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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Adsorptionselement zur Adsorption von Dämpfen und
Gasen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Stand der
Technik
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Wesentliches
Entwicklungsziel bei modernen Brennkraftmaschinen ist eine Reduktion
der Schadstoffemissionen. Zunehmende Luftverunreinigungen durch
die Verbrennungsmotoren von Kraftstofffahrzeugen haben dazu geführt, dass
unterschiedliche Prüf-
bzw. Bewertungsverfahren entwickelt wurden. Durch diese erhöhten Anforderungen werden
die Kraftfahrzeughersteller, insbesondere auf dem amerikanischen
Markt, dazu verpflichtet, die beim Betriebsstillstand von Otto-Motoren
aus dem Ansaugtrakt des Motors entweichenden Kohlenwasserstoffe
zu minimieren. In Zukunft ist davon auszugehen, dass die Grenzwerte
für diese
Kohlenwasserstoffe weiter gesenkt werden und dass sich der Wirkungsbereich
auf eine ständig
wachsende Anzahl von Staaten erstrecken wird. Deshalb stellt sich
für die
Fahrzeughersteller die Aufgabe, die im Stillstand des Motors zurückströmenden Kohlenwasserstoffe zurückzuhalten.
Um dies zu erreichen, werden im Strömungsquerschnitt des Ansaugtraktes
plattenförmige
Medien angeordnet, die dazu geeignet sind, an der Oberfläche vorbeiströmende Kohlenwasserstoffe zu
adsorbieren.
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Von
der Firma MPC aus South Field, MI 48034, USA, wird beispielsweise
ein Adsorptionselement angeboten, welches in einen runden Strömungsquerschnitt
eines Ansaugtraktes integrierbar ist. Dazu ist ein plattenförmiges Adsorptionsmedium parallel
zur Strömungsrichtung
des Ansaugtraktes aufgewickelt. Die durch die Spiralform nebeneinander
angeordneten Lagen sind radial voneinander beabstandet und werden
an den Stirnseiten durch Stützstrukturen
stabilisiert. Nachteilig an dieser Ausführung ist, dass das Adsorptionselement
durch die spiralförmige
Anordnung mechanisch sehr labil ist und zur ausreichenden Versteifung
Stützstrukturen notwendig
sind. Durch diese Stützstrukturen,
die einen Raum im Strömungsquerschnitt
beanspruchen, werden ein zusätzlicher
Strömungswiderstand
und ein erhöhter
Materialaufwand verursacht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Adsorptionselement zu schaffen, das oben
genannte Nachteile vermeidet, günstig
herstellbar ist und eine möglichst
variable Anpassung an mögliche
Einbaugeometrien und Strömungsverhältnisse
erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erfüllt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung verwendet als Adsorptionsmedium ein flächiges Medium, das aufgrund
seiner eigenen mechanischen Eigenschaften und aufgrund seiner geometrischen
Gestaltung in der Lage ist, in einem Luftstrom parallel zur Strömungsrichtung
angeordnet zu werden. Die dazu notwendige mechanische Steifigkeit
kann durch eine Plissierung in Form von zick-zack- oder wellenförmiger Faltung
erreicht werden. Als Einbauort kommt das gesamte Ansaugsystem eines
Verbrennungsmotors in Frage, in welchem die sich im Motorstillstand
in Richtung Ansaugmündung
ausbreitenden Kohlenwasserstoffe adsorbiert werden müssen. Der
Transportvorgang der Kohlenwasserstoffe in Richtung Ansaugmündung erfolgt
durch Diffusion. Die Kohlenwasserstoffe sind dabei bestrebt, eine
homogene Verteilung zu erreichen. Die Kohlenwasserstoffe adsorbieren
am Adsorptionselement und so entsteht ein Konzentrationsgefälle als
treibende Kraft für
den Transportvorgang. Beim Zurückströmen des
Fluidstromes aus dem Brennraum des Motors lagern sich die Kohlenwasserstoffe
am Adsorptionselement an. Im Betriebszustand des Verbrennungsmotors
wird das Adsorptionselement von der Frischluft durchströmt. Diese
Frischluft ist im Wesentlichen frei von Kohlenwasserstoffen, wodurch
die Kohlenwasserstoffe aus dem Adsorptionsmedium in den Luftstrom
desorbieren und im Brennraum des Verbrennungsmotors verbrannt werden.
Das gefaltete Adsorptionsmedium ist derart angeordnet, dass zumindest
ein Teil der Faltenflanken und der Faltenspitzen an den Randbereich
des Strömungsquerschnittes
angrenzen oder gar in den Strömungsquerschnitt
hineinragen. Entsprechend der geometrischen Form des Strömungsquerschnittes
kann die zick-zack-Kontur des Adsorptionsmediums rund, oval oder
auch flachförmig
gefaltet sein. Entscheidend ist, dass durch die Faltung eine Stabilisierung
des Mediums stattfindet. Als Medium kommt beispielsweise ein Aktivkohlevlies
in Frage, wie es häufig
in Innenraumfiltern zum Einsatz kommt, mit dem wesentlichen Unterschied,
dass der Gasstrom das Filtermedium nicht durchströmt, sondern
nur am Filtermedium entlang strömt.
Es stehen auch Vliesstoffe zur Verfügung, in denen Aktivkohlepulver
mittels Bindemittel eingebunden ist, und derart fest verdichtet
sind, dass eine Festigkeit ähnlich
eines Pappkartons erreicht wird. Ein derartiger Vliesstoff wird
beispielsweise von der Firma Westvaco mit 0,5 oder 1 mm Dicke angeboten.
Als weiteres Adsorptionsmedium steht beispielsweise auch ein aus Zellulose
gebildetes Papier zur Verfügung,
in welches Aktivkohlepulver eingebunden ist. Anstatt Aktivkohle
als Adsorptionsmedium zu verwenden, kann beispielsweise auch pulverisiertes
Zeolith genutzt werden. Um ein Herauslösen der Adsorptionsmittel (Aktivkohle
oder Zeolith) zu verhindern, müssen
diese an ihren geschnittenen Stirnkanten versiegelt werden. Dies
kann beispielsweise durch Eintauchen der Stirnkanten in eine Schmelze
oder einen Kleber erreicht werden.
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Die
Erfindung erlaubt es in vorteilhafter Weise, aus bewährten Medien
mit bekannten Werkstoffeigenschaften auf einfache Weise ein Adsorptionsmedium
zu schaffen, dass durch seine Faltung im Bereich des Strömungsquerschnittes
eine große Oberfläche zur
effektiven Adsorption von Kohlenwasserstoffen zur Verfügung stellt.
Weiterhin ist es durch die Faltung möglich, eigene Strömungskanäle zu schaffen,
die auch ein beidseitiges Entlangströmen am Adsorptionsmedium erlauben.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Medium an wenigstens
einer Stirnseite mit einer Endscheibe verbunden. Die Endscheibe
kann beispielsweise aus einem Metall, einem Kunststoff, einem Schmelzkleber,
einem Papier oder auch aus einem Vliesstoff gebildet werden. Selbstverständlich kann
auch aus mehreren Materialien eine Verbundendscheibe gebildet werden.
Durch die Verbindung des Adsorptionsmediums mit der Endscheibe werden
gleichzeitig die Stirnkanten des Absorptionsmediums versiegelt.
Wird ein Adsorptionsmedium verwendet, das die Gefahr des Ausrieselns von
Aktivkohlestaub in sich birgt, so muss die Endscheibe geschlossen
ausgeführt
werden und eine Dichtheit an der Verbindung gewährleisten. Durch das Anordnen
einer Endscheibe wird das Adsorptionselement in vorteilhafter Weise
in seiner Form stabilisiert, wodurch sich ein größerer Widerstand gegen die
im Ansaugtrakt vorhandenen Strömungskräfte ergibt.
Weiterhin wird die Handhabung bei Montage und Demontage erleichtert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Gestaltungsweise ist parallel zur Faltung
des Adsorptionsmediums ein Stützgitter
angeordnet. Das Stützgitter
ist dabei aus einem perforierten Kunststoff oder Metall gebildet
und kann z. B. gemeinsam mit dem Medium selbst gefaltet werden.
Das Stützgitter
kann sich über einen
Teil oder über
die gesamte Länge
des Mediums erstrecken. Zur Befestigung kann das Medium beispielsweise
an den Stirnseiten mit dem Stützgitter verklebt
werden oder abschnittsweise an den Faltenspitzen befestigt werden.
Selbstverständlich
kann das Stützgitter
auch gemeinsam mit dem Adsorptionsmedium in eine Endscheibe eingebettet
werden, Das Stützgitter
kann beispielsweise aus einem feinmaschigen Drahtgeflecht oder einer
perforierten Folie gebildet werden.
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Durch
das Stützgitter
kann das Adsorptionsmedium vorteilhaft großflächig abgestützt und versteift werden, ohne
die Adsorptionsleistung wesentlich zu vermindern. Dadurch können Adsorptionsmedien
mit vergleichsweise labilen mechanischen Eigenschaften verwendet
werden und es kann ausgeschlossen werden, dass während des Saugbetriebes des
Motors Partikel aus dem Medium gerissen werden. Dies ist insbesondere
dort wichtig, wo das Adsorptionselement auf der Reinseite des Ansaugtraktes
angeordnet ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Adsorptionselement
einen Kern auf, der durch ein Stützelement
stabilisiert ist. Durch eine hohlförmige Faltung des Mediums entsteht
im Zentrum ein Hohlraum, in dem ein Stützelement angeordnet werden
kann. Dieses kann beispielsweise ein Mittelrohr sein, welches mit
den Faltenspritzen in Berührung
ist und mit diesen auch verbunden werden kann. Das Stützelement
hat die Aufgabe, das Adsorptionselement mechanisch zu stützen und
sollte radial durchströmbar
sein. Das Stützelement
kann beispielsweise stirnseitig mit in eine Endscheibe eingebettet
sein. Alternativ kann das Stützelement
das Adsorptionsmedium auch axial überragen und gleichzeitig eine
Befestigungs- und Aufnahmekontur in einer Einbaustruktur des Ansaugtraktes
bilden. Durch die Anordnung eines Stützelementes wird das Adsorptionselement
in vorteilhafter Weise versteift und es ist, insbesondere in Verbindung
mit geschlossenen Endscheiben, möglich,
eine stabile Rahmenkontur für
das Adsorptionselement zu bilden. Zusätzlich kann durch die Verbindung
mit einem das Filtermedium umschließenden Stützgitter ein mechanisch sehr
stabiler, abgekapselter Raum zur Aufnahme von weichen Adsorptionsmedien
gebildet werden. Das Adsorptionsmedium ist bei dieser Variante zwar
nicht direkt, sondern nur im Randbereich des Strömungsquerschnittes vorhanden,
aufgrund des langsamen Stofftransports durch Diffusion der kohlenwasserstoffhaltigen
Gase und Dämpfe
ist jedoch noch eine ausreichende Adsorption der Kohlenwasserstoffe möglich.
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In
einer weiteren vorteilhaften Variante ist das Adsorptionselement
von einem Mantelelement umschlossen, das mit den radial äußeren Faltenspitzen
des Adsorptionsmediums und/oder der Endscheibe in befestigter Verbindung
ist. Das Mantelelement bietet einen Schutz vor mechanischer Beschädigung bei
Transport und Montage des Adsorptionselementes. Weiterhin wird eine
vereinfachte Handhabung bei Montage und Demontage erreicht.
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Diese
und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung
gehen außer
aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen
Merkmale jeweils für
sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
der Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für
sich schutzfähige
Ausführungen
darstellen können,
für die
hier Schutz beansprucht wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von schematischen
Darstellungen geschrieben. Hierbei zeigen
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1 ein
Adsorptionselement in der Seitenansicht im Teilschnitt,
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2 ein
Adsorptionselement gemäß 1 in
der Draufsicht im Teilschnitt,
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2a den
Ausschnitt "X" aus 2,
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3 eine
Variante des Adsorptionselementes in der Draufsicht und
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4 das
Adsorptionselement gemäß 3 in
der Seitenansicht im Vollschnitt.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt
ein Adsorptionselement 10, in welchem ein Adsorptionsmedium 11 zwischen
einer ersten Endscheibe 12 und einer zweiten Endscheibe 13 angeordnet
ist. Das Adsorptionsmedium 11 ist hohlzylindrisch gefaltet
und wird an seiner radialen Innenseite von einem Mittelrohr 14 abgestützt. Mittelrohr 14 und
Adsorptionsmedium 11 sind an beiden Stirnseiten in die
Endscheibe 12, 13 eingebettet. Die Endscheiben 12, 13 können beispielsweise
durch ein- oder mehrkomponentige Kunststoffe gebildet sein, die
in eine Schalenform flüssig
eingebracht werden und nach einem Einbetten des Adsorptionsmediums 11 und
des Mittelrohrs 14 aushärten.
Auf diese Weise ist beispielsweise eine Endscheibe aus PU-Schaum,
PUR-Kleber oder auch aus einem Polyamidguss möglich.
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2 zeigt
das hohlzylindrische Adsorptionselement 10, welches den
Strömungsquerschnitt 15 umschließt. Der 1 entsprechende
Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Strömungsquerschnitt 15 entspricht
in diesem Fall dem Leitungsquerschnitt eines nicht dargestellten Ansaugsystems.
Das zick-zack-förmig
gefaltete Adsorptionsmedium 11 ist axial zwischen den beiden Endscheiben 12 ,13 eingebettet
und bildet einen ringförmigen
Raum, der den Strömungsquerschnitt 15 umschließt. Radial
ist das Adsorptionsmedium 11 zwischen dem Mittelrohr 14 und
dem Mantelelement 17 angeordnet. An den radiusförmig gestalteten
Faltenspitzen ist das Filtermedium 11 auf der radialen
Innenseite mit dem Mittelrohr 14 und an der radialen Außenseite
mit dem Mantelelement 17 punktweise verklebt.
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2a zeigt
den Ausschnitt „X" aus der 2.
Dabei ist ein Ausschnitt aus einer Faltenspitze des Adsorptionsmediums 11 vergrößert dargestellt. Ein
auf der Innenseite der Faltenspitze parallel zur Faltenspitze verlaufendes
Stützgitter 16 stützt die Kontur
der Faltung ab und ist gleichzeitig derart engmaschig ausgestaltet,
dass ein Herauslösen
von möglichen
Aktivkohlepartikeln aus dem Medium 11 ausgeschlossen ist.
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3 zeigt
eine mögliche
Variante eines Adsorptionselementes 110. Dabei ist ein
Adsorptionsmedium 111 radial zwischen einem Trägerelement 117 und
einem Stützrohr 114 angeordnet.
Innerhalb des Adsorptionselementes 110 bildet sich ein
zentraler Strömungsquerschnitt 115 und
zwischen den zick-zack-Falten des Adsorptionsmediums 111 mehrere
periphere Strömungskanäle 116.
Das Trägerelement 117 ist
vorzugsweise aus einem mechanisch widerstandsfähigen Thermoplast gebildet,
das ist das Rohrleitungssystem eines Ansaugtraktes integriert werden
kann. Je nach mechanischer Stabilität des Adsorptionsmediums 111 kann
dieses an den inneren und äußeren Faltenspitzen
mit dem Trägerelement 117 bzw.
mit dem Stützrohr 114,
z. B. durch Kleben, verbunden werden.
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4 zeigt
das Adsorptionselement gemäß 3 in
der Seitenansicht im Vollschnitt. Das zwischen Trägerelement 117 und
Stützrohr 114 angeordnete
Adsorptionsmedium 111 wird im Betrieb der nicht dargestellten
Brennkraftmaschine in Richtung der dargestellten Pfeile durchströmt. Um ein
Mitreißen
des Adsorptionsmediums 11 infolge des Gasstromes zu verhindern,
ist am Trägerelement 117 ein radialer
Absatz 118 angeordnet, an dem das Adsorptionselement 111 an
einer Stirnseite aufliegt. Das Mittelrohr 114 kann beispielsweise
aus einem Kunststoff oder Metall gebildet sein, es kann jedoch auch
beispielsweise bei entsprechender mechanischer Stabilität aus einem
Adsorptionsmedium gebildet sein.