Beschreibung Verfahren zur Trennung von Kraftstoffdampf-Luft-Gemischen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Trennung von Kraftstoffdampf-Luft-Gemischen in seine Komponenten und eine Vor- richtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Reinigung von Dampfgemischen, wie sie in Kraft- stoffbehältern von Kraftfahrzeugen entstehen.
Es ist bekannt, dass Kraftstoffe in Abhängigkeit von ihrem thermodynami- schen Zustand zum Ausgasen neigen. Die dabei in Kraftstoffbehältern anfallenden Kraftstoffdampf-Luft-Gemische-nachfolgend Gase genannt- müssen zur Vermeidung eines zu hohen Behälterinnendrucks abgeführt werden. Insbesondere bei Kraftstoffbehältern in Kraftfahrzeugen gibt es die verschiedensten Vorrichtungen, um die während des Betriebs und während des Betankens anfallenden Gase aus dem Kraftstoffbehälter ab- zuführen. Aufgrund der bestehenden Gesetzgebungen, insbesondere in den USA, darf bei der Einleitung dieser Gase in die Atmosphäre nur ein bestimmter Anteil an Kohlenwasserstoffen in diesen Gasen enthalten sein. Diese Gase werden über Leitungen und Zusatzbehälter einem Aktiv- kohlefilter zugeführt, in dem aus den Gasen die Kohlenwasserstoffe her- ausgefiltert werden. Die gereinigten Gase werden anschließend in die At- mosphäre geleitet. Infolge der bereits geringen zulässigen Werte für die Gesamt-Fahrzeug-Emission von Kohlenwasserstoffen besitzen heutige Aktivkohlefilter bereits eine beachtliche Baugröße mit allen damit verbun- denen Nachteilen. Im Hinblick auf den Umwelttrend zu immer niedrigeren Emissionsgrenzwerten in den USA und Europa ist das Volumen heutiger Aktivkohlefilter auf Dauer nicht ausreichend. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reini- gung von Kraftstoffdampf-Luft-Gemischen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen aufwendige und großbauende Filter vermieden werden.
Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung wird das Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch aus dem Kraftstoffbehälter einem Vorab- scheider zugeführt, in dem eine erste Trennung von Kraftstoffbestandtei- len und Luft durchgeführt wird, so dass dem Filter ein Gas zugeführt wird, das wesentlich geringere Konzentrationen an Kohlenwasserstoffen auf- weist als das bei herkömmlichen Entlüftungsvorrichtungen der Fall ist. Die bis dahin in dem Gas noch vorhandenen Bestandteile an Kohlenwasser- stoffen werden anschließend im Filter zurückgehalten, so dass die an die Atmosphäre abgegebene Gas im wesentlichen frei von Kohlenwasser- stoffen ist. Der entscheidende Vorteil besteht neben den spürbar verrin- gerten Emissionswerten darin, dass anstatt des bisher großvolumigen und schweren Aktivkohlefilter ein erheblich kleinvolumiger und damit leichterer Filter Verwendung finden kann. Erreicht wird die Trennung der Kraftstoff- bestandteile nicht wie bisher durch Adsorption, sondern durch physikali- sche Abscheidung, indem die Kohlenwasserstoffe im Vorabscheider kon- densieren. Weiterhin reduziert sich der aus dem Tanksystem auszu- schleusende Gasmassenstrom um den abgeschiedenen Dampfmassen- strom, so dass der Tankinnendruck und somit die Leitungsquerschnitte reduziert werden, was die Betankbarkeit verbessert.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens werden die anfallenden Gase zuerst komprimiert und anschlie- ßend einem Kondensator zugeführt, an dessen Kondensationsflächen die Kohlenwasserstoffe durch Kondensation in die flüssige Phase übergehen.
Die Kondensationsflächen des Kondensator können hierzu über einen eigenen Kühlkreislauf betrieben werden. Ein eigener Kühikreislauf ist nicht erforderlich, wenn die Kondensationsflächen des Kondensators mit der Klimaanlage verbunden sind. Es ist aber auch die Verwendung von Halb- leiter-Kühlelementen denkbar.
Über eine Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Kraftstoffbe- halter wird die flüssige Phase in den Behälter zurückgeführt, so dass die abgeschiedenen Kraftstoffbestandteile zur Verbrennungsmaschine geför- dert werden können. Da Kompressoren und Kondensatoren relativ einfach gebaute Elemente sind, liegen bei deren Verwendung die Kosten für die Vorrichtung nicht wesentlich höher als bei heutigen Kohlenwasserstoff- Rückhaltesystemen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der den Vorabscheider bildende Kompressor und Kondensator zu einer Baueinheit zusammengefasst. Das komprimierte Gasgemisch hat damit nur einen kurzen Weg bis zum Kon- densator, wodurch Druckverluste erheblich reduziert und der Kompressor relativ klein ausgeführt werden kann. Des weiteren hat sich als vorteilhaft erwiesen, am Ausgang des Kondensators eine Gas-Trennmembran an- zuordnen. Mit dieser zusätzlichen Gas-Trennmembran wird der Kohlen- wasserstoffanteil weiter verringert.
Besonders vorteilhaft ist es, das Gasgemisch vor der Zuführung zum--Filter zu expandieren. Zu diesem Zweck ist der Vorabscheider um eine Düse oder ein Ventil als Drossel und ein Zyklon erweitert. Das infolge der Ex- pansion beschleunigte Gas strömt in das Zyklon, in dem eine Nachkon- densation stattfindet. Durch die Fliehkraftwirkung wird Kondensat abge- schieden und über eine Verbindung wieder in den Kraftstoffbehälter zu- rückgeführt. Das nochmals gereinigte Gas besitzt einen Reinheitsgrad, der eine weitere Reduzierung eines nachgeschalteten Aktivkohlefilters oder möglicherweise durch einen Katalytbrenners ermöglicht. Unter Um- ständen kann damit sogar ganz auf einen Aktivkohlefilter verzichtet wer- den und stattdessen eine Gastrennmembran angeordnet werden, bevor das Gas in die Atmosphäre eingeleitet wird.
Zur weiteren Senkung der Emissionswerte ist es vorteilhaft, den Vorab- scheider in den Kraftstoffbehälter zu integrieren. Da somit auch alle Ver- bindungsstellen der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Kraftstoffbehälter angeordnet sind, müssen diese Stellen verstärkter Permeation bei der Konstruktion nicht weiter berücksichtigt werden, was eine zusätzliche Ver- einfachung ist und damit zu einer weiteren Kostensenkung führt. Darüber hinaus entfalten infolge der kompakten Gestaltung des Vorabscheiders lange Schlauchverbindungen.
In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kondensiert das während des Betriebs oder des Betankens anfallende Gas ohne vorherige Kompression in einem Mischkondensator. Dazu wird das Gemisch in einen Behälter geleitet, der mit einem flüssigen Kühimedi- um gefüllt ist. Als Küh) medium kann vorzugsweise Kraftstoff verwendet werden. Beim Kontakt mit der kühlen Flüssigkeit kondensieren die Koh- lenwasserstoffe, während das gereinigte Gas über einen Auslass im obe- ren Teil des Mischkondensators einem Filter zugeführt wird. Die auskon- densierten Bestandteile werden anschließend dem Kraftstoffbehälter wie- der zugeführt.
Zur Erhöhung der Kondensationsrate ist es vorteilhaft, das Kühimedium zu kühlen. Eine Möglichkeit ist die Kühlung der Wandungen des Konden- sators. Des weiteren lassen sich Halbleiter-Kühlelemente im Kondensator anordnen. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Kondensator an einen Kühlkreislauf angeschlossen. Zum einen wird aus dem Mischkondensator abfließende Flüssigkeit einem Kühler zugeführt, bevor sie mit einer deut- lich niedrigeren Temperatur dem Mischkondensator wieder zugeführt wird.
Zum anderen können im Mischkondensator Kühlrohre angeordnet sein, die von einer Kühiflüssigkeit durchströmt werden. Dieser Kühler kann ein separater Kühler sein, der über die Klimaanlage des Fahrzeugs betrieben wird.
An mehreren Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
Dabei zeigen : Figur 1 : eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vor- richtung, Figur 2 : einen Vorabscheider mit Kompressions-und Kondensations- stufe, Figur 3 : einen Vorabscheider mit Mischkondensator.
Der in Figur 1 dargestellte Kraftstoffbehälter 1 eines Kraftfahrzeugs ist über einen Einfüllstutzen 2 befüllbar. Für die Entlüftung während des Be- tankens und des Betriebs sind Entiüftungsleitungen 3a, 3b im oberen Be- reich des Kraftstoffbehälters 1 angeordnet. Diese Ent) üftungs) eitungen münden in den Ausgleichsbehälter mit innenliegendem Vorabscheider 4.
Das über die Entiüftungsleitungen 3a, 3b gesammelte Gas wird dem Vorabscheider 4 zugeführt, wobei die in dem Gas enthaltenen Kohlen- wasserstoffe kondensieren. Das gereinigte Gas wird anschließend einem Aktivkohlefilter 5 zugeführt, bevor es nach einer zweiten Reinigung in ei- nem kleinen Aktivkohlefilter an die Atmosphäre geführt wird. Die im Vorabscheider 4 auskondensierten Kohlenwasserstoffe werden über ei- nen Auslass 6 dem Kraftstoffbehälter wieder zugeführt.
Der Vorabscheider 4 in Figur 2 besitzt eine Kompressionsstufe 7, in der das über die Entlüftungsleitungen 3a, 3b zugeführte Gas verdichtet und erwärmt wird. Anschließend strömt das komprimierte Gas in einen Kon- densator 8. An dessen Kondensationsflächen 9 kondensieren die im Gas- gemisch enthaltenen Kohlenwasserstoffe. Die flüssige Phase sammelt sich am Boden des Kondensators 8 und wird über ein Ventil 10 in den Kraftstoffbehälter 1 geleitet. Über eine Membran 11, an der weitere Koh- lenwasserstoffe abgeschieden werden, wird das Gas mittels einer Düse 12 expandiert. Im nunmehr beschleunigten Gasstrom befinden sich Flüs- sigkeitstropfen, die in ein Zyklon 13 eintreten. Aufgrund der Fliehkraft scheiden sich Kraftstofftropfen an der Wandung des Zyklons 13 ab. Wäh- rend die flüssige Phase wieder in den Kraftstoffbehälter 1 geleitet wird, gelangt das nunmehr gereinigte Gasgemisch über die Verbindung 14 zum außerhalb des Kraftstoffbehälters 1 angeordneten Aktivkohlefilter 5.
Die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung zeigt einen Ausschnitt eines Kraft- stoffbehälters 1 mit einem im oberen Bereich innenliegenden Ausperlbe- hälter 16. Die in den Ausperlbehälter 16 reichenden Entiüftungsleitungen 3a, 3b sind dort mit einem Mischkondensator 17 bis zur Unterkante einer Überlauföffnung 18 mit einem Kühlmedium 19 gefüllt. Die Zuführöffnun- gen 20a, 20b der Entiüftungsleitungen 3a, 3b sind im Bodenbereich des Mischkondensators 17 angeordnet. Über einen Kühlkreislauf 21 wird der Zustand konstanter Temperatur im Mischkondensator 17erreicht. Dazu wird mit konstanten Massenstrom Kühlmedium aus dem Mischkondensa- tor 17 abgeführt und einem Wärmetauscher zugeführt. Anschließend wird das so herabgeküh ! te Kühimedium wieder dem Mischkondensator 17 zu- geführt.
Der in das Kühimedium auskondensierte Kraftstoff 19 gelangt durch den Überlauf 18 am Mischkondensator 17 in den Ausperlbehälter 16. Die in dessen Bodenbereich angeordnete Pumpe 22 fördert den anfallenden Kraftstoff 19 in den Kraftstoffbehälter 1, die Fördereinheit oder die Pumpe zurück. Das restliche im oberen Bereich des Mischkondensators 17 sich noch ansammelnde Gasgemisch wird zum Aktivkohlefilter 5 geleitet, wo- bei ein Sieb 23 im Bereich des Mischkondensatoraustritts gewährleistet, dass keine flüssigen Bestandteile zum Aktivkohlefilter 5 gelangen können.
