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Die Erfindung betrifft eine Ansaugeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige Ansaugeinrichtungen zum Führen von wenigstens einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Während ihres Betriebs saugt die beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine Luft an, wobei diese Luft über die Ansaugeinrichtung in Richtung zumindest eines Brennraums der Verbrennungskraftmaschine geführt wird. Bei diesem Brennraum handelt es sich beispielsweise um einen Zylinder, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen ist.
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Die Ansaugeinrichtung umfasst dabei wenigstens ein Leitungselement, welches zumindest einen von der dem wenigstens einen Brennraum zuzuführenden Luft durchströmbaren Kanal aufweist. Der Kanal ist dabei in einer Strömungsrichtung von der Luft durchströmbar und durch eine Kanalwandung des Leitungselements zumindest teilweise begrenzt. Eine solche Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise der
US 2008/0141671 A1 als bekannt zu entnehmen.
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Zur Realisierung eines effizienten Betriebs ist wenigstens ein Abgasturbolader vorgesehen, mittels welchem die die Ansaugeinrichtung durchströmende Luft verdichtet werden kann. Die verdichtete Luft wird üblicherweise auch als Ladeluft bezeichnet, so dass das Leitungselement üblicherweise auch als Ladeluftrohr bezeichnet wird. Das Ladeluftrohr ist beispielsweise mit einem sogenannten Luftverteiler verbunden, so dass die das Ladeluftrohr durchströmende und verdichtete Luft in den Luftverteiler einströmen kann. Üblicherweise weist die Verbrennungskraftmaschine eine Mehrzahl von Brennräumen, insbesondere Zylindern, auf, wobei die in den Ladeluftverteiler eingeströmte Luft mittels des Ladeluftverteilers auf die jeweiligen Brennräume verteilt wird. Darüber hinaus kommt üblicherweise eine Kühleinrichtung in Form eines Ladeluftkühlers zum Einsatz, mittels welchem die durch das Verdichten erwärmte Luft gekühlt wird.
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Darüber hinaus ist es bekannt, zur Realisierung eines emissionsarmen Betriebs eine Abgasrückführung einzusetzen, mittels welcher Abgas, welches aus in dem wenigstens einen Brennraum ablaufenden Verbrennungsvorgängen resultiert und einen Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine durchströmt, von dem Abgastrakt zur Ansaugeinrichtung rückgeführt und der die Ansaugeinrichtung durchströmenden Luft zugeführt wird. Mittels der die Ansaugeinrichtung durchströmenden Luft wird das Abgas in den wenigstens einen Brennraum geführt, wobei das Abgas in dem Brennraum bei den Verbrennungsvorgängen wie ein Inertgas wirken kann. Üblicherweise umfasst eine solche Abgasrückführung einen Abgaskühler, mittels welchem das rückzuführende Abgas gekühlt wird. Die Abgasrückführung weist beispielsweise eine Kühleinrichtung in Form eines Abgasrückführkühlers auf, mittels welchem das rückzuführende Abgas gekühlt wird.
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Es hat sich gezeigt, dass es bei Verbrennungskraftmaschinen, bei welchen zur Emissionsreduzierung eine insbesondere gekühlte Abgasrückführung zum Einsatz kommt, insbesondere in Verbindung mit einer ungeregelten Ladeluftkühlung zu Problemen kommen kann, falls sich im Abgas oder in der Luft befindender Wasserdampf bei hohem Ladedruck durch zu starke Abkühlung auskondensiert. Dadurch entsteht Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in der Luft. Zu dieser Auskondensierung kommt es insbesondere dann, wenn die Umgebungsluft, welche von der Verbrennungskraftmaschine angesaugt wird, eine hohe Luftfeuchtigkeit aufweist. Zudem kommt es bei starker Abkühlung des Abgases im Abgasrückführkühler, wie es beispielsweise bei einem Start oder einem Warmlauf der Verbrennungskraftmaschine durch eine niedrige Kühlmitteltemperatur vorkommt, üblicherweise zur Kondensatbildung.
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Darüber hinaus hat es sich gezeigt, dass sich bei der Verbrennung von schwefelhaltigen Kraftstoffen im Abgas Schwefelsäure und/oder schweflige Säure bilden kann, welche über die Abgasrückführung zumindest teilweise zur Ansaugeinrichtung und somit auf eine Einlassseite der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt wird. Durch ihren relativ hohen Taupunkt von größer als 150°C können die genannten Säuren bereits in der Abgasrückführung mittels des Abgasrückführkühlers auskondensiert werden. Im Zusammenspiel mit dem auskondensierten Wasser aus dem Abgas oder der Luft, welche auch als Frischluft bezeichnet wird, können dann unterschiedliche Bauteile der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Einlassventile, Sitzringe, Kolben und/oder Laufbuchsen korrosiv angegriffen werden, woraus unerwünschte Schäden der Verbrennungskraftmaschine resultieren können.
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Schäden an Verbrennungskraftmaschinen durch Korrosion infolge von Säureeinwirkung können üblicherweise nur durch besonders kostenintensive Spezialwerkstoffe verhindert werden, wobei diese Spezialwerkstoffe wirtschaftlich nicht sinnvoll nutzbar sind. Um dennoch übermäßige Korrosionsschäden vermeiden zu können, bestehen herkömmlicherweise zwei Möglichkeiten. Eine erste dieser Möglichkeiten ist, die Verbrennungskraftmaschine nicht mit schwefelhaltigen Kraftstoffen, sondern mit solchen Kraftstoffen zu betreiben, welche einen Schwefelgehalt von weniger als 10 ppm (parts per million) aufweisen. Dies ist in entwickelten Ländern wie beispielsweise in Europa und Nordamerika die Regel. Die zweite Möglichkeit ist, die Entstehung von Kondensat, das heißt Wasserkondensation in der Ansaugeinrichtung zu vermeiden. Dadurch können auch dann übermäßige Korrosionsschäden vermieden werden, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit Schlechtkraftstoffen mit einem Schwefelgehalt von größer als 500 ppm betrieben wird.
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Um die Wasserkondensation in der Ansaugeinrichtung zu vermeiden, erfolgt üblicherweise eine Applikationsänderung der Motorsteuerung, wobei die Motorsteuerung an den Betrieb mit Schlechtkraftstoffen angepasst wird. Im Rahmen einer solchen Applikationsänderung wird beispielsweise eine nur geringe Abgasrückführrate eingestellt. In Extremfällen wird eine Abgasrückführung komplett unterbunden, in dem beispielsweise ein als Klappe ausgebildetes Abgasrückführventil geschlossen wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dies nicht zielführend ist, da die Klappe nicht vollständig dicht abschließen kann. Dies wäre nicht beziehungsweise nur mit sehr hohem fertigungstechnischem Aufwand realisierbar. Nachteilig bei einer solchen Applikationsänderung ist grundsätzlich, dass das Potenzial der Abgasrückführung zur Emissionsreduzierung bei gleichzeitig niedrigem Kraftstoffverbrauch nicht mehr in vollem Umfang genutzt werden kann.
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Ein weiterer Lösungsansatz ist beispielsweise, die Ladeluft oder das rückgeführte Abgas nur sehr geringfügig zu kühlen, um somit durch besonders hohe Gastemperaturen in der Ansaugeinrichtung ein Auskondensieren des Wasserdampfes zu verhindern. Heutige Kühlsysteme besitzen jedoch keine hinreichende Möglichkeit, die Kühlleistung einstellen zu können. Hierzu wären umfangreiche Aktorsysteme, wie beispielsweise regel- beziehungsweise schaltbare Bypässe am Ladeluftkühler und/oder am Abgasrückführkühler erforderlich. Solche Aktorsysteme wären fehleranfällig und sind zudem kosten- und gewichtsintensiv.
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Eine pauschale Verkleinerung des Ladeluftkühlers und/oder des Abgasrückführkühlers zur generellen Temperaturerhöhung kann zu Überhitzungsproblemen sowie zu Nachteilen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs führen. Eine weitere Möglichkeit wäre, durch einen nur geringen Ladedruck die Kondensatbildung immer an der Ansaugeinrichtung zu verhindern. Dadurch würde jedoch die erzielbare Leistung der Verbrennungskraftmaschine deutlich sinken. Darüber hinaus wäre ein Wirkungsgradverlust der Verbrennungskraftmaschine die Folge.
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Darüber hinaus hat es sich gezeigt, dass Motorkonzepte mit einer Niedertemperatur-Abgasrückführung regelmäßig Kondensationsprobleme aufweisen, da durch eine starke Abkühlung des rückzuführenden Abgases dieses auch im Warmbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bei hohen Gasdrücken bereits in der Abgasrückführstrecke seinen Taupunkt unterschreitet, wodurch Wasser in flüssiger Form ausfällt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Ansaugeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher ein übermäßiges Eindringen von Kondensat in die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in ihren Brennraum, auf besonders einfache Weise vermieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ansaugeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Ansaugeinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, mittels welcher ein übermäßiges Eindringen von Kondensat in die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in ihren Brennraum, auf besonders einfache Weise vermieden werden kann, ist erfindungsgemäß zum Abscheiden von Kondensat aus der den Kanal durchströmenden Luft wenigstens ein Abscheideelement vorgesehen, welches wenigstens eine Prallwand für die Luft und wenigstens eine sich entgegen der Strömungsrichtung von der Prallwand weg in dem Kanal erstreckende und von der Kanalwandung beabstandete weitere Wandung aufweist. Dadurch ist es möglich, an einer Innenseite der Kanalwandung entlang strömendes Kondensat von einer Hauptströmung der Luft zu trennen, so dass verhindert werden kann, dass schädliche Säureverbindungen in konzentrierter flüssiger Form in die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in ihren Brennraum, gelangen kann.
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Vorzugsweise erstreckt sich die Prallwand schräg oder senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft, so dass die den Kanal durchströmende Luft gegen die Prallwand strömen und eine effektive und effiziente Abscheidung des Kondensats aus der Luft realisiert werden kann. Mittels des Abscheideelements wird bewirkt, dass sich unmittelbar vor dem Abscheideelement, insbesondere vor der weiteren Wandung, die Strömung der Luft, welche auch als Gasströmung bezeichnet wird, von der Kanalwandung ablöst und gegebenenfalls in der Luft aufgenommenes Kondensat insbesondere in Form von Wasser zurücklässt. Das zurückgelassene Kondensat kann dann von nachfolgendem Kondensat in ein Totwassergebiet gefördert, insbesondere gedrückt, werden, wobei das Totwassergebiet zwischen der Kanalwandung und der weiteren Wandung ausgebildet ist.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee ist es, eine vorhandene Wandablagerung des Kondensats, welches beispielsweise flüssiges Wasser ist, durch stromaufwärts liegende Umlenkungen auszunutzen. Dadurch können zusätzliche Komponenten zum Bewirken eines Dralls und/oder einer Unlenkung der Luft vermieden werden, so dass Kondensat aus der Luft auf besonders einfache, gewichts- und kostengünstige Weise abgeschieden werden kann. Lediglich mittels des entsprechend geformten Abscheideelements kann zumindest ein Großteil von an einer Oberfläche der Kanalwandung entlang wandernden Wassertropfen von der Strömung der Luft separiert werden, so dass diese separierten Wassertropfen nicht in die Verbrennungskraftmaschine gelangen. Mit anderen Worten kann mittels des Abscheideelements vermieden werden, dass eine übermäßige Menge an flüssigem Wasser in Tropfenform in die Verbrennungskraftmaschine gelangt, wodurch insbesondere in einem Einlassbereich der Verbrennungskraftmaschine die Gefahr von Korrosion besonders gering gehalten werden kann.
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Mittels des Abscheideelements lässt sich somit die Gefahr von korrosionsbedingten Schäden auch dann besonders gering halten, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit Schlechtkraftstoff mit einem sehr hohen Schwefelgehalt betrieben wird. Dies ist insbesondere auch dann der Fall, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung ausgestattet ist. Somit kann die beispielsweise mit einer Abgasrückführung ausgestattete Verbrennungskraftmaschine verbrauchsgünstig und emissionsarm betrieben werden und muss nicht aus Korrosionsschutzgründen thermodynamisch ungünstig mit hohen Lufttemperaturen und/oder geringen Abgasrückführraten betrieben werden. Darüber hinaus ist es möglich, eine Niedertemperatur-Abgasrückführung zu realisieren, bei welcher üblicherweise eine besonders große Menge an Wasser in der Ansaugeinrichtung auskondensiert. Mittels des Abscheideelements lässt sich nämlich vermeiden, dass diese hohe Menge an auskondensiertem Wasser unerwünschterweise in die Verbrennungskraftmaschine gelangt.
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Darüber hinaus ist mittels des Abscheideelements eine effektive und effiziente Abscheidung von Kondensat aus der Luft möglich, ohne hierzu eine Luftführung beziehungsweise die Gasströmung aufwendig ändern zu müssen. Darüber hinaus kann ein Druckverlust besonders gering gehalten werden. Darüber hinaus erfordert das Abscheideelement keinen zusätzlichen Bauraum außerhalb des Leitungselements.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die weitere Wandung in einem ersten Teilbereich weiter von der Prallwand weg als in wenigstens einem zweiten Teilebereich. Hierbei ist es beispielsweise vorgesehen, dass das Abscheideelement als abgeschrägtes Rohr ausgebildet ist. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Ausgestaltung des Abscheideelements für eine besonders vorteilhafte axiale Verschiebung eines Gasablösebereichs über den Umfang des Kanals sorgt. Dadurch kann das an der Kanalwand abgeschiedene Kondensat beziehungsweise Wasser durch seine Gewichtskraft zu einer Unterseite des Kanals abfließen, ohne dabei einen Ablösebereich weiter unten am Umfang des Kanals negativ zu beeinflussen.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Leitungselement wenigstens eine in der Kanalwandung ausgebildete Durchströmöffnung aufweist, über welche das mittels des Abscheideelements abgeschiedene Kondensat aus dem Kanal abführbar ist. Mit anderen Worten kann das aus der Luft mittels des Abscheideelements abgeschiedene Kondensat, welches eine Flüssigkeit ist, die Durchströmöffnung durchströmen und dadurch aus dem Kanal sicher und definiert abgeführt werden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn die Durchströmöffnung und die weitere Wandung des Abscheideelements in gegenseitiger Überdeckung angeordnet sind. Hierdurch kann eine zügige Abführung des abgeschiedenen Kondensats aus dem Kanal realisiert werden, so dass auch besonders große Mengen an Kondensat in nur kurzer Zeit aus dem Kanal abgeführt werden können.
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Bei einer weiteren besonders Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein sich in der Kanalwendung erstreckender Abführkanal zum Abführen des mittels des Abscheideelements abgeschiedenen Kondensats vorgesehen. Der Abführkanal läuft beispielsweise in der Kanalwandung um den Kanal zumindest teilweise um und ist teilweise im Ablösebereich angeordnet, so dass das Wasser insbesondere in einem unteren Bereich des Kanals besonders gut abgeschieden werden kann.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Durchströmöffnung in den Abführkanal mündet. Hierdurch kann das abgeschiedene Kondensat besonders zügig aus dem Kanal abgeführt und dem Abführkanal zugeführt werden, so dass ein übermäßiges Eindringen von Kondensat, insbesondere Wasser, in die Verbrennungskraftmaschine sicher vermieden werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass am Leitungselement wenigstens ein Anschlussstutzen vorgesehen ist, an welchen wenigstens ein weiteres Leitungselement zum Abführen des mittels des Abscheideelements abgeschiedenen Kondensats anschließbar ist. Mit anderen Worten kann das abgeschiedene Kondensat mittels des weiteren Leitungselements aus dem Kanal abgeführt und dadurch gezielt zu einer Stelle geführt werden, welche beispielsweise nicht korrosionsanfällig ist. Beispielsweise ist es dadurch möglich, das Kondensat zu einer Stelle zu führen, an welcher eine Behandlung des Kondensats erfolgt.
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Zur Realisierung einer besonders vorteilhaften Abscheidung des Kondensats aus der Luft ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass durch die weitere Wandung des Abscheideelements ein von der Luft durchström barer weiterer Kanal begrenzt ist, welcher einen entlang der Strömungsrichtung der Luft variierenden, von der Luft durchströmbaren Querschnitt aufweist. Hierbei kann der Querschnitt beispielsweise zumindest im Wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet sein beziehungsweise einen im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Verlauf aufweisen.
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Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Abscheideelement als separat vom Leitungselement ausgebildetes und mit dem Leitungselement verbundenes Bauteil ausgebildet ist. Dadurch kann das Abscheideelement auf besonders einfache, zeit- und kostengünstige weise montiert werden, so dass sich eine besonders einfache und kostengünstige Abscheidung von Kondensat aus der Luft realisieren lässt. Zudem ist es dadurch möglich, auch bereits bestehende Ansaugeinrichtungen mit dem Abscheideelement auszustatten und somit zu einer erfindungsgemäßen Ansaugeinrichtung weiterzubilden.
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Zur Erfindung gehört auch eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, beispielsweise einen Personenkraftwagen, mit einer erfindungsgemäßen Ansaugeinrichtung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ansaugeinrichtung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der Verbrennungskraftmaschine anzusehen und umgekehrt.
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Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, wobei der Brennraum als Zylinder ausgebildet ist. Da mittels des Abscheideelements ein übermäßiges Eindringen von Kondensat, insbesondere Wasser, in die Verbrennungskraftmaschine und insbesondere in den Brennraum realisiert werden kann, kann die Verbrennungskraftmaschine besonders vorteilhaft mit einer Abgasrückführung ausgestattet und mit hohen Abgasrückführraten sowie mit einer starken Kühlung von rückzuführendem Abgas betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich ist es besonders vorteilhaft möglich, die Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Abgasturbolader auszustatten, mittels welchem die Luft verdichtet wird. Hierbei ist es möglich, wenigstens einen Ladeluftkühler einzusetzen und mittels dieses Ladeluftkühlers die verdichtet Luft, welche durch das Verdichten erwärmt wird, stark zu kühlen, um hierdurch besonders hohe Auflagegrade und somit hohe Wirkungsgrade der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren. Insgesamt lässt sich so mittels des Abscheideelements ein besonders emissionsarmer, effizienter und somit wirkungsgradgünstiger der Verbrennungskraftmaschine realisieren, wobei gleichzeitig die Gefahr von korrosionsbedingten Schäden besonders gering gehalten werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnungen zeigt in der einzigen Fig. ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Ansaugeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit einem von Luft durchströmbaren Leitungselement, wobei zum Abscheiden von Kondensat aus der Luft wenigstens ein Abscheideelement vorgesehen ist, welches wenigstens eine Prallwand für die Luft und wenigstens eine sich entgegen einer Strömungsrichtung der Luft von der Prallwand weg in einem Kanal des Leitungselements erstreckende und von einer den Kanal begrenzenden Kanalwand des Leitungselements beabstandete weitere Wandung aufweist.
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Die Fig. zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht eine Ansaugeinrichtung 10 für eine als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens. Die Verbrennungskraftmaschine dient zum Antreiben des Kraftwagens und umfasst wenigstens einen Brennraum in Form eines Zylinders, in welchem im Rahmen eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine Verbrennungsvorgänge ablaufen. Bei einem solchen Verbrennungsvorgang wird ein Gemisch, welches Kraftstoff und Luft umfasst und in dem Brennraum (Zylinder) aufgenommen ist, verbrannt. Aus der Verbrennung des Gemisches resultiert Abgas, welches aus dem Zylinder ausströmt und einen Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine durchströmt. Vorzugsweise umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine Mehrzahl von derartigen Brennräumen.
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Während ihres Betriebs saugt die Verbrennungskraftmaschine Luft aus der Umgebung an, wobei diese Luft auch als Frischluft bezeichnet wird. Die Luft (Frischluft) wird beispielsweise mittels eines Luftfilters gefiltert und durchströmt die Ansaugeinrichtung 10, welche somit zum Führen der dem wenigstens einen Brennraum zuzuführenden Luft dient. Die Ansaugeinrichtung 10 umfasst dabei ein Leitungselement 12, welches beispielsweise aus einem Kunststoff gebildet ist und einen Kanal 14 aufweist. Der Kanal 14 ist in einer Strömungsrichtung von der Luft durchströmbar und durch eine Kanalwandung 16 des Leitungselements 12 zumindest teilweise begrenzt.
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Die Verbrennungskraftmaschine umfasst beispielsweise wenigstens einen Abgasturbolader, welcher eine im Abgastrakt angeordnete Turbine und einen in einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Verdichter aufweist, wobei die Ansaugeinrichtung 10 ebenfalls im Ansaugtrakt angeordnet ist. Die Turbine ist von dem den Abgastrakt durchströmenden Abgas antreibbar, wobei der Verdichter mittels der Turbine antreibbar ist. Der Verdichter dient zum Verdichten der den Ansaugtrakt und somit die Ansaugeinrichtung 10 durchströmenden Luft. Durch dieses Verdichten wird die Luft erwärmt. Das Versorgen der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise ihres Brennraums mit verdichteter Luft wird auch als Aufladen bezeichnet, so dass die verdichtete Luft auch als Ladeluft bezeichnet wird. Da die Ladeluft den Kanal 14 durchströmt, wird das Leitungselement auch als Ladeluftrohr bezeichnet.
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Zur Realisierung eines besonders hohen Aufladegrads kommt wenigstens eine Kühleinrichtung in Form eines Ladeluftkühlers zum Einsatz, wobei die verdichtete Luft mittels des Ladeluftkühlers gekühlt wird. Durch das Versorgen des wenigstens einen Brennraums mit verdichteter Luft kann ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden.
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Zur Realisierung eines besonders emissionsarmen Betriebs umfasst die Verbrennungskraftmaschine ferner eine Abgasrückführung mit wenigstens einer Abgasrückführleitung, welche beispielsweise einerseits mit dem Abgastrakt und andererseits mit dem Ansaugtrakt fluidisch verbunden ist. Mittels der Abgasrückführung, insbesondere mittels der Abgasrückführleitung, kann Abgas aus dem Abgastrakt abgezweigt und zu dem Ansaugtrakt rückgeführt werden. Das rückgeführte Abgas wird der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft zugeführt, so dass die den Ansaugtrakt durchströmende Luft das rückgeführte Abgas durch den Ansaugtrakt und somit durch das Leitungselement 12 beziehungsweise den Kanal 14 transportiert. Dies bedeutet, dass nicht nur die Luft sondern auch das der Luft zugeführte und rückgeführte Abgas den Kanal 14 durchströmt.
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Die Abgasrückführung (AGR) umfasst wenigstens eine Kühleinrichtung in Form eines Abgasrückführkühlers (AGR-Kühler), mittels welchem das rückzuführende Abgas gekühlt wird. Der Abgasrückführkühler ist beispielsweise in der Abgasrückführleitung angeordnet. Ferner umfasst die Abgasrückführung ein Ventilelement, welches als AGR-Ventil bezeichnet wird. Mittels des Ventilelements kann eine Menge des rückzuführenden Abgases bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Das Abgas wird mittels der den Kanal 14 durchströmenden Luft in den wenigstens einen Brennraum (Zylinder) gefördert und kann bei den dort stattfindenden Verbrennungen wie ein Inertgas wirken, wodurch die Entstehung von lokal übermäßig hohen Temperaturen, sogenannten Hot-Spots, vermieden werden kann.
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Üblicherweise enthält die den Kanal 14 durchströmende Luft Wasserdampf. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Luft in der Umgebung eine besonders hohe Luftfeuchtigkeit aufweist. Der Wasserdampf kann in dem Kanal 14 kondensieren, woraus ein Kondensat in Form von Wassertopfen beziehungsweise Wasser resultiert. Wird die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise mit Schlechtkraftstoffen betrieben, welche einen sehr hohen Schwefelgehalt von beispielsweise mehr als 500 ppm aufweisen, so kann das rückgeführte Abgas Schwefel oder Schwefelverbindungen, wie beispielsweise Schwefelsäure oder schwefelige Säure, enthalten. Zusammen mit dem Kondensat (kondensiertes Wasser) können so schwefelhaltige und hoch korrosive Lösungen entstehen, die zu korrosionsbedingten Schäden führen könnten.
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Um nun solche übermäßigen, korrosionsbedingten Schäden zu vermeiden, umfasst die Ansaugeinrichtung 10 ein Abscheideelement 18 zum Abscheiden von Kondensat aus der den Kanal 14 durchströmenden Luft. Das Abscheideelement 18 umfasst eine Prallwand 20 für die Luft, wobei sich die Prallwand 20 vorliegend im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung erstreckt. Ferner weist das Abscheideelement 18 eine weitere Wandung 22 auf, welche sich entgegen der Strömungsrichtung von der Prallwand 20 weg in dem Kanal 14 erstreckt und von der Kanalwandung 16 unter Ausbildung eines Totwassergebietes beabstandet ist. Aus der Fig. ist erkennbar, dass das Abscheideelement 18 und das Leitungselement 12 einen vorliegend als Ringkanal ausgebildeten Kanal 24 begrenzen, welcher das Totwassergebiet umfasst und nach außen hin von der Kanalwandung 16, nach innen hin von der weiteren Wandung 22 und in Strömungsrichtung von der Prallwand 20 begrenzt ist. Von einer der Prallwandung 20 gegenüberliegenden Seite können die Luft und insbesondere das Kondensat in den Kanal 24 und insbesondere in das Totwassergebiet strömen.
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Aus der Fig. ist erkennbar, dass das Abscheideelement 18 vorliegend als Innenrohr ausgebildet ist, welches sich zumindest teilweise im Leitungselement 12, insbesondere im Kanal 14, erstreckt. In der Fig. ist durch einen Richtungspfeil 26 eine Hauptströmung der Luft veranschaulicht, wobei durch einen Richtungspfeil 28 eine Strömung des Kondensats in Form von Wasser veranschaulicht ist. Das Abscheideelement 18 bewirkt, dass an einer Innenseite 30 der Kanalwandung 16 entlangströmendes, flüssiges Kondensat (Richtungspfeil 28) von der Hauptströmung (Richtungspfeil 26) getrennt wird, wodurch verhindert werden kann, dass schädliche Säureverbindungen in konzentrierter flüssiger Form in die Verbrennungskraftmaschine gelangen.
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Messungen haben gezeigt, dass beim Auftreten von Kondensation diese zunächst als Wandkondensation auftritt, woraus Wasser (Kondensat) entsteht. Das Wasser wird dann in flüssiger Form von der Luft beziehungsweise deren Strömung an der Kanalwandung 16 des Leitungselements 12 entlang in Richtung der Verbrennungskraftmaschine, das heißt in Strömungsrichtung getrieben. Kondensierte Wassertröpfchen in der Strömung der Luft werden zudem in Umlenkungen, beispielsweise an einem Austritt des Ladeluftkühlers, durch die Zentrifugalkraft ebenfalls zum Teil an die Kanalwandung 16 geführt, wodurch es zu einer hohen Menge von an der Kanalwandung 16 entlangströmendem Kondensat in Form von Wasser kommt.
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Normalerweise kann dieses Wasser nicht erneut verdampft werden. Obwohl die Temperatur der Kanalwandung 16 in Richtung der Verbrennungskraftmaschine stetig ansteigt und in einem normalen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine deutlich oberhalb der Taupunkttemperatur der Luftströmung liegt, ist die Temperatur nicht ausreichend, um dem Gas, das heißt der Luft, die erforderliche Verdampfungswärme zuzuführen. Bestehendes flüssiges Wasser verbleibt daher zum größten Teil bis hin zu einem Eintritt in den Brennraum in diesem Zustand. Die über der Taupunkttemperatur der Luft liegenden Wandtemperaturen sind allerdings ausreichend hoch, dass es nicht zu einer weiteren Wandkondensation von Feuchtigkeit an der Kanalwandung 16 kommt. Sofern also bestehendes flüssiges Wasser mechanisch von der Luftströmung abgeschieden werden kann, können stromabwärts liegende Wandungen trocken gehalten werden. Flüssiges Wasser wird dann nur noch gegebenenfalls als Nebel in der Gasströmung existieren. Bei hohen Wandtemperaturen können in Wandnähe Nebel-Wassertröpfchen teilweise wieder verdampfen. Zusammen mit der durch die höheren Kanaltemperaturen verursachten Temperaturzunahme des Gases bis hin zum Brennraum kann die relative Luftfeuchtigkeit wieder unter 100% fallen, das heißt ein in den Brennraum geführtes Kraftstoff-Luft-Gemisch ist nicht mehr gesättigt.
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Das Abscheideelement 18, welches vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Material wie beispielsweise Aluminium oder Kunststoff gebildet ist, stellt für das entlang der Innenseite 30 der Kanalwandung 16 strömende Wasser ein Hindernis dar. Das Abscheideelement 18 kann ferner aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise als dünnes Blech ausgebildet sein. Unmittelbar vor dem Innenrohr, das heißt unmittelbar vor der weiteren Wandung 22, löst sich die Strömung der Luft in Form der Hauptströmung (Richtungspfeil 26) von der Kanalwandung 16 ab und lässt das Wasser (Richtungspfeil 28) zurück. Das zurückgelassene Wasser wird vom nachfolgenden Wasser in das genannte Totwassergebiet zwischen der Kanalwandung 16 und der weiteren Wandung 22 gedrückt. Aus der Fig. ist besonders gut erkennbar, dass sich die weitere Wandung 22 in einem ersten Teilbereich 32 weiter von der Prallwand 20 wegerstreckt als in wenigstens einem zweiten Teilbereich 34. Vorliegend ist das Abscheideelement 18 als abgeschrägtes Innenrohr ausgebildet, welches für eine axiale Verschiebung des Gasablösebereichs über den Kanalumfang sorgt. Dadurch kann das an der Kanalwandung 16 abgeschiedene Wasser durch seine Gewichtskraft zu einer Kanalunterseite 36 strömen. Dies bedeutet, dass der erste Teilbereich 32 geodätisch unterhalb des zweiten Teilbereichs 34 angeordnet ist. Mit anderen Worten befindet sich der erste Teilbereich 32 – bezogen auf einen fertig hergestellten Zustand des Kraftwagens – in Fahrzeughochrichtung unterhalb des zweiten Teilbereichs 34, so dass das abgeschiedene Wasser schwerkraftgedingt zur Kanalunterseite 36 strömt. Dabei kann das abgeschiedene Wasser durch seine Gewichtskraft zur Kanalunterseite abfließen, ohne dabei den Gasablösebereich weiter unten am Umfang negativ zu beeinflussen.
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Aus der Fig. ist ferner erkennbar, dass das Leitungselement 12 wenigstens eine in der Kanalwandung 16 ausgebildete Durchströmöffnung 38 aufweist, über welche das mittels des Abscheideelements 18 abgeschiedene Kondensat (Wasser) aus dem Kanal 14 und insbesondere aus dem Kanal 24 abführbar ist. Die Durchströmöffnung 38 ist somit von dem abgeschiedenen Kondensat durchströmbar und befindet sich ebenfalls an der Kanalunterseite 36. Wie aus der Fig. zu erkennen ist, sind die Durchströmöffnung 38 und die weitere Wandung 22 des Abscheideelements 18 in gegenseitiger Überdeckung angeordnet. Mit anderen Worten überdeckt das als Innenrohr ausgebildete Abscheideelement 18 die als Abflussöffnung fungierende Durchströmöffnung 38, so dass das abgeschiedene und gesammelte Wasser (Kondensat) besonders zügig abfließen kann.
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Es kann wenigstens ein zusätzlich umlaufender Kanal in der Kanalwandung 16 im Gasablösebereich vorgesehen sein, wobei das abgeschiedene Wasser über diesen zusätzlich umlaufenden Kanal, insbesondere im unteren Bereich, besonders gut abgeschieden werden kann.
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Durch die weitere Wandung 22 des Abscheideelements 18 ist ein von der Luft, insbesondere der Hauptströmung, durchström barer weiterer Kanal 40 begrenzt. Vorliegend weist der weitere Kanal 40 einen von der Luft durchströmbaren Querschnitt auf, welcher in Strömungsrichtung zumindest im Wesentlichen konstant ist. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der von der Luft durchströmbare Querschnitt in Strömungsrichtung variiert. Beispielsweise kann der Querschnitt nicht wie vorliegend zylinderförmig, sondern beispielsweise als Kegelstumpf ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist am Leitungselement 12 wenigstens ein Anschlussstutzen 42 vorgesehen, welcher vorliegend mit der Durchströmöffnung 38 fluidisch verbunden ist. Dadurch kann das die Durchströmöffnung 38 durchströmende Wasser (Kondensat) auch den Anschlussstutzen 42 durchströmen. An den Anschlussstutzen 42 ist beispielsweise wenigstens ein weiteres Leitungselement anschließbar, wobei das mittels des Abscheideelements 18 abgeschiedenen Kondensat mittels des weiteren Leitungselements aus dem Kanal 14 und insbesondere aus dem Kanal 24 abgeführt werden kann. Das weitere Leitungselement ist beispielsweise ein Schlauch, welcher über den Anschlussstutzen 42 mit dem Kanal 14 und insbesondere mit dem Kanal 24 fluidisch verbunden ist. Das abfließende Wasser kann über die weitere Leitung beispielsweise in einen separaten Behälter geleitet werden. Mit Hilfe eines Schwimmerventils oder eines aktiv schaltbaren Ventils kann das Kondensat dann endgültig aus einem Verbrennungsluftpfad abgeschieden werden. Alternativ oder zusätzlich ist ein dauerhaftes Abblasen im Betrieb durch den Ladedruck möglich. Durch einen entsprechenden Leitungsquerschnitt beziehungsweise Drosselquerschnitt kann ein akzeptabler Kompromiss zwischen Ladeluftverlust und ausreichendem Durchsatz zum Abführen des flüssigen Kondensats gefunden werden.
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Das abgeschiedene Kondensat kann beispielsweise einer Behandlung beziehungsweise Nachbehandlung unterzogen werden. Im Rahmen dieser Behandlung ist es beispielsweise möglich, eine Säure des Kondensats zu neutralisieren und anschließend durch Verdampfung im Abgastrakt zu entsorgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Konzentrat dem als Sammelbehälter fungierenden Behälter zugeführt werden, welcher bei Bedarf geleert wird.
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Aus der Fig. ist besonders gut erkennbar, dass das vorliegend einstückig ausgebildete Abscheideelement 18 als separat vom Leitungselement 12 ausgebildetes und mit dem Leitungselement verbundenes Bauteil ausgebildet ist. Das Leitungselement 12 weist vorliegend einen Flansch 44 auf, über welchen das Leitungselement 12 beispielsweise mit einem Ladeluftverteiler verbunden wird. Die Ladeluft kann in den Ladeluftverteiler einströmen, wobei die Ladeluft mittels des Ladeluftverteilers auf die mehreren Brennräume verteilt wird. Zum Verbinden des Leitungselements 12 mit dem Ladeluftverteiler weist der Flansch 44 wenigstens eine Durchgangsöffnung 46 für eine Schraube auf. Die Schraube kann durch die Durchgangsöffnung 46 hindurchgesteckt werden, so dass das Leitungselement 12 mittels der Schraube mit dem Ladeluftverteiler verschraubt werden kann.
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Durch die Prallwand 20 ist dabei ein Flansch des Abscheideelements 18 gebildet, wobei vorliegende der Flansch des Abscheidelements 18 und der Flansch 44 des Leitungselements 12 in gegenseitiger Überdeckung angeordnet sind. Im fertig hergestellten Zustand des Kraftwagens ist der Flansch des Abscheideelements 18 zwischen dem Ladeluftverteiler und dem Flansch 44 angeordnet, so dass das Abscheideelement 18, insbesondere dessen Flansch, zwischen dem Ladeluftverteiler und dem Flansch 44 geklemmt ist.
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Hierbei weist der Flansch des Abscheideelements 18 eine Durchgangsöffnung 48 auf, welche in zumindest teilweiser Überdeckung mit der Durchgangsöffnung 46 angeordnet ist. Die genannte Schraube kann somit nicht nur die Durchgangsöffnung 46 sondern auch die Durchgangsöffnung 48 durchdringen, so dass das Leitungselement 12 und das Abscheideelement 18 mittels der Schraube mit dem Ladeluftverteiler verbunden werden können. Dadurch ist eine besonders einfach Montage des Abscheideelements 18 darstellbar. Das Abscheideelement 18 kann somit beispielweise bei einer Erstmontage der Verbrennungskraftmaschine montiert werden. Ferner ist es möglich, das Abscheideelement 18 nachträglich, das heißt nach der Erstmontage, anzubringen, und dadurch beispielsweise bereits hergestellte Verbrennungskraftmaschinen um das Abscheideelement 18 zu ergänzen. Alternativ oder zusätzlich zur geschilderten Befestigung des Abscheideelements 18 kann wenigstens ein Abstandshalteelement vorgesehen sein, mittels welchem das Abscheideelement 18 beispielsweise am Leitungselement 12 fixiert wird.
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Die Durchströmöffnung 38 ist beispielsweise als Bohrung ausgebildet. Die Durchströmöffnung 38 weist beispielsweise ein Gewinde in Form eines Innengewindes auf, wobei der Anschlussstutzen 42 ein mit dem Innengewinde korrespondierendes weiteres Gewindes in Form eines Außengewindes aufweist. Der Anschlussstutzen 42 ist dabei über sein Außengewinde in das Innengewinde eingeschraubt und dadurch am Leitungselement 12 befestigt. Die Durchströmöffnung 38 kann somit mittels einfacher Werkzeuge und mit nur geringen Toleranzanforderungen hergestellt werden, wobei es auf besonders einfache Weise möglich ist, bereits hergestellte Leitungselemente, insbesondere Ladeluftrohre, mit der Durchströmöffnung 38 und gegebenenfalls mit dem Innengewinde und dem Anschlussstutzen 42 zu versehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0141671 A1 [0003]
