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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Beladung eines Filters der Filtervorrichtung. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.
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Stand der Technik
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Um den Anteil von Stickoxiden im Abgas eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, zu verringern, ist es bekannt, in seinem Abgasstrang einen SCR-Katalysator (selective catalytic reduction) anzuordnen. Dieser reduziert die im Abgas enthaltenen Stickoxide in Gegenwart von Ammoniak als Reduktionsmittel zu Stickstoff. Um Ammoniak bereitzustellen wird stromaufwärts des SCR-Katalysators eine Reduktionsmittellösung in den Abgasstrang eindosiert. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (Harnstoffwasserlösung; HWL) verwendet, die Harnstoff als ammoniakabspaltendes Reagenz enthält. Eine 32,5%ige HWL ist unter der Bezeichnung AdBlue® kommerziell erhältlich.
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Um zu verhindern, dass Feststoffpartikel, die als Verunreinigung in den Reduktionsmitteltank gelangen können, eine zur Förderung der Reduktionsmittellösung verwendete Förderpumpe beschädigen oder ein Dosierventil verstopfen, mit dem die Reduktionsmittellösung in den Abgasstrang eindosiert werden soll, wird in einer Reduktionsmittelleitung zwischen dem Reduktionsmitteltank und der Förderpumpe ein Filter angeordnet.
Wenn der Filter so stark mit Schmutzpartikeln beladen ist, dass er den Strom der Reduktionsmittellösung signifikant behindert, muss er ausgetauscht werden. Hierzu wird auf Basis von Worst-Case-Annahmen ein Filterintervall fest vorgegeben, nach dem ein Austausch des Filters gefordert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Filtervorrichtung, die zum Filtern einer Flüssigkeit geeignet ist, weist ein Filtergehäuse mit einem Einlass und einem Auslass auf. Ein Filter ist so in einem Innenraum des Filtergehäuses angeordnet, dass er diesen in eine erste Kammer und eine zweite Kammer unterteilt. Die erste Kammer ist fluidisch mit dem Einlass verbunden. Die zweite Kammer ist fluidisch mit dem Auslass verbunden. Dieser auch von herkömmlichen Filtervorrichtungen bekannte Aufbau wird dadurch ergänzt, dass in der ersten Kammer ein Füllstandsensor angeordnet ist. Die Auswertung von Signalen dieses Füllstandsensors ermöglicht die Durchführung eines Verfahrens mit der eine Beladung des Filters der Filtervorrichtung mit Schmutzpartikeln ermittelt werden kann. Damit ist es nicht mehr erforderlich, den Filter innerhalb eines fest vorgegebenen Filterintervalls überwiegend vor Erreichen seiner zulässigen Schmutzbeladung und damit unnötig früh zu wechseln. Stattdessen wird es ermöglicht, den Filter nur noch bedarfsgerecht je nach individueller Schmutzbelastung zu wechseln. Diese Filtervorrichtung kann insbesondere zum Filtern einer HWL verwendet werden.
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Grundsätzlich sind verschiedene Anordnungen des Filters im Innenraum des Filtergehäuses möglich, um die erste Kammer von der zweiten Kammer zu trennen. Es ist allerdings bevorzugt, dass der Filter vertikal in dem Filtergehäuse angeordnet ist, wobei die erste Kammer und die zweite Kammer vertikal aneinandergrenzen. In dieser Anordnung korreliert der Füllstand einer zu filternden Flüssigkeit in der ersten Kammer in Abhängigkeit vom Durchfluss mit der Druckdifferenz zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer. Dies ermöglicht eine besonders einfache Berechnung des Beladungsgrades des Filters. Diese Druckdifferenz wiederum ist vom Beladungsgrad des Filters abhängig. Damit kann über den Füllstandsensor der Beladungsgrad detektiert werden.
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In einer Ausführungsform der Filtervorrichtung ist der Füllstandsensor als kontinuierlicher Füllstandsensor ausgeführt. Damit kann der Verlauf des Anstieges der Flüssigkeit in der Filtervorrichtung verfolgt werden und eine Prognose zum Erreichen einer kritischen Beladung ausgegeben werden.
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In einer anderen Ausführungsform der Filtervorrichtung ist der Füllstandsensor als diskreter Füllstandsensor ausgeführt. Die kann realisiert werden, indem ein einzelner elektrischer Kontakt an einem zuvor bestimmten Füllstand angeordnet wird. Durch vorherige Abstimmung von Materialeigenschaften wie spezifischer Strömungswiderstand, Beladungskapazität und zulässigem maximalem Druckverlust kann eine kritische Beladung ermittelt werden und dort der Kontakt angeordnet werden.
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Grundsätzlich kann der Filter als Wand durch den Innenraum des Filtergehäuses verlaufen, sodass die beiden Kammern vertikal durch den Filter getrennt sind. Um eine möglichst große Fläche des Filters einer zu filternden Flüssigkeit auszusetzen, ist es jedoch bevorzugt, dass dieser zylinderförmig, insbesondere kreiszylinderförmig, ausgeführt ist. Dabei kann der Filter insbesondere auch plissiert sein.
In dieser Ausführungsform der Filtervorrichtung trennt der Filter die beiden Kammern vertikal zylindrisch. Eine Kammer befindet im Inneren des Filterzylinders. Die andere Kammer umschließt den Filterzylinder. Dabei kann die innere oder die äußere Kammer die erste Kammer (Sauberseite) sein. Entscheidend ist, dass der Füllstandsensor in der ersten Kammer angebracht ist.
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Der Auslass ist vorzugsweise fluidisch mit einer Pumpe verbunden. Hierdurch wird eine zu filternde Flüssigkeit gefiltert, bevor sie in die Pumpe oder in nachgelagerte Komponenten gelangt. Die Pumpe bewirkt ein Durchströmen der Filtervorrichtung, indem sie ein Druckgefälle am Filter erzeugt. Dabei wird auch ein Ausgasen von Luft aus der zu filternden Flüssigkeit in der ersten Kammer verursacht.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer Beladung des Filters der Filtervorrichtung wird die Beladung aus einem Signal eines kontinuierlichen Füllstandsensors ermittelt. Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Ansaugen einer Flüssigkeit von der ersten Kammer in die zweite Kammer Luft aus der Flüssigkeit ausgast. Diese sammelt sich in der ersten Kammer und reduziert damit zunächst die nutzbare Filterfläche. Bei einem unbeladenen Filter ist der Strömungswiderstand zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer im Bereich der Flüssigkeit kleiner als in dem Bereich, in dem sich eine Luftblase gebildet hat. Damit wird das durch den Filter zu fördernde Flüssigkeitsvolumen ausschließlich über den mit Flüssigkeit gefüllten Bereich der ersten Kammer nachgezogen. Die Luft bleibt dabei in der ersten Kammer. Durch die aufgrund der Luftblase reduzierte effektive Filterfläche steigt der Strömungswiderstand zwischen erster Kammer und zweiter Kammer in dem Bereich des Filters, der von beiden Kammern aus in Kontakt mit der Flüssigkeit steht, so lange, bis sich ein Gleichgewicht zum Strömungswiderstand im Bereich der Luftblase eingestellt hat.
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Wird der Filter im weiteren Betrieb mit Schmutz beladen, so steigt der Strömungswiderstand in dem von beiden Seiten von der Flüssigkeit kontaktierten Bereich. Damit verschiebt sich das Gleichgewicht dieses Strömungswiderstandes gegenüber dem Gleichgewicht des Strömungswiderstandes im Bereich der Luftblase (in diesem Bereich wird kein Schmutz eingelagert, deshalb bleibt dort der Strömungswiderstand konstant), sodass der Füllstand in der ersten Kammer steigt. Es ist deshalb bevorzugt, dass aus einem steigenden Füllstand in der ersten Kammer auf eine steigende Beladung des Filters geschlossen wird.
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Erreicht der Filter seine maximal zulässige Beladung, so steigt der Strömungswiderstand in dem von beiden Seiten in Kontakt mit der Flüssigkeit stehenden Bereich des Filters auf einen Wert an, der für diese maximale Beladung charakteristisch ist. Dieser Füllstand kann als Schwellenwert hinterlegt werden, der das Erreichen der maximal zulässigen Filterbeladung kennzeichnet. Es ist deshalb bevorzugt, dass eine Meldung ausgegeben wird, wenn der Füllstand in der ersten Kammer einen Schwellenwert überschreitet. Diese Meldung kann beispielsweise als Fehlermeldung an den Fahrer eines Kraftfahrzeugs ausgegeben werden, in dem ein SCR-Katalysatorsystem mit der Filtervorrichtung verbaut ist. Der Fahrer wird auf diese Weise darauf hingewiesen, dass er den Filter in einer Werkstatt austauschen lassen muss oder selbst einen Austausch des Filters vornehmen muss.
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Wenn der Füllstandsensor hingegen ein diskreter Füllstandsensor ist, wird in einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer Beladung des Filters der Filtervorrichtung eine Meldung ausgegeben, wenn der Füllstand in der ersten Kammer den Füllstandsensor erreicht. Dies weist darauf hin, dass der Filter seine maximal zulässige Beladung erreicht hat.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder auf einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
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Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um mittels des Verfahrens eine Beladung des Filters der Filtervorrichtung zu ermitteln.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch ein SCR-Katalysatorsystem, welches eine Filtervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist.
- 2a zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer Filtervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2b zeigt eine schematische Querschnittdarstellung einer Filtervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3a zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer Filtervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3b zeigt eine schematische Querschnittdarstellung einer Filtervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Ein Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs, der in 1 dargestellt ist, weist in seinem Abgasstrang 11 einen SCR-Katalysator 12 auf. Zur Bevorratung einer HWL ist ein Reduktionsmitteltank 13 vorgesehen. Dieser fördert mittels einer Saugleitung 14 die HWL aus dem Reduktionsmitteltank 13. In einer Druckleitung 15 wird die HWL mittels einer Pumpe 16 auf einen Überdruck gebracht, sodass sie bei Öffnen eines Dosierventils 17 stromaufwärts des SCR-Katalysators 12 in den Abgasstrang 11 eingespritzt werden kann. Eine Filtervorrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen dem Reduktionsmitteltank 13 und der Pumpe 16 in der Saugleitung 14 angeordnet. Sie weist einen Füllstandsensor 30 auf, der Signale an ein elektronisches Steuergerät 40 sendet. Dieses elektronische Steuergerät 40 steuert auch die Förderpumpe 16 und das Dosierventil 17.
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In den 2a und 2b ist der Aufbau der Filtervorrichtung 20 in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Sie weist ein im Wesentlichen kreiszylinderförmiges Filtergehäuse 21 auf. Ein Einlass 22, der im unteren Bereich des Filtergehäuses 21 in seine Mantelfläche mündet, verbindet die Filtervorrichtung 20 mit dem Reduktionsmitteltank 13. Ein Auslass 23, der in die Oberseite des Filtergehäuses 21 mündet, verbindet die Filtervorrichtung 20 mit der Pumpe 16. Ein kreiszylinderförmiger Filter 50 mit einem oberen Filterdeckel 51 und einem unteren Filterdeckel 52 ist in dem Filtergehäuse 21 angeordnet. Der obere Filterdeckel 51 ist gegenüber der inneren Mantelfläche des Filtergehäuses 21 mit einer ersten Dichtung 53 abgedichtet, die ringförmig um den oberen Filterdeckel 51 umläuft. Der untere Filterdeckel 52 ist gegenüber der inneren Mantelfläche des Filtergehäuses 21 mittels einer zweiten Dichtung 54 abgedichtet, die ringförmig um den unteren Filterdeckel 52 umläuft. Der Filter 50 unterteilt den Innenraum der Filtervorrichtung 20 auf diese Weise in eine erste Kammer 24 und in eine zweite Kammer 25. Die erste Kammer 24 wird nach außen durch das Filtergehäuse 21 und nach innen durch den Filter 50 begrenzt. Sie läuft ringförmig um den Filter 50 um. Die erste Kammer 24 ist mit dem Einlass 22 verbunden. Der Füllstandsensor 30 ist so in dem Filtergehäuse 21 angeordnet, dass er in die erste Kammer 24 hineinragt. Die zweite Kammer 25 wird vertikal durch den Filter 50 und horizontal durch die Filterdeckel 51, 52 begrenzt. Dabei weist der obere Filterdeckel 51 eine Öffnung auf, sodass die zweite Kammer 25 mit dem Auslass 23 verbunden ist.
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In den 3a und 3b ist der Aufbau der Filtervorrichtung 20 in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Sie weist ebenfalls ein im Wesentlichen kreiszylinderförmiges Filtergehäuse 21 auf. Ein Einlass 22, der in die Unterseite des Filtergehäuses 21 mündet, verbindet die Filtervorrichtung 20 mit dem Reduktionsmitteltank 13. Ein Auslass 23, der im oberen Bereich des Filtergehäuses 21 in seine Mantelfläche mündet, verbindet die Filtervorrichtung 20 mit der Pumpe 16. Ein kreiszylinderförmiger Filter 50 mit einem oberen Filterdeckel 51 und einem unteren Filterdeckel 52 ist in dem Filtergehäuse 21 angeordnet. Der obere Filterdeckel 51 ist gegenüber der inneren Mantelfläche des Filtergehäuses 21 mit einer ersten Dichtung 53 abgedichtet, die ringförmig um den oberen Filterdeckel 51 umläuft. Der untere Filterdeckel 52 ist gegenüber der inneren Mantelfläche des Filtergehäuses 21 mittels einer zweiten Dichtung 54 abgedichtet, die ringförmig um den unteren Filterdeckel 52 umläuft. Der Filter 50 unterteilt den Innenraum der Filtervorrichtung 20 auf diese Weise in eine erste Kammer 24 und in eine zweite Kammer 25. Die erste Kammer 24 wird vertikal durch den Filter 50 und horizontal durch die Filterdeckel 51, 52 begrenzt. Dabei weist der untere Filterdeckel 52 eine Öffnung auf, sodass die erste Kammer 24 mit dem Einlass 22 verbunden ist. Der Füllstandsensor 30 ist so in dem Filtergehäuse 21 angeordnet, dass er in die erste Kammer 24 hineinragt. Die zweite Kammer 25 wird nach außen durch das Filtergehäuse 21 und nach innen durch den Filter 50 begrenzt. Sie läuft ringförmig um den Filter 50 um. Die zweite Kammer 25 ist mit dem Auslass 22 verbunden.
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Wenn die Pumpe 16 eingeschaltet wird, erzeugt sie in der zweiten Kammer 25 einen Unterdruck gegenüber der ersten Kammer 24. Dadurch wird HWL aus dem Reduktionsmitteltank 13 durch die Saugleitung 14 und den Einlass 22 in die erste Kammer 24 gesaugt. Sie tritt durch den Filter 50 in die zweite Kammer 25 über, füllt diese auf und strömt dann durch den Auslass 23 zur Pumpe 16. In der ersten Kammer 24 stellt sich dabei ein Gleichgewicht zwischen der flüssigen HWL und einer darüber stehenden Luftblase ein. In diesem Gleichgewichtszustand kann ein Füllstand der HWL in der ersten Kammer 24 mittels des Füllstandsensors 30 gemessen werden, wenn dieser als kontinuierlich messender Füllstandsensor ausgeführt ist, und das Füllstandsignal wird an das elektronische Steuergerät 40 weitergemeldet. Aus dem Füllstand kann der Beladungsgrad des Filters 50 berechnet werden. Dabei weist ein steigender Füllstand auf einen steigenden Beladungsgrad des Filters 50 hin. Wenn der Füllstand einen im elektronischen Steuergerät 40 hinterlegten Schwellenwert überschreitet, so wird darauf geschlossen, dass die maximal zulässige Beladung des Filters 50 erreicht wurde. In diesem Fall wird im elektronischen Steuergerät 40 eine Fehlermeldung erzeugt und an den Fahrer des Kraftfahrzeugs ausgegeben.
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Ist der Füllstandsensor 30 hingegen als diskret messender Füllstandsensor ausgeführt, so ist er in beiden Ausführungsbeispielen der Filtervorrichtung 20 als einzelner elektrischer Kontakt an einem zuvor bestimmten Füllstand angeordnet. Durch vorherige Abstimmung von Materialeigenschaften wie spezifischer Strömungswiderstand, Beladungskapazität und zulässigem maximalem Druckverlust des Filters 50 wurde hierzu ein kritischer Füllstand ermittelt, der auf ein Erreichen der maximal zulässigen Beladung des Filters 50 hinweist. Dort wird der Füllstandsensor 30 angeordnet. Erreicht der Füllstand den Füllstandsensor 30, so wird im elektronischen Steuergerät 40 eine Fehlermeldung erzeugt und an den Fahrer des Kraftfahrzeugs ausgegeben.
