DE102008058626A1

DE102008058626A1 - Kraftstoffverteileranordnung mit einer Kraftstoffabscheidungsmembran

Info

Publication number: DE102008058626A1
Application number: DE102008058626A
Authority: DE
Inventors: Ross Dykstra Dearborn Pursifull; Mark Allen Dearborn Dearth; Thomas G. Ypsilanti Leone
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2009-06-25
Also published as: GB2455865A; US8550058B2; JP2009150397A; US20090159057A1; CN101463782B; CN101463782A; GB0822341D0; US20140034021A1; GB2455865B; US9038613B2

Abstract

Als Beispiel wird eine Kraftstoffverteileranordnung zum Zuführen druckbeaufschlagten Kraftstoffs zu mehreren Zylindern eines Motors vorgesehen. Die Kraftstoffverteileranordnung umfasst ein Kraftstoffverteilergehäuse, das ein inneres Kraftstoffverteilervolumen mit mindestens einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich festlegt; ein Kraftstoffabscheidungsmembranelement, das in dem Kraftstoffverteilergehäuse angeordnet ist und den ersten Bereich von dem zweiten Bereich trennt. Das Membranelement kann dafür ausgelegt werden, einen ersten Bestandteil eines Kraftstoffgemisches, beispielsweise Alkohol, durch das Membranelement von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich bei einer höheren Rate als einen zweiten Bestandteil des Kraftstoffgemisches, beispielsweise Kohlenwasserstoff, durchzulassen. Die abgeschiedenen Alkohol- und Kohlenwasserstoffbestandteile können beruhend auf Betriebsbedingungen dem Motor in sich ändernden relativen Mengen geliefert werden.

Description

Hintergrund und Kurzdarlegung
Es wurden Verbrennungsmotoren vorgeschlagen, die zwei oder mehr unterschiedliche Kraftstoffe nutzen. Zum Beispiel beschreiben die Veröffentlichungen mit den Titeln "Calculations of Knock Suppression in Highly Turbocharged Gasoline/Ethanol Engines Using Direct Ethanol Injection" und "Direct Injection Ethanol Boosted Gasoline Engine: Biofuel Leveraging for Cost Effective Reduction of Oil Dependence and CO2 Emissions" von Heywood et al. Motoren, die mehrere Kraftstoffe nutzen können. Im Einzelnen beschreiben die Veröffentlichungen von Heywood et al. das direkte Einspritzen von Ethanol in die Motorzylinder zur Verbesserung von Ladeluftkühlwirkungen, während kanaleingespritztes Benzin zum Vorsehen eines Großteils des verbrannten Kraftstoffs über einem Fahrzyklus hinweg genutzt wird. Das Ethanol kann in diesem Beispiel aufgrund seiner höheren Verdampfungswärme verglichen mit Benzin erhöhten Oktanwert und erhöhte Ladeluftkühlung vorsehen, wodurch Klopfgrenzwerte bei Laden und/oder Verdichtungsverhältnis gesenkt werden. Diese Vorgehensweise verbessert angeblich Kraftstoffwirtschaftlichkeit und erhöht die Nutzung erneuerbarer Kraftstoffe.
Die Erfinder der vorliegenden Offenbarung haben erkannt, dass die Notwendigkeit des Auftankens des Motorsystems durch einen Fahrer mit zwei oder mehr separaten Kraftstoffen (z. B. Benzin und Ethanol) zum Erreichen der von Heywood et al. beschriebenen Vorteile mühsam sein kann. Als eine Vorgehensweise beschreibt die US-Druckschrift Nr. 2006/0191727 von Usami et al. ein Stromerzeugssystem, das eine Kraftstoffspeichervorrichtung mit einer ethanoldurchlässigen Membran zum Abscheiden des Ethanols von einem Mischkraftstoff, der Ethanol und Benzin enthält, umfasst. Diese Schrift beschreibt, wie eine Ethanolabscheidung proportional zur Druckdifferenz über der durchlässigen Membran und auch gemäß der Temperaturdifferenz über der Membran ausgeführt werden kann.
Die vorliegenden Erfinder haben aber eine Reihe von Problemen in Verbindung mit der von Usami et al. befolgten Vorgehensweise erkannt. Zum Beispiel haben die Erfinder erkannt, dass Motorplatzbeschränkungen in einem Fahrzeug das Hinzufügen eines Kraftstoffabscheiders ausschließen können oder die nutzbare Größe des Abscheiders verringern können. Eine Verringerung der Abscheidergröße kann die Kraftstoffabscheidungsraten verringern, was wiederum die Motorleistung beeinträchtigen kann, wobei der abzuscheidende Kraftstoff aufgrund der verringerten Abscheidungsrate zeitweilig nicht verfügbar ist oder in einer verringerten Menge verfügbar ist. Als weiteres Beispiel ist die Verwendung eines dedizierten Heizelements, wie es von Usami et al. gelehrt wird, zum Verbessern der Abscheidungsrate mittels Wärmeeintrag ebenfalls durch die gleichen Platzbeschränkungen begrenzt.
Zum Lösen dieser und anderer Probleme haben die vorliegenden Erfinder eine Kraftstoffverteileranordnung zum Zuführen von druckbeaufschlagtem Kraftstoff zu mehreren Zylindern eines Motors vorgesehen. Zum Beispiel umfasst die Kraftstoffverteileranordnung ein Kraftstoffverteilergehäuse, das ein inneres Kraftstoffverteilervolumen mit mindestens einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich festlegt; ein Kraftstoffabscheidungsmembranelement, das in dem Kraftstoffverteilergehäuse angeordnet ist und den ersten Bereich von dem zweiten Bereich trennt, wobei das Membranelement dafür ausgelegt ist, einen ersten Bestandteil eines Kraftstoffgemisches durch das Membranelement von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich bei einer höheren Rate als einen zweiten Bestandteil des Kraftstoffgemisches durchzulassen; einen an dem Kraftstoffverteilergehäuse angeordneten Kraftstoffeinlass, wobei der Kraftstoffeinlass dafür ausgelegt ist, das Kraftstoffgemisch zu dem ersten Bereich einzulassen; mehrere Kraftstoffauslässe, die an dem Kraftstoffverteilergehäuse angeordnet sind, wobei jeder der Kraftstoffauslässe dafür ausgelegt ist, mindestens einen Teil des Kraftstoffgemisches von dem ersten Bereich zu einem jeweiligen der mehreren Motorzylinder zuzuführen; und mindestens einen Membranauslass, der an dem Kraftstoffverteilergehäuse angeordnet ist und dafür ausgelegt ist, mindestens einen Teil des durch das Membranelement getretenen Bestandteils von dem zweiten Bereich zu einer Stelle außerhalb des Kraftstoffverteilergehäuses zu liefern.
Durch Platzieren der Kraftstoffabscheidungsmembran in der Kraftstoffverteileranordnung, die in relativ großer Nähe zum Motor ist, können die Kraftstoffabscheidungsmembran und das durch die Membran abzuscheidende Kraftstoffgemisch zumindest teilweise durch den Motor erwärmt werden. Auf diese Weise kann die Kraftstoffabscheidungsrate erhöht werden, ohne dass ein separates Heizelement erforderlich ist, wodurch Kosten und andere damit verbundene Platzbeschränkungen verringert werden. Auf diese Weise ist es weiterhin möglich, eine Kraftstoffpumpe zu nutzen, um Kraftstoff für Einspritzung zum Motor sowie für verbesserte Abscheidung des Kraftstoffgemisches mit Druck zu beaufschlagen.
Die vorliegenden Erfinder haben auch erkannt, dass die Kraftstoffabscheidungsrate durch Vergrößern der Fläche der Kraftstoffabscheidungsmembran im Verhältnis zum Volumen des Abscheiders weiter angehoben werden kann. Zum Beispiel kann die Fläche der Membran für ein vorgegebenes Abscheidervolumen durch Lagern der Membran auf einem Substrat, das ein nicht ebenes Membranelement in dem Kraftstoffverteiler bildet, beispielsweise ein Rohr, vergrößert werden. Durch Zuführen des druckbeaufschlagten Kraftstoffs zur Außenfläche des rohförmigen Membranelements kann das Substrat druckbelastet werden, was bei manchen Substratmaterialien, wie Keramik, oder anderen Materialien, die bei Druckbelastung verhältnismäßig stärker als bei Zugbelastung sind, einen zusätzlichen Festigkeitsvorteil bieten kann.
Die vorliegenden Erfinder haben auch erkannt, dass mehrere separate Membranelemente in einer gemeinsamen Kraftstoffverteileranordnung die Abscheidungsrate für ein vorgegebenes Abscheidervolumen weiter steigern können. Durch Nutzen zum Beispiel mehrerer kleiner Rohre für die Membranelemente kann die Ringbelastung in dem Substrat verringert werden, wodurch eine weitere Verringerung der Wanddicke des Substrats ermöglicht wird. Eine Verringerung der Wanddicke und eine vergrößerte Fläche der Membranelemente kann die Kraftstoffabscheidungsrate weiter steigern, während sie auch Platzbeschränkungen reduziert. Diese und andere Vorteile werden im Hinblick auf die folgende Beschreibung und Begleitzeichnungen offensichtlich.
In einer noch anderen Ausführungsform kann ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffanlage für einen Verbrennungsmotor verwendet werden, welches umfasst: Zuführen eines druckbeaufschlagten Kraftstoffgemisches zu einem Kraftstoffverteiler, wobei das Kraftstoffgemisch einen Kohlenwasserstoffbestandteil und einen Alkoholbestandteil umfasst; Abscheiden mindestens eines Teils des Alkoholbestandteils von dem Kraftstoffgemisch durch Leiten mindestens des Teils des Alkoholbestandteils durch ein Kraftstoffabscheidungsmembranelement, das in dem Kraftstoffverteiler angeordnet ist, um ein alkoholreduziertes Kraftstoffgemisch zu erhalten; Liefern des alkoholreduzierten Kraftstoffgemisches von dem Kraftstoffverteiler zu mindestens mehreren Zylindern des Motors mittels Einspritzventilen, die mit dem ersten Kraftstoffverteiler fluidverbunden sind; und Zuführen des abgeschiedenen Alkoholbestandteils zu dem Motor. Auf diese Weise ist es möglich, eine Kraftstoffpumpe zum Druckbeaufschlagen von Kraftstoff für Einspritzung zum Motor sowie für verbesserte Abscheidung des Kraftstoffgemisches zu nutzen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielshaften Kraftstoffanlage für einen Motor.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Lufteinlass- und Abgasanlage für einen Motor.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Zylinders eines Verbrennungsmotors.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Kraftstoffabscheidungsprozesses.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels einer Kraftstoffverteileranordnung, die ein Kraftstoffabscheidungsmembranelement umfasst.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Beispiels einer Kraftstoffverteileranordnung, die mehrere Kraftstoffmembranelemente umfasst.
7A–7F zeigen beispielhafte Querschnitte der Kraftstoffverteileranordnungen von 5 und 6.
8 zeigt ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Kraftstoffzufuhrsteuerstrategie darstellt.
9 zeigt ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Kraftstoffabscheidungssteuerstrategie darstellt.
10 zeigt ein Steuerkennfeld, das darstellt, wie die Kraftstoffzufuhr als Reaktion auf Betriebsbedingungen verändert werden kann.
Eingehende Beschreibung
1 zeigt eine schematischer Darstellung einer beispielhaften Kraftstoffanlage 100 für einen Kraftstoff verbrennenden Motor 110. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Motor 110 als Verbrennungsmotor ausgelegt sein, der an Bord eines Fahrzeugs als Teil eines Antriebssystems konfiguriert ist. Der Motor 110 kann aber andere Motortypen umfassen und kann in anderen geeigneten Anwendungen konfiguriert sein. In diesem bestimmten Beispiel umfasst der Motor 110 vier Brennräume oder Zylinder, die bei 112, 114, 116 und 118 gezeigt sind. In anderen Beispielen kann der Motor 110 eine beliebige geeignete Anzahl an Zylindern umfassen. Der Motor 110 wird unter Bezug auf 2 und 3 näher beschrieben.
In diesem Beispiel kann jeder Zylinder des Motors 110 mindestens zwei separate Kraftstoffe aufnehmen, die beruhend auf Betriebsbedingungen unterschiedliche Zusammensetzungen in sich ändernden relativen Mengen aufweisen. Somit kann jeder Motorzylinder wie bei 170 gezeigt einen ersten Kraftstoff mittels einer ersten Kraftstoffverteileranordnung 130 aufnehmen und kann wie bei 180 gezeigt einen zweiten Kraftstoff mittels eines zweiten Kraftstoffverteilers 160 aufnehmen. Zum Beispiel kann der dem Motor bei 170 gelieferte erste Kraftstoff eine höhere Konzentration mindestens eines Bestandteils als der dem Motor bei 180 gelieferte zweite Kraftstoff umfassen. Analog kann der zweite Kraftstoff eine höhere Konzentration mindestens eines anderen Bestandteils als der erste Kraftstoff umfassen. Zum Beispiel kann der dem Motor mittels der Kraftstoffverteileranordnung 130 gelieferte erste Kraftstoff eine höhere Konzentration eines Kohlenwasserstoffbestandteils (z. B. Benzin, Diesel, etc.) als der dem Motor mittels des Kraftstoffverteilers 160 gelieferte zweite Kraftstoff umfassen, während der zweite Kraftstoff eine höhere Konzentration eines Alkoholbestandteils (z. B. Ethanol, Methanol etc.) als der erste Kraftstoff umfassen kann. Wie unter Bezug auf 8 und 10 näher beschrieben wird, können die relativen Mengen dieser beiden Kraftstoffe, die dem Motor zugeführt werden, durch ein Steuersystem 190 als Reaktion auf Betriebsbedingungen verändert werden.
Diese ersten und zweiten Kraftstoffe können von einem Kraftstoffgemisch 121 an Bord des Fahrzeugs abgeschieden werden, bevor sie dem Motor zugeführt werden. Das Kraftstoffgemisch 121 kann einem Kraftstofftank 120 während eines bei 102 gezeigten Tankvorgangs mittels eines Kraftstoffkanales 104 geliefert werden. Das Kraftstoffgemisch kann jedes geeignete Gemisch aus Kohlenwasserstoff- und Alkoholbestandteilen umfassen. Zum Beispiel kann das Kraftstoffgemisch E10 (ein Gemisch aus in etwa 10 Volumenprozent Ethanol und 90 Volumenprozent Benzin), E85 (ein Gemisch aus in etwa 85 Volumenprozent Ethanol und 15 Volumenprozent Benzin), M10 (ein Gemisch aus in etwa 10 Volumenprozent Methanol und 90 Volumenprozent Benzin), M85 (ein Gemisch aus in etwa 85 Volumenprozent Methanol und 15 Volumenprozent Benzin), ein Benzin, Methanol und Ethanol umfassendes Gemisch oder andere Gemische aus Alkohol und Benzin umfassen. Bezüglich der vorstehenden Beispiele kann weiterhin Diesel Benzin ersetzen, oder das Kraftstoffgemisch kann zwei oder mehr Kohlenwasserstoffkraftstoffe und einen Alkohol umfassen. Desweiteren kann das Kraftstoffgemisch in einigen Beispielen Wasser zusätzlich zu einem Alkohol und/oder einem Kohlenwasserstoff umfassen. Das Steuersystem 190 kann mittels eines Kraftstoffsensors 123 einen Hinweis auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemisches 121 erhalten, einschließlich Alkoholzusammensetzung, Kohlenwasserstoffkonzentration etc. Das Steuersystem 190 kann auch mittels eines Sensors 125 einen Hinweis auf die Menge des in dem Speichertank 120 enthaltenen Kraftstoffgemisches erhalten.
Das Kraftstoffgemisch kann mittels eines Kraftstoffkanales 124 von dem Kraftstofftank 120 zu der Kraftstoffverteileranordnung 130 geliefert werden. Der Kraftstoffkanal 124 kann eine oder mehrere dazwischen befindliche Kraftstoffpumpen umfassen. In diesem bestimmten Beispiel umfasst der Kraftstoffkanal 124 eine Pumpe niedrigeren Drucks 122 und eine Pumpe 126 höheren Drucks. Während des Betriebs des Motors 110 kann das Steuersystem 190 den Betrieb der Pumpe 122 und/oder der Pumpe 126 verstellen, um das Kraftstoffgemisch der Kraftstoffverteileranordnung 130 bei einem geeigneten Druck und/oder einer geeigneten Strömungsgeschwindigkeit als Reaktion auf eine von einem Drucksensor 136 erhaltene Rückmeldung zu liefern. Zum Beispiel kann der Druck des der Kraftstoffverteileranordnung 130 zugeführten Kraftstoffgemisches zwischen einem Druck von 4 Bar und 200 Bar verstellbar sein. Es können aber andere Einspritzdrücke verwendet werden. In manchen Beispielen kann eine Niederdruckkraftstoffpumpe 122 durch einen Elektromotor betrieben werden, wodurch das Steuersystem 190 das Ausmaß der von der Pumpe 122 gelieferten Pumparbeit durch Verändern des Strombetrags, der dem Pumpenmotor von einer Energiequelle geliefert wird, die an Bord des Fahrzeugs (nicht gezeigt) gespeichert ist, verstellen kann. In manchen Beispielen kann die Hochdruckkraftstoffpumpe 126 wie bei 108 gezeigt direkt durch einen mechanischen Abtrieb des Motors 110 angetrieben werden, beispielsweise mittels einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle des Motors. Das Steuersystem 190 kann die durch die Pumpe 126 gelieferte Pumparbeit durch Verändern des nutzbaren Volumens jedes Pumpenhubs anpassen. Während in 1 separate Pumpen 122 und 126 dargestellt sind, kann in anderen Beispielen eine einzige Pumpe verwendet werden, um der Kraftstoffverteileranordnung 130 das Kraftstoffgemisch zu liefern. Wie hierin näher beschrieben wird, können eine oder mehrere der Kraftstoffpumpen verstellt werden, um einen Druck des dem Motor gelieferten Kraftstoffs sowie Abscheidungsdruck beruhend auf einer Abgassauerstoffmenge, Höhe und/oder Feuchtigkeit zu ändern. Auf diese Weise kann zum Beispiel die Abscheidungsrate als Reaktion auf Betriebsbedingungen angepasst werden.
In diesem Beispiel umfasst die Kraftstoffverteileranordnung 130 ein Kraftstoffverteilergehäuse 132, das einen ersten Kraftstoffgemisch aufnehmenden Bereich 133 festlegt, in dem das Kraftstoffgemisch zunächst von dem Kraftstoffkanal 124 aufgenommen wird. Die Kraftstoffverteileranordnung 130 kann auch ein Kraftstoffabscheidungsmembranelement 134 umfassen, das weiterhin einen zweiten Bereich 135 getrennt von dem Bereich 133 festlegt. Das Membranelement 134 kann ein selektiv permeables Membranelement umfassen, das mindestens einen Bestandteil des Kraftstoffgemisches von dem Bereich 133 zu dem Bereich 135 bei einer größeren Rate durch das Membranelement treten lässt als mindestens einen anderen Bestandteil des Kraftstoffgemisches.
Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Membranelement so ausgelegt sein, dass es mindestens einen Alkoholbestandteil des Kraftstoffgemisches durch das Membranelement von Bereich 133 zu Bereich 135 durchtreten lässt. In manchen Beispielen kann aber das Membranelement auch einen Kohlenwasserstoffbestandteil des Kraftstoffgemisches bei einer erheblich niedrigeren Rate als den Alkoholbestandteil durch das Membranelement treten lassen. Der Begriff permeierende Komponente kann hierin verwendet werden, um den Kraftstoffbestandteil bzw. Kraftstoffbestandteile zu beschreiben, die durch das Membranelement in die Region 135 dringen. Auf diese Weise kann das Membranelement 134 eine Kraftstoffabscheidungsfunktion vorsehen, wodurch die permeierende Komponente aufgrund von zum Teil der Selektivität des Membranelements eine höhere Konzentration des Alkoholbestandteils und eine niedrigere Konzentration des Kohlenwasserstoffbestandteils als das anfängliche Kraftstoffgemisch umfassen kann.
In manchen Beispielen kann die Permeation der permeierenden Komponente einen Prozess nutzen, der als Pervaporation bezeichnet werden kann. Pervaporation kann eine Kombination aus Membranelementpermeation und Evaporation der permeierenden Komponente von der Membranelement-Grenzfläche zum Bereich 135 umfassen. Unter Bezug auch auf 4 kann ein erster Bestandteil 420 (z. B. ein Alkoholbestandteil) durch Sorption an einer ersten Membranelement-Grenzfläche mit dem Bereich 133 gefolgt von Diffusion des Bestandteils über dem Membranelement und schließlich Desorption des Bestandteils in eine Dampfphase an einer zweiten Membranelement-Grenzfläche mit dem Bereich 135 durch das Membranelement 134 treten. Dadurch kann das die Bestandteile 420 und 430 umfassende Kraftstoffgemisch an dem Bereich 133 in einer flüssigen Phase (z. B. Kraftstoffgemisch 121) aufgenommen werden und der Bestandteil 420 (z. B. ein Alkohol wie Ethanol oder Methanol) kann durch das Membranelement 134 treten, wo es zunächst an dem Bereich 135 in einer Dampfphase aufgenommen werden kann. Der Bestandteil 430 (z. B. der Kohlenwasserstoffbestandteil) kann in dem Bereich 133 durch das Membranelement zurückgehalten werden. Es versteht sich aber, dass einige Membranelemente mindestens einige Kohlenwasserstoffbestandteile durch das Membranelementmaterial in den Bereich 135 durchtreten lassen können, während sie immer noch die Funktionalität der Kraftstoffabscheidung vorsehen.
4 zeigt weiterhin, wie das Membranelement 134 eine selektiv permeable Membranbeschichtung 440 umfassen kann, die eine Schicht bildet, die auf einem Membransubstrat 450 gelagert ist. Das Substrat 450 kann eine Struktur tragen, die es dem Membranelement ermöglicht, einer Druckkraft von dem druckbeaufschlagten Kraftstoff zu widerstehen, die wie bei 133 gezeigt auf die äußere Membranbeschichtung 440 ausgeübt wird. In manchen Beispielen kann die Membranbeschichtung 440 verhältnismäßig biegsamer als das Substrat 450 sein.
Die Membranbeschichtung 440 kann ein Polymer und/oder ein anderes geeignetes Material umfassen, das den Alkoholbestandteil bei einer höheren Rate als den Kohlenwasserstoffbestandteil durch die Membranbeschichtung treten lässt. Die Membranbeschichtung 440 kann zum Beispiel Polyethersulfon umfassen, das sowohl polare als auch nichtpolare Eigenschaften enthält, wobei die polare Wechselwirkung zur äußeren Schicht der Membranbeschichtung (z. B. die Grenzfläche zwischen dem Membranelement 134 und dem Bereich 133) dominant ist, was Alkohol in größerem Umfang als die Kohlenwasserstoffe durch die Membranbeschichtung treten lässt. Zusätzlich oder alternativ kann die Membranbeschichtung 440 ein Nanofiltrationsmaterial umfassen, das Molekülgrößenausschluss und/oder chemische Selektivität nutzt, um den Alkoholbestandteil von dem Kohlenwasserstoffbestandteil des Kraftstoffgemisches abzuscheiden.
Das Substrat 450 kann ein starres poröses Rohr bilden, das den Bereich 135 zum Aufnehmen der permeierenden Komponente festlegt. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Substrat 450 Zirkoniumoxidkeramikmaterial oder ein anderes geeignetes Material mit Poren 460 umfassen, die mindestens einen Alkoholbestandteil des Kraftstoffgemisches von Bereich 133 zu Bereich 135 durchlassen. Für das Substrat kann ein Keramikmaterial gewählt werden, da es die Eigenschaft aufweist, bei Druck relativ stark zu sein, und es relativ wärmebeständig ist. Durch Zuführen des Kraftstoffgemisches höheren Drucks zur Außenseite des Membranelements, die die Membranbeschichtung und ein Keramiksubstrat umfasst, wird das Keramiksubstrat vorteilhaft belastet und kann die biegsamere Membranbeschichtung tragen.
Die Transportgeschwindigkeit eines bestimmten Kraftstoffgemischbestandteils über das Membranelement kann von verschiedenen Faktoren abhängig sein, einschließlich des Druckgefälles über dem Membranelement (z. B. Druckdifferenz zwischen den Bereichen 133 und 135), einer Temperatur der Membranbeschichtung und eines Kraftstoffgemisches und eines Konzentrationsgefälles der permeierenden Komponente über dem Membranelement (z. B. zwischen den Bereichen 133 und 135). Durch Anheben des Druckgefälles über dem Membranelement, der Temperatur der Kraftstoffverteileranordnung und/oder des Konzentrationsgefälles über dem Membranelement kann die Abscheidungsrate des Kraftstoffgemisches angehoben werden. Umgekehrt kann durch Verringern des Druckgefälles über dem Membranelement, der Temperatur der Kraftstoffverteileranordnung und/oder des Konzentrationsgefälles über dem Membranelement die Abscheidungsrate des Kraftstoffgemisches gesenkt werden.
Somit kann das Steuersystem in manchen Beispielen das Druckgefälle über dem Membranelement verändern, um die Abscheidungsrate der permeierenden Komponente (z. B. des Alkoholbestandteils) aus dem Kraftstoffgemisch anzupassen. Das Steuersystem kann zum Beispiel durch Anheben bzw. Verringern der von den Pumpen 122 und/oder 126 erbrachten Pumparbeit den Kraftstoffgemischdruck anheben oder senken, der dem Bereich 133 der Kraftstoffverteileranordnung 130 zugeführt wird. Zusätzlich oder alternativ kann das Steuersystem den Druck in dem Bereich 135 der Kraftstoffverteileranordnung durch Anheben bzw. Verringern der von dem Verdichter 142 erbrachten Pumparbeit anheben oder senken. In manchen Beispielen kann der Verdichter 142 einen Unterdruck an dem Bereich 135 anlegen, um die permeierende Komponente in einem Dampfphase zu halten, bis sie durch das Kondensationssystem 140 kondensiert wird. Die Anpassung an den Betrieb des Verdichters 142 kann auch die Entnahmerate der permeierenden Komponente aus dem Bereich 135 anpassen, was wiederum das Konzentrationsgefälle über dem Membranelement beeinflusst.
Die Platzierung des Kraftstoffabscheidungsmembranelements in dem Kraftstoffverteiler bietet mehrere Vorteile. Zunächst kann der Anstieg des Kraftstoffgemischdrucks, der der Kraftstoffverteileranordnung 130 mittels der Pumpen 122 und/oder 126 geliefert wird, vorteilhaft genutzt werden, um eine Permeation des Alkoholbestandteils des Kraftstoffgemisches durch das Membranelement zu fördern. Auf diese Weise ist keine separate Kraftstoffpumpe für den Kraftstoffabscheidungsvorgang und die Kraftstoffeinspritzanlage erforderlich. Zum anderen kann die Kraftstoffverteileranordnung bei einer geeigneten Ausrichtung und/oder Nähe zu dem Motor positioniert sein, um während des Verbrennungsprozesses erzeugte Wärme aufzunehmen. Die Temperatur der Kraftstoffverteileranordnung nahe dem Zylinderkopf kann wesentlich höher als Umgebungstemperatur sein, zum Beispiel kann die Temperatur nahe dem Zylinderkopf bei etwa 400 K liegen. Auf diese Weise ist kein separates Kraftstoffheizelement zum Fördern der Abscheidung der Alkohol- und Kohlenwasserstoffbestandteile des Kraftstoffgemisches erforderlich. Drittens kann die Kraftstoffverteileranordnung 130, die das Kraftstoffabscheidungsmembranelement umfasst, aus Sicht des Motorplatzbedarfs ein kompakteres Kraftstoffabscheidungssystem vorsehen.
Aufgrund des Pervaporationsprozesses kann die permeierende Komponente von der Membranelement-Grenzfläche mit dem Bereich 135 verdampfen, um Dampf zu bilden. Ein Kondensationssystem 140, das mittels eines Dampfkanals 138 mit dem Bereich 135 fluidverbunden ist, kann vorgesehen werden, um das Entfernen des Dampfes der permeierenden Komponente aus dem Bereich 135 der Kraftstoffverteileranordnung zu unterstützen, und kann den Dampf der permeierenden Komponente für anschließende Lieferung mittels des Kraftstoffverteilers 160 zu dem Motor in eine flüssige Phase kondensieren. Zu beachten ist, dass in einer alternativen Ausführungsform der Dampf der permeierenden Komponente dem Motoransaugkrümmer in Dampfform zugeführt werden kann, um von den Zylindern für Verbrennung aufgenommen zu werden. Weiterhin kann ein Krümmerunterdruck angelegt werden, um die Abscheidung und Zufuhr des Dampfs zu dem Zylinder weiter zu verbessern.
In einem Beispiel umfasst das Kondensationssystem 140 den Verdichter 142 und einen Wärmetauscher 146. Der Verdichter 142 kann durch einen mechanischen Antrieb von dem Motor mittels der Kurbelwelle oder Nockenwelle angetrieben werden, wie bei 143 gezeigt ist. Alternativ kann der Verdichter 142 durch einen Elektromotor von einer an Bord befindlichen Stromversorgung, beispielsweise einer Batterie oder einem Generator, angetrieben werden. Der Wärmetauscher 146 kann betrieben werden, um Wärme aus dem Permeatdampf zu extrahieren, was es ihm ermöglicht, zu einer flüssigen Phase zu kondensieren, in der er wie bei 151 gezeigt an einem Speichertank 150 einer permeierenden Komponente gesammelt werden kann. Der Wärmetauscher 146 kann so ausgelegt sein, dass er jedes geeignete Arbeitsfluid zum Abführen von Wärme aus der permeierenden Komponente, einschließlich Umgebungsluft, Motorkühlmittel oder ein anderes geeignetes Kühlmittel, nutzt. In manchen Beispielen kann die Menge der aus der permeierenden Komponente extrahierten Wärme von dem Steuersystem durch Anheben oder Senken der Temperatur und/oder des Durchflusses des Arbeitsfluids angepasst werden. Der Wärmetauscher 146 und/oder Verdichter 142 können zum Beispiel als Reaktion auf die Abscheidungsmenge, die Alkoholkonzentration vor und/oder nach der Abscheidung, Motorbetrieb, Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Abgases, Abgassauerstoffgehalt etc. angepasst werden.
In manchen Beispielen kann der Dampfkanal 138 ein Ventil umfassen, das durch das Steuersystem geöffnet und geschlossen werden kann, um die Rate zu verändern, bei der die permeierende Komponente aus dem Bereich 135 entfernt wird. Zum Beispiel kann das Steuersystem das Ventil schließen, um die Rate der Kraftstoffabscheidung sowie das Verringern der Kondensation der permeierenden Komponente an dem Speichertank 150 zu verringern. Auf diese Weise kann das Steuersystem die Menge der permeierender Komponente regeln, die dem Motor mittels des Kraftstoffverteilers 160 zur Verfügung steht.
Der Tank 150 für die permeierende Komponente kann einen Kraftstoffsensor 153 zum Liefern eines Hinweises auf die Zusammensetzung des kondensierten permeierenden Kraftstoffs 151 umfassen. Zum Beispiel kann der Sensor 153 einen Hinweis auf die Alkoholkonzentration des Kraftstoffs 151 an das Steuersystem 190 liefern. Der Tank 150 für die permeierende Komponente kann auch einen Kraftstofffüllstandsensor 155 zum Liefern eines Hinweises auf die in dem Tank für die permeierende Komponente enthaltene Menge an Kraftstoff 151 umfassen. In manchen Beispielen kann das Steuersystem 190 die Abscheidungsrate an der Kraftstoffverteileranordnung 130 als Reaktion auf eine in dem Tank 150 gespeicherte Menge und/oder Konzentration an Kraftstoff 151 anpassen. Zum Beispiel kann das Steuersystem die Abscheidungsrate der permeierenden Komponente anheben, wenn die Menge des in dem Tank 150 gespeicherten permeanten Kraftstoffs unter einem Schwellenwert liegt. Das Steuersystem kann umgekehrt die Abscheidungsrate verringern oder die Abscheidung der permeierenden Komponente einstellen, wenn die in dem Tank 150 gespeicherte Kraftstoffmenge größer als ein Schwellenwert ist. Weiterhin kann das Steuersystem auch die Kondensationsrate, die von dem Kondensationssystem 140 als Reaktion auf die Abscheidungsrate vorgesehen wird, anheben oder senken.
Die permeierende Komponente 151 kann dem Kraftstoffverteiler 160 mittels einer oder mehrerer Kraftstoffpumpen durch einen Kraftstoffkanal 156 zugeführt werden. Zum Beispiel kann eine Pumpe 157 niedrigeren Drucks durch einen Elektromotor betrieben werden, während eine Kraftstoffpumpe 158 höheren Drucks direkt durch einen mechanischen Abtrieb des Motors 110 angetrieben werden kann, wie bei 108 angezeigt wird. In manchen Beispielen kann aber der Kraftstoffkanal 156 nur eine Kraftstoffpumpe umfassen.
1 zeigt weiterhin, wie die Kraftstofftanks 120 und 150 jeweilige Dampfkanäle 127 und 152 zum Spülen von Kraftstoffdämpfen umfassen können, die sich in dem Auslaufraum dieser Tanks entwickeln. Die Dampfkanäle 127 und 152 können mittels eines Ventils 154 mit einem Lufteinlasskanal des Motors in Verbindung stehen, wie durch 3 näher gezeigt wird. Das Steuersystem kann die Position des Ventils 154 anpassen, um die Strömungsrate von Kraftstoffdämpfen zu dem Motor anzuheben oder zu senken. In manchen Beispielen können die Dampfkanäle 127 und 152 mittels separater Ventile mit dem Lufteinlasskanal des Motors in Verbindung stehen.
Während 1 eine Konfiguration zeigt, bei der das in die Kraftstoffverteileranordnung eindringende Kraftstoffgemisch nicht zu dem Kraftstofftank 120 zurückgeführt wird, kann in anderen Beispielen der alkoholreduzierte Kraftstoff, der von dem Membranelement zurückgehalten wird, zum Kraftstofftank zurückgeführt werden. Wenn zum Beispiel die Alkoholabscheidung mittels des Membranelements im Verhältnis zur Rate der Einspritzung des alkoholreduzierten Kraftstoffs relativ schnell ist, kann mindestens ein Teil des alkoholreduzierten Kraftstoffs mittels eines (nicht gezeigten) Rückführungskanals zu dem Kraftstofftank 120 zurückgeleitet werden.
Unter Bezug nun auf 2 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Lufteinlass- und Abgassystems für den Motor 110 gezeigt. Die Ansaugluft kann dem Motor 110 mittels eines Ansaugluftkrümmers 210 geliefert werden, und Verbrennungsprodukte können mittels des Abgaskrümmers 220 aus dem Motor abgelassen werden. Ansaugluft kann dem Ansaugkrümmer 210 mittels einer Ansaugdrosselklappe 212 geliefert werden, und Abgase, die dem Abgaskrümmer 220 geliefert werden, können von einem Abgaskatalysator 222 behandelt werden. Eine Ladedruckvorrichtung, beispielsweise ein Turbolader 230, der einen dafür ausgelegten Kompressor 232 umfasst, dem Ansaugkrümmer 210 geladene Ansaugluft zu liefern, und eine dafür ausgelegte Abgasturbine 234, Abgasenergie aus den von dem Motor 110 strömenden Abgasen zu extrahieren, können vorgesehen werden. Die Turbine 234 kann mittels einer Welle 236 mit dem Kompressor 232 drehbar verbunden sein. Zu beachten ist, dass in anderen Beispielen der Kompressor 232 stattdessen durch den Motor 110 oder durch einen Elektromotor angetrieben werden kann, während auf die Turbine 234 verzichtet werden kann. Ein Kompressor-Bypassventil 214 kann vorgesehen werden, um Ansaugluft unter ausgewählten Betriebsbedingungen an dem Kompressor vorbei zu lassen. Analog kann ein Turbinen-Bypassventil 224 vorgesehen werden, um Abgase unter ausgewählten Betriebsbedingungen an der Turbine vorbei zu lassen. Das Steuersystem 190 kann die Position der Ventile 214 und 224 anpassen, um den Kompressor 232 bzw. die Turbine 234 zu umgehen.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Zylinders des Verbrennungsmotors 110 sowie die Einlass- und Auslasspfade, die mit dem Zylinder verbunden sind. In der in 3 gezeigten Ausführungsform kann der beispielhafte Zylinder bzw. Brennraum 330 zwei verschiedene Kraftstoffe mittels zweier unterschiedlicher Einspritzventile 366 und 367 aufnehmen. Der Zylinder 330 kann ein beliebiger der Zylinder 112, 114, 116 und 118 sein, die vorstehend in 1 beschrieben wurden.
Zum Beispiel kann das Einspritzventil 366 dem Zylinder wie bei 170 in 1 gezeigt einen ersten Kraftstoff liefern, während das Einspritzventil 367 dem Zylinder wie bei 180 in 1 gezeigt einen zweiten Kraftstoff liefern kann. Somit kann das Kraftstoffeinspritzventil 366 mit dem Bereich 133 der Kraftstoffverteileranordnung 130 fluidverbunden sein und das Kraftstoffeinspritzventil 367 kann mit dem Kraftstoffverteiler 160 fluidverbunden sein. Somit kann das Einspritzventil 367 als nicht einschränkendes Beispiel dem Zylinder den permeanten Kraftstoff liefern, der eine größere Alkoholkonzentration als das anfängliche Kraftstoffgemisch umfasst, und das Einspritzventil 366 kann den Teil des Kraftstoffgemisches liefern, der in dem Bereich 133 der Kraftstoffverteileranordnung durch das Membranelement zurückgehalten wurde. Daher kann das Einspritzventil 366 einen Kraftstoff mit einer größeren Konzentration an Kohlenwasserstoffen und einer niedrigeren Konzentration an Alkohol als der von dem Einspritzventil 367 gelieferte Kraftstoff liefern.
Durch Anpassen der relativen Mengen der beiden unterschiedlichen Kraftstoffe, die von den Einspritzventilen 366 und 367 vorgesehen werden, ist es möglich, die erhöhten Ladekühleigenschaften zu nutzen, die von dem Alkoholbestandteil des permeanten Kraftstoffs vorgesehen werden, um dadurch die Klopfneigung zu senken. Dieses Phänomen kann dann kombiniert mit erhöhtem Verdichtungsverhältnis, Laden und/oder Verkleinern des Motors genutzt werden, um große Kraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteile (durch Verringern der Klopfbeschränkungen am Motor) und/oder große Zunahmen der Motorleistung zu erhalten. Wie unter Bezug auf 8 und 10 näher beschrieben wird, kann die Menge alkoholreichen permeanten Kraftstoffs, die dem Motor geliefert wird, angehoben werden, um Motorklopfen zu verringern.
Während 3 ein Beispiel zeigt, bei dem die beiden Kraftstoffeinspritzventile 366 und 367 als Zylinderdirekteinspritzventile für jeden Zylinder des Motors ausgelegt sind, kann in anderen Beispielen mindestens eines der Einspritzventile 366 und 367 als Kanaleinspritzventil und das andere als Direkteinspritzventil ausgelegt sein. Das Einspritzventil 366 kann zum Beispiel in einem Lufteinlasskanal des Motors angeordnet sein, und das Einspritzventil 367 kann als Zylindereinspritzventil ausgelegt sein.
Der Zylinder 330 des Motors 110 ist zumindest teilweise durch Brennraumwände 332 und weiterhin durch einen darin positionierten Kolben 336 ausgebildet. Der Kolben 336 kann mit einer Kurbelwelle 340 verbunden sein. Ein (nicht gezeigter) Anlasser kann mit der Kurbelwelle 340 mittels einer (nicht gezeigten) Schwungscheibe verbunden sein, oder alternativ kann direktes Motorstarten verwendet werden. In einem bestimmten Beispiel kann der Kolben 336 eine Ausnehmung oder Mulde (nicht gezeigt) umfassen, um bei Bedarf die Ausbildung geschichteter Füllungen aus Luft und Kraftstoff zu unterstützen. In einer anderen Ausführungsform kann aber ein flacher Kolben verwendet werden.
Der Zylinder 330 wird mit dem Ansaugkrümmer 210 und dem Abgaskrümmer 220 mittels eines jeweiligen Einlassventils 352 und Auslassventils 354 in Verbindung stehend gezeigt. Zu beachten ist, dass jeder Zylinder des Motors 100 zwei oder mehr Einlassventile und/oder zwei oder mehr Auslassventile umfassen kann. Der Zylinder 330 kann ein Verdichtungsverhältnis aufweisen, das als Verhältnis von Volumina, wenn sich der Kolben 336 an seinem unteren Punkt befindet, zu dem, wenn sich der Kolben am oberen Punkt befindet, definiert sein kann. In einem Beispiel kann das Verdichtungsverhältnis in etwa 9:1 betragen In manchen Beispielen, bei denen unterschiedliche Kraftstoffe verwendet werden, kann das Verdichtungsverhältnis aber erhöht sein. Zum Beispiel kann es zwischen 10:1 und 11:1 oder 11:1 und 12:1 oder höher liegen.
Das Einspritzventil 366 wird mit dem Brennraum 330 zum Zuführen von eingespritztem Kraftstoff direkt in diesen proportional zur Pulsbreite eines von dem Steuersystem 190 mittels eines elektronischen Treibers 368 empfangenen Signals FPW direkt verbunden gezeigt. Während 3 das Einspritzventil 366 als Seiteneinspritzventil zeigt, kann es sich auch über dem Kolben befinden, beispielsweise nahe der Position einer Zündkerze 398. Alternativ kann das Einspritzventil oben liegend und nahe dem Einlassventil angeordnet sein, um das Mischen zu verbessern. Der Kraftstoff kann dem Zylinder 330 auch mittels des Kraftstoffeinspritzventils 367 zugeführt werden. Das Kraftstoffeinspritzventil 367 wird mit dem Brennraum 330 zum Zuführen von eingespritztem Kraftstoff direkt in diesen proportional zur Pulsbreite des von dem Steuersystem 190 mittels eines elektronischen Treibers 369 empfangenen Signals FPW direkt verbunden gezeigt. Während 3 das Einspritzventil 367 als Seiteneinspritzventil zeigt, kann es sich auch über dem Kolben befinden, beispielsweise nahe der Position einer Zündkerze 398. Alternativ kann das Einspritzventil oben liegend und nahe dem Einlassventil angeordnet sein, um das Mischen zu verbessern. Eine solche Position kann aufgrund der geringeren Flüchtigkeit einiger alkoholbasierter Kraftstoffe das Mischen und die Verbrennung verbessern.
Der Ansaugkrümmer 210 wird mit dem Drosselgehäuse 342 mittels einer Drosselklappe 212 verbunden gezeigt. In diesem bestimmten Beispiel ist die Drosselklappe 212 mit einem Elektromotor 362 beweglich verbunden, so dass die Stellung der elliptischen Drosselklappe 212 durch das Steuersystem 190 mittels des Elektromotors 362 gesteuert werden kann. Diese Konfiguration kann als elektronische Drosselsteuerung (ETC, kurz vom engl. Electronic Throttle Control) bezeichnet werden, die zum Beispiel auch während Leerlaufdrehzahlsteuerung verwendet werden kann. In einer (nicht gezeigten) alternativen Ausführungsform kann ein Bypass-Luftkanal parallel zur Drosselklappe 212 angeordnet werden, um angesaugten Luftstrom während Leerlaufdrehzahlsteuerung mittels eines in dem Luftkanal positionierten Leerlaufsteuerungs-Bypass-Ventils zu steuern.
Ein Abgassensor 326 wird mit dem Abgaskrümmer 220 stromaufwärts eines Katalysators 70 verbunden gezeigt. Der Sensor 326 kann jeder geeignete Sensor zum Liefern eines Hinweises auf ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis von Abgas umfassen, beispielsweise eine lineare Lambda-Sonde, einen UEGO, eine Lambda-Sonde mit zwei Zuständen, einen EGO, einen HEGO oder einen HC- oder CO-Sensor. In diesem bestimmten Beispiel ist der Sensor 326 eine Lambda-Sonde mit zwei Zuständen, die ein Signal EGO an das Steuersystem 190 liefert, das das Signal EGO in ein Zweizustand-Signal EGOS umwandelt. Ein Hochspannungszustand des Signals EGOS zeigt, dass Abgase unterstöchiometrisch sind, und ein Niederspannungszustand des Signals EGOS zeigt an, dass Abgase überstöchiometrisch sind. Das Signal EGOS kann während der Luft/Kraftstoff-Regelung vorteilhaft genutzt werden, um das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis während einer stöchiometrischen homogenen Betriebsart bei Stöchiometrie zu halten. Der Sensor 326 kann dem Steuersystem auch eine Rückmeldung liefern, um ein vorgeschriebenes Verhältnis des ersten und zweiten Kraftstoffs, das dem Motor geliefert werden soll, zu ermöglichen.
Eine verteilerlose Zündanlage 388 kann dem Brennraum 330 mittels der Zündkerze 398 als Reaktion auf ein Zündfrühverstellungssignal SA von dem Steuersystem 190 einen Zündfunken liefern. Das Steuersystem 190 kann den Brennraum 330 in verschiedenen Verbrennungsbetriebsarten arbeiten lassen, einschließlich einer Betriebsart mit homogenem Luft/Kraftstoff und/oder einer Betriebsart mit geschichtetem Luft/Kraftstoff, indem die Einspritzsteuerzeiten, die Einspritzmengen, die Sprühmuster etc. gesteuert werden. Das Steuersystem 190 kann die dem Zylinder durch die Kraftstoffeinspritzventile 366 und 367 gelieferte Kraftstoffmenge unabhängig steuern, so dass das homogene, geschichtete oder kombinierte homogene/geschichtete Kraftstoff/Luft-Gemisch in dem Brennraum 330 bei Stöchiometrie, einem unterstöchiometrischen Wert oder einem überstöchiometrischen Wert gewählt werden kann.
Wie zuvor unter Bezug auf 1 beschrieben kann der Verbrennungsmotor 110, der mehrere Brennräume umfasst, durch ein Steuersystem 190 gesteuert werden. Zum Beispiel kann das Steuersystem 190 als elektronisches Motorsteuergerät ausgelegt sein und kann einen Mikrocomputer umfassen, der umfasst: einen Mikroprozessor 302, Input/Output-Ports 304, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, in diesem bestimmten Beispiel als Festwertspeicher (ROM) 306 gezeigt, einen Arbeitsspeicher (RAM) 308, einen Dauerspeicher (KAM) 310, die mit einem Datenbus in Verbindung stehen. Das Steuersystem 190 wird gezeigt, wie es verschiedene Signale von mit dem Motor 110 verbundenen Sensoren zusätzlich zu den bereits erläuterten Signalen empfängt, einschließlich: Messung des eingelassenen Luftmassenstroms (MAF) von einem Luftmengensensor 320, der mit dem Drosselgehäuse 342 verbunden ist; Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem mit einem Kühlmantel 314 verbundenen Temperaturfühler 313; ein Zündungsprofil-Aufnehmersignal (PIP) von einem mit der Kurbelwelle 340 verbundenen Hallgeber 318; und eine Drosselstellung (TP) von einem Drosselstellungssensor 321; ein Krümmerunterdrucksignal MAP von einem Sensor 322; einen Hinweis auf Motorklopfen von einem Klopfsensor 396; und einen Hinweis auf von dem Fahrzeugbediener 392 durch ein Pedal 390 gefordertes Motordrehmoment mittels eines Pedalstellungssensors 394. Diese und andere Sensoren können dem Steuersystem einen Hinweis auf Betriebsbedingungen liefern. Ein Motordrehzahlsignal RPM kann durch das Steuersystem 190 aus dem Signal PIP in herkömmlicher Weise erzeugt werden, und das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor liefert einen Hinweis auf Unterdruck oder Druck in dem Ansaugkrümmer. Während stöchiometrischen Betriebs kann dieser Sensor einen Hinweis auf Motorlast geben. Weiterhin kann dieser Sensor zusammen mit Motordrehzahl eine Schätzung der Füllung (einschließlich Luft) liefern, die in den Zylinder eingelassen wird. In einem anderen Beispiel erzeugt der Sensor 318, der auch als Motordrehzahlsensor verwendet wird, eine vorbestimmte Anzahl an gleichmäßig beabstandeten Pulsen pro Umdrehung der Kurbelwelle.
Weiter mit 3 wird ein veränderliches Nockenwellenzeitsteuerungssystem zum Steuern des Betriebs der Ventile 352 und 354 gezeigt. Zum Beispiel kann die Nockenwelle 351 die Öffnungs- und Schließzeiten des Einlassventils 352 steuern. Ein Nockenzeitsteuersensor 355 kann dem Steuersystem 190 einen Hinweis auf Einlassventilsteuerzeiten liefern. Eine Nockenwelle 353 kann die Öffnungs- und Schließsteuerzeiten des Auslassventils 354 steuern. Ein Nockenwellenzeitsteuersensor 357 kann der Steuerung 190 einen Hinweis auf Auslassventilzeitsteuerung liefern. In manchen Beispielen kann die Ventilzeitsteuerung durch ein veränderliches Nockenzeitsteuersystem angepasst werden, das die Drehbeziehung zwischen den Nockenwellen und der Kurbelwelle des Motors verändern kann. Auf diese Weise können die Einlass- und/oder Auslassventilsteuerzeiten im Verhältnis zur Position des Kolbens angepasst werden. Weiterhin kann in manchen Beispielen ein Nockenprofilumschalten verwendet werden, um es dem Steuersystem zu ermöglichen, die Steuerzeiten zu verändern und/oder die Ventile anzuheben. Desweiteren können in alternativen Ausführungsformen die Ventile 352 und 354 durch elektromagnetische Ventilaktoren gesteuert werden.
Unter Bezug nun auf 5 wird ein nicht einschränkendes Beispiel der Kraftstoffverteileranordnung 500 gezeigt. Die Kraftstoffverteileranordnung 500 kann die vorstehend unter Bezug auf 1 beschriebene Kraftstoffverteileranordnung 130 darstellen. Die Kraftstoffverteileranordnung 500 kann ein Kraftstoffverteilergehäuse 510 umfassen, das einen Kraftstoffgemisch aufnehmenden Bereich 570 zum Aufnehmen des Kraftstoffgemisches festlegt. Der Bereich 570 von 500 kann den Bereich 133 der Kraftstoffverteileranordnung 130 darstellen. In diesem Beispiel umfasst das Kraftstoffverteilergehäuse 510 eine Kraftstoffverteilerwand 508 und Endabdeckungen 550 und 560. In anderen Beispielen können die Endabdeckungen jedoch mit der Kraftstoffverteilerwand integral ausgebildet sein. Die Endabdeckungen 550 und 560 können als die beiden Abdichtstopfen für die Enden der Kraftstoffverteileranordnung dienen sowie die Enden des Membranelements und der inneren Membranelement-Stützstruktur stützen.
Das Kraftstoffverteilergehäuse 510 umfasst weiterhin einen Kraftstoffeinlassstutzen 520, der zum Zuführen eines Kraftstoffgemisches zum Bereich 570 verwendet werden kann, wie durch Pfeil 542 gezeigt wird. Das Kraftstoffverteilergehäuse 510 kann weiterhin einen oder mehrere Auslassstutzen umfassen, wovon einer bei 530 gezeigt ist. In diesem bestimmten Beispiel kann der Auslassstutzen 530 mit einem Kraftstoffeinspritzventil fluidverbunden sein, wobei ein Kraftstoff aufnehmendes Ende desselben bei 532 gezeigt ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 532 kann dem mindestens einen Zylinder des Motors Kraftstoff zuführen. Zum Beispiel kann das Einspritzventil 532 das in 3 gezeigte Einspritzventil 366 darstellen. In anderen Beispielen kann der Kraftstoffauslassstutzen den zwei oder mehr Zylindern des Motors Kraftstoff liefern. Zum Beispiel können mehrere Einspritzventile Kraftstoff von einem einzigen Auslass des Verteilers erhalten, so dass den Einspritzventilen eine im Wesentlichen gleiche Kraftstoffzusammensetzung geliefert werden kann.
Das Kraftstoffeinspritzventil 532 kann als Kanaleinspritzventil oder alternativ als Direkteinspritzventil ausgelegt sein, wie zum Beispiel in 3 gezeigt wird. Während in diesem Beispiel nur ein einziger Auslassstutzen gezeigt ist, versteht sich, dass die Kraftstoffverteileranordnung 130 zwei oder mehr Kraftstoffauslassstutzen umfassen kann, die jeweils mit einem Kraftstoffeinspritzventil fluidverbunden sein können. Wie in 1 gezeigt, kann die Kraftstoffverteileranordnung 130 zum Beispiel mindestens vier Kraftstoffauslassstutzen umfassen, die mittels ihrer jeweiligen Kraftstoffeinspritzventile jeweils separate Motorzylinder bedienen. Somit kann die Kraftstoffverteileranordnung in manchen Beispielen die gleiche Anzahl an Kraftstoffauslassstutzen wie Motorzylinder umfassen. Wenn aber der Motor zwei Kraftstoffverteileranordnungen 130 zum Bedienen von separaten Reihen von Motorzylindern umfasst (z. B. für einen Doppelreihen-V-8-Motor), kann jede Kraftstoffverteileranordnung eine Anzahl von Kraftstoffauslassstutzen entsprechend der Anzahl an Zylindern umfassen, die von der Kraftstoffverteileranordnung bedient werden.
Das in 5 gezeigte Kraftstoffabscheidungsmembranelement 582 kann das Membranelement 134 darstellen, das vorstehend unter Bezug auf 1 und 4 beschrieben wurde. In diesem bestimmten Beispiel ist der Bereich 572 teilweise durch das Membranelement 582 festgelegt und ist ferner durch die Endabdeckungen 550 und 552 festgelegt. Die Endabdeckung 550 umfasst weiterhin eine Öffnung bzw. einen Stutzen zum Entfernenlassen der permeierenden Komponente aus dem Bereich 572 der Kraftstoffverteileranordnung. Wie zum Beispiel in 1 gezeigt wird, kann die permeierende Komponente mittels des Dampfkanals 138 aus dem Bereich 135 entfernt werden, und wie in 1 gezeigt wird, kann dem Kraftstoffeinlassstutzen 520 mittels des Kraftstoffkanals 124 Kraftstoff zugeführt werden.
In manchen Beispielen kann das Membranelement 582 in dem Gehäuse 510 durch eine oder mehrere Stützen festgehalten werden, die bei vorbestimmten Abständen entlang der Längslänge des Membranelements positioniert sind, wie allgemein bei 598 gezeigt ist. Die außen am Membranelement bei 598 gezeigten Stützen stehen im Gegensatz zum Substrat 450, das unter Bezug auf 4 beschrieben wurde. In manchen Beispielen kann die Stütze 598 aber mit dem Substrat des Membranelements integral ausgebildet sein. Ein beispielhafter Querschnitt der Stütze 598 wird in 7 gezeigt.
6 zeigt eine Kraftstoffverteileranordnung 600 als alternative Ausführungsform der Kraftstoffverteileranordnung 500. In diesem bestimmten Beispiel umfasst die Kraftstoffverteileranordnung 600 mehrere Kraftstoffabscheidungsmembranelemente 682, 684 und 686, die jeweilige Bereiche 672, 674 und 676 zum Aufnehmen der permeierenden Komponente bilden. Kollektiv können die Bereiche 672, 674 und 676 den in 1 gezeigten Bereich 135 darstellen. Während dieses Beispiel mit mehreren einzelnen Membranelementen gezeigt wird, versteht sich, dass diese Membranelemente ein Membranelementsystem bilden können und in manchen Fällen durch eine gemeinsame Stützstruktur in der Kraftstoffverteileranordnung gestützt werden können.
Die Kraftstoffverteileranordnung 600 wird mit einem Kraftstoffverteilergehäuse 610 mit mindestens einem Einlassstutzen 620 zum Aufnehmen eines gemischten Kraftstoffs, wie bei 642 gezeigt wird, und einem oder mehreren Kraftstoffauslassstutzen, für die ein Beispiel bei 630 gezeigt wird, gezeigt. Der Kraftstoffauslassstutzen 630 kann mit einem Kraftstoffeinspritzventil 632 zum Zuführen von Kraftstoff zu mindestens einem Zylinder des Motors fluidverbunden sein. Zu beachten ist, dass die Kraftstoffverteileranordnung 600 einen Auslassstutzen für jeden Zylinder umfassen kann, der von der Kraftstoffverteileranordnung bedient wird. Das Einspritzventil 632 kann das in 3 gezeigte Einspritzventil 366 darstellen.
Ein Kraftstoffgemisch aufnehmender Bereich 670 in der Kraftstoffverteileranordnung ist zumindest teilweise durch das Kraftstoffverteilergehäuse 610 festgelegt. Der Bereich 670 kann den in 1 gezeigten Bereich 133 darstellen. Das Kraftstoffverteilergehäuse 610 umfasst in diesem Beispiel Kraftstoffverteilerwand 608 und Endabdeckungen 650 und 652. Zu beachten ist, dass die Kraftstoffverteileranordnung zwar mit einem Kraftstoffverteilergehäuse mit Endabdeckungen gezeigt wurde, in anderen Beispielen die Endabdeckungen integral mit der Kraftstoffverteilerwand ausgebildet sein können. Auf diese Weise kann das Kraftstoffverteilergehäuse einen oder mehrere Abschnitte für die Zwecke der Herstellung umfassen.
Wie in 6 gezeigt, kann die Kraftstoffverteileranordnung 610 zwei oder mehr Kraftstoffabscheidungsmembranelemente umfassen, die zwei oder mehr unabhängige Kraftstoffabscheidungsbereiche festlegen können. Zum Beispiel umfasst die Kraftstoffverteileranordnung 610 in diesem Beispiel ein erstes Abscheidungsmembranelement 682, das einen Kraftstoffabscheidungsbereich 672 festlegt, ein zweites Abscheidungsmembranelement 684, das einen Kraftstoffabscheidungsbereich 674 festlegt, und ein drittes Abscheidungsmembranelement 686, das einen Kraftstoffabscheidungsbereich 676 festlegt. Somit umfasst die Kraftstoffverteileranordnung 610 in diesem Beispiel drei separate Kraftstoffabscheidungsmembranelemente. In manchen Beispielen können diese Kraftstoffabscheidungsmembranelemente in dem Kraftstoffverteilergehäuse durch eine oder mehrere Stützen, die allgemein bei 698 gezeigt sind, gestützt und/oder festgehalten werden. Die Stützen können bei vorbestimmten Abständen entlang der Längslänge der Membranelemente vorgesehen sein. 7 zeigt einen beispielhaften Querschnitt der Stütze 698.
In diesem Beispiel umfasst die Endabdeckung 650 mehrere Öffnungen zum Ablassen von permeierender Komponente aus den Bereichen 672, 674 und 676, wie bei 692, 694 bzw. 696 gezeigt ist. Diese Öffnungen können jeweils mit einem gemeinsamen Dampfkanal, beispielsweise Dampfkanal 138 von 1, fluidverbunden sein.
7A zeigt einen beispielhaften Querschnitt der Kraftstoffverteileranordnung 500 mit einem Kraftstoffverteilergehäuse 510, einem Kraftstoffgemischbereich 570, einem Kraftstoffabscheidungsmembranelement 582 und einem Kraftstoffabscheidungsbereich 572. In diesem Beispiel weisen die Kraftstoffverteilerwand und das Kraftstoffabscheidungsmembranelement jeweils kreisförmige Querschnitte auf. In anderen Beispielen können aber die Kraftstoffverteilerwand und/oder das Kraftstoffabscheidungsmembranelement einen beliebigen geeigneten Querschnitt haben. 7B zeigt einen beispielhaften Querschnitt durch die Stütze 598 an einer anderen Stelle entlang der Länge der Kraftstoffverteileranordnung 500 als der in 7A gezeigte Querschnitt. 7B zeigt, wie die Stütze 598 zwischen dem Membranelement und der Kraftstoffverteilerwand und dem Membranelement angeordnet sein kann und verschiedenen bei 570 gezeigte Öffnungen zum Strömenlassen von Kraftstoff in Längsrichtung entlang der Länge des Kraftstoffverteilers aufweisen kann. Es versteht sich, dass die Form der in 7B gezeigten Stütze lediglich ein Beispiel ist und dass andere geeignete Formen verwendet werden können.
7C und 7D zeigen andere beispielhafte Querschnitte für die Kraftstoffverteileranordnung 500. Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass durch Vergrößern der Fläche des Kraftstoffabscheidungsmembranelements die Abscheidungsrate der permeierenden Komponente aus dem Kraftstoffgemisch angehoben werden kann. Somit zeigt das Beispiel von 7C und 7D, wie das Membranelement mehrere Seiten und/oder Falten umfassen kann, die zum Vergrößern der Fläche des Membranelements im Verhältnis zum Innenvolumen des Bereichs 572 dienen, das in dem Membranelement enthalten ist. 7D zeigt ebenfalls einen beispielhaften Querschnitt durch die Stütze 598 an einer anderen Stelle entlang der Länge der Kraftstoffverteileranordnung 500 als der in 7C gezeigte Querschnitt. 7D zeigt, wie die Stütze 598 zwischen dem Membranelement und der Kraftstoffverteilerwand und dem Membranelement angeordnet sein kann und verschiedene bei 570 gezeigte Öffnungen zum Strömenlassen von Kraftstoff in Längsrichtung entlang der Länge des Kraftstoffverteilers haben kann.
7E zeigt einen noch anderen beispielhaften Querschnitt für die Kraftstoffverteileranordnung 600, die mehrere unabhängige, permeierende Komponenten aufnehmende Bereiche umfasst, die durch Abscheidungsmembranelemente 682, 684 und 686 festgelegt sind. Zu beachten ist, dass andere Kraftstoffverteileranordnungen andere geeignete Anzahlen an Kraftstoffabscheidungsmembranelementen umfassen können, um eine vorbestimmte Kraftstoffabscheidungsrate zu erreichen. Durch Anheben der Anzahl an Kraftstoffabscheidungsmembranelementen, die getrennte Kraftstoffabscheidungsbereiche festlegen, kann die Gesamtfläche der Membranelemente für ein vorgegebenes Volumen des Permeationsbereichs vergrößert werden, wodurch die Abscheidungsrate der permeierenden Komponente vergrößert wird. Durch Nutzen von Membranelementrohren mit einer relativ kleineren Querschnittfläche, einem Umfang oder Durchmesser, die relativ kleiner sind, kann die Ringbeanspruchung in der Stützstruktur der Membranelemente verringert werden, wodurch eine Verringerung der Wanddicke möglich wird, was die Permeationsrate weiter anheben kann. Die Kraftstoffverteilerwand 608 ist den Bereich 670 umgebend gezeigt. Die Membranelemente 682, 684 und 686 werden mit einem kreisförmigen Querschnitt gezeigt, der Bereiche 672, 674 bzw. 676 festlegt. Zu beachten ist, dass die Membranelemente 682, 684 und 686 andere geeignete Formen haben können. Weiterhin kann/können in manchen Beispielen mindestens eines oder mehrere der Membranelemente eine andere Form als ein anderes Membranelement der gleichen Kraftstoffverteileranordnung haben. 7F zeigt einen beispielhaften Querschnitt durch die Stütze 698 an einer anderen Stelle entlang der Länge der Kraftstoffverteileranordnung als Querschnitt von 7E. 7E zeigt, wie die Stütze 598 zwischen dem Membranelement und der Kraftstoffverteilerwand und dem Membranelement angeordnet sein kann und verschiedene bei 670 gezeigte Öffnungen zum Strömenlassen von Kraftstoff in Längsrichtung entlang der Länge des Kraftstoffverteilers haben kann.
8 zeigt ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Routine zum Steuern der relativen Menge des ersten und des zweiten Kraftstoffs, die dem Motor geliefert werden, darstellt. Bei 810 können Betriebsbedingungen festgestellt werden. Zum Beispiel kann das Steuersystem 190 Betriebsbedingungen in Verbindung mit dem Motor oder Motorsystem mittels eines oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Sensoren feststellen. Betriebsbedingungen können eines oder mehrere der folgenden umfassen: Motordrehzahl, Motorlast, Ladedruck, Motortemperatur, Umgebungslufttemperatur und -druck, Abgastemperatur, Einlass- oder Auslassventilsteuerzeiten, Drosselstellung, Kraftstoffgemischmenge und -zusammensetzung, die an Bord des Fahrzeugs gespeichert ist, Menge und/oder Zusammensetzung der permeierenden Komponente, die von dem Kraftstoffgemisch abgeschieden wurde, Druck des Kraftstoffgemisches in der Kraftstoffverteileranordnung 130, Druck der permeierenden Komponente in dem Kraftstoffverteiler 160, einen Hinweis auf Klopfen, der von einem Klopfsensor vorgesehen wird, Fahrzeug/Motor-Bedienereingabe, Abgaskatalysatorbedingungen und Kraftstoffpumpenbedingungen usw.
Bei 820 können die dem Motor zu liefernden relativen Mengen des ersten und zweiten Kraftstoffs als Reaktion auf bei 810 festgestellte Betriebsbedingungen gewählt werden. Zum Beispiel kann das Steuersystem 190 eine Lookup-Tabelle, ein Kennfeld oder eine geeignete Kraftstoffwahlfunktion, die im Speicher gespeichert ist, heranziehen. In 10 wird ein beispielhaftes Kennfeld zum Wählen einer relativen Menge an Benzin und Ethanol, die dem Motor als Reaktion auf verschiedene Betriebsbedingungen zu liefern sind, gezeigt. Als nicht einschränkendes Beispiel, bei dem die permeierende Komponente, die von dem Kraftstoffgemisch abgeschieden ist, eine höhere Konzentration an Alkohol als das Kraftstoffgemisch umfasst, kann dann die Menge der dem Motor gelieferten permeierenden Komponente im Verhältnis zu den zurückgehaltenen Bestandteilen des Kraftstoffgemisches angehoben werden, um Motorklopfen zu verringern. Somit kann die Menge des Alkoholbestandteils, der dem Motor zugeführt wird, im Verhältnis zur Menge des Kohlenwasserstoffbestandteil als Reaktion auf Betriebsbedingungen, die die Neigung zu Motorklopfen verstärken, angehoben werden. Diese Betriebsbedingungen können zum Beispiel u. a. Motorlast, Motordrehzahl und/oder Ladedruck umfassen.
Bei 830 können die relativen Mengen des ersten und zweiten Kraftstoffs, die bei 820 gewählt wurden, dem Motor bei 830 geliefert werden. Zum Beispiel kann das Steuersystem die Kraftstoffeinspritzventile steuern, um die vorbestimmten relativen Mengen jeder Kraftstoffart zu den verschiedenen Motorzylindern zu liefern. Wie in 3 gezeigt ist, kann das Einspritzventil 367 die permeierende Komponente einspritzen, und das Einspritzventil 366 kann den Anteil des Kraftstoffgemisches einspritzen, der von dem Membranelement zurückgehalten wurde, wobei die permeierende Komponente eine größere Konzentration an Alkohol als der von dem Einspritzventil 366 eingespritzte Kraftstoff umfassen kann. In manchen Beispielen kann das Steuersystem Rückkopplungsregelung eines Abgassensors nutzen, um die relativen Mengen der beiden Kraftstoffe, die dem Motor tatsächlich geliefert werden, auf der Grundlage der durch das Steuersystem vorbestimmten relativen Mengen anzupassen.
Bei 840 kann festgestellt werden, ob ein Hinweis auf Klopfen vorliegt. Zum Beispiel kann das Steuersystem von einem Klopfen anzeigenden Sensor, der in 3 bei 396 gezeigt ist, einen Hinweis auf Motorklopfen erhalten. Wenn die Antwort bei 840 Ja lautet kann die Menge eines Klopfen hemmenden Kraftstoffs (z. B. der Alkoholbestandteil), der dem Motor geliefert wird, im Verhältnis zur anderen Kraftstoffart (z. B. dem Kohlenwasserstoffbestandteil) bei 850 angehoben werden. Zum Beispiel kann das Steuersystem die Menge der permeierenden Komponente anheben, die dem Motor (z. B. mittels des Einspritzventils 367, wie bei 180 gezeigt) geliefert wird, im Verhältnis zur Menge des verbleibenden Kraftstoffgemisches erhöhen, das von dem Membranelement (z. B. mittels Einspritzventil 366, wie bei 170 gezeigt) zurückgehalten wird, um Motorklopfen zu mindern.
Zu beachten ist, dass die Mengen des ersten und zweiten Kraftstoffs, die dem Motor beispielsweise mittels 170 und 180 geliefert werden, beruhend auf verschiedenen Betriebsbedingungen, beispielsweise den vorstehend erwähnten Betriebsbedingungen, Abscheidungsleistung, Umgebungsbedingungen etc. angepasst werden können. In einem Beispiel können die Mengen des ersten und zweiten Kraftstoffs als Reaktion auf Kraftstoff/Luftverhältnis des Abgases angepasst werden. Ferner kann die Wahl, ob der erste und/oder zweite Kraftstoff beruhend auf dem Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Abgases angepasst werden soll, durch die Leistung der Abscheidung, beispielsweise beruhend auf Kraftstoffverteilerdruck und/oder Kraftstoffverteilertemperatur, mitgeteilt werden. Auf diese kann eine verbesserte Kraftstoff/Luft-Steuerung erhalten werden.
Unter Bezug nun auf 9 wird ein Flussdiagramm gezeigt, das eine beispielhafte Steuerroutine zum Steuern der Abscheidungsrate mindestens einer Kraftstoffkomponente von einem Kraftstoffgemisch mittels eines Membranelement darstellt, das hierin beschriebene Kraftstoffverteileranordnungen enthält. Bei 910 kann eine Betriebsbedingung festgestellt werden, wie vorstehend bei 810 beschrieben wurde.
Bei 912 kann festgestellt werden, ob die Abscheidungsrate des Kraftstoffgemisches angehoben werden soll. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Steuersystem entscheiden, die Abscheidungsrate des Kraftstoffgemisches anzuheben, um eine erhöhte Zufuhrrate der alkoholreichen, permeierenden Komponente zu erhalten. Das Steuersystem kann mittels Sensoren 152 und 155 Rückmeldung bezüglich der Menge und/oder Konzentration des abgeschiedenen permeanten Kraftstoffs erhalten, der dem Motor zur Verfügung steht. Das Steuersystem kann auch die aktuellen und/oder prognostizierten Verbrauchsraten der permeierenden Komponente beruhend auf den festgestellten Betriebsbedingungen berücksichtigen. Wenn zum Beispiel der Motor von dem Fahrzeugbetreiber so betrieben wird, dass der alkoholreiche permeante Kraftstoff dem Motor bei einer relativ höheren Rate zugeführt wird, um eine Klopfneigung zu verringern, kann das Steuersystem die Abscheidungsrate des Kraftstoffgemisches entsprechend anheben, so dass eine ausreichende Menge des alkoholreichen Bestandteils zur Zufuhr zum Motor verfügbar ist. Als Beispiel kann das Steuersystem eine Lookup-Tabelle, ein Kennfeld oder eine Funktion heranziehen, die in einem Speicher gespeichert sind, um eine geeignete Abscheidungsrate beruhend auf der Verbrauchsrate des Kraftstoffs, die anhand der bei 810 oder 910 festgestellten Betriebsbedingungen beurteilt wurde, zu ermitteln.
Wenn die Antwort bei 912 Ja lautet, kann die Routine zu 914 vorrücken. Bei 914 kann der Druck des der Kraftstoffverteileranordnung zugeführten Kraftstoffgemisches durch das Steuersystem durch Anheben des Betrags der Pumparbeit, die durch die Pumpen 122 und/oder 126 erbracht wird, erhöht werden.
Das Steuersystem kann zum Beispiel die Drehzahl der Motorantriebspumpe 122 anheben und/oder das nutzbare Volumen jedes Pumpenhubs der Pumpe 126 vergrößern. Zudem kann das Steuersystem die Pulsbreite der Kraftstoffeinspritzventile, die der Kraftstoffverteileranordnung zugeordnet sind (z. B. Einspritzventil 366), anpassen, um den vorbestimmten Einspritzbetrag, der mit Hilfe der Routine von 8 festgestellt wurde, selbst als Reaktion auf den Druckanstieg aufrechtzuerhalten. Wenn zum Beispiel der Kraftstoffdruck der Kraftstoffverteileranordnung erhöht ist, nämlich der Kraftstoffdruck in dem Bereich 133 der Kraftstoffverteileranordnung, kann die Pulsbreite der Kraftstoffeinspritzventile verringert werden, um der vorbestimmten Einspritzmenge zu entsprechen.
Bei 916 kann die Konzentration des permeanten Dampfes in dem Bereich 135 der Kraftstoffverteileranordnung durch Erhöhen der Beseitigungsrate aus dem Dampfkanal 138 der Kraftstoffverteileranordnung verringert werden. Das Steuersystem kann mit anderen Worten das Konzentrationsgefälle des Alkoholbestandteils über dem Membranelement verstärken, um die Rate der Permeation anzuheben, und steigert somit die Rate der Abscheidung.
Bei 918 kann die Temperatur der Kraftstoffverteileranordnung angepasst werden, um die Abscheidungsrate der permeierenden Komponente aus dem Kraftstoffgemisch anzuheben. Zum Beispiel kann das Steuersystem die Menge der von dem Motor erzeugten Wärme, den Motorkühlmitteldurchfluss und/oder andere geeignete Kühlparameter steigern oder verringern, um die von der Kraftstoffverteileranordnung vorgesehene Abscheidungsrate zu erhöhen.
Wenn alternativ die Antwort bei 912 Nein lautet, kann die Routine zu 920 vorrücken. Bei 920 kann ausgewertet werden, ob die Abscheidungsrate des Kraftstoffgemisches reduziert werden soll. Die von dem Steuersystem für die Entscheidung bei 912 verwendeten Abwägungen können denen bei der Entscheidung bei 920 genutzten ähneln. Wenn der Motor zum Beispiel so bertrieben wird, dass die Verwendung einer permeierenden Komponente verringert oder eingestellt wird, und der Speichertank der permeierenden Komponente eine ausreichende Menge an permeierender Komponente aufweist, dann kann das Steuersystem die Abscheidungsrate senken. Wenn die Antwort bei 920 Ja lautet, kann die Routine zu 922 vorrücken. Wenn die Antwort bei 922 alternativ Nein lautet, kann die Routine zurückspringen.
Bei 922 kann der Druck des der Kraftstoffverteileranordnung gelieferten Kraftstoffgemisches durch das Steuersystem durch Verstellen der Pumpen 122 und/oder 126 verringert werden. Zudem kann die Pulsbreite der Kraftstoffeinspritzventile, die der Kraftstoffverteileranordnung zugeordnet sind (z. B. Einspritzventil 366), als Reaktion auf die Drucksenkung vergrößert werden, um die gleiche nutzbare Kraftstoffzufuhrmenge beizubehalten.
Bei 924 kann die Konzentration des permeanten Dampfes in dem Bereich 135 durch Senken der Entfernungsrate und/oder Kondensationsrate des permeanten Dampfes aus dem Bereich 135 angehoben werden. Das Steuersystem kann mit anderen Worten die Kondensatorpumpe und/oder den Wärmetauscher anpassen, um das Konzentrationsgefälle über dem Membranelement zu verringern, wodurch die Abscheidungsrate des Kraftstoffgemisches gesenkt wird. Bei 926 kann die Temperatur der Kraftstoffverteileranordnung in einer geeigneten Richtung angepasst werden, um die Abscheidungsrate des Kraftstoffgemisches zu senken. Die Routine kann entweder von 918 oder von 926 zurückspringen.
10 zeigt einen Graph oder ein Kennfeld, die eine beispielhafte Strategie zum Steuern der relativen Mengen eines alkoholreichen Kraftstoffs wie Ethanol und eines kohlenwasserstoffreichen Kraftstoffs wie Benzin darstellen, die dem Motor für einen Bereich von Betriebsbedingungen zugeführt werden, die Motorklopfen beeinflussen. Die horizontale Achse des Graphen stellt Klopfneigung oder den Wert der Klopfunterdrückung dar, der zum Verringern oder Beseitigen von Motorklopfen erforderlich ist. Die vertikale Achse des Graphen stellt die dem Motor zugeführte Menge an Ethanol im Verhältnis zu Benzin dar. Wenn die Klopfneigung relativ niedrig ist, kann die dem Motor gelieferte Menge an Ethanol im Verhältnis zu Benzin verringert oder minimiert werden. Wenn zum Beispiel eine niedrige Klopfneigung vorliegt, muss nur das Einspritzventil 366 betrieben werden, um dem Zylinder das Kraftstoffgemisch zuzuführen, das von dem Membranelement zurückgehalten wurde. Wenn die Klopfneigung durch Anheben der Motordrehzahl, der Motorlast und/oder des Ladedrucks, der von einer Ladevorrichtung bereitgestellt wird, erhöht ist, kann die dem Motor gelieferte Ethanolmenge im Verhältnis zur Benzinmenge durch Steigern der Menge der permeierenden Komponente, die mittels des Einspritzventils 367 eingespritzt wird, gesteigert werden. Wie bei 1020 gezeigt, kann diese Steigerung der Einspritzung der permeierenden Komponente eine Menge umfasse, die einer Mindestpulsweite des Einspritzventils (z. B. Einspritzventil 367) entspricht. Wie bei 1010 gezeigt kann die dem Motor zugeführte Ethanolmenge im Verhältnis zur Benzinmenge angehoben werden, wenn die Motordrehzahl, die Motorlast und/oder der Ladedruck weiter ansteigen. Zum Beispiel kann das Steuersystem die dem Motor zugeführte Menge der permeierenden Komponente im Verhältnis zur Menge des Kraftstoffgemisches, das von dem Membranelement zurückgehalten wurde, erhöhen. Auf diese Weise kann das Steuersystem die relativen Mengen der zuvor aus einem üblichen Kraftstoffgemisch erhaltenen verschiedenen Kraftstoffe, die dem Motor als Reaktion auf Betriebsbedingungen zugeführt werden, steuern, um Motorklopfen zu mindern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2006/0191727 [0002]

Claims

Kraftstoffverteileranordnung zum Zuführen von druckbeaufschlagtem Kraftstoff zu mehreren Zylindern eines Motors, welche umfasst: ein Kraftstoffverteilergehäuse, das ein inneres Kraftstoffverteilervolumen mit mindestens einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich festlegt; ein Kraftstoffabscheidungsmembranelement, das in dem Kraftstoffverteilergehäuse angeordnet ist und den ersten Bereich von dem zweiten Bereich trennt, wobei das Membranelement dafür ausgelegt ist, einen ersten Bestandteil eines Kraftstoffgemisches durch das Membranelement von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich bei einer höheren Rate als einen zweiten Bestandteil des Kraftstoffgemisches durchzulassen; einen an dem Kraftstoffverteilergehäuse angeordneten Kraftstoffeinlass, wobei der Kraftstoffeinlass dafür ausgelegt ist, das Kraftstoffgemisch zu dem ersten Bereich einzulassen; mehrere an dem Kraftstoffverteilergehäuse angeordnete Kraftstoffauslässe, wobei jeder der Kraftstoffauslässe dafür ausgelegt ist, mindestens einen Teil des Kraftstoffgemisches von dem ersten Bereich zu einem jeweiligen der mehreren Motorzylinder zuzuführen; und mindestens einen Membranauslass, der an dem Kraftstoffverteilergehäuse angeordnet und dafür ausgelegt ist, mindestens einen Teil des ersten Bestandteils, der durch das Membranelement getreten ist, von dem zweiten Bereich zu einer Stelle außerhalb des Kraftstoffverteilergehäuses zu liefern.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranelement so geformt ist, dass es bei Druck belastet wird, wenn der erste Bereich mit dem Kraftstoffgemisch druckbeaufschlagt wird.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich den zweiten Bereich in dem Kraftstoffverteilergehäuse im Wesentlichen umgibt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffverteilergehäuse ein erstes Rohr bildet und das Membranelement ein zweites Rohr innerhalb des ersten Rohrs bildet.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Rohr durch eine Ebene gesehen, die orthogonal zu einer Längsachse der Kraftstoffverteileranordnung ist, jeweils einen ringförmigen Querschnitt aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranelement eine Membranbeschichtung und ein Membransubstrat, das die Membranbeschichtung trägt, umfasst, wobei die Beschichtung eine Außenfläche des zweiten Rohrs bildet.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mindestens eines von Molekülgrößenausschluss und/oder chemischer Selektivität nutzt, um den ersten Bestandteil zumindest teilweise von dem zweiten Bestandteil des Kraftstoffgemisches abzuscheiden.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein Polymermaterial umfasst.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein poröses Keramikmaterial umfasst.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial Zirkoniumoxid umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bestandteil einen Alkohol umfasst und der zweite Bestandteil einen Kohlenwasserstoff umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1, welche weiterhin mindestens ein zweites Kraftstoffabscheidungsmembranelement umfasst, das in dem Kraftstoffverteilergehäuse angeordnet ist und den ersten Bereich des Kraftstoffverteilervolumens von einem dritten Bereich des Kraftstoffverteilervolumens trennt, wobei das zweite Membranelement dafür ausgelegt ist, den ersten Bestandteil durch das zweite Membranelement von dem ersten Bereich zu dem dritten Bereich bei einer höheren Rate als den zweiten Bestandteil durchzulassen.
Anordnung nach Anspruch 1, welche weiterhin mindestens einen zweiten Membranelementauslass umfasst, der an dem Kraftstoffverteilergehäuse angeordnet ist und dafür ausgelegt ist, von dem dritten Bereich des Kraftstoffverteilervolumens mindestens einen Teil des ersten Bestandteils des Kraftstoffgemisches, der durch das zweite Membranelement getreten ist, zuzuführen; und wobei der zweite Bereich durch mindestens das zweite Membranelement von dem dritten Bereich getrennt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffanlage für einen Verbrennungsmotor, welches umfasst: Zuführen eines druckbeaufschlagten Kraftstoffgemisches zu einem ersten Kraftstoffverteiler, wobei das Kraftstoffgemisch einen Kohlenwasserstoffbestandteil und einen Alkoholbestandteil umfasst; Abscheiden mindestens eines Teils des Alkoholbestandteils von dem Kraftstoffgemisch durch Leiten mindestens des Teils des Alkoholbestandteils durch ein Kraftstoffabscheidungsmembranelement, das in dem ersten Kraftstoffverteiler angeordnet ist, um ein alkoholreduziertes Kraftstoffgemisch zu erhalten; Liefern des alkoholreduzierten Kraftstoffgemisches mittels eines ersten Kraftstoffeinspritzventils, das mit dem ersten Kraftstoffverteiler fluidverbunden ist, von dem ersten Kraftstoffverteiler zu mindestens einem Zylinder des Motors; Zuführen des abgeschiedenen Alkoholbestandteils von dem ersten Kraftstoffverteiler zu einem zweiten Kraftstoffverteiler; und Liefern des abgeschiedenen Alkoholbestandteils mittels eines zweiten Kraftstoffeinspritzventils, das mit dem zweiten Kraftstoffverteiler fluidverbunden ist, von dem zweiten Kraftstoffverteiler zu dem Zylinder.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kraftstoffeinspritzventil als Zylinderdirekteinspritzventils ausgelegt ist und dass das Liefern des Alkoholkraftstoffbestandteils zu dem Zylinder das direkte Einspritzen des Alkoholkraftstoffbestandteils mittels des zweiten Kraftstoffeinspritzventils in den Zylinder umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kraftstoffeinspritzventil als Zylinderdirekteinspritzventils ausgelegt ist und dass das Liefern des alkoholreduzierten Kraftstoffgemisches zu dem Zylinder das direkte Einspritzen des alkoholreduzierten Kraftstoffgemisches mittels des ersten Kraftstoffeinspritzventils in den Zylinder umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen eines druckbeaufschlagten Kraftstoffgemisches zu dem ersten Kraftstoffverteiler mittels mindestens einer ersten Kraftstoffpumpe niedrigeren Drucks, die von einem Elektromotor angetrieben wird, und einer zweiten Kraftstoffpumpe höheren Drucks, die von einem mechanischen Abtrieb des Motors angetrieben wird, ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen eines druckbeaufschlagten Kraftstoffgemisches zu dem ersten Kraftstoffverteiler mittels mindestens einer ersten Kraftstoffpumpe ausgeführt wird; und dass das Zuführen des abgeschiedenen Alkoholbestandteils von dem ersten Kraftstoffverteiler zu dem zweiten Kraftstoffverteiler weiterhin das Anheben der Druckbeaufschlagung des abgeschiedenen Alkoholbestandteils mittels einer zweiten Kraftstoffpumpe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen des abgeschiedenen Alkoholbestandteils von dem ersten Kraftstoffverteiler zu dem zweiten Kraftstoffverteiler weiterhin an einem Kondensationstank das Kondensieren eines Gasphasenteils des abgeschiedenen Alkoholbestandteils zu einer flüssigen Phase umfasst, bevor der abgeschiedene Alkoholbestandteil zum zweiten Kraftstoffverteiler in der flüssigen Phase zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, welches weiterhin umfasst: das Anheben des dem Zylinder zugeführten Ansaugluftdrucks durch Laden der Ansaugluft mittels einer Kompressionsvorrichtung; und Steigern einer dem Zylinder gelieferten Menge des Alkoholbestandteils im Verhältnis zu dem Kohlenwasserstoffbestandteil als Reaktion auf einen Anstieg des dem Zylinder zugeführten Ansaugluftdrucks mittels der Kompressionsvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 14, welches weiterhin das Beheizen des ersten Kraftstoffverteilers mit von dem Motor erzeugter Wärme umfasst und wobei der alkoholreduzierte Bestandteil mehreren Zylindern geliefert wird.
Motorsystem für ein Fahrzeug, welches umfasst: einen Verbrennungsmotor mit mehreren Brennräumen; einen Kraftstoffspeichertank; einen ersten Kraftstoffverteiler, der ein Innenvolumen festlegt, das einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich umfasst, wobei der erste Kraftstoffverteiler einen Kraftstoffeinlass, der mit dem ersten Bereich in Verbindung steht, und mehreren Kraftstoffauslässe umfasst, wobei mindestens ein erster Kraftstoffauslass und ein zweiter Kraftstoffauslass des ersten Kraftstoffverteilers jeweils mit dem ersten Bereich in Verbindung stehen und mindestens ein dritter Kraftstoffauslass des ersten Kraftstoffverteilers mit dem zweiten Bereich in Verbindung steht; ein Kraftstoffabscheidungsmembranelement, das in dem ersten Kraftstoffverteiler angeordnet ist und den ersten Bereich von dem zweiten Bereich trennt, wobei das Membranelement dafür ausgelegt ist, einen ersten Bestandteil eines gemischten Kraftstoffs von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich bei einer höheren Rate als einen zweiten Bestandteil des Kraftstoffgemisches durchzulassen; einen ersten Kraftstoffkanal, der den Kraftstoffspeichertank mittels des Kraftstoffeinlasses des ersten Kraftstoffverteilers mit dem ersten Bereich fluidverbindet; eine entlang des ersten Kraftstoffkanals angeordnete erste Kraftstoffpumpe, wobei die erste Kraftstoffpumpe dafür ausgelegt ist, den ersten Bereich mit dem gemischten Kraftstoff mit Druck zu beaufschlagen; ein erstes Kraftstoffeinspritzventil, das mit dem ersten Bereich mittels des ersten Kraftstoffauslasses des ersten Kraftstoffverteilers fluidverbunden ist, wobei das erste Kraftstoffeinspritzventil dafür ausgelegt ist, mindestens einen Teil des gemischten Kraftstoffs zu einem ersten Brennraum des Motors zuzuführen; ein zweites Kraftstoffeinspritzventil, das mit dem zweiten Bereich mittels des zweiten Kraftstoffauslasses des ersten Kraftstoffverteilers fluidverbunden ist, wobei das zweite Kraftstoffeinspritzventil dafür ausgelegt ist, mindestens einen Teil des gemischten Kraftstoffs zu einem zweiten Brennraum des Motors zuzuführen; einen zweiten Kraftstoffverteiler, der einen Kraftstoffeinlass und mehrere Kraftstoffauslässe umfasst; einen zweiten Kraftstoffkanal, der den zweiten Bereich des ersten Kraftstoffverteilers mittels des dritten Kraftstoffauslasses mit dem Kraftstoffeinlass des zweiten Kraftstoffverteilers fluidverbindet; und mindestens ein drittes Kraftstoffeinspritzventil, das mit einem ersten Auslass des zweiten Kraftstoffverteilers fluidverbunden ist, wobei das dritte Kraftstoffeinspritzventil dafür ausgelegt ist, mindestens einen Teil des ersten Bestandteils, der durch die Membran getreten ist, dem ersten Brennraum des Motors zuzuführen.
System nach Anspruch 22, welches weiterhin eine entlang des zweiten Kraftstoffkanals angeordnete zweite Kraftstoffpumpe umfasst.
System nach Anspruch 23, welches weiterhin umfasst: ein entlang des zweiten Kraftstoffkanals stromaufwärts der zweiten Kraftstoffpumpe angeordnetes Kondensationssystem, wobei das Kondensationssystem dafür ausgelegt ist, eine Dampfphase mindestens des ersten Kraftstoffbestandteils, der durch die Membran in den zweiten Bereich tritt, in eine flüssige Phase zu kondensieren, wobei das Kondensationssystem einen Dampfkondensator und einen stromabwärts des Dampfkondensators angeordneten Wärmetauscher umfasst; und einen entlang des zweiten Kraftstoffkanals zwischen dem Kondensationssystem und der zweiten Kraftstoffpumpe angeordneten zweiten Kraftstoffspeichertank.
System nach Anspruch 23, welches weiterhin eine entlang des ersten Kraftstoffkanals stromabwärts der ersten Kraftstoffpumpe angeordnete dritte Kraftstoffpumpe umfasst, wobei die erste Kraftstoffpumpe eine elektrisch betriebene Pumpe niedrigeren Drucks und die dritte Kraftstoffpumpe eine motorbetriebene Pumpe höheren Drucks ist.
System nach Anspruch 22, welches weiterhin ein dafür ausgelegtes Steuersystem umfasst, eine Menge des ersten Bestanteils, der dem Motor zugeführt wird, im Verhältnis zum zweiten Bestandteil als Reaktion auf Motorlast durch Verändern einer Pulsweite mindestens eines des ersten und dritten Einspritzventils anzupassen; und wobei der erste Bestandteil ein Alkohol ist und der zweite Bestandteil ein Kohlenwasserstoff ist.
System nach Anspruch 22, welches weiterhin eine Ladevorrichtung umfasst, die mit einem Ansaugluftkanal des Motors fluidverbunden ist, und wobei die Betriebsbedingung weiterhin einen dem Motor durch die Ladevorrichtung bereitgestellten Ladedruck umfasst.
System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftstoffverteiler und der zweite Kraftstoffverteiler an dem Motor angebracht sind.
Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffanlage für einen Verbrennungsmotor, welches umfasst: Zuführen eines druckbeaufschlagten Kraftstoffgemisches zu einem Kraftstoffverteiler, wobei das Kraftstoffgemisch einen Kohlenwasserstoffbestandteil und einen Alkoholbestandteil umfasst; Abscheiden mindestens eines Teils des Alkoholbestandteils von dem Kraftstoffgemisch durch Leiten mindestens des Teils des Alkoholbestandteils durch ein Kraftstoffabscheidungsmembranelement, das in dem Kraftstoffverteiler angeordnet ist, um ein alkoholreduziertes Kraftstoffgemisch zu erhalten; Liefern des alkoholreduzierten Kraftstoffgemisches mittels Einspritzventilen, die mit dem ersten Kraftstoffverteiler fluidverbunden sind, von dem Kraftstoffverteiler zu mindestens mehreren Zylindern des Motors; Zuführen des abgeschiedenen Alkoholbestandteils zu dem Motor.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der abgeschiedene Alkoholbestandteil dem Motor in einer Dampfphase geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der abgeschiedene Alkoholbestandteil dem Motor in einer druckbeaufschlagten flüssigen Phase geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei die Einspritzventile direkt mit dem Kraftstoffverteiler verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 29, welches weiterhin das Druckbeaufschlagen des Kraftstoffgemisches mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei ein Druck des druckbeaufschlagten Kraftstoffgemisches als Reaktion auf eine Abgassauerstoffmenge angepasst wird.
Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffanlage für einen Verbrennungsmotor, welches umfasst: Zuführen eines druckbeaufschlagten Kraftstoffgemisches zu einem Kraftstoffverteiler, wobei das Kraftstoffgemisch einen Kohlenwasserstoffbestandteil und einen Alkoholbestandteil umfasst; Abscheiden mindestens eines Teils des Alkoholbestandteils von dem Kraftstoffgemisch durch Leiten mindestens des Teils des Alkoholbestandteils durch ein Kraftstoffabscheidungsmembranelement, das in dem Kraftstoffverteiler angeordnet ist, um ein alkoholreduziertes Kraftstoffgemisch zu erhalten; Liefern mindestens eines Teils des alkoholreduzierten Kraftstoffgemisches mittels Einspritzventilen, die mit dem ersten Kraftstoffverteiler fluidverbunden sind, von dem Kraftstoffverteiler zu mindestens mehreren Zylindern des Motors; Zuführen mindestens eines Teils des abgeschiedenen Alkoholbestandteils zu dem Motor; und Anpassen mindestens eines von: Liefern des alkoholreduzierten Kraftstoffgemisches und Zuführen des abgeschiedenen Alkoholbestandteils als Reaktion auf eine Änderung von Motorbetriebsbedingungen.
Verfahren nach Anspruch 35, welches weiterhin das Anpassen der Lieferung des alkoholreduzierten Kraftstoffgemisches als Reaktion auf ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Abgases umfasst.
Verfahren nach Anspruch 35, welches weiterhin das Anpassen der Zufuhr des abgeschiedenen Alkoholbestandteils als Reaktion auf ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Abgases umfasst.
Verfahren nach Anspruch 35, welches weiterhin mindestens teilweises Kondensieren des Teils des abgeschiedenen Alkoholbestandteils vor dessen Zuführen zu dem Motor umfasst, wobei das Kondensieren als Reaktion auf eine Betriebsbedingung angepasst wird.