DE102007037218A1

DE102007037218A1 - Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff

Info

Publication number: DE102007037218A1
Application number: DE102007037218A
Authority: DE
Inventors: Markus Gloeckle; Andreas Genssle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2009-02-12
Also published as: WO2009019109A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff in Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Kraftstofftank (3) zur Bevorratung von Kraftstoff sowie Mittel zum Einbringen des Kraftstoffes in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine. Zwischen dem Kraftstofftank (3) und den Mitteln zum Einbringen des Kraftstoffs in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine ist ein Adsorber (7) angeordnet, der mindestens ein Adsorbens und/oder Molekularsieb umfasst, in dem saure Komponenten und/oder Wasser aus dem Kraftstoff entfernt werden. Die Erfindung betifft weiterhin ein Verfahren zur Entfernung von sauren Komponenten und/oder Wasser aus Kraftstoffen für Verbrennungskraftmaschinen, wobei dem Kraftstoff biogene Kraftstoffe beigemischt sind und der Kraftstoff in einem Kraftstofftank (3) bevorratet ist. Der Kraftstoff wird vor Einbringung in Brennräume der Verbrennungskraftmaschine durch einen Adsorber (7) geleitet, wobei an dem Adsorber (7) saure Komponenten und/oder Wasser aus dem Kraftstoff zurückgehalten werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff in Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Entfernung von sauren Komponenten und/oder Wasser aus Kraftstoffen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Im Hinblick auf eine immer wichtiger werdende CO₂-Einsparung werden fossilen Energieträgern Kraftstoffe biologischen Ursprungs beigemischt. Die Kraftstoffe biologischen Ursprungs werden als „biogene Kraftstoffe" bezeichnet. Biogene Kraftstoffe werden sowohl Dieselkraftstoff als auch Benzinen beigemischt.
Biogene Kraftstoffe, die Dieselkraftstoff beigemischt werden, sind zum Beispiel Ester langkettiger, oftmals ungesättigter Fettsäuren, die durch Umesterung verschiedener biogener Öle und Fette gewonnen werden. Derzeit ist zum Beispiel Dieselkraftstoff mit einem Anteil von 5% biogenen Kraftstoffen am Markt erhältlich. Unter der Bezeichnung „Biodiesel" wird auch ein biogener Kraftstoff in seiner reinen Form vertrieben. Ein bekannter Vertreter der biogenen Kraftstoffe ist zum Beispiel Rapsöl-Methylester.
Biogene Kraftstoffe, die Benzinen beigemischt werden, sind üblicherweise Alkohole.
Nachteil der biogenen Kraftstoffe ist es, dass diese einer Alterung bzw. einer biologischen Abbaubarkeit oder Zersetzung unterliegen. Als Abbauprodukte entstehen häufig organische Säuren, die an metallischen Werkstoffen Korrosion auslösen können. Die korrosive Wirkung biogener Kraftstoffe bzw. der sauren Abbauprodukte auf hydraulische Komponenten von Einspritzsystemen, wie diese üblicherweise heute bei Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, muss verhindert werden. Insbesondere Kraftstoffinjektoren werden zur Erfüllung der funktionalen Anforderungen äußerst präzise gefertigt. Durch Korrosion können jedoch kleine, nicht vorhersehbare Änderungen der Kraftstoffmengenzumessung zum Beispiel an einer Einspritzdüse auftreten. Dies hat erhebliche Auswirkungen sowohl auf den Kraftstoffverbrauch als auch das Schadstoffemissionsverhalten. Im ungünstigsten Fall kann Korrosion sogar zum Versagen des gesamten Einspritzsystems führen.
Im Allgemeinen werden die chemischen und biochemischen Abbaureaktionen biogener Kraftstoffe durch eine Reaktion mit Luftsauerstoff, einer Oxygenierung, initiiert. Insbesondere sind ungesättigte organische Verbindungen anfällig für derartige Reaktionen mit Luftsauerstoff.
Neben der säure-induzierten Korrosion wirkt auch im Kraftstoff gelöstes Wasser bzw. in den Kraftstoff eingeschlepptes und wieder auskondensiertes Wasser sehr korrosiv. Wasser kann zum Beispiel beim Betankungsvorgang des Kraftfahrzeuges eingeschleppt werden. Bei höheren Temperaturen während des Betriebes des Fahrzeuges reichert sich Wasser z. B. im Kraftstofftank an. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Löslichkeit von Wasser im Kraftstoff mit der Temperatur zunimmt. Beim Abstellen des Fahrzeugs und Abkühlen des Kraftstoffes kann das eingeschleppte Wasser im Einspritzsystem auskondensieren und dort seine korrosive Wirkung entfalten.
Infolge ihrer höheren Polarität gegenüber reinem Dieselkraftstoff zeigen biogene Kraftstoffe eine gesteigerte Wasseraufnahmefähigkeit. Aus diesem Grund ist die wasserbedingte Korrosion im Vergleich zu reinem Dieselkraftstoff ebenfalls weiter gesteigert.
Zusätzlich führt eine Reaktion der Ester des biogenen Kraftstoffes mit Wasser durch hydrolytische Esterspaltung zur Bildung freier Carbonsäuren und kurzkettigen Alkoholen. Die Esterspaltung wird ihrerseits durch Säuren katalysiert, so dass in Gegenwart von Wasser ein selbstkatalysierender Prozess abläuft. Beim Abbau des Kraftstoffes werden Alkohole freigesetzt, die ebenfalls anfällig für einen oxidativen Abbau sind, der bis zur freien Säure führen kann.
Typisch für das Alterungsverhalten biogener Kraftstoffe ist es, dass nach einer Induktionszeit die Acidität des Kraftstoffes stark ansteigt. Die Dauer der Induktionszeit, in der noch keine wesentliche Änderung der Acidität beobachtet wird, ist ein Maß für die Oxidationsstabilität des Kraftstoffes. Je höher der Beimischungsanteil an biogenem Kraftstoff im eingesetzten Kraftstoff ist, umso kürzer ist die Induktionsphase. Dabei ist zu beobachten, dass sich die Induktionsphase im Verhältnis zu einem steigenden Anteil des biogenen Kraftstoffs schneller verringert als der Anteil an biogenem Kraftstoff ansteigt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff in Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Kraftstofftank zur Bevorratung von Kraftstoff sowie Mittel zum Einbringen des Kraftstoffes in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine. Zwischen dem Kraftstofftank und den Mitteln zum Einbringen des Kraftstoffs in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine ist ein Adsorber angeordnet, der mindestens ein Adsorbens und/oder Molekularsieb umfasst, in dem saure Komponenten und/oder Wasser aus dem Kraftstoff entfernt und gebunden werden.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung versteht man unter Kraftstoff handelsübliche bzw. allgemein bekannte Treibstoffe für Verbrennungskraftmaschinen, die überwiegend verschiedene siedende Fraktionen aliphatischer und aromatischer Kohlenwasserstoffe sowie andere Zusatzstoffe, so genannte Additive, enthalten. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Kraftstoffe biogenen Ursprungs sind. Ferner können die Kraftstoffe bzw. Treibstoffe auch andere synthetisch erzeugte Kohlenwasserstoffverbindungen, so genannte SynFoels, BTL- oder GTL-Treibstoffe, die z. B. nach der Fischer-Tropsch-Synthese erzeugt werden, enthalten. Unter den Begriff Kraftstoffe fallen auch sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe wie z. B. alkoholische Verbindungen, Ether, beispielsweise die Ethylenglykoldimethylether, Ester, Ketone, Ketale, Aldehyde, Acetale und andere mehr. Die vorstehend genannten Kraftstoffe können jeweils einzeln oder in Mischungen mit einem Anteil der einzelnen Kraftstoffarten zwischen 0 und 100% im Kraftstoff enthalten sein.
Durch das Entfernen der sauren Komponenten und/oder des Wassers aus dem Kraftstoff mit Hilfe des Adsorbers wird die korrosive Wirkung des Kraftstoffes reduziert. Dies führt zu einer Steigerung der Verträglichkeit der Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff gegenüber einem hohen Anteil an biogenen Kraftstoffen im eingesetzten Kraftstoff. Zudem lassen sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die negativen Auswirkungen einer Fehlbetankung auf die Vorrichtung verringern. Unter Fehlbetankung wird hierbei das Tanken eines nicht-zertifizierten, oxidationslabilen Kraftstoffes und/oder das Betanken mit einem vermehrt Wasser enthaltenen Kraftstoff verstanden.
Mit Hilfe des Adsorbens und/oder des Molekularsiebes werden im Kraftstoff gelöste acide Komponenten und Wasser zurückgehalten und gebunden, bevor der Kraftstoff zu den Mitteln zum Einbringen in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine gefördert wird. Die Mittel zum Einbringen des Kraftstoffs in die Brennräume der Verbrennungskraftma schine sind bei modernen Verbrennungskraftmaschinen zum Beispiel Einspritzsysteme. Diese umfassen im Allgemeinen z. B. elektromechanisch betätigte Kraftstoffinjektoren, mit denen der Kraftstoff in die einzelnen Brennräume eingespritzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Adsorbens ein basisches Adsorbermaterial. An dem basischen Adsorbermaterial werden die sauren Komponenten bzw. das Wasser adsorbiert. Alternativ erfolgt die Abtrennung der aciden Komponenten bzw. des Wassers durch Molekularfiltration mit Hilfe des Molekularsiebes.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Adsorbens ein strukturvoluminöses, basisches Adsorbermaterial. Hierdurch wird eine am basischen Adsorbermaterial gegebenenfalls ablaufende Esterspaltung, das heißt eine ungewünschte Kraftstoffspaltung, z. B. durch eine Umesterung unterdrückt. Zusätzlich erfolgt auch eine Begrenzung der Esterspaltung durch die voluminösen, langkettigen Reste der Bestandteile des biogenen Kraftstoffes.
Vorzugsweise umfasst das Adsorbens mindestens eine sterisch gehinderte Base. Diese können aufgrund ihrer räumlich ausladenden Molekülstruktur nicht mit dem Ester reagieren. Jedoch können sie die sauren Zersetzungsprodukte der biogenen Kraftstoffe und/oder Wasser deprotonieren. Dies funktioniert auch dann, wenn die Zersetzungsprodukte eine dem Ester vergleichbare Molekülgröße besitzen. Die sterische Hinderung lässt sich insbesondere dadurch realisieren, dass die sterisch gehinderte Base Teil eines polymeren, strukturvoluminösen Trägermaterials ist. Als Träger können z. B. vernetztes Polystyrol oder dessen Derivate, wie beispielsweise Divinylbenzol eingesetzt werden. Solche Träger sind in organischen Medien unlöslich.
Besonders geeignete basische Verbindungen als Adsorbens sind polymere Verbindungen. Am besten geeignet sind basische Harze, die neutral oder ionisch aufgebaut sein können. Ionisch aufgebaute Harze werden auch als basische Ionentauscher bezeichnet. Diese sind in unterschiedlichen Basenstärken kommerziell erhältlich. Die Ionentauscher können dabei entweder als Feststoff oder als viskose Flüssigkeit vorliegen.
Im Allgemeinen umfassen Ionentauscher eine vernetzte Harzmatrix in Gelstruktur mit eingelagerten Festionen und üblicherweise beweglich gebundenen Gegenionen. Die Gegenionen können gegen andere Gegenionen gleicher Polarität ausgetauscht werden.
Wenn schwachsaure, anorganische Materialien als Molekularsieb eingesetzt werden, so können diese zum Beispiel mit starken Basen basifiziert werden. Auf diese Weise modifi ziert, wirken diese dann ebenfalls als starkbasische Adsorber und sind im Sinne der Erfindung vorteilhaft.
Weiterhin können als Adsorber auch Oberflächen-basifizierte Metalloxide, zum Beispiel basisches Aluminiumoxid, verwendet werden.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung besonders geeignet als Adsorbens und/oder Molekularsieb sind alle organischen oder anorganischen Materialien, die basische Oberflächen oder Zentren haben und dadurch acide Komponenten fest binden.
Wenn zur Abtrennung der biogenen Zersetzungsprodukte, das heißt der aciden Komponenten, und/oder des Wassers ein Molekularsieb eingesetzt wird, so werden hierzu im Allgemeinen anorganische Ionentauschermaterialien eingesetzt. Derartige anorganische Ionentauschermaterialien sind zum Beispiel Zeolithe, Silikate oder Tonmineralien. Häufig sind die Molekularsiebe Kationentauscher. Dies ist jedoch erfindungsgemäß nicht erforderlich. Insbesondere ist bei der Verwendung eines Kationentauschers als Molekularsieb darauf zu achten, dass sämtliche sauren Zentren des Kationentauschers gegen nicht-acide Kationen getauscht sind. Wenn dies nicht der Fall ist, könnte durch die restliche Acidität des Adsorbermaterials der Abbau des biogenen Kraftstoffes durch Säurekatalyse begünstigt werden.
Beim Einsatz von basischen Adsorbermaterialien ist darauf zu achten, dass die Reaktion eines Esters mit einer starken, mobilen Base zur Spaltung des Esters führt. So wird zum Beispiel bei der klassischen Esterverseifung Natronlauge mit einem Ester zur Reaktion gebracht und zum Natriumsalz der Säure sowie einem freien Alkohol irreversibel umgesetzt. Die Esterspaltung kann jedoch auch zum Beispiel mittels des im Kraftstoff enthaltenen Wassers in Gegenwart eines basischen Materials ablaufen. Auch dies führt zu einer irreversiblen Spaltung der Esterbestandteile des biogenen Kraftstoffes. Da jedoch im Allgemeinen nur vergleichsweise geringe Mengen an Wasser im Kraftstoff enthalten sind und die Esterspaltung mit einer starken Base eine irreversible Reaktion darstellt, wird das Wasser unter Bildung eines nur schwach basischen Carboxylates, das am Adsorbermaterial fest gebunden wird, effizient aus dem Kraftstoff entfernt. Hierdurch lässt sich die irreversible Spaltung der Esterbestandteile durch im Kraftstoff enthaltenes Wasser zum Schutz vor Korrosion nutzen.
Um ein Auftreten von Korrosion in der gesamten Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine zu vermeiden, ist der Adsorber vorzugsweise zwischen dem Kraftstofftank und einer Pumpe, mit der der Kraftstoff zu den Brennräumen gefördert und komprimiert wird, angeordnet. Der Adsorber kann hierbei zum Beispiel zwischen dem Kraftstofftank und einem Kraftstofffilter angeordnet sein oder sich an den Kraftstofffilter anschließen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Adsorber Bestandteil des Kraftstofffilters. Hierzu ist im Kraftstofffilter das Adsorbens und/oder das Molekularsieb enthalten. Im Allgemeinen umfasst ein Kraftstofffilter ein ringförmiges Filtersubstrat, welches von dem Kraftstoff durchströmt wird. Im Allgemeinen werden Anschraub-Wechselfilter mit sterngefaltetem oder gewickeltem Filtersubstrat eingesetzt. Zunehmend werden Kraftstofffilter mit Aluminium/Kunststoff- und Vollkunststoffgehäuse verwendet. Als Wechselteil verbleibt lediglich ein metallfreier Filtereinsatz. Im Inneren ist im Allgemeinen ein Stützrohr aufgenommen, welches von dem Filtersubstrat umschlossen ist. Der Kraftstoff strömt, nachdem dieser das Filtersubstrat passiert hat, durch das Stützrohr zurück. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Adsorbens und/oder das Molekularsieb im Stützrohr enthalten. Alternativ ist es jedoch auch möglich, das Adsorbens und/oder das Molekularsieb im Filtersubstrat anzuordnen. In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird das Adsorbens und/oder das Molekularsieb als Filtermaterial des Kraftstofffilters eingesetzt. In diesem Fall ist das Filtersubstrat aus dem Adsorbens und/oder dem Molekularsieb gefertigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der von aciden Komponenten und/oder Wasser befreite Kraftstoff vollständig oder zumindest teilweise in den Kraftstofftank zurückgeführt. Hierdurch wird der gesamte Inhalt des Kraftstofftankes vor einer autokatalytischen Zersetzung des Kraftstoffes geschützt. Auch wird der Gehalt an freien Säuren und/oder Wasser im Kraftstoff auf ein Minimum beschränkt.
Bei in selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen eingesetzten Common-Rail-Systemen, das heißt Einspritzsystemen, die mit einem Hochdruckspeicher arbeiten, wird der Kraftstoff auf dem Weg vom Kraftstofftank in den Hochdruckspeicher durch den Adsorber geleitet und in diesem von Säure und/oder Wasser befreit. Auf der Hochdruckseite des Einspritzmoduls wird auf diese Weise säure- und/oder wasserfreier Kraftstoff zugeführt. Hierdurch werden die einzelnen Komponenten des Common-Rail-Systems effizient vor Korrosion geschützt. Über den Kraftstoffrücklauf des Common-Rail-Systems strömt der von Säure und/oder Wasser befreite Kraftstoff zurück in den Kraftstofftank.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Hochdruckspeicher-Einspritzsystems,
2 eine dreidimensionale Schnittdarstellung eines Kraftstofffilters.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Hochdruckspeicher-Einspritzsystems (Common-Rail-Einspritzsystems) dargestellt, in der eine mögliche Position des Adsorbermaterials gezeigt ist.
Ein Hochdruckspeicher-Einspritzsystem 1 umfasst einen Kraftstofftank 3, in dem Kraftstoff bevorratet ist. Aus dem Kraftstofftank 3 mündet eine Kraftstoffleitung 5. Erfindungsgemäß schließt sich an den Kraftstofftank 3 in der Kraftstoffleitung 5 ein Adsorber 7 an. Im Adsorber 7 ist ein Adsorbens und/oder ein Molekularsieb enthalten, mit welchem acide Komponenten und/oder Wasser aus dem Kraftstoff entfernt werden. Wie vorstehend bereits beschrieben, umfasst das Adsorbens vorzugsweise eine sterisch gehinderte Base.
Werden stark basische Anionentauscher eingesetzt, so besitzen diese als funktionelle Festbett-Ionen zum Beispiel quartäre Ammoniumverbindungen, die in einer vernetzten Harzmatrix in Gelstruktur eingelagert sind. Als Matrix wird beispielsweise vernetztes Polystyrol eingesetzt. Besonders geeignet als Matrix ist vernetztes Divinylbenzol. Das verwendete Anion des Ionentauschers ist erfindungsgemäß RO^–. Hierin bedeutet R einen organischen, strukturvoluminösen Rest, z. B. ein tertiäres Butyl oder die polymere Trägerstruktur an sich, bevorzugt die polymere Trägerstruktur an sich.
Das Festbett dieses Anionentauschers wirkt wie eine sterisch gehinderte Base, die in der Lage ist, im Kraftstoff vorliegende saure Bestandteile der Zersetzungsprodukte in einer Säure-Base-Reaktion zu neutralisieren und unter Salzbildung fest im Adsorbermaterial zu binden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn beide ionischen Spezies immobil sind. In diesem Falle liegen beide Ionentypen polyionisch vor. Dies führt dazu, dass alle Reaktanten im Adsorber fest gebunden werden.
Dadurch, dass im Adsorber 7 die sauren Komponenten und/oder das Wasser aus dem Kraftstoff entfernt werden, werden die nachfolgenden Teile des Hochdruckspeicher-Einspritzsystems 1 wirksam vor Korrosion geschützt.
An den Adsorber 7 schließt sich ein Kraftstofffilter 9 an. Im Kraftstofffilter 9 werden feste Bestandteile und Verunreinigungen aus dem Kraftstoff entfernt. Außerdem wird im Allgemeinen im Kraftstofffilter 9, insbesondere, wenn dieser in selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt wird, in Dieselkraftstoff enthaltenes Wasser zu einem Großteil abgeschieden. Da Wasser schwerer als der Dieselkraftstoff ist, sammelt sich dieses in einem Wasserspeicherraum des Kraftstofffilters 9.
An den Kraftstofffilter 9 schließt sich im Allgemeinen eine Vorförderpumpe 11 an. Dieser folgt eine Hochdruckförderpumpe 13, mit der der Kraftstoff auf den Speicherdruck komprimiert wird. Bei Hochdruckspeicher-Einspritzsystemen, wie diese in selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, liegt der Speicherdruck, auf den der Kraftstoff mit der Hochdruckförderpumpe 13 komprimiert wird, im Allgemeinen im Bereich von z. B. 1600 bis 2000 bar. Mithilfe eines Druckregelventils 15 wird der Druck konstant gehalten. Der auf Systemdruck komprimierte Kraftstoff wird dann in einen Hochdruckspeicher 17 gefördert. Damit der im Hochdruckspeicher 17 enthaltene Kraftstoff während der gesamten Betriebszeit der Verbrennungskraftmaschine Systemdruck hat, ist am Hochdruckspeicher 17 ein Drucksensor 19 angeordnet. Der Drucksensor 19 ist mit einem elektronischen Steuergerät 21 verbunden. Mit dem elektronischen Steuergerät 21 ist weiterhin auch die Hochdruckförderpumpe 13 verbunden. In Abhängigkeit vom gemessenen Druck wird die Hochdruckförderpumpe 13 durch das elektronische Steuergerät 21 angesteuert.
Über Hochdruckleitungen 23 sind Kraftstoffinjektoren 25 mit dem Hochdruckspeicher 17 verbunden. Die Kraftstoffinjektoren 25 werden über die Hochdruckleitungen 23 mit Kraftstoff versorgt. Der Kraftstoff wird dann über die Kraftstoffinjektoren 25 in hier nicht dargestellte Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt. Die Reihenfolge des Einspritzens wird hierbei ebenfalls über das elektronische Steuergerät 21 gesteuert. Hierzu sind die Kraftstoffinjektoren 25 mit dem Steuergerät 21 verbunden. Im Allgemeinen arbeiten die Kraftstoffinjektoren 25 hydraulisch, wobei zum Schalten der Ventile der unter Systemdruck stehende Kraftstoff in Verbindung mit einer elektrischen Ansteuerung eingesetzt wird. Nicht in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine eingespritzter Kraftstoff wird über eine Kraftstoffrücklaufleitung 27 in den Kraftstofftank 3 zurückgefördert. Da im Adsorber 7 saure Komponenten und/oder Wasser aus dem Kraftstoff entfernt wurde, wird über die Kraftstoffrücklaufleitung 27 im Wesentlichen säurefreier und wasserfreier Kraftstoff in den Kraftstofftank 3 transportiert.
Neben der in 1 dargestellten Ausführungsform, bei der der Adsorber 7 zwischen dem Kraftstofftank 3 und dem Kraftstofffilter 9 in der Kraftstoffleitung 5 platziert ist, ist es auch möglich, den Adsorber 7 zwischen den Kraftstofffilter 9 und die Vorförderpumpe 11 zu platzieren. Eine Platzierung des Adsorbers 7 vor der Vorförderpumpe 11 ist bevorzugt, damit korrosionsfördernde Bestandteile vor Eintritt in die Vorförderpumpe 11 aus dem Kraftstoff entfernt werden. Auf diese Weise wird auch vermieden, dass die Vorförderpumpe 11 korrodiert.
Alternativ ist es weiterhin auch möglich, dass der Adsorber 7 Teil des Kraftstofffilters 9 ist.
In 2 ist eine dreidimensionale Schnittdarstellung eines Kraftstofffilters dargestellt.
Ein Kraftstofffilter 9, wie er in selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt wird, umfasst ein Filtersubstrat 31, welches vom Kraftstoff durchflossen wird und in dem Verunreinigungen aus dem Kraftstoff abgetrennt werden. Der Durchfluss des Kraftstoffes ist mit einem Pfeil 33 dargestellt. An der Oberseite des Kraftstofffilters 9 befinden sich Eintrittsöffnungen 35, durch die der Kraftstoff in den Filter eintritt. Die Eintrittsöffnungen 35 sind in einem Filterdeckel 37 ausgebildet. Zwischen dem Filterdeckel 37 und dem Filtersubstrat 31 befindet sich ein Raum 39, durch den der Kraftstoff in das Filtersubstrat 31 verteilt wird. Das Filtersubstrat 31 enthält z. B. mehrlagige Filtermedien, durch die im Kraftstoff enthaltene Verunreinigungen herausgefiltert werden.
Das Filtersubstrat 31 umschließt ein Stützrohr 41, durch welches der gefilterte Kraftstoff zu einer Austrittsöffnung 43 strömt. In der hier dargestellten Ausführungsform befindet sich die Austrittsöffnung 43 zentrisch innerhalb des Eintrittsbereiches, in dem die Eintrittsöffnungen 35 ausgebildet sind. Damit kein ungefilterter Kraftstoff zur Austrittsöffnung 43 strömen kann, ist diese gegen den Eintrittsbereich durch ein Dichtelement 45 abgedichtet. Ein weiteres Dichtelement 47 dichtet den Eintrittsbereich des Kraftstofffilters 9 gegen die Umgebung ab.
Das Filtersubstrat 31 ist von einem Filtergehäuse 49 umschlossen. Üblicherweise ist der Filterdeckel 37 mittels einer Doppelbördelung 51 mit dem Filtergehäuse 49 verbunden. Hierdurch wird eine flüssigkeitsdichte Verbindung erzielt. Unterhalb des Filtersubstrats 31 befindet sich ein Wasserspeicherraum 53. Da freies Wasser schwerer als Dieselkraftstoff ist, sinkt dieses ab und sammelt sich im Wasserspeicherraum 53. Der Dieselkraftstoff wird im Wasserspeicherraum 53 umgelenkt und strömt aus dem Filtersubstrat 31 über das Stützrohr 41 wieder nach oben zur Austrittsöffnung 43. Um das im Kraftstofffilter 9 abgetrennte Wasser aus dem Wasserspeicherraum 53 zu entfernen, ist dieser mit einer Wasserablassschraube 55 und einem Abflussröhrchen 57 versehen.
Erfindungsgemäß ist der Adsorber 7 in einer bevorzugten Ausführungsform im Stützrohr 41 des Kraftstofffilters 9 angeordnet. Der bereits gefilterte Kraftstoff strömt so durch den Adsorber 7. Gegebenenfalls noch im Kraftstoff enthaltenes (gelöstes) Wasser, das nicht im Kraftstofffilter 9 entfernt wurde und sich im Wasserspeicherraum 53 sammelt sowie acide Komponenten des Kraftstoffes werden im Adsorber 7 entfernt. Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform, bei der der Adsorber 7 im Stützrohr 41 platziert ist, ist es auch möglich, den Adsorber 7 in dem das Stützrohr 41 umgebenden Raum zu positionieren. Hierbei ist es einerseits möglich, dass der Adsorber zum Beispiel im Raum 39 positioniert ist oder sich in Form eines Kreisringes an das Filtersubstrat 31 anschließt. Weiterhin ist es auch möglich, dass das Filtersubstrat 31 selbst als Adsorber und/oder Molekularsieb zur Entfernung von Wasser und aciden Komponenten ausgeführt ist.
Um die aciden Komponenten und/oder das Wasser aus dem Kraftstoff zu entfernen, ist es jeweils notwendig, dass der Kraftstoff eine ausreichende Kontaktzeit mit dem Adsorber bzw. dem Molekularsieb aufweist:
Als Adsorber eignen sich zum Beispiel schwachbasische, neutrale Adsorber, starkbasische, polykationische und polyanionische Adsorber sowie Oberflächen-basifizierte Metalloxide.
Für einen schwachbasischen, neutralen Adsorber gilt: [(R₁R₂R₃)N] + HR₅ ↔ [(R₁R₂R₃)NH⁺ + R₅ ^–] (1)
In Gleichung I steht in eckigen Klammern das feste Adsorbermaterial bzw. das sich daraus bildende und festgehaltene Adsorbat. R₁ bis R₃ bedeuten insbesondere organische, langkettige Reste bzw. die polymere Trägerstruktur des schwachbasischen, neutralen Adsorbers. R₅ bedeutet den Rest einer aciden Komponente. Im Allgemeinen handelt es sich hierbei um einen organischen Rest. R₅ ist zum Beispiel OOCR₇. In diesem Falle ist die acide Komponente eine Carbonsäure und R₇ ist ein organischer Rest, wie er in biogenen Kraftstoffen enthalten ist. Der organische Rest R₇ kann dabei sowohl langkettig als auch kurzkettig sein.
Für einen stark basischen, polykationischen bzw. polyanionischen Adsorber gilt: [(R₁R₂R₃R₄)N⁺ + OR₆ ^–] + HR₅ → [(R₁R₂R₃R₄)N⁺ + R₅ ^– + HOR₆] (II)
Auch hier steht das feste Adsorbermaterial bzw. das sich daraus bildende und festgehaltene Adsorbat in eckigen Klammern. R₁ bis R₄ bedeuten organische, langkettige Reste bzw. die polymere Trägerstruktur des Adsorbermaterials. R₅ bedeutet, wie vorstehend auch, den organischen Rest einer aciden Komponente. R₆ ist ein organischer oder anorganischer, polymerer und damit im Kraftstoff unlöslicher, stark basischer Rest. Bevorzugt ist OR₆ ^– zum Beispiel ein sterisch voluminöses Poly-Alkoholat.
Für ein Oberflächen-basifiziertes Metalloxid, zum Beispiel ein Aluminiumoxid, gilt: [OAlO^– + Na⁺] + HR₅ → [OAl(OH) + Na⁺ + R₅ ^–] (III)
In Gleichung (III) bedeutet R₅ wie vorstehend auch den organischen Rest einer aciden Komponente.
Weiterhin kann im Sinne der vorliegenden Erfindung auch ein anorganisches bzw. metalloxidisches Trägermaterial mit einer bevorzugt sterisch gehinderten Base oberflächenmodifiziert sein. Die sterisch gehinderte Base kann dabei anorganisch oder organisch, bevorzugt organisch sein.
Die Menge an Adsorbermaterial, die zur Entfernung von aciden Komponenten und/oder Wasser benötigt wird, lässt sich durch eine einfache Auslegungsrechnung abschätzen. Dabei ist die Menge davon abhängig, nach welchem Zeitraum der Adsorber gewechselt werden soll.
Angestrebt ist beispielsweise ein Serviceintervall von 20000 km. Bei einer am Markt gängigen selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern mit einem Hubraum von circa 2 l ergibt sich ein durchschnittlicher Dieselkraftstoffverbrauch von circa 7 l pro 100 km. Dieser wird in Zukunft einen Anteil von circa 10 Vol.-% biogenem Kraftstoff enthalten. Zur Abschätzung wird weiterhin davon ausgegangen, dass sich im Kraftstoff 10 ppm freie Säure aus der oxidativen Zersetzung des biogenen Kraftstoffs befinden. Diese wird zum Beispiel durch die Oleinsäure C₁₇H₃₃ COOH repräsentiert.
Um das Serviceintervall von 20000 km zu realisieren, muss die Kapazität des Adsorbermaterials bei dem Verbrauch von 7 l pro 100 km für 1400 l Dieselkraftstoff ausreichen. Bei einem Anteil von 10 Vol.-% an biogenem Kraftstoff, befinden sich in Dieselkraftstoff 140 l des biogenen Kraftstoffes. Dieser weist eine Dichte von ungefähr 0,9 kg/l (für Rapsöl- Methylester bei 20°C) auf. Bei einem Massenanteil von 10 ppm enthält dieser demnach 1401·0,9 kg/l·10 ppm = 1,26 g an korrosiven Zersetzungsprodukten.
Hieraus ergibt sich bei der angenommenen Oleinsäure eine zu neutralisierende Menge von 1,26 g pro 220 g/mol = 0,0044 rot = 4,4 mmol. Für die weitere beispielhafte Auslegung werden 5 mmol Säureäquivalent angenommen.
Bei einer technisch machbaren Totalkapazität des Anionentauschers für die Beladung von etwa 1,5 val/l Schüttung und einer tatsächlich technisch nutzbaren Kapazität von etwa 60%, das heißt ungefähr 1 val/l Schüttungsvolumen, erhält man ein erforderliches Volumen des Anionentauschers von 5 mmol/l val/l = 5 ml.
Die Menge des Adsorbermaterials kann bei entsprechender Adsorberkapazität auf eine komplette Serviceintervalldauer oder sogar darüber hinaus ausgelegt werden. Bei Verwendung eines derartig beschaffenen Adsorbermaterials resultiert aufgrund der geringen benötigen Menge auch ein geringes Einbauvolumen.

Claims

Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff in Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Kraftstofftank (3) zur Bevorratung von Kraftstoff sowie Mittel zum Einbringen des Kraftstoffes in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kraftstofftank (3) und den Mitteln zum Einbringen des Kraftstoffs in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine ein Adsorber (7) angeordnet ist, der mindestens ein Adsorbens und/oder Molekularsieb umfasst, in dem saure Komponenten und/oder Wasser aus dem Kraftstoff entfernt werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens ein basisches Adsorbermaterial umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens ein strukturvoluminös, basisches Adsorbermaterial umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens eine sterisch gehinderte Base umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sterisch gehinderte Base Teil eines polymeren, strukturvoluminösen Trägermaterials ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens und/oder das Molekularsieb als Ionenaustauscher vorliegen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Kraftstofffilter (9) umfasst ist, wobei der Adsorber (7) und der Kraftstofffilter (9) zwei getrennte Bauteile sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Kraftstofffilter (9) umfasst ist, wobei das Adsorbens und/oder das Molekularsieb im Kraftstofffilter (9) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens und/oder das Molekularsieb als Filtermaterial des Kraftstofffilters (9) eingesetzt werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens und/oder das Molekularsieb zusätzlich zu einem Filtersubstrat (31) im Kraftstofffilter (9) enthalten sind.
Verfahren zur Entfernung von sauren Komponenten und/oder Wasser aus Kraftstoffen für Verbrennungskraftmaschinen, wobei dem Kraftstoff biogene Kraftstoffe beigemischt sind und der Kraftstoff in einem Kraftstofftank (3) bevorratet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff vor Einbringen in Brennräume der Verbrennungskraftmaschine durch einen Adsorber (7) geleitet wird, wobei in dem Adsorber (7) saure Komponenten und/oder Wasser aus dem Kraftstoff zurückgehalten werden.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet dass der durch den Adsorber (7) geleitete Kraftstoff zumindest teilweise in den Kraftstofftank (3) zurückgeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser unter Bildung eines schwach basischen Carboxylates, das am Adsorbens fest gebunden wird, aus dem Kraftstoff entfernt wird.