Titel

Dichtungselement

Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement für eine Fluidleitung, insbesondere ein Dichtungselement für einen Fluidleitung für ein flüssiges Reduktionsmittel, das in einem Abgasreduktionssystem zum Einsatz kommt, oder für eine Fluidleitung einem Brennstoffzellensystem. Die Erfindung betrifft auch eine Fluidleitung, ein Brennstoffzellensystem, ein Abgasnachbehandlungssystem und ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Dichtungselement.

Stand der Technik

Um die Stickoxide (NO _X ), die in den Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, enthalten sind, zu reduzieren, wird ein flüssiges Reduktionsmittel in Form einer Harnstoffwasserlösung („AdBlue“®) in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors eingespritzt. Harnstoffwasserlösung gefriert bei -11,5 °C und dehnt sich dabei aus. Die Fluidleitungen, durch die das Reduktionsmittel dem Abgastrakt zugeführt wird, und die Dichtungen der Fluidleitungen müssen daher eisfest ausgebildet sein, so dass sie durch die mit dem Gefrieren verbundene Volumenausdehnung nicht beschädigt werden.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen ("Proton-Exchange Membrane Fuel Cells", PEMFC) enthalten Fluidleitungen, welche die Brennstoffzelle mit einem Separator verbinden, um ein beim Betrieb der Brennstoffzelle entstehendes Gemisch aus Wasserdampf und Wasserstoff zu trennen, so dass der Wasserstoff in die Brennstoffzelle zurückgeführt und wiederverwendet werden kann. Da das in dem Gemisch enthaltene Wasser bei niedrigen Temperaturen gefrieren kann, besteht auch hier ein Bedarf nach eisfesten Fluidleitungen.

Offenbarung der Erfindung Die Erfindung umfasst ein Dichtungselement für eine Fluidleitung. Die Fluidleitung kann insbesondere eine Fluidleitung eines Brennstoffzellensystems oder eine Fluidleitung eines Abgasnachbehandlungssystems in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor sein.

Das Dichtungselement umfasst einen ersten Dichtungsring, einen zweiten Dichtungsring und ein ringförmiges Verbindungselement, das sich von dem ersten Dichtungsring zu dem zweiten Dichtungsring erstreckt. Der erste Dichtungsring, der zweite Dichtungsring und das ringförmige Verbindungselement sind koaxial auf einer gemeinsamen Achse angeordnet. Das ringförmige Verbindungselement ist elastisch deformierbar, so dass der Abstand zwischen dem ersten Dichtungsring und dem zweiten Dichtungsring durch Deformieren des Verbindungselements variabel ist.

Ein erfindungsgemäßes Dichtungselement ermöglicht es, den Abstand zwischen dem ersten Dichtungsring und dem zweiten Dichtungsring durch Deformieren des Verbindungselements zu variieren. Auf diese Weise kann das Volumen des Dichtungselements verändert werden, um eine Zunahme des Volumens von Fluid, insbesondere fluiden Reduktionsmittels, das sich beim Gefrieren ausdehnt, zu kompensieren. Dabei kann die abdichtende Wirkung des Dichtungselements aufrecht erhalten werden.

Ein erfindungsgemäßes Dichtungselement ermöglicht es, über einen breiten Temperaturbereich, der insbesondere auch Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes des Fluids umfasst, fluiddichte Fluidleitungen zur Verfügung zu stellen und Beschädigungen der Fluidleitungen durch die Volumenausdehnung gefrierenden Fluids zu vermeiden.

Die Erfindung umfasst auch eine Fluidleitung, insbesondere eine Fluidleitung eines Brennstoffzellensystems, oder eine Fluidleitung eines Abgasnachbehandlungssystems in einem Kraftfahrzeug, das mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstet ist.

Die Fluidleitung hat ein erstes Fluidleitungselement und ein zweites Fluidleitungselement. Das erste Fluidleitungselement ist wenigstens teilweise innerhalb des zweiten Fluidleitungselements angeordnet. Zwischen dem ersten Fluidleitungselement und dem zweiten Fluidleitungselement ist wenigstens ein erfindungsgemäß ausgebildetes Dichtungselement angeordnet, so dass ein Spalt, der zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidleitungselement ausgebildet ist, durch das Dichtungselement fluiddicht abgedichtet ist.

Die Erfindung umfasst darüber hinaus ein Abgasnachbehandlungssystem zur Nachbehandlung der Abgase eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, wobei das Abgasnachbehandlungssystem wenigstens eine erfindungsgemäße Fluidleitung umfasst.

Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem, das zur Nachbehandlung der Abgase des Verbrennungsmotors vorgesehen ist und das wenigstens eine erfindungsgemäße Fluidleitung umfasst.

In einer Ausführungsform ist wenigstens einer der Dichtungsringe als O-Ring ausgebildet. In einer Ausführungsform sind beide Dichtungsringe als O-Ringe ausgebildet.

In einer Ausführungsform ist entlang des Umfangs des ringförmigen Verbindungselements wenigstens eine Öffnung ausgebildet. Entlang des Umfangs des ringförmigen Verbindungselements können auch mehrere Öffnungen ausgebildet sein. Die Öffnungen können insbesondere in konstanten Abständen, d.h. äquidistant, ausgebildet sein.

Entlang des Umfangs des ringförmigen Verbindungselements können insbesondere wenigstens drei Öffnungen vorgesehen sein.

Die Öffnungen können insbesondere kreisförmig, elliptisch, halbkreisförmig, oder rechteckig, zum Beispiel quadratisch, ausgebildet sein.

Die Öffnungen können jeweils einen Durchmesser zwischen 0,1 mm und 2 mm haben. Die Öffnungen können insbesondere jeweils einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 0,5 mm haben.

Die Öffnungen ermöglichen es Fluid, durch die Öffnungen hindurch zu strömen. Die Öffnungen ermöglichen auf diese Weise einen Druckausgleich zwischen den beiden Seiten des Verbindungselements. Darüber hinaus können durch die Größe und die Anzahl der Öffnungen die elastischen Eigenschaften des Verbindungselements eingestellt werden. In einer Ausführungsform ist das Dichtungselement aus einem einzige Material gefertigt. Das Dichtungselement kann insbesondere aus einem homogenen Material gefertigt sein. In einer Ausführungsform ist das Dichtungselement aus einem hyperelastischen oder aus einem viskoelastischen Material gefertigt. Ein Dichtungselement, das aus einem einzige Material gefertigt ist, ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar. Ein Dichtungselement, das aus einem hyperelastischen Material oder aus einem viskoelastischen Material gefertigt ist, hat elastische Eigenschaften, die für eine erfindungsgemäße Verwendung vorteilhaft sind.

In einer Ausführungsform ist das Dichtungselement aus verschiedenen Materialien gefertigt. Insbesondere können die Dichtungsringe aus einem anderen Material gefertigt sein als das Verbindungselement.

Das Verbindungselement kann eine innere Struktur haben, die seine Elastizität erhöht. Die innere Struktur kann Nanotubes und/oder Fasern umfassen.

Das Verbindungselement kann auch magnetorestriktive und/oder piezo- magnetische Eigenschaften haben, die es ermöglichen eine Deformation des Verbindungselements zu detektieren. Auf diese Weise kann eine Alterung des Materials des Verbindungselements, die seine Elastizität und/oder Dichtungseigenschaften beeinträchtigen können, frühzeitig erkannt werden.

In einer Ausführungsform hat das Dichtungselement einen äußeren Durchmesser (Außendurchmesser) zwischen 6 mm und 14 mm.

In einer Ausführungsform hat das Dichtungselement einen inneren Durchmesser (Innendurchmesser) zwischen 4,5 mm und 9 mm.

In einer Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen dem ersten Dichtungsring und dem zweiten Dichtungsring zwischen 0,5 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 1,0 mm.

In einer Ausführungsform hat das Verbindungselement eine Wandstärke zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, insbesondere eine Wandstärke von 0,2 mm oder eine Wandstärke von 0,5 mm. Derartige Abmessung des Dichtungselements haben sich bei der Verwendung des Dichtungselements in Fluidleitungen eines Abgasreduktionssystems als vorteilhaft erwiesen.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dichtungselements.

Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch das in der Figur 1 gezeigte Dichtungselement 2.

Figur 3 zeigt eine Längsschnittansicht durch eine Fluidleitung mit zwei Dichtungselementen, die gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ausgebildet sind.

Figur 4 zeigt einen Ausgangszustand eines erfindungsgemäßem Dichtungselements.

Figur 5 zeigt einen ersten deformierten Zustand eines erfindungsgemäßem Dichtungselements.

Figur 6 zeigt einen zweiten deformierten Zustand eines erfindungsgemäßem Dichtungselements.

Figur 7 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Einspritzen eines fluiden Reduktionsmittels in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors.

Figur 8 zeigt eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems mit einer Fluidförderleitung, die ein erfindungsgemäßes Dichtungselement aufweist.

Figurenbeschreibung

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dichtungselements 2, und Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch das in der Figur 1 gezeigte erfindungsgemäße Dichtungselement 2. Das Dichtungselement 2 umfasst einen ersten Dichtungsring 4 und einen zweiten Dichtungsring 6, die koaxial auf einer gemeinsamen Achse A angeordnet sind.

Die beiden Dichtungsringe 4, 6 haben gleiche äußere Durchmesser (Außendurchmesser) D _a . Die beiden Dichtungsringe 4, 6 haben auch gleiche innere Durchmesser (Innendurchmesser) Di.

Der Außendurchmesser D _a der Dichtungsringe 4, 6 kann zwischen 6 mm und 14 mm betragen, der Innendurchmesser Di der Dichtungsringe 4, 6 kann zwischen 4,5 mm und 9 mm betragen.

Die beiden Dichtungsringe 4, 6 sind durch ein Verbindungselement 8 miteinander verbunden. Das Verbindungselement 8 erstreckt sich entlang der Achse A von dem ersten Dichtungsring 4 zu dem zweiten Dichtungsring 6.

Das Verbindungselement 8 ist ringförmig um die Achse A ausgebildet und koaxial mit den beiden Dichtungsringen 4, 6 auf der Achse A angeordnet.

Der Abstand a zwischen den beiden Dichtungsringen 4, 6 kann zwischen 0,5 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 1,0 mm betragen.

Die Wandstärke b des Verbindungselements 8 in einer Richtung orthogonal zur Achse A kann zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, insbesondere 0,2 mm oder 0,5 mm betragen.

Das ringförmige Verbindungselement 8 ist elastisch deformierbar, so dass der Abstand a zwischen dem ersten Dichtungsring 4 und dem zweiten Dichtungsring 6 durch Deformieren des Verbindungselements 8 variierbar ist.

Entlang des Umfangs des ringförmigen Verbindungselements 8 sind mehrere Öffnungen 10 ausgebildet.

Die Öffnungen 10 können jeweils einen Durchmesser d zwischen 0,1 mm und 2,0 mm, insbesondere einen Durchmesser d zwischen 0,2 mm und 0,5 mm haben. Die Öffnungen 10 ermöglichen es Fluid, insbesondere einem gasförmigen Fluid, wie z.B. Luft, von der einen Seite des Verbindungselements 8 auf die andere Seite des Verbindungselements 8, d.h. von innen nach außen oder von außen nach innen, zu strömen. Die Öffnungen 10 ermöglichen so einen Druckausgleich zwischen den beiden Seiten des Verbindungselements 8. Darüber hinaus wird durch die Öffnungen 10 die Elastizität des Verbindungselements 8 weiter erhöht.

Das Dichtungselement 2, d.h. die beiden Dichtungsringe 4, 6 und das Verbindungselement 8, können aus einem einzige Material gefertigt sein. Das Dichtungselement 2 kann insbesondere aus einem homogenen Material gefertigt sein. Aus einem homogenen Material kann das Dichtungselement 2 besonders kostengünstig hergestellt werden.

Die beiden Dichtungsringe 4, 6 und/oder das Verbindungselement 8 können auch aus einem Material gefertigt sein, das Mikropartikel und/oder Nanotubes enthält. Mikropartikel und/oder Nanotubes können isotrop in den Material verteilt sein.

Bei dem Material, aus dem das Dichtungselement 2 gefertigt ist, kann es sich um ein hyperelastisches Material oder um ein viskoelastisches Material handeln. Das Material kann beispielsweise Gummi, amorphe Polymere, semi-kristalline Polymere, Biopolymere und/oder Bitumen enthalten.

Figur 3 zeigt eine Längsschnittansicht durch eine Fluidleitung 20, beispielsweise durch eine Fluidleitung 20 eines Abgasnachbehandlungssystems, wie es in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen kann. Die Fluidleitung 20 hat ein inneres Fluidleitungselement 22, ein mittleres Fluidleitungselement 24 und ein äußeres Fluidleitungselement 26, die koaxial auf einer Längsachse A angeordnet sind und die sich entlang dieser Längsachse A erstrecken.

In den Fluidleitungselementen 22, 24, 26 ist ein Fluidkanal 28 ausgebildet, der sich entlang der Längsachse A durch die Fluidleitungselemente 22, 24, 26 erstreckt.

Zwischen dem inneren Fluidleitungselement 22 und dem mittleren Fluidleitungselement 24 sowie zwischen dem mittleren Fluidleitungselement 24 und dem äußeren Fluidleitungselement 26 ist jeweils ein Dichtungselement 2a, 2b angeordnet, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet ist. Das erste Dichtungselement 2a, das zwischen dem mittleren Fluidleitungselement 24 und dem äußeren Fluidleitungselement 26 angeordnet ist, hat einen größeren Durchmesser als das zweite Dichtungselement 2b, das zwischen dem inneren Fluidleitungselement 22 und dem mittleren Fluidleitungselement 24 angeordnet ist.

Die Dichtungselemente 2a, 2b dichten die Fluidleitungselemente 22, 24, 26 gegeneinander ab, so dass kein Fluid durch den Spalt, der jeweils zwischen zwei der Fluidleitungselemente 22, 24, 26 ausgebildet ist, aus dem Fluidkanal 28 austreten kann.

Die Figuren 4 bis 6 zeigen Schnittdarstellungen, welche eine Deformation eines erfindungsgemäßen Dichtungselements 2 in Reaktion auf von außen auf das Dichtungselement 2 einwirkende Kräfte F veranschaulichen. Eine solche Deformation kann insbesondere auftreten, wenn in der Fluidleitung 20 verbliebenes Fluid gefriert und sich beim Gefrieren ausdehnt.

Figur 4 zeigt einen Ausgangszustand, in dem ein erfindungsgemäßes Dichtungselement 2 in einer Aussparung zwischen zwei Fluidleitungselementen 22, 24 angeordnet ist. Das Verbindungselement 8 ist in diesem Zustand im Wesentlichen flach und erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der Längsachse A des Dichtungselements 2.

Gefrierendes und sich beim Gefrieren ausdehnendes Fluid, das zwischen den Fluidleitungselementen 22, 24 angeordnet ist, übt eine in Axialrichtung gerichtete Kraft F auf das Dichtungselement 2, insbesondere auf wenigstens einen der beiden Dichtungsringe 4, 6 des Dichtungselements 2, aus. Die Kraft F, die das gefrierende Fluid auf den ersten Dichtungsring 4 ausübt, ist in den Figuren 5 und 6 durch einen Pfeil F dargestellt.

Eine auf den ersten Dichtungsring 4 wirkende Kraft F bewirkt eine Deformation des Verbindungselements 8. Das Verbindungselement 8 verformt sich entweder nach innen oder nach außen, wie es in den Figuren 5 und 6 gezeigt ist.

Die Verformung des Verbindungselements 8 ermöglicht es den beiden Dichtungsringen 4, 6, sich aufeinander zu zu bewegen und dadurch das Volumen, das von dem Dichtungselement 2 als Ganzes eingenommen wird, zu reduzieren. So kann die Volumenzunahme gefrierenden Fluids durch eine entsprechende Volumenreduktion des Dichtungselements 2 kompensiert werden. Auf diese Weise kann eine Zunahme des Fluiddrucks in der Fluidleitung 20, die durch die Zunahme des Volumens beim Gefrieren des Fluids verursacht wird, begrenzt werden, und Beschädigungen der Fluidleitungselemente 22, 24, 26 und der Dichtungselemente 2 durch gefrierendes Fluid können vermieden werden.

Wenn das Fluid bei steigenden Temperaturen auftaut und sich sein Volumen dabei wieder verringert, verringern sich auch die Kräfte F, die auf das Dichtungselement 2 einwirken. Aufgrund der elastischen Eigenschaften des Dichtungselements 2, und insbesondere der elastischen Eigenschaften des Verbindungselements 8, kehrt das Dichtungselement 2 dann wieder in seine Ausgangskonfiguration zurück, die in der Figur 4 gezeigt ist.

Figur 7 zeigt eine schematische Ansicht ein Kraftfahrzeug 60 mit einem Verbrennungsmotor 38, insbesondere mit einem Dieselmotor 38, und einem Abgasnachbehandlungssystem 30, das zur Nachbehandlung der Abgase des Verbrennungsmotors 38 vorgesehen ist.

Das Abgasnachbehandlungssystem 30 umfasst einen Katalysator 50, der in einem Abgasstrang 36 des Verbrennungsmotors 38 angeordnet ist, und ein System 31 zum Einspritzen eines in einem Tank 32 gespeicherten fluiden Reduktionsmittels ("Fluid") 34, insbesondere einer wässrigen Harnstoff lösung („Ad Blue“®), in den Abgasstrang 36 des Verbrennungsmotors 38.

Beim Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems 30 wird Reduktionsmittel 34 aus dem Tank 32 entnommen und von einem Fördermodul 40 unter erhöhtem Druck über eine geeignete Fluidleitung ("Druckleitung") 20 einem Dosiermodul 44 zugeführt, das am Abgasstrang 36 des Verbrennungsmotors 38 angebracht ist.

Die Fluidleitung 20 kann insbesondere als erfindungsgemäße Fluidleitung 20 mit wenigstens einem erfindungsgemäßem Dichtungselement 2 ausgebildet sein.

Das Dosiermodul 44 enthält eine Einspitzvorrichtung, die das Reduktionsmittel 34 als Spray 46 in den Abgasstrang 36 einspritzt. Im Abgasstrang 36 vermischt sich das eingespritzte Reduktionsmittel 34 mit den durch den Abgasstrang 36 strömenden Abgasen 48 des Verbrennungsmotors 38 und reagiert in dem stromabwärts des Dosiermoduls 44 im Abgasstrang 36 vorgesehenen Katalysator 50 mit den in den Abgasen 36 enthaltenen Stickoxiden zu Wasser und Stickstoff.

Das Abgasnachbehandlungssystem 30 umfasst auch mehrere Sensoren 52, 54, 56, insbesondere Temperatursensoren 52, 54, die stromaufwärts und stromabwärts des Katalysators 50 am Abgasstrang 36 angeordnet sind, und einen Stickoxidsensor („NO _x -Sensor“) 56, der stromabwärts des Katalysators 50 am Abgasstrang 36 vorgesehen ist.

Die Sensoren 52, 54, 56 liefern ihre Messergebnisse an ein Steuergerät 58, das dazu vorgesehen ist, die Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 30, insbesondere das Fördermodul 40 und das Dosiermodul 44, so anzusteuern, dass die in den Abgasen 48 des Verbrennungsmotors 38 enthaltenen Stickoxide bestmöglich zu Stickstoff und Wasser reduziert werden.

Figur 8 zeigt eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems 62, in dem erfindungsgemäße Dichtungselemente 2 zum Einsatz kommen. Das Brennstoffzellensystem 62 umfasst mehrere Brennstoffzellen 63, die durch Fluidleitungen 20 mit Hilfskomponenten 63-69 verbunden sind. Die Hilfskomponenten 63-69 umfassen insbesondere einen Separator 64, der dazu ausgebildet ist, Wasserdampf und Wasserstoff, die beim Betrieb der Brennstoffzellen 63 entstehen, voneinander zu trennen. Der abgetrennte Wasserstoff wird durch ein Rezirkulationssystem 65 und ein Einlassdruck- Kontrollsystem 70, das auch mit einem Wasserstofftank 72 verbunden ist, in die Brennstoffzellen 63 zurückgeführt. Das abgetrennte Wasser wird durch einen Auslass 74 in die Umgebung ausgegeben.

Der Separator 64 ist durch Fluidleitungen 20 mit einer Expansionsvorrichtung 66, mit einem Befeuchter 67 und, über den Befeuchter 67, mit einem Wassertank 68 und einem Kühlsystem 69 verbunden. Dem Befeuchter 67 kann durch einen Kompressor 76 Luft 78 aus der Umgebung zugeführt werden.

Jede der Fluidleitungen 20 kann wenigstens ein erfindungsgemäßes Dichtungselement 2 aufweisen. Erfindungsgemäße Dichtungselemente 2 können insbesondere an den Enden der Fluidleitungen 20 vorgesehen sein, die mit der jeweiligen Komponente 63-69 des Brennstoffzellensystems 62 verbunden sind.