DE102004041768A1

DE102004041768A1 - Fliehkraftabscheider

Info

Publication number: DE102004041768A1
Application number: DE102004041768A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Kähler; Alfonso Baz; David Ortiz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2004-08-28
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2024-08-29
Also published as: ES2261031A1; CN1600445A; DE102004041768B4; ES2261031B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Filter, insbessondere für Dieselkraftstoff, mit einem Filtergehäuse und mindestens einem darin angeordneten, insbesondere austauschbaren, Filterelement und Anschlüssen für den Kraftstoffeinlass und den Kraftstoffauslass, sowie Mitteln zur Fliehkraftabscheidung. Um einen verbesserten Abscheidungsgrad zu erzielen, sind ein in horizontaler Richtung konkav gewölbter Umlenkschirm und Mittel zur Zuführung des Kraftstoffs zum Umlenkschirm mit einer horizontalen Strömungskomponente vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Filter, insbesondere für Dieselkraftstoffe, mit einem Filtergehäuse, mindestens einem im Filtergehäuse angeordneten, insbesondere austauschbaren Filterelement, Anschlüssen für den Kraftstoffeinlass und den Kraftstoffauslass und Mitteln zur Fliehkraftabscheidung von im Kraftstoff enthaltenem Wasser und/oder Schmutzpartikeln.
Solche Kraftstofffilter werden insbesondere in Dieselmotoren zum Herausfiltern von in Dieselkraftstoff enthaltenen Verunreinigungen und zum Abscheiden von Wasser aus dem Dieselkraftstoff eingesetzt, um hierdurch verursachte Störungen und Schäden wie beispielsweise Verunreinigungen oder Korrosionen im Kraftstoffsystem oder eine schlechte Verbrennung im Motor zu vermeiden.
Zum Abscheiden von Wasser sind unterschiedliche Methoden bekannt. So werden vielfach Filterelemente eingesetzt, die auf ihrer Schmutzseite oder auf ihrer Reinseite derart beschichtet sind, dass das Wasser, das im durch das Filterelement hindurchtretenden Kraftstoff enthalten ist, koalesziert und in Tropfenform absinkt.
Eine andere Methode besteht im Abscheiden von Wasser mit Hilfe eines Fliehkraftabscheiders. Ein solcher Kraftstofffilter ist aus der DE 100 06 353 A1 bekannt. Im Gehäuse dieses Kraftstofffilters ist unterhalb des Filterelements ein Wasserabscheider mit zwei Umlenkschirmen angeordnet. Der als Wickel ausgebildete Kraftstofffilter wird axial durchströmt, und der gereinigt aus dem Wickel austretende Kraftstoff wird radial zwischen den zwei Umlenkschirmen von außen nach innen geführt und axial über einen zentralen Rohrstutzen und ein Mittelrohr abgeführt.
Die Fliehkraftabscheidung erfolgt dabei dadurch, dass die zunächst abwärts gerichtete Strömung von einem äußeren Bereich radial nach innen geführt und dabei gleichzeitig nach oben umgelenkt wird. Die Doppelanordnung von Umlenkschirmen ermöglicht dabei einen besonders hohen Abscheidegrad von Wasser auch bei großen Durchflussströmen. Dies gelingt insbesondere dadurch, dass der Sumpf am Boden des Kraftstofffilters, in dem sich das abgeschiedene Wasser sammelt, von dem unteren der beiden Umlenkschirme abgedeckt ist, so dass gerade bei hohen Durchflussraten kein bereits in den Sumpf abgesunkenes Wasser von der Kraftstoffströmung wieder mitgerissen wird. Nachteilig dabei ist jedoch, dass das abgeschiedene Wasser auf dem unteren Umlenkschirm radial nach außen ablaufen muss, um in den Sumpf gelangen zu können. Diese radial nach außen gerichtete Strömung ist der radial nach innen gerichteten Kraftstoffströmung entgegengesetzt. Hierdurch kann die Effizienz der Wasserabscheidung beeinträchtigt werden.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstofffilter mit einem verbesserten Abscheidungsgrad zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit einem Filter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Unter einem konkav gewölbten Umlenkschirm wird hier und im Folgenden jedes schirmartige Element verstanden, das geeignet ist, die Kraftstoffströmung in einem Bogen umzulenken, wobei die Wirkseite des schirmartigen Elements konkav ausgebildet ist. Unter horizontaler Richtung wird hier und im Folgenden eine Richtung in einer zur Längsachse senkrechten Ebene des Kraftstofffilters verstanden.
Mit einer Anordnung, bei der die Fliehkraftabscheidung im wesentlichen in horizontaler Richtung erfolgt, ergeben sich gegenüber den vorbekannten Systemen zur Fliehkraftabscheidung erhebliche Vorteile. Zum einen kann das abgeschiedene Wasser am Umlenkschirm ablaufen, ohne dass der Kraftstoff in entgegengesetzter Richtung vorbeiströmt. Vielmehr unterscheiden sich die Strömungsgeschwindigkeiten des abgeschiedenen Wassers und des Kraftstoffs im wesentlichen nur in ihrer vertikalen Komponente, wobei das abgeschiedene Wasser am Umlenkschirm vergleichsweise ohne äußere Störeinflüsse nach unten in den Sumpf absinken kann.
Dieser Vorteil kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn der Umlenkschirm durch die Innenwand des Gehäuses gebildet ist, so dass das Wasser am äußersten Bereich des Kraftstofffilters abgeschieden und dort unbeeinflusst vom Kraftstoff bis in den Sumpf absinken kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass man grundsätzlich auf einen zusätzlichen Umlenkschirm verzichten kann, wodurch der Aufbau des Filters vereinfacht werden kann. Damit geht einher, dass insbesondere dann, wenn die Fliehkraftabscheidung im oberen Teil des Filtergehäuses erfolgt, eine Scheibe zur Abtrennung des Sumpfs vom übrigen Teil des Inneren des Filtergehäuses nicht mehr benötigt wird.
Insbesondere dann, wenn die Gehäuseinnenwand in Umfangsrichtung vollständig zur Fliehkraftabscheidung verwendet werden soll, ist es von Vorteil, wenn das Filtergehäuse in seinem Inneren einen im wesentlichen kreisförmigen freien Querschnitt aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Mittel vorgesehen, durch die der Kraftstoff die Umlenkschirme im wesentlichen tangential anströmt. Damit werden insbesondere turbulente Strömungszustände und hierdurch bedingte Druckverluste innerhalb des Filtergehäuses vermieden. In einer einfachen Ausführungsform kann der Kraftstoffeinlass tangential in das Filtergehäuse münden, wobei die Kraftstoffeintrittsgeschwindigkeit ausreichend hoch sein muss, damit bei gegebenem Krümmungsradius des Umlenkschirms eine ausreichende Fliehkraftabscheidung erfolgt.
Bevorzugt werden Strömungsleitelemente als Mittel zur Kraftstoffzufuhr zum Umlenkschirm verwendet. Insbesondere können mehrere Strömungsleitelemente vorgesehen sein, wobei zwischen benachbarten Strömungsleitelementen vorzugsweise ein Kraftstoffdurchlass besteht und – darüber hinaus bevorzugt – sich benachbarte Strömungsleitelemente in Umfangsrichtung überlappen. Die Verwendung von Strömungsleitelementen hat den Vorteil, dass die Anordnung des Umlenkschirms unabhängig vom Kraftstoffeinlass ist und wahlweise in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Filterelement angeordnet sein kann.
Insbesondere bei Verwenden der Gehäuseinnenwand als Umlenkschirm ist es von Vorteil, wenn zwei bis sechs, insbesondere vier in Umfangsrichtung angeordnete Strömungsleitelemente vorgesehen sind. Auf diese Weise kann der Kraftstoff zur Wasserabscheidung in Umlaufrichtung auf den für die Wasserabscheidung vorgesehenen Abschnitt der Gehäuseinnenwand ideal verteilt werden.
Darüber hinaus besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, dass der Anstellwinkel mindestens eines der Strömungsleitelemente relativ zur Strömungsrichtung des Kraftstoffs einstellbar ist. Mit der Einstellung des Anstellwinkels kann zum einen der für den Kraftstoff zur Verfügung stehende Durchtrittsquerschnitt und damit die Strömungsgeschwindigkeit des zwischen zwei Strömungsleitelementen in Richtung zum Umlenkschirm hindurchtretenden Kraftstoffs eingestellt werden. Zum anderen kann damit auch der Winkel, in dem der Kraftstoff dem Umlenkschirm zugeführt wird, variiert werden. Dadurch wird eine Anpassung des Kraftstofffilters an die zu erwartenden oder – bei einer Regelung des Einstellwinkels einer oder mehrerer Strömungsleitelemente – an die im Betrieb aktuell benötigte Durchflussrate möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist am oberen Teil der Gehäusewand über eine Schulter ein Strömungsbereich definiert, der mit dem Kraftstoffeinlass verbunden und durch mindestens ein Strömungsleitelement gegenüber dem übrigen Gehäuseinneren abgegrenzt ist. Dieser Strömungsbereich bietet den Vorteil, dass der Kraftstoff unter gleichem Druck über mehrere Strömungsleitelemente im wesentlichen horizontal auf die sich unter der Schulter anschließenden Gehäuseinnewand in das Gehäuseinnere eingebracht werden kann.
Wie bereits erwähnt, kann es vorteilhaft sein, wenn der Kraftstoffeinlasskanal horizontal und im wesentlichen tangential zum Filtergehäuse angeordnet ist, so dass der Kraftstoff dementsprechend in horizontaler Richtung am Gehäuserand in das Filtergehäuse einströmt. Zum einen kann bereits hierdurch eine Trennung der beiden flüssigen Phasen erfolgen. Zum anderen werden aber insbesondere bei einer Verwendung eines gegenüber dem übrigen Gehäuseinneren abgegrenzten, mit dem Kraftstoffeinlass verbundenen Strömungsbereich Druckverluste vermieden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Filterelement und dem Deckel des Kraftstofffiltergehäuses ein Distanzstück angeordnet. Insbesondere bei einer Wasserabscheidung an der Gehäuseinnenwand im oberen Teil des Filtergehäuses kann über ein solches Distanzstück vermieden werden, dass Kraftstoff durch das Filterelement geführt wird, bevor Wasser in ausreichender Menge abgeschieden worden ist.
Aus dem gleichen Grund kann es von Vorteil sein, wenn das Filterelement von einem Strömungsschutzmantel umgeben ist. Mit einem solchen Strömungsschutzmantel kann das Filterelement gegenüber dem Umlenkschirm, insbesondere gegenüber der Gehäuseinnenwand, abgeschirmt werden, wobei der Kraftstoff beispielsweise nur unter der Unterkante dieses Mantels hindurch dem Filterelement zugeführt werden kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, die bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert.
Es zeigen
1 einen Längschnitt eines bevorzugten Kraftstofffilters,
2 eine Aufsicht auf das Filtergehäuse ohne Deckel,
3 einen Querschnitt des Filtergehäuses im Bereich des Kraftstoffeinlasses,
4 einen Längsschnitt durch ein Filtergehäuse mit einem über ein Distanzstück mit dem Deckel verbundenen Filterelement, und
5 einen Längsschnitt mit einem Filtergehäuse mit einem von einem Strömungsschutzmantel ummantelten Filterelement.
Der in 1 dargestellte Kraftstofffilter weist ein mit einem Deckel 1 verschlossenes Filtergehäuse 2 auf. Im Deckel 1 ist ein Kraftstoffauslassstutzen 3 angeordnet, an dessen Unterseite sich ein Filterelement 4 anschließt. Das Filterelement 4 ist zylindrisch aufgebaut, wobei sich seine Reinseite 5 in seinem Inneren befindet und die Schmutzseite 6 das Filterelement 4 innerhalb des Filtergehäuses 2 umgibt. Das Filtergehäuse 2 weist an seinem oberen Rand unterhalb des Deckels einen umlaufenden Strömungsring 7 auf, der nach außen hin über ein umlaufendes L-Profil 8 und gegenüber dem übrigen Innenteil des Filtergehäuses 2 über Strömungsleitelemente 9, 10, 11, 12 abgegrenzt ist.
2 zeigt diesen Strömungsring 7 in Aufsicht. Die Strömungselemente 9, 10, 11, 12 sind in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet und überdecken jeweils etwas mehr als einen Viertelkreis, so dass sich ihre jeweiligen Enden überlappen, wobei die Strömungsleitelemente 9, 10, 11, 12 nicht konzentrisch zum Strömungsring, sondern leicht angewinkelt angeordnet sind, so dass jeweils das eine Ende eines Strömungsleitelements 9, 10, 11, 12 in Bezug zum überlappenden Ende des benachbarten Strömungsleitelements innen und sein anderes Ende in Bezug zum anderen benachbarten Strömungsleitelement außen liegt.
In dem in 3 im Querschnitt dargestellten Abschnitt des Strömungsrings ist ein Kraftstoffeinlasskanal 13 dargestellt, der tangential in den Strömungsring 7 einmündet. Die Richtung der Kraftstoffzufuhr ist derart, dass die überlappenden Enden der Strömungsleitelemente sich in Richtung zur Kraftstoffströmung hin öffnen.
Am oberen Ende des Gehäuseteils ist darüber hinaus ein umlaufender Flansch 14 mit Gewindebohrungen 15 vorgesehen, auf den der Deckel 1 aufgeschraubt werden kann. Dieser Flansch ist zur besseren Übersichtlichkeit in den 1, 4 und 5 nicht dargestellt.
Im Betrieb strömt der Kraftstoff über den Kraftstoffeinlasskanal 13 in den Strömungsring 7 ein. Von dort aus wird er über die im Bereich der Überlappungen der Strömungsleitelemente 9, 10, 11, 12 vorhandenen Öffnungen in den Innenteil des Filtergehäuses 2 eingebracht. Die überlappenden Bereiche der Strömungsleitelemente 9, 10, 11, 12 sind dabei so angeordnet, dass der Kraftstoff im wesentlichen tangential in den Innenraum des Filtergehäuses einströmt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffes in jedem Fall ausreicht, um einen Großteil des im Kraftstoff enthaltenen Wassers aufgrund der Fliehkraft an der als Umlenkschirm wirkenden Innenwand des Gehäuseteils abzuscheiden. Das Wasser kann an der Gehäuseinnenwand einfach bis in den nach unten hin konisch zulaufenden Sumpf des Filtergehäuses absinken. Da im übrigen die Strömungrichtungen der voneinander getrennten Phasen ähnlich sind, ist die Gefahr einer späteren erneuten Vermengung nahezu ausgeschlossen.
Gleichzeitig erfolgt neben der Abscheidung von Wasser auch noch eine Abscheidung von groben Partikeln, deren spezifisches Gewicht schwerer als das des Kraftstoffs ist.
Im Ergebnis wird somit durch die Fliehkraftabscheidung eine Vorfilterung erreicht. Eine Feinfilterung erfolgt dann dadurch, dass der Kraftstoff anschließend von der Schmutzseite durch das Filterelement zu seiner Reinseite hindurchströmt. Je nach Art der Beschichtung des Filterelements 4 ist es dabei möglich, dass auch noch im Kraftstoff verbliebenes Restwasser am Filterelement 4 selbst abgeschieden wird.
Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass bei einem Innendurchmesser des Filtergehäuses in seinem bei der Abscheidung wirksamen Bereich von ca. 120 mm eine Strömungsgeschwindigkeit des zu filternden Kraftstoffs über die Strömungsleitelemente 9, 10, 11, 12 in das Filtergehäuseinnere vorzugsweise 0,15 bis 0,25 m/s beträgt.
Der in 4 dargestellte Kraftstofffilter unterscheidet sich gegenüber dem in den 1 bis 3 dargestellten Kraftstofffilter lediglich dadurch, dass zwischen dem Filterelement 4 und dem Kraftstoffauslassstutzen 3 am Deckel 1 des Kraftstofffilters ein Distanzstück 21 mit einer zentralen Bohrung 22 vorgesehen ist, durch das das Filterelement 4 innerhalb des Filtergehäuses 2 tiefer angeordnet ist. Hierdurch wird verhindert, dass der Kraftstoff – ähnlich wie bei einem Kurzschluss – in das Filterelement gelangen kann, ohne dass zuvor das Wasser an der oberen Gehäuseinnenwand abgeschieden wurde.
Ein ähnlicher Effekt wird mit dem in 5 dargestellten Strömungsschutzmantel 31 erreicht. Der Strömungsschutzmantel 31 besteht im Wesentlichen aus einem umgekehrten Becher, der auf dem Filterelement aufsitzt und mit dem erzwungen wird, dass der Kraftstoff zunächst entlang eines großen Teils der Gehäusewand hinab geführt wird, bevor er unter dem Strömungsschutzmantel 31 hindurch zum Filterelement strömen kann.
Selbstverständlich sind Variationen der hier im Prinzip dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne dass hierin vom Gedanken der Erfindung abgewichen wird. So ist die Integration eines Wasserabscheiders nicht auf die gezeigte Boxbauart begrenzt, sondern kann auch bei anderen Filterbauarten angewandt werden. Auch muss nicht zwingend die Gehäuseinnenwand als Umlenkschirm verwendet werden, es können auch gesondert für die Abscheidung vorgesehene Umlenkschirme im Inneren des Filtergehäuses vorgesehen sein. Des weiteren muss die Wasserabscheidung nicht zwingend auf der Schmutzseite des Filters erfolgen, sie kann grundsätzlich auch auf der Reinseite erfolgen. Hierzu wäre beispielsweise der dargestellte Kraftstofffilter in umgekehrter Richtung zu betreiben, wobei dann konstruktive Mittel vorgesehen sein müssen, um den gefilterten Kraftstoff auf einen Umlenkschirm, auch hier beispielsweise die Innenwand des Filtergehäuses, mit ausreichender Geschwindigkeit anzuströmen.

Claims

Filter, insbesondere für Dieselkraftstoffe, mit einem Filtergehäuse (2), mindestens einem im Filtergehäuse (2) angeordneten, insbesondere austauschbaren Filterelement (4), Anschlüssen für den Kraftstoffeinlass und den Kraftstoffauslass und Mitteln zur Fliehkraftabscheidung von im Kraftstoff enthaltenem Wasser und/oder Schmutzpartikeln, gekennzeichnet durch einen in horizontaler Richtung konkav gewölbten Umlenkschirm und Mittel zur Zuführung des Kraftstoffs zum Umlenkschirm mit einer horizontalen Strömungskomponente.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkschirm durch die Innenwand des Gehäuses gebildet ist.
Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtergehäuse (2) in seinem Inneren einen im Wesentlichen kreisförmigen freien Querschnitt aufweist.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Mittel, durch die der Kraftstoff den Umlenkschirm im Wesentlichen tangential anströmt.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens ein Strömungsleitelement (9, 10, 11, 12) als Mittel zur Kraftstoffzufuhr zum Umlenkschirm.
Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Strömungsleitelementen (9, 10, 11, 12) ein Kraftstoffdurchlass besteht.
Filter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich benachbarte Strömungsleitelemente (9, 10, 11, 12) in Umfangsrichtung überlappen.
Filter nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch zwei bis sechs, insbesondere vier in Umfangsrichtung angeordnete Strömungsleitelemente (9, 10, 11, 12).
Filter nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel mindestens eines der Strömungsleitelemente (9, 10, 11, 12) relativ zur Strömungsrichtung des Kraftstoffs einstellbar ist.
Filter nach Anspruch 5 oder einem der darauf rückbezogenen Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch einen über eine Schulter am oberen Teil der Gehäusewand definierten, mit dem Kraftstoffeinlass verbundenen und durch mindestens ein Strömungsleitelement (9, 10, 11, 12) gegenüber dem übrigen Gehäuseinneren abgegrenzten Strömungsbereich.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen horizontal und im Wesentlichen tangential zum Filtergehäuse (2) angeordneten Kraftstoffeinlasskanal (13).
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch ein zwischen dem Filterelement (4) und dem Deckel (1) des Kraftstofffiltergehäuses (2) angeordnetes Distanzstück (21).
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen das Filterelement (4) umgebenden Strömungsschutzmantel (31).