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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Luftfiltereinrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einem Rundfilterelement, das radial von der Luft durchströmbar ist, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2009 048 209 A1 wird ein Luftfilter für eine Brennkraftmaschine beschrieben, der in einem Filtergehäuse ein hohlzylindrisches Rundfilterelement aufweist, das radial von außen nach innen von der zu reinigenden Luft durchströmt wird. Der Luftfilter ist mit einer sogenannten Kaltlandansaugeinrichtung versehen, bei der es sich um einen gekammerten Bereich an der Rohseite des Rundfilterelementes handelt, in den über ein Unterdruckventil Luft angesaugt wird. Im regulären Betrieb bleibt das Unterdruckventil geschlossen und die angesaugte Luft wird über die sonstigen Bereiche der Mantelfläche des Rundfilterelementes geleitet, um die Filtration durchzuführen. Falls über den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine schneehaltige Luft angesaugt wird, welche die Mantelfläche des Rundfilterelementes zusetzt, steigt der Unterdruck im gekammerten Bereich und das Unterdruckventil wird mit dem Überschreiten einer Druckdifferenz geöffnet, so dass die Luft über den gekammerten Bereich, der frei von Schneekristallen ist, durch das Rundfilterelement geleitet wird.
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Auch bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine, beispielsweise unter staubigen Bedingungen, setzt sich das Rundfilterelement zu und es kann mit dem Überschreiten einer definierten Druckdifferenz über den gekammerten Bereich Luft zu dem unverschmutzten Abschnitt des Rundfilterelementes geführt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen die Betriebssicherheit einer Luftfiltereinrichtung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße Luftfiltereinrichtung wird insbesondere zur Filtration der Verbrennungsluft für Brennkraftmaschinen eingesetzt. Die Luftfiltereinrichtung kann hierfür in den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug eingebaut werden.
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Die Luftfiltereinrichtung weist ein Filtergehäuse und ein im Filtergehäuse aufgenommenes Rundfilterelement auf, das hohlzylindrisch ausgebildet ist und radial von außen nach innen - bezogen auf die Längsachse des Rundfilterelements - von der zu reinigenden Luft durchströmt wird. In das Filtergehäuse, insbesondere den Boden des Filtergehäuses - bezogen auf die reguläre Einbaulage der Luftfiltereinrichtung - ist eine Strömungsöffnung eingebracht, die sich innerhalb einer gehäuseseitigen Strömungskammer befindet. Die Strömungskammer ist mit Kammerwänden von den umgebenden Bereichen im Filtergehäuse abgeteilt, wobei die Kammerwände in Richtung des Rundfilterelementes weisen.
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Bei der erfindungsgemäßen Luftfiltereinrichtung ist das Rundfilterelement in der Weise in das Filtergehäuse einsetzbar, dass das Rundfilterelement schräg im Filtergehäuse liegt und die Längsachse des Rundfilterelements mit der Ebene mindestens einer Kammerwand einen Winkel größer als 0° und kleiner als 90° einschließt. Diese Schrägstellung des Rundfilterelementes stellt sicher, dass die Mantelfläche des Rundfilterelementes nach unten in Richtung der nach oben offenen Strömungskammer weist und entsprechend eine schräg verlaufende Abström- oder Abtropffläche an der Mantelfläche in Richtung der Strömungskammer gegeben ist. Beispielsweise können Wassertropfen an der Mantelfläche des Rundfilterelementes unter der Wirkung ihrer Gewichtskraft in die Strömungskammer abtropfen und in der Strömungskammer gesammelt werden, wobei das gesammelte Wasser fortlaufend oder periodisch aus der Strömungskammer abgeleitet wird. Auch Partikel wie beispielsweise Staub- oder Schmutzpartikel können aufgrund der Schrägstellung des Rundfilterelementes sich besser von der Mantelfläche lösen, so dass die Gefahr eines Funktionsverlustes aufgrund eines Zusetzens der Mantelfläche herabgesetzt ist.
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Das Rundfilterelement umfasst beispielsweise einen hohlzylindrischen Filtermediumkörper sowie ein die Außenseite des Filtermediumkörpers einfassendes Vlies zur Abscheidung von Wassertröpfchen.
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Vorteilhafterweise liegt ein Abschnitt einer Stirnkante des Rundfilterelementes, die im Übergang von der zylindrischen Mantelfläche zur Stirnseite gebildet ist, innerhalb der Strömungskammer oder zumindest an der Stirnseite einer Kammerwand der Strömungskammer. Hierdurch ist sichergestellt, dass der entsprechende Abschnitt der Stirnkante die tiefste, am weitesten unten liegende und dem Boden des Filtergehäuses zugewandte Position des Rundfilterelementes einnimmt. Sich an der Mantelfläche absetzende Wassertröpfchen können der Schwerkraft folgend entlang der schräg gestellten Mantelfläche in Richtung der tiefliegenden Stirnkante abströmen, wobei die Strömung von der Kammerwand begrenzt ist und mit dem Erreichen der Kammerwand die Wassertröpfchen an der Kammerwandinnenseite nach unten in Richtung des Bodens der Strömungskammer ablaufen.
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Vorteilhafterweise beträgt der Winkel zwischen der Längsachse des Rundfilterelementes und der Ebene mindestens einer Kammerwand zwischen 30° und 60°, beispielsweise zwischen 30° und 45°. Diese Winkellage reicht aus, um ein Abströmen und -tropfen abgesetzten Wassers von der Mantelfläche des Rundfilterelementes in die Strömungskammer hinein deutlich zu unterstützen.
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In Umfangsrichtung erstreckt sich die Strömungskammer beispielsweise über einen Winkelbereich des Rundfilterelementes von mindestens 10°, mindestens 15°, mindestens 20°, mindestens 25° oder mindestens 30° und andererseits beispielsweise maximal 45°. Dieses Winkelsegment gewährleistet eine hinreichend große Strömungskammer in Umfangsrichtung. Bezogen auf die Längsachse des Rundfilterelementes erstreckt sich die Strömungskammer beispielsweise über mindestens 30 % bis maximal 60 % der axialen Länge des Rundfilterelementes.
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Die Strömungskammer weist in bevorzugter Ausführung eine rechteckige Querschnittsform auf. Die Kammerwände an jeder Seite der rechteckigen Rundquerschnittsform verlaufen annähernd vertikal zum Bodenbereich der Strömungskammer.
Die Strömungskammer bildet in bevorzugter Ausführung eine Wasseraustragskammer, in der abtropfendes Wasser von der Mantelfläche des Rundfilterelementes gesammelt und abgeleitet wird. In bevorzugter Ausführung weist die Wasseraustragskammer ein Auslassventil auf, das üblicherweise in einer Schließposition steht und mit dem Überschreiten eines Grenzdrucks des Wassers in der Wasseraustragskammer in die Öffnungsposition versetzt wird, woraufhin das Wasser aus der Wasseraustragskammer über die Strömungsöffnung abgeleitet wird. Das Auslassventil befindet sich in oder benachbart zu der Strömungsöffnung in der Wasseraustragskammer, die sich am Boden oder bodennah in der Wasseraustragskammer befindet. Das Auslassventil kann beispielsweise als ein Schnabelventil ausgebildet sein, das unterhalb und mit vertikalem Abstand zur Strömungsöffnung in der Wasseraustragskammer angeordnet ist, so dass sich mit zunehmendem Wasserstand in der Wasseraustragskammer ein hydrostatischer Druck aufbaut, der mit dem Erreichen bzw. Überschreiten eines Grenzdrucks zu einem Öffnen des Auslassventils und einem Ablassen des Wassers aus der Wasseraustragskammer führt. Gegebenenfalls kommen auch sonstige Ausführungen von Auslassventilen in Betracht. Das Auslassventil kann sich im oder am Ende eines Rohrleitungsstücks befinden, das sich an der Unterseite der Strömungsöffnung nach unten erstreckt, so dass sich Wasser in dem Rohrleitungsstück ansammeln kann und sich ein entsprechend hydrostatischer Druck aufbaut.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung bildet die Strömungskammer eine Luftansaugkammer, die insbesondere von den umgebenden Bereichen im Inneren des Filtergehäuses über die Kammerwände abgeteilt ist. Die Strömungsöffnung in der Luftansaugkammer ist mit einem Unterdruckventil versehen, das mit dem Überschreiten einer definierten Druckdifferenz zwischen der Luft in der Luftansaugkammer und der Umgebungsluft von einer Schließ- in eine Öffnungsposition verstellt wird, so dass von außen über die Strömungsöffnung Luft in die Luftansaugkammer einströmen und weiter durch den gekammerten Bereich des Rundfilterelementes hindurchströmen kann. Hierdurch ist insbesondere eine Kaltlandansaugeinrichtung realisiert, die in Fällen öffnet, in denen die übrigen Bereiche der Mantelfläche des Rundfilterelementes beispielsweise von Schnee- oder Eiskristallen zugesetzt sind und über diese Bereiche eine ausreichende Luftdurchströmung nicht mehr gewährleistet ist. Die Luftansaugkammer unterstützt aber auch einen Betrieb in einer staubigen, schmutzbeladenen Umgebung, in der sich die Mantelfläche des Rundfilterelementes außerhalb der Luftansaugkammer mit Staub- oder Schmutzpartikeln zusetzen kann. Auch in diesem Fall öffnet das Unterdruckventil in der Strömungsöffnung, sobald ein definierter Differenzdruck zwischen dem Unterdruck in der Luftansaugkammer und der Umgebung überschritten wird.
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Es sind sowohl Ausführungen möglich, bei denen die Strömungskammer entweder nur als Wasseraustragskammer oder nur als Luftansaugkammer dient. Des Weiteren sind auch Ausführungen möglich, in denen die Strömungskammer sowohl eine Wasseraustragskammer als auch eine Luftansaugkammer bildet; in diesem Fall ist benachbart zu oder in der Strömungsöffnung, die in die Strömungskammer eingebracht ist, sowohl ein Auslassventil als auch ein Unterdruckventil eingebracht. Gegebenenfalls können beide Ventile innerhalb eines gemeinsamen Ventilgehäuses integriert sein.
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In bevorzugter Ausführung liegen die Stirnseiten der Kammerwände an der Mantelfläche des Rundfilterelementes an. An der Außenseite des Rundfilterelementes kann sich ein Vlies befinden, an welchem sich Wassertropfen ansammeln können. Die Stirnseiten der Kammerwände sind vorteilhafterweise in die Mantelfläche des Rundfilterelementes eingedrückt.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 einen Schnitt durch eine Luftfiltereinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Wasseraustragskammer am Boden des Filtergehäuses und einem schräg eingesetzten Rundfilterelement,
- 2 eine perspektivische Ansicht der Luftfiltereinrichtung,
- 3 eine Draufsicht auf das Filtergehäuse bei abgeschraubtem Gehäusedeckel,
- 4 einen Schnitt durch eine Luftfiltereinrichtung in einer Ausführungsvariante, in der in das Filtergehäuse eine bodenseitige Luftansaugkammer eingebracht ist, mit schräg in das Filtergehäuse eingesetztem Rundfilterelement,
- 5 eine perspektivische Ansicht der Luftfiltereinrichtung bei abgenommenem Gehäusedeckel,
- 6 die Luftfiltereinrichtung in perspektivischer Ansicht,
- 7 eine Draufsicht auf das Filtergehäuse bei abgenommenem Gehäusedeckel,
- 8 einen Schnitt durch eine Luftfiltereinrichtung in einer weiteren Ausführungsvariante, bei der eine bodenseitige Strömungskammer sowohl eine Wasseraustragskammer als auch eine Luftansaugkammer bildet,
- 9 eine perspektivische Ansicht der Luftfiltereinrichtung,
- 10 eine Draufsicht auf das Filtergehäuse bei abgenommenem Gehäusedeckel.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den 1 bis 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Luftfiltereinrichtung 1 dargestellt, die in den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine zur Filtration der Verbrennungsluft integriert werden kann. Die Luftfiltereinrichtung 1 umfasst ein Filtergehäuse 2 und ein in das Filtergehäuse 2 eingesetztes Rundfilterelement 3 als Luftfilterelement, das hohlzylindrisch ausgebildet ist und von der zu filtrierenden Luft radial von außen nach innen durchströmt wird. Die Längsachse des Rundfilterelementes 3 ist mit Bezugszeichen 4 gekennzeichnet. Die Zufuhr der unfiltrierten Luft erfolgt gemäß Strömungspfeil 5 über einen gehäuseseitigen Einlassstutzen 6, über den die Luft in das Innere des Filtergehäuses 2 eingeleitet wird. Nach der Durchströmung des Rundfilterelementes 3 radial von außen nach innen wird die gereinigte Luft axial gemäß Strömungspfeil 7 über einen gehäuseseitigen Auslassstutzen 8 abgeleitet.
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Das hohlzylindrische Rundfilterelement 3 weist einen ebenfalls hohlzylindrischen Filtermediumkörper 9 auf, an dessen Innenseite ein Stützgerüst 10 aus Kunststoff angeordnet ist, das einen innenliegenden Strömungsraum auskleidet, über den die gereinigte Luft axial gemäß Pfeil 7 abgeleitet wird. Auf der Außenseite des Filtermediumkörpers 9 befindet sich ein Vlies 11, an dem Wassertropfen gesammelt werden, die in der Rohluft mitgeführt werden.
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Am Boden des Filtergehäuses 2 befindet sich eine innenliegende Strömungskammer 12, die von Kammerwänden 13 eingefasst ist und die bodenseitig eine Strömungsöffnung 14 aufweist, die als Abströmöffnung dient. Die Strömungskammer 12 hat die Funktion einer Wasseraustragskammer zum Sammeln und Ableiten von Wasser, das sich an dem Vlies 11 des Rundfilterelementes 3 absetzt.
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An die Strömungsöffnung 14 ist von außen ein Rohrleitungsstück 15 angesetzt, das sich vertikal nach unten erstreckt und an dessen Stirnseite sich ein Auslassventil 16 befindet, das beispielsweise als ein Schnabelventil ausgebildet ist. Mit dem Ansammeln von Wasser in der Strömungskammer 12 gelangt dieses über die Strömungsöffnung 14 in das Rohrleitungsstück 15 und baut hier einen hydrostatischen Wasserdruck auf. Sobald der hydrostatische Wasserdruck einen definierten Grenzdruck überschreitet, öffnet das Auslassventil 16 und das Wasser strömt aus der Strömungskammer 12 und dem Rohrleitungsstück 15 nach unten ab.
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Das Rundfilterelement 3 ist schräg im Filtergehäuse 2 angeordnet. Die Längsachse 4 des Rundfilterelementes 3 liegt unter einem Winkel zu den Kammerwänden 13, welche die Strömungskammer 12 einfassen. Der Winkel zwischen der Längsachse 4 und den Kammerwänden 13 liegt im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 in einem Winkelbereich zwischen 45° und 60°.
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Wie 3 zu entnehmen, weist die Strömungskammer 12 eine rechteckige Querschnittsform auf. Die Kammerwände 13 an jeder Seite der rechteckigen Rundquerschnittsform verlaufen annähernd vertikal zum Bodenbereich der Strömungskammer 12.
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Eine Stirnkante 17 im Übergang zwischen der zylindrischen Mantelfläche und der Stirnseite des Rundfilterelements 3 liegt auf der Stirnseite einer Kammerwand 13' auf ( 1). Der betreffende Abschnitt der Stirnkante 17 bildet die tiefste Position des Rundfilterelementes 3 innerhalb des Filtergehäuses 2.
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Wassertröpfchen, die sich an dem Vlies 11 ansammeln, bewegen sich entlang des Vlieses 11 der Schwerkraft folgend nach unten und erreichen den Abschnitt an der Mantelfläche, der von der Strömungskammer 12 umschlossen ist. Die Stirnseiten der Kammerwände 13 drücken in das weiche Vliesmaterial hinein, so dass gewährleistet ist, dass im Bereich des untenliegenden Abschnittes der Stirnkante 17 des Filterelementes 3 die Wassertröpfchen entlang der Innenseite der Kammerwand 13' nach unten zum Boden der Strömungskammer 12 strömen und sich dort ansammeln, sowie in das Rohrleitungsstück 15 einströmen.
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In den 4 bis 7 ist eine Luftfiltereinrichtung in einer Ausführungsvariante dargestellt. Die Luftfiltereinrichtung 1 weist in wesentlichen Teilen den gleichen Aufbau wie im ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 auf. Unterschiedlich ist jedoch die Ausbildung der Strömungskammer 12, die gemäß den 4 bis 7 eine Luftansaugkammer bildet, die zum Tragen kommt, falls sich die außerhalb der von den Kammerwänden 13 abgeteilten Abschnitte der Mantelfläche des Rundfilterelementes 3 durch Schnee- oder Eiskristalle, Staub oder Schmutzteilchen zusetzen, so dass eine ordnungsgemäße Durchströmung dieser Bereiche nicht gewährleistet ist.
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Im Boden der Strömungskammer 12 befindet sich eine Strömungsöffnung 14, die eine Einlassöffnung für Umgebungsluft bildet. In die Strömungsöffnung 14 ist ein Unterdruckventil 18 eingesetzt, das normalerweise in der Schließposition steht und die Strömungsöffnung 14 verschließt, jedoch in Öffnungsstellung versetzt wird, wenn der Differenzdruck zwischen der Strömungskammer 12 und der Umgebung einen Grenzwert überschreitet. In diesem Fall kann über das geöffnete Unterdruckventil 18 Umgebungsluft in das Innere der Strömungskammer 12 strömen und von dort weiter über den nicht zugesetzten, gekammerten Bereich der Mantelfläche durch das Rundfilterelement 3 hindurch. Es ist somit gewährleistet, dass auch bei einem Einsatz unter staubigen oder schmutzigen Umweltbedingungen oder bei Schnee und Eis das Rundfilterelement 3 von Luft durchströmt wird, selbst wenn die außerhalb des gekammerten Bereiches der Strömungskammer 12 liegenden Bereiche der Mantelfläche des Rundfilterelementes 3 mit Partikeln oder Kristallen zugesetzt sind.
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In den 8 bis 10 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Luftfiltereinrichtung 1 dargestellt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist die Luftfiltereinrichtung 1 grundsätzlich den gleichen Aufbau wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen auf. Unterschiedlich ist jedoch die Funktion der Strömungskammer 12, die gemäß den 8 bis 10 sowohl eine Wasseraustragskammer als auch eine Luftansaugkammer bildet. Zu diesem Zweck sind der Strömungskammer 12 zwei unterschiedliche Ventile zugeordnet: zum einen ein Auslassventil 16 am Ende eines Rohrleitungsstückes 15 und zum anderen ein Unterdruckventil 18. Das Unterdruckventil 18 ist wie bei den 4 bis 7 unmittelbar in die Strömungsöffnung 14 integriert und wird von der Schließ- in die Öffnungsposition versetzt, sobald der Differenzluftdruck zwischen dem Inneren der Strömungskammer 12 und der Umgebung einen Grenzwert übersteigt. Das Auslassventil 16 am Ende des Rohrleitungsstücks 15 entspricht seiner Funktion demjenigen gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 und wird von der Schließ- in die Öffnungsposition verstellt, sobald der hydrostatische Druck im Rohrleitungsstück 15 und in der Strömungskammer 12 einen Grenzdruck übersteigt. Insoweit vereint die Ausführung gemäß den 8 bis 10 zwei unterschiedliche Funktionalitäten, nämlich eine Luftansaugfunktion und eine Wasseraustragsfunktion.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009048209 A1 [0002]
- DE 102013014628 A1 [0004]
- DE 10332453 A1 [0004]
