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Hintergrund und Kurzdarlegung
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Motoren
können verschiedene Formen von Kraftstoffzufuhr nutzen,
um eine erwünschte Menge an Kraftstoff zur Verbrennung
in jedem Zylinder vorzusehen. Eine Art von Kraftstoffzufuhr nutzt
ein Kanaleinspritzventil für jeden Zylinder, um jeweiligen
Zylindern Kraftstoff zu liefern. Eine noch andere Art der Kraftstoffzufuhr
nutzt ein Direkteinspritzventil für jeden Zylinder. Ferner
können auch Differentialeinspritzung von Benzin und einem
Alkohol (z. B. Ethanol) verwendet werden, um die Motorleistung weiter
zu verbessern.
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Eine
Vorgehensweise zum Abscheiden von Kraftstoffbestandteilen an Bord
kann Erwärmen zum Verbessern von Abscheidung verwenden.
Wie zum Beispiel in
U. S. 6,711,893 beschrieben
wird, kann ein Mischkraftstoff vor dem Erreichen einer Kraftstoffabscheidungsvorrichtung
durch ein Heizelement erwärmt werden, so dass der Gesamtwirkungsgrad
des Kraftstoffabscheidungsprozesses verbessert wird. Wie in
US 2006/0191727 analog
beschrieben wird, kann ein Mischkraftstoff vor dem Erreichen einer
permeablen Ethanolwahlmembran mittels Verdichtung durch eine Kraftstoffpumpe
erwärmt werden, so dass der Gesamtwirkungsgrad des Kraftstoffabscheidungsprozesses
verbessert wird.
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Um
mögliche parasitäre Verluste solcher Vorgehensweisen
anzugehen, wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors
mit einer Verdichtungsvorrichtung vorgesehen, wobei das Verfahren
umfasst: Verdichten eines Stroms von Motoransaugluft mittels der
Verdichtungsvorrichtung; Leiten des Stroms von Motoransaugluft zu
einer ersten Seite einer Membran; Leiten eines Mischkraftstoffs,
der mindestens einen Kohlenwasserstoffbestandteil und einen mit
Sauerstoff angereicherten Bestandteil umfasst, zu einer Gegenseite
der Membran; Trennen des Mischkraftstoffs in einen ersten kohlenwasserstoffangereicherten
Kraftstoffanteil und einen zweiten sauerstoffangereicherten Kraftstoffanteil durch
selektives Diffundieren mindestens eines Teils des sauerstoffangereicherten
Bestandteils durch die Membran in den Strom von Motoransaugluft,
der entlang der ersten Seite der Membran strömt. Der kohlenwasserstoffangereicherte
Kraftstoffanteil kann zum Beispiel dem Motor und/oder einem Speicherbehälter
zugeführt werden.
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Somit
kann durch Nutzen von Luft, die durch einen Verdichter (z. B. einen
Verdichter eines Turboladers, der zum Steigern von Motorladen verwendet wird)
erwärmt wurde, eine Abscheidung verbessert werden, während
parasitäre Verluste verringert werden. Selbst wenn zum
Beispiel parasitäres Erwärmen zusätzlich
zu Verdichtungserwärmen verwendet wird, kann weniger parasitäres
Erwärmen bei einer vorgegebenen Betriebsbedingung verwendet
werden. Die von dem Abscheider von dem Verdichter aufgenommene erwärmte
Luft kann mit anderen Worten die gesamte Abscheidungsrate und den
Wirkungsgrad des Abscheiders steigern, während das Erwärmen
durch andere möglicherweise parasitärere Vorgehensweisen
verringert wird. Ferner kann der Verdichterbetrieb beruhend auf
Abscheidungsleistung angepasst werden, zum Beispiel so, dass verstärktes
Verdichtungserwärmen und verstärktes Laden verwendet
werden können, wenn eine erhöhte Abscheidung gefordert
wird.
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Zu
beachten ist, dass eine Seite einer Membran eine Seite einer ebenen
Membran sowie zum Beispiel eine Innenseite oder Außenseite
einer rohrförmigen Membran oder andere bezeichnen kann. Ferner
kann die Membran an einer Stützstruktur gelagert sein und/oder
weitere Komponenten umfassen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm eines generischen Motorsystems.
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2 zeigt
eine Teilansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines
Motors.
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3 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform einer Kraftstoffanlage
mit einem Kraftstoffabscheider.
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4 zeigt
ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform
eines Verfahrens zum Betreiben einer Kraftstoffanlage mit einem
Kraftstoffabscheider.
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5 zeigt
ein Blockdiagramm einer anderen beispielhaften Ausführungsform
einer Kraftstoffanlage mit einem Kraftstoffabscheider.
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6 zeigt
ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform
eines Verfahrens zum Steuern der Kraftstoffanlage mit einem Kraftstoffabscheider
von 5.
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7 zeigt
ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform
eines Verfahrens zum Schätzen der Ethanoldampfmenge, die
von dem Kraftstoffabscheider von 5 zu dem
Motor geströmt ist, und zum Anpassen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses
als Reaktion darauf.
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8 zeigt
eine Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines Kraftstoffabscheiders.
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9 zeigt
eine Schnittansicht einer anderen beispielhaften Ausführungsform
eines Kraftstoffabscheiders.
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Eingehende Beschreibung
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1 zeigt
einen Motor 10, der eine Zufuhr von mehreren Substanzen
(1, 2, ..., N) mittels Pfeil 8 erhält. Die verschiedenen
Substanzen können mehrere unterschiedliche Kraftstoffmischungen,
Einspritzstellen oder verschiedene andere Alternativen umfassen.
In einem Beispiel können mehrere verschiedene Substanzen
mit unterschiedlichen Benzin- und/oder Alkohol- und/oder Wasser-
und/oder anderen Verbindungskonzentrationen dem Motor geliefert werden
und können in einem Mischzustand oder separat geliefert
werden. Ferner können die relativen Mengen und/oder Verhältnisse
der unterschiedlichen Substanzen von einem Steuergerät 6 als
Reaktion auf Betriebsbedingungen, die mittels Sensor(en) 4 vorgesehen
werden, veränderlich gesteuert werden. Das Steuergerät 6 kann
zusammen mit verschiedenen Sensoren und/oder Aktoren ein Steuersystem bilden.
Das Steuersystem kann ein oder mehrere Steuergeräte zum
Ausführen verschiedener Funktionen umfassen.
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In
einem Beispiel können die verschiedenen Substanzen verschiedene
Kraftstoffe mit unterschiedlichen Werten an Alkohol darstellen,
was umfasst, dass eine Substanz Benzin ist und die andere Ethanol.
In einem anderen Beispiel kann der Motor 10 Benzin als
erste Substanz und einen alkoholhaltigen Kraftstoff wie Ethanol,
Methanol, eine Mischung aus Benzin und Ethanol (z. B. E85, was in
etwa 85% Ethanol und 15% Benzin ist), eine Mischung aus Benzin und
Methanol (z. B. M85, was in etwa 85% Methanol und 15% Benzin ist),
eine Mischung aus einem Alkohol und Wasser, eine Mischung aus einem Alkohol,
Wasser und Benzin etc. sowie eine zweite Substanz nutzen. In einem
noch anderen Beispiel kann die erste Substanz ein Benzin/Alkohol-Gemisch mit
einer niedrigeren Alkoholkonzentration als ein Benzin/Alkohol-Gemisch
einer zweiten Substanz sein. In einem noch anderen Beispiel kann
die erste Substanz Benzin- oder Dieselkraftstoff sein und die zweite
Substanz kann ein Dimethylether, ein Methylester, ein niederer Alkylalkohol
(beispielsweise Methanol, Ethanol, Propanol oder Butanol) oder eine
Mischung derselben sein.
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In
einer anderen Ausführungsform können unterschiedliche
Einspritzventilstellen für verschiedene Substanzen verwendet
werden. Zum Beispiel kann ein einzelnes Einspritzventil (beispielsweise
ein Direkteinspritzventil) verwendet werden, um eine Mischung aus
zwei Substanzen (z. B. Benzin und eine Alkohol/Wasser-Mischung)
einzuspritzen, bei der die relative Menge bzw. das Verhältnis
der zwei oder mehr Kraftstoffmengen oder Substanzen in der Mischung
während Motorbetrieb mittels von Steuergerät 6 durch
ein (nicht gezeigtes) Mischventil vorgenommenen Anpassungen zum
Beispiel verändert werden kann. In einem noch anderen Beispiel
werden zwei unterschiedliche Einspritzventile für jeden Zylinder
verwendet, beispielsweise Kanal- und Direkteinspritzventile, die
jeweils eine andere Substanz in unterschiedlichen relativen Mengen
einspritzen, wenn sich Betriebsbedingungen ändern. In einer noch
anderen Ausführungsform können unterschiedlich
bemessene Einspritzventile zusätzlich zu unterschiedlichen
Stellen und unterschiedlichen Substanzen verwendet werden. In einer
noch anderen Ausführungsform können zwei Kanaleinspritzventile
mit unterschiedlichen Spritzmustern und/oder Zielpunkten verwendet
werden.
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Durch
verschiedene Kombinationen der vorstehenden Systeme können
verschiedene vorteilhafte Ergebnisse erhalten werden. Wenn zum Beispiel sowohl
Benzin als auch ein Kraftstoff, der Alkohol aufweist (z. B. Ethanol),
verwendet werden, kann es möglich sein, die relativen Mengen
der Kraftstoffe anzupassen, um die erhöhte Ladungskühlung
von Alkoholkraftstoffen (z. B. mittels Direkteinspritzung) zu nutzen,
um die Klopfneigung (z. B. als Reaktion auf Klopfen oder erhöhte
Last Anheben einer relativen Menge an Alkohol und/Wasser) zu verringern.
Dieses Phänomen kann dann kombiniert mit erhöhtem
Verdichtungsverhältnis und/oder Laden und/oder kleinem
Auslegen des Motors verwendet werden, um große Kraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteile
(durch Verringern der Klopfbeschränkungen des Motors) zu
erhalten, während man den Motorbetrieb mit Benzin bei leichteren
Lasten zulässt, bei denen Klopfen keine Beschränkung
ist. Die durch dieses Phänomen gebotenen Vorteile der Klopfunterbindung
können signifikant größer als die durch
die duale Einspritzung von Kohlenwasserstoffkraftstoffen mit unterschiedlichen Oktanzahlen
gebotenen Vorteile sein.
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Unter
Bezug nun auf 2 zeigt diese einen Zylinder
eines Mehrzylindermotors sowie den Einlass- und Auslasspfad, die
mit diesem Zylinder verbunden sind. Ferner zeigt 2 eine
beispielhafte Kraftstoffanlage mit zwei Kraftstoffeinspritzventilen pro
Zylinder für mindestens einen Zylinder. In einer Ausführungsform
kann jeder Zylinder des Motors zwei Kraftstoffeinspritzventile aufweisen.
Die beiden Kraftstoffeinspritzventile können in verschiedenen Stellen
ausgelegt sein, beispielsweise zwei Kanaleinspritzventile, ein Kanaleinspritzventil
und ein Direkteinspritzventil (wie in 2 gezeigt)
und andere.
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Ferner
gibt es wie hierin beschrieben verschiedene Auslegungen der Zylinder,
Kraftstoffeinspritzventile und des Auslasssystems sowie verschiedene
Auslegungen für die Kraftstoffdampfspülanlage
und die Positionen der Abgassauerstoffsensoren.
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Weiter
mit 2 zeigt diese ein Mehrfacheinspritzsystem, bei
dem der Motor 10 sowohl Direkt- als auch Kanalkraftstoffeinspritzung
sowie Fremdzündung aufweist. Der Verbrennungsmotor 10,
der mehrere Brennräume umfasst, wird durch ein elektronisches
Motorsteuergerät 10 gesteuert. Der Brennraum 30 des
Motors 10 wird mit Brennraumwänden 32 mit
einem darin positionierten Kolben 36, der mit einer Kurbelwelle 40 verbunden
ist, gezeigt. Ein (nicht gezeigter) Anlasser kann mit der Kurbelwelle 40 mittels
einer (nicht gezeigten) Schwungscheibe verbunden sein, oder alternativ kann
direktes Motorstarten verwendet werden.
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In
einem bestimmten Beispiel kann der Kolben 36 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.
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Der
Brennraum oder Zylinder 30 wird mit dem Ansaugkrümmer 44 und
dem Abgaskrümmer 48 mittels jeweiliger Einlassventile 52a und 52b (nicht gezeigt)
und Auslassventile 54a und 54b (nicht gezeigt)
in Verbindung stehend gezeigt. Während somit vier Ventile
pro Zylinder verwendet werden können, können in
einem anderen Beispiel auch ein einzelnes Einlass- und ein einzelnes
Auslassventil pro Zylinder verwendet werden. In einem noch anderen
Beispiel können zwei Einlassventile und ein Auslassventil
pro Zylinder verwendet werden.
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Der
Brennraum 30 kann ein Verdichtungsverhältnis aufweisen,
das das Verhältnis von Volumina, wenn sich der Kolben 36 an
dem unteren Totpunkt befindet, zum oberen Totpunkt ist. 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.
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Das
Einspritzventil 66A wird mit dem Brennraum 30 zum
Zuführen von eingespritztem Kraftstoff direkt in diesen
proportional zur Pulsweite eines von dem Steuergerät 12 mittels
eines elektronischen Treibers 68A empfangenen Signals dfpw
direkt verbunden gezeigt. Während 2 das Einspritzventil 66A als
Seiteneinspritzventil zeigt, kann es sich auch über dem
Kolben befinden, beispielsweise nahe der Position einer Zündkerze 92.
Eine solche Position kann aufgrund der geringeren Flüchtigkeit
einiger alkoholbasierter Kraftstoffe das Mischen und die Verbrennung
verbessern. Alternativ kann das Einspritzventil oben liegend und
nahe dem Einlassventil angeordnet sein, um das Mischen zu verbessern.
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Kraftstoff
und/oder Wasser können dem Kraftstoffeinspritzventil 66A durch
eine (nicht gezeigte) Hochdruck-Kraftstoffanlage zugeführt
werden, die einen Kraftstofftank, Kraftstoffpumpen und ein Kraftstoffverteilerrohr
umfasst. Alternativ können Kraftstoff und/oder Wasser durch
eine einstufige Kraftstoffpumpe bei niedrigerem Druck zugeführt
werden, in welchem Fall die Zeitsteuerung der Kraftstoffdirekteinspritzung
während des Verdichtungstakts beschränkter sein
kann als bei Verwenden einer Hochdruck-Kraftstoffanlage. Während
dies nicht gezeigt wird, kann (könne) der Kraftstofftank
(oder die Kraftstofftanks) (jeweils) einen Druckwandler aufweisen, der
dem Steuergerät 12 ein Signal liefert.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil 66B wird mit dem Ansaugkrümmer 44 statt
direkt mit dem Zylinder 30 verbunden gezeigt. Das Kraftstoffeinspritzventil 666 liefert
eingespritzten Kraftstoff proportional zur Pulsweite des von dem
Steuergerät 12 mittels eines elektronischen Treibers 686 empfangenen
Signals pfpw. Zu beachten ist, dass für beide Kraftstoffeinspritzanlagen
ein einzelner Treiber 68 oder mehrere Treiber verwendet
werden können. Die Kraftstoffanlage 164 wird ferner
in schematischer Form gezeigt, wie sie Dämpfe zu dem Ansaugkrümmer 44 liefert, wobei
die Kraftstoffanlage 164 auch mit den Einspritzventilen 66A und 66B verbunden
ist (wenngleich dies in dieser Figur nicht gezeigt wird). Es können
verschiedene Kraftstoffanlagen und Kraftstoffdampfspülsysteme
verwendet werden.
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Der
Ansaugkrümmer 210 wird mit dem Drosselkörper 58 mittels
einer Drosselklappe 62 verbunden gezeigt. In diesem bestimmten
Beispiel ist die Drosselklappe 62 mit einem Elektromotor 94 verbunden,
so dass die Stellung der elliptischen Drosselklappe 62 durch
das Steuergerät 12 mittels des Elektromotors 94 gesteuert
wird. 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
ist ein Bypass-Luftkanal parallel zur Drosselklappe 62 angeordnet,
um angesaugten Luftstrom während Leerlaufdrehzahlsteuerung
mittels eines in dem Luftkanal positionierten Leerlaufsteuerungs-Bypass-Ventils
zu steuern.
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Ein
Abgassensor 76 wird mit dem Abgaskrümmer 48 stromaufwärts
eines Katalysators 70 verbunden gezeigt (wobei der Sensor 76 verschiedenen
unterschiedlichen Sensoren entsprechen kann). Der Sensor 76 kann
zum Beispiel einer von vielen bekannten Sensoren zum Liefern eines
Hinweises auf ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis von Abgas
sein, beispielsweise eine lineare Lambda-Sonde, ein UEGO, eine Lambda-Sonde
mit zwei Zuständen, ein EGO, ein HEGO oder ein HC- oder
CO-Sensor. In diesem bestimmten Beispiel ist der Sensor 76 eine
Lambda-Sonde mit zwei Zuständen, die ein Signal EGO an das
Steuergerät 12 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. Weitere Einzelheiten zur Steuerung
des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses sind hierin enthalten.
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Eine
verteilerlose Zündanlage 88 liefert dem Brennraum 30 mittels
der Zündkerze 92 als Reaktion auf ein Zündfrühverstellungssignal
SA von dem Steuergerät 12 einen Zündfunken.
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Das
Steuergerät 12 kann den Brennraum 30 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 Spritzmuster etc. gesteuert werden. Ferner
können kombinierte geschichtete und homogene Mischungen
in dem Brennraum gebildet werden. In einem Beispiel können
durch Betreiben des Einspritzventils 66A während
eines Verdichtungstakts geschichtete Lagen gebildet werden. In einem
anderen Beispiel kann durch Betreiben eines oder beider Einspritzventile 66A und 66B während
eines Ansaugtakts (was eine Einspritzung mit offenem Ventil sein
kann) eine homogene Mischung gebildet werden. In einem noch anderen Beispiel
kann eine homogene Mischung durch Betreiben eines oder beider Einspritzventile 66A und 66B vor
einem Ansaugtakt (was eine Einspritzung bei geschlossenem Ventil
sein kann) gebildet werden. In noch anderen Beispielen können
mehrere Einspritzungen von einem oder von beiden Einspritzventilen 66A und 666 während
eines oder mehrerer Takte verwendet werden (z. B. Ansaugen, Verdichtung,
Auspuff, etc.). Noch weitere Beispiele können sein, wenn unterschiedliche
Einspritzsteuerzeiten und Gemischbildungen unter unterschiedlichen
Bedingungen verwendet werden, wie nachstehend beschrieben wird.
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Das
Steuergerät 12 kann die durch die Kraftstoffeinspritzventile 66A und 666 gelieferte
Kraftstoffmenge so steuern, dass das homogene, geschichtete oder
kombinierte homogene/geschichtete Kraftstoff/Luft-Gemisch in dem
Brennraum 30 bei Stöchiometrie, einem unterstöchiometrischen
Wert oder einem überstöchiometrischen Wert gewählt
werden kann.
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Während 2 zwei
Einspritzventile für den Zylinder zeigt, wobei eines ein
Direkteinspritzventil und das andere ein Kanaleinspritzventil ist,
können in einer alternativen Ausführungsform zwei
Kanaleinspritzventile für den Zylinder zusammen zum Beispiel mit
einer Einspritzung mit offenem Ventil verwendet werden.
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Eine
Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 72 wird stromabwärts
des Katalysators 70 angeordnet gezeigt. Die Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 72 kann
ein Dreiwegekatalysator oder ein NOx-Filter oder Kombinationen derselben
sein.
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Das
Steuergerät 12 wird als Mikrocomputer gezeigt,
der umfasst: einen Mikroprozessor 102, Input/Output-Ports 104,
ein elektronisches Speichermedium für ausführbare
Programme und Kalibrierungswerte, in diesem bestimmten Beispiel
als Festwertspeicher 106 gezeigt, einen Arbeitsspeicher 108, einen
Dauerspeicher 610 und einen herkömmlichen Datenbus.
Das Steuergerät 12 wird gezeigt, wie es verschiedene
Signale von mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren zusätzlich
zu den bereits erläuterten Signalen empfängt,
einschließlich: Messung des eingelassenen Luftmassenstroms
(MAF) von einem Luftmengensensor 100, der mit dem Drosselgehäuse 58 verbunden
ist; Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem mit einem
Kühlmantel 114 verbundenen Temperaturfühler 112;
ein Zündungsprofil-Aufnehmersignal (PIP) von einem mit
der Kurbelwelle 40 verbundenen Hallgeber 118;
und eine Drosselstellung TP von einem Drosselstellungssensor 120;
ein Krümmerunterdrucksignal MAP von einem Sensor 122;
einen Hinweis auf Klopfen von einem Klopfsensor 182; und
einen Hinweis auf absolute oder relative Umgebungsfeuchtigkeit von
einem Sensor 180. Ein Motordrehzahlsignal RPM wird durch
das Steuergerät 12 aus dem Signal PIP in herkömmlicher
Weise erzeugt, 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 Beispiel erzeugt der
Sensor 118, der auch als Motordrehzahlsensor verwendet
wird, eine vorbestimmte Anzahl an gleichmäßig
beabstandeten Pulsen pro Umdrehung der Kurbelwelle.
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Weiter
mit 2 wird ein veränderliches Nockenwellensteuerungssystem
gezeigt. Im Einzelnen wird die Nockenwelle 130 des Motors 10 mit
Kipphebeln 132 und 134 zum Betätigen
der Einlassventile 52a, 52b und der Auslassventile 54a, 54b in
Verbindung stehend gezeigt. Die Nockenwelle 130 ist mit
einem Gehäuse 136 direkt verbunden. Das Gehäuse 136 bildet
ein Zahnrad mit mehreren Zähnen 138. Das Gehäuse 136 ist
mittels einer Steuerkette oder eines Steuerriemens (nicht dargestellt)
mit der Kurbelwelle 40 hydraulisch verbunden. Daher drehen das
Gehäuse 136 und die Nockenwelle 130 bei
einer Drehzahl, die im Wesentlichen gleich der der Kurbelwelle ist.
Durch Manipulieren der Hydraulikkopplung, wie später hierin
beschrieben wird, kann aber die relative Position der Nockenwelle 130 zur
Kurbelwelle 40 durch Hydraulikdrücke in einem
Frühverstellraum 142 und Spätverstellraum 144 verändert
werden. Durch Zulassen, dass Hydraulikfluid hohen Drucks in den
Frühverstellraum 142 eintritt, wird die relative
Beziehung zwischen der Nockenwelle 130 und der Kurbelwelle 40 auf
früh verstellt. Somit öffnen und schließen
die Einlassventile 52a, 52b und Auslassventile 54a, 54b im
Verhältnis zur Kurbelwelle 40 früher
als normal. Durch Zulassen, dass Hydraulikfluid hohen Drucks in
den Spätverstellraum 144 eintritt, wird analog
die relative Beziehung zwischen der Nockenwelle 130 und
der Kurbelwelle 40 auf spät verstellt. Dadurch öffnen
und schließen die Einlassventile 52a, 52b und
die Auslassventile 54a, 54b im Verhältnis zur
Kurbelwelle 40 später als normal.
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Während
dieses bestimmte Beispiel ein System zeigt, bei dem die Steuerzeiten
von Einlass- und Auslassventil gleichzeitig gesteuert werden, können veränderliche
Einlassnockensteuerung, veränderliche Auslassnockensteuerung,
duale unabhängige veränderliche Nockensteuerung
oder feste Nockensteuerung verwendet werden. Ferner kann auch veränderlicher
Ventilhub verwendet werden. Nockenwellenprofilumschalten kann verwendet
werden, um unterschiedliche Nockenprofile unter unterschiedlichen
Betriebsbedingungen vorzusehen. Des Weiteren kann der Ventiltrieb
einen Rollenschlepphebel, einen direkt wirkenden mechanischen Tassenstößel, elektromechanische,
elektrohydraulische oder andere Alternativen zu Kipphebeln umfassen.
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Weiter
mit dem veränderlichen Nockensteuersystem ermöglichen
Zähne 138, die mit dem Gehäuse 136 und
der Nockenwelle 130 verbunden sind, eine Messung der relativen
Nockenposition mittels eines Nockensteuersensors 150, der
ein Signal VCT zum Steuergerät 12 liefert. Zähne 1, 2, 3 und 4 werden
bevorzugt zur Messung der Nockensteuerzeiten verwendet und sind
gleichmäßig beabstandet (zum Beispiel in einem
V-8-Motor mit dualer Reihe um 90 Grad voneinander beabstandet),
während ein Zahn 5 bevorzugt zur Zylinderidentifizierung
verwendet wird, wie hierin später beschrieben wird. Ferner
sendet das Steuergerät 12 Steuersignale (LAGT,
RACT) zu (nicht dargestellten) herkömmlichen Solenoidventilen,
um das Strömen von Hydraulikfluid entweder in den Frühverstellraum 142,
den Spätverstellraum 144 oder keinen davon zu
steuern.
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Die
relativen Nockensteuerzeiten können auf vielerlei Weise
gemessen werden. Allgemein gesagt gibt die Zeit bzw. der Drehwinkel
zwischen der ansteigenden Flanke des PIP-Signals und dem Empfangen eines
Signals von einem der mehreren Zähne 138 auf dem
Gehäuse 136 ein Maß der relativen Nockensteuerzeiten.
Für das spezielle Beispiel eines V-8-Motors mit zwei Zylinderreihen
und eines Rads mit fünf Zähnen wird ein Maß der
Nockensteuerzeiten für eine bestimmte Reihe viermal pro
Umdrehung empfangen, wobei das Extrasignal für die Zylinderidentifizierung
verwendet wird.
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Der
Sensor 160 kann auch mittels eines Signals 162,
das dem Steuergerät 12 eine die O2-Konzentration
anzeigende Spannung liefert, einen Hinweis auf Sauerstoffkonzentration
in dem Abgas vorsehen. Zum Beispiel kann der Sensor 160 ein
HEGO, UEOG, EGO oder eine andere Art von Abgassensor sein. Zu beachten
ist auch, dass wie vorstehend bezüglich Sensor 76 beschrieben
der Sensor 160 verschiedenen unterschiedlichen Sensoren
entsprechen kann.
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Wie
vorstehend beschrieben zeigt 2 lediglich
einen Zylinder eines Mehrzylindermotors, und es versteht sich, dass
jeder Zylinder seinen eigenen Satz an Einlass-/Auslassventilen,
Kraftstoffeinspritzventilen, Zündkerzen etc. aufweist.
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Ferner
kann der Motor in den hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen
mit einem (nicht gezeigten) Anlasser zum Starten des Motors verbunden
sein. Der Anlasser kann eingeschaltet werden, wenn der Fahrer zum
Beispiel einen Schlüssel im Zündschloss an der
Lenksäule dreht. Der Anlasser wird nach dem Starten des
Motors abgeschaltet, zum Beispiel durch Erreichen einer vorbestimmten
Drehzahl des Motors 10 nach einer vorbestimmten Zeit.
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Weiter
mit 2 wird eine Abgasrückführungsanlage
gezeigt. Durch ein herkömmliches AGR-Rohr 172,
das mit dem Abgaskrümmer 48, der AGR-Ventilanordnung 174 und
der AGR-Öffnung 176 in Verbindung steht, wird
Abgas zu dem Ansaugkrümmer 44 geliefert. Alternativ
könnte das Rohr 172 ein innen geführter
Durchlass in dem Motor sein, der zwischen dem Abgaskrümmer 48 und
dem Ansaugkrümmer 44 eine Verbindung herstellt.
Wie hierin näher beschrieben wird, kann das AGR-Rohr 172 (oder ein
anderes (nicht gezeigtes) AGR-Rohr oder Zweigrohr des AGR-Rohrs 172)
so ausgelegt sein, dass es die Kraftstoffanlage bei der Trennung
eines Mischkraftstoffs unterstützt.
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Wie
vorstehend erwähnt kann der Motor 10 in verschiedenen
Modi arbeiten, die mageren Betrieb, fetten Betrieb oder Betrieb „nahe
der Stöchiometrie" umfassen können. Ein Betrieb „nahe
der Stöchiometrie" kann einen pendelnden Betrieb um das stöchiometrische
Kraftstoff/Luft-Verhältnis bezeichnen. Typischerweise wird
dieser pendelnde Betrieb durch Rückmeldung von Abgassauerstoffsensoren geregelt.
In diesem Betriebsmodus nahe der Stöchiometrie kann der
Motor in ungefähr einem Kraftstoff/Luft-Verhältnis
des stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnisses
betrieben werden.
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Die
Regelung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses kann zum Vorsehen
des Betriebs nahe der Stöchiometrie verwendet werden. Ferner
kann eine Rückmeldung von Abgassauerstoffsensoren zum Steuern
des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses während mageren
und während fetten Betriebs verwendet werden. Insbesondere
kann ein schaltender beheizter Abgassauerstoffsensor (HEGO) für
die Steuerung des stöchiometrischen Kraftstoff-/Luftverhältnisses durch
Steuern des eingespritzten Kraftstoffs (oder zusätzlicher
Luft mittels Drossel oder VCT) basierend auf Rückmeldung
von dem HEGO-Sensor und dem Soll-Kraftstoff-/Luftverhältnis
verwendet werden. Ferner kann ein UEGO-Sensor (der einen im Wesentlichen
linearen Ausgang gegenüber dem Abgas-Kraftstoff-/Luftverhältnis
liefert) zum Steuern des Kraftstoff-/Luftverhältnisses
während des mageren, fetten und stöchiometrischen
Betriebs verwendet werden. In diesem Fall wird die Kraftstoffeinspritzung
(oder zusätzliche Luft mittels Drossel oder VCT) basierend auf
einem Soll-Kraftstoff-/Luftverhältnis und dem Kraftstoff-/Luftverhältnis
vom Sensor verstellt. Des Weiteren könnte bei Bedarf ein
individuelles Zylinder-Kraftstoff-/Luftverhältnis verwendet
werden. Abhängig von verschiedenen Faktoren können
mit den Einspritzenventilen 66A, 66B oder Kombinationen derselben
Verstellungen vorgenommen werden, um das Kraftstoff/Luft-Verhältnis
des Motors zu steuern.
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Anzumerken
ist auch, dass zum Halten des Solldrehmoments verschiedene Verfahren
verwendet werden können, beispielsweise Anpassen der Zündsteuerzeiten,
Drosselstellung, der variablen Nockensteuerposition, Abgasrückführungsmenge
und Anzahl der diese Verbrennung ausführenden Zylinder.
Weiterhin können diese Variablen für jeden Zylinder
einzeln angepasst werden, um unter all den Zylindern das Zylindergleichgewicht
zu halten. Während dies in 2 nicht
gezeigt ist, kann der Motor 10 mit verschiedenen Ladevorrichtungen
gekoppelt sein, beispielsweise einem Lader oder Turbolader. Bei
einem geladenen Motor kann das Solldrehmoment auch durch Anpassen
von Ladedruckregelventil und/oder Verdichterumgehungsventilen gehalten werden.
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Unter
Bezug nun auf 3 wird eine beispielhafte Kraftstoffanlagenauslegung
mit einem Kraftstofftank 310 mit einem Kraftstoffeinfülldeckel 312 vorgesehen.
Das System ist dafür ausgelegt, durch die Füllleitung 314 und
in den Tank 310 ein Kraftstoffgemisch aufzunehmen, wobei
das Gemisch ein Benzin-/Alkoholgemisch, ein Benzin-/Alkohol-/Wassergemisch
oder verschiedene andere sein kann, wie hierin erwähnt
wird, einschließlich ein Benzin-/Ethanolgemisch wie zum
Beispiel E10. Das Kraftstoffgemisch in dem Tank 310 kann
mittels eines durch den Doppelpfeil 316 gezeigten Beförderungssystems
zu einem Abscheidungssystem 320 befördert werden.
Das Beförderungssystem 316 kann eine Einwegbeförderung
sein, wobei es z. B. das Kraftstoffgemisch zu dem Abscheider 320 befördert,
oder es kann eine Zweiwegebeförderung ermöglichen, beispielsweise
Rücklaufleitungen von dem Abscheider oder der stromabwärts
befindlichen Kraftstoffanlage zurück zu dem Tank 310.
Das Beförderungssystem 316 kann Pumpen, Ventile,
mehrere separate Leitungen oder verschiedene andere Komponenten umfassen,
wie sie zum Beispiel hierin nachstehend bezüglich beispielhafter
Systeme beschrieben werden. Während 3 das Beförderungssystem 316 außen
am Tank 310 zeigt, kann das System 316 ferner
zusammen mit dem Abscheider 320 und/oder Teilen des Beförderungssystems 322 auch
in oder zumindest teilweise in dem Tank 310 angeordnet sein.
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Weiter
mit 3 zeigt diese auch ein stromabwärts befindliches
Beförderungssystem 322, das zwischen dem Abscheider 320 und
dem (nicht gezeigten) Motor angeordnet ist. Das Beförderungssystem 322 wird
mindestens zwei separate Leitungen aufweisend gezeigt, die mit dem
Abscheider verbunden sind, um abhängig von Betriebsbedingungen
unterschiedliche Mengen an Substanzen oder Kraftstoffen mit unterschiedlichen
Bestandteilen zu dem Motor zu befördern. Das Beförderungssystem 322 kann die
unterschiedlichen Kraftstoffe beim Liefern der Kraftstoffe zum Motor
getrennt halten oder kann die Kraftstoffe zum gemeinsamen Liefern
zum Motor mischen, wie in 3 gezeigt
wird. Ferner kann das System 322 wie System 316 Pumpen,
Ventile, mehrere separate Leitungen, Rücklaufleitungen
oder verschiedene andere Komponenten umfassen, wie sie zum Beispiel
hierin nachstehend bezüglich beispielhafter Systeme beschrieben
werden.
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Das
Abscheidersystem 320 ist dafür ausgelegt, zwei
oder mehr Bestandteile in dem im Tank 310 gespeicherten
Kraftstoffgemisch trennen zu lassen oder dem Motor 10 getrennt
liefern zu lassen, wodurch die Vorteile des Verwendens von Dual-
oder Mischeinspritzstrategien ohne Bewirken von Beeinträchtigung
für einen Nutzer ermöglicht werden.
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4 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens 400 zum
Betreiben des Motors 10 mittels einer Kraftstoffabscheide-/Mischeinspritzstrategie.
Zunächst umfasst das Verfahren 400 das Einbringen
eines Mischkraftstoffs in den Tank 310 oder das Aufnehmen
des Mischkraftstoffs in den Tank. In der Ausführungsform
von 4 enthält der Mischkraftstoff einen Kohlenwasserstoffbestandteil (beispielsweise
Benzin) und einen Alkoholbestandteil (einschließlich aber
nicht ausschließlich Ethanol oder Methanol). Es versteht
sich aber, dass jeder geeignete Mischkraftstoff verwendet werden
kann, einschließlich aber nicht ausschließlich
andere polare und/oder sauerstoffangereicherte Kraftstoffe wie Ether
und Ester und andere nicht polare Kraftstoffe und/oder Kohlenwasserstoffkraftstoffe
wie Diesel.
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Als
Nächstes umfasst das Verfahren 400 bei 404 das
Trennen des Mischkraftstoffs in einen kohlenwasserstoffangereicherten
Anteil und einen alkoholangereicherten Anteil. Der Begriff „kohlenwasserstoffangereichert",
wie er hierin verwendet wird, bezeichnet abhängig davon,
ob der Abscheider zum Extrahieren von Kohlenwasserstoff- oder Alkoholbestandteilen
ausgelegt ist, das Volumen von Kraftstoff nach Abscheiden, von dem
entweder der Alkohol entfernt wurde, oder das Volumen von Kraftstoff,
der von dem Mischkraftstoff entfernte Kohlenwasserstoffe enthält.
Analog bezeichnet der Begriff „alkoholangereichert" abhängig
von dem verwendeten Abscheidungsmechanismus das Volumen von Kraftstoff
nach Abscheiden, von dem entweder der Kohlenwasserstoff entfernt
wurde, oder das Volumen von Kraftstoff, der von dem Kohlenwasserstoffteil
des Mischkraftstoffs entfernte Alkohole (oder andere sauerstoffangereicherte
oder polare Kraftstoffe) enthält. Es versteht sich, dass
die relativen Konzentrationen der Alkohol- und Kohlenwasserstoffbestandteile
der „kohlenwasserstoffangereicherten" oder „alkoholangereicherten"
Anteile entweder höher oder niedriger als der andere jeweilige
Bestandteil dieser Anteile sein können. Weiterhin wird
der Begriff „Anteil" hierin lediglich verwendet, um ein
Volumen von Kraftstoff nach einem Abscheidungsprozess zu bezeichnen, und
impliziert nicht, dass eine bestimmte Art von Abscheidungsprozess
verwendet wird.
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Nach
dem Trennen des Mischkraftstoffs in mindestens den alkoholangereicherten
und wasserstoffangereicherten Anteil umfasst das Verfahren 400 als
Nächstes das Steuern des Vorsehens von Kraftstoff von dem
alkoholangereicherten Anteil und von Kraftstoff von dem wasserstoffangereicherten
Anteil zum Motor 10 beruhend auf einer Motorbetriebsbedingung.
Wenn zum Beispiel Motorklopfen detektiert wird, kann zum Verringern
von Klopfen eine größere relative Menge an Kraftstoff
von dem alkoholangereicherten Anteil vorgesehen werden. Als weiteres
Beispiel kann eine größere Menge von Kraftstoff
von dem kohlenwasserstoffangereichertem Anteil zum Motor geliefert
werden, wenn eine Motorlast zunimmt, wodurch eine größere
Menge an Energie zum Motor geliefert wird. Es versteht sich, dass
dies nur beispielhafte Verfahren zum Steuern des Lieferns des alkoholangereicherten
Kraftstoffanteils und des kohlenwasserstoffangereicherten Kraftstoffanteils zum
Motor 10 sind und dass die relativen Mengen (oder das Verhältnis)
von Kraftstoffen von diesen Anteilen beruhend auf beliebigen anderen
geeigneten Motorbetriebsbedingungen oder zu jedem anderen geeigneten
Zweck angepasst werden können. Andere Beispiele können
die Reduzierung von Emissionen und/oder das Verbessern der Kraftstoffwirtschaftlichkeit
umfassen, sind aber nicht hierauf beschränkt.
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5 zeigt
ein Blockdiagramm einer anderen beispielhaften Ausführungsform
einer Kraftstoffanlage mit einem Kraftstoffabscheider. Als nicht
einschränkendes Beispiel erzeugt der Motor 502 eine mechanische
Leistung durch Verbrennen eines Gemisches aus Luft und Kohlenwasserstoff-
und/oder Alkoholkraftstoff. Weiterhin kann der Motor 502 in
einem Antriebssystem für ein Fahrzeug ausgelegt sein. Alternativ
kann der Motor 502 in einer stationären Anwendung,
zum Beispiel als elektrischer Generator, betrieben werden. Während
die Kraftstoffanlage 500 auf stationäre Anwendungen
anwendbar sein kann, versteht sich, dass die hierin beschriebene
Kraftstoffanlage 500 insbesondere für Fahrzeuganwendungen ausgelegt
ist.
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Die
Kraftstoffanlage 500 kann ein oder mehrere der folgenden
umfassen: einen Turbolader 504, der von dem Motor 502 abgelassene
Abgase aufnimmt, einen stromabwärts des Turboladers 504 angeordneten
Dreiwegekatalysator 508 zum Verringern von Emissionen in
dem Abgasstrom, einen Hauptkraftstofftank 526, der einen
Kraftstoff fassen kann, der einen Kohlenwasserstoffbestandteil (beispielsweise
Benzin) und einen Alkoholbestandteil (einschließlich aber
nicht ausschließlich Ethanol oder Methanol) umfasst, und
einen Ethanolabscheider 522, der bei Aktivieren einen Teil
des Alkoholbestandteils von einem vom Hauptkraftstofftank 526 erhaltenen
Kraftstoffvolumen abscheiden kann. Der Turbolader 504 kann
eine Turbine 505 und einen Verdichter 506 umfassen,
die an einer gemeinsamen Welle verbunden sind. Die Schaufeln der
Turbine 505 können um die gemeinsame Welle zum
Drehen gebracht werden, wenn ein Teil des aus dem Motor 502 abgelassenen
Abgasstroms auf die Schaufeln der Turbine trifft. Der Verdichter 506 kann
mit der Turbine 505 verbunden sein, so dass der Verdichter 506 betätigt
werden kann, wenn die Schaufeln der Turbine 505 zum Drehen
gebracht werden. Zum Beispiel kann ein Turbolader veränderlicher
Geometrie verwendet werden. Des weiterein können ein Verdichter und/oder
eine Turbinenumgehung oder Ladedruckregelventil verwendet werden.
In einem Beispiel kann der Betrieb des Turboladers (z. B. Laden)
beruhend auf Abscheiderleistung angepasst werden, um den Grad des
Erwärmens und somit die Abscheidungsrate zu beeinflussen.
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Die
Kraftstoffanlage 500 kann weiterhin einen Tank 538 für
gereinigtes flüssiges Ethanol, einen Ladeluftkühler 520,
ein Kraftstoffrückleitventil 532, einen Venturi-Kanal 510,
ein Venturi-Umgehungsventil 512, eine Drossel 516 und
eine Pumpe 528 umfassen. Der Ethanolabscheider 522 kann
einen Strom von Luft mittels des Venturi-Kanals 510 oder
des Venturi-Umgehungsventils 512 erhalten, der von dem
Verdichter 506 erwärmt wurde. Der Venturi-Kanal 510 kann
einen Niederdruckabschnitt (z. B. einen Abschnitt verringerter Querschnittströmfläche)
umfassen, der ein „Saugen" erzeugen kann, das das anschließende
Leiten erwärmter Luft durch den Ethanolabscheider 522 unterstützen
kann. Das Venturi-Umgehungsventil 512 kann geöffnet
oder teilweise geöffnet werden, wenn eine Bedingung weit
offener Drossel vorliegt, um einen Druckabfall über dem
Venturi-Kanal 510 zu verringern, der während einer
solchen Bedingung auftreten kann. Die dem Ethanolabscheider 522 zugeführte
erwärmte Luft kann zu der Ethanolseite einer Membran in
dem Ethanolabscheider 522 geleitet werden. Analog kann
Kraftstoff von dem Hauptkraftstofftank 526 zu der Ethanol-/Benzinseite
der Membran mittels der Pumpe 528 und des Kraftstoffrückleitungsventils 532 gepumpt
werden. Die in der erwärmten Luft, die entlang der Ethanolseite
der Membran strömt, enthaltene Wärmeenergie kann
bewirken, dass der Ethanolbestandteil des entlang der Ethanol-/Benzinseite
der Membran strömenden Kraftstoffs selektiv über
die Membran in die erwärmte Luft diffundiert. Die selektive
Diffusion kann sowohl zu einer Übertragung von Ethanolbestandteilen
als auch von Kohlenwasserstoffbestandteilen des Kraftstoffs führen,
wobei aber die Ethanolbestandteile zum Beispiel bei einer höheren
Rate übertragen werden.
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In
manchen Beispielen kann die erwärmte Luft, die dem Ethanolabscheider 522 zugeführt
wird, unabhängig erwärmt werden – wenngleich
dies einen parasitären Energieverlust am Motor 502 erzeugen kann.
Alternativ oder zusätzlich kann durch Verwenden von Luft,
die bereits mittels Verdichtung durch den Verdichter 506 bei
Laden des Motors 502 erwärmt wurde, dieser parasitäre
Verlust verringert werden.
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Die
aus der Ethanolseite des Ethanolabscheiders 22 austretende
erwärmte Luft kann Ethanoldampf enthalten und kann zu einem
Ladeluftkühler 520 geleitet werden, der zum Beispiel
einen Wärmetauscher für Luft-zu-Luft oder Luft-zu-Wasser
enthalten kann, der die aus dem Ethanolabscheider 522 ausgetretene
erwärmte Luft kühlen kann. Sobald die den Ethanoldampf
enthaltende erwärmte Luft durch den Ladeluftkühler 520 gekühlt
wird, kann das sich ergebende flüssige Ethanolkondensat
durch den Tank 538 für gereinigtes flüssiges
Ethanol aufgenommen werden. Entsprechend kann ein Teil des Ethanoldampfs
mittels der Drossel 516 weiter zum Motor 502 geleitet
werden (z. B. Ethanoldampf, der nicht von dem Ladeluftkühler 520 zu
flüssigem Ethanol kondensiert wurde). Analog kann der entlang
der Ethanol-/Benzinseite der Membran strömende Kraftstoff
dann zum Hauptkraftstofftank 526 geleitet werden (nach
Austreten aus dem Ethanolabscheider 522 und nach Entfernen
mindestens eines Teils des Ethanolbestandteils durch den selektiven
Diffusionsprozess kann der aus dem Ethanolabscheider 522 austretende
Kraftstoff als „gereinigt" gelten). Kraftstoff in dem Hauptkraftstofftank 526 kann
zur Verbrennung zum Motor 502 gepumpt werden. In manchen
Ausführungsformen kann sich ein optionales Rückschlagventil 534 stromabwärts
der Pumpe 528 und stromaufwärts des Motors 502 befinden,
um ein Rückströmen zum Hauptkraftstofftank 526 zu
verhindern, und/oder ein optionaler Kraftstoffkühler 524 kann
stromabwärts der Ethanol-/Benzinseite der Membran in dem
Ethanolabscheider 522 und stromaufwärts des Hauptkraftstofftanks 526 angeordnet sein.
Der optionale Kraftstoffkühler 524, der zum Beispiel
einen Wärmetauscher für Luft-zu-Luft oder Luft-zu-Wasser
umfassen kann, kann den aus dem Ethanolabscheider 522 austretenden
gereinigten Kraftstoff kühlen und kann somit die Temperatur
des zu dem Hauptkraftstofftank 526 (und/oder dem optionalen
Tank 530 für gereinigtes Benzin, wie nachstehend
beschrieben) zurückgeführten gereinigten Kraftstoffs
senken. In anderen Ausführungsformen kann die Kraftstoffanlage 500 weiterhin
eine optionale Pumpe 536 und einen optionalen Tank 530 für
gereinigtes Benzin (der einen Teil des aus dem Ethanolabscheider 522 und
der optionalen Pumpe 536 ausgetretenen gereinigten Kraftstoffs
aufnehmen kann) umfassen. Die optionale Pumpe 536 kann
gereinigten Kraftstoff von dem Tank 530 für gereinigtes
Benzin zur Verbrennung zu dem Motor 502 pumpen.
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In
manchen Ausführungsformen kann die Kraftstoffanlage 500 weiterhin
einen optionalen Wärmetauscher 514 und ein optionales
Rückleitungsgebläse 518 umfassen. Dies
würde einen Rückleitungskreislauf ermöglichen,
der der mit dem Ethanolabscheider 522 integralen Membran
heiße Luft liefern würde, wenn der Motor nicht
geladen wird (z. B. wenn der Turbolader 504 nicht aktiviert
ist). Die Größe und das Gewicht des Ethanolabscheiders 522 (und
somit die Kosten des Systems) können dadurch verringert werden,
da ein Teil des Ethanols abgeschieden und gespeichert werden könnte,
wenn der Motor nicht geladen wird und wenig Ethanol verbraucht wird.
Ein optionaler Wärmetauscher 514 kann den Wirkungsgrad
des Ethanolabscheiders verbessern (und kann einen parasitären
Energieverlust ausgleichen, der durch das optionale Rückleitungsgebläse 518 gezeigt
wird), indem durch Aufnehmen eines Teils der in den aus dem Turbo 504 austretenden
Abgasen gespeicherten Wärmeenergie zusätzliche
Wärmeenergie zu dem Ethanolabscheider geliefert wird, die
ansonsten in die Umwelt ausgestoßen würde. Der
optionale Wärmetauscher 514 kann von dem Katalysator 508 Abgase
und gekühlte Luft aufnehmen, die Ethanoldampf von dem Ladeluftkühler 520 enthalten
kann (mittels des optionalen Rückleitungsgebläses 518). Die
Wärmeenergie, die in den Abgasen gespeichert ist, die von
dem optionalen Wärmetauscher 514 von dem Oxidationskatalysator 508 aufgenommen
werden, kann durch die gekühlte Luft absorbiert werden, die
von dem optionalen Wärmetauscher 514 von dem Gebläse 518 aufgenommen
wird. Die Temperatur der von dem optionalen Wärmetauscher 514 von
dem Gebläse 518 aufgenommenen gekühlten
Luft kann dadurch angehoben werden. Die Abgase, die von dem optionalen
Wärmetauscher 514 von dem Katalysator aufgenommen
wurden, können dann mittels eines (in 5 nicht
gezeigten) Endrohrs an die Umwelt abgelassen werden.
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Die
von dem optionalen Rückleitungsgebläse 518 aufgenommene
und von dem optionalen Wärmetauscher 514 erwärmte
Luft kann dann mittels des Venturi-Kanals 510 zu dem Ethanolabscheider 522 geleitet
werden, wo die erwärmte Luft das Abscheiden eines Teils
des Ethanolbestandteils von dem vom Hauptkraftstofftank 526 gespeicherten
und durch den Ethanolabscheider 522 (mittels selektiver Diffusion über
der mit dem Ethanolabscheider 522 integralen Membran) verarbeiteten
Kraftstoff erleichtern kann. Weiterhin kann ein optionales Rückleitungsgebläse 518 dazu
dienen, die Rate der Ethanolabscheidung durch den Ethanolabscheider 522 durch
Anpassen der Luftmenge zu steuern, die zu dem optionalen Wärmetauscher 514 geleitet
wird, um erwärmt und anschließend mittels des
Venturi-Kanals 510 zu dem Ethanolabscheider 522 geleitet zu
werden. Ein deutlicher Vorteil eines solchen Rückleitungskreislaufs
ist, dass Ethanoldampf (z. B. Ethanol, das während eines
vorherigen Durchtretens durch den Ladeluftkühler 520 nicht
in flüssiges Ethanol umgewandelt wurde) erneut durch den
Ethanolabscheider 522 aufgearbeitet werden kann. Somit kann
der Rückleitungskreislauf weniger Ethanoldampf weiter zum
Motor 502 treten lassen und entsprechend kann die Menge
flüssigen Ethanols, die von dem Ethanolabscheider 522 abgeschieden
und weiter zu dem Tank 538 für flüssiges
Ethanol geleitet wird, erhöht werden. Die Ethanoldampfmenge,
die von dem Motor 502 von dem Ladeluftkühler 520 mittels
der Drossel 516 aufgenommen wird, kann geschätzt
und für eine Steuerungsanpassung der Kraftstoffeinspritzpulsweite
verwendet werden, um ein erwünschtes Kraftstoff/Luft-Verhältnis
beizubehalten. Die Schätzung des von dem Motor 502 von
dem Ladeluftkühler 520 mittels der Drossel 516 aufgenommenen
Ethanoldampfs kann auf empirischen Systemtestdaten oder auf einem
mathematischen Modell beruhen, das solche Systemvariablen wie zum
Beispiel Ladeluftkühlerdruck, Ladeluftkühlertemperatur, die
volumetrische Strömrate von Ethanoldampf, der in den Ladeluftkühler
von der Membran eindringt, die Rate der flüssigen Ethanolkondensation
in dem Ladeluftkühler berücksichtigt. Weiterhin
kann die Anpassung von Kraftstoffeinspritzpulsweite (beruhend auf
einer Schätzung und/oder Messung und/oder Folgerung der
von dem Motor 502 von dem Ladeluftkühler 520 mittels
der Drossel 516 aufgenommenen Ethanoldampfmenge) durch
Rückmeldung von dem Abgassauerstoffsensor (in 5 nicht
gezeigt) verfeinert werden.
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Gereinigtes
flüssiges Ethanol kann direkt in Brennräume in
dem Motor 502 eingespritzt werden. Die Einspritzung von
gereinigtem flüssigen Ethanol kann als direkte Reaktion
auf einen detektierten „Klopf"-Zustand des Motors erfolgen,
und die Parameter der Einspritzung (z. B. Einspritzdruck, Dauer etc.)
können auf verschiedenen Betriebsvariablen beruhen, beispielsweise
Kraftstoff/Luft-Verhältnis, Betätigung des Gaspedals
und Grad des detektierten Klopfens. Die Direkteinspritzung des flüssigen
Ethanols bei Verwenden bei einem Motor, der Kanalkraftstoffeinspritzung
verwendet, erfordert typischerweise das separate Zuführen
von sowohl Ethanol als auch Benzin (oder die Verwendung eines Kraftstoffgemisches,
das vorrangig Ethanol ist, beispielsweise E85, das derzeit nicht
weit verbreitet ist). Durch Verwenden eines hierin beschriebenen
Ethanolabscheiders können aber leichter erhältliche
Kraftstoffe wie E10 (das etwa vom Volumen her aus 10% Ethanol besteht)
genutzt werden. Somit kann durch Nutzen eines hierin beschriebenen
Ethanolabscheiders eine einzelne Kraftstoffart für die
innere Verbrennung mittels Kanalkraftstoffeinspritzung verwendet
werden, und ein abgeschiedener Ethanolbestandteil des Kraftstoffs
kann für die Direkteinspritzung verwendet werden, um Klopfen
zu verringern, was die Gesamtleistung des Motors verbessert und
die Lebensdauer der wichtigen Motorbestandteile verlängert.
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6 zeigt
ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform
eines Verfahrens zum Steuern der Kraftstoffanlage mit einem Kraftstoffabscheider
von 5. Bei 602 kann der Stand flüssigen Ethanols
in dem Tank 538 für flüssiges Ethanol
gemessen oder gefolgert werden (z. B. aus der Historie der Ethanolnutzung
und/oder der Abscheidungsrate). Bei 604 kann ermittelt
werden, ob der Tank 538 für flüssiges
Ethanol voll ist. Wenn die Antwort bei 604 Ja lautet, dann
kann die Routine zu 606 vorrücken. Wenn die Antwort
bei 604 Nein lautet, dann kann die Routine zu 614 vorrücken,
wo ermittelt werden kann, ob in dem Hauptkraftstofftank 526 Ethanol
verfügbar ist. Wenn die Antwort bei 614 Nein lautet,
dann sollte die Abscheidung von Ethanol durch den Ethanolabscheider 522 angehalten
werden, und die Routine kann zu 606 vorrücken.
In manchen Ausführungsformen kann die Ethanolkonzentration
in dem Hauptkraftstofftank 526 mit einem Sensor gemessen
werden. In anderen Ausführungsformen kann die Ethanolkonzentration
in dem Hauptkraftstofftank 526 zum Beispiel aus einer Rückmeldung
von einem Abgassauerstoffsensor gefolgert werden.
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Bei 606 können
Zwischenschritte ergriffen werden, um die Abscheidung von Ethanol
durch den Ethanolabscheider 522 anzuhalten. Diese Schritte können
bei 608 das Schließen des Kraftstoffrückleitungsventils 532,
bei 610 das Abschalten des optionalen Luftrückleitungsgebläses 518 und/oder
das Öffnen des Venturi-Umgehungsventils 512 und
das Anpassen der Drossel 516 (falls erforderlich) zum Ausgleichen
des Öffnens des Venturi-Umgehungsventils 512 umfassen.
Wenn die Antwort bei 614 Ja lautet, dann kann die Routine
zu 612 vorrücken, wo ermittelt werden kann, ob
der Stand des Tanks 538 für flüssiges
Ethanol sehr niedrig ist (zum Beispiel unter halbvoll oder unter
einem viertel voll). Wenn die Antwort bei 512 Nein lautet,
dann kann die Routine zu 616 vorrücken. Wenn die
Antwort bei 612 Ja lautet, kann die Routine zu 626 vorrücken.
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Bei 616 können
Zwischenschritte ergriffen werden, um eine Abscheidung von Ethanol
durch den Ethanolabscheider 522 mit minimalen parasitären Verlusten
zu ermöglichen. Bei 618 kann das Kraftstoffrückleitungsventil 532 geöffnet
werden. Bei 620 kann das optionale Rückleitungsgebläse 518 abgeschaltet
werden. Bei 622 kann das Venturi-Umgehungsventil 512 geschlossen
werden, wenn sich die Drossel 516 nicht nahe einem weit
offenen Drosselzustand befindet. Bei 624 kann die Drossel 516 angepasst
werden, um das Schließen des Venturi-Umgehungsventils 512 auszugleichen.
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Bei 626 können
Zwischenschritte ergriffen werden, um die Abscheidung von Ethanol
durch den Ethanolabscheider 522 zu steigern, so dass die
Rate, bei der der Tank 538 für flüssiges
Ethanol wieder aufgefüllt wird, maximiert wird, auch wenn
dies einige parasitäre Verluste mit sich bringen mag. Bei 628 kann
das Kraftstoffrückleitungsventil 532 geöffnet werden.
Bei 630 kann ein optionales Luftrückleitungsgebläse 518 eingeschaltet
werden und/oder ein Venturi-Umgehungsventil 512 kann geschlossen werden.
Bei 632 kann die Drossel 516 verstellt werden,
um das Schließen des Venturi-Umgehungsventils 512 auszugleichen
(wenn das Venturi-Umgehungsventil 512 bei 630 geschlossen
wurde).
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Zusätzlich
kann die Abscheidung durch Ändern eines Betrags der Ansaugkrümmer-Druckladung
angepasst werden, beispielsweise durch Ändern des Betriebs
des Turboladers. Wenn zum Beispiel die Ethanolspeichermenge niedrig
ist und/oder verstärkte Ethanoldirekteinspritzung für
eine vorgegebene Betriebsbedingung erzeugt wird, kann das Laden
verstärkt werden (z. B. durch Verringern des Ladedruckventilbetriebs,
Anpassen der Turbinengeometrie etc.), wodurch die Ansauglufterwärmung
gesteigert und die Abscheidungsrate erhöht wird. Ein solches
Vorgehen kann zusätzlich zu oder an Stelle der vorstehend
bezüglich zum Beispiel 6 erwähnten
verschiedenen Vorgänge ergriffen werden.
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7 zeigt
ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform
eines Verfahrens zum Schätzen der Ethanoldampfmenge, die
von dem Kraftstoffabscheider von 5 zum Motor
weitergeleitet wurde, und zum Anpassen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses
als Reaktion darauf. Bei 702 kann die von dem Kraftstoffabscheider 522 zu
dem Motor 502 weitergeleitete Ethanoldampfmenge geschätzt
werden. Diese Schätzung kann mehrere Faktoren berücksichtigen,
wofür bei 704, 706 und 708 Beispiele
vorgesehen werden. Bei 704 können die Temperatur
und der Druck des Ladeluftkühlers 520 gemessen
werden (mittels eines Sensors oder mittels Sensoren) oder können
aus einer anderen Betriebsbedingung/anderen Betriebsbedingungen
gefolgert werden. Bei 706 kann die Rate des in den Ladeluftkühler 520 von
dem Kraftstoffabscheider 520 eindringenden Ethanoldampfs
geschätzt werden. Bei 708 kann die Rate des flüssigen
Ethanols, das von dem Ladeluftkühler 520 kondensiert
wird und zu dem Tank 538 für flüssiges
Ethanol weitergeleitet wird, gefolgert oder gemessen werden, zum
Beispiel mit Hilfe einer Fluidstandmessung in dem Tank 538 für
flüssiges Ethanol und/oder durch einen stromabwärts
des Ladeluftkühlers 520 und stromaufwärts
des Tanks 538 für flüssiges Ethanol angeordneten
Durchflussmesser. Bei 710 kann das Kraftstoff/Luft-Verhältnis als
Reaktion auf die geschätzte Menge an Ethanoldampf, der
von dem Ladeluftkühler 520 weiter zum Motor 502 geleitet
wurde, angepasst werden. Dies kann zum Beispiel das Anpassen der
Kraftstoffeinspritzpulsweite und/oder des Kraftstoffeinspritzdrucks
umfassen. Das derartige Anpassen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses
kann es ermöglichen, den Motor näher am stöchiometrischen
Verhältnis zu betreiben und die gesamte Kraftstoffwirtschaftlichkeit
zu verbessern.
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8 zeigt
eine andere beispielhafte Ausführungsform eines Abscheiders
allgemein bei 820. Der Abscheider 820 umfasst
eine selektive Membran 822 und eine Außenwand 824,
die einen durch die Außenwand festgelegten Innenraum in
einen ersten Durchlass 826 (z. B. Ethanol-Benzin-Seite
oder Ethanolseite) und einen zweiten Durchlass 828 (z.
B. Ethanol-Benzin-Seite oder Ethanolseite) unterteilt. Die selektive
Membran 822 nimmt die Form einer über dem Inneren
der Außenwand 824 angeordneten linearen Membran
an. In manchen Ausführungsformen kann die selektive Membran 822 mit
einem sulfonierten Tetrafluorthylencopolymer wie Nafion hergestellt
sein. Andere Ausführungsformen können die selektive
Membran 822 zu auslegen, dass sie aus einem anderen geeigneten
polymeren Material(ein) gefertigt ist. An einem von: erstem Durchlass 826 und zweitem
Durchlass 828 kann Mischkraftstoff vorgesehen werden, und
ein extrahierter Kraftstoffbestandteil kann von dem anderen von:
erstem Durchlass 826 und 828 zurückgewonnen
werden. Abhängig von dem für die selektive Membran 822 verwendeten
Material kann die selektive Membran 822 ein steifes Stützmaterial
(zum Beispiel ein Metall wie Zirkoniumoxid oder Keramikmaterial)
umfassen, das das selektive Membranmaterial trägt. Ein
solches steifes Membranmaterial kann dazu beitragen, das selektive
Membranmaterial gegen erhöhte Drücke zu stützen,
die in dem Kraftstoffabscheidungsprozess verwendet werden können.
In anderen Ausführungsformen kann das selektive Membranmaterial
ausreichend stark und fest sein, um das Verzichten auf einen Träger
zu ermöglichen.
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9 zeigt
allgemein bei 920 eine andere beispielhafte Ausführungsform
eines Ethanolabscheiders. Der Ethanolabscheider 920 ähnelt
den vorstehend beschriebenen anderen Ausführungsformen,
insofern er eine selektive Membran 922 und eine Außenwand 924 umfasst,
die einen durch die Außenwand festgelegten Innenraum in
einen ersten Durchlass 926 (z. B. Ethanol-Benzin-Seite
oder Ethanolseite) und einen zweiten Durchlass 928 (z.
B. Ethanol-Benzin-Seite oder Ethanolseite) unterteilt. Die selektive
Membran 922 nimmt aber an Stelle einer linearen Membran
die Form einer zusammengelegten oder gefalteten Membran an. In anderen
Ausführungsformen kann statt einer linearen Membran eine
wabenförmige Membran verwendet werden. In manchen Ausführungsformen
kann die selektive Membran 922 mit einem sulfonierten Tetrafluorthylencopolymer
wie Nafion hergestellt werden. Andere Ausführungsformen
können die selektive Membran 922 so auslegen,
dass sie aus einem anderen geeigneten polymeren Material(ein) gefertigt
ist. An einem von: erstem Durchlass 926 und zweitem Durchlass 928 kann
Mischkraftstoff vorgesehen werden, und ein extrahierter Kraftstoffbestandteil
kann von dem anderen von: erstem Durchlass 926 und 928 zurückgewonnen
werden. Die Verwendung einer zusammengelegten Membran, einer gefalteten
Membran oder einer wabenförmigen Membran im Gegensatz zu
einer linearen Membran kann dazu beitragen, die Fläche
der selektiven Membran zu vergrößern, und kann
daher dazu beitragen, die Kraftstoffabscheidungsraten zu vergrößern,
da die Diffusionsrate von Ethanol proportional zur Membranfläche
ist.
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In
manchen Ausführungsformen kann die Leistung eines Abscheiders überwacht
werden, um ein größeres Maß an Steuerung
des Abscheiders zu bieten. Die Leistung des Abscheiders kann in
jeder geeigneten Weise überwacht werden. Zum Beispiel kann
eine Abscheidungsrate aus Variablen wie der Temperatur des Abscheiders,
der Strömgeschwindigkeit des Mischkraftstoffs in den Abscheider,
dem Druck des Mischkraftstoffs in dem Abscheider, der Zusammensetzung
des Mischkraftstoffs und/oder dem Druck und/oder der Strömgeschwindigkeit
der rückgeleiteten Gase (oder eines anderen Extraktionsfluids)
im Abscheider gefolgert oder berechnet werden. Weiterhin kann die
Abscheidungsrate auch durch Messen des Kaloriengehalts (zum Beispiel
mittels eines UEGO-Sensors) des extrahierten Fluids und/oder durch
optisches Messen eines Alkoholgehalts eines Flüssigphasen-Extraktionsfluids
berechnet werden, wobei das extrahierte Fluid Alkohol ist. Es versteht
sich, dass dies lediglich beispielhafte Verfahren zum Überwachen,
Berechnen oder Schätzen einer Leistung eines Abscheiders
sind und dass jedes geeignete Verfahren verwendet werden kann.
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Die
hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Routinen können
von dem Steuersystem ausgeführt werden. Ferner können
die hierin enthaltenen Steuerroutinen mit verschiedenen Motorkonfigurationen
verwendet werden. Die hierin beschriebene spezifische Routine kann
eine oder mehrere einer Reihe von Verarbeitungsstrategien darstellen,
beispielsweise ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking,
Multithreading und dergleichen. Daher können verschiedene
gezeigte Schritte, Betriebe oder Funktionen in der gezeigten Abfolge
oder parallel ausgeführt oder in manchen Fällen
ausgelassen werden. Analog ist die Reihenfolge der Verarbeitung
nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und/oder Funktionen
der beispielhaften Ausführungen zu verwirklichen, kann
aber zur besseren Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen
werden. Auch wenn dies nicht ausdrücklich gezeigt wird,
können ein oder mehrere der gezeigten Schritte, Funktionen
oder Handlungen abhängig von der jeweils eingesetzten Strategie
wiederholt ausgeführt werden. Weiterhin können
das Flussdiagramm/die Flussdiagramme zum Beispiel einen in ein maschinenlesbares
Speichermedium in dem Steuergerät einzuprogrammierenden
Code graphisch darstellen.
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Der
Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuartigen
und nicht nahe liegenden Kombinationen und Unterkombinationen der
verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie andere Merkmale,
Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart werden.
Die folgenden Ansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen
und Unterkombinationen auf, welche als neuartig und nicht nahe liegend
betrachtet werden. Diese Ansprüche können auf „ein"
Element oder „ein erstes" Element oder eine Entsprechung
desselben verweisen. Diese Ansprüche sind so zu verstehen,
dass sie das Integrieren eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen,
wobei sie zwei oder mehrere dieser Elemente weder fordern noch ausschließen.
Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale,
Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch
Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch
Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten
Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden,
ob sie nun gegenüber dem Schutzumfang der ursprünglichen
Ansprüche breiter, enger, gleich oder unterschiedlich sind,
ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten
betrachtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6711893 [0002]
- - US 2006/0191727 [0002]