CN101444689B - 空气过滤器及其应用,空气过滤器的设计方法及工作方法 - Google Patents

Abstract

按本发明的空气过滤器(1)有一个围绕空气过滤腔(14)的空气过滤器外壳(2)，空气过滤腔(14)包括环境空气容腔(3)和通过过滤装置(5)与环境空气容腔(3)隔开的清洁空气容腔(4)。至少围绕环境空气容腔(3)的空气过滤器外壳(2)内侧(10)有肋(11)。环境空气容腔(3)在空气过滤器(1)工作时沿一个流动方向流过空气，以及肋(11)的区段平行于所述流动方向和弯曲地排列。

Description

空气过滤器及其应用,空气过滤器的设计方法及工作方法

技术领域

本发明涉及一种空气过滤器，它应用于净化例如在内燃机、燃料电池或其他装置中为燃料转化必需的过程空气。本发明还涉及这种空气过滤器的应用、这种空气过滤器的设计方法和这种空气过滤器的工作方法。

背景技术

过程空气在这里和在下文中尤其是指，供给转化过程或化学反应例如燃烧的空气，而且空气本身参与转化过程。

空气过滤器的任务是，在过程空气供给转化过程前，从过程空气去除杂质和尤其还有水。这种空气过滤器例如由DE10200673B4已知用作汽车空气滤清器，以净化发动机的燃烧空气。这种汽车空气滤清器的内侧通常设交叉的增强肋，它们稳定并增强空气过滤器的外壳，并因而减少脉动激发的噪声。

在这种空气过滤器中往往存在这样的问题，即，只有空气过滤器比较小的部分真正流过抽吸的空气，以及这些空气在流过空气过滤器后还含有比较多的水分。尤其当汽车在雨中行驶时这将导致工作故障和甚至发动机损坏。此外还要考虑到功率损失、提前更换过滤器和提前置换空气测量传感器。

发明内容

因此本发明的目的是，提供一种空气过滤器，它保证可靠地从过程空气去除杂质和水。此外应提供一种设计这种空气过滤器的方法及其工作方法。

按本发明此目的首先通过一种空气过滤器来实现，它有一个围绕空气过滤腔的空气过滤器外壳，空气过滤腔包括环境空气容腔和通过过滤装置与环境空气容腔隔开的清洁空气容腔，其中，至少围绕环境空气容腔的空气过滤器外壳内侧有肋，以及，环境空气容腔在工作时沿一个流动方向流过空气，以及肋的区段平行于所述流动方向地和弯曲地设置。

在这里，肋弯曲意味着在内侧平面中的一条曲线，肋沿此曲线布置。换句话说：肋竖立在过滤器内侧并与之连接的那些区域，在内侧上构成弧形曲线。

按本发明的基本思想，应尽可能使空气过滤器的整个容腔流过气流，为的是最佳地利用它的工作能力。此外气流不应当重新拖动已经存积在过滤器中的微粒和水分。为此应力求气流有尽可能少的涡流。涡流在过滤器外壳横向于气流的部分处产生，例如在过滤器外壳的增强肋处产生。此外，气流的突然制动也是产生涡流和造成空气过滤器中附加压降的起因，后者例如对发动机功率造成负面作用。

按本发明，按传统的方式彼此规则间隔并交叉地设在过滤器外壳内侧上的增强肋，现在附加地利用于使流入的空气按期望的轨道转向并造成一种循环气流，它流过整个过滤器容腔并与此同时产生较小的涡流。

为此，肋至少部分区段地平行于空气所期望的流动方向弯曲。它们的高度还可以沿过滤器外壳内侧以这样的方式改变，即，它们能最佳地支持循环气流的形成，并与此同时有良好的过滤效果和外壳高的稳定性。

按本发明的空气过滤器的优点是，弯曲的肋可以使气流平稳、少涡流地通过过滤器容腔，此外气流有非常均匀的速度分布。因为气流没有被横向竖立的肋持续制动，所以它的速度总体上比较高，这导致过滤器中小的压降并因而提高了过程效率。

此外，平行于流动方向布置的肋，导致微粒和水分尽管可以沉积在肋上，但是与此同时由于缺少涡流所以仅有小量被重新卷起和回到气流中。此外，通过气流沿弯曲的轨道导引，从而能流过整个过滤器容腔。由此在总体上达到最佳地利用过滤器工作能力，其结果是能有效地净化吸入的过程空气。因此防止转化过程的故障，如内燃机由于侵入水造成功能故障，并延长过滤器和空气测量传感器的使用寿命。

肋的区段可例如弯曲成圆形、椭圆形或螺旋形，取决于过滤器外壳的形状，肋的形状有利地也是类似的弧形曲线，它们有助于形成涡流尽可能少的平稳的气流。

有利地，肋设计为提高空气过滤器外壳刚度的增强肋。这样做的优点是，肋可以同时使用于增强过滤器外壳和导向气流。

按一种有利的实施形式，围绕环境空气容腔的空气过滤器外壳有一个供在气流中随同流动的微粒用的沉降槽。沉降槽有利地有一个出口，尤其聚集在沉降槽中的水可以通过它排出。

应有利的是，在沉降槽的区域内设互相交叉的肋，以便促进微粒和水分的存积。在沉降槽内互相交叉的肋至少不会如在沉降槽外部那样产生干扰，因为部分气流在沉降槽上方扫过。因此存积在沉降槽内或从空气过滤器其他区域来到沉降槽中的微粒不会轻易地被重新卷起并回到气流中。

肋在沉降槽区域之外有利地互不交叉，因为交叉的肋总会造成横向于气流竖立的肋段，并因而使气流以不希望的方式制动和产生涡流。

一种按本发明设计空气过滤器的方法有下列步骤：首先在计算机上制作一个用于空气过滤器的空气过滤器外壳的模型，其中，空气过滤器外壳围绕一个空气过滤腔，后者包括环境空气容腔和通过过滤装置与环境空气容腔隔开的清洁空气容腔。至少围绕环境空气容腔的空气过滤器外壳模型内侧有肋，以及，肋的区段平行于流动方向和弯曲地排列。在建立的模型上，至少模拟在工作时在围绕环境空气容腔的内部产生的气流。优化肋的形状和配置，使肋不仅提高空气过滤器外壳的刚度，而且产生一种具有近似循环流动的流场，在该流场中空气流应流过环境空气容腔尽可能大的部分。

在这里，循环流动不仅理解为有圆形流线的流动，而且也指其他任何流动，只要空气沿一个比较规则地弯曲的轨道基本上通过整个环境空气容腔导引。

有利地，优化肋的形状和配置，使得在流场任何地点的流速与平均流速的差异尽可能小。以此方式产生一个特别均匀的速度场。

按本发明的空气过滤器工作方法，此空气过滤器有一个围绕空气过滤腔的空气过滤器外壳，空气过滤腔包括环境空气容腔和通过过滤装置与环境空气容腔隔开的清洁空气容腔，按此方法，空气吸入环境空气容腔内以及气流在环境空气容腔中通过弯曲地排列的肋导引。

在这里按一种有利的实施形式，被气流带动的微粒存积在围绕环境空气容腔的空气过滤器外壳的一个沉降槽内。这尤其有利于收集水分，因为聚集在沉降槽中的水可以通过出口非常方便地从空气过滤器排除。但这种出口也可以使用于去除存积在沉降槽中的微粒。

按本发明的空气过滤器适合作为汽车的空气滤清器在汽车内净化过程空气。它同样适用于净化内燃机的燃烧空气。在这方面例如可以设想，将空气过滤器使用于净化供给燃料电池的过程空气，或使用于净化汽车或其他机器的内燃机的燃烧空气。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明的实施例，附图中：

图1示意表示通过按先有技术的汽车空气滤清器的横剖面；

图2示意表示按图1的汽车空气滤清器局部的透视图；

图3示意表示按本发明一种实施形式的汽车空气滤清器局部透视图；

图4A和4B分别示意表示按先有技术和按本发明一种实施形式的汽车空气滤清器模型；以及

图5A和5B分别表示按图4A和4B的模型的工作模拟结果。

具体实施方式

图1所示按先有技术的汽车空气滤清器1，有一个围绕空气过滤腔14的空气过滤器外壳2。在这里，空气过滤腔14分为环境空气容腔3和净化空气容腔4，其中，净化空气容腔4就流动介质而言连接在环境空气容腔3的下游，以及通过过滤装置5，例如滤垫，与环境空气容腔3隔开。

由发动机吸入的空气通过进口管6进入空气过滤器外壳内，并经过出口管7重新从这里排出。在环境空气容腔3内，尤其在过滤器外壳2的底部12，沉积一些吸入的空气中的微粒。例如包含在吸入的空气中的水分凝结在过滤器外壳2的内侧10上。为了收集这种水分，过滤器外壳2典型地有一个沉降槽8，按图示的例子它设有出口9。出口9可例如有图中未表示的阀，聚集在沉降槽8内的水可以通过它排出。

为了稳定和尤其为了减少脉冲引起的噪声，空气过滤器外壳2用肋11增强，它们互相交叉地设在空气过滤器外壳2内侧10和尤其在环境空气容腔3的内侧10。考虑到在汽车中只有非常有限的结构空间可供使用，肋11设在空气过滤器外壳2的内部。

图2示意表示按先有技术围绕环境空气容腔3的空气过滤器外壳2透视图。在这里肋11可以看得特别清楚，它们格栅状地排列在空气过滤器外壳2内侧10上以及互相交叉。

这种已知的结构如已指明的那样有下述缺点：在工作时沿环境空气容腔3内一个流动方向流入环境空气容腔3内用箭头13示意表示的空气，在部分横向于流动方向竖立的肋10处强烈卷起，从而使气流在进入环境空气容腔3内后很快地生成涡流并向上偏转。由此一方面气流强烈制动，其结果是，只真正流过并利用小部分过滤器容腔，并在汽车空气滤清器1的内部产生比较大的压降，这对于发动机的效率造成负面的影响。另一方面形成涡流带来的缺点是，空气中沉积在肋上的微粒不断重新卷起并返回到气流中。此外，形成涡流还引发巨大的噪声。

图3示意表示按本发明一种实施形式的围绕环境空气容腔3的空气过滤器外壳2透视图。在空气过滤器外壳2内侧10设一些肋11，在这里仅示意表示了它们中的几个。在空气过滤器外壳2底部12上的肋11布置并成形为，使它们有助于和/或产生在环境空气容腔3内循环的气流。为此，肋11至少区段平行于用箭头13示意表示的循环流排列并弯曲成形。

因此，肋11在底部12的平面内沿一个方向弯曲。它们附加地还可以沿另一个方向弯曲，也就是在它们顺着底部12进入沉降槽8中的地方。

图3中只示意表示了不多的几个肋11。尤其在底部12上可以布置许多肋11，它们基本上互相平行延伸并沿相同的方向弯曲或成弧形。

经进口管6进入环境空气容腔3内的空气，通过弯曲的肋11沿着与循环流动相应的轨道转向。因此气流在进入空气过滤器外壳2时已不再被横向竖立的肋11制动，而是使气流沿轨道转向，沿此轨道气流只遭遇比较小的速度损失，以及沿此轨道它几乎流过整个环境空气容腔3。因此肋11沿其绝大部分尺寸平行于空气的流动方向竖立。

为此，肋11圆形、椭圆形、螺旋形或按其他方式与空气过滤器外壳2的形状相适应地弯曲，以及基本上延伸为使它们互相不交叉。反之，在沉降槽8的区域内肋11互相交叉可以是有利的，因为它们在有些情况下可以促进微粒的沉积和水分的凝结。在其余的环境空气容腔3内，在空气中随动的微粒存积在肋11上，它们随着时间的推移部分朝沉降槽8的方向流动或运动。

不仅只是在空气过滤器外壳2底部12上的肋11可以弯曲地排列，而且在其余内侧10上的肋11也可以弯曲排列，它们也可以水平排列。但是在图3中在空气过滤器外壳2壁上的肋11，如在先有技术中那样，表示为直的和垂直的。根据空气过滤器外壳2的形状，决定什么样的肋11对环境空气容腔3内的气流有特别大的影响，并在必要时应设计成弯曲的。

按本发明，肋11同时满足两项任务。一方面肋11稳定并增强空气过滤器外壳2。另一方面通过它们的形状和布局在空气过滤器外壳2内部造成期望的空气流动。为了确定肋11的尽可能最佳地满足两项任务的布局，按本发明实施模拟。

图4和5表示这种模拟的结果。图4表示汽车空气滤清器1的模型，其中，图4A表示传统的汽车空气滤清器1的模型，而图4B表示按本发明一种实施形式的模型。相应地，图5A或5B表示按图4A或4B的模型模拟的工作结果。

在图4A中表示的按先有技术的空气过滤器外壳2，在其内侧设有肋11，它们互相按规则的间隔以格栅的方式交叉，而在图4B中表示的按本发明一种实施形式的空气过滤器外壳2有局部弯曲的肋11，它们基本上只在沉降槽8区域内互相交叉。

由图5A所示的模拟结果可以看出，气流在按先有技术的空气过滤器外壳2内，如何比较快地被横向竖立的肋11以及后来被空气过滤器外壳2与进口管6对置的那个内壁制动。相当大部分的环境空气容腔3，亦即在图5A中在后面的那一部分，根本没有被吸入的空气流过。如已指出的那样，有些空气过滤器外壳仅流过可供使用容腔的四分之一。

图5B表示与之对比的情况，在按本发明实施形式的空气过滤器外壳2中，气流在环境空气容腔3内基本上循环流动。在进口管6后面弯曲和比较高的肋11，促使气流在环境空气容腔3内不强烈制动地循环，几乎流过整个环境空气容腔3，并因而最佳地利用空气过滤器1的工作能力。

所述的模拟还说明，与传统的空气过滤器相比，在按本发明的空气过滤器1中，空气有更加均匀的速度分布。气流在通过进口管6进入传统的空气过滤器中后，其速度急剧下降并在环境空气容腔3的一些区域内几乎为零，而按本发明的肋11则造成气流在环境空气容腔3内处处有非常均匀的速度分布。

因此按本发明的汽车空气滤清器1利用率特别高。此外，在其中只产生比较小的压降，这对于发动机功率起积极的作用。

附图标记列表

1 汽车空气滤清器

2 空气过滤器外壳

3 环境空气容腔

4 净化空气容腔

5 过滤装置

6 进口管

7 出口管

8 沉降槽

9 沉降槽出口

10 内侧

11 肋

12 底部

13 箭头

14 空气过滤腔

Claims (18)

1.一种空气过滤器(1)，它有一个围绕空气过滤腔(14)的空气过滤器外壳(2)，空气过滤腔(14)包括环境空气容腔(3)和通过过滤装置(5)与环境空气容腔(3)隔开的清洁空气容腔(4)，其中，至少围绕环境空气容腔(3)的空气过滤器外壳(2)内侧(10)有肋(11)，以及，环境空气容腔(3)在工作时沿一个流动方向流过空气，以及肋(11)的区段平行于所述流动方向地和弯曲地设置。

2.按照权利要求1所述的空气过滤器(1)，其中，肋(11)的区段圆形弯曲。

3.按照权利要求1所述的空气过滤器(1)，其中，肋(11)的区段螺旋形弯曲。

4.按照权利要求1所述的空气过滤器(1)，其中，肋(11)设计为提高空气过滤器外壳(2)刚度的增强肋。

5.按照权利要求1所述的空气过滤器(1)，其中，围绕环境空气容腔(3)的空气过滤器外壳(2)有一个供在气流中随同流动的微粒的沉降槽(8)。

6.按照权利要求5所述的空气过滤器(1)，其中，沉降槽(8)有一个出口(9)。

7.按照权利要求5所述的空气过滤器(1)，其中，肋(11)在沉降槽(8)的区域内互相交叉。

8.按照权利要求5所述的空气过滤器(1)，其中，肋(11)在沉降槽(8)区域之外互不交叉。

9.按照权利要求1至8之一所述空气过滤器(1)的一种应用，它作为汽车的空气滤清器在汽车内净化过程空气。

10.按照权利要求1至8之一所述空气过滤器(1)的一种应用，它用于净化内燃机的燃烧用空气。

11.一种有按照权利要求1至8之一所述的空气过滤器(1)的汽车。

12.一种空气过滤器(1)的设计方法，有以下步骤：

-制作一个用于空气过滤器(1)的空气过滤器外壳(3)的模型，其中，该空气过滤器外壳(2)围绕一个空气过滤腔(14)，后者包括环境空气容腔(3)和通过过滤装置(5)与该环境空气容腔(3)隔开的清洁空气容腔(4)，以及其中，至少围绕环境空气容腔(3)的空气过滤器外壳(2)内侧(10)有肋(11)，以及，肋(11)的区段平行于流动方向地和弯曲地设置，

-模拟在工作时至少在围绕环境空气容腔(3)内部产生的气流，

-优化肋(11)的形状和配置，使肋(11)不仅提高空气过滤器外壳(2)的刚度，而且产生一种具有近似循环流动的流场，此时空气流过环境空气容腔(3)尽可能大的部分。

13.按照权利要求12所述的方法，其中，优化肋(11)的形状和配置，使得在流场任何地点的流速与平均流速的差异尽可能小。

14.一种空气过滤器(1)的工作方法，此空气过滤器(1)有一个围绕空气过滤腔(14)的空气过滤器外壳(2)，该空气过滤器腔(14)包括环境空气容腔(3)和通过过滤装置(5)与该环境空气容腔(3)隔开的清洁空气容腔(4)，其中，空气被吸入环境空气容腔(3)内，以及空气流在环境空气容腔(3)中通过设置成弯曲状的肋(11)来导引。

15.按照权利要求14所述的方法，其中，空气流沿局部呈圆形的轨道导引。

16.按照权利要求14或15所述的方法，其中，空气流沿局部呈螺旋形的轨道导引。

17.按照权利要求14所述的方法，其中，空气流所携带的微粒存积在围绕环境空气容腔(3)的空气过滤器外壳(2)的一个沉降槽(8)内。

18.按照权利要求17所述的方法，其中，存积在沉降槽(8)中的微粒通过一出口(9)从空气过滤器外壳(2)中排除。

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