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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstofffilter zur Filterung von Kraftstoff, insbesondere von Dieselkraftstoff.
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Bei der Filterung von Kraftstoff wird unfiltrierter (roher) Kraftstoff, z. B. Dieselkraftstoff, aus einem Kraftstoffvorratsbehälter entnommen und im Kraftstofffilter unter anderem von Feststoffpartikeln befreit. Anschließend wird der filtrierte (reine) Kraftstoff einer Wärmekraftmaschine zur Verbrennung zugeführt.
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Unfiltrierter Kraftstoff enthält typischerweise verschiedene Arten von Verunreinigungen bzw. Schmutz, z. B. Rostteilchen, die sich durch Feuchtigkeit in einem Kraftstoffvorratsbehälter gebildet haben. Werden diese Substanzen nicht entfernt, bevor der Kraftstoff in den Motor gelangt, sind vorzeitiger Verschleiß und Defekte beispielsweise in der Kraftstoffpumpe und dem Einspritzsystem bei den dort verwendeten hohen Drücken die Folge.
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Die Filterung von Kraftstoffen beschränkt sich jedoch nicht nur auf das Ausfiltern von Verunreinigungen. Es ist aus technischer Sicht auch erstrebenswert, das im Kraftstoff, insbesondere in Dieselkraftstoff, enthaltene Wasser abzuscheiden, um dessen Schmierfähigkeit zu erhalten. Dadurch, dass Wasser schwerer als die typischerweise verwendeten Kraftstoffe ist, kann eine Schwerkraftabscheidung erfolgen, bei der sich das Wasser schwerkraftbedingt in dafür vorgesehenen Wassersammelräumen ansammelt, wobei der leichtere Kraftstoff auf dem Wasser schwimmt und somit vom Wasser abgetrennt werden kann.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 2008/077954 A2 ist ein Kraftstoffilter bekannt geworden, bei dem der Wassersammelraum in einem Behälter gebildet ist, der unterhalb eines Siebgewebeelements angeordnet ist, das als hydrophobe Sperrschicht dient, an der sich das im Kraftstoff befindliche Wasser zu Wassertropfen verbindet, die schwerkraftbedingt nach unten sinken. Im Laufe des Betriebs des Kraftstofffilters lagert sich daher im Bereich des Bodens des Behälters zunehmend abgeschiedenes Wasser an. Erreicht das Wasser einen bestimmten Wasserfüllstand, so wird das Wasser über einen Auslass in einen separaten Auffangraum abgeführt. Der Auffangraum ist unterhalb des Behälters angeordnet und vom Behälter durch eine Wand baulich getrennt, d. h. der Auslass steht mit dem Wassersammelraum nur über ein Rückschlagventil in Verbindung. In dem Auffangraum kann eine Schüttung saugfähiger Festkörper vorgesehen sein, welche das Wasser in der Art eines Schwammes aufsaugt. Das aufgesaugte Wasser verdunstet vorzugsweise durch Zuführung von Luft oder Wärme, während Schmutzanteile wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe in der Schüttung zurückbleiben.
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Aus der
DE 10 2007 039 679 ist es bekannt, als Mittel zur Wasserabscheidung so genannte Koaleszenz-Filter zu verwenden, bei denen eine typischerweise hydrophile Filtermaterialschicht Wasseranteile aus dem Kraftstoff durch Adhäsion zu größeren Wassertropfen transformiert. In der DE 10 2007 039 679 ist der Koaleszenz-Filter zwischen zwei Partikelfiltern aus hydrophobem Material angeordnet, es ist aber auch möglich, die Partikelfilterung und die Transformation zu größeren Wassertropfen n ein- und demselben Element durchzuführen.
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Das steigende Umweltbewusstsein hat in den vergangen Jahren zu einer vermehrten Nutzung von Biokraftstoffen geführt. Biokraftstoffe, insbesondere Biodiesel, weisen jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen eine erhöhte Neigung zur Bildung von stabilen Wasser-Kraftstoff-Emulsionen auf, sodass an das Abscheiden von Wasser aus Biokraftstoffen erhöhte Anforderungen zu stellen sind. Aber auch bei der Filterung herkömmlicher Kraftstoffe ist die Wasserabscheidung in den Fokus der Entwicklung geraten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Abscheidung von Wasser aus einem Kraftstoff zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstofffilter der eingangs genannten Art, umfassend: ein Filterelement zur Filterung von Partikeln aus dem Kraftstoff, ein koaleszierendes Element zum Koaleszieren von in dem Kraftstoff befindlichem Wasser, sowie ein insbesondere topfförmiges Gehäuse mit einem Innenraum, wobei in einem Bodenbereich des vom Kraftstoff durchströmten Innenraums ein Wassersammelraum zum Sammeln von aus dem Kraftstoff abgeschiedenem Wasser gebildet ist, und wobei in dem Bodenbereich Mittel zum Binden des abgeschiedenen Wassers vorgesehen sind.
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Durch die Mittel zum Binden des abgeschiedenen Wassers kann in besonders einfacher Art und Weise erreicht werden, dass einmal abgeschiedenes Wasser nicht erneut in den Kraftstoff gelangt, so dass eine Verbesserung des Abscheidegrades von Wasser aus dem Kraftstoff erzielt werden kann. Dies ist insbesondere bei Biokraftstoffen günstig, bei denen das bereits abgeschiedene Wasser eine verstärkte Tendenz hat, sich an der Grenzfläche zwischen Wasser und Kraftstoff wieder mit dem Kraftstoff zu vermischen.
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Durch die Mittel zum Binden des Wassers im Bodenbereich des Innenraums wird das Wasser festgehalten, das schwerkraftbedingt in den Bodenbereich des Innenraums gerät, d. h. die Mittel zum Binden des Wassers ziehen das Wasser an bzw. nehmen dieses auf und speichern es.
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Die Speicherung des Wassers im Wassersammelraum kann derart ausgelegt sein, dass die Mittel zum Binden des Wassers, z. B. in Form eines saugfähigen Festkörpers bzw. mehrerer saugfähiger Festkörper, z. B. in Form einer Schüttung, eine entsprechend hohe Kapazität aufweisen, die es ermöglicht, das gesamte im Verlaufe eines Betriebes des Kraftstofffilters anfallende Wasser zu speichern. In diesem Fall ist keine Auswechslung der Mittel zum Binden des Wassers erforderlich.
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In einer Ausführungsform wird das abgeschiedene Wasser durch die Mittel zum Binden des abgeschiedenen Wassers aufgesaugt oder absorbiert.
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Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Kapazität der Mittel zum Binden des Wassers kleiner zu gestalten und Vorkehrungen zu treffen, die ein Abführen des gebundenen Wassers z. B. bei einer Inspektion erlauben, beispielsweise indem der saugfähige Festkörper aus dem Gehäuse entnommen und ausgepresst werden kann. Falls das gebundene Wasser nicht oder nur mit großem Aufwand aus den Mitteln entfernt werden kann, können die Mittel ggf. auch gegen neue, unverbrauchte Mittel ausgetauscht werden, welche erneut abgeschiedenes Wasser binden.
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Der erfindungsgemäße Kraftstofffilter umfasst zur Filterung von Partikeln aus dem Kraftstoff ferner ein Filterelement, das typischerweise dem koaleszierenden Element in Strömungsrichtung des Kraftstoffs vorgeschaltet ist. Das Filterelement unterteilt den Kraftstofffilter in einen rohseitigen und einen reinseitigen Bereich. Bei dem koaleszierten Wasser, das in dem Wassersammelraum gesammelt wird, handelt es sich typischerweise um reinseitig durch Schwerkraftwirkung abgeschiedenes Wasser, wobei die Abscheidung durch das koaleszierende Element unterstützt wird.
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Es ist auch möglich, dass anstelle des Filterelements und des davon baulich getrennten koaleszierenden Elements eine gemeinsame Filtereinheit vorgesehen ist, die sowohl den Kraftstoff filternde als auch das Wasser koaleszierende Eigenschaften aufweist. Mit andern Worten: Die Partikelfilterung und die Transformation zu größeren Wassertropfen können auch an ein- und demselben Element durchgeführt werden.
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In jedem Falle ist eine Verbesserung des Abscheidegrades von Wasser aus dem zu filternden Kraftstoff auch durch eine entsprechende Ausgestaltung der Filtereinheit bzw. des koaleszierenden Elements zu erreichen: So kann z. B. durch ein koaleszierendes Element mit einer sehr hohen inneren Oberfläche, d. h. mit vielen sehr feinen Fasern und einer sehr engen Faserverteilung eine verbesserte Transformation von kleinen zu größeren Wassertropfen erreicht werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Kraftstofffilters umfassen die Mittel zum Binden des Wassers einen saugfähigen Festkörper. Der saugfähige Festkörper kann in Form einer Füllung in dem Wassersammelraum vorgesehen sein. Füllungen oder ggf. auch Schüttungen eines saugfähigen Festkörpers können besonders einfach der Form des Wassersammelraums angepasst werden und füllen den Raum gleichmäßig aus. Somit erfolgt eine besonders gleichmäßige Bindung des Wassers.
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Bei einer Weiterbildung der vorhergehenden Ausführungsform umfasst der saugfähige Festkörper hydrophile Fasern, die bevorzugt aus entfetteter Zellulose gebildet und/oder oberflächenbehandelt sind. Hydrophile und/oder oberflächenbehandelte Fasern zeigen eine besonders ausgeprägte Bindungswirkung auf Wasser, sodass eine derartige Füllung besonders zur Verbesserung des Wasserabscheidegrades des Kraftstofffilters beiträgt. Ein Beispiel für entfettete Zellulose ist Wundwatte. Unter oberflächenbehandelten Fasern werden z. B. hydrophilierte Fasern verstanden.
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In einer Ausführungsform wird ein Fasergemisch verwendet, welches mindestens 20 Gewichts-% Viskosefasern umfasst.
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In einer alternativen Ausführungsform wird statt oder zusätzlich zu den hydrophilen Fasern ein wasserabsorbierendes Granulat (Superabsorber) verwendet.
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Bei einer weiteren Weiterbildung des Kraftstofffilters ist das Filterelement zur Partikelfilterung dem koaleszierenden Element vorgeschaltet und als ein vorkoaleszierendes Filterelement ausgebildet. Weist das Filterelement bereits vorkoaleszierende Eigenschaften auf, so erfolgt eine Transformation von kleinen zu größeren Wassertropfen bereits im Filterelement, wodurch insgesamt im Kraftstofffilter ein höherer Grad an Koaleszenz erreicht wird, der wiederum eine verbesserte Wasserabscheidung ermöglicht. Das Vorkoaleszieren kann im Feinstmedium des Filterelements selbst erfolgen oder durch eine zusätzliche abströmseitige Filterlage, wie z. B. ein dünnes, insbesondere hydrophiliertes Vlies, welches insbesondere auf ein Partikelfiltermedium aufgebracht sein kann.
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Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform des Kraftstofffilters, die dadurch gekennzeichnet ist, dass einem Kraftstoffauslass des Kraftstofffilters eine Wasserrückhalteeinrichtung vorgeschaltet ist. Durch die Wasserrückhalteeinrichtung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass nicht abgeschiedenes Wasser oder Wasser, das von den Mitteln zum Binden des Wassers nicht vollständig zurückgehalten wurde und über den Kraftstoffauslass auszutreten droht, an der Wasserrückhalteeinrichtung zurückgehalten wird. Die Wasserrückhalteeinrichtung verhindert bzw. verringert somit den Austritt von Wasseranteilen bzw. Wassertropfen aus dem erfindungsgemäßen Kraftstofffilter.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der vorhergehenden Ausführungsform ist die Wasserrückhalteeinrichtung im Bereich eines mit dem Kraftstoffauslass in Verbindung stehenden Mittelrohrs angeordnet, welches das Filterelement und ggf. auch das koaleszierende Element stützt. Typischerweise ist ein Filtermedium des Filterelements (z. B. ein Faltenbalg oder ein Wickelfilter), um das Mittelrohr des Kraftstofffilters herum angeordnet, wobei das Mittelrohr stützend für das Filterelement wirkt, und wobei der gereinigte Kraftstoff über das Mittelrohr und den an dessen oberem Ende gebildeten Kraftstoffauslass nach oben aus dem Kraftstofffilter ausgetragen wird. Am anderen unteren Ende des Mittelrohrs befindet sich typischerweise der Wassersammelraum für abgeschiedenes Wasser. Bei einer Ausgestaltung des Kraftstofffilters gemäß dieser Weiterbildung ist die Wasserrückhalteeinrichtung daher in vorteilhafter Weise über dem abgesonderten Wasser im Wassersammelraum angeordnet. Auf diese Weise ist die Gefahr, dass abgesondertes Wasser entgegen der Gewichtskraft aus dem Wassersammelraum durch das Mittelrohr hindurch in Richtung Kraftstoffauslass tritt, stark verringert.
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Bei einer weiteren ebenfalls bevorzugten Weiterbildung umfasst die Wasserrückhalteeinrichtung eine Sperrschicht, die aus einem hydrophoben Material besteht. Durch das hydrophobe Material der Sperrschicht ist die Wasserrückhalteeinrichtung besonders wirksam. Die Sperrschicht kann beispielsweise aus einem Sieb mit einer Maschenweite kleiner oder gleich 25 μm oder aus einem Vlies bestehen.
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Eine andere Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserrückhalteeinrichtung eine Barriere im Mittelrohr umfasst, wobei die Barriere als Stopfung und/oder Gitter aus hydrophobem Material gebildet ist. Durch die Barriere aus hydrophobem Material kann Wasser, das in das Mittelrohr gelangt ist und über den Kraftstoffauslass aus dem Kraftstofffilter auszutreten droht, trotzdem abgefangen und zurückgehalten werden. Die Stopfung lässt andererseits den reinen und von Waser befreiten Kraftstoff ungehindert durch das Mittelrohr entweichen.
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Bevorzugt sind als hydrophobes Material reine oder wasserabweisend ausgerüstete Fasern oder Gitter aus PTFE (Polytetrafluorethylen), PA (Polyamid) oder Polyester vorgesehen. Derartige Fasern zeigen eine besonders hohe wasserabweisende Wirkung.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Kraftstofffilters ist dem koaleszierenden Element eine Strömungsführung zur Abscheidung von Wasser durch Schwerkraftwirkung nachgeschaltet. Bei der optimierten Strömungsführung wird beispielsweise in einem Strömungsabschnitt des Kraftstoffs die Strömungsgeschwindigkeit und ggf. eine Richtungsänderung der Strömung derart gewählt, dass die im Vergleich zum Kraftstoff schwereren Wasseranteile abgeschieden werden. Alternativ kann es in dem Abschnitt der Strömungsführung bei entsprechend geringen Strömungsgeschwindigkeiten auch lediglich zu einem schwerkraftbedingten Abscheiden des Wassers kommen.
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Bei einer Weiterbildung der vorhergehenden Ausführungsform erfolgt die Strömungsführung durch einen Ringspalt. Der Ringspalt, d. h. der zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt, ist im Vergleich zu herkömmlichen Ringspalten in Kraftstofffiltern größer dimensioniert und unterstützt die Wasserabscheidung aufgrund der Wirkung der Schwerkraft, wobei die Dimensionierung der Strömungsführung und die Strömungsgeschwindigkeit so aufeinander abgestimmt sind, dass bei gegebener Tröpfchengröße die Gewichtskraft der Tröpfchen größer ist als die Summe aus Auftriebskraft und (geschwindigkeitsabhängiger) Reibungskraft.
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Schließlich ist bei einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform dem koaleszierenden Element eine Wasserfalle nachgeschaltet. Die Wasserfalle verhindert, dass das koaleszierte Wasser zum Austritt des Kraftstofffilters gelangt. Die Wasserfalle kann dazu als umlaufende, ringförmige, senkrecht oder insbesondere schräg nach radial innen zur Ausströmrichtung aus dem koaleszierenden Element heraus angeordnet sein und vorteilhaft radial umlaufende Rillen oder Rippen aufweisen. Bereits abgeschiedene bzw. vergrößerte Wassertropfen bleiben an der Wasserfalle haften, werden durch nachfolgendes Wasser vergrößert und fallen anschließend schwerkraftbedingt in den Wassersammelraum.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt: Figur: einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstofffilter.
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Ausführungsform der Erfindung
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In der einzigen Figur ist ein Kraftstofffilter 1 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt. Der Strömungsweg des Kraftstoffs durch den Kraftstofffilter 1 ist durch Richtungspfeile angedeutet.
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Der Kraftstofffilter 1 weist ein Filterelement 2 zur Filterung von Partikeln aus dem Kraftstoff auf, das z. B. ein sternförmiges oder gewickeltes Filtermedium umfasst. Darüber hinaus ist im Kraftstoffilter 1 ein koaleszierendes Element 3 zum Koaleszieren von in dem Kraftstoff befindlichem Wasser vorgesehen. Der Kraftstoffilter 1 umfasst ferner ein Gehäuse 4 mit einem Innenraum 5, wobei in einem Bodenbereich 6 des Innenraums 5 ein Wassersammelraum 7 zum Sammeln von aus dem Kraftstoff ausgeschiedenem Wasser gebildet ist. Im Bodenbereich 6 des Innenraums 5 befindet sich ein saugfähiger Festkörper in Form einer Füllung 8 aus hydrophilen Fasern oder einem anderen wasserbindenden Feststoff, durch die abgeschiedenes Wasser im Wassersammelraum 7 bzw. dem Bodenbereich 6 gebunden werden kann.
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Zur Filterung von Kraftstoff strömt dieser durch einen nicht gezeigten Kraftstoffeinlass in den Kraftstofffilter 1 ein und trifft zunächst rohseitig auf das Filterelement 2 auf. Beim anschließenden Hindurchströmen des Kraftstoffs durch das Filterelement 2 von der radial außen liegenden Rohseite zur radial innen liegenden Reinseite werden Kleinstteilchen bzw. Partikel aus dem Kraftstoff herausgefiltert (erste Stufe). Das Filterelement 2 weist hierzu eine sehr hohe Filterfeinheit auf. Durch die Ausscheidung von Schmutzpartikeln aus dem zu reinigenden Kraftstoff werden alle stromab folgenden Stufen des Kraftstofffilters 1 geschützt. Das Filterelement 2 ist als vorkoaleszierendes Filterelement 2 ausgebildet, so dass bereits vor Erreichen des koaleszierenden Elements 3 eine Transformation von kleinen zu größeren Wassertropfen im Filterelement 2 erfolgt. Zu diesem Zweck kann das Filtermedium des Filterelements 2 selbst (vor-)koaleszierende Eigenschaften aufweisen, oder es kann ggf. eine abströmseitige zusätzliche Filterstufe, z. B. in Form einer oder mehrere dünner, insbesondere hydrophober Vlieslagen vorgesehen sein.
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Auf der Reinseite des Filterelements 2 tritt der von Schmutzpartikeln befreite Kraftstoff in einen Ringraum 9 ein und fließt nach unten in Richtung des koaleszierenden Elements 3. Während des anschießenden Durchströmens des koaleszierenden Elements 3 in radialer Richtung von innen nach außen verbinden sich kleine im Kraftstoff befindliche (vorkoaleszierte) Wassertropfen zu größeren Wasseransammlungen (zweite Stufe).
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Danach strömt der Kraftstoff zusammen mit den nun größer gewordenen Wassertropfen in einem nicht dargestellten Strömungskanal weiter, wobei eine im Strömungsweg stehende Wasserfalle 10 überströmt wird, durch welche verhindert wird, dass die Wassertropfen zum Austritt des Kraftstofffilters 1 transportiert werden.
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Im Anschluss an die Wasserfalle 10 durchströmt der Kraftstoff eine Strömungsführung 11 zur Abscheidung von Wasser durch Schwerkraftwirkung (dritte Stufe). Bei dieser Strömungsführung 11 wird in einem Strömungsabschnitt die Strömungsgeschwindigkeit und Richtungsänderung derart gewählt, dass die im Vergleich zum Kraftstoff schwereren Wassertropfen stärker abgelenkt werden und damit nach unten in den Wassersammelraum 7 abgeschieden werden können. Die Strömungsführung 11 kann z. B. so in Form eines Ringspalts gebildet sein, dessen äußere Begrenzung das Gehäuse 4 bildet und dessen Durchmesser so gewählt ist, dass die Schwerkraftabscheidung begünstigt wird.
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Anschließend gelangt der Kraftstoff in den Innenraum 5 des Gehäuses 4, wobei sich die Wassertropfen bzw. das Wasser, das durch die Strömungsführung 11 abgeschieden wurde, in dem Bodenbereich 6 des Innenraums 5 ansammelt (vierte Stufe). Der leichtere Kraftstoff durchströmt den Innenraum 5 oberhalb des Bodenbereichs 6 und schwimmt somit über dem Wasser. Der Kraftstoff bildet gewissermaßen eine zweite oberhalb des Wasserspiegels liegende Phase. Im Bodenbereich 6 des Innenraums 5 bzw. in dem Wassersammelraum 7 binden die hydrophilen Fasern der Füllung 8 das abgeschiedene Wasser, d. h. das Wasser wird von den hydrophilen Fasern aufgesogen. Es versteht sich, dass ggf. die Strömungsführung 11 auch so ausgebildet werden kann, dass der Kraftstoff nicht nur oberhalb der Füllung 8 strömt, sondern auch die Füllung 8 vom Kraftstoff durchströmt wird und hierbei das Wasser von den hydrophilen Fasern aufgesogen wird.
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Auf dem weiteren Weg durch den Kraftstofffilter 1 gelangt der Kraftstoff durch ein Mittelrohr 12 im Inneren des Kraftstofffilters 1, an dem das Filterelement 2 sowie das koaleszierende Element 3 angebracht sind, in Richtung eines Kraftstoffauslasses 13. Dabei durchdringt der Kraftstoff zunächst eine Sperrschicht 14 aus hydrophobem Material (fünfte Stufe). Durch die wasserabweisende Wirkung der Sperrschicht 14 und der Tendenz von Wassertröpfchen, im umgebenden Kraftstoff abzusinken, wird verhindert, dass Wasser in das darüber angeordnete Mittelrohr 12 gelangt.
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Für den Fall, dass dennoch Wasser in das Mittelrohr 12 mitgerissen wird, ist im Mittelrohr 12 eine Stopfung 15 vorgesehen (sechste Stufe), die ebenfalls aus hydrophobem Material, z. B. aus PTFE Fasern, gebildet ist und die einen Weitertransport von Wasser zum Kraftstoffauslass 13 endgültig verhindert.
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Auf die oben beschriebene Weise, d. h. unter Verwendung der ersten bis fünften Stufe bzw. der ersten bis sechsten Stufe kann eine Abscheidung von Wasser mit hohem Wirkungsgrad insbesondere auch bei Bio-Dieselkraftstoffen realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/077954 A2 [0005]
- DE 102007039679 [0006]