Titel

Heizeinrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Heizeinrichtung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Ein Verfahren, um Stickoxide im Abgas einer Brennkraftmaschine zu reduzieren, ist die chemische Reaktion von Ammoniak und den Stickoxiden zu Wasser und Stickstoff unter Verwendung eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion. Ammoniak entsteht bei der Dosierung einer wässrigen Harnstoff lösung in den Abgasstrang infolge chemischer Zersetzung. Diese Harnstoffwasserlösung wird in einem eigenen Tank im Fahrzeug vorgehalten. Dieses Reduktionsmittel besitzt einen Gefrierpunkt von -11°C. Deshalb muss im Reduktionsmittelvorratsbehälter eine Heizung vorgesehen werden, um gefrorene wässrige Harnstofflösung wieder aufzutauen.

Aus der DE 102015 200 168 Al ist es bekannt, an dem Boden eines solchen Vorratsbehälters ein Fördermodul anzubringen bzw. anzuschweißen, welches neben einer Heizung eine Förderpumpe umfaßt. Ein solches Fördermodul kann auch weitere Komponenten wie einen Füllstandssensor oder einen Qualitätssensor zur Bestimmung der Zusammensetzung der im Vorratsbehälter enthaltenen Flüssigkeit umfassen. Zum Schutz insbesondere der Förderpumpe, aber auch nachfolgender hydraulischer Komponenten eines Dosiersystems ist hierbei saugseitig eine Filteranordnung vorgesehen.

Liegt beim Start des Fahrzeuges das Reduktionsmittel im Vorratsbehälter in einem gefrorenen Zustand vor, muß es zunächst aufgetaut werden, bevor es zur Abgasreinigung verwendet werden kann. Für diesen Auftauvorgang schreibt die Gesetzgebung eine maximal erlaubte Zeit vor, nach welcher die Abgasreinigung funktionieren muss. Es bestehen ebenfalls hohe Anforderungen an das nachhaltige und wiederkehrende Auftauen des Systems. Bei diesen sogenannten „Working Day Cycles“ (WDC) wird ein zyklisches Auftauen, Dosieren und Wiedereinfrieren in Anlehnung eines für die Anfahrt zur Arbeit verwendeten Personenkraftwagens nachgestellt. Die von der Tank-Heizeinrichtung zur Verfügung gestellte Heizleistung ist bei diesen und anderen System- und Gesetzesanforderungen von großer Bedeutung, wobei das Bereitstellen einer möglichst großen Heizleistung anzustreben ist.

Aus der nachveröffentlichten DE 102018 212 606 Al ist es bekannt, PTC- Elemente mit einem metallischen Wärmeverteilungskörper wärmeleitend zu koppeln, indem diese mittels einer Federklammer auf den Wärmeverteilungskörper gepresst werden.

Bei einer solchen Kopplung eines PTC-Elements mit einem Wärmeverteilungskörper kann der Wärmeübertrag auf den Wärmeverteilungskörper verbessert werden, indem die Oberfläche des metallischen Wärmeverteilungskörpers an die Geometrie des PTC-Elements angepaßt wird, indem sie beispielsweise maschinell bearbeitet wird, insbesondere poliert bzw. geglättet wird. Zum Erreichen der benötigten Heizleistung fallen bei der Herstellung der Heizeinrichtung also zusätzliche Bearbeitungsschritte an, oder es werden spezielle Materialien eingesetzt, welche die Kosten erhöhen können.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil einer von Schwankungen der elektrischen Versorgungsspannung in einfacher Weise vergleichsweise unabhängigen Heizleistung. Insbesondere ist auch vorteilhaft, daß bei höheren elektrischen Spannungen ein Ausgleichsmechanismus vorgesehen ist, welcher die Heizeinrichtung und insbesondere eine vorsehbare Kunststoffumspritzung vor zu hohen Temperaturen schützt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Heizeinrichtung möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, die Heizleistung und folglich die komplette Leistungsfähigkeit der mindestens einen Kaltleiter aufweisenden Heizeinrichtung beim Auftauen zu verbessern, indem der Minimalwiderstand des Heizelements bzw. des Kaltleiters abgesenkt bzw. ein kleiner Wert für den Minimalwiderstand ausgewählt wird. Die dadurch erhöhte bzw. hohe Heizleistung führt zu kürzeren Auftauzeiten, besserem Verhalten im WDC-Zyklus und/oder kann als Leistungspuffer für spätere Anforderungen herangezogen werden. Insbesondere kann die Mehrleistung dazu genutzt werden, teure Produktionsschritte oder die Verwendung eines teuren Kühlkörperwerkstoffs zu vermeiden.

Weitere Vorteile ergeben sich durch die in den weiteren abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmale.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 eine Heizeinrichtung,

Figur 2 ein Diagramm,

Figur 3 ein weiteres Diagramm,

Figur 4 ein weiteres Diagramm, Figur 5 ein weiteres Diagramm,

Figur 6 ein weiteres Diagramm,

Figur 7 eine Heizelementverschaltung,

Figur 8 eine weitere Heizelementverschaltung und

Figur 9 eine weitere Heizelementverschaltung.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht 1 einer Heizeinrichtung 3, wie sie in der nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 102018212 606 Al bereits beschrieben worden ist und deren Offenbarungsinhalt ausdrücklich in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen wird. Diese Heizeinrichtung 3 kann in ein Fördermodul integriert werden, welches in einen Vorratsbehälter für ein flüssiges Reduktionsmittel zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine einbaubar ist. Der im Querschnitt ersichtliche als Wärmeverteilungselement 7 dienende Metallkörper steht auf einer maschinell bearbeiteten, insbesondere polierten Oberfläche 9 in gut wärmeleitendem Kontakt mit einem Kaltleiter bzw. PTC- Element 5. Ersichtlich in dieser Querschnittsseitenansicht ist nur ein PTC- Element. Das gesamte Heizelement 6 weist vorzugsweise zwei solcher PTC- Elemente 5 auf, welche parallelgeschaltet sind. Die Heizeinrichtung weist also ein Heizelement 6 mit zwei parallelgeschalteten Kaltleitern 5 und ein Wärmeverteilungselement 7 auf.

Ein PTC-Element wandelt zugeführte elektrische Energie in Wärme um. Hierbei besitzen diese auch Kaltleiter genannten Elemente einen von der Temperatur abhängigen Eigenwiderstand. Steigt die Temperatur des Elements, steigt auch dessen Widerstand, wodurch weniger elektrische Leistung in Wärme umgesetzt wird. Dies führt zu einer Selbstregelung bzw. Systemeigensicherheit dieser Elemente. Dieses Prinzip ist in Figur 2 verdeutlicht. Figur 2 zeigt in einem Diagramm 11 die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands eines Kaltleiters. Aufgetragen ist der Widerstand 13 normiert bezüglich des Minimalwiderstandswerts Rmin über der Temperatur 15 des Kaltleiters normiert bezüglich der Temperatur To, bei der der Widerstand den Minimalwiderstandswert Rmin einnimmt. Ein solcher Widerstandsverlauf über der Temperatur ist typisch für die Kaltleiter-Charakteristik.

Figur 3 zeigt in einem Diagramm 21 die Abhängigkeit einer normierten Heizleistung 23 einer Heizeinrichtung von der angelegten elektrischen Spannung 25 in Volt. Neben dem Minimalwiderstandswert wird ein Kaltleiter bzw. seine Heizleistung und die daraus resultierende Heizleistung der Heizeinrichtung noch durch weitere physikalische Kenngrößen charakterisiert, beispielsweise die Raumgröße des Kaltleiters. In den folgenden Betrachtungen wird von einer Standardgröße als Raumgröße ausgegangen. Auch beziehen sich die Angaben für den Minimalwiderstand Rmin des Heizelements im Folgenden beispielhaft auf eine Parallelschaltung zweier Kaltleiter mit jeweils einer solchen Standardraumgröße. Beide Kurven 27 und 29 zeigen die Spannungsabhängigkeit für den gleichen Minimalwiderstand Rmin zweier parallelgeschalteter Kaltleiter in Höhe einer Standardgröße von 1,605 Ohm. Die Kurve 27 beschreibt die Spannungsabhängigkeit der Heizleistung der Heizeinrichtung bei einer maschinell bearbeiteten und damit wärmeübertragungsoptimierten Oberfläche 9 des Wärmeverteilungselements 7, während die Kurve 29 sich auf eine Heizeinrichtung bezieht, bei der diese Oberfläche nicht derart maschinell bearbeitet worden ist. Die Normierung der Heizleistung bezieht sich auf eine angelegte elektrische Spannung von 13 Volt bei Vorliegen einer maschinell bearbeiteten Oberfläche 9.

Das Diagramm 21 zeigt, daß die Heizleistung mit zunehmender elektrischer Spannung zunimmt, der Anstieg der Heizleistung mit zunehmender elektrischer Spannung jedoch kleiner wird. Das Diagramm 21 zeigt des Weiteren, daß bei einer unbearbeiteten Oberfläche des Wärmeverteilungskörpers im Bereich der Kaltleiter die Heizleistung der Heizeinrichtung niedriger ist als bei einer bearbeiteten Oberfläche. Deutlich erkennbar ist die über die komplette Kurve geringere Leistung, welche bei der Normspannung in Höhe von 13V einer Minderleistung von zirka 7 Prozent entspricht. Dies würde zu einem deutlichen, Leistungsverlust beispielsweise beim Auftauen einer gefrorenen wässrigen Harnstofflösung führen.

Figur 4 zeigt in einem Diagramm 31 nochmals die aus Figur 3 bekannte Kurve 27, welche sich auf eine bearbeitete Oberfläche 9 bezieht. Daneben sind zwei weitere Kurven 33 und 35 abgebildet. Diese beiden Kurven beziehen sich auf eine unbearbeitete Oberfläche, ähnlich wie die Kurve 29 aus Figur 3, jedoch für niedrigere Werte für den Minimalwiderstand der Parallelschaltung der beiden Kaltleiter mit jeweils einer Standard- Raumgröße. So zeigt die Kurve 33 die Abhängigkeit der Heizleistung der Heizeinrichtung von der angelegten elektrischen Spannung bei einem Minimalwiderstand (statt von 1,605 Ohm) von 1,475 Ohm und die Kurve 35 bei einem Minimalwiderstand von 1,2 Ohm. Wie ein Vergleich der Kurve 35 mit der Kurve 27 zeigt, erhöht sich die Heizleistung der Heizeinrichtung um 11 Prozent bei einer angelegten Spannung von 11 Volt, obwohl bei Kurve 35 eine unbearbeitete Oberfläche zum Einsatz kommt, wenn der Minimalwiderstand des Heizelements von 1,605 Ohm auf 1,2 Ohm verkleinert wird.

Eine Bearbeitung der Oberfläche des Wärmeverteilungselements benötigt einen zusätzlichen, kostspieligen Bearbeitungsschritt, welcher lediglich dazu dient, die geplante Heizleistung zu erreichen. Ein Entfall eines solch aufwendigen Bearbeitungsschritts kann bezüglich seiner Auswirkungen auf die Heizleistung der Heizeinrichtung also kompensiert bzw. überkompensiert werden dadurch, daß der Minimalwiderstand des Heizelements der Heizeinrichtung verkleinert wird, beispielsweise auf 1,475 Ohm oder auf 1,2 Ohm verkleinert wird. Hierdurch wird es auch möglich, einen günstigeren Gusswerkstoff für das beispielsweise als Aluminiumkühlkörper ausgestaltete Wärmeverteilungseiment zu verwenden. Ein erniedrigter Minimalwiderstand bewirkt dabei nicht nur, daß trotz eines einfacher hergestellten Wärmeverteilungselements die gewünschte Heizleistung bei einer angelegten elektrischen Spannung von 13 Volt erzielt wird, sondern auch, daß sich die Heizleistung bei Spannungen kleiner als 13 Volt deutlich erhöht. Dies birgt enorme Vorteile für ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung von Stickoxiden, da unter anderem gesetzliche Anforderungen auch bei Heizspannungen bis herab zu 11 Volt Heizspannung erfüllt werden müssen. Insbesondere ein stark verkleinerter Minimalwiderstand führt somit zu einer Glättung und insbesondere einer Anhebung der Heizleistungskurve mit deutlichem „Performance“-Gewinn bei kleinen Heizspannungen.

Figur 5 zeigt ein Diagramm 36, welches nochmals die aus Figur 4 bekannten Kurven 27 und 35 zeigt. Daneben ist ein Idealverlauf 37 der normierten Heizleistung der Heizeinrichtung dargestellt. Die schraffierte Fläche 38 zwischen der Kurve 35 und dem Idealverlauf 37 markiert den Bereich unerwünschter Mehrleistung der Heizeinrichtung gemäß Kurve 35 ab einer angelegten elektrischen Spannung von 13 Volt.

Die von der Heizeinrichtung umgesetzte Leistung äußert sich in einer effektiven Temperatur des Wärmeverteilungselements, welche wiederum im direkten Zusammenhang mit der Oberflächentemperatur einer beispielsweise aus Kunststoff, zum Beispiel HDPE, bestehenden Umspritzung der Heizeinrichtung steht, welche dazu dient, die Heizeinrichtung vor korrosiven Einwirkungen des Fluids zu schützen. Würde die Oberflächentemperatur der Umspritzung einen bestimmten Wert überschreiten, könnten sich ihre Materialeigenschaften verändern, was zu erhöhter Durchdringbarkeit insbesondere für das korrosive Reduktionsmittel AdBlue führt, was sich wiederum negativ auf die Lebensdauer der Heizeinrichtung auswirken kann. Um dies zu verhindern, müssen daher zu hohen Oberflächentemperaturen vermieden werden, und daher ist der Bereich 38 im Diagramm 36 unerwünscht. Optimal ist eine von der Betriebsspannung 25 zumindest weitgehend unabhängige Heizleistung 23 gemäß Idealverlauf 37, um einerseits die Heizleistung von Betriebsspannungsschwankungen an Bord eines Kraftfahrzeugs weitgehend unbeeinflußt zu lassen, beispielsweise in einem Bereich zwischen 11 Volt und 16 Volt, und um andererseits auch bei niedrigen Spannungen nahe 11 Volt die gleich hohe, aber nicht zu hohe Heizleistung bereitstellen zu können.

In Verbindung mit den Figuren 3 und 4 wurde bereits beschrieben, wie durch Wahl eines kleinen Minimalwiderstands bei einem Kaltleiter die Heizleistung bei geringen Spannungen näher zum Idealverlauf 37 hin angehoben werden kann. Ein kleiner Minimalwiderstand trägt aber auch zu unerwünscht hohen Leistungen bei Spannungen von größer 13 Volt bei (siehe Bereich 38 in Diagramm 36 der Figur 5).

Um das Überschreiten einer gewissen Umspritzungstemperatur generell, also unabhängig von der konkreten Wahl des Minimalwiderstands, aber insbesondere bei Wahl eines kleinen Minimalwiderstands, bei großen elektrischen Spannungen zu verhindern, muß der Minimalwiderstand abhängig von der angelegten elektrischen Spannung sein, oder es bedarf einer Temperaturregelung der Leistung für große Spannungen.

Dies kann erreicht werden, indem das mindestens eine elektrisch betreibbare Heizelement 6 der Heizeinrichtung ein erstes Heizteilelement aufweist, welches den mindestens einen bereits beschriebenen Kaltleiter 5 aufweist, wobei das erste Heizteilelement mit einem zweiten Heizteilelement verschaltet ist, welches eingerichtet ist zur Verkleinerung der Abhängigkeit der Heizleistung der Heizeinrichtung von einer an das Heizelement angelegten elektrischen Spannung bei großen elektrischen Spannungen, insbesondere oberhalb von 13 Volt. Das Diagramm 39 der Figur 6 zeigt im Vergleich zum Idealverlauf 37 und im Vergleich zur Kurve 27 in der Kurve 34 den Verlauf der normierten Heizleistung der Heizeinrichtung bei Verwendung eines Kaltleiters mit einem kleinen Minimalwiderstand in Höhe von hier 1,2 Ohm und unter Verschaltung mit einem zweiten Heizteilelement, welches den Spannungsverlauf der Heizleistung bei größeren Spannungen ab 13 Volt an den Idealverlauf 37 heranführt.

Dies ist mit einem zweiten Heizteilelement erzielbar, das zu dem ersten Heizteilelement 40 parallelgeschaltet ist. Figur 7 zeigt eine solche Heizelementverschaltung 45, bei der das erste Heizteilelement 40 als Parallelschaltung zweier Kaltleiter 5 ausgebildet ist, wobei die Parallelschaltung dieser beiden Kaltleiter 5 einen Minimalwiderstand in Höhe von 1,2 Ohm aufweist. Der Minimalwiderstand kann jedoch auch größere Werte aufweisen, wie zum Beispiel 1, 48 Ohm oder noch größere Werte. Das zweite Heizteilelement 42 ist als dritter Heizwiderstand ausgebildet, vorzugsweise ebenfalls in Form eines Kaltleiters. An diese Parallelschaltung der beiden Heizteilelemente ist die elektrische Spannung 25 anlegbar. Bei unkritischen, also kleinen Temperaturen ist dieser dritte Heizwiderstand parallel zu den beiden Kaltleitern 5 niederohmig geschaltet und führt so im Vergleich zum alleinigen Vorsehen einer Parallelschaltung der beiden Kaltleiter 5 zu einem erniedrigten Minimalwiderstand der Verschaltung 45 und somit zu zusätzlicher Heizleistung bei kleinen elektrischen Spannungen 25. Steigt durch Anlegen einer höheren elektrischen Spannung die Temperatur des Wärmeverteilungselements und überschreitet sie einen für die Umspritzung des Wärmeverteilungselements kritischen Wert, wird die Verbindung des dritten Heizwiderstands zur Parallelschaltung der beiden Kaltleiter 5 faktisch getrennt, wenn als zweites Heizteilelement bzw. als dritter Heizwiderstand ein Kaltleiter mit vergleichsweise extrem steilem Abregelverhalten verwendet wird. Durch dieses faktische Abkoppeln des dritten Heizwiderstands erhöht sich der effektive Minimalwiderstand der Verschaltung 45, wodurch sich die Heizleistung reduziert, so daß in gewünschter Weise die für die Kunststoffumspritzung relevante Temperatur des Wärmeverteilungselements sinkt. Im thermischen Gleichgewicht äußert sich dies in der Kurve 34 der Figur 6 durch eine Annäherung der Heizleistung an die Waagerechte 37 mit zunehmender elektrischer Spannung.

Figur 8 zeigt eine alternative Heizelementverschaltung 55 mit einem alternativen zweiten Heizteilelement 52, welches eine Reihenschaltung eines Kaltleiters 50 mit einem Schaltelement 54 aufweist. Das Schaltelement 54 ist in diesem Beispiel als Bimetall- Kontakt ausgebildet. Das alternative zweite Heizteilelement 52 der alternativen Heizelementverschaltung 55 ist wie das zweite Heizteilelement 42 der Heizelementverschaltung 45 mit dem ersten Heizteilelement 40 parallelgeschaltet. Im Unterschied zur Verschaltung nach Figur 7 wird eine Trennung des dritten Heizwiderstands 50 vom ersten Heizteilelement 40 durch den Bimetall- Kontakt erzielt, wenn dieser bei hohen Temperaturen die elektrische Verbindung unterbricht.

Figur 9 zeigt eine weitere alternative Heizelementverschaltung 65, bei dem ein alternatives zweites Heizteilement 62 mit dem ersten Heizteilelement 40 in Reihe geschaltet ist. Das alternative zweite Heizteilelement 62 ist ähnlich wie das zweite Heizteilelement der Verschaltung 45 nach Figur 7 als Kaltleiter mit einem vergleichsweise extrem steilen Abregelverhalten zu hohen Temperaturen hin ausgeführt. Der temperaturabhängige Schaltpunkt in allen Verschaltungsvarianten ist hierbei je nach Umspritzungswerkstoff einzustellen. Beispielhaft ist für HDPE ein Schaltpunkt um die 80°C vorsehbar. Wird der Minimalwiderstand des ersten Heizteilelements 40 klein gewählt, zum

Beispiel 1,48 Ohm oder 1,2 Ohm, so wird die Leistungsanhebung durch kleinen Minimalwiderstand mit dem dargelegten temperaturabhängigen Schaltpunkt des zweiten Heizteilelements (entweder durch dessen intrinisch stark abregelndes Temperaturverhalten oder durch einen ausdrücklich vorgesehenen temperaturempflindlichen Schalter wie einen Bimetallkontakt) kombiniert.

Insbesondere eine solche Kombination ergibt einen der optimalen Heizleistungskurve stark angenäherten Verlauf, wie in Figur 6 mit der Kurve 34 dargestellt.