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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filteranordnung mit einer Partikelaustragsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Im Kraftfahrzeugbereich, insbesondere im Bereich von Lastkraftwagen, Baumaschinen oder landwirtschaftlichen Fahrzeugen, d.h. in sogenannten „Heavy Duty“ Anwendungen, finden oftmals sogenannte Rundluftfilteranordnungen mit zentrifugaler Vorabscheidung von Partikeln oder sogenannte Zyklonabscheider Anwendung. Mit Hilfe der Vorabscheidung der Partikel ist es möglich, die Partikelbeladung des eigentlichen Filterelements gering zu halten. Hierdurch erhöht sich die Lebensdauer des verwendeten Filterelements.
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EP 2 703 059 A2 zeigt eine Filteraufnahme mit einem Gehäuse, welches einen Staubaustrag umfasst, an dem eine Partikelaustragsvorrichtung in Form eines Lippenventils, insbesondere in Form eines sogenannten Duckbill Valves, vorgesehen ist. Dieses Lippenventil kann beispielsweise mit Hilfe eines pulsierenden Betriebs einer an die Filteraufnahme gekoppelten Brennkraftmaschine geöffnet werden, um die Partikel aus der Filteraufnahme auszutragen.
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WO 2011/124675 A1 beschreibt einen Zyklonabscheider, an dessen Gehäuse ebenfalls ein Staubaustrag mit einem derartigen Lippenventil vorgesehen ist.
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Aus
DE 10 2014 009 417 A1 ist ein Zyklonabscheider für Luftfilter mit einem Staubaustragsventil mit einem Schließelement bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Filteranordnung zur Verfügung zu stellen.
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Demgemäß wird eine Filteranordnung mit einer Partikelaustragsvorrichtung nach Anspruch 1 vorgeschlagen, mit einem Filtergehäuse, einem innerhalb des Filtergehäuses angeordneten Filterelement und einer Partikelaustragsvorrichtung, die an einem Partikelaustragsstutzen des Filtergehäuses angeordnet ist. Die Partikelaustragsvorrichtung umfasst ein Gehäuse, eine erste Ventileinrichtung und eine in einer Längsrichtung des Gehäuses von der ersten Ventileinrichtung beabstandet angeordnete zweite Ventileinrichtung, wobei eine der beiden Ventileinrichtungen eine aktiv angesteuerte Ventilklappe und die andere der beiden Ventileinrichtungen eine passiv angesteuerte Ventilklappe aufweist.
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Die Partikelaustragsvorrichtung kann auch als Partikelausschleusvorrichtung, Partikelaustragsventil oder Staubaustragsventil bezeichnet werden. Die Partikelaustragsvorrichtung ist insbesondere dazu geeignet, Partikel aus der Filteranordnung, insbesondere aus einem Filtergehäuse der Filteranordnung, auszutragen oder auszuschleusen. Die Filteranordnung kann eine sogenannte Rundluftfilteranordnung mit rotativer Partikelvorabscheidung oder ein Zyklonabscheider sein. Das Gehäuse der Partikelaustragsvorrichtung ist vorzugsweise rohrförmig und im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Mittel- oder Symmetrieachse aufgebaut. Die Längsrichtung des Gehäuses ist dabei entlang der Symmetrieachse orientiert oder stimmt mit dieser überein. Die Längsrichtung kann dabei mit einer Schwerkraftrichtung übereinstimmen.
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Die Partikelaustragsvorrichtung ist vorzugsweise derart angeordnet, dass die zweite Ventileinrichtung in der Schwerkraftrichtung betrachtet unter der ersten Ventileinrichtung angeordnet ist. Das Gehäuse umfasst vorzugsweise einen Basisabschnitt, in dem ein Ventilsitz der ersten Ventileinrichtung und ein Ventilsitz der zweiten Ventileinrichtung angeformt sind. Weiterhin umfasst das Gehäuse einen an dem Basisabschnitt vorgesehenen Befestigungsabschnitt, mit dessen Hilfe das Gehäuse mit einem Partikelaustragsstutzen der Filteranordnung verbindbar ist. Beispielsweise kann der Befestigungsabschnitt auf dem Partikelaustragsstutzen aufgeschnappt oder aufgeclipst sein.
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Unter einer „aktiv“ angesteuerten oder angetriebenen Ventilklappe ist eine Ventilklappe zu verstehen, die mit Hilfe einer extern aufgebrachten Kraft oder eines extern aufgebrachten Drehmoments von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand und umgekehrt verbracht werden kann. Hierzu ist einer derartigen aktiv angesteuerten Ventilklappe bevorzugt ein Stellelement zugeordnet. Das Stellelement kann beispielsweise ein Elektromotor, insbesondere ein Servomotor, Piezoelement, eine Unterdruckdose oder ein manuell zu betätigender Hebel sein. Die Begriffe „angesteuert“ und „angetrieben“ können dabei analog verwendet werden.
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Im Gegensatz hierzu ist einer „passiv“ angesteuerten oder angetriebenen Ventilklappe kein derartiges Stellelement zugeordnet. Insbesondere wird eine derartige Ventilklappe bevorzugt auch nicht mit Hilfe einer extern aufgebrachten Kraft oder eines extern aufgebrachten Drehmoments von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand oder umgekehrt verbracht. Passiv kann die Ventilklappe beispielsweise durch Unterdruck oder durch eine Gewichtskraft von auf der Ventilklappe abgelagerten Partikeln angesteuert oder angetrieben werden.
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Aufgrund des Verzichts auf ein wie zuvor erwähntes Lippenventil kann die Lebensdauer der Partikelaustragsvorrichtung signifikant erhöht werden. Dies begründet sich darin, dass auf elastisch verformbare Teile, wie eben beispielsweise ein Lippenventil, verzichtet wird. Somit ist eine Materialermüdung bei der Partikelaustragsvorrichtung ausgeschlossen. Ferner kann die Partikelaustragsvorrichtung im Gegensatz zu einem Lippenventil auch bei Brennkraftmaschinen mit doppelter Turboaufladung ohne negative Beeinträchtigung der Funktion der Partikelaustragsvorrichtung eingesetzt werden.
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In Ausführungsformen sind die Ventilklappen so angesteuert, dass im Betrieb der Partikelaustragsvorrichtung stets eine der beiden Ventilklappen geschlossen ist. D.h., entweder ist die erste Ventilklappe geschlossen und die zweite Ventilklappe geöffnet oder die erste Ventilklappe ist geöffnet und die zweite Ventilklappe geschlossen. Dadurch, dass stets eine der Ventilklappen geschlossen ist, kann ein Druckverlust verhindert werden.
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In Ausführungsformen weist die erste Ventileinrichtung eine erste Ventilklappe, die aktiv angesteuert ist, auf, und die zweite Ventileinrichtung weist eine zweite Ventilklappe, die passiv angesteuert ist, auf. Umgekehrt kann auch die erste Ventilklappe passiv angesteuert und die zweite Ventilklappe aktiv angesteuert sein. Vorzugsweise ist in der Schwerkraftrichtung betrachtet jedoch die aktiv angesteuerte Ventilklappe oberhalb der passiv angesteuerten Ventilklappe angeordnet.
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In Ausführungsformen weist die erste Ventileinrichtung ein Stellelement zum aktiven Ansteuern der ersten Ventilklappe auf. Vorzugsweise ist das Stellelement mit Hilfe einer ersten Drehachse mit der ersten Ventilklappe gekoppelt. Das Stellelement kann ein Drehmoment auf die erste Drehachse aufbringen. Das Stellelement kann, wie zuvor erwähnt, beispielsweise ein Elektromotor, insbesondere ein Servomotor, ein Piezoelement oder dergleichen sein. Das Stellelement kann auch ein manuell zu betätigender Hebel sein. Beispielsweise wird das Stellelement zeitabhängig angesteuert, um die erste Ventilklappe in vorbestimmten Zeitabständen zu öffnen und zu schließen. Alternativ kann in dem Gehäuse auch ein Sensor vorgesehen sein, der die Partikelbeladung der Partikelaustragsvorrichtung erfasst und entsprechend je nach Erfordernis die erste Ventilklappe öffnet.
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In Ausführungsformen öffnet sich die zweite Ventilklappe mit Hilfe eines Eigengewichts von auf der zweiten Ventilklappe abgelagerten Partikeln selbsttätig, wobei sich die zweite Ventilklappe mit Hilfe eines Unterdrucks, insbesondere mit Hilfe eines Unterdrucks von 5 mbar bis 20 mbar, selbsttätig schließt. Der Unterdruck kann beispielsweise mit Hilfe einer an die Filteranordnung angeschlossenen Brennkraftmaschine erzeugt werden. Alternativ zu dem Stellelement kann die erste Ventilklappe auch mit Hilfe eines pulsierenden Betriebs der Brennkraftmaschine angesteuert werden. In diesem Fall wirkt die Brennkraftmaschine selbst als Stellelement. Im Betrieb der Partikelaustragsvorrichtung sammeln sich die Partikel zunächst auf der sich in einem geschlossenen Zustand befindenden ersten Ventilklappe. Wenn die Menge der auf der ersten Ventilklappe abgelagerten Partikel so groß ist, dass diese aus der Partikelaustragsvorrichtung ausgeschleust werden müssen, öffnet sich die erste Ventilklappe mit Hilfe des Stellelements. Zum Ansteuern des Stellelements kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein. Die Steuereinrichtung kann das Stellelement beispielsweise zeitgesteuert ansteuern oder dann, wenn eine ausreichende Menge Partikel auf der ersten Ventilklappe abgelagert ist. Sobald das Stellelement die erste Ventilklappe öffnet, schließt sich die zweite Ventilklappe aufgrund des von der Brennkraftmaschine erzeugten Unterdrucks. Die Partikel gleiten nun von der geöffneten ersten Ventilklappe auf die geschlossene zweite Ventilklappe und sammeln sich dort. Anschließend wird die erste Ventilklappe wieder geschlossen, wodurch der Unterdruck an der zweiten Ventilklappe abfällt und das Eigengewicht der auf der zweiten Ventilklappe abgelagerten Partikel diese von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand verbringt. Die Partikel gleiten nun von der zweiten Ventilklappe aus dem Gehäuse der Partikelaustragsvorrichtung heraus. Auf der geschlossenen ersten Ventilklappe können sich nun erneut Partikel ansammeln.
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In Ausführungsformen ist eine erste Drehachse der ersten Ventilklappe senkrecht zu einer Symmetrieachse des Gehäuses angeordnet und schneidet diese. Die erste Drehachse ist vorzugsweise in dem Gehäuse drehbar gelagert. Die Symmetrieachse verläuft somit durch die erste Drehachse hindurch.
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In Ausführungsformen ist eine zweite Drehachse der zweiten Ventilklappe senkrecht zu der Symmetrieachse und beabstandet von dieser angeordnet. D.h., die zweite Drehachse ist bezüglich der Symmetrieachse außermittig oder exzentrisch positioniert. Hierdurch ist es möglich, dass sich die zweite Ventilklappe bei einer Belastung derselben mit den Partikeln selbsttätig aufgrund des Eigengewichts der Partikel öffnet. Die zweite Drehachse ist vorzugsweise in dem Gehäuse drehbar gelagert.
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In Ausführungsformen sind die erste Drehachse und die zweite Drehachse parallel zueinander und sowohl in der Längsrichtung als auch in einer Radialrichtung des Gehäuses voneinander beabstandet angeordnet. Die Radialrichtung ist dabei weg von der Symmetrieachse des Gehäuses hin zu einer Innenseite des Gehäuses orientiert. Die Radialrichtung ist senkrecht zu der Symmetrieachse orientiert. Alternativ zu der parallelen Anordnung der Drehachsen können diese auch schräg oder senkrecht zueinander positioniert sein.
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In Ausführungsformen weisen die Ventilklappen jeweils eine kreisrunde Geometrie auf. Die Ventilklappen können jedoch eine beliebige andere Geometrie, beispielsweise eine ovale, viereckige oder sechseckige Geometrie aufweisen. Es kann auch eine Ventilklappe kreisrund sein, und die andere Ventilklappe kann eine beliebige andere Geometrie aufweisen. Dementsprechend kann auch das Gehäuse eine beliebige Geometrie aufweisen.
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Das Filtergehäuse umfasst vorzugsweise einen Filtergehäusetopf und einen Filtergehäusedeckel, der lösbar an dem Filtergehäusetopf befestigt ist. Das Filterelement kann durch ein Abnehmen des Filtergehäusedeckels von dem Filtergehäusetopf ausgetauscht werden. Der Filtergehäusetopf umfasst einen Einströmstutzen für zu reinigende Rohluft und einen Ausströmstutzen für gereinigte Reinluft. An dem Filtergehäusedeckel ist vorzugsweise der Partikelaustragsstutzen vorgesehen. Das Filterelement ist insbesondere dazu eingerichtet, Fluide, wie beispielsweise Luft oder andere Gase, Flüssigkeiten, insbesondere flüssige Betriebsmittel eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wie Öl, Wasser, Benzin, Kerosin oder Harnstofflösung, zu filtern. Insbesondere ist das Filterelement ein Luftfilterelement. Das Filterelement kann Anwendung finden in Kraftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, landwirtschaftlichen Fahrzeugen, Baumaschinen, Luftfahrzeugen oder dergleichen. Ferner kann das Filterelement bei immobilen Anwendungen, wie beispielsweise in der Gebäudetechnik, eingesetzt werden.
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Figurenliste
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Es zeigt dabei:
- 1 eine schematische Aufsicht einer Ausführungsform einer Filteranordnung;
- 2 eine schematische Seitenansicht der Filteranordnung gemäß 1;
- 3 eine schematische Schnittansicht der Filteranordnung gemäß der Schnittlinie III-III der 2;
- 4 eine schematische Schnittansicht der Filteranordnung gemäß der Schnittlinie IV-IV der 2;
- 5 eine weitere schematische Schnittansicht der Filteranordnung gemäß der Schnittlinie IV-IV der 2; und
- 6 eine weitere schematische Schnittansicht der Filteranordnung gemäß der Schnittlinie IV-IV der 2.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Aufsicht einer Ausführungsform einer Filteranordnung 1. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht der Filteranordnung 1, und 3 zeigt eine schematische Schnittansicht der Filteranordnung 1 gemäß der Schnittlinie III-III der 2. Nachfolgend wird auf 1 bis 3 gleichzeitig Bezug genommen.
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Die Filteranordnung 1 kann geeignet sein, Wasser, Harnstofflösung, Luft, Öl oder Kraftstoffe, wie Dieselkraftstoff, Kerosin oder Benzin, zu filtern. Insbesondere findet die Filteranordnung 1 in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Baufahrzeugen oder landwirtschaftlichen Maschinen, in Wasserfahrzeugen, Schienenfahrzeugen oder in Luftfahrzeugen Anwendung. Weiterhin kann die Filteranordnung 1 beispielsweise in der Gebäudetechnik Anwendung finden. Bevorzugt ist die Filteranordnung 1 für einen Einsatz unter hoher Staubbelastung oder hoher Partikelbelastung geeignet.
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Die Filteranordnung 1 ist insbesondere eine Luftfilteranordnung und dazu geeignet, Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine zu filtern. Insbesondere ist die Filteranordnung 1 eine zweistufige Rundluftfilteranordnung mit rotativer Partikelvorabscheidung. Die Filteranordnung 1 umfasst ein Filtergehäuse 2 mit einem Filtergehäusetopf 3 und einem Filtergehäusedeckel 4. Der Filtergehäusetopf 3 und Filtergehäusedeckel 4 können beispielsweise als Kunststoffbauteile, insbesondere als Kunststoffspritzgussbauteile, ausgeführt sein.
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Der Filtergehäusedeckel 4 ist dabei von dem Filtergehäusetopf 3 abnehmbar und mit Hilfe mehrerer Schnellverschlüsse 5, von denen in 1 und 2 nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist, lösbar mit dem Filtergehäusetopf 3 verbunden. Der Filtergehäusetopf 3 kann fest an einem Fahrzeug, beispielsweise an einer tragenden Karosseriestruktur, befestigt sein. Hierzu weist der Filtergehäusetopf 3 zwei angeformte Befestigungsabschnitte 6, 7 auf. Der Filtergehäusetopf 3 ist rohrförmig ausgebildet und im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Mittel- oder Symmetrieachse M1 ausgebildet.
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Außenseitig an dem Filtergehäusetopf 3 ist ein Einströmstutzen 8 vorgesehen. Der Einströmstutzen 8 kann einteilig mit dem Filtergehäusetopf 3 verbunden sein. Alternativ können der Filtergehäusetopf 3 und Einströmstutzen 8 auch zwei voneinander getrennte Bauteile bilden, die fest miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verschnappt, verschraubt, verklebt oder verschweißt, sind. Der Einströmstutzen 8 ist rohrförmig und kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Alternativ kann der Einströmstutzen 8 jedoch auch jeden anderen beliebigen Querschnitt, beispielsweise einen ovalen oder rechteckigen Querschnitt, aufweisen.
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Weiterhin umfasst der Filtergehäusetopf 3 einen Ausströmstutzen 9, der rohrförmig ausgebildet und rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse M1 aufgebaut ist. Der Einströmstutzen 8 und der Ausströmstutzen 9 sind senkrecht zueinander positioniert. Der Einströmstutzen 8 ist bezüglich der Symmetrieachse M1 seitlich versetzt angeordnet. D.h., eine Mittel- oder Symmetrieachse M2 des Einströmstutzens 8 ist senkrecht zu der Symmetrieachse M1 und in der Orientierung der 1 bezüglich dieser nach unten versetzt. Wie 3 zeigt, umfasst der Einströmstutzen 8 einen in den Filtergehäusetopf 3 hineinragenden Leitabschnitt 10. Eine Schwerkraftrichtung ist in 1 bis 3 mit dem Bezugszeichen g bezeichnet.
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Nun zurückkehrend zu dem Filtergehäusedeckel 4 umfasst dieser einen Partikelaustragsstutzen 11, mit dessen Hilfe in dem Filtergehäuse 2 angesammelte Partikel ausgetragen werden können. Die Partikel können beispielsweise Sand, Erdboden, Staub, Pflanzenteile oder dergleichen umfassen. Der Partikelaustragstutzen 11 ist rohrförmig ausgebildet und vorzugsweise so angeordnet, dass dieser in der Schwerkraftrichtung g verläuft. Die Schwerkraftrichtung g ist in 2 und 3 von oben nach unten orientiert. An dem Partikelaustragsstutzen 11 ist eine noch später zu erläuternde Partikelaustragsvorrichtung 12 befestigt. Die Partikelaustragsvorrichtung 12 kann auch als Partikelaustragsventil oder Staubaustragsventil bezeichnet werden.
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In dem Filtergehäuse 2 aufgenommen ist ein auswechselbares Filterelement 13. Das Filterelement 13 ist insbesondere ein Luftfilterelement und dazu geeignet, Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine zu filtern. Das Filterelement 13 ist insbesondere ein sogenanntes Rundfilterelement. Das Filterelement ist zylinderförmig aufgebaut und weist im Querschnitt eine ringförmige Geometrie (3) auf. Das Filterelement 13 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse M1 aufgebaut.
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Das Filterelement 13 umfasst eine nicht gezeigt erste Endscheibe und eine nicht gezeigte zweite Endscheibe, zwischen denen ein flächiges Filtermedium 14 vorgesehen ist. Das Filtermedium 14 kann ein Filterkörper aus flächigem und zickzackförmig gefaltetem Filtermaterial sein. Das zickzackförmige Filtermaterial bildet das Filtermedium 14 als sternförmigen Endlosfaltenbalg aus, der im Wesentlichen eine Zylinderfläche bildet. Das Filtermedium 14 ist beispielsweise ein Filtergewebe, Filtergelege oder Filtervlies. Insbesondere kann das Filtermedium 14 in einem Spinnvlies- oder Meltblown-Verfahren hergestellt sein. Weiter kann das Filtermedium 14 verfilzt oder vernadelt sein. Das Filtermedium 14 kann Naturfasern, wie Zellulose oder Baumwolle, oder Kunstfasern, beispielsweise aus Polyester, Polyvinylsulfid oder Polytetrafluorethylen, aufweisen. Fasern des Filtermediums 14 können bei der Verarbeitung in, schräg und/oder quer zu einer Maschinenrichtung orientiert sein.
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Das Filtermedium 14 kann ferner von innen von einem fluiddurchlässigen Stützrohr 15 gestützt sein. Das Stützrohr 15 kann rohrförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Stützrohr 15 gitterförmig. Das Stützrohr 15 kann ein Kollabieren des Filtermediums 14 verhindern. Das Stützrohr 15 kann auch als Stützstruktur, Mittelrohr oder Wickelkern ausgebildet sein oder bezeichnet werden. Das Filtermedium 14 kann alternativ keine zickzackförmige Faltung aufweisen, sondern flach oder eben sein und auf das Stützrohr 15 aufgewickelt sein.
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Das Filtermedium 14 ist fluiddicht mit den Endscheiben verbunden. Die Endscheiben können beispielsweise aus einem Polyurethanwerkstoff gefertigt sein und an das Filtermedium 14 angegossen sein. Alternativ können die Endscheiben auch als Kunststoffspritzgussbauteile ausgebildet sein, die mit dem Filtermedium 14 verklebt oder verschmolzen sind.
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Das Stützrohr 15 umgibt einen Innenraum 16 des Filterelements 13, ist dabei, wie zuvor erwähnt, jedoch nicht fluiddicht. Das Filterelement 13 umfasst eine Rohseite RO. Zu filterndes Fluid, beispielsweise partikelbeladene Rohluft, ist der Rohseite RO zugeordnet. Der Innenraum 16 definiert eine Reinseite RL des Filterelements 13. Der Reinseite RL ist gefiltertes Fluid, beispielsweise partikelfreie Reinluft, zugeordnet. Eine Durchströmungsrichtung des Filterelements 13 ist in 3 mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet. Die Durchströmungsrichtung 17 ist von der Rohseite RO in Richtung der Reinseite RL orientiert. Dementsprechend ist der Einströmstutzen 8 der Rohseite RO und der Ausströmstutzen 9 der Reinseite RL zugeordnet.
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Im Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer derartigen Filteranordnung 1 kann der Ausströmstutzen 9 an einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeschlossen sein. Die Brennkraftmaschine saugt nun über den Einströmstutzen 8 mit Partikeln beladene Rohluft an. Die zu reinigende Rohluft wird in der Orientierung der 3 entgegen dem Uhrzeigersinn innenseitig an dem Filtergehäusetopf 3 entlanggeführt, so dass aufgrund der wirkenden Zentrifugalkräfte Partikel innenseitig an den Filtergehäusetopf 3 gedrückt und so aus der Rohluft abgeschieden werden. Eine Strömungsrichtung der Rohluft ist in 3 mit dem Bezugszeichen 18 versehen.
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Insofern erfolgt eine Vorabscheidung der Partikel in der Art eines Fliehkraftabscheiders, wobei sich die abgeschiedenen Partikel in der Orientierung der 3 in einem unteren Bereich des Filtergehäusetopfs 3 sammeln. Diese Art der Partikelabscheidung kann rotative Abscheidung oder Fliehkraftabscheidung genannt werden. Um die gesammelten Partikel aus dem Filtergehäuse 2 zu entnehmen oder auszutragen, ist der Partikelaustragsstutzen 11 vorgesehen. Mit Hilfe dieser Vorabscheidung können mehr als 80% der in der Rohluft enthaltenen Partikel aus derselben abgeschieden werden. D.h., es kann eine Vorabscheidungseffizienz (Engl.: Pre Separation Efficiency) von mehr als 80% erzielt werden. Die so von Partikeln vorgereinigte Rohluft strömt in der Durchströmungsrichtung 17 von der Rohseite RO des Filterelements 13 auf die Reinseite RL desselben. Hierbei werden mit Hilfe des Filtermediums 14 die restlichen verbleibenden Partikel abgeschieden. Die gereinigte Rohluft strömt über den Ausströmstutzen 9 zu der Brennkraftmaschine.
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Nun zurückkehrend zu der in 4 bis 6 jeweils in einer schematischen Schnittansicht gezeigten Partikelaustragsvorrichtung 12. Die Partikelaustragsvorrichtung 12 ist für eine wie zuvor erläuterte Filteranordnung 1 geeignet. Darüber hinaus ist die Partikelaustragsvorrichtung 12 für einen wie einleitend erläuterten Zyklonabscheider geeignet.
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Die Partikelaustragsvorrichtung 12 umfasst ein Gehäuse 19, das rohrförmig ausgebildet ist. Das Gehäuse 19 ist bevorzugt rotationssymmetrisch zu einer Mittel- oder Symmetrieachse M3 ausgebildet. Die Symmetrieachse M3 kann gleichzeitig eine Symmetrieachse des Partikelaustragsstutzens 11 sein. Die Symmetrieachse M3 ist senkrecht zu der Symmetrieachse M1 orientiert und kann diese schneiden. Das Gehäuse 19 ist vorzugsweise einteilig ausgebildet und aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Beispielsweise kann das Gehäuse 19 ein Kunststoffspritzgussbauteil sein. Das Gehäuse 19 umfasst einen rohrförmigen Basisabschnitt 20, aus dem sich in den Orientierungen der 4 bis 6 oberseitig ein Befestigungsabschnitt 21 heraus erstreckt. Der Befestigungsabschnitt 21 kann einen kleineren Außendurchmesser aufweisen als der Basisabschnitt 20.
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Der Befestigungsabschnitt 21 kann formschlüssig mit dem Partikelaustragsstutzen 11 verbunden sein. Eine formschlüssige Verbindung entsteht durch das Ineinander- oder Hintergreifen von mindestens zwei Verbindungspartnern, in diesem Fall dem Befestigungsabschnitt 21 und dem Partikelaustragsstutzen 11. Beispielsweise ist an dem Partikelaustragsstutzen 11 ein umlaufender Wulst 22 vorgesehen, der in eine korrespondierende, um den Befestigungsabschnitt 21 umlaufende Nut 23 formschlüssig eingreift. Somit kann das Gehäuse 19 der Partikelaustragsvorrichtung 12 auf den Partikelaustragsstutzen 11 aufgeclipst oder aufgeschnappt sein. Damit sich der Befestigungsabschnitt 21 bei einem Aufschieben auf den Partikelaustragsstutzen 11 radial aufweiten kann, kann dieser, wie in 2 gezeigt, mit einer beliebigen Anzahl an Schlitzen 24 versehen sein. Beispielsweise sind sechs derartige Schlitze 24 vorgesehen, die gleichmäßig über einen Umfang des Befestigungsabschnitts 21 verteilt angeordnet sind. Die Schlitze 24 unterteilen den Befestigungsabschnitt 21 in eine Vielzahl federelastisch verformbarer Abschnitte oder Zungen.
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Das Gehäuse 19 umfasst eine Längsrichtung L, die parallel zu der Symmetrieachse M3 orientiert ist oder mit dieser übereinstimmt. Die Längsrichtung L kann identisch mit der Schwerkraftrichtung g sein. Umgekehrt kann die Längsrichtung L auch entgegengesetzt zu der Schwerkraftrichtung g orientiert sein. Die Längsrichtung L ist in der Orientierung der 4 bis 6 von oben nach unten orientiert. Die Längsrichtung L kann auch als Partikelaustragsrichtung bezeichnet werden. Weiterhin ist dem Gehäuse auch eine Radialrichtung R zugeordnet. Die Radialrichtung R ist von der Symmetrieachse M3 weg in Richtung einer Innenseite des Gehäuses 19 orientiert. Die Radialrichtung R ist senkrecht zu der Symmetrieachse M3 positioniert.
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In dem Gehäuse 19 sind zwei Ventilsitze 25, 26, insbesondere ein erster Ventilsitz 25 und ein zweiter Ventilsitz 26, vorgesehen. Die Ventilsitze 25, 26 sind einteilig an das Gehäuse 19 angeformt. Weiterhin umfasst die Partikelaustragsvorrichtung 12 zwei Ventileinrichtungen 27, 28, insbesondere eine erste Ventileinrichtung 27 und eine zweite Ventileinrichtung 28. Dabei ist der ersten Ventileinrichtung 27 der erste Ventilsitz 25 zugeordnet und der zweiten Ventileinrichtung 28 der zweite Ventilsitz 26 zugeordnet.
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Die erste Ventileinrichtung 27 umfasst neben dem ersten Ventilsitz 25 eine erste Ventilklappe 29. Die erste Ventilklappe 29 kann in der Aufsicht kreisrund sein. Die erste Ventilklappe 29 kann jedoch auch jede beliebige andere Geometrie aufweisen. Der ersten Ventilklappe 29 ist eine erste Drehachse 30 zugeordnet, um die die erste Ventilklappe 29 verkippt werden kann, um die erste Ventileinrichtung 27 zu öffnen und zu schließen. Somit kann die erste Ventileinrichtung 27 mit Hilfe eines Verkippens oder Verdrehens der ersten Ventilklappe 29 um die erste Drehachse 30 von einem geschlossenen Zustand Z1 (4 und 6) in einen geöffneten Zustand Z2 (5) und umgekehrt verbracht werden. In dem geschlossenen Zustand Z1 liegt die erste Ventilklappe 29 an dem ersten Ventilsitz 25 an, und in dem geöffneten Zustand Z2 ist die erste Ventilklappe 29 von dem ersten Ventilsitz 25 abgehoben. Die erste Drehachse 30 ist in dem Gehäuse 19 drehbar gelagert.
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Die erste Ventileinrichtung 27 bzw. erste Ventilklappe 29 ist aktiv angesteuert oder aktiv angetrieben. „Aktiv“ heißt hierbei, dass auf die erste Ventilklappe 29 eine externe Kraft bzw. auf die erste Drehachse 30 ein externes Drehmoment aufgebracht wird, um die erste Ventileinrichtung 27 von dem geschlossenen Zustand Z1 in den geöffneten Zustand Z2 und umgekehrt zu verbringen. Die Begriffe „angesteuert“ und „angetrieben“ können dabei analog verwendet werden.
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Zum aktiven Ansteuern der ersten Ventileinrichtung 27 bzw. der ersten Ventilklappe 29 ist ein der ersten Ventileinrichtung 27 zugeordnetes Stellelement 31 vorgesehen. Das Stellelement 31 ist mit der ersten Drehachse 30 gekoppelt und kann auf diese ein Drehmoment aufbringen, um die erste Ventilklappe 29 zu verkippen oder verdrehen. Das Stellelement 31 kann beispielsweise ein Elektromotor, insbesondere ein Servomotor, ein Piezoelement, eine Unterdruckdose oder dergleichen sein. Das Stellelement 31 kann auch ein manuell zu bedienender Hebel sein. Das Stellelement 31 kann auch als Aktor oder Aktuator bezeichnet werden.
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Die zweite Ventileinrichtung 28 umfasst neben dem zweiten Ventilsitz 26 eine zweite Ventilklappe 32, die um eine zweite Drehachse 33 verschwenkbar ist. Die zweite Drehachse 33 ist ebenfalls drehbar in dem Gehäuse 19 gelagert. Somit kann die zweite Ventileinrichtung 28 mit Hilfe eines Verkippens oder Verdrehens der zweiten Ventilklappe 32 um die zweite Drehachse 33 von einem geschlossenen Zustand Z10 (5) in einen geöffneten Zustand Z20 (4 und 6) und umgekehrt verbracht werden. In dem geschlossenen Zustand Z10 liegt die zweite Ventilklappe 32 an dem zweiten Ventilsitz 26 an, und in dem geöffneten Zustand Z20 ist die zweite Ventilklappe 32 von dem zweiten Ventilsitz 26 abgehoben.
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Die zweite Ventileinrichtung 28 bzw. die zweite Ventilklappe 32 ist passiv angesteuert oder passiv angetrieben. „Passiv“ heißt hierbei insbesondere, dass zum Verbringen der zweiten Ventileinrichtung 28 bzw. der zweiten Ventilklappe 32 von dem geschlossenen Zustand Z10 in den geöffneten Zustand Z20 und umgekehrt auf die zweite Drehachse 33 kein externes Drehmoment aufgebracht wird. Dementsprechend weist die zweite Ventileinrichtung 28 auch kein wie zuvor erläutertes Stellelement 31 auf. D.h., die zweite Ventilklappe 32 ist nicht mit Hilfe eines wie zuvor erläuterten Stellelements 31 angesteuert oder angetrieben.
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Die zweite Ventilklappe 32 ist insbesondere mit Hilfe eines Eigengewichts G von auf der zweiten Ventilklappe 32 abgelagerten Partikeln P offenbar und mit Hilfe eines von der Brennkraftmaschine erzeugten Unterdrucks wieder schließbar. D.h., die zweite Ventileinrichtung 28 bzw. zweite Ventilklappe 32 wird mit Hilfe des Eigengewichts G der Partikel von dem geschlossenen Zustand Z10 in den geöffneten Zustand Z20 verbracht. Von dem geöffneten Zustand Z20 wird die zweite Ventileinrichtung 28 bzw. zweite Ventilklappe 32 mit Hilfe des von der Brennkraftmaschine erzeugten Unterdrucks wieder in den geschlossenen Zustand Z10 verbracht.
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In der Längsrichtung L betrachtet ist die zweite Ventileinrichtung 28 linear beabstandet von der ersten Ventileinrichtung 27 angeordnet. Insbesondere ist in der Orientierung der 4 bis 6 bzw. in der Schwerkraftrichtung g die zweite Ventileinrichtung 28 unterhalb der ersten Ventileinrichtung 27 positioniert. Die erste Drehachse 30 ist senkrecht zu der Symmetrieachse M3 angeordnet und schneidet diese. Die zweite Drehachse 33 ist ebenfalls senkrecht zu der Symmetrieachse M3, jedoch beabstandet von dieser angeordnet. D.h., die zweite Drehachse 33 ist außermittig oder exzentrisch in dem Gehäuse 19 positioniert. Die erste Drehachse 30 und die zweite Drehachse 33 verlaufen parallel zueinander. Die Drehachsen 30, 33 sind jedoch sowohl in der Längsrichtung L als auch in der Radialrichtung R des Gehäuses 19 voneinander beabstandet positioniert.
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Die Funktionalität der Partikelaustragsvorrichtung 12 wird nachfolgend anhand 4 bis 6 erläutert. 4 zeigt die Partikelaustragsvorrichtung 12 während sich die Brennkraftmaschine in einem normalen Betriebszustand befindet. Der Partikelaustragsvorrichtung 12 werden über den Partikelaustragsstutzen 11 Partikel P zugeführt, die sich in dem Gehäuse 19 oberhalb der geschlossenen ersten Ventilklappe 29 ansammeln. Die zweite Ventilklappe 32 ist in diesem Betriebszustand geöffnet. Da die erste Ventilklappe 29 geschlossen ist, liegt an der zweiten Ventilklappe 32 kein Unterdruck an, so dass diese geöffnet bleibt, solange die erste Ventilklappe 29 geschlossen ist.
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5 zeigt die Partikelaustragsvorrichtung 12 in einem Betriebszustand, in dem die erste Ventilklappe 29 mit Hilfe des Stellelements 31 derart angesteuert wird, dass die erste Ventileinrichtung 27 bzw. die erste Ventilklappe 29 von dem geschlossenen Zustand Z1 in den geöffneten Zustand Z2 verbracht wird. Gleichzeitig mit dem Öffnen der ersten Ventilklappe 29 schließt sich die zweite Ventilklappe 32 aufgrund des von der Brennkraftmaschine erzeugten Unterdrucks. D.h., die zweite Ventileinrichtung 28 bzw. zweite Ventilkappe 32 wird von dem geöffneten Zustand Z20 in den geschlossenen Zustand Z10 verbracht. Beispielsweise schließt sich die zweite Ventilklappe 32 bei einem Unterdruck von 5 mbar bis 20 mbar.
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Die Partikel P fallen dann aufgrund der Schwerkraft nach unten auf die geschlossene zweite Ventilklappe 32. Alternativ zu der Ansteuerung durch das Stellelement 31 kann das Öffnen der ersten Ventilklappe 29 auch durch einen pulsierenden Betrieb der Brennkraftmaschine, d.h. durch einen Druckstoß, erfolgen. In diesem Fall wirkt die Brennkraftmaschine selbst als Stellelement 31. Das Verbringen der ersten Ventileinrichtung 27 bzw. der ersten Ventilklappe 29 von dem geschlossenen Zustand Z1 in den geöffneten Zustand Z2 kann beispielsweise zeitgesteuert erfolgen, oder es kann ein Sensor vorgesehen sein, der einen Füllstand der Partikel P in dem Gehäuse 19 erfassen kann. In diesem Fall kann die Ansteuerung der ersten Ventileinrichtung 27 dann füllstandsabhängig erfolgen.
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Anschließend (6) wird die erste Ventileinrichtung 27 bzw. die erste Ventilklappe 29 mit Hilfe des Stellelements 31 wieder von dem geöffneten Zustand Z2 in den geschlossenen Zustand Z1 verbracht ist. Sobald die erste Ventilklappe 29 geschlossen ist, fällt der Unterdruck an der zweiten Ventilklappe 32 weg, und die zweite Ventileinrichtung 28 bzw. zweite Ventilklappe 32 werden allein durch das Eigengewicht G der auf der zweiten Ventilklappe 32 abgelagerten Partikel P von dem geschlossenen Zustand Z10 in den geöffneten Zustand Z20 verbracht, und die Partikel P fallen aus dem Gehäuse 19 heraus.
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Dadurch, dass im Betrieb der Partikelaustragsvorrichtung 12 stets eine der beiden Ventilklappen 29, 32 geschlossen ist, kann ein Druckverlust verhindert werden. Da auf elastisch verformbare Teile, wie beispielsweise ein Lippenventil, verzichtet wird, ist eine Materialermüdung bei der Partikelaustragsvorrichtung 12 ausgeschlossen. Dies erhöht die Lebensdauer und Betriebszuverlässigkeit der Partikelaustragsvorrichtung 12.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Filteranordnung
- 2
- Filtergehäuse
- 3
- Filtergehäusetopf
- 4
- Filtergehäusedeckel
- 5
- Schnellverschluss
- 6
- Befestigungsabschnitt
- 7
- Befestigungsabschnitt
- 8
- Einströmstutzen
- 9
- Ausströmstutzen
- 10
- Leitabschnitt
- 11
- Partikelaustragsstutzen
- 12
- Partikelaustragsvorrichtung
- 13
- Filterelement
- 14
- Filtermedium
- 15
- Stützrohr
- 16
- Innenraum
- 17
- Durchströmungsrichtung
- 18
- Strömungsrichtung
- 19
- Gehäuse
- 20
- Basisabschnitt
- 21
- Befestigungsabschnitt
- 22
- Wulst
- 23
- Nut
- 24
- Schlitz
- 25
- Ventilsitz
- 26
- Ventilsitz
- 27
- Ventileinrichtung
- 28
- Ventileinrichtung
- 29
- Ventilklappe
- 30
- Drehachse
- 31
- Stellelement
- 32
- Ventilklappe
- 33
- Drehachse
- g
- Schwerkraftrichtung
- G
- Eigengewicht
- L
- Längsrichtung
- M1
- Symmetrieachse
- M2
- Symmetrieachse
- M3
- Symmetrieachse
- P
- Partikel
- R
- Radialrichtung
- RL
- Reinseite
- RO
- Rohseite
- Z1
- Zustand
- Z2
- Zustand
- Z10
- Zustand
- Z20
- Zustand
