Filtersystem für eine wässrige Harnstofflösung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Filtersystem für eine wässrige Harnstofflösung zur Abgasnach- behandlung eines Verbrennungsmotors.

Stand der Technik

Zur Reduktion des Stickoxidausstoßes bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist es gängige Praxis, eine wässrige Harnstofflösung in die Abgasanlage des Kraftfahr- zeugs einzuspritzen, um dadurch Stickoxide in Stickstoff und Wasserdampf umzuwandeln. Die eingesetzten wässrigen Harnstofflösung werden bei niedrigen Temperaturen jedoch zähflüssig und gefrieren schließlich bei -1 1 °C. Aus diesem Grund muss Harnstofflösung bei niedrigen Umgebungstemperaturen aufgeheizt werden, um deren Fließfähigkeit sicherzustellen.

Aus der DE 10 201 1 077 951 A1 ist ein Heizsystem für ein Dosierventil, insbesondere zum Dosieren eines Fluids in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, bekannt. Das Heizsystem umfasst dabei mindestens ein Heizelement, das mit einer elektrischen Energiequelle verbunden ist. Das Heizelement ist dazu ausgebildet, in einem Dosier- räum befindliches Fluid aufzuheizen. Zum Schalten des Heizelements ist ein Bimetallschalter vorgesehen, der außerhalb eines flüssigkeitsgefüllten Bereichs des Dosierventils in einer Umgebung des Dosierventils angeordnet ist.

Andere am Markt verfügbare Filtersystem für Harnstofflösungen weisen üblicherweise eine Steuerung mit elektrischen oder elektronischen Temperatursensoren auf Halbleiterbasis, etwa Peltier-Elemente, auf. Die Steuerung ist dann als eine elektronische Schaltung ausgeführt. Nachteilig an derartigen Kombinationen von Temperatursensor und Steuerung sind insbesondere die hohen Kosten für die Bauteile sowie deren Störanfälligkeit.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Filtersystem für eine wässrige Harnstofflösung zur Abgasnachbehandlung anzugeben, bei der ein Heizelement zum Aufheizen der Harnstofflösung auf einfache und kostengünstige Weise in Abhängigkeit von der Temperatur der Harnstofflösung ein- und ausgeschaltet werden kann. Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch ein Filtersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in der Beschreibung sowie den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Filtersystem kann mittels der Schalteinrichtung auf kostengünstige und zuverlässige Weise sichergestellt werden, dass das Heizelement eingeschaltet und die Harnstofflösung aufgeheizt wird, sobald die Temperatur der Harn- Stofflösung eine vorgegebene Einschalttemperatur unterschreitet. Wenn die Temperatur der Harnstofflösung eine vorgegebene Ausschalttemperatur überschreitet, kann das Heizelement mittels der Schalteinrichtung ausgeschaltet werden. Die Einschalttemperatur und die Ausschalttemperatur können dabei gleich sein oder sich voneinander unterscheiden. Vorteilhaft ist eine Einschalttemperatur, die kleiner ist, als die Ausschalt- temperatur.

Die Schalteinrichtung ist vollständig in das Schaltgehäuse integriert. Dadurch kann die Schalteinrichtung kostengünstig als vorkonfektioniertes Bauteil bereitgestellt und auf einfache Weise an dem Gehäuse montiert werden. Das Schaltgehäuse wird dabei ab- schnittsweise außerhalb des Gehäuses angeordnet. An dem außenliegenden Abschnitt des Schaltgehäuses können insbesondere elektrische Leitungen angeschlossen werden, um die Schalteinrichtung mit einer Energiequelle bzw. dem Heizelement elektrisch zu verbinden. Der in den Gehäuseinnenraum ragende Messfortsatz des Schaltgehäuses ermöglicht es, eine Temperatur der Harnstofflösung in dem Gehäuseinnenraum zu erfassen bzw. zu messen. Dadurch, dass der Messfortsatz von dem Heizelement beabstandet angeordnet ist, kann erreicht werden, dass die Harnstofflösung in dem Gehäuseinnenraum bei eingeschaltetem Heizelement weitgehend, insbesondere vollständig, über die Aus- schalttemperatur erwärmt wird. Der Messfortsatz ist nach der Erfindung von dem Heizelement möglichst weit beabstandet an dem Gehäuse des Filtersystems angeordnet. Dadurch kann vermieden werden, dass vor dem Ausschalten des Heizelements die Harnstofflösung nur in einer nahen Umgebung des Heizelements erwärmt wird, während die von dem Heizelement weiter entfernte Harnstofflösung, insbesondere nahe einer Seitenwand des Gehäuses, noch nicht ausreichend aufgeheizt bzw. aufgetaut worden ist. Bevorzugt ist ein Abstand des Messfortsatzes von dem Heizelement wenigstens dreimal so groß wie ein Innendurchmesser einer Auslassleitung des Gehäuses des Filtersystems.

Die Temperatur der Harnstofflösung wird von dem im Schaltgehäuse angeordneten temperatursensitiven Bimetallschalter der Schalteinrichtung erfasst. Dieser steht dazu in thermischer Verbindung mit dem Messfortsatz des Schaltgehäuses. Der Bimetallschalter ist vorteilhaft dazu ausgebildet, eine elektrische Verbindung des Heizelements mit einer Energiequelle herzustellen, wenn die Temperatur der Harnstofflösung unter die Einschalttemperatur sinkt und die elektrische Verbindung des Heizelements mit der Energiequelle zu unterbrechen, wenn die Temperatur der Harnstofflösung die Ausschalttemperatur übersteigt. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz des Bimetallschalters kann das Filtersystem vereinfacht und kostengünstig hergestellt werden. Da- rüber hinaus wird einen besonders störungsarmer und zuverlässiger Betrieb des Filtersystems ermöglicht. Insbesondere erübrigt sich dadurch eine aufwändige und häufig störanfällige Steuerelektronik, wie diese bei Einsatz eines elektrischen oder elektronischen Temperatursensors erforderlich ist. Das Heizelement erstreckt sich bevorzugt innerhalb des Gehäuseinnenraums. Das Heizelement kann dabei im Betrieb der Heizvorrichtung in direktem thermischem Kontakt mit der wässrigen Harnstofflösung stehen. Das Heizelement taucht mit anderen Worten in die Harnstofflösung ein und erwärmt die Harnstofflösung direkt. Das Heizelement kann im konstruktiv einfachsten Fall als ein Widerstandsheizelement ausge- führt sein.

Das Heizelement kann an ein elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit dem Verbrennungsmotor angeschlossen sein, so dass die elektrische Energie zum Betrieb des Heizelements von einer Batterie bzw. von einem Generator des Kraftfahrzeugs zur Ver- fügung gestellt werden kann.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Filtersystems ist der Messfortsatz zumindest abschnittsweise aus einem hoch wärmeleitfähigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 50 W/(m ^* K), bevorzugt von mehr als 100 W/(m ^* K), besonders bevorzugt von mehr als 200 W/(m ^* K), ganz besonders bevorzugt von mehr als 300 W/(m ^* K), gebildet. Das hoch wärmeleitfähige Material kann vorteilhaft Kupfer oder alternativ Aluminium, Molybdän oder Messing sein. Dadurch wird ermöglicht, die (Ist-) Temperatur der Harnstofflösung besonders präzise und mit nur geringer zeitlicher La- tenz mit dem Bimetallschalter zu erfassen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement zur Längsachse des Gehäuses parallel, insbesondere koaxial, zur Längsachse verlaufend angeordnet ist. Das Gehäuse kann im Wesentlichen zylinderförmig ausgeführt sein. Der Messfortsatz ist dabei in radialer Richtung von dem Heizelement beabstandet angeordnet. Im Hinblick auf eine vereinfachte Durchführung von Montage- bzw. Wartungsarbeiten am Filtersystem ist das Schaltgehäuse vorzugsweise an einer oberen Stirnseite des Gehäuses des Filtersystems angeordnet. Dadurch kann das Schaltgehäuse mitsamt der darin angeordneten Schalteinrichtung im Bedarfsfall einfach ausgetauscht werden.

Der Messfortsatz kann erfindungsgemäß an einer Seitenwand des Gehäuses angeordnet sein. Dadurch kann ein besonders großer Abstand zwischen dem Heizelement und dem Messfortsatz erreicht werden. Dadurch kann die gesamte Harnstofflösung in dem Gehäuseinnenraum zuverlässig aufgeheizt werden, bevor der Bimetallschalter das Heizelement ausschaltet. Die Seitenwand kann insbesondere eine Zylinderwand eines im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuses sein.

Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Messfortsatz in einer seitlichen Vertiefung der Seitenwand des Gehäuses des Filtersystems angeordnet ist. Dadurch kann einerseits der Abstand zwischen dem Heizelement nochmals weiter erhöht werden. Andererseits können dadurch unerwünschte Störeinflüsse des Messfortsatzes auf eine Strömung der wässrigen Urealösung im Gehäuseinneren reduziert bzw. eleminiert werden. Die seitliche Vertiefung der Seitenwand kann vorteilhaft als ein Rücksprung, etwa in der Art eines bereichsweisen Versatzes der Seitenwand nach außen hin, ausgebildet sein. Alternativ kann die Vertiefung durch eine bereichsweise Reduktion einer Wandstärke der Seitenwand des Gehäuses ausgebildet werden.

Der Bimetallschalter kann erfindungsgemäß insbesondere als ein sogenannter Sprungschalter ausgeführt sein. Der Bimetallschalter weist dabei vorzugsweise ein Bimetallele- ment auf, das bei einer Temperatur unterhalb einer Einschalttemperatur eine erste Konfiguration einnimmt, und das bei einer Temperatur oberhalb einer Ausschalttemperatur eine zweite Konfiguration einnimmt. In der ersten Konfiguration des Bimetallelements wird das Heizelement eingeschaltet; in der zweiten Konfiguration wird das Heiz- element ausgeschaltet. Indem der Bimetallschalter als Sprungschalter ausgebildet ist, kann auf besonders einfache Weise erreicht werden, dass die Einschalttemperatur kleiner ist, als die Ausschalttemperatur. Die Sprungcharakteristik wird dabei vorzugsweise durch das Bimetallelement bestimmt. Das Bimetallelement kann dazu als ein sog. Snap-Action-Federelement ausgebildet sein. Ein solcher Bimetallschalter kann beson- ders viele Schaltzyklen durchführen, ohne Schaden zu nehmen. Alternativ kann die Sprungcharakteristik von nachgeordneten Bauteilen des Bimetallschalters ausgebildet sein, die von dem Bimetallelement angelenkt werden, d.h. die nachgeordneten Bauteile werden von dem Bimetallelement aktuiert. Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der Bimetallschalter zumindest teilweise innerhalb des Messfortsatzes des Schaltgehäuses angeordnet ist. Dabei kann insbesondere das Bimetallelement des Bimetallschalters zumindest abschnittsweise innerhalb des Messfortsatzes angeordnet sein. Das Bimetallelement kann dabei vorteilhaft mit dem vorgenannten hoch wärmeleitfähigen Material des Messfortsatzes in direk- tem thermischem Kontakt stehen. Die Temperatur der Harnstofflösung kann in diesem Fall besonders präzise erfasst werden. Insbesondere kann ein verspätetes Ein- oder Ausschalten des Heizelements vermieden werden.

Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Filter- System ein Filterelement zum Abtrennen von in der Harnstofflösung enthaltenen Verunreinigungen. Verunreinigungen können insbesondere Schmutzpartikel aber auch Kristalle von gefrorener Harnstofflösung sein, sofern die Harnstofflösung von dem Heizelement wider Erwarten nicht vollständig aufgetaut wurde. Das Filterelement vorteilhaft in dem Gehäuseinnenraum des Filtersystems, bevorzugt austauschbar, angeordnet.

Das Filterelement kann nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ein Filterelement mit einem Filtermedium aufweisen, um in der Harnstofflösung enthaltene Verunreinigungen aus der Harnstofflösung herauszufiltern. Dadurch können im Betriebseinsatz des Filtersystems eine Funktionsstörung bzw. Beschädigung nachgeordneter Bauteile, beispielsweise von Einspritzdüsen für das Einspritzen der Harnstofflösung in das Abgas, entgegengewirkt werden.

Das Filtermedium kann erfindungsgemäß zur Längsachse des Gehäuses des Filter- Systems ringförmig angeordnet sein. Das Filtermedium kann dabei in der Form eines sternförmig gefalteten Filterbalgs ausgebildet sein. Das Filterelement bzw. das Filtermedium ist typischerweise gegen Stirnseiten des Gehäuseinnenraums abdichtend in dem Gehäuseinnenraum angeordnet. Das Filtermedium kann von der Harnstofflösung in einer zur Längsachse radialen Richtung, vorzugsweise von außen nach innen, durch- strömbar sein. Dadurch kann bei kompaktem Bau des Filtersystems eine große Filterfläche des Filtermediums bereitgestellt werden.

Nach einer Ausführunsgform der Erfindung erstreckt sich das Heizelement zumindest abschnittsweise in das Filterelement hinein. Das Heizelement kann insbesondere kon- zentrisch zu dem Filtermedium angeordnet sein. Vorteilhaft erstreckt sich das Heizelement wenigstens über die Hälfte der Länge des Filterelements, bevorzugt über wenigstens zwei Drittel, besonders bevorzugt über wenigstens drei Viertel der Länge des Filterelements. Es wird dadurch ein gleichmäßiges und effizientes Aufheizen der Harnstofflösung ermöglicht bzw. einem unerwünschten Verblocken des Filtermediums ent- gegengewirkt.

Es ist weiter bevorzugt, dass der Messfortsatz des Schaltgehäuses radial außerhalb des ringförmig angeordneten Filtermediums angeordnet ist. Dies ist beispielsweise durch die oben beschriebene Anordnung an der Seitenwand oder in einer seitlichen Vertiefung der Seitenwand des Gehäuses realisierbar. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Messfortsatz möglichst nah im Bereich der Umwelteinflüsse (d. h. auftretenden geringen Außentemperaturen), im Bereich der Rohseite, d. h. im einströmenden Fluid und/oder insbesondere in Verbindung mit der zentralen Anordnung des Heizelements möglichst weit von diesem entfernt angeordnet sein kann. Dadurch kann eine präzisere Messung ermöglicht werden.

Das Schaltgehäuse der Schalteinrichtung ist nach der Erfindung voruzugsweise fluid- dicht gekapselt ausgeführt und kann beipsielsweise dem Schutzgrad IPX6K, besonders bevorzugt dem Schutzgrad IPX7, ganz besonders bevorzugt dem Schutzgrad IPX9K gemäß DIN 40500-9:1993-05, entsprechen. Ein Vordringen von Wasser bzw. der wässrigen Harnstofflösung zu den elektrischen Kontakten der Schalteinrichtung kann dadurch entgegengewirkt werden. Im Gehäuseinnenraum kann erfindungsgemäß ein kompressibles Volumenausgleichselement angeordnet sein. Vorzugsweise umfasst das Volumenausgleichselement einen Elastomerkörper. Dadurch kann ein mit dem Gefrieren der Harnstofflösung entstehender Eisdruck kompensiert werden, falls diese bei längerer Nichtbenutzung des Filtersystems durchfrieren sollte.

Unter fertigungstechnischen Aspekten hat es sich als vorteilhaft ergeben, wenn das Schaltgehäuse in einer Gehäuseöffnung des Gehäuses des Filtersystems allein kraftschlüssig gehalten angeordnet ist. Vorzugsweise kann dazu ein elastisches Dichtelement zwischen dem Schaltgehäuse und einer Wandung der Gehäuseöffnung angeord- net sein. Alternativ kann das Schaltgehäuse in die Gehäuseöffnung eingeschraubt oder eingeklebt werden. Auch ist eine Befestigung des Schaltgehäuses mit einem an dem Gehäuse verschraubbaren Überwurfflansch denkbar.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt die einzige Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Filtersystems in einem Längsschnitt.

Ausführungsform der Erfindung

Figur 1 zeigt ein Filtersystem 2 für eine wässrige Harnstofflösung zur Abgasnachbehandlung eines in der Zeichnung nicht dargestellten Verbrennungsmotors. Das Filtersystem 2 umfasst ein Gehäuse 4 mit einem Gehäuseinnenraum 6 zur Aufnahme der Harnstofflösung (nicht dargestellt). An dem Gehäuse 4 ist ein Heizelement 8 angeordnet. Das Heizelement 8 erstreckt sich in den Gehäuseinnenraum 6 hinein. An dem Gehäuse 4 ist eine elektrische Schalteinrichtung 10 angeordnet. Die Schalteinrichtung 10 weist ein Schaltgehäuse 12 mit einem Messfortsatz 14 auf. Die Schalteinrichtung 10 dient einem Ein- und Ausschalten des Heizelements 8 in Abhängigkeit von einer jeweiligen Temperatur der Harnstofflösung in dem Gehäuseinnenraum 6. Die Schalteinrichtung 10 ist dazu über eine elektrische Leitung 1 6 mit dem Heizelement 8 verbunden. Das Schaltgehäuse 12 der Schalteinrichtung 10 mitsamt einem Anschluss für die Leitung 1 6 ist hier als eine fluiddicht gekapselte Einheit ausgeführt.

In dem Schaltgehäuse 12 der Schalteinrichtung 10 ist ein Bimetallschalter 18 angeordnet. Der Bimetallschalter 18 erstreckt sich hier bis in den Messfortsatz 14 des Schaltgehäuses 12 hinein. Der Bimetallschalter 18 steht dabei in direktem thermischem Kontakt mit dem Messfortsatz 14. Zur Erhöhung der Wärmeleitung von dem Messfortsatz 14 zu dem Bimetallschalter 18 kann an einer Kontaktfläche zwischen dem Messfortsatz 14 und dem Bimetallschalter 18 eine Wärmeleitpaste oder dergleichen aufgetragen sein. Um eine Temperatur der Harnstofflösung in dem Gehäuseinnenraum 6 möglichst genau zu dem Bimetallschalter 18 übertragen zu können, ist der Messfortsatz 14 aus einem hoch wärmeleitfähigen Material, hier Kupfer, mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W/(m ^* K) gefertigt.

Der Bimetallschalter 18 ist hier als ein sog. Sprungschalter ausgebildet. Wenn die Temperatur der Harnstofflösung eine Einschalttemperatur unterschreitet bzw. eine Ausschalttemperatur überschreitet, springt der Bimetallschalter 18 schlagartig in eine Position, die den Stromfluss durch die Leitung 1 6 zu dem Heizelement 8 freigibt bzw. unterbricht. Der Bimetallschalter 18 ist dazu innerhalb des Schaltgehäuses 12 der Schalteinrichtung 10 über entsprechende Anschlüsse mit der Leitung 1 6 verbunden. Der als Sprungschalter ausgebildete Bimetallschalter 18 weist dabei bezüglich der Temperatur eine Hysterese auf, so dass dessen Einschalttemperatur kleiner ist als dessen Ausschalttemperatur.

Das Gehäuse 4 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgeführt. An einer oberen Stirnseite 17 des Gehäuses 4 sind ein Anschluss 19 für das Heizelement 8 und für die Schalteinrichtung 10 angeordnet. Das Schaltgehäuse 12 der Schalteinrichtung 10 ist teilweise oberhalb der oberen Stirnseite 17 angeordnet. Der Messfortsatz 14 des Schaltgehäuses 12 der Schalteinrichtung 10 durchragt die obere Stirnseite 17 und erstreckt sich in den Gehäuseinnenraum 6 mit der Harnstofflösung ein. Der Messfortsatz 14 ist dabei innnerhalb einer seitlichen Vertiefung 20 einer Seitenwand 22 des Gehäu- ses 4 angeordnet. Im Bereich der Vertiefung 20 ist die Seitenwand 22 bereichsweise nach außen hin versetzt, d.h. die Seitenwand 22 weist unter Beibehaltung ihrer Wandstärke einen Rücksprung auf.

Das Heizelement 8 erstreckt sich entlang der Längsachse 24 des Gehäuses 4 in dem Gehäuseinnenraum 6. Dadurch wird eine gleichmäßige Erwärmung der Harnstofflösung in dem gesamten Gehäuseinnenraum 6 gewährleistet . Indem der Messfortsatz 14 mit maximalem radialem Abstand RA von dem Heizelement 8 in der Vertiefung 20 angeordnet ist, kann sichergestellt werden, dass beim Aufheizen die Harnstofflösung im gesamten Gehäuseinnenraum 6 wenigstens die dem Bimetallschalter 18 über den Messfort- satz 14 zugeführte Temperatur aufweist. Hier ist insbesondere der radiale Abstand RA zwischen dem Heizelement 8 und dem Messfortsatz 14 größer als das Vierfache eines Durchmessers DM des Messfortsatzes 14. Der Messfortsatz 14 berührt die Seitenwand 22 des Gehäuses 4 nicht, damit eine Umgebungstemperatur aufgrund einer Wärmeleitung der Seitenwand 22 des Gehäuses 4 die Sensierung der Temperatur der Harnstoff- lösung in dem Gehäuseinnenraum 6 nicht verfälscht.

In dem Gehäuseinnenraum 6 des Filtersystems ist ein Filterelement 26 angeordnet, um in der Harnstofflösung enthaltene partikuläre Verunreinigungen aus der Harnstofflösung herauszufiltern. Das Filterelement 26 umfasst ein Filtermedium 28, das zylinderringför- mig angeordnet ist. Das Filtermedium 28 ist konzentrisch zu der Längsachse 24 des Gehäuses 4 und dem Heizelement 8 angeordnet. Oberseitig ist das Filterelement 26 an der oberen Stirnseite 17 des Gehäuses 4 dichtend gehalten. Unterseitig wird das Filterelement 26 von einer unteren Endscheibe 30 verschlossen. Das Filtermedium 28 ist in radialer Richtung von außen nach innen durchströmbar. Das Gehäuse 4 weist hier nicht dargestellte Einlass- und Auslassöffnungen für die Harnstofflösung auf. Das Heizelement 8 ragt entlang der Längsachse 24 in das Filterelement 26 hinein. Insbesondere erstreckt sich das Heizelement 8 über mehr als 75 % der Länge LI des Filterelements 26 in dem Gehäuseinnraum 6 zwischen der oberen Stirnseite 17 und der unteren Endscheibe 30. Innerhalb des Gehäuses 4 des Filtersystems kann ein elastisch verformbares, insbesondere elastomeres, Volumenausgleichselement 32 angeordnet sein, das bei einem Gefrieren der Harnstofflösung komprimiert wird.