DE102017217004A1

DE102017217004A1 - Tankheizung

Info

Publication number: DE102017217004A1
Application number: DE102017217004.2A
Authority: DE
Inventors: Mathias Schwarz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2019-03-28
Also published as: CN109555582A; KR20190035533A; GB201815529D0; GB2568587A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tankheizung für einen Reduktionsmitteltank eines SCR-Systems. Die Tankheizung weist mehrere elektrisch parallel geschaltete Kaltleiter auf. Bei einer ersten mittleren Temperatur (T) der Kaltleiter, die im Bereich von 30,0°C bis 70,0°C liegt, weisen die parallel geschalteten Kaltleiter einen ersten elektrischen Gesamtwiderstand (R) auf, der im Bereich von 1,40 Ω bis 1,60 Ω liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tankheizung für einen Reduktionsmitteltank eines SCR-Systems.
Stand der Technik
Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei Kraftfahrzeugen bekannt, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) angeordnet ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich verringert werden. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Als Reduktionsmittel werden daher Ammoniak oder ammoniakabspaltende Reagenzien eingesetzt. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung verwendet, die stromaufwärts des SCR-Katalysators in den Abgasstrang eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich Ammoniak, das als Reduktionsmittel wirkt. Die wässrige Harnstofflösung, die kommerziell unter dem Namen AdBlue^® erhältlich ist, besteht zu einem Drittel aus Harnstoff und zu zwei Dritteln aus Wasser. Sie weist einen Gefrierpunkt von - 11,5°C auf.
Bei niedrigen Temperaturen muss die Harnstofflösung im Reduktionsmitteltank des SCR-Systems aufgetaut werden. Hierzu kann eine Tankheizung vorgesehen sein, die als elektrische Heizung ausgeführt ist. Sie weist ein Metallprofil, zwei parallel geschaltete, elektrische Heizelemente und eine Kunststoffumspritzung auf, welche das Metallprofil und die Heizelemente von der korrosiven Wirkung der Harnstofflösung schützt. Die elektrische Kennlinie der Heizelemente ist nichtlinear und so gewählt, dass ausgehend von einem normalen Betriebspunkt bei steigenden Temperaturen der elektrische Widerstand ansteigt. Somit sinkt die Heizleistung. Im Heizfall soll möglichst viel Heizleistung an die Harnstofflösung abgegeben werden. Limitierende Faktoren sind der maximal zulässige Strom und die Temperaturlast auf die Kunststoffumspritzung.
Bei gegebener elektrischer Spannung stellt sich nach einiger Zeit ein Gleichgewicht zwischen der elektrischen Leistung ein und dem thermischen Vermögen diese Leistung an die Umgebung abzugeben. Dieses Gleichgewicht hängt vom Design des Metallprofils und vom Füllstand im Reduktionsmitteltank sowie von der Umgebungstemperatur ab. Die Tankheizung muss in vielen verschiedenen Betriebszuständen funktionieren und je nach Füllstand und Temperatur möglichst viel Heizleistung generieren, darf dabei aber die Kunststoffumspritzung nicht schädigen. Die nichtlineare Widerstandskennlinie wird deshalb so gewählt, dass die thermische Last auf die Kunststoffumspritzung nicht zu hoch ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Tankheizung für einen Reduktionsmitteltank eines SCR-Systems weist mehrere, insbesondere zwei, elektrisch parallel geschaltete Kaltleiter auf. Kaltleiter, die auch als PTC-Widerstände oder PTC-Thermistoren (PTC = Positive Temperature Coefficient) bezeichnet werden, sind temperaturabhängige Widerstände. Sie weisen einen positiven Temperaturkoeffizienten auf und leiten bei tiefen Temperaturen den elektrischen Strom besser als bei hohen Temperaturen. Zur Verwendung als selbstregelnde Heizelemente in einer Tankheizung basieren die Kaltleiter insbesondere auf einem Keramikmaterial wie beispielsweise Bariumtitanat (BaTiO₃).
Die Parallelschaltung der Kaltleiter wird durch eine elektrische Kennlinie charakterisiert, in welcher der Gesamtwiderstand der parallel geschalteten Kaltleiter über ihrer mittleren Temperatur aufgetragen wird. Die mittlere Temperatur ist dabei der Mittelwert der Einzeltemperaturen der Kaltleiter. Um eine maximale Heizleistung im Heizfall zu erreichen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die thermische Last auf die Kunststoffumspritzung nicht zu hoch ist, sind die Kaltleiter so ausgeführt, dass bei einer ersten mittleren Temperatur der Kaltleiter, die im Bereich von 30,0°C bis 70,0°C liegt, diese einen ersten elektrischen Gesamtwiderstand aufweisen, der im Bereich von 1,40 Ω bis 1,60 Ω liegt.
Dieser erste elektrische Gesamtwiderstand ist im typischen Betriebsbereich einer Tankheizung, die in einem Temperaturbereich von - 30°C bis 128°C liegt, vorzugsweise der minimale elektrische Gesamtwiderstand der parallel geschalteten Kaltleiter. Die erste mittlere Temperatur wird in diesem Fall auch als Referenztemperatur bezeichnet, von der aus der elektrische Gesamtwiderstand bei Ansteigen der Temperatur steil ansteigt. Dies führt zu selbstregelnden Eigenschaften der Tankheizung, so dass diese bei Abweichungen von der Referenztemperatur durch Ansteigen des Gesamtwiderstandes wieder auf die Referenztemperatur zurückgeregelt wird. Auch wenn die Temperatur unter die Referenztemperatur sinkt, erfolgt ein Ansteigen des elektrischen Gesamtwiderstandes.
Um über den gesamten Betriebsbereich der Tankheizung eine optimale Heizleistung zu erhalten, weist die Widerstandskennlinie vorzugsweise weitere im Folgenden beschriebene charakteristische Stützpunkte auf:
Bei einer zweiten mittleren Temperatur der Kaltleiter, die im Bereich von 70,5°C bis 81,5°C liegt, weisen die parallel geschalteten Kaltleiter vorzugsweise einen zweiten elektrischen Gesamtwiderstand auf, der im Bereich von 1,40 Ω bis 1,60 Ω liegt. Da dieser Bereich deckungsgleich mit dem Bereich des ersten elektrischen Gesamtwiderstandes ist, ist als weitere Bedingung zu beachten, dass der zweite elektrische Gesamtwiderstand größer oder gleich als der erste elektrische Gesamtwiderstand ist.
Bei einer dritten mittleren Temperatur der Kaltleiter, die im Bereich von 82,0°C bis 104,0°C liegt, weisen die Kaltleiter einen dritten elektrischen Gesamtwiderstand auf, der im Bereich von 1,48 Ω bis 1,82 Ω liegt. Da sich dieser Bereich mit dem Bereich des zweiten elektrischen Gesamtwiderstandes überschneidet, ist die weitere Bedingung zu beachten, dass der dritte elektrische Gesamtwiderstand größer als der zweite elektrische Gesamtwiderstand ist.
Ein vierter elektrischer Gesamtwiderstand liegt im Bereich von 1,97 Ω bis 2,35 Ω. Dieser tritt bei einer vierten mittleren Temperatur der Kaltleiter auf, die im Bereich von 90,0°C bis 110,0°C liegt. Da sich dieser Temperaturbereich mit dem Bereich der dritten mittleren Temperatur überschneidet, ist als weitere Bedingung zu beachten, dass die vierte mittlere Temperatur größer als die dritte mittlere Temperatur ist.
Ein fünfter elektrischer Gesamtwiderstand der Kaltleiter liegt im Bereich von 4,75 Ω bis 6,11 Ω. Dieser tritt bei einer fünften mittleren Temperatur der Kaltleiter im Bereich von 90,0°C bis 120,0°C auf. Da dieser Temperaturbereich den Temperaturbereich der vierten mittleren Temperatur vollständig einschließt, ist als weitere Bedingung zu beachten, dass die fünfte mittlere Temperatur größer als die vierte mittlere Temperatur ist.
Ein sechster elektrischer Gesamtwiderstand der Kaltleiter liegt im Bereich von 11,10 Ω bis 32,10 Ω. Dieser tritt bei einer sechsten mittleren Temperatur der Kaltleiter auf, die im Bereich von 90,0°C bis 128,0°C liegt. Da dieser Temperaturbereich den Temperaturbereich der fünften mittleren Temperatur vollständig einschließt, ist als weitere Bedingung zu beachten, dass die sechste mittlere Temperatur größer als die fünfte mittlere Temperatur ist.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass ein elektronisches Steuergerät eingerichtet ist, um eine Bestromung der Kaltleiter so zu steuern, dass in vorgegebenen Betriebszuständen der Tankheizung der Gesamtwiderstand der Kaltleiter gemäß einer temperaturabhängigen Kennlinie begrenzt wird. Bei den vorgegebenen Betriebszuständen handelt es sich insbesondere um einen leeren Reduktionsmitteltank und um eine Umgebungstemperatur, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Die Temperaturbegrenzung in diesen Betriebszuständen hat den Vorteil, dass die thermomechanische Last auf die Kaltleiter minimiert wird, wenn kein normaler Heizfall vorliegt.
Die in dem elektronischen Steuergerät hinterlegte Kennlinie ist vorzugsweise eine empirisch ermittelte Kennlinie, welche die Abweichung des tatsächlichen Verhaltens der Kaltleiter von ihrem theoretischen Verhalten abbildet. Insbesondere wurde diese Kennlinie ermittelt, indem ein theoretischer Wert des ersten elektrischen Gesamtwiderstandes mit einem Wert des ersten elektrischen Gesamtwiderstandes verglichen wurde, der in einem Betrieb der Tankheizung gemessen wurde. Dabei wird ausgenutzt, dass der erste elektrische Gesamtwiderstand als minimaler Gesamtwiderstand in der Widerstandskennlinie der Tankheizung für diese besonders charakteristisch ist.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine teilweise aufgeschnittene isometrische Darstellung einer Tankheizung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Tankheizung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt in einem Diagramm eine Widerstandskennlinie einer Tankheizung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt in einem Diagramm zulässige Toleranzen bei der Wahl der Widerstandskennlinie gemäß 3.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt eine Tankheizung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die in einem Reduktionsmitteltank 2 eines nicht dargestellten SCR-Katalysatorsystems angeordnet ist. Die Tankheizung 1 weist ein Aluminiumstrangpressprofil 11 zur Ableitung der erzeugten Wärme an eine wässrige Harnstofflösung auf. In dem Strangpressprofil 11 sind zwei Kaltleiter 12, 13 aus Bariumtitanat (BaTiO₃) angeordnet. Das Strangpressprofil 11 und die Kaltleiter 12, 13 sind mit einem Polyamid 14 umspritzt. Ein elektronisches Steuergerät 3 außerhalb des Reduktionsmitteltanks 2 ist durch eine nicht dargestellte Kontaktierung mit der Tankheizung 1 verbunden. Es steuert die Bestromung der Kaltleiter 12, 13.
Wie in 2 dargestellt ist, sind die beiden Kaltleiter 12, 13 elektrisch parallel geschaltet. Der erste Kaltleiter 13 weist dabei einen ersten elektrischen Widerstand R₁₂ auf und der zweite Kaltleiter 13 weist einen zweiten elektrischen Widerstand R₁₃ auf. Der Gesamtwiderstand R_Ges der beiden Kaltleiter 12, 13 ist mit dem Widerstand R_K des elektrischen Kabels, über welches die Kaltleiter 12, 13 bestromt werden, in Reihe geschaltet. Dieser Kabelwiderstand R_K kann nicht vernachlässigt werden, weil die Kaltleiter 12, 13 relativ niederohmig sind.

Die Kaltleiter 12,13 sind so gewählt, dass sie eine Widerstandskennlinie mit sechs Stützpunkten aufweisen. Die Widerstandskennlinie ist in 3 dargestellt. Diese Stützpunkte erfüllen die Bedingungen gemäß der folgenden Tabelle 1: Tabelle 1

i	T_i [°C]	± ΔT_i [°C]	R_{Ges_i} [Ω]	± ΔR_{Ges_i} [Ω]

1	50,0	20,0	1,50	0,10
2	76,0	5,5	1,50	0,10
3	93,0	11,0	1,65	0,17
4	100,0	10,0	2,16	0,19
5	105,0	15,0	5,43	0,68
6	109,0	19,0	21,60	10,50

Die Toleranzbereiche ± ΔT_i der mittleren Temperaturen T_i der Kaltleiter 12, 13 und die Toleranzbereiche ± ΔR_{Ges_i} der Gesamtwiderstände R_{Ges_i} bei den jeweiligen Temperaturen T_i sind in 4 dargestellt. Innerhalb dieser Toleranzbereiche, die ein optimales Heizverhalten der Tankheizung 1 ermöglichen, wurde eine Widerstandskennlinie gemäß der folgenden Tabelle ausgewählt: Tabelle 2

i T_i [°C] R_{Ges_i} [Ω]

1 60,0 1,48

2 75,0 1,51

3 86,0 1,64

4 99,0 2,07

5 116,0 6,00

6 120,0 16,70
Im normalen Heizfall der Tankheizung zeigt diese aufgrund der Auswahl der Kaltleiter 12, 13 ein Verhalten gemäß dieser Widerstandskennlinie. Für Betriebsfälle, die keinem normalen Heizfall entsprechen, nämlich ein leerer Reduktionsmitteltank 2 oder eine Medientemperatur von mehr als 10°C ist im elektronischen Steuergerät 3 allerdings eine Begrenzung der Heizleistung vorgesehen. Hierzu basiert die Ansteuerung der Heizelemente 12, 13 in diesen Betriebsfällen nicht auf der theoretischen Widerstandskennlinie gemäß Tabelle 2. Stattdessen wird die gelernte Widerstandskennlinie verwendet, die gemäß Formel 1 berechnet wird: $R_{G e s_i} gelernt = F \cdot R_{G e s_i}$
Dieses Lernen erfolgt mittels eines Faktors F, der gemäß Formel 2 berechnet wird: $F = \frac{R_{m e s s, m i n}}{R_{G e s_1}}$
Hierbei wird neben dem aus Tabelle 2 bekannten Gesamtwiderstand R_{Ges_1} ein zuvor bei der Temperatur T₁ gemessener tatsächlicher minimaler Gesamtwiderstand R_mess,min berücksichtigt. Dieser kann gemäß Formel 3 berechnet werden: $R_{m e s s, m i n} = \frac{U (T_{1})}{I m a x (T_{1})} - R_{K}$
Hierbei bezeichnet U(T₁), die bei der Temperatur T₁ anliegende elektrische Spannung, Imax(T₁) bezeichnet den bei der Temperatur T₁ fließenden elektrischen Strom, der hier maximal ist, und R_K bezeichnet den Kabelwiderstand. Während die Werte U(T₁) und Imax(T₁) gemessen werden können, ist der Kabelwiderstand R_K bekannt. Mittels der so modifizierten Stützpunkte wird eine Widerstandskennlinie für die Temperaturbegrenzung ermittelt, die im elektronischen Steuergerät 3 hinterlegt wird. Anschließend kann sie in Betriebszuständen mit aktiver Temperaturbegrenzung zur Ansteuerung der Kaltleiter 12, 13 verwendet werden. Beispielsweise kann nun auf eine mittlere Temperatur der Kaltleiter geregelt werden.

Claims

Tankheizung (1) für einen Reduktionsmitteltank (2) eines SCR-Systems, welche mehrere elektrisch parallel geschaltete Kaltleiter (12, 13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ersten mittleren Temperatur (T₁) der Kaltleiter (12, 13), die im Bereich von 30,0°C bis 70,0°C liegt, die parallel geschalteten Kaltleiter (12, 13) einen ersten elektrischen Gesamtwiderstand (R_{Ges_1}) aufweisen, der im Bereich von 1,40 Ω bis 1,60 Ω liegt.
Tankheizung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektrische Gesamtwiderstand (R_{Ges_1}) in einem Temperaturbereich von - 30°C bis 128°C der minimale elektrische Gesamtwiderstand der parallel geschalteten Kaltleiter (12, 13) ist.
Tankheizung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zweiten mittleren Temperatur (T₂) der Kaltleiter (12, 13), die im Bereich von 70,5°C bis 81,5°C liegt, die parallel geschalteten Kaltleiter (12, 13) einen zweiten elektrischen Gesamtwiderstand (R_{Ges_2}) aufweisen, der im Bereich von 1,40 Ω bis 1,60 Ω liegt und größer oder gleich als der erste elektrische Gesamtwiderstand (R_{Ges_1}) ist.
Tankheizung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer dritten mittleren Temperatur (T₃) der Kaltleiter (12, 13), die im Bereich von 82,0°C bis 104,0°C liegt, die parallel geschalteten Kaltleiter (12, 13) einen dritten elektrischen Gesamtwiderstand (R_{Ges_3}) aufweisen, der im Bereich von 1,48 Ω bis 1,82 Ω liegt und größer als der zweite elektrische Gesamtwiderstand (R_{Ges_2}) ist.
Tankheizung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vierten mittleren Temperatur (T₄) der Kaltleiter (12, 13), die im Bereich von 90,0°C bis 110,0°C liegt, und die größer als die dritte mittlere Temperatur (T₃) ist, die parallel geschalteten Kaltleiter (12, 13) einen vierten elektrischen Gesamtwiderstand (R_{Ges_4}) aufweisen, der im Bereich von 1,97 Ω bis 2,35 Ω liegt.
Tankheizung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer fünften mittleren Temperatur (T₅) der Kaltleiter (12, 13), die im Bereich von 90,0°C bis 120,0°C liegt, und die größer als die vierte mittlere Temperatur (T₄) ist, die parallel geschalteten Kaltleiter (12, 13) einen fünften elektrischen Gesamtwiderstand (R_{Ges_5}) aufweisen, der im Bereich von 4,75 Ω bis 6,11 Ω liegt.
Tankheizung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer sechsten mittleren Temperatur (T₆) der Kaltleiter (12, 13), die im Bereich von 90,0°C bis 128,0°C liegt, und die größer als die fünfte mittlere Temperatur (T₅) ist, die parallel geschalteten Kaltleiter (12, 13) einen sechsten elektrischen Gesamtwiderstand (R_{Ges_6}) aufweisen, der im Bereich von 11,10 Ω bis 32,10 Ω liegt.
Tankheizung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweisend ein elektronisches Steuergerät (3), das eingerichtet ist, um eine Bestromung der Kaltleiter (12, 13) so zu steuern, dass in vorgegebenen Betriebszuständen der Tankheizung (1) der Gesamtwiderstand (R_Ges) der Kaltleiter (12, 13) gemäß einer temperaturabhängigen Kennlinie begrenzt wird.
Tankheizung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie ermittelt wurde, indem ein theoretischer Wert des ersten elektrischen Gesamtwiderstandes (R_{Ges_1}) mit einem im Betrieb der Tankheizung (1) gemessenen Wert des ersten elektrischen Gesamtwiderstandes (R_{Ges_1}) verglichen wurde.