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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung zur Filtration wasserhaltiger Flüssigkeit, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Wassereinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einer solchen Filtereinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Filtereinrichtung.
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Aus der
WO 2016/046256 A1 ist eine gattungsgemäße Filtereinrichtung zum Filtrieren einer wasserhaltigen Flüssigkeit bekannt, welche ein Filterelement mit einem Filtermaterial aufweist. Die Flüssigkeit ist dabei zumindest teilweise, insbesondere sogar vollständig, aus dem Filterelement abpumpbar, ohne dass es das Filtermaterial passiert, so dass aus dem Medium gefilterter Schmutz nicht aus dem Filtermaterial gelöst und mit abgepumpt wird. Hierzu ist im Filterelement ein Rückschlagelement vorgesehen, das einen Fluss der Flüssigkeit von der Rohseite zur Reinseite des Filters blockiert, einen Fluss von der Reinseite zur Rohseite jedoch ermöglicht.
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Besonders bei Filtereinrichtungen mit wasserhaltigen Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, kann es bei niedrigen Außentemperaturen zu einer Eisbildung und damit verbunden zu sehr hohen Kräften kommen, wofür entsprechende Ausgleichsfunktionen vorgehalten werden müssen. Eine derartige Ausgleichsfunktion kann beispielsweise in der Form eines Luftpolsters vorgesehen werden, welches ein entsprechendes Ausgleichsvolumen darstellt. Im Betrieb der Filtereinrichtungen sind diese sowie sämtliche flüssigkeitsführende Pfade üblicherweise entlüftet, weshalb nach dem Abstellen beispielsweise einer Brennkraftmaschine mit einer Wassereinspritzeinrichtung mit einer solchen Filtereinrichtung eine zum Ausgleich einer Eisbildung erforderliche Luftmenge in der Filtereinrichtung fehlt. Die fehlende Luftmenge kann dabei über eine entsprechende Steuerung erfasst und eingestellt werden. Eine derartige Steuerung ist jedoch nicht gänzlich fehlerunanfällig und zudem vergleichsweise teuer.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Filtereinrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere ein bei einer Eisbildung erforderliches Luftausgleichsvolumen selbsttätig und insbesondere auch ohne Steuerungsaufwand einstellt und bereithält.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein einfaches Ventilsystem vorzusehen, welches im Betrieb einer Filtereinrichtung einen entlüfteten Betrieb derselben ermöglicht und bei einem Abschalten einer Wassereinspritzeinrichtung mit einer solchen Filtereinrichtung bzw. generell bei einem Deaktivieren der Filtereinrichtung selbsttätig und ohne externen Steuerungsaufwand ein entsprechendes Luftvolumen in der Filtereinrichtung bereitstellt, welches zum Ausgleich einer Volumenzunahme des gefrierenden Wassers durch Eisbildung dient und dadurch eine Beschädigung der Filtereinrichtung durch eine Eisbildung verhindert. Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung zur Filtration wasserhaltiger Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser oder Harnstofflösung, weist ein Filtergehäuse mit einem Filterraum auf, in dem ein Filterelement, insbesondere ein Ringfilterelement, angeordnet ist. In den Filterraum führen ein Zulauf sowie ein Ablauf für die Flüssigkeit. Ebenfalls vorgesehen ist eine Luftkammer, welche oberhalb des Filterraums angeordnet und über ein von der Umgebung zur Luftkammer durchgängiges erstes Rückschlagventil mit der Umgebung verbunden ist. Darüber hinaus ist die Luftkammer über ein in den Filterraum durchgängiges zweites Rückschlagventil mit dem Filterraum verbunden. Das zweite Rückschlagventil ist somit in einer Trennwand zwischen der Luftkammer und dem Filterraum angeordnet, während das erste Rückschlagventil in einer die Luftkammer zur Umgebung begrenzenden Wand angeordnet ist. Des Weiteren vorgesehen ist eine Unterdruckkammer, die über ein Druckübertragungselement mit der Luftkammer verbunden ist. Erfindungsgemäß funktioniert nun die Filtereinrichtung wie folgt: Während des Betriebs der Filtereinrichtung, das heißt bei einer Filtration der wasserhaltigen Flüssigkeit, wird beispielsweise über eine Pumpe in der Unterdruckkammer ein Unterdruck erzeugt, die den Unterdruck über das vorgenannte Druckübertragungselement in die Luftkammer überträgt. Hierdurch wird in der Luftkammer das zweite Rückschlagventil zum Filterraum geschlossen und das erste Rückschlagventil zur Umgebung geöffnet, so dass aufgrund des Unterdrucks Luft aus der Umgebung in die Luftkammer angesaugt wird. Gleichzeitig herrscht im Betrieb der Filtereinrichtung im Filterraum ein Flüssigkeitsdruck, der das zweite Rückschlagventil ebenfalls in seiner Schließstellung fixiert. Werden nun die Filtereinrichtung und die Unterdruckpumpe abgeschaltet und dadurch der Druck in der Unterdruckkammer erhöht, erhöht sich über das Druckübertragungselement auch der Druck in der Luftkammer, woraufhin das zur Umgebung führende erste Rückschlagventil schließt und das zur Filterkammer führende zweite Rückschlagventil öffnet. Hierdurch wird Luft über das zweite Rückschlagventil in den Filterraum der Filtereinrichtung gedrückt und sorgt dort für ein eine mögliche Eisbildung kompensierendes Luftpolster.
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Der während des Betriebs in der Unterdruckkammer erforderliche Unterdruck kann beispielsweise über eine elektrische Pumpe oder eine Strahlpumpe, beispielsweise nach dem Bernoulli-Prinzip arbeitend, erzeugt werden. Wird die Filtereinrichtung wieder in Betrieb genommen, wird die im Filterraum vorhandene Luft über den Ablauf abgeführt und beispielsweise über einen nachfolgenden Luftabscheider abgeschieden, so dass die Filtereinrichtung wieder entlüftet und damit mit hoher Wirkung betrieben werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung ist es somit möglich, diese im Betrieb im Filterraum ohne Luft mit Flüssigkeit zu durchströmen und dadurch die gesamte Filterfläche auszunutzen, während der im Betrieb der Filtereinrichtung in der Unterdruckkammer erzeugte Unterdruck in der Luftkammer ebenfalls einen Unterdruck erzeugt und dadurch Luft von der Umgebung in die Luftkammer ansaugt. Beim Abschalten der Filtereinrichtung, welche mit dem Abschalten der Unterdruckpumpe einhergeht, bewirkt das vorgespannte Druckübertragungselement aufgrund des nun fehlenden Unterdrucks in der Unterdruckkammer eine Drucksteigerung in der Luftkammer, was zu einem Schließen des ersten Rückschlagventils und zu einem Öffnen des zweiten Rückschlagventils führt und dadurch Luft in den Filterraum drückt. Zumindest eines der beiden Rückschlagventile kann dabei als einfaches federbelastetes Pilzkopfventil ausgebildet sein. Von großem Vorteil ist dabei, dass Steuerelemente bzw. eine elektronische Steuerung komplett entbehrlich sind, so dass die erfindungsgemäße Filtereinrichtung das Risiko einer Beschädigung durch Eisbildung zuverlässig ausschließt, ohne auf derartige kostenintensive und konstruktiv aufwendige elektronische Steuerelemente zurückgreifen zu müssen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Druckübertragungselement eine Membran. Derartige Membrane können kostengünstig, langlebig und konstruktiv einfach hergestellt und eingesetzt werden, wobei durch eine entsprechende Ausbildung der Membran Einfluss auf in der Luftkammer herrschende Druckverhältnisse genommen werden kann. Rein theoretisch ist dabei auch denkbar, dass eine derartige Membran federunterstützt ist, um die vergleichsweise geringen Rückstellkräfte der Membran verstärken zu können. Rein theoretisch können selbstverständlich auch mehrere kleine Membranen vorgesehen sein.
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Alternativ hierzu ist auch denkbar, dass das Druckübertragungselement ein Kolben ist oder einen solchen Kolben aufweist. Über einen derartigen federbeaufschlagten Kolben ist ebenfalls durch eine entsprechende Feder das in der Luftkammer gewünschte Druckniveau vergleichsweise einfach einstellbar. Hierbei können insbesondere kostengünstige und fertigungstechnisch einfach herzustellende Schraubenfedern oder Plattfedern zum Einsatz kommen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Unterdruckpumpe zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Unterdruckkammer vorgesehen. Eine derartige Unterdruckpumpe erzeugt im Betrieb der Filtereinrichtung in der Unterdruckkammer einen vordefinierten Unterdruck, der über das Druckübertragungselement einen entsprechenden Unterdruck in der Luftkammer erzeugt, der wiederum zu einem Öffnen des ersten Rückschlagventils, einem Ansaugen von Luft über das erste Rückschlagventil in die Luftkammer und damit zu einem Druckausgleich in der Luftkammer führt. Eine derartige Unterdruckpumpe kann beispielsweise eine elektrische Pumpe oder eine Wasserstrahlpumpe sein, die insbesondere nach dem Bernoulli-Prinzip, in der Art einer Venturidüse, ausgebildet ist. Besonders eine nach dem Venturi-Prinzip bzw. Bernoulli-Prinzip arbeitende Unterdruckpumpe erfordert keine weitere Steuerung bzw. insbesondere auch keine elektrische Leitungen und ist dadurch vergleichsweise kostengünstig herstellbar. Ein den erforderlichen Unterdruck in der Unterdruckkammer erzeugender Luft-/Flüssigkeitsstrahl kann dabei an anderer Stelle in einem Kraftfahrzeug entnommen werden.
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Zweckmäßig ist die Filtereinrichtung als Wasserfilter ausgebildet. Ein derartiger Wasserfilter kann beispielsweise bei einer Wassereinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Wassereinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einer solchen Filtereinrichtung auszustatten, wodurch die zuvor beschriebenen Vorteile der Filtereinrichtung auf die Wassereinspritzeinrichtung übertragbar sind. Insbesondere kann mit der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung ein temperaturunabhängiger zuverlässiger Betrieb der Wassereinspritzeinrichtung gewährleistet werden, insbesondere auch ohne Risiko einer Beschädigung durch Eisbildung.
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Zweckmäßig ist stromab der Filtereinrichtung eine Luftaustragseinrichtung, insbesondere ein Siphon, angeordnet. Über eine derartige Luftaustragseinrichtung kann bei einem Wiederanlassen der Brennkraftmaschine und einer Wiederinbetriebnahme der Filtereinrichtung die zuvor aus der Luftkammer in den Filterraum eingeströmte Luft aus der gefilterten Flüssigkeit entfernt werden. Hierdurch ist ein entlüfteter Betrieb der Filtereinrichtung möglich.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zum Betrieb einer zuvor beschriebenen Filtereinrichtung anzugeben, bei dem zunächst während des Betriebs der Filtereinrichtung in der Unterdruckkammer, beispielsweise über eine Unterdruckpumpe, ein Unterdruck erzeugt und über das Druckübertragungselement in die Luftkammer übertragen wird. In der Luftkammer wird aufgrund des Unterdrucks das zweite Rückschlagventil zwischen dem Filterraum und der Luftkammer geschlossen und das erste Rückschlagventil zwischen der Umgebung und der Luftkammer geöffnet, wodurch Luft aus der Umgebung in die Luftkammer eingesaugt wird. Nach dem Abstellen der Filtereinrichtung, beispielsweise nach dem Abstellen einer Brennkraftmaschine mit einer Wassereinspritzeinrichtung mit einer solchen Filtereinrichtung, und einem damit verbundenen Druckanstieg in der Unterdruckkammer, wird über das Druckübertragungselement auch ein Druckanstieg in die Luftkammer übertragen. Aufgrund des Druckanstiegs in der Luftkammer schließt das erste Rückschlagventil zwischen der Umgebung und der Luftkammer, während das zweite Rückschlagventil zwischen der Luftkammer und dem Filterraum öffnet und dadurch Luft aus der Luftkammer in den Filterraum gedrückt wird, wo es als Luftpolster zum Ausgleich einer Volumenzunahme beim Gefrieren der wasserhaltigen Flüssigkeit dienen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung kann diese somit während des Betriebs entlüftet und damit mit hoher Filtrationswirkung betrieben werden, während bei einem Abstellen der Filtereinrichtung, das heißt bei einem Stopp einer Durchströmung derselben mit wasserhaltiger Flüssigkeit konstruktiv einfach, kostengünstig und unmittelbar ein Luftpolster in dem Filterraum zur Verfügung gestellt werden kann, das bei einem Gefrieren der wasserhaltigen Flüssigkeit einen Ausgleich des zunehmenden Eisvolumens ermöglicht und dadurch die Gefahr einer Beschädigung der Filtereinrichtung zumindest reduziert.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Filtereinrichtung.
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Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Filtereinrichtung 1 zur Filtration wasserhaltiger Flüssigkeiten 2 ein Filtergehäuse 3 mit einem Filterraum 4 auf, in welchem ein nicht gezeigtes Filterelement angeordnet ist. Das Filtergehäuse 3 besitzt darüber hinaus einen Zulauf 5, über welchen ungefilterte Flüssigkeit 2, beispielsweise Wasser, in das Filtergehäuse 3 geführt wird, sowie einen Ablauf 6, über welchen die gefilterte Flüssigkeit 2 das Filtergehäuse 3 wieder verlässt. Ebenfalls besitzt die erfindungsgemäße Filtereinrichtung 1 eine Luftkammer 7, die benachbart und in diesem Fall oberhalb des Filterraums 4 angeordnet und über ein in die Luftkammer 7 durchgängiges erstes Rückschlagventil 8 mit einer Umgebung 9 verbunden ist. Des Weiteren vorgesehen ist ein zweites Rückschlagventil 10, über welches die Luftkammer 7 mit dem Filterraum 4 verbunden ist und welches von der Luftkammer 7 in den Filterraum durchgängig ist. Die beiden Rückschlagventile 8, 10 sind dabei als federbelastete Pilzkopfventile ausgebildet und dadurch kostengünstig herstellbar aber dennoch höchst zuverlässig. Darüber hinaus besitzt die erfindungsgemäße Filtereinrichtung 1 eine Unterdruckkammer 11, die über ein Druckübertragungselement 12 mit der Luftkammer 7 verbunden ist. Das Druckübertragungselement 12 ist dabei gemäß der 1 als Membran ausgebildet, wobei selbstverständlich auch eine andere Ausbildung, beispielsweise als Kolben oder ähnliches denkbar ist.
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Das zweite Rückschlagventil 10 ist dabei in einer Trennwand zwischen der Luftkammer 7 und dem Filterraum 4 angeordnet, wobei bei der gezeigten Ausführungsform die Luftkammer 7 oberhalb des Filterraums 4 angeordnet ist. Das erste Rückschlagventil 8 ist in einer Außenwand der Luftkammer 7 angeordnet. Oberhalb der Luftkammer 7 wiederum ist die Unterdruckkammer 11 angeordnet, die über einen entsprechenden Anschluss 13 mit einer lediglich angedeuteten Unterdruckpumpe 14, beispielsweise einer elektrischen Pumpe oder einer nach dem Venturi-Prinzip arbeitenden Strahlpumpe verbunden ist.
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Da beispielsweise ein als Membran ausgebildetes Druckübertragungselement 12 lediglich geringe Rückstellkräfte aufweist, kann ein derartiges Druckübertragungselement 12 durch eine Feder 15 beaufschlagt werden, die eine Rückstellkraft unterstützt. Die gemäß der 1 dargestellte Feder 15 ist dabei rein exemplarisch gezeichnet, so dass die Feder 15 keine Schraubenfeder sein muss, sondern generell auch als Blattfeder oder andere Feder ausgebildet sein kann. Mittels einer derartigen Feder 15 lassen sich dabei besonders einfach entsprechende erforderliche Drücke bzw. Rückstellkräfte einstellen.
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Generell kann die Filtereinrichtung 1 Bestandteil einer Wassereinspritzeinrichtung 16 einer Brennkraftmaschine 17 sein, wobei die Wassereinspritzeinrichtung 1 zum Einspritzen von Wasser in eine Ansaugluft oder eine Brennkammer der Brennkraftmaschine 17 ausgebildet sein kann, um eine Kühlung der Ansaugluft zu bewirken und dadurch die Verbrennung zu verbessern und die Leistung der Brennkraftmaschine 17 zu steigern.
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Wie der 1 weiter zu entnehmen ist, besteht das Filtergehäuse 3 der Filtereinrichtung 1 aus zwei Teilen, nämlich einem ersten Teil 18 und einem als Filtergehäusetopf ausgebildeten zweiten Teil 19, die über eine Dichtebene 20 bzw. eine Trennebene 20 miteinander verbunden sind. Im ersten Teil 18 sind dabei ein Teil des Filterraums 4 sowie die Luftkammer 7 und die Unterdruckkammer 11 angeordnet, ebenso wie der Anschluss 13, der Ablauf 6 sowie das erste und zweite Rückschlagventil 8, 10 und das Druckübertragungselement 12. Am zweiten Teil 19 ist der Zulauf 5 angeordnet. Vorzugsweise sind das erste Teil 18 und das zweite Teil 19 jeweils einstückig ausgebildet, insbesondere aus Kunststoff.
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Erfindungsgemäß funktioniert die Filtereinrichtung 1 dabei wie folgt:
- Während des Betriebs der Filtereinrichtung 1 strömt wasserhaltige Flüssigkeit 2 über den Zulauf 5, den Filterraum 4 und den Ablauf 6 durch die Filtereinrichtung 1, wobei im Filterraum 4 ein nicht gezeigtes Filterelement, beispielsweise ein Ringfilterelement, angeordnet ist und eine Filtration der wasserhaltigen Flüssigkeit 2 bewirkt. Während des Betriebs wird gleichzeitig über die Unterdruckpumpe 14 und den Anschluss 13 ein Unterdruck in der Unterdruckkammer 11 erzeugt, welches im gezeichneten Fall zu einem nach oben Ziehen des Druckübertragungselements 12, welches hier als Membran ausgebildet ist, führt. Dies führt zur Übertragung des Unterdrucks in die Luftkammer 7, woraufhin sich das zweite Rückschlagventil 10 zum Filterraum 4 schließt und das erste Rückschlagventil 8 zur Umgebung 9 hin öffnet, so dass Luft von der Umgebung 9 in die Luftkammer 7 strömen kann.
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Wird die Filtereinrichtung 1 abgeschaltet, beispielsweise durch ein Abschalten der Wassereinspritzeinrichtung 16 bzw. der Brennkraftmaschine 17, so wird auch die Unterdruckpumpe 14, welche als einfache Strahlpumpe ausgebildet sein kann, abgeschaltet, woraus ein Druckanstieg in der Unterdruckkammer 11 resultiert, der eine Verstellung des Druckübertragungselements 12, hier der Membran, nach unten bewirkt und den Druck in der Luftkammer 7 erhöht. Der Druckanstieg in der Luftkammer 7 wiederum bewirkt eine Schließen des ersten Rückschlagventils 8 zur Umgebung 9 und ein Öffnen des zweiten Rückschlagventils 10 zum Filterraum 4, so dass Luft aus der Luftkammer 7 in den Filterraum 4 gedrückt wird. Dort bildet sich dann ein entsprechendes Luftpolster, welches bei einem Gefrieren der wasserhaltigen Flüssigkeit 2 aufgrund sehr geringerer Außentemperaturen ein Luftvolumen bildet, das eine Kompensation der durch das Gefrieren der wasserhaltigen Flüssigkeit 2 bedingten Volumenvergrößerung kompensieren kann. Hierdurch wird insbesondere ein Eisdruck bzw. ein Sprengdruck zumindest reduziert, vorzugsweise sogar gänzlich vermieden, wodurch insbesondere auch eine Schädigung der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 1 durch gefrorene Flüssigkeit 2 vermieden werden kann.
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Bei einer Wiederinbetriebnahme der Brennkraftmaschine 17 bzw. der Wassereinspritzeinrichtung 16 und damit auch der Filtereinrichtung 1 wird über die Unterdruckpumpe 14 wieder ein Unterdruck erzeugt, welcher zu einem Unterdruck in der Unterdruckkammer 11 und damit auch einem Unterdruck in der Luftkammer 7 führt, der wiederum zu einem Schließen des zweiten Rückschlagventils 10 zum Filterraum 4 und einem zu einem Öffnen des ersten Rückschlagventils 8 zur Umgebung 9 führt und dadurch wieder Luft aus der Umgebung 9 über das erste Rückschlagventil 8 in die Luftkammer 7 ansaugt. Die noch vorhandene Luft in dem Filterraum 4 wird über den Ablauf 6 abgesaugt und in einem nachfolgenden, Luftabscheider 21 abgeschieden, so dass die Filtereinrichtung 1 im Betrieb entlüftet und damit äußerst effektiv betrieben werden kann.
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Mit der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 1 und dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren ist es erstmals möglich, ohne eine aufwendige und teure Messung bzw. Steuerung eines Luftvolumens in der Filtereinrichtung 1, beispielsweise mittels elektronischer Steuerelemente, einen entlüfteten und damit effektiven Betrieb sowie ein gefahrloses außer Betrieb nehmen der Filtereinrichtung 1 zu gewährleisten, wobei im deaktivierten Zustand zugleich ein eine eventuell frostbedingte bedingte Volumenzunahme der Flüssigkeit 2 kompensierendes Luftpolster im Filterraum 4 bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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