ФИЛЬТРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОСУДА ДЛЯ ЖИДКОСТИ, В ЧАСТНОСТИ ВОДНОГО РАСТВОРА МОЧЕВИНЫ
FILTERING DEVICE FOR VESSEL FOR LIQUID, IN PARTICULAR FOR WATER UREA SOLUTION

Настоящее изобретение относится к фильтрующему устройству для сосуда для жидкости, в частности водного раствора мочевины.
2
В технологии автомобилестроения все более широкое применение получает способ выборочного каталитического восстановления (ВКВ), применяемый для снижения выбросов оксида азота в дизельных двигателях. Аммиак, необходимый для реакции ВКВ, используется не напрямую, а в форме 32,5% водного раствора мочевины согласно стандарту DIN 70070. Этот водный раствор мочевины впрыскивается каталитическим нейтрализатором системы ВКВ в выхлопной тракт с помощью, например, дозирующего насоса или форсунки. В результате реакции гидролиза водного раствора мочевины возникает аммиак и CO. Аммиак, полученный таким способом, может вступать в реакцию с оксидами азота, содержащимися в выхлопных газах и, тем самым, снижать выбросы оксида азота. Количество впрыскиваемой мочевины зависит от выброса оксида азота двигателем и, следовательно, от мгновенной частоты вращения и крутящего момента двигателя. В этом случае степень эффективности каталитического нейтрализатора системы ВКВ зависит от правильного отношения впрыскиваемого раствора мочевины к количеству оксида азота, выбрасываемого двигателем. Степень эффективности восстановления оксида азота падает при слишком низком количестве впрыскиваемого водного раствора мочевины. Если же впрыскивать слишком много мочевины, аммиак, образующийся из нее, не может вступить в реакцию с оксидом азота и выходит в окружающую среду. Таким образом, необходимо, как можно точнее, предпочтительно в пределах миллилитров, подавать водный раствор мочевины из сосуда с жидкостью для водного раствора мочевины на каталитический нейтрализатор системы ВКВ.
Поскольку точка замерзания водного раствора мочевины приблизительно равна -11°С и, следовательно, находится в диапазоне эксплуатационных температур автотранспортных средств, необходимо иметь нагревательный элемент, с помощью которого можно оттаивать возможно замерзший раствор мочевины, чтобы раствор мочевины имелся в жидкой фазе, то есть в форме жидкости.
В DE 102010051072 В4 описан сосуд для жидкости для водного раствора мочевины с буферным хранилищем. В области основания этого сосуда для жидкости расположены два фильтрующих элемента, соединенные по линии подачи жидкости и первый клапан с узлом подачи жидкости для подачи раствора мочевины. Кроме того, еще один второй фильтрующий элемент, который соединен по текучей среде через линию подачи жидкости с узлом подачи жидкости, расположен в буферном хранилище. Дополнительно, чтобы оттаять раствор мочевины, предусмотрен нагревательный элемент для растапливания или нагревания жидкости, которая расположена в буферном хранилище. Это буферное хранилище, выполненное в виде приемного стакана, нагревается нагревательным элементом, который расположен вокруг буферного хранилища, в результате чего жидкость, расположенная в буферном хранилище, оттаивает или нагревается для того, чтобы второй фильтрующий элемент мог работать и фильтровать водный раствор мочевины.
Когда сосуд для жидкости, известный из DE 102010051072 В4 запускается, прежде всего раствор мочевины, который примыкает к буферному хранилищу 2, подогревается и оттаивает. Затем за счет конвекции начинают таять слои льда, примыкающие к водному раствору мочевины, в результате чего раствор мочевины, который окружает второй фильтрующий элемент, через некоторое время также переходит в жидкую форму. При холодном пуске раствор мочевины, таким образом, впрыскивается в выхлопную систему только спустя заранее определенное время, поведение сосуда для жидкости, известного из DE 10 2010 051 072 В4, при холодном пуске не является оптимальным и концентрацию оксида азота можно снижать только после оттаивания раствора мочевины.
В DE 102010014314 А1 раскрывается устройство для подачи водного раствора мочевины. Устройство содержит внутреннюю поддерживающую структуру и внешнюю опорную структуру, между которыми расположен фильтрующий материал. Во внутренней поддерживающей структуре и во внешней поддерживающей структуре имеются отверстия для пропускания водного раствора мочевины изнутри бака во внутреннюю часть устройства. Устройство содержит одно соединение выпуска жидкости, которое соединено по текучей среде с отверстиями во внутренней поддерживающей структуре и внешней поддерживающей структуре. Устройство содержит нагревательную структуру, которая может быть встроена во внешнюю поддерживающую структуру или внутреннюю поддерживающую структуру.
В DE 102010023520 А1 раскрывается нагревательное устройство для нагревания средства фильтра. Устройство содержит корпус, изготовленный из металла, и катушку, соединенную с источником переменного тока. При подаче переменного тока на катушку, в корпусе возникает переменное магнитное поле, нагревающее корпус.
Задачей настоящего изобретения является создание улучшенного фильтрующего устройства для сосуда для жидкости, в частности для водного раствора мочевины, и улучшенного сосуда для жидкости, в частности для водного раствора мочевины, которые позволяют раньше начать впрыск раствора мочевины в выхлопную систему при холодном пуске двигателя транспортного средства, оснащенного фильтрующим устройством по настоящему изобретению.
Согласно настоящему изобретению эта цель достигается с помощью фильтрующего устройства по п. 1 формулы изобретения и с помощью сосуда для жидкости по п. 12 формулы изобретения. Преимущественные признаки изобретения описаны в зависимых пунктах формулы.
Фильтрующее устройство по настоящему изобретению содержит корпус фильтра, имеющий сквозное отверстие, и фильтрующий элемент, проницаемый для жидкости и непроницаемый для воздуха. Фильтрующий элемент соединен с корпусом фильтра так, что фильтрующий элемент закрывает сквозное отверстие корпуса фильтра по меньшей мере частично. Фильтрующее устройство по настоящему изобретению содержит, кроме того, по меньшей мере одно соединение выпуска жидкости, соединенное по текучей среде со сквозным отверстием в корпусе фильтра. Соединение выпуска текучей среды может быть соединено с узлом подачи жидкости. Фильтрующее устройство по настоящему изобретению отличается тем, что содержит нагревательное устройство, которое соединено непосредственно с корпусом фильтра и/или встроено в корпус фильтра.
Благодаря наличию нагревательного устройства, которое соединено непосредственно с корпусом фильтра и/или встроено в корпус фильтра, расстояние фильтрующего элемента от нагревательного элемента сокращается так, что когда включается нагревательное устройство, нагретый раствор мочевины, находящийся в жидком состоянии, располагается ближе к фильтрующему элементу, благодаря чему фильтрующий элемент получает возможность фильтровать жидкость, то есть, в частности, водный раствор мочевины, уже через короткий промежуток времени, в результате чего раствор мочевины можно впрыскивать в выхлопную систему транспортного средства через короткий промежуток времени, что приводит к снижению выбросов оксида азота через короткий промежуток времени после холодного пуска двигателя. Более того, фильтрующее устройство по настоящему изобретению дает преимущество, заключающееся в том, что нагревательное устройство не обязательно должно быть выполнено отдельно и количество отдельных деталей сосуда для жидкости для водного раствора мочевины сокращается, снижая себестоимость по сравнению с известными сосудами для жидкости.
Фильтрующий элемент может быть выполнен, например, в виде тканевого фильтра или диафрагменного фильтра. Кроме того, в контексте настоящего изобретения термин "проницаемый для жидкости" означает, что фильтрующий элемент является проницаемым для жидкости, находящейся в контейнере для жидкости. В частности, термин "проницаемый для жидкости", следовательно, означает проницаемость для раствора мочевины. Кроме того, тканевый фильтр предпочтительно закрывает все сквозное отверстие корпуса фильтра.
В контексте настоящего изобретения термин "непроницаемый для воздуха" означает, что тканевый фильтр имеет такой размер ячеек сита, чтобы не пропускать жидкость при смачивании вплоть до определенного дифференциального давления. Это значит, что поверхностное натяжение жидкости, которая смачивает фильтр, достаточно для создания некоторого барьера, препятствующего прохождению воздуха вплоть до определенного давления.
Корпус фильтра предпочтительно выполнен как теплопроводное тело, то есть тело с высокой теплопроводностью. Это дает преимущество, заключающееся в том, что получающее питание нагревательное устройство можно прикрепить к корпусу фильтра, благодаря чему теплота, генерируемая нагревательным устройством, передается на корпус фильтра, который, в свою очередь, равномерно поглощает и равномерно излучает теплоту в окружающее пространство, в частности в объем таяния внутри корпуса фильтра и в пространство, окружающее корпус фильтра. Корпус фильтра можно выполнить, например, как экструдированный алюминиевый профиль. Предпочтительно, в профиле могут быть выполнены карманы или углубления для нагревательного устройства.
Нагревательное устройство предпочтительно содержит по меньшей мере один нагревательный элемент, прикрепленный к внешней стороне корпуса фильтра. Это позволяет создать очень простое соединение корпуса фильтра с нагревательным устройством. Конечно, нагревательное устройство также может содержать множество индивидуальных нагревательных элементов, которые можно крепить в каждом случае к внешней стороне корпуса фильтра.
Согласно другому предпочтительному варианту нагревательное устройство содержит по меньшей мере один нагревательный элемент, который прикреплен к внутренней стороне корпуса фильтра. Фильтрующее устройство соответствующей конфигурации дает преимущество, заключающееся в том, что объем таяния внутри корпуса фильтра нагревается особенно эффективно и с высоким кпд, поскольку расстояние от нагревательного устройства до объема таяния дополнительно сокращается. Нагревательный элемент может быть выполнен как периферийная поверхность на внутренней стороне корпуса фильтра.
Согласно одному преимущественному варианту нагревательное устройство содержит по меньшей мере один нагревательный элемент, который выступает из корпуса фильтра. В результате объем, который окружает нагревательное устройство быстро и надежно оттаивает. Нагревательный элемент, который выступает из корпуса фильтра ,может быть выполнен, например, в виде стержня, стенки или профильной полосы корпуса фильтра. Эти профильные полосы, стенки или стержни также могут входить внутрь корпуса фильтра.
Согласно еще одному предпочтительному варианту нагревательное устройство содержит по меньшей мере один нагревательный элемент, выступающий внутрь корпуса фильтра. Это дает преимущество, заключающееся в том, что жидкость, находящуюся в объеме таяния корпуса фильтра, в частности жидкую мочевину, можно быстро нагреть или растаять боле эффективно. Этот обеспечивает смачивание водным раствором мочевины большей поверхности фильтрующего элемента вскоре после холодного пуска, в результате чего через фильтрующее устройство можно фильтровать большее количество мочевины.
Согласно еще одному предпочтительному варианту фильтрующее устройство содержит опору фильтра, которая соединена с корпусом фильтра, и фильтрующий элемент прикреплен к опоре фильтра. Опора фильтра выполнена как нагревательный элемент нагревательного устройства. Фильтрующее устройство соответствующей конфигурации дает преимущество, заключающееся в том, что расстояние от фильтрующего элемента до нагревательного устройства еще больше уменьшается, в результате чего при холодном пуске двигателя и, соответственно, при низкой температуре окружающей среды раствор мочевины, имеющийся в форме льда, можно оттаять очень быстро, в результате чего раствор мочевины, опирающийся на фильтрующий элемент, переходит в жидкую форму через очень короткий промежуток времени. Кроме того, опора фильтра, имеющая такую конструкцию, увеличивает механическую прочность фильтрующего элемента.
Согласно еще одному предпочтительному варианту корпус фильтра содержит основание корпуса фильтра и соединение выпуска жидкости расположено между фильтрующим элементом и основанием корпуса фильтра. Фильтрующее устройство соответствующей конфигурации можно соединять с сосудом для жидкости, в частности для водного раствора мочевины, таким образом, чтобы основание корпуса фильтра являлось основанием контейнера для жидкости. Фильтрующее устройство можно разъемно или неразъемно соединять с сосудом для жидкости. В случае разъемного соединения фильтрующего устройства по настоящему изобретению с сосудом для жидкости, фильтрующее устройство можно заменять особенно просто, благодаря чему в случае забивания фильтрующего элемента все фильтрующее устройство можно просто заменить.
Фильтрующее устройство может иметь омический резистивный нагревательный элемент или нагревательный элемент с терморезистором с положительным температурным коэффициентом, который известен как саморегулирующийся нагревательный элемент, состоящий из терморезисторов с положительным температурным коэффициентом. Нагревательный элемент с положительным температурным коэффициентом содержит резистор с положительным температурным коэффициентом, который лучше проводит ток при низкой температуре, чем при высокой температуре, поскольку его электрическое сопротивление увеличивается с ростом температуры. Нагревательный элемент с положительным температурным коэффициентом, таким образом, работает только при постоянном рабочем напряжении, поскольку сопротивление такого нагревательного элемента также увеличивается с ростом температуры, поэтому выход теплоты снижается. Это дает преимущество, заключающееся в том, что если фильтрующее устройство становится сухим и в жидкость отводится мало теплоты, фильтрующее устройство по настоящему изобретению не перегревается.
Сосуд для жидкости по настоящему изобретению, в частности для водного раствора мочевины, содержит узел подачи жидкости, расположенный в сосуде для жидкости, и отличается тем, что содержит по меньшей мере одно вышеописанное фильтрующее устройство, расположенное внутри сосуда, при этом устройство подачи жидкости соединено по текучей среде через жидкостную линию с соединением выпуска жидкости фильтрующего устройства.
Один предпочтительный вариант сосуда для жидкости содержит буферное хранилище, расположенное внутри сосуда, при этом фильтрующее устройство расположено внутри буферного хранилища.
Далее следует более подробное описание изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг. 1 - вид в перспективе фильтрующего устройства по первому варианту настоящего изобретения.
Фиг. 2 - схематический вид сверху фильтрующего устройства по другому варианту настоящего изобретения.
Фиг. 3 - сечение сосуда для жидкости, в частности для водного раствора мочевины.
В нижеследующем описании одинаковые компоненты или признаки обозначены одними и теми же позициями и описание одного компонента, показанного на одном чертеже, относится также и к этому компоненту, показанному на других чертежах, чтобы избежать повторов.
На фиг. 1 показан трехмерный вид первого варианта фильтрующего устройства 10 по настоящему изобретению. Фильтрующее устройство 10 предназначено для использования в сосуде 30 для жидкости (см. фиг. 3), в частности для водного раствора мочевины. Фильтрующее устройство 10 содержит корпус 11 фильтра, имеющий цилиндрическую форму на фиг. 1 и 2, и сквозное отверстие 12, а также содержит фильтрующий элемент 16, проницаемый для жидкости и непроницаемый для воздуха. В этом случае термин "проницаемый для жидкости" означает проницаемость для жидкости, находящейся в сосуде. Если жидкостью, находящейся в сосуде 30, является раствор мочевины, то фильтрующий элемент 16 является проницаемым для раствора мочевины. Фильтрующий элемент может быть выполнен, например, из фильтрующей ткани 16.
Фильтрующий элемент 16 соединен с корпусом 11 фильтра так, что фильтрующий элемент 16 закрывает сквозное отверстие 12 корпуса 11 фильтра. Сквозное отверстие 12 корпуса фильтра , таким образом, является проницаемым для жидкости и для непроницаемым для воздуха.
Кроме того, фильтрующее устройство 10 содержит соединение 17 выпуска жидкости, которое соединено по текучей среде со сквозным отверстием 12 корпуса фильтра.
Соединение 17 выпуска жидкости может быть соединено, например, через линию 32 (фиг. 3) подачи жидкости с узлом (40) подачи жидкости (фиг. 3). Узел 40 подачи жидкости может быть выполнен, например, как насос. При создании разрежения насосом 40, раствор мочевины или жидкость, находящаяся в сосуде 30 для жидкости засасывается через фильтрующий элемент 16 внутрь фильтрующего устройства 10, в результате чего раствор мочевины фильтруется тканевым фильтром 16. Отфильтрованный раствор мочевины затем прокачивается через соединение 17 выпуска жидкости в узел 40 подачи жидкости и из сосуда 30 для жидкости узлом 40 подачи жидкости.
Кроме того, фильтрующее устройство 10, показанное на фиг.1, содержит основание 15 корпуса фильтра, которое расположено так, чтобы находиться напротив сквозного отверстия 12 и, следовательно, фильтрующего элемента 16. Таким образом, соединение 17 выпуска жидкости расположено между фильтрующим элементом 16 и основанием 15 корпуса фильтра. Объем, который окружает фильтрующее устройство 10, также именуется объемом таяния. Объем таяния также содержит объем, который находится между основанием 15 корпуса фильтра и фильтрующим элементом 16. Как уже было указано выше, объем таяния может откачиваться через соединение 17 выпуска жидкости.
Кроме того, фильтрующее устройство, показанное на фиг. 1, содержит нагревательное устройство 20, 21, которое в этом показанном иллюстративном варианте содержит множество нагревательных элементов 21, которые прикреплены к внешней стороне 13 корпуса 11 фильтра. Теплота, генерируемая нагревательными элементами 21, передается на корпус 11 фильтра, который выполнен как теплопроводное тело 11, в результате чего объем таяния, окружающий корпус 11, нагревается. Фильтрующий элемент 16 не обязательно должен располагаться на стороне кромки сквозного отверстия 12 корпуса 11 фильтра, но он может быть расположен центрально в корпусе 11 фильтра, в результате чего стенка корпуса фильтра будет проходить выше и ниже фильтрующего элемента 16.
Фильтрующее устройство 10, показанное на фиг. 1, может быть расположено в сосуде 30 для жидкости так, чтобы основание 15 корпуса фильтра или фильтрующий элемент 16 примыкали к основанию сосуда 30 для жидкости. Кроме того, фильтрующее устройство 10 может находиться в колодце насоса сосуда 30 для жидкости. Если фильтрующий элемент 16 расположен так, чтобы находиться у основания сосуда 30 для жидкости, то жидкость из сосуда 30 для жидкости может высасываться почти полностью, поскольку жидкость собирается на основании сосуда 30 для жидкости. В случае соответствующего расположения фильтрующего устройства 10 в сосуде 30 для жидкости, следует обеспечить, чтобы фильтрующий элемент 16 был соединен по текучей среде с внутренним пространством сосуда 30 для жидкости, например, за счет разделения фильтрующего элемента 16 и основания сосуда 30 для жидкости друг от друга зазором.
Кроме того, можно также установить второй фильтрующий элемент 16 вместо основания 15 корпуса фильтра, в результате чего корпус 11 фильтра будет закрыт двумя фильтрующими элементами.
Кроме того, основание 15 корпуса фильтра может быть выполнено эластичным, то есть деформируемым, в результате чего в случае всасывания через соединение 17 выпуска жидкости объем между основанием 15 корпуса фильтра и фильтрующим элементом внутри фильтра уменьшается. Благодаря этому по меньшей мере часть объема, охватываемого корпусом 11 фильтра, можно использовать как резервный объем в случае кратковременного осушения фильтрующего устройства 10. Кратковременное осушение фильтрующего устройства возможно может быть вызвано, например, в результате операций динамичного движения. За счет временной непроницаемости для воздуха фильтрующего элемента 16, поскольку он, как правило, все еще находится в состоянии, смоченном жидкостью, создаваемый перепад давления и упругость основания 15 корпуса фильтра можно использовать для подачи другой части объема, который охвачен корпусом 11 фильтра. Основание 15 корпуса фильтра может содержать, например, каучук или каучуковую смесь.
На фиг. 2 показан вид сверху фильтрующего устройства 10 по второму варианту настоящего изобретения. В случае фильтрующего устройства, показанного на фиг. 2, соединение 17 выпуска жидкости не показано для упрощения. Однако нет необходимости упоминать, что фильтрующее устройство 10 по второму варианту изобретения также содержит соединение 17 выпуска жидкости.
В случае фильтрующего устройства 10, показанного на фиг. 2, корпус 11 фильтра содержит теплопроводные стержни 23, которые отходят радиально от корпуса 11 фильтра, и нагревательное устройство 20 содержит по меньшей мере один нагревательный элемент 22, который прикреплен к внутренней стороне 14 корпуса 11 фильтра. Как показано на фиг. 2, может иметься множество нагревательных элементов 22, которые прикреплены к внутренней стороне 14 и расположены с угловым интервалом друг от друга. Альтернативно, можно использовать нагревательный элемент 22, проходящий вокруг внутренней стороны 14.
Нагревательный элемент 22, прикрепленный к внутренней стороне 14 корпуса 11 фильтрующего элемента, обеспечивает особенно эффективное нагревание объема таяния, который расположен внутри корпуса 11 фильтра. Наличие теплопроводных стержней 23 позволяет более эффективно нагревать пространство, окружающее корпус 11 фильтра, что позволяет особенно эффективно растопить лед, окружающий корпус 11 фильтра.
Все нагревательные элементы 21, 22, показанные на фиг. 1 и 2, могут быть, например, резистивными нагревательными элементами 21, 22, которые нагреваются в соответствии с омическим принципом при пропускании через них электрического тока.
Кроме того, нагревательные резистивные элементы 21, 22 могут быть выполнены как известные нагревательные элементы с положительным температурным коэффициентом, т.е., так называемые ПТК-термисторы. Нагревательные элементы с положительным тепловым коэффициентом дают преимущество, заключающееся в том, что они работают как требуется только при постоянном рабочем напряжении, в результате чего сопротивление такого нагревательного элемента с положительным температурным коэффициентом растет с увеличением температуры и, следовательно, выход теплоты нагревательного элемента с положительным температурным коэффициентом падает. Поэтому эффективно предотвращается перегрев таких нагревательных элементов с положительным температурным коэффициентом.
Альтернативно и/или дополнительно, можно также встроить нагревательное устройство 20 в корпус 11 фильтра. Для этого, например, можно расположить на и/или встроить во внутреннюю и/или внешнюю поверхность и/или внутрь материала стенки, нагревательные элементы в форме нагревательной проволоки, которые предпочтительно электрически изолированы от корпуса 11 фильтра. Корпус фильтра выполнен из пластика с высокой теплопроводностью или содержит такой пластик.
И нагревательные элементы 20, 21, 22 и корпус 11 фильтра, включая возможно имеющиеся теплопроводные стержни 23, могут быть заключены в пластик. Если корпус 11 фильтра и/или нагревательные элементы 20, 21, 22 сформированы из металла, они эффективно защищены от коррозии за счет пластиковой оболочки.
На фиг. 3 показано сечение сосуда 30 для жидкости по настоящему изобретению, в частности, для водного раствора мочевины. Сосуд 30 для жидкости содержит буферное хранилище 31 в форме выгородки 31, которая в рабочем положении находится на основании сосуда 30 для жидкости. Кроме того, сосуд 30 для жидкости содержит узел 40 подачи жидкости в форме насоса, который расположен в буферном хранилище 31, и два фильтрующих устройства 10, расположенных на основании за пределами буферного хранилища в рабочем положении и которые в каждом случае соединены линией 32 с узлом 40 подачи жидкости. Кроме того, в буферном хранилище 31 дополнительное фильтрующее устройство 10 расположено в области основания буферного хранилища и это дополнительное фильтрующее устройство также соединено линией 32 с узлом 40 подачи жидкости. Кроме того, сосуд 30 для жидкости содержит клапан 50, который в каждом случае соединен по текучей среде с фильтрующим устройством 10 за пределами буферного хранилища 31, а кроме того, с фильтрующим устройством 10, расположенным в буферном хранилище 31, и, кроме того, с узлом 40 подачи жидкости.
Перечень позиций
10 - фильтрующее устройство
11 корпус фильтра/теплопроводное тело/резистивный нагревательный элемент
12 - сквозное отверстие (корпуса фильтра)
13 - внешняя сторона (корпуса фильтра)
14 - внутренняя сторона (корпуса фильтра)
15 - основание корпуса фильтра
16 - фильтрующий элемент/тканевый фильтр
17 - соединение выпуска жидкости
20 - нагревательное устройство
21, 22 - нагревательный элемент/нагревательный резистивный элемент/нагревательный элемент с положительным температурным коэффициентом
23 - теплопроводный стержень
30 - сосуд для жидкости
31 - буферное хранилище/выгородка (сосуда для жидкости)
40 - узел подачи жидкости
50 - клапан