DE10337755A1

DE10337755A1 - Verbrennungsmotor mit Kraftstoffaufbereitungssystem

Info

Publication number: DE10337755A1
Application number: DE10337755A
Authority: DE
Inventors: Markus Gloeckle; Markus Hernier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2004-06-09
Also published as: DE10336759A1; ITMI20032291A1; DE10338227A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (10) mit einem Kraftstoffversorgungssystem (12) und einem Abgassystem (14), wobei das Kraftstoffversorgungssystem (12) eine Trenneinheit (33) zur Trennung und/oder Modifikation von Kraftstoff (26) in Fraktionen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweist. Der Verbrennungsmotor zeichnet sich dadurch aus, dass die Trennung und/oder Modifikation durch Pervaporation durch eine Membran (38) oder ein Molekularsieb erfolgt und zu Kraftstofffraktionen mit unterschiedlichen Aromatenkonzentrationen führt. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Teilmodul für ein Kraftstoffversorgungssystem und auf den Betrieb solcher Vorrichtungen abgestimmte Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoffversorgungssystem und einem Abgassystem, wobei das Kraftstoffversorgungssystem eine Trenneinheit zur Trennung und/oder Modifikation von Kraftstoff in Fraktionen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors.
Ferner betrifft die Erfindung ein Teilmodul eines Kraftstoffversorgungssystems einer Energieversorgung eines Kraftfahrzeuges, wobei die Energieversorgung einen Energiewandler, beispielsweise einen Verbrennungsmotor und/oder eine Brennstoffzelle aufweisen kann.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der DE 197 13 841 bekannt. Nach dieser Schrift werden Kraftstofffraktionen, die bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen sieden, an Bord eines Kraftfahrzeugs durch Erzeugung eines Unterdrucks über einem Kraftstoffvorrat und Kondensation abgesaugter Dämpfe von Fraktionen getrennt, die bei höheren Temperaturen sieden. Im Betrieb des Kraftfahrzeuges sollen die abgetrennten Fraktionen dem Verbrennungsmotor im Kaltstartfall zugeführt werden und eine verringerte Kohlenwasserstoff-Emission zur Folge haben.

Aus der US 5 093 418 und der US 5 290 452 sind industrielle Trennverfahren zur Trennung organischer Verbindungen in Fraktionen mit unterschiedlichen Aromatenkonzentrationen bekannt, die mit Polyestermembranen arbeiten.

Die Minderung von Schadstoff-Emissionen besitzt bei der Entwicklung neuer Kraftfahrzeuge einen sehr hohen Stellenwert. Während bei Ottomotoren mit Dreiwege-Katalysatoren bereits eine sehr weitgehende Emissionsminderung erzielt worden ist, besteht insbesondere bei der Verminderung der Partikel- und der Stickoxid-Emission bei mager betriebenen Motoren noch Handlungsbedarf. Weiter besteht bei Kraftfahrzeugen, die mit einer Energieversorgung mit Brennstoffzellen ausgerüstet sind, ein Bedarf für eine Bereitstellung eines leicht reformierbaren Kraftstoffes als Basis für eine onboard Wasserstofferzeugung.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verbrennungsmotors und eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors sowie in der Angabe eines Teilmoduls einer Energieversorgung eines Kraftfahrzeuges, das eine weitere Verminderung der genannten Schadstoffe und/oder eine Reduktion des Kraftstoffmehrverbrauchs erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Trennung und/oder Modifikation durch eine Membran oder ein Molekularsieb erfolgt und zu unterschiedlichen Aromatenkonzentraticnen führt.

Ferner wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass Kraftstoff durch Pervaporation durch eine Membran oder ein Molekularsieb in Fraktionen mit unterschiedlichen Aromatenkonzentrationen getrennt wird und dass Fraktionen mit geringeren Aromatengehalten zu wenigstens einem Brennraum des Verbrennungsmotors und/oder zum Abgassystem dosiert werden.

Darüber hinaus wird diese Aufgabe bei einem Teilmodul der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Trennung und/oder Modifikation des Ausgangskraftstoffes durch Pervaporation durch eine Membran oder ein Molekularsieb erfolgt und zu Kraftstofffraktionen mit unterschiedlichen Aromatenkonzentrationen führt.

Der Begriff der Pervaporation bezeichnet eine Verdampfung durch eine Membran. Unter einem Molekularsieb wird eine poröse Struktur verstanden, die verschiedene Fraktionen, die sich in ihrer Molekülgröße unterscheiden, bei einer Durchströmung verschieden stark zurückhält, wobei die stärker zurückgehaltene Fraktion durch einen Ausdampfprozess freigesetzt werden kann.

Die genannten Maßnahmen besitzen das Potenzial, einen Betrieb von Verbrennungsmotoren in Bezug auf Rohemissionen, Kaltstartfähigkeit und Verbrennungsgeräusch-Verhalten weiter zu verbessern. Durch die Trennung von handelsüblichem Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, in die genannten Fraktionen wird zum Beispiel in Form der aromatenärmeren Fraktion Kraftstoff an Bord des Kraftfahrzeugs bereitgestellt, der sich durch eine größere Zündwilligkeit auszeichnet.

Der mit Hilfe einer Trennmembran hergestellte modifizierte, aromatenarme Kraftstoff hat annähernd die Qualität eines nach dem „Fischer-Tropsch"-Verfahren industriell erzeugten Kraftstoffs. Bei dem „Fischer-Tropsch" Verfahren werden Schweröle durch chemische Verfahren zur Erhöhung der Benzinausbeute bei der Erdölverarbeitung in Leichtöle umgewandelt. Höher siedende Erdölbestandteile werden entweder als Flüssigkeit unter hohem Druck oder ohne Druck als Dampf einer Temperatur von 450 – 600°C ausgesetzt. Dabei werden die Moleküle aufgespalten, und es entstehen niedriger siedende Kohlenwasserstoffe, hauptsächlich Benzin, daneben auch Gase (Olefine) und Koks. Durch Anwendung von Katalysatoren wird die (unerwünschte) Gas- und Koksbildung verringert (katalytischer Crackprozess).

Durch die Zufuhr von aromatenärmeren Kraftstoff zu Brennräumen des Verbrennungsmotors wird die Verbrennung des Kraftstoffs in den Brennräumen wesentlich verbessert. So hat sich experimentell gezeigt, dass aromatenärmere Kraftstofffraktionen bei ihrer Verbrennung bereits die Partikel-Roh-Emissionen und die NOx-Rohemission des Verbrennungsprozesses verringern. Dadurch kann die erreichbare Emission eines Fahrzeugkonzeptes mit oder ohne Abgasnachbehandlungssystem wesentlich verbessert werden. Eine Verbesserung des auf den Kraftstoffverbrauch bezogenen Gesamtwirkungsgrades ergibt sich zum Beispiel bei einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem NOx-Speicherkatalysator dadurch, dass die Intervalle, nach denen der Speicherkatalysator durch horte Abgastemperaturen und/oder einen Betrieb des Verbrennungsmotors mit fettem Gemisch regeneriert werden muss, verlängert werden können. Da jede Regeneration mit einem Mehrverbrauch, einer sogenannten „fuel penalty" verbunden ist, ergibt sich darüber hinaus eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und somit der Kohlendioxid-Emissionen.

Insgesamt sind die Partikel-Emissionen und die NOx-Emissionen eines Verbrennungsprozesses im Allgemeinen so miteinander verknüpft, dass eine Verringerung der NOx-Emissionen zu einem Anstieg der Partikel-Emissionen führt. Die Abhängigkeit besitzt eine Form, die einer Hyperbel ähnlich ist. Die beschriebene Wechselwirkung gilt auch für die Verwendung eines bestimmten Kraftstoffes oder einer bestimmten Kraftstofffraktion. Durch die Erfindung wird mit der aromatenärmeren Kraftstofffraktion ein Kraftstoff zur Verfügung gestellt, der die Abhängigkeit insgesamt so verändert, dass sowohl die NOx-Emissionen als auch die Partikel-Emissionen niedriger werden. Man kann sich zur Veranschaulichung vorstellen, dass die zuvor genannte Hyperbel insgesamt niedriger liegt, also bei einer Auftragung in einem herkömmlichen Koordinatensystem im ersten Quadranten unterhalb der Hyperbel eines Ausgangskraftstoffes verläuft.

Der nach einer Trennung verbleibende aromatenreichere Restkraftstoff kann in bestimmten Betriebszuständen, die hinsichtlich der Partikel-Rohemission und/oder der NOx-Rohemission unkritischer sind, in den Brennräumen verbrannt werden. Als solche Betriebszustände kommen insbesondere Betriebszustände mit betriebswarmem Verbrennungsmotor bei vergleichsweise hoher Kraftstoffdosierung in Frage, wie sie bei höheren Drehmomentanforderungen ohne weitere Steuerungsmaßnahmen auftreten oder wie sie zum Beispiel durch eine Verringerung des Luftanteils von Brennraumfüllungen durch eine Drosselung erzeugt werden können.

Durch die Integration einer solchen Vorrichtung in ein Kraftstoffversorgungssystem kann die Trennung bedarfsgerecht erfolgen. Ein zusätzlicher Aufwand für den Fahrer ist damit nicht verbunden. Die Vorteile einer Verwendung unterschiedlicher Fraktionen im Betrieb des Verbrennungsmotors werden daher ohne einen solchen Zusatzaufwand, beispielsweise ohne ein Nachtanken von unterschiedlichen Kraftstoffen, erzielt.

Neben verringerten Partikel-Emissionen und NOx-Emissionen werden auch die Kohlenwasserstoff-Emissionen beim Kaltstart durch die bessere Verbrennung aufgrund der verringerten Zündverzugszeit gesenkt. Als weiterer Vorteil der verbesserten Verbrennung tritt ein niedrigerer Pegel des Verbrennungsgeräusches auf.

Bei mit Brennstoffzellen ausgerüsteten Kraftfahrzeugen, bei denen der zum Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Wasserstoff durch eine Reformierung von Kohlenwasserstoffen bereitgestellt wird, hat sich gezeigt, dass aromatenarme Fraktionen besonders gut für die Wasserstofferzeugung geeignet sind.

Bevorzugt ist auch, dass die Trenneinheit in einem Rücklauf für Kraftstoff aus einem Hochdruckteilsystem des Kraftstoffversorgungssystems zu einem Kraftstoffvorratstank angeordnet ist.

Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass der trennenden Membran sowohl bereits vorgewärmter Kraftstoff zugeführt wird, als auch ein notwendiges Druckgefälle eingestellt werden kann, was die Trenneigenschaften der Membran verbessert. Die Vorwärmung ergibt sich aufgrund der in der Hochdruckpumpe eingestellten Kompression des Kraftstoffes und aus einem engeren Wärmekontakt des Hochdruckteilsystems zum ohnehin warmen Verbrennungsmotor im Vergleich zum Kraftstofftank.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch eine vor der Trenneinheit angeordnete, den zur Trenneinheit strömenden Kraftstoff aufheizende Heizvorrichtung aus.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz über der Membran aus.

Durch diese sowohl einzeln als auch in Kombination anwendbaren Ausgestaltungen werden die Trenneigenschaften der Membran weiter verbessert.

Bevorzugt, ist auch, dass der Verbrennungsmotor eine Kühlvorrichtung aufweist, die eine von der Trenneinheit abgegebene Fraktion kühlt.

Auch diese Ausgestaltung trägt zu einer verbesserten Trennwirkung durch Kondensation der abgetrennten, gasförmigen Kohlenwasserstoffe bei. Als Kühlmedium kommt zum Beispiel das Kühlwasser des Verbrennungsmotors in Frage.

Ferner ist bevorzugt, dass der Verbrennungsmotor ein Dosiersystem zur Dosierung wenigstens einer von der Trenneinheit abgegebenen tiefersiedenden und/oder aromatenärmeren Fraktion zum Abgassystem aufweist.

Diese Ausgestaltung nutzt aus, dass eine aromatenärmere Fraktion in der Regel auch eine größere Verdampfungsneigung bei tieferen Temperaturen zeigt als übrige Fraktionen. Dadurch tritt bei einer Zufuhr der aromatenärmeren Fraktion zum Abgas eine schnellere Verdampfung und somit verbesserte Mischung mit dem Abgas auf. Dadurch wird die Gefahr verringert, dass bei einer solchen Zufuhr flüssige Kraftstoffanteile auf Teile des Abgasnachbehanälungssystems wie Katalysatoren, Filter oder Abgassensoren treffen und dort insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen nicht vollständig umgesetzt werden.

Für einen ordnungsgemäßen Betrieb von manchen Abgasnachbehandlungssystemen muss kontinuierlich oder periodisch eine sauerstoffarme (NOx-reduzierende) Umgebung im Abgasnachbehandlungssystem geschaffen werden. Ein NOx-Speicherkatalysator muss zum Beispiel periodisch von angesammeltem NOx befreit (regeneriert) werden. Diese sauerstoffarme Atmosphäre kann mit Hilfe einer verzögerten Einspritzung eines bezüglich des Einspritzzeitpunktes flexiblen Einspritzsystems des Dieselmotors erzeugt werden. Ein Beispiel eines flexiblen Einspritzsystems ist das sogenannte „Common Rail"-System. Dieses Einspritzsystem besitzt einen Kraftstoffhochdruckspeicher, aus dem zu beliebigen Zeitpunkten Kraftstoff mit Einspritzdruck entnommen werden kann. Dabei wird der Sauerstoffgehalt des Abgases reduziert, indem einerseits das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum des Motors abgesenkt wird und andererseits die ins Abgas gelangten Kohlenwasserstoffe bei ausreichend hohen Temperaturen an einem edelmetallhaltigen Katalysator oxidieren, so dass der Restsauerstoff im Abgas weitestgehend eliminiert wird. Eine indirekte Zufuhr von Kohlenwasserstoffen zum Abgassystem kann bei einem solchen Einspritzsystem durch eine späte, gegebenenfalls nach der Verbrennung im Expansionstakt erfolgende Zusatzeinspritzung, der sogenannten Nacheinspritzung, in den Brennraum erfolgen.

Eine direkte Zufuhr zum Abgas kann insbesondere bei Dieselkraftstoff-Einspritzsystemen vorteilhaft sein, bei denen der Einspritzzeitpunkt nicht frei variiert werden kann. Beispiele solcher Einspritzsysteme sind sogenannte „Unit Injektor" Systeme oder „Unit Pump" Systeme des Anmelders. Bei diesen Einspritzsystemen wird der Einspritzdruck periodisch synchron zur Drehung einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors erzeugt. Durch ein motorexternes, am Abgastrakt angeordnetes Dosiersystem kann in diesem Anwendungsfall mit Hilfe einer motorexternen Kraftstoffeinspritzung eine exotherme Reaktion für die Regeneration von DPF-Systemen (Diesel Particulate Filter) und die Regeneration von NSC-Systemen (NOx Sorption Catalyst) sowie die Regeneration von Kombinationssystemen auch mit nach dem SCR-Prinzip (Selectice Catalytic Reduction) arbeitenden DeNOx-Systemen erzielt werden. Die im Abgas notwendige Verdampfung des modifizierten (aromatenarmen und leichter flüchtigen) Kraftstoffs erfolgt insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen schneller als die Verdampfung von nicht modifiziertem Kraftstoff.

Ferner kann eine Dosierung zum Abgas auch ergänzend zu einer Dosierung zum Brennraum erfolgen, wenn eine Reduktionsmittelzufuhr wegen Bauteiltemperaturrestriktionen nicht allein über eine Dosierung zu Brennräumen erfolgen kann. Diese Situation kann bei modernen leichten Nutzfahrzeugen, die Speicherkatalysatoren und/oder kombinierte Partikelfilter- und DeNOx-Systeme aufweisen, im Betrieb des Verbrennungsmotors mit hohen Drehmomentanforderungen auftreten.

Bevorzugt ist auch, dass die Dosierung in Strömungsrichtung von Abgasen vor oder nach einem Abgasturbolader erfolgt.

Dabei nutzt eine Dosierung vor dem Turbolader das dort höhere Abgastemperaturniveau zur Verdampfung aus. Durch die verbesserte Verdampfung der aromatenärmeren Fraktionen kommt aber auch eine Einleitung nach dem Turbolader in Frage, was die Gefahr eines Thermoschocks an Turbinenschaufeln des Abgasturboladers verringert.

Ferner ist bevorzugt, dass der Verbrennungsmotor einen separaten Tank für wenigstens eine von der Trenneinrichtung abgegebene höhersiedende und/oder aromatenangereicherte Fraktion aufweist.

Durch diese Ausgestaltung kann die aromatenreichere Fraktion zwischengespeichert und dem Verbrennungsmotor und/oder dem Abgas in unkritischen Betriebspunkten, zum Beispiel bei großen Lasten und betriebswarmem Verbrennungsmotor oder in einem Modus zur Regeneration eines Partikelfilters bei sehr hohen Abgastemperaturen zugeführt werden.

Bevorzugt ist auch, dass ein Tank für die aromatenärmere Fraktion vorhanden ist.

Durch diese Ausgestaltung wird die Erzeugung der aromatenärmeren Fraktion zeitlich von ihrer Verwendung entkoppelt. Als Folge kann insbesondere beim Kaltstart der aromatenärmere Kraftstoff zur Verfügung gestellt werden.

Bevorzugt ist auch, dass es sich bei der Membran um eine nach dem Lösungs-Diffusions-Prinzip arbeitende Membran handelt.

Solche nichtporösen Membranen, die für die Aromatentrennung aus Kraftstoffen bereits in der Forschung zur Verfügung stehen und von denen noch weiter zu entwickelnde Beispiele aus den eingangs erwähnten US-Patenten bekannt sind, besitzen eine Trennschärfe, die so gut ist, dass bereits in einstufigen Anlagen Kraftstoffmischungen energie- und kostengünstig in verschiedene Fraktionen mit technisch erforderlichen und/oder Reinheitsgraden getrennt werden können.

Es versteht sich aber, dass im Rahmen der Erfindung auch mehrstufige Anlagen verwendet werden können und das die Erfindung nicht auf die Verwendung der Membranen aus den genannten US-Schriften beschränkt ist.

Mit Blick auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass eine Dosierung zum Abgassystem bei niedrigen Abgastemperaturen mit wenigstens einer Maßnahme zur Erhöhung der Abgastemperatur verbunden wird.

Durch diese Maßnahme wird die Verdampfung des zum Abgassystems dosierten Kraftstoffs weiter verbessert.

Ferner ist bevorzugt, dass die wenigstens eine Maßnahme eine Absenkung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in wenigstens einem Brennraum des Verbrennungsmotors und/oder eine Anpassung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes in wenigstens einem Brennraum des Verbrennungsmotors und/oder eine Erhöhung der Abgastemperatur durch einen Brenner, eine Sekundärluftzufuhr oder eine elektrische Heizung umfasst.

Veitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine im Rahmen der Erfindung verwendbare Membran, die nach dem Lösungs-Diffusionsprinzip arbeitet;
3 eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels mit einer Dosierung zum Abgas; und
4 weitere Abwandlungen der Ausführungsbeispiele nach den 1 und 3.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Kraftstoffversorgungssystem 12 und einem Abgassystem 14. Die Funktionen der in 1 dargestellten Anordnung und insbesondere die Kraftstoffzumessung für den Verbrennungsmotor 10 wird von einem Steuergerät 16 gesteuert, das zum Beispiel eine Einspritzventilanordnung 18 des Verbrennungsmotors 10 ansteuert. Die Luft für den Verbrennungsprozess wird dem Verbrennungsmotor 10 über ein Ansaugrohr 20 zugeführt, das optional über einen Abgasturbolader 22 mit dem Abgassystem 14 gekoppelt sein kann. Das Abgassystem 14 weist ein Abgasnachbehandlungssystem 24 auf, das beispielsweise einen 3-Wege-Katalysator, einen Oxidationskatalysator, einen NOx-Speicherkatalysator, einen Partikelfilter oder einen SCR-Katalysator aufweisen kann. Selbstverständlich können auch Kombinationen der genannten Filter und Katalysatoren vorhanden sein.
Kraftstoff 26 wird der Einspritzventilanordnung 18 aus einem Vorratstank 28 über eine Hochdruckpumpe 30 zugeführt, die aus einem Zufuhrdruck von einigen bar einen Hochdruck in der Größenordnung von 10¹ bis über 10² bar für einen Verbrennungsmotor mit Benzindirekteinspritzung oder aber einen Hochdruck in der Größenordnung von über 10³ bar für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung erzeugt. Üblicherweise handelt es sich bei der Hochdruckpumpe 30 um eine vom Verbrennungsmotor 10 mechanisch angetriebene Kolbenpumpe, die mehr Kraftstoff unter Hochdruck bereitstellt, als über die Einspritzventilanordnung 18 zu den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 zugemessen wird. Der überschüssige Kraftstoff wird über einen Rücklauf 32 von der Hochdruckpumpe 30 weggeführt und zumindest teilweise zum Tank 28 zurückgeführt. Es versteht sich, dass der Rücklauf 32 sowohl hochdruckseitig als auch niederdruckseitig mit der Hochdruckpumpe 30 gekoppelt sein kann.
Das Kraftstoffversorgungssystem 12 weist eine Trenneinheit 33 auf, die Kraftstoff 26 aus dem Vorratstank 28 in Fraktionen mit unterschiedlichen Aromatenkonzentrationen trennt. Bei Aromaten handelt es sich bekanntlich um ringförmige Kohlenwasserstoffe mit ungesättigten pi-Elektronenkonfigurationen. Herkömmliche Kraftstoffe enthalten neben diesen Aromaten weitere Fraktionen, beispielsweise Paraffine und andere kettenförmige Kohlenwasserstoffe unterschiedlicher Kettenlänge. Im Ausführungsbeispiel nach der 1 ist die Trenneinheit 33 im Rücklauf 32 der Hochdruckpumpe 30 angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Trenneinheit 33 bereits vorgewärmter Kraftstoff zugeführt wird.
Die Trenneinheit 33 weist ein erstes Teilvolumen 34 auf, das von einem zweiten Teilvolumen 36 durch eine Membran 38 getrennt ist. Dem ersten Teilvolumen 34 wird über einen Eingang 40 Kraftstoff aus dem Rücklauf 32 zugeführt. Durch die physikalisch-chemische Wechselwirkung mit der Membran 38, die weiter unter mit Bezug auf die 2 noch näher erläutert wird, stellen sich im ersten Teilvolumen 34 und im zweiten Teilvolumen 36 unterschiedliche Aromatenkonzentrationen ein. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist angenommen, dass sich im Permeat, also im zweiten Teilvolumen 36, eine aromatenarme Konzentration einstellt und dass sich im Retentat, also im ersten Teilvolumen 34, eine entsprechend aromatenreichere Konzentration einstellt.
Die aromatenreichere Fraktion wird über einen ersten Ausgang 42 abgeführt und die aromatenärmere Fraktion wird über einen zweiten Ausgang 44 in eine Leitung 46 entlassen, die das zweite Teilvolumen 36 hydraulisch mit einem ersten Steuerventil 48 verbindet, das vom Steuergerät 16 gesteuert wird. Dem Steuerventil 48 wird darüber hinaus frischer Kraftstoff 26 aus dem Tank 28 zugeführt. Im Steuerventil 48 findet eine Mischung von frischem Kraftstoff 26 mit einer aromatenarmen Fraktion aus dem zweiten Teilvolumen 36 statt. Je nach Ausführung des Steuerventils 48 und je nach Ansteuerung durch das Steuergerät 16 können dabei Anteile der arematenarmen Fraktion zwischen 0 und 100 % eingestellt werden. In der Darstellung der 1 ist das erste Steuerventil 48 bevorzugt als Mischungsventil realisiert, mit dem sich der Anteil der aromatenarmen Fraktion stetig einstellen lässt. Es versteht sich aber, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung eines solchen Steuerventils 48 in einer Anordnung nach 1 beschränkt ist. So kann in die Leitung 46 ein separater Permeat-Tank integriert sein, aus dem mit einer Pumpe aromatenarmer Kraftstoff zum ersten Steuerventil 48 gefördert wird, das in diesem Fall als Umschaltventil realisiert sein kann. Über eine hydraulische Verbindung zwischen dem ersten Steuerventil 48 und einer Niederdruckseite der Hochdruckpumpe 30 wird diese mit Kraftstoff steuerbarer Aromatenkonzentration versorgt.
Das bei der Trennung des Kraftstoffs aus dem Rücklauf 32 oberhalb der Membrane 38 verbleibende Retentat wird im Ausführungsbeispiel der 1 über eine Leitung 50 zum Tank 28 zurückgeführt. Alternativ zu dieser Rückführung über die Leitung 50 kann das Retentat auch über eine optional vorhandene Leitung 52 zu einem optional vorhandenen zweiten Steuerventil 54 geführt werden, das ebenfalls vom Steuergerät 16 gesteuert wird. Für den Aufbau und die Steuerung eines solchen optional vorhandenen zweiten Steuerventils 54 gelten die Ausführungen zu dem ersten Steuerventil 48 analog. Ein etwa vorhandenes zweites Steuerventil 54 wird vom Steuergerät 16 bevorzugt komplementär zum ersten Steuerventil 48 angesteuert, so dass eine Beimischung von aromatenreicherem Retentat zu dem Kraftstoff, der zur Hochdruckpumpe 30 gefördert wird, nicht gleichzeitig mit einer Beimischung von aromatenärmerem Permeat erfolgt.
In der 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Trenneinheit 33 aus der 1 schematisch dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugsziffern, wie auch in den übrigen Figuren, jeweils gleiche Komponenten oder Elemente. Das erste Teilvolumen 34 der Trenneinheit 33 ist in der 2 durch eine gestrichelte Linie 55 schematisch in einen ersten Teilbereich 34a und einen zweiten Teilbereich 34b aufgeteilt. Diese real nicht vorhandene digitale Aufteilung soll zur Veranschaulichung des im Folgenden erläuterten Trennprozesses beitragen, in dem die Teilbereiche 34a und 34b Zonen unterschiedlicher Aromatenkonzentrationen im Retentat repräsentieren sollen. In der Realität verläuft ein Konzentrationsgradient selbstverständlich stetig entlang der Membran 38.
Aus dem Rücklauf 32 wird dem ersten Teilbereich 34a über den Eingang 40 Kraftstoff mit einer ersten Aromatenkonzentration n_1 zugeführt. Die weißen Punkte 35 stellen aromatische Bestandteile des zugeführten Kraftstoffs dar und die schwarzen Punkte 37 stellen übrige Bestandteile des zugeführten Kraftstoffs dar. Die über den Eingang 40 zugeführten Kraftstoffbestandteile besitzen eine unterschiedliche Löslichkeit und ein unterschiedliches Diffusionsvermögen in der nicht porösen Membran 38, die beispielsweise aus Polyester enthaltendem Material aufgebaut sein kann.
Der Darstellung der 2 liegt die Annahme zugrunde, dass sich die übrigen Bestandteile besser in der Membrane 38 lösen und schneller durch die Membran 38 diffundieren können als die aromatischen Bestandteile 35. Aufgrund dieser Vorgänge treten auf der dem zweiten Teilvolumen 36 zugewandten Seite der Membran 38, also der Permeatseite, verstärkt die übrigen Bestandteile 37 in dampfförmiger Form aus. Dadurch stellt sich auf der Retentatseite der Membran 38, also im ersten Teilvolumen 34 und insbesondere im zweiten Teilvolumen 34b am Ausgang 42 eine größere Aromatenkonzentration n_2 ein. Dagegen stellt sich im zweiten Teilvolumen 36 am zweiten Ausgang 44 eine geringere Aromatenkonzentration ein.
Mit anderen Worten: im Retentat findet eine Anreicherung von Aromaten 35 statt und im Permeat findet eine Abreicherung von Aromaten 35 statt. Es versteht sich, dass diese Konzentrationsgradienten von n_1 nach n_2 am Ausgang 42 und von n_1 zu n_3 am Ausgang 44 von der Wechselwirkung der verschiedenen Kraftstoffbestandteile mit der Membran 38 abhängen. Je nach chemischer Zusammensetzung und physikalischer Struktur der Membran 33 können sich auch umgekehrt verlaufende Gradienten einstellen. Im umgekehrten Falle wäre also eine Aromatenanreicherung im Permeat und eine Aromatenabreicherung im Retentat zu erwarten. Bei Verwendung einer Membran 38, die zu solchen Resultaten führt, wären beispielsweise im Ausführungsbeispiel der 1 die Anschlüsse der Leitungen 46 und 50 an den Ausgängen 42 und 44 zu tauschen, um bei einer Steuerung durch das Steuergerät 16 die gleichen Effekte zu erzielen.
3 zeigt eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels aus der 1, bei der eine Dosierung der aromatenärmeren Fraktion direkt zum Abgas erfolgt. Kraftstoff mit einer niedrigeren Aromatenkonzentration n_3 verdampft insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen besser als Kraftstoff der Ausgangskonzentration n_1 und insbesondere besser als Kraftstoff mit höherer Aromatenkonzentration n_2 und ist daher besser zur Erzeugung einer reduzierenden Atmosphäre im Abgas geeignet wie sie für einen ordnungsgemäßen Betrieb vieler Abgasnachbehandlungssysteme 14 periodisch oder kontinuierlich erforderlich ist. Die Dosierung erfolgt beim Ausführungsbeispiel der 3 über ein Dosierventil 56, das vor dem Abgasnachbehandlungssystem 24 im Abgassystem 14 des Verbrennungsmotors 10 angeordnet ist.
Bei dem Dosierventil 56 kann es sich beispielsweise um ein modifiziertes Niederdruck-Einspritzventil handeln, wie es auch für herkömmliche Kraftstoffzumessungen zu Saugrohren und/oder zu Brennräumen eines Verbrennungsmotors 10 verwendet wird, und das vom Steuergerät 16 betätigt wird. Um die Verdampfung der zugemessenen Kraftstofffraktion zu verbessern, kann das Dosierventil 56 in Strömungsrichtung der Abgase stromaufwärts eines Turbinenrades 58 des optional vorhandenen Abgasturboladers 22 angeordnet sein. Wenn es die Temperaturverhältnisse gestatten, ist aber auch eine Anordnung stromabwärts des Turbinenrades 58 möglich, was in der 3 durch die gestrichelte Darstellung eines Dosierventils 60 repräsentiert wird. Es versteht sich, dass auch für eine Dosierung zum Abgas ein Zwischenspeicher vorgesehen werden kann. Dies wird weiter unten mit Bezug auf die 4 noch erläutert.
4 zeigt verschiedene Abwandlungen der bisher erläuterten Ausführungsbeispiele. In einer ersten Abwandlung ist in dem Rücklauf 32 in Strömungsrichtung vor der Trenneinheit 33 eine Heizvorrichtung angeordnet, die einen Wärmetauscher 62 und/oder eine elektrisch Heizung 64 umfassen kann. Bei dem Wärmetauscher 62 handelt es sich bevorzugt um ein mit dem Kühlmedium des Verbrennungsmotors 10 gekoppelten Wärmetauscher. Auf diese Weise können auch vergleichsweise große Rücklaufmengen ohne Bereitstellung von Zusatzenergie auf Temperaturen von 80 – 110 °C aufgeheizt werden. Wie bereits erwähnt, wird die Trennleistung der Membran 38 für hochsiedende Ausgangskraftstoffe mit zunehmender Temperatur besser.
Zur weiteren Verbesserung der Trennleistung kann alternativ oder ergänzend zum Wärmetauscher 62 eine elektrische Heizung 64 in thermischem Kontakt zum Rücklauf 32 angeordnet sein, die ebenfalls vom Steuergerät 16 angesteuert wird. Durch diese Ausgestaltung wird man von der Temperatur des Kühlmediums des Verbrennungsmotors 10 unabhängig und es lassen sich noch höhere Temperaturen am Eingang 40 der Trenneinheit 33 realisieren. Es hat sich zum Beispiel gezeigt, dass Zulauftemperaturen von bis zu 250 °C zu einer weiteren Verbesserung der Trennleistung führen können.
Die Trennleistung kann darüber hinaus durch Erzeuger. einer Druckdifferenz zwischen dem ersten Teilvolumen 34 und dem zweiten Teilvolumen 36 der Trenneinheit 33 verbessert werden. Dazu ist in der 4 eine Unterdruckquelle dargestellt, die auf der Unterdruckseite der Membran 38, also auf der Permeatseite, einen Unterdruck erzeugt. Als Unterdruckquelle kommt beispielsweise eine bei Dieselmotoren vielfach ohnehin vorhandene Unterdruckpumpe zur Bremskraftverstärkung in Frage. Bei mit einer Drosselklappe als Leistungsstellglied ausgerüsteten Verbrennungsmotoren kommt auch eine Ankopplung an das Ansaugrohr als Unterdruckquelle in Frage.
Alternativ oder ergänzend kann eine Druckdifferenz über der Membran 38 auch dadurch erzeugt oder vergrößert werden, dass die Retentatseite der Membran 38 mit einer Überdruckquelle 68 gekoppelt wird. Als Überdruckquelle kommen bei Nutzkraftwagen zum Beispiel Druckluftreservoirs für Bremsanlagen in Frage. Als weiteres Beispiel von Druckquellen kommen die Aggregate einer hydraulischen Servolenkung bei Personenkraftwagen oder Nutzkraftwagen und mechanische Überdruckquellen wie beispielsweise Pumpen in Frage.
Das dampfförmig aus der Membran 38 austretende Permeat kann über einen Ausgang 44 der Trennvorrichtung 33 auch über eine Kühlvorrichtung 70 geführt werden, um eine Kondensation des dampfförmigen Permeats zu beschleunigen. Als Kühlvorrichtung 70 kommt hier zum Beispiel ein Wärmetauscher in Frage, der mit dem Kühlmedium des Verbrennungsmotors 10 gekoppelt ist und das Permeat auf die Temperatur des Kühlmediums, die typischerweise in der Größenordnung von 80 – 110 °C liegt, herunterkühlt.
Das über den Ausgang 42 des ersten Teilvolumens 34 abgenommene Retentat wird bevorzugt in einen separaten Tank 72 geführt. Eine Zufuhr zu dem Verbrennungsmotor 10 oder dem Abgassystem 14 erfolgt bevorzugt in Betriebspunkten, in denen möglicherweise nachteilige Wirkungen einer höheren Aromatenkonzentration minimal sind. Wie bereits erwähnt, kommen dafür beispielsweise hohe Kraftstoffdosiermengen zu Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 und/oder hohe Temperaturen im Abgassystem 14 in Frage.
Um eine Trennung des Kraftstoffs 26 in Fraktionen unterschiedlicher Aromatenkonzentration auch dann zu ermöglichen, wenn der separate Tank 72 gefüllt ist, kann eine Verbindung des separaten Tanks 72 zum Kraftstofftank 28 vorhanden sein. In diesem Fall wird über den Ausgang 42 abgegebenes Retentat gewissermaßen bis zum Tank 28 geführt. Im Normalfall wird das Retentat aus dem separaten Tank 72 jedoch in den beschriebenen Betriebszuständen über das zweite Steuerventil 58 als Kraftstoffstrom zur Hochdruckpumpe 30 geführt oder über das Dosierventil 56 zum Abgas dosiert.
Ein separater Zwischentank 74 ist bevorzugt auch in dem Teilsystem vorhanden, in dem die aromatenärmere Fraktion von der Trenneinheit 33 abgeführt wird. Aus diesem separaten Tank 74 wird aromatenarmer Kraftstoff zum Steuerventil 48 und/oder zum Dosierventil 56 geführt.
Als Maßnahme zur Erhöhung der Abgastemperatur kommen Verschlechterungen des motorischen Wirkungsgrades in Frage, die sich nach thermodynamischen Prinzipien in einer Erhöhung der Abgastemperatur abbilden. Solche Verschlechterungen können beispielsweise durch verzögertes Einspritzen der im Brennraum zu verbrennenden Kraftstoffmenge vom Steuergerät 16 ausgelöst werden. Weiter kommen Maßnahmen in Frage, die exotherme Reaktionen im Abgassystem 14 auslösen. So kann beispielsweise Luft als Sekundärluft hinter die Auslassventile des Verbrennungsmotors 10 eingeblasen werden, um eine Nachoxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas zu erzielen. Die Wärmefreisetzung kann verstärkt werden, indem bewußt unverbrannte Kohlenwasserstoffe erzeugt werden, beispielsweise durch eine Einspritzung in den Expansionstakt. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Aufheizung des Abgases durch einen separaten Brenner oder eine elektrische Heizung. Alle Heizmaßnahmen werden bevorzugt vom Steuergerät 16 gesteuert oder geregelt und gegebenenfalls mit der Dosierung aromatenarmer Kraftstoffbestandteile koordiniert.
Bei dem eingangs genannten Teilmodul handelt es sich ganz allgemein um eine für den Einbau in Kraftfahrzeugen geeignete Trenneinheit, die gegebenenfalls als bauliche Einheit mit integrierten Tankvolumina, Steuerventilen und Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen ausgeführt sein kann. Ein solches Teilmodul kann sowohl im Rahmen eines Kraftstoffversorgungssystems für einen Verbrennungsmotor als auch im Rahmen einer Kraftstoffversorgung für eine alternativ oder ergänzend zum Verbrennungsmotor vorhandene Brennstoffzelle vorgesehen sein.
Bei der Wasserstofferzeugung durch z.B. einen "steamreforming"-Prozess wird die aromatenärmere Fraktion zum Beispiel in einem Wasserdampfgenerator („steam-reformer") bei ca. 750-820 °C mit überhitztem Wasserdampf katalytisch zu Wasserstoffgas und CO/CO₂ umgesetzt, was zum Beispiel entsprechend den folgenden Reaktionsgleichungen passiert. C_xH_2y + H₂O ↔ x CO + (x + y) H₂ und CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂
Vorteilhafterweise kann die aromatenärmere Fraktion auch einer partiellen Oxidation oder einem autothermen Reformierprozess zur Generierung eines wasserstoffreichen Gases unterworfen werden. Für eine Strom- und Energieerzeugung wird das feingereinigte wasserstoffreiche Gas in Brennstoffzellen zu elektrischem Strom umgewandelt. Der Wirkungsgrad liegt bei 55-75%.

Claims

Verbrennungsmotor (10) mit einem Kraftstoffversorgungssystem (12) und einem Abgassystem (14), wobei das Kraftstoffversorgungssystem (12) eine Trenneinheit (33) zur Trennung und/oder Modifikation von Kraftstoff (26) in Fraktionen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung und/oder Modifikation durch Pervaporation durch eine Membran (38) oder ein Molekularsieb erfolgt und zu unterschiedlichen Aromatenkonzentrationen führt.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung und/oder Modifikation zusätzlich zu einem unterschiedlichen Siedeverhalten der Fraktionen führt.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit (33) in einem Rücklauf (32) für Kraftstoff aus einem Hochdruckteilsystem des Kraftstoffversorgungssystems (12) zu einem Kraftstoffvorratstank (28) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine vor der Trenneinheit (33) angeordnete, den zur Trenneinheit strömenden Kraftstoff aufheizende Heizvorrichtung (62; 64).
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1, erste Alternative, bis 4, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (66; 68) zur Erzeugung einer Druckdifferenz über der Membran (38).
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung (62), die ein von der Trenneinheit (33) abgegebenes Permeat kühlt.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Dosierventil (56) zur Dosierung wenigstens einer von der Trenneinheit (33) abgegebenen tiefersiedenden und/oder aromatenärmeren Fraktion zum Abgassystem (14).
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass die Dosierung in Strömungsrichtung von Abgasen vor oder nach einem Abgasturbolader (22) erfolgt.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Dosiersystem zur Dosierung von wenigstens einer von der Trenneinheit (33) abgegebenen tiefersiedenden und/oder aromatenärmeren Fraktion zu wenigstens einem Brennraum des Verbrennungsmotors (10).
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen separaten Tank (72) für wenigstens eine von der Trenneinrichtung (33) abgegebene höhersiedende und/oder aromatenangereicherte Fraktion.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein separater Tank (74) für die aromatenärmere Fraktion vorhanden ist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1, erste Alternative, bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Membran (38) um eine nach dem Lösungs-Diffusions-Prinzip arbeitende Membran (38) handelt.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Kraftstoffversorgungssystem (12) und einem Abgassystem (14), wobei das Kraftstoffversorgungssystem (12) eine Trenneinheit (33) zur Trennung und/oder Modifikation von Kraftstoff in Fraktionen mit unterschiedlichem Eigenschaften aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoff durch Pervaporation durch eine Membran (38) oder ein Molekularsieb in Fraktionen mit unterschiedlichen Aromatenkonzentrationen getrennt wird und dass Fraktionen mit geringeren Aromatengehalten zu wenigstens einem Brennraum des Verbrennungsmotors (10) und/oder zum Abgassystem (14) dosiert werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dosierung zum Abgassystem (14) bei niedrigen Abgastemperaturen mit wenigstens einer Maßnahme zur Erhöhung der Abgastemperatur verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Maßnahme eine Absenkung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in wenigstens einem Brennraum des Verbrennungsmotors (10) und/oder eine Anpassung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes in wenigstens einem Brennraum des Verbrennungsmotors (10) und/oder eine Erhöhung der Abgastemperatur durch einen Brenner, eine Sekundärluftzufuhr oder eine elektrische Heizung umfasst.
Teilmodul eines Kraftstoffversorgungssystems (12) eines Kraftfahrzeuges, wobei das Teilmodul eine Trenneinheit (33) zur Trennung und/oder Modifikation von Kraftstoff (26) in Fraktionen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung und/oder Modifikation durch Pervaporation durch eine Membran (38) oder ein Molekularsieb erfolgt und zu unterschiedlichen Aromatenkonzentrationen führt.
Teilmodul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit die Merkmale von wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 12 aufweist.
Verwendung eines Teilmoduls nach Anspruch 16 oder 17 zur Bereitstellung eines reformierten Kraftstoffes als Basis einer Wasserstofferzeugung für eine Brennstoffzelle.