-
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein System zur Bereitstellung von einem Betriebsmittel, insbesondere einer gefriergefährdeten Flüssigkeit, in einem Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug.
-
Für die Wassereinspritzung in Kraftfahrzeugen wird demineralisiertes Wasser mit einem bestimmten maximalen Leitwert benötigt. Ist der Leitwert beispielsweise aufgrund von Verunreinigungen zu hoch, ist eine Aufbereitung des Wassers notwendig. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zum Herabsenken des Leitwerts Ionen aus dem Wasser zu entfernen. Hierzu können beispielsweise Granulate eingesetzt werden, die Ionen aufnehmen. Ferner sind Mischbettharz-Filterkartuschen bekannt, die im Leitungssystem zwischen dem Wasser-Vorratsbehälter und der Injektionsdüsen der Brennkraftmaschine vorgesehen sind.
-
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, auch in waagerechten Einbaulagen einfach, kostengünstig, platzsparend und/oder zuverlässig gefrierbeständige Flüssigkeiten bereitzustellen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
-
Hier offenbarte Technologie betrifft ein System zur Bereitstellung von einem Betriebsmittel in einem Kraftfahrzeug. Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge), umfassend das hier offenbarte System. Ein bevorzugtes Betriebsmittel ist Wasser. Gleichsam ist vorstellbar, dass die hier offenbarte Technologie für andere Flüssigkeiten eingesetzt wird.
-
Das hier offenbarte System umfasst mindestens ein Filterelement. Das Filterelement kann bevorzugt als Mischbettfilter ausgestaltet sein. Das Filterelement umfasst mindestens einen Strömungskanal, durch den das Betriebsmittel strömt.
-
Der mindestens eine Strömungskanal, bevorzugt alle Strömungskanäle können von einem (gemeinsamen) Filtergehäuse ummantelt sein, der bevorzugt als Schlauch ausgebildet ist.
-
Im Strömungskanal ist ein Granulat zum Filtern, insbesondere zum Deionisieren bzw. Demineralisieren des Betriebsmittels vorgesehen. Das Granulat bewirkt, dass sich durch das Filtern der Leitwert des Betriebsmittels verringert. Beispielsweise kann das Granulat einen lonentauscher (Anionenaustauscher, Kationenaustauscher, amphotere Austauscher) und/oder Mischbettharz umfassen. Im Fall eines Kationenaustauschers kann die aktive Gruppe eine anionische Gruppe sein, wie beispielsweise Sulfonsäuregruppen, oder Carboxylgruppen mit abdissoziierbarem Kation. Bei den Anionenaustauschern enthalten stark basische Sorten quartäre Ammoniumgruppen als aktive Gruppen, die ihr Gegenion austauschen können. Schwach basische Austauscher haben Aminogruppen, die frei Säuren anlagern können, wobei die Säureanionen reversibel festgehalten werden. Amphotere Austauscher können gleichzeitig Anionen und Kationen austauschen. Kationenaustauscher tauschen gelöst vorliegende Kationen (positiv geladene Ionen) gegen andere Kationen aus, die Bestandteil des Austauschmaterials sind. Kationenaustausch-Materialien sind selbst Salze, wobei die Kationen (in Gleichung unten: Z+) leicht in Lösung gehen können, also beweglich sind. Die polymeren und wasserunlöslichen Anionen (in Gleichung unten: Qm-) des Kationenaustausch-Materials sind stationär, also unbeweglich. Als allgemeine Gleichung für den Prozess des Austausches einwertiger Kationen (Ka+) aus einem gelöst vorliegenden Salz (Ka+ + An-) durch den Ionenaustauscher [(Z+)nQm-] kann man schreiben:
Anionenaustauscher tauschen entsprechend Anionen (negativ geladene Ionen) eines gelösten Salzes gegen andere Anionen aus. Hierbei liegen die stationären Kationen des Ionenaustauschers polymer vor, während die Anionen des Anionenaustauschers mobil sind.
-
Beispiele für lonenaustausch-Materialien sind:
- • Zeolithe (natürlich oder künstlich, z.B. Zeolith A (Sasil))
- • Tonmineralien wie den Montmorillonit
- • Aluminiumoxid
- • (faulendes) Holz
- • Chlorophyll
- • Kunstharz-Ionenaustauscher
-
Ein Granulat, auch granulare Materie genannt, besteht aus vielen festen Partikeln wie Körnern oder Kugeln. Beispiele für ein Granulat sind körnige oder pulverförmige Materialien, die in großen Mengen auch loses Material oder als Schüttgut bezeichnet werden. Die Korngröße des Granulates ist i.d.R. mindestens um den Faktor 5 oder mindestens um den Faktor 10 oder mindestens um den Faktor 20 kleiner als der kleinste Strömungsquerschnitt des Strömungskanals des Filterelementes, in dem das Granulat aufgenommen ist.
-
Bevorzugt beträgt die Korngröße 30µm bis 12000µm oder 300µm bis 1 200µm.
-
Die Längsachse des Filterelementes und insbesondere des Strömungskanals ist in der Einbaulage in einem Kraftfahrzeug im Wesentlichen horizontal bzw. waagerecht ausgerichtet. Dabei umfasst der Begriff „im Wesentlichen horizontal“ auch Ausgestaltungen, bei denen die Orientierung der Längsachse im für die Funktion unwesentlichen Maße abweicht. Beispielsweise kann die Längsachse die Horizontale in einem Winkel mit einem Betrag von 5° oder 10° oder 15° oder 20° schneiden, ohne dass dies für die Filterfunktion relevant ist.
-
Das Filterelement kann in einer Ausgestaltung einen runden, elliptischen oder ovalen Querschnitt aufweisen.
-
Gemäß der hier offenbarten Technologie umfasst das System mindestens ein Mittel zur Vermeidung eines Strömungsquerschnittes innerhalb des Strömungskanals, der aufgrund von Sedimentation des Granulats und/oder mechanischer Verformung granulatfrei wäre. Ein granulatfreier Strömungsquerschnitt wäre ein Querschnitt, in dem ausschließlich oder fast ausschließlich nur das Betriebsmittel vorhanden wäre, und durch den das Betriebsmittel ungefiltert diesen Strömungsquerschnitt passieren könnte. Eine solche mechanische Verformung könnte beispielsweise eintreten, falls im Winter das Betriebsmittel im Filterelement festfriert. Mit anderen Worten stellt hier offenbarte Technologie sicher, dass auch nach einer Sedimentation von Granulat und/oder nach einer mechanischen Verformung (z.B. aufgrund von Eisbildung) zumindest ein Strömungsquerschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung im Strömungskanal vollständig mit Granulat befüllt ist. Nochmals anders ausgedrückt ist in diesem Strömungskanalquerschnitt die Schütthöhe vom Granulat genauso hoch wie die Höhe des Strömungskanalquerschnitts in Richtung der vertikalen Fahrzeughochachse.
-
Besonders bevorzugt umfasst das hier offenbarte Filterelement einen oder mehrere Strömungskanäle, die (jeweils) mindestens einen Siphonbereich aufweisen. Im Siphonbereich ist in der Einbaulage die Schütthöhe des Granulats größer als die Höhe des Strömungskanalquerschnittes in Richtung der Fahrzeughochachse Z (gemessen im tiefsten Punkt des Siphonbereichs). Mit anderen Worten umfasst der Siphonbereich einen tiefsten Querschnittsbereich und dazu benachbart angeordnete Bereiche, aus denen Granulat in den tiefsten Querschnittsbereich nachströmt, sollte es im tiefsten Querschnittsbereich zu Sedimentation und/oder zu mechanischer Verformung kommen. Vorteilhaft ist somit sichergestellt, dass immer zumindest in einem Querschnitt, nämlich im im Siphonbereich angeordneten tiefsten Querschnittsbereich, das gesamte Betriebsmittel gefiltert wird, dass diesen Querschnittsbereich durchströmt.
-
Besonders bevorzugt wird dieser mindestens eine Siphonbereich bzw. der Siphoneffekt erzielt durch die geometrische Ausgestaltung des mindestens einen Strömungskanals. Besonders zweckmäßig weisen alle Strömungskanäle des Filterelementes mindestens einen Siphonbereich auf.
-
Besonders vorteilhaft kann hierzu der mindestens eine Strömungskanal schraubenförmig bzw. helixförmig ausgebildet sein. Eine Helixform kann auch als Schraube bzw. Schraubenlinie bzw. zylindrische Spirale oder Wendel bezeichnet werden. Sie ist eine Kurve, die sich i.d.R. mit konstanter Steigung um einen Mantel eines Zylinders, auch Kern genannt, windet. Zweckmäßig kann die Helixform mehrgängig sein. Beispielsweise können sich zwei, drei oder mehr Strömungskanäle um einen gemeinsamen Zylinder bzw. Kern winden. Ebenso ist vorstellbar, dass kein Zylinder vorgesehen ist und lediglich eine Kanaltrennwand in Richtung der Längsachse gesehen mindestens zwei Strömungskanäle eines Filterelementes voneinander trennt und sich gleichzeitig zur Ausbildung der Siphonelemente in Strömungsrichtung um die Mittelachse des Filterelementes dreht. Mit einer solchen helixförmig Ausgestaltung des mindestens einen Strömungskanals lassen sich besonders einfach und effizient mehrere Siphonbereiche hintereinander anordnen.
-
Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Strömungskanal, bevorzugt alle Strömungskanäle zur Ausbildung des mindestens einen Siphonbereiches zumindest abschnittsweise mäanderförmig, trapezförmig, wellenförmig oder zickzackförmig ausgebildet sein.
-
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Filterelement mehrere Strömungskanäle umfasst, wobei die Strömungskanäle insbesondere zur Ausbildung von mindestens einem Siphonbereich ineinander bzw. relativ zueinander verdrillt im Filterelement angeordnet sind. Mit anderen Worten können die einzelnen Strömungskanäle so verdrillt sein, wie es beispielsweise Kupferadern in einem elektrischen Leiter sind.
-
Der mindestens eine Strömungskanal, bevorzugt alle Strömungskanäle und/oder das Filtergehäuse, ist/sind zur Kompensation von durch Eisbildung bedingter Ausdehnung des Betriebsmittels reversibel elastisch verformbar. Bevorzugt sind diese Elemente zumindest um den Betrag linear-elastisch verformbar, um den sich das Betriebsmittel während der Eisbildung ausdehnt. Vorteilhaft wird somit ein mit Betriebsmittel gefülltes Filterelement nicht durch Eisbildung zerstört und ist weiterhin einsatzbereit, ohne dass das Betriebsmittel abgepumpt werden muss.
-
Im Filterelement kann mindestens ein Kern angeordnet ist, um den herum zweckmäßig zumindest bereichsweise der mindestens eine Strömungskanal und bevorzugt alle Strömungskanäle und besonders bevorzugt helixförmig angeordnet sind. Der Kern kann zweckmäßig zur Kompensation von durch Eisbildung bedingter Ausdehnung des Betriebsmittels elastisch verformbar sein. Besonders bevorzugt kann der Kern selbst als Innenschlauch ausgebildet sein. Der Innenschlauch kann im Filtergehäuse vorgesehen sein, bevorzugt konzentrisch. Insbesondere kann im Inneren des Innenschlauchs ein Luftvolumen zur Kompensation von durch Eisbildung bedingter Ausdehnung des Betriebsmittels vorgesehen sein.
-
Das Filterelement kann ein Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von mindestens 10 oder mindestens 15 oder mindestens 20 oder mindestens 30 aufweisen. Dabei bildet die Gesamtlänge des Filterelementes den Zähler und der größte Außendurchmesser des Filterelementes den Nenner, wobei das Filterelement einen runden, elliptischen oder ovalen Querschnitt aufweisen kann. Ein solches Filterelement lässt sich besonders platzsparend in das Kraftfahrzeug integrieren, insbesondere wenn das Filterelement im Wesentlichen horizontal in das Kraftfahrzeug integriert ist.
-
Besonders bevorzugt ist das Filterelement ein austauschbares Filterelement. Zweckmäßig wird das Filterelement gut zugänglich im Kraftfahrzeug angeordnet.
-
Im mindestens einen Strömungskanal kann mindestens ein Spannmittel vorgesehen sein, das mindestens eine von dem Betriebsmittel durchströmte und innerhalb des Strömungskanals in parallel zur Strömungsrichtung bewegbare Vorspannfläche derart vorspannt, dass das Granulat daran gehindert wird, sich im Strömungskanal abzusetzen. Vorteilhaft kann somit die Sedimentation von Granulat unterbunden werden. Das Spannmittel kann jedes geeignete Spannmittel sein, beispielsweise eine Spiralfeder. Die Vorspannfläche kann beispielsweise eine längsverschiebbare Platte bzw. Ein längsverschiebbarer Kolben sein. Die Vorspannfläche ist regelmäßig als Sieb ausgebildet, dass zumindest bereichsweise für das Betriebsmittel durchlässig ist und das Granulat zurückhält. Ein solches Sieb kann aber auch separat von der Vorspannfläche vorgesehen sein.
-
Das hier offenbarte System umfasst bevorzugt einen Betriebsmittelbehälter, der das Speichervolumen zur Speicherung des Betriebsmittels ausbildet. Der Betriebsmittelbehälter bildet also die im Wesentlichen fuiddichte Außenhülle vom Speichervolumen aus und grenzt das Speichervolumen gegenüber dem Einbauraum ab. Im Falle von Kunststoffbehältern spricht man beispielsweise von der Blase. Im Falle von Stahlbehältern kann der Betriebsmittelbehälter beispielsweise aus zwei Metallschalen ausgebildet sein. In der Regel ist der Betriebsmittelbehälter im Hinterwagen (d.h. zumindest hinter der B-Säule) angeordnet. Das Filterelement kann vorgesehen sein in einer Leitung, die zu einem Betriebsmittelbehälter hin und/oder von einem Betriebsmittelbehälter weg führt.
-
Das mindestens eine Filterelement kann vorgesehen sein in einem Leitungssystem, das ein in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs vorgesehenes Element mit dem Betriebsmittelbehälter des Kraftfahrzeugs verbindet. Vorteilhaft kann das Filterelement eine Leitung des Leitungssystems ausbilden. So kann das schlauchförmige Filterelement besonders platzsparend angeordnet werden.
-
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie die Idee, das Granulat (Mischbettharz) in einen aufgeweiteten, austauschbaren Leitungsabschnitt zu integrieren. Somit entsteht vorteilhaft eine in der Länge ausgedehnte aber im Durchmesser geringe Aufbereitungseinheit, die einen Teil der sowieso benötigten Leitung ersetzen kann. Bei der Materialwahl kann zur Gewährleistung der Eindruckbeständigkeit auf ein flexibles Material zurückgegriffen werden. Es besteht die Herausforderung, bei im Wesentlichen horizontaler Anordnung das Sedimentieren des Granulates zu verhindern. Dazu wäre zumindest eine der vier Lösungen vorteilhaft:
- A) An den Enden der Aufbereitungseinheit können Federelemente eingebracht werden, die das Granulat verpressen, um Hohlräume oder ein Absetzen (und Vorbeiströmen des Mediums) zu vermeiden.
- B) Alternativ könnte die Leitung mit einer Innengeometrie, die einer archimedischen Schraube ähnelt, extrudiert werden.
- C) Die Leitung könnte auch eine gewollte Welle mit einem Trapez-, Sinus- oder Rechteckprofil aufweisen.
- D) Mindestens zwei ineinander verdrillte Leitungen ähnlich wie ein Seil bilden die Strömungskanäle aus.
-
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht durch ein Kraftfahrzeug, und
- 2 eine schematische Querschnittsansicht durch ein Filterelement 100.
-
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch das hier offenbarte Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug umfasst das hier offenbarte System zu Bereitstellung von Betriebsmittel. Das Betriebsmittel ist hier Wasser, welches in eine Brennkraftmaschine 300 eingespritzt wird. Das System umfasst ferner einen Betriebsmittelbehälter 200, in dem das Betriebsmittel gespeichert wird. Der Betriebsmittelbehälter 200 ist über ein Leitungssystem mit der Brennkraftmaschine 300 verbunden. Das Filterelement 100 ist in das Leitungssystem integriert. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung bildet das Filterelement einen Teil einer Leitung aus, die ein in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs vorgesehenes Element 300 mit dem Betriebsmittelbehälter 200 im Hinterwagen des Kraftfahrzeugs verbindet. Ein solches Filterelement ist leichter in das Kraftfahrzeug integrierbar. Das Filterelement 100 bildet einen Teil einer Leitung aus, die zu dem Betriebsmittelbehälter 200 hinführt oder von dem Betriebsmittelbehälter 200 weg führt. Beispielsweise kann das Filterelement 100 eingerichtet sein, in einer Klimaanlage anfallendes Wasser oder Regenwasser zu filtern, bevor es in den Betriebsmittelbehälter 200 gelangt. Alternativ oder zusätzlich kann das Filterelement 100 eingerichtet sein, das Wasser im Strömungspfad zwischen dem Betriebsmittelbehälter 200 und der Einspritzeinrichtung der Brennkraftmaschine zu filtern. Vorteilhaft kann somit ein besonders platzsparendes und leichtes Filterelement 100 eingesetzt werden, das die ohnehin erforderliche Wasserleitung ersetzt. Ein so ausgebildetes Filterelement 100 lässt sich überdies einfach austauschen.
-
Die 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch ein Filterelement 100. Der Strömungskanal 120 wird hier von einem wellenförmigen bzw. sinusförmigen Schlauch 110 ausgebildet. Der Schlauch 110 ist aus einem elastischen Kunststoffmaterial (z.B. Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk oder, thermoplastisches Elastomer) hergestellt. Der Schlauch 110 ist eisdruckbeständig. Mit anderen Worten ist der Schlauch 110 eingerichtet, eine durch Eisbildung des Betriebsmittels verursachte Ausdehnung des Betriebsmittels zu kompensieren. Dies wird dadurch erreicht, dass der Schlauch sich weiter linear-elastisch ausdehnen kann als zur Kompensation der temperaturbedingten Ausdehnung erforderlich. Das Filterelement 100 umfasst ferner ein Gehäuse 130, welches den Schlauch 110 umgibt. Ein solches Gehäuse 130 muss aber nicht vorgesehen sein. Im Strömungskanal 120 ist hier das Granulat G vorgesehen. Das Granulat G ist eingerichtet, das Betriebsmittel (z.B. Wasser) zu deionisieren bzw. demineralisieren. Als Granulat kann beispielsweise ein Mischbettharz eingesetzt werden. Das Filterelement 100 kann in dem System zu Bereitstellung von Betriebsmittel integriert sein, wie es in der 1 gezeigt ist. Das Filterelement 100 weist hier einen Gesamtaußendurchmesser D auf, der viel geringer ist als die Gesamtlänge des Filterelementes 100 (hier verkürzt gezeigt). Das Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis beträgt hier ca. 20. der wellenförmiges Strömungskanal 120 bildet eine Vielzahl von Siphonbereichen S aus, von denen hier drei dargestellt sind. Im tiefsten Punkt des Siphonbereiches S weist der Strömungskanal 120 in der Einbaulage einen Querschnitt mit einer Höhe HS in vertikaler Richtung parallel zur Fahrzeuglängsachse Z auf, die geringer ist als die Schütthöhe HG des Granulates G im Siphonbereich S. Die Schütthöhe des Granulates G im Siphonbereich S ist die in vertikaler Richtung gemessene Höhe, zwischen dem tiefsten Punkt und der obersten Granulatschicht, dessen Granulat G aufgrund der Geometrie des Siphonbereichs S noch durch die Schwerkraft zum tiefsten Punkt nachströmen kann. Somit ist vorteilhaft sichergestellt, dass der Strömungsquerschnitt im tiefsten Punkt des Siphonbereich S immer mit Granulat G gefüllt ist. Strömt nun das Betriebsmittel in Strömungsrichtung (durch einen Pfeil angedeutet) durch den Strömungskanal 120, so wird zumindest immer in den Siphonbereichen S das gesamte Wasser gefiltert.
-
Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen horizontal“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „horizontal“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/ des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung von horizontal“). Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
