird bevorzugt derart aufgeteilt, dass die kritischen Komponenten, also die Entnahmeöffnung 6 sowie der gegebenenfalls vorhandene Filter, innerhalb einer vorgegebenen Zeit auftauen und anschließend der restliche Tank 2 nachhaltig beheizt wird. So ist beispielsweise vorgesehen, dass zunächst die weitere Heizeinrichtung 12 in den ersten zwanzig Minuten nach Inbetriebnahme der Tankvorrichtung 1 mit 80 Watt betrieben wird, während die Heizeinrichtung 7 der Fluidheizung nur mit 40 Watt betrieben wird. Sobald die kritischen Komponenten aufgetaut sind, wird die Tankentnahmeeinrichtung 4 derart angesteuert, dass die Heizeinrichtung 12 nur noch mit 20 oder 30 Watt betrieben wird, die Fluidheizung 7 hingegen mit 100 oder 90 Watt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Entnahmeöffnung 6 und der gegebenenfalls vorgesehen Filter aufgetaut sind und auch aufgetaut bleiben und gleichzeitig die restliche Flüssigkeit in dem Tank 2 beheizt wird.
-
Vorteilhafterweise ist zusätzlich an dem waagerechten Teil des Abschnitts 10 ein Luftfänger 13 ausgebildet. Dieser wird von einem becherförmigen Vorsprung geformt, der von der Fluidleitung 8 ausgehend nach oben weist und im vorliegenden Ausführungsbeispiel geneigt ausgerichtet ist. Dabei ist die Neigung vorliegend derart gewählt, dass der Luftfänger 13 auf die Fluidleitung 8 in Strömungsrichtung des Fluids zeigt. Das an dem Luftfänger 13 vorbei fließende Fluid kann dann, falls Luft in das System geraten ist, diese Luft in den Luftfänger 13 abgeben beziehungsweise die Luft steigt automatisch in den Luftfänger 13 auf, so dass der Wirkungsgrad der Fluidheizung insgesamt verbessert wird.
-
Beim erstmaligen Einschalten der Heizeinrichtung 7, wenn sich noch keine Strömung in der Fluidleitung 8 eingestellt hat, kann es erwünscht dazu kommen, dass das Fluid in der Nähe der Heizeinrichtung 7, insbesondere in der Fluidleitung 8, verdampft. Die dadurch entstehenden Dampfblasen steigen in dem Steigrohr beziehungsweise in dem Abschnitt 9 auf und induzieren die gewünschte Strömung in der Fluidleitung 8. Durch den Luftfänger 13 wird verhindert, dass sich die Dampfblasen ansammeln und eine Barriere für die Strömung des Fluids in der Fluidleitung 8 bilden und diese unterbrechen.
-
Gemäß einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist mindestens eine weitere Fluidheizung, wie sie oben stehend beschrieben wurde, vorgesehen, deren dritter Abschnitt sich beispielsweise auf einer Ebene zwischen dem oberen und dem unteren Ende des Steigrohrs beziehungsweise des Abschnitts 9 verläuft.
-
Durch die vorteilhafte Tankvorrichtung 1 wird vermieden, dass sich Kavitäten in dem Eis bilden, die ein weiteres Aufschmelzen gefrorenen Fluids verhindern könnten. Darüber hinaus wird gewährleistet, dass nachschmelzendes Fluid bereitgestellt wird, das der Entnahmeöffnung 6 zugeführt werden kann, wenn aufgetautes Fluid aus dem Bereich der Entnahmeöffnung 6 bereits entnommen wurde.