DE102004021786B4

DE102004021786B4 - Kraftstoff- oder Schmieröl-Filterelement eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102004021786B4
Application number: DE102004021786A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. Kauffmann; Helmut Obertautsch
Original assignee: Mahle Filtersysteme GmbH
Current assignee: Mahle Filtersysteme GmbH
Priority date: 2004-05-03
Filing date: 2004-05-03
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2024-05-04
Also published as: DE102004021786A1

Abstract

Kraftstoff- oder Schmieröl-Filterelement eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit Betriebstemperaturen von über 120°C, insbesondere über 130°C, umfassend ein Filtermaterial und mindestens ein mit dem Filtermaterial (1) als Einfass- und/oder Haltematerial (2) verbundenes Kunststoffmaterial, bei dem
(a) das Filtermaterial (1) als Ring geformt ist und mindestens eine ring- oder kreisförmige Endscheibe (2) aus dem als Einfass- und/oder Haltematerial dienenden Kunststoffmaterial besitzt,
(b) ein radial innen und/oder außen liegender, im Vergleich zu einem angrenzenden Hauptbereich (6) schmaler Bereich (5) aus gegenüber dem Material des Hauptbereiches (6) elastischerem Material als radiale Dichtung wirkend ausgebildet ist, während der Hauptbereich (6) formstabil und starr ausgebildet ist,
(c) das Kunststoffmaterial Polyurethan ist und aus den Komponenten Polyesterpolyol, Polyetherpolyol und hochreinem Isocyanat mit mindestens zwei funktionellen Gruppen besteht,
(d) das Mischungsverhältnis zwischen den das Kunststoffmaterial bildenden Ausgangskomponenten entsprechend der gewünschten elastischen Verformbarkeit und für eine hohe Quelleigenschaft ausschließlich des elastischen Bereiches eingestellt...

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff- oder Schmieröl-Filterelement eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Filterelemente sind häufig als Ringfilterelemente ausgebildet mit einem sternförmig gefalteten Filtermaterial und zwei, die Stirnseiten des Filtermaterials dicht abdeckenden Endscheiben aus Kunststoff. Diese Ringfilterelemente sind radial durchströmbar. Die Endscheiben sind entweder als geschlossene Kreisscheiben oder radial innen offene Ringscheiben ausgebildet. Zumindest eine der Endscheiben muss als eine Ringscheibe ausgebildet sein, um von dem zentralen Innenraum des Filterelementes eine Verbindung nach außen zu ermöglichen. Ein ringförmiges Filterelement ist jeweils in einem Filtergehäuse gelagert, wobei bei einem von radial außen nach radial innen durchströmten Filterelement der Rohraum des zu filternden Mediums zwischen dem Filterelement und dem Gehäuse liegt und der Reinraum sich im Zentrum des Filterelementes befindet. Ist bei der Lagerung des Filterelementes in dem Filtergehäuse zur Verwendung des zentral innenliegenden Raumes des Filterelementes ein von dem Gehäuse durch die Öffnung der ringförmigen Endscheibe greifender Stutzen vorgesehen, so ist eine Dichtung zwischen diesem Stutzen und der Ringscheibe notwendig. Diese Dichtung kann bei einer Kunststoffscheibe durch das Material der Kunststoffscheibe selbst gebildet sein. Für den Fall, dass zur Erzielung einer Verformungssteifheit des Filterelementes möglichst starre Endscheiben gewünscht werden, sind bereits Kunststoffendscheiben bekannt, die lediglich in dem dichtend wirkenden Randbereich aus dichtungswirksamem, weichem Material bestehen, während der übrige Hauptbereich möglichst starr ausgebildet ist.
Aus der DE 197 03 648 A1 ist eine wiederverwendbare Strömungsmittelanordnung bekannt, welche ein zylindrisches Gehäuse mit einer ringförmigen Umfangswand, einem offenen und einem geschlossenen Ende aufweist. Innerhalb der Strömungsmittelanordnung ist ein ersetzbares Filterelement angeordnet, welches eine ringförmige Endkappe am offenen Ende und eine feste Endkappe am geschlossenen Ende besitzt. Die Endkappen sind dabei aus Elastomermaterial, vorzugsweise aus Polyurethanen hergestellt.
Aus der DE 197 10 978 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Polyester-Polyurethanmassen, sowie deren Stabilisierung gegen hydrolytische Alterungserscheinungen durch eine Wirkstoffkombination aus carbodiimidhaltigen Verbindungen mit Lacton-Derivaten sowie daraus hergestellte Formkörper bekannt. Dabei kommen insbesondere organische Polyisocynate zur Herstellung von Polyurethan-Formkörpern zur Anwendung. Beispielsweise Polyisocynate mit aromatisch gebundenen Isocynatgruppen einer mittleren NCO-Funktionalität von zwei bis drei.
Schließlich ist aus der DE 196 08 589 A1 ein Filter für gasförmige und flüssige Medien bekannt, welches aus einem zickzack-förmig gefalteten konischen Filterelement besteht. Dieses Filterelement weist an den stirnseitigen Enden Dichtscheiben mit einer umlaufenden Dichtlippe auf, wobei die Dichtscheibe aus hartem PUR-Schaum und die Dichtlippe aus weichem PUR-Schaum ausgebildet ist.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, bei einem gattungsgemäßen Filterelement den als Einfass- und/oder Haltematerial dienenden Kunststoff in einer möglichst kostengünstig herstellbaren Form auszubilden und zwar unter Berücksichtung der für ein gattungsgemäßes Filterelement erforderlichen Temperaturbeständigkeit für Kraftstoff- und/oder Schmieröl.
Gelöst wird dieses Problem durch ein Filtermaterial mit einer Ausbildung und einem Kunststoff nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Eine vorteilhafte Ausführung ist Gegenstand des Anspruchs 2.
Die Erfindung beruht auf folgender allgemeiner Überlegung.
Polyurethan in der Form von insbesondere Polyurethanschäumen ist als Einfassmaterial bei Filterelementen bereits seit langem allgemein bekannt. Bekannt, weil nur dort dauerbeständig einsetzbar, sind derartige Filterelemente allerdings lediglich bei beispielsweise Kraftfahrzeug-Ansaugluftfiltern. Auf diesem Einsatzgebiet zeichnet sich dieses Kunststoffmaterial durch eine rationelle Herstellbarkeit sowie einen günstigen, vergleichsweise niedrigen Materialpreis aus. Genauso bekannt ist es jedoch allerdings, dass dieser Kunststoff bei gattungsgemäßen Filterelementen mit den dort auftretenden, relativ hohen Temperaturen und einer Beaufschlagung mit Kraftstoff und/oder Schmieröl nicht dauerbeständig einsetzbar ist, das heißt solche Kunststoffe haben sich bisher regelmäßig innerhalb der geforderten Betriebszeiten zersetzt. Hier setzt die Erfindung ein, indem sie nach Möglichkeiten für eine herstellungsmäßige Einstellung dieses Kunststoffes sucht, durch die entgegen allen bisherigen Erwartungen eine ausreichende Dauerbetriebsbeständigkeit gewährleistet ist.
Ausgehend von den für die Herstellung eines Polyurethans bekannten Ausgangskomponenten Polyetherpolyol und Polyesterpolyol konnte durch die Erfindung erstmals festgestellt werden, dass eine solche Dauerbetriebsbeständigkeit durch den Einsatz einer bestimmten Art der üblicherweise zugesetzten Vernetzungskomponente, nämlich Isocyanat erreicht werden kann. Die bestimmte Art besteht darin, dass diese Komponente eine besonders hohe Reinheit haben muss, wodurch erreicht wird, dass bei dieser vernetzend wirkenden Komponente stets mindestens zwei funktionelle Gruppen für die angestrebte Vernetzung sicher zur Verfügung stehen. Die Höhe der zu wählenden Reinheit kann von einem Fachmann ohne weiteres experimentell bestimmt werden und zwar dadurch, dass jeweils die mit einer vorgegebenen Reinheit erzielte Dauerbetriebsbeständigkeit getestet wird. Einzusetzen ist dann diejenige Reinheit, die gemäß Testergebnis für eine bestimmte gewünschte lange Betriebsbeständigkeit erforderlich ist. Die geforderten Betriebsbeständigkeiten sind durch die üblichen Vorgaben der Hersteller von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge bestimmt.
Ein Kunststoffmaterial mit Bereichen unterschiedlicher Eigenschaften, nämlich beispielsweise einem harten Bereich mit hoher Formstabilität und einem weichen, elastischen als Dichtmaterial geeigneten Bereich kann vorteilhafterweise mit den gleichen Grundkomponenten durch eine entsprechend unterschiedliche Mischung, das heißt durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse einfach erreicht werden. Wie die Mischungsverhältnisse zu ändern sind, weiß der für die Herstellung solcher Kunststoffe zuständige Fachmann. So ist für eine hohe Weichheit ein hoher Anteil an Polyetherpolyol bestimmend, während durch einen hohen Polyesterpolyolanteil eine Härtesteigerung erzielt werden kann. Die Vernetzungskomponente Isocyanat wirkt in der gleichen Richtung wie Polyesterpolyol härtend.
Ein Isocyanat, wie es erfindungsgemäß in hoher Reinheit eingesetzt werden muss, lässt sich beispielsweise durch mehrfa che Destillation in einer entsprechend hohen Reinheit erzielen.
Das erfindungsgemäße Kunststoffmaterial besitzt bei einer „weichen" Ausführung, das heißt in einer Ausführung mit einer relativ hohen Elastizität, eine relativ hohe Quellung von beispielsweise 2 bis 3%. Bei einer „harten" Ausführung liegt die Quellung dagegen erheblich niedriger.
Bei einer ring- oder scheibenförmigen Endscheibe bedeutet dies, dass in einer weich gestalteten schmalen Randzone eine gegenüber dem hart ausgeführten Hauptbereich größere Quellung vorliegt. Dies ist in einem Fall, in dem die Randzone radiale Dichtfunktion ausüben soll, nicht nur von Vorteil, sondern zwingend erforderlich, um eine ausreichende Dichtfunktion zu erhalten. Wichtig ist dabei, dass der sich anschließende Hauptbereich eine geringere. Quellung besitzt, das heißt starr und formstabil ist, damit die Endscheibe sich nicht insgesamt in einer unerwünschten Weise verformen kann.
Ein nachstehend noch näher erläutertes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt.
In dieser zeigt die einzige
Fig. einen Schnitt durch eine ringförmige Endscheibe eines lediglich ausschnittweise gezeichneten Ringfilterelementes.
Ein Ringfilterelement ist aufgebaut aus zu einem Ring sternförmig gefaltetem Filterbahnmaterial 1, das an beiden Längsenden stirnseitig durch eine Kunststoffendscheibe 2 gedichtet ist. In der Zeichnung ist das Filterelement in axialer Richtung nur bezüglich eines Endes ausschnittsweise gezeigt. Die dortige Endscheibe 2 ist ringförmig, während die an dem anderen Ende des Filterelementes befindliche Endscheibe beispielsweise eine geschlossene Kreisscheibe sein kann.
Der zentrale Innenraum 3 des Filterelementes ist über einen Stutzen 4 eines nicht gezeichneten Filtergehäuses mit einem außerhalb liegenden Raum verbunden.
Mit einer radial innenliegenden, relativ schmalen Randzone 5 der Endscheibe 2 dichtet diese radial gegenüber dem Stutzen 4. Hierdurch wird ein außerhalb des Ringfilterelementes liegender, beispielsweise Rohraum, mit einem innen in dem zentralen Innenraum 3 liegenden Reinraum getrennt. Bei einer solchen Roh-Reinraumaufteilung wird das Filterelement den in der Zeichnung eingetragenen Strömungspfeilen entsprechend von radial außen nach innen durchströmt.
Um eine möglichst gute Dichtwirkung in dem Randzonenbereich 5 zu erreichen, wird bei der aus Kunststoff bestehenden Endscheibe 2 der radial angrenzende Hauptbereich 6 starr, das heißt formstabil ausgebildet. Der gegenüber dem Hauptbereich 6 weichere Randzonenbereich 5 weist bei Beaufschlagung mit Kraftstoff und/oder Schmieröl ein erheblich höheres Quell verhalten auf als der Hauptbereich 6. Für die Dichtwirkung, die von der Randzone 5 ausgehen soll, ist eine solche Quellung von großem Vorteil, da hierdurch eine feste Anlage zwischen der Randzone 5 und dem Stutzen 4 erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Kunststoffmaterial eignet sich bezüglich der geforderten Beständigkeit insbesondere bei einer Beaufschlagung mit Dieselkraftstoff, der auch in der Form eines Biodieselkraftstoffes vorliegen kann.
Für eine Endscheibe 2 kann beispielsweise ein Kunststoff eingesetzt werden, der aus folgenden Grundkomponenten besteht, nämlich Polyetherpolyol, Polyesterpolyol und einem hochreinen Isocyanat in der Form von beispielsweise MDI (Methylendiisocyanat) oder deren Homologe mit jeweils einem Molekulargewicht von größer oder gleich 250 g/mol.
Hergestellt kann eine erfindungsgemäße Endscheibe 2 beispielsweise wie folgt werden.
In eine Ringform werden durch eine Zweifachdüse für die Bereiche 5 und 6 unterschiedliche Kunststoffmischungen aufgegeben, wobei jede der beiden Mischungen auf die in dem jeweils betreffenden Bereich 5, 6 angestrebten Eigenschaften komponentenmäßig eingestellt ist. Bei der Herstellung kann entweder die Zweifachdüse oder die Form, in der die Endscheibe 2 hergestellt werden kann rotieren. Das heißt im Grunde ist eine relativ zueinander gerichtete Drehbewegung in der Weise erforderlich, dass ein geschlossener Ring erzeugt werden kann.
Die Verbindung einer erfindungsgemäß hergestellten und aus erfindungsgemäßem Material bestehenden Endscheibe 2 mit dem Filtermaterial 1 kann in üblicherweise erfolgen.
Die Betriebstemperaturen des Kraftstoffes und/oder des Motoröles, bei denen das erfindungsgemäße Kunststoffmaterial noch dauerbeständig ist, können ohne weiteres bei mindestens 150 bis 160°C liegen.
Alle in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Form miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Kraftstoff- oder Schmieröl-Filterelement eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit Betriebstemperaturen von über 120°C, insbesondere über 130°C, umfassend ein Filtermaterial und mindestens ein mit dem Filtermaterial (1) als Einfass- und/oder Haltematerial (2) verbundenes Kunststoffmaterial, bei dem (a) das Filtermaterial (1) als Ring geformt ist und mindestens eine ring- oder kreisförmige Endscheibe (2) aus dem als Einfass- und/oder Haltematerial dienenden Kunststoffmaterial besitzt, (b) ein radial innen und/oder außen liegender, im Vergleich zu einem angrenzenden Hauptbereich (6) schmaler Bereich (5) aus gegenüber dem Material des Hauptbereiches (6) elastischerem Material als radiale Dichtung wirkend ausgebildet ist, während der Hauptbereich (6) formstabil und starr ausgebildet ist, (c) das Kunststoffmaterial Polyurethan ist und aus den Komponenten Polyesterpolyol, Polyetherpolyol und hochreinem Isocyanat mit mindestens zwei funktionellen Gruppen besteht, (d) das Mischungsverhältnis zwischen den das Kunststoffmaterial bildenden Ausgangskomponenten entsprechend der gewünschten elastischen Verformbarkeit und für eine hohe Quelleigenschaft ausschließlich des elastischen Bereiches eingestellt ist.
Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hohe Quelleigenschaft durch einen Quellwert von 2 bis 3% gegeben ist.