DE102018118485A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Einspritzwasser für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser zum Einspritzen in das Brennstoff-Luft-Gemisch zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei über mindestens eine Sammelleitung (1) an Karosserie, Front- und/oder Heck-Scheibe fließendes Umgebungswasser gesammelt, über mindestens eine Filtervorrichtung, vorzugsweise bestehend aus mindestens einem Grobfilter (2) und mindestens einem Feinfilter (3) geführt, anschließend zur Verdampfung gebracht, danach kondensiert und einem Einspritzwasser-Sammeltank (11) zuführbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens zur Gewinnung von Wasser zum Einspritzen in das Brennstoff-Luft-Gemisch zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
• Beim Bau von leistungsstarken und verbrauchsoptimierten Brennkraftmaschinen sind vielfach Kompromisse unvermeidbar. Das gilt einerseits insbesondere in Hinblick auf die Reduktion von Schadstoffen im Abgas, insbesondere die weitgehende Reduktion bzw. das völlige Vermeiden von Stickoxiden im Abgas und andererseits im Hinblick auf das Vermeiden von die Brennkraftmaschine schädigenden Verbrennungsfolgen, wie zum Beispiel Klopfneigung oder zu hohe Abgastemperaturen.
• U.a. mit Wassereinspritzung in die Ansaugluft, in das Brennstoff-Luft-Gemisch bzw. in einen Einspritzraum oder direkt in den Brennraum lassen sich solche unerwünschten Erscheinungen und ggf. Schädigungen der Brennkraftmaschine vermeiden. Zusätzlich kann ggf. mit einer Wassereinspritzung über ein erhöhtes Verdichtungsverhältnis zusätzliches Potenzial im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch, Emissionen, Wirkungsgrad und ggf. weitere Funktionsvorteile der Brennkraftmaschine erreicht werden. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Wasserkondensat einer Klimaanlage für die Wassereinspritzung zu verwenden. Allerdings ist die Bildung von Wasser am Verdampfer einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs stark abhängig von der Umgebungstemperatur, in der das Kraftfahrzeug bzw. seine Klimaanlage betrieben wird.
• Alternativ dazu ist es bekannt, Kondensat direkt aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine zu gewinnen mit dem Nachteil, dass dieses Kondensat sauer ist und damit unter Umständen die Komponenten des Wassereinspritzsystems und der Brennkraftmaschine zumindest belastet, wenn nicht beschädigt werden können.
• Aus der DE 10 2016 205 146 A1 ist es bekannt Umgebungswasser (Niederschlag, Fahrzeugwäsche, Scheibenreinigung o.ä.) aufzufangen und zur Wassereinspritzung zu verwenden. Dieses Wasser ist weniger korrosiv wie beispielsweise Abgaskondensat. Allerdings ist die Verwendung dieses Wassers ebenfalls abhängig von seiner Qualität. Dazu wird vorgeschlagen, die Qualität des Wassers einerseits grob zu filtern und andererseits über eine Wasserqualitätserfassungseinrichtung zu steuern. Diese Wasserqualitätserfassungseinrichtung soll über die Messung der elektrischen Leitfähigkeit und/oder über die Permitivität des Wassers über die Verwendung des gesammelten Wassers entscheiden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine wesentlich verbesserte, in Aufbau und Funktion einfachere und vor allem weitgehend unabhängig betreibbare Lösung zur Gewinnung bzw. zur Bereitstellung von Wasser zum Einspritzen in das Brennstoff-Luft-Gemisch bei einer Brennkraftmaschine anzubieten.
• Dazu schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, bei dem von Karosserie, Front- und/oder Heck-Scheibe abfließendes Umgebungswasser über mindestens eine Sammelleitung gesammelt, mindestens einer Filtervorrichtung zur Reinigung zugeführt, anschließend zur Verdampfung gebracht und kondensiert einem Einspritzwasser-Sammeltank zugeführt wird. Vorzugsweise ist die Filtervorrichtung aus mindestens einem Grobfilter und mindestens einem Feinfilter zur wirkungsvollen Reinigung des Umgebungswassers aufgebaut.
• In bevorzugter Weitergestaltung des Gegenstandes der Erfindung kann das gesammelte und gereinigte Filterwasser über eine Zuleitung auf heißen Teilen der Abgasanlage verdampft, der Filterwasserdampf über einen Kondensator abgekühlt und verflüssigt einem Einspritz-Wassersammeltank zugeführt werden.
• Eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass ein auf heiße Teile der Abgasanlage im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse aufsetzbar ist, auf das der Abgasanlage oberhalb gegenüberliegend ein Kondensator mit Kondensationsflächen zur Kondensation des aus dem gefilterten Umgebungswasser gebildeten, aufsteigenden Wasserdampfs aufsetzbar ist. Die Kondensationsflächen können vorzugsweise als Schrägflächen ausgeführt sein, an denen die sich aus dem aufsteigenden Wasserdampf durch die Kondensation gebildeten Wassertropfen über Sammelkanäle einem Einspritzwasser-Sammeltank zuführbar sind.
• In Weitergestaltung des Gegenstandes der Erfindung können die Kondensationsflächen auf ihrer der Abgasanlage abgewandten Seite mit Kühlrippen bestückt sein, so dass mit Hilfe des Fahrtwinds der Kondensator unter die Kondensationstemperatur von Wasser < 100° C kühlbar ist.
• Ferner kann das auf die Abgasanlage aufgesetzte Gehäuseteil des im Wesentlichen geschlossenen Gehäuses von dem den Kondensator tragenden Gehäuseteil thermisch isoliert angeordnet sein.
• Die Zuleitung des gefilterten Umgebungswassers kann vorzugsweise im Wesentlichen zentrisch-radial (in Bezug auf eine zylindrische Ausgestaltung der Abgasanlage im Bereich des Gehäuses) über den Abgaskanal-Teilen im Kondensator angeordnet sein.
• Zur Verhinderung von Disfunktionen beim Verdampfen bzw. Kondensieren von Umgebungswasser ist im Gehäuse mindestens eine Überlaufleitung für überschüssiges Umgebungswasser angeordnet. Diese Überlaufleitung ist vorzugsweise mit einem größeren Querschnitt als die Zuleitung des gereinigten Umgebungswassers zur Verdampfung als Teil der Abgasanlage ausgestattet. In bevorzugter Weitergestaltung des Gegenstands der Erfindung kann dieses Überschusswasser einem Wassertank einer Scheibenwaschanlage zugeführt werden.
• Zusätzlich ist es in weiterer Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung denkbar, in der Zuleitung des gereinigten Sammelwassers zum Verdampfer bzw. zum Kondensierer eine Steuereinrichtung zur Steuerung und/oder zur Dosierung des zugeführten Umgebungswassers anzuordnen. Diese Steuerungsvorrichtung kann mit einer Messvorrichtung zur Erfassung der Wasserqualität zusammenwirken, mit deren Hilfe über die Steuervorrichtung die Zufuhr von zu verdampfendem Wasser bei nicht ausreichender Qualität unterbunden werden kann.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfinderischen Lösung zur Bereitstellung und Gewinnung von Wasser zum Einspritzen in das Brennstoff-Luft-Gemisch einer Brennkraftmaschine ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand schematischer Darstellungen dazu in einer Zeichnung. Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, wie nachfolgend in den Figuren der Zeichnung gezeigt, und die anhand der Zeichnungen beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen in der nachfolgenden Beschreibung sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung anwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
• Es zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung zum Ablauf des Verfahrens nach der Erfindung und
• 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung.
• In 1 ist schematisch der Verfahrensablauf zur Erfindung dargestellt. In mindestens einer Sammelleitung 1 wird sich auf der Oberfläche eines Kraftfahrzeugs sammelndes Wasser aus der Umgebung, zum Beispiel Regenwasser gesammelt und einer Filtervorrichtung zugeführt. Üblicherweise werden in der Sammelleitung 1 über Sammelleitungen vom Heckscheiben- bzw. Frontscheibenbereich abfließendes Umgebungswasser gesammelt. Die Filtervorrichtung kann zunächst mindestens einen ersten Grobfilter 2 zum Ausfiltern von gröberen Bestandteilen aus dem aufgefangenen Umgebungswasser aufweisen. Das im Grobfilter 2 grob vorgefilterte Umgebungswasser wird anschließend mindestens einem Feinfilter 3 zur Entfernung auch kleiner und kleinster Partikel aus dem grob vorgefilterten Umgebungswasser zugeführt. Über diese beiden Filter 2 und 3 der Filtervorrichtung kann sichergestellt werden, dass das zur weiteren Verarbeitung verwendete Wasser soweit vorgereinigt ist, dass einer Verwendung zum Einspritzen in das Brennstoff-Luft-Gemisch und schließlich in den Brennraum einer Zylinder-Kolben-Einheit einer Brennkraftmaschine keinerlei schädigenden Einfluss ausüben kann.
• Das feingereinigte Wasser wird über eine Zuleitung 4 auf heiße Teile einer Abgasanlage 5 getropft. Auf der Abgasanlage 5 verdampft das aufgetropfte Wasser und der von der Abgasanlage 5 aufsteigende Wasserdampf anschließend in einem Kondensator 6 kondensiert, dessen Kondensationsflächen soweit gekühlt sind, dass eine Kondensation fortlaufend problemlos stattfinden kann.
• Von den Kondensationsflächen des Kondensators 6 tropft bzw. fließt das Wasser in einen Einspritzwasser-Sammeltank 7 von wo es über mindestens eine Einspritzwasser-Sammelleitung in einen Einspritzwasser-Sammeltank 7. Von dort kann es nach Bedarf über eine Einspritzwasser-Zuleitung 8 in einen Brenn-Vorraum oder direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine gepumpt werden kann.
• In 2 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung zur Ausübung des erfinderischen Verfahrens dargestellt. Gleiche Teile sind in 2 mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet.
• Auf heiße Teile einer Abgasanlage 5 ist ein im Wesentlichen rundum geschlossenes Gehäuse 9 aufgesetzt. Im Ausführungsbeispiel nach 2 besteht das Gehäuse 9 aus den beiden Gehäuseteilen 9.1, der direkt auf die Abgasanlage 5 aufsetzbar und dort fixiert ist. Dieser Gehäuseteil 9.1 ist mit einem Gehäuseteil 9.2 verbunden. Die Verbindung 10 zwischen Gehäuseteil 9.1 und Gehäuseteil 9.2 ist vorzugsweise thermisch isolierend ausgeführt, so dass von der heißen Abgasanlage 5 ausgehende Wärme über die Gehäuseteile 9.1 bzw. 9.2 nicht auf den Kondensator 6 und seine Kondensatorflächen 6.1 und 6.2 übertreten kann.
• Auf das Gehäuseteil 9.2 ist den Teilen der Abgasanlage 5 in Wärmeströmungsrichtung oberhalb gegenüberliegend ein Kondensator 6 aufgesetzt. Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist der Kondensator 6 mit als Schrägflächen ausgeführten Kondensatorflächen 6.1 und 6.2 ausgeführt, die den heißen Teilen der Abgasanlage 5 gegenüberliegend in etwa sattel-dachförmig im Wesentlichen das Gehäuse 9 in seiner Quererstreckung bzw. die Abgasanlage 5 in ihrer Breiten- bzw. Durchmessererstreckung übergreifend angeordnet sind.
• Das gereinigte Umgebungswasser tropft bzw. fließt über eine Zuleitung 4 auf die heißen Teile der Abgasanlage 5, verdampft dort, und der von dort aufsteigende Dampf kondensiert an den relativ kühlen Kondensatorflächen 6.1 und 6.2 und fließt über deren schrägen Schräge in Einspritzwasser-Sammelleitungen 11, die geschlossen rundumlaufend am unteren Schrägende der Kondensatorflächen 6.1 bzw. 6.2 angeordnet sind. Aus den Einspritzwasser-Sammelleitungen 11 wird das Einspritzwasser über eine Ableitung 12 dem Einspritzwasser-Sammeltank 7 zugeleitet. Von dort kann es zum Verbrennungsvorgang nach Bedarf abgepumpt werden.
• In der schematischen Darstellung aus 1 ist der Kondensator 6 lediglich aus einer Kondensatorfläche gebildet. Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist der Kondensator aus zwei schräg satteldachförmig aufeinander zulaufenden Kondensatorflächen 6.1 und 6.2 gebildet, in deren Zentrum die Zuleitung 4 für das gefilterte Umgebungswasser im Wesentlichen zentrisch-radial über Teilen der Abgasanlage 5 angeordnet ist. Diese Anordnung ist vorzugsweise deshalb so gewählt, dass sich eine weitestgehend gleichmäßige Verteilung des auftropfenden Wassers auf der Oberfläche der Abgasanlage und damit ein möglichst homogener Ablauf des Verdampfungs- bzw. Kondensationsprozesses einstellt.
  Die Kondensatorflächen 6.1 und 6.2 sind im Ausführungsbeispiel nach 2 auf ihrer der Abgasanlage 5 abgewandten Seite mit Kühlrippen 13 ausgestattet. Damit ist erreichbar, dass die Kondensatorflächen 6.1 und 6.2 durch den zwischen die Kühlrippen 13 geführten Fahrtwind so weit gekühlt werden, dass die Kondensation des verdampften Wassers problemlos erfolgen kann. Gegebenenfalls sind aus dem Stand der Technik zusätzlich bekannte Kühlungsmöglichkeiten für die Kondensatorflächen 6.1 und 6.2 vorzusehen.
• Bezugszeichenliste

1

Sammelleitung

2

Grobfilter

3

Feinfilter

4

Zuleitung

5

Abgasanlage

6

Kondensator

6.1

Kondensatorfläche

6.2

Kondensatorfläche

7

Einspritzwasser-Sammeltank

8

Einspritzwasser-Zuleitung

9

Gehäuse

9.1

Gehäuseteil

9.2

Gehäuseteil

10

Verbindung

11

Einspritzwasser-Sammelleitung

12

Ableitung Einspritzwasser

13

Kühlrippen

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102016205146 A1 [0005]

Claims (16)

1. Verfahren zur Gewinnung von Wasser zum Einspritzen in das Brennstoff-Luft-Gemisch zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens eine Sammelleitung (1) an Karosserie, Front- und/oder Heck-Scheibe abfließendes Umgebungswasser gesammelt, über mindestens eine Filtervorrichtung (2, 3) geführt, anschließend zur Verdampfung gebracht, danach kondensiert und einem Einspritzwasser-Sammeltank (11) zuführbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umgebungswasser über mindestens einen Grobfilter (2) und anschließend über mindestens einen Feinfilter (3) bevor es zur Verdampfung und zur anschließenden Kondensation gebracht wird
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gesammelte und gefilterte Umgebungswasser auf heißen Teilen einer Abgasanlage (5) einer Brennkraftmaschine verdampft wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Abgasanlage (5) aufsteigende Filterwasserdampf über einen Kondensator (6, 6.1., 6.2) abgekühlt und verflüssigt einem Einspritzwasser-Sammeltank (7) zuführbar ist.
5. Vorrichtung zur Gewinnung von Einspritzwasser für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch ein auf heiße Teile einer Abgasanlage (5) aufsetzbares, im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse (9), auf dem der Abgasanlage (5) oberhalb gegenüberliegend mindestens eine Kondensatorfläche eines Kondensators (6) zur Kondensation des aus dem gefilterten Umgebungswassers gebildeten, von der Abgasanlage (5) aufsteigenden Wasserdampfs angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorflächen (6.1., 6.2) des Kondensators (6) als Schrägflächen ausgeführt sind, an denen die sich durch Kondensation bildenden Wassertropfen abgeleitet über Einspritzwasser-Sammelkanäle (11) einem Einspritzwasser-Sammeltank (7) zuführbar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsflächen (6.1, 6.2) auf ihrer der Abgasanlage (5) abgewandten Seite mit Kühlrippen (13) bestückt sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das auf die Abgasanlage (5) aufgesetzte Gehäuseteil (9.1) des im Wesentlichen geschlossenen Gehäuses (9) von dem den Kondensator (6) bzw. dessen Kondensatorflächen (6.1, 6.2) tragenden Gehäuseteil (9.2) über eine Verbindung (10) thermisch isolierend angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (4) des gefilterten Umgebungswassers im Wesentlichen zentrisch-radial über Teilen der Abgasanlage (5) im Kondensator (6) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) mit mindestens einer Überlaufleitung (14) versehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlaufleitung (14) einen größeren Querschnitt als die Zuleitung (4) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das über die Überlaufleitung (14) ablaufende gereinigte Wasser einem Wassertank einer Scheibenwaschanlage zugeführt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (4) eine Steuereinrichtung zur Steuerung und/oder zur Dosierung des zur Kondensation zugeführten gefilterten Umgebungswassers angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (4) eine mit der Steuervorrichtung zusammenwirkende Messvorrichtung zur Erfassung der Wasserqualität angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-14 zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4.
16. Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-14 zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4.

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