DE10026695C1

DE10026695C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wassergewinnung aus einem Abgassystem

Info

Publication number: DE10026695C1
Application number: DE10026695A
Authority: DE
Inventors: Peter Treiber; Meike Reizig; Rolf Brueck
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2001-08-02
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: WO2001092710A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von einer erforderlichen Menge Wasser durch Kondensation von im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Wasserdampfes, insbesondere für eine Wassereinspritzanlage der Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei das kondensierte Wasser mit einer Leitungsanordnung geführt und in einem Behälter gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Menge Wasser mittels einer Kondensationsvorrichtung aus dem Abgas kondensiert wird, die über den gesamten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine einen mittleren Kondensationswirkungsgrad von mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, aufweist. Auf diese Weise wird eine Bereitstellung von zusätzlichem Wasser in einem separaten und nachfüllbaren Tank vermieden und trotzdem dauerhafte Wassergewinnung aus dem Abgas ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer erforderlichen Menge Wasser durch Kondensation von im Abgas einer Verbrennungskraftma schine enthaltenem Wasserdampf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen kommen insbesondere bei Kraftfahrzeu gen mit einer Wassereinspritzung zum Einsatz. Das bedeutet, daß zur Senkung der Schadstoffkonzentration und/oder zur Leistungssteigerung einer Verbrennungs kraftmaschine das Kraftstoff-Luft-Gemisch mit Wasser angereichert wird. Neben dem Dieselmotor besitzt hierbei auch der Ottomotor ein deutliches Potential zur Senkung seiner resultierenden CO₂-Emission, wenn er im Magerbetrieb gefahren wird.

Bei diesem Motorkonzept erfolgt die Verbrennung ebenso wie beim Dieselmotor mit Luftüberschuß, d. h. mit einem Lambdawert < 1. Dies hat zwar den Vorteil geringen Schadstoffverbrauchs, jedoch ist die nachmotorische Verminderung von Stickoxiden erschwert, da sich die Stickoxide in einer insgesamt oxidierend wir kenden Abgasatmosphäre nicht mehr so leicht reduzieren lassen.

Aus diesem Grund ist es beispielsweise erforderlich, zur Senkung der Stickoxid- Emission und zur Verhinderung von Fehlzündungen unter bestimmten Betriebs bedingungen des Verbrennungsmotors Wasser in den Ansaugkanal einzuspritzen.

Das eingespritzte Wasser reduziert die im Brennraum auftretenden Temperaturen, wodurch die Stickoxidkonzentration im Abgas gesenkt wird. Dieses Wasser wird z. B. durch Kondensation aus den Auspuffgasen gewonnen und/oder aus einem Vorrat zugeführt.

Gemäß der DE 31 02 088 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Wasser für die Wassereinspritzanlage eines mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotors bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird das Wasser im allgemeinen durch Kon densation aus den Auspuffgasen gewonnen, wobei die erzeugbare Menge zeitwei se nicht ausreicht. Da die Mitführung eines Vorrates an Wasser wegen der Frost gefahr im Winter problematisch ist, wird eine zusätzliche Wassermenge zum Zeitpunkt des Bedarfs durch Verdampfen von Wasser aus einer Gefrierschutz mittelhaltigen Lösung und anschließender Kondensation dieses Wasserdampfes gewonnen. Als gefrierschutzmittelhaltige Lösung wird das Motorkühlwasser be nutzt. Durch die ergänzende Entnahme des Kühlwassers für die Wassereinspritz anlage wird die Kühlwirkung des Kühlwasserkreislaufes für den Verbrennungs motor reduziert, was zur Überhitzung des Verbrennungsmotors führen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das bekannte Verfahren zur Erzeu gung von Wasser dahingehend fortzubilden, daß eine Bereitstellung von zusätzli chem Wasser vermieden und die für die Wassereinspritzanlage benötigte Was sermenge möglichst vollständig aus den Auspuffgasen kondensiert wird, wobei eine Kondensationsanordnung angegeben werden, welche zu jedem Zeit punkt des Betriebes einer Verbrennungskraftmaschine die Erzeugung der benö tigten Wassermenge aus den Abgasen sicherstellt.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch ein Verfahren zur Erzeugung von einer erforderlichen Menge Wasser durch Kondensation von im Abgas einer Ver brennungskraftmaschine enthaltenem Wasserdampf mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan spruchs 1 sowie einer gattungsgemäßen Kondensationsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Ge genstand der abhängigen Ansprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von einer erforderlichen Menge Wasser durch Kondensation von im Abgas einer Verbrennungskraftma schine enthaltenem Wasserdampf, insbesondere für eine Wassereinspritzanlange der Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wird das kondensierte Wasser mit einer Leitungsanordnung geführt und in einem Behälter gespeichert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die erforderliche Menge Wasser aus dem Abgas mittels einer Kondensationsvorrichtung kondensiert wird, die über den gesamten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine einen mittleren Kon densationswirkungsgrad von mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 50%, aufweist und somit eine Bereitstellung von zusätzlichem Wasser vermieden wird.

Der im Abgas enthaltene Wasserdampf entsteht einerseits bei der Verbrennung von im Kraftstoff befindlichen Kohlenwasserstoffen. Bei dieser Verbrennung ent steht Kohlendioxid und Wasser. Wird die Verbrennungskraftmaschine mit einer Wassereinspritzanlage zur Senkung der Abgasemission und/oder zur Leistungs steigerung betrieben, ist zusätzlich die eingespritzte Menge Wasser zumindest teilweise als Wasserdampf im Abgas vorhanden.

Der Wasserdampf ist ein Gas, das sich in einem Zustand nahe seiner Verflüssi gung befindet. Eine Temperatursenkung des Wasserdampfes unterhalb seines Taupunktes führt zur Verflüssigung. Dieser Vorgang wird als Kondensation be zeichnet. Mit Kondensationswirkungsgrad ist in diesem Zusammenhang gemeint, in welchem Verhältnis die kondensierte Wassermenge zu der angebotenen Menge Wasserdampfes bezogen auf ein vorgebbares Zeitintervall bzw. ein vorgebbares Abgasvolumen steht. Erfindungsgemäß werden demzufolge mindestens 25% des im Abgas enthaltenen und die Kondensationsvorrichtung durchströmenden Was serdampfes zu flüssigem Wasser kondensiert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens 50% des angebotenen Wasserdampfes zu Wasser kondensiert werden.

Dieser Kondensationswirkungsgrad wird dabei über den gesamten Betriebsbe reich der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet. Der Betriebsbereich der Ver brennungskraftmaschine beschreibt in diesem Zusammenhang alle im Fahrbetrieb möglichen Betriebszustände. Dies bezieht sich beispielsweise auf den kompletten Drehzahlbereich, mögliche Variationen des verbrannten Luft-Kraftstoff- Gemisches oder unterschiedliche Abgastemperaturen, die von der Verbrennungs kraftmaschine erzeugt werden. Das Kondensieren von mindestens 25% des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes über den gesamten Betriebsbereich der Ver brennungskraftmaschine stellt eine ausreichende Menge Wasser beispielsweise für eine Wassereinspritzanlage zur Verfügung. Eine Bevorratung von zusätzli chem Wasser bzw. die Entnahme von einer ergänzenden Wassermenge aus ande ren Wasserkreisläufen wird somit vermieden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Menge des konden sierten Wassers überwacht. Die Menge des kondensierten Wassers während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine ist meist nicht konstant. Sie ist bei spielsweise abhängig von den im Abgas herrschenden Temperaturen. Die Über wachung der Menge des kondensierten Wassers hat den Vorteil, daß gegebenen falls Maßnahmen zur Sicherstellung des Kondensationswirkungsgrades von min destens 25% erfolgen können.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Kondensation des Wasserdampfes durch ein Entspannen des Abgases bewirkt. Die Temperatur, bei der der Wasserdampf kondensiert (Taupunkt), ist abhängig vom Druck in dem Leitungssystem, durch welches das Abgas mit dem Wasserdampf strömt. Ein Ent spannen des Abgases, also die Reduzierung des Abgasdruckes im Leitungssystem, kann demzufolge bei gleichbleibender Abgastemperatur zur Kondensation des Wassers führen.

Diese Druckreduzierung wird bevorzugt mit einer Düse bewirkt. Unter einer Düse wird dabei eine Vorrichtung verstanden, welche den Querschnitt des Abgaslei tungssystems in Strömungsrichtung zunächst verengt und anschließend wieder vergrößert. Mit der Düse wird erreicht, daß der Druck des Abgases in Strömungs richtung sinkt und Wasser kondensiert.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Temperatur absenkung des Abgases durch zusätzliche Kühlsysteme, insbesondere einen Wärmetauscher und/oder einem Kühlelement, bewirkt. Durch die Verwendung derartiger Kühlsysteme wird dem Abgas Wärme entzogen, wodurch die Tempe ratur des Abgases sinkt und der enthaltene Wasserdampf auskondensiert.

Wird für eine Temperaturabsenkung des Abgases ein Wärmetauscher mit einem Kühlmittel eingesetzt, ist es besonders vorteilhaft, als Kühlmittel das bereits kon densierte Wasser zu verwenden. Beispielsweise ist es möglich, das Wasser an der Kondensationsvorrichtung vorbei zu führen, wenn der Transport zur Wasserein spritzanlage folgt. Auf diese Weise entzieht das kondensierte Wasser selbst dem Abgas Wärme und fördert die Gewinnung weiteren Wassers aus dem Abgas.

Ist die Kondensationsvorrichtung in bzw. an einem Kraftfahrzeug mit einer Kli maanlage angeordnet und wird die Temperatursenkung des Abgases durch einen Wärmetauscher mit einem Kühlmittel bewirkt, so wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens vorgeschlagen, das Kühlmittel der Klimaanlage zu entnehmen. Eine Klimaanlage weist üblicherweise einen Kondensator und einen Verdampfer sowie mindestens einen Wasserkreislauf auf. Die Klimaanlage ist im wesentlichen unabhängig von dem Betriebsverhalten der Verbrennungskraftma schine, wobei eine erforderliche Kühlwirkung schnell erreichbar ist. Die Nutzung des Kühlwasserkreislaufs der Klimaanlage für eine Temperatursenkung des Abga ses in der Kondensationsvorrichtung ist auf diese Weise schnell und zu jedem Zeitpunkt gewährleistet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Kondensationswir kungsgrad der Kondensationsvorrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur des Abgases geregelt. Weist das Abgas eine sehr hohe Temperatur auf, so ist der ent haltene Wasserdampf stark überhitzt. Zur Verflüssigung von stark überhitztem Wasserdampf bedarf es einer größeren Temperatursenkung. Die Temperatur des Abgases wird demnach als Parameter herangezogen, um die Eigenschaften, wie beispielsweise die Kühlwirkung, der Kondensationsvorrichtung dahingehend zu verändern, daß der erforderliche Kondensationswirkungsgrad gewährleistet ist.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, den Kondensationswirkungsgrad der Kondensationsvorrichtung in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine zu regeln. Aus dem Betriebszustand der Verbrennungsmaschine können Informationen über die ein gespritzte Kraftstoff bzw. Wassermenge gewonnen werden, die einen entschei denden Einfluß auf den angebotenen Wasserdampf in der Kondensationsvorrich tung haben. Der Kondensationswirkungsgrad der Kondensationsvorrichtung kann nun so gewählt werden, daß die erforderliche Menge Wasser erzeugt wird.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist es besonders vor teilhaft, bei Frostgefahr die Leitungsanordnung und/oder den Behälter zu behei zen. Dies gilt insbesondere während eines Zeitraumes nach dem Start der Ver brennungskraftmaschine. Auf diese Weise wird verhindert, daß das kondensierte Wasser in der Leitungsanordnung und/oder dem Behälter gefriert. Dadurch ist beispielsweise eine Versorgung der Wassereinspritzanlage mit kondensiertem Wasser auch bei Frostgefahr gewährleistet.

Besonders vorteilhaft ist es, die Leitungsanordnung und/oder den Behälter elek trisch zu beheizen. Dabei wird insbesondere ein Stromfluß in dem Material der Leitungsanordnung und/oder des Behälters verwirklicht, wodurch aufgrund des elektrischen Materialwiderstandes eine Erwärmung der Leitungsanordnung und/oder des Behälters erfolgt. Als Stromquelle kann beispielsweise die Batterie in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Leitungsanordnung und/oder der Behälter mittels Kühlwasser aus dem Kühlkreislauf der Verbren nungskraftmaschine beheizt. Das Kühlwasser nimmt beim Vorbeiströmen an hei ßen Teilen der Verbrennungskraftmaschine Wärme auf, die es anschließend an die Leitungsanordnung und/oder den Behälter wieder abgibt.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Leitungsan ordnung und/oder der Behälter mittels dem Abgas der Verbrennungskraftmaschi ne beheizt. Das heiße Abgas wird dabei an der Leitungsanordnung und/oder dem Behälter vorbeigeführt, wodurch ein Wärmeübergang vom heißen Abgas zur kühlen Leitungsanordnung und/oder dem kühlen Behälter gewährleistet wird.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist es besonders vor teilhaft, daß eine Korrosion der Leitungsanordnung und des Behälters durch das kondensierte Wasser mit einer Opferanode verhindert wird. Mit Korrosion ist hier die Reaktion eines metallischen Werkstoffs mit seiner Umgebung gemeint, die eine Veränderung des Werkstoffs bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Bauteils führen kann. Insbesondere bei metallischen Leitungsanord nungen und/oder Behältern, in denen Wasser geführt oder gespeichert wird, treten im wesentlichen elektrochemische Korrosionsreaktionen auf.

Ein elektrochemisches Korrosionselement besteht aus einer "anodischen" und einer "kathodischen" Fläche (beispielsweise Teile der Leitungsanordnung bzw. des Behälters aus unterschiedlichem metallischen Material), die Elektronen lei tend miteinander verbunden sind und von einem Elektrolyten (beispielsweise Wasser) benetzt sind. Es kann ein Korrosionsstrom fließen. Als "Anode" kann ein unedlerer Werkstoffbereich in der Gesamtfläche oder bei einer Werkstoffeinspa rung (z. B. Schrauben-, Niet- oder Schweißverbindungen) wirken. Kathoden sind vergleichweise edlere Werkstoffe. Aufgrund dieser elektrochemischen Vorgänge werden aus der Anode Metallionen herausgelöst. Durch den Einsatz einer Op feranode, welche aus einem geeigneten, unedlen Material (beispielsweise Zink) ist, erfolgt ein Materialabtrag lediglich an der Opferanode. Die Funktionstüchtig keit und die Betriebssicherheit der Leitungsanordnung und des Behälters wird auf diese Weise gesichert.

Gemäß einem weiteren erfinderischen Gedanken wird eine Kondensationsanord nung zur Erzeugung einer erforderlichen Menge Wasser durch Kondensation von dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine enthaltenem Wasserdampf vorge schlagen, wobei das Wasser insbesondere einer Wassereinspritzanlage der Ver brennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges zugeführt wird. Das kondensierte Wasser wird in einer Leitungsanordnung geführt und in einem Behälter gespei chert. Diese Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß eine Kondensationsvor richtung über den gesamten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine ei nen mittleren Kondensationswirkungsgrad von mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 50%, aufweist, wodurch eine Bereitstellung von zusätzlichem Wasser vermieden wird. Eine solche Kondensationsvorrichtung ist in einer Abgasleitung der Verbrennungskraftmaschine integriert. Sie ist für das Abgas durchströmbar, wobei sie in der Lage ist, mindestens 25% des Wasserdampfes, der im Abgas enthalten ist, zu verflüssigen. Somit stellt die Kondensationsvorrichtung stets aus reichend Wasser für eine Wassereinspritzanlage zur Verfügung.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Kondensationsvorrichtung eine Düse auf, in der das Abgas entspannt wird. Die Düse bewirkt, daß stromabwärts der Düse das Abgas einen geringeren Druck aufweist, wobei dies insbesondere durch eine begrenzte Querschnittsverengung der Abgasleitung bewirkt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat die Kondensationsvorrichtung einen Wärmetauscher mit einem Kühlmittel zur Temperatursenkung des Abgases. Der Wärmetauscher ist dabei entweder im Inneren der Kondensationsvorrichtung angeordnet oder er umschließt diese zumindest teilweise. Das Kühlmittel im Wär metauscher wird mit einer niedrigen Temperatur zur Kondensationsvorrichtung geleitet, nimmt dort Wärme auf, wodurch das Abgas gleichzeitig gekühlt wird, und wird anschließend wieder auf eine niedrige Temperatur gekühlt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Kühlmittel des Wärmetauschers das bereits kondensierte Wasser. Dabei wird das kondensierte Wasser auf seinem Weg beispielsweise zur Wassereinspritzanlage an der Kondensationsvorrichtung vorbeigeführt, um auf die oben beschriebene Weise dem Abgas thermische Ener gie zu entziehen.

Ist die Kondensationsanordnung in bzw. an einem Kraftfahrzeug mit einer Klima anlage angeordnet, so ist es besonders vorteilhaft, wenn das Kühlmittel des Wär metauschers aus der Klimaanlage stammt. Die Klimaanlage basiert ebenfalls auf dem Prinzip des Wärmetauschers, wobei sie einen Heiz- und einen Kühlwasser kreislauf aufweist. Der Kühlmittelkreislauf der Klimaanlage ist demzufolge vor teilhafterweise mit dem Wärmetauscher der Kondensationsvorrichtung kombi niert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kondensationsvorrichtung ein Kühlelement auf, insbesondere ein Peltier-Kühlelement. Peltier-Kühlelemente weisen Halbleiter auf, die so angeordnet sind, daß diese bei entsprechend ange legter Spannung einer Oberfläche Wärme entziehen bzw. selbst Wärme abstrah len. Ein solches Perltier-Kühlelement ist beispielsweise an der Kondensationsvor richtung so befestigt, daß die anliegende Fläche des Perltier-Elements Wärme absorbiert und somit die Temperatur des durchströmenden Abgases reduziert wird.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform weist die Kondensationsvorrich tung ein Kondensatsammelbecken auf. Der Wasserdampf kondensiert an ver schiedenen Begrenzungsflächen der Kondensationsvorrichtung. Das kondensierte Wasser fließt anschließend in das Sammelbecken und anschließend in die Lei tungsanordnung. Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung weist der Behälter eine Füllstandsüberwachung auf. Die Füllstandsüberwachung überprüft die ver fügbare Menge Wasser im Behälter. Gegebenenfalls werden die Informationen, die mit Hilfe der Füllstandsüberwachung gewonnen werden, für eine Regelung des Betriebes der Kondensationsanordnung verwendet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kondensationsanordnung eine Kondensatförderpumpe auf. Die Kondensatförderpumpe gewährleistet den Trans port des kondensierten Wassers in der Leitungsanordnung.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform weist die Kondensationsanordnung, insbesondere die Leitungsanordnung und/oder der Behälter, eine Opferanode zum Korrosionsschutz auf. Durch Korrosion bedingte Materialauflösung findet dabei im wesentlichen nur an der Opferanode statt, wodurch die Leitungsanordnung und/oder der Behälter unbeschädigt bleibt. Dadurch wird die Lebensdauer der Kondensationsanordnung deutlich erhöht.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Leitungsanordnung mit der Was sereinspritzanlage der Verbrennungskraftmaschine verbunden. Das zur Verfügung gestellte Wasser wird der Verbrennungskraftmaschine durch die Wassereinspritz anlage zur Verfügung gestellt, wodurch eine Reduzierung der Schadstoff- Emission sowie eine Leistungssteigerung der Verbrennungskraftmaschine mög lich ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wassereinspritzanlage und/oder die Kon densatförderpumpe mit einer Steuereinheit verbunden sind. Die Steuereinheit ge währleistet, daß der Wassereinspritzanlage die erforderliche Menge Wasser, ggf. durch die Kondensatförderpumpe, zur Verfügung gestellt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit mit der Füll standsüberwachung des Behälters verbunden. Die von der Füllstandsüberwachung gewonnenen Daten werden an die Steuereinheit weitergeleitet, die gegebenenfalls Einfluß auf das Betriebsverhalten der Kondensationsvorrichtung nimmt.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung ist die Leitungsanordnung heizbar, wodurch insbesondere bei Frostgefahr eine Bereitstellung von Wasser gewährlei stet wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Leitungsanordnung elektrisch beheizbar ist. Die Leitungsanordnung ist dabei mit einer Spannungsquelle ver bunden, wobei durch Nutzung des elektrischen Materialwiderstandes die Lei tungsanordnung selbst erwärmt wird.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform weist die Leitungsanordnung eine Heizleitung auf, welche für ein warmes Fluid, insbesondere das Abgas- oder das Kühlwasser der Verbrennungsmasschine, durchströmbar ist. Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Kondensationsanordnung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kondensati onsanordnung mit Verbrennungsmotor und Wassereinspritzung,

Fig. 2 eine Ausführungsform einer Kondensationsvorrichtung mit einer Klimaanlage,

Fig. 3 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungs gemäßen Kondensationsvorrichtung mit einem Kühlelement und

Fig. 4 eine Ausführungsform einer Heizleitung für eine Leitungsanord nung der erfindungsgemäßen Kondensationsanordnung.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Kondensationsan ordnung mit einer Verbrenungskraftmaschine 3 und einer Wassereinspritzanlage 4. Das von der Verbrennungskraftmaschine 3 erzeugte Abgas 2 wird durch eine Abgasleitung 22 in die Umgebung abgegeben. Die Abgasleitung 22 ist mit einem Katalysator 23 zur Umsetzung der Schadstoffe im Abgas 2 ausgeführt. Für eine Reduzierung der Geräuschemission weist die Abgasleitung 22 zusätzlich einen Schalldämpfer 24 auf. Weiterhin weist die Abgasleitung 22 eine für ein Abgas 2 durchströmbare Kondensationsvorrichtung 7 auf.

Die Kondensationsvorrichtung 7 hat über den gesamten Betriebsbereich der Ver brennungsmaschine 3 einen mittleren Kondensationswirkungsgrad von minde stens 25%. Die Kondensationsvorrichtung 7 kondensiert den im Abgas 2 enthal tenen Wasserdampf 16, sammelt dieses in einem Kondensatsammelbecken 17 und wird über eine Leitungsanordnung 5 der Wassereinspritzanlage 4 zugeführt. Die Leitungsanordnung 5 weist einen Behälter 6 auf, in dem das kondensierte Wasser 1 ggf. gespeichert werden kann. Um Korrosion zu vermeiden, ist in dem Behälter 6 eine Opferanode 15 angeordnet. Der Transport des kondensierten Wassers 1 von der Kondensationsvorrichtung 7 zur Wassereinspritzanlage 4 wird mit Hilfe einer Kondensatförderpumpe 19 durchgeführt.

Da abhängig vom Betriebszustand der Verbrennungsmaschine 3 unterschiedliche Mengen des kondensierten Wassers 1 von der Wassereinspritzanlage benötigt wird, wird der Transport des kondensierten Wassers 1 durch eine Steuereinheit 20 kontrolliert. Die Steuereinheit 20 steuert das Betriebsverhalten der Kondensatför derpumpe 19 in Abhängigkeit der von der Einspritzanlage 4 benötigten Wasser menge 1. Zusätzlich ist die Steuereinheit 20 mit einer Füllstandsüberwachung verbunden, welche den Vorrat an kondensiertem Wasser 1 in dem Behälter 6 überwacht. Wird von der Steuereinheit beispielsweise festgestellt, daß die Wasse reinspritzanlag 4 eine größere Menge Wasser 1 benötigt als in dem Behälter 6 vorrrätig ist, kann ggf. das Betriebsverhalten der Kondensationsvorrichtung beeinflußt und die Menge des aus dem Abgas 2 zu kondensierenden Wassers 1 erhöht werden.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Kondensationsvorrichtung 7. Die Kondensationsvorrichtung 7 ist als Düse 8 aus geführt. Das die Düse 8 durchströmende Abgas 2 mit dem Wasserdampf 16 wird entspannt (der Druck wird gesenkt). Auf diese Weise wird das Wasser 1 konden siert. Die Kondensationsvorrichtung 7 ist von einem Wärmetauscher 9 umgeben. Durch den Wärmetauscher 9 strömt ein Kühlmittel 11, welches bei dieser Ausfüh rungsform von einer Klimaanlage 12 entnommen wird. Das Kühlmittel 11 nimmt dabei thermische Energie von der Kondensationsvorrichtung 7 auf, wodurch eine Temperaturabsenkung des Abgases 2 und eine Kondensation des Wassers 1 unter stützt wird.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Konden sationsvorrichtung 7. Die Kondensationsvorrichtung 7 wird von einem Abgas 2 mit Wasserdampf 16 durchströmt, wobei Wasser 1 kondensiert wird. Die Konden sationsvorrichtung 7 ist von einem Kühlelement 10 umgeben. Dieses Kühlelement 10 ist als Peltier-Kühlelement ausgeführt. Dabei sind Halbleiter 26 mit einer Spannungsquelle 28 verbunden und mit einer ersten 25 und einer zweiten Isolier matte 27 ausgeführt. Die Isoliermatten 25 und 27 dienen der elektrischen Isolie rung der Halbleiter 26. Bei dieser Anordnung des Kühlelementes 10 und einer geeigneten Spannungsquelle 28 absorbiert die zweite Isoliermatte 27 thermische Energie, wobei diese über die erste Isoliermatte 25 wieder abgegeben wird. Die Kondensationsvorrichtung 7 wird somit gekühlt, die Temperatur des durchströ menden Abgases 2 gesenkt und Wasser 1 kondensiert.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Heizleitung zur Verhinderung des Ein frierens des Wassers 1 bei Frostgefahr. Die Leitungsanordnung 5 ist wendelför mig von der Heizleitung 21 umgeben. Die Heizleitung 21 ist mit einem Kühler 29 sowie der Verbrennungskraftmaschine 3 verbunden. Das Kühlwasser 13 nimmt während des Vorbeiströmens an der Verbrennungskraftmaschine 3 Wärme auf, und gibt diese beim Vorbeiströmen an der kälteren Leitungsanordnung 5 wieder ab. Auf diese Weise wird ein Einfrieren des in der Leitungsanordnung 5 befindli chen Wassers 1 verhindert und die Funktionalität der Wassereinspritzanlage 4 sichergestellt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasser durch Kondensation von im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine ent haltenem Wasserdampf vermeidet eine zusätzliche Bereitstellung von Wasser in einem separaten und nachfüllbaren Tank.

Bezugszeichenliste

1

Wasser

2

Abgas

3

Verbrennungskraftmaschine

4

Wassereinspritzanlage

5

Leitungsanordnung

6

Behälter

7

Kondensationsvorrichtung

8

Düse

9

Wärmetauscher

10

Kühlelement

11

Kühlmittel

12

Klimaanlage

13

Kühlwasser

14

Kühlkreislauf

15

Opferanode

16

Wasserdampf

17

Kondensatsammelbecken

18

Füllstandsüberwachung

19

Kondensatförderpumpe

20

Steuereinheit

21

Heizleitung

22

Abgasleitung

23

Katalysator

24

Schalldämpfer

25

erste Isoliermatte

26

Halbleiter

27

zweite Isoliermatte

28

Spannungsquelle

29

Kühler

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von einer erforderlichen Menge Wasser (1) durch Kondensation von im Abgas (2) einer Verbrennungskraftmaschine (3) enthaltenem Wasserdampf (16), insbesondere für eine Wasserein spritzanlage (4) einer Verbrennungskraftmaschine (3) eines Kraftfahrzeu ges, wobei das kondensierte Wasser (1) mit einer Leitungsanordnung (S) geführt und in einem Behälter (6) gespeichert wird, dadurch gekennzeich net, daß die erforderliche Menge Wasser (1) aus dem Abgas (2) mittels ei ner Kondensationsvorrichtung (7) kondensiert wird, die über den gesamten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine (3) einen mittleren Kon densationswirkungsgrad von mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 50%, aufweist und somit eine Bereitstellung von zusätzlichem Wasser (1) vermieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des kondensierten Wassers (1) überwacht wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kondensation des Wasserdampfes (16) durch ein Entspannen des Abgases (2), insbesondere mit einer Düse (8), bewirkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kondensation des Wasserdampfes (16) durch zusätzliche Kühlsyste me (9, 10), insbesondere einen Wärmetauscher (9) und/oder ein Kühlele ment (10), bewirkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Temperaturabsenkung des Abgases (2) durch einen Wärmetauscher (9) mit einem Kühlmittel (11) bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel (11) das kondensierte Wasser (1) verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Kondensationsvorrichtung (7) in bzw. an einem Kraftfahrzeug mit einer Klimaanlage (12) angeordnet ist und die Temperaturabsenkung des Abgases (2) durch einen Wärmetau scher (9) mit einem Kühlmittel (11) bewirkt wird, dadurch gekennzeich net, daß das Kühlmittel (11) der Klimaanlage (12) entnommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationswirkungsgrad der Kondensationsvorrichtung (7) in Ab hängigkeit von der Temperatur des Abgases (2) geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationswirkungsgrad der Kondensationsvorrichtung (7) in Ab hängigkeit von dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine (3) geregelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Frostgefahr, insbesondere nach dem Start der Verbrennungskraftma schine (3), die Leitungsanordnung (5) und/oder der Behälter (6) beheizt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsan ordnung (5) und/oder der Behälter (6) elektrisch beheizt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsan ordnung (5) und/oder der Behälter (6) mittels Kühlwasser (13) aus dem Kühlkreislauf (14) der Verbrennungskraftmaschine (3) beheizt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanordnung (5) und/oder der Behälter (6) mittels dem Abgas (2) der Verbrennungskraftmaschine (3) beheizt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korrosion der Leitungsanordnung (5) und/oder des Behälters (6) durch das kondensierte Wasser (1) mit einer Opferanode (15) verhindert wird.

14. Kondensationsanordnung zur Erzeugung einer erforderlichen Menge Was ser (1) durch Kondensation von im Abgas (2) einer Verbrennungskraftma schine (3) enthaltenem Wasserdampf (4), insbesondere für eine Wasser einspritzanlage (4) der Verbrennungskraftmaschine (3) eines Kraftfahr zeuges, wobei das kondensierte Wasser (1) in einer Leitungsanordnung (5) geführt wird und in einem Behälter (6) gespeichert wird, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Kondensationsvorrichtung (7) über den gesamten Be triebsbereich der Verbrennungskraftmaschine (3) einen mittleren Konden sationswirkungsgrad von mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 50%, aufweist, wodurch eine Bereitstellung von zusätzlichem Wasser (1) ver mieden wird.

15. Kondensationsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsvorrichtung (7) eine Düse (8) aufweist, in der das Abgas (2) entspannt wird.

16. Kondensationsanordnung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kondensationsvorrichtung (7) einen Wärmetauscher (9) mit einem Kühlmittel (11) zur Temperatursenkung des Abgases (2) auf weist.

17. Kondensationsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (11) des Wärmetauschers (9) das kondensierte Wasser (1) ist.

18. Kondensationsanordnung nach Anspruch 15, wobei die Kondensationsan ordnung (7) in bzw. an einem Kraftfahrzeug mit einer Klimaanlage (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (11) des Wärmetauschers (9) aus der Klimaanlage (12) stammt.

19. Kondensationsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsvorrichtung (7) ein Kühlelement (10), insbesondere ein Peltier-Kühlelement, aufweist.

20. Kondensationsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsvorrichtung (7) ein Kondensat sammelbecken (17) aufweist.

21. Kondensationsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (6) eine Füllstandsüberwachung (18) aufweist.

22. Kondensationsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsanordnung eine Kondensatförder pumpe (19) aufweist.

23. Kondensationsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsanordnung, insbesondere die Lei tungsanordnung (5) und/oder der Behälter (6), eine Opferanode (15) zum Korrosionsschutz aufweist.

24. Kondensationsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanordnung (5) mit der Wassereinspritz anlage (4) der Verbrennungskraftmaschine (3) verbunden ist.

25. Kondensationsanordnung nach einem der Ansprüche 22 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassereinspritzanlage (4) und/oder die Kondensatför derpumpe (19) mit einer Steuereinheit (20) verbunden sind.

26. Kondensationsanordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (20) mit der Füllstandsüberwachung (18) des Behälters (6) verbunden ist.

27. Kondensationsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanordnung (5), insbesondere bei Frostge fahr, heizbar ist.

28. Kondensationsanordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanordnung (5) elektrisch beheizbar ist.

29. Kondensationsanordnung nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekenn zeichnet, daß die Leitungsanordnung (5) eine Heizleitung (21) aufweist, die für ein warmes Fluid (2, 13), insbesondere das Abgas (2) oder das Kühlwasser (13) der Verbrennungsmaschine (3), durchströmbar ist.