EP3046674A1 - Kraftstoffversorgungssystem und kraftstofffilter - Google Patents

Kraftstoffversorgungssystem und kraftstofffilter

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Publication number
EP3046674A1
EP3046674A1 EP14761660.1A EP14761660A EP3046674A1 EP 3046674 A1 EP3046674 A1 EP 3046674A1 EP 14761660 A EP14761660 A EP 14761660A EP 3046674 A1 EP3046674 A1 EP 3046674A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
supply system
water
coalescer
fuel supply
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14761660.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Koppi
Maria KRAUT
Hans-Peter Lang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
Publication of EP3046674A1 publication Critical patent/EP3046674A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C11/00—Separation by high-voltage electrical fields, not provided for in other groups of this subclass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids
    • B01D17/04—Breaking emulsions
    • B01D17/045—Breaking emulsions with coalescers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/06—Separation of liquids from each other by electricity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M37/22—Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines, e.g. arrangements in the feeding system
    • F02M37/24—Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines, e.g. arrangements in the feeding system characterised by water separating means
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
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    • B03C2201/00—Details of magnetic or electrostatic separation
    • B03C2201/02—Electrostatic separation of liquids from liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F02M37/32—Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines, e.g. arrangements in the feeding system characterised by filters or filter arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a fuel supply system according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a
  • Fuel filter usually water trap used to lower a water content contained in the fuel as much as possible. If the water contained in the fuel is not separated and separated, it can lead to undesired corrosion, abrasion, material embrittlement and cavitation in the following units. Likewise, an increased proportion of water in the fuel supply system leads to a growth promotion of microorganisms, which cause a mucus of the fuel filter device and can cause increased corrosion on the filter housing.
  • a water separator so-called coalescers are usually used, which coalesce the smallest portions of water to larger water droplets and deposit them by gravity from the fuel-water emulsion. If necessary for the separation of water, a so-called end separator consisting of a hydrophobic fabric can also filter out the drops of water contained in the fuel-water emulsion.
  • Internal combustion engine of a motor vehicle in particular a fuel or lubricant filter, arranged with a filter housing and arranged therein and in the radial direction from a raw side to a clean side Ring filter element known.
  • a water separator On the clean side of the filter element and below it, a water separator is arranged, which has a continuous from radially outward radially inward for Kraf lubricant, hydrophobic and extending in the axial direction of the filter element, annular membrane. This should improve the degree of water separation. This is a classic coalescer.
  • the present invention deals with the problem for a
  • the present invention is based on the general idea of employing in a fuel supply system for an internal combustion engine a water separator formed as an electrical coalescer for separating a polar phase, in particular water, from the fuel, which is arranged on or in a component of the fuel supply system.
  • This component can be designed, for example, as a main tank, as a prefilter, as an additional tank, as a fuel pipe or as a main filter.
  • a main tank as a prefilter
  • an additional tank as a fuel pipe or as a main filter.
  • this type of coalescer is subject to less wear and can thus be used throughout the life of the fuel supply system. As a result, in particular the maintenance costs for such a fuel supply system can be significantly reduced.
  • an electric coalescer has a greater insensitivity to the
  • Such a water separator designed as an electric coalescer makes it possible in particular to influence the parameters of the deposition process, in particular the drop movement.
  • the dispersion of water into fuel generates a water-in-fuel emulsion. It is a binary system, the essential feature of which is the formation of a miscibility gap that extends over almost the entire concentration range. Due to the
  • thermodynamic instability of the system aims at a state that represents a minimum considered energetic. The separation of the two phases is thus accelerated until finally there is complete phase separation.
  • the beneficial effect of the presence of an electric field is now utilized.
  • the process of the drop coalescence is forced by the polarizing effect of the applied electric field.
  • the forces occurring in the electric field cause an increase in the mobility of the water droplets, this consequently leads to a higher collision rate, which in turn has a positive effect on the drop coalescence.
  • the drops thus unite bigger drops and flow together. If the drops are correspondingly large, gravity outweighs and the specific denser water phase decreases.
  • the electrical coalescer has a DC input voltage of 0-5,000 V, a pulsed DC voltage of 0-5,000 V with a frequency of 0-10,000 Hz or an AC input voltage of 0-40,000 V with a frequency of 0. 10,000 Hz.
  • a pulsed DC voltage of 0-5,000 V with a frequency of 0-10,000 Hz
  • an AC input voltage of 0-40,000 V with a frequency of 0. 10,000 Hz.
  • Water separator i. the electric coalescer
  • pulsed direct current or alternating current is particularly suitable for separating water in the tendency of droplet chain formation of the water droplets in large
  • the present invention is further based on the general idea, in a fuel filter instead of hitherto conventional water separator with corresponding coalescer materials, now use an electric coalescer as a water separator, as this type of coalescer is subject to less wear and thereby over the entire life of
  • Fuel filter device i. usually even over several lifetimes of filter elements arranged therein, unchanged in the
  • Fuel filter device may remain. As a result, in particular the maintenance costs for such a fuel filter device can be significantly reduced.
  • an electric coalescer has a greater insensitivity to the composition of the fuel, other additives and water, without deteriorating the separation efficiency.
  • such designed as an electric Koaleszer water separator allows the Possibility to influence in particular on special parameters of the deposition process, in particular the droplet movement.
  • the electrical coalescer integrated into the fuel filter device has a DC input voltage of 0-5000 V, a pulsed one
  • the electrodes of the electric coalescer are arranged in a filter housing, in the region of a heating device, on or in a water level sensor in / on a filter element and / or in a conduit.
  • the electrodes may also be applied to the inner wall of the filter housing and a component of the filter element, e.g. an inner or outer frame, be divided.
  • Fuel filter device can be used.
  • the electric coalescer can also be used in addition to a conventional coalescing material to increase the deposition rate.
  • Important here is just be the provision of a calming zone, in which the separated water can collect and from which it can be drained if necessary.
  • the electric coalescer with a hydrophobic filter medium which as end separator for the
  • Water droplets act and flow through, combined for an increased deposition rate.
  • a control device is provided, by means of which in the fuel supply system or directly in the fuel filter device
  • coalescer controlled or regulated by means of a water content sensor and in particular its deposition rate is adjustable.
  • control device it is possible to influence the coalescence behavior or the coalescence efficiency of the electric coalescer, by
  • the frequency of the electric field is controlled individually. For example, if an increased water content is measured, can over a
  • the main factors influencing the drop coalescence in the electric field include, among others, the properties of the applied electric field, the design of the electrodes and of the electrocoalescer, the substance-specific characteristics of the fluid phases and the prevailing ones
  • this can be considered DC, pulsed DC, AC field or combinations thereof. Whichever type of electric field is the most appropriate, is significantly influenced by the properties of the fluids and has to be selected according to the application.
  • the design of the electrodes includes on the one hand their geometry, but above all their positioning in the
  • the electrodes may for example be arranged as parallel plates, but also as coaxial cylinders.
  • Drop size distribution and the disperse phase fraction which describes the amount of the disperse phase.
  • the droplet size distribution of the water in the fuel-water emulsion describes the droplet size and their
  • Drop size distribution is present.
  • the droplet diameter in the dispersion is subject to the interaction of droplet breakup and coalescence, with a continuous process of burgeoning and coalescing droplets taking place until both phases are separated.
  • the electric coalescer continues to actively lower smaller drops of water coalesced larger water droplets and therefore accelerates the deposition process.
  • the design of the electrocoalescer for the respective filter device can be optimized.
  • the duration of action of the electric field on the fuel can be changed via changes in geometry.
  • the so-called annular gap dimension the energy introduced into the emulsion per surface can be varied. Another constructive influence is the
  • the coalescence can also be influenced by the design of the electrodes or by their number and function.
  • the electrode can also be influenced on the electric field.
  • the electrode is suitable for e.g. a helix structure, a rod shape, a plate shape or a half-shell-shaped structure.
  • the shape of the electric field and thus the field gradient also change.
  • An additional factor influencing coalescence is the structure of the medium to be treated, e.g. the amount of water present in the fuel.
  • Frame parameters such as flow velocity, turbulence of the flow, duration of action of the electric field, temperature and pressure.
  • the influencing factors mentioned above have an influence on the droplet-droplet interaction, the charge distribution at the droplet surface, the droplet deformation, the droplet motion in the electric field, the
  • FIG. 1 shows a fuel filter device according to the invention in a
  • Fig. 2 shows an inventive fuel supply system for a
  • a fuel filter device 1 has a usually annular filter element 2, which in the present case flows through from outside to inside.
  • the interior, ie a clean side of the filter element 2 is fluidly connected to a drain 3, whereas the outside of the filter element 2, ie the raw side, is connected to an inlet 4.
  • a water separator 5 Also provided is a water separator 5, the
  • the electric coalescer 5 ' is designed according to the invention as an electric coalescer 5 '.
  • the electric coalescer 5 ' can have two electrodes 6 and 7 insulated from the actual fuel, of which the electrode 7 is arranged within a filter housing 8 as in the case shown.
  • By energizing the electric Koaleszers 5 'now individually adjustable Wasserabscheiderate can be achieved, wherein the present invention as an electric coalescer 5' trained water separator 5 also has the great advantage that this does not have to be replaced according to rotation, but over the entire
  • the electric coalescer 5 ' is arranged in part in the filter housing 8, whereby it is of course also conceivable that it is in the region of a heating device, in the region of a water level sensor, in / on the filter element 2 and / or in a line, for example, the inlet 4 or the outlet 3 is arranged. In the present case it is partly in
  • Filter housing 8 and partially disposed in an annular space between the latter and the filter element 2.
  • the coagulated in this area water is due to its higher density in a bottom arranged
  • a control device 11 is additionally provided, by means of which the water separator 5, ie the coalescer, can be controlled and in particular its deposition rate can be set.
  • Control device 1 for example, a field strength between the individual electrodes 6, 7 or a frequency can be set.
  • the water separator 5 thus ensures effective and efficient separation of water from the fuel to be filtered and ensures consistently good separation values over the entire service life of the fuel filter device 1.
  • the two electrodes 6 and 7 are of course arranged in isolation to the fuel, so that it is not directly in contact with the electrodes 6, 7.
  • FIG. 2 shows a fuel supply system 12 according to the invention for an internal combustion engine 19 with a water separator 5 designed as an electric coalescer 5 'for separating a polar phase, in particular water, from the fuel which is present on or in a component 13 of FIG
  • Fuel supply system 12 is arranged.
  • the component 13 can be designed as a main tank 14, as a pre-filter 15, as an additional tank 16, as a fuel line 17 or as a main filter 18.
  • Koaleszer 5 ' may also be arranged as a separate water separator 5 at any point in the fuel supply system 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem (12) für eine Brennkraftmaschine mit einem als elektrischem Koaleszer (5') ausgebildeten Wasserabscheider (5) zum Abscheiden einer polaren Phase, insbesondere Wasser, aus dem Kraftstoff, der an oder in einer Komponente (13) des Kraftstoffversorgungssystems (12) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiter eine Kraftstofffiltereinrichtung (1) mit einem als elektrischen Koaleszer (5') ausgebildeten Wasserabscheider (5). Hierdurch ist eine besonders effektive Wasserabscheidung mit gleichbleibender Abscheiderate erreichbar.

Description

KRAFTSTOFFVERSORGUNGSSYSTEM UND KRAFTSTOFFFILTER
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft weiter eine
Kraftstofff i I tere i n ri chtu ng .
In modernen Kraftstoffersorgungssystemen werden in den zugehörigen
Kraftstofffiltereinrichtungen üblicherweise Wasserabscheider eingesetzt, um einen im Kraftstoff enthaltenen Wasseranteil soweit wie möglich zu senken. Wird das im Kraftstoff enthaltene Wasser nicht separiert und abgeschieden, so kann es in den nachfolgenden Aggregaten zu unerwünschter Korrosion, Abrasion, Werkstoffversprödung sowie zu Kavitation führen. Ebenso führt ein erhöhter Wasseranteil im Kraftstoffversorgungssystem zu einer Wachstumsförderung von Mikroorganismen, welche eine Verschleimung der Kraftstofffiltereinrichtung bewirken sowie eine erhöhte Korrosion am Filtergehäuse hervorrufen kann. Als Wasserabscheider werden dabei üblicherweise sogenannte Koaleszer eingesetzt, die kleinste Wasseranteile zu größeren Wassertröpfchen koaleszieren und diese aufgrund der Schwerkraft aus der Kraftstoff-Wasser-Emulsion abscheiden. Sofern für die Wasserabscheidung notwendig kann zudem ein sogenannter Endabscheider bestehend aus einem hydrohoben Gewebe die in der Kraftstoff-Wasser-Emulsion enthaltenen Wassertropfen herausfiltern.
Gesammelt wird das derart abgeschiedene Wasser dann in separaten
Wassersammeiräumen, aus denen es periodisch oder spätestens beim
Auswechseln eines Filterelements abgelassen wird.
Aus der DE 10 2010 062 813 A1 ist eine Filtereinrichtung für einen
Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, insbesondere ein Kraftstoff- oder Schmierstofffilter, mit einem Filtergehäuse und einem in diesem angeordneten und in Radialrichtung von einer Rohseite zu einer Reinseite durchströmten Ringfilterelement bekannt. Auf der Reinseite des Filterelementes und unterhalb desselben ist dabei ein Wasserabscheider angeordnet, der eine von radial außen nach radial innen für Kraf Schmierstoff durchgängige, hydrophobe und sich in Axialrichtung des Filterelementes erstreckende, ringförmige Membran aufweist. Hierdurch soll der Wasserabscheidegrad verbessert werden. Hierbei handelt es sich um einen klassischen Koaleszer.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wasserabscheidern ist, dass diese nur eine begrenzte Lebensdauer aufweisen, die Leistungsfähigkeit gegen Ende der Lebensdauer zum Teil erheblich abnimmt und daher
beispielsweise periodisch ausgetauscht werden sollten.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein
Kraftstoffversorgungssystem und eine Kraftstofffiltereinrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere gleichbleibend gute
Abscheidewerte erzielt und ein Austauschen des Wasserabscheiders nicht mehr erfordert.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der
unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine einen als elektrischen Koaleszer ausgebildeten Wasserabscheider zum Abscheiden einer polaren Phase, insbesondere Wasser, aus dem Kraftstoff, einzusetzen, der an oder in einer Komponente des Kraftstoffversorgungssystems angeordnet ist. Diese Komponente kann beispielsweise als Haupttank, als Vorfilter, als Zusatztank, als Kraftstoffleitung oder als Hauptfilter ausgebildet sein. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, wie flexibel der elektrische Koaleszer im Bereich des Kraftstoffversorgungssystems eingesetzt werden kann. Im
Vergleich zu einem herkömmlichen Koaleszer mit entsprechenden Koaleszer- Materialien unterliegt diese Art von Koaleszer einem geringeren Verschleiß und kann dadurch über die gesamte Lebensdauer des Kraftstoffversorgungssystems genutzt werden. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wartungsaufwand für ein derartiges Kraftstoffversorgungssystem deutlich reduzieren. Zudem weist ein elektrischer Koaleszer eine größere Unempfindlichkeit gegenüber der
Zusammensetzung des Kraftstoffes, weiterer Additive und Wasser auf, ohne die Abscheideleistung zu verschlechtern. Darüber hinaus ermöglicht ein derartiger als elektrischer Koaleszer ausgebildeter Wasserabscheider die Möglichkeit, insbesondere auf spezielle Parameter des Abscheideprozesses, insbesondere die Tropfenbewegung, Einfluss zu nehmen.
Durch die Dispergierung von Wasser in Kraftstoff wird eine Wasser-in-Kraftstoff- Emulsion generiert. Dabei handelt es sich um ein binäres System, dessen wesentliches Merkmal die Ausbildung einer Mischungslücke ist, die sich nahezu über den gesamten Konzentrationsbereich erstreckt. Aufgrund der
thermodynamischen Instabilität des Systems strebt dieses einen Zustand an, der energetische betrachtet ein Minimum darstellt. Die Trennung der beiden Phasen wird somit beschleunigt, bis schlussendlich völlige Phasenseparation vorliegt. Um den Demulgier-Prozess bei einer Wasser-in-Kraftstoff-Emulsion zu intensivieren, wird nun die vorteilhafte Wirkung der Anwesenheit eines elektrischen Feldes genutzt. Dabei wird der Vorgang der Tropfen koaleszenz durch die polarisierende Wirkung des anliegenden elektrischen Feldes forciert. Die auftretenden Kräfte im elektrischen Feld bewirken eine Steigerung der Beweglichkeit der Wassertropfen, dies führt infolgedessen zu einer höheren Kollisionsrate, welche sich wiederum positiv auf die Tropfen koaleszenz auswirkt. Die Tropfen vereinigen sich somit zu größeren Tropfen und fließen zusammen. Sind die Tropfen entsprechend groß, überwiegt die Schwerkraft und die spezifisch dichtere Wasserphase sinkt ab.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der elektrische Koaleszer eine Gleichstromeingangsspannung von 0 - 5.000 V, eine gepulste Gleichstromspannung von 0 - 5.000 V mit einer Frequenz von 0 - 10.000 Hz oder eine Wechselstromeingangsspannung von 0 - 40.000 V mit einer Frequenz von 0 - 10.000 Hz auf. Je nach gewünschtem Abscheidegrad und je nach vorhandener Spannungsversorgung ist es somit frei wählbar, mit welcher Art von elektrischer Spannung der erfindungsgemäße
Wasserabscheider, d.h. der elektrische Koaleszer, betrieben wird. So eignet sich gepulster Gleichstrom bzw. Wechselstrom vor allem zur Wasserabscheidung bei der Neigung von Tropfenkettenbildung der Wassertröpfchen bei großen
Wassermengen.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Kraftstofffiltereinrichtung anstatt bisher übliche Wasserabscheider mit entsprechenden Koaleszer-Materialien, nun einen elektrischen Koaleszer als Wasserabscheider einzusetzen, da diese Art von Koaleszer einem geringeren Verschleiß unterliegt und dadurch über die gesamte Lebensdauer der
Kraftstofffiltereinrichtung, d.h. üblicherweise sogar über mehrere Lebensdauern von darin angeordneten Filterelementen, unverändert in der
Kraftstofffiltereinrichtung verbleiben kann. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wartungsaufwand für eine derartige Kraftstofffiltereinrichtung deutlich reduzieren. Zudem weist ein elektrischer Koaleszer eine größere Unempfindlichkeit gegenüber der Zusammensetzung des Kraftstoffes, weiterer Additive und Wasser auf, ohne die Abscheideleistung zu verschlechtern. Darüber hinaus ermöglicht ein derartiger als elektrischer Koaleszer ausgebildeter Wasserabscheider die Möglichkeit, insbesondere auf spezielle Parameter des Abscheideprozesses, insbesondere die Tropfen beweg ung, Einfluss zu nehmen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der in die Kraftstofffiltereinrichtung integrierte elektrische Koaleszer eine Gleichstromeingangsspannung von 0 - 5.000 V, eine gepulste
Gleichstromspannung von 0 - 5.000 V mit einer Frequenz von 0 - 10.000 Hz oder eine Wechselstromeingangsspannung von 0 - 40.000 V mit einer Frequenz von 0 - 10.000 Hz auf. Je nach gewünschtem Abscheidegrad und je nach vorhandener Spannungsversorgung ist es somit frei wählbar, mit welcher Art von elektrischer Spannung der erfindungsgemäße Wasserabscheider, d.h. der elektrische Koaleszer, betrieben wird. So eignet sich gepulster Gleichstrom bzw. Wechselstrom vor allem zur Wasserabscheidung bei der Neigung von
Tropfenkettenbildung der Wassertröpfchen bei großen Wassermengen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind die Elektroden des elektrischen Koaleszers in einem Filtergehäuse, im Bereich einer Heizeinrichtung, an bzw. in einem Wasserstandssensor in/an einem Filterelement und/oder in einer Leitung angeordnet. Ebenso können die Elektroden auch auf die Innenwand des Filtergehäuses und ein Bauteil des Filterelements, z.B. eine Innen- bzw. Außenzarge, aufgeteilt werden.
Selbstverständlich ist auch eine Anordnung mehrerer elektrischer Koaleszer an unterschiedlichen Stellen der Kraftstofffiltereinrichtung denkbar. Bereits die zuvor genannte Aufzählung macht deutlich, wie flexibel der erfindungsgemäße
Wasserabscheider, d.h. der elektrische Koaleszer, im Bereich der
Kraftstofffiltereinrichtung eingesetzt werden kann. So kann der elektrische Koaleszer auch zusätzlich zu einem bisher üblichen Koaleszer-Material zur Erhöhung der Abscheiderate verwendet werden. Wichtig kann hierbei lediglich das Vorsehen einer Beruhigungszone sein, in welcher sich das abgeschiedene Wasser sammeln kann und aus der es ggf. ablassbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann der elektrische Koaleszer mit einem hydrophoben Filtermedium, welches als Endabscheider für die
Wassertröpfchen fungiert und durchströmt wird, für eine erhöhte Abscheiderate kombiniert werden.
Zweckmäßig ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher der im Kraftstoffversorgungssystem oder direkt in der Kraftstofffiltereinrichtung
angeordnete Koaleszer ansteuerbar bzw. mittels eines Wassergehaltssensors regelbar und insbesondere dessen Abscheiderate einstellbar ist. Mittels der Steuerungseinrichtung ist es möglich, Einfluss auf das Koaleszenzverhalten bzw. die Koaleszenzeffizienz des elektrischen Koaleszers zu nehmen, indem
beispielsweise die Frequenz des elektrischen Feldes individuell gesteuert wird. Wird beispielsweise ein erhöhter Wasseranteil gemessen, kann über eine
Erhöhung der Frequenz der Wasserabscheidegrad erhöht werden. Ebenso kann die Verweildauer der Kraftstoff-Wasser-Emulsion bei einer erhöhten
Förderleistung im Bereich des elektrischen Koaleszers vergleichsweise kurz sein, so dass über eine Erhöhung der Frequenz die gewünschten
Wasserabscheideraten erzielt werden können. Bei gepulstem Gleichstrom bzw. Wechselstrom kann auch über die Pulsationsrate Einfluss auf die
Wasserabscheidung genommen werden.
Zu den Haupteinflussfaktoren auf die Tropfen koaleszenz im elektrischen Feld zählen unter anderem die Eigenschaften des anliegenden elektrischen Feldes, das Design der Elektroden und des Elektrokoaleszers, die stoffspezifischen Charakteristika der Fluidphasen und die vorherrschenden
Strömungsverhältnisse. In Bezug auf das elektrische Feld kann dieses als Gleichspannungs-, gepulstes Gleichspannungs-, Wechselspannungsfeld oder Kombinationen davon vorliegen. Welche Art von elektrischem Feld die jeweils geeignetste ist, wird wesentlich von den Eigenschaften der Fluide beeinflusst und ist anwendungsbezogen auszuwählen. Das Design der Elektroden umfasst einerseits deren Geometrie, aber vor allem auch deren Positionierung im
Elektrokoaleszer. Die Elektroden können beispielsweise als parallele Platten angeordnet sein, aber auch als koaxiale Zylinder. Ein koaxiales
Elektrodenarrangement bietet den Vorteil, dass durch das Anlegen einer
Spannung ein inhomogenes elektrisches Feld entsteht, welches eine höhere Feldliniendichte im Bereich um die Zentrumselektrode aufweist. Dadurch bildet sich ein Feldstärkengradient aus, der die Tropfen in Richtung des höheren Feldstärkenbereichs beschleunigt.
Als weiterer Haupteinflussfaktor auf die Koaleszenzeffizienz gelten die
Tropfengrößenverteilung und der Dispersphasenanteil, welcher die Menge an der dispersen Phase beschreibt. Die Tropfengrößenverteilung des Wassers in der Kraftstoff-Wasser-Emulsion beschreibt die Tropfengröße und deren
verhältnismäßiges Vorkommen. Beim Emulgieren von Wasser im Kraftstoff dispergieren zwei begrenzt ineinander lösliche Flüssigkeiten, d.h. das Wasser (Dispersphase) wird im Kraftstoff (kontinuierliche Phase) verteilt. Hierdurch entsteht jedoch kein mono-disperses System, bei welchem alle Tropfen den gleichen Durchmesser besitzen. Vielmehr treten Tropfen unterschiedlichster Größe aus, so dass die Dispersphase in einer bestimmten
Tropfengrößenverteilung vorliegt. Der Tropfendurchmesser in der Dispersion unterliegt dabei der Wechselwirkung von Tropfenaufbruch und Koaleszenz, wobei ein kontinuierlicher Prozess von aufbrechenden und koaleszierenden Tropfen stattfindet, bis beide Phasen getrennt voneinander vorliegen. Durch den elektrischen Koaleszer werden jedoch aktiv weiter kleinere Wassertropfen zu größeren Wassertropfen koalesziert und der Abscheideprozess daher beschleunigt.
Um Einfluss auf die koaleszierende Wirkung zu nehmen, kann das Design des Elektrokoaleszers für die jeweilige Filtereinrichtung optimiert werden. So kann über Geometrieänderungen die Einwirkdauer des elektrischen Feldes auf den Kraftstoff verändert werden. Zudem kann über den Abstand der Elektroden, der sogenannten Ringspaltabmessung, die in die Emulsion eingebrachte Energie je Fläche variiert werden. Ein weiterer konstruktiver Einfluss stellt die
Durchströmung dar, welche unter anderem radial, vertikal aber auch horizontal sein kann.
Neben der Geometrie des Gehäuses lässt sich auch über das Design der Elektroden bzw. über deren Anzahl und Funktion Einfluss auf die Koaleszenz nehmen. Je mehr einzelne Elektroden dabei eingesetzt werden, desto angepasster kann auf die Tropfenagglomeration eingewirkt werden. Je nach Ausgestaltung der Elektroden, z.B. durch deren Gemetrieänderung oder Positionierung, kann ebenso Einfluss auf das elektrische Feld genommen werden. Als spezielle Ausführungsformen für einen Elektrokoalszer eignet sich für die Elektrode z.B. eine Helixstruktur, eine Stabform, eine Plattenform oder eine Halbschalenförmige Struktur. Je nach Struktur der Elektrode ändert sich dabei auch die Form des elektrischen Feldes und damit der Feldgradient.
Einen zusätzlicher Einflussfaktor auf die Koaleszenz spielt der Aufbau des zu behandelnden Mediums, z.B. der im Kraftstoff vorhandene Wasseranteil.
Weitere Einflussfaktoren auf die elektrische Koaleszenz stellen die
Rahmenparameter, wie Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenz der Strömung, Einwirkdauer des elektrischen Feldes, Temperatur und Druck dar. Die oben genannten Einflussfaktoren haben dabei einen Einfluss auf die Tropfen- Tropfen-Wechselwirkung, die Ladungsverteilung an der Tropfenoberfläche, die Tropfendeformation, die Tropfen beweg ung im elektrischen Feld, die
Tropfengröße, die Scherfestigkeit der Tropfen, die Kollisionsrate der Tropfen und damit auf die Wirkungsweise der Koaleszenz des Systems.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kraftstofffiltereinrichtung in einer
Schnittdarstellung,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffversorgungssystem für eine
Brennkraftmaschine. Entsprechend der Fig. 1 , weist eine erfindungsgemäße Kraftstofffiltereinrichtung 1 ein üblicherweise ringförmiges Filterelement 2 auf, welches im vorliegenden Fall von außen nach innen durchströmt wird. Der Innenraum, d.h. eine Reinseite des Filterelements 2, ist dabei mit einem Ablauf 3 fluidisch verbunden, wogegen die Außenseite des Filterelements 2, d.h. die Rohseite, mit einem Zulauf 4 verbunden ist. Ebenfalls vorgesehen ist ein Wasserabscheider 5, der
erfindungsgemäß als elektrischer Koaleszer 5' ausgebildet ist. Der elektrische Koaleszer 5' kann dabei zwei von dem eigentlichen Kraftstoff isolierte Elektroden 6 und 7 aufweisen, wovon die Elektrode 7 wie im dargestellten Fall innerhalb eines Filtergehäuses 8 angeordnet ist. Durch Bestromen des elektrischen Koaleszers 5' kann nun eine individuell einstellbare Wasserabscheiderate erzielt werden, wobei der erfindungsgemäß als elektrischer Koaleszer 5' ausgebildete Wasserabscheider 5 darüber hinaus den großen Vorteil besitzt, dass dieser nicht turnusgemäß ausgetauscht werden muss, sondern über die gesamte
Lebensdauer der Kraftstofffiltereinrichtung 1 , d.h. also auch über mehrere Lebensdauern von Filterelementen 2, im Kraftstofffiltereinrichtung 1 verbleiben kann.
Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist der elektrische Koaleszer 5' zum Teil im Filtergehäuse 8 angeordnet, wobei selbstverständlich auch denkbar ist, dass dieser im Bereich einer Heizeinrichtung, im Bereich eines Wasserstandsensors, in/an dem Filterelement 2 und/oder in einer Leitung, beispielsweise dem Zulauf 4 oder dem Ablauf 3 angeordnet ist. Im vorliegenden Fall ist er teilweise im
Filtergehäuse 8 und teilweise in einem Ringraum zwischen diesem und dem Filterelement 2 angeordnet. Das in diesem Bereich koagulierte Wasser setzt sich aufgrund seiner höheren Dichte in einem unten angeordneten
Wassersammeiraum 9 ab, aus welchem es turnusmäßig, beispielsweise über eine Wasserablassschraube 10, abgelassen werden kann. Erfindungsgemäß ist darüber hinaus eine Steuerungseinrichtung 1 1 vorgesehen, mittels welcher der Wasserabscheider 5, d.h. der Koaleszer, ansteuerbar und insbesondere dessen Abscheiderate einstellbar ist. Über die
Steuerungseinrichtung 1 1 kann beispielsweise eine Feldstärke zwischen den einzelnen Elektroden 6, 7 oder aber eine Frequenz eingestellt werden.
Der erfindungsgemäße Wasserabscheider 5 sorgt somit für eine effektive und effiziente Abscheidung von Wasser aus dem zu filternden Kraftstoff und gewährleistet über die gesamte Lebensdauer der Kraftstofffiltereinrichtung 1 gleichbleibend gute Abscheidewerte. Betrachtet nochmals die Fig. 1 , so kann man erkennen, dass die beiden Elektroden 6 und 7 selbstverständlich isoliert zum Kraftstoff angeordnet sind, so dass dieser nicht direkt mit den Elektroden 6, 7 in Kontakt steht.
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftstoffversorgungssystem 12 für eine Brennkraftmaschine 19 mit einem als elektrischem Koaleszer 5' ausgebildeten Wasserabscheider 5 zum Abscheiden einer polaren Phase, insbesondere Wasser, aus dem Kraftstoff, der an oder in einer Komponente 13 des
Kraftstoffversorgungssystems 12 angeordnet ist. Die Komponente 13 kann dabei als Haupttank 14, als Vorfilter 15, als Zusatztank 16, als Kraftstoffleitung 17 oder als Hauptfilter 18 ausgebildet ist. Selbstverständlich kann der elektrische
Koaleszer 5' auch als separater Wasserabscheider 5 an beliebiger Stelle im Kraftstoffversorgungssystem 12 angeordnet sein.

Claims

Patentansprüche
1 . Kraftstoffversorgungssystem (12) für eine Brennkraftmaschine mit einem als elektrischem Koaleszer (5') ausgebildeten Wasserabscheider (5) zum
Abscheiden einer polaren Phase, insbesondere Wasser, aus dem Kraftstoff, der an oder in einer Komponente (13) des Kraftstoffversorgungssystems (12) angeordnet ist.
2. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Komponente (13) als Haupttank (14), als Vorfilter (15), als Zusatztank (16), als Kraftstoffleitung (17) oder als Hauptfilter (18) ausgebildet ist.
3. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
der elektrische Koaleszer (5') eine Gleichstromeingangsspannung von 0- 5.000 V, eine gepulste Gleichstromspannung von 0 - 5.000 V oder eine
Wechselstromeingangsspannung von 0 - 40.000 V besitzt.
4. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gleichstromspannung eine Frequenz von 0 - 10.000 Hz und/oder die Wechselstromeingangsspannung eine Frequenz von 0 - 10.000 Hz aufweist.
5. Kraftstoffversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Koaleszer (5') zwei vom Kraftstoff isolierte Elektroden (6,7) aufweist.
6. Kraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuerungseinrichtung (1 1 ) vorgesehen ist, mittels welcher der Koaleszer (5') ansteuerbar und insbesondere dessen Abscheiderate einstellbar ist.
7. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerungseinrichtung (1 1 ) zumindest zur Einstellung eines der nachfolgenden Parameter ausgebildet ist, elektrisches Feld, insbesondere Feldstärke und Frequenz.
8. Kraftstofffiltereinrichtung (1 ) für ein Kraftstoffversorgungssystem (12), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem als elektrischem Koaleszer (5') ausgebildeten Wasserabscheider (5) zum
Abscheiden einer polaren Phase, insbesondere Wasser, aus dem Kraftstoff.
9. Kraftstofffiltereinrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der elektrische Koaleszer (5') eine Gleichstromeingangsspannung von 0- 5.000 V, eine gepulste Gleichstromspannung von 0 - 5.000 V oder eine
Wechselstromeingangsspannung von 0 - 40.000 V besitzt.
10. Kraftstofffiltereinrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromspannung eine Frequenz von 0 - 10.000 Hz und/oder die Wechselstromeingangsspannung eine Frequenz von 0 - 10.000 Hz aufweist.
1 1 . Kraftstofffiltereinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der elektrische Koaleszer (5') zwei vom Kraftstoff isolierte Elektroden (6,7) aufweist, und(oder
dass der elektrische Koaleszer (5') in einem Filtergehäuse (8), im Bereich einer Heizeinrichtung, an einem Wasserstandsensor, in/an einem
Filterelement (2) und/oder in einer Leitung (3,4) angeordnet ist.
12. Kraftstofffiltereinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuerungseinrichtung (1 1 ) vorgesehen ist, mittels welcher der Koaleszer (5') ansteuerbar und insbesondere dessen Abscheiderate einstellbar ist.
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