DE102015213954A1

DE102015213954A1 - Kondensatgewinnung aus einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015213954A1
Application number: DE102015213954.9A
Authority: DE
Inventors: Rainer Drees; Manfred Lauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kondensatgewinnung aus einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur Wassergewinnung für eine Wassereinspritzanlage einer Brennkraftmaschine eines Kraftahrzeugs, sowie ein Abgassystem mit einer solchen Vorrichtung und einem Schalldämpfer. Die Vorrichtung weist einen Kondensator zum Kondensieren von im Abgas der Brennkraftmaschine vorhandenem Wasserdampf zu flüssigem Wasser, eine in Abgasstromrichtung vor einem Schalldämpfer der Abgasanlage in einem Abgasstrang der Abgasanlage vorgesehene Abgasentnahmevorrichtung zur Abzweigung eines Abgasteilstroms aus der Abgasanlage und zur Zuführung des abgezweigten Abgasteilstroms in den Kondensator, und eine in Abgasstromrichtung nach dem Schalldämpfer in dem Abgasstrang vorgesehene Abgaseinlassvorrichtung zur Rückführung von Abgas des abgezweigten Abgasteilstroms in die Abgasanalage nach dessen Durchströmen des Kondensators auf. Dabei bildet die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung einen Abgasbypass, um den Abgasteilstrom aus dem Abgasstrang zu entnehmen, ihn zur Kondensatgewinnung unter Umgehung des Schalldämpfers durch den außerhalb des Schalldämpfers angeordneten Kondensator zu führen und ihn in Abgasstromrichtung hinter dem Schalldämpfer wieder in den Abgasstrang rückzuführen. So kann eine effiziente Kondensatgewinnung aus einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine erreicht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Kondensatgewinnung aus einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur Wassergewinnung für eine Wassereinspritzanlage einer Brennkraftmaschine eines Kraftahrzeugs. Speziell betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Kondensatgewinnung aus einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine sowie ein Abgassystem mit einem Schalldämpfer und einer derartigen Vorrichtung zur Kondensatgewinnung.
Für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, ist es bekannt zur Leistungssteigerung und zu Verminderung von schädlichen Emissionen im Abgas das Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Betrieb der Brennkraftmaschine mit Wasser anzureichern und in den Brennraum einzuspritzen. Durch die Wassereinspritzung, ob nun in die Ansauganlage oder direkt in den Zylinder lässt sich die Temperatur der verdichteten Luft absenken. Ein üblicherweise zur Luftkühlung eingesetzter Ladeluftkühler kann die Luft nur um ein begrenztes Temperaturdelta absenken. Durch die Wassereinspritzung entsteht jedoch zusätzlich Verdunstungskälte, womit die Temperatur noch weiter herabgesetzt werden kann. Das dann im Zylinder verdichtete Luftgemisch hat dann entsprechend ebenfalls eine deutlich niedrigere Temperatur als ohne Wassereinspritzung und die Verdichtungsarbeit kann somit vermindert werden. Insbesondere kann dadurch bei einem Ottomotor der Zündzeitpunkt zeitlich deutlich vorgezogen werden, was zu einer Leistungssteigerung führen kann. Als zusätzlicher Effekt tritt eine Absenkung der Abgastemperatur auf. Speziell bei aufgeladenen Hochleistungsmotoren sind die Abgastemperaturen ein begrenzendes Element, denn Turbos und Katalysatoren dürfen nur bis hin zu einer bestimmten Grenztemperatur belastet werden. Um diese ohne Wassereinspritzung zu schützen, kann unter Volllast das Kraftstoff-Luft-Gemisch teilweise mit Kraftstoff angereichert werden, um die Abgastemperaturen abzusenken, so dass Kraftstoff eingesetzt wird, um das Abgas abzukühlen. Die Wassereinspritzung bietet eine Alternative hierzu, bei der Turbomotoren unter Volllast nicht wie beschrieben angefettet werden müssen und Wasser anstatt zusätzlichem Kraftstoff zur Begrenzung der Abgastemperaturen verwendet wird. Durch die niedrigeren Temperaturen lässt sich auch die Schadstoffkonzentration, insbesondere die Stickoxidkonzentration, im Abgas verringern.
Das für die Wassereinspritzung benötigte Wasser muss entweder im Fahrzeug mittels eines entsprechenden Wassertanks mitgeführt oder aber bevorzugt während der Fahrt erzeugt werden. Dazu ist es bekannt, dass Wasser aus dem Abgas der Brennkraftmaschine mittels Kondensation zu gewinnen.
So sind in der internationalen veröffentlichten Patentanmeldung WO 01/92710 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wassergewinnung aus einem Abgassystem beschrieben, wobei die erforderliche Menge Wassers aus dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer Kondensationsvorrichtung gewonnen wird, die über den gesamten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine einen mittleren Kondensationswirkungsgrad von mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 50% aufweist, so dass eine Bereitstellung von zusätzlichem Wasser vermieden werden kann. Hierbei ist gemäß eines beschriebenen Ausführungsbeispiels im Abgasstrang zwischen einem Katalysator und einem Schalldämpfer eine Kondensationsvorrichtung mit einem Kondensatsammelbecken angeordnet, durch die das von Katalysator kommende Abgas strömt und mit dem vorgenannten Kondensationswirkungsgrad der Wasseranteil darin auskondensiert wird, um einer Wassereinspritzungsanlage für die Verbrennungskraftmaschine zugeführt zu werden.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 207 903 A1 ist eine Vorrichtung zur Wassergewinnung aus einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Wassereinspritzungseinlage für die Brennkraftmaschine beschrieben. Dabei ist im Abgassystem ein mittels Kühlwasser gekühlter Kondensator zum Kondensieren von im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenem Wasserdampf zu flüssigen Wasser angeordnet. Das Wasser wird in einem Auffangbehälter einer Wassereinspritzanlage der Brennkraftmaschine gesammelt, wobei der Kondensator in einem Schalldämpfer, insbesondere in einem Nachschalldämpfer des Abgassystem angeordnet ist. Speziell ist ein Schalldämpfer beschrieben, in dem sich der einströmende Abgasstrom in einen durch einen Kondensator führenden Hauptpfad sowie einen daran vorbeilaufenden Bypass als Nebenpfad aufteilt, um bei hohen Abgasdurchsätzen ein Sieden des Kühlwassers zu vermeiden und den Abgaskondensator zu schützen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kondensatgewinnung aus einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur Wassergewinnung für eine Wassereinspritzanlage einer Brennkraftmaschine eines Kraftahrzeugs, weiter zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf die Effizienz der Kondensatgewinnung.
Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Kondensatgewinnung aus einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine sowie ein Abgassystem gemäß Anspruch 15 mit einem Schalldämpfer und einer derartigen Vorrichtung zur Kondensatgewinnung.
Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kondensatgewinnung aus einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur Wassergewinnung für eine Wassereinspritzanlage einer Brennkraftmaschine eines Kraftahrzeugs. Die Vorrichtung weist einen Kondensator zum Kondensieren von im Abgas der Brennkraftmaschine vorhandenem Wasserdampf zu flüssigem Wasser auf. Des Weiteren weist sie eine in Abgasstromrichtung vor einem Schalldämpfer der Abgasanlage in einem Abgasstrang der Abgasanlage vorgesehene Abgasentnahmevorrichtung zur Abzweigung eines Abgasteilstroms aus der Abgasanlage und zur Zuführung des abgezweigten Abgasteilstroms in den Kondensator auf. Zudem ist eine in Abgasstromrichtung nach dem Schalldämpfer in dem Abgasstrang angeordnete Abgaseinlassvorrichtung zur Rückführung von Abgas des abgezweigten Abgasteilstroms in die Abgasanalage nach dessen Durchströmen des Kondensators vorgesehen. Dabei bildet die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung einen Abgasbypass, um den Abgasteilstrom aus dem Abgasstrang zu entnehmen, ihn zur Kondensatgewinnung unter Umgehung des Schalldämpfers durch den außerhalb des Schalldämpfers angeordneten Kondensator zu führen und ihn in Abgasstromrichtung hinter dem Schalldämpfer wieder in den Abgasstrang rückzuführen.
Unter einem „Kondensator” im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung zu verstehen, in welchem ein Stoff vom gasförmigen Aggregatzustand in den flüssigen Aggregatzustand überführt wird. Insbesondere kann dabei wenigstens eine Komponente eines Gases, insbesondere Wasserdampf im Abgas einer Brennkraftmaschine, soweit abgekühlt werden, so dass die Komponente des Gases zumindest teilweise in den flüssigen Aggregatzustand übergeht. Der verflüssigte Stoff wird als „Kondensat” bezeichnet.
Unter „Wasser” im Sinne der Erfindung ist neben reinem Wasser insbesondere auch solches zu verstehen, welches Teil eines Kondensats von Abgas einer Brennkraftmaschine ist und Verunreinigungen, insbesondere abgasspezifische Verunreinigungen, enthält.
Unter „Abgasstromrichtung” im Sinne der Erfindung ist die Strömungsrichtung des Abgases einer Brennkraftmaschine durch eine zugehörige Abgasanlage zu verstehen, wenn es von der Brennkraftmaschine kommend durch die Abgasanlage bis zur deren Ausgangsmündung strömt, welche insbesondere durch ein oder mehrere Endrohre gegeben sein kann.
Unter „Abgasstrang” im Sinne der Erfindung ist der Teil einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine zu verstehen, durch den das Abgas der Brennkraftmaschine von dieser bis zur Ausgangsmündung der Abgasanlage geleitet wird. Der Abgasstrang kann insbesondere Rohrleitungen, Schalldämpfer sowie Emissionsschutzvorrichtungen, wie etwa einen Katalysator oder Abgasfilter, aufweisen.
Unter einer „Abgasentnahmevorrichtung” im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Abgasleitung zu verstehen, welche mit dem Abgasstrang so verbunden ist, das beim Betrieb der Abgasanlage ein Teil des Abgases mittels der Abgasentnahmevorrichtung als Teilabgasstrom aus dem Gasstrom abgezweigt und in den Kondensator geführt werden kann. Die Abgasentnahmevorrichtung wirkt demgemäß als Abzweigung zur Aufteilung des Abgasstroms in wenigstens zwei zumindest vorübergehend separate Abgasströme, wobei der Teilabgasstrom, welcher zum Kondensator geführt wird, der Gewinnung von Kondensat aus dem Abgas dient.
Unter einer „Abgaseinlassvorrichtung” im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Abgasleitung zu verstehen, die in einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine mündet und dazu dient, Abgas aus einem zuvor aus dem Abgasstrang abgezweigten Teilabgasstrom in den Abgasstrang zurückzuführen.
Unter einem „Abgasbypass” im Sinne der Erfindung ist ein Abgaspfad im Abgassystem einer Brennkraftmaschine zu verstehen, der von einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine abzweigt, um wenigstens ein Element des Abgasstrangs, insbesondere einen Schalldämpfer, zu umgehen, und der danach wieder in den Abgasstrang zurückgeführt ist, so dass das durch den Abgaspfad geführte Abgas das wenigstens eine umgangene Element nicht durchströmt.
So wird von dem Abgasstrom im Abgasstrang nur der zur Kondensatgewinnung erforderliche Teil Abgasstrom abgezweigt, ohne dass dieser durch den Schalldämpfer geführt wird, wodurch zum einen die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung unabhängig von dem Schalldämpfer ausgeführt werden kann, und zum andere auch durch die Anordnung des Kondensators in Abgasstromrichtung vor dem Schalldämpfer, eine weitgehende thermische Entkopplung des Kondensators von dem Schalldämpfer erreicht werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Effizienz der Kondensatgewinnung zu erhöhen, weil weder der gesamte wärmetragende Abgasstrom durch den Kondensator geführt wird, noch die Wirkung des Kondensators durch thermische Wechselwirkung mit dem durch die Abgase erwärmten Schalldämpfer reduziert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Schalldämpfer zur Implementierung der Kondensatgewinnung nicht modifiziert werden muss. Ganz im Gegenteil ist sogar ein Nachrüsten bzw. ein Austausch der Vorrichtung zur Kondensatgewinnung möglich, ohne dass dazu der Schalldämpfer verändert bzw. ausgetauscht werden muss.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung zur Kondensatgewinnung und deren Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit es sich nicht um einander ausschließende Alternativen handelt, auch miteinander kombiniert werden können.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Abgasentnahmevorrichtung so ausgestaltet, dass an ihr beim Betrieb der Abgasanlage durch das im Abgasstrang anströmende Abgas ein Staudruck entsteht. Dazu kann die Abgasentnahmevorrichtung insbesondere einen Eingangsmündungsabschnitt aufweisen, der in den das Abgas zuführenden Abgasstrang eingreift. Bevorzugt weist der Eingangsmündungsabschnitt einen sich in Richtung des in den Abgasbypass abzweigenden Abgasteilstroms verjüngenden Querschnitt, bevorzugt in Trichterform, auf. Auf diese Weise wird die Erzeugung eines Unterdrucks im Abgasbypass mit einer damit einhergehenden Sogwirkung gefördert.
Auch kann in einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform der Querschnitt des Eingangsmündungsabschnitts im weiteren Verlauf des Abgasbypass wieder vergrößert sein, so dass es dort zu einem Entspannen des Abgases mit einer damit einhergehenden Abkühlung des Abgases kommt und der Eingangsmündungsabschnitt mithin als Düse wirkt, was die Kondensation weiter fördert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Abgaseinlassvorrichtung so ausgestaltet, dass an ihr beim Betrieb der Abgasanlage durch das im Abgasstrang anströmende Abgas ein Unterdruck in dem Abgasbypass auftritt. Dies kann insbesondere unter Nutzung des aus der Strömungslehre bekannten Gesetzes von Bernoulli erfolgen, wonach ein Geschwindigkeitsanstieg eines strömenden Fluids von einem Druckabfall begleitet wird (Diese Gesetzmäßigkeit kommt etwa auch bei den bekannten Saugstrahl- bzw. Wasserstahlpumpen zum Einsatz). Gemäß einer auf dieser Gesetzmäßigkeit aufbauenden bevorzugten Variante dieser Ausführungsform weist die Abgaseinlassvorrichtung einen Mündungsabschnitt auf, dessen Leitungsquerschnitt zur Mündung in den Abgasstrang hin, bevorzugt trichterförmig, zunimmt. Dabei reicht der Mündungsabschnitt so in den Abgasstrang hinein, dass dadurch dessen Leitungsquerschnitt verjüngt wird. Hierdurch kommt es beim Betrieb der Abgasanlage zu einem Geschwindigkeitsanstieg des Abgasstroms im Abgasstrang und zu einem damit einhergehenden Druckabfall an der Mündung der Abgaseinlassvorrichtung. Somit wird ein Unterdruck im Abgasbypass erzeugt bzw. gefördert, der an der am anderen Ende des Abgasbypass gelegenen Abgasentnahmevorrichtung zu einem Einsaugen des Abgases aus dem Abgasstrang in den Abgasbypass führt, so dass die Zuführung von Abgas zum Kondensator gefördert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zu Kondensatgewinnung des Weiteren ein Stellglied zur Anpassung der Abgasdurchflussrate im Abgasbypass auf. Das Stellglied kann insbesondere an der Abgasentnahmevorrichtung angeordnet sein. Mithilfe des Stellglieds ist es möglich, die dem Kondensator zugeführte Abgasmenge so zu regeln, dass zum einen der Kondensator nicht überhitzt, wodurch die Kondensation erschwert oder gar unterbunden würde, und zum anderen genug Abgas in den Abgasbypass geleitet wird, um die, insbesondere von einer Wassereinspritzanlage der Brennkraftmaschine benötigte Menge von Kondensat zu gewinnen. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Stellglied mittels einer Steuer- oder Regelungsvorrichtung ansteuerbar, so dass die Stellung des Stellglieds in Abhängigkeit eines oder mehrerer Parameter angepasst werden kann. Diese Parameter können dabei insbesondere einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, einer Wassereinspritzanlage für die Brennkraftmaschine, der Abgasanlage oder der Vorrichtung zur Kondensatgewinnung oder den Füllstand eines Wasservorratsbehälters kennzeichnen. Insbesondere können die Temperatur des Abgases im Abgasstrang, der Brennkraftmaschine oder ihres Kühlwassers, die Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Außentemperatur oder die Wassereinspritzungsrate der Wassereinspritzanlage solche geeigneten Parameter sein. In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Steuer- oder Regelungsvorrichtung konfiguriert, die Abgasrate im Abgasstrang (d. h. Abgasmasse pro Zeit) über den Ladungswechsel, insbesondere auf Basis von Drehzahl und Aufladegrad bzw. Last zu bestimmen. Dabei kann insbesondere auch die Abgastemperatur an der Abgasendmündung der Abgasanlage zumindest grob bestimmt werden (z. B. auf ca. 70° genau). Die Steuer- oder Regelungsvorrichtung kann des Weiteren konfiguriert sein, die Leistungsdaten des Kühlers zu ermitteln. Unter Berücksichtigung der Außentemperatur als weiterem Parameter und optional auch der Fahrzeuggeschwindigkeit, kann dann die Steuer- oder Regelungsvorrichtung modelbasiert einen optimalen Wert oder Wertebereich für Abgasrate ermitteln, bei dem der Kondensator das Abgas effizient abkühlen kann, ohne das dieses über den Taupunkt gelangt, d. h. ohne dass die Kondensation im Wesentlichen zum Erliegen kommt. Dazu können gemäß bevorzugter Varianten, insbesondere im Hinblick auf eine Optimierung der Kondensat- bzw. Wasserausbeute bei der Kondensation, die folgenden Modellprinzipien zur Ermittlung des optimalen Werts oder Wertebereichs für die Abgasrate zur Anwendung kommen:
Beim ersten Modell wird die Abgasrate, d. h. der Abgasmassenstrom bestimmt, woraus sich auch der Druck an der Abgasentnahmevorrichtung, d. h. am Bypass-Einlass, sowie der Unterdruck an der Abgaseinlassvorrichtung, d. h. am Bypass-Auslass, berechnen lässt. Ebenso kann sich daraus die Temperatur am Kühler bestimmen lassen, von der aus abgekühlt werden muss. Beim zweiten Modell wird die Kühlleistung bestimmt, die unter den gegebenen Umgebungsbedingen, die insbesondere die Außentemperatur und die Fahrzeuggeschwindigkeit (Luftanströmung) umfassen, erreichbar ist. Werden dann die aus den beiden Modellen berechneten Kennfelder abgeglichen, so können über eine entsprechende Steuerung oder Regelung der Abgasrate im Bypass zu hohe Temperaturen im Kondensator verhindern werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zumindest die für eine Berührung mit dem zu gewinnenden Kondensat vorgesehenen Oberflächen des Abgasbypass aus einem (chemisch) korrosionsbeständigen Material ausgebildet sind. Diese Oberflächen kommen mit dem Abgas selbst, dem durch Kondensation gewonnenen flüssigen Wasser sowie mit darin gegebenenfalls enthaltenen ebenfalls verflüssigten Verunreinigungen in Berührung. Das Kondensat kann insbesondere säurehaltig sein und somit insbesondere korrosiv bzgl. ungeschützter Metallflächen sein. Mit Hilfe des korrosionsbeständigen Materials, kann eine Korrosion und somit Beschädigung der Vorrichtung zur Kondensatgewinnung vermieden, jedenfalls jedoch verzögert werden. Geeignete korrosionsbeständige Materialien sind insbesondere Zink, Aluminium, Titan, Edelstahl oder korrosionsbeständige Nickelbasislegierungen, insbesondere mit Chromzusatz (etwa der Werkstoff „Inconel” der Firma Special Metals Corporation). Das korrosionsbeständige Material kann insbesondere nur an den gegenüber dem Abgas und dem Kondensat exponierten Oberflächen vorhanden sein. Alternativ können auch die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung oder einzelne Bestandteile davon ganz aus einem solchen Material ausgebildet sein. Auch beliebige Mischungen bzw. Kombinationen dieser beiden Alternativen sind möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung des Weiteren ein Wärmeisolationselement zur Anordnung zwischen dem Schalldämpfer und dem Kondensator auf. Das Wärmeisolationselement kann insbesondere ein Wärmeschutzblech sein. Bevorzugt ist das Wärmeisolationselement zwischen dem Schalldämpfer und einer Kühlschleife des Kondensators, besonders bevorzugt auch zwischen dem Schalldämpfer und einem Auffangbehälter für gewonnenes Kondensat angeordnet. Zweckmäßigerweise ist das Wärmeisolationselement dabei zumindest einseitig, bevorzugt beidseitig durch einen Luftspalt vom Schalldämpfer, bzw. der Vorrichtung zur Kondensatgewinnung getrennt. Auf diese Weise lässt sich die thermische Isolation zwischen dem Schalldämpfer und der Vorrichtung zur Kondensatgewinnung und somit die Effizienz der Kondensatgewinnung weiter verbessern.
Unter einer „Kühlschleife” im Sinne der Erfindung ist eine Fluidleitung zu verstehen, die dazu angepasst ist durch physikalische, insbesondere thermische Wechselwirkung mit ihrer Umgebung und/oder mittels Abstrahlung ein in der Fluidleitung vorhandenes Fluid abzukühlen. Die Kühlschleife kann dabei beliebige geeignete Formen annehmen und insbesondere eine oder mehrere gekrümmte Abschnitte aufweisen. Dadurch kann die Fluidleitung bevorzugt auch eine mehrere nebeneinander liegende Schleifenabschnitte aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung des Weiteren einen in dem Abgasbypass angeordneten Auffangbehälter für Kondensat auf. Dabei weist der Kondensator eine Kühlschleife zur Kühlung wenigstens eines Teils des Teilabgasstroms auf. Die Kühlschleife weist ein mit dem Auffangbehälter verbundenes unteres Ende und ein mit der Abgaseinlassvorrichtung oder der Abgaseinlassvorrichtung verbundenes oberes Ende auf. Die Kühlschleife ist zumindest zwischen ihrem unteren Ende und ihrem oberen Ende so geformt, dass in der Kühlschleife mittels der Kühlung aus dem Teilabgasstrom gewonnenes flüssiges Kondensat aufgrund der Schwerkraft in den Auffangbehälter ablaufen kann. Auf diese Weise kann das in der Kühlschleife durch Abkühlung des Abgases gewonnene Kondensat automatisch, und ohne dass es dazu einer aktiven Kondensatfördervorrichtung, wie etwa einer Pumpe, bedarf, in den Auffangbehälter gelangen.
Gemäß einer ersten bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das obere Ende der Kühlschleife mit der Abgasentnahmevorrichtung verbunden, und die Kühlschleife ist in Teilabgasstromrichtung vor dem Auffangbehälter angeordnet, so dass das gewonnene flüssige Kondensat in Richtung des Teilabgasstroms in den Auffangbehälter ablaufen kann. Auf diese Weise kann die zunächst noch hohe Temperatur des Abgases zur Überwindung eines Höhenunterschieds zwischen der Eingangsmündung der Abgasentnahmevorrichtung und dem Beginn der Kühlschleife genutzt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das bei der Abkühlung entstehende Kondensat in Strömungsrichtung des Teilabgasstroms in der Kühlschleife zum Auffangbehälter fließen kann, so dass die Abgasströmung das Abfließen weiter fördert, sie jedenfalls aber nicht behindert. Dazu weist die Abgasentnahmevorrichtung gemäß einer bevorzugten Variante ein Steigrohr auf, welches die Eingangsmündung der Abgasentnahmevorrichtung am Abgasstrang mit dem oberen Ende der Kühlschleife verbindet und in dem heißes Abgas aufsteigen kann, bevor es in die Kühlschleife gelangt. Besonders bevorzugt verläuft das Steigrohr im Wesentlichen geradlinig.
Gemäß einer zweiten dazu alternativen Weiterbildung dieser Ausführungsform ist dagegen das obere Ende der Kühlschleife mit der Abgaseinlassvorrichtung verbunden und die Kühlschleife ist in Teilabgasstromrichtung nach dem Auffangbehälter angeordnet, so dass das gewonnene flüssige Kondensat entgegen der Richtung des Teilabgasstroms in den Auffangbehälter ablaufen kann. Diese zweite Weiterbildung ist insbesondere vorteilhaft, wenn neben der Kondensatgewinnung im Kondensator auch ein Sammeln von Kondensat bewerkstelligt werden soll, welches sich in Abgasstromrichtung vor dem Schalldämpfer im Abgasstrang gesammelt hat. Speziell bei Kraftfahrzeugen kommt es im alltäglichen Fahrbetrieb zwischenzeitlich immer wieder zu Fahrprofilen, in denen es zu Kondenswasserabscheidungen im Abgasstrang der Abgasanlage des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs kommt. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn die Abgasanlage noch kalt ist bzw. wenn sie durch geeignete Umweltbedingungen nicht über eine gewisse Temperatur (Taupunkt für Wasserdampf im Abgas) aufgeheizt werden kann. Niedrige Außentemperaturen oder abkühlender Fahrtwind können dies weiter begünstigen. Auch lange Standzeiten oder Kurzstrecken stellen Bedingungen dar, unter denen sich leicht Kondenswasser in der Abgasanlage absetzen kann.
Gemäß einer bevorzugten Variante dieser Weiterbildung ist der Auffangbehälter an der Abgasentnahmevorrichtung angeordnet oder ist ein Teil dieser. Er weist einen Flüssigkeitseinlass auf, mittels dessen er mit einem in Abgasstromrichtung vor dem Schalldämpfer gelegenen, bevorzugt in Abgasstromrichtung ansteigenden, Abschnitt des Abgasstrangs der Abgasanlage so verbindbar ist, dass eine dort lagernde Flüssigkeit in Abgasstromrichtung, aufgrund der Schwerkraft oder einer entgegengesetzt zur Abgasstromrichtung gerichteten Beschleunigungskomponente einer Bewegung der Abgasanlage, durch den Flüssigkeitseinlass aus dem Abgasstrang in den Auffangbehälter fließen kann. Speziell bei einem Kraftfahrzeug kann die Beschleunigungskomponente durch dessen beschleunigte Bewegung hervorgerufen sein. Dabei kann der Flüssigkeitseinlass bevorzugt gleichzeitig als Abgaseintrittsöffnung der Abgasentnahmevorrichtung dienen. Des Weiteren kann es im Hinblick auf eine möglichst gute Schalldämpfung auch im Abgasbypass vorteilhaft sein, wenn der Flüssigkeitseinlass wenigstens ein fluiddurchlässiges, schalldämpfendes akustisches Element aufweist. Das akustische Element kann insbesondere ein perforiertes Blech aufweisen, welches die Abgaseintrittsöffnung der Abgasentnahmevorrichtung zumindest teilweise abdeckt, wobei die Perforation so ausgestaltet ist, dass sie sowohl für Abgas als auch für Abgaskondensat bzw. Wasser durchlässig ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung des Weiteren wenigstens eine der folgenden Kühlverstärkungsvorrichtungen zur Unterstützung der Kondensatgewinnung auf: Kühlrippen, insbesondere an der Kühlschleife, am Auffangbehälter, oder an beiden; oder eine oder mehrere Luftleiteinrichtungen zum gezielten Leiten von Luftströmungen auf die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung, insbesondere auf die Kühlschleife oder den Auffangbehälter, oder beide. Mittels der Kühlrippen wird die zur Kühlung, insbesondere Luftkühlung, des Kondensators bzw. seiner Kühlschleife sowie gegebenenfalls des Auffangbehälters zur Verfügung stehende Kühlfläche vergrößert, so dass eine stärkere bzw. effizientere Kühlung und somit eine verbesserte Kondensatgewinnung ermöglicht wird. Über die Luftleiteinrichtungen, welche insbesondere Luftleitbleche sein können, wird dagegen bei Luftkühlung eine Luftströmung, bei Fahrzeugen insbesondere der Fahrtwind, gezielt auf die zu kühlenden Elemente der Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gelenkt. Dies fördert wiederum eine stärkere bzw. effizientere Kühlung und somit Kondensatgewinnung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung des Weiteren eine Flüssigkeitsentnahmevorrichtung zur Entnahme von Flüssigkeit aus dem Auffangbehälter auf. Dabei ist die Flüssigkeitsentnahmevorrichtung in Abhängigkeit von einem Steuersignal steuerbar, insbesondere aktivierbar und deaktivierbar, das von wenigstens einem der folgenden Parameter abhängt: vom Füllzustand des Auffangbehälters, vom Füllzustand eines aus dem Auffangbehälter zu speisenden Vorratstanks; vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere von deren Lastzustand; vom Betriebszustand der Abgasanlage, insbesondere von deren Temperatur oder Abgasdruck; von einer Beschleunigung der Abgasanlage. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, die Entnahme von Flüssigkeit, d. h. je nach Ausführungsform von Kondensat aus dem Kondensator und/oder aus dem Abgasstrang, aus dem Auffangbehälter nur dann vorzunehmen, wenn genügend Flüssigkeit vorhanden ist, oder die Entnahmemenge dem Verbrauch der Flüssigkeit anzupassen, oder die Entnahmen zeitlich so anzusetzen, dass die Flüssigkeitsverteilung im Auffangbehälter bei gegebener Beschleunigung und den damit zusammenhängenden Kräften zur Flüssigkeitsentnahme besonders günstig ist. Letzteres kann etwa erreicht werden, in dem ein Flüssigkeitsentnahmeschlauch oder -rohr an einem hinteren Ende des Auffangbehälters angeordnet ist, so dass bei einer Vorwärtsbeschleunigung der Flüssigkeitsspiegel im hinteren Teil des Auffangbehälters ansteigt, was für eine insbesondere blasenfreie Flüssigkeitsentnahme an dieser Stelle besonders günstig ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftahrzeugs. Das Abgassystem weist einen Abgasstrang mit wenigstens einem Schalldämpfer und eine Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf.
Das vorausgehend bereits zu der Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung Gesagte trifft daher gleichermaßen auf das Abgassystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung zu.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Abgassystems, ist dieses für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeug vorgesehen und der Kondensator, insbesondere eine Kühlschleife des Kondensators, ist im Abgassystem relativ zu dem Schalldämpfers so angeordnet, dass bei Vorwärtsfahrt eines mit der Abgasanlage ausgestatteten Kraftfahrzeugs der Fahrtwind zuerst auf den Kondensator trifft, bevor er auf den Schalldämpfer trifft. Dies kann insbesondere dadurch bewerkstelligt sein, dass im Abgassystem der Schalldämpfer näher zu einer Endmündung des Abgassystems, insbesondere zu einem oder mehreren Endrohren, hin angeordnet ist, als der Kondensator. So kommt letzterer beim Einbau der Abgasanlage in ein Fahrzeug näher zu dessen Frontseite hin zu liegen als der Schalldämpfer. Auf diese Weise ist wird die Kühlung im Kondensator nicht durch die Abwärme des durch das Abgas erhitzten Schalldämpfers negativ beeinflusst, was die Effizienz der Kühlung und somit der Kondensatgewinnung fördert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Abgassystem als Unterbodenabgassystem eines Kraftfahrzeugs ausgeführt, wobei die Kühlung des Kondensators, wahlweise auch eines Auffangbehälters für das gewonnene Kondensat, mittels Luftkühlung durch den Fahrwind erfolgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Kühlung des Kondensators zumindest teilweise mittels eines Flüssigkeitskühlkreislaufs erfolgen, insbesondere indem ein entsprechender zur Abkühlung des Abgases bzw. des Kondensators vorgesehener Wärmetauscher in den Kondensator integriert ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, bei der das Abgassystem als Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs ausgeführt ist, ist der in Abgasstromrichtung vor der Abgasentnahmevorrichtung gelegene Bereich des Abgasstrangs so ausgebildet, dass er wenigstens eine Abschnitt aufweist, der tiefer liegt, als eine Abgaseinlassöffnung des Schalldämpfers. Auf diese Weise kann sich ein im Abgasstrang während oder nach einer Fahrt abgeschlagenes Kondensat in diesem Abschnitt sammeln, wobei ein Abfließen in den Schalldämpfer durch die tiefere Lage erschwert ist. Auf diese Weise lassen sich zum einen durch Flüssigkeitseintrag erzeugte unerwünschte Geräusche im Schalldämpfer begrenzen oder gar vermeiden. Zum anderen kann das in dem Abschnitt gesammelte Kondensat, wenn die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung wie vorausgehend beschrieben mit einem Flüssigkeitseinlass zu einem Auffangbehälter versehen ist, in diesen abfließen und so ebenfalls zur Kondensatgewinnung beitragen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Dabei zeigt
1 schematisch in einer vorderen Seitenansicht (von einer zugehörigen Brennkraftmaschine aus gesehen) ein Abgassystem mit einem Schalldämpfer und einer Vorrichtung zur Kondensatgewinnung, gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Richtungen des Abgasstroms und des Kondensatflusses im Kondensator übereinstimmen;
2 schematisch in einer vorderen Seitenansicht (von einer zugehörigen Brennkraftmaschine aus gesehen) ein Abgassystem mit einem Schalldämpfer und einer Vorrichtung zur Kondensatgewinnung, gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Richtungen des Abgasstroms und des Kondensatflusses im Kondensator gegenläufig verlaufen;
3 schematisch eine detaillierte Stirnseitenansicht eines Abgassystems gemäß dem Prinzip aus 2, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
4 schematisch eine detaillierte vordere Seitenansicht (von einer Brennkraftmaschine aus) des Abgassystems aus 3;
5 schematisch eine bevorzugte Weiterbildung des Abgassystems aus 4 mit Kühlrippen am Kondensator am Auffangbehälter; und
6 schematisch Kondensatvorratssystem zur Kombination mit der Vorrichtung zur Kondensatgewinnung, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Nachfolgend werden durchgängig gleiche Bezugszeichen für gleiche bzw. einander entsprechende Merkmale verwendet.
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen, in der ein Abgassystem 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Das Abgassystem 1 weist einen Schalldämpfer 2 auf, der insbesondere ein Nachschalldämpfer sein und im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordnet sein kann. Des Weiteren weist das Abgassystem 1 eine aus mehreren Komponenten bestehende Vorrichtung zu Kondensatgewinnung auf. Zwischen der Brennkraftmaschine und dem Schalldämpfer verläuft ein Abgasstrang, der ein brennkraftmaschinenseitiges Abgasrohr 3 mit einer Einlassöffnung 4 für von der Brennkraftmaschine kommendes Abgas aufweist. Im Abgasstrang können sich insbesondere ein oder mehrere weitere Schalldämpfer, sowie andere Elemente einer Abgasanlage finden, insbesondere ein Katalysator oder Abgasfilter. Am Ausgang des Schalldämpfers 2 ist wenigstens ein ausgangsseitiges Abgasrohr angeordnet, im dargestellten Beispiel eines zweiflutigen Abgassystems 1 sind zwei jeweils als Endrohre ausgebildete ausgangsseitige Abgasrohre 5a und 5b vorhanden. Die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung weist eine Abgasentnahmevorrichtung 6 auf, welche an einer Oberseite des Abgasrohrs 3 ansetzt, um daraus Abgas abzuzweigen. Bevorzugt weist die Abgasentnahmevorrichtung 6 ein Stellglied auf, um die Gasentnahmerate des abgezweigten Gases variabel anpassen zu können. Die Abgasentnahmevorrichtung 6 wirkt somit als Abzweigung bzw. Weiche, die den von der Brennkraftmaschine kommenden Abgasstrom in einen durch den Schalldämpfer 2 verlaufenden Hauptabgasstrom und den abgezweigten Teilabgasstrom auftrennt.
An die Abgasentnahmevorrichtung 6 schließt sich ein Steigrohr an, welches in eine in mehreren Schleifen abwärts verlaufende, als Kondensator wirkende Kühlschleife 11 übergeht, die in einen, bevorzugt auf Höhe der Unterseite des Schalldämpfers angeordneten, Auffangbehälter 8 für Kondensat mündet. An einem oberen Ende des Auffangbehälters 8 beginnt eine Verbindungsleitung 7, welche zunächst ebenfalls ansteigt und nach dem Schalldämpfer in eines der (wahlweise auch in beide) Endrohre 5a bzw. 5b mittels einer Abgaseinlassvorrichtung 12 mündet. Somit ist zwischen der Abgasentnahmevorrichtung 6 am Abgasrohr 3 und der Abgaseinlassvorrichtung 12 am Endrohr 5a bzw. 5b (nicht gezeigt) ein durchgängiger Abgaskanal gebildet, der als Bypass wirkt, um Abgas am Schalldämpfer 2 vorbei in das bzw. die Endrohre 5a bzw. 5b zu leiten.
Die Kühlschleife 11 ist dabei kühlbar, insbesondere mittels einer Luftströmung, wie sie etwa bei der Fahrt eines Kraftfahrzeugs auftritt, so dass der in dem durch sie geleiteten Abgas vorhandene Wasserdampf zumindest teilweise zu flüssigem Wasser kondensiert, wenn er unter seinen Taupunkt abgekühlt wird. Dieses Kondensat kann neben Wasser auch zusätzliche Stoffe als Verunreinigungen enthalten, insbesondere weitere Abgasbestandteile. Da die einzelnen Streckenabschnitte der Kühlschleife 11 eine sich nach unten erstreckende, gewinkelte Rampe darstellen, kann das durch Abkühlung gewonnene flüssige Kondensat schwerkraftbedingt entlang der Kühlschleife in den Auffangbehälter 8 ablaufen und dort gesammelt werden. Das nicht kondensierte Abgas des Teilabgasstroms durchströmt den gesamten Bypass von der Abgasentnahmevorrichtung 6 über die Kühlschleife 11, den Auffangbehälter 8 und das Verbindungsrohr 7 bis zur Abgaseinlassvorrichtung 12 im Endrohr 5a bzw. 5b, ohne dabei den Schalldämpfer 2 zu durchlaufen. Dementsprechend stimmen bei dieser Ausführungsform die Richtungen des Teilabgasstroms und des Kondensatflusses im Kondensator überein. Zur Entnahme des gewonnenen Kondensats aus dem Auffangbehälter 8 ist eine Absaugvorrichtung 9 mit einem sich anschließenden Absatzschlauch 10 vorgesehen, über den das Kondensat abgesaugt werden kann.
In 2 ist ein dazu alternatives Abgassystem 1 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Aufbau dieses Abgassystems 1 stimmt größtenteils mit dem aus 1 überein. Der wesentliche Unterschied besteht jedoch in der Anordnung der Kühlschleife 11 sowie der Verbindungsleitung 7. In 2 beginnt die Verbindungsleitung 7 an der Abgasentnahmevorrichtung 6 am Abgasrohr 3 und verläuft, bevorzugt im wesentlichen gradlinig und abschüssig, zum Auffangbehälter 8. Die Kühlschleife 11 des Kondensators beginnt am Auffangbehälter 8 oberhalb der Mündung der Verbindungsleitung 7 und steigt, bevorzugt in mehreren Windungen, schräg an, bis sie nach einem fallenden Abschnitt in eines oder beide der Endrohre 5a bzw. 5b mittels einer Abgaseinlassvorrichtung 12 mündet. In der Kühlschleife 11 kann sich bei Kühlung wiederum Kondensat aus dem Abgas abscheiden, welches aufgrund des schrägen Verlaufs der Kühlschleife schwerkraftbedingt zum Auffangbehälter 8 abfließen und sich dort sammeln kann (Gleiches gilt entsprechend gilt für Kondensat, welches sich gegebenenfalls in der Verbindungsleitung 7 bildet.) Dementsprechend verlaufen bei dieser Ausführungsform die Richtungen des Teilabgasstroms und des Kondensatflusses in der Kühlschleife 11 gegenläufig.
In 3 ist schematisch eine detaillierte Stirnseitenansicht eines Abgassystems 1 gemäß dem Prinzip aus 2 dargestellt. Auf der rechten Seite ist das von der Brennkraftmaschine kommende Abgasrohr 3 des Abgasstrangs zu sehen, welches in ansteigenden Winkel zum Schalldämpfer 2 führt und in diesen mündet. Am Ausgang des Schalldämpfers 2 ist eines der Endrohre 5a zu sehen. Die Abgasentnahmevorrichtung 6 ist als Trichterform ausgebildet, dessen Öffnung an dem mit ansteigenden Winkel verlaufenden Abschnitt des Abgasrohres 3 so ansetzt, dass eine sich im Abgasrohr 3 vor den Trichter angesammelte Flüssigkeit 17 eine Schwelle überwinden muss, um in den Trichter zu gelangen. Am spitzen Ende des Trichters der Abgasentnahmevorrichtung 6 schließt sich ein Auffangbehälter 8 für Kondensat so an, dass eine in den Trichter gelangte Flüssigkeit schwerkraftbedingt in den Auffangbehälter 8 ablaufen und dort gesammelt werden kann. Wenn es demnach zu einer Verkippung oder einer Beschleunigung des Abgassystems kommt oder der Flüssigkeitsspiegel der Flüssigkeit 17 so hoch ansteigt, dass er die Schwelle überschreitet, dann kann die Flüssigkeit 17 in den Auffangbehälter 8 gelangen (siehe Pfeil) und dort gesammelt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Abgassystem 1 Teil einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs ist. Dann kann Kondensat, welches sich im Abgasstrang gesammelt hat, bei entsprechender Beschleunigung oder Bergauffahrt des Fahrzeugs aufgefangen und somit als wiederverwertbare Flüssigkeit, insbesondere zur Wassereinspritzung in die Brennkraftmaschine, gewonnen werden. Die Abgasentnahmevorrichtung kann zum Abgasrohr 3 hin mit einem kondensatdurchlässigen aber schalldämpfenden akustischen Element 15, insbesondere mit einem perforierten Blech, versehen sein, um unerwünschte Geräusche zu dämpfen, welche sich andernfalls insbesondere durch den Bypass bis in die Endrohre 5a bzw. 5b und von dort in die Umgebung fortpflanzen könnten.
Gemäß dem bereits im Zusammenhang mit 2 erläuterten Aufbauprinzip, schließt sich am oberen Ende des Auffangbehälters 8 ein Kondensator mit einer Kühlschleife 11 an, in der ein über die Abgasentnahmevorrichtung 6 aus dem Abgasrohr 3 abgezweigter Teilabgasstrom nach oben geführt und dabei abgekühlt wird. Bei Abkühlung unter den Taupunkt von Wasser wird dabei wasserhaltiges Kondensat abgeschieden, welches schwerkraftbedingt über die schräg verlaufenden Abschnitte der Kühlschleife 11 nach unten in den Auffangbehälter 8 läuft und dort als gesammeltes Kondensat 16 zur weiteren Verwendung zur Verfügung steht.
Nach Durchlaufen der Kühlschleife 11 wird der verbleibende Teilabgasstrom zu einer Abgaseinlassvorrichtung 12 am Endrohr 5a geführt, wo er wieder mit dem Hauptabgasstrom vereinigt wird, der zuvor den Schalldämpfer 2 durchlaufen hat. Die Abgaseinlassvorrichtung 12 weist dazu eine in das Endrohr 5a hineinreichende trichterförmige Mündungsöffnung auf, wobei sich der Trichter in Richtung des Teilabgasstroms zur Mündung des Endrohres 5a hin öffnet und somit an dieser Stelle den Querschnitt des Endrohres 5a verringert. Auf diese Weise kommt das Gesetz von Bernoulli zum Tragen, gemäß dem sich an der Mündung des Trichters ein Unterdruck ausbildet, der sich in den an der Abgaseinlassvorrichtung 12 mündenden Bypass fortpflanzt und somit darin eine Sogwirkung erzeugt, aufgrund derer der Teilabgasstrom durch den zwischen der Abgasentnahmevorrichtung 6 und der Abgaseinlassvorrichtung 12 und über die Kühlschleife 11 verlaufenden Bypass gezogen wird. Bevorzugt ist über eine entsprechende Dimensionierung der Abgasentnahmevorrichtung 6 und/oder der Abgaseinlassvorrichtung 12 sowie des dazwischenliegenden Bypass oder über ein optionales Stellglied, etwa an der Abgasentnahmevorrichtung 6, die Gasmenge des Teilabgasstroms so bestimmt, dass im Regelbetrieb zum einen genug Abgas durch den Bypass strömt, damit eine ausreichende Kondensatmenge in der Kühlschleife abgeschieden werden kann, und zum anderen die von den Teilabgasstrom transportierte Wärmemenge nicht so hoch ist, dass sie die Kondensationsprozess der Kühlschleife aufgrund zu hohen Wärmeeintrags wesentlich negativ beeinträchtigt. Hier ist auch eine dynamische Steuerung bzw. Regelung des Teilabgasstroms mittels des genannten Stellglieds möglich, um situationsbedingt, insbesondere auch in Abhängigkeit von dessen Temperatur, die Stärke des Teilabgasstroms zu steuern oder zu regeln.
Zur zumindest weitgehenden thermischen Entkopplung des Schalldämpfers 2 einerseits und des Kondensators, insbesondere der Kühlschleife 11, sowie des Auffangbehälters 8 andererseits, ist dazwischen ein Wärmeisolationselement 14 mittels Abstandshaltern 13 am Schalldämpfer 2 angebracht. Das Wärmeisolationselement 14 ist beidseitig jeweils durch einen Luftspalt vom Schalldämpfer 2 bzw. dem Kondensator getrennt. Es kann insbesondere als Abschirmblech ausgebildet sein.
In 4 ist das Abgassystem 1 aus 3 nochmals gezeigt, diesmal jedoch wieder in einer vorderen Seitenansicht von der Brennkraftmaschine aus.
In 5 ist eine bevorzugte Weiterbildung des in 3 und 4 gezeigten Abgassystems dargestellt. Hierbei sind zur Verstärkung der Kühlleistung des Kondensators Kühlrippen 18a und 18b im Bereich der Kühlschleife 11 sowie des Auffangbehälters 8 vorgesehen, um die effektive Kühlfläche des Kondensators zu erhöhen. Alternativ können die Kühlrippen auch selektiv nur an der Kühlschleife 11 oder am Auffangbehälter 8 vorgesehen sein. Ansonsten entspricht das Abgassystem 1 aus 5 dem bereits vorausgehend im Zusammenhang mit den 3 und 4 beschriebenen Abgassystem.
In 6 ist ein Kondensatvorratssystem zur Kombination mit der Vorrichtung zur Kondensatgewinnung dargestellt, welches eine Erweiterung des erfindungsgemäßen Abgassystems 1 sein kann. Dementsprechend können ein oder mehrere Komponenten daraus, bevorzugt sämtliche Komponenten Bestandteil des Abgassystems 1 sein. Das Kondensatvorratssystem ist mit dem Auffangbehälter 8 der Vorrichtung zur Kondensatgewinnung verbunden, so dass aus dem Auffangbehälter 8 dort vorhandenes Kondensat entnommen werden kann, insbesondere über Absaugung. Diese Verbindung kann dementsprechend insbesondere mittels eines Absaugstutzens 19 erfolgen, der bevorzugt als Rohr- oder Schlauch ausgebildet sein kann.
Zum Fördern des Kondensats aus dem Auffangbehälter 8 ist der Absaugstutzen 19 mit einer Pumpe 21 verbunden, die wiederum mit einem Vorratstank 22 verbunden ist, um das abgesaugte Kondensat in den Vorratstank 22 zu pumpen. In der Verbindung zwischen dem Ansaugstutzen 19 und der Pumpe 21 und/oder der Verbindung zwischen der Pumpe 21 und dem Vorratstank 22 kann ein Filter 20a bzw. 20b zur Reinigung des aus dem Auffangbehälter 8 entnommenen Kondensats vorgesehen sein. Der Filter kann bevorzugt auswechselbar sein. Denkbar ist auch, dass er ein oder mehrere Opferelemente enthält, die eine Neutralisation von im Kondensat enthaltenen Säuren ermöglichen. Aufgrund der vorangegangenen Kondensation sind dagegen Maßnahmen zur Kalkentfernung aus dem Kondensat im Normalfall nicht erforderlich, wenngleich nicht ausgeschlossen. Der Auffangbehälter 8 kann einen Füllstandssensor 26 aufweisen. Ebenso kann der Vorratstank 22 einen Füllstandssensor 23 aufweisen. Auf diese Weise können die damit messbaren Füllstände jeweils einzelnen oder gemeinsam herangezogen werden, um einen angepassten Betrieb des Kondensatvorratssystems zu bewerkstelligen. Insbesondere kann das Kondensatsvorratssystem auf Basis der gemessenen Füllstände so betrieben werden, dass die Pumpe nur aktiviert wird, wenn sich im Auffangbehälter 8 gesammeltes Kondensat befindet oder dass eine Entnahme von Kondensat aus dem Vorratstank 22, etwa durch eine weitere Pumpe (nicht gezeigt) nur dann erfolgt, wenn dieser zumindest teilweise gefüllt ist.
Der Vorratstank 22 kann optional einen Einfüllstutzen 24 aufweisen, mittels dessen er mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, betankt werden kann. Dies kann vor allem dann vorteilhaft sein, wenn das durch die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung bereitgestellte Kondensat zumindest temporär nicht ausreicht oder beispielsweise aufgrund eines Defekts wegfällt. Schließlich weist der Vorratstank 22 noch eine Überlaufvorrichtung 25 auf, mittels der bei gefülltem Vorratstank 22 überflüssiges Kondensat bzw. Wasser sowie unabhängig davon auch von der Pumpe 21 angesaugte Abgasdämpfe abgeleitet werden können.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zu Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

1: Abgassystem
2: Schalldämpfer, insbesondere Nachschalldämpfer
3: Motorseitiges Abgasrohr
4: Einlassöffnung des motorseitigen Abgasrohrs
5a, b: Ausgangsseitiges linkes bzw. rechtes Abgasrohr, insbesondere Endrohr
6: Abgasentnahmevorrichtung, insbesondere mit Stellglied
7: Verbindungsleitung
8: Auffangbehälter
9: Absaugvorrichtung für gesammelte Flüssigkeit
10: Absaugschlauch
11: Kühlschleife
12: Abgaseinlassvorrichtung, insbesondere auch Flüssigkeitseinlass
13: Abstandshalter
14: Wärmeisolationselement, insbesondere Abschirmblech
15: Schalldämpfendes akustisches Element, insbesondere perforiertes Blech
16: Gesammeltes Kondensat, insbesondere aus Kühlschleife und Abgasrohr
17: Im motorseitigen Abgasrohr gesammeltes Kondensat
18a, b: Kühlrippen für Kondensator/Kühlschleife bzw. Auffangbehälter
19: Absaugstutzen
20a, b: Filter
21: Pumpe
22: Vorratstank
23: Füllstandssensor für Vorratstank
24: Einfüllstutzen für Vorratstank
25: Überlaufvorrichtung für Vorratstank
26: Füllstandssensor für Auffangbehälter

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 [0004]
DE 102012207903 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Kondensatgewinnung aus einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur Wassergewinnung für eine Wassereinspritzanlage einer Brennkraftmaschine eines Kraftahrzeugs, aufweisend: einen Kondensator (11) zum Kondensieren von im Abgas der Brennkraftmaschine vorhandenem Wasserdampf zu flüssigem Wasser; eine in Abgasstromrichtung vor einem Schalldämpfer (2) der Abgasanlage in einem Abgasstrang (3) der Abgasanlage vorgesehene Abgasentnahmevorrichtung (6) zur Abzweigung eines Abgasteilstroms aus der Abgasanlage und zur Zuführung des abgezweigten Abgasteilstroms in den Kondensator (11); eine in Abgasstromrichtung nach dem Schalldämpfer (2) in dem Abgasstrang (5a, b) vorgesehene Abgaseinlassvorrichtung (12) zur Rückführung von Abgas des abgezweigten Abgasteilstroms in die Abgasanalage nach dessen Durchströmen des Kondensators (11); wobei die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung einen Abgasbypass (6, 7, 8, 11, 12) bildet, um den Abgasteilstrom aus dem Abgasstrang (3) zu entnehmen, ihn zur Kondensatgewinnung unter Umgehung des Schalldämpfers (2) durch den außerhalb des Schalldämpfers (2) angeordneten Kondensator (11) zu führen und ihn in Abgasstromrichtung hinter dem Schalldämpfer (2) wieder in den Abgasstrang (5a, b) rückzuführen.
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß Anspruch 1, wobei die Abgasentnahmevorrichtung (6) so ausgestaltet ist, dass an ihr beim Betrieb der Abgasanlage durch das im Abgasstrang (3) anströmende Abgas ein Staudruck entsteht.
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Abgaseinlassvorrichtung (12) so ausgestaltet ist, dass an ihr beim Betrieb der Abgasanlage durch das im Abgasstrang (5a, b) anströmende Abgas ein Unterdruck in dem Abgasbypass (6, 7, 8, 11, 12) auftritt.
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend ein Stellglied zur Anpassung der Abgasdurchflussrate im Abgasbypass (6, 7, 8, 11, 12).
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zumindest die für eine Berührung mit dem zu gewinnenden Kondensat vorgesehenen Oberflächen des Abgasbypass (6, 7, 8, 11, 12) aus einem korrosionsbeständigen Material ausgebildet sind.
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend ein Wärmeisolationselement (14) zur Anordnung zwischen dem Schalldämpfer (2) und dem Kondensator (11).
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend einen in dem Abgasbypass (6, 7, 8, 11, 12) angeordneten Auffangbehälter (8) für Kondensat; wobei der Kondensator eine Kühlschleife (11) zur Kühlung wenigstens eines Teils des Teilabgasstroms aufweist, und die Kühlschleife (11) ein mit dem Auffangbehälter (8) verbundenes unteres Ende und ein mit der Abgasentnahmevorrichtung (6) oder der Abgaseinlassvorrichtung (12) verbundenes oberes Ende aufweist; und die Kühlschleife (11) zumindest zwischen ihrem unteren Ende und ihrem oberen Ende so geformt ist, dass in der Kühlschleife (11) mittels der Kühlung aus dem Teilabgasstrom gewonnenes flüssiges Kondensat aufgrund der Schwerkraft in den Auffangbehälter (8) ablaufen kann.
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß Anspruch 7, wobei das obere Ende der Kühlschleife (11) mit der Abgasentnahmevorrichtung (6) verbunden ist, und die Kühlschleife (11) in Teilabgasstromrichtung vor dem Auffangbehälter (8) angeordnet ist, so dass das gewonnene flüssige Kondensat in Richtung des Teilabgasstroms in den Auffangbehälter (8) ablaufen kann.
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß Anspruch 8, wobei das obere Ende der Kühlschleife (11) mit der Abgaseinlassvorrichtung (12) verbunden ist und die Kühlschleife (11) in Teilabgasstromrichtung nach dem Auffangbehälter (8) angeordnet ist, so dass das gewonnene flüssige Kondensat entgegen der Richtung des Teilabgasstroms in den Auffangbehälter (8) ablaufen kann.
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß Anspruch 9, wobei der Auffangbehälter (8) an der Abgasentnahmestelle (6) angeordnet oder Teil dieser ist und einen Flüssigkeitseinlass aufweist, mittels dessen er mit einem in Abgasstromrichtung vor dem Schalldämpfer (6) gelegenen, bevorzugt in Abgasstromrichtung ansteigenden, Abschnitt des Abgasstrangs (3) der Abgasanlage so verbindbar ist, dass eine dort lagernde Flüssigkeit (17) in Abgasstromrichtung, aufgrund der Schwerkraft oder einer entgegengesetzt zur Abgasstromrichtung gerichteten Beschleunigungskomponente einer Bewegung der Abgasanlage, durch den Flüssigkeitseinlass aus dem Abgasstrang (3) in den Auffangbehälter (8) fließen kann.
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß Anspruch 10, wobei der Flüssigkeitseinlass gleichzeitig als Abgaseintrittsöffnung der Abgasentnahmevorrichtung (6) dient.
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei der Flüssigkeitseinlass wenigstens ein fluiddurchlässiges, schalldämpfendes akustisches Element (15) aufweist.
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, des Weiteren aufweisend wenigstens eine der folgenden Kühlverstärkungsvorrichtungen zur Unterstützung der Kondensatgewinnung: Kühlrippen (18a, b), insbesondere an der Kühlschleife (11), am Auffangbehälter (8), oder an beiden; eine oder mehrere Luftleiteinrichtungen zum gezielten Leiten von Luftströmungen auf die Vorrichtung zur Kondensatgewinnung, insbesondere auf die Kühlschleife (11) oder den Auffangbehälter (8), oder beide.
Vorrichtung zur Kondensatgewinnung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, des Weiteren aufweisend eine Flüssigkeitsentnahmevorrichtung (19 bis 21) zur Entnahme von Flüssigkeit aus dem Auffangbehälter (8); wobei die Flüssigkeitsentnahmevorrichtung (19 bis 21) in Abhängigkeit von einem Steuersignal steuerbar ist, das von wenigstens einem der folgenden Parameter abhängt: – vom Füllzustand des Auffangbehälters (8) oder einem gemäß einem Modell berechneten Werts dafür; – vom Füllzustand eines aus dem Auffangbehälter zu speisenden Vorratstanks (22); – vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere von deren Lastzustand; – vom Betriebszustand der Abgasanlage, insbesondere von deren Temperatur oder Abgasdruck; – von einer Beschleunigung der Abgasanlage.
Abgassystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftahrzeugs, aufweisend: einen Abgasstrang (3, 2, 5a, b) mit wenigstens einem Schalldämpfer (2); und einer Vorrichtung zur Kondensatgewinnung (11) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, insbesondere zur Wassergewinnung für eine Wassereinspritzanlage der Brennkraftmaschine.