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Schalldämpfend wirkender Filter für die Ansaugluft von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf einen schalldämpfend wirkenden Filter für die Ansaugluft
von Brennkraftmaschinen mit einem wirres Fasermaterial enthaltenden, ringförmigen
Filterelement, dessen Umfangsfläche die zu filternde Luft zugeführt wird, die nach
radialer Durchströmung des Filterelementes aus dessen innerem Hohlraum axial abgeführt
wird.
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Bisher war es vielfach üblich, die Vergaser von Motoren mit einem
Luftfilter und außerdem mit einem Metallgehäuse zu versehen, das als Geräuschdämpfer
diente. Diese Filtergehäuse weisen für gewöhnlich eine oder mehrere Dämpfungskammern
auf, deren Form so gewählt ist, daß sie die Motorgeräusche vermindert.
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Als Folge hiervon müssen die Metallgehäuse meist viel größer sein,
als zur Aufnahme des Filterelementes nötig sein würde, und sie erfordern daher auch
mehr Platz als das Filterelement allein. Aus diesem Grunde ist es schwierig, unter
den Motorhauben der heutigen Kraftfahrzeuge genügend Platz für den Einbau dieser
großen Filtergehäuse zu finden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung setzt sich aus
mehreren Aufgaben zusammen: 1. Aufgabe: Außer einer angemessenen Luftfilterung sollen
gleichzeitig die vom Motor kommenden Ansauggeräusche gedämpft werden, wobei für
die Geräuschdämpfung die sonst üblichen zusätzlichen Geräuschdämpfungsmittel, z.
B. eine Resonatorkammer, zwecks Platzersparnis überflüssig gemacht werden sollen.
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2. Aufgabe: In bezug auf die Raumform ist die Aufgabe gestellt, den
Filter bei gegebener hoher Filterwirkung und hoher Schalldämpfungsleistung flacher
als meist üblich auszubilden, um ihn leicht in dem gedrängten Raum zwischen Motorblock
und -haube unterbringen zu können. Hieraus folgt, daß von einem großen Außendurchmesser
des Filterelementes ausgegangen werden muß und daß sich die axialen Abmessungen
des Filters - auch durch Einsparung der Resonatorkammer - entsprechend verringern
müssen.
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Es kann als naheliegend bezeichnet werden, wenn zur Lösung der 1.
und 2. Aufgabe nichts weiter getan würde, als den Außendurchmesser des Filterelementes
- bei sonst gleichem Filtermaterial - derart zu vergrößern und die radiale Erstreckung
des Filterelementes so groß zu wählen, daß zunächst einmal der Filtereffekt mindestens
das gleiche Ausmaß wie bei bekannten Filtern mit höheren axialen Ausmaßen erreicht;
denn mit größerem Außendurchmesser und größerer radialer Dicke ist von vornherein
anzunehmen, daß auch die schalldämpfende Wirkung entsprechend der Wegverlängerung
der nach außen dringenden Schallwelle zunimmt. Dieser Gedankengang würde allerdings
keine vollständige Lösung darstellen, weil mit abnehmender axialer Bauhöhe die Körperschalleitung
durch die Stirnwandungen des Filtergehäuses zunehmend erheblich störende Bedeutung
erhält. Es muß daher als weiteres Teilproblem für die Schaffung des Erfindungsgegenstandes
eine 3. Aufgabe in Betracht gezogen werden, nämlich die Herabsetzung des Körperschalls
des Aggregates.
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4. Aufgabe: Vor allem ergibt sich aber mit der Herabsetzung der axialen
Bauhöhe und der Vergrößerung des Außendurchmessers des Filterrings und seiner radialen
Dicke ein weiteres Teilproblem, nämlich die Frage der Lebensdauer und der Ausnutzung
des Filtermaterials. Je größer man nämlich Außendurchmesser und radiale Dicke wählt,
um so größer wird, bei gleicher Wirrfaserstruktur wie sonst, der radiale Durchflußwiderstand
mit der Folge, daß zu Beginn der Lebensdauer des Filterelementes praktisch nur sein
äußerer Ring verschmutzt und verstopft wird, während sein dem inneren Hohlraum zu
gelegener Ringteil noch unausgenutzt und wenig verschmutzt bleibt. Es wäre demnach
das Filterelement
schon nach einem Teil der Lebensdauer weniger
flach ausgebildeter Filter gleichen Materials verstopft und zum Auswechseln reif.
Wallte man dem durch gröberes und sperrigeres Fasergefüge mit größerer Porösität
begegnen, so würden einerseits feine Staubbestandteilchen überhaupt nicht mehr ausgefiltert,
und es würden sich infolge Zusammensackens des gröberen Fasermaterials erst recht
unzulässig große Durchtrittskanäle im Filterelement ergeben. Hier, d. h. in einer
gleichmäßigen Ausnutzung des Filterrings über seine ganze radiale Dicke bei dennoch
besonders flacher Bauweise, liegt im Zusammenhang mit den bereits genannten Teilaufgaben
die vierte der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe.
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Zur Lösung der gestellten Aufgaben wird erfindungsgemäß die Kombination
dreier je für sich bekannter Maßregeln vorgeschlagen, nämlich erstens, daß die radiale
Dicke, also die halbe Differenz von Außen- und Innendurchmesser, des Filterelementes
größer ist als dessen axiale Höhe, zweitens, daß das Filterelement aus einem Gemisch
von groben und feinen Faserstücken besteht, die an ihren Berührungsstellen haftend
miteinander verbunden, z. B. verklebt, verschmolzen od. dgl., sind und deren Länge
zweckmäßig zwischen 1 bis 3 englische Zoll beträgt, und drittens, daß das Filterelement
zwischen einem aus geräuschdämpfendem, überwiegend nichtmetallischem Werkstoff,
vorzugsweise Kunstharz, bestehenden Boden und einem aus ebensolchem Werkstoff bestehenden
Deckel axial auf die gewünschte Porösität zusammengepreßt ist.
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Die Erfindung besteht, wohlverstanden, nicht in nur einem. oder deren
zwei, der genannten drei Maßregeln, wohl aber in der vollständigen Vereinigung der
drei Maßregeln bei einem Ansaugluftfilter zu der Einleitung der Beschreibung genannten
Art.
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Soweit die genannten Lösungsmerkmale der gestellten Aufgaben sich
nicht von allein verstehen, sei zu dem Lösungsprinzip noch das Nachfolgende gesagt:
Die groben Fasern und die Verklebung der Fasern an ihren Berührungspunkten schaffen
ein formhaltendes Gerüst, das trotz der Pressung des Filterelementes zwischen Boden
und Deckel verhältnismäßig grobe Durchtrittskanäle bzw. Poren frei läßt. In diesen
befinden sich die feinen Fasern, wodurch erst die Abfilterung auch der feinen Staubbestandteile
gewährleistet wird. Gleichwohl garantiert das grobe Fasergerüst auf Grund seiner
Sperrigkeit einen ausreichenden Widerstand gegen Zusammensacken und vor allem gleichmäßige
Filterung über die ganze radiale Dicke; denn das grobe Fasergerüst hält im radial
außenliegenden Faserbereich trotz der dazwischenliegenden feinen Fasern die Kanäle
genügend frei, um eine vorzeitige Verstopfung in diesem Bereich zu verhindern, während
die in diesem Bereich noch teilweise durchgelassenen feinen Staubbestandteile im
inneren Ring des Filterelementes festgehalten werden, weil sie hier schon geringere
Durchtrittsgeschwindigkeiten haben und nur noch in geringerer Menge vorliegen. Dabei
ist zu beachten, daß die Festhaltung der Staubbestandteile während ihres radialen
Durchganges ein Vorgang ist, der einerseits von dem Fasergefüge, andererseits von
der anfallenden Staubmenge und der Strömungsgeschwindigkeit der Luft abhängt. Dadurch
gleicht sich in gewissem Maße - über die Lebens- und Gebrauchsdauer des Filterelementes
gesehen - dessen Wirkung über den äußeren und den inneren Ringbereich zeitlich aus.
Im ersten Abschnitt der Lebensdauer wird der äußere noch unverschmutzte Ring verhältnismäßig
viel Staubteilchen in den inneren Ringbereich durchtreten lassen, die dann dort
in verstärktem Maße festgehalten werden. Im späteren Lebensabschnitt ist der äußere
Ringbereich durch teilweise Verschmutzung schon verengt und hält dann mehr Staubteilchen
fest, so daß dann der innere Ringbereich von diesen entlastet wird.
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Bemerkenswerterweise ergibt sich also trotz einer radial im Durchschnitt
gleichmäßigen Verteilung von groben und feinen bzw. langen und kurzen Faserstücken
eine sowohl örtlich als auch zeitlich radial ungleichmäßige Absonderung der Schmutzteilchen
mit einer ebenfalls bemerkenswerten - im Endstadium der Lebensdauer betrachtet -
gleichmäßigen Ausnutzung und Verschmutzung des ganzen Filterringes.
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Hieraus ergibt sich- der funktionelle Zusammenhang zwischen dem ersten
und dem zweiten Erfindungsmerkmal. Auch das dritte Merkmal hängt mit dem Problem
des radial besonders ausgedehnten, also sehr flachen, Filterelementes zusammen.
Man vergleiche hierzu, was an früherer Stelle, und zwar im Zusammenhang mit der
3. Aufgabe, zum Problem des Körperschalls des besonders flachen Aggregates gesagt
wurde. Im Zusammenhang mit den schalldämpfenden Eigenschaften des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Filtermaterials ergibt sich durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Materialauswahl für Boden und Deckel insgesamt ein Schalldämpfungseffekt, welcher
die Einsparung besonderer Resonatorenkammern od. dgl. (vgl. 1. Aufgabe) möglich
macht.
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Weitere Ausgestaltungsmerkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsform
ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den
Zeichnungen, und zwar zeigt Fig. 1 die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen, schalldämpfenden
Luftfilters, Fig. 2 in größerer Darstellung einen senkrechten Mittelschnitt durch
den größten Teil des in Fig. 1 gezeigten Filters und Fig. 3 einen senkrechten Schnitt
durch einen Teil des ringförmigen Filterelementes ohne Anwendung des Klemmdrucks,
dem es in Fig. 2 ausgesetzt ist.
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In der Zeichnung bezeichnet 10 den oberen Teil des Stutzens
eines Vergasers. Der erfindungsgemäße Luftfilter kann auf verschiedene Weise am
oberen Ende dieses Stutzens 10 befestigt werden. Wie gezeigt, ist innerhalb dieses
Stutzens ein Befestigungskreuz vorgesehen, dessen drei Schenkel 11 bei 12 an der
inneren Wandung des Stutzens 10 angeschweißt sind. Dieses Kreuz weist einen mit
einem Innengewinde versehenen Ansatz 13 zur Aufnahme des unteren Gewindeendes einer
Klemmschraube 14 auf, die ihrerseits an ihrem oberen Ende mit vorstehenden Flügeln
15 versehen ist, so daß die Schraube von Hand gedreht werden kann.
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Auf dem Vergaserstutzen 10 ist der Bodenteil 16 lösbar angebracht,
der einen ringförmigen, nach unten ragenden Hals 17 aufweist, dessen unteres Ende
mit einer ringförmigen Aussparung zur Aufnahme einer Dichtung 18 und des oberen
Endes des Stutzens 10 versehen ist. Der Bodenteil 16 weist ferner
einen breiten scheibenförmigen Teil 19 auf, auf dessen Oberseite ringförmige Rippen
20 angeordnet sind. Der äußere Umfang dieses Bodenteils 16 ist
vorzugsweise
etwas kleiner als der äußere Durchmesser des ringförmigen Filterelementes gemäß
Fig. 2, das noch beschrieben wird.
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Das ringförmige Filterelement 21 besteht aus einer Mischung aus groben
und feinen Fasern, die in die Form eines dicken Ringes von beträchlichem äußerem
Durchmesser, z. B. etwa 30 cm oder mehr, gebracht werden. Die groben und feinen
Fasern sind derart miteinander vermischt, daß sie die gewünschte Porösität gewährleisten,
und sind haftend miteinander verbunden, damit ihre Verlagerung beim Durchtritt der
Luft durch das Filterelement verhindert wird und um außerdem dem Filterelement eine
erhebliche Festigkeit zu verleihen, so daß es während des Gebrauchs die ursprüngliche
Form möglichst beibehält. Das Filterelement kann aus natürlichen oder synthetischen
Fasern hergestellt werden.
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Ein zweckmäßiges Verfahren zur Herstellung des Filterelementes 21
besteht darin, daß lose Fasern verwendet werden, z. B. grobe und feine Zeltuloseacetatfasern,
die thermoplastisch sind und durch Wärmeeinwirkung so erweicht werden können, daß
sie an ihren Kreuzungs- bzw. Berührungspunkten aneinanderhaften. Diese Fasern werden
gleichmäßig gemischt, vorzugsweise mittels einer besonderen Fasermischeinrichtung.
Die miteinander vermischten Fasern werden dann in eine Form der gewünschten Gestalt
eingeblasen, wobei die Höhe des Hohlraumes der Form zweckmäßig axial etwas ausgedehnter
ist, als das gewünschte fertige Filterelement hoch sein soll, damit ein Ausgleich
für das Zusammendrücken der Fasermasse nach dem Einfüllen in die Form vorhanden
ist. Dann wird auf die Oberseite dieser Masse ein Formdeckel aufgelegt und auf diesen
ein Druck ausgeübt, der ausreicht, um die Fasermasse auf die gewünschte Höhe zusammenzudrücken.
Die Form mit den in ihr befindlichen zusammengepreßten Fasern kann dann in einen
Autoklav eingebracht werden, der zur Entfernung aller Luft luftleer gemacht wird,
worauf Niederdruckdampf in ihn eingeleitet wird. Dann wird der Autoklav wieder luftleer
gemacht und Hochdruckdampf hineingeblasen und einige Minuten in ihm gelassen, damit
sich die Fasern etwas erweichen und an ihren Berührungspunkten miteinander verbinden.
Hierauf wird die Form geöffnet, und der fertige halbfeste bzw. halbsteife Filterkörper
kann herausgenommen und anschließend verpackt und versandt werden.
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Zweckmäßigerweise wird das geformte Filterelement 21 mit einem
perforierten Mittelring 22 versehen, der innerhalb der Form angeordnet wird,
bevor die Fasern in diese eingefüllt werden, so daß die zusammengedrückten Fasern
gegen diesen Ring gepreßt und mit ihm verbunden werden. Dieser Ring stützt die Fasermasse
von innen her und verleiht dem Filterelement zusätzliche Festigkeit.
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Bei Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung des geformten Filterelementes
21 wird kein anderes Bindemittel benötigt als das, welches durch leichtes Erweichen
der Oberfläche der einzelnen thermoplastischen Fasern erhalten wird, und, wie bereits
erwähnt, sollte das geformte Filterelement so fest sein, daß es im Gebrauch seine
ihm angenähert erteilte Form ungefähr beibehält.
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Die zum Vermischen verwendeten Fasern sollten so ausgewählt werden,
daß sie der Masse die gewünschte Porösität verleihen und es der zum Vergaser des
Motors gesaugten Luft ermöglichen, in radialer Richtung durch diese dicke Fasermasse
frei hindurchzugehen.
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Das dicke Faserfilterelement 21 leistet ferner gute Dienste als Schalldämpfer
zur Verminderung der Ansauggeräusche des Motors. Seine Wirkung bei der Dämpfung
dieser Motorengeräusche hängt in erheblichem Maße von der radialen Dicke der Fasermasse
ab, durch die die Schallwellen in der entgegengesetzten Richtung wie der Luftstrom
hindurchgehen müssen, um die freie Atmosphäre zu erreichen.
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Wenn das ringförmige Filterelement 21 aus der obenerwähnten Form herausgenommen
wird, besitzt es ungefähr die Querschnittsform, die in Fig. 3 gezeigt ist. Um dieses
Filterelement in seiner Gebrauchsstellung als Luftfilter anzuordnen, ist es ledib
lich erforderlich, es so auf den ringförmigen Bodenteil oder Unterlage
16 aufzulegen, daß es ungefähr konzentrisch auf dieser liegt. Das Filterelement
21 wird auf dieser Unterlage von einem ringförmigen Deckel 23 festgehalten,
der einen nach unten ragenden ringförmigen Rand 24 aufweist. Auf der Innenfläche
dieses Deckels sind ringförmige Rippen 25 angeordnet, und er weist ferner senkrechte
Rippen 26 auf, die im Abstand voneinander auf der Innenseite des Randes vorgesehen
sind. Die Rippen 26 ragen ein erhebliches Stück nach innen und greifen in den äußeren
Umfang des ringförmigen Filterelementes 21 ein, wodurch dieses innerhalb des Randes
24 mittig gehalten wird. Der Deckel 23 ist vorzugsweise mit einem inneren konzentrischen
Ring 27 versehen, der als Feuerschutz gegen einen eventuellen Flammenrückschlag
des Motors dient. In seinem mittleren Teil weist der Deckel 23 eine Vertiefung 28
zur Aufnahme der obenerwähnten Flügelmutter 15 auf. Innerhalb des Deckels 23 ist
unterhalb der Vertiefung 28 ein Ansatz 29 (Nabe) mit einer Mittelbohrung zur Aufnahme
der Schraube 14 vorgesehen. Ferner ist der Deckel 23 mit in radialer Richtung
verlaufenden Verstärkungsrippen 30 versehen, die von dem Ansatz 29 nach außen
führen.
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Die Unterlage 16 und der ringförmige Deckel 23 bestehen vorzugsweise
aus einem entsprechend geformten Kunstharz. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise ein
thermoplastisches Harz verwendet, das mit kurzen Glasfasern vermischt ist. Diese
Mischung aus Harz und verstärkenden Fasern wird unter Druck in die gewünschte Form
gebracht. Ein auf diese Weise verstärktes und geformtes Material besitzt eine hohe
Schlagzähigkeit und widersteht hohen Temperaturen. Ferner besitzt es gute geräuschdämpfende
Eigenschaften.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform wird das geformte ringförmige
Filterelement 21 auf die Unterlage 16 aufgelegt und der Deckel 23 dann auf das Filterelement
aufgesetzt. Hierauf wird die Schraube 14 durch das in dem Mittelansatz29 des Deckels
vorgesehene Loch hindurchgesteckt und greift in den mit Gewinde versehenen kreuzförmigen
Tei113 ein. Diese Schraube dient dazu, den Deckel 23 in bezug auf den Bodenteil
16 und den Vergaserstutzen 10 zu zentrieren, und übt beim Anziehen einen Druck auf
das Filterelement 21 aus, der ausreicht, daß sich die unteren ringförmigen Rippen
20 und die oberen ringförmigen Rippen 25 in das halbfeste geformte Element 21 eindrücken,
so daß keine Luft zwischen einer der Flächen der Fasermasse und dem Bodenteil oder
dem Deckel hindurchgehen kann und auf diese Weise den Filter umgeht.
Aus
der vorstehenden Beschreibung läßt sich erkennen, daß der kombinierte Luftfilter
und Geräuschdämpfer nur aus sehr einfachen und billigen Teilen besteht und daß das
Filterelement 21 leicht gepflegt und ausgewechselt werden kann, indem die Schraube
14 gelöst und der Deckel 23 entfernt wird. Es hat sich herausgestellt, daß
die gesamte Vorrichtung infolge der radialen Dicke der Fasermasse 21 von
2,5 cm oder mehr und der Herstellung der Unterlage 16 und des Deckels 23 aus geformtem
Kunststoff die Ansauggeräusche des Motors, die durch die Motorventile hervorgerufen
werden, in außerordentlich wirksamer Weise dämpft.
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Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß das Filterelement 21 sich in
gewissem Grade selbst reinigt, da der Schmutz, der sich an der senkrechten Außenseite
31 des Filterelementes 21 ansammelt, in starkem Maße durch die Vibrationen des Motors,
die auf die Filtervorrichtung übertragen werden, wieder von dieser Stelle entfernt
bzw. gelöst wird. Demgemäß sollte der Filter unter normalen Fahrbedingungen während
vieler tausend Kilometer in zufriedenstellender Weise arbeiten, ohne daß eine Wartung
oder Pflege erforderlich ist. Ferner ist, da der Bodenteil 16 und der Deckel
23 ein Gehäuse bilden, das nur wenig größer ist als das Filterelement selbst,
der unter der Motorhaube zur Anbringung dieses kombinierten Luftfilters und Geräuschdämpfers
erforderliche Platz nur sehr wenig größer als derjenige, der zur Unterbringung des
Filterelementes allein benötigt werden würde.
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Im Gebrauch wandert die durch die Saugwirkung des Motors zum Vergaser
strömende Luft auf der Innenseite des Randes 24 zwischen der Innenwandung dieses
Randes und der Außenwandung 31 des Filterelementes, wie durch die Pfeile angezeigt,
nach oben und dann durch das dicke Filterelement 21
radial nach innen und
nach unten durch den Hals 17
zum Vergaser. Die Schallwellen, die in der entgegengesetzten
Richtung verlaufen, werden beim Durchgung durch das dicke Filterelement auf ihrem
Wege nach außen gedämpft.