DE19951408A1

DE19951408A1 - Ansaugsystem mit Luftfilter

Info

Publication number: DE19951408A1
Application number: DE19951408A
Authority: DE
Inventors: Rolf Fueser; Thomas Haubold; Rudolf Leipelt; Robert Vaculik
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2001-05-03
Also published as: US20030034004A1; ES2291220T3; US6705272B2; ATE371106T1; DE50014593D1; WO2001031190A1; EP1224389A1; EP1224389B1

Abstract

Ansaugsysteme, insbesondere für die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, die einen Filtereinsatz 19 in einem Gehäuse 10 aufweisen, der durch mehrere Einlässe 13 und einen Auslaß 22 an das Luftführungssystem angeschlossen ist. Die Einlässe 13 sind mit Ansaugstutzen 14 versehen, die in einen einzigen Anströmraum 20 des Filtereinsatzes 19 führen. Diese lassen sich durch KIappen 24 einzeln abschalten, wodurch die Akustik vorteilhaft beeinflußt werden kann und auch z. B. eine temperaturabhängige Zu- und Abschaltung einzelner Ansaugstutzen möglich wird. Gleichzeitig hält sich der Aufwand an Komponenten in Grenzen, wodurch die Lösung wirtschaftliche bleibt. Durch den insbesondere keilförmigen Anströmraum 20 lassen sich die Strömungsverluste im Gehäuse 10 minimieren, was sich nicht zuletzt ebenfalls auf eine Verringerung des Ansauggeräusches auswirkt. Zusätzlich können Nebenschlußresonatoren 28 unter Verwendung von Deckelteilen 29 und 30 gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ansaugsystem, insbesondere für die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, mit einem Filtereinsatz und mehreren Ansaugstutzen, von denen mindestens einer mit einer Klappe verschließbar ist, nach der Gattung des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Derartige Ansaugsysteme sind bekannt. Z. B. offenbart die JP 6-159072 ein Luftfiltersystem für eine Brennkraftmaschine, welches mehrere Ansaugstutzen 22, 24, 26 aufweist (vgl. Fig. 1 dieses Dokuments). Die Ansaugstutzen mün den jeweils in weitere Kanalabschnitte 44, 46, 48, in die jeweils Luftfilterele mente 50 eingebaut sind. Durch Öffnen und Schließen von Klappen 62, 64, 66, 68, 70, 72 können in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftma schine die einzelnen Luftfilter und deren zugehörige Ansaugstutzen zu- oder abgeschaltet werden. Hierdurch läßt sich insbesondere das Ansauggeräusch der zugehörigen Brennkraftmaschine verringern. Die sonst hierzu notwendigen Volumina des Saugsystems, z. B. Nebenschlußresonatoren, können entfallen, wodurch ein geringerer Einbauraum für das Ansaugsystem benötigt wird.

Die vorgeschlagene Lösung weist jedoch auch Nachteile auf. Die Vielzahl der einzeln zu schaltenden Klappen und die Verwendung mehrerer Luftfilter be deutet einen hohen Aufwand an Einzelkomponenten, wodurch die vorgeschla gene Lösung hinsichtlich einer wirtschaftlichen Herstellung problematisch ist. Zudem werden die unterschiedlichen Luftfilterelemente in Abhängigkeit von der Schaltung der Klappen unterschiedlich mit Filtrat beaufschlagt. Dadurch ent steht für jedes Filterelement eine andere Standzeit, wodurch diese zu unter schiedlichen Zeitpunkten ausgewechselt werden müssen. Hierdurch werden auch die Betriebskosten des Ansaugsystems erhöht, was sich für den Betreiber als Nachteil auswirkt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ansaugsystem mit einem Filter zu schaffen, welches bei geringem Bauraum einen geringen Strömungswiderstand aufweist, wobei der Filter gleichmäßig mit Filtrat beaufschlagt werden soll, der Aufwand an Einzelkomponenten gering ist und eine günstige Akustik erreicht wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ansaugsystem weist mehrere Ansaugstutzen auf, die in Einlässe des Filtergehäuses münden. Diese sind zumindest teilweise mit Klap pen verschließbar, wodurch die Akustik des Ansaugsystems in Abhängigkeit des Betriebszustandes beeinflußt werden kann. Die Einlässe münden alle in denselben Anströmraum, wobei der Anströmraum direkt an den Filtereinsatz des Ansaugsystems angrenzt. Im Anströmraum kann ein Filtereinsatz angeord net sein. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Filtereinsätze parallel zu betrei ben. Diese haben im Verhältnis zur notwendigen Filterfläche geringere Abmes sungen, wodurch deren Stabilität hinsichtlich eines Druckverlustes am Filterein satz bzw. Druckpulsationsschwingung verbessert werden kann.

Durch den gemeinsamen Anströmraum wird vorteilhaft die verwendete Zahl der Komponenten verringert. Außerdem lassen sich die Strömungsverluste vermin dern, da im Bereich des gemeinsamen Anströmraumes Zwischenwände einge spart werden können. Unabhängig von der Klappenstellung, also der Anzahl der geschlossenen Ansaugstutzen, kann sich das zu filternde Fluid im Anström raum frei verteilen, um anschließend den Filtereinsatz zu durchtreten. Dabei ist eine gleichmäßigere Beaufschlagung des Filtereinsatzes möglich, wodurch sich die Fracht an abgeschiedenen Partikeln statistisch über die gesamte Fläche des Filtereinsatzes verteilen kann. Hierdurch lassen sich dessen Standzeiten erhöhen, da der durch die Grenzbeladung eintretende Druckabfall am Fil terelement hinausgezögert werden kann. Durch die geringere Anzahl der Kom ponenten und die erhöhte Filterstandzeit ist die vorgeschlagene Lösung also sowohl in der Fertigung als auch während des Betriebs besonders wirtschaft lich.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Anströmraum keilförmig ausgebildet. Der Filtereinsatz, der in diesem Falle eben ist, bildet da bei eine Seite des Anströmraumes. Dieser verjüngt sich deshalb entsprechend der Abnahme des Volumenstroms, der am Filtereinsatz vorbei streicht. Diese Geometrie ist besonders strömungsgünstig. Daher kann das Fluid weitgehend ablösungsfrei durch das Ansaugsystem strömen, womit auftretende Strö mungsverluste und das Ansauggeräusch minimiert werden. Zudem ist eine der artige Geometrie auch besonders platzsparend, weil an allen Stellen des An strömraums der minimal nötige Querschnitt zur Verfügung gestellt wird, so daß keine ungenutzten Volumina entstehen.

Eine weitere Verbesserung der Strömungseigenschaften im Ansaugsystem läßt sich erreichen, wenn die Einlässe alle in demselben Gehäusewandabschnitt des Anströmraumes untergebracht sind. Diese sind dann in ihrer Ausrichtung im wesentlichen parallel, wodurch eine gleichgerichtete Strömung des Fluids im Anströmraum erreicht wird. Um Querschnittssprünge von den Einlässen zum Anströmraum hin möglichst gering zu halten, kann gemäß einer besonderen Variante der besagte Gehäusewandabschnitt rechteckig ausgeführt sein, wobei die Einlässe die Fläche dieses Wandabschnittes fast vollständig einnehmen. Dabei sind die Einlässe sinnvollerweise ebenfalls rechteckig ausgeführt und nebeneinander angeordnet. Bis auf die Stirnseiten der die Einlässe bildenden Wände der Ansaugstutzen wird der Gehäusewandabschnitt also vollständig durch die Einlässe aufgelöst. Der Filtereinsatz ist dann zumindest im wesentli chen gegenüber den Einlässen angeordnet, so daß die Strömung des Fluids ungehindert durch den Filtereinsatz strömen kann. Diese Anordnung läßt sich insbesondere durch den bereits erwähnten keilförmigen Anströmraum errei chen. Bei einem keilförmigen Anströmraum steht der Filter dabei schräg zu den Einlässen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Ansaugstutzen Anschlüsse enthalten, die eine Anbindung des Filtergehäuses an weiterführen de Kanalstrukturen ermöglicht, wobei die Kanalstrukturen die Ansaugöffnungen für das angesaugte Fluid bilden. Diese Anschlüsse sind bevorzugt kreisförmig ausgebildet. Bei dieser Bauform können handelsübliche Schläuche als zusätzli che Kanalstrukturen ohne große Probleme an das System appliziert werden. Hierdurch entsteht ein Gestaltungsfreiraum, der die Verwendung der beschrie benen Komponenten in unterschiedlichen Anwendungsfällen ermöglicht. Durch die Verwendung von Gleichteilen für unterschiedliche Anwendungsfälle werden insbesondere Werkzeugkosten eingespart, wodurch die Einzellösungen wirt schaftlicher werden.

Es ist vorteilhaft, am Ansaugsystem Sensoren für die Klappensteuerung vorzu sehen. Diese Sensoren können Betriebszustände des Ansaugsystems erfas sen, aus denen die optimale Klappenstellung für den aktuellen Betriebszustand ermittelt wird. Wird das Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine verwendet, so werden die Daten für die Klappenstellung grundsätzlich von Motorparame tern abhängig gemacht. Diese Motorparameter, wie z. B. die Drehzahl des Mo tors, werden außerhalb des Ansaugsystems ermittelt. Jedoch bietet sich die Nutzung der Klappen für weitere Nebenfunktionen des Ansaugsystems an. Z. B. enthalten Ansaugsysteme im allgemeinen einen Warmluftkanal, durch den bei tiefen Temperaturen warme Luft angesaugt werden kann. Hierzu werden übli cherweise Verzweigungen im Ansaugsystem vorgesehen, welche meist durch mechanische Thermoschalter betätigt werden. Dieser zusätzliche Aufwand läßt sich einsparen, wenn das erfindungsgemäße Kanalsystem, welches grundsätz lich zur Erzeugung akustischer Effekte vorgesehen wird, zusätzlich diese Funk tionen erfüllt.

Hierzu werden die einzelnen Ansaugöffnungen der unterschiedlichen Ansaug stutzen in verschiedene Bereiche des Motorraums geführt. Z. B. kann eine An saugöffnung im Bereich des Abgaskrümmers vorgesehen werden, von wo aus warme Luft angesogen werden kann. Das Problem einer unerwünschten An saugung von Regenwasser oder Schnee kann verhindert werden, wenn Ansau göffnungen in weitgehend trockenen Bereichen des Motorraums vorgesehen werden, die für den Fall, daß der Filtereinsatz zu feucht wird oder vereist, ver wendet werden können.

Voraussetzung für die Funktion des erfindungsgemäßen Ansaugsystems ist, daß die Gesamtheit der Ansaugstutzen zumindest den für den maximalen Luft bedarf der Brennkraftmaschine notwendigen Querschnitt zur Verfügung stellt. In Betriebszuständen, in denen nicht der vollständige Ansaugquerschnitt benötigt wird, können die Einlässe nach und nach verschlossen werden. Hierdurch läßt sich das Ansauggeräusch beträchtlich verringern. Dabei kann derjenige An saugstutzen, der immer geöffnet bleiben muß, ohne Klappe ausgeführt sein.

Um die bereits beschriebene Nebenfunktion zu erfüllen, kann es jedoch auch sinnvoll sein, alle Ansaugstutzen mit Klappen zu versehen. Hierdurch entsteht eine größere Bandbreite der möglichen Schaltungen. Diese Bandbreite läßt sich noch vergrößern, wenn der durch die Ansaugstutzen zur Verfügung gestellte Gesamtquerschnitt größer ist, als für die geförderte Maximalmenge des Fluids notwendig. Hierdurch läßt sich erreichen, daß selbst in Betriebszuständen des Ansaugsystems, bei der die maximal notwendige Fluidmenge gefördert wird, noch eine Auswahl unterschiedlicher Ansaugstutzen möglich ist.

Die Unterbringung der Ansaugöffnung in unterschiedlichen Bereichen des Mo torraums kann jedoch auch nach akustischen Gesichtspunkten erfolgen. Hier durch läßt sich das Ansauggeräusch in Abhängigkeit von der Schaltung der Klappen verändern. Es läßt sich damit sowohl eine Verringerung des Ansaug geräusches, als auch in Betriebszuständen, bei denen dem Fahrer eine Rück kopplung über das Motorgeräusch nicht möglich ist, eine Erhöhung des An sauggeräusches erreichen.

Um den Antrieb der Klappen wirtschaftlich herstellen zu können, können diese gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung mit den Eigenschaften eines Dauermagneten ausgestattet werden, wobei im Einflußbereich dieses Magnetfeldes ein elektrischer Spulenkörper angeordnet wird. Eine Schaltung der Klappen läßt sich dann durch Stromimpulse in den Spulenkörper erreichen. Dadurch entfallen komplizierte Antriebe, wie z. B. Elektromotoren oder Unter druckdosen. Bei der Verwendung mehrerer Klappen ist das Einsparpotential dieser Lösung also beträchtlich. Die verwendeten Schaltklappen können gemäß der DE 44 01 585 C2 ausgebildet sein.

Die beschriebenen Vorteile eines keilförmigen Anströmraumes lassen sich selbstverständlich auch auf den Abströmraum übertragen. Dieser schließt sich stromab des Filtereinsatzes im Ansaugsystem an und weist einen Auslaß für das gefilterte Fluid auf.

Weitere Vorteile hinsichtlich der Ansaugakustik lassen sich erreichen, wenn das Ansaugsystem in an sich bekannter Weise mit korrespondierenden Hohlräumen versehen wird. Diese können z. B. als Nebenschlußresonatoren ausgeführt sein und führen bei bestimmten Frequenzen oder breitbandig zu einer Dämpfung des Ansauggeräusches. Die Kombination aller akustischen Maßnahmen läßt damit auch bei begrenzten Einbauräumen die Gestaltung akustisch wirksamer Ansaugsysteme zu.

Die Modularität des Systems unterstützt die Schaffung von Baukastensyste men. Diese können aus Gleichteilen bestehen, die in Abhängigkeit vom vorlie genden Anwendungsfall miteinander kombiniert werden. Auch lassen sich durch diesen Aufbau nach fertiggestellter Konstruktion einer Brennkraftmaschi ne noch akustische Maßnahmen vornehmen, die nötig werden können, wenn unerwartete störende Ansauggeräusche in bestimmten Frequenzbereichen auftreten. Module können gebildet werden durch unterschiedliche Ansaugstut zen, die Schaltklappen, die Filtereinsätze und unterschiedliche Gehäusedeckel, die akustische Hohlräume unterschiedlicher Abmessungen bilden.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeich nungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfin dung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels beschrieben. Hierbei zeigen

Fig. 1 die schematische Anordnung eines Ansaugsystems im Motorraum einer Brennkraftmaschine und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Ansaugsystems mit einem Luftfilter gehäuse.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Anwendungsfall für Ansaugsystem schematisch dargestellt. Es enthält ein Gehäuse 10, welches an einem Motorblock 11 einer Brennkraftma schine befestigt ist. Schläuche 12a, b, c führen zu Einlässen 13 am Gehäuse und bilden so Ansaugstutzen 14, deren Ansaugöffnungen 15 im Motorraum verteilt sind. Hierbei können unterschiedliche Effekte für die Ansaugluft erreicht werden. Der Schlauch 12a mündet im oberen Teil des Motorraums in einen von Spritzwasser geschützten Bereich, so daß durch diesen auch bei feuchten Witterungsverhältnissen trockene Ansaugluft angesogen werden kann. Der Schlauch 12b reicht in den unteren Bereich eines Stoßfängers 16 eines Fahr zeugs 17. Von dort kann möglichst kühle Ansaugluft angesaugt werden. Bei zu kalten Witterungsbedingungen ist jedoch die Zumischung von warmer Luft not wendig. Diese kann über den Schlauch 12c angesaugt werden, der in dem Be reich eines Abgaskrümmers 18 des Motorblocks 11 mündet.

Der Fig. 2 läßt sich schematisch ein möglicher Aufbau des Ansaugsystems entnehmen. Das Gehäuse 10 ist modular aufgebaut. Es besitzt eine quaderför mige Grundform, wobei entlang einer Diagonale des Innenraums des Gehäuse körpers ein Filtereinsatz 19 eingebaut ist. Dieser teilt den Innenraum in einen Anströmraum 20 und in einen Abströmraum 21. Die Verbrennungsluft strömt durch drei Einlässe 13, von denen der eine im aufgeschnittenen Ansaugstutzen 14 zu erkennen ist, in den Anströmraum 20, der sich entsprechend der Abnah me des Volumenstroms von den Einlässen hin zur gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 10 keilförmig verjüngt. Nach dorthin nimmt der Volumenstrom ab, weil der Filtereinsatz 19 von der Ansaugluft durchströmt wird, die auf diese Weise in den ebenfalls keilförmig ausgebildeten Abströmraum 21 gelangt. Hier nimmt der Luftmassenstrom in Richtung eines Auslasses 22 zu und verläßt durch diesen das Gehäuse 10.

Alle Einlässe 13 sind in einem Gehäusewandabschnitt 23 angeordnet, der gleichzeitig die Stirnfläche des keilförmigen Anströmraumes 20 bildet. Die Strömung der Ansaugluft kann deswegen von den Ansaugstutzen 14 ohne eine Umleitung direkt in den Anströmraum 20 gelangen. Die beiden äußeren An saugstutzen sind mit Klappen 24 versehen, mit deren Hilfe sie geöffnet oder verschlossen werden können. Der Klappenantrieb besteht aus Spulenkörpern 25, die die mit einer Klappe versehenen Ansaugstutzen 14 umgeben und an eine Stromversorgung 26 angeschlossen sind. Durch entsprechende Stromim pulse auf die Spulenkörper 25 lassen sich die Klappen 24, die einen Perma nentmagnet bilden (angedeutet durch Nordpol N und Südpol S), jeweils in die Geschlossen- oder Offenstellung bringen.

Der mittlere Ansaugstutzen weist keine Klappe auf. Für den Fall, daß die beiden anderen Saugstutzen durch die Klappen verschlossen sind, wird die Strömung der Ansaugluft also durch den mittleren Ansaugstutzen geleitet. Von dort kann er sich ohne wesentliche Strömungsverluste im Anströmraum 20 verteilen.

Die Ansaugstutzen bestehen aus einem festen, an das Gehäuse 10 integrierten Teil, welches einen Anschluß 27 aufweist. Dieser kann, wie am mittleren An saugstutzen gezeigt, als Ansaugöffnung 15 verwendet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, auf den Anschluß einen Schlauch 12a zu stecken, der eine Verlängerung des Ansaugstutzens bewirkt. Die Ansaugöffnung 15 wird dann durch das Schlauchende gebildet. Alternativ lassen sich selbstverständ lich auch weitere Kanalstrukturen aus Kunststoff an den Anschluß anpassen. Damit erhält das System einen modularen Aufbau und kann an Motorräume unterschiedlicher Abmessung angepaßt werden.

Der modulare Aufbau des Gehäuses 10 erlaubt jedoch auch die Anpassung weiterer akustischer Einrichtungen, z. B. von Nebenschlußresonatoren 28. Die se bestehen jeweils aus Deckeln 29, die unter Zwischenschaltung einer Trenn wand 30 die Bodenflächen des Gehäuses 10 bilden. Die Trennwände weisen Öffnungen 31 unterschiedlicher Geometrie auf, um hierdurch das akustische Verhalten der Nebenschlußresonatoren zu beeinflussen. Auch kann durch Vor sehen unterschiedlicher Deckel, die insbesondere den Einbauraum für das Ge häuse beachten, das Resonatorvolumen und damit sein akustisches Verhalten beeinflußt werden.

Im Anströmraum 20 ist weiterhin ein Wassersensor 32 angebracht, dessen Si gnal bei feuchten Witterungsbedingungen zum Verschluß von Einlässen 13 verwendet werden kann, bei denen die Gefahr einer Ansaugung von Wasser besonders groß ist.

Claims

1. Ansaugsystem, insbesondere für die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, enthaltend zumindest

- ein Gehäuse (10) für einen Filtereinsatz (19) mit einem Auslaß (22) und mehreren Einlässen (13), wobei der Filtereinsatz derart zwischen Einläs sen und Auslaß angeordnet ist, daß er vom angesaugten Fluid durch strömt werden kann,
- mehrere Ansaugstutzen (14), die jeweils an die Einlässe (13) angebracht sind und stromab der Einlässe eine Ansaugöffnung (15) aufweisen und
- mindestens eine Klappe (24), die zwischen Ansaugöffnung (15) und Ein laß (13) in einer zumindest teilweise durch den Ansaugstutzen gebildeten Ansaugstrecke zum Verschluß derselben untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlässe (13) alle in denselben An strömraum (20) für den Filtereinsatz münden.

2. Ansaugsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der An strömraum keilförmig ausgebildet ist, wobei der Filtereinsatz (19) eben aus gebildet ist und eine Seite des Anströmraumes bildet.

3. Ansaugsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Einlässe (13) alle in demselben, dem Filtereinsatz zu mindest im wesentlichen gegenüberliegenden Gehäusewandabschnitt (23) untergebracht sind.

4. Ansaugsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ge häusewandabschnitt (23) rechteckig ist, und die Einlässe (13) die Fläche dieses Wandabschnittes fast vollständig einnehmen.

5. Ansaugsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Ansaugstutzen (14) Anschlüsse (27) enthalten, die mit weiteren die Ansaugstutzen bildenden Kanalstrukturen, insbesondere Schläuchen (12a, b, c) verbunden sind.

6. Ansaugsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass Sensoren für die Klappensteuerung in dieses integriert sind.

7. Ansaugsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei dieses für die Ansaugluft eines Verbrennungsmotors verwendet wird, dadurch gekenn zeichnet, dass die Ansaugöffnungen (15) in verschiedene Bereiche des Motorraumes geführt sind.

8. Ansaugsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Klappen (24) die Eigenschaften eines Dauermagneten aufweisen deren Magnetfeld im Einflußbereich eines elektrischen Spulen körpers (25) liegen.

9. Ansaugsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass ein stromab des Filtereinsatzes angeordneter Abströmraum (21) keilförmig ausgebildet ist.

10. Ansaugsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass dieses mit korrespondierenden Hohlräumen, insbesondere Nebenschlußresonatoren (28) zur Dämpfung des Ansauggeräusches aus gestattet ist.