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Technisches Gebiet
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Diese Erfindung betrifft Adsorptionsmittelstrukturen und Verfahren zur temporären Adsorption von Wasser und Kraftstoffschadstoffen aus Schmieröl, das in Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren zirkuliert wird und einen Verbrennungsmotor. Im Spezielleren betrifft die Erfindung geeignet angeordnete kristalline Feststoffmaterialien, um solche Schadstoffe aus relativ kaltem Motoröl zu adsorbieren, um die Ölhaltbarkeit zu verlängern und um mögliche Korrosionsschäden an Motorkomponenten zu minimieren. Die Schadstoffe werden später aus dem Öl zur Entfernung aus dem Motor freigesetzt, wenn der Motor in Betrieb ist und das Öl relativ heiß ist.
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Poröse Adsorptionsmaterialien, -strukturen und -partikel sind grundsätzlich bekannt, siehe beispielsweise die Druckschriften
US 2010/0011746 A1 ,
US 2005/0075526 A1 ,
JP 7051563 A oder
JP 6079122 A .
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Hintergrund der Erfindung
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Mit Diesel, Benzin und Alkohol gespeiste Verbrennungsmotoren finden weit verbreitete Anwendung in sowohl Kraftfahrzeugen als auch feststehenden Anwendungen wie Motor-Generatoren.
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Viele solcher Motoren verwenden Ölschmiersysteme auf Kohlenwasserstoffbasis, in denen das Öl während eines Motorbetriebes von einem darunter liegenden Reservoir nach oben und über die Kolben, Zylinderwände, Einlass- und Auslassventile, Kurbelmechanismen und andere Teile des in Betrieb befindlichen Motors gepumpt und zurück durch das Kurbelgehäuse und in die/den Ölwanne oder -sumpf abgelassen wird. Das zirkulierende Öl wird durch einen Ölfilter zur Entfernung von Festkörpern gepumpt, die in das Öl infolge des Verbrennungsprozesses oder des Verschleißes von Motorteilen eingebracht werden. Es werden aber auch Wasser und unverbrannte und zum Teil verbrannte Kraftstoffbestandteile wie z. B. niedermolekulare Kohlenwasserstoffe und/oder Alkohol in das zirkulierende Öl eingebracht. Diese flüssigen und dampfförmigen Stoffe werden durch den Ölfilter nicht entfernt und können die Lebensdauer des Öls herabsetzen und besitzen das Potential, Korrosion von Motoroberflächen zu verursachen.
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Solche Motoren können auch ein Kurbelgehäuseentlüftungs-(PCV, von Positive Crankcase Ventilation)-System aufweisen, welches das Motorlufteinleitungssystem verwendet, um Luft durch das Kurbelgehäuse über dem Ölreservoir zu zirkulieren, um Gase und Dämpfe aus dem Kurbelgehäuse und aus dem Öl zu räumen. Diese Kurbelgehäusegase und -dämpfe werden in die PCV-Luftströmung eingebracht und zuerst in den Motorlufteinlasskrümmer und dann in die Motorzylinder transportiert, wo sie verbraucht und aus dem Motor ausgestoßen werden können.
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Somit mischt sich im Motorbetrieb ein Teil der Verbrennungsprodukte und unverbrannter Kraftstoff (Wasser, Alkohol und kleine Kohlenwasserstoffe) mit dem zirkulierten Motoröl. Wenn der Motor lange genug betrieben wurde, damit das zirkulierende Öl eine Temperatur von z. B. etwa 100°C erreicht, werden diese Schadstoffe verdampft und kontinuierlich aus dem Öl und dem Kurbelgehäuse entfernt. Bei kurzzeitigen Fahrzeugeinsätzen läuft der Motor allerdings nicht lange genug, um das Öl auf Temperaturen zu erwärmen, die hinreichend hoch sind, um solche Schadstoffe in das PCV-System hinein auszustoßen. Das Wasser oder der Alkohol oder Kraftstoffspezies bleiben im Öl, wo sie Motorteile korrodieren können.
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Solchen niedrigen Motoröltemperaturen begegnet man üblicherweise beim erstmaligen Starten eines Motors, der eine gewisse Zeit lang nicht gelaufen ist, es ist jedoch selbstverständlich, dass unter den meisten Motorbetriebsarten dieser Zustand niedriger Motoröltemperatur temporär ist. Mit fortgesetztem Motorbetrieb wird die Öltemperatur ansteigen; die Schadstoffe werden im Wesentlichen verdampfen, sich in dem Kurbelgehäuse ansammeln und dann von dem PCV-System weggespült werden.
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Allerdings kann unter/bei gewissen Umständen und Anwendungen ein Motor sporadisch und nur für kurze Zeitspannen betrieben werden, was eine anhaltend niedrige Öltemperatur zur Folge hat. Diesem Zustand kann man z. B. bei einem Fahrzeug begegnen, das wiederholt für seltene Kurzstreckenfahrten verwendet wird, oder bei einem Hybrid-Elektrofahrzeug, wo der Hilfsmotor, der verwendet wird, um die Batterie zu laden, nur gelegentlich gebraucht wird.
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Unter diesen Bedingungen können die kondensierten Schadstoffe über eine beträchtliche Zeitspanne hinweg in dem Motoröl zurückgehalten werden und zu einer vorzeitigen Ölqualitätsverminderung beitragen. Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten Verfahren zum Umgang mit den Konzentrationen von Wasser, Alkoholen und niedermolekularen Kohlenwasserstoffen in Öl, insbesondere bei niedrigen Motoröltemperaturen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In einem Motor eines Kraftfahrzeuges können Schadstoffe durch „Vorbeiströmen” in ein zirkulierendes Schmieröl eingebracht werden, wobei ein Teil der gasförmigen Verbrennungsprodukte und der unverbrannten Kraftstoffdämpfe in den Motorzylindern unter den hohen Verbrennungsdrücken zwischen den Kolbenringen und der Zylinderwand und in das Kurbelgehäuse hinein getrieben wird. Bei stationären Motoröltemperaturen von etwa 100°C bleiben diese Schadstoffe als Gase und Dämpfe zurück und werden aus dem Kurbelgehäuse durch das Kurbelgehäuseentlüftungs-(PCV)-System entfernt, das nahezu kontinuierlich Umgebungsluft zirkuliert, um Kurbelgehäusedämpfe auszuspülen.
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Bei niedrigeren Motoröltemperaturen können einige dieser Schadstoffe kondensieren und in dem Motorschmieröl zurückbleiben und zu einer herabgesetzten Ölhaltbarkeit und zu einem Motorschaden beitragen. Diese kondensierten, vorbeiströmenden Schadstoffe umfassen Moleküle mit einer deutlich geringeren relativen Molekülmasse als die Kohlenwasserstoffe und Additive, die in dem Schmieröl vorhanden sind, und besitzen demzufolge kleinere molekulare Abmessungen. In Übereinstimmung mit Ausführungsformen dieser Erfindung können solche relativ kleinen Schadstoffmoleküle selektiv aus dem Öl durch mikroporöse, kristalline Festkörper, z. B. Zeolithpartikel, adsorbiert werden, die Poren in Nanometergröße mit vorhersagbaren und einheitlichen Abmessungen aufweisen können, oder derart gebildet sein können, dass sie diese aufweisen. Geeignete Volumina solcher Adsorptionsmittel-Zeolithe können z. B. im Ölzirkulationspfad oder in dem Ölreservoir angeordnet sein, sodass das Öl mit den Adsorptionsmittel-Partikeln in Kontakt steht. Die Zeolithe können Wasser, Alkohol oder Kohlenwasserstoffkraftstoff aus dem relativ kalten Öl adsorbieren und temporär entfernen, sodass solche kondensierten Schadstoffe nicht über die Motoroberflächen zirkuliert werden. Später, wenn das Öl durch einen Motorbetrieb geeignet erwärmt wird, werden die Schadstoffe von dem Adsorptionsmittel-Feststoffmaterial in das heißere Öl hinein desorbiert und die Schadstoffe werden dann verdampft und aus dem Motor durch normalen Betrieb des Motor-PCV-Systems entfernt.
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Zeolithe sind kristalline, mikroporöse Aluminosilikate, die in der Natur vorkommen, werden üblicherweise jedoch synthetisiert. Diese mikroporösen Materialien können zwischen Molekülen auf der Basis der Größe unterscheiden – kleine Moleküle können in die Poren gelangen und dort adsorbiert werden, während großen Molekülen, jenen, deren molekulare Abmessungen die Porengröße übersteigen, der Zugang verwehrt wird. Diese Fähigkeit, zwischen Molekülen auf der Basis der Größe zu unterscheiden, kann genutzt werden, um zwischen den langkettigen Kohlenwasserstoffen und hochmolekularen Additiven, die in Motoröl anzutreffen sind, und Schadstoffmolekülen zu unterscheiden, die im Allgemeinen klein sind und Wasser, Ethanol, Methanol und Kohlenwasserstoffe mit vorwiegend weniger als sieben Kohlenstoffatomen umfassen.
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Vorteilhafterweise können die adsorbierten Moleküle bei erhöhten Temperaturen desorbiert werden. Somit kann/können (ein) Zeolith/e mit einer entsprechenden Porengröße, wenn er/sie in Öl mit niedriger Temperatur, etwa 20°C, eingetaucht wird/werden oder damit in Kontakt steht/en, im Wesentlichen alle oder die meisten der kondensierten Schadstoffe in dem Öl adsorbieren. Wenn die Öltemperatur ansteigt, wird die Adsorption der Schadstoffe weniger vorteilhaft und einige der Schadstoffe können desorbiert werden, um wieder in dem Öl aufgenommen zu werden. Mit fortlaufendem Anstieg der Öltemperatur wird eine noch weitere Schadstoff-Desorption stattfinden, der Dampfdruck der Schadstoffe wird ansteigen und Schadstoffgase und -dämpfe werden sich in dem Kurbelgehäuse ansammeln, wo sie permanent durch das PCV-System entfernt werden.
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Somit wirken der/die Zeolith/e und das PCV-System zusammen, um jegliche schädliche Wirkungen der kondensierten, vorbeiströmenden Schadstoffe zu minimieren. Bei niedrigen Öltemperaturen dient/en der/die Zeolith/e dazu, die kondensierten Schadstoffe von dem Öl durch Adsorbieren der Schadstoffe innerhalb ihrer Mikroporen zu trennen. Mit zunehmender Temperatur wird/werden der/die Zeolith/e die Schadstoffe von den Mikroporen desorbieren und Schadstoffe zurück in das Öl freisetzen, aber die erhöhte Öltemperatur wird eine extensivere Verdampfung dieser Schadstoffe begünstigen, sodass sie durch das PCV-System entfernt werden können.
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Es können Zeolith-Partikel verwendet werden, die zur Adsorption von Wasser optimiert sind. Solche Zeolith-Partikel können zusätzlich zu einer festgelegten Mikroporenabmessung eine hydrophile Oberflächenchemie zeigen. Solch eine hydrophile Chemie kann durch Wählen des Verhältnisses von Siliziumoxid zu Aluminiumoxid in den Zeolithen induziert werden; Verhältnisse von Siliziumoxid zu Aluminiumoxid von kleiner als 10 und bevorzugt zwischen 1 und 3 werden die Zeolith-Partikel hydrophil machen.
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Es können Mehrschicht-Zeolith-Partikel mit inneren Volumina einer ersten Zusammensetzung, die von einer äußeren Schicht oder Beschichtung einer zweiten Zeolith-Zusammensetzung bedeckt oder umgeben ist, verwendet werden. Die äußere Zeolith-Schicht der Partikel wird unpolar sein und zwischen Molekülen auf der Basis nur ihrer Größe unterscheiden. Im Allgemeinen sind geeignete Zeolith-Zusammensetzungen jene mit einem hohen Verhältnis von Siliziumoxid zu Aluminiumoxid von größer als 10, und bevorzugt im Bereich von 50 bis 100. Diese umfassen Poren, die für den Eintritt von niedermolekularen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffkomponenten bis zu C7-Olefinen und C6-n-Olefinen wie auch Methanol, Ethanol und Wasser geeignet sind.
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Erfindungsgemäß kann das innere Zeolith-Volumen der Mehrschicht-Zeolith-Partikel eine besondere Affinität für polare Schadstoffe wie Wasser, Methanol und Ethanol aufweisen. Somit werden alle Schadstoffe in der äußeren Schicht der Mehrschichtpartikel untergebracht, aber die polaren Moleküle werden zu der inneren Schicht eines jeden Partikels gezogen, was dazu führt, dass die unpolaren Moleküle die äußeren Schichten besetzen. Wie zuvor erwähnt, ist in Zeolithen mit niedrigen Siliziumoxid/Aluminiumoxid-Verhältnissen, typischerweise Verhältnissen von kleiner als 10 und bevorzugt bei Verhältnissen im Bereich von 1 bis 3, ein stark hydrophiles Verhalten zu beobachten. Solch eine Mehrschicht-Konfiguration hat den Vorteil, sicherzustellen, dass alle Klassen von Schadstoffen in der Mehrschichtstruktur abgesondert werden, und die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass irgendeine Schadstoffklasse unverhältnismäßig adsorbiert wird.
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Synthetische Zeolithe werden im Allgemeinen als kleine kristalline Niederschläge, üblicherweise mithilfe eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt. Es können jedoch einzelne Niederschläge mithilfe eines geeigneten Bindemittels agglomeriert werden, um leicht zu handhabende Partikel mit im Wesentlichen einheitlicher Größe, z. B. etwa einem Millimeter o. ä. zu bilden. In sowohl der ersten als auch der zweiten Ausführungsform wird bevorzugt, die Partikel weiter zu agglomerieren, um das Einschleppen möglicherweise abrasiver Partikel in das Fahrzeugölzirkulationssystem zu vermeiden. Demnach können die Partikel mithilfe eines Bindemittelmaterials miteinander verbunden werden, um eine makroporöse Struktur von mikroporösen Zeolith-Partikeln zu bilden, die einen problemlosen Eintritt von Schmieröl in die Struktur ermöglichen und dadurch das Öl einer großen Oberfläche der mikroporösen Zeolith-Partikel auszusetzen, um eine extensive Wechselwirkung zwischen dem Öl und der Zeolith-Struktur zu begünstigen.
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Die makroporöse Struktur kann in einem geeigneten Behälter zur Anordnung an einem beliebigen geeigneten Ort im Ölkreis getragen sein, sodass das Öl in den Behälter eintreten und mit den Adsorptionsmittel-Partikeln in Kontakt stehen kann. Es ist vorgesehen, dass diese Struktur Schadstoffe adsorbiert und speichert, die während Zeiten von Betrieben bei niedriger Temperatur erzeugt werden, bis das Öl das nächste Mal höhere Temperaturen erfährt. Somit kann eine makroporöse Struktur aus Mehrschicht-Zeolith-Partikeln, Unterbringungseinschränkungen unterworfen, geeignet dimensioniert sein, um die zwischen hohen Öltemperaturereignissen erzeugten Schadstoffe unterzubringen. Die Struktur kann z. B. in der Ölwanne eingetaucht sein, möglicherweise an dem Ölansaugrohr fixiert, oder sonst wo in dem Ölzirkulationspfad positioniert sein, z. B. einschließlich in den Ölfilter eingebaut sein, vorausgesetzt, dass er unterstromig des Filtrationsmediums angeordnet ist, sodass er nicht mit Feststoffen in dem Öl verstopft werden kann.
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In dieser Ausführungsform ist die Adsorption und Freisetzung der Schadstoffe von der makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Feststoffstruktur nur von der Temperatur der Struktur, oder, da die Struktur in dem Öl eingetaucht ist und in engem thermischen Kontakt damit steht, der Öltemperatur abhängig. Bei jeder Temperatur wird die Gesamtkonzentration von Schadstoffen zwischen der porösen Struktur und dem Öl in Mengenverhältnissen aufgeteilt, die durch die Gleichgewichtskonstante für die Absorption der Schadstoffe und deren relative Konzentration in dem Öl und in der Struktur bestimmt sind. Bei niedrigen Temperaturen begünstigt das Gleichgewicht stark die Schadstoffabsorption. Bei hohen Temperaturen begünstigt das Gleichgewicht die Desorption zumindest eines Teils des adsorbierten Schadstoffes und die Konzentration des Schadstoffes in dem Öl wird zunehmen. Bei einer erhöhten Temperatur wird jedoch jeder Schadstoff in dem Öl einen hinreichenden Dampfdruck aufweisen, um in dem Kurbelgehäuse verdampft und durch das PCV-System aus dem Kurbelgehäuse ausgetragen zu werden. Da das PCV-System ein Mittel zum Entfernen der Schadstoffe bereitstellt, kann die Konzentration der Schadstoffe in dem heißen Öl niemals ein Gleichgewicht mit der porösen Struktur erreichen und die poröse Struktur wird fortsetzen, Schadstoffe zu desorbieren. Demnach wird nur eine bescheidene Differenz in der Absorptionskapazität der porösen Struktur bei niedrigen und hohen Temperaturen mit der Zeit die Ölschadstoffkonzentration auf annehmbar niedrige Niveaus absenken.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine Struktur aus makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Partikeln teilweise schwimmend gemacht werden, sodass sie nur teilweise in das Ölreservoir in der Ölwanne eingetaucht werden kann, wobei ein Abschnitt der schwimmenden Struktur sich nach oben in das Kurbelgehäuse hinein erstreckt. Dies kann z. B. durch die geeignete Hinzufügung einer Schwimmkammer zu der Struktur bewerkstelligt werden. Der Abschnitt, der sich in das Kurbelgehäuse hinein erstreckt, wird in direktem Kontakt mit der zirkulierenden Gasströmung in dem Kurbelgehäuse stehen.
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In dieser Konfiguration findet die Adsorption auf Grund des Kontaktes zwischen der makroporösen Struktur und kaltem Öl statt. Die Desorption kann jedoch über zwei Wege erfolgen; den ersten durch Desorption von Schadstoffen in dem eingetauchten Abschnitt der makroporösen Struktur in heißes Öl, wobei sie wie zuvor verdampfen und in das Kurbelgehäuse hinein freigesetzt werden; der zweite Weg ist durch Desorption der Schadstoffe von dem Abschnitt der makroporösen Struktur, der sich in das Kurbelgehäuse hinein erstreckt, direkt in das Kurbelgehäuse hinein.
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In einem weiteren Aspekt dieser Ausführungsform kann der Abschnitt der makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Struktur, der sich in das Kurbelgehäuse hinein erstreckt, eine innere Heizeinrichtung enthalten. Die Heizeinrichtung kann verwendet werden, um zumindest einen Abschnitt der makroporösen Struktur zu erwärmen, um die Desorption von Schadstoffen in das Kurbelgehäuse hinein selbst bei niedrigen Öltemperaturen zu unterstützen, wenn das Gleichgewicht zwischen dem Öl und der makroporösen Struktur die Adsorption begünstigen würde. Die Heizeinrichtung würde durch einen Controller betrieben werden, der auf Sensormessungen der Öl- oder der Motortemperatur anspricht und der die Heizeinrichtung nur betreiben würde, wenn die Öltemperatur niedriger wäre als ein Schwellenwert. Bei Temperaturen über dem Schwellenwert, angenommen über etwa 80°C, kann die makroporöse Struktur durch das erwärmte Öl erwärmt werden, wie in der ersten Ausführungsform.
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In einem noch weiteren Aspekt der Erfindung kann die schwimmende, makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur auf einer hohlen Struktur wie z. B. einer in der Ölwanne eingebauten Säule getragen sein. In diesem Aspekt kann die Heizeinrichtung in der hohlen Struktur und außerhalb eines Kontakts mit dem Öl, aber über Leitung durch die Wände der hohlen Struktur in thermischer Verbindung mit der makroporösen Struktur angeordnet sein. Wiederum würde die Heizeinrichtung nur bei einer niedrigen Öltemperatur arbeiten und abschalten, wenn das Öl seinen Schwellenwert erreicht hätte.
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Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus einer Beschreibung beispielhafter Ausführungsform offensichtlich, die in dieser Patentbeschreibung folgt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Fahrzeugmotors, welche die Konfiguration und den Betrieb eines PCV-Systems und eines Ölzirkulationssystems veranschaulicht.
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2 zeigt im Querschnitt einen repräsentativen porösen, kristallinen Mehrschicht-Festkörper.
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3 zeigt in teilweise aufgeschnittener Querschnittsansicht einen porösen, kristallinen Mehrschicht-Festkörper, der in einem Ölfilter positioniert ist.
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4 zeigt eine schematische partielle Querschnittsansicht der Ölwanne und des Kurbelgehäuses des Motors von 1, welche die Konfiguration und den Betrieb eines schwimmenden, porösen, kristallinen Mehrschicht-Festkörpers veranschaulicht, der zur Anordnung in einer Ölwanne und zum thermischen Kontakt mit einer (optionalen) externen Heizeinrichtung ausgebildet ist.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1 zeigt im Querschnitt eine schematische teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Kraftfahrzeugmotors 10 mit einem Kurbelgehäuseentlüftungs-(PCV)-System. Im Betrieb des PCV-Systems wird Einlassluft 12 durch einen Luftfilter 14 gefiltert und gelangt in einen Einlasskrümmer 15. Bevor die Einlassluft 12 auf den durch eine Drosselklappe 16 gebildeten eingeschränkten Bereich des Einlasskrümmers 15 trifft, wird ein Teil 12' der Einlassluft 12 in einen Entlüftungsschlauch 18 umgelenkt und über den Zylinderkopf 19 und Durchgänge 21 in das Kurbelgehäuse 29 hinein transportiert.
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In dem Kurbelgehäuse 29 mischt sich die Einlassluft 12' mit vorbeiströmenden Gasen 26, die aus dem Brennraum ausgestoßen und durch den Spalt zwischen der Zylinderwand 32 und den Kolbenringen 35 des Kolbens 36 in das Kurbelgehäuse 29 eingeleitet werden. Die Mischung aus Einlassluft 12' und vorbeiströmenden Gasen 26, die als Kurbelgehäusegasmischung 28 gezeigt ist, zirkuliert in dem Kurbelgehäuse 29, bevor sie die Entlüftungskammer 38 durchströmt und durch einen PCV-Schlauch 42 und ein PCV-Ventil 40 hindurch strömt.
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Nach dem Durchströmen des PCV-Ventils 40 wird die Kurbelgehäusegasmischung durch den verringerten Druck, der in dem Abschnitt 15' des Einlasskrümmers 15 unterstromig der Drosselklappe 16 induziert wird, durch den PCV-Schlauch 42' zur Kombination mit dem Einlassluftstrom 12 getrieben. Die Gas- und Dampfmischung aus Einlassluftstrom 12, Kurbelgehäusegasmischung 28 und Kraftstoff (nicht gezeigt) wird dann in den Brennraum 38 transportiert, wo sie verbrannt wird und die Verbrennungsprodukte durch den Auspuff 20 ausgestoßen werden.
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In 1 ist auch eine Ölwanne 33 gezeigt, die Öl 30 enthält, dessen Oberfläche der strömenden Kurbelgehäusegasmischung 28 ausgesetzt ist.
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Wenn sich der Motor 10 und das Öl 30 bei einer niedrigen Temperatur befinden, können vorbeiströmende Gase 26, die Kohlenwasserstoffe und Alkohole wie z. B. Methanol und Ethanol von unverbranntem Kraftstoff wie auch Wasser als ein Verbrennungsprodukt enthalten können, zumindest teilweise kondensieren. Der kondensierte Anteil kann, entweder als eine Lösung oder als eine Dispersion oder Emulsion, in das Öl aufgenommen werden. Wenn das Fahrzeug für eine hinreichend lange Zeitspanne betrieben wird, damit sich der Motor und das Öl auf ihre normale Betriebstemperatur von etwa 100°C erwärmen, werden diese kondensierten Flüssigkeiten verdampfen, das Kurbelgehäusevolumen einnehmen, in die Luftströmung 12' aufgenommen werden, um Kurbelgehäusegase 28 zu bilden, und aus dem Kurbelgehäuse transportiert werden, wie zuvor beschrieben.
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Wenn der Motor und das Öl jedoch nicht eine Temperatur erreichen, die zumindest vergleichbar mit dem Siedepunkt dieser kondensierten Flüssigkeiten und bevorzugt höher als dieser ist, werden die Flüssigkeiten in dem Öl zurückgehalten und können sich weiterhin ansammeln, wenn ein noch weiterer Fahrzeugbetrieb unter niedrigen Öltemperaturen stattfindet. Der Anteil dieser kondensierten Flüssigkeiten in dem Öl nach wiederholten Betrieben bei niedrigen Temperaturen kann erheblich sein. Es können sich z. B. bei einer Kurzstreckenfahrt von etwa 240 Meilen in Wintergebieten, welche Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erleben, bis zu etwa 18 Gewichtsprozent Wasser und bis zu 12 Gewichtsprozent Kraftstoff in dem Öl ansammeln. Das andauernde Zurückhalten dieser Schadstoffe kann schädlich für die Ölleistung und -lebensdauer sein. Selbst bei den wärmeren Umgebungstemperaturen, die in diesen Gebieten während des Frühlings anzutreffen sind, kann das gleiche 240-Meilen-Schema Öl mit bis zu 5 Gewichtsprozent Wasser und bis zu 11 Gewichtsprozent Kraftstoff zur Folge haben.
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Viele dieser kondensierten Schadstoffe umfassen niedermolekulare, kleine Moleküle und können von den höhermolekularen, großen Molekülen, die in Motorschmierölen zu finden sind, auf der Basis der Größe unter Verwendung von mikroporösen, kristallinen Festkörpern oder Molekularsieben getrennt werden. Mikroporöse, kristalline Festkörper umfassen sowohl natürlich vorkommende als auch synthetisierte Strukturen mit Kanälen in Nanometergröße mit vorhersagbaren und einheitlichen Abmessungen. Die häufigsten Beispiele umfassen Zeolithe. Diese Materialien können daher zwischen Molekülen auf der Basis der Größe unterscheiden. Kleine Moleküle, jene mit molekularen Abmessungen, die kleiner sind als die Porengröße, können in die Poren gelangen und dort adsorbiert werden, während großen Malekülen, jenen, deren molekulare Abmessungen die Porengröße übersteigen, der Zugang verwehrt wird.
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Der Kohlenwasserstoff-Kraftstoffanteil der Schadstoffe wird Kohlenwasserstoffmoleküle mit einem Bereich von Kohlenstoffatomen pro Molekül umfassen. Einige der Kohlenwasserstoffmoleküle können groß und schwer von den Öl- und Öladditiv-Molekülen zu trennen sein. Diese Moleküle sind jedoch in geringer Konzentration vorhanden und die Dimensionierung der Poren, sodass sie nur Kohlenwasserstoffe mit bis zu 7 oder weniger Kohlenstoffatomen, z. B. bis zu C7-Olefine und C6-n-Olefine unterbringen, erzielt eine zufriedenstellende Balance zwischen der Unterscheidung zwischen dem Öl und den Kohlenwasserstoff-Schadstoffen und der Optimierung der Schadstoffentfernung.
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Eine noch weitere Unterscheidung kann durch Koppeln einer Vielzahl solcher poröser, kristalliner Festkörper mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften erreicht werden. Zeolithe beispielsweise sind poröse, kristalline Aluminosilikate, die Gruppen aus SiO4 und AlO4-Tetraedern umfassen, die miteinander durch gemeinsame Sauerstoffatome oder -ionen verbunden sind. Die meisten Zeolithe sind ionisch und haben eine große Affinität für Wasser und andere polare Moleküle, wenn aber das Siliziumoxid/Aluminiumoxid-Verhältnis größer wird, kann der Zeolith hydrophob werden. Somit können poröse, kristalline Festkörper synthetisiert werden, um ihre Eigenschaften „maßzuschneidern”, um sowohl ihre Porengröße als auch ihre chemische Selektivität zu verändern.
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Solche Zeolithe können mittels Kristallisation eines Siliziumoxid-Aluminiumoxid-Gels in Gegenwart von Alkalien und organischen Vorlagen synthetisiert werden. Dieser Sol-Gel-Prozess ist vergleichbar mit dem Einbau weiterer Festkörper einschließlich Metalloxide, sodass Mehrschicht-Zeolith-Festkörper gebildet werden können, indem eine zweite Solzusammensetzung mit Zeolith-Kristallen geimpft wird, die sich von einer ersten Solzusammensetzung herleiten. Diese Mehrschicht-Zeolith-Festkörper können dann, z. B. mittels Sintern oder durch die Verwendung eines Bindemittels wie z. B. Wasserglas in Verbindung mit thermischen Behandlungen aggregiert werden, um eine makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur zu bilden. Solch eine makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur, die eine oder mehrere unpolare mikroporöse Schichten mit Poren umfasst, die dimensioniert sind, um zuzulassen, dass alle Zielmoleküle eingelassen werden, kann über einer oder mehreren polaren, mikroporösen Schicht/en liegen. Die Poren der darunterliegenden polaren Schicht können eine Oberflächenchemie und -größe aufweisen, um selektiv eines oder mehrere der in den Poren der darüberliegenden, unpolaren Porenstruktur enthaltenen polaren Moleküle anzuziehen. Die Struktur muss nicht auf nur zwei derartige poröse, kristalline Festkörper eingeschränkt sein. Es kann vorteilhaft sein, zusätzliche poröse Festkörper aufzunehmen, um eine noch weitere Unterscheidung zwischen Adsorptionsmittelspezies zu erreichen.
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Solch eine makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur könnte, wenn sie in einem Motorschmieröl eingetaucht ist, das sowohl polare als auch unpolare Schadstoffe enthält, dazu dienen, die kondensierten Schadstoffe innerhalb ihrer porösen Schichten temporär abzusondern. Durch entsprechendes Dimensionieren der gesamten Porenvolumina der polaren und unpolaren Schichten durch Anpassen der Schichtdicken kann die Mehrschichtstruktur hergestellt werden, um die Schadstoffspezies im allgemeinen Mengenverhältnis zu ihrer vorweggenommenen Konzentration in dem Schmieröl zu adsorbieren. Das heißt, wenn der vorherrschende Schadstoff polar wäre, würde/n die polare/n, mikroporöse/n Schicht/en die Masse der porösen Mehrschichtstruktur umfassen und umgekehrt.
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Ein Querschnitt einer beispielhaften Struktur 50 aus makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Partikeln, die zum vollständigen Eintauchen in Schmieröl geeignet ist, ist in 2 gezeigt. In diesem Beispiel wurden nur zwei poröse Feststoffe verwendet, aber die Struktur kann problemlos erweitert werden, um zusätzliche Schichten zu beinhalten, oder um individuell eine Vielzahl unterschiedlicher solcher Feststoffe in einer porösen Festkörpermatrix einzubetten. In dem gezeigten Beispiel umgibt eine äußere Schale aus einem unpolaren, mikroporösen, kristallinen Feststoff 52 einen polaren, porösen, kristallinen Feststoff 54. Die Struktur 50 ist als im Querschnitt rechteckig gezeigt, es wird jedoch einzusehen sein, dass sie, je nach Bedarf, zu einer/m beliebigen zweckdienlichen äußeren Konfiguration oder Querschnitt geformt werden kann.
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Eine schematische Übersicht eines typischen Fahrzeugmotoröl-Zirkulationssystems ist in 1 gezeigt. Im Allgemeinen wird Öl 30, das in der Ölwanne 33 enthalten ist, durch eine Ölansaugung 43 gesammelt, um, wie durch die Pfeile 45 angezeigt, nacheinander durch das Ölansaugrohr 44 und den Ölfilter 60 unter dem Drängen der Ölpumpe 46 zu strömen. Nach dem Durchgang durch den Ölfilter 60 strömt das Öl, wie durch die Pfeile 45' angezeigt, zu dem Zylinderkopf und neben anderen Stellen des Motors zu den Hauptlagern, wonach es, durch die Schwerkraft getrieben, in die Ölwanne 33 abläuft, um den Kreis zu wiederholen. Wenn die makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur 50 z. B. in dem Öl 30 eingetaucht ist, das in der Ölwanne 33 enthalten ist, dann kann sie (ein) allgemein rechteckige/s Aussehen und Abmessungen zeigen, das/die es ihr ermöglicht/en, sich stabil im Boden der Ölwanne 33 zu positionieren. Alternativ kann solch eine makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur 50 (2) in einer Ölwanne 33 durch eine Ölansaugung 43 (nicht gezeigt) oder durch einen Bügel oder eine andere Stützstruktur (nicht gezeigt) abgestützt sein. Ein anderer Ansatz könnte darin bestehen, eine unregelmäßiger bemessene, makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur an dem Ölansaugrohr 44 (nicht gezeigt) zu befestigen. Ein noch anderer Ansatz kann darin bestehen, eine mehr zylindrisch geformte, makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur 50' in dem hohlen Ölrücklaufhohlraum des Motorölfilters 60 zu positionieren, wie in 1 und in größerem Detail in 3 gezeigt.
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Der in 3 gezeigte Motorölfilter 60 ist ein allgemein herkömmlicher. Eine kuppelförmige Abdeckung 62 ist an einer Grundplatte 65 angebracht, um ein inneres Volumen zu definieren, das zum Teil durch ein Filtermedium 68, oft mit einem gefalteten, faserartigen Aufbau, eingenommen wird, der durch eine perforierte, zylindrische Stütze 74 gestützt ist. Die Grundplatte 65 ist abdichtend gegen einen zusammengepassten Motorblock durch Eingriff von Schrauben 72 mit einem hohlen Gewindeansatz (nicht gezeigt) in dem Motorblock fixiert, der, wenn er festgezogen wird, die fügsame Dichtung 66 gegen den Motorblock zusammendrückt, um einen Ölaustritt zu eliminieren. Öl tritt in den Filter als Strömung 45 ein und wird um und durch das Filtermedium 68 und die perforierte Stütze 74 herum geleitet, bevor es durch die makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur 50' hindurch gelangt, die zumindest teilweise den inneren Hohlraum 76 einnimmt. Nachdem es der makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Struktur 50' ausgesetzt wurde, verlässt das Öl den Filter 60 und tritt als Strömung 45' wieder in den Motor ein.
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Aus diesen Beispielen wird ersichtlich sein, dass verschiedene Abwandlungen an der Größe, der Form und dem Durchmesser der makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Struktur vorgenommen werden können, um z. B. erhöhte Schadstoffvolumina unterzubringen, oder um den Körper an alternativ geformte Orte anzupassen, ohne von dem Zwck oder dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Auch die Verwendung einer Vielzahl von gemeinsam angeordneten oder unterschiedlich angeordneten makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Strukturen aus möglicherweise unterschiedlichen Zusammensetzungen liegt innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung.
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In diesen Ausführungsformen ist die makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur in dem Schmieröl eingetaucht. Die makroporöse Struktur wird sich daher im Allgemeinen bei Öltemperatur und in chemischem Gleichgewicht mit dem Öl befinden. Für ein System im Gleichgewicht werden die flüssigen Schadstoffe zwischen der makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Struktur und dem Öl in Übereinstimmung mit einer temperaturabhängigen Gleichgewichtskonstante im Gleichgewicht befinden. Bei niedrigen Temperaturen, z. B. etwa 25°C und darunter, begünstigt das Gleichgewicht die Adsorption der Schadstoffe in den Mehrschicht-Zeolithen; bei höheren Temperaturen ist das Gleichgewicht weniger günstig für die Adsorption und einige Schadstoffe werden desorbiert und gelangen in das Öl.
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Diese Differenz in der adsorbierten Konzentration bei niedrigen und hohen Temperaturen muss nicht groß sein, um eine nahezu vollständige Freisetzung der adsorbierten Schadstoffe zu ermöglichen. Die flüssigen Schadstoffe in dem Öl versuchen, das Gleichgewicht sowohl mit den adsorbierten Schadstoffen in der makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Struktur als auch mit Schadstoffdämpfen in dem Kurbelgehäuse aufrechtzuerhalten.
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Aber die Kurbelgehäusedämpfe einschließlich der Schadstoffdämpfe werden von der Umgebungsluft, die durch das Kurbelgehäuse durch den Betrieb des PCV-Systems gespült wird, kontinuierlich wegtransportiert. Dies stört das Flüssigkeit/Dampf-Gleichgewicht und induziert eine weitere Verdampfung der Flüssigkeiten in dem Öl. Die weitere Verdampfung der Flüssigkeiten wird jedoch die Konzentration flüssiger Schadstoffe in der Flüssigkeit herabsetzen und das makroporöse Festkörper-Öl-Gleichgewicht stören. Dies wird wiederum eine weitere Desorption von Schadstoffen von der makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Struktur in das Öl zur Folge haben, sodass die Sequenz wiederholt werden kann.
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Bei niedrigen Öltemperaturen kann der Dampfdruck der kondensierten Schadstoffe niedrig sein. Unter diesen Umständen kann das PCV-System, das die Schadstoffe als Dampf entfernt, weniger effektiv beim Entfernen von Schadstoffen sein. Somit kann die Konzentration flüssiger Schadstoffe ansteigen. Diese flüssigen Schadstoffe können aber großteils in der makroporösen Mehrschicht-Zeotith-Struktur adsorbiert und abgeschieden werden, wobei nur eine geringe Konzentration, die durch das chemische Gleichgewicht bestimmt ist, in dem Öl zurückbleibt. Bei höheren Temperaturen kann die Gesamtschadstoffkonzentration auf gesteuerte Weise durch die fortschreitende Freisetzung von Schadstoffen aus der makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Struktur in das Öl, gefolgt von der Verdampfung der Schadstoffe in dem Öl zur Aufnahme in Kurbelgehäusegase und Entfernung durch das Motor-PCV-System herabgesetzt werden. Somit wirken der makroporöse Mehrschicht-Festkörper und das Motor-PCV-System zusammen, um ein niedriges Niveau an Schadstoffen in dem Öl zur Erhöhung der Öllebensdauer über einen weiten Bereich von Motorbetriebstemperaturen aufrechtzuerhalten, die für viele unterschiedliche Fahrzyklen stehen.
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Ein alternativer Ansatz besteht darin, nur einen Abschnitt der makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Struktur in dem Öl in der Ölwanne einzutauchen und zuzulassen, dass sich der verbleibende Abschnitt des porösen Mehrschicht-Feststoffkörpers in das Kurbelgehäuse hinein erstreckt. Es wäre möglich, die makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur einfach auf einem Sockel oder einer erhöhten Plattform in der Ölwanne (nicht gezeigt) anzuordnen, um sie zu erhöhen und einen Abschnitt dem Kurbelgehäuse auszusetzen. Mit solch einer festen Konfiguration kann es jedoch eine Herausforderung bedeuten, einen bevorzugten Anteil der makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Struktur beständig in dem Öl eingetaucht zu behalten, wenn sich das Ölniveau ändert, z. B. auf Grund des Verbrauchs von Öl während des Fahrzeugbetriebes oder des Schwappens von Öl in der Ölwanne im Verlauf von Fahrzeugmanövern.
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Ein stärker bevorzugter Ansatz ist in 4 veranschaulicht, die eine makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur 150 zeigt, die im Allgemeinen der in 2 gezeigten analog ist und wiederum polare und unpolare mikroporöse Elemente (nicht aufgeführt) umfasst. Zeolithe weisen eine spezifische Dichte von etwa 2,2 auf und werden, wenn sie nicht abgestützt sind, in das Öl 30 sinken, das eine spezifische Dichte von etwa 0,9 aufweist. Die makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur 150 kann jedoch durch Hinzufügen einer Schwimmkammer wie z. B. mit 86 angezeigt, oder etwas Ähnlichem schwimmend gemacht werden. Wenn sie entsprechend dimensioniert ist, kann die Schwimmkammer 86 die Zeolith-Struktur 150 stabil teilweise in das Öl 30 untergetaucht halten, sodass sich ein Abschnitt der Zeolith-Struktur 150 in das Kurbelgehäuse hinein erstreckt.
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In der gezeigten Ausführungsform weisen der poröse Festkörper und die Schwimmkammer die Form eines hohlen Zylinders auf und sind verschiebbar auf einer hohlen Säule 80 positioniert, die sich beinahe vertikal von der unteren Fläche 133 der Ölwanne 33 nach oben erstreckt. Die Säule 80 dient dazu, die makroporöse Zeolith-Struktur 150 und die Schwimmkammer 86 seitlich festzuhalten, während sie zulässt, dass sie einen nahezu konstanten Abschnitt der makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Struktur 150 in das Öl 30 eingetaucht halten, selbst wenn sich das Ölniveau ändert.
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Dadurch, dass sie nur teilweise in dem Öl eingetaucht ist, kann die makroporöse Mehrschicht-Zeolith-Struktur 150 direkt einige adsorbierte Schadstoffe zu den Kurbelgehäusegasen zur Entfernung durch das PCV-System beitragen. Es besteht daher während der Desorption keine Notwendigkeit, dass zumindest einige der Schadstoffe von dem makroporösen Festkörper zu dem Öl transferiert werden, bevor sie zu dem Kurbelgehäuse zur Eliminierung durch das PCV-System strömen.
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Optional kann eine Heizeinrichtung 82 in thermischem Kontakt mit dem Abschnitt der makroporösen Mehrschicht-Zeolith-Struktur, der offen zu dem Kurbelgehäuse ist, verwendet werden, um die Schadstoffverdampfung zu unterstützen, wenn die Öltemperatur niedrig ist. In der gezeigten Konfiguration kann die Heizeinrichtung 82 bevorzugt im Inneren der hohlen Säule 80 positioniert sein, wie gezeigt. Dies gestattet es, dass elektrische Versorgungskabel 84 für die Heizeinrichtung 82 außerhalb der Ölwanne und des Kurbelgehäuses verlaufen.
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Die Heizeinrichtung 82 würde, wenn sie verwendet wird, nur bei einer niedrigen Öltemperatur in Betrieb sein. Ein einfacher Controller (nicht gezeigt) würde die Heizeinrichtung in Ansprechen auf die Öl- oder Motortemperatur aus- und einschalten. Unter Bedingungen, unter denen ein Fahrzeug bei normalen Öltemperaturen betrieben wird, wäre die Heizeinrichtung nicht erforderlich. Aber unter Bedingungen, unter denen die Motoröltemperatur unter einer Schwellentemperatur liegt, könnte die Heizeinrichtung die Desorption von Schadstoffen und deren Entfernung durch das PCV-System unterstützen, um deren Ansammlung in dem porösen, kristallinen Mehrschicht-Festkörper zu minimieren. Bedenkt man, dass eine typische stationäre Öltemperatur etwa 100°C beträgt, so kann eine geeignete Schwellentemperatur bei etwa 80°C liegen.
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Die Verfahren und Vorrichtungen dieser Erfindung wurden mit spezifischer Bezugnahme auf ihre Anwendung auf einen Kurzstreckenbetrieb von Kraftfahrzeugen bei kaltem Wetter beschrieben. Es wird jedoch einzusehen sein, dass es andere Anwendungen gibt, bei denen Motoren selten oder für nur kurze Zeitspannen verwendet werden, und bei denen die Methoden und Vorrichtungen der Erfindung in vorteilhafter Weise eingesetzt werden können. Beispiele umfassen Motoren, die Notfallgeneratoren betreiben, und Hilfsverbrennungsmotoren, die in Hybridfahrzeugen, insbesondere Ansteck-Hybridfahrzeugen mit erweiterter Reichweite, verwendet werden, die in den meisten Betriebsarten eine entsprechende Reichweite mittels Batterieleistung bieten, sodass der Hilfsmotor nur selten zum Einsatz kommt.
