Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung, insbesondere eine Filterkartusche, zum Reinigen von Kühlwasser für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brenn- kraftmaschine mit einer solchen Filtereinrichtung.

In modernen Brennkraftmaschinen werden die Brennkammern zunehmend mittels aktiver Einspritzung von Kühlwasser gekühlt. Ein derartiges System ist beispiels- weise aus der US 8,875,666 B2 bekannt. Durch die mittels der Wasserkühlung bewirkten Reduzierung der Temperatur in den Brennkammern werden während des Verbrennungsvorgang weniger Stickoxide erzeugt als bei Systemen ohne ei- ne solche Wasserkühlung, bei welchen die Temperatur in Brennkammern somit höher ist.

Um in der Brennkammer unerwünschte Verunreinigungen oder Ablagerungen von Schmutzpartikel auszuschließen, ist es erforderlich, dass das das verwendete Kühlwasser hohen Reinheitsanforderungen entspricht. Dies wird üblicherweise mittels einer mehrstufigen Filtration des Kühlwassers, bevor dieses in die Brenn- kammer eingeleitet wird, sichergestellt.

Als zu reinigendes Kühlwasser kann beispielsweise Trinkwasser, Leitungswasser, Kondenswasser oder gesammeltes Regenwasser verwendet werden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Filterein- richtungen zum Reinigen von Kühlwasser für eine Brennkraftmaschine neue We ge aufzuzeigen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Pa- tentansprüche.

Grundidee der Erfindung ist demnach, eine Filtereinrichtung zum Reinigen von Kühlwasser für eine Brennkraftmaschine 2-stufig aufzubauen, wobei in einer erste Filtrationszone eine erste Schüttung und in einer zweiten Filtrationszone eine zweite Schüttung angeordnet ist. Besagte erste Schüttung dient zum Entfernen von partikularen Verschmutzungen und organischen Bestandteilen aus dem Kühlwasser. Flierzu wird erfindungsgemäß Aktivkohle verwendet, an welcher sich besagte organische Bestandteile bzw. Schmutzpartikel durch Adsorption anlagern können. Außerdem können

Zudem soll die Aktivkohleschüttung evtl im Wasser vorhandene oxidierende Des- infektionsmittel, z.B. Chlor, Hypochlorid, Chlordioxid und Weitere reduzieren, da diese Oxidationsmittel einen nachgeschalteten Ionenaustauscher degradieren und somit irreversibel schädigen könnten.

Die in der zweiten Filtrationszone vorhandene zweite Schüttung enthält erfin- dungsgemäß Hydronium-Kationen und Hydroxid-Anionen, mittels welcher das Kühlwasser weitgehend oder sogar vollständig entionisiert werden kann. Die zweite Schüttung bildet also einen sogenannten Ionenaustauscher aus. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nach dem Einleiten des Kühlwassers in die Brennkammern in diesen keine Feststoffe, beispielsweise in Form von Salzen, an den Kammerwänden der Brennkammer ausfallen können. Erfindungswesentlich bei der hier vorgestellten Filtereinrichtung ist die Verwendung besagter lonenaus- tauscher in der Hydronium- und Hydroxid-Form anstelle der aus herkömmlichen Ionenaustauschern verwendeten Salzformen, zumeist in Natrium- und Chlorid- Form. Gegenüber solchen herkömmlichen Ionenaustauschern in Salz-Form kann somit bei der hier vorgestellten Filtereinrichtung sichergestellt werden, dass beim lonenaustausch kein Salz, sondern nur Wasser gebildet bzw. freigesetzt wird. Somit können die oben erwähnten Verunreinigungen in der Brennkammer und damit einhergehende Probleme beim Verbrennungsvorgang vermieden werden.

Mittels der hier vorgestellten Filtereinrichtung kann somit im Ergebnis hochreines, demineralisiertes Kühlwasser zur Kühlung der Brennkammer von Brennkraftma- schine erzeugt werden.

Eine erfindungsgemäße Filtereinrichtung, die bevorzugt als Filterkartusche real i- siert sein kann, dient zum Reinigen von Kühlwasser für eine Brennkraftmaschine. Flierzu umfasst die Filtereinrichtung ein Filtergehäuse, welches einen von dem Kühlwasser durchströmbaren Gehäuseinnenraum begrenzt und in welchem ein Rohwassereinlass und ein Reinwasserauslass angeordnet sind. Ferner umfasst die Filtereinrichtung eine wasserdurchlässige Trenneinrichtung, welches den Ge- häuseinnenraum in eine erste Filtrationszone und in eine zweite Filtrationszone unterteilt. In der ersten Filtrationszone ist eine Aktivkohle enthaltene erste Schüt- tung zum Entfernen von Schmutzpartikeln aus dem Kühlwasser angeordnet. In der zweiten Filtrationszone ist eine Hydronium-Kationen (H ⁺ ) - und Hydroxid (OH ) - Anionen enthaltende zweite Schüttung zum Demineralisieren des Kühlwassers angeordnet.

Die Hydronium-Kationen (H ⁺ ) sind als austauschbare Ionen an eine organische Matrix mit kovalent angebundenen Sulfonat-Anionen, also an einen stark sauren Kationen-Austauscher gebunden. Die Hydroxid-Anionen (OH ) sind als aus- tauschbare Ionen an eine organische Matrix mit kovalent angebundenen quarter- nären Ammoniumkationen, also an einen stark basischen Anionen-Austauscher gebunden. Dieser Ionenaustauscher bildet hier also die zweite Schüttung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst oder ist die Trenneinrichtung ein wasserdurchlässiges und für sowohl für die erste als auch zweite Schüttung undurchlässiges Vlies. Dadurch wird sichergestellt, dass die erste Schüttung in der erste Filtrationszone und die zweite Schüttung in der zweiten Filtrationszone verbleibt, d.h. eine unerwünschte Durchmischung der beiden Schüttungen wird ausgeschlossen. Bevorzugt kann das Vlies aus einem Kunststoffmaterial beste- hen. Auf diese Weise können die Herstellungskosten für die Trenneinrichtung niedrig gehalten werden.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist im Gehäuseinnenraum eine Vorspanneinrichtung vorgesehen, welche die zweite Schüttung zur Trennein- richtung hin vorspannt. Auf diese Weise können unerwünschte Relativbewegun- gen der zweiten Schüttung sowie Relativbewegungen aufgrund von Volumenän- derungen der zweiten Schüttung durch lonenaustausch gegenüber dem Filterge häuse und damit einhergehende Abrasionseffekte weitgehend oder sogar voll- ständig vermieden werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Trenneinrichtung verstellbar am Filtergehäuse angebracht. Somit kann die Vorspanneinrichtung die erste Schüt- tung mittels der zweiten Schüttung und auch mittels der Trenneinrichtung gegen eine der Vorspanneinrichtung gegenüberliegende, einlassseitige Gehäusewan- dung des Filtergehäuses Vorspannen. Auf diese Weise können auch unerwünsch- te Relativbewegungen der ersten Schüttung gegenüber dem Filtergehäuse und damit einhergehende Abrasionseffekte weitgehend oder gar vollständig vermie- den werden.

Zweckmäßig begrenzt besagte einlassseitige Gehäusewandung die erste Filtrati onszone teilweise. Zweckmäßig kann der Reinwasserauslass in einer der einlassseitigen Gehäuse- wandung gegenüberliegenden, auslassseitigen Gehäusewandung des Filterge- häuses angeordnet sein, welche die zweite Filtrationszone zumindest teilweise begrenzt. Diese Bauform ermöglicht eine axiale Durchströmung der beiden Filtra- tionszonen mit Kühlwasser, wodurch ein besonders guter Reinigungseffekt erzielt werden kann.

Besonders bevorzugt ist die Vorspanneinrichtung im Gehäuseinnenraum zwi- schen dem Reinwasserauslass und der Trenneinrichtung, vorzugsweise in der zweiten Filtrationszone, angeordnet. Diese Variante benötigt besonders wenig Bauraum. Außerdem wird sichergestellt, dass nicht nur die zweite Schüttung, sondern - wenn die Trenneinrichtung bzw. das Vlies axialverstellbar ausgebildet ist -auch die erste Schüttung zur einlassseitigen Gehäusewandlung hin vorge- spannt werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Vorspanneinrichtung zu- mindest ein federelastisches Element, an welchem ein wasserdurchlässiges und für die zweite Schüttung undurchlässiges Vlies oder Filterpapier angeordnet ist, welches die zweite Filtrationszone in eine Rohseite und eine Reinseite unterteilt. Mittels eines solchen federelastischen Elements lässt sich auf einfache Weise die von der Vorspanneinrichtung erzeugende Vorspannkraft bereitstellen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Vlies bzw. das Filterpa pier auf einer mechanisch steifen Tragstruktur angeordnet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das flexibel ausgebildete Vlies bzw. das flexibel ausgebildete Filterpapier mit der erforderlichen Steifigkeit ausgestattet wird. Zweckmäßig kann die Tragstruktur dabei gitterartig ausgebildet sein. Dadurch wird gewährleistet, dass die Tragstruktur problemlos von dem Kühlwasser durchströmt werden kann. Besonders bevorzugt umfasst oder ist das federelastische Element wenigstens eine Kompressionsfeder, die sich jeweils einenends an der auslassseitigen Ge- häusewandung und anderenends an der Tragstruktur abstützt. Derartige Kom- pressionsfedern sind kommerziell in verschiedenen Ausgestaltungsvarianten und in großen Mengen erhältlich und somit kostengünstig.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Filtergehäuse eine Umfangswandung, welche die einlassseitige Gehäusewandung mit der aus- lassseitigen Gehäusewandung verbindet. Bei dieser Ausführungsform weist das Filtergehäuse zumindest im Bereich der Umfangswandung innenseitig eine anti- bakterielle Beschichtung auf. Mittels einer solchen antibakteriellen Beschichtung werden unerwünschte mikrobakterielle Aktivitäten (Fouling) verhindert, welche die ordnungsgemäße Funktion der Filtereinrichtung stören könnten.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die auf dem Filtergehäuse vor- gesehene antibakterielle Beschichtung ein Polymer, welches mit einem antibakte- riellen Material ausgestattet ist. Durch das in dieser Weise antibakteriell ausge- rüstete Polymer wird Biofouling im Langzeitbetrieb der Filtereinrichtung verhindert oder zumindest deutlich reduziert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Vlies der Trenneinrichtung ei- ne antibakterielle Beschichtung auf. Somit kann auch die Trenneinrichtung dazu verwendet werden, in der Filtereinrichtung unerwünschten mikrobakteriellen Akti- vitäten (Biofouling) entgegenzuwirken.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die antibakterielle Be- schichtung der Trennrichtung als Beschichtungsmaterial Silber. Es können aber auch andere geeignete Stoffe, insbesondere weitere Metalle, Metallsalze, organi- sche Monomere, Oligomere und Polymere mit antibakteriellen Eigenschaften ein- gesetzt werden. Diese Stoffe müssen nicht unbedingt für den Menschen verträg- lich sein, da sie in der Filtereinrichtung zum Einsatz kommen und nicht zur Aufbe- reitung von Trinkwasser entsprechend der geltenden Trinkwasserverordnung verwendet werden.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann das Material des Fil- tergehäuses, insbesondere im Bereich der Umfangswandung, aber auch im Be- reich der beiden stirnseitigen Gehäusewandungen, ein antibakteriell ausgestatte- tes Granulat umfassen oder sein. Somit kann auch das Filtergehäuse dazu ver- wendet werden, in der Filtereinrichtung unerwünschten mikrobakteriellen Aktivitä- ten entgegenzuwirken. Als geeignetes Granulat kann bevorzugt thermisch stabi- les antibakterielles und zur Extrusion geeignetes Material eingesetzt werden, wie etwa ein Gemisch aus PA66 und Zinkpyrithion oder ein entsprechendes Gemisch aus PA66 und quaternären Tetra-alkyl/aryl-Ammoniumverbindungen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, welche wenigstens einen Zylinder umfasst, der eine Brennkammer autweist. Die Brennkraftmaschine um- fasst weiterhin eine voranstehend vorgestellte Filtereinrichtung zum Kühlen der Brennkammern. Die voranstehend erläuterten Vorteile der Filtereinrichtung über- tragen sich somit auch auf die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un- teransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur 1 illustriert schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 1 zum Reinigen von Kühlwasser K für eine Brennkraftmaschine. Die Filtereinrichtung 1 kann als austauschbare Filterkartusche 3 ausgebildet sein. Die Filtereinrichtung 1 umfasst ein Filtergehäuse 2, welches einen von dem Kühl wasser durchströmbaren Gehäuseinnenraum 4 begrenzt. Im Filtergehäuse 2 ist ein Rohwassereinlass 10 zum Einleiten des zu reinigenden Kühlwassers K in den Gehäuseinnenraum 4 sowie ein Reinwasserauslass 11 zum Ausleiten des gerei- nigten Kühlwassers K vorhanden. Bevorzugt sind der Rohwassereinlass 10 und der Reinwasserauslass 11 in stirnseitigen Gehäusewandungen 12a, 12b des Fil tergehäuses 2 angeordnet, die einander entlang einer axialen Richtung A gegen- überliegen. Diejenige stirnseitige Gehäusewandung 12a, in welcher der Rohwas- sereinlass 10 angeordnet ist, wird im Folgenden als„einlassseitige Gehäusewan- dung“ bezeichnet. Entsprechend wird diejenige stirnseitige Gehäusewandung 12b, in welcher der Reinwasserauslass 11 angeordnet ist, im Folgenden als„aus- lassseitige Gehäusewandung“ bezeichnet. Die beiden stirnseitigen Gehäusewan- dungen 12a, 12b sind über eine Umfangswandung 13 miteinander verbunden, die ebenfalls Teil des Filtergehäuses 2 ist. Insbesondere für den Fall, dass die Filter- einrichtung 1 als Filterkartusche 3 ausgebildet ist, kann das Filtergehäuse 2 mit den stirnseitigen Gehäusewandungen 12a, 12b und der Umfangswandung 13 einstückig ausgebildet sein.

Entsprechend Figur 1 ist im Gehäuseinnenraum 4 eine wasserdurchlässige Trenneinrichtung 5 angeordnet, welches den Gehäuseinnenraum 4 in eine erste Filtrationszone 6a und in eine zweite Filtrationszone 6b unterteilt. In der ersten Filtrationszone 6a ist eine Aktivkohle 22 enthaltene erste Schüttung 7a zum Ent- fernen von Schmutzpartikeln (nicht gezeigt) aus dem Kühlwasser K angeordnet.

In der zweiten Filtrationszone ist eine zweite Schüttung 7b angeordnet, die Hyd- ronium-Kationen (FT) und Hydroxid (OH ) - Anionen zum Demineralisieren des Kühlwassers K enthält. Die Trenneinrichtung 5 umfasst oder ist ein Vlies 8, welches wasserdurchlässig und für die beiden Schüttungen 7a, 7b undurchlässig ausgebildet ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass beim Durchströmen des Gehäuseinnenraum 4 mit dem Kühlwasser K die erste Schüttung 7a stets in der ersten Filtrationszone 6a und die zweite Schüttung 7b in der zweiten Filtrationszone 6b verbleibt.

Im Beispielszenario begrenzt die einlassseitige Gehäusewandung 12a zusammen mit der Umfangswandung 13 und der Trenneinrichtung 5 bzw. dem Vlies 8 die erste Filtrationszone 6a. In analoger Weise begrenzt die auslassseitige Gehäu- sewandung 12b zusammen mit der Umfangswandung 13 und der Trenneinrich- tung 5 bzw. dem Vlies 8 die zweite Filtrationszone 6b. Somit ist der Rohwasser- einlass 10 stromauf der ersten Filtrationszone 6a angeordnet, welche wiederum stromauf der zweiten Filtrationszone 6b angeordnet ist. Die zweite Filtrationszone 6b ist stromauf des Reinwasserauslasses 11 angeordnet. Das zu reinigenden Kühlwasser K wird somit über den Rohwassereinlass 10 in die erste Filtrationsstu fe 6a eingeleitet, strömt entlang der axialen Richtung A durch die Trenneinrich- tung 5 bzw. das Vlies 8 hindurch in die zweite Filtrationszone 6b und verlässt von dort den Gehäuseinnenraum 4 über den Reinwasserauslass 11.

Gemäß Figur 1 kann im Gehäuseinnenraum 4 eine Vorspanneinrichtung 14 an- geordnet sein, welche die zweite Schüttung 7b zur Trenneinrichtung hin vor- spannt. Zweckmäßig ist diese Vorspanneinrichtung 14 zwischen dem Reinwas- serauslass 11 und der Trenneinrichtung 5 in der zweiten Filtrationszone des Ge- häuseinnenraums 4 angeordnet. Die Trenneinrichtung 5 kann entlang der axialen Richtung A verstellbar am Filtergehäuse 2 angebracht sein, so dass die Vorspan- neinrichtung 14 die erste Schüttung 7a mittels der zweiten Schüttung 7b und der Trenneinrichtung 5 gegen die einlassseitige Gehäusewandung 12a des Filterge- häuses 2 vorspannt. Im Beispielszenario umfasst die Vorspanneinrichtung 14 zwei im Abstand zueinander angeordnete federelastisches Elemente 15a, 15b, an welchen ein wasserdurchlässiges und für die zweite Schüttung 7b undurchlässi- ges Vlies 16 angeordnet ist. Die beiden federelastischen Elemente 15a, 15b kön- nen Kompressionsfedern 19a, 19b sein, die sich jeweils einenends an der aus- lassseitigen Gehäusewandung 12b und anderenends an der Tragstruktur 23 ab- stützen. In Varianten des Beispiels kann die Vorspanneinrichtung 14 eine andere Anzahl an Federelementen 15a, 15b aufweisen als in Figur 1 exemplarisch ge- zeigt. Das Vlies 16 unterteilt die zweite Filtrationszone 6b in eine Rohseite 18a und in eine Reinseite 18b. Anstelle des Vlieses 16 kann auch ein Filterpapier (nicht gezeigt) verwendet werden. Das flexibel ausgebildete Vlies 16 bzw. das fle xibel ausgebildete Filterpapier 17 kann auf einer mechanisch steifen Tragstruktur 23 angeordnet sein, die in Figur 1 nur schematisch angeordnet ist. Vorzugsweise kann die Tragstruktur 23 gitterartig ausgebildet sein, so dass das Kühlwasser K unter einem geringen Strömungswiderstand durch die Tragstruktur 23 hindurch- strömen kann.

Das Material 24 des Filtergehäuses 2 kann, insbesondere im Bereich der Um- fangswandung 13, aus einem extrusionsfähigen antibakteriell ausgestattetem Granulat bestehen oder ein solches antibakterielles Granulat umfassen. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann das Filtergehäuse 2 zumindest im Bereich der Um- fangswandung 13 innenseitig eine antibakterielle Beschichtung 20 aufweisen. Diese antibakterielle Beschichtung 20 kann beispielsweise ein organisches Mo- nomer, Oligomer, Polymer, Metalle und Metallsalze oder weitere Stoffe mit anti- bakteriellen Eigenschaften umfassen.

Auch das Vlies 8 der Trenneinrichtung 5 kann eine antibakterielle Beschichtung 21 aufweisen, wobei als Beschichtungsmaterialien oben aufgeführte Materialien in Betracht kommen. Im Beispiel der Figur 1 ist die Beschichtung 21 auf einer der ersten Filtrationsseite 6a zugewandten Seite 9a der Trenneinrichtung 5 bzw. des Vlieses 8 angeordnet. Selbstredend kann die Beschichtung 21 alternativ oder zu- sätzlich dazu auch auf einer der zweiten Filtrationszone 6b zugewandten Seite 9b der Trenneinrichtung 5 bzw. des Vlieses 8 angeordnet sein (nicht gezeigt). Denk- bar ist es auch, anstelle einer antibakteriellen Beschichtung 21 das Vlies 8 mit an- tibakteriellem Material, beispielsweise mit Silber, auszustatten.

_*****