Beschreibung

Sensoranordnung an einem Filter mit autarker Energieversorgung Technisches Gebiet [0001] Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung an einem Filter mit autarker

Energieversorgung, insbesondere bei Luftfiltern in einem Kraftfahrzeug,

nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

[0002] Es ist an sich bekannt, dass zur überwachung der Funktion eines Luftfil¬

ters in einem Kraftfahrzeug Sensoren angebracht werden, die insbesonde¬

re den Differenzdruck zwischen der Anströmseite und der Abströmseite

des Filterelements messen und somit eine eventuelle überladung des Fil¬

terelements mit Schmutzpartikeln anzeigen können. Eine solche Messung

wird mittels einer geeigneten Elektronik vorverarbeitet und dann in vorge¬

gebenen Abständen an einen Empfänger, zum Beispiel der Bordcomputer

des Kraftfahrzeuges, übermittelt und dort weiterverarbeitet. Die übertra¬

gung solcher Messdaten erfolgt in der Regel über eine Kabelverbindung

über die auch die Energieversorgung bereitgestellt wird.

[0003] Aus der DE 103 44 553 A1 ist eine Sensoranordnung bekannt, bei der zur

Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur der Luft in

einem Luftkanal für ein Kraftfahrzeug-Lüftungssystem ein Thermogenera-

tor vorhanden ist, der aufgrund eines Temperaturunterschiedes zwischen

Bereichen der Innenluft des Kraftfahrzeuges elektrische Energie erzeugt,

die zum Betrieb der Elektronik der Sensoranordnung herangezogen wer-

Ml

den kann. Bei dieser autarken Energieerzeugung ist es dann vorteilhaft

möglich, dass beispielsweise eine Funkübertragung der Sensordaten zum

Bordcomputer oder zu einem Borddatennetz ohne eine Verkabelung

durchgeführt werden kann.

[0004] Ferner ist aus der DE 101 47 720 A1 bekannt, dass zur autarken Versor¬

gung von Sensoren in einem Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie ein In¬

duktionssystem vorhanden ist, das ohnehin vorhandene mechanische

Schwingungen mit einem mechanischen Schwingsystem ausnützt, um auf

induktivem Weg elektrische Energie zu erzeugen.

[0005] Ein vergleichbares System ist auch aus der EP 1 312 171 B1 bekannt, bei

dem ebenfalls ein elektromechanischer Wandler, hier ein piezokerami-

scher Biegewandler, vorhanden ist, der über einen nachgeschalteten

Gleichrichter und einen Spannungswandler eine Logikbaugruppe versorgt.

Offenbarung der Erfindung

[0006] Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung an einem Filter, vorzugsweise

ein Luftfilter für ein Kraftfahrzeug, mit folgenden Merkmalen:

Es sind Sensorelemente zur Erfassung des Drucks eines zu filternden Me¬

diums an mindestens einer an- oder abströmigen Seite eines Filterelements

vorhanden, und/oder

- es sind Sensorelemente zur Erfassung der Temperatur des zu filternden Me¬

diums an mindestens einer an- oder abströmigen Seite eines Filterele¬

ments vorhanden,

- es ist ein Energiewandler zur Gewinnung elektrischer Energie für die Sensoranordnung aus dem zu filternden Medium und/oder dem Umfeld des Filters vorhanden,

- es ist ein Energiemanagementbaustein zur Regelung der Energieversorgung der Sensoranordnung vorhanden, und

- es ist ein Signalverarbeitungsbaustein, insbesondere mit einem Sendermodul, als Bestandteil der Sensoranordnung vorhanden, der die Signale der Sensorelemente vorverarbeitet und einem Empfänger drahtlos übermittelt.

[0007] Es ist hierbei auch möglich, dass zumindest nur die Drücke des Mediums, zum Beispiel Luft, als Hauptmessdaten für die Filtereigenschaften erfasst werden, wobei jedoch eine zusätzliche Temperaturmessung zur Genauigkeitssteigerung der Messung im Hinblick auf eine Temperaturkompensation vorteilhaft ist.

[0008] Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der Energiewandler in vorteilhafter Weise eine Druckdifferenz des zu filternden Mediums auf der An- und Abströmseite oder zwischen einer dieser Seiten und dem Außenraum des Filters ausnutzen. Alternativ kann jedoch auch der Energiewandler eine Temperaturdifferenz des zu filternden Mediums auf der An- und Abströmseite oder zwischen einer dieser Seiten und dem Außenraum als Energiequelle heranziehen.

[0009] Als weitere Alternativen kommen noch die Ausnutzung einer Fluidbewe- gung des zu filternden Mediums auf der An- und/oder Abströmseite oder

eine mechanische Schwingung des Filters bzw. eine Lichtquelle im Bereich des Filters als Energiequelle mit dem für sich gesehen bekannten Wandlern in Frage.

[0010] Mit der Erfindung kann somit auf einfache Weise zum Beispiel ein Luftfilter im Luftansaugweg für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug derart ausgeführt werden, dass eine drahtlose übertragung der Messdaten der Sensorelemente zu einem Empfänger im Bordnetz, zum Beispiel eine Datenbusanbindung (CAN), des Kraftfahrzeuges erfolgt oder direkt zu einem Bordcomputer gesendet und dort weiterverarbeitet werden.

[0011] Die Messdaten können dabei in vorgegebenen zeitlichen Abständen somit telemetrisch an einen ständig empfangsbereiten Empfänger versendet werden und machen damit eine Kabelverbindung vom Filtergehäuse zum Bordnetz des Kraftfahrzeuges überflüssig.

[0012] Der Empfänger kann dabei auch in vorteilhafter Weise Messdaten von mehreren auch anderweitig angebrachten Sensorelementen an Filtern o- der sonstigen Bauteilen empfangen und weiterverarbeiten oder weiterleiten, zum Beispiel nicht nur von Luftfiltern im Ansaugweg, sondern auch von ölfiltern, Kraftstofffiltern oder von Innenraumluftfiltern.

[0013] Die Sensoranordnung mit dem Signalverarbeitungsbaustein und mit einem Sendermodul kann auf einfache Weise am Gehäuse des Filters montiert werden, zum Beispiel durch Einklipsen, durch Einstecken, durch Kleben oder Vergießen. Die Sensoranordnung kann aber auch direkt in den De-

ekel des Gehäuses des Filters eingespritzt werden, da dann ein leichter Wechsel zwischen einem Gehäuse mit oder ohne Sensoranordnung möglich ist.

[0014] Eine alternative Erfindung dient dazu, ein energieerzeugendes Filtersystem zu schaffen, das es ermöglicht, nicht nur Sensoren zu aktivieren, sondern auch unterschiedliche Systeme mit Energie zu versorgen bzw. Energie aus schwingenden oder pulsierenden Medien oder mechanischen Teilen zu generieren.

[0015] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 10 erreicht.

[0016] Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, dass einerseits sowohl mechanische Komponenten als auch Druckänderungen in einem Medium, z. B. in Flüssigkeit oder Luft, in elektrische Energie umgewandelt wird. Unter einem elektromechanischen Wandler gemäß der Erfindung wird ein allgemeines Bauteil verstanden, bei dem mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist, beispielsweise ein piezoelektrisches, elektrostriktives oder magnetostriktives Element oder eine elektromagnetische Induktionsspule. Die mechanische Energie wird aus einer gerichteten mechanischen Krafteinwirkung, einer Druckänderung in Flüssigkeiten oder Gasen bzw. einer Vibration an einem Filtersystem erzeugt.

[0017] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich an einem Filtersystem - und zwar an schwingenden Bauteilen - ein Permanentmagnet, der innerhalb einer Spule beweglich gelagert ist. Dies ist eine einfache

Methode, um aus der Bewegung eines Systems elektrische Energie zu er¬

zeugen. Gleichzeitig hat das System den Vorteil, dass diese Bewegung

durch die Erzeugung der Energie gedämpft wird. Es erfolgt also durch die

Energieaufnahme des Generators eine Vibrationsdämpfung.

[0018] Besonders vorteilhaft lässt sich die Energieumwandlung anwenden, wenn

bestimmte Teile eines Filtersystems, einschließlich der Gehäusewandung,

als Membran ausgebildet werden. Diese Membran nimmt die Schwingun¬

gen auf und überträgt sie unmittelbar an einen Permanentmagneten oder

einen Piezoaufnehmer.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0019] Die Erfindung wird anhand einer Figur 1 der Zeichnung mit einem Ausfüh¬

rungsbeispiel erläutert, das schematisch einen Luftfilter in einem Gehäuse

mit einer am Deckel angebrachten Sensoranordnung zeigt, bei der die

Energiegewinnung autark ist und eine drahtlose Messdatenübertragung

erfolgt.

Ausführungsform(en) der Erfindung

[0020] In Figur 1 ist als Filter 1 ein Luftfilter für die Filterung der Ansaugluft eines

Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug gezeigt. Ein Filterelement 2,

beispielsweise aus Vlieslagen, ist in einem Gehäuse 3 angeordnet, durch

das die angesaugte Luft von der Anströmseite gemäß Pfeil 4 zur Abström¬

seite gemäß Pfeil 5 strömt.

[0021] Es sind hier eine Sensoranordnung 6 am Deckel des Gehäuses 3 ange¬

ordnet, die aus einem Energiewandler 7 zur Energieversorgung der Sen-

soranordnung 7, einem Energiemanagementbaustein 8 zur Regelung der Energieversorgung, einem Sensorelement 9 zur Erfassung des Drucks der Luft als des zu filternden Mediums, einem Sensorelement 10 zur Erfassung der Temperatur der Luft, einem Signalverarbeitungsbaustein 11 und einem Sendermodul 12, als weiterer Bestandteil der Sensoranordnung vorhanden, mit denen die Signale bzw. die Messdaten der Sensorelemente 9 und 10 vorverarbeitet und einem Empfänger 13 drahtlos über eine übertragungsstrecke 14 übermittelt werden können.

[0022] Mit dem Energiewandler 7 kann beispielsweise eine Druck- oder Temperaturdifferenz der Luft im Filter 1 zum Außenraum ausgenutzt werden. Damit kann die Energieversorgung der Sensoranordnung 6 sichergestellt werden, die am Gehäuse 3 des Filters 1 durch Einklipsen, durch Einstecken, durch Kleben oder Vergießen oder nur an einem austauschbaren Deckel des Gehäuses 3 angebracht ist. Die drahtlos vom Sendermodul 12 zum Empfänger 13 übertragenen Messdaten können dann im Bordnetz des Kraftfahrzeuges in einem Bordcomputer und/oder über eine Datenbusan- bindung (CAN) weiterverarbeitet werden.

[0039] Das Filtersystem 110 gemäß der Figur stellt einen Flüssigkeitsfilter dar. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, einen Luftfilter in dieser Weise aufzubauen. Das System besteht aus einem Gehäuse 111 , das im Wesentlichen konzentrisch aufgebaut und mit einem Deckel 112 verschließbar ist. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Filterelement

113, bestehend aus einem zickzackförmig gefalteten Filtermedium 114, das an den Stirnseiten Endscheiben 115, 116 aufweist. Der Deckel ist über ein geeignetes Dichtsystem 117 beispielsweise mit einer O-Ring- Dichtung verschlossen. Zum Austausch des Filterelementes 113 wird der Deckel abgeschraubt, das Filterelement kann entnommen und durch ein neues Filterelement ersetzt werden. Das Gehäuse weist eine Einströmöffnung 118 sowie eine öffnung 119 zum Ausleiten des filtrierten Mediums auf. Das zu filtrierende Medium strömt nach der Einströmöffnung 118 gemäß dem Pfeil 120 am Filtermedium 114 entlang, wird durch Eintritt in das Filtermedium 114 gereinigt und verlässt gemäß dem Pfeil 121 das Gehäuse über die öffnung 119. üblicherweise wird das Medium durch Kolbenpumpen oder andere Pumpensysteme durch das Filterelement hindurch gefördert. Es treten deshalb innerhalb des Filtersystems Schwingungen auf, die zu einer Belastung des Filtermediums bzw. auch des Gesamtgehäuses führen. Diese Schwingungen können in elektrische Energie umgewandelt werden. Hierzu ist die Endscheibe 115 mit einer Sicke 122 und einer Stößelaufnahme 123 versehen. Die Endscheibe besteht beispielsweise aus einem thermoplastischen Elastomer und wirkt als Membran. In der Stößelaufnahme 123 befindet sich ein Stößel 124, der einen permanenten Magneten 125 aufweist. Der Permanentmagnet ist axial beweglich innerhalb eines Spulensystems 126 gelagert und beispielsweise mit einer Druckfeder 127 vorgespannt. Pulsationen im Medium erzeugen eine Axi-

albewegung des Permanentmagneten 125 innerhalb des Spulensystems, so dass eine elektrische Energie erzeugt wird. Diese kann über den An- schluss 128 abgegriffen werden.

[0040] Eine weitere Energieerzeugungseinheit befindet sich an der Gehäusewand 129. Dort ist ebenfalls eine Membran 130 vorgesehen, die beispielsweise auch aus einem thermoplastischen Elastomer besteht und eine Stößelaufnahme 131 besitzt, die wiederum mit einem Stößel und einem Permanentmagneten versehen ist. Aufgrund der Pulsation der Flüssigkeit oder der Luft erzeugt der Permanentmagnet in einem Spulensystem elektrische Energie. Das System kann als Aufsteckteil am Gehäuse angeordnet werden. Hierzu ist am Gehäuse lediglich ein Ringflansch erforderlich, der mit entsprechenden umlaufenden Stegen zur Einrastung eines Steckteils ausgestattet ist.

[0041] Die Lagerung des Filterelementes 113 ist axial beweglich ausgeführt. Hierzu ist im Bereich der öffnung 119 ein Faltenbalg 132 vorgesehen, der das Filterelement 113 trägt. An dem Faltenbalg ist die Endscheibe 116 aufgesteckt. Der Faltenbalg kann aber auch Teil der Endscheibe sein, so dass das Filterelement mit diesem Balg an dem Anschlussstutzen 133 befestigt wird. über Stege 134, 135 ist an der Endscheibe 116 eine Stößelaufnahme 36 befestigt. In dieser Stößelaufnahme befindet sich wiederum ein Stößel mit einem Permanentmagneten, der in ein Spulensystem 137 eingreift und bei einer Axialbewegung oder Axialvibration des gesamten FiI-

terelementes 113 einen an dem Anschluss 138 abgreifbaren elektrischen

Strom erzeugt.