DE102010027069B3

DE102010027069B3 - Harnstoff-Wasser-Lösung-Filtersystem

Info

Publication number: DE102010027069B3
Application number: DE102010027069A
Authority: DE
Inventors: Martin Weindorf; Markus Nefzer; Bernd Nageldinger
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: CN102985152A; CN102985152B; WO2012007337A1; US20130126416A1

Abstract

HWL-Filter (1) umfassend ein Gehäuse (2), einen Deckel (3) und ein HWL-Filterelement (4) wobei eine Membran (8) ein Ausgleichsvolumen (10) von einem Filtrationsvolumen (11) abtrennt und die Membran (8) zwischen Deckel (3) und Gehäuse (2) dichtet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Flüssigfiltration insbesondere der Harnstofffiltration.
Stand der Technik
Die Abgasgrenzwerte im Automobilsektor erfordern technische Lösungen zur Schadstoffminimierung. Neben den Grenzwerten für Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Partikel (PM), für die Lösungen in Form von Dreiwegekatalysatoren und Rußpartikelfiltern bestehen, stehen die Stickoxide im Fokus. Zur effizienten Stickoxidentfernung wurden sogenannte SCR-Katalysatoren (selective catalytic reduction) sowohl für NKW- als auch für PKW-Anwendungen entwickelt. Dieser Katalysator wandelt bei Zugabe von Ammoniak durch chemische Reduktion Stickoxide in Stickstoff und Wasser um. Neben der reinen Katalysatorfunktion werden weitere Systemkomponenten benötigt. Das flüssige Reduktionsmittel (Harnstoff-Wasser-Lösung HWL) muss ausreichend von Verunreinigungen gesäubert werden. Dies geschieht durch HWL-Filter verschiedener Bauart.
Der einwandfreie Betrieb des SCR-Systems erfordert eine ausreichende Beständigkeit der Werkstoffe gegenüber HWL. Es muss zudem sichergestellt sein, dass keine katalysatorschädlichen Verbindungen in den SCR-Komponenten enthalten sind. Als Dichtungsmaterial kann daher z. B. Viton oder, eventuell modifiziertes, EPDM eingesetzt werden. Bei Kunststoffen ist darauf zu achten, dass keine schädlichen Additive (aus Herstellung und Bearbeitung der Kunststoffe) enthalten sind. Die Betriebstemperaturen der HWL-Filter liegen bei –40°C bis 80°C, kurzfristig bei max. 90°C.
Das Einspritzsystem eines SCR-Systems kann kritisch auf Verunreinigungen und Schmutzpartikel reagieren. Partikelquellen sind z. B. Verunreinigungen aus der HWL, in der Dosiereinheit (z. B. Pumpe) generierte Verschleißpartikel und Partikel, die in das System eingetragen werden (z. B. HWL-Tankvorgang und Tankbelüftung). Der eingesetzte Filter hat die Aufgabe, die Komponenten des SCR-Systems vor Verschleiß und Ausfall zu schützen. Als notwendige Filterfeinheit hat sich eine Filterfeinheit (β_x = 100) von 10 μm bewährt.
Eine ganz besondere Herausforderung bei der Entwicklung von SCR-Systemen besteht darin, die Systeme vereisungssicher auszuführen. Die HWL als 32,5%ige Mischung gefriert nicht wie Wasser bei 0°C, sondern bei ca. –11°C. Eine eissichere Lösung kann erreicht werden, indem dem System Wärme von außen, z. B. durch elektrische Heizungen und Motorwärme, zugeführt wird. Dies funktioniert im zweiten Fall nur bei Fahrzeugbetrieb. Wird ein Fahrzeug bei kalter Witterung abgestellt, so muss das System weitgehend von der HWL befreit werden (z. B. durch leer pumpen, leer blasen). Alternativ müssen die Komponenten so ausgelegt sein, dass sie dem entstehenden Eisdruck widerstehen. Da sich beim Gefrieren einer Lösung in einem geschlossenen Behälter sehr große Kräfte durch Eisdruck aufbauen, muss überlegt werden, wie der auftretende Druck kompensiert werden kann.
Zur Erreichung der Eissicherheit können verschiedene Lösungen umgesetzt werden. Z. B. wird der Eisdruck durch sogenannte Ausgleichselemente aufgefangen. Das durch das Gefrieren der HWL vergrößerte Volumen (ca. 10%) wird durch diese Ausgleichselemente aufgefangen bzw. kompensiert. Ebenfalls möglich sind Ausgleichsbehälter auf der Gehäuseseite bzw. elastische Gehäuseteile. Wichtig ist zudem, dass das entsprechende Flüssigkeitsvolumen der HWL in den Systemkomponenten so klein wie möglich gehalten wird. Es sollte konstruktiv so ausgelegt sein, dass kein bzw. nur ein geringes Totraumvolumen vorhanden ist.
Das Dokument US 4842737 A offenbart einen Filterzusammenbau mit einem steifen Gehäuse und einer innerhalb des Gehäuses angeordneten zylindrischen Hülle, die sich innerhalb des Außengehäuses axial ausdehnen kann, um Volumenschwankungen auszugleichen.
In der Schrift JP 61197013 A ist ein Filter gezeigt, der ein Ventil aufweist, das im Falle einer Volumenausdehnung von Wasser in Folge eines Einfrierens ein zusätzliches Volumen freigibt, um das Filtergehäuse des Filters zu schützen, wobei das Ventil aus einer dünnen Platte besteht.
Aus der EP 1 510 239 B1 ist z. B. eine Filtereinrichtung zur Flüssigfiltration bekannt, bei der sich im Filtergehäuse ein elastisch verformbares Ausdehnungselement befindet, bei dessen Verformung das Volumen zumindest eines Abschnitts des Strömungswegs der zu reinigenden Flüssigkeit beeinflusst wird. Dieses Ausdehnungselement kann unter dem Druck der Flüssigkeit elastisch nachgeben, wodurch der Raum innerhalb des Filtergehäuses auf derjenigen Seite des Filterelementes, die in Kontakt mit der Flüssigkeit steht, vergrößert werden kann. Insbesondere für den Fall, dass das zugeleitete Medium bei tiefen Temperaturen gefriert und sich hierbei ausdehnt, sorgt das Ausdehnungselement durch seine Verformbarkeit für eine Vergrößerung des zur Verfügung stehenden Volumens, so dass die beim Gefrierprozess auftretenden sehr hohen Kräfte nicht unmittelbar auf das Filterelement geleitet werden und auch nicht zu einer Zerstörung des Filterelementes führen können. Die Verformbarkeit des Ausdehnungselements verhindert eine unzulässig hohe Kraftübertragung auf das Filterelement. Auch das Filtergehäuse wird durch das Ausdehnungselement vor unzulässig hohen Kräften geschützt, die zu einer Zerstörung und zu Undichtigkeit des Filtergehäuses führen könnten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Filterelement dahingehend zu verbessern, dass die Montage und der Service des Filterelements erleichtert werden. Eine weitere Aufgabe ist der Ersatz eines Ausdehnungselementes wie in der EP 1 510 239 B , das z. B. ein geschäumtes Ausgleichselement ist, durch eine Membranlösung. Eine weitere Aufgabe ist die Sicherstellung des Wechsels der Dichtung bei einem Filterelementwechsel.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgaben werden durch ein HWL-Filterelement und einen HWL -Filter nach den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5 gelöst.
Da die Membran die Dichtung von Deckel und Gehäuse nach außen bildet und am Filterelement angebracht ist, wird mit dem Filterelement die Dichtung gewechselt.
Die Membran ist erfindungsgemäß lösbar oder unlösbar am Filterelement angebracht. Z. B. kann die Membran am Filterelement angespritzt oder angeklebt, angeknüpft oder aufgesteckt sein.
Die Membran wird zumindest an der Dichtstelle zwischen Deckel und Gehäuse fixiert. Dehnt sich die im Filter befindliche HWL beim Einfrieren aus, dann kann die Membran sich in das Ausgleichsvolumen hinein verformen und so das Filtrationsvolumen vergrößern. Hierbei bleibt die Membran an der Dichtstelle zwischen Deckel und Gehäuse fixiert.
In verschiedenen Ausführungsformen wird die Membran durch Stützelemente im Ausgleichsvolumen gestützt. Die Stützung kann in unverformtem Zustand geschehen. Z. B. kann die Membran durch ein z. B. zentrales, Stützelement im Ausgleichsvolumen etwa mittig gestützt werden. Die Stützung kann auch im verformten Zustand geschehen, z. B. durch verschiedene Stützelemente erst im verformten Zustand jedoch noch nicht im unverformten Zustand.
In einer Ausführungsform kann das HWL-Filterelement derart am Deckel befestigt sein, dass es mit dem Deckel zusammen entnommen werden kann.
Hierfür kann z. B. eine Verschnappung, ein Reibschluss, eine Bajonett- oder Schraubverbindung zwischen HWL-Filterelement und Deckel ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform ist das HWL-Filterelement ein hohlzylindrisches Filterelement mit einem sterngefalteten Balg.
Der sterngefaltete Balg kann mit Kunststoffendscheiben versehen sein und/oder stirnkanten verleimt sein. Eine sogenannte Folienendscheibe aus einem elastischen Material kann angebracht sein.
Die Membran kann dann über die Endscheibe mit dem Filterelement verbunden sein.
Das hohlzylindrische HWL-Filterelement kann mit einem Innenrohr und/oder einem Außenrohr zur Stabilisierung versehen sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein SCR-System
2 zeigt ein HWL Filtersystem mit einer Membran im unverformten (1) und im verformten (2) Zustand.
Ausführungsform(en) der Erfindung
1 zeigt exemplarisch ein schematisches SCR-System. Das SCR-System besteht im Wesentlichen aus den Komponenten Tank für die wässrige Harnstofflösung, einem Harnstofffilter, einer Fördereinheit, einem Dosiersystem bzw. Dosiereinheit, einem SCR-Katalysator und einem Steuergerät.
2 zeigt ein HWL-Filtersystem 1, umfassend ein Gehäuse 2 und einen Deckel 3. Das HWL-Filtersystem 1 umfasst ein HWL-Filterelement 4, das als hohlzylindrisches Filterelement ausgeprägt ist. Das HWL-Filterelement 4 umfasst einen Balg 5, der sterngefaltet ist. Der Balg kann ein Zellulosebasierendes Filtermedium, das z. B. Acryl- oder Epoxy-imprägniert ist, umfassen. Alternativ kann der Balg 5 auch als Kunststoffmedium, z. B. Polypropylen-Meltblown, ausgeführt sein. Der Balg 5 wird durch ein Innenrohr 7 gestützt.
Ein Ende des Balges 5 ist durch eine Endscheibe 6 verschlossen. An die Endscheibe 6 ist eine Membran 8 angeknüpft. Die Membran bildet eine umlaufende Dichtung 9 zwischen Deckel 3 und Gehäuse 2 aus. Die Dichtung 9 kann z. B. als Verdickung der Membran 8 ausgebildet sein.
Die Membran trennt einen Ausgleichsraum 10 von einem Filtrationsraum 11. In ist die Membran 8 unverformt. In ist die Membran 8 verformt, z. B. durch sich im Filtrationsraum ausdehnende Flüssigkeit, z. B. durch Einfrieren von HWL, das mit einer Volumenausdehnung verbunden ist. Durch die Verformung der Membran 8 wird das Filtrationsvolumen größer und das Ausgleichsvolumen verringert sich.
Die Membran 8 ist im Beispiel der 2 im Bereich der Anknüpfung an die Endscheibe 6 derart nach innen gestülpt, dass eine Verschnappung des Deckels 3 mit dem HWL-Filterelement 4 in diesem Bereich durch eine Stütze 12 erzielt werden kann. Stützen 13 im Deckel können die Verformung der Membran 8 bei der Ausdehnung der Flüssigkeit bzw. des Eises im Filtrationsvolumen begrenzen.
Deckel 3 und Gehäuse 2 sind im Beispiel der 2 verschraubt. Andere Verbindungen, wie z. B. Bajonettkopplung sind ebenfalls denkbar.
Über einen O-Ring 14 wird an einer zweiten Endscheibe 15 ein Auslass 16 an das Innere des HWL-Filterelements 4 angeschlossen. Bei einer anderen Strömungsführung kann auch ein Einlass hier angeschlossen werden.

Claims

HWL-Filterelement (4) mit einer Membran (8), wobei in einem HWL-Filter (1) mittels einer Membran (4) ein Ausgleichsvolumen (10) von einem Filtrationsvolumen (11) abgetrennt ist und die Membran zwischen einem Deckel (3) und einem Gehäuse (2) eines HWL-Filters (1) abdichtet, wobei die Membran (4) lösbar oder unlösbar am Filterelement angebracht ist.
HWL-Filterelement nach Anspruch 1 wobei die Membran am Filterelement angespritzt oder angeklebt, angeknüpft oder aufgesteckt sein.
HWL-Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das HWL-Filterelement als hohlzylindrisches Filterelement mit einem sterngefalteten Balg ausgebildet ist.
HWL-Filterelement nach Anspruch 3 wobei der sterngefaltete Balg mit Kunststoffendscheiben versehen sein und/oder stirnkanten verleimt ist
HWL-Filter (1) umfassend ein Gehäuse (2), einen Deckel (3) und ein HWL-Filterelement (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Membran ein Ausgleichsvolumen (10) von einem Filtrationsvolumen (11) abtrennt und die Membran (8) zwischen Deckel (3) und Gehäuse (2) dichtet.
HWL-Filter nach Anspruch 5, wobei das HWL-Filterelement derart am Deckel befestigt ist, dass es mit dem Deckel zusammen entnommen werden kann.
HWL-Filter nach Anspruch 6, wobei das HWL-Filterelement über eine Verschnappung derart am Deckel befestigt ist, dass es mit dem Deckel zusammen entnommen werden kann.
HWL-Filter nach Anspruch 6, wobei das HWL-Filterelement über einen Reibschluss derart am Deckel befestigt ist, dass es mit dem Deckel zusammen entnommen werden kann.
HWL-Filter nach Anspruch 6, wobei das HWL-Filterelement über eine Bajonettverbindung derart am Deckel befestigt ist, dass es mit dem Deckel zusammen entnommen werden kann.
HWL-Filter nach Anspruch 6, wobei das HWL-Filterelement über Schraubverbindung derart am Deckel befestigt ist, dass es mit dem Deckel zusammen entnommen werden kann.