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Die
Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug-Abgasanlage, welche zumindest
eine Gasleitungskomponente umfasst, der ein Kondensatabscheider
zugeordnet ist.
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Die
Lebensdauer einer Kraftfahrzeug-Abgasanlage ist, abgesehen von mechanischen
Beanspruchungen und äußeren Beschädigungen,
wesentlich durch Korrosion, und hier insbesondere durch innere Korrosion,
bestimmt. Innere Korrosion wird verursacht durch einen sogenannten
sauren Niederschlag. Wenn der Motor abgeschaltet wird, kühlt die Abgasanlage
ab und die Verbrennungsgase, die im Auspuff verbleiben, kondensieren
und bilden einen sauren Niederschlag (Kondensat). Hierbei handelt
es sich um einen sauren Elektrolyten, der mit Schwefel oder kohlenstoffhaltigen
Partikeln versetzt ist. Das Kondensat wird bei erneutem Betrieb
des Fahrzeugs ausgestoßen – jedoch
nur, wenn der Abgasdurchsatz die Abgasanlage entsprechend erhitzt
und durchlüftet.
Wenn dies nicht der Fall ist, sammelt sich das saure Kondensat innerhalb
der Abgasanlage, meist innerhalb des Schalldämpfers, an und beschleunigt dadurch
die innere Korrosion.
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Die
Auswirkungen der inneren Korrosion sind umso stärker, je weiter eine Gasleitungskomponente
der Abgasanlage vom Motor entfernt liegt oder je kälter das
Abgas ist, da unter diesen Umständen die
weiter entfernt liegenden Teile eine längere Zeit brauchen, um die
zur Absorption des sauren Kondensats notwendige Temperatur zu erreichen.
Besonders gefährdet
sind daher der Schalldämpfer
bzw. der hintere Auspufftopf.
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Zur
Vermeidung von Korrosion im Inneren einer Kraftfahrzeug-Abgasanlage
ist es bekannt, am tiefstliegenden Bereich des Schalldämpfergehäuses Kondensatauslassöffnungen
vorzusehen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass im Bereich der Kondensatauslassöffnungen
erhöhte
Korrosionserscheinungen auftraten, so dass sich diese Maßnahme als
eher nachteilig erwiesen hat. Auch kann Abgas über die Kondensatauslassöffnungen
aus dem System austreten.
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Die
DE 35 29 010 A1 schlägt deshalb
einen Schalldämpfer
vor, bei dem das Kondensat mit dem Abgas abgeführt werden soll. Dies geschieht über die Abgasführung in
dem mehrkammerigen Schalldämpfer
und durch Anordnung eines Abgasaustrittsrohrs, in dem Abzugslöcher für das Kondenat
vorgesehen sind. Im Gehäuse
angesammeltes Kondensat soll durch die Abzugslöcher in das Abgasaustrittsrohr übertreten,
wo durch das Abgas eine Absaugung bewirkt und das Kondensat mit
dem Abgasstrom ausgetragen wird.
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Eine ähnliche
Lösung
schlägt
die
DE 34 02 810 A1 vor.
Dort wird das Kondensat an der tiefsten Stelle im Schalldämpfer gesammelt.
Nach dem Prinzip eines Venturirohres wird in der Abgasanlage durch
eine Verengung ein Unterdruck gegenüber der Kondensatsammelstelle
erzeugt. Infolge des Unterdrucks wird das Kondensat über ein
Verbindungsröhrchen
in die Verengung eingeleitet und mit dem ausströmenden Abgas ausgetragen.
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Es
sind im Stand der Technik auch Kondensatabscheider bekannt, bei
denen Schwimmer zum Einsatz kommen (
DE 72 32 692 U ,
DE 35 19 593 A1 ). In der
US 2 115 228 A wird beispielsweise
ein Kondensatabscheider beschrieben, der zum Sammeln und Reinigen
des Kondensats vorgesehen ist und einen Kraftstoffseparator vorsieht.
Hierbei kommt ein schwer zu tarierender Schwimmer zum Einsatz, der aus
einem Material gefertigt sein soll, dessen Dichte größer ist
als die des brennbaren, oben schwimmenden Kondensats, jedoch geringer
ist, als die des unterhalb des brennbaren Kondensats stehenden Wassers. Über den
Schwimmer wird ein Nadelventil geöffnet, welches über einen
federbelasteten Hebelmechanismus mit dem Schwimmer verbunden ist.
Diese Konstruktion ist technisch sehr aufwendig. Eine ähnliche
Variante, bei der allerdings der Schwimmer in der Kondensatsammelkammer
angeordnet ist, ist Gegenstand der
US 3,126,877 A .
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Der
Erfindung liegt, ausgehend vom Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde,
eine Kraftfahrzeug-Abgasanlage derart zu verbessern, dass Kondensat
an einem bestimmten Ort gesammelt und ausgetragen wird, ohne dass
hierbei ein Austausch von Gas zwischen dem Inneren der Abgasanlage und
der Umgebung erfolgt.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Kraftfahrzeug-Abgasanlage gemäß den Merkmalen
von Anspruch 1.
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Kernpunkt
der Erfindung bildet die Maßnahme,
dass der Kondensatabscheider eine Kondensatsammelkammer mit einem
Kondensateinlass und einem Kondensatauslass aufweist, wobei in der
Kondensatsammelkammer ein Schwimmer angeordnet ist. Der in der Kondensatsammelkammer
angeordnete Schwimmer stellt eine zuverlässige Abdichtung des Inneren
der Kraftfahrzeug-Abgasanlage bzw. der Gasleitungskomponente gegenüber der
Atmosphäre sicher.
Ein Austritt von Abgas über
den Kondensatabscheider wird zuverlässig unterbunden.
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Der
Schwimmer ist zusätzlich
an seinem Außenumfang
gegenüber
der Innenwand der Kondensatsammelkammer abgedichtet. Hierfür sind am
Außenumfang
geeignete Dichtelemente oder Dichtkonturen ("Labyrinth") vorgesehen.
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Die
Kondensatsammelkammer kann an funktions- und bauteilgerechter Stelle
innerhalb der Kraftfahrzeug-Abgasanlage angeordnet werden, zweckmäßigerweise
im Bereich des tiefsten Punktes der Schwerkraftlinie, so dass sich
das anfallende Kondensat hier sammelt. Die Schwerkraft kann von der
Gravitation als auch von einer (Zentrifugal-) Beschleunigung herrühren. In
der Kondensatsammelkammer befindet sich der Schwimmer, der im abgesenkten
Zustand den Kondensatauslass verschließt. Der Schwimmer wird durch
das Kondensat aus der Schließstellung
angehoben, bis der Kondensatauslass freigegeben wird und Kondensat
aus dem System abfließen
kann.
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Der
in der Kondensatsammelkammer angeordnete Schwimmer reguliert den
Kondensatfluss zwischen dem Kondensateinlass und dem Kondensatauslass
derart, dass ein Austritt von Abgas über den Kondensatauslass verhindert
wird. Hierbei fungiert das Kondensat selber als Sperrflüssigkeit
zwischen dem Kondensateinlass und dem Kondensatauslass. Der erfindungsgemäße Kondensatabscheider
steuert das Öffnen
und Schließen
des Kondensatauslasses selbsttätig.
Eine externe Energiezufuhr ist nicht notwendig. Anfallendes Kondensat
wird zusammen mit Staubpartikeln ausgetragen. Durch die gezielte
Sammlung und Abführung
des Kondensats kann die Beständigkeit
der Kraftfahrzeug-Abgasanlage gegen Korrosion und damit die Lebensdauer
insgesamt deutlich erhöht
werden. Vorteilhafterweise besteht die Kondensatsammelkammer aus
einem säure-
bzw. korrosionsbeständigen
Werkstoff, beispielsweise Edelstahl, oder ist innenseitig zumindest in
dem Bereich, der mit Kondensat in Kontakt gelangt, mit einem Korrosionsschutz
versehen. Ein zusätzlicher
aufwändiger
Korrosionsschutz an den übrigen
Komponenten der Abgasanlage oder gar eine Ausführung bestimmter Komponenten
in Edelstahl, wie dem z. B. Schalldämpfergehäuse, ist nicht erforderlich.
Durch die definierte Ableitung des Kondensats kann zudem die Abgasqualität für nachfolgende Abgasbehandlungen
verbessert werden.
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Der
Kondensatabscheider ist modular aufgebaut und kann sowohl in den
Schalldämpfer
als auch als Zwischenstück
in den Rohrstrang einer Abgasanlage integriert werden. Auch eine
Nachrüstung
von Abgasanlagen ist möglich.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des grundsätzlichen
Erfindungsgedanken sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis
8.
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Insbesondere
ist der Schwimmer als Ring- oder Hohlkörper ausgeführt. Für die Ableitung des Kondensats
ist im Schwimmer ein Durchflusskanal vorgesehen. Vorteilhafterweise
ist der Durchflusskanal zentrisch im Schwimmer angeordnet. Der Durchflusskanal
stellt einen Druckausgleich zwischen der Ober- und der Unterseite
des Schwimmers sicher, so dass Kondensat unter den Schwimmer fließen kann. Das
abfließende
Kondensat hebt den Schwimmer an, bis dieser die Öffnung des Kondensatauslasses freigibt
und Kondensat nach außen
abfließt.
Danach sinkt der Schwimmer wieder ab und verschließt den Kondensatauslass.
Der Durchflusskanal verhindert schnelle Druckwechsel zwischen der
Ober- und der Unterseite und wirkt somit dämpfend gegen mechanische Schwingungen.
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Dem
Schwimmer ist vorteilhafterweise kondensateinlassseitig eine Auftriebsbegrenzung
zugeordnet. Die Auftriebsbegrenzung verhindert, dass der Schwimmer
aus der Kondensatsammelkammer gehoben bzw. geschwemmt wird. Dies
ist insbesondere auch im Fahrbetrieb bei Schief- oder Schräglagen des
Kraftfahrzeugs bzw. der Kraftfahrzeug-Abgasanlage von Vorteil.
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Zur
Verbesserung der Wirksamkeit im praktischen Einsatz kann die Kondensatsammelkammer temperiert,
also beheizt oder gekühlt
werden. Insbesondere kann eine Beheizung der Kondensatsammelkammer
vorgesehen sein, um ein Einfrieren des kondensatgeschmierten und
-gedichteten Schwimmers in der Kondensatsammelkammer sowie ein Vereisen
des Kondensatauslasses zu vermeiden.
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Der
Kondensatabscheider bzw. die Kondensatsammelkammer kann mit Sensoren
für eine
Zustandsüberwachung
versehen sein, beispielsweise in Form einer Lageerkennung zur Überwachung
der Position des Schwimmers in der Kondensatsammelkammer. Hierzu
können
Reed-Schalter oder Hall-Sensoren in der Kondensatsammelkammer angeordnet
sein, welche von einem Magneten im Schwimmer oder von dessen magnetischem
Feld selbst berührungslos
geschaltet werden. Hierdurch ist eine Betriebsüberwachung möglich. Diese
Anordnung kann auch redundant ausgeführt werden, um mittels einer
zweiten Magnet-Sensor-Anordnung eine Plausibilitätsprüfung der ersten Zustandsmeldung
vornehmen zu können,
so dass im Fehlerfall eine Störungsmeldung
generiert wird.
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Zur
Steigerung der Effizienz des Kondensatabscheiders kann der Kondensatsammelkammer
ein Kondensator vorgelagert sein. Der Kondensator soll das Abscheiden
des Kondensats in der Abgasanlage gezielt einleiten. Die Kondensation
des sauren Niederschlags erfolgt in der Abgasanlage während der Erwärmung üblicherweise
bei der Abkühlung
im Hauptschalldämpfer,
wo aufgrund der Oberfläche, des
Rauminhalts und des Strömungswiderstands eine
gegenüber
dem Abgasrohr größere Menge
des Abgases gesammelt und gekühlt
wird. Mit zunehmender Erwärmung
der Abgasanlage wandert der Taupunkt zum hinteren Bereich der Abgasanlage
in Richtung Auspuff. Bevor die Siedetemperatur in der Abgasanlage
nicht durchgängig
erreicht ist, und somit die Kondensation noch in der Abgasanlage
erfolgt, soll erfindungsgemäß die Kondensatbildung möglichst
an einem bestimmten Ort stattfinden. Hierzu wird der Kondensator
vorgesehen, in dem das Kondensat aus dem Abgasstrom niedergeschlagen und
der Kondensatsammelkammer zugeleitet wird.
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Bei
einer für
die Praxis besonders vorteilhaften Ausführungsform wird der Kondensator
durch ein Leitungsstück
gebildet mit einem im Verhältnis
zum vorgelagerten Abgasrohr gleichen oder größeren Strömungsquerschnitt. Im Kondensator
wird das Abgas durch Reibung verzögert und somit der dynamische
Druck auf die Leitungswände
lokal erhöht.
Nach dem Kondensator strömt
das Abgas wieder schneller, was zu einer Verringerung des dynamischen Drucks
und der relativen Luftfeuchte führt.
Der Kondensator kann beispielsweise als ein Form-, Well-, Wendel-
oder Glattrohr ausgeführt
sein. Ferner kann der Kondensator Einbauten aufweisen, welche die Kühlfläche vergrößern. Auch
können
Einbauten vorgesehen sein, welche verhindern, dass Kondensat durch
den Abgasstrom aus dem Kondensator geblasen und ausgetragen wird.
In diesem Zusammenhang ist es ferner zweckmäßig, wenn dem Kondensateinlass
zumindest ein Kondensatleitelement vorgeschaltet ist. Hierdurch
wird das Kondensat zur Kondensatsammelkammer geführt und eingeleitet.
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Grundsätzlich ist
auch eine zusätzliche
Kühlung
des Kondensators bzw. dessen Einbauten mittels eines Kühlmediums
sowie einer gegebenenfalls nachfolgenden Erwärmung des Abgases, beispielsweise
durch eine Kondensations-Wärmepumpe,
einen Rekuperator, ein Thermoelement oder ähnliches, möglich, um einen höheren Trocknungsgrad des
Abgases zu erreichen.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
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Die
beiliegende Zeichnung zeigt – technisch schematisiert – einen
Ausschnitt aus einer ansonsten nicht näher dargestellten Kraftfahrzeug-Abgasanlage mit
einer Gasleitungskomponente 1, der ein Kondensatabscheider 2 zugeordnet
ist.
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Der
Kondensatabscheider 2 umfasst eine Kondensatsammelkammer 3 und
einen der Kondensatsammelkammer 3 vorgelagerten Kondensator 4.
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Die
Kondensatsammelkammer 3 besitzt ein zylindrisches Gehäuse 5 und
einen Kondensateinlass 6 sowie einen Kondensatauslass 7.
Durch Befestigungsmittel 8 sind die Kondensatsammelkammer 3 und
der Kondensator 4 lösbar
miteinander gekoppelt. An seinem dem Kondensateinlass 6 gegenüberliegenden
Ende ist das Gehäuse 5 durch
einen Boden 9 verschlossen. Die Verbindung zwischen dem
Kondensator 4 und der Kondensatsammelkammer 3 wird
durch eine Öffnung 10 im
Kondensator 4 hergestellt.
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In
der Kondensatsammelkammer 3 ist ein Schwimmer 11 angeordnet,
der einen zentrischen Durchflusskanal 12 für Kondensat
K besitzt. Am Außenumfang 13 des
Schwimmers 11 sind Dichtelemente oder -konturen 14 vorgesehen,
so dass der Schwimmer 11 gegenüber der Innenwand 15 der Kondensatsammelkammer 3 bzw.
des Gehäuses 5 abgedichtet
ist.
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In
der auf der Zeichnung dargestellten abgesenkten Schließstellung
des Schwimmers 11 verschließt dieser den Kondensatauslass 7.
Bodenseitig liegt der Schwimmer 11 in der Schließstellung
auf einem Abstandsring oder -halter 16 auf. Die Kondensatsammelkammer 3 wird
von einer zentrisch angeordneten Stange 17 durchsetzt,
die an ihrem einen Ende 18 im Boden 9 festgelegt
ist und an ihrem anderen Ende 19 eine Auftriebsbegrenzung 20 trägt. Die
Auftriebsbegrenzung 20 wird durch eine Scheibe 21 gebildet,
welche am Ende 19 der Stange 17 festgelegt ist.
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Der
vom Verbrennungsmotor kommende kondensatbelastete Abgasstrom ist
in der Zeichnung durch den Pfeil A gekennzeichnet. Das Abgas A gelangt
in den Kondensator 4. Hier kondensieren die im Abgas A
enthaltenen Flüssigkeitsbestandteile
und werden zusammen mit Feststoffpartikeln als Kondensat K niedergeschlagen.
Der vom Kondensat K befreite Abgasstrom C strömt aus dem Kondensator 4 und
wird über
die nachgeschalteten Gasleitungskomponenten abgeleitet.
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Der
Kondensator 4 umfasst ein Rohrstück 22, in dem Strömungseinbauten 23 angeordnet
sind. Die Strömungseinbauten 23 dienen
einerseits zur Vergrößerung der
Kühlfläche und
damit zur Verbesserung der Kondensation. Andererseits dienen die Strömungseinbauten 23 als
Kondensatleitelemente zur Überführung des
anfallenden Kondensats K in die Kondensatsammelkammer 3.
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Die
mit Kondensat K in Berührung
gelangenden Komponenten des Kondensatabscheiders 2 sind aus
säure-
bzw. korrosionsbeständigen
Werkstoffen oder mit einem Korrosionsschutz, beispielsweise in Form
einer Beschichtung, versehen.
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Das
aus dem Abgas A abgeschiedene Kondensat K fließt über den Kondensateinlass 6 in
die Kondensatsammelkammer 3 und gelangt durch den Durchflusskanal 12 zum
Boden 9 der Kondensatsammelkammer 3 und damit
unter den Schwimmer 11. Das Kondensat K hebt den Schwimmer 11 an. Der
Auftrieb des Schwimmers 11 ist durch den Pfeil B verdeutlicht.
Durch das sich sammelnde Kondensat K wird der Schwimmer 11 angehoben,
bis dieser den Kondensatauslass 7 freigibt und Kondensat
K nach außen
gedrückt
wird. Danach sinkt der Schwimmer 11 wieder ab und verschließt den Kondensatauslass 7.
Ein Austritt von Abgas A über
den Kondensatauslass 7 ist durch den Schwimmer 11 und
das unter dem Schwimmer 11 anstehende Kondensat K, welches
als Sperrflüssigkeit
fungiert, unterbunden. Kondendat K wird zuverlässig aus der Kraftfahrzeug-Abgasanlage
entfernt, ohne dass Abgas A austreten kann.
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Der
Weg des Schwimmers 11 in der Kondensatsammelkammer 3 ist
in Richtung zum Kondensator 4 durch die Auftriebsbegrenzung 20 begrenzt. Hierdurch
wird verhindert, dass der Schwimmer 11 aus der Kondensatsammelkammer 3 geschwemmt wird.
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Zum
Zwecke der Zustandserkennung bzw. -meldung ist die Kondensatsammelkammer 3 mit
einer Lageerkennung 24 ausgerüstet. Die Lageerkennung 24 umfasst
einen Magneten 25 und Magnetfeld-Sensoren in Form von Reed-Schaltern oder Hall-Sensoren.
Diese können
von dem Magneten 25 im Schwimmer 11 oder von dessen
magnetischem Feld in Abhängigkeit
der auf triebsbedingten Lage des Schwimmers 11 in der Kondensatsammelkammer 3 berührungslos
geschaltet sein.
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- 1
- Gasleitungskomponente
- 2
- Kondensatabscheider
- 3
- Kondensatsammelkammer
- 4
- Kondensator
- 5
- Gehäuse
- 6
- Kondensateinlass
- 7
- Kondensatauslass
- 8
- Befestigungsmittel
- 9
- Boden
- 10
- Öffnung
- 11
- Schwimmer
- 12
- Durchflusskanal
- 13
- Außenumfang
v. 11
- 14
- Dichtelement/Dichtkontur
- 15
- Innenwand
v. 3
- 16
- Abstandsring
oder Abstandshalter
- 17
- Stange
- 18
- Ende
v. 17 (bodenseitig)
- 19
- Ende
v. 17 (öffnungsseitig)
- 20
- Auftriebsbegrenzung
- 21
- Scheibe
- 22
- Rohrstück
- 23
- Strömungseinbauten
- 24
- Lageerkennung
- 25
- Magnet
- K
- Kondensat
- A
- kondensatbelasteter
Abgasstrom
- B
- Auftrieb
- C
- kondenatbefreiter
Abgasstrom