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Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung, insbesondere für Kraftstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Mit zunehmendem Einspritzdrücken steigen unter anderem auch die Anforderungen an die Abscheidung von festen Partikeln aus dem Kraftstoff, um Schäden an der Kraftstoffhochdruckpumpe und den nachgeordneten Injektoren zu vermeiden. Die meisten Hochdruckpumpen sind saugdrosselgeregelt und verfügen an der Saugseite über ein Saugventil, über welches der Kraftstoff in einen Pumpenarbeitsraum angesaugt und mit dem gewünschten Einspritzdruck in den Kraftstoffspeicher gepumpt wird. Die Saugventile sind optional mit einem Filterelement bzw. Sieb versehen, um feste Partikel aus dem Kraftstoff zurückzuhalten, damit sie sich nicht in den nachfolgenden Ventilen und Injektoren festsetzen und dort Schaden anrichten.
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Dieselkraftstoff neigt bei tiefen Temperaturen zum Ausflocken von Paraffinen, das auch Versulzen genannt wird. Der versulzte Kraftstoff kann die im Kraftstoffzulauf liegenden Kraftstofffilter verstopfen, so dass ein Betrieb der Brennkraftmaschine unmöglich wird. Die Filterelemente bzw. Siebe haben den Nachteil, dass bei niedrigen Temperaturen die Versulzungsneigung des Kraftstoffs steigt. Die genannte Versulzung des Kraftstoffs kann zu Motoraussetzern bei einer sogenannten Kaltabfahrt oder zum Nichtstarten führen, da sich die Filterfläche bzw. Siebfläche der Filtereinrichtungen mit ausgeflockten Paraffinen so stark zusetzt, dass nicht mehr ausreichend Kraftstoff in den Kraftstoffspeicher gefördert werden kann.
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Ein Kraftstofffilter für ein Saugventil einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist beispielsweise aus
DE 102009001433 A1 bekannt, bei dem ein ringförmiges Filterelement sich in axialer Richtung an einer Ventilplatte des Saugventils erstreckt und dabei eine aktive Filterfläche des Filterelements die Ventilplatte vollständig umschließt.
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Aus
DE 19651664 A1 ist weiterhin bekannt, zur Vermeidung einer Verstopfung eines Filterelements durch versulzten Kraftstoff einen das Filterelement umgehenden Bypass vorzusehen. Der Bypass ist dabei mittels eines Rückschlagventils druckabhängig zuschaltbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein für Kraftstoff durchgängiger Bypass geschaffen, welcher nur bei niedrigen bzw. tiefen Temperaturen, bei denen der Kraftstoff mit ausgeflockten Paraffinen beladen ist, offen ist und bei normalen Betriebstemperaturen geschlossen bleibt.
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Der Bypass ist temperaturgesteuert und wird nur bei entsprechend tiefen Temperaturen freigegeben, bei denen der Kraftstoff versulzt. Dadurch sinkt die Wahrscheinlichkeit einer Partikelkontamination des Filterelements drastisch. Die Motoren starten und laufen auch bei Minus-Temperaturen, so dass die Robustheit der Motoren gesteigert wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen gehen aus den Merkmalen der Unteransprüche hervor.
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Vorteilhafterweise ist das Schaltelement zur temperaturabhängigen Zu- und Abschaltung des filterflächenfreien Bypasses als ein Bi-Metall-Element ausgeführt. Eine kompakte Ausführung der Filtereinrichtung wird dadurch erreicht, indem der Bypass von mindestens einer im Filterelement eingebrachten filterflächenfreien Bypassöffnung gebildet ist. Dazu weist das Filterelement vorzugsweise einen Trägerrahmen auf, der mit mindestens einer Filterfläche und mit der filterflächenfreie Bypassöffnung ausgeführt ist.
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Damit sich die Filtereinrichtung zum Aufsetzen auf zylinderförmige Gehäuseabschnitte eignet, sind das Filterelement und das Bi-Metall-Element jeweils ringförmig ausgeführt, wobei das Bi-Metall-Element das Filterelement an der Umfangsfläche zumindest im Bereich der Filterfläche und der filterflächenfreien Bypassöffnung im Wesentlichen umschließt.
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Zum Öffnen und Schließen der filterflächenfreien Bypassöffnung weist das Bi-Metall-Element mindestens einen auslenkbaren Abschnitt auf, welcher mit einem Schließabschnitt die filterflächenfreie Bypassöffnung temperaturabhängig öffnet und schließt. Dabei ist das ringförmige Bi-Metall-Element als zylindrischer Ring ausgeführt, wobei der auslenkbare Abschnitt am Umfang des zylindrischen Ringes ausgebildet ist.
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Der auslenkbare Abschnitt weist mindestens eine Öffnung und einen Schließabschnitt auf, wobei die Öffnung zur Filterfläche weist und der Schließabschnitt die filterflächenfreie Bypassöffnung abdeckt und dadurch temperaturabhängig öffnet und schließt.
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Zur Montagesicherung weist das Bi-Metall-Element zweckmäßigerweise aus dem zylindrischen Ring heraus biegbare Widerhaken auf, mit denen das Bi-Metall-Element am Trägerrahmen des Filterelements befestigt wird. Außerdem kann die Filtereinrichtung am zylindrischen Ring mindestens eine Ausrichtnase aufweisen, mittels welcher der auslenkbare Abschnitt mit der Öffnung und dem Schließabschnitt eine lagerichtige Positionierung bezogen zur Filterfläche und zur Bypassöffnung erhält.
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Ausführungsbeispiele
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einzelner Bauteile einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung,
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2 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung in 1 in Zusammenbauform,
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3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung an einem Saugventil einer Hochdruckpumpe,
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4 einen Schnitt durch einen saugseitigen Ausschnitt einer Hochdruckpumpe mit einem Saugventil gemäß 3 und
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5 einen Schnitt durch einen Ausschnitt einer Zumesseinheit mit einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Filtereinrichtung 10 dient zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Kraftstoff, und umfasst ein ringförmiges Filterelement 11 zum Abscheiden von Partikeln aus dem Kraftstoff. Das Filterelement 11 weist einen Trägerrahmen 12 mit beispielsweise einem unteren Trägerringen 13 und einem oberen Trägerring 14 auf, die mittels mehrerer Stegen 15 axial beabstandet miteinander verbunden sind. Der Trägerrahmen 12 ist beispielsweise aus Kunststoff ausgeführt. Der Zwischenraum zwischen den Trägerringen 13, 14 und den Stegen 15 ist mit mindestens einer Sieb- bzw. Filterfläche 17 und mit mindestens einer filterflächenfreien Bypassöffnung 18 ausgeführt, wobei die filterflächenfreie Bypassöffnung 18 vorzugsweise zwischen zwei benachbarten Stegen 15 ausgebildet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei filterflächenfreie Bypassöffnungen 18 vorhanden.
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Die Filtereinrichtung 10 umfasst weiterhin ein Schaltelement 20 zum temperaturabhängigen Zu- und Abschalten der filterflächenfreien Bypassöffnung 18. Das Schaltelement 20 ist ein zylinderförmiges Bi-Metall-Element 21, dass das ringförmige Filterelement 11 an der Umfangsfläche zumindest im Bereich der Filterflächen 17 und der filterflächenfreien Bypassöffnungen 18 im Wesentlichen umschließt.
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Das als zylindrischer Ring ausgeführte Bi-Metall-Element 21 weist beispielsweise zwei auslenkbare Abschnitte 23 auf. Die auslenkbaren Abschnitte 23 sind am Umfang des zylindrischen Ringes angeordnet und sind jeweils an drei Seiten aus dem Material des zylindrischen Rings freigestanzt oder mittels Laser freigeschnitten. An einer der Schmalseiten sind die auslenkbaren Abschnitte 23 jeweils mit dem Material des zylindrischen Ringes verbunden, so dass die schwenkbaren Abschnitte 23 um eine dort vorliegende, gedachte axial verlaufende Verbindungslinie schwenkbar sind. Die auslenkbaren Abschnitte 23 weisen jeweils mehrere Öffnungen 25 und einen Schließabschnitt 26 auf. Der Schließabschnitt 25 ist vorzugsweise gegenüberliegend zur Verbindungslinie 24 am Ende des jeweiligen auslenkbaren Abschnitts 23 ausgebildet. Die Öffnungen 25 weisen dabei im Zusammenbauzustand gemäß 2 zu der dahinterliegenden Filterfläche 17. Die Schließabschnitte 26 bedecken im Einbauzustand die filterflächenfreien Bypassöffnungen 18.
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Das Bi-Metall-Element 21 weist weiterhin beispielsweise zwei Widerhaken 27 auf, die aus dem Zylindermantel des zylindrischen Rings freigestanzt oder mittels Laser freigeschnitten sind. Die Widerhaken 27 werden bei der Montage nach innen umgebogen, so dass sie beispielsweise den oberen Trägerring 13 hintergreifen. Dadurch dienen die Widerhaken 27 als Montagesicherung nach dem Aufsetzen des Bi-Metall-Elements 21 auf den Trägerrahmen 12 des Filterelements 11. Des Weiteren sind nach unten weisende Ausrichtnasen 28 vorgesehen, die in entsprechende Arretierungen am unteren Trägerring 14 eingreifen, damit die Positionierung des Bi-Metall-Elements 21 bezogen auf den auslenkbaren Abschnitt 23 mit den Öffnungen 25 und den Schließabschnitten 26 eine korrekte Positionierung gegenüber den Filterflächen 17 und den Bypassöffnungen 18 erhalten.
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Die in den auslenkbaren Abschnitten 23 eingebrachten Öffnungen 25 und der Schließabschnitt 26 sind so positioniert, dass der Kraftstoff durch die Öffnungen 25 durch die in Strömungsrichtung dahinter liegende Filterfläche 17 strömt und der Schließabschnitt 26 die dahinterliegende Bypassöffnung 18 abdeckt und damit geschlossen halten kann. Das Bi-Metall-Element 21 kann wie beschrieben beispielsweise mittels der Widerhaken 27 separat auf das Filterelement 11 montiert oder zusammen mit dem Kunststoff des Trägerrahmens 12 umspritzt werden.
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Die Anordnung der Metallstreifen des Bi-Metall-Elements 21 ist dabei so gewählt, dass bei tiefen Temperaturen, bei denen aus dem Kraftstoff Paraffine ausflocken, ein Auslenken bzw. Verbiegen der auslenkbaren Abschnitte 23 nach außen erfolgt, so dass die Schließabschnitte 26 von den Bypassöffnungen 18 abheben und die Schließabschnitte 26 die dahinter liegenden Bypassöffnungen 26 freigeben.
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Aufgrund der geometrischen Gestaltung des Filterelementes 11 in Ringform eignet sich die erfindungsgemäße Filtereinrichtung 10 zum Aufsetzen auf zylinderförmige Gehäuseabschnitte 31, in denen Strömungskanäle für ein zu filterndes Fluid angeordnet sind. Bezogen auf zu filternden Kraftstoff können diese Gehäuseabschnitte 31 an Bauteilen von Kraftstofffördereinrichtungen oder Kraftstoffeinspritzeinrichtungen ausgebildet sein. Dabei wird der Trägerrahmen 12 des Filterelements 11 auf den zylinderförmigen Gehäuseabschnitt 31 hydraulisch dicht aufgesetzt, so dass die Strömungskanäle in Strömungsrichtung des Fluids hinter der Siebfläche 17 und der Bypassöffnung 18 liegen. Die Filtereinrichtung 10 wird somit am außenliegenden Bi-Metall-Element 21 von dem zu filternden Kraftstoff angeströmt.
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Die Funktionsweise des temperaturabhängigen Schaltelements 20 in Gestalt des Bi-Metall-Elements 21 bewirkt, dass bei tiefen Temperaturen, bei denen die Versulzung des Kraftstoffs einsetzt, sich der auslenkbare Abschnitt 23 des Bi-Metall-Elements 21 mit dem Schließabschnitt 26 von der Bypassöffnung 18 abhebt und dadurch eine filterflächenfreie Passage für den Kraftstoff freigibt. Dadurch kann der Kraftstoff mit den ausgeflockten Paraffinen, welche nur schwer die Filterfläche 17 durchdringen können bzw. die Filterfläche 17 verstopfen, ungehindert über die Bypassöffnung 18 weitergeleitet werden.
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3 zeigt einen Einsatz der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 10 am Beispiel eines Saugventils 30, das in 4 im Funktionszusammenhang mit einer Hochdruckpumpe 32 einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung dargestellt wird. Beim Saugventil 30 ist der zylindrische Gehäuseabschnitt 31 als zylinderförmige Ventilplatte 33 ausgeführt, in der die Strömungskanäle zum Durchströmen des Kraftstoffs angeordnet sind. Auf diesen zylindrischen Gehäuseabschnitt 31 ist die Filtereinrichtung 10 mit dem Trägerrahmen 12 hydraulisch dicht aufgesetzt. Das Bi-Metall-Element 21 ist dabei an der Anströmseite angeordnet.
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Gemäß 4 weist die Hochdruckpumpe 32 ein Pumpengehäuse 34 mit einem Pumpenarbeitsraum 35 auf. Das Saugventil 30 ist an einer Niederdruck- oder Saugseite stromauf des Pumpenarbeitsraumes 35 in das Pumpengehäuse 34 eingesetzt. Dazu wird die zylinderförmige Ventilplatte 33 in eine Axialausnehmung 36 des Pumpengehäuses 34 mittels eines Druckstücks 37 in Einbaulage gehalten.
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In der zylinderförmigen Ventilplatte 33 ist eine zylindrische Axialbohrung 38 mit einem vergrößerten Stufenabschnitt 39 ausgebildet. Die Ventilplatte 33 ist beispielsweise mit einer koaxialen Ringnut 40 an der Umfangsfläche ausgeführt, von der aus mindestens eine Radialbohrung 41 durch die Ventilplatte 33 in den Stufenabschnitt 39 führt.
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In der Axialbohrung 38 der Ventilplatte 33 ist ein in axialer Richtung bewegbares Ventilelement 42 mit einem Ventilteller 43 angeordnet, welches sich durch die Ventilplatte 33 hindurch erstreckt. Am vergrößerten Stufenabschnitt 39 der Axialbohrung 38 ist ein Ventilsitz 44 ausgebildet. Das Ventilelement 42 ragt auf der dem Ventilsitz 44 gegenüberliegenden Seite über die Ventilplatte 33 hinaus. An diesem Ende ist das Ventilelement 42 mittels einer Ventilfeder 45 zwischen der Ventilplatte 33 und einer mit dem Ventilelement 42 fest verbundenen Buchse 46 vorgespannt. Die Ventilfeder 45 sorgt dafür, dass der Ventilteller 43 gegen den Ventilsitz 44 gepresst wird und das Saugventil 30 somit geschlossen wird. Lediglich bei einem Druckunterschied zwischen dem oberhalb des Ventiltellers 43 befindlichen Teil des vergrößerten Stufenabschnitts 39 der Axialbohrung 38 und dem unterhalb des Ventiltellers 43 herrschenden Drücken wird die Vorspannung der Ventilfeder 45 überwunden und das Ventilelement 42 hebt mit dem Ventilteller 43 vom Ventilsitz 44 ab.
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Die Filtereinrichtung 10 ist beim Ausführungsbeispiel in 4, wie auch in 3 dargestellt, als separates Bauteil mit dem Trägerrahmen 12 hydraulisch dicht am Umfang auf die Ventilplatte 33 aufgesetzt, so dass zumindest die Ringnut 40 und die dahinterliegenden Radialbohrungen 41 von der Filterfläche 17 und von der Bypassöffnung 18 ummantelt werden.
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Um den Umfang der Ventilplatte 33 des in 4 dargestellten Saugventils 30 erstreckt sich ein Ringraum 47, der vom Pumpengehäuse 34, dem Druckstück 37 und der Ventilplatte 33 begrenzt wird. In den Ringraum 46 führt ein Kraftstoffzulaufkanal 48. Die Filtereinrichtung 10 weist mit dem Bi-Metall-Element 21 in den Ringraum 47. Dadurch entfaltet die Filtereinrichtung 10 die Filterwirkung über die Filterflächen 17 und die Bypasswirkung über die Bypassöffnung 18 zwischen dem Ringraum 46 und den in den Pumpenarbeitsraum 35 führenden Radialbohrungen 41.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Einsatz der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 10 an einer Zumesseinheit 50 für eine Hochdruckpumpe einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung dargestellt. Die Zumesseinheit 50 steuert die der Hochdruckpumpe zugeführte Menge an Kraftstoff. Die Zumesseinheit 50 umfasst ein Regelventil 51 mit einem Elektromagneten 52 und einem Ventilelement 53. Der Elektromagnet 52 betätigt über einen Stößel 54 einen Ventilkolben 55 des Ventilelements 53. Der Ventilkolben 55 ist mittels einer Druckfeder 59 vorgespannt und in einem zylindrischen Ventilgehäuse 56 längsverschiebbar geführt. Durch das Ventilgehäuse 56 führen beispielsweise mehrere Zulaufbohrungen 57, die innerhalb des Ventilgehäuses 56 in einen Steuerraum 58 führen. Im Ventilgehäuse 56 ist weiterhin eine nicht dargestellte Auslassöffnung vorgesehen, die über eine ebenfalls nicht dargestellte Zumessleitung mit der Hochdruckpumpe verbunden ist.
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Der Ventilkolben 55 steuert mittels der Steuerschlitze die über die Zulaufbohrungen 57 in den Steuerraum 58 gelangende Kraftstoffmenge, die wiederum über die Auslassöffnung 59 und der Zumessleitung der Hochdruckpumpe zugeführt wird.
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Der zylindrische Gehäuseabschnitt 31 zur Aufnahme der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 10 wird vom zylindrischen Ventilgehäuse 56 gebildet. Dazu wird die Filtereinrichtung 10 mittels des Trägerrahmens 12 auf die äußere Umfangfläche des Ventilgehäuses 56 hydraulisch dicht aufgesetzt, derart, dass zumindest die Zulaufbohrungen 57 von der Filterfläche 17 und vom Schließabschnitt 18 bedeckt sind. Die Filtereinrichtung 10 entfaltet somit ihre Filterwirkung zwischen einem den Zulaufbohrungen 57 vorgeschalteten, nicht dargestellten Kraftstoffzulauf und dem Steuerraum 58.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 10 ist nicht auf die beschriebenen Anwendungsfälle beschränkt. Sie kann auch an anderen Bauelementen angewendet werden, bei denen ein zu filterndes Fluid zumindest teilweise temperaturabhängig durch eine im Filterelement 11 ausgebildete filterflächenfreie Bypassöffnung 18 geleitet werden soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009001433 A1 [0004]
- DE 19651664 A1 [0005]
