DE102012207906A1 - Wassergewinnung aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wassergewinnung aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine umfasst einen Kondensator zum Kondensieren von im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenem Wasserdampf zu flüssigem Wasser sowie ein Abgasdurchfluss-Stellelement, über das der Durchfluss des Abgases durch den Kondensator einstellbar ist. Das Abgasdurchfluss-Stellelement wird durch eine Steuereinrichtung gesteuert oder geregelt. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, das Abgasdurchfluss-Stellelement in Abhängigkeit mindestens eines den Betriebszustand der Brennkraftmaschine oder des Abgassystems betreffenden Parameters zu steuern bzw. zu regeln.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wassergewinnung aus einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aufgeladene Otto-Brennkraftmaschinen werden im überwiegenden Kennfeldbereich an der Klopfgrenze betrieben und der verbrauchsoptimale Zündwinkel kann nicht eingestellt werden. Das Ergebnis ist eine verschleppte Verbrennung, die zu hohen Abgastemperaturen führt. Um den Turbolader und das Abgassystem zu schützen, muss die Brennkraftmaschine bei hoher Last und Drehzahl mit angereichertem Gemisch betrieben werden, d. h. mit einem Kraftstoffüberschuss (λ < 1). Dieser Betrieb führt zu erheblichen Nachteilen im Wirkungsgrad und relativ hohen Schadstoffemissionen, da der Arbeitsbereich des Katalysators verlassen wird.
  • Mit einer Wassereinspritzung in den Brennraum bzw. in die Ansaugluft lässt sich die klopfende Verbrennung unterdrücken und die Brennkraftmaschine kann auch bei hoher Last verbrauchsoptimal betrieben werden. Zusätzlich besteht mit einer Wassereinspritzung das Potential, über ein erhöhtes Verdichtungsverhältnis in großen Kennfeldbereichen Kraftstoffverbrauchs- und weitere Funktionsvorteile zu erzielen.
  • Zur Wassereinspritzung wird das Wasser mit einem Injektor in das Saugrohr oder direkt den Brennraum eingespritzt oder zusammen mit dem Kraftstoff dem Verbrennungsmotormotor zugeführt. Das Wasser wird meistens einem Tank entnommen und die Wassermenge mit einem Pulsventil dosiert.
  • Für hinreichende Effekte der Wassereinspritzung sollte mindestens ca. 10 bis 30% der Kraftstoffmasse als zusätzliche Wassermasse der Verbrennung zugeführt werden. Dazu ist ein Wassertank erforderlich mit einer Füllmenge von mindestens ca. 10 bis 30% des Kraftstofftanks. Der Wassertank verursacht damit ein Mehrgewicht und blockiert den Bauraum für andere Aggregate. Das Wasser muss regelmäßig bei jedem Tanken ergänzt werden. Es besteht das Risiko von Fehlbetankungen. Um das Einfrieren im Winterbetrieb zu verhindern, ist ferner eine Beheizung erforderlich. Um den Wasserverbrauch im Fahrbetrieb zu minimieren, wird die Wassereinspritzung deshalb häufig nur in wenigen Betriebszuständen eingesetzt und der mögliche Kraftstoffverbrauchsvorteil wird nur teilweise erreicht.
  • Um diese Nachteile zu vermeiden, werden in der internationalen Patentanmeldung WO 01/92710 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wassergewinnung aus einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine Kondensationsanordnung zur Erzeugung einer erforderlichen Menge Wasser durch Kondensation von dem im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltendem Wasserdampf bekannt. Dieses kondensierte Wasser dient für eine Wassereinspritzanlage einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges. In dieser Kondensationsanordnung wird das kondensierte Wasser in einer Leitungsanordnung geführt und in einem Behälter gespeichert.
  • Ferner ist aus der Druckschrift FR 2926325A eine Kondensationsanordnung zur Kondensation des im Abgas eines Verbrennungsmotors enthalten Wasserdampfes bekannt, bei der der Kondensator an einer Ableitung der Abgasleitung angebracht ist. Die Abgasmenge, die in die Ableitung fliest, wird durch ein Steuerventil gesteuert, welches in Abhängigkeit des Wasserstands in einem Wassertank zum Sammeln des kondensierten Wasser geregelt wird.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Wassergewinnung aus Abgas einer Brennkraftmaschine anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Abgasdurchfluss-Stellelement verwendet, über das der Durchfluss des Abgases durch den Kondensator einstellbar ist und welches durch eine Steuereinrichtung gesteuert oder geregelt wird. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, das Abgasdurchfluss-Stellelement in Abhängigkeit mindestens eines den Betriebszustand der Brennkraftmaschine oder des Abgassystems betreffenden Parameters zu steuern bzw. zu regeln.
  • Um das Wasser aus dem Abgas zu kondensieren, wird der Kondensator durch entsprechende Einstellung des Abgasdurchfluss-Stellelements vorzugsweise nur in Motorbetriebszuständen mit möglichst sauberem Abgas mit Abgas beaufschlagt. Vorzugsweise steht der mindestens eine zur Steuerung bzw. Regelung verwendete Parameter mit der Partikelbelastung des Abgases vor dem Kondensator im Zusammenhang, wobei die Steuereinrichtung das Abgasdurchfluss-Stellelement so einstellt, dass bei einer hohen Partikelbelastung der Durchfluss von Abgas durch den Kondensator reduziert oder unterbunden ist. Derartige Partikel im Abgas entstehen typischerweise bei einer unvollständigen Verbrennung. Hierdurch kann der Aufwand zur Wassergewinnung aus dem Abgas verringert werden, da das Kondensat aus sauberem Abgas keine aufwendige Filterung und Nachbehandlung erfordert.
  • Es ist von Vorteil, wenn die Vorrichtung einen Bypass für das Abgas zur Umgehung des Kondensators umfasst, wobei über das Abgasdurchfluss-Stellelement die Umgehung des Kondensators seitens des Abgases einstellbar ist. Das Abgasdurchfluss-Stellelement ist beispielsweise ein Ventil im Bypass oder in dessen Zuleitung oder Ableitung, wobei bei Öffnen des Ventils zumindest ein Teil des Abgases den Kondensator über den Bypass umgeht. Alternativ ist das Abgasdurchfluss-Stellelement ein stromabwärtsseitig des Kondensators angeordnetes Ventil, wobei bei Schließen des Ventils zumindest ein Teil des Abgases den Kondensator über den Bypass umgeht.
  • Das Ventil kann in Abhängigkeit des mindestens einen Parameter so geschaltet werden, dass das Abgas im Bedarfsfall, insbesondere im Fall eines Betriebszustands mit hoher Partikelbelastung im Abgas, über den Bypass an dem Kondensator vorbeigeleitet wird.
  • Der zur Steuerung des Stellelements verwendete mindestens eine Parameter kann beispielsweise die Motortemperatur, die Motorlast, die Motordrehzahl, das Luftverhältnis und/oder die Abgastemperatur angeben. Bei dem Parameter, der das Luftverhältnis angibt, handelt es sich beispielsweise um ein Lamdasonden-Signal.
  • Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung eingerichtet, bei Überschreiten oder Unterschreiten (je nach Art des Parameters) eines Schwellwerts seitens des Parameters das Ventil zu öffnen oder zu schließen (je nach Ventilvariante).
  • Beispielsweise wird im Motorwarmlauf nach dem Kaltstart das Ventil so gestellt, dass das Abgas im Wesentlichen vollständig an dem Kondensator über den Bypass vorbeigeleitet wird. Erst bei Überschreiten einer minimalen Motortemperatur als Schwellwert für den Parameter der Motortemperatur wird das Ventil umgeschaltet (je nach Ventilvariante geöffnet oder geschlossen), so dass das Abgas im Wesentlichen auf den Kondensator geführt wird und im Kondensator Wasser gewonnen wird. Der Hintergrund hierfür ist, dass im Motorwarmlauf der Katalysator nicht unmittelbar nach dem Kaltstart das Abgas reinigt und in dem Zustand eine größere Partikelmenge entsteht.
  • Es ist von Vorteil, wenn das Ventil so eingestellt wird (d. h. je nach Ventilvariante entweder geöffnet oder geschlossen wird), dass das Abgas im Wesentlichen vollständig an dem Kondensator über den Bypass vorbeigeleitet wird, wenn der Arbeitsbereich des Katalysators verlassen wird und Kraftstoff-Luftgemisch zum Bauteilschutz des Katalysators oder der Turbine des Abgasturboladers angereichert wird (hierdurch sinkt die Temperatur). In diesem Fall entstehen nämlich hohe Partikelemissionen. Dazu kann als Parameter das Lambdasonden-Signal ausgewertet werden.
  • Beispielsweise können eine Mehrzahl von Ansteuerparametern wie beispielsweise die Motortemperatur, die Motorlast, die Motordrehzahl, das Luftverhältnis oder die Abgastemperatur verwendet werden. Zur Auswertung beispielsweise der Motorlast und der Motordrehzahl kann ein gemeinsames Kennfeld verwendet werden.
  • Bei einem hohen Wärmeeintrag des Abgases (beispielsweise bei einem hohen Abgasdurchsatz) kann die Kühlleistung des Kondensators unter Umständen nicht mehr ausreichen, um das Wasser im Abgas zu kondensieren. Um zu verhindern, dass das Kühlwasser im Kondensator zu sieden beginnt, kann zumindest ein mit dem Wärmeeintrag des Abgases im Zusammenhang stehender Parameter ausgewertet werden, so dass anhand des Parametes erkannt werden kann, dass die Gefahr des Siedens des Kühlwassers besteht, so dass in diesem Fall durch entsprechende Einstellung des Stellelements der Durchfluss von Abgas durch den Kondensator reduziert oder vollständig unterbunden wird. Beispielsweise kann ein im Bypass-Pfad befindliches oder ein dem Kondensator nachgeschaltetes Ventil unter Verwendung eines Kennfeldes für die Drehzahl und die Motorlast oberhalb bestimmter Werte für die Drehzahl und die Motorlast geöffnet (bzw. geschlossen) werden, so dass das Abgas im Wesentlichen durch den Bypass strömt.
  • Zur Verbesserung der Motorakustik kann vorgesehen sein, das Ventil kurzfristig im Instationärbetrieb bei niedrigen Gängen so einzustellen (je nach Ventilvariante entweder zu schließen oder zu öffnen), dass das Abgas im Wesentlichen vollständig oder zumindest zum größten Teil den Kondensator durchströmt, um die Geräuschemission zu reduzieren. Hierzu wird seitens der Steuereinrichtung mindestens ein Parameter überwacht, der einen Beschleunigungsvorgang anzeigt, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, dass in Abhängigkeit des Parameters das Ventil so eingestellt wird (je nach Ventilvariante entweder geschlossen oder geöffnet wird), dass bei einem Beschleunigungsvorgang das Abgas im Wesentlichen vollständig oder zumindest zum größten Teil den Kondensator durchströmt. Als überwachte Parameter bieten sich beispielsweise die Motordrehzahl, die Motorlast (z. B. die relative Füllung) sowie der Gang an.
  • Ferner kann von der Steuereinrichtung auch ein Parameter überwacht werden, der den Füllstand des Wassertanks anzeigt, in dem das kondensierte Wasser gesammelt wird. In Abhängigkeit des Füllstands wird das Ventil so gestellt (je nach Ventilvariante geschlossen oder geöffnet), dass das Abgas im Wesentlichen vollständig an dem Kondensator über den Bypass vorbeigeleitet wird, wenn beispielsweise ein maximaler Füllstand im Wassertank erreicht und kein weiteres Wasser mehr gespeichert werden soll.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Wassergewinnung aus einem Abgassystem einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Wassereinspritzanlage für die Brennkraftmaschine.
  • Zum Kondensieren von einem in einem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenden Wasserdampf zum flüssigen Wasser ist in dem Abgassystem ein Kondensator 2 angeordnet. Die Kondensation erfolgt stromabwärts eines Katalysators (nicht dargestellt). Im Interesse einer möglichst geringen Kühlleistung des Kondensators 2 sollte der Kondensator 2 möglichst dicht vor dem Endrohr, z. B. im Nachschalldämpfer, angeordnet werden. Das auskondensierte Wasser ist in einem Sammelbehälter 3 der Wassereinspritzanlage zur Wiedereinspritzung in einen Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine sammelbar und wird mit einer Pumpe 8 durch eine Leitung 9 zur Wassereinspritzanlage in den Sammelbehälter 3 gefördert. Zur Überprüfung der Füllhöhe des Sammelbehälters 3 ist ferner ein Wasserfüllstandssensor 7 vorgesehen. Um eventuelle Verunreinigungen aus dem kondensierten Wasser zu entfernen, ist optional in der Leitung 9 ein Kondensatfilter vorgesehen.
  • Der Kondensator 2 ist beispielsweise in einem Schalldämpfer 4 des Abgassystems angeordnet, insbesondere in einem Nachschalldämpfer.
  • In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Brennkraftmaschine mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt, wobei der Kondensator 2 von der Kühlflüssigkeit durchströmbar ist. Hierfür sind ein Kühlmitteleintritt 10 und ein Kühlmittelaustritt 11 vorgesehen. Der Kühlmitteleintritt 10 für das Kühlmittel ist auf einer heißen Seite des Kondensators 2 angeordnet, eine kalte Seite des Kondensators ist mit 13 beziffert.
  • Die heißen Abgase strömen durch ein Abgasrohr 12 in Richtung Kondensator 2 in den Schalldämpfer 4, wobei parallel zum Kondensator 2 ein Bypass 5 für das Abgas zur Umgehung des Kondensators 2 vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme wird der Betriebsbereich des Kondensators 2 wesentlich vergrößert. Zur Steuerung der Abgasdurchflussmenge durch den Kondensator 2 ist ferner im Pfad des Kondensators 2 und/oder in dem parallelen Pfad des Bypasses 5 ein Ventil 6a oder 6b vorgesehen.
  • Das Ventil 6a ist stromabwärtsseitig des Kondensators 2 angeordnet (und zwar noch vor dem Wiederzusammenführen von Bypass-Pfad und Kondensator-Pfad), wobei bei Schließen des Ventils 6a zumindest ein Teil des Abgases den Kondensator 2 über den Bypass 5 umgeht.
  • Bei einer alternativen Variante wird ein Ventil 6b verwendet, welches im Pfad des Bypasses 5 angeordnet ist, wobei bei Öffnen des Ventils 6b zumindest ein Teil des Abgases den Kondensator 2 über den Bypass 5 umgeht.
  • Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Ventil 6a bzw. 6b um eine steuer- oder regelbare Absperrklappe.
  • Nach Durchtritt des Abgases durch den Bypass 5 oder den Kondensator 2 treten die Abgase gemäß den schematisch eingezeichneten Pfeilen durch den eigentlichen Schalldämpfer, dargestellt durch eine gestrichelte Linie.
  • Zum Steuern oder Regeln des Ventils 6a bzw. 6b dient eine Steuereinrichtung 14, die beispielsweise Teil eines Motorsteuergeräts ist. Die Steuereinrichtung wertet verschiedene Parameter P1 bis Pn aus, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine oder des Abgassystems angeben. Der Parameter P0 beschreibt den Füllstand des Wasserbehälters 3.
  • Die Parameter P1 bis Pn umfassen beispielsweise die Motortemperatur, die Motorlast, die Motordrehzahl, das Luftverhältnis und die Abgastemperatur. Die Parameter P0 bis Pn werden in der Steuereinrichtung 14 ausgewertet und Abhängigkeit der Auswertung ein Steuersignal 15 zum Ansteuern des Ventils 6a bzw. 6b generiert. Beispielsweise können einzelne Parameter P0 bis Pn jeweils mit einem Schwellwert verglichen werden, wobei bei Überschreiten (oder Unterschreiten) des Schwellwerts seitens des Parameters P0 bis Pn das Ventil umschaltet (also entweder geöffnet oder geschlossen wird). Es kann ein Kennfeld für mehrere Parameter, beispielsweise die Motorlast und die Motordrehzahl, zur Genierung des Steuersignals 15 verwendet werden.
  • Ein oder mehrere der Parameter P1 bis Pn lassen Rückschlüsse auf die Partikelbelastung des Abgases vor dem Kondensator 2 zu, wobei je nach Parametertyp entweder bei Überschreiten oder Unterschreiten des zugehörigen Schwellwerts ein erhöhte Abgasbelastung vorliegt. Die Steuereinrichtung 14 stellt das Ventil 6a bzw. 6b so ein, dass bei einer hohen Partikelbelastung der Durchfluss von Abgas durch den Kondensator 2 reduziert oder unterbunden ist. Im Fall des Ventils 6a wird dazu das Ventil 6a geschlossen, wohingegen im Fall des Ventils 6b das Ventil 6b geöffnet wird.
  • Um zu verhindern, dass das Kühlwasser bei hohem Wärmeeintrag des Abgases im Kondensator 2 zu sieden beginnt, kann zumindest ein mit dem Wärmeeintrag des Abgases im Zusammenhang stehender Parameter Pi der Parameter P1 bis Pn im Steuergerät 10 ausgewertet werden und bei der der Gefahr des Siedens des Kühlwassers durch entsprechende Einstellung des Ventils 6a bzw. 6b der Durchfluss von Abgas durch den Kondensator 2 reduziert oder vollständig unterbunden werden. Beispielsweise kann das Ventil 6a bzw. 6b oberhalb bestimmter, in einem Kennfeld abgelegter Werte für die Drehzahl und die Motorlast geschlossen bzw. geöffnet werden, so dass das Abgas im Wesentlichen durch den Bypass 5 strömt.
  • Zur Verbesserung der Motorakustik kann vorgesehen sein, das Ventil 6a oder 6b kurzfristig bei einem Beschleunigungsvorgang in einem niedrigen Gang zu öffnen bzw. zu schließen, so dass das Abgas den Kondensator 2 durchströmt, um die Geräuschemission zu reduzieren. Hierzu werden seitens der Steuereinrichtung 14 ein oder mehrere Parameter Pi überwacht, die einen solchen für die Motoraktustik kritischen Beschleunigungsvorgang anzeigen, beispielsweise die Motordrehzahl, die Motorlast und der Gang.
  • Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 weist ein äußerst kleines Package aus, wobei der Kondensator 2 teilweise auch die Funktion eines Schalldämpfers übernehmen kann und sich insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen zur Geräuschabsenkung bei Beschleunigungsvorgängen einsetzen lässt. Indem der Kondensator 2 vorzugsweise nur in Motorzuständen aktiv ist und mit Abgas beaufschlagt wird, in denen das Abgas am Einlass des Kondensators 2 einer geringe Partikelbelastung aufweist, ist keine aufwendige Filterung und Nachbehandlung des Wassers erforderlich. Außerdem kann durch entsprechendes Schließen des Ventils 6a bzw. Öffnen des Ventils 6b verhindert werden, dass das Kühlwasser im Niedertemperaturkreislauf des Kondensators zu sieden beginnt.
  • 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
    • WO 01/92710 A1 [0006]
    • FR 2926325 A [0007]

Claims (9)

  1. Vorrichtung (1) zur Wassergewinnung aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine mit – einem Kondensator (2) zum Kondensieren von im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenem Wasserdampf zu flüssigem Wasser, – einem Sammelbehälter (3) zum Sammeln des Wassers, – einem Abgasdurchfluss-Stellelement (6a; 6b), über das der Durchfluss des Abgases durch den Kondensator (2) einstellbar ist, – einer Steuereinrichtung (14) zum Steuern oder Regeln des Abgasdurchfluss-Stellelements (6a; 6b), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (14) eingerichtet ist, das Abgasdurchfluss-Stellelement (6a; 6b) in Abhängigkeit mindestens eines den Betriebszustand der Brennkraftmaschine oder des Abgassystems betreffenden Parameters (P1–Pn) zu steuern bzw. zu regeln.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Parameter (P1–Pn) mit der Partikelbelastung des Abgases stromaufwärts vor dem Kondensator (2) im Zusammenhang steht und die Steuereinrichtung (14) eingerichtet ist, dass bei einer hohen Partikelbelastung der Durchfluss von Abgas durch den Kondensator (2) reduziert oder unterbunden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Parameter (P1–Pn) mit dem Wärmeeintrag des Abgases im Zusammenhang steht und die Steuereinrichtung (14) eingerichtet ist, dass bei einer Gefahr des Siedens des Kühlwassers im Kondensator (2) der Durchfluss von Abgas durch den Kondensator (2) reduziert oder unterbunden wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Parameter (P1–Pn) einen Beschleunigungsvorgang anzeigt.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Parameter (P1–Pn) angibt: – die Motortemperatur, – die Motorlast, – die Motordrehzahl, – das Luftverhältnis oder – die Abgastemperatur.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgasdurchfluss-Stellelement ein Ventil (6b) ist und die Steuereinrichtung (14) eingerichtet ist, bei Überschreiten oder alternativ bei Unterschreiten eines Schwellwerts seitens des Parameters (P1–Pn) das Ventil umzuschalten.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung einen Bypass (5) für das Abgas zur Umgehung des Kondensators (2) umfasst, wobei über das Abgasdurchfluss-Stellelement (6a; 6b) die Umgehung des Kondensators (2) seitens des Abgases einstellbar ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Abgasdurchfluss-Stellelement ein Ventil (6b) im Pfad des Bypasses (5) ist, wobei bei Öffnen des Ventils (6b) zumindest ein Teil des Abgases den Kondensator (2) über den Bypass (5) umgeht.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Abgasdurchfluss-Stellelement ein stromabwärtsseitig des Kondensators (2) angeordnetes Ventil (6a) ist, wobei bei Schließen des Ventils (6a) zumindest ein Teil des Abgases den Kondensator (2) über den Bypass umgeht.
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