DE102013214634A1

DE102013214634A1 - Filtereinrichtung mit einer Signaleinrichtung mit einem Signalübergang

Info

Publication number: DE102013214634A1
Application number: DE201310214634
Authority: DE
Inventors: Fabian-Felix Ballier; Martha Carolina Sanchez Garcia; Thomas Gruber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-27
Also published as: DE102013214634B4; CN104343600B; CN104343600A; IN2014DE01688A

Abstract

Bei einer Filtereinrichtung (10) zum Filtern eines Fluids, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Filtergehäuse (12, 14) und einem daran anzukoppelnden Filterelement (24, 40), ist eine elektrische Signaleinrichtung (64, 66, 68, 70, 72) zum Erkennen des Vorhandenseins eines vorschriftsmäßigen Filterelements vorgesehen. Die elektrische Signaleinrichtung (64, 66, 68, 70, 72) ist als Schaltung mit einem bestimmten Widerstand gestaltet und weist einen elektrischen Signalübergang zwischen Filtergehäuse (12, 14) und Filterelement (24, 40) mit mindestens einem elektrischen Kontakt (52, 64, 66) auf. Erfindungsgemäß ist der bestimmte Widerstand von einem elektrischen Leitwiderstand des mindestens einen elektrischen Kontaktes (52, 64, 66) selbst bestimmt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung zum Filtern eines Fluids, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Filtergehäuse und einem daran anzukoppelnden Filterelement, bei der eine elektrische Signaleinrichtung zum Erkennen des Vorhandenseins eines vorschriftsmäßigen Filterelements vorgesehen ist, die als Schaltung mit einem bestimmten Widerstand gestaltet ist und einen elektrischen Signalübergang zwischen Filtergehäuse und Filterelement mit mindestens einem elektrischen Kontakt aufweist.
Filtereinrichtungen, insbesondere solche zum Filtern von Partikeln aus flüssigem Brennstoff oder Öl bei Kraftfahrzeugen oder anderen Maschinen, sind in der Regel aus einem Filtergehäuse und einem darin angeordneten Filterelement gestaltet. An dem Filtergehäuse befinden sich Fluidanschlüsse, mit denen das zu filtrierende Fluid durch das Filterelement geleitet wird. Das Filterelement ist dazu an dem Filtergehäuse auswechselbar fluidleitend angekoppelt.
Ferner befinden sich an solchen Filtereinrichtungen oftmals eine elektrische Heizeinrichtung zum Heizen des zu filtrierenden Fluids insbesondere bei einem Kaltstart, sowie ein Wassersensor oder auch ein Drucksensor.
Damit an einer solchen Filtereinrichtung während deren Betriebs stets das ordnungsgemäße Filterelement eingesetzt und angekoppelt ist, ist in bekannter Weise eine elektrische Signaleinrichtung zum Erkennen des Vorhandenseins eines vorschriftsmäßigen Filterelements vorgesehen. Diese Signaleinrichtung erkennt, ob ein Filterelement eingesetzt bzw. angekoppelt ist und ob es sich um das ordnungsgemäße Filterelement handelt. Im Vergleich zu rein mechanischen Kennungen für das ordnungsgemäße Filterelement (Poka-Yoke Design) haben elektrische Signaleinrichtungen den Vorteil, dass sie schwerer zu kopieren sind und mehr Möglichkeiten der Kennung und der sonstigen Diagnose an dem Filterelement bieten. Zugleich ist der Aufwand für solche elektrischen Signaleinrichtungen vergleichsweise groß.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist eine Filtereinrichtung zum Filtern eines Fluids, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Filtergehäuse und einem daran anzukoppelnden Filterelement geschaffen, bei der eine elektrische Signaleinrichtung zum Erkennen des Vorhandenseins eines vorschriftsmäßigen Filterelements vorgesehen ist. Die Signaleinrichtung ist als Schaltung mit einem bestimmten Widerstand gestaltet und weist einen elektrischen Signalübergang zwischen Filtergehäuse und Filterelement mit mindestens einem elektrischen Kontakt auf. Der bestimmte Widerstand ist gemäß der Erfindung von einem elektrischen Leitwiderstand des mindestens einen elektrischen Kontaktes selbst, also von einem elektrischen Widerstand eines von dem Kontakt gebildeten Leitungsabschnitts, derart gezielt mitbestimmt, dass anhand dieses elektrischen Leitwiderstands ein vorschriftsmäßiges bzw. ordnungsgemäßes Filterelement erkannt werden kann. Der Begriff Leitwiderstand wird im Kontext dieser Anmeldung synonym zum Begriff elektrischer Widerstand verwendet.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß der Widerstand eines elektrischen Signalübergangs von einem elektrischen Leitwiderstand des mindestens einen elektrischen Kontaktes der Signalübergabe in vorbestimmter, gezielter Weise bestimmt. Die elektrische Signalübergabe ist dazu vorzugsweise mit einer Kontaktanordnung gestaltet, bei der zwei sich berührende Kontaktflächen einen signifikanten Kontaktwiderstand aufweisen.
Zur Ermittlung eines Kontaktwiderstandes ist es grundsätzlich bekannt Kontaktwiderstandsmessungen nach DIN EN 60512 durchzuführen. Insbesondere die dabei zugrunde liegenden Messungen werden erfindungsgemäß genutzt, um eine Unterscheidung eines ordnungsgemäßen Filterelements von einem nicht ordnungsgemäßen Filterelement zu ermöglichen. Der Kontaktwerkstoff, seine Mikrorauhigkeit, die Kontaktgeometrie sowie chemische Fremdschichten haben Auswirkungen auf die Kontakteigenschaften. Über den Kontaktwiderstand lassen sich die Ausgangsmaterialien klassifizieren, der Einfluss der einzelnen Fertigungsschritte zur Herstellung von Halbzeugen und fertigen Kontaktelementen lässt sich feststellen, ebenso die Einwirkung der Atmosphäre und der Temperatur auf die Bildung von Oberflächenschichten. Deshalb ist es mittels einer erfindungsgemäßen Messung des Kontaktwiderstandes an einem elektrischen Kontakt eines Signalübergangs zwischen Filterelement und Filtergehäuse möglich, Qualitätsmerkmale eines ordnungsgemäßen Filterelements zu ermitteln.
Der Kontaktwiderstand ist vorteilhaft mittels einer Oberflächenbehandlung von mindestens einer der Kontaktflächen als ein gezielt hergestelltes Merkmal eines Filterelements geschaffen. Dazu ist vorteilhaft mindestens eine Kontaktfläche des Filterelements mit besonderer Rauheit, besonderer Ebenheit, einem Belag mit besonderer elektrischer Leitfähigkeit oder einer gezielt ausgebildeten Oxidschicht gestaltet.
Die Erfindung basiert dabei auf der Grundlage, dass der elektrische Leitwiderstand einer Kontaktfläche, auch als Kontaktwiderstand oder Kontaktübergangswiderstand bezeichnet, sich aus dem Eigenwiderstand und dem Fremdschichtwiderstand zusammensetzt.
Der Eigenwiderstand entsteht durch die mikroskopische Unebenheit einer Kontaktfläche. Die wirksame Berührungsfläche ist dadurch kleiner und der Stromfluss wird eingeengt. Der Eigenwiderstand ist abhängig vom spezifischen Widerstand des eingesetzten Materials, den Oberflächenunebenheiten bzw. der Rauheit, sowie der Anzahl der wirksamen Kontaktflächen. Die Größe der Kontaktpunkte ergibt sich aus der Kontaktnormalkraft und der Härte bzw. Festigkeit des Oberflächenwerkstoffes. Für die elektrische Leitfähigkeit (in Siemens) des Kontaktes ergibt die vereinfachte Theorie: Λ ≈ 3,7 / E*·ρ·l·F_N mit effektivem Elastizitätsmodul
dem Elastizitätsmodul E,
Poissonzahl v ≈ 1 / 3 bei metallischen Werkstoffen,
ρ dem spezifischen elektrischen Widerstand des Kontaktmaterials,
l dem quadratischen Mittelwert der Höhenverteilung (Rauigkeit) und
F_N der Normalkraft auf den Kontakt.
Wie die Reibungskraft ist auch die Kontaktfläche proportional zur Normalkraft und hängt nicht von der (scheinbaren) Kontaktfläche ab. Die Leitfähigkeit hängt nur von der Höhentopographie der rauen Oberfläche, nicht aber von der detaillierten Oberflächentopographie ab. Sobald die Kontaktlänge die Größenordnung der linearen Abmessung D des Körpers erreicht, steigt die Leitfähigkeit nicht weiter; in Sättigung ist Λ_max ≈ D/ρ.
Beispiel: Kontaktwiderstand von zwei ebenen Kupferscheiben mit D = 1 mm, die mit der Kraft 2.7 Newton aneinander gepresst werden.
Für Kupfer ist (bei Raumtemperatur) ρ ≈ 1,8·10^–9 Ωm, E* ≈ 5,6·10¹¹ Pa und damit R = 1 / Λ = 0,1 mΩ.
Da eine Heizeinrichtung in einer Filtervorrichtung üblicherweise eine Leistung von ca. 100 W bis ca. 1000 W bereitstellen muss und in Kraftfahrzeugen üblicherweise eine Batteriespannung von 12 V anliegt ergibt sich für den elektrischen Widerstand einer Filterheizung gemäß der Formel R = U·U/P (mit R = Widerstand, U = Spannung, P = Leistung) ein Wert zwischen 0,14 Ohm und 1,4 Ohm. Es soll an Hand einer Messung des Widerstands des Gesamtsystems (Heizung und Hauptfilter bzw. Filterelement bzw. Filtermedium) vorteilhaft einfach festgestellt werden, ob ein Filterelement bzw. ein Hauptfilter vorhanden ist und wenn ja, ob es sich um das richtige Filterelement bzw. Filtermedium bzw. um den richtigen Hauptfilter handelt. Eine derartige Detektion kann in einer Reihenschaltung (Heizung und Hauptfilter bzw. Filtermedium bzw. Filterelement „hintereinander“) oder in einer Parallelschaltung (Heinzung und Filterelement in „paraller“ Anordnung) bewirkt werden. Um eine zuverlässige Erkennung zu gewährleisten sollte die Widerstandsänderung durch die Hinzunahme des korrekten Filterelements nicht zu stark ausgeprägt sein. In einer Reihenschaltung wird dabei eine Erhöhung des Gesamtwiderstandes, in einer Parallelschaltung eine Verringerung des Gesamtwiderstandes bewirkt.
Beispielsweise kann der Gesamtwiderstand bei einer Reihenschaltung im Bereich zwischen 101% und 10000% des Heizungswiderstands liegen, Bevorzugt liegt er in einem Bereich von 105% und 1000% des Heizungswiderstands. Bei einer Anordnung in einer Parallelschaltung kann der Gesamtwiderstands beispielsweise im Bereich von 1% bis zu 99% des Heizungswiderstandes liegen, bevorzugt zwischen 10% und 50% des Heizungswiderstandes.
Liegt beispielsweise eine Reihenschaltung aus Heizung und Filterelement vor, mit einem Heizungswiderstand von (zu Beispielszwecken) 1 Ohm), so sollte der Widerstand des Filterelements bzw. des von dem Filtermedium gebildeten Leitungsabschnitts im Gesamtsystem zwischen 0,01 Ohm (Gesamtwiderstand entspricht dann 101% des Heizungswiderstands) und 99 Ohm (Gesamtwiderstand beträgt dann 10000% des Heizungswiderstands) liegen, bevorzugt zwischen 0,05 Ohm und 9 Ohm. Ein nicht eingesetztes Filterelement in der Reihenschaltung wird durch einen unendlichen Widerstand in diesem Leitungszweig gekennzeichnet. Ist ein Filterelement montiert, so addiert sich dessen Widerstandswert zu dem der Heizung. Eine Steuerungselektronik kann also erkennen, ob der hinzugefügte Widerstand dem eines ordnungsgemäßen Filterelements entspricht.
Liegt eine Parallelschaltung vor, also Heizung und Filterelement in paralleler elektrischer Anordnung, und weist die Heizung zu Besipielszwecken einen elektrischen Widerstand von 1 Ohm auf, so ergibt sich der Gesamtwiderstand der Schaltung zu R = R(Heizung)·R(Filterelement)/(R(Heizung) + R(Filterelement)). Um also einen Gesamtwiderstand im Bereich von 1% bis 99% des Heizungswiderstands zu beirken muss der Widerstand des Filterelements bzw. des von dem Filtermedium gebildeten Leitungsabschnitts zwischen 0,01 Ohm (Gesamtwiderstand beträgt 1% des Heizungswiderstandes) und 99 Ohm (Gesamtwiderstand beträgt 99% des Heizungswiderstandes) liegen.
Ebenso kann vorteilhaft auch ein separater Vorfilter einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen und in ähnlicher Weise in einer elektrischen Schaltung integriert sein.
Ein beispielsweise außerhalb der Filtereinrichtung angeordnetes Steuergerät kann so vorteilhaft sehr einfach durch einen Abgleich der Widerstandsmessung mit hinterlegten Soll-Daten erkennen, ob ein Filterelement in der Filtereinrichtung (korrekt) angeordnet ist und ob es sich bei dem Filterelement um das richtige Filterelement handelt. Eine Abweichung des Gesamtwiderstands von den Solldaten kann dann als Fehlermeldung an Ausgabeeinheiten (z.B. eine Kontrollleuchte) übermittelt werden. So wird vorteilhaft eine Verwechslung oder eine Fehlmontage des Filterelements entdeckbar und ein Schaden an stromabwärts der Filtereinrichtung angeordneter Komponenten vermieden.
Eine ähnliche Überlegung für die Höhe des elektrischen Widerstands ergibt sich für die beispielsweise auf dem Hauptfilterdeckel angeordnete kreisförmige Leiterbahn oder für den Widerstand des Filtermediums als solches, selbst wenn keine Heizeinrichtung vorhanden ist. Generell ist es wichtig, dass die Höhe des elektrischen Widerstands derart bemessen ist, dass sich ohne großen Aufwand die Widerstandsänderung in einem Gesamtsystem bestimmen lässt, in welches der Hauptfilter bzw. das Filtermedium bzw. das Filterelement eingesetzt bzw. aus dem es entfernt wird.
Ferner ist es erfindungsgemäß vorgesehen, auf zumindest einer der Kontaktoberflächen gezielt eine Fremdschicht auszubilden, die den Kontaktwiderstand erhöht. Als Fremdschicht wird vorzugsweise eine entsprechend dünn ausgebildete Nichtleiterschicht hergestellt, deren Durchschlagwiderstand zur Erkennung genutzt werden kann. Ferner kann eine Halbleiterschicht vorgesehen sein, so dass ein richtungsabhängiger Stromfluss als Erkennungsmerkmal genutzt werden kann. Als Fremdschicht ist in diesem Zusammenhang eine (dünne) Oberflächenschicht auf dem Kontakt zu verstehen, die aus einem Material besteht, welches von dem Material des Kontaktes verschieden ist, und vorzugsweise andere elektrische Eigenschaften als das Material des Kontaktes hat. Diese Fremdschicht tritt dann in elektrischen und mechanischen Kontakt mit einem Gegenkontakt.
Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, als Grenzschicht eine oder mehrere Graphitschichten auszubilden, deren Durchgangswiderstand sich dann in Abhängigkeit einer Druckbelastung ändert. Dieser Effekt wurde früher bei Nähmaschinen für einen Fußpedalwiderstand genutzt.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist daher der mindestens eine elektrische Kontakt mit einer ersten Kontaktfläche und einer zweiten Kontaktfläche gestaltet, wobei die zweite Kontaktfläche an der ersten Kontaktfläche mit einer vordefinierten Kraft federnd vorgespannt kontaktierend anzulegen ist.
Um dabei eine mögliche Korrosion der Kontaktoberfläche zu vermeiden, die ebenfalls einen (nicht vorbestimmten) Kontaktwiderstand erzeugen würde, ist erfindungsgemäß bevorzugt zumindest eine der Kontaktflächen aus einem Edelmetall wie insbesondere Gold, Silber, Palladium und/oder Platin gebildet.
Ferner kann erfindungsgemäß vorteilhaft der Umstand genutzt werden, dass ein Fremdschichtwiderstand sich beim Schalten von höheren Leistungen nur kurz aufbaut. Die erfindungsgemäß ausgebildete Fremdschicht wird dann beim Einsetzen des zugehörigen Filterelements in das Filtergehäuse durchschlagen. Diesen Effekt nennt man Frittung, die dazu benötigte Spannung nennt man Frittspannung. Beim Fritter ist der Übergangswiderstand durch den Einfluss von Hochfrequenz amplitudenabhängig, was ebenfalls als Erkennungsmerkmal genutzt werden kann. Die zugehörige Steuereinrichtung ist dann dazu eingerichtet, diesen Effekt der Frittung zu ermitteln und daran ein ordnungsgemäß eingesetztes Filterelement zu erkennen.
Erfindungsgemäß wird also ein eigentlich als lästig bzw. ungünstig erachteter Effekt eines Kontaktwiderstandes gezielt derart ausgebildet, dass anhand dieses Effektes das Vorhandensein des ordnungsgemäßen Filterelements an der Filtereinrichtung ermittelt werden kann.
Die elektrische Signalübergabe zwischen dem Filtergehäuse und dem Filterelement ist vorzugsweise mit einer zumindest abschnittsweise kreisförmigen Leiterbahn gestaltet. Beispielsweise kann es sich bei der mindestens einen elektrischen Signalübergabe um miteinander in elektrischem und gegebenenfalls auch in mechanischem Kontakt stehende Kontaktelemente handeln, also um ein System, das geeignet ist, elektrische Signale (auch an nachgelagerte Komponenten) zu übergeben bzw. zu übertragen. Dabei kann die Signalübergabe auch (mechanisch) berührungslos, beispielsweise durch Induktion, durch Strahlung (hochfrequente elektromagnetische Wellen, Licht, etc.), durch magnetische Kräfte oder ähnliche Mechanismen erfolgen. Die zumindest abschnittsweise kreisförmige Leiterbahn stellt mit ihrer Länge und ihrer Ausdehnung eine vergleichsweise große Fläche bereit, mit der ein entsprechendes Kontaktelement, insbesondere eine zweite Kontaktfläche in besonders vorteilhafter Weise zusammenwirken kann. Mit der derartigen Erkennung des Vorhandenseins eines vorschriftsmäßigen Filterelements kann in besonders einfacher und insgesamt sehr kostengünstiger Weise die Betriebssicherheit und Funktionsfähigkeit von zugehörigen Systemen, insbesondere von zugehörigen Kraftstoffversorgungssystemen von Kraftfahrzeugen, verbessert werden.
Die zumindest abschnittsweise kreisförmige Leiterbahn ist vorzugsweise an einer Stirnseite des Filterelements, insbesondere an einem Hauptfilterdeckel, oder alternativ an einer Stirnseite des Filtergehäuses angeordnet. Die zumindest abschnittsweise kreisförmige Leiterbahn umläuft dabei als zum Beispiel geschlossene Leiterbahn auf einem äußeren Umfang der Stirnseite des Hauptfilterdeckels den Hauptfilterdeckel. Die zumindest abschnittsweise kreisförmige Leiterbahn ist dort vorzugsweise galvanisch, mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (Physical Vapour Deposition, PVD, Sputtern) und/oder mittels chemischer Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) aufgebracht. Die Leiterbahn kann beispielsweise aus einem Metall oder aus einem leitfähigen Kunststoff ausgebildet sein. Beispielsweise besteht sie aus einer Kupfer- oder Aluminiumschicht, die bevorzugt durch eine Edelmetallschicht (Gold, Platin, etc.) oder durch eine Nickelschicht gegen Oxidation und Abrieb geschützt ist.
Das Filterelement ist bevorzugt mittels einer Drehbewegung an dem Filtergehäuse anzukoppeln und die zumindest abschnittsweise kreisförmige Leiterbahn erstreckt sich vorzugsweise konzentrisch zur Drehbewegung bzw. konzentrisch zur Längsachse des Filterelements. Der Mittelpunkt der kreisförmigen Leiterbahn liegt dann also auf der Drehachse der Drehbewegung. Die kreisförmige Leiterbahn kann mit einer zweiten Kontaktfläche, etwa in Gestalt eines Kontaktpins oder einer Kontaktfahne, zusammenwirken. Diese zweite Kontaktfläche liegt dann an der Leiterbahn an, wobei die Drehlage des die zweite Kontaktfläche tragenden Bauteils, z.B. des Filterelements, relativ zu dem die kreisförmige Leiterbahn tragenden Bauteil, z.B. dem Filtergehäuse, dann beliebig ist. Auf diese Weise kann eine Positionierung des Filterelements relativ zum Filtergehäuse einfacher gestaltet werden.
Die elektrische Signaleinrichtung ist erfindungsgemäß bevorzugt ferner zum Erkennen des Vorhandenseins eines vorschriftsmäßigen Filterelements mit einem Wassersensor zum Erkennen von in der Filtereinrichtung zurückgehaltenem Wasser zu einer elektrischen Baueinheit zusammengefasst. Bei dieser Weiterbildung sind also zumindest ein Teil der elektrischen Signaleinrichtung und ein Wassersensor zu einer elektrischen bzw. elektronischen Funktionseinheit kombiniert. Eine solche Kombination reduziert den technischen Aufwand, insbesondere in Bezug auf elektronische Bauelemente und Leitungsführung, senkt damit die Kosten und erhöht zugleich die Betriebssicherheit.
Die elektrische Signaleinrichtung ist vorzugsweise zum Erkennen des Vorhandenseins eines vorschriftsmäßigen Filterelements mit einer Heizeinrichtung zum Heizen von in der Filtereinrichtung zu filterndem Fluid zu einer elektrischen Baueinheit zusammengefasst. Mit der derartigen Integration einer Signaleinrichtung zum Erkennen des Vorhandenseins eines vorschriftsmäßigen Filterelements mit einer elektrischen Heizeinrichtung kann sowohl der Herstellungsaufwand der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung verringert, als auch deren Betriebssicherheit erhöht werden. Die zu einer elektrischen Baueinheit zusammengefasste Funktionalität ist einfacher zu prüfen und auch zu warten. Besonders vorteilhaft ist bei der derartigen Integration, dass die Signaleinrichtung einen elektrischen Heizkreis bzw. eine elektrische Heizbahn der Heizeinrichtung mitbenutzen kann. Durch diese Doppelfunktion des Heizkreises wird es wirtschaftlich, dass der Heizkreis direkt am Filterelement angeordnet wird, und damit in jenem Bereich, an dem die Heizleistung am notwendigsten ist. Am Filterelement führt nämlich eine Flockenbildung des zu filtrierenden Mediums bei kalten Bedingungen gegebenenfalls zu dessen Verstopfung, was mit der erfindungsgemäßen Gestaltung besonders vorteilhaft vermieden werden kann. Darüber hinaus ist eine solche Heizbahn ein besonders robuster Leiter, so dass eine Schädigung und damit eine Fehlerkennung des zu signalisierenden Filterelements weitestgehend ausgeschlossen ist.
Die elektrische Signaleinrichtung ist vorzugsweise auch als Schaltung mit einer bestimmten Konduktivität und/oder mit einer bestimmten Induktivität gestaltet. Die Konduktivität bzw. elektrische Leitfähigkeit ist eine physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Stoffes angibt, elektrischen Strom zu leiten. Den Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit nennt man spezifischen Widerstand. Um eine hohe elektrische Leitfähigkeit am Filterelement zu erzielen, werden dort vorzugsweise Silberpartikel zugemischt Indem Halbleiter-Bauelemente in der Schaltung verwandt werden, die auf verschiedene Faktoren, wie Temperatur oder Druck, reagieren, kann mittels solcher elektronischer Bauteile die Leitfähigkeit von verschiedenen Faktoren abhängig gemacht werden. Derartige Halbleiter-Bauelemente können beispielsweise in der Schaltung angeordnete Siliziumdioden oder NTC-Widerstände sein. Diese Faktoren können dann ebenfalls ermittelt und die erfindungsgemäße Filtereinrichtung kann entsprechend gesteuert werden. Die Induktivität, auch Eigeninduktivität, Selbstinduktivität oder Selbstinduktion genannt, ist eine elektrische Eigenschaft eines stromdurchflossenen Leiters oder anderen Bauteils. Der stromdurchflossene Leiter oder das Bauteil induziert, aufgrund einer Änderung des elektrischen Stromes und damit des magnetischen Feldes, eine Gegenspannung (Elektromotorische Kraft). Die Gegenspannung wirkt der Stromänderung entgegen. Dabei kann vorteilhaft eine Wirkung von Eigeninduktivität z. B. eine Selbstinduktionsspannung entlang einer Leiterschleife, wenn sich der durchfließende Strom im felderregten Leiter ändert, genutzt werden, um Filterelemente eindeutig erkennbar zu machen. Insbesondere können Zweipole und elektrische Verbraucher, wie Heizer oder Drucksensoren am Filterelement, erkannt werden, indem ein sie durchfließender, zeitlich veränderlicher Strom über deren Klemmen eine zur Änderungsgeschwindigkeit proportionale Spannung hervorruft.
Die elektrische Signaleinrichtung ist bevorzugt auch als Schaltung mit einer Schaltungslogik, also als eine eine Logik abbildende elektronische Schaltung, gestaltet. Eine derartige Schaltungslogik vergrößert die Möglichkeiten einer Kennung von Filterelementen an einem Filtergehäuse über die oben genannte, vergleichsweise einfachen und damit kostengünstigen Möglichkeiten hinaus. Die Schaltungslogik ist vorzugsweise teilweise an dem Filtergehäuse und teilweise an dem zugehörigen Filterelement ausgebildet, so dass sich bei Vorhandensein eines ordnungsgemäßen Filterelements ein Zusammenspiel dieser Teile der Schaltungslogik ergibt.
So kann beispielsweise am wechselbaren Hauptfilter bzw. Hauptfilterelement eine Schaltung mit z.B. einem anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), einem ROM-Speicher und/oder passiven Bauelementen angeordnet sein. Ein z.B. außerhalb der Filtereinrichtung angeordnetes Steuergerät kann somit – neben der Detektion von Widerstandsänderungen durch das Einsetzen des (korrekten) Filterelements – über das Zusammenwirken mit dieser Schaltung erkennen, ob das Filterelement angebracht ist, ob es sich um das korrekte Filterelement handelt und z.B. auch, zu Wartungszwecken, wie lange das Filterelement schon in der Filtereinrichtung verbaut ist.
Mit einem Ankoppeln des Filterelements an das Filtergehäuse sind gemäß den oben genannten Erläuterungen vorteilhaft zugleich ein Schaltkreis der Heizeinrichtung und ein Schaltkreis der Signaleinrichtung geschlossen.
Bei der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung ist ferner vorteilhaft eine Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs der Filtereinrichtung in Abhängigkeit des von der Signaleinrichtung ermittelten Signals vorgesehen. Diese Steuereinrichtung kann insbesondere vorteilhaft ein fehlendes, falsches oder fehlerhaftes Filterelement anzeigen und gegebenenfalls die Filtereinrichtung insgesamt außer Betrieb setzen.
Die Erfindung umfasst ferner auch ein Filterelement für eine solche erfindungsgemäße Filtereinrichtung.
Schließlich betrifft die Erfindung auch speziell eine Verwendung einer derartigen erfindungsgemäßen Filtereinrichtung an einer Kraftstoffversorgungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt einer Filtereinrichtung gemäß dem Stand der Technik mit einem darin vorgesehenen zweiteiligen Filterelement,
2 eine perspektivische Ansicht eines Vorfilters des Filterelements gemäß 1,
3 eine perspektivische Ansicht eines Hauptfilters des Filterelements gemäß 1,
4 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer Filtereinrichtung gemäß der Erfindung mit einem darin vorgesehenen zweiteiligen Filterelement,
5 eine perspektivische Ansicht eines Vorfilters des Filterelements gemäß 4,
6 eine perspektivische Ansicht eines Hauptfilters des Filterelements gemäß 4,
7 einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Filtereinrichtung gemäß der Erfindung mit einem darin vorgesehenen einteiligen Filterelement und
8 eine aufgebrochene, perspektivische Ansicht des Filterelements gemäß 7.
In 1 ist eine Filtereinrichtung 10 zum Filtrieren von Fluid in Form von flüssigem Kraftstoff oder Harnstoff veranschaulicht. Die Filtereinrichtung 10 ist mit einem kreiszylindrischen Gehäusebecher 12 gestaltet, der bezogen auf die 1 untenseitig mit einem Gehäuseboden 14 verschlossen ist. Der Gehäusebecher 12 und der Gehäuseboden 14 bilden zusammen ein Filtergehäuse. An dem Gehäusebecher 12 befindet sich an dessen Oberseite radial außen ein Einlass 16 zum Zuführen eines zu filternden Fluids 18 und in der Mitte ein Auslass 20 zum Abführen eines gefilterten Fluids 22.
Im Innern des Gehäusebechers 12 befindet sich ein patronenförmiger Hauptfilter 24, mit dem aus dem Fluid Partikel abgeschieden werden sollen, um zu verhindern, dass diese beispielsweise nachfolgend an einer Einspritzanlage eines Verbrennungsmotors zu Beeinträchtigungen führen. Der Hauptfilter 24 ist in Richtung seiner Längsachse betrachtet aufeinander folgend mit einem Hauptfilterdeckel 26, einer hohlzylindrischen Hauptfilterpatrone 28 und einem Hauptfilterboden 30 gestaltet. Die Hauptfilterpatrone 28 weist eine mit einem flächigen Filtermedium gebildete und dabei zick-zack-förmig angeordnete Partikelfilterfläche mit einer typischen mittleren Porengröße von kleiner 20 µm auf. Zur Abdichtung der Hauptfilterpatrone 28 innerhalb der Filtereinrichtung 10 nach radial innen und außen befinden sich am Hauptfilterdeckel 26 eine obere äußere Dichtung 32 und eine innere obere Dichtung 34 sowie am Hauptfilterboden 30 eine untere äußere Dichtung 36.
An der oberen äußeren Dichtung 32 und der unteren äußeren Dichtung 36 liegt ein die Hauptfilterpatrone 28 umgebender Vorfilter 40 an. Der Hauptfilter 24 und der Vorfilter 40 bilden zusammen ein in diesem Fall zweiteiliges Filterelement 38.
Der Vorfilter 40 ist hohlzylindrisch mit einem Stützelement 42 ausgebildet, welches für den Vorfilter 40 eine Mantelfläche 44 bildet. Im bezogen auf 1 unteren Bereich der Mantelfläche 44 schließt sich ein nach radial außen ragender Sockelabschnitt 46 an, der mittels einer Dichtung 48 innenseitig am Gehäusebecher 12 abdichtet. Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf die Dichtungen 32 und 48 verzichtet. Dabei kann vorteilhaft mit der unteren äußeren Dichtung 36 bis an den Gehäusebecher 12 abgedichtet werden. Ferner kann in einer vereinfachten Ausführungsform nur der Hauptteil des zu filternden Fluids 18 von dem Einlass 16 zum Vorfilter 40 gelenkt werden, während ein anderer Teilstrom direkt zum Hauptfilter 24 strömt.
In der flächigen Gestalt der Mantelfläche 44 befindet sich als Teil einer elektrischen Heizeinrichtung eine Heizbahn 50 (siehe 2). Die Heizbahn 50 ist mittels eines schleifenförmigen Stanzgitters gebildet, das in dem Stützelement 42 eingespritzt ist. Dabei ragen zwei elektrische Kontakte 52, die als Heizbahnkontakte fungieren am oberen Ende des Vorfilters 40 heraus. Die als Heizbahnkontakte fungierenden elektrischen Kontakte 52 sind durch den Gehäusebecher 12 hinausgeführt und können dort an Kontaktfahnen 54 von außen elektrisch kontaktiert werden, um der Heizbahn 50 elektrischen Strom zuzuführen und diese dadurch aufzuheizen. Im Bereich der Heizbahn 50 können optional Fenster 55 vorgesehen sein (siehe 2), so dass an diesen Fenstern 55 die Heizbahn 50 unmittelbar von zu filterndem Fluid 18 umspült werden kann. Ferner kann bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel das hohlzylindrische Stützelement 42 zur Versteifung mit einem in axialer Richtung mittigen, dort an dessen Umfang umlaufenden Steg versehen sein.
Zwischen derartig im Stützelement 42 verlegten, in Längsrichtung des Vorfilters 40 ausgerichteten Schleifenabschnitten der Heizbahn 50 befinden sich optional in der Mantelfläche 44 des Vorfilters 40 längliche, ebenfalls in dessen Längsrichtung ausgerichtete, ebenfalls mit einem Filtermedium gebildete, Vorfilterflächen 56. Die Vorfilterflächen 56 sind dazu vorgesehen, Sulzkerne, Flocken und Parafine zurückzuhalten, die bei tiefen Temperaturen im Kraftstoff vorzufinden sind. Diese Stoffe werden dabei dort zurückgehalten, wo sich auch die Heizbahn 50 befindet. Die Heizbahn 50 erwärmt gezielt die derart zurückgehaltenen Kerne im zu filternden Fluid 18. Diese Kerne lösen sich dadurch auf und strömen durch den Vorfilter 40 hindurch zum Hauptfilter 24. Alternativ kann das Stützelement 42 auch ohne Vorfilterflächen 56 gestaltet sein, so dass es nur als Heizeinrichtung, nicht aber als Vorfilter wirkt.
Die Vorfilterflächen 56 sind bei dem Vorfilter 40 gemäß 2 als separates Bauteil gestaltet, welches an seinem Rand in das Stützelement 42 eingespritzt und auf diese Weise darin ortsfest gehalten ist. Die einzelne Vorfilterfläche 56 ist dabei aus einem kraftstoffbeständigen Kunststoff, insbesondere aus PA66, oder mit Schichten aus Cellulose und Meltblown hergestellt. Die mittlere Porengröße beträgt 30 µm bis 100 µm. Mit dieser Porengröße werden gezielt Paraffine am Vorfilter 40 zurückgehalten, während andere Partikel vergleichsweise ungehindert durchtreten können.
Im Zentrum der Hauptfilterpatrone 28 befindet sich optional innerhalb der oberen inneren Dichtung 34 ein patronenförmiger Wasserabscheider 58 (siehe 1). An dem Wasserabscheider 58 werden feine und feinste Wassertröpfchen, die in dem gefilterten Fluid 22 enthalten sind, zu größeren Tröpfchen zusammengeführt. Die Tröpfchen werden an der Wandung des Wasserabscheiders 58 abgeschieden und strömen insbesondere durch ihre eigene Gewichtskraft nach unten in einen Wassersammelraum 60 ab. Von dort aus können sie im Bedarfsfall über eine am unteren Ende des Gehäusebodens 14 angeordnete Wasserabführung 62 aus der Filtereinrichtung 10 nach außen abgeführt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 4 bis 6 ist bei dem derartigen, hohlzylindrischen Vorfilter 40 an dessen Innenseite am oberen und unteren Rand jeweils eine kreisförmige Leiterbahn 64 ausgebildet. Diese Leiterbahnen 64 umlaufen die Innenseite des Vorfilters 40, bevorzugt als geschlossene Leiterbahn, und erstrecken sich damit konzentrisch zum Zentrum des Vorfilters 40.
Die Leiterbahnen 64 stellen jeweils eine Kontaktfläche bereit, an der eine am oberen Randbereich der zugehörigen Hauptfilterpatrone 28 und eine am unteren Randbereich der Hauptfilterpatrone 28 angeordnete Kontaktfahne 66 zum Anliegen kommt, wenn der Hauptfilter 24 ordnungsgemäß in das Filtergehäuse und den dortigen Vorfilter 40 eingesetzt ist. Die Kontaktfahnen 66 stellen eine elektrischen Strom leitende Verbindung zu dem Filtermedium der Hauptfilterpatrone 28 her, wobei dieses Filtermedium selbst stromleitend und mit einem vorbestimmten Widerstand gestaltet ist. Dazu ist dem Material des Filtermediums insbesondere ein Graphitstaub zugesetzt, der als solcher elektrischen Strom leitet. Ferner können vorteilhaft die Kontaktflächen der Leiterbahnen 64 und/oder der Kontaktfahnen 66 mit einem signifikanten Kontaktwiderstand gestaltet sein. Dieser Kontaktwiderstand ist mittels einer Oberflächenbehandlung von mindestens einer der Kontaktflächen geschaffen. Dazu ist insbesondere diese Kontaktfläche mit besonderer Rauheit, besonderer Ebenheit, einem Belag mit besonderer elektrischer Leitfähigkeit oder einer gezielt ausgebildeten Oxidschicht versehen. Ein derartiger Belag dieser Kontaktfläche (z.B. eine SiN-Schicht oder eine Oxidschicht) ist beispielsweise gezielt durch ein Sputterverfahren oder einen CVD-Prozess in einer wohldefinierten Dicke aufbringbar. Die Dicke einer derartigen Schicht liegt beispielsweise in einem Bereich von 50 nm (Nanometer) bis 500 µm (Mikrometer), bevorzugt in einem Bereich von 100 nm bis 10 µm. Alternativ zu mindestens einer der Kontaktfahnen 66 kann eine Induktionsspule vorgesehen sein.
Die Heizbahn 50 des Ausführungsbeispiels gemäß den 4 bis 6 ist ebenfalls mit den kreisförmigen Leiterbahnen 64 an Kontaktbereichen 67 in stromleitendem Kontakt (siehe 5), und zwar derart, dass der Stromfluss durch die Heizbahn 50 weiter durch das Filtermedium der Hauptfilterpatrone 28 entlang eines stromleitenden Weges 68 geleitet wird.
Die Heizbahn 50 und mit ihr die zugehörige Heizeinrichtung sind auf diese Weise ein Bestandteil einer Signaleinrichtung zum Erkennen des Vorhandenseins eines vorschriftsmäßigen Filterelements. Mit anderen Worten bildet die Heizeinrichtung eine elektrische Baueinheit mit dieser Signaleinrichtung. Diese Signaleinrichtung umfasst ferner als Signalübergabe zwischen dem Filtergehäuse und dem Filterelement die Leiterbahnen 64 sowie die Kontaktfahnen 66. Darüber hinaus umfasst die Signaleinrichtung den stromleitenden Weg 68 durch das Filtermedium der Hauptfilterpatrone 28 sowie eine Steuereinrichtung 70.
Dieser stromleitende Weg 68 kann beispielsweise durch eine Beschichtung des Filtermediums des Hauptfilters 24 mit elektrisch leitfähigem Material, z.B. Metall realisiert werden. Auch eine Ausbildung des Filtermediums als intrinsisch elektrisch leitfähiges Material (z.B. durch Beimischung von leitfähigen Kohlenstofffasern, Graphit, Metallpartikeln) oder das Einweben von stromleitfähigen Leiterbahnen (z.B. in das Filtervlies eingewebte Metallfäden, wie die Sicherheitsfäden bei Geldscheinen) in das Filtermedium sind denkbare Ausgestaltungsformen.
Die Steuereinrichtung 70 umfasst eine Schaltungslogik 72, mittels der die Heizbahn 50 betrieben und zusätzlich anhand des Widerstands des genannten Leitungsweges (inklusive des stromleitenden Weges 68) sowie insbesondere auch dessen Konduktivität und/oder Induktivität erkannt werden kann, ob der ordnungsgemäße Vorfilter 40 sowie der ordnungsgemäße Hauptfilter 24 in der Filtereinrichtung 10 verbaut sind. Dabei berücksichtigt die Schaltungslogik 72 insbesondere den elektrischen Leitwiderstand der Heizbahn 50 sowie den elektrischen Leitwiderstand des stromleitenden Weges 68 und vorzugsweise auch dessen Veränderung während des Betriebs der Filtereinrichtung 10. So kann die Steuereinrichtung 70 insbesondere mittels eines Stromimpulses (vorzugsweise eines Gleichstromimpulses) eine Veränderung des an den Kontaktflächen der Leiterbahnen 64 und/oder der Kontaktfahnen 66 (mittels der dortigen Oxidschicht) vorgesehenen Kontaktwiderstands hervorrufen. Insbesondere verringert sich dabei die Dicke der Oxidschicht, was dann zu einer messbaren Änderung des Kontaktwiderstands führt (der Kontaktwiderstand verringert sich insbesondere auf einen Wert in der Größenordnung Im Bereich von ca. 0,1 Ohm bis ca. 100 Ohm). Indem die Steuereinrichtung 70 die gemessene Änderung des Kontaktwiderstands insbesondere mittels eines dort hinterlegten Kennfeldes vergleicht, kann dann ein vorschriftsmäßiges Filterelement von einem nicht vorschriftsmäßigen Filterelement unterschieden werden.
In den 7 und 8 ist ein Ausführungsbeispiel einer Filtereinrichtung 10 dargestellt, bei der aus einem Vorfilter 40 und einem Hauptfilter 24 ein einteiliges bzw. einstückiges Filterelement 74 gebildet ist. Dabei entfallen insbesondere die Dichtungen 32 und 36, wie sie in 1 und 4 zu sehen sind.
An diesem einteiligen Filterelement 74 sind an dessen Hauptfilterdeckel 26 zwei dazu konzentrische, kreisförmige Leiterbahnen 64 ausgebildet. Eine der Leiterbahnen 64 befindet sich radial außen, die andere Leiterbahn 64 radial innen. Mit diesen Leiterbahnen 64 wirken als Signalübergabe zwei Heizbahnkontakte 52 mit zugehörigen Kontaktfahnen 54 zusammen, die sich entsprechend radial außen und radial innen an der Stirnseite des Gehäusebechers 12 befinden. Auch an diesen Kontaktfahnen 54 können Kontaktflächen mit einem signifikanten Kontaktwiderstand ausgebildet sein. Alternativ zu den Kontaktfahnen 54 kann auch hier zumindest eine Induktionsspule vorgesehen sein.
Die zugehörige Heizbahn 50 des Vorfilters 40 ist an einem Ende in einem ersten Kontaktbereich 76 mit der radial äußeren Leiterbahn 64 stromleitend gekoppelt. Das andere Ende der Heizbahn 50 ist in einem zweiten Kontaktbereich 78 mit dem Filtermedium der Hauptfilterpatrone 28 stromleitend gekoppelt. Das Filtermedium ist dabei wiederum stromleitend mit einem vorbestimmten, elektrischen Leitwiderstand gestaltet. An einem radial inneren, dritten Kontaktbereich 80 des Filtermediums ist dieses dann mit der radial inneren Leiterbahn 64 stromleitend verbunden, wobei sich zwischen dem zweiten Kontaktbereich 78 und dem dritten Kontaktbereich 80 so ein stromleitender Weg 68 durch das Filtermedium ergibt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Vorfilterflächen 56 nicht aus einem Material mit einem vorbestimmten, elektrischen Leitwiderstand. Dennoch ist es möglich, dass auch für den Vorfilter 40 ein stromleitender Weg durch dessen Vorfilterflächen 56 in Entsprechung zum stromleitenden Weg 68 vorgesehen ist.
Beispielsweise kann der Vorfilter wenigstens bereichsweise aus elektrisch leitfähigem Kunststoff ausgebildet sein, z.B. aus PA66 mit einer Beimischung von Kohlenstofffasern, Leitruß, Graphit, Metallpartikeln oder ähnlichem elektrisch leitfähigem Material.
Entsprechend ist es mit der wiederum an den Kontaktfahnen 54 angeschlossenen Steuereinrichtung 70 und deren Schaltungslogik 72 möglich, zu erkennen, ob dieser Leitungsweg zwischen den Kontaktfahnen 54 geschlossen ist und insbesondere in allen Betriebszuständen einen bestimmten Widerstand, eine bestimmte Konduktivität und/oder eine bestimmte Induktivität aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 60512 [0007]

Claims

Filtereinrichtung (10) zum Filtern eines Fluids, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Filtergehäuse (12, 14) und einem daran anzukoppelnden Filterelement (24, 40), bei der eine elektrische Signaleinrichtung (64, 66, 68, 70, 72) zum Erkennen des Vorhandenseins eines vorschriftsmäßigen Filterelements vorgesehen ist, die als Schaltung mit einem bestimmten Widerstand gestaltet ist und einen elektrischen Signalübergang zwischen Filtergehäuse (12, 14) und Filterelement (24, 40) mit mindestens einem Kontakt (52, 64, 66) aufweist, wobei der bestimmte Widerstand von einem elektrischen Leitwiderstand des mindestens einen elektrischen Kontaktes (52, 64, 66) selbst bestimmt ist.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1, bei der der mindestens eine elektrische Kontakt (52, 64, 66) mit einer ersten Kontaktfläche (64) und einer zweiten Kontaktfläche (52, 66) gestaltet ist, wobei die zweite Kontaktfläche (52, 66) an der ersten Kontaktfläche (64) mit einer vordefinierten Kraft federnd vorgespannt kontaktierend anzulegen ist.
Filtereinrichtung nach Anspruch 2, bei der mindestens eine der Kontaktflächen (52, 64, 66) mit einer gezielt ausgebildeten Fremdschicht gestaltet ist.
Filtereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der eine der beiden Kontaktflächen (52, 64, 66) mit einer zumindest abschnittsweise kreisförmigen Leiterbahn (64) gestaltet ist.
Filtereinrichtung nach Anspruch 4, bei der das Filterelement (24, 40) mittels einer Drehbewegung an dem Filtergehäuse anzukoppeln ist und sich die zumindest abschnittsweise kreisförmige Leiterbahn (64) konzentrisch zur Drehbewegung erstreckt.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die elektrische Signaleinrichtung (64, 66, 68, 70, 72) zum Erkennen des Vorhandenseins eines vorschriftsmäßigen Filterelements (24, 40) mit einem Wassersensor zum Erkennen von in der Filtereinrichtung (10) zurückgehaltenem Wasser zu einer elektrischen Baueinheit zusammengefasst ist.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die elektrische Signaleinrichtung (64, 66, 68, 70, 72) zum Erkennen des Vorhandenseins eines vorschriftsmäßigen Filterelements (24, 40) mit einer Heizeinrichtung (50, 52) zum Heizen von in der Filtereinrichtung (10) zu filterndem Fluid zu einer elektrischen Baueinheit zusammengefasst ist.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die elektrische Signaleinrichtung (64, 66, 68, 70, 72) als Schaltung mit einer bestimmten Konduktivität und/oder mit einer bestimmten Induktivität gestaltet ist.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die elektrische Signaleinrichtung (64, 66, 68, 70, 72) als Schaltung mit einer Schaltungslogik (72) gestaltet ist.
Verwendung einer Filtereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 an einer Kraftstoffversorgungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs.