WO2009092489A1 - Filtereinrichtung, insbesondere zur filtration gasförmiger fluide - Google Patents

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Abstract

Eine Filtereinrichtung weist in einem Filtergehäuse zwei separat ausgebildete Filterelemente auf, die hintereinander liegend angeordnet sind, wobei der Anströmseite des zweiten, axial hinten liegenden Filterelements über einen Bypass, der zur Umgehung des ersten, axial vorne liegenden Filterelementes vorgesehen ist, zu filtrierendes Fluid zuführbar ist.

Description

Beschreibung
Filtereinrichtung, insbesondere zur Filtration gasförmiger Fluide Technisches Gebiet [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Filtereinrichtung, insbesondere zur
Filtration gasförmiger Fluide, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
[0002] Bekannt sind Luftfilter für Brennkraftmaschinen, die in den Ansaugtrakt
integriert sind und in einem Filtergehäuse ein Filterelement aufweisen,
welches von der herangeführten Verbrennungsluft durchströmt wird. Ein
derartiger Luftfilter wird beispielsweise in der EP 1 364 695 A1
beschrieben. Der Luftfilter umfasst eine in das Filtergehäuse einsetzbare
Filterpatrone, welche axial von der Verbrennungsluft durchströmt wird. Die
gereinigte Verbrennungsluft wird anschließend den Zylindern der
Brennkraftmaschine zugeführt.
[0003] Bei derartigen Luftfiltern ist auf einen ausreichend großen
Luftmassenstrom zu achten, der das Filterelement passiert, um die
geforderte Luftversorgung der Brennkraftmaschine sicherzustellen. Dies
bedingt, dass der Druckabfall über das Filterelement ein bestimmtes Maß
nicht überschreiten darf. Zugleich muss aber eine hinreichend gute
Filtration der Verbrennungsluft gewährleistet sein.
Offenbarung der Erfindung
[0004] Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Filtereinrichtung zu schaffen, die sich durch eine hohe Filtrationsleistung bei einem verhältnismäßig geringen Druckabfall auszeichnet.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
[0006] Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung ist insbesondere zur Filtration gasförmiger Fluide geeignet, beispielsweise als Luftfilter für Brennkraftmaschinen, wobei ggf. auch eine Verwendung als Innenraum- Luftfilter in Betracht kommt. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Filtereinrichtung für sonstige gasförmige oder ggf. auch flüssige Medien einzusetzen.
[0007] Die Filtereinrichtung weist im Filtergehäuse einen Aufnahmeraum auf, in dem zwei separat voneinander ausgebildete Filterelemente angeordnet sind, welche hintereinander liegend angeordnet sind. Dem ersten, in Strömungsrichtung vorne liegenden Filterelement ist ein Bypass zugeordnet, dergestalt, dass die Anströmseite des zweiten Filterelements mit einem Bypass kommuniziert, der zur Umgehung des ersten Filterelements vorgesehen ist.
[0008] Bei dieser Ausführung handelt es sich um eine Kombination von Parallelschaltung und Reihenschaltung der beiden Filterelemente. Konstruktiv sind die Filterelemente auf Grund der Hintereinanderanordnung im Aufnahmeraum des Filtergehäuses in Reihe geschaltet. Strömungstechnisch gesehen handelt es sich jedoch um eine Parallelschaltung, da jedem Filterelement ein Teilmassenstrom des zu reinigenden Fluids zugeführt wird, bezogen auf den gesamten zu reinigenden Massenstrom. Die Verzweigung zu den Anströmseiten jedes einzelnen Filterelementes erfolgt mithilfe des dem ersten, vorne liegenden Filterelement zugeordneten Bypass. Hierfür wird der gesamte herangeführte Massenstrom zum Teil auf die Anströmseite des ersten Filterelementes verteilt und zum anderen Teil über den Bypass unter Umgehung des ersten Filterelements direkt zur Anströmseite des zweiten Filterelementes geleitet. Es findet also eine Verteilung des herangeführten, noch nicht filtrierten Massenstromes auf die Anströmseiten der beiden Filterelemente statt. Diese Ausführung weist den Vorteil auf, dass die Gesamtfilterfläche bezogen auf den Strömungsquerschnitt des Aufnahmeraums im Filtergehäuse vergrößert werden kann. Die Summe der Querschnittsfläche der beiden Filterelemente ist größer als die Querschnittsfläche des Aufnahmeraums im Filtergehäuse. Beispielsweise kann die Summe der Querschnittsfläche mindestens das 1.5-fache der Querschnittsfläche des Aufnahmeraums betragen. Insgesamt wird der zu filtrierende Massenstrom auf eine größere Filterfläche verteilt, so dass eine gewünschte Filtrationsleistung bei geringerem Druckabfall pro Filterelement durchgeführt werden kann, als dies im Stand der Technik mit nur einem einzigen Filterelement der Fall ist. [0010] Um zu vermeiden, dass das gereinigte Medium des ersten Filterelementes noch dem zweiten Filterelement zugeführt wird, ist zweckmäßigerweise die Abströmseite des ersten Filterelementes mit einem Bypass verbunden, der zur Umgehung des zweiten Filterelementes dient. Diese vorteilhafte Ausführung stellt sicher, dass das bereits im ersten Filterelement gereinigte Fluid nicht nochmals im nachfolgenden, zweiten Filterelement gereinigt wird. Damit ist es auch insbesondere möglich, die Filtrationsleistungen der beiden Filterelemente etwa gleich groß zu dimensionieren, beispielsweise dadurch, dass gemäß einer vorteilhaften Ausführung die Filtrationsfläche der Filterelemente zumindest annähernd gleich ist.
[0011] In der Ausführung mit jeweils einem Bypass pro Filterelement kann der
Bypass des ersten, vorne liegenden Filterelementes dadurch gebildet sein, dass das erste Filterelement eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als der Aufnahmeraum in diesem Abschnitt, so dass zwischen der Außenseite des Filterelementes und der Innenseite des Aufnahmeraums ein Durchtritt für das Fluid gegeben ist, der als Bypass fungiert. Über diesen Bypass strömt das herangeführte, unfiltrierte Fluid am ersten Filterelement vorbei und trifft auf die Anström- bzw. Rohseite des dahinter liegenden, zweiten Filterelementes.
[0012] Der Bypass im zweiten Filterelement ist dagegen vorteilhafterweise von einem separaten Strömungskanal gebildet, der in das Filtermaterial des zweiten Filterelementes integriert ist. Dieser Bypass verbindet zweckmäßigerweise die gesamte Abström- bzw. Reinseite des ersten, vorne liegenden Filterelementes mit der Abströmseite des Aufnahmeraumes, so dass das zweite Filterelement von dem gereinigten Fluid des ersten Filterelementes komplett umgangen wird.
[0013] Die Kombination von Bypass auf der Außenseite des ersten Filterelementes und Bypass durch das Zentrum des zweiten Filterelementes hat den Vorteil einer einfachen Geometrie, wodurch eine gleichmäßige Anströmung der jeweiligen Anströmseiten der Filterelemente sichergestellt ist. Der in den Aufnahmeraum herangeführte Massenstrom wird hierbei selbsttätig auf die beiden Anströmseiten der beiden Filterelemente verteilt. Für eine Aufteilung in einen etwa gleich großen Teilmassenstrom für jedes Filterelement kann stromauf der Anströmseite des ersten, vorne liegenden Filterelementes ein Luftleitkörper angeordnet sein, der den herangeführten Massenstrom des zu filtrierenden Fluids in etwa gleich große Teilmassenströme aufteilt. Grundsätzlich ist es aber ausreichend, über eine entsprechende Dimensionierung der Querschnittsflächen der Anströmseite des ersten Filterelementes sowie des das erste Filterelement umgehenden Bypass für eine entsprechende Aufteilung der Teilmassenströme zu sorgen.
[0014] Die beiden Filterelemente weisen vorteilhafterweise etwa die gleiche
Filtrationsleistung auf sowie den gleichen Druckabfall. Erreicht wird dies in besonders einfacher Weise dadurch, dass die Filterelemente einen gleichartigen Aufbau aufweisen, beispielsweise jeweils als Wickelfilter oder jeweils als Flachfilter bzw. Faltenfilter ausgebildet sind. Des Weiteren kann die gleiche Filtrationsleistung auch durch eine zumindest annähernd gleiche Filterfläche in jedem Filterelement erreicht werden, was bei einem gleichbleibenden Querschnitt des Aufnahmeraums durch ein entsprechend gleiches Verhältnis in den beiden Filterelementen von Filterfläche zu Bypassquerschnittsfläche erreicht wird.
[0015] Grundsätzlich ist es aber auch möglich, den die beiden Filterelemente aufnehmenden Aufnahmeraum nicht mit einem konstanten Querschnitt zu versehen, sondern mit einem veränderlichen Querschnitt, beispielsweise dahingehend, dass das erste Filterelement in einem Abschnitt des Aufnahmeraums mit größerem Querschnitt angeordnet ist, um einen ausreichend großen Bypassquerschnitt zum ersten Filterelement zu gewährleisten. Im Bereich des zweiten, darauf folgenden Filterelementes weist dann der Aufnahmeraum einen kleineren Querschnitt auf. Das zweite Filterelement füllt den Querschnitt des Aufnahmeraums vollständig aus, so dass die Außenseite des Filterelementes unmittelbar an der Innenseite des Aufnahmeraums anliegt. Der Bypass zum zweiten Filterelement verläuft etwa durch die Mitte dieses Filterelementes.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0016] Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren
Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu
entnehmen. Es zeigen:
[0017] Fig. 1 eine Filtereinrichtung, die vorzugsweise zur Filtration
gasförmiger Fluide vorgesehen ist, mit einem Filtergehäuse, das einen
Aufnahmeraum zur Aufnahme von zwei axial hintereinander angeordneten
Filterelementen aufweist, wobei jedem Filterelement ein Bypass
zugeordnet ist,
[0018] Fig. 2 die Filtereinrichtung aus Fig. 1 in einer Schnittdarstellung,
[0019] Fig. 3 eine Filtereinrichtung, die ähnlich aufgebaut ist wie diejenige
des vorherigen Ausführungsbeispieles, jedoch mit zusätzlichen
Luftleitkörpern im Bereich der Anströmseite des ersten Filterelementes
und der Abströmseite des zweiten Filterelementes ausgestattet ist,
[0020] Fig. 4 die Filtereinrichtung nach Fig. 3 im Schnitt.
[0021] In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
Ausführungsformen der Erfindung
[0022] Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt
es sich um eine Filtereinrichtung zur Filtration gasförmiger Fluide,
insbesondere um einen Luftfilter, welcher im Ansaugtrakt einer
Brennkraftmaschine zur Filtration der Verbrennungsluft angeordnet ist. Die
Filtereinrichtung 1 umfasst ein Filtergehäuse 2, das einen Aufnahmeraum 3 für die Aufnahme von zwei axial hintereinander angeordneten Filterelementen 4 und 5 aufweist. Die Strömungsrichtung des gesamten Massen ström s des zu filtrierenden Fluids, das in das Gehäuse einströmt und die Filterelemente im Aufnahmeraum passiert, ist mit Bezugszeichen 6 gekennzeichnet. In Achs- bzw. Strömungsrichtung 6 liegen die beiden Filterelemente 4 und 5 hintereinander innerhalb des Aufnahmeraums 3 des Filtergehäuses 2. Aufgrund der konstruktiven Platzierung der beiden Filterelemente 4 und 5 handelt es sich um eine Reihen- bzw. Hintereinanderschaltung. In strömungstechnischer Hinsicht dagegen werden die beiden
Filterelemente 4 und 5 parallel von Teilfluidströmen angeströmt. Um dies zu realisieren, ist zwischen dem Außenmantel des ersten, axial vorne liegenden Filterelementes 4 und der Innenwand des Aufnahmeraumes 3 ein erster Bypass 7 gebildet, über den ein Teilmassenstrom des in den Aufnahmeraum 3 eingeleiteten Fluids unter Umgehung des ersten Filterelementes 4 unmittelbar zum axial dahinter liegenden, zweiten Filterelement 5 strömt. Auf diese Weise kann der gesamte, in Strömungsrichtung 6 herangeführte Massenstrom in zwei Teilmassenströme aufgeteilt und den beiden Filterelementen 4 und 5 zugeführt werden. Die beiden Filterelemente 4 und 5 sind zweckmäßigerweise jeweils als Wickelfilter ausgebildet und besitzen insbesondere zumindest annähernd die gleiche Filtrationsleistung sowie einen gleichen Druckverlust.
[0024] Der erste Bypass 7 zwischen dem Außenmantel des ersten
Filterelementes 4 und der Innenwand des Aufnahmeraums 3 ist dadurch gebildet, dass das erste Filterelement 4 einen kleineren Durchmesser aufweist als der Aufnahmeraum 3 an dieser Stelle, wodurch der axiale Durchtritt für den Teilmassenstrom der herangeführten Verbrennungsluft gebildet ist. Die Teilmassenströme werden der jeweiligen Anström- bzw. Rohseite 4a, 5a jedes Filterelementes 4, 5 zugeführt.
[0025] Wie insbesondere der Schnittdarstellung nach Fig. 2 zu entnehmen, ist das erste Filterelement 4 massiv ausgebildet, wohingegen das zweite, dahinter liegende Filterelement 5 einen integrierten, zweiten Bypass 8 aufweist, der zentrisch in das zweite Filterelement 5 eingebracht ist. Dieser zweite Bypass 8 umfasst einen Strömungskanal 9 als separates Bauteil innerhalb des zweiten Filterelementes 5 sowie einen Überleitungskanal 10, welcher an der Abström- bzw. Reinseite 4b des ersten Filterelementes 4 angeordnet ist und diese mit dem Strömungskanal 9 durch das zweite Filterelement 5 verbindet. Der Strömungskanal 9 sowie der Überleitungskanal 10, welche gemeinsam den zweiten Bypass 8 bilden, können als einteiliges Bauteil ausgeführt sein. Der zweite Bypass 8 dient zur Umgehung des zweiten Filterelementes 5, so dass das gereinigte Fluid, welches das erste Filterelement 4 durchströmt hat und über die Abströmseite 4b des ersten Filterelementes 4 abströmt, über den Bypass 8 unter Umgehung des zweiten Filterelementes 5 aus dem Aufnahmeraum 3 und der Filtereinrichtung 1 abgeleitet wird. Auf diese Weise kann die Strömungssituation realisiert werden, dass zum einen jeweils ein Teilmassenstrom des herangeführten, zu filtrierenden Fluids den Anströmseiten jedes Filterelementes zugeführt wird und zum andern nach dem Passieren jedes Filterelementes der austretende, gereinigte Teilmassenstrom separat unter Umgehung des anderen Filterelementes abgeleitet wird. Das Filtergehäuse 2 besitzt über die axiale Länge des die beiden Filterelemente 4 und 5 aufnehmenden Aufnahmeraums 3 einen konstanten Querschnitt. Das zweite Filterelement 5 weist einen Außendurchmesser auf, der an den Innendurchmesser des Aufnahmeraums angepasst ist, so dass der Außenmantel des zweiten Filterelementes 5 dichtend an der Innenwand des Aufnahmeraumes anliegt und an dieser Stelle kein Durchtritt von Fluid möglich ist. Daher trifft der das erste Filterelement 4 passierende Bypassstrom unmittelbar auf die Anströmseite 5a des zweiten Filterelementes 5 und ist gezwungen, das Filtermaterial des zweiten Filterelements 5 zu durchströmen. Ein unmittelbarer Übertritt in den zweiten Bypass 9 ist auf Grund der geschlossenen Bauweise des Überleitungskanals 10 ausgeschlossen, der die Abströmseite 4b des ersten Filterelementes 4 mit dem Strömungskanal 9 strömungsdicht verbindet, welcher in das Material des zweiten Filterelementes 5 integriert ist.
[0027] Die beiden Filterelemente 4 und 5 weisen ebenso wie der Aufnahmeraum 3 einen ovalen Querschnitt auf. Grundsätzlich kommen aber auch andere Querschnittsformen in Betracht, insbesondere runde Querschnitte, ggf. aber auch eckige Querschnittsformen.
[0028] Das in den Figuren 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2, so dass insoweit auf die dortige Beschreibung verwiesen wird. Gemäß den Figuren 3 und 4 sind jedoch zusätzliche Luftleitkörper 11 und 12 im Aufnahmeraum des Filtergehäuses 2 vorgesehen, welche die Strömung sowohl auf der Anströmseite als auch auf der Abströmseite beeinflussen. Ein erster Luftleitkörper 11 befindet sich an der Anströmseite 4a des ersten Filterelementes 4. Dieser erste Luftleitkörper 11 weist an seiner offenen Seite einen kleineren Strömungsquerschnitt auf als die Anströmseite 4a des Filterelementes 4, so dass ein geringerer Anteil des gesamten, herangeführten Massenstromes dem ersten Filterelement zugeführt wird und ein entsprechend größerer Anteil über den Bypass 7 am ersten Filterelement vorbei strömt und dem zweiten Filterelement 5 zugeführt wird. Mithilfe des Luftleitkörpers 11 kann somit der Anteil der den jeweiligen Filterelementen zuzuführenden Luftmassenströme beeinflusst werden. Ein zweiter Luftleitkörper 12 befindet sich im Bereich der Abströmseite 5b des zweiten Filterelementes 5. Dieser zweite Luftleitkörper 12 beeinträchtigt aber nicht die Filtration im zweiten Filterelement 5, sondern bildet einen Bestandteil des zweiten Bypass 8, indem der zweite Luftleitkörper 12 sich an den Strömungskanal 9 anschließt, welcher in das Filtermaterial des zweiten Filterelementes 5 eingebettet ist. Über den zweiten Luftleitkörper 12 kann somit die Abströmung des über den Bypass 8 geleiteten Massenstromes beeinflusst werden, bei dem es sich um das im ersten Filterelement 4 gereinigte Fluid handelt. Zugleich ist auch eine Strömungsbeeinflussung des das zweite Filterelement 5 passierenden Fluids möglich, da die Außenwand des zweiten Luftleitkörpers 12 auch zugleich eine Begrenzung für das aus dem zweiten Filterelement austretende Fluid bildet.

Claims

Ansprüche
1. Filtereinrichtung, insbesondere zur Filtration gasförmiger Fluide, mit einem
Filterelement (4, 5) in einem Filtergehäuse (2), dadurch gekennzeichnet, dass im Filtergehäuse (2) zwei separat ausgebildete Filterelemente (4, 5) angeordnet sind, die axial hintereinander liegen, wobei der Anströmseite (5a) des zweiten, axial hinten liegenden Filterelements (5) über einen Bypass (7), der zur Umgehung des ersten, axial vorne liegenden Filterelements (4) vorgesehen ist, zu filtrierendes Fluid zuführbar ist.
2. Filtereinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmseite (4b) des ersten, vorne liegenden Filterelements (4) mit einem Bypass (8) zur Umgehung des zweiten, hinten liegenden Filterelements (5) strömungsverbunden ist.
3. Filtereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Querschnittsfläche der beiden Filterelemente (4, 5) größer ist als die Querschnittsfläche des Aufnahmeraums (3) im Filtergehäuse (2).
4. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Filterelement (4) eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als der die Filterelemente (4, 5) aufnehmende Aufnahmeraum (3) im Filtergehäuse (2), wobei zwischen der äußeren Mantelfläche des Filterelementes (4) und der Innenseite des Aufnahmeraums (3) ein Bypass (7) gebildet ist.
5. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass (8) in das Material eines Filterelements (5) integriert ist.
6. Filtereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (8) als ein ein eigenständiges Bauteil bildender Strömungskanal (9) ausgebildet ist, der in das Filterelement (5) integriert ist.
7. Filtereinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (8) in das Zentrum des Filterelements (5) integriert ist.
8. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement (4) einen Bypass (7) außerhalb seiner Filterfläche und das Filterelement (5) einen Bypass (8) innerhalb seiner Filterfläche aufweist.
9. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Filterelement (4, 5) als Wickelfilter ausgebildet ist.
10. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Filterelement (4, 5) als Flach- oder Faltenfilter ausgebildet ist.
11. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (3), in dem die Filterelemente (4, 5) aufgenommen sind, einen in Strömungsrichtung konstanten Querschnitt aufweist.
12. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (4, 5) zumindest annähernd die gleiche Filterfläche aufweisen.
13. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der Anström- oder Abströmseite (4a, 4b, 5a, 5b) mindestens eines Filterelements (4, 5) ein die Strömung beeinflussender Luftleitkörper (11 , 12) angeordnet ist.
14. Filtereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl an der Anströmseite (4a) des ersten Filterelements (4) als auch an der Abströmseite (5b) des zweiten Filterelements (5) jeweils ein Luftleitkörper (11 , 12) angeordnet ist.
15. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Massenstrom des zu filtrierenden Fluids in den Aufnahmeraum (3) des Filtergehäuses (2) einzuleiten ist.
16. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Luftfilter für Brennkraftmaschinen.
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