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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung von Wasser, insbesondere für eine Brennkraftmaschine. Ein weitere Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser.
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Zur Reduzierung einer Klopfneigung und zur Reduzierung von hohen Abgastemperaturen werden in jüngster Zeit verstärkt Vorschläge gemacht, bei Brennkraftmaschinen eine Wassereinspritzung durchzuführen. Das Wasser kann hierbei entweder direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine oder in einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Um derartige Wassereinspritzsysteme in Serie in Fahrzeugen einbauen zu können, muss gewährleistet sein, dass ausreichend Wasser in einem Wassertank oder dgl. vorhanden ist. Hierbei wäre es wünschenswert, wenn ein Nutzer des Fahrzeugs möglichst nicht gezwungen ist, selbsttätig Wasser, z.B. über einen Nachfüllstutzen, in den Wassertank des Fahrzeugs einzufüllen. Aus der
DE 102012207903 A1 ist eine Vorrichtung zur Wassergewinnung aus einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei ist ein Kondensator vorgesehen, um im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Wasserdampf zu kondensieren. Da das Wasser direkt aus dem Abgas gewonnen wird, sind in großem Umfang korrosive Bestandteile im gewonnenen Wasser enthalten, welche insbesondere Metallteile des Abgassystems und/oder eines Wassereinspritzsystems angreifen. Von daher ist es eigentlich zwingend notwendig, dass eine Reinigung des direkt aus dem Abgas gewonnenen Wasserkondensats durchgeführt wird. Nur hierdurch können Schäden an empfindlichen Bauteilen des Wassereinspritzsystems, insbesondere an Wasserinjektoren, vermieden werden.
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Stand der Technik
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus Luft, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen des Anspruchs 1, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass Wasser aus Luft bzw. der Umgebungsluft gewonnen werden kann, wobei das gewonnene Wasserkondensat keine korrosiven Bestandteile aufweist. Die wasserführenden Komponenten der Vorrichtung und die Brennkraftmaschine selbst werden signifikant geringer belastet mit besonderem Blick auf eine Korrosionsbelastung. Dadurch ist es möglich, dass das gewonnene Wasser verwendet werden kann, ohne dass aufwendige Reinigungsarbeiten des kondensierten Wassers notwendig wären. Dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach und robust aufgebaut und kann problemlos über mehrere Jahre hinweg in einem Fahrzeug verwendet werden. Dabei sind keinerlei Wartungsarbeiten oder dgl. zur Wartung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wassergewinnung notwendig Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, erreicht, die einen Luftkanal, eine Expansionseinrichtung, einen Bypasskanal mit einer Bypassklappe, und eine Kondensationsvorrichtung umfasst. Dabei ist die Expansionseinrichtung am Luftkanal angeordnet. Ferner ist der Bypasskanal parallel zur Expansionseinrichtung angeordnet. Weiterhin ist die Bypassklappe eingerichtet, den Bypasskanal freizugeben oder zu schließen. Die Kondensationsvorrichtung ist ferner in Strömungsrichtung nach der Expansionseinrichtung angeordnet. In einem ersten Modus der Vorrichtung befindet sich die Bypassklappe in einer geschlossenen Stellung, bei der Luft durch die Expansionseinrichtung durchströmbar ist, und in der Luft enthaltener Wasserdampf zu Wasser in der Kondensationsvorrichtung kondensierbar ist. In einem zweiten Modus der Vorrichtung befindet sich die Bypassklappe in einer offenen Stellung, bei der Luft durch den Bypasskanal durchströmbar ist, und das durch die Kondensation des Wasserdampfes gewonnene Wasser aus der Kondensationsvorrichtung an die vorbeiströmende Luft abgebbar ist. Durch die Expansionseinrichtung kann die Luft expandieren und somit abgekühlt werden. Die abgekühlte Luft kann dann in der Kondensationsvorrichtung kondensieren. Somit kann Wasser aus der Luft, zum Beispiel der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, gewonnen werden. Die Luft kann vorzugsweise von 1000 mbar auf beispielsweise 300 mbar bis 500 mbar expandieren, wodurch je nach Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung und der Eingangstemperatur der Luft Temperaturen von fast 0 Grad Celsius nach der Expansion möglich sind. Wenn die Vorrichtung bei einer Brennkraftmaschine benutzt wird, kann bevorzugt der erste Modus der Vorrichtung einem Teillastmodus der Brennkraftmaschine und der zweite Modus der Vorrichtung einem Volllastmodus der Brennkraftmaschine entsprechen. Dies bedeutet, dass die Expansionsmaschine die Luft während des Teillastmodus der Brennkraftmaschine expandieren kann, um Wasser aus der Luft zu gewinnen, und dass das durch die Kondensationsvorrichtung erhaltene Wasser an die Luft während des Volllastmodus der Brennkraftmaschine oder ein einem hohen Teillastbereich abgegeben werden kann. Somit kann eine Wasseranreicherung der angesaugten Luft einer Brennkraftmaschine erreicht werden und ein Wasseranteil im Zylinder ohne Verwendung eines Wasserinjektors erhöht werden. Als Volllast ist ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu verstehen, bei der sie bei gegebener Drehzahl das maximal mögliche Drehmoment bereitstellt. Jeder anderer Betriebszustand, bei dem ein geringeres Drehmoment erzeugt wird, ist als Teillast zu bezeichnen. Alternativ kann bevorzugt der erste Modus einem ersten Teillastmodus, insbesondere einem niedrigen Teillastmodus, entsprechen, wobei der zweite Modus einem zweiten Teillastmodus, insbesondere einem hohen Teillastmodus, entspricht. Als niedriger Teillastmodus ist vorzugsweise der Teillastmodus zu verstehen, der kleiner als 50% des Volllastmodus ist, bzw. bei dem das erzeugte Drehmoment kleiner als 50% des erzeugten Drehmoments beim Volllastmodus ist. Entsprechend ist vorzugsweise als hoher Teillastmodus der Teillastmodus zu verstehen, der mindestens 50% des Volllastmodus ist, bzw. bei dem das erzeugte Drehmoment mindestens 50% des erzeugten Drehmoments beim Volllastmodus ist.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt weist die Expansionseinrichtung einen Verdrängerverdichter auf, der im ersten Modus der Vorrichtung im Expansionsbetrieb betreibbar ist. Der Begriff „Verdrängerverdichter“ steht im Rahmen der Erfindung für einen Verdichter, der basierend auf dem Verdrängerprinzip betrieben wird. Der erste Modus der Vorrichtung entspricht dabei einem ersten Betriebsmodus des Verdrängerverdichters, in welchem dieser als Expansionseinrichtung betrieben wird. In einem zweiten Modus des Verdrängerverdichters ist der Verdrängerverdichter als Verdichter betreibbar. Ferner ist vorzugsweise der Verdrängerverdichter als elektrischer Verdichter ausgebildet. Insbesondere ist der Verdrängerverdichter als Spiralverdichter oder als Roots-Gebläse vorgesehen. Durch die Verwendung eines Verdrängerverdichters wird zum einen die Wassergewinnung im ersten Betriebsmodus erzielt, und zum anderen eine Verdichtung der Luft im zweiten Betriebsmodus ermöglicht, um zum Beispiel schnell auf einen Beschleunigungswunsch des Fahrers reagieren zu können. Somit kann der Aufbau der Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser und der Brennkraftmaschine kompakter ausgestaltet sein.
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Alternativ kann bevorzugt die Expansionseinrichtung eine Radialturbine und/oder eine Axialturbine umfassen.
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Vorzugsweise umfasst die Kondensationsvorrichtung einen Bereich des Luftkanals, der eine Querschnittsaufweitung, insbesondere eine Durchmesseraufweitung, aufweist, die insbesondere in Richtung der Gravitationskraft ausgerichtet ist. Die Querschnittsaufweitung führt zu einer Strömungsberuhigung, die dafür sorgt, dass die Wassertropfen, die aus der Luft abscheiden, durch die Luft von den Wänden des Luftkanals nicht wieder mitgerissen werden. Durch die Ausrichtung der Querschnittsaufweitung nach unten können sich die Wassertropfen durch die Gewichtskraft in einem unteren Teil des Luftkanals sammeln. Bevorzugt ist die Kondensationsvorrichtung bzw. der Bereich des Luftkanals mit der Querschnittsaufweitung mit einem Förderelement verbunden, durch welches das gesammelte Wasser in einen Wassertank geführt werden kann. Alternativ kann der Bereich des Luftkanals mit der Querschnittsaufweitung mittels einer Leitung mit einem Wassertank direkt, das heißt, ohne Förderelement dazwischen, verbunden sein. Das im Bereich des Luftkanals befindliche Wasser kann dann durch die Gravitationskraft in den Wassertank geführt werden.
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Bevorzugt umfasst die Kondensationsvorrichtung mindestens eine im Luftkanal im Wesentlichen vertikal und im Wesentlichen parallel zur Strömungsvorrichtung angeordnete Wand. „Im Wesentlichen vertikal“ bedeutet, dass sich die Wand grundsätzlich in Richtung der Gravitationskraft erstreckt. Das heißt, dass eine Hauptfläche nach unten bzw. vertikal ausgerichtet ist, wenn die Wand gedanklich in die Hauptfläche und eine Nebenfläche zerlegt wird. Mit dem Begriff „Im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung“ ist gemeint, dass sich die Hauptfläche parallel zur Strömungsrichtung erstreckt. Insbesondere ist die Wand im Luftkanal vertikal und parallel zur Strömungsrichtung angeordnet. Die durch die Expansionseinrichtung abgekühlte Luft kann sich an die Wand niederschlagen und Wasserkondensat kann somit in druckverlustarmer Weise erhalten werden. Die Wand ist dabei in vorteilhafter Weise eben ausgebildet. Insbesondere ist bei der Kondensationsvorrichtung eine Vielzahl von solchen Wänden vorgesehen. Dadurch findet eine stärkere Kondensation des in der Luft enthaltenen Wasserdampfs statt. Der Luftkanal kann bevorzugt an der Stelle der Wand bzw. der Wände mit einem Wassertank mittels einer Leitung kommunizieren. In der Leitung kann bevorzugt auch ein Förderelement vorgesehen sein.
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Vorteilhafterweise weist die Kondensationsvorrichtung eine im Wesentlichen in Richtung der Gravitationskraft ausgerichtete Umlenkung des Luftkanals auf. Dies bedeutet, dass die Luft in die Umlenkung im Wesentlichen horizontal einströmt und aus der Umlenkung im Wesentlichen vertikal austritt. Durch das Vorsehen einer solchen Umlenkung können an dieser Stelle die Tropfen des Wasserkondensats durch die Massenträgheit an den Luftkanal fliegen, wobei die Luft, die leichter ist, über die Umlenkung im Luftkanal weiterströmen kann. Insbesondere ist die Umlenkung derart eingerichtet, Tropfen von einer Größe bzw. von einem Durchmesser von 5 μm bis 10 μm aufzufangen. Die Umlenkung ist vorzugsweise als 90-Grad-Winkelstück ausgeführt.
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Vorzugsweise weist die Kondensationsvorrichtung ein Sammelvlies an einer im Wesentlichen U-förmigen Umlenkung des Luftkanals auf. Eine im Wesentlichen U-förmige Umlenkung bedeutet eine Umlenkung von ungefähr 180° Grad. Das heißt, dass die Luft in die Umlenkung im Wesentlichen horizontal einströmt und aus der Umlenkung auch im Wesentlichen horizontal austritt. Insbesondere ist die Umlenkung genau U-förmig ausgebildet. Das Sammelvlies stellt eine große Oberfläche zur Verfügung, wodurch eine große Menge an Wasser durch Kondensation gesammelt werden kann. Da auf der Oberfläche des Sammelvlieses die Luftströmung gering ist, wird das Wasser durch die Luftströmung nicht wieder mitgerissen.
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In Strömungsrichtung nach der Kondensationsvorrichtung ist vorzugsweise ein Trägheitsabscheider, insbesondere ein Zyklon, angeordnet. Somit können Tropfen von Wasserkondensat aus der Luft gut abscheiden. Insbesondere ist der Zyklon derart eingerichtet, dass bei einem Druckverlust von 5 mbar bis 10 mbar Tropfen von einer Größe bzw. einem Durchmesser von 1 μm bis 2 μm abgetrennt werden.
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Um eine noch höhere Reinheit des gewonnenen Wassers zu erreichen, ist vorzugsweise ein Filterelement in Strömungsrichtung vor der Expansionseinrichtung vorgesehen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, die eine zuvor beschriebene Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser umfasst. Die mit Bezug auf die Wassergewinnungsvorrichtung erläuterten Vorteile sind auch hier gegeben.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gewinnen von Wasser aus Luft, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mittels einer zuvor beschriebenen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst die Schritte des Zuführens von Luft bzw. eines ersten Luftstroms in den Luftkanal, des Zuführens der Luft im ersten Modus durch die Expansionseinrichtung, des Expandieren der Luft, des Kondensierens von in der Luft enthaltenem Wasserdampf zu Wasser, des Zuführens von Luft bzw. eines zweiten Luftstroms im zweiten Modus durch den Bypasskanal, und des Abgebens des aus der Luft bzw. dem ersten Luftstrom gewonnenen Wassers an die Luft bzw. den zweiten Luftstrom.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Zeichnung ist:
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1 eine vereinfachte, schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Vorrichtung in eine Brennkraftmaschine eingesetzt ist,
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2 die Vorrichtung von 1 in einem ersten Modus,
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3 die Vorrichtung von 2 in einem zweiten Modus,
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4 eine vereinfachte, schematische Teilansicht einer Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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5 eine vereinfachte, schematische Teilansicht einer Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
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6 eine vereinfachte, schematische Teilansicht einer Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, und
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7 eine vereinfachte, schematische Teilansicht einer Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Wasser aus Luft gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus der 1 ersichtlich ist, weist die Vorrichtung 1 einen Luftkanal 2 und eine Expansionseinrichtung 3 auf, die am Luftkanal 2 angeordnet ist. Ferner ist ein Bypasskanal 4 mit einer Bypassklappe 40 vorgesehen, wobei der Bypasskanal 4 parallel zur Expansionseinrichtung 3 angeordnet ist. Dabei ist die Bypassklappe 40 eingerichtet, den Bypasskanal 4 freizugeben oder zu schließen.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine Kondensationsvorrichtung 5, die in Strömungsrichtung der Expansionseinrichtung 3 nachgeordnet ist.
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In einem ersten Modus A der Vorrichtung 1 ist die Bypassklappe 40 in einer geschlossenen Stellung S1 befindbar. Dabei ist Luft durch die Expansionseinrichtung 3 durchströmbar und in der Luft enthaltener Wasserdampf ist in der Kondensationsvorrichtung 5 zu Wasser kondensierbar. Der erste Modus A der Vorrichtung 1 ist in 2 gezeigt.
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In einem zweiten Modus B der Vorrichtung 1 ist die Bypassklappe 40 in einer offenen Stellung S2 befindbar. Hierbei ist Luft durch den Bypasskanal 4 durchströmbar, und das durch die Kondensation des Wasserdampfes gewonnene Wasser aus der Kondensationsvorrichtung 5 ist an die Luft abgebbar. Der zweite Modus der Vorrichtung 1 ist in 3 dargestellt.
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Dafür ist die Kondensationsvorrichtung 5 mittels einer ersten Leitung 56 mit einem Wassertank 54 verbunden. Insbesondere ist in der Leitung 56 ein Förderelement 55 angebracht, wodurch das aus der Kondensationsvorrichtung 5 gewonnene Wasser schneller in den Wassertank 54 geführt werden kann. Um das Wasser im zweiten Modus der Vorrichtung 1 aus dem Wassertank 54 an die Luft wiederzugeben, ist vorzugsweise der Wassertank 54 mittels einer zweiten Leitung 57 mit dem Luftkanal 2 verbunden. Dabei ist bevorzugt das Förderelement 55 eingerichtet, Wasser aus dem Wassertank 54 anzusaugen.
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Besonders bevorzugt ist die Expansionseinrichtung 3 als ein Verdrängerverdichter 30 ausgebildet. Der Verdrängerverdichter 30 arbeitet nach dem Verdrängerprinzip. Damit ist gemeint, dass ein Medium in einzelnen Volumina gleicher Größe den Verdrängerverdichter 30 durchläuft. Der Verdrängerverdichter 30 ist eingerichtet, im ersten Modus A der Vorrichtung 1 im Expansionsbetrieb betrieben zu werden. Der erste Modus A entspricht im Hinblick auf den Verdrängerverdichter 30 einem ersten Betriebsmodus des Verdrängerverdichters 30. In einem zweiten Betriebsmodus des Verdrängerverdichters 30 ist der Verdrängerverdichter 30 als Verdichter betreibbar. Der zweite Betriebsmodus des Verdrängerverdichters 30 ist in 3 dargestellt. Zum Betreiben des Verdrängerverdichters 30 in beiden Modi kann bevorzugt ein Antrieb 31 als Motor/Generator benutzt werden.
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Die Kondensationsvorrichtung 5 weist vorzugsweise einen Bereich des Luftkanals 2 auf. Insbesondere weist die Kondensationsvorrichtung 5 in diesem Ausführungsbeispiel eine im Wesentlichen in Richtung G der Gravitationskraft ausgerichtete Umlenkung 51 des Luftkanals 2 auf. Das heißt, dass die Luft in die Umlenkung 51 im Wesentlichen horizontal eintritt und aus der Umlenkung 51 im Wesentlichen vertikal austritt. Die Umlenkung 51 ist dabei bevorzugt als 90-Grad-Umlenkung ausgebildet.
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Ferner ist bevorzugt am Luftkanal 2 in Strömungsrichtung vor der Expansionseinrichtung 3 ein Filterelement 7 angeordnet. Das Filterelement 7 dient dazu, Schmutz und/oder andere Partikel aus der Luft zu entfernen.
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Aus der 1 ist des Weiteren ersichtlich, dass de Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Wasser in eine Brennkraftmaschine 10 eingesetzt ist. Der Luftkanal 2 ist mit der Brennkraftmaschine 10 verbunden, insbesondere an einem Brennraum der Brennkraftmaschine 10 angeschlossen. So kann der Brennraum mit Luft für die Verbrennung versorgt werden. Dadurch entstehendes Abgas kann aus dem Brennraum über einen Abgaskanal 12 entfernt werden.
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Im Abgaskanal 12 ist vorzugsweise eine Turbine 90 eines Turboladers 9 angebracht. Die Turbine 90 ist mittels einer Welle 92 mit einem Verdichter 91 des Turboladers 9 verbunden, so dass sich der Verdichter 91 mit der Turbine 90 mitdrehen kann. Der Verdichter 91 ist im Luftkanal 2 angeordnet und kann Luft aus der Umgebung ansaugen bzw. verdichten.
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Ferner bevorzugt ist am Luftkanal 2 zwischen dem Verdichter 91 und der Expansionseinrichtung 3 ein Vorkühler 11 vorgesehen.
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Der Vorkühler 11 dient vorzugsweise dazu, im ersten Modus die Luft unter Umständen zu erwärmen, so dass die Luft nach der Expansion durch die Expansionseinrichtung 3 über 0 Grad gehalten werden kann, um potentielle Vereisungen zu vermeiden.
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Da durch die Verdichtung der Luft im Turbolader 9 im zweiten Modus der Vorrichtung 1 die Temperatur der Luft ansteigt, ist der Vorkühler 11 bevorzugt ferner eingerichtet, die Temperatur der Luft zu reduzieren. Dadurch kann sich die Dichte der Luft erhöhen und somit kann für dasselbe Luftvolumen mehr Kraftstoff verbrannt werden. Der Vorkühler 11 ist insbesondere in Strömungsrichtung dem Filterelement 7 nachgeordnet.
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Im Luftkanal 2 ist in Strömungsrichtung nach der Expansionseinrichtung 3 und dem Bypasskanal 4 einer Drosselklappe 8 angeordnet.
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Das Verfahren zum Gewinnen von Wasser mittels der Vorrichtung 1 wird nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert.
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Wie schon beschrieben, befindet sich in 2 die Vorrichtung 1 im ersten Modus A. Hierbei ist die Bypassklappe 40 geschlossen und die Drosselklappe 8 auf bzw. weitestgehend auf. Der erste Modus der Vorrichtung 1 stimmt mit einem ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 10 überein. Der erste Betriebsmodus der Brennkraftmaschine ist vorzugsweise ein Teillastmodus.
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Luft, die aus der Umgebung in den Luftkanal 2 einströmt (Pfeil P1), wird aufgrund der geschlossenen Bypassklappe 40 der Expansionseinrichtung 3 zugeführt (Pfeil P2). Durch die Expansionseinrichtung 3 expandiert die Luft und kühlt sich ab. Dadurch kühlt sich auch der Bereich des Luftkanals 2 in Strömungsrichtung nach der Expansionseinrichtung 3. Es wird daran erinnert, dass die Expansionsvorrichtung 3 in diesem Ausführungsbeispiel in der Form des Verdrängerverdichters 30 ausgebildet ist. Um die Expansion der Luft zu bewirken, wird der Verdrängerverdichter 30 im Expansionsbetrieb betrieben. Dabei funktioniert der Antrieb 51 als Generator und erzeugt Strom.
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Dann wird die abgekühlte Luft der Kondensationsvorrichtung 5 zugeführt (Pfeil P3), in welcher in der Luft enthaltener Wasserdampf kondensiert. Dadurch entsteht Wasserkondensat 80, das mittels des Förderelements 55 über die erste Leitung 56 in den Wassertank 54 gefördert wird (Pfeil W1). Das Förderelement 55 ist jedoch optional, und das Wasserkondensat 80 kann durch die Gewichtskraft, insbesondere wenn sich eine gewisse Menge an der Umlenkung 51 gesammelt hat, in den Wassertank 54 gelangen. Die Luft wird dann zum Brennraum der Brennkraftmaschine 10 geführt (Pfeil P4).
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Im Teillastmodus der Brennkraftmaschine 10 kann vorzugsweise die Stärke des Expansionsbetriebes der Expansionseinrichtung 3 variieren.
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In einem Betriebszustand bei niedriger Teillast werden die Luft und der Luftkanal 2 in Strömungsrichtung nach der Expansionseinrichtung 3 stark herunter gekühlt. Bei weniger starkem Expansionsbetrieb ist das erreichte Druckniveau nach der Expansion dichter an einem Normaldruck. Der Begriff „niedrige Teillast“ bedeutet, dass das in diesem Modus erzeugte Drehmoment kleiner als 50% des erzeugten Drehmoments beim Volllastmodus ist. Dieser Modus entspricht einem ersten Teillastmodus.
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In 3 befindet sich die Vorrichtung in einem zweiten Modus B. Hierbei ist die Bypassklappe 40 zumindest teilweise geöffnet und die Drosselklappe 8 auf bzw. weitestgehend auf. Der zweite Modus B der Vorrichtung 1 stimmt mit einem zweiten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 10 überein. Der zweite Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 10 ist vorzugsweise ein Volllastmodus. Alternativ kann bevorzugt der zweite Modus B bzw. der zweite Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 10 einem zweiten Teillastmodus, insbesondere einem hohen Teillastmodus, entsprechen. Als hoher Teillastmodus ist vorzugsweise der Teillastmodus zu verstehen, bei dem das erzeugte Drehmoment mindestens 50% des erzeugten Drehmoments beim Volllastmodus ist.
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Im zweiten Modus B der Vorrichtung wird Luft aus der Umgebung in den Luftkanal 2 geführt (Pfeil P5). Dann wird die Luft dem Verdrängerverdichter 30 und/oder dem Bypasskanal 4 zugeführt. Der Verdrängerverdichter 30 wird im zweiten Modus der Vorrichtung 1 als Verdichter (zweiter Betriebsmodus des Verdrängerverdichters 30) betrieben. Durch den Verdrängerverdichter 30 wird die Luft verdichtet. Dazu funktioniert der Antrieb 51 als Motor, der den Verdrängerverdichter 30 antreibt.
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Die Luft wird im Luftkanal 2 in Strömungsrichtung nach der Expansionseinrichtung 3 und dem Bypasskanal 4 über die zweite Leitung 57 mit Wasser aus dem Wassertank 54 versorgt (Pfeil W2). Hierzu wird vorzugsweise das Förderelement 55 benutzt.
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Anschließend wird die mit Wasser angereicherte Luft dem Brennraum der Brennkraftmaschine 10 zugeführt. Somit kann eine Wasseranreicherung in der Brennkraftmaschine 10 ohne Verwendung eines Wasserinjektors erfolgen.
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Falls, anstatt des Verdrängerverdichters 30, eine Axial- oder Radialturbine als die Expansionsmaschine 3 benutzt wird, wird die Luft dem Bypasskanal 4 zugeführt und von da wieder über den Luftkanal 2 zum Brennraum der Brennkraftmaschine 10 geleitet.
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Alternativ ist möglich, dass das gewonnene Wasser aus dem Wassertank 54 zu einer Wassereinspritzvorrichtung geführt wird, die einen Wasserinjektor oder mehrere Wasserinjektoren aufweist. Durch die Wasserinjektoren kann dann das Wasser direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine 10 eingespritzt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 und das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Wasser wird reines Wasser aus der Ansaugluft gewonnen, welches keinerlei korrosive Bestandteile aufweist.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 4 eine Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Wasser aus Luft gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel grundsätzlich dadurch, dass die Kondensationsvorrichtung 5 einen Bereich 20 des Luftkanals 2 umfasst, der eine Querschnittsaufweitung 21 aufweist. Die Querschnittsaufweitung 21 ist insbesondere in Richtung G der Gravitationskraft ausgerichtet.
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Aufgrund der Querschnittsaufweitung 21 erfolgt eine Beruhigung der Strömung der abgekühlten Luft im Luftkanal 2 in Strömungsrichtung nach der Expansionseinrichtung 3, so dass Wasserkondensat 80 aus der Luft abscheiden kann, ohne dass das Wasserkondensat 80 von der Luft wieder mitgerissen wird.
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Die 5 stellt ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 dar. Hier weist die Kondensationsvorrichtung 5 mindestens eine im Luftkanal 2 im Wesentlichen vertikal und im Wesentlichen parallel zur Strömungsvorrichtung angeordnete Wand 50 auf. Insbesondere ist eine Vielzahl von parallelen Wänden 50 vorgesehen. Die Wände 50 sind vorzugsweise eben ausgebildet.
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Der Bereich des Luftkanals 2, in dem die Wände 50 angeordnet sind, ist mit dem Wassertank 54 verbunden.
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Die Expansion der Luft durch die Expansionseinrichtung 3 führt dazu, dass die Luft und die Wände 50 gekühlt werden, wodurch in der Luft enthaltener Wasserdampf kondensiert, und sich an den Wänden 50 niederschlägt.
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Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, das in 6 veranschaulicht ist, weist die die Kondensationsvorrichtung 5 ein Sammelvlies 53 an einer U-förmigen Umlenkung 52 des Luftkanals 2 auf.
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Durch diese Ausgestaltung kann in der Luft enthaltener Wasserdampf im Sammelvlies 53 kondensieren und aufgefangen werden, wobei die Luft im Luftkanal 2 um die Umlenkung 52 weiterströmt.
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Das Wasserkondensat 80 wird dann durch die Gravitationskraft und/oder das Förderelement 55 in den Wassertank 54 geleitet.
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In 7 ist eine Teilansicht einer Vorrichtung 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Hier ist in Strömungsrichtung nach der Kondensationsvorrichtung 5 ein Trägheitsabscheider 6, insbesondere ein Zyklon 60, angeordnet.
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Die Kondensationsvorrichtung 5 in diesem Ausführungsbeispiel kann wie eine der Kondensationsvorrichtungen der vorherigen Ausführungsbeispiele ausgebildet sein.
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Der Zyklon 60 umfasst eine Lufteintrittsöffnung 61 und eine Luftaustrittsöffnung 62 sowie eine Wasseraustrittsöffnung 63.
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Die Lufteintrittsöffnung 61 ist seitlich an einem oberen Bereich des Zyklons 60 angeordnet und die Luftaustrittsöffnung 62 an einem oberen Bereich des Zyklons 60 mittig vorgesehen. Der Zyklon 60 weist einen sich verjüngenden Bereich auf, welcher am unteren Ende des Zyklons 60 in die Wasseraustrittsöffnung 63 mündet, so dass kondensiertes Wasser über eine dritte Leitung 64, vorzugsweise durch die Gravitationskraft, in den Wassertank 54 abgeführt werden kann. Es ist zum Abführen des kondensierten Wassers aus dem Zyklon 60 auch möglich, das Förderelement 55 oder ein zusätzliches Förderelement vorzusehen.
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Durch den Trägheitsabscheider 6 können Tropfen von Wasserkondensat 80, die durch die Kondensationsvorrichtung 5 nicht gesammelt werden konnten, aufgefangen werden.
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Ferner bevorzugt ist der Trägheitsabscheider 6 eingerichtet, vereiste Tropfen abzuscheiden, wenn unter Umständen die Temperatur der abgekühlten Luft und/oder des Luftkanals 2 in Strömungsrichtung nach der Expansionseinrichtung 3 unter 0 Grad Celsius fällt. Diese vereisten Tropfen bzw. Eiskörnchen können beispielsweise durch die Wärme an den Wänden des Zyklons 60 und/oder der dritten Leitung 64 auftauen und anschließend als Wasser in den Wassertank 54 geführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012207903 A1 [0002]
