WO2016193036A1 - Filtersystem für eine wässrige harnstofflösung - Google Patents

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WO2016193036A1
WO2016193036A1 PCT/EP2016/061562 EP2016061562W WO2016193036A1 WO 2016193036 A1 WO2016193036 A1 WO 2016193036A1 EP 2016061562 W EP2016061562 W EP 2016061562W WO 2016193036 A1 WO2016193036 A1 WO 2016193036A1
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WO
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housing
filter system
switch
filter
urea solution
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PCT/EP2016/061562
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French (fr)
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Christopher Banks
Christian Kocksch
Chung Won Nam
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Mann and Hummel GmbH
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Mann and Hummel GmbH
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Publication date
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion
    • F01N3/206—Adding periodically or continuously substances to exhaust gases for promoting purification, e.g. catalytic material in liquid form, NOx reducing agents
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D35/00—Filtering devices having features not specifically covered by groups B01D24/00 - B01D33/00, or for applications not specifically covered by groups B01D24/00 - B01D33/00; Auxiliary devices for filtration; Filter housing constructions
    • B01D35/18—Heating or cooling the filters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/02—Adding substances to exhaust gases the substance being ammonia or urea
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a filter system for an aqueous urea solution for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine.
  • urea solution To reduce nitrogen oxide emissions in motor vehicles with an internal combustion engine, it is common practice to inject an aqueous urea solution into the exhaust system of the motor vehicle in order to convert nitrogen oxides into nitrogen and water vapor.
  • the aqueous urea solution used becomes viscous at low temperatures and finally freezes at -1 1 ° C. For this reason, urea solution must be heated at low ambient temperatures to ensure their flowability.
  • a heating system for a metering valve in particular for metering a fluid into an exhaust gas line of an internal combustion engine, is known.
  • the heating system comprises at least one heating element which is connected to an electrical energy source.
  • the heating element is designed to heat up fluid in a metering chamber.
  • a bimetallic switch is provided, which is arranged outside of a liquid-filled area of the metering valve in an environment of the metering valve.
  • urea solution filtering systems available on the market typically include control with semiconductor electrical or electronic temperature sensors, such as Peltier elements.
  • the controller is then designed as an electronic circuit.
  • a disadvantage of such combinations of temperature sensor and control are in particular the high cost of the components and their susceptibility.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a filter system for an aqueous urea solution for exhaust aftertreatment, in which a heating element for heating the urea solution in a simple and cost-effective manner depending on the temperature of the urea solution and can be turned off. Disclosure of the invention
  • the filter system according to the invention can be ensured by means of the switching device in a cost effective and reliable manner that the heating element is turned on and the urea solution is heated as soon as the temperature of the urea-substance solution falls below a predetermined switch-on temperature. If the temperature of the urea solution exceeds a predetermined switch-off temperature, the heating element can be switched off by means of the switching device.
  • the switch-on temperature and the switch-off temperature can be the same or different from each other. A switch-on temperature which is lower than the switch-off temperature is advantageous.
  • the switching device is fully integrated in the switch housing.
  • the switching device can be provided inexpensively as a prefabricated component and mounted in a simple manner on the housing.
  • the switch housing is arranged in sections outside the housing.
  • electrical lines can be connected to the outer section of the switch housing in order to electrically connect the switching device to an energy source or the heating element.
  • the projecting into the housing interior measuring extension of the switching housing makes it possible to detect a temperature of the urea solution in the housing interior or measure. Because the measuring extension is arranged at a distance from the heating element, it can be achieved that the urea solution in the interior of the housing is largely, in particular completely, heated above the switch-off temperature when the heating element is switched on.
  • the measuring extension is arranged according to the invention of the heating element as far as possible spaced from the housing of the filter system. This can be avoided that before switching off the heating element, the urea solution is heated only in a near vicinity of the heating element, while the more distant from the heating element urea solution, in particular close a side wall of the housing, has not been sufficiently heated or thawed.
  • a distance of the measuring extension from the heating element is at least three times as large as an inner diameter of an outlet line of the housing of the filter system.
  • the temperature of the urea solution is detected by the arranged in the switch housing temperature-sensitive bimetallic switch of the switching device. This is in thermal communication with the measuring extension of the switch housing.
  • the bimetal switch is advantageously designed to produce an electrical connection of the heating element to a power source when the temperature of the urea solution drops below the switch-on temperature and to interrupt the electrical connection of the heating element to the energy source when the temperature of the urea solution exceeds the switch-off temperature.
  • the heating element preferably extends inside the housing interior.
  • the heating element may be in direct thermal contact with the aqueous urea solution during operation of the heater. In other words, the heating element dips into the urea solution and heats the urea solution directly.
  • the heating element can be designed as a resistance heating element.
  • the heating element can be connected to an electrical system of a motor vehicle with the internal combustion engine, so that the electrical energy for operating the heating element can be provided by a battery or by a generator of the motor vehicle.
  • the measuring extension is at least partially made of a highly thermally conductive material having a thermal conductivity of more than 50 W / (m * K), preferably more than 100 W / (m * K), especially preferably greater than 200 W / (m * K), most preferably greater than 300 W / (m * K).
  • the highly thermally conductive material may advantageously be copper or alternatively aluminum, molybdenum or brass. This makes it possible to detect the (actual) temperature of the urea solution with particular precision and with only a short time latency with the bimetallic switch.
  • the heating element is arranged parallel to the longitudinal axis of the housing, in particular coaxially to the longitudinal axis.
  • the housing may be designed substantially cylindrical.
  • the measuring extension is arranged at a distance from the heating element in the radial direction.
  • the switch housing is preferably arranged on an upper end side of the housing of the filter system. As a result, the switch housing together with the switching device arranged therein can be easily replaced if necessary.
  • the measuring extension can be arranged according to the invention on a side wall of the housing.
  • a particularly large distance between the heating element and the measuring extension can be achieved.
  • the entire urea solution in the housing interior can be reliably heated before the bimetal switch switches off the heating element.
  • the side wall may in particular be a cylinder wall of a substantially cylindrical housing.
  • the measuring extension is arranged in a lateral recess of the side wall of the housing of the filter system.
  • the distance between the heating element can be increased even further.
  • this can be used to reduce or eliminate unwanted interference from the measurement extension to a flow of the aqueous urea solution inside the housing.
  • the lateral depression of the side wall can advantageously be designed as a recess, for example in the manner of a zonewise offset of the side wall towards the outside.
  • the recess can be formed by a partial reduction of a wall thickness of the side wall of the housing.
  • the bimetal switch according to the invention can be designed in particular as a so-called snap-action switch.
  • the bimetal switch preferably has a bimetal element ment, which assumes a first configuration at a temperature below a switch-on, and which assumes a second configuration at a temperature above a switch-off temperature. In the first configuration of the bimetallic element, the heating element is turned on; in the second configuration the heating element is switched off.
  • the bimetallic switch is designed as a snap-action switch, can be achieved in a particularly simple manner that the switch-on temperature is smaller than the switch-off temperature.
  • the jump characteristic is preferably determined by the bimetallic element.
  • the bimetallic element may be designed as a so-called. Snap-action spring element.
  • Such a bimetal switch can perform a particularly large number of switching cycles without being damaged.
  • the jump characteristic of downstream components of the bimetallic switch may be formed, which are articulated by the bimetallic element, ie the downstream components are actuated by the bimetallic element.
  • the bimetallic switch is at least partially disposed within the measuring extension of the switching housing.
  • the bimetallic element of the bimetallic switch can be arranged at least in sections within the measuring extension.
  • the bimetallic element may advantageously be in direct thermal contact with the aforementioned highly thermally conductive material of the measurement extension. The temperature of the urea solution can be detected very precisely in this case. In particular, a delayed switching on or off of the heating element can be avoided.
  • the filter system comprises a filter element for separating impurities contained in the urea solution.
  • Contaminants may in particular be dirt particles but also crystals of frozen urea solution, provided that the urea solution has not been thawed completely by the heating element contrary to expectations.
  • the filter element advantageously in the housing interior of the filter system, preferably interchangeable arranged.
  • the filter element can have a filter element with a filter medium in order to filter impurities contained in the urea solution out of the urea solution.
  • the filter medium can be arranged annularly relative to the longitudinal axis of the housing of the filter system.
  • the filter medium may be formed in the form of a star-shaped folded filter bellows.
  • the filter element or the filter medium is typically arranged sealingly against end faces of the housing interior in the housing interior.
  • the filter medium can be flowed through by the urea solution in a direction radial to the longitudinal axis, preferably from outside to inside.
  • the heating element extends at least partially into the filter element.
  • the heating element can in particular be arranged concentrically to the filter medium.
  • the heating element extends at least over half the length of the filter element, preferably over at least two thirds, more preferably over at least three quarters of the length of the filter element. It is thus possible a uniform and efficient heating of the urea solution or counteracted unwanted blocking of the filter medium.
  • the measuring extension of the switching housing is arranged radially outside the annularly arranged filter medium.
  • This can be realized for example by the above-described arrangement on the side wall or in a lateral recess of the side wall of the housing.
  • This arrangement has the advantage that the measurement extension is as close as possible to the environmental influences (that is, low ambient temperatures occurring), in the region of the raw side, ie. H. in the inflowing fluid and / or in particular in connection with the central arrangement of the heating element can be arranged as far as possible from this. This allows for a more precise measurement.
  • the switch housing of the switching device is preferably designed in a fluid-tightly encapsulated manner and may, for example, have the degree of protection IPX6K, particularly preferably the degree of protection IPX7, very particularly preferably the degree of protection IPX9K according to DIN 40500-9: 1993-05.
  • a penetration of water or the aqueous urea solution to the electrical contacts of the switching device can be counteracted.
  • a compressible volume compensation element can be arranged according to the invention.
  • the volume compensation element comprises an elastomeric body.
  • the switch housing is arranged in a housing opening of the housing of the filter system alone frictionally.
  • an elastic sealing element can be arranged between the switch housing and a wall of the housing opening for this purpose.
  • the switch housing can be screwed or glued into the housing opening. Also, an attachment of the switch housing with a screwed onto the housing Kochsch is conceivable.
  • FIG. 1 shows a filter system according to the invention in a longitudinal section.
  • FIG. 1 shows a filter system 2 for an aqueous urea solution for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine (not shown in the drawing).
  • the filter system 2 comprises a housing 4 with a housing interior 6 for receiving the Urea solution (not shown).
  • a heating element 8 is arranged on the housing 4.
  • the heating element 8 extends into the housing interior 6.
  • an electrical switching device 10 is arranged on the housing 4.
  • the switching device 10 has a switch housing 12 with a measuring extension 14.
  • the switching device 10 is used to turn on and off the heating element 8 in response to a respective temperature of the urea solution in the housing interior 6.
  • the switching device 10 is connected via an electrical line 1 6 to the heating element 8.
  • the switch housing 12 of the switching device 10 together with a connection for the line 1 6 is designed here as a fluid-tight encapsulated unit.
  • a bimetal switch 18 is arranged in the switch housing 12 of the switching device 10.
  • the bimetallic switch 18 extends here into the measuring extension 14 of the switch housing 12.
  • the bimetal switch 18 is in direct thermal contact with the measuring extension 14.
  • a thermal paste or the like can be applied to a contact surface between the measuring extension 14 and the bimetallic switch 18.
  • the measuring extension 14 is made of a highly thermally conductive material, here copper, with a thermal conductivity of more than 200 W / (m * K).
  • the bimetallic switch 18 is designed here as a so-called snap-action switch. If the temperature of the urea solution falls below a switch-on temperature or exceeds a switch-off temperature, the bimetallic switch 18 abruptly jumps to a position that releases or interrupts the flow of current through the line 16 to the heating element 8. For this purpose, the bimetal switch 18 is connected within the switching housing 12 of the switching device 10 via corresponding connections to the line 1 6.
  • the bimetallic switch 18 designed as a snap-action switch has a hysteresis with respect to the temperature, so that its switch-on temperature is lower than its switch-off temperature.
  • the housing 4 is designed substantially cylindrical. On an upper end face 17 of the housing 4, a connection 19 for the heating element 8 and for the switching device 10 are arranged.
  • the switch housing 12 of the switching device 10 is partially arranged above the upper end face 17.
  • the measuring extension 14 of the switching housing 12 of the switching device 10 extends through the upper end face 17 and extends into the housing interior 6 with the urea solution.
  • the measuring extension 14 is arranged inside a lateral recess 20 of a side wall 22 of the housing 4. In the region of the recess 20, the side wall 22 is partially offset outwardly, ie, the side wall 22 has a recess while maintaining its wall thickness.
  • the heating element 8 extends along the longitudinal axis 24 of the housing 4 in the housing interior 6. This ensures uniform heating of the urea solution in the entire housing interior 6.
  • the measuring extension 14 By arranging the measuring extension 14 at the maximum radial distance RA from the heating element 8 in the recess 20, it can be ensured that during heating the urea solution in the entire interior of the housing 6 has at least the temperature supplied to the bimetallic switch 18 via the measuring extension 14.
  • the radial distance RA between the heating element 8 and the measuring extension 14 is greater than four times the diameter DM of the measuring extension 14.
  • the measuring extension 14 does not touch the side wall 22 of the housing 4, so that an ambient temperature due to heat conduction of the side wall 22 of the housing 4th the sensing of the temperature of the urea solution in the housing interior 6 is not falsified.
  • a filter element 26 is arranged to filter out particulate impurities contained in the urea solution from the urea solution.
  • the filter element 26 comprises a filter medium 28, which is arranged in a cylindrical ring shape.
  • the filter medium 28 is arranged concentrically with the longitudinal axis 24 of the housing 4 and the heating element 8.
  • On the upper side the filter element 26 is sealingly held on the upper end face 17 of the housing 4.
  • On the underside, the filter element 26 is closed by a lower end plate 30.
  • the filter medium 28 can be flowed through in the radial direction from outside to inside.
  • the housing 4 has here not shown inlet and outlet openings for the urea solution.
  • the heating element 8 projects into the filter element 26 along the longitudinal axis 24.
  • the heating element 8 extends over more than 75% of the length LI of the filter element 26 in the housing cavity 6 between the upper end face 17 and the lower end plate 30.
  • an elastically deformable, in particular elastomeric, volume compensation element 32 may be arranged, which is compressed when a freezing of the urea solution.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Filtersystem (2) für wässrige Harnstofflösung, wobei ein Bimetallschalter (18) zur Steuerung eines Heizelements (8) des Filtersystems (2) vorgesehen ist. Der Bimetallschalter (2) ist in einem Schaltgehäuse (12) einer Schalteinrichtung (10) angeordnet, wobei ein Messfortsatz (14) des Schaltgehäuses (12) von dem Heizelement (8) beabstandet, bevorzugt radial beabstandet, in einem Gehäuseinnenraum (6) eines Gehäuses (4) der Filtersystem (2) eindringt. Vorzugsweise ist in dem Gehäuseinnenraum (6) ein Filterelement (26) mit einem vorteilhaft ringförmig ausgebildeten Filtermedium (28) angeordnet. Bevorzugt ist der Bimetallschalter (18) als ein Sprungschalter mit zwei diskreten, temperaturabhängigen Schaltstellungen eines Bimetallelements ausgebildet.

Description

Beschreibung
Filtersystem für eine wässrige Harnstofflösung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Filtersystem für eine wässrige Harnstofflösung zur Abgasnach- behandlung eines Verbrennungsmotors.
Stand der Technik
Zur Reduktion des Stickoxidausstoßes bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist es gängige Praxis, eine wässrige Harnstofflösung in die Abgasanlage des Kraftfahr- zeugs einzuspritzen, um dadurch Stickoxide in Stickstoff und Wasserdampf umzuwandeln. Die eingesetzten wässrigen Harnstofflösung werden bei niedrigen Temperaturen jedoch zähflüssig und gefrieren schließlich bei -1 1 °C. Aus diesem Grund muss Harnstofflösung bei niedrigen Umgebungstemperaturen aufgeheizt werden, um deren Fließfähigkeit sicherzustellen.
Aus der DE 10 201 1 077 951 A1 ist ein Heizsystem für ein Dosierventil, insbesondere zum Dosieren eines Fluids in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, bekannt. Das Heizsystem umfasst dabei mindestens ein Heizelement, das mit einer elektrischen Energiequelle verbunden ist. Das Heizelement ist dazu ausgebildet, in einem Dosier- räum befindliches Fluid aufzuheizen. Zum Schalten des Heizelements ist ein Bimetallschalter vorgesehen, der außerhalb eines flüssigkeitsgefüllten Bereichs des Dosierventils in einer Umgebung des Dosierventils angeordnet ist.
Andere am Markt verfügbare Filtersystem für Harnstofflösungen weisen üblicherweise eine Steuerung mit elektrischen oder elektronischen Temperatursensoren auf Halbleiterbasis, etwa Peltier-Elemente, auf. Die Steuerung ist dann als eine elektronische Schaltung ausgeführt. Nachteilig an derartigen Kombinationen von Temperatursensor und Steuerung sind insbesondere die hohen Kosten für die Bauteile sowie deren Störanfälligkeit.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Filtersystem für eine wässrige Harnstofflösung zur Abgasnachbehandlung anzugeben, bei der ein Heizelement zum Aufheizen der Harnstofflösung auf einfache und kostengünstige Weise in Abhängigkeit von der Temperatur der Harnstofflösung ein- und ausgeschaltet werden kann. Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Filtersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in der Beschreibung sowie den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Filtersystem kann mittels der Schalteinrichtung auf kostengünstige und zuverlässige Weise sichergestellt werden, dass das Heizelement eingeschaltet und die Harnstofflösung aufgeheizt wird, sobald die Temperatur der Harn- Stofflösung eine vorgegebene Einschalttemperatur unterschreitet. Wenn die Temperatur der Harnstofflösung eine vorgegebene Ausschalttemperatur überschreitet, kann das Heizelement mittels der Schalteinrichtung ausgeschaltet werden. Die Einschalttemperatur und die Ausschalttemperatur können dabei gleich sein oder sich voneinander unterscheiden. Vorteilhaft ist eine Einschalttemperatur, die kleiner ist, als die Ausschalt- temperatur.
Die Schalteinrichtung ist vollständig in das Schaltgehäuse integriert. Dadurch kann die Schalteinrichtung kostengünstig als vorkonfektioniertes Bauteil bereitgestellt und auf einfache Weise an dem Gehäuse montiert werden. Das Schaltgehäuse wird dabei ab- schnittsweise außerhalb des Gehäuses angeordnet. An dem außenliegenden Abschnitt des Schaltgehäuses können insbesondere elektrische Leitungen angeschlossen werden, um die Schalteinrichtung mit einer Energiequelle bzw. dem Heizelement elektrisch zu verbinden. Der in den Gehäuseinnenraum ragende Messfortsatz des Schaltgehäuses ermöglicht es, eine Temperatur der Harnstofflösung in dem Gehäuseinnenraum zu erfassen bzw. zu messen. Dadurch, dass der Messfortsatz von dem Heizelement beabstandet angeordnet ist, kann erreicht werden, dass die Harnstofflösung in dem Gehäuseinnenraum bei eingeschaltetem Heizelement weitgehend, insbesondere vollständig, über die Aus- schalttemperatur erwärmt wird. Der Messfortsatz ist nach der Erfindung von dem Heizelement möglichst weit beabstandet an dem Gehäuse des Filtersystems angeordnet. Dadurch kann vermieden werden, dass vor dem Ausschalten des Heizelements die Harnstofflösung nur in einer nahen Umgebung des Heizelements erwärmt wird, während die von dem Heizelement weiter entfernte Harnstofflösung, insbesondere nahe einer Seitenwand des Gehäuses, noch nicht ausreichend aufgeheizt bzw. aufgetaut worden ist. Bevorzugt ist ein Abstand des Messfortsatzes von dem Heizelement wenigstens dreimal so groß wie ein Innendurchmesser einer Auslassleitung des Gehäuses des Filtersystems.
Die Temperatur der Harnstofflösung wird von dem im Schaltgehäuse angeordneten temperatursensitiven Bimetallschalter der Schalteinrichtung erfasst. Dieser steht dazu in thermischer Verbindung mit dem Messfortsatz des Schaltgehäuses. Der Bimetallschalter ist vorteilhaft dazu ausgebildet, eine elektrische Verbindung des Heizelements mit einer Energiequelle herzustellen, wenn die Temperatur der Harnstofflösung unter die Einschalttemperatur sinkt und die elektrische Verbindung des Heizelements mit der Energiequelle zu unterbrechen, wenn die Temperatur der Harnstofflösung die Ausschalttemperatur übersteigt. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz des Bimetallschalters kann das Filtersystem vereinfacht und kostengünstig hergestellt werden. Da- rüber hinaus wird einen besonders störungsarmer und zuverlässiger Betrieb des Filtersystems ermöglicht. Insbesondere erübrigt sich dadurch eine aufwändige und häufig störanfällige Steuerelektronik, wie diese bei Einsatz eines elektrischen oder elektronischen Temperatursensors erforderlich ist. Das Heizelement erstreckt sich bevorzugt innerhalb des Gehäuseinnenraums. Das Heizelement kann dabei im Betrieb der Heizvorrichtung in direktem thermischem Kontakt mit der wässrigen Harnstofflösung stehen. Das Heizelement taucht mit anderen Worten in die Harnstofflösung ein und erwärmt die Harnstofflösung direkt. Das Heizelement kann im konstruktiv einfachsten Fall als ein Widerstandsheizelement ausge- führt sein.
Das Heizelement kann an ein elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit dem Verbrennungsmotor angeschlossen sein, so dass die elektrische Energie zum Betrieb des Heizelements von einer Batterie bzw. von einem Generator des Kraftfahrzeugs zur Ver- fügung gestellt werden kann.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Filtersystems ist der Messfortsatz zumindest abschnittsweise aus einem hoch wärmeleitfähigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 50 W/(m*K), bevorzugt von mehr als 100 W/(m*K), besonders bevorzugt von mehr als 200 W/(m*K), ganz besonders bevorzugt von mehr als 300 W/(m*K), gebildet. Das hoch wärmeleitfähige Material kann vorteilhaft Kupfer oder alternativ Aluminium, Molybdän oder Messing sein. Dadurch wird ermöglicht, die (Ist-) Temperatur der Harnstofflösung besonders präzise und mit nur geringer zeitlicher La- tenz mit dem Bimetallschalter zu erfassen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement zur Längsachse des Gehäuses parallel, insbesondere koaxial, zur Längsachse verlaufend angeordnet ist. Das Gehäuse kann im Wesentlichen zylinderförmig ausgeführt sein. Der Messfortsatz ist dabei in radialer Richtung von dem Heizelement beabstandet angeordnet. Im Hinblick auf eine vereinfachte Durchführung von Montage- bzw. Wartungsarbeiten am Filtersystem ist das Schaltgehäuse vorzugsweise an einer oberen Stirnseite des Gehäuses des Filtersystems angeordnet. Dadurch kann das Schaltgehäuse mitsamt der darin angeordneten Schalteinrichtung im Bedarfsfall einfach ausgetauscht werden.
Der Messfortsatz kann erfindungsgemäß an einer Seitenwand des Gehäuses angeordnet sein. Dadurch kann ein besonders großer Abstand zwischen dem Heizelement und dem Messfortsatz erreicht werden. Dadurch kann die gesamte Harnstofflösung in dem Gehäuseinnenraum zuverlässig aufgeheizt werden, bevor der Bimetallschalter das Heizelement ausschaltet. Die Seitenwand kann insbesondere eine Zylinderwand eines im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuses sein.
Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Messfortsatz in einer seitlichen Vertiefung der Seitenwand des Gehäuses des Filtersystems angeordnet ist. Dadurch kann einerseits der Abstand zwischen dem Heizelement nochmals weiter erhöht werden. Andererseits können dadurch unerwünschte Störeinflüsse des Messfortsatzes auf eine Strömung der wässrigen Urealösung im Gehäuseinneren reduziert bzw. eleminiert werden. Die seitliche Vertiefung der Seitenwand kann vorteilhaft als ein Rücksprung, etwa in der Art eines bereichsweisen Versatzes der Seitenwand nach außen hin, ausgebildet sein. Alternativ kann die Vertiefung durch eine bereichsweise Reduktion einer Wandstärke der Seitenwand des Gehäuses ausgebildet werden.
Der Bimetallschalter kann erfindungsgemäß insbesondere als ein sogenannter Sprungschalter ausgeführt sein. Der Bimetallschalter weist dabei vorzugsweise ein Bimetallele- ment auf, das bei einer Temperatur unterhalb einer Einschalttemperatur eine erste Konfiguration einnimmt, und das bei einer Temperatur oberhalb einer Ausschalttemperatur eine zweite Konfiguration einnimmt. In der ersten Konfiguration des Bimetallelements wird das Heizelement eingeschaltet; in der zweiten Konfiguration wird das Heiz- element ausgeschaltet. Indem der Bimetallschalter als Sprungschalter ausgebildet ist, kann auf besonders einfache Weise erreicht werden, dass die Einschalttemperatur kleiner ist, als die Ausschalttemperatur. Die Sprungcharakteristik wird dabei vorzugsweise durch das Bimetallelement bestimmt. Das Bimetallelement kann dazu als ein sog. Snap-Action-Federelement ausgebildet sein. Ein solcher Bimetallschalter kann beson- ders viele Schaltzyklen durchführen, ohne Schaden zu nehmen. Alternativ kann die Sprungcharakteristik von nachgeordneten Bauteilen des Bimetallschalters ausgebildet sein, die von dem Bimetallelement angelenkt werden, d.h. die nachgeordneten Bauteile werden von dem Bimetallelement aktuiert. Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der Bimetallschalter zumindest teilweise innerhalb des Messfortsatzes des Schaltgehäuses angeordnet ist. Dabei kann insbesondere das Bimetallelement des Bimetallschalters zumindest abschnittsweise innerhalb des Messfortsatzes angeordnet sein. Das Bimetallelement kann dabei vorteilhaft mit dem vorgenannten hoch wärmeleitfähigen Material des Messfortsatzes in direk- tem thermischem Kontakt stehen. Die Temperatur der Harnstofflösung kann in diesem Fall besonders präzise erfasst werden. Insbesondere kann ein verspätetes Ein- oder Ausschalten des Heizelements vermieden werden.
Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Filter- System ein Filterelement zum Abtrennen von in der Harnstofflösung enthaltenen Verunreinigungen. Verunreinigungen können insbesondere Schmutzpartikel aber auch Kristalle von gefrorener Harnstofflösung sein, sofern die Harnstofflösung von dem Heizelement wider Erwarten nicht vollständig aufgetaut wurde. Das Filterelement vorteilhaft in dem Gehäuseinnenraum des Filtersystems, bevorzugt austauschbar, angeordnet.
Das Filterelement kann nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ein Filterelement mit einem Filtermedium aufweisen, um in der Harnstofflösung enthaltene Verunreinigungen aus der Harnstofflösung herauszufiltern. Dadurch können im Betriebseinsatz des Filtersystems eine Funktionsstörung bzw. Beschädigung nachgeordneter Bauteile, beispielsweise von Einspritzdüsen für das Einspritzen der Harnstofflösung in das Abgas, entgegengewirkt werden.
Das Filtermedium kann erfindungsgemäß zur Längsachse des Gehäuses des Filter- Systems ringförmig angeordnet sein. Das Filtermedium kann dabei in der Form eines sternförmig gefalteten Filterbalgs ausgebildet sein. Das Filterelement bzw. das Filtermedium ist typischerweise gegen Stirnseiten des Gehäuseinnenraums abdichtend in dem Gehäuseinnenraum angeordnet. Das Filtermedium kann von der Harnstofflösung in einer zur Längsachse radialen Richtung, vorzugsweise von außen nach innen, durch- strömbar sein. Dadurch kann bei kompaktem Bau des Filtersystems eine große Filterfläche des Filtermediums bereitgestellt werden.
Nach einer Ausführunsgform der Erfindung erstreckt sich das Heizelement zumindest abschnittsweise in das Filterelement hinein. Das Heizelement kann insbesondere kon- zentrisch zu dem Filtermedium angeordnet sein. Vorteilhaft erstreckt sich das Heizelement wenigstens über die Hälfte der Länge des Filterelements, bevorzugt über wenigstens zwei Drittel, besonders bevorzugt über wenigstens drei Viertel der Länge des Filterelements. Es wird dadurch ein gleichmäßiges und effizientes Aufheizen der Harnstofflösung ermöglicht bzw. einem unerwünschten Verblocken des Filtermediums ent- gegengewirkt.
Es ist weiter bevorzugt, dass der Messfortsatz des Schaltgehäuses radial außerhalb des ringförmig angeordneten Filtermediums angeordnet ist. Dies ist beispielsweise durch die oben beschriebene Anordnung an der Seitenwand oder in einer seitlichen Vertiefung der Seitenwand des Gehäuses realisierbar. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Messfortsatz möglichst nah im Bereich der Umwelteinflüsse (d. h. auftretenden geringen Außentemperaturen), im Bereich der Rohseite, d. h. im einströmenden Fluid und/oder insbesondere in Verbindung mit der zentralen Anordnung des Heizelements möglichst weit von diesem entfernt angeordnet sein kann. Dadurch kann eine präzisere Messung ermöglicht werden.
Das Schaltgehäuse der Schalteinrichtung ist nach der Erfindung voruzugsweise fluid- dicht gekapselt ausgeführt und kann beipsielsweise dem Schutzgrad IPX6K, besonders bevorzugt dem Schutzgrad IPX7, ganz besonders bevorzugt dem Schutzgrad IPX9K gemäß DIN 40500-9:1993-05, entsprechen. Ein Vordringen von Wasser bzw. der wässrigen Harnstofflösung zu den elektrischen Kontakten der Schalteinrichtung kann dadurch entgegengewirkt werden. Im Gehäuseinnenraum kann erfindungsgemäß ein kompressibles Volumenausgleichselement angeordnet sein. Vorzugsweise umfasst das Volumenausgleichselement einen Elastomerkörper. Dadurch kann ein mit dem Gefrieren der Harnstofflösung entstehender Eisdruck kompensiert werden, falls diese bei längerer Nichtbenutzung des Filtersystems durchfrieren sollte.
Unter fertigungstechnischen Aspekten hat es sich als vorteilhaft ergeben, wenn das Schaltgehäuse in einer Gehäuseöffnung des Gehäuses des Filtersystems allein kraftschlüssig gehalten angeordnet ist. Vorzugsweise kann dazu ein elastisches Dichtelement zwischen dem Schaltgehäuse und einer Wandung der Gehäuseöffnung angeord- net sein. Alternativ kann das Schaltgehäuse in die Gehäuseöffnung eingeschraubt oder eingeklebt werden. Auch ist eine Befestigung des Schaltgehäuses mit einem an dem Gehäuse verschraubbaren Überwurfflansch denkbar.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt die einzige Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Filtersystems in einem Längsschnitt.
Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Filtersystem 2 für eine wässrige Harnstofflösung zur Abgasnachbehandlung eines in der Zeichnung nicht dargestellten Verbrennungsmotors. Das Filtersystem 2 umfasst ein Gehäuse 4 mit einem Gehäuseinnenraum 6 zur Aufnahme der Harnstofflösung (nicht dargestellt). An dem Gehäuse 4 ist ein Heizelement 8 angeordnet. Das Heizelement 8 erstreckt sich in den Gehäuseinnenraum 6 hinein. An dem Gehäuse 4 ist eine elektrische Schalteinrichtung 10 angeordnet. Die Schalteinrichtung 10 weist ein Schaltgehäuse 12 mit einem Messfortsatz 14 auf. Die Schalteinrichtung 10 dient einem Ein- und Ausschalten des Heizelements 8 in Abhängigkeit von einer jeweiligen Temperatur der Harnstofflösung in dem Gehäuseinnenraum 6. Die Schalteinrichtung 10 ist dazu über eine elektrische Leitung 1 6 mit dem Heizelement 8 verbunden. Das Schaltgehäuse 12 der Schalteinrichtung 10 mitsamt einem Anschluss für die Leitung 1 6 ist hier als eine fluiddicht gekapselte Einheit ausgeführt.
In dem Schaltgehäuse 12 der Schalteinrichtung 10 ist ein Bimetallschalter 18 angeordnet. Der Bimetallschalter 18 erstreckt sich hier bis in den Messfortsatz 14 des Schaltgehäuses 12 hinein. Der Bimetallschalter 18 steht dabei in direktem thermischem Kontakt mit dem Messfortsatz 14. Zur Erhöhung der Wärmeleitung von dem Messfortsatz 14 zu dem Bimetallschalter 18 kann an einer Kontaktfläche zwischen dem Messfortsatz 14 und dem Bimetallschalter 18 eine Wärmeleitpaste oder dergleichen aufgetragen sein. Um eine Temperatur der Harnstofflösung in dem Gehäuseinnenraum 6 möglichst genau zu dem Bimetallschalter 18 übertragen zu können, ist der Messfortsatz 14 aus einem hoch wärmeleitfähigen Material, hier Kupfer, mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W/(m*K) gefertigt.
Der Bimetallschalter 18 ist hier als ein sog. Sprungschalter ausgebildet. Wenn die Temperatur der Harnstofflösung eine Einschalttemperatur unterschreitet bzw. eine Ausschalttemperatur überschreitet, springt der Bimetallschalter 18 schlagartig in eine Position, die den Stromfluss durch die Leitung 1 6 zu dem Heizelement 8 freigibt bzw. unterbricht. Der Bimetallschalter 18 ist dazu innerhalb des Schaltgehäuses 12 der Schalteinrichtung 10 über entsprechende Anschlüsse mit der Leitung 1 6 verbunden. Der als Sprungschalter ausgebildete Bimetallschalter 18 weist dabei bezüglich der Temperatur eine Hysterese auf, so dass dessen Einschalttemperatur kleiner ist als dessen Ausschalttemperatur.
Das Gehäuse 4 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgeführt. An einer oberen Stirnseite 17 des Gehäuses 4 sind ein Anschluss 19 für das Heizelement 8 und für die Schalteinrichtung 10 angeordnet. Das Schaltgehäuse 12 der Schalteinrichtung 10 ist teilweise oberhalb der oberen Stirnseite 17 angeordnet. Der Messfortsatz 14 des Schaltgehäuses 12 der Schalteinrichtung 10 durchragt die obere Stirnseite 17 und erstreckt sich in den Gehäuseinnenraum 6 mit der Harnstofflösung ein. Der Messfortsatz 14 ist dabei innnerhalb einer seitlichen Vertiefung 20 einer Seitenwand 22 des Gehäu- ses 4 angeordnet. Im Bereich der Vertiefung 20 ist die Seitenwand 22 bereichsweise nach außen hin versetzt, d.h. die Seitenwand 22 weist unter Beibehaltung ihrer Wandstärke einen Rücksprung auf.
Das Heizelement 8 erstreckt sich entlang der Längsachse 24 des Gehäuses 4 in dem Gehäuseinnenraum 6. Dadurch wird eine gleichmäßige Erwärmung der Harnstofflösung in dem gesamten Gehäuseinnenraum 6 gewährleistet . Indem der Messfortsatz 14 mit maximalem radialem Abstand RA von dem Heizelement 8 in der Vertiefung 20 angeordnet ist, kann sichergestellt werden, dass beim Aufheizen die Harnstofflösung im gesamten Gehäuseinnenraum 6 wenigstens die dem Bimetallschalter 18 über den Messfort- satz 14 zugeführte Temperatur aufweist. Hier ist insbesondere der radiale Abstand RA zwischen dem Heizelement 8 und dem Messfortsatz 14 größer als das Vierfache eines Durchmessers DM des Messfortsatzes 14. Der Messfortsatz 14 berührt die Seitenwand 22 des Gehäuses 4 nicht, damit eine Umgebungstemperatur aufgrund einer Wärmeleitung der Seitenwand 22 des Gehäuses 4 die Sensierung der Temperatur der Harnstoff- lösung in dem Gehäuseinnenraum 6 nicht verfälscht.
In dem Gehäuseinnenraum 6 des Filtersystems ist ein Filterelement 26 angeordnet, um in der Harnstofflösung enthaltene partikuläre Verunreinigungen aus der Harnstofflösung herauszufiltern. Das Filterelement 26 umfasst ein Filtermedium 28, das zylinderringför- mig angeordnet ist. Das Filtermedium 28 ist konzentrisch zu der Längsachse 24 des Gehäuses 4 und dem Heizelement 8 angeordnet. Oberseitig ist das Filterelement 26 an der oberen Stirnseite 17 des Gehäuses 4 dichtend gehalten. Unterseitig wird das Filterelement 26 von einer unteren Endscheibe 30 verschlossen. Das Filtermedium 28 ist in radialer Richtung von außen nach innen durchströmbar. Das Gehäuse 4 weist hier nicht dargestellte Einlass- und Auslassöffnungen für die Harnstofflösung auf. Das Heizelement 8 ragt entlang der Längsachse 24 in das Filterelement 26 hinein. Insbesondere erstreckt sich das Heizelement 8 über mehr als 75 % der Länge LI des Filterelements 26 in dem Gehäuseinnraum 6 zwischen der oberen Stirnseite 17 und der unteren Endscheibe 30. Innerhalb des Gehäuses 4 des Filtersystems kann ein elastisch verformbares, insbesondere elastomeres, Volumenausgleichselement 32 angeordnet sein, das bei einem Gefrieren der Harnstofflösung komprimiert wird.

Claims

Ansprüche
1 . Filtersystem (2) für eine wässrige Harnstoff lösung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors umfassend:
- ein Gehäuse (4) mit einem Gehäuseinnenraum (6) zur Aufnahme der Harnstofflösung und eines Filterelements (26) zum Abtrennen von in der Harnstofflösung enthaltenen Verunreinigungen;
ein Heizelement (8) zum Aufheizen der Harnstofflösung im Gehäuseinnenraum (6) und
- eine elektrische Schalteinrichtung (10) zum Einschalten und Ausschalten des Heizelements (8), mit einem Schaltgehäuse (12), das abschnittsweise außerhalb des Gehäuses (4) angeordnet ist und das sich mit einem Messfortsatz (14) in den Gehäuseinnenraum (6) des Gehäuses (4) hineinerstreckt, wobei der Messfortsatz (14) des Schaltgehäuses (12) von dem Heizelement (8) beabstandet angeordnet ist und wobei die elektrische Schalteinrichtung (10) einen im Schaltgehäuse angeordneten temperatursensitiven Bimetallschalter (18) umfasst.
2. Filtersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Messfortsatz (14) zumindest abschnittsweise aus einem hoch wärmeleitfähigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 50 W/(m*K), bevorzugt von mehr als 100 W/(m*K), besonders bevorzugt von mehr als 200 W/(m*K), ganz besonders bevorzugt von mehr als 300 W/(m*K), gebildet ist.
3. Filtersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizele- ment (8) zur Längsachse (24) des Gehäuses (4) parallel verlaufend, insbesondere koaxial zur Längsachse (24), angeordnet ist, wobei der Messfortsatz (14) von dem Heizelement (8) radial beabstandet angeordnet ist.
4. Filtersystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass der Messfortsatz (14) des Schaltgehäuses (12) an einer Seitenwand (22) des Gehäuses (4) des Filtersystems (2) angeordnet ist.
5. Filtersystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfortsatz (14) in einer seitlichen Vertiefung (20) der Seitenwand (22) des Gehäuses (4) des Filtersystems (2) angeordnet ist.
6. Filtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bimetallschalter (18) zumindest teilweise innerhalb des Messfortsatzes (14) des Schaltgehäuses (12) angeordnet ist.
7. Filtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bimetallschalter (18) als sogenannter Sprungschalter ausgeführt ist.
8. Filtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersystem (2) ein Filterelement (26) zum Abtrennen von in der Harn- Stofflösung enthaltenen Verunreinigungen aufweist, das im Gehäuseinnenraum (6) angeordnet ist.
9. Filtersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (26) ein Filtermedium (28) aufweist, das zur Längsachse (24) des Gehäuses (4) des Filtersystems (2) ringförmig angeordnet ist und welches im Betrieb des Filtersystems (2) von der Harnstofflösung in einer zur Längsachse (24) radialen Richtung, vorzugsweise von außen nach innen, durchströmbar ist.
10. Filtersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Heizelement (8) zumindest abschnittsweise in das Filterelement (26) hineinerstreckt.
1 1 . Filtersystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfortsatz (14) des Schaltgehäuses (12) radial außerhalb des ringförmig angeordneten Filtermediums (28) angeordnet ist.
12. Filtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgehäuse (12) der Schalteinrichtung (10) fluiddicht gekapselt ausgeführt ist.
13. Filtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseinnenraum (6) ein kompressibles, vorzugsweise elastomeres, Volumenausgleichselement (32) angeordnet ist.
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