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Die Erfindung betrifft einen Luftfilter eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für die einer Brennkraftmaschine zuzuführende Ansaugluft, mit einem einen Filtereinsatz aufnehmenden Gehäuse bestehend aus zumindest zwei lösbar miteinander verbundenen Gehäuseteilen, die entlang einer insbesondere als eine Randabdichtung ausgeführten Dichtung dichtend miteinander verbunden sind, und mit einem Einlass und einem Auslass für die zugeführte Luft mittels des Filtereinsatzes. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Dichten eines Luftfilters.
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Ein solcher Luftfilter ist beispielsweise durch die
EP 1 144 083 B1 bekannt, wobei der Luftfilter ein Gehäuse, bestehend aus einem einen Filtereinsatz aufnehmenden Gehäuseteil und einem Deckel, aufweist. Die Ansaugluft tritt durch einen Einlass im Deckel in das Gehäuse ein. Anschließend durchströmt sie den Filtereinsatz, um auf eine Reinseite zu gelangen und durch einen Auslass das Gehäuse zu verlassen. Das Gehäuse ist durch eine Randabdichtung, bestehend aus einer am Filtereinsatz angespritzten PUR-Schaumwulst, abgedichtet.
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Die derzeit bei Kraftfahrzeugen eingesetzten Luftfilter weisen aufgrund konstruktiv aufwendiger Gestaltungen anderer Aggregate und der gewünschten Reduzierung des Bauraums zunehmend komplexe Bauformen auf.
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Dabei sind unterschiedliche Bauformen von Luftfiltern bzw. deren Gehäusen bekannt, wobei üblicherweise ein zweiteiliges Gehäuse zum Einsatz kommt, sodass das Filterelement zwischen einer Oberseite und einer Unterseite eingesetzt wird, die durch Klemmen oder Schraubverbindungen miteinander verbunden werden. Im Hinblick auf die Geometrie werden vor allem Rund- und Rechteckfilter sowie Sonderformen unterschieden.
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Aufgrund der jeweiligen Einbausituation werden zunehmend Filterkonstruktionen mit asymmetrischer Grundform für die Dichtung verwendet, die abschnittsweise unterschiedliche Auflageflächen aufweisen. Zudem liegen die Auflageflächen entlang der umlaufenden Dichtfläche oftmals nicht in einer einzigen Ebene, sondern sind beispielsweise konkav ausgeformt.
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Weiterhin lassen sich die Fixiermittel, beispielsweise Schraubverbindungen, zur Übertragung der erforderlichen Andruckkraft zwischen der Oberseite und der Unterseite in einigen Fällen nicht optimal positionieren, sodass die Dichtung im eingebauten Zustand ungleichmäßig belastet bzw. verformt wird.
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Härtere Dichtungen sind prozesssicherer herzustellen, haben aber den Nachteil, dass eine deutlich größere Zuhaltekraft benötigt wird. Entsprechend ist das Gehäuse aufwendiger auszulegen und erfordert beispielsweise zusätzliche Schraubverbindungen zur Befestigung bzw. stärkere Wanddicken. Zwar sind weiche Dichtungen leicht zu deformieren und dichten dadurch gut ab, jedoch weisen diese geringere Festigkeiten auf, sodass ein Einreißen der Dichtung bei weichen Materialien deutlich häufiger zu beobachten ist als bei härteren Materialien.
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Auch die Geometrie und die Querschnittsform der Dichtung haben entscheidenden Einfluss auf deren Dichtwirkung. Häufig werden dreieckige oder omegaförmige Querschnittsformen bei der Dichtung eingesetzt. Zur Fixierung werden diese beispielsweise durch Verkippen oder Verkanten klemmschlüssig fixiert, was jedoch zu einer hohen mechanischen Beanspruchung der Dichtung führt. Um die Dichtung mechanisch stabiler zu gestalten, wird diese häufig breiter ausgelegt, wofür jedoch eine größere Menge an Dichtmaterial, beispielsweise PUR oder Silikon, benötigt wird.
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Es sind darüber hinaus auch Vorschläge zur Stabilisierung der Dichtung durch Stützelemente realisiert worden.
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Die
US 4,277,532 A beschreibt ein thermisch expandierbares Dichtungsmaterial für Fugen, Hohlräume, Bohrungen oder dergleichen in Türen und Fenstern bzw. in Wänden von Bauteilen, welches beispielsweise auf einem Träger aus Kunststoff als Beschichtung aufgebaut sein kann und blähfähigen Graphit enthält. Das Dichtungsmaterial kann in entsprechender Größe zugeschnitten und in die abzudichtenden Fugen oder Hohlräume eingelegt oder durch Kleben befestigt werden.
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Die
DE 694 13 255 T2 betrifft elastische, wiederverwendbare Dichtungen, insbesondere Dichtungen für den Einsatz in einer staubsensitiven Umgebung, beispielsweise bei Rechner-Plattenlaufwerken. Hierbei wird eine atmende PTFE-Dichtung vorgeschlagen, in der zwischen den PTFE-Fibrillen Expancel-Mikrohohlkugeln angeordnet sind, sodass diese Dichtung zugleich filtrierend wirkt. Diese Dichtung soll sich insbesondere zum Schutz von elektronischen Bauteilen eignen. Das Expandieren der Mikrokügelchen erfolgt, indem die Mikrokügelchen erwärmt werden. Bei entsprechendem Druck bildet die Dichtung einen luftdichten Verschluss.
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Die
DE 10 2008 062 131 A1 beschreibt ein Klebeband mit einer Schaumstoffschicht, die beispielsweise erst nach Applikation eines Schäumungsmittels entsteht. Sobald die Aktivierung durch Wärmezufuhr erfolgt ist, blähen sich die geschlossenen Zellen innerhalb der Schaumstoffschicht auf. Durch das Aufschäumen/Aufblähen wird eine besonders gute Dichtigkeit des Klebebands erreicht, indem kleine Kanäle durch geringfügig zu kurze Klebebandstreifen durch den Prozess der Schäumung abgedichtet werden. Als Schäumungsmittel eignen sich insbesondere Mikroballons, die vornehmlich in einer Klebeschicht enthalten sind.
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Mittels Mikroballons geschäumte Klebemassen sind auch durch die
DE 10 2004 037 910 A1 bekannt. Sie zeichnen sich durch eine definierte Zellstruktur mit einer gleichmäßigen Größenverteilung der Schaumzellen aus.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Luftfilter der eingangs genannten Art die Dichtung so zu verbessern, dass die Dichtungswirkung auch bei einer komplizierten Geometrie optimal ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Luftfilter gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Luftfilter vorgesehen, bei dem die Dichtung ein Dichtungsmaterial und ein von diesem eingeschlossenes, thermisch expandierbares Expansionsmaterial aufweist, dessen Expansionstemperatur unterhalb oder gleich der im eingebauten Zustand des Luftfilters in dem Kraftfahrzeug auftretenden Betriebstemperatur und oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Die Umgebungstemperatur kann auch als Raumtemperatur bezeichnet werden. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die Dichtungswirkung der Dichtung des Luftfilters selbst bei einem im Vergleich zum Stand der Technik unveränderten Querschnittsprofil dann in einfacher Weise wirksam erhöht werden kann, wenn die Dichtung aus einem Dichtungsmaterial besteht, das zusätzlich ein thermisch expandierbares Expansionsmaterial enthält. Indem nämlich die Expansionstemperatur, also die Temperatur, bei welcher der Expansionskern irreversibel expandiert, so eingestellt wird, dass diese erst im späteren Betrieb des Kraftfahrzeugs, bei dem die Raum- oder Umgebungstemperatur unter 45°C, insbesondere unter 35°C liegt, während des Herstellungsprozesses deutlich überschritten wird, beginnt die Expansion erst nach dem Einbau in den Luftfilter, also erst nachdem das Gehäuse mit eingelegtem Filterelement geschlossen ist und der Betrieb des Kraftfahrzeugs aufgenommen wird. Falls also die Dichtung in einzelnen, beispielsweise toleranzbedingt nicht vollständig ausgefüllten Bereichen des Gehäuses die Dichtflächen zunächst nicht in vorbestimmter Weise abdichtet, führt in jedem Fall die Expansion der Dichtung, bedingt durch das sich ausdehnende Expansionsmaterial, zu der gewünschten flächigen und damit zuverlässig dichtenden Abdichtung gegen das anliegende Gehäuse. Die hierzu erforderliche Erwärmung der Dichtung auf eine Temperatur beispielsweise oberhalb von 50°C, insbesondere oberhalb von 70°C, wird in der Praxis beispielsweise durch erwärmte Luft einer Abgasrückführung oder durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder Wärmeübergang benachbarter Aggregate, insbesondere der Brennkraftmaschine oder der Abgasanlage zugeführt. In vorteilhafter Weise erfüllt die erfindungsgemäße Dichtung auch bei Toleranzeinflüssen, wie beispielsweise hinsichtlich der relativen Positionierung des Filterelements im Gehäuse, ohne die Gefahr einer Leckage die gewünschte Dichtungsfunktion.
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Die Dichtung kann insbesondere als eine Randabdichtung ausgeführt sein. Der Expansionskern könnte als Expansionsschnur bzw. als Expansionsschnurabschnitt ausgeführt sein. Er kann damit insbesondere als ein separates Funktionselement in einem getrennten Arbeitsschritt in den Dichtungsbereich bzw. in das Dichtungsmaterial appliziert bzw. in dieses eingebracht werden. Weiterhin kann die Expansionsschnur auch zunächst mit zumindest einem Gehäuseteil verbunden werden oder einen integralen Bestandteil desselben bilden. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Expansionskern aus einer ersten, durch ein Grundmaterial gebildeten Komponente und zumindest einer weiteren, das Treibmittel zur Expansion (z. B. Mikrohohlkugeln oder chemische Treibmittel) enthaltenden Komponente besteht. Dabei können die beiden Komponenten sowohl eine homogene Mischung bilden als auch partiell bzw. unterschiedlich verteilt eingebracht werden. Weiterhin kann auch das Expansionsmaterial für sich genommen im Dichtungsmaterial lediglich abschnittsweise angeordnet oder als Mischung in dieses eingebracht werden.
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Zudem können die Expansionsschnur bzw. die Expansionsschnurabschnitte auch lokal derart eingebracht werden, dass lediglich die erfahrungsgemäß im Hinblick auf die zuverlässige Abdichtung problematischen Abschnitte mit Expansionskernen versehen werden, sodass lediglich in diesen Abschnitten eine spätere Expansion eintritt. Somit können unerwünscht hohe Expansionskräfte vermieden und zugleich eine optimale Abdichtung in einfacher Weise erreicht werden. Vorzugsweise bildet das Grundmaterial der Dichtung auch gleichzeitig eine Matrix für die Expansionsschnur.
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Eine besonders praxisgerechte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Expansionsschnur eine im Wesentlichen schlanke, strangförmige Form aufweist, sodass diese problemlos kommissioniert und zugeführt, insbesondere also in eine mit noch nicht ausgehärtetem Dichtmaterial gefüllte Gießform zur Herstellung der Dichtung eingebracht werden kann.
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Vorzugsweise weist die Expansionsschnur einen Durchmesser zwischen 1 mm und 5 mm auf, der entlang seiner Haupterstreckung variieren kann, und lässt sich so an nahezu beliebige Konturen auftretender Dichtungsgeometrien problemlos anpassen. Zudem ist aufgrund des vergleichsweise geringen Durchmessers eine konstruktive Änderung vorhandener Dichtungen bzw. der Gehäuseteile nicht erforderlich. Vielmehr kann die Erfindung auch bei im Übrigen unveränderten Luftfiltern eingesetzt werden.
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Der Anteil des Expansionsmaterials kann an die jeweiligen Umstände problemlos angepasst werden. Dabei wird vorzugsweise die Menge so beschränkt, dass die spätere Expansion für die zuverlässige Dichtungswirkung ausreicht, jedoch unerwünschte Expansionskräfte, welche im Extremfall zu einer Verformung der Gehäuseteile im Dichtungsbereich führen könnten, ausgeschlossen sind. Nach den bisherigen Erfahrungen hat es sich als praxisgerecht erwiesen, wenn der Expansionskern expandierbare Mikrohohlkugeln als Expansionsmaterial mit einem Anteil zwischen 1 Gew.-% und 30 Gew.-% enthält. Je nach Ausführung, insbesondere der Geometrie oder der Querschnittsform der Dichtung, kann es sinnvoll sein, wenn die Expansionswirkung des Expansionsmaterials auf eine Richtung beschränkt eintritt, beispielsweise zwischen der Dichtungsfläche der Gehäuseteile senkrecht zu der Dichtungsfläche. Hierdurch wird vermieden, dass die Expansionswirkung die Dichtung aus dem vorbestimmten Dichtungssitz in unerwünschter Weise verlagert.
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Besonders zweckmäßig erweist sich dabei eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher der Expansionskern bzw. Abschnitte davon von dem Dichtungsmaterial allseitig umschlossen sind und daher bei der späteren Expansion das Dichtungsmaterial von dem Expansionsmaterial gegen die Dichtungsflächen der Gehäuseteil gepresst wird. Insbesondere wird dadurch ein unerwünschter Kontakt des Expansionsmaterials mit den Gehäuseteilen vermieden.
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Im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Gedankens steht auch ein Verfahren zum Dichten eines Luftfilters eines Kraftfahrzeugs, mit einem Filterelement aufweisenden Gehäuse, bestehend aus zumindest zwei lösbar miteinander verbundenen Gehäuseteilen, mit einer in einem Dichtungsbereich zwischen den Gehäuseteilen des Luftfilters einsetzbaren Dichtung. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Dichtung mit einem Dichtmaterial und einem zumindest abschnittsweise eingeschlossenen, thermisch expandierbaren, Expansionskern, dessen Expansionstemperatur unterhalb oder gleich der im eingebauten Zustand des Luftfilters in dem Kraftfahrzeug auftretenden Betriebstemperatur und oberhalb der Umgebungstemperatur liegt, zwischen den Gehäuseteilen aufgenommen und thermisch expandiert. Dabei kann die Expansionsschnur bzw. können Expansionsschnurabschnitte gezielt in solche Bereiche der Dichtung eingebracht sein, bei denen beispielsweise durch einen unstetigen Verlauf des Dichtungsbereichs zwischen den Gehäuseteilen Sprungstellen bzw. sprunghaft erweiterte Spaltmaße auftreten. Die Expansion kann somit gezielt auf solche Bereiche beschränkt bzw. in solchen Bereichen verstärkt werden, bei denen der von der Dichtung auszufüllende Raum, also der Abstand zwischen den Gehäuseteilen des Gehäuses, erweitert ist. Auf diese vorteilhafte Weise wird ein die Dichtungswirkung verbesserndes Verfahren geschaffen. Vorteilhaft ist es weiterhin, dass die Dichtung des Filterelements nach dem Einbau individuell der Gehäusestruktur angepasst ist und so optimal abdichtet.
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Vorzugsweise wird der Expansionskern von dem Dichtungsmaterial allseitig umschlossen, indem beispielsweise die Expansionsschnur bzw. Expansionsschnurabschnitte von dem Dichtungsmaterial umspritzt wird beziehungsweise ist oder aber die Expansionsschnur bzw. Expansionsschnurabschnitte in das Dichtungsmaterial vor dessen Erstarrung/Aushärtung eingelegt bzw. eingetaucht wird beziehungsweise ist.
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Anschließend werden das Dichtungsmaterial und die darin eingesetzte Expansionsschnur bzw. Expansionsschnurabschnitte bei einer Temperatur unterhalb der Expansionstemperatur des Expansionsmaterials gehärtet. In der Praxis hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn die Härtung beispielsweise bei PUR-Dichtlippen bei einer Temperatur von ca. 50°C für eine Dauer von weniger als 10 min., insbesondere ca. 7 bis 8 min. durchgeführt wird. Das Dichtungsmaterial hat dadurch eine für den Einsatz der Dichtung ausreichende Formstabilität, um so die Montage zu erleichtern.
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Eine andere, ebenfalls besonders vorteilhafte Variante kann dadurch realisiert werden, dass das Dichtungsmaterial auf eine Temperatur oberhalb seiner Erweichungstemperatur, insbesondere oberhalb seiner Schmelztemperatur, erwärmt wird. Des Weiteren oder alternativ dazu kann ein Filtereinsatz vor dem nachfolgenden Erstarren bzw. Aushärten des Dichtungsmaterials in dieses eingetaucht wird, um so eine unlösbare Verbindung zu erhalten. Dabei kann darüber hinaus die Expansionsschnur bzw. Expansionsschnurabschnitte gemeinsam mit dem Filterbalg in das Dichtungsmaterial eingebracht werden, sodass die Expansionsschnur bzw. Expansionsschnurabschnitte durch den Filterbalg in die noch nicht ausgehärtete, flüssige Dichtmasse eingedrückt und damit gemeinsam positioniert werden können. Auf diese Weise wird nicht nur eine zuverlässig reproduzierbare relative Position der Expansionsschnur bzw. Expansionsschnurabschnitte sichergestellt, sondern zugleich auch eine optimale Abdichtung erreicht. Zudem erfordert die Positionierung der Expansionsschnur bzw. Expansionsschnurabschnitte in dem Dichtungsmaterial lediglich einen gemeinsamen Arbeitsschritt, sodass die Herstellung des Filterelements nicht wesentlich komplexer ist.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
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1 eine Ausführungsform eines Luftfilters mit einer Dichtung vor Erreichen der Expansionstemperatur;
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2 die Ausführungsform des Luftfilters mit einer thermisch expandierten Dichtung;
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3 die Herstellung einer ringförmig geschlossenen Expansionsschnur;
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4a bis 4d die Verfahrensschritte beim Dichten durch Einbringen der in 3 gezeigten Expansionsschnur in das noch flüssige Dichtungsmaterial.
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In den 1 und 2 ist in einer Prinzipdarstellung ein Luftfilter 1 mit einer Dichtung 2 zu erkennen, wobei 1 einen Einbauzustand vor der erstmaligen Inbetriebnahme und 2 einen Einbauzustand im Betrieb des nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs zeigt. Der Luftfilter 1 ist einer Brennkraftmaschine zugeordnet und dient dabei der Reinigung der zuzuführenden Ansaugluft. Hierzu hat der Luftfilter 1 ein als Filterbalg ausgeführtes Filterelement 3, das in dem Gehäuse von zwei lösbar miteinander verbundenen Gehäuseteilen 4, 5 eingeschlossen ist, die entlang einer Dichtfläche dichtend miteinander verbunden sind. Die Dichtung 2 besteht dabei aus einem Dichtungsmaterial 6 und einem darin eingeschlossenen, thermisch expandierbaren Expansionskern 7. In 1 ist dessen passiver Zustand zu erkennen, in dem zwischen den Gehäuseteilen 4, 5 ein von der Dichtung 2 nicht ausgefüllter Freiraum verblieben ist. Neben dem dargestellten rechteckigen Filterelement sind selbstverständlich auch runde Filterelemente für die Realisierung der Erfindung geeignet.
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Demgegenüber zeigt 2 eine expandierte Dichtung 2, wobei der als Expansionsschnur ausgeführte Expansionskern 7 das ihn umschließende Dichtungsmaterial 6 verdrängt und das Dichtungsmaterial 6 somit die Kammer restlos ausfüllt. Um die thermische Expansion auszulösen, ist lediglich eine Erwärmung der Dichtung 2 auf eine Temperatur oberhalb ihrer Expansionstemperatur erforderlich, die in der Praxis deutlich oberhalb der üblichen Umgebungs- oder Raumtemperatur liegt. Aufgrund der im Betrieb des Kraftfahrzeugs vor allem von der Brennkraftmaschine ausgehenden Wärme wird diese Expansionstemperatur im Betrieb ohne weitere Fremdeinwirkungen und dadurch der in 2 gezeigte expandierte Zustand erreicht.
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In 3 ist das Verfahren zur Herstellung einer ringförmig geschlossenen Expansionsschnur der in den 1 und 2 gezeigten Dichtung 2 dargestellt. Wie zu erkennen, besteht der als Expansionsschnur ausgeführte Expansionskern 7 aus einer Mischung einer durch ein Grundmaterial gebildeten ersten Komponente 8 und zumindest einer weiteren, durch ein Expansionsmaterial gebildeten zweiten Komponente 9. Diese sind in einer Querschnittsebene der Expansionsschnur im Wesentlichen gleichverteilt. In Richtung der Längserstreckung der Expansionsschnur sind diese jedoch nicht homogen verteilt, sondern entsprechend der erforderlichen Expansionswirkung lokal bzw. abschnittsweise in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen enthalten. Dargestellt ist eine Variante mit in Richtung der Längserstreckung regelmäßig wiederkehrenden, ballonförmigen Treibmittel-Reservoirs 10 von Expansionsmaterial (Mikrohohlkugeln, z. B. Expancel® der Fa. Akzo Nobel), beispielsweise expandierbare Mikrosphären, und Grundmaterial, das beispielsweise aus Polyurethan oder Silikon bestehen kann, die durch Zwischenabschnitte 11 verbunden sind, die ausschließlich aus dem Grundmaterial bestehen. Die Querschnittsfläche ist in diesen Zwischenabschnitten 11 erkennbar reduziert. Aus Gründen der Sichtbarkeit sind die in der Expansionsschnur enthaltenen Mikrosphären als ballonförmige Reservoirs 10 deutlich überzeichnet worden, dem Fachmann ist jedoch klar, dass diese Mikrosphären deutlich kleiner (im μm-Bereich) sind.
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Anhand der 4a bis 4d werden nachstehend noch die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung der Dichtung 2 durch Einbringen des als Expansionsschnur ausgeführten Expansionskerns 7 in das noch flüssige Dichtungsmaterial 6 näher erläutert. Das flüssige Dichtungsmaterial 6 mit einem wesentlichen Materialanteil aus Polyurethan oder Silikon wird zunächst in eine der Form der herzustellenden Dichtung 6 entsprechende Gießform 12 eingebracht, wie in den 4a und 4b zu erkennen ist. Im folgenden Schritt wird der in 3 gezeigte Expansionskern 7 so in das noch nicht erstarrte/ausgehärtete Dichtungsmaterial 6 eingebracht, dass dieser von dem Dichtungsmaterial 6 allseitig umschlossen ist. Abschließend wird bei der in 4d erkennbaren Variante des Verfahrens zusätzlich auch der Filterbalg 3 von oben in das noch nicht erstarrte/ausgehärtete Dichtungsmaterial 6 getaucht, wodurch zugleich auch der Expansionskern 7 bis zum Erreichen der vorbestimmten Position abgesenkt wird. Auf diese Weise wird nach dem Erstarren/Aushärten des Dichtungsmaterials 6 eine optimale Positionierung des Expansionskerns 7 sichergestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfilter
- 2
- Dichtung
- 3
- Filterelement
- 4
- Gehäuseteil
- 5
- Gehäuseteil
- 6
- Dichtungsmaterial
- 7
- Expansionskern
- 8
- Komponente 1
- 9
- Komponente 2
- 10
- Reservoir (Treibmittel)
- 11
- Zwischenabschnitt
- 12
- Gießform
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1144083 B1 [0002]
- US 4277532 A [0010]
- DE 69413255 T2 [0011]
- DE 102008062131 A1 [0012]
- DE 102004037910 A1 [0013]
