SISTEMA DE FRACCIONAMIENTO A BORDO Y MÉTODOS DE GENERAR UN COMBUSTIBLE DE ARRANQUE DE MOTOR
Antecedentes de la Invención 1. Campo de la Invención La presente invención se refiere a la industria de los motores, particularmente sistemas de combustible para motores impulsados por combustible y, de manera mas específica, a un sistema de combustible y método para reducir las emisiones de hidrocarburos de los vehículos . 2. Descripción de la Técnica Relacionada Desde tan pronto como 1942, particularmente en áreas urbanas teniendo una alta concentración de vehículos de motor, la contaminación del aire a partir de motores de combustión interna ha sido reconocida como una consecuencia no deseable de una sociedad móvil . Emisiones a partir de los motores de combustión interna surgen de varias fuentes y pueden variar considerablemente en tanto tamaño y composición dependiendo del tipo de motor, punto de operación, condición, diseño, y volatilidad del combustible. Para motores sin alguna forma de controles de emisiones, se ha estimado que veinte a veinticinco porciento de las emisiones surgen de ventilación del cárter del cigüeñal, sesenta porciento del escape, y el resto de pérdidas de evaporación, principalmente asociadas con el tanque de combustible. El
gas de escape de los motores de combustión interna contiene varias cantidades de hidrocarburos sin quemar, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno. Durante años recientes, investigadores han investigado extensivamente varios medios para reducir las emisiones de escape. -Esta investigación ha sido provechosa. Como resultado, los automóviles actuales emiten solamente una fracción de materiales no deseables comparados con aquellos de menos de una década atrás. A pesar de tales avances tremendos que se han hecho, mejoras adicionales son deseables. Estándares federales continúan requiriendo reducción de emisiones adicional . Un obstáculo principal para lograr reducción adicional en las emisiones de escape es el hecho de que en vehículos modernos, 60-95% de las emisiones de hidrocarburos ocurren durante los primeros 30-90 segundos de operación de un motor de vehículo después de un arranque en frío. Los solicitantes reconocieron que hay varios factores que contribuyen a emisiones de hidrocarburos en exceso a bajas temperaturas de motor. Uno de los factores primarios es pobre vaporización de una fracción suficiente del combustible a temperatura de arranque (es decir, por debajo de 30°C) para lograr combustión estable necesita una sobrecarga de combustible generosa durante los periodos de arranque y calentamiento. La sobrecarga de combustible lleva a altas emisiones de hidrocarburos hacia afuera del motor. Este problema es exacerbado como
resultado de sobrecarga de combustible significativa debido a que el catalizador del sistema de emisiones (es decir, el convertidor catalítico) no logra su temperatura de operación óptima hasta 1-2 minutos después de un arranque en frío, y así, es incapaz de oxidar todo del combustible no quemado incluyendo aquel resultante de una sobrecarga de combustible generosa durante el arranque. En el pasado, se han hecho intentos para eliminar la necesidad del periodo de calentamiento mediante operar al motor en gas de petróleo líquido, u otros combustibles secundarios gaseosos, durante el periodo de calentamiento y después cambiar a gasolina después de que una temperatura de operación normal se obtiene. El concepto se usó, por ejemplo, en tractores y otras maquinarias. Estos dispositivos tenían un tanque de combustible separado que se llenaba con un segundo tipo de combustible diferente del combustible en el tanque principal. El suministro de combustible entonces se seleccionó con una válvula de llave de purga operada manualmente. Estos sistemas se mostraron siendo un tanto imprácticos, sin embargo, debido a que se requería que el cliente llenara dos tanques, y la red de distribución para dispensar combustibles gaseosos en vehículos es relativamente escasa. Además, los clientes tendrían que aprender nuevos comportamientos y volverse cómodos con nuevos procedimientos de seguridad. Ambas son acciones que los clientes generalmente encuentran inaceptables. Debido a las dificultades y cuestiones imprácticas de
usar dos combustibles separados y dos sistemas de fuente de combustible, otros sistemas se desarrollaron los cuales separan un solo combustible en dos componentes, uno siendo mas volátil que el otro. Los sistemas, sin embargo, aun tuvieron limitacio-nes, incluyendo el uso inicial del combustible primario restante en la línea de combustible al arranque, retrasos no deseables para arrancar el motor, la necesidad de sistemas de presurización y calentamiento adicionales o complejos, producción eficiente del combustible volátil, calentamiento de tanque de combustible no deseable resultando en emisiones evaporadas incrementadas, y/o el uso de componentes complicados y costosos. El Sistema de Destilación A Bordo (OBDS) descrito en la patente US 6,119,637, titulada "On-Board Gasoline Distillation for Reduced Hydrocarbon Admission at Start-Up" por Matthews y colaboradores y cedida al cesionario de la presente, incorporada en la presente por referencia en su totalidad, se desarrolló para atender el asunto de emisiones de arranque en frío mediante utilizar un separador de vapor para extraer, de gasolina o una mezcla física de gasolina/alcohol, etc., un combustible secunda-rio altamente volátil para uso exclusivo durante arranque y calentamiento, y purgar las líneas de combustible con tal combustible secundario previo al re-arranque del motor. OBDS se acreditó con incrementar la cantidad de componentes deseados por volumen en el combustible secundario de 20-25% entregados por sistemas previos hasta a aproximadamente alrededor de 50%. El
combustible de arranque secundario especial ayudó a eliminar la necesidad de sobrecarga de combustible de arranque. El sistema, sin embargo, se desarrolló principalmente para sistemas de combustible teniendo una línea de retorno de motor a tanque de combustible. Además, el sistema se configuró generalmente para reciclar combustible primario para extraer adicionalmente combustible secundario no extraído en un primer paso a través del separador de vapor. Por lo tanto, se reconoce por los solicitantes una necesidad por un sistema aun menos complicado y menos costoso que separe combustible mas eficientemente hacia sus varios componentes para producir un combustible secundario teniendo una composición por volumen de entre 80-100% de componentes deseados, proporcione una mezcla aire-combustible al arranque del motor, proporcione calentamiento de catalizador mejorado, reduzca requerimientos de energía de operación, reduzca cualquier incremento inherente en las emisiones de evaporación, y, como resultado, reduzca las emisiones de hidrocarburos totales sobre aquellas de sistemas previos. Compendio de la Invención En vista de lo anterior, formas de realización de la presente invención proporcionan benéficamente un Sistema de Fraccionamiento de Combustible (FFS) y métodos asociados, el cual es una evolución del Sistema de Destilación A Bordo (OBDS) , y el cual proporciona un sistema menos complicado y menos costoso que
separa mas eficientemente combustible en sus varios componentes para producir un combustible secundario. Benéficamente, el combustible secundario benéficamente puede tener una composición por volumen de entre 80-100% de hidrocarburos con un número de carbonos de seis o menos. Benéficamente, el sistema puede proporcionar una mezcla de aire-combustible mejorada al arranque del motor, puede proporcionar calentamiento de convertidor catalítico mejorado (y así, mayor eficiencia), puede reducir requerimientos de energía de operación, puede reducir cualquier incremento inherente en emisiones de evaporación, y, como resultado, puede reducir emisiones de hidrocarburos totales. Mas específicamente, de acuerdo con una forma de realización de la presente invención, un sistema de combustible para un motor teniendo una admisión de combustible se proporciona. El sistema de combustible incluye un tanque de combustible principal para suministrar un combustible primario al motor, un conjunto de columna de destilación para destilar combustible líquido para formar un combustible secundario de fracción ligera volátil, y un controlador colocado para controlar la vaporización del combustible de alimentación en la columna de destilación para con ello controlar la separación del combustible de alimentación en componentes de combustible de fracción ligera y combustible de fracción pesada, y colocado para controlar la condensación de la fracción pesada tal que el combustible saliendo de la compuerta de salida de fracción ligera sea sustancialmente componentes de
combustible de fracción ligera por volumen. El conjunto de columna de destilación puede incluir una columna de destilación que incluye un alojamiento teniendo una porción de extremo superior, una porción de extremo inferior, y una porción media extendiéndose entre ellas. Una compuerta de alimentación de combustible se extiende a través de la porción media del alojamiento y se coloca para recibir combustible de alimentación a partir del tanque de combustible principal para destilación. El combustible de alimentación incluye componentes de combustible de fracción ligera y combustible de fracción pesada. Una compuerta de salida de fracción ligera se extiende a través de la porción media del alojamiento y se coloca para permitir salida del combustible de fracción ligera destilado. Una compuerta de salida de fracción pesada se extiende a través de la porción de extremo inferior del alojamiento y se coloca para permitir salida del combustible de fracción pesada. Un módulo de vaporización se coloca adyacente a la porción de extremo ligero del alojamiento para por lo menos parcialmente vaporizar el combustible de alimentación para mejorar la separación del combustible de alimentación en componentes de combustible de fracción ligera y combustible de fracción pesada. Un módulo de condensación se coloca adyacente a la porción de extremo superior del alojamiento para condensar combustible de fracción pesada tal que el combustible que sale de la compuerta de salida de fracción ligera sea sustancialmente
componentes de combustible de fracción ligera por volumen. Una columna empacada que incluye, por ejemplo, una columna tridimensional de metal poroso se coloca dentro del alojamiento entre el módulo de vaporización y el módulo de condensación para mejorar la destilación de combustible. El área superficial mejorada provista por el metal poroso resulta en recirculación acrecentada dentro de la columna de destilación, concentración mejorada de los vapores de extremos ligeros en la parte superior de la columna, y concentración mejorada de componentes de extremos pesados en el fondo. El controlador proporciona control de la vaporización del combustible de alimentación por el módulo de vaporización y control de la condensación de los extremos pesados o componentes de fracción pesada por el módulo de condensación en respuesta a varias entradas sensoriales . El controlador puede asegurar que el fondo de la columna de destilación se caliente con una tasa de calentamiento tal que la generación de vapor ocurra en la columna a una temperatura y presión deseadas, y puede asegurar que la parte superior de la columna de destilación se enfríe tal que la condensación ocurra a una temperatura y presión deseadas, resultando en la producción del combustible secundario teniendo las características apropiadas y deseadas. El sistema también puede incluir un intercambiador de calor para pre-calentar la corriente de combustible de alimentación de columna de destilación y enfriar la corriente de extremos
pesados caliente saliendo del fondo de la columna de destilación. El intercambiador de calor benéficamente puede lograr dos tareas principales. Primero, el intercambiador de calor puede ayudar a mitigar preocupaciones acerca de emisiones de evaporación debido al incremento en la temperatura del tanque de combustible principal mediante enviar combustible mas frío al tanque de combustible principal. Segundo, el intercambiador de calor puede ayudar a conservar energía que de otra manera necesitaría aplicarse en la columna de destilación mediante recuperar calor que ordinariamente sería enviado al tanque de combustible principal o a cualquier otro lugar. De acuerdo con otra forma de realización de la presente invención, se proporciona un sistema de fraccionamiento de combustible para un motor que tiene una admisión de combustible. El sistema puede incluir un tanque de combustible principal para suministrar un combustible de alimentación primario al motor, y un conjunto de columna de destilación para destilar combustible para formar un combustible secundario de fracción ligera volátil a partir de una porción del combustible de alimentación primario. El conjunto de columna de destilación puede incluir una columna de destilación que incluye un alojamiento que tiene una porción de extremo superior, una porción de extremo inferior, y una porción media extendiéndose entre ellas, y una compuerta de alimentación de combustible que se extiende a través de la porción media del alojamiento y colocada para recibir combustible
de alimentación a partir del tanque de combustible principal para destilación. Una compuerta de salida de fracción ligera se extiende a través de la porción de extremo superior del alojamiento y se coloca para permitir salida del combustible de fracción ligera destilado. Una compuerta de salida de fracción pesada se extiende a través de la porción de extremo inferior del alojamiento y se coloca para permitir salida del combustible de fracción pesada. Un módulo de vaporización se coloca adyacente a la porción de extremo inferior del alojamiento para por lo menos parcialmente vaporizar el combustible de alimentación para separar al combustible de alimentación en componentes de combustible de fracción ligera y de combustible de fracción pesada, y un módulo de condensación se coloca adyacente a la porción de extremo superior del alojamiento para condensar los componentes de combustible de fracción pesada tal que combustible saliendo de la compuerta de salida de fracción ligera sea sustancialmente componentes de combustible de fracción ligera por volumen. La combinación del módulo de vaporización y módulo de condensación resulta de manera sinérgica en la producción de combustible secundario teniendo las características apropiadas y deseadas . Formas de realización de la presente invención también proporcionan métodos para fraccionar combustible. Por ejemplo, un método para fraccionar combustible puede incluir el paso de proporcionar un conjunto de columna de destilación que incluye
una columna de destilación para destilar combustible líquido para formar un combustible secundario de fracción ligera volátil. La columna de destilación puede incluir una compuerta de salida de fracción ligera que se extiende a través de una porción de extremo superior del conjunto de columna de destilación y colocada para permitir salida del combustible de fracción ligera destilado, y una compuerta de salida de fracción pesada extendiéndose a través de una porción de extremo ligero del conjunto de columna de destilación y colocado para permitir salida del combustible de fracción pesada. El método también puede incluir los pasos de suministrar combustible de alimentación a la columna de destilación, vaporizar por lo menos una porción del combustible de alimentación de suministro en la columna de destilación y mejorar la separación del combustible de alimentación en componentes de combustible de fracción ligera y de combustible de fracción pesada, y condensar una porción del combustible vaporizado por un módulo de condensación previo a que el combustible vaporizado salga de la compuerta de salida de fracción ligera para condensar el combustible de fracción pesada tal que el combustible vaporizado saliendo de la compuerta de salida de fracción ligera sea sustancialmente componentes de combustible de fracción ligera por volumen. El método también puede incluir el paso de intercambiar calor entre el combustible de alimentación siendo alimentado en la columna de destilación y el combustible de fracción pesada saliendo de la columna de
destilación . Benéficamente, formas de realización de la presente invención proporcionan al FFS y métodos asociados son una evolución del OBDS , y por consiguiente, contienen mejoras significativas sobre el OBDS en términos de desempeño, capacidad de uso y empaque, por ejemplo, Formas de realización de un FFS a bordo y métodos para generar un combustible de arranque para motores impulsados por gasolina, por ejemplo, benéficamente proporcionan (1) empaque compacto, (2) separación mas eficiente, mas rápida, (3) no necesidad de esperar para que el motor alcance temperatura de operación completamente caliente, v.gr. , dado que una columna de destilación no necesita calentarse por anticongelante del motor como típicamente es con OBDS, y (4) líquido de fondos a partir del FFS que se puede consumir directamente por el motor. Formas de realización de la presente invención también benéficamente pueden eliminar o reducir la preocupación de que emisiones altamente evaporativas regresen combustible caliente al tanque de combustible principal, y también pueden benéficamente mejorar la salida de energía del motor a través de una combina-ción de avance en el tiempo de ignición y consumo de líquido de fondos alto en octanos. Benéficamente, el combustible secundario de fracción ligera del FFS puede esperarse que presente por lo menos cinco veces la vaporización a temperaturas moderadas (21°C-27 °C) que una gasolina estándar, resultando en tiempos de ligeros fuera de convertidor catalítico disminuidos (por lo menos 50%) y
reducciones en las emisiones de hidrocarburos en el orden de 80-90% o mas. Breve Descripción de los Dibujos Tal que la manera en la cual las características y ventajas de la invención, así como otras que se volverán aparentes, puedan entenderse en mayor detalle, una descripción mas particular de la invención brevemente resumida anteriormente puede tenerse por referencia a las formas de realización de la misma las cuales se ilustran en los dibujos anexos, los cuales forman una parte de esta especificación. Se notará, sin embargo, que los dibujos ilustran solamente varias formas de realización de la invención y por lo tanto no deben considerarse limitativas del alcance de la invención pues puede incluir otras formas de realización efectivas también. Las figuras 1A-1C son diagramas de bloques esquemáticos que ilustran comparaciones de trayectorias de flujo de combustible entre configuración de materia prima, configuración de OBDS, y una configuración de FFS de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. La figura 2 es un diagrama esquemático de una columna de destilación de un FFS de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. La figura 3 es un diagrama esquemático de la columna de destilación mostrada en la figura 2 incluyendo varios sensores de acuerdo con una forma de realización de la presente invención.
La figura 4 es un diagrama esquemático de un controla-dor de columna de destilación que hace interfaz con los varios sensores para controlar vaporización y condensación dentro de la columna de destilación de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. La figura 5 es un diagrama esquemático de una columna de destilación de un FFS de acuerdo con otra forma de realización de la presente invención. La figura 6 es un diagrama esquemático de flujo de fluidos a través de un FFS, con pre-calentador de alimentación (etiquetado "Intercambiador de Calor") mostrado y líquido de fondos regresado a un tanque de combustible principal de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. La figura 7 es un diagrama esquemático de flujo de fluido de combustible a través de FFS con extremos pesados (líquido de fondos) direccionado a un tanque exclusivo, parte de o conectado al tanque de combustible principal, de acuerdo con otra forma de realización de la presente invención. La figura 8 es un diagrama esquemático de flujo de combustible a través de FFS con líquido de fondos (extremos pesados) consumido por un motor de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. La figura 9 es un diagrama esquemático de admisión de combustible de motor teniendo inyectores de combustible primarios y secundarios de acuerdo con una forma de realización de la
presente invención. La figura 10 es un diagrama esquemático de un inyector de combustible conectado a una válvula y un controlador para seleccionar entre combustibles primario y secundario de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. La figura 11 es un diagrama esquemático de un controlador de motor para proporcionar avance y retraso en el tiempo de ignición de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. Descripción Detallada La presente invención será descrita ahora de manera mas completa a continuación en la presente con referencia a los dibujos acompañantes, los cuales ilustran formas de realización de la invención. Esta invención puede, sin embargo, llevarse a cabo en muchas formas diferentes y no debe considerarse como limitada a las formas de realización ilustradas señaladas en la presente. En su lugar, estas formas de realización son proporcionadas tal que esta divulgación sea cabal y completa, y completamente transportará el alcance de la invención a los técnicos en la materia. Números similares se refieren a elementos similares a su través. Notación prima, si se usa, indica elementos similares en formas de realización alternativas. Se proporciona un Sistema de Fraccionamiento de Combustible (FFS) , el cual es una evolución del Sistema de Destilación A Bordo (OBDS) . Las varias formas de realización del
FFS difieren del OBDS y otros sistemas de combustible alternativos en un número de maneras muy significativas. Las figuras 1A-11 ayudan a ilustrar formas de realización del FFS y métodos y a resaltar algunas de estas diferencias, particularmente según se compara con OBDS. Tales diferencias principales son mejor ilustradas a través de examinación de los componentes de sistema principales y procesos tales como, por ejemplo, Suministro de Combustible, Destilación, Condensador/Compresor de Cabezas, Disposición de Extremos Pesados, Recuperación de Calor, y Utilización de Combustible, descritos en mayor detalle a continuación . Suministro de Combustible - Las figuras 1A-1C, por ejemplo, ilustran las diferencias entre los diseños de suministro de combustible de un sistema de combustible OBDS típico (figura IB) y una forma de realización de FFS (figura 1C) , con la configuración de materia prima (figura 1A) siendo mostrada para referencia. De acuerdo con la forma de realización ilustrada, FFS captura una porción de la corriente de suministro de combustible; y OBDS captura la corriente de retorno de combustible entera. Como resultado, FFS es adecuado para sistemas de combustible tanto convencionales y sin retorno. OBDS generalmente se puede usar solamente con sistemas de combustible que regresan combustible al tanque principal. El gasto de combustible del FFS puede ser también mucho mas bajo que OBDS. Por lo tanto, FFS tiene un requerimiento de entrada de energía
mucho menor que OBDS, permitiendo componentes mas pequeños e instalación mas compacta. Benéficamente, tales componentes de FFS mas pequeños pueden localizarse mas fácilmente en la porción del vehículo que aloja al tanque de combustible. Destilación Como será descrito en mas detalle a continuación, un conjunto de columna de destilación 31 se proporciona para destilar combustible líquido para formar un combustible secundario de fracción ligera volátil. Una de las diferencias principales entre FFS y OBDS es que FFS emplea la columna de destilación 33 para lograr separación de combustible de extremos ligeros o de fracción ligera y combustible de extremos pesados o fracción pesada, mientras que OBDS típicamente emplea un tambor de separación por destello simple. La columna de destilación 33 puede proporcionar mucho mayor capacidad de separación sobre aquella de cámaras de vaporización convencionales o de OBDS. Por ejemplo, donde OBDS se acredita con incrementar la cantidad de componentes deseados por volumen en el combustible secundario de 20-25% sobre aquel de sistemas convencionales, hasta aproximadamente alrededor de 50%. El diseño mejorado de la columna de destilación de FFS 33 puede resultar en un incremento significativo en los componentes deseados, tan alto como entre aproximadamente 80-100%, dependiendo de la composición del combustible de alimentación fuente, condiciones ambientales, y configuración interna de la columna de destilación 33.
La columna de destilación 33 puede diseñarse en un número de maneras, tal que FFS no se restrinja a uso de un diseño particular. Esto dicho, detalles de un diseño particular de la columna de destilación del FFS 33 dadas a continuación y mostradas a manera de diagrama en, por ejemplo, las figuras 2-5, se proporcionan para propósitos ilustrativos. Una breve discusión de los principios de destilación es apropiada para acrecentar el entendimiento del desarrollo del FFS. La destilación depende de los principios del equilibrio de fases y separación gravimétrica . En una cámara de vaporización típica, fases de líquido y de vapor se llevan hacia contacto íntimo tal que alcancen equilibrio líquido-vapor. El fondo de la cámara de vaporización se calienta y la parte superior permanece sin calentar. Temperaturas mas frías en la parte superior cambian el equilibrio tal que la fase de vapor saliendo por la parte de arriba de la cámara de vaporización contenga solamente los compuestos mas ligeros. Los componentes mas pesados, concentrados en la fase líquida, caerán al fondo de la columna, donde temperaturas mas calientes impulsan el equilibrio tal que los compuestos mas pesados se concentren en el líquido de fondos. Simultáneamente, los componentes mas ligeros son hervidos fuera de la mezcla en el fondo de la cámara de vaporización. Los extremos ligeros o componentes de fracción ligera fluyen hacia arriba a través de la columna; los extremos pesados o componentes de fracción pesada fluyen hacia abajo. De manera efectiva, los
componentes de combustible de alimentación se distribuyen dentro de la cámara de vaporización tal que los constituyentes de punto de ebullición menores y mayores se concentren en la parte superior y el fondo de la columna, respectivamente. Los vapores de componentes de extremos ligeros se condensan y se guardan, y los componentes de extremos pesados son rechazados. Calentamiento repetitivo en el fondo de la cámara de vaporización seguido por condensación cerca de la parte superior de la cámara resulta en la concentración de los componentes de extremos pesados en el fondo de la cámara de vaporización. El conjunto de columna de destilación 31 mostrado en las figuras 2 y 3 incluye una columna de destilación 33, incluyendo un alojamiento aislado 41 teniendo una porción de extremo superior 43, una porción de extremo inferior 45, y una porción media 47 extendiéndose entre ellas y teniendo una compuerta de alimentación de combustible 49 extendiéndose a través de la porción media 47 del alojamiento 41 y colocada para recibir combustible de alimentación a partir de un tanque de combustible principal 51 (ver, v.gr., figuras 6-8) para destila-ción. El combustible de alimentación incluye componentes de combustible de fracción ligera y de combustible de fracción pesada. Una compuerta de salida de fracción ligera 53 se extiende a través de una porción de extremo superior 43 del alojamiento 41 y se coloca para permitir salida de componentes de combustible de fracción ligera o de extremos ligeros destilados. Una compuerta
de salida de fracción pesada 55 se extiende a través de la porción de extremo inferior 45 del alojamiento 41 y se coloca para permitir salida de componentes de combustible de fracción pesada. Notablemente, aunque las colocaciones de las compuertas 49, 53, y 55 están mostradas centradas, varias otras configuraciones están dentro del alcance de las varias formas de realización de la presente invención. Un módulo de vaporización 61 se coloca adyacente a la porción de extremo inferior 45 del alojamiento '41 para por lo menos parcialmente, pero de preferencia sustancialmente completamente, vaporizar el combustible de alimentación para mejorar la separación del combustible de alimentación en componentes de combustible de fracción ligera y de combustible de fracción pesada. La fuente de calor para el módulo de vaporización 61 puede ser una que está disponible sustancialmente de manera continua tal como, por ejemplo, resistencia eléctrica, bombas de calor termoeléctricas (ver, v.gr., figura 2), etc., u otros medios conocidos por los técnicos en la materia; o una que está disponible solamente cuando el motor está funcionando bajo condiciones de operación normales tales como, por ejemplo, una bomba de calor de compresión de vapor 67 (ver, v.gr., figura 5) tal como un aire acondicionado de vehículo (líneas de compresión) , anticongelante de motor, escape de motor u otros medios conocidos por los técnicos en la materia. Un módulo de condensación 63 se coloca adyacente a la
porción de extremo superior 43 del alojamiento 41 para condensar los componentes de combustible de fracción pesada tal que el combustible saliendo de la compuerta de salida de fracción ligera 53 sea sustancialmente componentes de combustible de fracción ligera por volumen. Es este enfriamiento en la parte superior 43 el que establece el gradiente de temperatura requerido entre la parte superior y el fondo. La fuente de enfriamiento para el módulo de condensación 63 puede ser una que esté sustancialmente disponible de manera continua tal como, por ejemplo, un abanico que proporciona convección forzada, una bomba de calor termoeléctrica (ver, v.gr., figura 2), etc., u otros medios conocidos por los técnicos en la materia; o una que está disponible solamente cuando el motor está funcionando bajo condiciones de operación normales tales como, por ejemplo, la bomba de calor de compresión de vapor 67 (ver, v.gr., figura 5) tal como un aire acondicionado de vehículo (líneas de evaporador) . Una columna tridimensional empacada 65 de material de empaque conductor de calor, v.gr., un metal poroso tal como una matriz de fibra metálica, lana de acero, etc., u otro material conductor de calor conocido por los técnicos en la materia, se coloca dentro del alojamiento 41 entre el módulo de vaporización 61 y el módulo de condensación 63 para mejorar la destilación del combustible. El área superficial mejorada provista por el material de empaque conductor resulta en recirculación mejorada dentro de la columna de destilación y concentración mejorada de
los vapores de componente de extremos ligeros en la parte superior de la columna y componentes de extremos pesados en la parte inferior. Como se muestra en la figura 4, un controlador 71 es provisto para controlar la vaporización del combustible de alimentación por el módulo de vaporización 61 para con ello separar al combustible de alimentación en componentes de extremos ligeros y pesados y para controlar la condensación del combustible de extremos pesados por el módulo de condensación 65 tal que el combustible saliendo de la compuerta de salida de fracción ligera 63 sea sustancialmente componentes de combustible de fracción ligera por volumen. Benéficamente, el controlador 71 puede asegurar que el fondo 45 de la columna de destilación 33 se caliente con una tasa de calentamiento tal que generación de vapor ocurra en la columna 33 a una temperatura y presión deseadas, y puede asegurar que la parte superior 43 de la columna de destilación 33 se enfríe tal que ocurra condensación a una temperatura y presión deseadas. Como se muestra en las figuras 3 y 4, el conjunto de columna de destilación 31 puede incluir un sensor de presión de módulo de vaporización 73 colocado para detectar presión de combustible de módulo de vaporización, un sensor de temperatura de módulo de vaporización 75 colocado para detectar temperatura de combustible de módulo de vaporización, un sensor de presión de módulo de condensación 77 colocado para detectar presión de
combustible de módulo de condensación, y un sensor de temperatura de módulo de condensación 79 colocado para detectar temperatura de combustible de módulo de condensación. El conjunto de columna de destilación 31 también puede incluir un sensor de densidad 81 colocado para determinar por lo menos una de las siguientes, densidad o gravedad específica de combustible de fracción ligera, para con ello determinar la calidad volumétrica del combustible de fracción ligera de la salida de combustible a partir de la compuerta de salida de combustible de fracción ligera 53. Correspondientemente, de acuerdo con esta forma de realización de la presente invención, el controlador 71 responde a la presión de combustible del módulo de vaporización y la temperatura de combustible del módulo de vaporización para controlar esa cantidad de energía a ser aplicada al módulo de vaporización 61, y en respuesta a la presión de combustible del módulo de condensación, temperatura de combustible de módulo de condensación, y la densidad o gravedad específica de la salida de combustible de fracción ligera a partir de la compuerta de salida de combustible de fracción ligera 53 controlar esa cantidad de energía a ser aplicada al módulo de condensación 63. El controlador 71 puede incluir memoria 83 y un producto de programa 85 almacenado en la misma e incluyendo instrucciones que cuando se ejecutan ocasionan que el controlador 71 lleve a cabo las operaciones de controlar los módulos de vaporización y condensación 61, 63, en respuesta a las entradas de señal anteriormente
descritas . De acuerdo con una forma de realización de la presente invención, tal configuración de la columna de destilación 33 empleando la combinación de calentamiento controlado positivo en el fondo 45 y enfriamiento controlado positivo en la parte superior 43 y utilización de un empaque 65 teniendo suficiente área superficial entre ellas, puede resultar fácilmente en el combustible saliendo por la compuerta de combustible de fracción ligera 53 siendo sustancialmente componentes de combustible de fracción ligera por volumen, por ejemplo, a un nivel de aproximadamente 80-100 porciento de hidrocarburos con un número de carbonos de seis o menos y teniendo un punto de ebullición medio de, por ejemplo, menos de aproximadamente 70 °C. En una forma de realización de la presente invención, el combustible saliendo de la compuerta de combustible de fracción ligera 53 puede incluir como componente principal isopentano teniendo un punto de ebullición de aproximadamente 28°C, con ello, mejorando el potencial de vaporización dentro de la admisión de motor. Condensador y Compresor de Cabezas Como se muestra en las figuras 6-8, FFS puede emplear enfriamiento y/o compresión activas para facilitar la condensación y almacenamiento de los extremos ligeros en la corriente de vapor de cabezas saliendo de la compuerta de salida 53. Particularmente, el enfriamiento puede ser provisto mas fácilmente mediante un condensador de cabezas 91 conteniendo, por ejemplo,
elementos de enfriamiento termoeléctricos u otros conocidos a los técnicos en la materia, y colocados en línea a lo largo de la línea de combustible 93 extendiéndose a partir de la compuerta de salida de fracción ligera 53. Un tanque de destilado de extremo ligeros 95 se proporciona para almacenar combustible de fracción ligera enfriada por el condensador 91. Este tanque de destilado 95 puede ser ya sea un tanque separado (ver, v.gr., figura 6) o un componente 95 ' dentro de o adyacente al tanque principal 51 (ver, v.gr., figuras 7-8). Como porciones del combustible de fracción ligera o extremos ligeros pueden estar en forma de gas a temperaturas relativamente moderadas, un compresor (no mostrado de manera separada) también o alternativamente se coloca en comunicación de fluidos con la línea de combustible 93 y el tanque de destilados 95, 95', para comprimir el combustible para almacenamiento en el tanque de destilado de extremos ligeros 95, 95'. En la forma de realización ejemplar de la presente invención, el compresor forma parte del condensador de cabezas 91. En una forma de realización alternativa de la presente invención, el condensador de cabezas 91 puede reemplazarse por un compresor capaz de comprimir fluido conteniendo componentes de gas y de líquido . Disposición de Extremos Pesados La eficiencia incrementada de la separación del FFS significa que mucho menos combustible de fondos (extremos pesados) se genera a partir de una cantidad dada de combustible
de alimentación, y el combustible de fondos que se genera está mayormente desprovisto de componentes de extremos ligeros. Con OBDS y sistemas de combustible convencionales, la separación de los componentes de extremos ligeros a partir del combustible base se encontró un tanto imperfecta, y el líquido de fondos se encontró conteniendo una fracción considerable de extremos ligeros. Por lo tanto, fue deseable regresar el fluido de fondos al tanque principal. Hablando de manera práctica, en una configuración típica, el contenido entero del tanque de combustible principal de OBDS fluye a través del separador de vapor de OBDS varias veces durante la destilación de una cantidad apreciable de combustible de arranque. Benéficamente, debido a la eficiencia mejorada de la columna de destilación 33 anteriormente descrita, generalmente hay poca o nada de ventaja en "volver a correr" cualquiera de las salidas de combustible de extremos pesados a través de la compuerta de salida 55 a través de la columna de destilación 33. Como tal, como se muestra, por ejemplo en la figura 7, el combustible de extremos pesados o de fracción pesada se puede almacenar en un tanque de extremos pesados separado (no mostrado) o compartimiento 97 del tanque principal 51. Benéficamente, la configuración de tanque separado o compartimiento puede ayudar también a eliminar preocupaciones asociadas con emisiones evaporativas incrementadas a partir de calentar al combustible en el tanque principal 51. Después de que el motor se calienta por completo, el
combustible de extremos pesados puede consumirse por el motor, ya sea directamente como se muestra en la figura 8, o mediante líneas de combustible que se extienden a partir del tanque de extremos pesados mostrado en la figura 7. El combustible de extremos pesados deberá tener una calificación de octanos muy alta, permitiendo la combinación con ignición de avance de tiempo para salida de energía/torsión mejorada a partir del motor, descrito en mayor detalle mas adelante. Nótese, en una primera configuración, que el motor puede correr por completo en combustible de extremos pesados durante operaciones completamente calientes normales, con el sistema de combustible convirtiendo sustancialmente el contenido entero del tanque principal 51 en componentes de extremos ligeros y de extremos pesados. En una segunda configuración, la selección de combustible de operación caliente se puede alternar entre combustible de tanque principal y combustible de extremos pesados por una válvula (no mostrada) asociada con el tanque de combustible principal 51. Varias otras configuraciones de selección para utilización del combustible de extremos pesados están dentro del alcance de la presente invención . Recuperación de Calor FFS puede usar un pre-calentador en la forma de un intercambiador de calor 101 para pre-calentar la corriente de combustible de alimentación de columna de destilación y enfriar la corriente de extremos pesados caliente saliendo del fondo de
la columna de destilación 45. El intercambiador de calor 101 puede lograr dos tareas primarias. Primero, en la configuración mostrada, por ejemplo, en la figura 6, el intercambiador de calor 101 ayuda a mitigar preocupaciones acerca de incrementar emisiones evaporativas debido a un incremento en la temperatura del tanque de combustible principal resultante de enviar combustible caliente hacia el tanque principal, mediante enviar combustible mas frío (enfriado) al tanque de combustible principal. Segundo, en todas las configuraciones, puede ayudar a conservar energía que de otra manera necesitaría aplicarse en la columna de destilación 33 mediante recuperar calor que ordinariamente sería enviado al tanque de combustible principal 51 o a otro punto. De acuerdo con una forma de realización de la presente invención mostrada en la figura 6, un intercambiador de calor 101 se coloca en una trayectoria de flujo entre la compuerta de salida de fracción pesada 55 y el tanque principal 51, y en una trayectoria de flujo de líquido entre el tanque principal 51 y la compuerta de alimentación de combustible 49 tal que calor se intercambie entre combustible de fracción pesada fluyendo a partir de la compuerta de salida de fracción pesada 55 al tanque principal 51 y combustible de alimentación que fluye a partir de una trayectoria de flujo entre el tanque principal 51 y la columna de destilación 33 tal que el combustible de fracción pesada se enfríe previo a regresar al tanque principal 51.
Benéficamente , este intercambio de calor ayuda a reducir emisiones evaporativas asociadas con combustible caliente y dar servio para pre-calentar el combustible de alimentación que ingresa a la columna de destilación 33 para con ello reducir los requerimientos de energía de vaporización. Presión para forzar o de otra manera trasladar al combustible de alimentación a través del intercambiador de calor 101 puede ser mediante una bomba de combustible de tanque principal 103. Presión para forzar o de otra manera trasladar el combustible de fracción pesada a través del intercambiador de calor 101 puede ser mediante una bomba de combustible de fracción pesada 105. De acuerdo con una forma de realización de la presente invención mostrada en la figura 7, el intercambiador de calor 101 se coloca en una trayectoria de flujo de líquido entre la compuerta de salida de fracción pesada 55 y un compartimiento de tanque de extremos pesados 31, y en una trayectoria de flujo de líquido entre el tanque principal 51 y la compuerta de alimentación de combustible 49, tal que calor se intercambie entre combustible de fracción pesada que fluye a partir de la compuerta de salida de fracción pesada 55 al tanque de extremos pesados 97 y combustible de alimentación fluyendo a partir de la trayectoria de flujo entre el tanque principal 51 y la columna de destilación 33 tal que el combustible de fracción pesada se enfríe previo a transferir al tanque de extremos pesados 97. Benéficamente, este intercambio de calor ayuda a reducir emisiones evaporativas
asociadas con combustible caliente y sirve para pre-calentar al combustible de alimentación que ingresa a la columna de destilación 33 para con ello reducir los requerimientos de energía de vaporización . De acuerdo con una forma de realización de la presente invención mostrada en la figura 8, el intercambiador de calor 101 se coloca en una trayectoria de flujo de líquido entre la compuerta de salida de fracción pesada 55 y la entrada del motor, y en una trayectoria de flujo de líquido entre el tanque principal 51 y la compuerta de alimentación de combustible 49 tal que calor se intercambie entre combustible de fracción pesada que fluye a partir de la compuerta de salida de fracción pesada 55 a la entrada de motor y combustible de alimentación que fluye a partir de la trayectoria de flujo entre el tanque principal 51 y la columna de destilación 33 para pre-calentar el combustible de alimentación que ingresa a la columna de destilación 33, para con ello reducir los requerimientos de energía de vaporización. Utilización de Combustible Como quizás se muestra mejor en la figura 9, de acuerdo con una forma de realización de la presente invención, el sistema de combustible puede incluir inyectores de combustible dedicados 111 para inyectar el combustible de fracción ligera hacia la admisión de combustible de motor 113 colocada en comunicación de fluidos con una línea de combustible de fracción ligera 115 extendiéndose entre el tanque de destilado de extremos ligeros
95, 95', y la admisión de combustible de motor 113. Esta configuración representa utilización óptima de combustible de extremos ligeros secundario, sobre demanda, pero con el costo de tener inyectores de combustible adicionales 111 sobre aquellos del primario. Como quizás se muestra mejor en la figura 10, de acuerdo con otra forma de realización de la presente invención, el sistema de combustible puede incluir un conjunto de inyección de combustible o inyector de combustible 121 compartido. En tal configuración, una línea de combustible primario 123 para inyectar combustible primario hacia la admisión de motor 113 se extiende entre el inyector de combustible 121 y el tanque de combustible principal 51 o se extiende a partir de o es una continuación de la línea de combustible de alimentación 122 extendiéndose entre el tanque de combustible principal 51 y la compuerta de alimentación de combustible 49 de la columna de destilación 33. Una línea de combustible de fracción pesada 125 se extiende entre la compuerta de salida de fracción pesada 55 y ya sea una compuerta de retorno de tanque de combustible principal 127 en el tanque de combustible principal (ver, v.gr., figura 6) , un compartimiento de tanque exclusivo de fracción pesada 97 (ver, v.gr., figura 7) , o una llave 129 en la línea de combustible primario (ver, v.gr., figura 8) . El sistema de combustible también incluye una línea de combustible de fracción ligera 131 que se extiende entre el tanque de destilado de
extremos ligeros 95, 951 , y el inyector de combustible 121 para inyectar combustible de fracción ligera hacia la admisión de motor 113. Una válvula de selección de tipo de combustible 141 se coloca en comunicación de fluidos con la línea de combustible de fracción ligera 131, la línea de combustible primaria 123, y el inyector de combustible 121. La válvula de selección de tipo de combustible 141 incluye conmutación ya sea mecánica o de estado sólido conocida por los técnicos en la materia para por consiguiente responder a señales de comando provistas por un controla-dor de motor 143 para seleccionar entre la línea de combustible de fracción ligera 131 y la línea de combustible primaria 123 para comunicar combustible al inyector de combustible compartido 121. Esto es, el controlador de motor 143 el cual puede incluir un microprocesador u otros componentes lógicos conocidos por los técnicos en la materia, en respuesta a un comando de arranque de motor o de apagado de motor, por ejemplo, a partir de un botón de inicio/paro 145, llave de ignición, etc., puede proporcionar señales de comando a la válvula de selección de tipo de combustible 141 para seleccionar entre la línea de combustible de fracción ligera 131 y la línea de combustible primario 123. La línea de combustible de fracción ligera 131 se selecciona para suministrar combustible de fracción ligera durante operaciones de arranque y calentamiento y la línea de combustible primario 123 se selecciona para suministrar combustible primario durante
operaciones de motor caliente normales. De acuerdo con una forma de realización de la presente invención, el controlador de motor 143 incluye memoria 145 y producto de programa 147 almacenado en la memoria 143 e incluyendo instrucciones que cuando se ejecutan ocasionan que el controlador 143 lleve a cabo las operaciones de seleccionar la línea de combustible secundario de fracción ligera 131 en respuesta a un comando de apagado para purgar combustible de alimentación del inyector de combustible 121 y líneas de combustible entre el inyector de combustible y la válvula de selección de tipo de combustible 141. Benéficamente, en una configuración de inyector de combustible compartido 121, esto puede servir para ayudar a maximizar aplicación de combustible de fracción ligera durante la siguiente operación de arranque. De acuerdo con una forma de realización de la presente invención, después de recibir un comando de apagado del usuario y como parte de la operación de purga, el controlador de motor 143 puede permitir que el motor corra, v.gr., 1-2 segundos, para permitir que el motor queme cualquier combustible primario dejado en el inyector de combustible y líneas de combustible entre la válvula 141 y el inyector de combustible 121. De acuerdo con otra forma de realización de la presente invención, después de recibir un comando de apagado del usuario y como parte de la operación de purga, el controlador de motor 143 puede ordenar a la válvula 141 para seleccionar la línea de combustible secundario de fracción
ligera 131 para permitir que el motor corra, v.gr. , 1-2 segundos, en combustible secundario de fracción ligera, para con ello permitir que el motor queme cualquier combustible primario dejado en el inyector de combustible y líneas de combustible entre la válvula 141 y el inyector de combustible 121 previo al apagado. Nótese, esto se puede lograr de manera mas eficiente usando lo sistemas de arranque/paro de ignición de botón de presión recién introducidos para mejorar la aceptación del usuario. Los sistemas de ignición de tipo llave sin embargo permanecen compatibles. Desempeño del Motor En la mayoría de los motores modernos, el motor es controlado pro un controlador de motor que incluye, por ejemplo, un microprocesador u otro dispositivo de estado sólido conocido por los técnicos en la materia. El controlador de motor generalmente incluye memoria y un programa o firmware almacenado en la memoria e incluyendo instrucciones para llevar a cabo varias operaciones de administración del motor. Tal motor también incluye típicamente un conjunto de ignición de motor que tiene tiempo de ignición variable y un conjunto de escape de motor que tiene un catalizador de gas de escape, v.gr., convertidor catalítico, el cual tiene una temperatura de operación de umbral mínima . Como quizás se muestra mejor en las figuras 10 y 11, de acuerdo con una forma de realización de la presente invención, el controlador de motor 143 o un controlador de motor separado (no
mostrado) en comunicación con el mismo incluye instrucciones para llevar a cabo las operaciones de seleccionar el combustible secundario de fracción ligera a ser inyectado en la admisión de motor 113 durante operaciones de arranque y calentamiento, y retrasar el tiempo de ignición de motor en respuesta a seleccionar el combustible secundario de fracción ligera para incrementar temperatura de gas de escape que ingresa al catalizador de gas de escape (v.gr. , convertidor catalítico) 151. Benéficamente, la calidad del componente secundario de fracción ligera del combustible secundario de fracción ligera, hecho de acuerdo con formas de realización de la presente invención, puede permitir para retrasar el tiempo de ignición 153 para con ello mejorar el calentamiento del catalizador mas allá de lo considerado posible con el OBDS u otros sistemas convencionales. Las instrucciones también pueden incluir aquellas para llevar a cabo las operaciones de seleccionar el combustible primario a ser inyectado en la admisión de motor 113 durante operaciones de motor caliente normales, y avanzar el tiempo de ignición en respuesta a selección del combustible primario mejorado con o compuesto de combustible de fracción pesada para con ello mejorar la torsión del motor. Particularmente, cuando el combustible primario está hecho por completo de combustible de fracción pesada de acuerdo con formas de realización de la presente invención, el avance de ignición puede ser mas allá del considerado posible con el OBDS u otros sistemas convencionales.
Varias formas de realización del sistema FFS benéficamente resuelven muchos problemas inherentes con el OBDS y otros diseños previos. Por ejemplo, FFS puede proporcionar separación mas eficiente de los componentes de fracción pesada y de fracción ligera para producir tasas de generación de combustible de arranque mucho mas rápidas con menor consumo de energía requerido. También, por ejemplo, FFS puede proporcionar recuperación de calor de desecho a partir de la corriente de combustible de fracción pesada. Donde OBDS típicamente regresa la corriente de fondos caliente al tanque de combustible principal, incrementando las temperaturas de combustible en bruto y el riesgo de emisiones de hidrocarburos evaporativos incrementadas, formas de realización de FFS resuelven este problema mediante recuperar calor de la corriente de fondos para pre-calentar la alimentación entrante, lo cual de manera sinérgica resulta en requerimientos de consumo de energía mucho menores. Además, por ejemplo, FFS puede configurarse tal que FFS no dependa de calor de desecho del motor (refrigerante, escape, etc.) para impulsar el proceso de destilación. Por consiguiente, el motor no necesita calentarse antes de que el FFS pueda operar. Aun además, debido a la eficiencia de destilación del FFS, el FFS puede permitir consumo de energía global menor que aquel de OBDS o sistemas de combustible convencionales, por ejemplo, debido a los requerimientos de gasto de combustible menores resultantes de tal eficiencia mej orada .
En los dibujos y la especificación, se han divulgado formas de realización preferidas típicas de la invención y, aunque términos específicos se emplean, se usan en un sentido genérico y descriptivo solamente y no para el propósito de limitación, el alcance de la invención siendo señalado en las reivindicaciones siguientes. Formas de realización de FFS también pueden ser ventajosas para motores de Ignición por Compresión de Carga Homogénea (HCCI) y para motores de diesel. Además, formas de realización de la presente invención, por ejemplo, pueden requerir potencialmente un tanque de combustible segregado (Principal/Pesados/Ligeros o Principal/Ligeros) debido a que el combustible de arranque, mas concentrado en extremos ligeros que con OBDS o sistemas de combustible convencionales, puede requerir almacenamiento presurizado y/o enfriado. Además, el controlador de motor puede requerir re-calibración de sus rutinas de entrega de combustible que compensa para condiciones de carga transitorias cuando el motor consume el combustible de extremos ligeros secundario debido a su combustible de arranque de alta volatilidad (destilado) o el combustible de extremos pesados alto en octanos debido a su baja volatilidad.