DE69909865T2

DE69909865T2 - Anordnung eines Luftfilters für ein System zur Rückgewinnung des Kraftstoffdampfes

Info

Publication number: DE69909865T2
Application number: DE69909865T
Authority: DE
Inventors: Charles David Ann Arbor Satarino; James T. Clinton Twp. Dumas; Johanne Dearborn Heights Wilson; Roger Troy Khami; Michael Milford Cermak; Neville Jimmy Novi Bugli
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: EP0947366A2; EP0947366A3; CA2267050A1; EP0947366B1; DE69909865D1; US5912368A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Luftfilter für ein Kraftstoffdampf-Rückgewinnungssystem in einem Kraftfahrzeug, das Strukturen zur allmählichen Trennung von unerwünschten Staubpartikeln, Feuchtigkeit, Ruß u. ä. aus dem Spülluftstrom im Kraftstoff-Rückgewinnungssystem beinhaltet.
Herkömmliche, in Kraftfahrzeugen verwendete Kraftstoffdampf-Rückgewinnungssysteme beinhalten typischerweise einen Aktivkohlebehälter, der dazu dient, im Kraftstofftank entstandenen überschüssigen Kraftstoffdampf zu regenerieren. Die Aktivkohle in dem Aktivkohlebehälter adsorbiert den Kraftstoffdampf und hält den Dampf vorübergehend zurück, bis der Behälter gespült wird. Im Fahrzeugbetrieb wird zu bestimmten Zeitpunkten, die von einer programmierten Fahrzeugeinstellung vorgegeben werden, der von der Aktivkohle adsorbierte Kraftstoffdampf wieder desorbiert, indem von außen Luft bzw. Spülluft in den Behälter eingeleitet wird. Auf diese Weise wird der Kraftstoffdampf desorbiert und dem Motor zur Verbrennung zugeführt. Die vorliegende Erfindung gewährleistet, daß die zur Entlüftung des Aktivkohlebehälters verwendete Luft oder Spülluft trocken und frei von Fremdkörperpartikeln ist. Die Erfindung wurde durch theoretische Berechnungen und Computersimulationen untermauert und in Labor- und Straßenversuchen bestätigt und befindet sich derzeit im Einsatz in einem laufenden Produktionsprogramm.
Die Filterung der Spülluft für den Aktivkohlebehälter in einem Kraftstoffdampf-Rückgewinnungssystem ist nicht neu. Für den obengenannten Einsatz lehren bisherige Beispiele den Einsatz von einer oder mehreren Einheit(en), die entweder ein Filtermedium oder Prallwandmittel oder beides enthalten.
Die US-Patentschrift 5,058,693 von Murdock et al., US-Patentschrift 5,024,687 von Waller und US-Patentschrift 5,638,786 von Gimby offenbaren jeweils eine Filtereinheit für ein Kraftstoffdampf-Rückgewinnungssystem, die aus einer Kombination von Prallwandmitteln und Filterelementen besteht. Sowohl das '693er als auch das '687er Patent beinhalten einfache Prallwandmittel mit nicht mehr als zwei unabhängigen Prallwandeinheiten. Die vorliegende Erfindung offenbart mehrere ebene Prallwände mit und ohne Gegenwand, deren erhöhte Komplexität durch erhöhte Funktion und Effizienz ausgeglichen wird. Das '768er Patent liefert einen selbstreinigenden Filter mit einem Filterelement in verschiedenen Ausführungsformen. In jeder Ausführungsform ist dieses Element, um von dem erfindungsgemäßen Filterreinigungsteil gereinigt werden zu können, offenbar eine dünnwandige, feste siebartige Einheit, und der Filter beinhaltet Vorkehrungen für die Wahrung der Funktion bei "Verstopfung" dieses Elementes. Die vorliegende Erfindung besteht aus einem robusten und stabilen (dickwandigen, breiten und großen) Filterelement und Prallwandbereichen und hat sich als fähig erwiesen, über die gesamte durchschnittliche Lebensdauer eines Fahrzeuges (ungefähr 2,41 × 10⁵ km) ohne Reinigung auszukommen.
Zu dieser Langzeitfunktion dieser Erfindung tragen zwei wesentliche und neue Hauptfaktoren bei. Der erste findet sich in der Konstruktion des Prallwandabschnittes. Die mehreren Prallwände sind so konstruiert, daß Teilchen mit sehr breit gestreuten Größen und Trägheitswerten aus dem Luftstrom herausgeschlagen werden, wenn sich dieser vom Einlaß zum Filterabschnitt hin bewegt. Dies tritt wegen eines reduzierten Prallwandabstandes zwischen den Prallwänden und der damit verbundenen größeren Beweglichkeitsanforderung an den Luftstrom ein. Das zweite neuartige Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung findet sich in der Anordnung eines Filterelementes derart, daß die kleinsten Partikel (diejenigen, die den Prallwandabschnitt überleben) allgemein in der oberen Hälfte des Filterelementes hängen bleiben und dann durch Schwerkraft, Vibrationen usw. allmählich in die unteren Teile des Elementes wandern. Diese Erscheinung gewährleistet die einwandfreie Reinigung der Luft und die Langzeitfunktionsfähigkeit der Luftfiltereinheit.
US-Patentschrift 4,693,393 von DeMinco et al. sowie die US-Patentschrift 5,501,198 von Korama offenbaren Beispiele für Filtersysteme, die einteilig mit einem Aktivkohlebehälter ausgebildet mit diesem kombiniert sind, indem sie jeweils nur Prallwandmittel oder nur Filterelemente aufweisen. Die US-Patentschrift 5,149,347 von Turner et al. offenbart ebenfalls eine Trennvorrichtung, die nur einen Prallwandabschnitt aufweist, der in einem Abstand vom Aktivkohlebehälter an diesem angeschlossen ist. Es leuchtet ein, das jede Konstruktion nur mit Prallwandmitteln oder nur mit Filtermitteln nicht so wirksam und so robust wie die vorliegende Erfindung sein kann, die sowohl Prallwandmittel als auch Partikelfiltermittel beinhaltet.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, daß sowohl gestufte Prallwand-Trennmittel als auch Filterelement-Mittel zu einer Filtereinheit zusammengefaßt sind. Dies gewährleistet einen größtmöglichen Grad der Trennung von Partikeln, Fremdstoffen wie Ruß und Straßenstaub, Feuchtigkeit und ähnliches von der sonst darin enthaltenen Frischluft.
Das Kraftstoffdampf-Speichersystem (fuel vapor storage system – FVSS) in einem Kraftfahrzeug wird dazu eingesetzt, die kraftstoffhaltige Luft aufzufangen, zu reinigen und weiterzuverwenden, die zwangsweise beim Füllen des Kraftstofftanks verdrängt wird, so daß keine kraftstoffhaltige Luft in die Atmosphäre abgelassen wird. Der Hauptbestandteil dieses Systems ist der Aktivkohlebehälter. Dieser mit Aktivkohle gefüllte Behälter arbeitet dadurch, daß der Kraftstoffdampf jeder darin einströmenden Luft adsorbiert wird. Die korrekte Funktion des Aktivkohlebehälters und des zugehörigen Behälterentlüftungsventils (CVV) läuft dann am besten ab, wenn er periodisch mit sauberer (Spül-) Luft gespült wird.
Die zuvor genannte saubere Luft wird durch Außenluft gestellt, die durch die vorliegende erfindungsgemäße Filtereinheit gefiltert wurde. Herkömmliche FVS-Systeme enthalten entweder einen Filter, der nur ein Filterelement beinhaltet, oder einen Filter nur mit Prallwandmitteln, oder in den meisten Fällen überhaupt kein Filtermittel. Die vorliegende Filtererfindung integriert sowohl ein Filterelement als auch Prallwandmittel in einer Vorrichtung auf eine solche Weise, daß im wesentlichen alle erforderliche Materie von dem Spülluftstrom getrennt wird.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Luft durch Filterung derselben durch den gestuften Prallwandabschnitt aus mehreren Prallwandgruppen mit und ohne Gegenwänden zu reinigen, wobei die Abstände zwischen den Prallwänden allmählich abnehmen – so daß die Luftströmung einen immer enger gewundenen Weg durchlaufen muß. Dieser vorgeschriebene Weg enthält viele Biegungen und Richtungswechsel und bewirkt, daß Teilchen über einer bestimmten Größe (ungefähr 15μm–20μm) aufgrund der mit ihrer Größe, der Schwerkraft und der Luftstromgeschwindigkeit verbundenen Trägheitseigenschaften von dem durchlaufenden Luftstrom getrennt werden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Luft weiter zu filtern, indem sie durch einen Filtermedienabschnitt gefiltert wird, der ein Filterelement enthält, das eng anliegend zwischen Halterippen gelagert ist. Der Filterelementabschnitt ist dazu vorgesehen, im wesentlichen alle verbleibenden Partikel im Luftstrom herauszufiltern, insbesondere diejenigen mit einer Größe zwischen 1μm und 20μm. Das bevorzugte Filtermedium ist vernetzter offenporiger Schaumstoff, und der bevorzugte Stil ist ein vernetzter offenporiger Schichtschaumstoff mit zwischen 30 und 65 Poren je 2,54 cm (Zoll).
Der vorliegenden Erfindung zufolge wird eine Luftfiltereinheit für ein Verdampfungsemissionsregelsystem in einem Kraftfahrzeug gestellt, wie sie in Patentanspruch 1 dargelegt ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß im wesentlichen alle Partikel, einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: Feuchtigkeit (Regen, Schnee, Nebel, Kondensation usw.) und andere Feststoffe (Schmutz, Ruß, Straßenstaub, Dreck usw.) von dem Luftstrom getrennt werden. Die Abscheidung dieser Partikel von dem Luftstrom gewährleistet die ordnungsgemäße Funktion eines Kraftstoffdampf-Rückgewinnungssystemes (FVSS), indem eine zunehmende Drosselung und vorzeitiges Versagen des Behälterentlüftungsventils (CVV) und des Aktivkohlebehälters vermieden wird.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die vorliegende Erfindung unter normalen wie unter harten Bedingungen ausdauernd ist und über die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeuges dauert, also etwa 2,41 × 10⁵ km (150.000 Meilen), ohne dabei gereinigt, gewechselt oder ersetzt werden zu müssen, oder irgendwelche sonstigen Nachstellungen zu erfordern. Dies ist in erster Linie durch die gleichmäßige Verteilung der abgeschiedenen Partikel in der gesamten Filtereinheit möglich, dadurch, daß der Filter (für die feinsten Partikel) nach dem Prallwandabschnitt angeordnet ist, der wiederum aus denselben Verteilungsgründen abgestuft aufgebaut ist.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Robustheit, die im wesentlichen auf zweierlei Art und Weise erzielt wird. Erstens kann die erfindungsgemäße Filtereinheit dem leichteren Zugang wegen, und um das Gleichgewicht der Komponenten darin nicht zu stören, in einigem Abstand von dem Kraftstoffdampf-Speichersystem FVSS eingebaut werden. Zweitens kann die erfindungsgemäße Filtereinheit wegen der Besonderheit ihrer Konstruktion voll funktionsfähig bleiben, selbst wenn die Einlaß- oder Auslaßseite der Einheit um plus oder minus etwa 45° geneigt wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist noch, daß sie dank ihrer verschiedenen Befestigungsstrukturen in eine Reihe von Fahrzeugen eingebaut werden kann, ob in Kraftfahrzeuge oder andere. Diese Strukturen beinhalten angegossene Montagestellen und universelle Befestigungsclips.
Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden; dabei zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeug-Antriebsanlage mit einem Kraftstoffdampf-Rückgewinnungssystem, bei dem eine Luftfiltereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
2: eine perspektivische Ansicht einer Luftfiltereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;
3: einen Querschnitt durch die Luftfiltereinheit aus 2 entlang der Linie 3-3;
4: einen Stirnschnitt der Luftfiltereinheit aus 2 entlang der Linie 4-4; und
5: eine Draufsicht auf die Unterseite der Luftfiltereinheit aus 2.
1 zeigt ein Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug mit einem darin integrierten Kraftstoffdampf-Rückgewinnungssystem FVSS. Zwar sind einige der spezifischen Komponenten des Antriebsaggregates, die Geometrie und die Bezeichnungen der Komponenten von einem Fahrzeug zum anderen unterschiedlich, aber der Grundaufbau und die Strukturkomponenten bleiben gleich.
Grundkomponenten des Kraftfahrzeug-Antriebsaggregates sind ein Kraftstofftank 10 und die Brennkraftmaschine 12. Flüssiger Kraftstoff gelangt in das Fahrzeug, wenn er zunächst durch die Kraftstoffeinfüllöffnung 14 eingeführt wird und dann durch die Fülleitung 16 und in den Kraftstofftank 10 fließt. Von einer Kraftstoffpumpe 18 wird Kraftstoff durch den Kraftstoffilter 20 über eine Kraftstoffleitung 22, eine Kraftstoffverteilerleitung 24 und Kraftstoffeinspritzdüsen 26 dem Motor 12 zugeführt. Ggf. können manche Systeme vom Motor 12 nicht verbrauchten Kraftstoff zurückführen, indem sie ihn über die Kraftstoffrücklaufleitung 28 in den Kraftstofftank 10 zurückleiten.
Es gibt im allgemeinen zwei Hauptumstände, unter denen kraftstoffdampfhaltige Luft aus dem Kraftstofftank 10 herausgedrängt wird. Der erste Umstand ist während des oben erwähnten Füllvorganges von Tank 10, und der andere tritt dann auf, wenn sich der Kraftstoffdampf im Tank ausdehnt (in der Regel durch Temperaturerhöhung des Kraftstoffes und/oder des Kraftstoffdampfes) und dabei einen Teil des Kraftstoffdampfes aus dem Tank heraus treibt. In beiden Fällen wird die kraftstoffdampfhaltige Luft durch die Kraftstoff-Rückgewinnungsleitung 30 dem Aktivkohlebehälter 32 zugeführt, wo sie von ihrem Dampf befreit wird, bevor sie in die Atmosphäre entlassen wird. Der Aktivkohlebehälter 32 ist mit Aktivkohle gefüllt, die den Kraftstoffdampf im Luftstrom adsorbiert.
Nach der Absorption und Reinigung der kraftstoffdampfhaltigen Luft muß der Kohlebehälter 32 periodisch desorbiert bzw. gespült und von dem darin angesammelten Kraftstoff befreit werden. Dieses Auffrischen wird dazu vorgenommen, daß der Aktivkohlebehälter neuen Kraftstoffdampf aus dem Kraftstofftank 10 aufnehmen und absorbieren kann. Umgebungsluft, die als Spülluft verwendet wird, wird in den Behälter 32 hinein und wieder aus ihm hinausgedrückt und dann durch die Dampfspülleitung 34 und ein Behälterentlüftungsventil 36 direkt zum Motor 12 geleitet, wo sie dann verwendet wird.
Wie weiter oben erwähnt muß die als Spülluft verwendete Außenluft von im wesentlichen allen Feststoffen und Feuchtigkeit gereinigt werden, bevor sie dem Behälterentlüftungsventil 38 (CVV) und Aktivkohlebehälter 32 zugeführt wird. Das ist der Sinn der Luftfiltereinheit 40.
Die bevorzugte Konstruktion der Luftfiltereinheit 40, wie sie am besten aus 3 ersichtlich ist, besteht aus zwei Hauptkomponenten: einer Verschlußplatte 42, die abnehmbar ausgebildet sein kann, und einem Grundkörper 44. Die Verschlußplatte 42 beinhaltet des weiteren eine Innenfläche 46, die strategisch mit mehreren Prallwänden versehen ist. Der Grundkörper 44 beinhaltet des weiteren einen Lufteinlaß 48, einen Prallplattenabschnitt 50, ein in dem Filterabschnitt 54 enthaltenes Filterelement 52 und einen Luftauslaß 56. Der Filter 52 ist von kubischer Form, so daß der Herstellungsaufwand vereinfacht wird.
Luft tritt in die Filtereinheit 40 nur über den Lufteinlaß 48 ein und tritt nur über den Luftauslaß 56 wieder aus. Sofort nachdem die Luft in den Prallwandabschnitt 50 der Einheit eingeleitet worden ist, muß sie sich unter einer ersten Prallwand 60 ohne Gegenwand hindurchschlängeln, die von der Innenfläche 46 der Verschlußplatte 42 nach innen reicht, und über eine zweite Prallwand 62 ohne Gegenwand, die vom Boden des Grundkörpers 64 nach innen reicht. Von hier geht der Luftstrom weiter und manövriert durch einen ersten Satz einander gegenüberliegender Prallwände 66, um die dritte alleinstehende Prallwand 68, den zweiten Satz einander gegenüberliegender Prallwände 70 und die vierte und letzte alleinstehende Prallwand 72 ohne Gegenwand. Wie bereits oben erwähnt können die gröberen Partikel (Feststoffe, Feuchtigkeit usw.) wegen ihrer ausgeprägten Trägheit den immer anspruchsvolleren vorgeschriebenen Pfad in dem Prallwandabschnitt 50 nicht überleben. Dieser immer anspruchsvollere Pfad ist so konzipiert, daß die Stokes'sche Zahl der durch besagten Prallwandbereich 50 strömenden Luft relativ unverändert bleibt. Die unerwünschten Partikel werden daher aus dem weiterfließenden Luftstrom herausgeschleudert und lagern sich in dem entsprechenden Rückhaltebereich 74 ab. Die Partikel bleiben dann im Rückhaltebereich 64, sofern sie nicht verdunsten oder durch andere natürliche Mittel aufgelöst werden.
Nach dem Austritt aus dem Prallwandbereich 50 tritt die Spülluft in den Filterabschnitt ein, der in erster Linie von einem Filterelement 52 und Halterippen 80 gebildet wird. Das Filterelement 52 ist vorzugsweise ein vernetzter offenzelliger Schaumstoff und ist ausgelegt, alle restlichen Partikel (in der Regel extrem kleine Partikel von weniger als 20 μm) aus dem Luftstrom zu entfernen. Die Halterippen 80 sichern die richtige Anordnung des Filterelementes 52 bei der Herstellung. Wenn die so gereinigte Luft aus dem Filterabschnitt 54 austritt, strömt sie durch den Luftauslaß 56 aus und durch die Behälterspülleitung 58 in den Aktivkohlebehälter 32 zur Spülung desselben.
Zum Zwecke einer flexiblen Montage und Anbringungsgestaltung der Filtereinheit 40 sind mehrere Fassungen 82 einteilig an einer Reihe von Außenflächen des Gehäuses 84 angeformt, so daß Befestigungslaschen 86 von Hand an dem Gehäuse angebracht werden können.
Wie bei der Simulation, bei Tests und im tatsächlichen Einsatz festgestellt werden konnte, arbeitet eine Filtereinheit 40 gemäß der vorliegenden Erfindung einwandfrei und erfüllt vollkommen den Zweck ihrer Konstruktion. Der zunehmend windungsreiche Prallplattenabschnitt 50 scheidet zunächst im allgemeinen immer kleiner werdende Teilchen aus dem Strom ab. Alle kleineren Teilchen, die diesen Abschnitt überleben, werden aller Wahrscheinlichkeit nach in dem Schaumstoff des Filterelementes 52 gefangen. Aufgrund dieses zweistufigen Filterprozesses wird nur ein extrem sauberer Luftstrom weiter zum CVV-Ventil 38 und in den Aktivkohlebehälter 32 zur erfolgreichen Spülung desselben geleitet.

Claims

Luftfiltereinheit (40) für ein Verdampfungsemissionsregelsystem für ein Kraftfahrzeug, folgendes aufweisend: ein Gehäuse mit einem Verschlußdeckel (42) und einem Grundkörper (44) mit einem Bodenteil; einen an einem ersten Ende des besagten Gehäuses angeformten Lufteinlaß (48); einen an einem zweiten Ende des besagten Gehäuses angeformten Luftauslaß (56); mehrere Prallwandsätze (66, 70) mit Gegenwänden zur Reinigung der von besagtem Lufteinlaß zu besagtem Luftauslaß durch besagte Filtereinheit fließenden Luft durch Bildung eines windungsreichen Strömungsweges; ein in besagtem Gehäuse angeordnetes Filterelement (52) zur Filterung im wesentlichen aller durch besagte Einheit von besagtem Lufteinlaß (48) zu besagtem Luftauslaß (56) strömenden Luft; dadurch gekennzeichnet, daß jeder besagte Prallwändesatz aus einem ebenen Prallwandelement (66, 70) besteht, das sich von dem Bodenteil (64) des besagten Grundkörpers (44) nach innen erstreckt, sowie aus einem Gegen-Prallwandelement (66, 70), das sich von einer Innenfläche (46) des besagten Verschlußdeckels (42) nach innen erstreckt; und daß das Filterelement (52) in seiner Form kubisch ist.
Luftfiltereinheit nach Anspruch 1, in dem Gehäuse auch einen Satz Prallplatten (62, 68, 70) ohne Gegenplatten aufweisend, die sich von dem Boden (64) nach innen erstrecken und bis nahezu an die Verschlußplatte (42) reichen, sowie wenigstens eine Prallplatte (60) ohne Gegenplatte, die sich von der Verschlußplatte (42) aus nach innen erstreckt.
Luftfiltereinheit nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin besagter Lufteinlaß (48) und besagter Luftauslaß (56) am besagten Grundkörper (44) angeformt sind.
Luftfiltereinheit nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin besagter Lufteinlaß (48) und besagter Luftauslaß (56) diametral versetzt sind, so daß besagter Einlaß (48) größer als besagter Auslaß (56) ist.
Luftfiltereinheit nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin besagtes Filterelement (52) in einem Raum angeordnet ist, der von Halterippen (80) begrenzt wird, so daß das Filterelement (52) von einer der Seitenwände des Grundkörpers (44) zur anderen Seitenwand des Grundkörpers (44) und von dem Bodenabschnitt (64) des Grundkörpers (44) bis zu einer Innenfläche (46) der Verschlußplatte (42) reicht.
Luftfiltereinheit nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 5, worin der Abstand zwischen den besagten Prallwänden (66, 70) mit Gegenwänden und den Prallwänden (62, 68, 70) ohne Gegenwände in der Strömungsrichtung des Luftstromes allmählich abnimmt.
Luftfiltereinheit nach Anspruch 6, worin der Abstand so festgelegt ist, daß die Stokes'sche Zahl der zwischen den Prallwänden hindurchfließenden Luft relativ unverändert bleibt.
Luftfiltereinheit nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin das Filterelement ein vernetzter offenporiger Schaumstoff ist, der mit heterogenen und homogenen Porengrößen geschichtet aufgebaut ist, mit oder ohne Porengrößengradient, und eine Porendichte zwischen 15 und 65 Poren je 2,54 cm (Poren pro Zoll) hat.