-
Die Erfindung betrifft einen Aktivkohlefilter für ein Kraftfahrzeug, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
-
Aktivkohlefilter für Kraftfahrzeuge sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie dienen typischerweise dazu, Gase, welche im Bereich des Kraftstofftanks anfallen, zu filtern, bevor diese an die Umgebung gelangen. Dadurch sollen Emissionen an Kohlenwasserstoffen in die Umgebung verhindert werden. Diese Aktivkohlefilter sind typischerweise so ausgebildet, dass sie, wenn der Verbrennungsmotor oder eine andere Verbrennungseinrichtung in dem Kraftfahrzeug nicht betrieben wird, die im Kraftstofftank anfallenden Dämpfe filtern. Wenn der Verbrennungsmotor oder eine andere geeignete Verbrennungseinrichtung in dem Kraftfahrzeug betrieben wird, dann wird der Aktivkohlefilter regeneriert, wozu Frischluft durch seinen Umgebungsanschluss angesaugt, durch den Aktivkohlefilter hindurchgeleitet und in den Bereich der Verbrennungseinrichtung geführt wird. Hier können die aus dem Aktivkohlefilter aufgenommenen Kohlenwasserstoffe dann verbrennen, um so schädliche Emissionen in die Umgebung zu vermeiden.
-
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es dabei bekannt, dass Aktivkohlefilter besonders gut funktionieren und sich besonders gut mit Emissionen beladen lassen, wenn sie ein Verhältnis ihrer Länge zu ihrem Durchmesser in der Größenordnung von etwa 4 aufweisen. Bei der Regeneration ist dies jedoch ein Nachteil, da durch ein derartiges Längen-/Durchmesser-Verhältnis vergleichsweise hohe Druckverluste für das zur Regeneration genutzte Gas entstehen und dadurch die Regeneration entweder sehr lange andauert und/oder mit entsprechenden Druckverlusten behaftet ist.
-
Aus dem Stand der Technik in Form der
DE 10 2009 020 703 A1 ist ein derartiger Aktivkohlefilter für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt. Es wird beschrieben, dass dieser insbesondere bei Hybridfahrzeugen, bei denen der Verbrennungsmotor nicht ständig im Einsatz ist, angewandt werden kann. Um die Regeneration zu verbessern wird vorgeschlagen, über ein sehr komplexes System von Kammern eine Beheizung des zur Regeneration genutzten Gasstroms und/oder des mit Aktivkohle befüllten Bereichs selbst vorzunehmen, um so die Reaktivität entsprechend zu erhöhen und bei der Regeneration eine bessere Aufnahme von Kohlenwasserstoffen durch den zur Regeneration genutzten Gasstrom erzielen zu können. Der Aufbau ist dabei extrem komplex und benötigt aufgrund der Beheizung bei der Regeneration entsprechend viel Energie.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Aktivkohlefilter für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welcher von einem Gas- oder Gasgemisch durchströmt ist, welcher die oben genannten Nachteile vermeidet und eine bestmögliche Filterung bei einfacher und energieeffizienter Regeneration gewährleistet.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Aktivkohlefilters sind dabei in den hiervon abhängigen Unteransprüchen beschrieben.
-
Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass der Aktivkohlefilter eine Schalteinrichtung und wenigstens zwei Aktivkohleelemente aufweist. In einem ersten Zustand der Schalteinrichtung sind diese beiden die Aktivkohle aufweisenden Elemente seriell durchströmt und in einem zweiten Zustand der Schalteinrichtung werden diese parallel durchströmt. Durch diesen Aufbau lässt sich ein vergleichsweise langer Aktivkohlefilter im ersten Schaltzustand, wenn die wenigstens zwei Teilbereiche seriell durchströmt werden, erzielen, sodass in diesem Zustand, welcher typischerweise während der Filterung genutzt wird, eine sehr gute Filterung der Gase aus dem Tank gewährleistet ist und dadurch Kohlenwasserstoffemissionen an die Umgebung verhindert werden können. Während der Regeneration kann die Schalteinrichtung in den zweiten Schaltzustand wechseln und die beiden Aktivkohleelemente beziehungsweise mit Aktivkohle befüllten Teilbereiche sind parallel zueinander verschaltet. Sie können dann sehr gut – und ohne unnötig hohe Druckverluste – von dem zur Regeneration genutzten Gas durchströmt werden, um so eine einfache und energieeffiziente Regeneration mit minimalen Druckverlusten im Bereich des Aktivkohlefilters zu gewährleisten. Der Aufbau ist dabei einfach, effizient und erlaubt eine entsprechend kleine Baugröße beziehungsweise bei vergleichbarer Baugröße die Möglichkeit, sehr viel mehr Gase während der Filterung aufzunehmen. Damit lassen sich immer schärfer werdende gesetzliche Anforderungen auch für schlecht regenerierende Verbrennungsmotoren mit vertretbarem Bauraum und minimiertem Energieaufwand beim Regenerieren des Aktivkohlefilters erreichen. Durch den geringeren Druckverlust beim Regenerieren kann außerdem eine höhere Spülmenge, also ein höheres Volumen an Spülgas erreicht werden, sodass die anschließende Verbrennung der bei der Regeneration ausgetriebenen Kohlenwasserstoffe mit entsprechend hohem Sauerstoffüberschuss erfolgen kann und dadurch keine oder nur minimale Emissionen an unerwünschten Stoffen entstehen.
-
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es dabei ferner vorgesehen, dass die Aktivkohleelemente in serieller Verschaltung ein Verhältnis ihrer gesamten durchströmten Länge zu ihrem Durchmesser von 3 bis 5, bevorzugt von 3,8 bis 4,2, besonders bevorzugt von ca. 4 aufweisen und dass die Aktivkohleelemente in paralleler Verschaltung ein Verhältnis ihrer durchströmten Länge zu ihrem Durchmesser von weniger als 3, bevorzugt weniger als 2,5, besonders bevorzugt ca. 2 aufweisen.
-
Dieser Aufbau gewährleistet in der seriellen Verschaltung für die Filterung der Gase beziehungsweise der Gasgemische ein Verhältnis der Länge zum Durchmesser in der bevorzugten Größenordnung von ca. 4, sodass eine ideale Filterung gewährleistet ist und der Austrag an unerwünschten Emissionen minimiert werden kann. In der parallelen Verschaltung, also bevorzugt für die Regeneration des Aktivkohlefilters, kann dann ein Verhältnis von bevorzugt weniger als 2,5 erreicht werden, um eine Regeneration des Aktivkohlefilters mit minimalem Energieaufwand und maximaler durchströmter Luftmasse zu gewährleisten.
-
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aktivkohlefilters ist es dabei vorgesehen, dass die Schalteinrichtung und die wenigstens zwei Aktivkohleelemente in ein Gehäuse integriert ausgeführt sind.
-
Insbesondere dieser integrierte Aufbau ermöglicht einen sehr kompakten und sehr effizienten Aktivkohlefilter, welcher problemlos in bestehende Fahrzeuge oder in zukünftige Fahrzeuge integriert werden kann, um bei bester Filterungs- und Regenerationsmöglichkeit dennoch Bauraum zu sparen. Durch die Integration sowohl der Schalteinrichtung als auch der Aktivkohleelemente in ein einziges Gehäuse entsteht darüber hinaus ein einfacher Aufbau, welcher bei der Montage lediglich in der bisher bekannten Art und Weise angeschlossen werden muss, ohne dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine Änderung im Fertigungsablauf beziehungsweise bei der Montage des Kraftfahrzeugs notwendig wäre.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aktivkohlefilters ist es dabei vorgesehen, dass die Verbrennungseinrichtung, mit welcher der dritte Anschluss des Aktivkohlefilters verbindbar ist, die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs ist. Prinzipiell ist jede Art von Verbrennungseinrichtung denkbar, beispielsweise ein Brenner, ein Porenbrenner, ein katalytischer Brenner oder dergleichen. Besonders bevorzugt ist die Verbrennungseinrichtung jedoch – wie bei den bisherigen Filtern – die Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs. Diese hat den Vorteil, dass sie durch den Ansaugunterdruck das Gas zur Regeneration des Aktivkohlefilters selbständig fördert und dass hierfür keine eigene Fördereinrichtung notwendig ist.
-
Der erfindungsgemäße Aktivkohlefilter lässt sich bei verschiedenen Fahrzeugtypen anstelle der bisherigen Filter problemlos einsetzen und kann bei gleicher Baugröße die Filterleistung verbessern oder bei gleicher Filterleistung die Baugröße entsprechend verringern. Besonders bevorzugt ist der Einsatz in Hybridfahrzeugen, da hier vergleichsweise lange Zeiten auftreten, in denen das Fahrzeug in Betrieb ist, ohne dass der Verbrennungsmotor aktiv ist und daher eine besonders hohe Filterleistung benötigt wird.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich außerdem aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine Prinzipskizze einer einfachen Ausführungsform eines Aktivkohlefilters gemäß der Erfindung;
-
2 eine Skizze eines Aktivkohlefilters gemäß der Erfindung in einer alternativen Ausführungsform in einem ersten Betriebszustand;
-
3 die Darstellung des erfindungsgemäßen Filters analog 2 in einem zweiten Betriebszustand.
-
In der Darstellung der 1 ist ein Aktivkohlefilter 1 zu erkennen. Dieser besteht in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem ersten Aktivkohleelement 2 und einem zweiten Aktivkohleelement 3. Der Aktivkohlefilter 1 selbst weist dabei drei Anschlüsse 4, 5, 6 auf. Der erste Anschluss 4 steht mit der Umgebung, beispielsweise der Umgebung eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Kraftfahrzeugs in Verbindung. Die Umgebung ist dabei in der Darstellung der 1 beispielhaft angedeutet und mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Der zweite Anschluss 5 ist mit einem Kraftstofftank 8 verbunden. Der dritte Anschluss 6 ist mit einer Verbrennungseinrichtung 9 verbunden. Diese Verbrennungseinrichtung 9 kann bevorzugt als Brennkraftmaschine, insbesondere als die Brennkraftmaschine zum Antrieb des hier nicht dargestellten Kraftfahrzeugs ausgebildet sein.
-
Der in 1 dargestellte Aufbau weist zusätzlich ein Leitungselement 10 mit einer Ventileinrichtung 11 als Schalteinrichtung auf. Das Leitungselement 10 verbindet dabei den ersten Anschluss 4 mit dem zweiten Anschluss 5 über die Ventileinrichtung 11, welche vorzugsweise als Magnetventil ausgebildet ist, lässt sich das Leitungselement 10 freigeben oder verschließen.
-
Der Aktivkohlefilter 1 soll nun dazu dienen, in dem Kraftstofftank 8 entstehende Dämpfe gegenüber der Umgebung 7 zu filtern, um so zu verhindern, dass Emissionen an Kohlenwasserstoff in die Umgebung 7 gelangen. In dem von dem Kraftstofftank 8 zur Umgebung 7 strömenden Gas bzw. Gasgemisch werden diese Kohlenwasserstoffe, welche als Dampf im Bereich des Kraftstoffstanks 8 entstehen können, mitgeführt. Im Bereich der Aktivkohleelemente 2, 3 des Aktivkohlefilters 1 werden diese entsprechend ausgefiltert und durch die Aktivkohle gebunden. In diesem Betriebszustand ist dabei die Ventileinrichtung 11 geschlossen. Die beiden Aktivkohleelemente 2, 3 von den Gasen, welche vom Kraftstofftank 8 an die Umgebung 7 strömen, des Aktivfilters 1 werden seriell hintereinander durchströmt. Da in diesem Zustand die Brennkraftmaschine 9 typischerweise nicht betrieben wird, wird über den zwischen den beiden Aktivkohleelementen 2, 3 angeordneten dritten Anschluss 6 kein Gas abströmen, da hier durch die nicht in Betrieb befindliche Brennkraftmaschine 9 ein entsprechender Gegendruck herrscht. In diesem ersten Zustand der Ventileinrichtung 11 wird die Aktivkohle in den beiden Aktivkohleelementen 2, 3 also mit den unerwünschten Bestandteilen des von dem Kraftstofftank 8 zur Umgebung 7 strömenden Gasgemischs beladen. Die seriell hintereinander geschalteten Aktivkohleelemente 2, 3 weisen dabei in idealer Weise ein Verhältnis ihrer gesamten durchströmten Länge zu ihrem Durchmesser von etwa 4 auf, da sich gezeigt hat, dass bei diesem Längen-/Durchmesserverhältnis eine ideale Filterwirkung auftritt. Zur Verdeutlichung ist in der Darstellung der 1 die Strömung in diesem ersten Zustand der Ventileinrichtung 11 mit durchgezogenen Pfeilen im Bereich der jeweiligen Anschlüsse 4, 5, 6 gezeigt.
-
Nachdem der Aktivkohlefilter 1 über einen längeren Zeitraum hinweg in diesem ersten Zustand der Ventileinrichtung 11 von den Gasen bzw. dem Gasgemisch durchströmt worden ist, ist er mit den Emissionen aus dem Bereich des Kraftstofftanks 8 gesättigt und muss regeneriert werden, um die Kohlenwasserstoffe wieder aus dem Bereich der Aktivkohle in den Aktivkohleelementen 2, 3 auszutreiben. Hierfür ist das oben erwähnte Verhältnis von Länge zu Durchmesser in der Größenordnung von 4, welches für die Filterung ideal ist, jedoch sehr ungünstig. Die Druckverluste für das zum Durchspülen während der Regeneration genutzte Gas werden entsprechend hoch, sodass ein hoher Energieaufwand entsteht und die Regeneration durch eine aufgrund des hohen Druckverlusts verringerte Menge an Spülgas erschwert wird.
-
In dem in 1 dargestellten Aufbau lässt sich diese Problematik umgehen, indem die Ventileinrichtung 11 in einen zweiten Schaltzustand wechselt, nämlich indem diese geöffnet wird. Bei der Regeneration ist dann die Verbrennungseinrichtung bzw. die Brennkraftmaschine 9 in Betrieb. Sowohl über den Anschluss 4 als auch über das Leitungselement 10 strömt dann Luft aus der Umgebung 7, in der Darstellung der 1 durch die punktierten Pfeile angedeutet, parallel durch die beiden Aktivkohleelemente 2, 3. Über den zwischen den Aktivkohleelementen 2, 3 angeordneten dritten Anschluss 6 strömt die dann mit den Kohlenwasserstoffen aus den Aktivkohleelementen 2, 3 beladene Luft in den Bereich der Brennkraftmaschine 9 und wird der Verbrennung zugeführt, um die Kohlenwasserstoffe thermisch umzusetzen und Emissionen an die Umgebung zu vermeiden. Die bevorzugte Verbrennungseinrichtung 9 ist dabei die Brennkraftmaschine.
-
Diese sorgt während des Betriebs selbst durch den von ihr erzeugten Ansaugunterdruck für eine Strömung in der beschriebenen Art bei geöffneter Ventileinrichtung 11, sodass ohne weiteres Zutun und ohne eine Energie konsumierende Fördereinrichtung die Regeneration des Aktivkohlefilters 1 erfolgen kann. Durch die beiden dann parallel durchströmten Aktivkohleelemente 2, 3 entsteht dabei ein Längen-/Durchmesserverhältnis in der Größenordnung von ca. 2 oder weniger, sodass die Regeneration mit einer großen Menge an Spülluft bei minimalen Druckverlusten erfolgen kann.
-
Der in 1 prinzipmäßig beschriebene Aufbau lässt sich dabei auf mehr als zwei Aktivkohleelemente, welche in einem ersten Schaltzustand seriell und in einem zweiten Schaltzustand parallel durchströmt werden, erweitern, wofür dann Schalteinrichtungen mit mehr als einer Ventileinrichtung 11 benötigt werden. Optional kann es außerdem vorgesehen sein, im Bereich der Anschlüsse 5 und 6 ebenfalls Ventileinrichtungen anzuordnen, falls im Bereich des Kraftstofftanks 8 und insbesondere im Bereich der Brennkraftmaschine 9 oder einer andersartig ausgebildeten Verbrennungseinrichtung 9 keine Abdichtung gegenüber der Umgebung erfolgen kann oder aus betriebsstrategischen Gründen erfolgen soll.
-
In den Darstellungen der 2 und 3 ist ein weiterer Aufbau des Aktivkohlefilters 1 gezeigt, welcher im Prinzip analog der Beschreibung der 1 funktioniert. Die Ventileinrichtung 11 ist in diesem Fall beispielhaft als Klappe 12 ausgebildet, welche über einen magnetischen Aktuator 13 bewegt werden soll. Sowohl die Ventileinrichtung 11 als auch die beiden Aktivkohleelemente 2, 3 sind dabei in einem gemeinsamen Gehäuse 14 angeordnet. Dieses Gehäuse 14 weist die bekannten Anschlüsse 4, 5, 6 auf, welche analog zu der in 1 beschriebenen Art mit der Umgebung 7, einem Kraftstofftank 8 und einer Verbrennungseinrichtung 9, beispielsweise der Brennkraftmaschine des in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Kraftfahrzeugs verbunden sind. In der Darstellung der 2 ist dabei der erste Schaltzustand der Ventileinrichtung 11 zu erkennen. Über die Klappe 12 ist ein Bypass 15 um die beiden Aktivkohleelemente 3 verschlossen, sodass diese seriell verschaltet sind und ein Gas bzw. Gasgemisch über den zweiten Anschluss 5 durch die beiden Aktivkohleelemente 2, 3 hindurch zu dem ersten Anschluss 4 und damit in den Bereich der Umgebung 7 strömt.
-
Derselbe Aufbau des Aktivkohlefilters 1 ist nochmals in der Darstellung der 3 zu erkennen. Hierbei ist die Ventileinrichtung 11 geöffnet, die Klappe 12 also von dem Bypass 15 abgehoben. Analog zur Darstellung in 1 stellt sich hier ein Luftstrom über den ersten Anschluss 4 und die beiden Aktivkohleelemente 2, 3 parallel zu dem dritten Anschluss 6 ein, welcher zur Regeneration des Aktivkohlefilters 1 genutzt werden kann. Durch diesen in den 2 und 3 gezeigten Aufbau lässt sich ebenfalls während der Filterung, also in dem in 2 dargestellten Zustand, ein Verhältnis der gesamten durchströmten Länge zum Durchmesser der Aktivkohleelemente 2, 3 in der Größenordnung von ca. 4 erreichen. In dem in 3 dargestellten zweiten Zustand zur Regeneration des Aktivkohlefilters 1 kann durch Öffnen der Klappe 12 der Ventileinrichtung 11 eine parallele Durchströmung der Aktivkohleelemente 2, 3 erreicht werden, sodass diese mit einem Verhältnis ihrer Länge zu ihrem Durchmesser in der Größenordnung von ca. 2 durchströmt werden. Dadurch lässt sich mit hoher Spülluftmenge und minimalem Energieaufwand eine ideale Regeneration des Aktivkohlefilters 1 erreichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009020703 A1 [0004]
