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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Filterelement, ein Filtersystem mit einem Filterelement sowie ein Verfahren zum Bereitstellen eines Filterelements.
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Stand der Technik
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Im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors sind üblicherweise Luftmassensensoren vorgesehen, welche den Massenstrom der angesaugten Luft detektieren. Luftmassensensoren haben enge Toleranzen bezüglich der Anströmung durch den Medienstrom, insbesondere dessen Geschwindigkeit. Der Luftmassensensor ist für einen bestimmten Geschwindigkeitsbereich programmiert. Wird die Strömung gestört, wird der Massenstrom mit einem Fehler erfasst, so dass Fehler in der Motorsteuerung und ggf. ein falsches Kraftstoff/Luftverhältnis für den Verbrennungsvorgang entstehen können.
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EP 1843035 A2 offenbart ein Filterelement zum Filtern von Luft, bei dem abströmseitig des Filterelements und stromauf des Luftmassensensors ein Gitter angeordnet ist, welches vom Abströmquerschnitt des Filterelements bis zum Massenstromsensor eine turbulenzarme, homogene Strömung der Luft verursacht und strömungsvergleichmäßigend wirkt.
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DE 10 2012 012 347 A1 offenbart eine Filtervorrichtung mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten U-förmigen Filterelement mit zwei Endscheiben und einem dazwischen angeordneten, die beiden Endscheiben verbindenden Hohlfuß, wobei der Innenraum des Hohlfußes außerhalb des Reinraums im Filtergrundkörper angeordnet ist und wobei der Hohlfuß den Abströmquerschnitt in zwei Teilströme aufteilt, die sich stromabwärts des Hohlfußes überlagern.
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DE 10 2010 042 426 A1 offenbart einen Luftfilter mit einem Filterelement, wobei das Filterelement in seinem Abströmquerschnitt in der einen Endscheibe zwei parallele Stützstreben aufweist, die den abströmseitigen Medienstrom in drei Teilströme aufteilt, die sich anschließend überlagern.
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Aus
DE 298 06 916 U1 ist ein Luftfilter bekannt mit einem Filterelement, wobei stromabwärts des Filterelements mehrere Rippen zwischen dem Gehäuseoberteil und dem Gehäuseunterteil angeordnet sind, die den abströmseitigen Medienstrom in mehrere Teilstrombereiche aufteilen, die sich anschließend überlagern, wobei weiter stromabwärts ein Luftmassensensor angeordnet ist.
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DE 10 2014 014 007 A1 ist darauf gerichtet, ein Filtersystem zum Filtern eines Fluids zu schaffen, das es erlaubt, die durch das strömende Fluid induzierten und/oder durch das strömende Fluid übertragenen akustischen Eigenschaften günstig zu beeinflussen und offenbart hierzu ein durchströmbares Akustikelement, welches entlang eines Fluidpfads stromaufwärts vor und/oder stromabwärts nach einem Filterbalg angeordnet ist und wobei das durchströmbare Akustikelement eine gezielte akustische Beeinflussung der Strömung des Fluids bewirkt.
DE 10 2014 014 007 A1 offenbart weiter, dass vorteilhaft eine Innenwand eines Filtergehäuses mit einem durchströmbaren Akustikelement aus einem akustisch wirksamen Medium ausgekleidet werden kann. Dabei können auch die Flächen des durchströmbaren Akustikelements eine dreidimensionale Gestalt aufweisen, um stehende Wellen oder bestimmte Frequenzen des strömenden Fluids zu reduzieren oder gar zu eliminieren, die sich im Betrieb des Filterelements bzw. Filtersystems ausbilden. Dies kann beispielsweise mittels üblichen Modellrechnungen simuliert werden, um eine günstige dreidimensionale Gestalt für ein gegebenes System zu bestimmen. Zusätzlich können dadurch Lambda/4-Rohre, Helmholtz-Resonatoren oder weitere akustische Maßnahmen, welche üblicherweise als geräuschdämpfende Maßnahmen in Luftfiltersystemen eingesetzt werden, entfallen. Des Weiteren kann schnell und einfach das zu absorbierende Frequenzband geändert werden, indem die dreidimensionale Gestalt des durchströmbaren Akustikelements verändert wird. Die dreidimensionale Gestalt des durchströmbaren Akustikelements erlaubt außerdem die Ausnutzung einer zusätzlichen Filterleistung des Filtersystems.
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DE 10 2007 056 852 A1 ist mit dem Problem befasst, dass nur ein verhältnismäßig geringer Teil eines Luftfiltervolumens überhaupt von angesaugter Luft durchströmt wird und dass diese Luft auch nach dem Durchströmen des Luftfilters noch verhältnismäßig viel Feuchtigkeit aufweist, wobei dies bei Kraftfahrzeugen insbesondere bei Regenfahrten zu Funktionsstörungen und sogar zu einem Ausfall des Motors führen. Außerdem ist mit Leistungsverlusten, einem vorzeitigen Filterwechsel und einer vorzeitigen Ersetzung des Luftmassensensors zu rechnen.
DE 10 2007 056 852 A1 ist daher darauf gerichtet, einen Luftfilter anzugeben, der eine zuverlässige Entfernung von Fremdpartikeln und Wasser aus der Prozessluft gewährleistet sowie ein Verfahren zum Auslegen eines solchen Luftfilters und ein Verfahren zu seinem Betrieb anzugeben und offenbart einen Luftfilter mit einem Luftfiltergehäuse, das einen Luftfilterraum mit einem Umgebungsluftvolumen und einem von dem Umgebungsluftvolumen durch eine Filtereinrichtung getrennten Reinluftvolumen umschließt. Zumindest eine Innenseite des das Umgebungsluftvolumen umschließenden Luftfiltergehäuses weist Rippen auf. Das Umgebungsluftvolumen wird im Betrieb des Luftfilters von Luft in einer Strömungsrichtung durchströmt und Abschnitte der Rippen sind parallel zu dieser Strömungsrichtung der Luft und gebogen angeordnet. Mittels Simulation kann hierbei die Ausgestaltung der Rippen für die Erfüllung von zwei Aufgaben gleichzeitig optimiert werden; einerseits stabilisieren und versteifen die Rippen das Luftfiltergehäuse und andererseits bewirken die Rippen durch ihre Form und Anordnung eine gewünschte Luftströmung innerhalb des Luftfiltergehäuses.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Filterelementströmungsteileeinrichtung und ein dieses umfassendes Filtersystem zu schaffen, wobei die Filterelementströmungsteileeinrichtung das Einstellen einer gewünschten Kennlinie, insbesondere eines Strömungsprofils, insbesondere eines Luftströmungsprofils konstruktiv einfach erlaubt und wobei die Filterelementströmungsteileeinrichtung den Einsatz verschiedenartiger Filterelemente erlaubt in einem Filtersystem erlaubt. Die erfindungsgemäße Filterelementströmungsteileeinrichtung erlaubt beispielsweise das Anpassen oder gezieltes Optimieren der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids an ein vorbestimmtes Strömungsprofil. Beispielsweise kann so die Strömung in einem Filterelement oder in einem Filtersystem an eine Strömungsvorgabe an einer vorbestimmten Messstelle einzustellen. Beispielsweise kann eine Strömungsgeschwindigkeit angepasst werden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Filterelement für ein solches Filtersystem anzugeben.
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Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Filterelementströmungsteileeinrichtung, eines Filtersystems und/oder eines Filterelements.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Filterelementströmungsteileeinrichtung, welche zur Erzeugung eines vorbestimmten Strömungsprofils in einem abströmseitigen Medienstrom eines Filterelements ausgebildet ist, wobei die einen Reinluftkammerabschnitt, einen Abströmkanalabschnitt mit einem Kanalquerschnitt, optional mit einer Dichtung zum Abdichten des Abströmkanals, und einen Massenstromsensor aufweist, wobei die Filterelementströmungsteileeinrichtung mindestens einen Leitschaufelwandabschnitt mit einem Einströmkrümmungsbereich umfasst, welcher insbesondere, und bevorzugt stetig, mit einem Abströmwandabschnitt verbunden ist, und wobei der Leitschaufelwandabschnitt im Längsschnitt in einer vorbestimmten Strömungsrichtungsebene vom Reinluftkammerabschnitt zum Massensensor einen Anstellwinkel einer Tangente an den maximalen Krümmungspunkt des Einströmkrümmungsbereichs gegenüber der Strömungsrichtungsebene und/oder gegenüber mindestens einem weiteren Leitschaufelwandabschnitt aufweist, wobei der mindestens eine Leitschaufelwandabschnitt in dem Reinluftkammerabschnitt angeordnet ist und vorbestimmt abströmseitig zum Reinluftkammerabschnitt der Abströmkanalabschnitt, optional mit der Dichtung, angeordnet ist und abströmseitig zum Reinluftkammerabschnitt und/oder zum Abströmkanalabschnitt der Massenstromsensor angeordnet ist, wobei der Massenstromsensor direkt hinter dem Leitschaufelwandabschnitt angeordnet ist oder in einem Abstand von bis zu einmal dem Kanalquerschnitt des Abströmkanalabschnitts zu dem Abströmwandabschnitt, insbesondere zum Ende des Abströmwandabschnitts, beabstandet angeordnet ist.
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Filterelementströmungsteileeinrichtung, wobei die Strömungsteileeinrichtung mindestens zwei Leitschaufelwandabschnitte umfasst und wobei die Leitschaufelwandabschnitte jeweils einen vorbestimmten Anstellwinkel aufweist und wobei der Einströmkrümmungsbereich des jeweiligen Leitschaufelwandabschnitts den Einströmquerschnitt zunächst verengt und wobei sich der Durchströmquerschnitt zwischen den Leitschaufelwandabschnitten anschließend vorbestimmt weitet, wobei der Übergang insbesondere stetig ist und wobei die jeweilige Einström- oder Durchströmquerschnittsfläche insbesondere an jeder Stelle kreis- oder ellipsenförmig ist, und wobei der Abstand des jeweiligen Leitschaufelwandabschnitts verschieden oder gleich sein kann und wobei der Anstellwinkel des jeweiligen Leitschaufelwandabschnitts verschieden sein kann oder gleich sein kann zur Strömungsrichtungsebene. Man kann den Einströmquerschnitt und den Durchströmquerschnitt anschaulich als einen konvergent-divergenten Querschnittsverlauf bezeichnen. Der Einströmbereich verjüngt sich im Bereich des Einströmkrümmungsbereichs des Leitschaufelwandabschnitts.
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Der Anstellwinkel kann ein Winkel sein, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 0° bis 90°, insbesondere in einem Bereich von 5° bis 90°, insbesondere in einem Bereich von 0° bis 60°, insbesondere in einem Bereich von 5° bis 60°, insbesondere in einem Bereich von 0° bis 45°, insbesondere in einem Bereich von 5° bis 45°.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Filterelementströmungsteileeinrichtung mindestens zwei Leitschaufelwandabschnitte auf, welche den Medienstrom über eine Länge, wobei die Länge der Länge der mindestens zwei Leitschaufelwandabschnitte entspricht, in mindestens drei parallele Teilströme aufteilen, wobei die Teilströme über die Länge separat geführt werden, insbesondere ohne Überlagerung der Teilströme im Bereich der Länge, und wobei die Teilströme in einem Überlagerungsbereich des Abströmkanals wieder zusammengeführt werden.
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Im Fall von mindestens zwei Leitschaufelwandabschnitten sind bevorzugt wenigstens zwei Einströmkrümmungsbereiche einander zugewandt angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Filterelementströmungsteileeinrichtung sind die mindestens zwei Leitschaufelwandabschnitte symmetrisch in einer Symmetrieebene, insbesondere spiegelsymmetrisch in Einströmungsrichtung bzw, Längsschnittebene, zueinander angeordnet.
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Der Leitschaufelwandabschnitt kann beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet sein.
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Der Leitschaufelwandabschnitt kann beispielsweise eine kreissymmetrische Wandung oder auch eine Leitschaufel oder Rippe sein.
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Geeignete Massenstromsensoren sind beispielsweise Durchflusssensoren, welche die Masse der pro Zeiteinheit durchströmender Luft, also den Massenstrom, bestimmen. In der Fahrzeugtechnik werden dazu üblicherweise Heißfilmluftmassenmesser (HFM) verwendet.
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Die vorgenannten Aufgaben werden gelöst mit einem Filtersystem mit einem in einem Gehäuse zwischen einem rohseitigen Eingang und einem reinseitigen Ausgang angeordneten Filterelement zum Filtern eines Medienstroms, wobei im abströmseitigen Medienstrom eine Strömungsteilereinrichtung vorgesehen ist, welche den abströmseitigen Medienstrom über eine vorgegebene erste Länge in wenigstens zwei separate Teilströme aufteilt, wobei unter vorgegebenen Betriebsbedingungen durch Überlagerung der Teilströme stromab der Strömungsteilereinrichtung ein Überlagerungsbereich mit einer vorgegebenen Strömungscharakteristik ausprägbar ist, sowie mit einem Filterelement und einem Verfahren zum Bereitstellen eines Filtersystems und/oder eines Filterelements.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Filtersystem mit einem in einem Gehäuse zwischen einem rohseitigen Eingang und einem reinseitigen Ausgang angeordneten Filterelement zum Filtern eines Medienstroms vorgeschlagen, wobei im abströmseitigen Medienstrom eine Strömungsteilereinrichtung vorgesehen ist, welche den abströmseitigen Medienstrom über eine vorgegebene erste Länge in wenigstens zwei separate Teilströme aufteilt, wobei unter vorgegebenen Betriebsbedingungen durch Überlagerung der Teilströme stromab der Strömungsteilereinrichtung ein Überlagerungsbereich mit einer vorgegebenen Strömungscharakteristik ausprägbar ist.
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Dadurch, dass der Medienstrom in Teilströme aufgetrennt wird, die nach einer ersten Länge wieder überlagern, kann eine gezielte Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgen. Der Medienstrom kann lokal beschleunigt oder abgebremst werden. Es findet am Ausgang des Filterelements keine Vergleichmäßigung des Medienstroms statt, wie dies bei einer gitterartigen Struktur der Fall wäre, sondern eine Auftrennung in separate Teilströme.
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Durch die Auftrennung des abströmenden Medienstroms kann die Strömungscharakteristik des abströmenden Medienstroms im Überlagerungsbereich in weiten Grenzen gestaltet werden. Vorteilhaft kann die Strömungsteilereinrichtung so gestaltet werden, dass sich eine gewünschte Strömungscharakteristik im Überlagerungsbereich einstellt. Der Überlagerungsbereich kann außerhalb des Filterelements und außerhalb des Filtersystems vorgesehen sein.
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Die Strömungsteilereinrichtung führt zu einer insbesondere lokalen Abbremsung oder Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit der Medienströmung, ohne einen signifikant höheren Druckverlust herbeizuführen. Zusätzlich führt die Strömungsteilereinrichtung zu einer Änderung des Strömungsprofils, so dass sich im Bereich eines Massenstromsensors im Überlagerungsbereich lokal eine veränderte Geschwindigkeitsverteilung, insbesondere entlang und/oder quer zur Symmetrieebene des Filterelements im Abströmbereich ausbilden kann. Dabei kann sich der Überlagerungsbereich gezielt auf den Nahbereich des Massenstromsensors, insbesondere einen Umströmungsbereich des Massenstromsensors, beschränken. Die Auslegung erfolgt dabei bevorzugt derart, dass die Veränderung im Überlagerungsbereich derart ist, dass der Zusammenhang zwischen der Strömungsgeschwindigkeit im Überlagerungsbereich und dem Gesamtluftmassenstrom dem Zusammenhang entspricht, auf welche eine vorhandene Motorsteuerung ausgelegt ist. So können auch bauartverschiedene Filterelement im gleichen Filtersystem verwendet werden, ohne eine erneute Kalibrierung des Massenstromsensors durchführen zu müssen.
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Die Erfindung erlaubt den Einsatz verschiedenartiger Filterelemente in dem Filtersystem. Die an sich möglicherweise unterschiedlichen Abströmeigenschaften der verschiedenartigen Filterelemente können durch die Strömungsteilereinrichtung ausgeglichen werden, so dass sich unabhängig davon, wie das jeweilige Filterelement sonst beschaffen ist, im Überlagerungsbereich jeweils vergleichbare Strömungscharakteristiken einstellen. Vorzugsweise werden Filterelemente eingesetzt, die für den gleichen Gesamtmassenstrom ausgelegt sind. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig, da leicht abweichende Auslegungen im Betrieb lediglich zu einem leicht abweichenden Druckverlust am Filterelement oder leicht unterschiedlicher Standzeit führen. Ist im Überlagerungsbereich ein Massenstromsensor angeordnet, kann dieser zuverlässig den vorhandenen Massenstrom bestimmen, auch wenn, beispielsweise bei einem Filterwechsel, ein anderer Filterelementtyp, vorzugsweise mit gleichem Gesamtmassenstrom, eingebaut wird. Durch die geeignete Anpassung der Strömungsteilereinrichtung kann am Ort des Massenstromsensors dessen vorgegebenes Kennfeld durch den Medienstrom hinreichend genau eingehalten werden.
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Vorteilhaft dient das Filtersystem zur Filterung gasförmiger Medien, beispielsweise als Luftfiltersystem für eine Brennkraftmaschine, um die den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführende Verbrennungsluft einer Filtration zu unterziehen.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Strömungscharakteristik zumindest ein Geschwindigkeitsprofil und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder eine Strömungsrichtung umfassen. Insbesondere durch die Ausgestaltung der Strömungsteilereinrichtung und/oder deren Position und/oder deren Form kann die Abströmcharakteristik des jeweils eingesetzten Filterelements im Überlagerungsbereich gestaltet werden. Dies kann vorteilhaft mittels Simulation des Strömungsverhaltens des jeweiligen Filterelements unter den gegebenen Betriebsbedingungen erfolgen.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Strömungsteilereinrichtung zumindest teilweise im Filterelement integriert sein. Beispielsweise kann die Strömungsteilereinrichtung mit einer oder beiden Endscheiben des Filterelements verbunden sein. So kann die Strömungsteilereinrichtung mit einer oder beiden Endscheiben vergossen werden oder nachträglich in diese eingesteckt werden.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Strömungsteilereinrichtung zumindest teilweise stromab des Filterelements angeordnet vorgesehen sein. Die zum jeweiligen Filterelement passende Strömungsteilereinrichtung kann bei einem Wechsel des Filterelements in das Filtersystem eingebracht werden.
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Optional kann ein Teil der Strömungsteilereinrichtung mit dem Filterelement verbunden sein und ein Teil der Strömungsteilereinrichtung außerhalb, abströmseitig im Filtersystem oder in einem abströmseitig angeschlossenen Ansaugstutzen, angeordnet sein. Der Überlagerungsbereich ragt aus dem Filterelement und ggf. aus dem Filtersystem heraus.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann der Überlagerungsbereich als Nahbereich eines Sensors, insbesondere eines Massenstromsensors, insbesondere als Umströmungsbereich des Massenstromsensors, vorgesehen sein. Durch geeignete Ausgestaltung der Strömungsteilereinrichtung kann die Strömungscharakteristik des Medienstroms so eingestellt werden, dass die Strömungscharakteristik im Kennfeld des Massenstromsensors liegt und so korrekt detektiert werden kann.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Strömungsteilereinrichtung mindestens eine Leitschaufel oder mehrere Leitschaufeln aufweisen. Von diesen kann bevorzugt wenigstens ein Teil einen Abströmquerschnitt des Filterelements von einer Seite zur anderen durchsetzen, es kann jedoch ausreichend sein, wenn die Leitschaufeln funktional in den Abströmquerschnitt hineinragen, beispielsweise mindestens 50%, bevorzugt mindestens 80% des Abströmquerschnitts an der Stelle der jeweiligen Leitschaufel durchsetzen. Die Leitschaufeln können gerade ausgebildet sein und mit einer oder mehreren Endscheiben verbunden sein.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Strömungsteilereinrichtung wenigstens eine Leitschaufel aufweisen, die parallel zu einer Strömungsrichtung in sich geschlossen ausgebildet ist. Dies erlaubt eine konzentrische und ggf. rotationssymmetrische Aufteilung des abströmseitigen Medienstroms. Dies kann insbesondere für rotationssymmetrische Filterelemente günstig sein.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Strömungsteilereinrichtung wenigstens zwei Leitschaufeln aufweisen. Hierdurch können drei Teilströme generiert werden. Insbesondere können die Leitschaufeln symmetrisch zu einer Symmetrielinie des Abströmquerschnitts des Filterelements angeordnet sein. Die Leischaufeln können günstigerweise spiegelbildlich zueinander angeordnet sein.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung können die Leitschaufeln zumindest bereichsweise entlang der ersten Länge einen variierenden Querschnitt aufweisen. Insbesondere kann sich der Querschnitt von seiner Anströmseite zur Abströmseite oder von seiner Abströmseite zur Anströmseite verjüngen. Eine Keilform ist günstig für die Gestaltung der Strömungscharakteristiken des Medienstroms und lässt sich bei Herstellung in einem Spritzgussprozess leicht entformen.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Bereitstellen eines Filtersystems und/oder eines in einem Gehäuse eines Filtersystems anzuordnenden Filterelements zum Filtern eines Medienstroms, wobei ein abströmseitig des Filtersystems vorgesehener Sensor, insbesondere Massenstromsensor, vom abströmseitigen Medienstrom angeströmt wird, umfassend die Schritte (i) Simulieren eines Abströmverhaltens des Filterelements mit einer im abströmseitigen Medienstrom angeordneten Strömungsteilereinrichtung, welche den abströmseitigen Medienstrom über eine vorgegebene erste Länge in wenigstens zwei Teilströme auftrennt, und (ii) Anpassen der Strömungsteilereinrichtung zur Erzielung einer gewünschten Strömungscharakteristik in einem Überlagerungsbereich der zuvor aufgetrennten Teilströme.
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Optional kann das Verfahren zusätzlich einen Schritt des Bestimmens einer Leitschaufelwandabschnittsgeometrie mindestens eines Leitschaufelwandabschnitts mit einem Einströmkrümmungsbereich und einem Anstellwinkel gegenüber einer Strömungsrichtungsebene und optional einem Abströmbereich umfassen.
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Optional kann das Verfahren zusätzlich einen Schritt Bestimmens eines Abstands zu einem Massenstromsensor, optional in Abhängigkeit vom Abströmkanalquerschnitt, umfassen.
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Optional kann das Verfahren zusätzlich einen Schritt des Ausrichtens und/oder Anordnens eines Leitschaufelwandabschnitts mit der Leitschaufelwandabschnittsgeometrie aus dem Bestimmungsschritt der Leitschaufelwandabschnittsgeometrie in einem Reinluftkammerabschnitt, vorbestimmt zum Leitungsschaufelwandabschnitt abströmseitiges Anordnen eines Abströmkanalabschnitts, optional mit einer Dichtung, und des Massenstromsensors in einer Position gemäß dem Bestimmungsergebnis des Bestimmungsschritts der Leitschaufelwandabschnittsgeometrie des Leitschaufelwandabschnitts zu der Strömungsteileeinrichtung umfassen.
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Vorteilhaft können verschiedenartige Filterelemente, vorzugsweise mit gleichem Gesamtmassenstrom, im gleichen Filtersystem bzw. gleichen Ansaugsystem eingesetzt werden, ohne die Messgenauigkeit des Massenstromsensors herabzusetzen.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann ein Geschwindigkeitsprofil und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder eine Strömungsrichtung im Überlagerungsbereich vorgegeben werden. Damit kann die Strömungscharakteristik des Medienstroms im Überlagerungsbereich gezielt an die Anforderungen des Massenstromsensors angepasst werden, um ein gewünschtes Ausgangssignal des Massenstromsensors aufgrund seiner Programmierung zu erzielen.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann das Filterelement in seiner Größe und/oder Art variiert werden. Vorzugsweise werden Filterelemente mit gleichem Gesamtmassenstrom eingesetzt. Für jedes kann durch die Simulation die am besten geeignete Strömungsteilereinrichtung bestimmt werden.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann ein vorgegebenes Ausgangssignal des Sensors als Optimierungskriterium bei der Anpassung der Strömungsteilereinrichtung und/oder der Variation des Filterelements eingesetzt werden. Damit kann die Genauigkeit der Massenstrommessung abgesichert werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Filterelement mit einem Abströmquerschnitt vorgeschlagen, das zur auswechselbaren Verwendung in einem Filtersystem vorgesehen ist, und das dazu ausgebildet ist, mit einer abströmseitig angeordneten Strömungsteilereinrichtung zusammenzuwirken. Vorzugsweise kann eine Gruppe von verschiedenartigen Filterelementen zum Wechsel vorgesehen sein, die den gleichen Massenstrom des Mediums liefern können.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Strömungsteilereinrichtung mit einer oder mehreren Endscheiben des Filterelements verbunden vorgesehen sein. Bei Bedarf kann beim Spritzgießen der Endscheiben durch eine einfache Änderung eines Werkzeugkopfes beim Spritzgussverfahren die Strömungsteilereinrichtung wahlweise in das Spritzgussteil eingebracht werden oder nicht.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Strömungsteilereinrichtung mit dem Filterelement integriert vorgesehen sein. Dies erlaubt eine kompakte Anordnung.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Strömungsteilereinrichtung Leitschaufeln bzw. Leitschaufelwandabschnitte aufweisen, von denen wenigstens ein Teil einen Abströmquerschnitt des Filterelements von einer Seite zur anderen, insbesondere von einer Endscheibe zur anderen Endscheibe, durchsetzt. Dies ist werkzeugtechnisch einfach zu realisieren, insbesondere bei einem Filterelement mit einem U-förmigen oder V-förmigen Filterbalg oder bei einem runden Filterbalg, der sternförmig gefaltet und ringförmig geschlossen ist. In einem solchen Fall eines Rundluftfilterelements kann die Leitgeometrie beispielsweise am Mittelrohr angebracht oder angeformt sein, welches den Filterbalg innen abstützt, oder an der abströmseitigen, geöffneten Endscheibe im Bereich der Ausströmöffnung, insbesondere gegenüberliegend der geschlossenen Endscheibe.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Strömungsteilereinrichtung wenigstens eine Leitschaufel bzw. einen Leitschaufelwandabschnitt aufweisen, die in sich geschlossen ausgebildet ist. Dies erlaubt vorteilhaft eine konzentrische, ggf. rotationssymmetrische Anordnung. Die in sich geschlossene Leitschaufel bzw. der Leitschaufelwandabschnitt kann mit Streben oder dergleichen am Filterelement befestigt sein.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Strömungsteilereinrichtung wenigstens zwei Leitschaufeln bzw. wenigstens zwei Leitschaufelwandabschnitte aufweisen. Hierdurch kann der Medienstrom in drei Teilströme aufgetrennt werden. Insbesondere können die Leitschaufeln bzw. die Leitschaufelwandabschnitte symmetrisch zu einer Symmetrielinie des Abströmquerschnitts angeordnet sein.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung können die zwei Leitschaufeln bzw. Leitschaufelwandabschnitte zumindest bereichsweise entlang der ersten Länge einen variierenden Querschnitt aufweisen. Insbesondere kann sich der Querschnitt von seiner Anströmseite zu seiner Abströmseite verjüngen. Hierdurch ergibt sich eine günstige Keilform. Bei einer in sich geschlossenen Leitschaufel bzw. einem Leitschaufelwandabschnitt ist entsprechend die Wandstärke an der Anströmseite dicker als an der Abströmseite.
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Es sei verstanden, dass die vorliegend beschriebenen Strömungsteilereinrichtungen und Leitschaufeln bzw. Leitschaufelwandabschnitte oder Leitgeometrien besonders bevorzugt keine gitterartigen Strukturen aufweisen. Gitter- oder netzartige Strukturen führen stromab im Querschnittsbereich dieser Strukturen zu einer im Wesentlichen homogenisierten, d. h. über den von den Gittern oder Netzen abgedeckten Querschnitt vergleichmäßigten Strömungsgeschwindigkeitsverteilung, wohingegen erfindungsgemäß die Leitschaufeln, Strömungsteilereinrichtungen oder Leitgeometrien lokal eine Strömungsgeschwindigkeitsänderung herbeiführen, die im Vergleich zur Situation ohne die jeweiligen Leitschaufeln, Strömungsteiler oder Leitgeometrien eine lokal verändernde (beschleunigende oder bremsende), jedoch nicht über einen größeren Querschnitt vergleichmäßigende oder homogenisierende Wirkung haben.
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Daher ist es bevorzugt, dass die Leitschaufeln bzw. Leitschaufelwandabschnitte, Strömungsteilereinrichtungen oder Leitgeometrien nicht mehr als zwei, bevorzugt nicht mehr als ein, bevorzugt keine sich schneidende Elemente wie sich schneidende Leitschaufeln, Leitrippen oder ähnliches aufweisen. Die Anzahl der von den strömungsbeeinflussenden Elementen, Leitschaufeln, Strömungsteilereinrichtungen oder Leitgeometrien, umschlossenen, begrenzten und/oder voneinander getrennten Teilströmungsquerschnitte ist weiter bevorzugt geringer als 9, bevorzugt geringer als 6, besonders bevorzugt geringer als 4.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen beispielhaft:
- 1 Schematische Schnittdarstellung einer Filterelementströmungsteileeinrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 Schematische Schnittdarstellung einer Filterelementströmungsteileeinrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 Schematische Schnittdarstellung einer Filterelementströmungsteileeinrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 Schematische Schnittdarstellung einer Filterelementströmungsteileeinrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine Schnittdarstellung eines Filtersystems mit einem Filterelement und einem Massenstromsensor in einem Ansaugstutzen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 eine isometrische Darstellung des Filterelements aus 5 mit zwei Leitschaufeln einer Strömungsteilereinrichtung;
- 7 in Schnittdarstellung eine Draufsicht auf den abströmseitigen Bereich des Filterelements aus 6 mit zwei Leitschaufeln einer Strömungsteilereinrichtung;
- 8 in Schnittdarstellung eine Draufsicht auf den abströmseitigen Bereich eines Filterelements mit einer in sich geschlossenen Leitschaufel einer Strömungsteilereinrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 9 ein Schaubild einer Geschwindigkeitsverteilung in einem Überlagerungsbereich mit einem Filtersystem ohne Strömungsteilereinrichtung;
- 10 ein Schaubild einer Geschwindigkeitsverteilung in einem Überlagerungsbereich nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 11 ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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Zur Erläuterung der Erfindung zeigen 1 bis 4 schematische Schnittdarstellungen einer Filterelementströmungsteileeinrichtung 50 nach mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Filterelementströmungsteileeinrichtung 50 ist zur Erzeugung eines vorbestimmten Strömungsprofils in einem abströmseitigen Medienstrom eines Filterelements ausgebildet und umfasst Filterelementströmungsteileeinrichtung 50 zur Erzeugung eines vorbestimmten Strömungsprofils in einem abströmseitigen Medienstrom eines Filterelements, umfassend einen Reinluftkammerabschnitt 70, einen Abströmkanalabschnitt 72 mit einem Kanalquerschnitt 74, und optional mit einer Dichtung 22 zum Abdichten des Abströmkanals 72, und einen Massenstromsensor 120, umfassend mindestens einen Leitschaufelwandabschnitt 52, 54 mit einem Einströmkrümmungsbereich 76, welcher insbesondere, und bevorzugt stetig, mit einem Abströmwandabschnitt 78 verbunden ist, und wobei der Leitschaufelwandabschnitt 52, 54 im Längsschnitt in einer vorbestimmten Strömungsrichtungsebene 26 vom Reinluftkammerabschnitt 70 zum Massensensor 120 einen Anstellwinkel a einer Tangente 88 an den maximalen Krümmungspunkt des Einströmkrümmungsbereichs 76 gegenüber der Strömungsrichtungsebene 26 und/oder gegenüber mindestens einem weiteren Leitschaufelwandabschnitt 52,54 aufweist, in dem Reinluftkammerabschnitt 70 angeordnet ist und vorbestimmt abströmseitig zum Reinluftkammerabschnitt 70 der Abströmkanalabschnitt 72, optional mit der Dichtung 22, angeordnet ist und abströmseitig zum Reinluftkammerabschnitt 70 und/oder zum Abströmkanalabschnitt 72 der Massenstromsensor 120 angeordnet ist, wobei der Massenstromsensor 120 direkt hinter dem Leitschaufelwandabschnitt 52, 54 angeordnet ist oder in einem Abstand 82 von bis zu einmal dem Kanalquerschnitt 74 des Abströmkanalabschnitts 72 zu dem Abströmwandabschnitt 78, insbesondere zum Ende des Abströmwandabschnitts 78, beabstandet angeordnet ist.
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Die in 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen zeigen Filterelementströmungsteileeinrichtungen 50, wobei die Strömungsteileeinrichtung 50 als bevorzugte Ausführungsform insbesondere zwei Leitschaufelwandabschnitte 52, 54 umfasst und wobei die Leitschaufelwandabschnitte 52, 54 einen vorbestimmten Anstellwinkel a aufweisen und wobei der Einströmkrümmungsbereich 76 des jeweiligen Leitschaufelwandabschnitts 52, 54 den Einströmquerschnitt 84 zunächst verengt und wobei sich der Durchströmquerschnitt 86 zwischen den Leitschaufelwandabschnitten 52, 54 anschließend vorbestimmt weitet, wobei der Übergang insbesondere stetig ist und wobei die jeweilige Einström- oder Durchströmquerschnittsfläche 84, 86 insbesondere an jeder Stelle kreis- oder ellipsenförmig ist und wobei der Abstand 82 des jeweiligen Leitschaufelwandabschnitts 52, 54 verschieden oder gleich sein kann und wobei der Anstellwinkel α des jeweiligen Leitschaufelwandabschnitts 52, 54 verschieden sein kann oder gleich sein kann zur Strömungsrichtungsebene 26. Die mindestens zwei Leitschaufelwandabschnitte 52, 54 können beispielsweise gegengleich oder beispielsweise auch symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch in der Längsschnittebene der Strömungsrichtung 26, zueinander angeordnet sein. Im Fall von mindestens zwei Leitschaufelwandabschnitten sind bevorzugt wenigstens zwei Einströmkrümmungsbereiche einander zugewandt angeordnet.
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Der Anstellwinkel α kann ein Winkel sein, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 0° bis 90°, insbesondere in einem Bereich von 5° bis 90°, insbesondere in einem Bereich von 0° bis 60°, insbesondere in einem Bereich von 5° bis 60°, insbesondere in einem Bereich von 0° bis 45°, insbesondere in einem Bereich von 5° bis 45°.
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Die Filterelementströmungsteileeinrichtung nach den in 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen weist insbesondere zwei Leitschaufelwandabschnitte 52, 54 auf, die den Medienstrom über eine Länge 40, wobei die Länge 40 der Länge der mindestens zwei Leitschaufelwandabschnitte 52, 54 entspricht, in mindestens drei parallele Teilströme 32, 34, 36 aufteilen, wobei die Teilströme 32, 34, 36 über die Länge 40 separat geführt werden, insbesondere ohne Überlagerung der Teilströme 32, 34, 36 im Bereich der Länge 40, und wobei die Teilströme 32, 34, 36 in einem Überlagerungsbereich 44 des Abströmkanals 72 wieder zusammengeführt werden.
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Die Details der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Filterelementströmungsteileeinrichtung 50 in der Durchströmungssituation wird in einem Ausführungsbeispiel in einem Filterelement 10 in 5 dargestellt.
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Die Filterelementströmungsteileeinrichtung 50 erlaubt konstruktiv einfach das Einstellen einer gewünschten Kennlinie, insbesondere eines Strömungsprofils, insbesondere eines Luftströmungsprofils und erlaubt somit den Einsatz verschiedenartiger Filterelemente erlaubt in einem Filtersystem. Die erfindungsgemäße Filterelementströmungsteileeinrichtung erlaubt konstruktiv einfach somit beispielsweise das Anpassen oder gezielte Optimieren der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids an ein vorbestimmtes Strömungsprofil. Beispielsweise kann so die Strömung in einem Filterelement oder in einem Filtersystem an eine Strömungsvorgabe an einer vorbestimmten Messstelle einzustellen. Beispielsweise kann eine Strömungsgeschwindigkeit angepasst werden.
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Zur Erläuterung der Erfindung zeigt 5 ein Ausführungsbeispiel eines Filtersystems 100 mit einem in einem Gehäuse 102 zwischen einem rohseitigen Eingang 104 und einem reinseitigen Ausgang 106 angeordneten Filterelement 10 zum Filtern eines Medienstroms, beispielsweise Luft in einem Ansaugtrakt, von dem ein Teil eines Ansaugstutzens 110 zu erkennen ist. In dem Ansaugstutzen 110 ist ein Massenstromsensor 120 angeordnet, welcher den Massenstrom des gereinigten Medienstroms bestimmt.
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Im abströmseitigen Medienstrom ist eine Strömungsteilereinrichtung 50 vorgesehen, welche den abströmseitigen Medienstrom über eine vorgegebene erste Länge 40 in wenigstens zwei Teilströme 32, 34, 36 aufteilt, wobei unter vorgegebenen Betriebsbedingungen durch Überlagerung der Teilströme 32, 34, 36 stromab der Strömungsteilereinrichtung 50 ein Überlagerungsbereich 44 mit einer vorgegebenen Strömungscharakteristik ausprägbar ist. Der Überlagerungsbereich 44 ist vereinfachend mit einem Kreis angedeutet und umfasst insbesondere die Position des Massenstromsensors 120.
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Das Filterelement 10 ist beispielhaft als U-förmiges Filterelement ausgebildet. Optional können andere Filterelementgeometrien vorgesehen sein, etwa V-förmige Filter, Rundfilter, Flachfilter und dergleichen.
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Das Filterelement 10 gemäß Ausführungsbeispiel weist einen U-förmigen Filterbalg 12 auf, mit einem gefalteten Filtermaterial, insbesondere mit einem gefalteten Filterpapier. Der Filterbalg 12 wird üblicherweise radial von außen nach innen von dem zu filtrierenden Medienstrom durchströmt, so dass der Zwischenraum zwischen den beiden Schenkeln des Filterbalgs 12 den Reinraum bildet, in dem der filtrierte Medienstrom üblicherweise axial, also parallel zu den Schenkeln, abgeleitet wird.
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Der U-förmige Filterbalg 12 ist in einem Filtergrund- bzw. Filterträgerkörper aufgenommen, welcher zweckmäßigerweise als Kunststoffbauteil ausgebildet ist. Der Filtergrundkörper des Filterelements 10 besitzt einen Aufnahmeraum zur Aufnahme des Filterbalgs 12, wobei der Aufnahmeraum auf der radialen Außenseite zweckmäßigerweise offen ausgebildet ist, um die Anströmung radial von außen hinderungsfrei zu ermöglichen. Außerdem kann bei dieser Ausführung der Filterbalg 12 bei der Montage von außen nach innen in den Aufnahmeraum entlang der Längsachse des Grundkörpers 30 eingeschoben werden.
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Der Filterbalg 12 ist zickzackförmig gefaltet, wobei sich die Falten, die sich an den Schenkeln des Filterbalgs 12 befinden, annähernd in Radialrichtung, also quer zur Längsachse des Grundkörpers 30 erstrecken bzw. zur Querrichtung einen kleinen Winkel einnehmen.
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Jede Falte weist eine obere und untere Stirnkante auf, die eine entsprechende Ausrichtung quer zur Längsachse aufweist. Im Bereich des verbindenden Bogens zwischen den beiden Schenkeln des U-förmigen Filterbalgs 12 weisen die einzelnen Falten bzw. die Stirnkanten der Falten eine hiervon abweichende Winkelposition zur Längsachse auf, wobei in Achsrichtung liegende Falten, die im Bereich des Grundes der U-Form angeordnet sind, zumindest annähernd parallel zur Längsachse ausgerichtet sind.
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An den Stirnkanten der Falten des Filterbalgs 12 ist jeweils ein Dichtelement in Form von einer Endscheibe 14, 16 angeordnet, deren Dichtmasse mit den Stirnkanten verbunden ist. Die Endscheiben 14, 16 sind zudem mit dem Grundkörper 30 verbunden. Mit den Endscheiben 14, 16 kann zum einen eine strömungsdichte Abdichtung an den Stirnkanten erfolgen, so dass Fehlluftströme zwischen Rohseite und Reinseite des Filterbalgs 12 vermieden werden. Zum anderen ist der Filterbalg 12 über die Endscheiben 14, 16 Dichtelement sicher und fest am Grundkörper 30 gehalten. Dadurch erübrigen sich sonstige Maßnahmen zur Verbindung des Filterbalgs 12 mit dem Grundkörper 30.
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Der Aufnahmeraum am Grundkörper 30, in dem der Filterbalg 12 aufgenommen ist, weist vorteilhafterweise mindestens ein Stützelement 18, etwa in Form eines Zugankers, im Bereich der Stirnkanten des Filterbalgs 12 auf, über das dieser zusätzlich im Aufnahmeraum am Grundkörper 30 gehalten wird. Die Endscheiben 14, 16 sind mit diesem Stützelement 18 verbunden, so dass die Verbindung zwischen dem Filterbalg 12 und dem Grundkörper 30 über die Endscheiben 14, 16 und weiter über das Stützelement 18 erfolgt, das am Grundkörper 30 angeordnet ist.
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Der U-förmige Filterbalg 12 ist außen von einem Vlies 28 als Vorabscheider umgeben. Rohluft strömt über den Eingang 104 des Gehäuses 102 ein und durchströmt den Filterbalg 12 von außen nach innen und tritt durch den Ausgang 106 aus dem Gehäuse 102 aus. Das Gehäuse 102 ist mit einem Anschlussstutzen 20 auf den Ansaugstutzen 110 gesteckt und mit einem Dichtring 22 gegen die Außenseite des Ansaugstutzens 20 gedichtet.
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Die Strömungsteilereinrichtung 50 besteht nicht aus einem Gitter oder einem Kreuz, welche die Medienströmung vergleichmäßigen würden, sondern, in diesem Beispiel, aus zwei spiegelbildlich zu einer Symmetrieebene 26 angeordneten Leitschaufeln 52, 54, welche somit eine Ausführungsform eines Leitschaufelwandabschnitts 52, 54 darstellen. Die Leitschaufeln 52, 54 sind symmetrisch zur Strömungsrichtungsebene 26 des U-förmigen Filterelements 10 ausgerichtet. Um die Funktionsfähigkeit zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn der Mindestabstand der Leitschaufeln 52, 54 ca. 8 mm und der Maximalabstand ca. 30 mm beträgt. Durch die Strömungsteilereinrichtung 50 kann die Medienströmung gezielt aufgeteilt werden, so dass in weiterem Abstand nach der Strömungsteilereinrichtung 50 gezielt eine lokale Abbremsung der Strömungsgeschwindigkeit herbeigeführt wird.
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Dabei führt die Strömungsteilereinrichtung 50 zu einer Abbremsung der Strömungsgeschwindigkeit, ohne einen signifikant höheren Druckverlust herbeizuführen. Zusätzlich führen die Leitschaufeln 52, 54 zu einer Änderung des Strömungsprofils, so dass im Bereich des Massenstromsensors 120 lokal eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung entlang und quer zur Symmetrieebene des U-förmigen Filterelements 10 im Abströmbereich erzielt werden kann. Allerdings ist die gleichmäßige Verteilung im Wesentlichen vor dem Massenstromsensor 120, nicht jedoch über den ganzen Abströmbereich des Medienstroms vorgesehen.
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Durch die Strömungsteilereinrichtung 50 kann die Strömung im Nahbereich, insbesondere einem Umströmungsbereich, des Massenstromsensors 120 definiert eingestellt werden. Die Leitschaufeln 52, 54 der Strömungsteilereinrichtung 50 können einerseits so angeordnet sein, dass sie zu einer Aufteilung der Strömung und einer dadurch hervorgerufenen Abbremsung der Strömungsgeschwindigkeit im Nahbereich des Massenstromsensors 120 führen. Je nach Anwendungsfall kann die Strömungsteilereinrichtung 50 die Strömung im Nahbereich des Massenstromsensors 120 auch fokussieren und eine Beschleunigung herbeiführen.
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6 zeigt eine isometrische Darstellung des in 5 beschriebenen Filterelements 10 aus 5 mit den zwei Leitschaufeln 52, 54 der Strömungsteilereinrichtung 50. Diese sind durch den Anschlussstutzen 20 des Filterelements 10 zu erkennen. Die Leitschaufeln 52, 54 erstrecken sich von der oberen Endscheibe 14 bis zur unteren Endscheibe 16 des Filterelements 10 und sind insbesondere mit den Endscheiben 14, 16 einstückig hergestellt. Der Querschnitt am Beginn des Anschlussstutzens 20 am abströmseitigen Ende der Leitschaufeln 52, 54 bildet den Abströmquerschnitt 24 des Filterelements 10.
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7 zeigt in Schnittdarstellung eine Draufsicht auf den abströmseitigen Bereich des Filterelements 10 aus 6 mit zwei Leitschaufeln 52, 54 der Strömungsteilereinrichtung 50. Die beiden Leitschaufeln 52, 54 sind spiegelsymmetrisch zur Strömungsrichtungsebene 26 des Filterelements 10 angeordnet und weisen einen keilförmigen Querschnitt auf, wobei die Anströmseiten 62 dicker sind als die Abströmseiten 64. Im Innenbereich zwischen den Leitschaufeln 52, 54 ist der Querschnitt leicht konisch ausgebildet und öffnet sich zum Abströmquerschnitt 24 hin.
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Die beiden Leitschaufeln 52, 54 teilen den Medienstrom in bevorzugt drei parallele Teilströme 32, 34, 36 auf, die über die erste Länge 40, entsprechend der Länge der Leitschaufeln 52, 54 in Abströmrichtung, separat geführt sind und sich hinter der Strömungsteilereinrichtung 50 wieder überlagern. Durch die Strömungsteilereinrichtung 50 wird im Überlagerungsbereich 44 die Abströmcharakteristik des abströmenden Medienstroms gezielt eingestellt. Der Überlagerungsbereich 144 umfasst insbesondere die Position des Massenstromsensors 120 und dessen Nahbereich 122, der für die Messung des Massenstroms wesentlich ist.
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8 zeigt in Schnittdarstellung eine Draufsicht auf den abströmseitigen Bereich eines Filterelements 10 mit einer parallel zur Strömungsrichtung in sich geschlossenen Leitschaufel 56 einer Strömungsteilereinrichtung 50 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Filterelement 10 ist wie in 7 ausgebildet, während die Strömungsteilereinrichtung 50 durch eine in sich geschlossene Leitschaufel 56 gebildet ist. Diese teilt den Medienstrom in zwei Teilströme 32, 34, welche konzentrisch abströmen. Die Wandstärke der Leitschaufel 56 ist im Schnitt keilförmig und verjüngt sich von der Anströmseite 62 zur Abströmseite 64.
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9 und 10 zeigen Schaubilder einer Geschwindigkeitsverteilung in einem Überlagerungsbereich quer zur Strömungsrichtung, wobei 9 das Schaubild für ein Filtersystem ohne Strömungsteilereinrichtung und 10 das Schaubild für ein Filtersystem mit Strömungsteilereinrichtung entsprechend 7 mit drei Teilströmen zeigt. Auf der vertikalen Achse ist die Geschwindigkeit am Ort des Massenstromsensors 120 (7) über dem Parameter x aufgetragen, der in 7 als Durchmesser des Strömungskanals im Ansaugstutzen 110 (5) angegeben ist.
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Während ohne Strömungsteilereinrichtung (9) die Geschwindigkeit am Ort des Massenstromsensors 120 ein Maximum aufweist, ist unter gleichen Simulationsbedingungen mit der Strömungsteilereinrichtung (10) die Geschwindigkeit dort deutlich geringer und im Mittel homogener.
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11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Verbindung mit 5 beschrieben wird. Das Verfahren zum Bereitstellen einer Filterelementströmungsteileeinrichtung 50 und/oder eines Filtersystems 100 und/oder eines in einem Gehäuse 102 eines Filtersystems 100 anzuordnenden Filterelements 10 zum Filtern eines Medienstroms, wobei im Gehäuse 102 ein abströmseitig des Filtersystems 100 vorgesehener Sensor 120, insbesondere Massenstromsensor, vom abströmseitigen Medienstrom angeströmt wird, umfasst die Schritte:
- S100: Simulieren eines Abströmverhaltens des Filterelements 10 mit einer im abströmseitigen Medienstrom angeordneten Strömungsteilereinrichtung 50, welche den abströmseitigen Medienstrom über eine vorgegebene erste Länge 40 in wenigstens zwei Teilströme 32, 34, 36 auftrennt, und
- S104: Anpassen der Strömungsteilereinrichtung 50 zur Erzielung einer gewünschten Strömungscharakteristik in einem Überlagerungsbereich 44 der zuvor aufgetrennten Teilströme 32, 34, 36.
- In Schritt S102 zwischen den Schritten S100 und S102 wird geprüft, ob die Simulation ein Ergebnis hat, das mit dem Kennfeld des Massenstromsensors 120 verträglich ist. Falls das Ergebnis nicht verträglich ist, wird die Strömungsteilereinrichtung 50 variiert und Schritt S100 wiederholt.
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Falls das Ergebnis mit dem Kennfeld des Massenstromsensors 120 verträglich ist, wird in Schritt S104 die Strömungsteilereinrichtung 50 als für das gegebene Filterelement 10 geeignete Strömungsteilereinrichtung 50 ausgegeben.
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Dabei kann zur Simulation in Schritt S100 ein Geschwindigkeitsprofil und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder eine Strömungsrichtung im Überlagerungsbereich vorgegeben werden.
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Dies kann für verschiedenartige Filterelemente 10 erfolgen, die in Größe und/oder Art variiert werden. Vorzugsweise weisen diese bei der Variation den gleichen Gesamtvolumenstrom auf.
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Vorteilhaft kann ein vorgegebenes Ausgangssignal des Massenstromsensors 120 als Optimierungskriterium bei der Anpassung der Strömungsteilereinrichtung 50 und/oder der Variation des Filterelements 10 eingesetzt werden.
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Optional kann das Verfahren zusätzlich einen Schritt S106 des Bestimmens einer Leitschaufelwandabschnittsgeometrie mindestens eines Leitschaufelwandabschnitts 52, 54 mit einem Einströmkrümmungsbereich 76 und einem Anstellwinkel gegenüber einer Strömungsrichtungsebene 26 und optional einem Abströmbereich 78 umfassen.
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Optional kann das Verfahren zusätzlich den Schritt S108 des Bestimmens eines Abstands 82 zu einem Massenstromsensor 120, optional in Abhängigkeit vom Abströmkanalquerschnitt 74 umfassen.
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Optional kann das Verfahren zusätzlich den Schritt S110 des Ausrichtens und/oder Anordnens eines Leitschaufelwandabschnitts 52, 54 mit der Leitschaufelwandabschnittsgeometrie aus dem Bestimmungsschritt der Leitschaufelwandabschnittsgeometrie in einem Reinluftkammerabschnitt 70, vorbestimmt zum Leitschaufelwandabschnitt 52, 54 abströmseitiges Anordnen eines Abströmkanalabschnitts 74, optional mit einer Dichtung 22, und des Massenstromsensors 120 in einer Position gemäß dem Bestimmungsergebnis des Bestimmungsschritts der Leitschaufelwandabschnittsgeometrie des Leitschaufelwandabschnitts 52, 54 zu der Strömungsteileeinrichtung 50 umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1843035 A2 [0003]
- DE 102012012347 A1 [0004]
- DE 102010042426 A1 [0005]
- DE 29806916 U1 [0006]
- DE 102014014007 A1 [0007]
- DE 102007056852 A1 [0008]
