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Die
Erfindung betrifft einen Luftfilter nach der Galtung des Patentanspruchs.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Desorption eines
in einem derartigen Luftfilter eingesetzten Adsorberelements gemäß der Galtung
des Patentanspruchs 8.
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Wesentliches
Entwicklungsziel bei modernen Brennkraftmaschinen ist eine Reduktion
der Schadstoffemission. Bisherige Entwicklungsaktivitäten hatten
vor allem eine Optimierung des Abgasreinigungssystems zum Ziel.
Moderne Abgasreinigungssysteme erzielen inzwischen Umwandlungsraten
für Schadstoffe
von über
97%.
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Die
DE 34 13 779 A1 beschreibt
einen Träger für Kontaktstoffe
zur Beschleunigung der chemischen Umsetzung von umweltschädlichen
zu unschädlichen
chemischen Verbindungen in Abgasen von Verbrennungsmotoren. Hierzu
wird der Kontaktstoffträger
zur Beschleunigung der Umsetzung in wechselnde Richtungen bewegt
und/oder auch geheizt.
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Es
wird ferner in diesem Stand der Technik ein Katalysator zur Beschleunigung
der Umsetzung von chemischen Verbindungen in Abgase von Verbrennungsmotoren
beschrieben, bei dem vor dem Kontaktstoffträger eine Vorrichtung zum Aufheizen des
aus dem Verbrennungsmotor stammenden Abgases angebracht ist, damit
die erforderliche Mindestenergie für die Umsetzung auch bei kaltem
Abgas verfügbar
ist.
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Die
zunehmende Luftverunreinigung hat nahezu in allen Staaten dazu geführt, dass
der Schadstoffausstoß begrenzt
wurde und immer stärker
limitiert wird. Um die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit zu
garantieren, wurden unterschiedliche Grenzwerte erarbeitet. So existiert
in den USA bezüglich
der Grenzwerte beispielsweise die Kategorie ULEV (Ultra Low Emission
Vehicle), SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle) und die Kategorie
mit den derzeit strengsten Werten, PZEV (Partial Zero Emission Vehicle).
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Im
Zuge der oben geschilderten SULEV/ULEV-Problematik ist es jedoch
nachteilig, dass beispielsweise die im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine
vorhandenen Kohlenwasserstoffe bei Stillstand des Motors in die
Umwelt gelangen können. Die
auftretenden Emissionen an Kohlenwasserstoffen sind ggf. zu minimieren
um die gesetzlichen Grenzwerte einzuhalten. Ebenso ist eine Reinigung der
Luft von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, welche in den Innenraum
von Kraftfahrzeugen geleitet wird, zur Verringerung des Krebsrisikos
der Passagiere erwünscht.
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Zur
Lösung
dieses Problems werden in Luftführungen
und Luftfiltergehäusen
Bauteile mit adsorbenshaltigen Filterelementen eingesetzt. Üblicherweise
sind die Luftführungskanäle dabei
aus Kunststoffen hergestellt. Die eingesetzten. Filterelemente sollen
HC-Emissionen reduzieren und/oder den Austritt auftretender HC-Emissionen
verhindern. Die Filterelemente sind meist als Faltenfilter, als
Feststruktur auf keramischer Basis, als adsorbenshaltiges Pressmaterial
oder als Adsorbensschüttung
ausgeführt.
Sie benötigen
dadurch ein speziell für
den Filtertyp angepasstes Gehäuse
und müssen
mit den Luftführungen
in einem zusätzlichen
Produktionsschritt bzw. Konfektionierungsschritt verknüpft werden.
Die gängigen
Filterelemente wie zickzackförmig gefaltete
Filter sind üblicherweise
als Wechselfilter ausgeführt.
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Die
US 2003/082824 A1 zeigt
einen Luftführungskanal
mit einem integrierten Kohlenwasserstoff-Sensor und -Sammler. Dieser
ist scheibenförmig
aufgebaut und sitzt inline im Luftstrom, welcher durch den Luftführungskanal
strömt.
Das Adsorberelement weist eine wabenförmige Struktur auf und ist bevorzugt
aus Aktivkohle oder Aktivkohle in Verbindung mit einem Bindemittel
gefertigt.
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Nachteilig
sind bei all diesen Lösungen
der hohe Fertigungsaufwand, der teilweise recht hohe Druckverlust
und die spezielle Anpassung der Gehäuse und Luftführungskanäle an die
Adsorberelemente. Ein weiteres Problem ist die Notwendigkeit der
Desorption der Adsorberelemente, welche üblicherweise während des
Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgt. Bei einem durchströmten Adsorberelement
ist der Druckverlust recht hoch, dafür ergibt sich eine gute Desorptionsrate
und bei einem nur angeströmten
Adsorberelement ergibt sich eine nicht ausreichende Desorptionsrate.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Luftfilter und ein Verfahren
zu schaffen, die geeignet sind, den Emissionsausstoß weiter
zu verringern. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und
8 gelöst.
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Die
Erfindung betrifft einen Luftfilter, insbesondere Luftfilter für eine Brennkraftmaschine,
aufweisend ein Gehäuse
mit einem Rohlufteinlass und einem Reinluftauslass, wobei zwischen
Rohlufteinlass und Reinluftauslass ein Filterelement dichtend angeordnet
ist. Weiterhin ist ein Adsorbenspartikel aufweisendes Element an
einer inneren Gehäusewandung
des Gehäuses
angeordnet, wobei das Element innerhalb eines vorgegebenen Bewegungsspielraumes
relativ zur Gehäusewandung
schwingend beweglich ist. Durch die relativ zur Gehäusewandung
schwingende Anordnung des Adsorbenspartikel aufweisenden Elementes
wird das Element im Betrieb der Brennkraftmaschine durch die Pulsation der
Ansaugluft zu einer Schwingung angeregt, wodurch eine Zwangsdurchströmung des
Elementes erfolgt und diese dann für eine guten Desorption des Adsorbenspartikel
aufweisenden Elementes sorgt. Das Adsorbenspartikel aufweisende
Element kann dabei lösbar
oder unlösbar
mit der inneren Gehäusewandung
verbunden sein und ist bevorzugt auf der Reinluftseite des Luftfiltergehäuses angeordnet.
Dadurch erfolgt keine Verblockung des Adsorbenspartikel aufweisenden
Elementes durch Staub- und Schmutzpartikel, wodurch das Adsorbenspartikel aufweisende
Element zu einem Lebensdauerelement werden kann. Die Adsorbenspartikel
können beispielsweise
aus Aktivkohle, aus Zeolithen oder aus Silicagel gebildet sein.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass das Adsorbenspartikel aufweisende Element
nicht direkt im Strömungsweg
der Luft zwischen Ein- und Auslass angeordnet ist und so keinerlei
Druckverluste durch das Element produziert werden. Das Element wird
zwar durch die Pulsation zwangsdurchströmt, aber durch die quasi im
Nebenschluss angeordnete Einbauposition wird die Strömung durch
das Hauptfilterelement nicht gestört.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist das Adsorbenspartikel aufweisende
Element ein Flachfilterelement mit einem zickzackförmig gefalteten
Adsorbermedium. Das die Adsorbenspartikel aufweisende Medium kann
dabei ein Filterpapier oder auch ein teilsynthetisches oder vollsynthetisches
Medium sein. Die Adsorbenspartikel können beispielsweise mit dem
Trägermedium über eine
Klebverbindung fest verbunden sein oder aber auch zwischen zwei
Trägermedien,
welche miteinander verbunden werden, immobilisiert sein. Derartige
Flachfilterelemente mit zickzackförmig gefaltetem Adsorbermedium
sind im Stand der Technik wohlbekannt und können einfach und kostengünstig hergestellt
werden.
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Alternativ
hierzu kann das Adsorbenspartikel aufweisende Element ein flacher,
im Wesentlichen plattenförmig
geformter, schaumbasierter Filter sein. Hierbei wird zuerst das
Kunststoffmaterial in die passende Form geschäumt und im Anschluss wird beispielsweise
die Aktivkohle durch beispielsweise ein Klebverfahren mit den Poren,
welche das schaumbasierte Medium durchziehen, verbunden. Auch derartige
Medien sind im Stand der Technik wohlbekannt. Die Aktivkohle kann
jedesmal als beispielsweise Splitteraktivkohle in Granulatform oder
als Kugel-Aktivkohle verwendet werden.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass an zwei im Wesentlichen
gegenüberliegenden Umfangsseiten
des Adsorbenspartikel aufweisenden Elementes ein wenigstens einmal
geknicktes Seitenband angeordnet ist. Dabei ist jeweils eine erste
Fläche
des Seitenbandes mit einer der Umfangsseiten des Elementes verbunden,
und eine zweite Fläche wenigstens
durch einen Knick von der ersten Fläche getrennt ist mit der Innenwandung
des Gehäuses verbunden.
Das Seitenband kann dabei aus dem Filtermedium selbst bestehen,
es kann aber auch aus einem Papier oder Kunststoff bestehen und
mit den Umfangsseiten des Elementes und der Innenwandung des Gehäuses durch
eine Kleb- oder Schweißverbindung
verbunden werden. Weiterhin ist es möglich, dass das Seitenband
einstückig
mit dem zickzackförmig
gefalteten Filtermedium verbunden ist und im Prinzip eine überschüssige Falte
darstellt. Durch die Verbindung des Elementes mit der Innenwandung
des Gehäuses über ein
Seitenband ergibt sich durch die Flexibilität des Seitenbandes, welches in
etwa mit einem Filmscharnier zu vergleichen ist, eine relative Beweglichkeit
des Elementes gegenüber
der Gehäusewandung.
Es ist weiterhin möglich als
Seitenband ein elastisches Medium zu verwenden, um so eine einfachere
Schwingungsanregung zu realisieren. Bevorzugt ist dabei das Element über das
Seitenband unlösbar
mit dem Gehäuse
verbunden. Es ist jedoch auch möglich,
diese Verbindung über
eine Schraub- oder Clipsverbindung zu realisieren, so dass das Element
im Bedarfsfall ausgetauscht werden kann.
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Alternativ
hierzu ist das Seitenband nur an einer der Umfangsseiten des Elementes
angeordnet und dort über
die zweite Fläche
mit der Innenwandung des Gehäuses
verbunden, wobei die gegenüberliegende
Seite des Elementes frei durch ein im Gehäuse korrespondiert angeordnetes
Gegenlager im Gehäuse
gehalten wird. Die weiteren Umfangsseiten des Gehäuses weisen
also ebenfalls einen Abschluss zur Abdichtung der Falten voneinander
auf. Das Element wird allerdings beim Einbau erst an der ersten
Umfangsseite mittels des im Gehäuse
angeordneten Gegenlagers fixiert und an der gegenüberliegenden
Seite dann über
das überstehende
Seitenband, welches die durch einen Knick abgetrennte zweite Fläche aufweist,
mit der Innenwandung des Gehäuses
verbunden. Das Gegenlager kann hierbei beispielsweise ein Hinterschnitt
im Gehäuse
oder beispielsweise eine Art Führungsschiene,
welche zusätzlich
im Gehäuse
angebracht ist oder einstückig mit
dem Gehäuse
verbunden ist, darstellen.
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Eine
weitere alternative Ausgestaltung besteht darin, dass das Adsorbenspartikel
aufweisende Element umfangsseitig von einem Rahmen umfangen ist,
wobei der Rahmen über
Federmittel mit der Innenwandung des Gehäuses verbunden ist. Der Rahmen
kann hierbei bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff im
Spritzgießverfahren
hergestellt werden. Es ist jedoch auch möglich, hier beispielsweise
einen Rahmen aus einem anderen Material, welches eine gewisse Mindeststeifigkeit
aufweist, herzustellen. Dabei kann das Element lösbar oder unlösbar mit
dem Rahmen verbunden werden, und der Rahmen weist an der dem Gehäuse zugewandten
Seite ein oder mehrere Federmittel auf, welche mit der Innenwandung
des Gehäuses
verbunden sind. Durch eine Variation der Federkraft des Federmittels
lässt sich
die gewünschte
Schwingungsrate im Betrieb der Brennkraftmaschine vordefinieren,
um so für
jeden Anwendungszweck die gewünschte
Desorptionsrate zu erreichen. Das oder die Federmittel können beispielsweise
Schraubenfedern, Blattfedern, Torsionsfedern oder sonstige im Stand
der Technik bekannten Federmittel sein.
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In
einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist das Adsorbenspartikel
aufweisende Element ebenfalls umfangsseitig von einem Rahmen umfangen,
wobei der Rahmen über
Federmittel mit einer im Inneren des Gehäuses angeordneten Hilfsstruktur verbunden
ist. Der Rahmen und die Federmittel können dem vorherigen Beispiel
entsprechen, und die Hilfsstrukturen können beispielsweise im Gehäuse angebrachte
Verstrebungen oder weitere Funktionselemente sein, mit welchen das
Element über
die Federmittel verbunden wird.
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Ein
Verfahren zur Desorption eines Adsorbenspartikel aufweisenden Elementes
in einem Luftfilter einer Brennkraftmaschine ist durch folgende Schritte
gekennzeichnet: Das Element wird im Nebenschluss zu einem durchströmten Filterelement, welches
eine Reinseite dichtend von einer Rohseite trennt, angeordnet und
durch die Pulsation der angesaugten Luft der Brennkraftmaschine
im Betrieb der Brennkraftmaschine wird das Adsorbenspartikel aufweisende
Element in Schwingung versetzt. Durch die Schwingungen wird eine
weitere Luftströmung
durch das Adsorbenspartikel aufweisende Element induziert, wobei
die im Stillstand der Brennkraftmaschine adsorbierten und verbrannten
Kohlenwasserstoffe aus dem Brennraum der Brennkraftmaschine mittels der
induzierten Luftströmung
aus dem Element desorbiert werden. D. h. im Stillstand der Brennkraftmaschine
strömen
unverbrannte Kohlenwasserstoffe zurück in den Ansaugtrakt, aus
denen sie entfernt werden müssen.
Dies erfolgt durch das im Luftfilter der Brennkraftmaschine im Nebenschluss
angeordnete Element, welches Adsorbenspartikel aufweist, wobei die
unverbrannten Kohlenwasserstoffe durch die Adsorbenspartikel aus
der Luft heraus adsorbiert werden. Mit steigender Adsorbens der
unverbrannten Kohlenwasserstoffe sinkt die weitere Adsorbensfähigkeit
des Adsorbenspartikel aufweisenden Elementes. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine
wird durch die Schwingung des Adsorbenspartikel aufweisenden Elementes
relativ zur Gehäusewandung
ein Luftstrom durch das Element induziert, wodurch die adsorbierten
unverbrannten Kohlenwasserstoffe aus den Adsorbenspartikeln heraus
desorbiert werden und anschließend
im Brennraum verbrannt werden. Durch die sehr vollständige Desorption
bleibt die Adsorptionsfähigkeit
des Elementes erhalten, wodurch das Element auch als Lebensdauerbauteil
ausgeführt
werden kann.
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Diese
und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung
gehen außer
aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen
Merkmale jeweils für
sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
der Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für
sich schutzfähige
Ausführungen
darstellen können,
für die
hier Schutz beansprucht wird.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Luftfilter,
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2 zeigt
einen Schnitt durch ein Gehäuseteil
eines erfindungsgemäßen Luftfilters
mit einer alternativen Befestigungsvariante, und
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3 zeigt
wiederum eine dritte Befestigungsvariante des Adsorbenspartikel
aufweisenden Elementes.
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1 zeigt
einen Luftfilter 10, aufweisend ein unteres Gehäuseteil 11 und
ein oberes Gehäuseteil 12 mit
einem dichtend dazwischen angeordneten Luftfilterelement 13.
Das untere Gehäuseteil 11 und das
obere Gehäuseteil 12 sind über eine
Schraubverbindung 14 miteinander verbunden. Gehalten wird das
Luftfilterelement 13 durch eine erste Anlagekante 15 am
unteren Gehäuseteil 11 und
eine darüber angeordnete
zweite Anlagekante 16 des oberen Gehäuseteils 12. Das Luftfilterelement 13 trennt
einen Lufteinlass 17 im unteren Gehäuseteil 11 dichtend von
einem Luftauslass 18, angeordnet im oberen Gehäuseteil 12.
Mit einer inneren Gehäusewandung 19 des
oberen Gehäuseteils 12 ist
ein Adsorberelement 20 über
Seitenbänder 21 verbunden.
Die Seitenbänder
sind an zwei gegenüberliegenden
umlaufenden Kanten des Adsorberelementes 20 angeordnet,
wobei eine erste Fläche 22 mit
dem Adsorberelement 20 verbunden ist. Die Länge der
ersten Fläche 22 ist
dabei größer als
die Höhe
des Adsorberelementes 20, und das Adsorberelement 20 ist
am der Gehäusewandung 19 abgewandten
Teil der Fläche 22 angeordnet.
Am Ende der ersten Fläche 22 in
Richtung der Gehäusewandung 19 gesehen,
schließt
sich eine zweite Fläche 23 des
Seitenbandes 21 an, welche über beispielsweise eine Kleb-,
Schweiß-
oder Schraubverbindung mit der inneren Gehäusewandung 19 des
oberen Gehäuseteils 12 verbunden
ist. Bevorzugt wird das Seitenband 21 nicht über die
gesamte zweite Fläche 23 mit
der Gehäusewandung 19 verbunden,
sondern nur teilweise im Bereich der der ersten Fläche 22 abgewandten
Seite. Dadurch, dass das Seitenband 21 eine gewisse Flexibilität aufweist, kann
im Betrieb der Brennkraftmaschine, bei der die Luftströmung gemäß den Pfeilen
dargestellt durch das Luftfiltergehäuse strömt, bei einer Pulsation der Ansaugluft
das Adsorberelement 20 im Wesentlichen parallel zur inneren
Gehäusewandung 19 und
relativ dazu schwingen.
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2 zeigt
eine alternative Befestigungsform des Adsorbenspartikel aufweisenden
Adsorberelementes 20 im Schnitt. Der vorherigen Figur entsprechende
Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Hier weist
das Adsorberelement 20 an zwei gegenüberliegenden umlaufenden Kanten
Haltebügel 24 auf,
welche mit Schraubenfedern 25 verbunden sind, wobei diese
wiederum mit der inneren Gehäusewandung 19 verbunden
sind. Dadurch ergibt sich wiederum eine parallel zur inneren Gehäusewandung 19 mögliche Schwingfähigkeit
des Adsorberelementes 20. Die Haltebügel 24 können entweder
nur an den gegenüberliegenden
umlaufenden Kanten des Adsorberelementes 20 angeordnet sein,
oder aber auch einen umschließenden
Rahmen um das Adsorberelement bilden.
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In 3 wird
eine dritte Befestigungsform des Adsorberelementes 20 im
oberen Gehäuseteil 12 im
Schnitt dargestellt. Den vorherigen Figuren entsprechende Bauteile
sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Hier weist das obere
Gehäuseteil 12 eine
einstückig
mit diesem verbundene Haltenase 26 auf, hinter die eine
Stirnkante des Adsorberelementes 20 eingeclipst wird. Die
gegenüberliegende Stirnkante
des Adsorberelementes 20 weist wiederum ein Seitenband 21 auf,
welches analog zur Befestigung in 1 ausgeführt ist.
Bei einer pulsierenden Anregung des Adsorberelementes 20 im
Betrieb der Brennkraftmaschine kann das Element bedingt durch die
Flexibilität
des Seitenbandes 21 und den freien Raum zwischen Ende des
Adsorberelementes 20 in der Haltenase 26 zur inneren
Gehäusewandung 19 eine
relativ zur Gehäusewandung
schwingende Bewegung ausführen.