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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Trennen von Wasser und Benzin (oder einem anderen Kraftstoff) von Schmieröl, das in einem arbeitenden Motor umgewälzt wird. Genauer betrifft diese Offenbarung Verfahren zum Verwenden von Vorrichtungen, in denen Öl entlang Oberflächen von Membranen umgewälzt wird, wobei durch die Membranen Wasser- und Kraftstoffbestandteile wie etwa Benzin, Dieselkraftstoff oder Ethanol selektiv aus dem Öl entfernt werden. Im Allgemeinen werden die Wasser- und Kraftstoffbestandteile in getrennten Strömen strömender Luft von den Membranoberflächen entfernt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die meisten Kraftfahrzeuge werden durch Verbrennungsmotoren angetrieben, die mehrere einander ergänzende Zylinder umfassen, in denen dicht passende hin- und hergehende Kolben die Einleitung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, die Verdichtung des Gemischs, die Verbrennung des Gemischs und den Ausstoß von Verbrennungsprodukten aufnehmen. Der Kraftstoff kann Benzin, Dieselkraftstoff, Alkohol-Kraftstoff-Gemische, Alkohol-Biokraftstoff-Zusammensetzungen oder andere kohlenstoffhaltige Zusammensetzungen, die mit Luft brennbar sind, umfassen. Die Schmierung beweglicher Teile wird mit einer geeigneten kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeit ausgeführt, die aus einem Kurbelgehäuse in dem unteren Teil des Motors gepumpt und über bewegliche Teile des Motors verteilt wird.
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Die Umwälzung des Schmieröls wird abgeschlossen, während es zurück in die Ölwanne entleert wird. Das Volumen des Öls kann in Abhängigkeit von der Größe des Motors mehrere Quart betragen.
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Am Schluss des in den jeweiligen Zylindern stattfindenden Verbrennungsprozesses enthalten die Zylinder eine Vielzahl von Chemikalienarten einschließlich Wasserdampf, unverbranntem Kraftstoff und Schwebstoffen. Der größte Teil davon wird während des Ausstoßtakts aus den Zylindern ausgestoßen, wobei aber ein gewisser Anteil davon an den Kolbenringen vorbei in das Kurbelgehäuse und in Kontakt mit dem Schmieröl befördert wird. Während der Motor betrieben wird und das Öl umgewälzt wird, sammelt es somit Schwebstoffe an, die durch Umwälzen des Öls durch einen Filter entfernt werden können. Allerdings sammelt das Öl auch Wasser, unverbrannten Kraftstoff und andere flüssige oder gasförmige Verbrennungsnebenprodukte an, die durch herkömmliche Filterungstechniken nicht entfernt werden können.
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Bei normalen Motorbetriebstemperaturen sind diese Verbrennungsnebenprodukte häufig ausreichend flüchtig, damit sie durch Verdampfung aus dem Öl ausgestoßen werden können. Wenn ein Motor regelmäßig nur für verhältnismäßig kurze Zeitdauer betrieben wird, nimmt die Öltemperatur, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen, allerdings nicht ausreichend zu, um diese Schadstoffe zu verdampfen und auszustoßen, sodass sie sich fortschreitend ansammeln. Diese Ansammlung von Wasser, Kraftstoff und Verbrennungsnebenprodukten verflüssigt, verdünnt und verunreinigt das Öl prinzipiell, sodass es möglicherweise aus dem Motor entleert werden muss, bevor sich seine Nutzeigenschaften auf andere Weise erschöpft hätten. Es besteht ein Bedarf an einem Verfahren und an einer Vorrichtung oder an einem Apparat für die Entfernung von Kraftstoff und Wasser aus dem Schmieröl im Fahrzeug.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung schafft Praktiken für die Verwendung geeigneter Membranen zum Entfernen von Wasser und Kraftstoff (und dergleichen) aus Schmieröl, während es in einem arbeitenden Motor umgewälzt wird. Membranen sind Materialien aus dünnschichtartigen Strukturen, die seitliche Abmessungen aufweisen, die viel größer als ihre Dicke sind, und die eine Zusammensetzung und Mikrostruktur aufweisen, die die Übertragung ausgewählter Chemikalienarten durch ihre Dicke unter Konzentrationsgradienten oder anderen Antriebskräften zulassen. Obgleich die Erfindung an feststehenden Verbrennungsmotoren verwirklicht werden kann, ist sie besonders zur Verwendung in motorbetriebenen Fahrzeugen bestimmt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird veranlasst, dass wenigstens ein Teil des Stroms des Umwälzmotorschmieröls entlang der Oberfläche einer geeigneten Membran strömt. Die Membran weist eine erste Membranoberfläche für den Kontakt mit dem Umwälzöl und eine gegenüberliegende Membranoberfläche für die Entfernung von Material, das von dem Öl getrennt und entfernt wurde, auf. Die erste Oberfläche der Membran ist so zusammengesetzt, dass sie für die Ölzusammensetzung undurchlässig ist, wobei die Membran aber den Durchgang von in dem Öl dispergierten Wasser- und/oder Kraftstoffmolekülen zulässt. Das chemische Wesen der Membranoberfläche bewirkt und lässt zu, dass Moleküle von Wasser und/oder Kraftstoff aus dem strömenden Öl durch die Membran zu der gegenüberliegenden Oberfläche diffundieren. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird veranlasst, dass ein Luftstrom über die gegenüberliegende Oberfläche der Membran strömt, um die hindurch gelangenden Wassermoleküle oder -kraftstoffmoleküle (oder beide) in einem Permeatstrom wegzutragen. Das Wegspülen der Moleküle von der zweiten Membranoberfläche hält einen Konzentrationsgradienten der Verunreinigungsarten über die Dicke der Membran aufrecht, der die weitere Trennung von Wasser und Kraftstoff von dem strömenden Ölstrom fördert (wobei der verbleibende Ölstrom gelegentlich ein Retentatstrom genannt wird).
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Im Allgemeinen kann es bevorzugt sein, Wasser aus dem Öl durch eine erste Membran (oder durch ein erstes Membrangebiet) und Kraftstoff oder andere kohlenstoffhaltige Verunreinigungen durch ein zweites Membrangebiet zu entfernen, sodass das wiedergewonnene Wasser und möglicherweise gelöste Stoffe wie Alkohol und Kraftstoff getrennt behandelt werden können. Zum Beispiel kann aus dem Öl entferntes Wasser an die Umwelt ausrangiert werden; aus dem Öl entfernter Kraftstoff kann, etwa zur Wiederverwendung in dem Motor, gelagert werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Membranen die Form ebener Dünnschichten haben, die an ebenen Platten getragen sind. In anderen Ausführungsformen können die für diesen Ölreinigungsprozess verwendeten Membranen die Form von Hohlfasern haben, wobei z. B. zugelassen wird, dass wasser- und kraftstoffhaltiges Schmieröl um die Außenumfangsoberflächen eines Bündels von Fasern strömt und Luft durch die inneren Hohlräume der Fasern strömt, um Wasser oder Kraftstoff von Durchblaseprodukten zu entfernen. In nochmals anderen Ausführungsformen können die Membranen spiralförmig oder in anderen geeigneten Konfigurationen gewickelt sein. Die jeweiligen Formen von Membranen sind häufig innerhalb geeigneter Metall- oder Polymergehäuse oder -mänteln getragen, die so geformt und konstruiert sind, dass sie Umwälzöl (das Kügelchen aus Wasser und Kraftstoff enthält) in dem Gehäuse aufnehmen, um das Öl entlang der oberstromigen Seiten der getragenen Membranen zu leiten und zuzulassen, dass gereinigtes Öl aus dem Gehäuse austritt und sich wieder mit dem Öl verbindet, das über die Motoroberflächen gepumpt wird. Es ist bevorzugt, dass die Ölströmung turbulent ist, und die Erfindung umfasst die Einführung geeigneter Ablenkbleche oder Strömungsmodifikatoren in den Ölstrom, falls es erforderlich ist, um Turbulenz zu verleihen. Außerdem lassen die Gehäuse Luft (oder ein anderes Spülfluid) entlang der unterstromigen Seite (oder Permeatseite) des Gehäuses strömen, um Wasser- und/oder Kraftstoffbestandteile zu entfernen. Wie in dieser Beschreibung im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, können die Membranen so zusammengesetzt und getragen sein, dass sie Wasser und kohlenstoffhaltige Bestandteile in getrennten Gebieten einer Gruppierung von Membranoberflächen innerhalb eines Gehäuses oder in getrennten Gruppierungen von Membranstrukturen, die sich in demselben Gehäuse oder in verschiedenen Gehäusen befinden, entfernen.
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Membranmaterialien für die Auslegung für die Trennung polarer Bestandteile wie Wasser und Alkohol und nicht polarer Bestandteile wie Kraftstoff aus Öl für einen arbeitenden Motor sind verfügbar. Es werden Membranzusammensetzungen genutzt, die den Durchlass der verhältnismäßig kleinen Wassermoleküle und Alkoholmoleküle zulassen, die Diffusion der Motorölmoleküle aber verwehren. Diese können in Verbindung mit alternativen Membranzusammensetzungen genutzt werden, die geeignet für den Durchgang von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffbestandteilen, aber nicht von Motoröl sind. Zum Beispiel können Zellulose- oder Zelluloseacetat-Hohlfasern oder -Dünnschichten verwendet werden. Diese bieten eine geeignete Sperre für das über ihre Oberflächen strömende Motoröl, lassen aber zu, dass sich Wasser von dem Ölstrom trennt und durch das Membranmaterial transportiert wird. Einige Kraftstoffzusammensetzungen können ebenfalls durch Zellulosemembranmaterial diffundieren, wobei aber 'Molekularsiebe' wie Zeolithe bevorzugt sind. Allerdings können Membranmaterialien, die den Durchgang von Schmieröl verwehren, mit einer Schicht einer hydrophilen Zusammensetzung oder oleophilen Zusammensetzung beschichten werden, um die wahlweise oder aufeinanderfolgende Entfernung von Wasser und die Entfernung von Kraftstoff oder Durchblasematerial zuzulassen. Membranmaterialien und -beschichtungen sind in dieser Beschreibung weiter diskutiert.
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Wie oben erwähnt wurde, ist die Membranstruktur dieser Erfindung zur Verwendung bei der Behandlung von Motoröl in einem Fahrzeug, während der Motor arbeitet, geeignet. Die Membranstruktur ergänzt die Funktion eines Motorölfilters zum Entfernen von Schwebstoffverunreinigungen und kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung mit dem Filter kombiniert oder ihm zugeordnet sein. Die Membranstruktur kann so bemessen sein, dass sie jederzeit nur einen Teil des Umwälzölstroms behandelt. Aus dem Motorraum kann Luft angesaugt werden, um Wasser und andere Permeatmaterialien aus der Membranbaueinheit zu befördern. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Öl z. B. während kurzer Zeitdauern des Motorbetriebs nicht sehr heiß sein, wobei die Membran aber so bemessen oder auf andere Weise ausgelegt sein kann, dass sie das verhältnismäßig kalte Öl reinigt.
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Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus Beschreibungen veranschaulichender Ausführungsformen hervor, die in dieser Beschreibung folgen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A–E zeigen eine Übersicht der Anwendung der Erfindung auf einen arbeitenden Verbrennungsmotor und eine Übersicht von Ausführungsformen der Erfindung, die sich in Bezug auf die Anordnung der Elemente der Erfindung unterscheiden.
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2A–B zeigen Beispiele von Querströmungsmembran-Trenneinheiten, die für die Entfernung von Wasser und Kraftstoff aus Motorschmieröl geeignet sind. 2A veranschaulicht eine Ausführungsform, in der das ankommende Motoröl umgewälzt wird und um rohrförmige hohle Membranen strömt und Spülluft durch die Membranen geleitet wird. 2B veranschaulicht eine Ausführungsform, in der das ankommende Motoröl entlang rohrförmiger hohler Membranen geht und Spülluft um die Membranen geleitet wird. In jeder Ausführungsform sind getrennte Gruppen von Membranen vorgesehen, wobei jede Gruppe entweder für die Kraftstoff- oder für die Wasserentfernung angepasst ist und jede an einem einzelnen Spülluftströmungsweg beteiligt ist.
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3 zeigt die Einzelheit der Membrankonfiguration einer spiralförmig gewickelten Querströmungsmembran-Trenneinheit.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht im Teilschnitt einer zusammengesetzten spiralförmig gewickelten Querströmungsmembran-Trenneinheit.
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5 zeigt in der perspektivischen Ansicht die allgemeine Struktur eines Teils einer Querströmungsmembran-Trenneinheit, die eine Platten- und Rahmenkonstruktion nutzt. Die Strömungswege des Ölgemischs und der Spülluft sind angegeben.
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BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Moderne Verbrennungsmotoren sind auf genaue Toleranzen gebaut, die die Verwendung hochwertiger Schmiermittel erfordern. Um diese Notwendigkeit zu erfüllen, umfassen gegenwärtige Motorschmiermittel ein hochentwickeltes Gemisch aus Grundöl und geeigneten Zusätzen, um auch nach beträchtlicher Verwendung unter einem weiten Bereich herausfordernder Bedingungen die notwendige Schmierleistung zu fördern.
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Eine seltene Bedingung, die von gegenwärtigen Schmiermitteln oder Schmiermittelsystemen nicht gut behandelt wird, entsteht, wenn Fahrzeugmotoren ständig nur für kurze Zeiten laufen. Unter dieser Bedingung erreicht das Schmieröl nur selten und dann nur für kurze Zeitdauern seine 'normale' Betriebstemperatur.
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Während des Verbrennungsprozesses tritt etwas 'Durchblasen' auf, das etwas unverbrannten Kraftstoff und Feuchtigkeit an den Kolbenringen vorbei in das Kurbelgehäuse treibt, wo sie in das Schmieröl aufgenommen werden. Wenn das Öl auf seiner 'normalen' Betriebstemperatur von zwischen 80 und 110°C gehalten wird, verdampfen diese flüchtigen Verunreinigungen und werden durch das Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem entfernt. Allerdings sammeln sich unter ständigen kurzen Motorbetriebszyklen, insbesondere unter den niedrigen Umgebungstemperaturen, die während des Winterfahrens festgestellt werden, diese Verunreinigungen und Verdünnungen an und werden, wenn sie nicht entfernt werden, schnell die Schmierfähigkeiten des Öls verschlechtern. Die Ansammlung von Wasser kann erheblich sein, und unter den beschriebenen Bedingungen können leicht Wasserkonzentrationen von 5% oder höher in Schmieröl, eine wesentlich höhere Konzentration als der gewünschte Grad von 0,2% oder weniger, auftreten. Falls diese Verunreinigungen nicht abgetrennt und aus dem Öl entfernt werden können, ist die einzige Alternative der Ölwechsel nach einem beschleunigten Plan.
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Die Entfernung dieser Verunreinigungsflüssigkeiten wird unter Verwendung halbdurchlässiger Membranen erreicht, die den selektiven Transport von Bestandteilen des Gemischs durch die Membran ermöglichen. Atome und Moleküle können die Membran durch physikalischen Transport durch Poren in der Membran oder durch Diffusion durch die Membran durchqueren. Da das Ziel der Transport von Wasser und Kraftstoff aus dem Öl in erheblichen Mengen ist, um sie in dem Öl in niedriger Konzentration zu halten, sind Membranen, die einen physikalischen Transport ermöglichen, bevorzugt. Die Leistung verschiedener Membranen beim Trennen bestimmter Kombinationen von Arten kann durch geeignete Wahl der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Membran verbessert werden und kann durch Auftrag spezifischer Beschichtungen auf die Membran weiter geändert werden. Zum Beispiel sind beim Trennen von Wasser von Öl Beschichtungen, die hydrophil und oleophob sind, bevorzugt.
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Genauer assoziieren sich Beschichtungen, die Gruppen enthalten, die beweglich sind, aber hochpolar sind, mit polaren Flüssigkeiten wie Wasser und Alkoholen oder mit anderen polaren Gruppen. Die Assoziation der polaren Gruppen miteinander bewirkt die Minimierung der Durchdringung durch hydrophobe Moleküle wie Öl, Benzin oder Dieselkraftstoff. Nichteinschränkende Beispiele solcher Gruppen sind: Polyole (wie etwa Polyvinylalkoholketten); Gruppen mit Kohlenhydratseitenketten; Polyacrylsäure oder -derivate; und Polymere, die Seitenketten oder Seitengruppen mit Hydroxyleinheiten wie etwa Hydroxyphenole oder Seitenketten mit Ammoniumeinheiten enthalten.
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Ethanol oder andere Alkohole, die mit mit Alkohol gemischtem Kraftstoff oder mit Kraftstoff E85 assoziiert sind, verhalten sich ähnlich gegenüber Wasser und durchqueren Membranen mit vergleichbarer Effizienz wie Wasser, um ein alkoholhaltiges Permeat auf Wassergrundlage zu erzeugen.
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Die Trennung von Kraftstoff, entweder Benzin oder Dieselkraftstoff, von Öl wird durch Beschichtungen gefördert, die größenselektiv sind, sodass die kleineren Kraftstoffmoleküle nicht durch die mesoporösen Materialien diffundieren können, während die größeren Ölmoleküle (und Emulgatoren, Viskositätsextender und andere Schmierölzusätze) dies nicht können. Ein Beispiel wären Zeolithe, Alumosilikate, die auf molekularen Dimensionen eine sehr regelmäßige Porenstruktur besitzen, in der die Porengröße durch Kationenersetzung 'maßgefertigt' werden kann.
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Die Trennung findet in dem Schmieröl statt, das in einem arbeitenden Motor umgewälzt wird. Wie in 1A gezeigt ist, enthält ein Motor 10 ein Volumen Öl 12, das in einer Ölwanne 14 enthalten ist. Unter der Wirkung einer Pumpe (nicht gezeigt) wird Öl durch einen Siebfilter/Öl-Einlass 16 und durch einen Motorölfilter 18 aus der Ölwanne angesaugt. Der Motorölfilter 18 kann ein herkömmlicher Aufschleuderölfilter, der an die Praxis dieser Erfindung angepasst worden ist, oder ein Ölfilter mit alternativem Entwurf, der gleichfalls an die Praxis dieser Erfindung angepasst worden ist, sein. Die Ausgangsschmiermittelströmung 20 des Filters 18, die Öl, Wasser und Kraftstoff enthält, von Schwebstoffen aber im Wesentlichen abgereichert worden ist, geht in ein Kraftstoff- und Wasserseparatorsystem, das allgemein als 'A' gezeigt ist. Das Kraftstoff/Wasser-Trennsystem 'A' gibt drei Ströme aus: einen Kraftstoffstrom, der den Kraftstoff oder ähnliche durch einen Kraftstoffseparator entfernte Bestandteile umfasst; einen Wasserstrom, der Wasser und ähnliche durch einen Wasserseparator entfernte Bestandteile wie etwa Alkohole umfasst; und einen Ausgangsölstrom 22 mit verringerten Graden an Wasser- und Kraftstoffverunreinigungen. Der Ausgangsölstrom 22 wird daraufhin an alle Teile des Motors, die Schmierung erfordern, wie etwa Lager, Zylinder usw. (nicht gezeigt) geliefert und kehrt nachfolgend zur Ölwanne 14 zurück.
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Da die Absicht besteht, zwei Bestandteile in dem Öl, Kraftstoff und Wasser, getrennt zu entfernen, sind getrennte und verschiedene Membranen oder Membranbeschichtungen, die jeweils zum Behalten von Öl, aber zum Transport entweder von Wasser oder von Kraftstoff optimiert sind, bevorzugt. Wo die Unterscheidung zwischen Kraftstoff und Wasser durch Auftrag von Beschichtungen auf eine gemeinsame Membran erreicht wird, kann allerdings die wahlweise Beschichtung bestimmter Gebiete der Membran zur Anpassung dieser Gebiete für den Durchlass entweder von Kraftstoff oder von Wasser eine bevorzugte Herangehensweise sein.
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Diese Membranen können wie in 1B angegeben einzeln gepackt und parallel angeordnet sein oder, wie in 1C dargestellt ist, wo ohne Einschränkung oder Beschränkung der Wasserseparator als den Kraftstoffseparator vorgeschaltet gezeigt ist, in Reihe angeordnet sein. Alternativ können beide in einem einzelnen Behälter gepackt und wie in 1D für die parallele Strömung oder, wie in 1E gezeigt ist, für die serielle Strömung angeordnet sein.
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Die Kraftstoff- und Wasserseparatoren umfassen eine selektive Membran oder Beschichtung, die auf einer Seite mit dem verunreinigten Umwälzöl, vorzugsweise in einer Querströmungskonfiguration, in Berührung steht. Die Querströmungskonfiguration ist bevorzugt, da nachgewiesen worden ist, dass sie Verschmutzung oder Verstopfung der Membranporen durch Ablagerung von Verunreinigungen verringert. Der Durchgang von Chemikalienarten durch die Membran wird durch einen Druckgradienten angetrieben, wobei der ausgewählte Schadstoff, Wasser oder Kraftstoff, durch die Membran zu der anderen Membranoberfläche wandert. Der Druckgradient hat zwei Quellen. Zunächst verursacht der Konzentrationsgradient, der über die Membran vorhanden ist, einen osmotischen Druck. Zweitens spült der Druckgradient, der wegen des Öls bei seinem Betriebsdruck auf einer Seite der Membran und wegen des Spülgases auf Atmosphärendruck auf der anderen über die Membran erzeugt wird, Gas auf die andere. Bei der zweiten Membranoberfläche wird der Konzentrationsgradient dadurch aufrechterhalten, dass die transportierten Arten durch Leiten einer Gasströmung, 'Spülgas', über die Membranoberfläche, ständig entfernt werden. Das Spülgas enthält anfangs eine Konzentration der wandernden Arten unterhalb des Gleichgewichts, sodass es die wandernden Arten effizient von der Membranoberfläche annehmen und transportieren kann.
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Mit dem weiten Bereich von Verbrennungsmotoren und Kraftstoffen in gegenwärtiger Verwendung könnte der zu behandelnde Schmierölstrom Benzin, Dieselkraftstoff oder Ethanol sowie Wasser enthalten. Wie angemerkt wurde, können diese Kraftstoffkomponenten auf der Grundlage ihres polaren oder nichtpolaren Wesens unterschieden werden. Die nichtpolaren Bestandteile, Benzin und Dieselkraftstoff, umfassen Gemische aliphatischer und aromatischer Kohlenwasserstoffes. Benzine umfassen allgemein Alkane mit der Anzahl der Kohlenstoffatome im Bereich von 5-12, während Dieselkraftstoff Ketten und aromatische Verbindungen umfasst, die 10-20 Kohlenstoffatome enthalten. Natürlich tritt in irgendeinem Ölvolumen je nach dem Motortyp nur Dieselkraftstoff oder Benzin auf.
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Somit umfasst die Trennung der Ölverunreinigungen in einem Selbstzündungs- oder Dieselmotor-Schmiersystem die Trennung von Dieselkraftstoff und Wasser von dem Öl. In einem Fremdzündungsmotor ist die Trennung von Wasser und zugeordnetem Ethanol, wenn vorhanden, und Benzin von dem Öl erforderlich. Da die verschiedenen Verunreinigungen von Gasen abgeleitet sind, die in der Verbrennungskammer am Schluss der Verbrennung vorhanden sind, sind sie näherungsweise in der Konzentration vorhanden, in der sie in der Verbrennungskammer auftreten. Da alle Motoren die Kraftstoffeffizienz maximieren sollen, ist in einem Motor bei normaler Betriebstemperatur Wasser in der Verbrennungskammer im Allgemeinen in höherer Konzentration als unverbrannter Kraftstoff vorhanden. Allerdings nimmt die Kraftstoffkonzentration während des Motorkaltstarts, da das fette Kraftstoff-Luft-Gemisch genutzt wird, zu. Unter Kurzstrecken-Fahrmustern mit mehreren Motorkaltstart-Ereignissen kann sich am Ende einer Winterfahrsaison eine vergleichbare Ansammlung sowohl von Kraftstoff als auch von Wasser in Öl ergeben.
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Eine geeignete Querströmungsmembran-Separatorvorrichtung für die gleichzeitige Trennung von Wasser und Kraftstoff von Öl und in Übereinstimmung mit der in 1D veranschaulichten Anordnung ist in 2A bei 100 gezeigt. Die Vorrichtung umfasst zwei Sätze von Einlassströmungskanälen, einen für Öl und einen für Spülgas (z. B. Luft). Es sind drei Auslässe, einer für die Auslassölströmung und jeweils einer für das kraftstoff- und für das wasserhaltige Spülgas, vorgesehen. Diese Fluidströme treten nicht direkt miteinander in Wechselwirkung und jeder folgt seinem eigenen vorgeschriebenen Strömungsweg, ohne dass sie sich miteinander mischen. Die einzige Wechselwirkung ist die Übertragung des Permeats von dem Eingangsölstrom zu den Spülgasströmen, die durch die semipermeable Membran, die die Ströme trennt, vermittelt wird.
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Die Einlassölströmung 20 unter durch die Ölpumpe erteiltem Druck tritt durch das Einlassrohr 11 ein und geht zu dem durchlochten Verteilungsrohr 19, das durch eine Endplatte 17 versperrt ist und dadurch die Ölströmung zwingt, in eine Reihe von Ölströmungen 15 zu zerfallen. Es wird erwartet, dass der Zerfall der Ölströmung in einzelne Strömungsströme vorteilhaft Turbulenz einführt und den Massentransport in dem Öl verstärkt. Alternativ können turbulenzerzeugende Merkmale (nicht gezeigt) eingeführt sein, die mit den Strömungsströmen 15 in Wechselwirkung treten, um die Turbulenz der Strömung zu erhöhen. Die Strömungsströme 15 werden um eine Reihe hohler rohrförmiger Membranen 60 und 65 umgewälzt und durch den Mantel 40 geleitet, um durch die Öffnung 13 in der Stirnwand 50 zu gehen, um sich zu dem Retentatstrom 22 zu reformieren und durch das Auslassrohr 13 auszutreten. Gleichzeitig tritt durch den Einlass 21 eine Spülgasströmung 23 in den Verteiler 26 ein, wo sie so geleitet wird, dass sie durch die hohlen Kerne der rohrförmigen Membranen 60 und 65 geht, die in der Stirnwand 50 befestigt und zum Verteiler 26 offen sind. Die rohrförmigen Membranen 60 sind für die Übertragung von Kraftstoff geeignet, während die rohrförmigen Membranen 65 für die Übertragung von Wasser geeignet sind. Das Spülgas trägt irgendwelches Permeat, irgendwelches Wasser oder irgendwelchen Kraftstoff entlang der Länge der Fasern 60 und 65. Das andere Ende der Faser 60 ist in der Stirnwand 52 befestigt, aber offen zur Sammelleitung 28. Beim Verlassen der rohrförmigen Membranen 60 treten die einzelnen kraftstoffpermeatführenden Spülgasströme 27 in die Sammelleitung 28 ein, wo sie sich in einem Kraftstoffströmungsstrom 29 reformieren, der durch den Auslass 31 aus der Vorrichtung austritt. Auf ähnliche Weise ist das andere Ende der rohrförmigen Membranen 65 gleichfalls in der Stirnwand 52 befestigt, aber offen zur Sammelleitung 36. Die einzelnen wasserpermeatführenden Spülgasströme 37 treten aus der rohrförmigen Membran 65 aus und reformieren sich in der Sammelleitung 36 zu einer Wasserströmung 41. Nachfolgend tritt die Wasserströmung 41 durch den Auslass 39 aus der Vorrichtung aus.
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Es wird gewürdigt werden, dass die in 2A gezeigte Konfiguration nur mit einer kleinen Änderung 'umgekehrt' werden kann, sodass die Ölströmungen entlang des Inneren der rohrförmigen Membranen 60 und 65 geleitet werden, während physikalisch getrennte Strömungen von Spülgas so aufgeteilt werden, dass sie über das Äußere der Membranen gehen. Allerdings wird gewürdigt werden, dass es bei rohrförmigen Membranen mit kleinen Innenabmessungen wie etwa einem Durchmesser von weniger als 1 Millimeter eine Herausforderung ist, eine turbulente Strömung zu erzeugen.
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Diese Konfiguration ist in 2B gezeigt, wobei für gleiche Elemente in 2A und 2B zur Erleichterung des Vergleichs gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Der Spülgas-Einlassströmungsstrom 23, der beim Einlass 21 eintritt, wird durch die Trennwand 71 zweigeteilt. Die geteilten Strömungen werden in das durchlochte Rohr 19 geleitet. Wegen der Sperrung 17 werden die Strömungen im durchlochten Rohr 19 durch die rohrförmigen Membranen 60 und 65, die für den Transport von Kraftstoff bzw. Wasser optimiert sind, geleitet. Nach dem Durchgang durch die rohrförmigen Membranen werden die permeathaltigen Strömungen 27 und 37 durch den Außenmantel 40 zu den Sammelleitungen 28 bzw. 36 umgelenkt. Schließlich treten die zusammengeflossenen Strömungen 27 als kraftstoffpermeathaltige Strömung 29 aus und treten die zusammengeflossenen Strömungen 37 als wasserpermeathaltige Strömung 41 aus, während das Retentatöl als Strömung 22 austritt.
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Es können nochmals alternative Konfigurationen genutzt werden. 3 veranschaulicht die Struktur eines spiralförmig gewickelten Membranseparators 310. Dieser umfasst ein durchlochtes Permeatsammelrohr 219, um das spiralförmig eine Folge von Schichten gewickelt sind, die zwei Membranen 270 umfassen, die durch einen Membranseparator 272 getrennt sind. Die zwei Membranen 270 und der Membranseparator 272 bilden eine Grundeinheit des Filters, und sie sind wiederum durch einen Zufuhrabstandshalter 280 getrennt. Die Separatoren 272 und 280 sind geeignet konfiguriert, um Strömungsdurchlässe zu erzeugen, die die Fluidströmung wenigstens nicht hemmen und, erwünschter, die Strömung fördern. Mehrere solcher Schichtgruppierungen können an verschiedenen radialen Abschnitten am Sammelrohr 219 abgeschlossen sein, sodass der Membranseparator jeder Gruppierung wenigstens auf eine der Durchlochungen des Sammelrohrs 219 ausgerichtet ist. Eine perspektivische Teilschnittansicht des aufgewickelten Filters ist in 4 gezeigt und veranschaulicht die Durchlochungen 201 des Sammelrohrs 219.
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Im Betrieb ist die Öleinlassströmung, wieder anhand von 3, als 210 dargestellt und strömt in dem durch den Strömungsabstandshalter 280 erzeugten Zwischenraum zwischen benachbarten Membranen 270 parallel zu dem Permeatsammelrohr 219. Ein Teil 210 der Einlassölströmung 210 geht durch die Membran 270, wo er als Strömung 290 durch die Kapillarwirkung in Richtung des Sammelrohrs 219 aufgesaugt oder befördert wird. Beim Erreichen des Sammelrohrs 219 geht die Permeatströmung 290 durch die Poren 201 ins Innere des Sammelrohrs 219, wo sie einem Unterdruck oder einer Spülgasströmung 222 ausgesetzt und weggeführt wird. 4 veranschaulicht eine Gegenstromströmung von Einlassöl und Spülgas, wobei aber eine Gleichstromströmung ebenfalls akzeptabel ist.
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In 5 ist ein Abschnitt einer Vorrichtung dargestellt, die eine abermals zusätzliche Membrankonfiguration nutzt. Es wird gewürdigt werden, dass der gezeigte Abschnitt so oft wie notwendig wiederholt sein kann und dass die Abschnitte durchgehend befestigt sein können, um die vollständige Vorrichtung herzustellen. Diese Vorrichtung nutzt allgemein planare Membranen und ist somit besser geeignet für Membranen mit beschränkter Elastizität, die nicht zu Rohren geformt oder zu einer spiralförmigen Konfiguration gebogen werden können. Ferner können die allgemein planaren Membranen leicht an einem geeigneten Substrat getragen sein, was ermöglicht, dass die Membran höhere Öldrücke aushält, um eine schnellere Trennung zu fördern. Die Einlassölströmung 310 ist auf einen allgemein rechteckigen Kanal beschränkt, der durch eine obere Wandoberfläche 407 und durch eine untere Wandoberfläche 401 sowie durch Seitenwände, die der Klarheit halber weggelassen worden sind, gebildet ist. Außerdem leitet diese Platten- und Rahmenmembran-Separatorkonstruktion die Ölströmung 310 entlang eines verschlungenen Wegs, der die Strömung zwischen Paaren von Membranstrukturen 395, die aus der Strömung Permeat extrahieren und die permeatabgereicherte Austrittsölströmung 313 erzeugen, ununterbrochen kanalisiert. Die wiederholten Strömungsumkehren, die sich aus dieser Geometrie ergeben, sind sehr wirksam beim Fördern der gewünschten Turbulenz und somit zum Fördern des Massentransports in dem Öl. Jede der Membranstrukturen 395 umfasst ein Paar Membranen 370, die durch einen Membranseparator 372 getrennt sind (zur Klarheit nur in einer der Membranstrukturen 395 im Teilschnitt gezeigt), die wie im spiralförmig gewickelten Filter 300 für den Transport des Permeats durch Kapillarwirkung zu den Sammelleitungen 410 und 430 dienen. Die Membranstrukturen 395 sind an einem Ende durch die Platte 397 und an ihren Rändern durch die Seitenwände (nicht gezeigt) abgedichtet. Die Membranstruktur 395 und insbesondere der Separator 372 sind offen zu den durch die doppelten Platten 401 und 402 und 406 und 407 im Zusammenwirken mit den Seitenverschlusssegmenten 403 und 404 und 405 und 408 gebildeten Sammelleitungen 410 und 430. Ein Permeatanteil 310' der Ölströmung 310 wird durch irgendeine der Membranen 370 transportiert und durch die beim Pfeil 390 gezeigte Kapillarwirkung zu den Sammelleitungen 410 oder 430 aufgesaugt oder transportiert. Die Sammelleitungen 410 und 430 kanalisieren die Spülgasströmungen 420 und 320 durch den permeattransportierenden Membranseparator 372, was zur Verdampfung des Permeats und zu seiner Aufnahme in das Spülgas führt, das als permeathaltige Strömungen 322 und 422 austritt. Der Klarheit halber sind zwei einzelne Sammelleitungen 410 und 430 gezeigt, wobei aber nur eine kleine Anpassung an der gezeigten Anordnung die Verwendung einer einzelnen Sammelleitung ermöglichen würde. Genauer könnte eine einzelne Sammelleitung dann genutzt werden, wenn Membranstrukturen 395 von der Oberfläche 407 zur Oberfläche 402 verlaufen würden und dadurch, dass sie asymmetrisch angeordnete Strömungsdurchlässe aufwiesen, an die Ölströmung angepasst wären.
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Obgleich die Membranen in 5 mit einem gemeinsamen Bezugszeichen (370) bezeichnet sind, was in jeder der Membranstrukturen 395 gleiche Membranchemikalien impliziert, wird ferner gewürdigt werden, dass es möglich wäre, spezifischen Membranstrukturen spezifische Membranchemikalien zuzuweisen. Dies wäre von besonderer Nützlichkeit, falls abwechselnde Membranstrukturen selektiv für den Transport von Kraftstoff und Wasser ausgelegt wären. Bei dieser Konfiguration würde eines der Permeate als Strömung 322 aus der Vorrichtung austreten, während das andere als Strömung 422 austreten würde, was wieder die gleichzeitige Trennung von Wasser und Kraftstoff in einer einzelnen Vorrichtung ermöglichen würde.
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5 veranschaulicht eine Platten- und Rahmenkonfiguration von allgemein rechteckigem Querschnitt. Andere Querschnitte sind ebenfalls möglich. Von besonderem Interesse ist ein kreisförmiger Querschnitt, da ein Membranseparator mit einem solchen Querschnitt eine zylindrische Vorrichtung wäre, deren Einlass mit dem Ausgang eines gegenwärtigen Ölfilters gepaart werden könnte. Eine solche kombinierte Einheit würde weniger Außenverbindungen erforderlich machen als der Einbau eines Membranseparators anderswo in dem Motoröl-Umwälzweg. Natürlich ist eine solche Herangehensweise nicht einzigartig für diese Konfiguration und könnten alle in 2–5 angegebenen Entwürfe für den Einbau in herkömmliche Ölfilter ausgelegt werden.
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Die Verwendung eines Membranseparators zum Trennen von Öl und Wasser kann durch Betrachtung des folgenden veranschaulichenden, nicht einschränkenden Beispiels veranschaulicht werden. In allen Fällen wurde ein Volumen von 250 ml Testgemisch vorbereitet, das ein Schmieröl 5W-30 mit einem genutzten Kohlenstoffbereich von 40–100 und Wasser verwendete. Die Nennwasserkonzentration lag im Bereich von etwa 1 Gewichtsprozent bis 4,5 Gewichtsprozent, wobei die Mehrzahl der Tests unter Verwendung von Nennwassergehalten von 2 Gewichtsprozent durchgeführt wurde und das Gemisch ununterbrochen gerührt wurde, um das Wasser als eine Emulsion zu erhalten. Typische Öldurchflüsse lagen im Bereich von 1,0 bis 2,3 Gramm pro Minute, und Tests wurden bei Temperaturen im Bereich von etwa 25°C bis 80°C durchgeführt, wobei besondere Aufmerksamkeit auf Ergebnisse gerichtet wurde, die bei einer Nenntemperatur von 65°C erhalten wurden. Alle Tests wurden unter Verwendung von Spülluft mit einem Durchfluss von 100 cm3/min durchgeführt. Als ein Leistungsmerkmal für die Bewertung der Systemleistung wurde der Gesamtstoffübergangskoeffizient Kf mit der Dimension Zentimeter/Sekunde verwendet.
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Beispiel:
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Unter Verwendung von regenerierter Zellulosefaser, die von Membrana/Celgard, Deutschland, erhalten wurde, wurden Querströmungstestmodule in dem in 2 gezeigten Entwurf hergestellt. Die Fasern hatten einen Innendurchmesser von 200 Mikrometern, eine Wanddicke von 8 Mikrometern, einen effektiven Porendurchmesser von 4–6 Nanometern und eine Glasübergangstemperatur höher als 150°C. Die Testmodule umfassten ein Bündel von 300 Fasern, 16 cm lang, und das Testgemisch wurde unter dem Durchgang von Spülgas ununterbrochen mit einem Durchfluss von etwa 1,5 Gramm/Minute durch die Fasern umgewälzt. Bei etwa 65°C wurde unter einem Anfangswassergehalt von 2,1 Gewichtsprozent ein Gesamtstoffübergangskoeffizient von etwa 7,0·10–5 Zentimetern pro Sekunde beobachtet. Ferner zeigte eine Erhöhung der angegebenen Ölströmung, dass weitere Leistungsverbesserungen möglichen wären, wobei ein Gesamtstoffübergangskoeffizient von etwa 7,0·10–5 Zentimetern pro Sekunde bei einem Öldurchfluss von etwa 25 Gramm/Minute beobachtet wurde.
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Die oben beschriebenen Ergebnisse wurden unter Verwendung nur eines kleinen Ölvolumens und einer beschränkten Anzahl von Fasern erhalten. Unter Kenntnis des Membranoberflächeninhalts können die Ergebnisse aber auf Bedingungen skaliert werden, die typischer für die Umgebung eines arbeitenden Motors sind. Eine solche Skalierung legt nahe, dass ein mit etwa 4800 cm2 der in dem zuvor erwähnten Beispiel genutzten Membran hergestellter Querströmungsseparator das meiste Wasser in fünf Quart Motoröl in weniger als einer Stunde entfernen könnte. Diese Anforderung kann durch zahlreiche Varianten der in 2–5 gezeigten Entwürfe erfüllt werden, wobei es aber nur beispielhaft eine Option wäre, einen Querströmungsfilter zu nutzen, der allgemein mit dem Entwurf aus 2 in Übereinstimmung steht, aber etwa 3000 Fasern, jeweils etwa 25 Zentimeter lang, enthält. Diese könnten leicht in einen Behälter mit einem Durchmesser von 4 Zentimetern gepackt werden.
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Ähnlich wird auch eine Vergrößerung der Spülgasströmung erforderlich. Allgemein sind etwa 2 l/Minute Trockenluftströmung erforderlich. Diese kann unter Verwendung von Trockenmitteln oder unter Verwendung von Trocknern mit regenerativen Trockenmitteln erhalten werden. Allerdings erhöhen beide die Fahrzeugmasse, und einfache Herangehensweisen auf der Grundlage von Trockenmitteln erfordern, dass die Trockenmittelkartuschen periodisch ersetzt werden. Trockner mit regenerativem Trockenmittel überwinden dieses Problem, erfordern aber eine Druckluftquelle und erfordern somit die Hinzunahme eines Kompressors mit der begleitenden zusätzlichen Komplexität der Packung und erhöhten Masse. Somit wird vorzugsweise Umgebungsluft mit etwas Anfangswasserdampfgehalt verwendet. Somit ist es bevorzugt, etwa 5 l/Minute Umgebungsluft durchzuleiten. Diese Zahl kann dadurch, dass entweder Luft aus dem Fahrzeugmotorraum angesaugt wird, die eine etwas höhere Temperatur und somit eine etwas niedrigere relative Feuchtigkeit aufweist, oder dadurch, dass Luft aus dem HLK-System des Fahrzeugs, vorzugsweise sofort, nachdem die Luft aus dem Wärmetauscher der Klimaanlage austritt, angesaugt wird, etwas verringert werden. Falls Motorraumluft verwendet wird, kann es, wenn das Fahrzeug, insbesondere mit Autobahngeschwindigkeiten, unterwegs ist, möglich sein, das System unter Staudruckluft zu betreiben, wobei für die Gleichförmigkeit des Betriebs unter allen Betriebsmodi einschließlich Leerlauf, während es angehalten ist, die Lüfterumwälzung der Spülluft bevorzugt ist. Diese könnte durch Abzweigen eines kleinen Anteils der Kühler-Kühlluft ausgeführt werden, wobei aber, da der Kühlerlüfter allgemein nur bei Bedarf läuft, der Lüfter während des Motoraufwärmens, genau dann, wenn die Luftströmung erforderlich wäre, nicht laufen würde. Somit ist es bevorzugt, einen kleinen getrennten Lüfter zu verwenden, der speziell für den Membranseparator entworfen ist. Alternativ könnte das Kraftstoffretentat-Spülgas durch Motorunterdruck 'angetrieben' und in den Einlasskrümmer geleitet werden, um das Retentat zu der Motorkraftstoffversorgung beizutragen.
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Die Trennung von Wasser von Öl wird durch die Größendifferenz zwischen dem kleinen Wassermolekül und den großen Ölmolekülen erleichtert und wird durch ihr unterschiedliches chemisches Wesen, polar für Wasser, nichtpolar für Öl, weiter gefördert. Diese Differenz der Polarität ermöglicht die Verwendung von Membranen oder Beschichtungen, die von Wasser, aber nicht von Öl benetzt werden, und lässt somit den leichten Zugang von Wasser zu den Membranporen zu, während sie den Zugang von dem Öl beschränkt.
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Allerdings sind beide Kraftstoffe, Dieselkraftstoff oder Benzin, nicht polar, sodass das primäre Mittel zum Unterscheiden zwischen verschiedenen Molekülen zum Steuern ihrer Permeationsraten die Molekülgröße ist. Die Größe organischer Moleküle wird häufig durch Bezugnahme auf die Kohlenstoffzahl, die Anzahl der Kohlenstoffatome, die das Molekül umfasst, nahegelegt. Konformationseffekte machen die Kohlenstoffzahl nur zu einem Indikator der Molekülgröße, da sie zweifellos keine Angabe über das aliphatische oder aromatische Wesen der Moleküle macht. Allerdings umfassen Öl und Kraftstoff chemisch ähnliche Moleküle, sodass die Kohlenstoffzahl die Möglichkeit der Trennung dieser Moleküle voneinander nahelegt.
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In dem oben gegebenen Beispiel, das ein Öl 5W-30 nutzt, das repräsentativ für gegenwärtige Kraftfahrzeugschmieröle ist, war die Kohlenstoffzahl des Öls als im Bereich von 40–100 gegeben. Die Kohlenstoffzahl des in Fremdzündungsmotoren verwendeten Benzins liegt im Bereich von 5–12, und für Dieselkraftstoff in Selbstzündungsmotoren im Bereich von 10–20. Da es keine Überlappung der Größenbereiche gibt, ist die Membrantrennung möglich. Allerdings kann das Problem weiter vereinfacht werden, da Verbindungen mit Kohlenstoffzahlen kleiner als etwa 16 am schädlichsten für die Schmiereigenschaften des Öls sind. Somit dient selbst eine unvollständige Trennung zur Verlängerung der Nutzungsdauer des Schmieröls, sofern sie die Fraktion mit der niedrigsten Kohlenstoffzahl erheblich verringert.
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Geeignete Membranen sind poröse Medien, die entweder organische (polymerische) Verbundwerkstoffe oder Keramiken wie etwa Zeolithe oder mikroporöse Holzkohle [engl.: ”characoals”] sein können. Zum Beispiel werden für die Entmischung von Molekülen auf der Grundlage ihrer Größe üblicherweise Molekularsiebe verwendet, die auf Zeolithen beruhen. Diese Kristalle sind durch ein dreidimensionales Porensystem mit Poren von präzise definiertem Durchmesser charakterisiert. Dieser Durchmesser steuert die Dimensionen der spezifischen Moleküle, die durch die Membran wandern können, und kann auf präzise bestimmte gleichförmige Öffnungen eingestellt werden, die zulassen können, dass Moleküle kleiner als der Porendurchmesser adsorbiert werden, während größere Moleküle ausgeschlossen werden. Da in synthetischen Zeolithen leicht verschiedene Porengrößen erzeugt werden können, können Zeolithe leicht maßgefertigt werden, um eine gute Unterscheidung zwischen Molekülen verschiedener Größen oder Formen zu treffen.
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Für Anwendungen, bei denen elastischere Membranen gewünscht sind, die weniger anfällig für Bruch wegen mechanischer Belastung sind, können diese Molekularsiebe auf Mineral- oder Kohlenstoffgrundlage in eine Polymerdünnschicht integriert werden, um Verbundmembranen zu bilden. Solche Membrane lassen die Bildung von Membranen mit komplizierterer Form zu, verringern aber den effektiven Membranen-Oberflächeninhalt, da das wirksame Gebiet des Gesamtoberflächeninhalts proportional zur Polymerfraktion verringert wird.
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Die Ausgabe von der in 1 gezeigten Gesamtherangehensweise sind zwei dampfhaltige Permeatströme – entweder wasserreich oder kraftstoffreich. Der Wasserstrom könnte einfach zu Luft entlüftet werden, während der Kraftstoffstrom zur Verwendung in dem Motor wiederverwendet werden sollte. Eine Herangehensweise, die das Leiten des Spülgases zu dem Motoreinlasskrümmer umfasst, um eine zusätzliche Kraftstoffquelle zu liefern, ist zuvor beschrieben worden. Allerdings ist es eine Alternative, das Spülgas zu dem Auslasskrümmer zu leiten, wo es als Reduktionsmittel für NOx-Emissionen dienen könnte. Dies wäre von besonderem Wert in Magermotoren, wo das Abgas üblicherweise reduktionsmittelarm ist.
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In Bezug auf die obige Beschreibung ist dann zu erkennen, dass die optimalen Dimensionsbeziehungen für die Teile der Erfindung, die Abweichungen der Größe, der Materialien, der Gestalt, der Form, der Funktion und der Art und Weise des Betriebs, der Montage und der Verwendung enthalten sollen, als für den Fachmann auf dem Gebiet leicht sichtbar und offensichtlich gehalten werden, wobei alle äquivalenten Beziehungen zu den in den Zeichnungen dargestellten und in der Beschreibung beschriebenen in der vorliegenden Erfindung enthalten sein sollen.
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Somit wird das Vorstehende nur als veranschaulichend für die Prinzipien der Erfindung betrachtet. Da dem Fachmann auf dem Gebiet zahlreiche Abwandlungen und Änderungen leicht einfallen, soll die Erfindung ferner nicht auf die genaue gezeigte und beschriebene Konstruktion und auf den genauen gezeigten und beschriebenen Betrieb beschränkt sein und sollen dementsprechend alle geeigneten Abwandlungen und Äquivalente anwendbar sein und im Schutzumfang der Erfindung liegen.
