DE112013003909T5

DE112013003909T5 - Kraftstofffilter zur Entfernung von Seifenverunreinigungen aus Dieselkraftstoff

Info

Publication number: DE112013003909T5
Application number: DE112013003909.5T
Authority: DE
Inventors: Corey W. Trobaugh; Mark T. Wieczorek; Shawn D. Whitacre; Cliffton Burbrink; Barry M. Verdegan
Original assignee: Cummins Filtration IP Inc
Current assignee: Cummins Filtration IP Inc
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2015-05-13
Also published as: CN104541047B; US9314711B2; BR112015001877A2; AU2013299772A1; AU2013299772B2; US20140034577A1; CN104541047A; WO2014025779A1

Abstract

In dieser Offenbarung wird ein Filtrierungssystem und Verfahren zur Entfernung von Seife aus Dieselkraftstoff beschrieben. Die Entfernung umfasst das Hindurchführen von Kraftstoff durch das Filtrierungssystem. Durch die Entfernung von Seife können Verklebung und Verstopfung von Einspritzdüsen verringert werden, und bei Kraftstoffen, die bereits mit Seife verunreinigt sind, können Schmierfähigkeits- und/oder Korrosionshemmungsfunktionalität resultierend aus der Umwandlung von Carbonsäurezusätzen wieder zu Metallcarboxylaten hergestellt werden.

Description

Bereich
Ein Filtrierungssystem und Verfahren zum Entfernen von nicht erwünschter Seife aus Kraftstoff werden beschrieben. Kraftstoff wird durch das Filtrierungssystem hindurchgeführt, welches geeignete Ionenaustauschmedien oder Harz und Filtermedien enthält.
Hintergrund
Die Anforderungen an Reinheit für Kraftstoffeinspritzsysteme sind extrem streng, um eine zuverlässige und robuste Motorleistung sicherzustellen. In hohem Maße ist die Kraftstofffiltrierung dafür verantwortlich, dass die Anforderungen an die Kraftstoffreinheit erfüllt werden, die mit der Kontrolle von Schleifpartikeln und nicht gelöstem Wasser in Zusammenhang stehen. Durch das Vorhandensein von Seifen in Kraftstoff kann jedoch Verkleben der Einspritzventile verursacht werden, und in extremen Fällen können sogar feine Filter verstopfen. Seifen sind zum Zwecke dieser Offenbarung als jede beliebige chemische Spezies definiert, für die das trimetrische Seife-in-Öl-Verfahren nach der Norm Ccl7-95 der American Oil Chemist's Society (AOCS) (American Oil Chemist's Society (AOCS) Standard Ccl7-95 Soap in Oil Titrimetric Method) verwendet wird, die zur Verwendung in Kraftstoff angepasst ist. Typischerweise sind Seifen Metallcarboxylate. Sie können bei Umgebungstemperaturen als halbfeste Produkte oder weiche Verunreinigungen, oder aufgelöste Spezies vorhanden sein, die bei in Kraftstoffanlagen vorkommenden Temperatur- und Druckbedingungen Feststoffe werden können. Seifenprobleme sind typischerweise das Ergebnis der Verwendung von Kraftstoffschmierfähigkeitsverbesserern oder Korrosionshemmern auf Carbonsäurebasis, die zum Schutz von Rohrleitungen verwendet werden. Wenn Kraftstoff mit Metallionen verunreinigt wird, wie z. B. denjenigen, die mit Wasser- oder Schmierölverunreinigung eingetragen werden können, werden Wasserstoffionen gegen Metallionen ausgetauscht, woraufhin sich Seifen bilden. Grundsätzliche Anteile, die in Dieselkraftstoff gefunden werden, wie z. B. solche, die aus den Kraftstoffraffinerieprozessen oder von Seetransporten herrühren, z. B. NaOH, Ca(OH)₂ oder Schmierölverunreinigung, reagieren mit der Carbonsäure, um das Wasserstoffion zu entfernen, was ein Wassermolekül und Metallcarboxylat zum Ergebnis hat. Seifen sind weniger löslich als die Carbonsäurevorläufer, und sie können außerdem die Wirksamkeit des Korrosionshemmerzusatzes verringern. In großem Umfang wurde versucht, Seifenprobleme durch Versuche in den Griff zu bekommen, die Qualität von Kraftstoff vor der Lieferung und durch Verwendung von Zusätzen in den Griff zu bekommen, die Seifenablagerungen aus Einspritzventilen entfernen oder deren Ablagerung verhindern. Diese Verfahren sind jedoch nicht immer wirksam oder praktisch, und deshalb besteht der Wunsch nach einer Filtrierungslösung für das Seifenproblem. Vorzugsweise wäre dies in Form von Filtrierung im Motor oder Fahrzeug, oder am Point-of-use/an der Ausgabestelle zu dem Kraftstofftank des Motors.
Unter Feldbedingungen wird durch bordeigene Filtrierung weder Seife entfernt, noch werden Verklebungsprobleme der Einspritzdüsen beseitigt. Es wurde berichtet, dass halbfeste Metallcarboxylate hochwirksame Großtank-Kraftstofffilter verstopften (Steven R. Westbrook, James Doyle, Philip Johnson, „Analysis and Identification of Contaminants in Diesel Fuel Filtration and Storage Systems,” Proc. 10th International Filtration Conference, September 2010) und wurden in fortschrittlichen Ultra-Hochleistungskraftstofffiltern entdeckt (Mark Wieczorek, William Haberkamp, Barry Verdegan, „NEXT GENERATION DIESEL FUEL FILTER,” Proc. World Filtration Congress, 11. April 2012). Trotzdem würde man diesen Ansatz zur Beseitigung von Seifenproblemen nicht erwarten, da die Probleme bei solchen niedrigen Konzentrationspegeln auftreten. Natriumkonzentrationen von weniger als 0,1 ppm Na verursachen typischerweise keine Probleme, während Konzentrationen von nur 1 ppm und darüber dafür bekannt sind, dass sie Verklebungen verursachen. Bei Konzentrationen zwischen 0,1 und 1 ppm Na treten Probleme in Abhängigkeit von der Art der Carbonsäure und ihrer Konzentration auf oder auch nicht. Um dies in Perspektive zu setzen: 1 ppm Na, das als Salz von Hexadecenyl-Bernsteinsäure vorhanden ist, ein Korrosionshemmer, der dafür bekannt ist, dass er Ablagerungen in Einspritzdüsen verursacht, reicht aus, um einen ~3 μm großen Seifenpartikel pro 20 ml Kraftstoff auszubilden. Dieser ist kleiner als die Partikel von 6 bis 15 μm Größe, für deren Entfernung die herkömmlichen Kraftstofffilter konzipiert sind. Tatsächlich ist er kleiner als die Partikelgröße, welche die in der Industrie zur Kontrolle von Verunreinigungen verwendeten Partikelzähler überhaupt erkennen können. Es ist bemerkenswert, dass bei anderen Metallen wie z. B. Pb, Zn und Cu Probleme sogar bei niedrigeren Konzentrationen auftreten ( WO 2010/003504 A1 Removal of Metal from Diesel Fuel/Entfernung von Metall aus Dieselkraftstoff). In der Praxis bleiben viele der in diesem Konzentrationen vorhandenen Metalcarboxylate bei Umgebungsbedingungen löslich. In Motoranwendungen erfolgt die Seifenbildung am häufigsten bei Vorhandensein von Na-, K-, Ca- oder Mg-Ionen, obwohl andere, einschließlich Pb, Zn, Cu und Fe ebenfalls Probleme verursachen können. Daher würde man nicht erwarten, dass herkömmliche Filtrierung eine lebensfähige Lösung für das Seifenproblem bieten könnte.
In der WO 2010/003504 A1 wird die Verwendung von Ionenaustauschharzen zur Entfernung von Metallionen aus Kraftstoff beschrieben. Man würde erwarten, dass sich keine Seife bildet, wenn die Metallionen entfernt werden. Bei dieser Anwendung wurde die Fähigkeit zum Entfernen des ausgewählten Metalls demonstriert. Jedoch wurde die Schmierfähigkeit des Kraftstoffs nicht verbessert, sondern wurde in einigen Fällen durch Ionenaustausch tatsächlich verringert. Ein bedeutender Mangel bei diesem Verfahren besteht darin, dass es nicht die Entfernung von Seife angeht, die zuvor ausgebildet wurde, insbesondere halbfeste Seifen. In dieser Form ist Metall nicht in ionischer Form vorhanden und deshalb auch nicht durch Ionenaustausch entfernbar. In praktischen Anwendungen mit bordeigener Filtrierung bilden sich Seifen stromaufwärts des Entfernungsprozesses an der Stelle der Metallverunreinigung, sind somit bereits vorhanden.
Zusammenfassung
In dieser Offenbarung wird ein System und Verfahren zum Entfernen von nicht erwünschter Seife aus einem Anwendungsfluid beschrieben. In einem Beispiel kann das Anwendungsfluid Dieselkraftstoff sein.
Ein Filtrierungssystem kann zur Entfernung der nicht erwünschten Seife aus dem Dieselkraftstoff verwendet werden. Das Filtrierungssystem kann eines oder mehrere Gehäuse, Ionenaustauschmedien und Filtermedien umfassen. Die Ionenaustauschmedien und Filtermedien können in einem oder mehreren Gehäusen untergebracht sein. Die Ionenaustauschmedien sind zur Entfernung eines oder mehrerer Spezies gelöster Metallionen in der Lage und neutralisieren somit Seife von Kraftstoff unter Verwendung von Ionenaustauschharzen. Die Filtermedien sind zur Entfernung unlöslicher Seife in der Lage.
Das Filtrierungssystem kann weiterhin einen Farbindikator umfassen um anzuzeigen, wenn die in den Ionenaustauschmedien enthaltenen Harze ihre Austauschkapazität erreicht haben.
Das Verfahren umfasst das Hindurchleiten des Kraftstoffs durch ein Filtrierungssystem mit geeigneten Ionenaustauschmedien und Filtermedien. In dem Verfahren wird aus der Umwandlung von Carbonsäureschmierfähigkeits- und/oder Korrosionshemmerzusätzen zu Metallsalzen ausgebildete Seife in Säureform wieder hergestellt, und auch ihre Funktionalität wird wieder hergestellt.
Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung des Konzepts eines Filtrierungssystems, in dem die Ionenaustauschmedien und die Filtermedien in unterschiedlichen Gehäusen untergebracht sind.
2A, 2B stellen schematisch Beispiele jeweils einer Vorrichtung in einem Gehäuse und einer Vorrichtung als Filterelement dar.
3 veranschaulicht den bei der Umwandlung von „Seife” unter Verwendung von Ionenaustauschharz beteiligten Reaktionsmechanismus.
4 ist ein Graph, der die „annehmbaren” Pegel von Seife darstellt, die mit Motortests bestätigt sind.
5A stellt einen Querschnitt eines Filterelements mit Filtermedien mit Unterstützung durch Ionenaustauschmedien entsprechend einer Ausführungsform dar.
5B stellt einen Querschnitt eines Filterelements mit Filtermedien mit Unterstützung durch Ionenaustauschmedien entsprechend einer weiteren Ausführungsform dar.
6 stellt eine schematische Ansicht eines Filterelements dar, welches eine Medienrolle mit Harzwülsten umfasst.
7A stellt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung dar, welche eine Medienrolle mit Harzwülsten umfasst.
7B stellt eine weitere Querschnittsansicht einer Vorrichtung dar, welche eine Medienrolle mit Harzwülsten umfasst.
Ausführliche Beschreibung
In dieser Offenbarung wird ein System und Verfahren zum Entfernen von Seife aus einem Anwendungsfluid, z. B. Dieselkraftstoff, beschrieben (jede Form von Dieselkraftstoff, einschließlich Dieselkraftstoff mit extrem geringem Schwefelgehalt, hydrobehandeltem Destillatkraftstoff oder Biodiesel. Seifen sind zum Zwecke dieser Offenbarung als jede beliebige chemische Spezies definiert, für die das trimetrische Seife-in-Öl-Verfahren nach der Norm Cc17-95 der American Oil Chemist's Society (AOCS) verwendet wird, welches zur Verwendung in Kraftstoff angepasst ist. Typischerweise sind Seifen Metallcarboxylate. Sie können bei Umgebungstemperaturen als halbfeste Produkte oder weiche Verunreinigungen, oder aufgelöste Spezies vorhanden sein, die bei in Kraftstoffanlagen vorkommenden Temperatur- und Druckbedingungen Feststoffe werden können.
Die Entfernung von Seifen aus Kraftstoff umfasst das Hindurchführen von Kraftstoff durch das Filtrierungssystem. Durch die Entfernung von Seife können Verklebung und Verstopfung von Einspritzdüsen verringert werden, und bei Kraftstoffen, die bereits mit Seife verunreinigt sind, können Schmierfähigkeits- und/oder Korrosionshemmungsfunktionalität resultierend aus der Umwandlung von Carbonsäurezusätzen wieder hergestellt werden (typischerweise werden Zusätze zum Auflösen von Einspritzdüsenablagerungen oder zur Vorbeugung von deren Bildung verwendet, siehe WO 2010/003504 A1 ).
Das Filtrierungssystem kann Folgendes umfassen:

• Eines oder mehrere Gehäuse (Kanister, Kessel, Rohre oder andere Rohranlagen), die vorzugsweise zur bordeigenen Motorfiltrierung geeignet sind, mit Ionenaustauschmedien und Filtermedien mit einem Kraftstoffeinlass in das Gehäuse und einem Kraftstoffauslass zu dem/den Gehause(n).
• Ionenaustauschmedien, welche zur Entfernung eines oder mehrerer Spezies gelöster Metallionen aus Kraftstoff in der Lage sind. In einigen Beispielen sind die Ionenaustauschmedien ein Ionenaustauschharz. Mit dem Begriff „Ionenaustauschharz” wird in diesem Dokument ein Stoff bezeichnet, der eine funktionelle Gruppe für Ionenaustausch enthält. Der Stoff kann eine Polymerstruktur aufweisen. Das Ionenaustauschharz kann in Form von Wülsten vorliegen. Vorzugsweise ist das Ionenaustauschharz ein Kationenaustauschharz in Säureform, das zur Entfernung eines breiten Spektrums von Metallionen in der Lage ist, die aus den folgenden ausgewählt, jedoch nicht darauf beschränkt sind: Na, K, Mg, Ca, Zn, Fe, Cu, Al und Pb in ihren entsprechenden Valenzen. So haben Na und K z. B. eine Valenz von eins, Mg, Ca, Zn Cu und Pb haben eine Valenz zwei und Al und Fe haben eine Valenz von drei. Es können Sulfonate oder carboxylatfunktionalisierte Harze verwendet werden, wobei jedoch andere Typen funktioneller Gruppen ebenfalls anvisiert werden. Ein gemischtes Bett von Ionenaustauschmedien mit unterschiedlichen Selektivitäten für unterschiedliche Metallspezies kann ebenfalls verwendet werden. Vorzugsweise sind die Ionenaustauschmedien kraftstoffbeständig (schwellen nicht an, bauen sich weder physikalisch noch chemisch ab, noch werden sie funktionell nachteilig durch die Verwendung von Kraftstoff beeinflusst). In einigen Beispielen kann der Kationenaustausch in in gesäuerter Form erfolgen.
• Filtermedien, welche zur Entfernung unlöslicher Seife konzipiert sind. Diese Medien weisen unter Betriebsbedingungen (1) eine Beta-Kennzahl von größer als etwa 20 (ISO 16889: 2008 Hydraulic fluid power – Filters-Multi-pass method for evaluating filtration performance of a filter element/Fluidtechnik – Filter-Prüfverfahren mit Mehrfachdurchgang zur Bestimmung der Filtrierungsleistung eines Filterelementes) bei etwa 4 μm(c) oder (2) eine mittlere Flussporengröße von etwa 5 μm auf.

1 veranschaulicht schematisch das Konzept eines Filtrierungssystems 10 in Ausführungsformen mit getrennten Gehäusen 18 für Filtermedien 23 und Ionenaustauschmedien 29, die in Reihe mit den Filtrierungsmedien angeordnet sind, wobei Filtrierungsprozesse zuerst erfolgen. Es wird anvisiert, dass die Reihenfolge der Medien umgekehrt werden könnte, oder dass zusätzliche Filtrierungsstufen und/oder Ionenaustauschmedien verwendet werden könnten. Es folgen nun außerdem Beschreibung und Ausführungsformen.
Vorzugsweise sollte die Entfernung von unlöslicher (niedergeschlagener) Seife stromaufwärts des Ionenaustauschs erfolgen, um die Lebensdauer und Funktion der Ionenaustauschmedien zu erhöhen. In einigen Fällen ist es möglicherweise wünschenswert, die Reihenfolge umzukehren oder über einen zusätzlichen Filtermedienabschnitt stromabwärts der Ionenaustauschmedien zu verfügen, um den Durchgang nicht wünschenswerter Spezies, z. B. Wasser, Ionenaustauschmedien, von der Vorrichtung zu verhindern. Die Filtermedien und Ionenaustauschmedien könnten in unterschiedlichen Gehäusen oder in demselben Gehäuse untergebracht sein. Der Kürze halber wird bei keiner 5 das Abdichtungsverfahren dargestellt, welches z. B. Axial- oder Radialdichtungen umfassen könnte.
Es wird außerdem anvisiert, dass die Filtermedien und Ionenaustauschmedien an demselben Standort angeordnet sein könnten, oder dass die Ionenaustauschmedien unter solchen Fluss- und Größen(volumen)bedingungen verwendet werden könnten, dass die Ionenaustauschmedien selbst genügend Entfernung von unlöslicher Seife bereitstellen könnten, um den Bedarf nach separaten Filtermedien zu beseitigen.
Die Eigenschaften der Ionenaustauschmedien wurden bereits beschrieben. Ein starkes Kationenaustauschharz wurde in Laborsimulationen verwendet, um die Entfernung von Na zu verifizieren. Im Allgemeinen wurde festgestellt, dass Ionenaustauschmedien mit Sulfonatfunktionalität besonders vorteilhaft beim Entfernen, beim Festhalten und/oder beim Absondern eines breiten Spektrums von Metallionen waren. Um die Verunreinigung des Kraftstoffs mit Wasser zu vermeiden, werden Harze in trockener Form verwendet. Zum Teil wird dadurch ihre Wirksamkeit dahingehend begrenzt, dass die trockene Form aufgrund der elektrostatischen Ladung schwierig zu handhaben und zu verpacken ist. Außerdem ist die tatsächliche Menge von getrennten Metallionen in Kraftstoff gering im Vergleich zu der Menge, die aufgrund der niedrigen Polarität des Kraftstoffs immer noch mit dem organischen Gegenion verbunden ist. Da durch Ionenaustausch nur lösliche Ionen entfernt werden, wird vorweggenommen, dass die Gesamtmenge an potenziell entfernbarem Metall verringert ist. Andererseits sind diese Metalle extrem wasserlöslich.
In einer Ausführungsform werden die Ionenaustauschmedien in benetzter Form verwendet. Das zum Benetzen verwendete Fluid kann eine polare Flüssigkeit sein, die Wasser, Methanol, Ethanol, Biodiesel und dergleichen, oder Mischungen daraus umfassen kann. In der nachfolgenden Beschreibung wird Wasser als Fluid zum Benetzen verwendet.
Es ist nicht wünschenswert, dass die Medien in Wasser suspendiert sind, sondern sie sollten einfach mit Wasser benetzt sein. Auf diese Weise können sich Metallionen in die Wasserphase hinein für die nachfolgende Entfernung durch die Ionenaustauschmedien auflösen, wobei sie den Vorteil ihrer hohen Löslichkeit in Wasser nutzen. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Ionenaustauschmedien leichter zu handhaben, zu verarbeiten und zu verpacken sind. Schlussendlich ist die Menge von Wasser, die potenziell für die Migration in das Motorkraftstoffsystem durch diese Ausführungsform verfügbar ist, sehr klein, weshalb nicht erwartet wird, dass es für die Maschine schädlich ist.
Wie zuvor bemerkt, müssen die Filtermedien konzipiert sein, um unlösliche Seife zu entfernen. Die Herausforderung dies zu tun besteht darin, dass die Größe der unlöslichen halbfesten Seifen unbekannt ist, und dass sie weiche Verunreinigungen sind, d. h. sie können sich verformen und ihre Form ändern. Bei Annahme einer Konzentration von 1 ppm Na, dass das gesamte Na ein unlösliches Salz von Hexadecenyl-Bernsteinsäurezusatz wird, und dass die Dichte des Salzes 1 g-cm^–3 beträgt, kann geschätzt werden, dass die Partikel erwartungsgemäß 3 μm oder kleiner sind. Für höhere Konzentrationen und geringere Dichten könnte die Partikelgröße dementsprechend größer sein. Experimentell wurde dies durch die Ausrüstung von funktionierenden Motoren mit unterschiedlichen Kraftstofffiltermedien mit einer mittleren Flussporengröße von 2, 3 und 5 sowie 10 μm nachgewiesen. Die verwendeten Filter wurden dann mithilfe von Raster-Elektronen-Mikroskopie (REM), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und Fourier-Transformations-Infrarot Spektroskopie (FTIR) auf ihren Seifengehalt analysiert. Wie durch die Menge an Na und Ca angezeigt wurde, war bei 10-μm-Medien keine nennenswerte Seife vorhanden. Na wurde bei den 5-μm-Medien nachgewiesen, jedoch nicht mit bedeutenden Pegeln. Bedeutende Pegel sowohl von Na- als auch von Ca-Seife wurden bei den 2- und 3-μm-Medien nachgewiesen. Dies bestätigt die vorherigen Einschätzungen, dass Seifepartikel in Größen von unter 5 μm vorhanden sind. Daher können Filtermedien, die für eine wirksame Seifenentfernung konzipiert sind, eine Porengröße von kleiner als etwa 5 μm aufweisen. Alternativ können die Filtermedien eine Beta-Kennzahl von etwa 5 μm(c), größer als etwa 100 aufweisen (d. h. Entfernungswirkungsgrad größer als etwa 99%) oder um etwa 4 μm(c) größer als etwa 20 (Entfernungswirkungsgrad größer als etwa 95%).
Typischerweise sind Filtermedien, die diese Anforderungen erfüllen, Polymer- oder synthetische Glasfaserfiltermedien. Vorzugsweise sind die Filtermedien ein Verbundstoff, der Polymermaterial, typischerweise Polyester und Polyaramide sowie Nanofasern enthält. Die Verbundmedien sind so konzipiert, dass sie zum Festhalten von Partikeln einer Größe von kleiner als etwa 5 μm(c) mit hohem Wirkungsgrad in der Lage sind. Um dies zu erreichen, kann ein Nanofaserverbundstoffmedium mit Schichten aus gefalteten Polymermedien verwendet werden, wobei die dichteste Schicht einen mittleren Porendurchmesser von < 5 μm aufweist. Die Anfangsschichten können so angeordnet sein, dass sie ein abgestuftes Festhalten von Partikeln und halbfesten Stoffen einschließlich Seife bereitstellen. Darauf kann eine Nanofaserschicht mit einem mittleren Porendurchmesser von kleiner als etwa 5 μm folgen. Diese Schicht kann so konzipiert sein, dass sie die kleinstmögliche Differenz zwischen der minimalen und maximalen Porengröße aufweist um zu verhindern, dass Partikel unter transienten Betriebsbedingungen hindurchgehen. Stromabwärts der Nanofaserschicht können weniger restriktive Schichten zum Unterstützen und Schützen der Medien während der Handhabung vorhanden sein.
Alternativ kann Polymer- oder Glasmembranmaterial für die Filtermedien verwendet werden. Wie zuvor kann die Porengröße kleiner als etwa 5 μm sein. Unter Bezugnahme auf 2A und 2B können die Faserfiltermedien und die Membranmedien als Filtermedien 35a, 35b jeweils in einer Vorrichtung in Gehäuse 37 und einer Vorrichtung als Filterelement 39 verwendet werden. Die Vorrichtung in Gehäuse 37 umfasst ein Gehäuse 41, welches die Filtermedien 35a umgibt. Jede der Vorrichtungen in Gehäuse 37 und die Vorrichtung als Filterelement 39 umfasst jeweils obere Endkappen 45a, 45b und untere Endkappen 46a, 46b. Die Filtermedien 35a, 35b können auch stromabwärts der Ionenaustauschmedien 51a, 51b jeweils mit Ionenaustauschmedienrückhaltern 54a, 54b verwendet werden, wie in 2A und 26 dargestellt. In dieser Rolle verhindern sie die potenzielle Migration der Ionenaustauschmedien stromabwärts in die Kraftstoffanlage und wirken auch als Barriere für den stromabwärtigen Transport von Wasser, wenn die Ionenaustauschmedien in nasser Form verwendet werden.
Eine Ausführungsform, in der das Ionenaustauschharz in die Filtermedien integriert ist, wird nun beschrieben. Ein stark säurehaltiges Ionenaustauschharz mit einer Partikelgröße im Bereich von etwa 150 μm bis etwa 500 μm kann in die Filtermedien integriert werden. Stark säurehaltige Ionenaustauschharze können so konzipiert sein, dass sie ein Wasserstoffion (Proton) zu einem Metallcarboxylat übertragen und dadurch wieder eine Carbonsäure aufgebaut wird (siehe 3). Das Metallion wird dann zurück zu dem Harz befördert, wo es stabilisiert wird und für die Dauer des Kraftstofffilter-Serviceintervalls dort verbleibt. Kraftstoff geht, ähnlich wie bei anderen bordeigenen Dieselkraftstofffiltern, durch das Ionenaustauschharz hindurch, welches in Filtermedien eingehaust ist, und tritt schließlich aus dem Auslassanschluss ohne jede Seifenverunreinigung wieder in die Kraftstoffleitung ein. Es gibt mehrere Ausführungen, die in das Filtergehäuse integriert werden können. Außerdem hätte diese Art von Harz keine Auswirkung auf andere vorteilhafte Kraftstoffzusätze (d. h. Schmierfähigkeitsverbesserer). Das Harz ist so konzipiert, dass es nur mit Metallionen in Wechselwirkung tritt, wie dies in der Seifenverunreinigung zu sehen ist.
In Filtrierungssystemen mit Faserfiltermedien, insbesondere bei Flüssigkeiten, die mit hohen Druckabfällen und/oder hohen Fluidgeschwindigkeiten gefiltert werden, besteht ein Potenzial dafür, dass die Filtermedien durch den Fluidstrom kollabieren oder zerrissen werden. Um dies zu vermeiden, gibt es zwei grundlegende Konzeptionsstrategien: (1) Verringerung des Durchsatzes und somit des entsprechenden Druckabfalls derart, dass er nicht länger ein Problem ist, oder (2) Unterstützung der Medien mit einem stärkeren, steiferen, poröseren Material wie z. B. mit einer Zellulosemedienschicht oder einem Metall- oder Kunststoffsieb. Das Problem beim ersten Ansatz besteht darin, dass der Filter größer sein muss und Platz typischerweise nicht verfügbar ist. Das Problem beim zweiten Ansatz besteht darin, dass die steiferen Medien die sich ergebenden Filtermedien dicker machen, und dass dementsprechend weniger Filtermedienfläche verfügbar ist, wodurch die Verunreinigungshaltekapazität und die Lebensdauer des Filters verringert werden. Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung wird dieses Problem durch die Kombination der stromaufwärtigen Filtrierungsmedien mit stromabwärtigen Ionenaustauschmedien in demselben Filterelement bewältigt. Dies ist schematisch in 5, 6 und 7 veranschaulicht.
In 5A ist ein Querschnitt einer Ausführungsform eines Filterelementes 100 dargestellt, das Ionenaustauschmedien 115 umfasst. Das Filterelement 100 umfasst einen zentralen Hohlraum 105, der von den Ionenaustauschmedien 115 umgeben ist. Das Filterelement 100 umfasst weiterhin eine Endkappe 121, einen Ionenaustauschmedienrückhalter 118 und Filtermedien 108. Wir weisen darauf hin, dass das Filterelement 100 in 5 in Querschnittsansicht kreisförmig dargestellt ist, und dass die Filtermedien 108, die Ionenaustauschmedien 115 und der Rückhalter 118 den zentralen Hohlraum 105 begrenzen. Es muss jedoch erkannt werden, dass das Filterelement 100 jede beliebige Form aufweisen kann, die zur Verwendung als Filter geeignet ist, z. B. ein Quadrat in Querschnittsansicht. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass jedes der Filtermedien 108, der Ionenaustauschmedien 115 und des Rückhalters 118 nicht aus einem ununterbrochenen Bogen bestehen muss, sondern geteilt sein kann, z. B. in mehr als einen Abschnitt oder eine Platte, wobei jeder Abschnitt oder jede Platte mindestens einen Teil des zentralen Hohlraums 105 umgibt.
In 5B ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Filterelementes 124 dargestellt, das Ionenaustauschmedien 131 umfasst. Das Filterelement 124 umfasst einen zentralen Hohlraum 128, der von Filtermedien 138 umgeben ist. Bei dieser Ausführungsform werden die Ionenaustauschmedien 131 im Verhältnis zu dem zentralen Hohlraum 128 auf der Außenseite der Filtermedien 138 bereitgestellt. Das Filterelement 124 umfasst weiterhin eine Endkappe 141 und einen Ionenaustauschmedienrückhalter 135. Wir weisen darauf hin, dass das Filterelement 124 in 5B in Querschnittsansicht kreisförmig dargestellt ist, und dass die Filtermedien 138, die Ionenaustauschmedien 131 und der Rückhalter 135 den zentralen Hohlraum 128 begrenzen. Es muss jedoch erkannt werden, dass das Filterelement 124 jede beliebige Form aufweisen kann, die zur Verwendung als Filter geeignet ist, z. B. ein Quadrat in Querschnittsansicht. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass jedes der Filtermedien 138, der Ionenaustauschmedien 131 und des Rückhalters 135 nicht aus einem ununterbrochenen Bogen bestehen muss, sondern geteilt sein kann, z. B. in mehr als ein Abschnitt oder eine Platte, wobei jeder Abschnitt oder jede Platte mindestens einen Teil des zentralen Hohlraums 128 umgibt.
Wir weisen darauf hin, dass die Ionenaustauschmedien in anderen Formen als einem Blatt in einer der in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen vorliegen können. In einigen Beispielen können die Ionenaustauschmedien in Form loser Polymerwülste vorliegen. In einigen Fällen können die Ionenaustauschmedien, die in Form von Wülsten oder Harz vorhanden sind, durch Filtermedien, ein Mittelrohr, ein Gehäuse oder andere Strukturen getragen sein.
In 6 ist eine Art gefalteter Filtermedien von Filterelement 200 dargestellt, wobei Filtermedien verwendet werden, wie zuvor beschrieben. Das Filterelement umfasst ein Mittelrohr 205 und Medien 210 in Form einer Rolle mit einer Vielzahl von Schichten (nachfolgend „Medienrolle” genannt), die das Mittelrohr 205 umgeben. Die Medienrolle 210 umfasst eine gewellte Seite 210a und eine flache Seite 210b. Ein Dichtungsmittel 222 wird an einer Oberkante 207 der gewellten Seite 210a in Richtung einer Innenseite 209 der Medienrolle 210 bereitgestellt. In einigen Beispielen verhindert das Dichtungsmittel 22, dass Kraftstoff die Medienrolle 210 umgeht. Außerdem wird das Dichtungsmittel 222 vertikal an einem Ende 211 der Medienrolle 210 herunter bereitgestellt. In einigen Beispielen ist die Medienrolle 210 zum Mittelrohr 205 hin abgedichtet. Strukturelle Unterstützung gegen das Kollabieren der Faltung oder der Medien wird durch die Ionenaustauschharzwülste 235 bereitgestellt, die innerhalb von Falten 218 der gerollten Medien 210 verpackt sind. Die Harzwülste 235 stellen die strukturelle Unterstützung bereit, die ansonsten von einer Trageschicht aus Filtermedien oder Siebmaterial bereitgestellt worden wäre. Dadurch wird auch die Verwendung für dünnere Medien ermöglicht, wodurch die mögliche Medienbereichsdichte, Anzahl von Durchsatzkanälen und die entsprechende Verweilzeit von Kraftstoff im Harz sowie die Filterverunreinigungskapazität weiter erhöht werden. Ein Ionenaustauschmedienrückhalter (nicht dargestellt), wie z. B. ein poröses oder perforiertes Rohr oder Sieb wird verwendet, um die Ionenaustauschharzwülste 235 zurückzuhalten. Es wird anvisiert, dass die Verwendung der Ionenaustauschharzwülste 235, die eine strukturelle Unterstützung für die Medienrolle 210 bereitstellen, in anderen Filtermedienpackungsgeometrien einschließlich Honigwabenwand-Durchsatzfilter usw. praktiziert werden kann.
7A stellt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung 290 dar, die eine Medienrolle 310 in einem Gehäuse 325 umfasst. In einigen Beispielen ist die Medienrolle 310 der oben abgehandelten Medienrolle 210 ähnlich. In einigen Fällen ist die Medienrolle 310 mit Harzwülsten 335 versehen, deren Funktion ähnlich ist wie diejenige der Harzwülste 235. Die Vorrichtung 290 umfasst ein Mittelrohr 331 und die Medienrolle 310 umgibt das Mittelrohr 331. In einigen Beispielen sind die Harzwülste 335 innerhalb des Mittelrohrs 331 und/oder in einem Bereich 336 unter der Medienrolle 310 vorgesehen. Die Medienrolle 310 ist zum Mittelrohr 331 hin abgedichtet. Die Vorrichtung 290 umfasst weiterhin eine obere Endplatte 345 an einem oberen Ende 337 der Vorrichtung 290. In einigen Beispielen ist ein äußerer Rand 320 der oberen Endplatte 345 mit einer Dichtung 321 versehen. Die obere Endplatte 345 umfasst Durchgänge 341, durch welche eintretendes Fluid aufgenommen wird.
Unter Bezugnahme auf 7A und 7B geht das eintretende Fluid durch ein oberes Sieb 361 hindurch, das am oberen Ende 337 unter der oberen Endplatte 345 vorgesehen ist, und hinunter zu der Medienrolle 310. Die Medienrolle umfasst ein Dichtungsmittel 322, welches verhindert, dass Kraftstoff die Medienrolle 310 umgeht. Das Fluid geht durch die Medienrolle 310 hindurch, und hinunter zu dem Bereich 336 unter der Medienrolle 310. Das Fluid geht dann nach oben durch das Mittelrohr 331 sowie durch das obere Sieb 361 hindurch.
In einigen Beispielen werden die Ionenaustauschmedien nicht nur zur Unterstützung der Filtermedien verwendet, wodurch ein vergrößerter Medienoberflächenbereich ermöglicht wird, sondern sie ermöglichen auch das Packen der Ionenaustauschmedien in ansonsten ungenutztem Raum innerhalb des Filterelements, wodurch die Gesamtgröße des kombinierten Filterionenaustauschfilters verringert wird. Das Harz könnte auch zwischen den Fasern in den Filtermedien selbst festgehalten sein. Dies könnte das Harz ersetzen, welches die Leerräume rund um die Medien füllt, oder beides zusammen könnte umgesetzt werden, um eine weitere Vergrößerung des Harzoberflächenbereichs im Filter, sowie der Verweilzeit zu erreichen.
In einigen Beispielen weist das Harz die folgenden Eigenschaften auf:

1. Das Harz hat das Potenzial, nur bei Vorhandensein von Seifenverunreinigung aktiv zu sein. Wenn keine Seife vorhanden ist, bleibt das Harz im inaktiven Zustand und hat eine längere Lebensdauer. Sobald Seife nachgewiesen wird, beginnt das Harz, Protonen gegen Metallionen auszutauschen und sie zu deaktivieren.
2. Das Harz kann regeneriert werden, sobald das Serviceintervall erreicht wurde. In diesem Fall bedeutet Regenerierung des Harzes, dass das schädigende Metallion zurück gegen das Wasserstoffion ausgetauscht, und der Filter wiederverwendet werden kann. Dieser Regenerationsprozess kann 3–5 Mal stattfinden, bevor das Harz nicht mehr vollständig regeneriert werden kann.

Bei einigen Ausführungsformen kann das Filtrierungssystem weiterhin einen Farbindikator umfassen um anzuzeigen, wenn das Harz seine Austauschkapazität erreicht hat. Der Farbindikator kann irgendwo in dem Filtrierungssystem einschließlich in den Filtermedien enthalten sein. In einigen Beispielen ist der Farbindikator ein Farbstoff. In einigen Beispielen ist der Farbstoff in dem Ionenaustauschharz enthalten.
4 ist ein Graph, der die „annehmbaren” Pegel von Seife darstellt, die innerhalb der Zeitdauer des Motortests bestätigt sind. Es hat sich jedoch erwiesen, dass niedrigere Konzentrationen von Seife die Leistung der Einspritzdüsen über längere Zeiträume verschlechtern können.
Versuchsdaten

1. Chargentests wurden durchgeführt um zu bestätigen, dass Ionenaustauschharze Seife aus Dieselkraftstoff mit extrem geringem Schwefelgehalt beseitigen konnten. Seifiger Kraftstoff wurde unter Zugabe einer bekannten Menge an Natriumhydroxid zu einem Aliquot von Dieselkraftstoff zubereitet. Dann wird Carbonsäure zu einem zweiten Aliquot von Dieselkraftstoff zugegeben, und sobald beide Gemische homogen sind, werden die Aliquoten kombiniert. Dieser Kraftstoff wurde dann zu bekannten Mengen des Filterharzes zugegeben, und die in dem Kraftstoff nach 5 Std. verbleibende Seife gemessen. Der Versuch wurde für zwei unterschiedliche, im Handel erhältliche Ionenaustauschharze durchgeführt. 4,0 g von Filterharz reduzierte die Menge an Seife von 45 ppm auf 6 ppm, was einer Reduzierung von 87% der Menge der Seifenverunreinigung entspricht. 4,0 g von Filterharz reduzierte die Menge an Seife von 32 ppm auf 2 ppm, was einer Reduzierung von 93% der Menge der Seifenverunreinigung entspricht.
3. Durchsatztests wurden durchgeführt um zu bestimmen, wie das Filterharz andere Kraftstoffeigenschaften beeinflusst. Seifiger Kraftstoff (auf dieselbe Weise präpariert wie der Kraftstoff oben) wurde durch eine zuvor festgelegte Menge an Filterharz hindurchgeführt. Der Durchsatz des Kraftstoffes wurde auf einem Minimum gehalten, um 95% Deaktivierung der Seifenverunreinigung sicherzustellen. Der aufbereitete Kraftstoff wurde gesammelt und analysiert um zu ermitteln, ob das Harz die allgemein überwachten Eigenschaften des Kraftstoffs veränderte. In der folgenden Tabelle werden die gemessenen Eigenschaften des gereinigten (aufbereiteten) Kraftstoffs mit der ursprünglichen Spezifikation des Kraftstoffs verglichen (American Society of Testing and Materials (ASTM) D975-11b: Standardspezifikation für Dieselkraftstofföle).

Kraftstoffeigenschaft	Ergebnis von gereinigtem Kraftstoff	Spezifikation
Schwefel	11 ppm	< 15 ppm
Kinematische Viskosität	2,392 cSt	1,9–4,1 cSt

Destillationstemperatur (90% Präz.)	318°C	282–338°C
Schmierfähigkeit	400 μm	520 μm
Flammpunkt	146°F	125°F
Kupferkorrosion	1A	< 3

An Hand der Tabelle wurde keine der gegen die Industrienorm getesteten Kraftstoffeigenschaften negativ beeinflusst. In der Tat zeigte sich bei der Schmierfähigkeit des gereinigten Kraftstoffs eine Verbesserung.
Beim Vergleich mit einem Kontrollmuster zeigt das Schmierfähigkeitsergebnis eine Verbesserung von 440 μm auf 400 μm. Obwohl das Ergebnis in die Wiederholbarkeit dieses Testverfahrens (50 μm) fällt, konnte vermutet werden, dass die Schmierfähigkeit wieder hergestellt und verbessert werden konnte, weil die Filtermedien die ätzende Seifenverunreinigung deaktivieren.
Wie oben erwähnt, ist Seife eine Kraftstoffverunreinigung, die Einspritzdüsen verklebt oder verstopft, die Kraftstoffschmierfähigkeit oder Korrosionshemmungsfunktionalität verringert und in extremen Fällen Filter verstopft. Es gab keine vorherigen Bemühungen, deren sich die Erfinder bewusst waren, Seife in löslicher oder unlöslicher Form unter Verwendung von Motor- oder Point-of-use-Filtrierung zu kontrollieren. Herkömmliche Filter bieten eine unangemessene Entfernung unlöslicher Seifen und sind nicht in der Lage, lösliche Seife, z. B. Metallcarboxylate, zu kontrollieren. Dies zeigt sich in diesem Bereich durch Berichte über klebende Einspritzdüsen selbst bei Motoren mit herkömmlicher Kraftstofffiltrierung. So wurde z. B. in der WO 2010/003504 A1 gezeigt, dass Ionenaustausch die Konzentrationen ausgewählter Metallspezies verringert, jedoch nicht unlösliche Seifen entfernt. Die WO 2010/003504 A1 legt nahe, dass Ionenaustauschharze in oder auf einen Filtermedienträger imprägniert werden könnten, um Metallkonzentrationen zu kontrollieren, d. h. die löslichen Spezies, lehrt jedoch ausdrücklich die Kontrolle von Seife. Seife besteht aus löslichen und unlöslichen Komponenten, und die WO 2010/003504 A1 lehrt keine gleichzeitige Entfernung von gelöster und unlöslicher Seife. Im Kontext von Filtrierung bezieht sie sich insbesondere auf die Funktion von Filtermedien als festem Träger, d. h. einer konstruktiven Funktion dienend, und erwähnt nichts von einer Entfernung oder selbst dem Vorhandensein unlöslicher Spezies. Bei den unterstützenden Versuchen werden nur gelöste Spezies berücksichtigt.
Das offenbarte System und das Verfahren gehen die oben erwähnten Probleme durch die Verwendung einer Kombination von hochwirksamen Filtermedien und Ionenaustauschharz an, um gleichzeitig lösliche und unlösliche Seife zu kontrollieren. Bei einigen Ausführungsformen werden mit Wasser oder polarer Flüssigkeit benetzte Ionenaustauschmedien verwendet, um den Stofftransport von Metallen von Kraftstoff zu Wasser oder polarer Flüssigkeit zu Ionenaustauschmaterial für eine Kraftstoffanwendung zu steigern. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren die Entfernung von löslicher Seife durch Ionenaustausch und von unlöslicher Seife durch Filtrierung, um die Kraftstoffanlage zu schützen und die Kraftstoffschmierfähigkeit und/oder Korrosionshemmungsfunktionalität wieder herzustellen, die durch die Umwandlung der entsprechenden Carbonsäurezusätze in Metallcarboxylate ebenfalls verloren ging.
Die Erfindung kann in anderen Formen ausgeführt sein, ohne von dem Gedanken oder Neuheitsmerkmalen derselben abzuweichen. Die in dieser Anmeldung offenbarten Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht begrenzend zu betrachten. Der Umfang der Erfindung ist durch die zugehörigen Ansprüche mehr noch als durch die vorangehende Beschreibung angegeben, und alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und innerhalb des Bereiches der Gleichwertigkeit der Ansprüche liegen, sollen darin enthalten sein.

Claims

Ein Filterelement, umfassend: Filtrierungsmedien; und Ionenaustauschmedien.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Filtrierungsmedien und der Ionenaustauschmedien mindestens einen Teil eines zentralen Hohlraums umgeben.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei die Ionenaustauschmedien ausgestaltet sind, um ein Metallion von dem Fluid zu entfernen.
Filterelement nach Anspruch 3, wobei das Metallion mindestens eines ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Na, K, Mg, Ca, Zn, Fe, Cu, Al und Pb, und wobei Na und K eine Valenz von eins, Mg, Ca, Zn, Cu und Pb eine Valenz zwei, und Al und Fe eine Valenz von drei haben.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei die Ionenaustauschmedien ein Kationenaustauschharz umfassen.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei die Ionenaustauschmedien mit einer polaren Flüssigkeit benetzt sind, die mindestens eine aus der Gruppe ausgewählte ist, die aus Wasser, Methanol, Ethanol und Biodiesel besteht.
Filterelement nach Anspruch 1, welches weiterhin einen Ionenaustauschmedienrückhalter umfasst.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei die Filtermedien zur Entfernung von Seife ausgestaltet sind, die in dem Fluid vorhanden ist.
Filterelement nach Anspruch 8, wobei die Seife ein Metallcarboxylat ist.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei die Filtermedien eine mittlere Flussporengröße von weniger als 5 Mikron aufweisen.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei die Filtermedien eine Beta-Kennzahl von größer als etwa 20 bei 4 μm(c) aufweisen.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei die Ionenaustauschmedien in Form von Harzwülsten vorhanden sind.
Filtrierungssystem zum Filtern eines Fluids, umfassend: Ionenaustauschmedien, die zur Entfernung von einem oder mehreren aufgelösten Metallionen von dem Fluid ausgestaltet sind; Filtermedien, die zur Entfernung von im Fluid vorhandener Seife ausgestaltet sind; und eines oder mehrere Gehäuse, welche die Ionenaustauschmedien und die Filtermedien enthalten.
Verfahren zur Entfernung unerwünschter Seife in Kraftstoff, umfassend: Entfernung von in dem Kraftstoff vorhandener löslicher Seife durch Ionenaustausch; und Entfernung von in dem Kraftstoff vorhandener unlöslicher Seife durch Filtrierung.
System zum Kontrollieren einer Menge an löslicher und unlöslicher Seife in einem Anwendungsfluid, umfassend: ein Mittel zur Reduzierung eines oder mehrerer Metallionen von dem Anwendungsfluid; und ein Mittel zur Reduzierung von Seife von dem Anwendungsfluid.