DE19943467B4

DE19943467B4 - Filter mit ebenem Filtereinsatz

Info

Publication number: DE19943467B4
Application number: DE19943467A
Authority: DE
Inventors: Dieter Wehr
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2019-09-11
Also published as: JP4499263B2; US6409784B1; DE19943467A1; JP2001115909A

Abstract

Filter mit ebenem Filtereinsatz (12), insbesondere Luftfilter für die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, wobei der Filter ein Gehäuse (10) mit einem Deckel (11) aufweist, in welches der Filtereinsatz (12) eine Rohseite (13) von einer Reinseite (14) dichtend voneinander trennend eingebaut ist,
– wobei die Rohseite mindestens einen Einlaß (15) und die Reinseite einen Auslaß (18) aufweist und
– wobei ein Einlaßquerschnitt (23) des Einlasses (15) zumindest im wesentlichen senkrecht zur ebenen Fläche des Filtereinsatzes (12) ausgerichtet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Einlasses (15) eine Vorrichtung zur Umlenkung des eintretenden, zu filternden Fluides
– in Richtung der Normalen des Filtereinsatzes (12) und
– auf die rohseitige Fläche des Filtereinsatzes (12) im Bereich des Einlasses (15) zu
vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Filter mit ebenem Filtereinsatz, insbesondere einen Luftfilter für die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, nach der Gattung des Patentanspruches 1.

Derartige Filter sind z. B. aus der DE 197 37 545 A1 bekannt. Dieses Dokument zeigt einen Luftfilter, der ein im wesentlichen quaderförmig aufgebautes Luftfiltergehäuse aufweist. In dieses Gehäuse ist diagonal ein Flachfiltereinsatz eingebaut, wodurch sich ausgehend von einem Einlaß ein keilförmiger Anströmraum für den Filtereinsatz ergibt. Dieser rohseitige Einströmraum trägt dem Umstand Rechnung, daß der rohseitige Volumenstrom sich entlang des Filtereinsatzes verkleinert, da dieses von Teilen des Volumenstroms durchströmt wird. Damit läßt sich bei optimaler Platzausnutzung die Strömung am Filtereinsatz vergleichmäßigen.

Die DE 298 15 861 U1 zeigt einen Luftfilter mit einem flachen, zickzackförmig gefalteten Luftfilterelement, welches zwischen einem Einlaß und einem Auslaß angeordnet ist. Ausgehend vom Einlaß weist das Gehäuse eine keilförmige Anströmform für den Filtereinsatz auf. Des weiteren ist der Abströmraum auf der Reinseite des Filterelementes gegensinnig keilförmig aufgebaut, d. h. daß sich das Volumen über dem Luftfilterelement in Richtung des Auslasses stetig vergrößert.

Untersuchungen an Luftfiltern mit keilförmigem Anströmraum haben jedoch gezeigt, daß der beschriebene Vergleichsmäßigungseffekt nur begrenzt ist. Dies liegt daran, daß die Strömung vom Einlaß ausgehend zunächst zur rohseitigen Fläche umgeleitet werden muß, damit sie das Filtermedium durchströmen kann. Diese Umleitung erfolgt nicht direkt hinter dem Einlaß, so daß das Filterelement am Ende des keilförmigen Anströmraums stärker mit dem zu filternden Fluid beaufschlagt wird, als in dem an den Einlaß angrenzenden Bereich. Durch diese ungleichmäßige Anströmung treten weiterhin Verwirblungen auf, die dazu führen, daß die Druckdifferenz zwischen Rohseite und Reinseite des Filterelementes in bestimmten Bereichen stark abfällt. Dies kann soweit führen, daß sich die am Filterelement anliegende Druckdifferenz lokal umkehrt, so daß dort eine Strömung von der Reinseite in die Rohseite auftritt.

Ein Beispiel für die Strömungsverteilung im keilförmigen Anströmraum einer Flachfilterpatrone ist der 2 zu entnehmen. Die Strömung ausgehend von einem Einlaß ist durch einen Pfeil gekennzeichnet, der in ein Gebiet hohen Druckes am Ende des keilförmigen Anströmraums führt. Die hierdurch entstehenden Verwirblungen aufgrund des dort herrschenden Überdrucks führen zu weiteren Druckspitzen am Filterelement in den gegenüberliegenden Ecken. Die Gebiete hohen Druckes am Filterelement sind durch Pluszeichen gekennzeichnet. Durch die Verwirblung entsteht in der Mitte des Filterelementes ein Gebiet geringeren Druckes (gekennzeichnet durch Minuszeichen), in dem es sogar zu der bereits beschriebenen Druckumkehrung kommen kann.

Der durch das Filterelement durchtretende Massestrom an zu filterndem Fluid ist direkt von dem anliegenden Druck abhängig. Daher führt die ungleichmäßige Druckbeaufschlagung des Filterelementes auf der Rohseite zu einer lokal unterschiedlichen Abscheidung von Partikeln. Dies führt dazu, daß das Filterelement heterogen mit dem Filtrat beaufschlagt wird, wodurch die zu erreichende Standzeit verringert wird. Die Folge ist eine Verkürzung der Wartungsintervalle, welche vor allen Dingen im Betrieb des Filters zu einer Verminderung der Wirtschaftlichkeit führt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Filter mit ebenem Filtereinsatz zu schaffen, der über seine Fläche möglichst gleichmäßig mit dem zu filternden Fluid beaufschlagt wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Filter weist in bekannter Weise ein Filtergehäuse auf, in das ein Filtereinsatz eingebaut werden kann. Hierdurch entsteht ausgehend von einem Einlaß die Rohseite des Filters und auf der anderen Seite des Filtereinsatzes die Reinseite, die zu einem Auslaß führt. Dort, wo der Einlaß in das Gehäuse mündet, entsteht ein Einlaßquerschnitt, der zumindest im wesentlichen senkrecht zu der ebenen Fläche des Filtereinsatzes ausgerichtet ist. Der Einlaßquerschnitt kann auch durch mehrere Einlässe gebildet werden.

Die erfindungsgemäß Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Einlasses eine Vorrichtung zur Umlenkung des zu filternden Fluides vorgesehen ist. Durch diese Vorrichtung wird das Fluid in Richtung der Normalen des Filtereinsatzes umgelenkt. Die Normale des Filtereinsatzes steht senkrecht auf der durch den Filtereinsatz gebildeten Ebene. Dabei ist die Ebene gemeint, die sich auf die Geometrie des Filtereinsatzes als ganzes bezieht. Wird der Filtereinsatz z. B. durch ein gefaltetes Filterpapier erzeugt, verläuft die Ebene also durch die Summe der Faltkanten im Filterpapier.

Die Umlenkung ist außerdem derart angebracht, daß das Fluid auf die rohseitige Filterfläche im Bereich des Einlasses geleitet wird. Dies ist genau der Bereich, in dem sich bei Einsatz bekannter keilförmiger Anströmräume das Gebiet geringen Drucks ausbildet. Die Ausbildung dieses Gebietes kann durch die Vorrichtung zur Umlenkung also vermieden werden. Hierdurch können die beschriebenen Nachteile für den Filtereinsatz vermieden werden. Die Beaufschlagung mit Filtrat kann weitgehend gleichmäßig über die gesamte Filterfläche verteilt werden. Hierdurch kann der Filtereinsatz seine optimale Standzeit erreichen.

Besonders effektiv arbeitet die Vorrichtung zur Umlenkung, wenn der Einlaßquerschnitt senkrecht zur ebenen Fläche des Filtereinsatzes ausgerichtet ist. Bei dieser Geometrie strömt das zu filternde Fluid hinter dem Einlaß zunächst parallel zum Filtereinsatz, wodurch die beschriebenen Nachteile entstehen. Dieses Phänomen tritt jedoch auch auf, wenn die Ausrichtung des Einlaßquerschnittes von der Senkrechten zum Filtereinsatz abweicht. Auch in solchen Fällen kann die Vorrichtung zur Umlenkung also zu einer gleichmäßigeren Beaufschlagung des Filterelementes führen. Dem gemäß ist eine Anwendung der Erfindung in allen Fällen vorteilhaft, in denen sich eine zusätzliche Vergleichmäßigung der Filteranströmung erreichen läßt.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Vorrichtung zur Umlenkung aus einem gekrümmten Rohrstutzen bestehen. Dieser wird direkt am Einlaß angebracht und führt dazu, daß die Strömung in der Rohseite des Filters auf die rohseitige Filterfläche hin umgeleitet wird. Diese Maßnahme ist vor allen Dingen in den Fällen vorteilhaft, in denen die Filterkonstruktion bereits abgeschlossen ist und unbefriedigende Ergebnisse hinsichtlich der Homogenität der Filterbeaufschlagung erzielt. Der Rohrstutzen kann als nachträgliche Konstruktion in das vorhandene Filtergehäuse eingefügt werden. Dieser verspricht zusätzlich eine akustische Verbesserung hinsichtlich des Lärmpegels des Ansauggeräusches.

Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, daß die Vorrichtung zur Umlenkung integraler Bestandteil der Gehäusewandung ist. Mit anderen Worten wird z. B. das Deckelprofil konstruktiv auf die Erfordernisse einer homogenen Anströmung des Filtereinsatzes hin angepaßt. Hierdurch lassen sich optimale Ergebnisse erzielen, die in Abhängigkeit der geometrischen Randbedingungen auf den Einzelfall angepaßt werden müssen.

Ein besonders günstiges Deckelprofil zu Erreichung des erfinderischen Effektes kann beschrieben werden, in dem eine Ebene senkrecht zum Filtereinsatz und zum Einlaßquerschnitt betrachtet wird. Diese wird insbesondere so gewählt, daß sie den Einlaßquerschnitt gerade halbiert. In dieser Ebene weist das Deckelprofil zunächst eine Krümmung zum Filtereinsatz hin auf, welche die gewünschte Umlenkung der Strömung des zu filternden Fluides zum Filtereinsatz hervorruft. Anschließend krümmt sich das Profil wieder vom Filtereinsatz weg, was im Vergleich zu einem keilförmigen Anströmraum dazu führt, daß die durch den Anströmraum oberhalb, d. h. auf der Rohseite des Filtereinsatzes gebildeten Querschnitte sich zum Ende des Filtergehäuses stark verkleinern. Mit dem Ende des Filtergehäuses ist diejenige Seite gemeint, die dem Einlaßquerschnitt gegenüberliegt. Dies ist die Seite, die bei einem keilförmigen Anströmraum mit Druckspitzen beaufschlagt ist. Durch die Querschnittsverjüngung wird der Volumenstrom in diesem Bereich vermindert, mit dem Effekt, daß sich dort auch die Durchströmung des Filtereinsatzes verringert. Natürlich kann das beschriebene Profil außer im Deckel auch in anderen, die Rohseite bildenden Gehäuseteilen vorgesehen werden.

Die Verringerung des Querschnittes kann über den gesamten Filtereinsatz stetig durchgeführt werden. Hierdurch läßt sich die Strömung zusätzlich homogenisieren, wodurch Verwirblungen vermieden werden. Auch hierdurch läßt sich eine gleichmäßigere Durchströmung des Filterelementes erreichen.

Eine weitere Maßnahme zur Homogenisierung der Strömung kann bei der Gestaltung des Einlaßquerschnitts vorgenommen werden. Dieser sollte sich über die gesamte Gehäusebreite erstrecken, so daß in den Ecken des Anströmraums möglichst geringe Toträume für die Strömung entstehen. Vermieden wird dadurch der sogenannte Diffusereffekt auf der Rohseite der Filterpatrone, welcher zu Verwirblungen im Anströmraum führt. Diese werden um so geringer, je mehr der Ansaugquerschnitt mit der Stirnfläche des Anströmraums übereinstimmt. Die Stirnfläche des Anströmraumes ergibt sich durch die im wesentlichen senkrechte Anordnung des Einlaßquerschnitts bezogen auf die Filterpatrone.

Wird der rohseitige Anströmraum symmetrisch zu der bereits erwähnten Fläche (senkrecht zum Filtereinsatz und zum Einlaßquerschnitt) ausgeführt, kann hiermit eine weitere Vergleichmäßigung der Strömung erreicht werden. Eine besondere Ausführungsform ergibt sich dabei, wenn der Filtereinsatz rechteckig ausgeführt ist. Derartige Filtereinsätze lassen sich insbesondere bei Einsatz von gefalteten Papierbahnen besonders kostengünstig herstellen, was zur Wirtschaftlichkeit der Lösung beiträgt.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen 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.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigen
1 den schematischen Aufbau eines Filters mit Flachfiltereinsatz und keilförmigen Anströmraum, wobei ein gekrümmter Rohrstutzen vorgesehen ist, im Querschnitt,
2 die schematische Verteilung der Luftströmung in einem keilförmigen Anströmraum ohne gekrümmten Rohrstutzen in perspektivischer Hinsicht und
3 die Geometrie eines Anströmraums, bei dem die Vorrichtung zur Umlenkung des eintretenden Fluides durch den Querschnittsverlauf des Anströmraums realisiert ist in perspektivischer Darstellung.
Der Filter gemäß 1 weist ein Gehäuse 10 mit einem Deckel 11 auf, in das ein Filtereinsatz 12 eingebaut ist. Hierdurch entsteht eine Rohseite 13 und eine Reinseite 14, wobei sich die Rohseite von einem Einlaß 15 in einer Stirnfläche 16 zur gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 10 linear verjüngt. Im Einlaß 15 ist ein gekrümmter Rohrstutzen 17 angebracht, dessen Krümmung auf den Filtereinsatz gerichtet ist. Der Rohrstutzen kann z. B. im Einlaß eingeklebt sein. Der Weg der Luft ist durch Pfeile angedeutet. Sie strömt von dem Einlaß 15 durch den Rohrstutzen 17, durch den Filtereinsatz 12 und verläßt das Gehäuse durch einen Auslaß 18.
2 zeigt die zu vermeidende Druckverteilung an einem Filtereinsatz 12 mit Überdruckgebiet 19 und einem Unterdruckgebiet 20 bei Verwendung eines keilförmigen Anströmraums 21. Ein Hauptstrom 22 führt von einem Einlaßquerschnitt 23 auf die gegenüberliegende Seite des Anströmraums und erzeugt gleichzeitig entgegengerichtete Nebenströme 24. Die schematisch dargestellte Luftströmung führt zu der in homogenen Druckverteilung über dem Filtereinsatz 12.
In 3 ist für den Filtereinsatz 12 gemäß 2 eine alternative Ausgestaltung des Anströmraumes 21a dargestellt. Zum Vergleich ist der keilförmige Anströmraum 21 gestrichelt dargestellt. Der Einlaßquerschnitt 23 nimmt den größten Teil der Stirnfläche 16 ein. Die Stirnfläche 16 bildet gleichzeitig einen einlaßseitigen Querschnitt 25a des Anströmraumes 21a. Der weitere Verlauf des Querschnitts in Richtung der Hauptströmung ist durch die Querschnitte 25b bis d angedeutet. Es wird deutlich, daß im Anströmraum eine stetige Verkleinerung des Querschnittes erreicht wird.
Weiteren Aufschluß über das Profil des Anströmraumes 21a gibt die Betrachtung der schraffiert dargestellten Ebene 26. Hieraus wird deutlich, daß dieses Profil eine Krümmung a zum Filterelement hin aufweist, an die sich eine Krümmung b vom Filterelement weg anschließt. Die Krümmung b geht in eine Krümmung c über, die zum Filterelement hingerichtet ist, und auf dem Niveau der Rohseite endet. Die Krümmung a ist dafür verantwortlich, daß eine Umleitung der Hauptströmung (vergleiche 2) in Richtung des Filterelementes 12 erfolgt, so daß ein Unterdruckgebiet 20 (vergleiche 2) vermieden wird.

10: Gehäuse
11: Deckel
12: Filtereinsatz
13: Rohseite
14: Reinseite
15: Einlaß
16: Stirnfläche
17: Rohrstutzen
18: Auslaß
19: Überdruckgebiet
20: Unterdruckgebiet
21, 21a: Anströmraum
22: Hauptstrom
23: Einlaßquerschnitt
24: Nebenstrom
25a, b, c, d: Querschnitt
26: Ebene

Claims

Filter mit ebenem Filtereinsatz (12), insbesondere Luftfilter für die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, wobei der Filter ein Gehäuse (10) mit einem Deckel (11) aufweist, in welches der Filtereinsatz (12) eine Rohseite (13) von einer Reinseite (14) dichtend voneinander trennend eingebaut ist, – wobei die Rohseite mindestens einen Einlaß (15) und die Reinseite einen Auslaß (18) aufweist und – wobei ein Einlaßquerschnitt (23) des Einlasses (15) zumindest im wesentlichen senkrecht zur ebenen Fläche des Filtereinsatzes (12) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Einlasses (15) eine Vorrichtung zur Umlenkung des eintretenden, zu filternden Fluides – in Richtung der Normalen des Filtereinsatzes (12) und – auf die rohseitige Fläche des Filtereinsatzes (12) im Bereich des Einlasses (15) zu vorgesehen ist.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Umlenkung aus einem gekrümmten Rohrstutzen (17) besteht.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Umlenkung durch die Außenwände des Deckels (11) gebildet ist.
Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel ein Profil aufweist, welches gemessen in einer Ebene (26), die senkrecht zum Filtereinsatz (12) und zum Einlaßquerschnitt (23) steht, im Bereich des Einlasses (15) eine Krümmung a zum Filtereinsatz hin und daran anschließend eine Krümmung b vom Filtereinsatz weg beschreibt.
Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (11) ein Profil aufweist, dessen Querschnitt (25a, b, c, d) oberhalb des Filtereinsatzes (12), gemessen parallel zum Einlaßquerschnitt (23), sich ausgehend von diesem hin zur gegenüberliegenden Seite des Gehäuses stetig verjüngt.
Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaßquerschnitt (23) sich über die gesamte Gehäusebreite erstreckt.
Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaßquerschnitt (23) sich über eine gesamte Stirnfläche (16) des Gehäuses erstreckt.
Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohseitige Anströmraum (21a) symmetrisch zu einer Ebene (26), die senkrecht zum Filtereinsatz (12) und zum Einlaßquerschnitt (23) steht, ausgeführt ist.
Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtereinsatz (12) rechteckig ausgeführt ist.