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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dosieren eines
Additivs in einen Kraftstoff.
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Stand der
Technik
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DPF-Regenerierung
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Es
ist dem Fachmann bekannt, daß Kraftstoffadditive,
welche Metalle enthalten („fuel
borne catalysts" – kraftstoffgetragene
Katalysatoren – oder FBC),
bei der Verringerung der Verbrennungstemperatur von Ruß wirksam
sind, der sich in einem Abscheider oder DPF (nämlich Diesel-Partikelfilter)
ansammelt. Diesbezüglicher
Stand der Technik ist bekannt. Eine Druckschrift von Salvat et al,
die auf dem SAE Weltkongreß in
Detroit im März
2000 präsentiert wurde
(Referenz: SEA 200-01-0473), gibt das 20 jährige Interesse an DPFs an
und listet viele Druckschriften auf, die von auf diesem Bereich
arbeitenden Personen erstellt wurden.
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In
Kraftstoff lösliche
Additive auf Eisenbasis kennt man als auf diese Art wirksam. In
seiner Druckschrift SAE 980539, die auf dem internationalen SAE Kongreß und der
Ausstellung in Detroit im Februar 1998 präsentiert wurde, beschreibt
Mayer im Kraftstoff lösliche
Additive auf Eisenbasis, die einen katalytischen Effekt beim Ausbrennen
von in einem DPF abgeschiedenen Ruß haben. Mayer erwähnt auch Additive,
die für
eine katalytische Wirkung auf Cer und Kupfer basieren, und gibt
an, daß diese
Additive für
die Verwendung bei DPFs im Jahr 1998 im Handel erhältlich waren.
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Ferner
beschreibt unsere frühere
Veröffentlichung
WO 99/36488 vollständig,
wie Eisenpräparate in
Kombination entweder mit Kalzium oder Strontium verwendet werden
können,
um die Rußverbrennung in
einem DPF zu katalysieren.
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Die
Anwendung metallischer Additive auf flüssige Kohlenwasserstoffkraftstoffe
für Verbrennungsmotoren
verlangt, daß ein
geeignetes Präparat des
Metall enthaltenden Additivs oder der Additive entworfen wird, um
eine vollständige
Dispersion in dem Körper
des Kraftstoffs sicherzustellen. Dies kann man auf eine Vielzahl
von Arten realisieren, von denen eine darin besteht, eine kolloidale
Suspension einer metallhaltigen Verbindung in dem Kraftstoff zu erzeugen.
Es ist bekannt, daß Ceroxid
in einer kolloidalen Suspension zum Einspritzen in Dieselkraftstoff eingearbeitet
werden kann. Salvat et al beschreiben ein kommerzielles System für die Verwendung
bei der Produktion von Personenkraftwagen in ihrer Druckschrift
SAE 2000-01-0473.
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Ein
alternatives und bevorzugtes Verfahren besteht darin, eine in dem
Kohlenwasserstoffkraftstoff lösliche
organo-metallische chemische Verbindung zu erzeugen. Dieses Verfahren
ist bevorzugt, denn das Kombinieren des gewünschten Metallions mit einem
geeigneten organischen Molekül,
welches in dem Kohlenwasserstoffdieselkraftstoff löslich ist, schafft
für das
gewünschte
Metall die Möglichkeit,
in molekularer Form in die Brennkammer eingeführt zu werden. Von PSA Peugeot
Citroen in Frankreich hergestellte Fahrzeuge beruhen jedoch auf
der Verwendung von Ceroxid in einer kolloidalen Suspension, welches
in den Kraftstoff eingespritzt wird, um den Verbrennungsprozeß von in
dem DPF abgeschiedenem Ruß zu
fördern.
Dieses Verfahren ist eindeutig zufriedenstellend, wenn nicht ideal.
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Andere
metallhaltige Additive, entweder von einem einzigen Metall oder
unter Verwendung einer Kombination eines oder mehrerer Metalle sind
dem Fachmann bei der Verringerung der Verbrennungstemperatur des
abgeschiedenen Rußes
wirksam bekannt. Diese Metalle schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf:
Eisen, Eisen und Strontium, Eisen und Kalzium, Eisen und Cer, Natrium
und Strontium, Cer und Platin, Kupfer, Mangan.
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Es
ist klar, daß ein
Verfahren zum Einführen einer
ausgewählten
metallischen Art in die Brennkammer erforderlich ist, welches dazu
führt,
daß das gewünschte Metall
mit dem während
des Verbrennungsprozesses gebildeten Ruß kombiniert wird. Eine sehr
fein verteilte und gleichmäßige Dispersion katalytischer
Metallarten, die für
die Aufgabe des Katalysierens des Ausbrennens des Rußes in dem
DPF ideal geeignet ist, ist wünschenswert.
Entweder eine kraftstofflösliche
oder kolloidale Form der gewünschten
metallischen Sorte ist als Mittel zum Einführen der Metallart in den Kraftstoff
von großem
Nutzen.
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Fabrikmäßig eingebaute
Dosiersysteme
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Moderne
Pkws, wie sie dem Fachmann bekannt sind, sind mit elektronischen
Steuersystemen ausgestattet, die einen Mikroprozessor aufweisen. Diese
Vorrichtung überwacht
und handhabt Eingangssignale aus verschiedenen Instrumentalwandlern,
einschließlich
einer Steuereinheit, die im allgemeinen ein Motorführungssystem
genannt wird. Salvat et al beschreiben in SAE 2000-01-0473, wie
eine solche Vorrichtung verwendet werden kann, um den Regenerierungs-
bzw. Erneuerungsvorgang zu steuern oder zustande zu bringen, welcher
die Verbrennung des in einem DPF abgeschiedenen Rußes ist.
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Wo
ein DPF in einem Fahrzeug eingebaut ist, das von einem Dieselmotor
mit Common Rail Injection (Speichereinspritzung) angetrieben wird,
ist die Gelegenheit für
eine aktive Steuerung des DPF vorgesehen. Es ist deshalb nicht notwendig,
zu warten, bis es die erforderlichen Temperatur- und Druckbedingungen
gibt, die normalerweise für
eine passive Rußverbrennung
erforderlich sind. Das Rußausbrennen
mit einem gesteuerten System kann mittels einer Technik erzeugt
werden, die Post Fuel Injection (Posteinspritzung von Kraftstoff)
genannt wird, wie in SAE 2000-02-0473 beschrieben ist.
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Überschüssiger Kraftstoff
wird aus der Common Rail, die tatsächlich ein druckhydraulischer
Behälter,
welcher Dieselkraftstoff enthält,
ist, sehr spät in
dem Verbrennungsprozeß eingespritzt.
Der zusätzliche
Kraftstoff erhöht
die Temperatur des Abgases und damit des DPF und veranlaßt jeglichen
angesammelten Ruß zum
Ausbrennen, wodurch der DPF regeneriert oder gereinigt wird. In
derselben Druckschrift wird ein Dosiersystem für Additive beschrieben. Das
System stellt sicher, daß ein
Kraftstoffadditiv, welches zur Unterstützung des Erneuerungsprozesses
benötigt
wird, dem Kraftstoff zugegeben wird.
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Das
Gesamtsteuersystem, welches in 9 von Salvat
et al in der Druckschrift SAE Nummer 2000-01-0473 beschrieben wird,
zeigt eine Anzahl von Elementen in dem Dosiersystem, die notwendig sind,
um sicherzustellen, daß das
Additiv den Kraftstofftank in dem erforderlichen Verhältnis von
Additiv zu Kraftstoff erreicht. Diese Elemente weisen auf (i) ein
Tankpegelmeßgerät zum Abfühlen des
Tankinhalts und damit geeignet für
das Erfassen jeder Zugabe von Kraftstoff zu dem Tank („Nachtankvorgang"), (ii) einen Additivbehälter, (iii)
eine Pumpe innerhalb des Additivbehälters, (iv) eine Einspritzvorrichtung
mit der Fähigkeit,
das organo-metallische Additiv in den Kraftstoff in dem Tank zuzugeben,
und (v) eine elektronische Steuereinrichtung, die auf das Signal
des Hauptkraftstofftanks arbeitet und die Zugabe von Additiv in
den Kraftstoff überwacht,
um die korrekte Dosierrate sicherzustellen. Diese Elemente sind
in einem Diagramm in 1 unten gezeigt.
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Das
Verfeinerungsniveau des beschriebenen Systems hängt teilweise von den Eigenschaften von
Dieseleinspritzpumpen für
leichte Nutzfahrzeuge ab. Wie dem Fachmann bekannt ist, pumpen diese Vorrichtungen
Kraftstoff mit einer viel größeren Geschwindigkeit
als erforderlich ist, um den Kraftstoff nur dem Motor zuzuführen. Unter
allen Betriebsbedingungen wird ein erheblicher Überschuß an gepumptem Kraftstoff von
der Pumpe zur Verfügung
gestellt. Der Motor verbraucht somit den Anteil, der notwendig ist,
um die Leistung zu schaffen, die von dem Fahrer oder Betreiber des
Fahrzeuges oder Motors gefordert wird, während der überschüssige Kraftstoff in einer „Rücklaufleitung" zu dem Kraftstofftank
zurückfließt.
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Die
Anordnung, bei welcher ein merklicher Überschuß an Kraftstoff über dem
Bedarf dessen, was der Motor für
seine Leistung benötigt,
gepumpt wird, leitet sich zum Teil von der Notwendigkeit ab, die
Einspritzpumpe selbst zu kühlen
und zu schmieren. Die Konsequenz dessen besteht darin, daß in dem
Fall des Systems, welches in der SAE 2000-01-0473 beschrieben wird,
sich ein erheblicher Aufwand ergibt, um nach dem Nachfüllvorgang
Kraftstoff mit der präzisen
Menge an Additiv zu dosieren, die für den Inhalt des Tanks erforderlich
ist. Nachdem der Kraftstoff auf das erforderliche Niveau dosiert wurde,
schaltet die Steuereinrichtung für
das Dosiersystem ab, um bis zu dem nächsten Nachfüllvorgang jede
weitere Zugabe zu dem Kraftstoff zu verhindern.
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Das
präzise
Erfassen eines Nachfüllvorganges
ist auch nicht eine triviale Aufgabe wegen der Anzahl der unterschiedlichen
Betriebsbedingungen und physikalischen Situationen, die bei einem
Fahrzeug angetroffen werden können,
welches mit einem DPF und Dosiersystem ausgestattet ist. Wenn zum
Beispiel ein solches Fahrzeug statt in einer horizontalen Ebene
betrieben zu werden, entweder von vorn nach hinten oder von der
Seite zur Seite oder beides schräg
geneigt ist, ändert
der Kraftstoff innerhalb dem Kraftstoffspeichertank seine relative
Position in dem Tank. Eine Pegelanzeigevorrichtung in dem Tank kann
diese Veränderung
als einen Nachfüllvorgang
interpretieren. In ähnlicher
Weise können
die dynamischen Effekte der Fahrzeugbewegung, entweder Beschleunigen,
Bremsen oder Kurvenfahren dazu führen,
daß die
Tankpegelanzeigevorrichtung anspricht, als wenn das Fahrzeug nachgetankt
wurde, was zu einer falschen Zugabe von Additiv zum Kraftstoff führt. Würde dies
passieren, dann könnte eine
merkliche Überbehandlung
mit Additiv für
die DPF-Erneuerung in dem Kraftstoff die Folge sein. Damit dies
nicht passiert, sind zusätzliche
Sperren und Sicherheiten notwendig. Dies führt zu zusätzlichem Aufwand und Kosten.
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Für neue Fahrzeuge
mit neuartiger Entwicklung ist das Vorsehen eines Dosiersystems
für DPF Additiv,
welches vollständig
in das Fahrzeugführungssystem
integriert ist, wenn nicht ein triviales Unterfangen, doch machbar
und ganz praktikabel, wenn es als Teil der Gesamtentwicklung und
des Herstellungsprozesses realisiert wird. Die Hauptnachteile des
Einbaus eines solchen Systems ergeben sich hauptsächlich aus
Kosten- und Aufwandsbetrachtungen, die ihrerseits für eine Langzeitzuverlässigkeit Auswirkungen
haben können.
EP 1 158 148 A2 veranschaulicht
den Aufwand einer Logik, wie sie erforderlich ist, um sicherzustellen,
daß ein
Additiv nur nach einem Nachfüllvorgang
in den Kraftstoff dosiert wird, wo die Dosiereinheit einen Teil
eines gesamten elektronisch gesteuerten Systems bildet.
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Nachrüstbare Dosiersysteme
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Für ältere Fahrzeuge,
von denen es weltweit viele Millionen gibt, ist die Verwendung eines
DPF durchaus als wirksames Mittel machbar, die Partikelemissionen
zu reduzieren. Veröffentlichungen,
welche den Erfolg bei der Verringerung von Partikelemissionen dokumentierten,
welche durch den Eingang eines DPF in ein älteres Fahrzeug („Nachrüsten") erreicht wird,
sind sehr zahlreich, aber als Beispiele dient die SAE Druckschrift
mit den Nummern 2000-01-0474 und 2000-01-2849 der Demonstration der
Machbarkeit des Nachrüstens
von DPFs bei älteren
Fahrzeugen.
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SAE
2000-01-0474 beschreibt den Betrieb einer Vielzahl von Fahrzeugen,
sowohl leichter als auch schwerer Nutzfahrzeuge, mit nachgerüsteten DPF-Systemen.
SAE 2000-01-2849 beschreibt den Betrieb eines Fahrzeuges, welches
80 000 km ohne einen DPF zurücklegte,
für weitere
80 000 km mit einem DPF ausgestattet war. Eine unabhängige Bestätigung der
Machbarkeit des Nachrüstens
von Gebrauchtwagen mit einem DPF wird durch eine Druckschrift zur
Verfügung
gestellt, die auf der Internationalen Konferenz der 21. Century
Emissions Technology präsentiert
wurde. Diese Konferenz wurde von der Institution of Mechanical Engineers
organisiert und in London im Dezember 2000 abgehalten.
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Die
Druckschrift Nummer C588/021/2000 zeigt Emissionsreduktionsvorteile
bei mit DPFs nachgerüsteten
Fahrzeugen. Diese Vorteile waren vergleichbar mit denen, die man
bei einem neuen Fahrzeug erhielt, welches mit einem DPF als Originalausrüstung ausgestattet
war und sein eigenes Dosiersystem der Art hatte, die in der PSA
Peugeot Citroen Druckschrift SAE 2000-01-0473 beschrieben wurde.
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Alle
die mit DPFs nachgerüsteten
Fahrzeuge, die in den SAE Druckschriften 2000-01-0474 und 2000-01-2849
und der I. Mech E-Druckschrift C588/021/2000 beschrieben sind, arbeiteten
unter Verwendung von vorbehandeltem Kraftstoff. Der Kraftstoff für die Fahrzeuge
war vor einem Nachfüllen mit
Additiv dosiert, um die Notwendigkeit zu eliminieren, ein Dosiersystem
in das Fahrzeug einzubauen. Im Handel erhältliche Dosiersysteme für Additiv
sind bei Fahrzeugen in Benutzung, die mit DPFs nachgerüstet sind,
und diese beruhen im allgemeinen auf einem Pegelmeßgerät zur Erfassung
des Nachfüllvorgangs.
Dies beinhaltet die Erzeugung eines elektrischen Signals, welches
seinerseits benutzt wird, um die Einspritzung des Additivs in den
Kraftstoff mittels einer elektrisch betätigten Vorrichtung zu realisieren.
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Dosiersysteme,
die ein elektrisches Signal verwenden, und eine oder mehrere elektrische
Vorrichtungen, um die erforderliche Dosis an Additiv in den Kraftstoff
zu führen,
verwenden häufig
einen Mikroprozessor, um die erforderliche Dosis an Additiv zu berechnen,
die nach dem Nachfüllvorgang
benötigt
wird. Diese Lösung
führt deshalb
zu einer ähnlichen
Höhe an
Komplexität
für das
Gesamtdosiersystem und erfordert ähnliche elektrische Schnittstellen und
Steuereinheiten zum Nachrüsten
wie für
Originaleinbauten von Ausrüstungen.
Eine Schlüsselforderung
für Dosiersysteme,
die auf das Erfassen eines Nachfüllvorgangs
als Basis für
das Dosieren eines Additivs in den Kraftstoff beruhen, ist die Schaffung
von Sperren und Sicherheiten, um sicherzustellen, daß tatsächlich ein
Nachfüllen
erfolgte, wie oben bei den fabrikmäßig eingebauten Geräten beschrieben
wurde. Läßt man diese
außer
Acht, dann riskiert man, daß es
ein falsches Mehrfachdosieren von Additiv in den Kraftstoff gibt,
wenn kein Nachfüllen
erfolgte, was nicht nur gespeichertes Kraftstoffadditiv sehr schnell
entleeren würde,
sondern auch die Aschenbelastung in dem DPF durch den übermäßigen Metallgehalt
des behandelten Kraftstoffs erhöhen
würde.
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Es
ist möglich,
mit dem oben beschriebenen Aufwand bezüglich Dosiersystemen für Additive
fertig zu werden.
DE
43 32 933 C2 beschreibt die Verwendung einer Vorrichtung,
welche in die Kraftstoffleitung eines Fahrzeuges eingebaut ist,
das mit einem Dieselmotor ausgestattet ist, wodurch ein DPF Additiv
im Verhältnis
zum Kraftstoffstrom dosiert wird. Ein Diagramm des Arbeitsprinzips,
welches aus der
DE
43 32 933 C2 genommen ist, ist in
2 dargestellt.
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Diese
Art von Vorrichtung, wie sie in 2 illustriert
ist, stützt
sich auf eine besondere Eigenschaft des Additivs, dessen eingetragener
Name „SATAcen®" ist, nämlich die
Fähigkeit,
zu kraftstofflöslichen
Pellets gepreßt
und gesintert zu werden. Die Pellets sind in dem mit 1 bezeichneten
Gefäß in der
Zeichnung enthalten, wobei dieses eine Öffnung an der mit 3 bezeichneten
Stelle in der Zeichnung für Kraftstoffkontakt
hat. Die Pellets lösen
sich im Verhältnis
zu der Kontaktfläche
mit dem Kraftstoff entsprechend dem Teil 4 in der Zeichnung,
um den Behälter
zu berühren,
in welchem die Additiv-Pellets gespeichert sind. Somit wird der
ganze mit dem Additivbehälter
in Kontakt befindliche Kraftstoff mit Additiv dosiert, wenn sich
die Pellets langsam auflösen. Nicht
alle Additive, die in Kraftstoff dosiert werden sollen, sind in
fester Form erhältlich,
so daß diese
Art Vorrichtung in ihrer Anwendung beschränkt ist.
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Für ein lösliches
Additiv in flüssiger
Form gibt es auch Vorrichtungen, welche Additiv in den Kraftstoff
im Verhältnis
zur Kraftstoffströmung
in einer Leitung oder durch eine Kammer dosieren. Das allgemeine
Prinzip dieser Vorrichtungen ist in der Industrie bekannt. Ein Vergaser
für einen
benzingetriebenen Motor beruht auf dem Prinzip des Flusses durch
eine Venturidüse
oder eine Öffnung,
wobei die Strömung eines
anderen Fluids mitgerissen wird, um die zwei Fluide zu vermischen.
Im Fall des Vergasers ist das Hauptfluid, welches durch die Venturidüse oder Öffnung strömt, Luft,
und das zweite, mit der Luft zu vermischende Fluid ist der Kraftstoff,
der häufig
als Benzin bezeichnet wird.
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Das
Mitreißen
oder Einkuppeln in die Strömung
kann bei anderen Fluiden als Mischverfahren angewendet werden, und
dieses Prinzip ist dem Fachmann bekannt. Ein Strömungsejektor ist ein Beispiel
einer Vorrichtung, die zum Vermischen eines Haupt- und eines Nebenbestandteils
verwendet wird, wobei sich beide Fluide in der flüssigen Phase
befinden. Bei sorgfältiger
Gestaltung erzeugt das erste Fluid, welches am Ende des offenen
Ejektorrohres vorbeiströmt,
eine leichte Druckverringerung, durch welche die Strömung einer
zweiten Flüssigkeit
proportional zur Strömungsgeschwindigkeit
in der ersten eingeführt
wird. Auf diese Weise können
eine proportionierte Strömung
und ein proportioniertes Vermischen mit einer einfachen mechanischen
Vorrichtung erreicht werden.
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Eine
elektromechanische Vorrichtung kann auch in einfacher Weise angeordnet
sein, wie es dem Fachmann bekannt ist, wobei ein elektrisches Solenoid
veranlaßt
wird, durch einen elektrischen Strom bewegt zu werden, und dabei
ein Vermischen eines Fluidstromes mit einem anderen verursacht wird. Vorzugsweise
bewegt sich ein Solenoid unter dem Einfluß eines elektrischen Stromes,
um eine genaue Menge eines Fluids in einem Puls oder einem Strahl in
den anderen zu injizieren. Für
diese Anwendung wird das Additiv, welches in den Kraftstoff zugegeben werden
soll, durch die Solenoid-Vorrichtung beaufschlagt, und der Impuls
bzw. die Schwingung oder der Strahl des Additivs, welches die Solenoid-Vorrichtung
verläßt, wird
zu dem zweiten Fluid gefördert, in
diesem Fall Dieselkraftstoff, und zwar mittels einer geeigneten
Verbindungsanordnung. Die Solenoid-Vorrichtung kann angeordnet sein,
um in einer Reihe von Impulsen bzw. Schwingungen mit einer Frequenz
zu arbeiten, die von einem eine Wellenform oder ein Signal erzeugenden
elektrischen Strom gesteuert wird. Auf diese weise kann die Strömung des Additivs
in den Kraftstoff auf der Basis des Kraftstoffs gesteuert werden,
welcher durch die Dosiervorrichtung hindurchströmt.
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Die
beschriebenen Verfahren demonstrieren das Prinzip des mechanischen
oder elektromechanischen Vermischens einer Haupt- und einer Nebenkomponente,
wobei eine oder vorzugsweise beide in der flüssigen Phase sind.
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Ältere benzingetriebene
Fahrzeuge verbrauchen fast universell den gesamten durch die Kraftstoffmeßvorrichtung
hindurchgehenden Kraftstoff („Einweg"), im allgemeinen
ein Vergaser. Es gibt deshalb keine Rückströmung unverbrannten Kraftstoffs zu
dem Kraftstofftank, anders als in dem Fall vieler moderner Benzinmotoren
und aller Dieselmotoranordnungen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft Abhilfe für die Probleme des Standes
der Technik.
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Nach
einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Dosieren eines Kraftstoffes mit einem Kraftstoffadditiv, welches
aufweist (i) Hindurchlassen des Kraftstoffes aus einem Kraftstoffbehälter durch
eine Dosiervorrichtung, (ii) Dosieren des Kraftstoffes mit Additiv
in einer Menge, die auf demjenigen Kraftstoff beruht, welcher durch
die Dosiervorrichtung hindurchgeht, und unabhängig von der Konzentration
des Additivs in dem Kraftstoff, (iii) Zurückführen eines Teils („der zurückgeführte Teil") des Kraftstoffes
zu dem Behälter.
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Die
zu dem Kraftstoff dosierte Additivmenge wird auf der Grundlage desjenigen
Kraftstoffs bestimmt, welcher durch die Dosiervorrichtung hindurchgeht,
und unabhängig
von der Konzentration des Additivs in dem Kraftstoff. Es sei bemerkt,
daß die
zu dosierende Additivmenge nicht auf der Basis der Konzentration
des Additivs in dem Kraftstoff gesteuert wird. Wenn das Dosieren
als Ergebnis einer hohen Konzentration an Additiv in dem Kraftstoff
reduziert oder verhindert wird, wird jedoch mit anderen Worten ein
weiteres Dosieren infolge der „Sättigung" des Kraftstoffs
mit dem Additiv verhindert, und dies ist von dem Gültigkeitsumfang
der vorliegenden Erfindung nicht ausgeschlossen.
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Nach
einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor
und ein Abgassystem zur Verfügung
mit einem Kraftstoffspeicherbehälter,
der aufgebaut ist, um Kraftstoff im Betrieb von dem Behälter über eine
Dosiervorrichtung für
Additiv zu einer Verbrennungskammer hindurchzulassen, wobei im Betrieb
erzeugte Verbrennungsgase durch ein Abgassystem hindurchgehen, welches
einen Filter aufweist, wobei die Dosiervorrichtung aufgebaut ist,
um den Kraftstoff mit einem Additiv in einer Menge zu dosieren,
welche auf demjenigen Kraftstoff beruht, welcher durch die Dosiervorrichtung
hindurchgeht, und unabhängig
von der Konzentration des Additivs in dem Kraftstoff, und um einen
Teil („der
zurückgeführte Teil") des Kraftstoffs
zu dem Behälter zurückzuführen.
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Weitere
Aspekte der Erfindung sind in den anliegenden Ansprüchen definiert.
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Früher glaubte
man, daß die
Anwendung des einfachen Dosiersystems, bei welchem Additiv in einer
Menge dosiert wird, die auf demjenigen Kraftstoff beruht, welcher
durch die Dosiervorrichtung hindurchgeht (unabhängig von der Konzentration
des Additivs in dem Kraftstoff) bei Dieselmotoren und verbesserten
Benzinmotoren, bei welchen ein Teil des Kraftstoffes zu dem Kraftstofftank
zurückgeführt wird, machbar
ist. Das Rückführen von
Kraftstoff bringt einige Abweichung in das Verhältnis von Additiv zu Kraftstoff,
was es bei „Einwege"-Anwendungen nicht gibt.
Die Rückführung gibt
auch die Gewißheit,
daß Kraftstoff
Mehrfachdosen an Additiv aufnimmt, denn der Kraftstoff wird jedesmal
dosiert, wenn er durch die Dosiervorrichtung hindurchgeht. Wir haben
jedoch überraschenderweise
gefunden, daß es
einige Schlüsselfaktoren
gibt, welche die Benutzung einer einfachen Dosiervorrichtung in
solchen Kraftstoffdosier- und -rückführsystemen
erlauben, die in typischer Weise bei einem mit einem DPF ausgestatteten
Fahrzeug verwendet werden.
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Wir
haben gefunden, daß die
kleine Änderung
bei dem Verhältnis
Additiv zu Kraftstoff und bei DPF-Anwendungen Änderungen des Verhältnisses Katalysator
zu Ruß,
welches sich aus Veränderungen
im Verhältnis
des Rückflusses
ergibt, durch die Änderungen
des Verhältnisses
Additiv zu Kraftstoff übertönt wird,
die sich aus dem fallenden Kraftstoffpegel in dem Fahrzeugtank ergeben.
Unmittelbar nach dem Nachfüllen
ist die Konzentration des Additivs in dem Kraftstoff sehr niedrig.
Dies ergibt sich aus der Einstellung der Dosiervorrichtung, auf
einem Niveau kleiner als das erforderliche mittlere Dosisniveau
(in typischer Weise 10–15%
des erforderlichen Mitteldosierniveaus) zu dosieren. Sobald der
Tankpegel fällt,
erhöht
das wiederholte Dosieren des Kraftstoffes die Additivkonzentration
allmählich.
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Wenn
der Tank nahezu leer ist, hat das Additivniveau im Kraftstoff sehr
hohe Niveaus erreicht (in typischer Weise 50–100 mal die anfänglichen
Dosierniveaus) relativ zu demjenigen Fall, bei welchem der Tank
voll ist. 3 zeigt das Bild der Additivkonzentration,
die sich aus der Verwendung der vorliegenden Dosiervorrichtung in
einer Kraftstoffanlage mit einem hohen Rückfluß ergibt. Die anfängliche
Kraftstoffzufuhr nach einem Nachfüllvorgang hat einen niedrigen
aktiven Additivgehalt (ppm metal), sobald aber Kraftstoff verbraucht
wird, steigt der aktive Gehalt exponentiell, bis der aktive Gehalt
unmittelbar vor dem Nachfüllen
sehr hoch ist.
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Man
glaubte, daß die
praktischen Wirkungen dieses Dosierbildes nachteilig sind, da die
Behandlungsrate mit Additiv für
die Art an System, welches in 9 der Druckschrift
SAE 2000-01-0473 beschrieben und in 1 gezeigt
ist, nicht konstant ist. In vielen Systemen haben wir dies jedoch
als vorteilhaft erachtet. Zum Beispiel in DPF-Systemen, obwohl Ruß aus dem
Motor, der sich in dem DPF ansammelt, anfänglich ein geringes Katalysatorniveau hat,
d. h. ein niedriges Verhältnis
Katalysator zu Ruß hat,
hat danach festgelegter Ruß ein
allmählich
höheres
und höheres
Verhältnis
Kata lysator zu Ruß.
Jedoch ist über
dem Inhalt eines vollständigen
Kraftstofftanks das mittlere Verhältnis Katalysator zu Ruß dasselbe,
welches man durch ein komplexes Dosiersystem erhalten würde, zum
Beispiel dasjenige, welches bei einer mittleren Kraftstoffbehandlungsrate mit
einem 20 ppm Katalysator zur Verfügung gestellt hat.
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Während des
Verbrauchs des relativ kleinen Kraftstoffvolumens, wenn der Tank
nahezu leer ist, unmittelbar vor dem Nachfüllen, werden sehr hohe aktive
Dosisraten realisiert. Weit entfernt von nachteilig kann dies merkliche
Vorteile haben im Hinblick auf die Beschaffung eines Regenerierungsvorgangs,
insbesondere im Fall des Stadtverkehrs. Weil die mittlere Additivdosisrate über die
Zeit wie gewünscht bleibt,
oder doch nahezu so, unterscheidet sich zum Beispiel eine aktive
Behandlungsrate von 20 ppm Metall-Aschenansammlung in dem DPF nicht
merklich von der, die man bei einem komplexen Dosiersystem erhält.
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Über relativ
kurze Zeiten bei niedrigen Kraftstoffpegeln erzeugt die einfache
Dosiervorrichtung Ruß im
DPF, welcher ein Mehrfaches des mittleren Gesamtverhältnisses
Katalysator zu Ruß enthält, und
hierdurch wird die katalytische Aktivität des FBC erhöht. Es ist
deshalb wahrscheinlicher, daß ein
Regenerierungsvorgang zu einem schwierigen Szenario führt, d.
h. das des Stadtbetriebs, wo es bekannt ist, daß niedrige Abgastemperaturen
ein Ausbrennen des Rußes
schwierig erreichen lassen. Somit hat die Dosiervorrichtung einen
erheblichen Betriebsvorteil gegenüber dem kostspieligeren, komplexen
Chargendosiersystem der Art, bei welcher ein elektronisches Verwaltungssystem
verwendet wird.
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Die
Regenerierungsleistung eines DPF mit Verwendung des Systems der
vorliegenden Erfindung zieht wahrscheinlich Nutzen aus den Eigenschaften
der Dosiervorrichtung der Erfindung. Der scheinbare Nachteil der
veränderlichen
Additivkonzentration im Kraftstoff, wenn sich der Kraftstofftankpegel ändert, kann
für den
Betrieb tatsächlich
vorteilhaft werden angesichts der Merkmale der Rußspeicherung
in dem DPF, gefolgt von periodischer Verbrennung oder Regenerierung,
welches für
die Verwendung eines kraftstoffgetragenen Katalysators (fuel borne
catalyst; FBC) charakteristisch ist.
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Wir
haben auch gefunden, daß entgegen
der Lehre des Standes der Technik Veränderungen der Kraftstoffadditivkonzentration
in einem Kraftstoff, welcher unter Benutzung des erfindungsgemäßen Systems
dosiert wurde, eine relevante Benutzungszeit lang die mittlere Kraftstoffadditivkonzentration nicht
wesentlich beeinträchtigten.
Nimmt man zum Beispiel die Verwendung, einen DPF-Regenerierungskatalysator zu dosieren,
so muß der
bei Fahrzeugen eingebaute DPF mit Verwendung von Kraftstoffadditiv,
um die Regenerierung zu unterstützen, als
eine Vorrichtung mit Chargenprozeß angesehen werden. Das kontinuierlich
regenerierende Filtersystem (CRT) nach Johnson Matthey beruht auf
dem Stickstoffdioxid des Gasphasenkatalysators, um Rußpartikel
in dem DPF zu oxidieren, und es gibt im normalen Betrieb im wesentlichen
keine Rußansammlung
in dem DPF. Die kraftstoffgetragenen Katalysatoren (fuel borne catalysts;
FBC) arbeiten jedoch durch innige Vereinigung in dem Vertrennungsruß, der sich
in dem DPF ansammelt, bis Temperatur- oder Druckbedingungen das
Ausbrennen von Ruß anregen.
Dies wurde sowohl bei Versuchen mit Fahrzeugen als auch mit Prüfstandsmotoren
demonstriert. Die Druckschrift SAE 982654 demonstriert den klassischen
Anstieg und Abfall an Abgassystemdruck, wenn Ruß sich zuerst ansammelt und
dann ausbrennt, und zwar in Versuchen mit DPF des Prüfstandsmotors,
während
die Druckschrift SAE 2000-01-2849
denselben Prozeß in
einem Fahrzeugversuch zeigt, bei welchem ein DPF eingebaut war. Dies
ist in 4 bzw. 5 gezeigt.
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Weil
sich Ruß in
typischer Weise bei einem normalen 200 – 500 km Fahrzeugbetrieb ansammelt, sind
kleine Veränderungen
des Verhältnisses
von Additiv zu Kraftstoff nicht bedeutend, vorausgesetzt, daß das Gesamtverhältnis („Verhältnis Metall
zu Ruß") von Katalysator
zu Ruß aufrechterhalten
wird. Obwohl also zu jeder Zeit während der Rußansammlungsphase
das Verhältnis
Metall zu Ruß in
einem vernünftig
schmalen Bereich wegen der Veränderung des
Verhältnisses
des Rückflusses
variiert, sind diese Veränderungen über den
Zeitraum zum Zurücklegen
von 200–500
km nicht bedeutend.
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Man
hat auch überraschend
gefunden, daß obwohl
die Zugabe von Additiv durch die einfache Dosiervorrichtung auf
dem Kraftstoff beruht, welcher durch die Dosiervorrichtung hindurchgeht,
es nicht wesentlich ist, ein eingebautes Strömungsmeßgerät zu verwenden, um den Kraftstofffluß zu messen.
Obwohl die Verwendung eines Kraftstoffströmungsmessers die Information
beschafft, die man verwenden kann, um die Additivmenge für das Dosieren
in den Kraftstoff, welcher durch die Dosiervorrichtung fließt, zu verändern, hat
man überraschenderweise
gefunden, daß das
Strömungsmeßgerät weggelassen
werden kann, während
doch eine ausreichende Regenerierung des DPF ermöglicht war.
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Bei
praktischen Dieselmotor-Kraftstoffsystemen ist der Kraftstoff, welcher
von der Haupteinspritzpumpe gepumpt wird, nicht eine lineare Funktion
der Motordrehzahl, weil sich die volumetrische Leistung mit der
Drehzahl ändert.
Das pro Hub bei niedriger Drehzahl gepumpte Volumen ist größer als das
pro Hub bei hoher Drehzahl gepumpte Volumen. Somit ist als nicht
begrenzendes Beispiel über
einen Motordrehzahlbereich von 1000 Umdrehungen/Minuten bis 4000
Umdrehungen/Minute der Kraftstofffluß bei 1000 Umdrehungen/Minute
erheblich größer als ein
Viertel des Flusses bei 4000 Umdrehungen/Minute. Angesichts der
Tatsache, daß der
DPF als Mittelungsvorrichtung im Hinblick auf das Verhältnis Metall zu
Ruß arbeitet,
ist es durch die Ansammlung von vorbehandeltem Ruß möglich, Dosierniveaus
von Additiv bei einem mittleren Wert zwischen den ideal erforderlichen
für maximale
und für
minimale Kraftstoffflüsse
zum Motor festzulegen. Die schon beschriebene Nichtlinearität des Kraftstoffflusses
macht diesen Prozeß leichter
und ermöglicht
das Weglassen des Kraftstoffströmungsmessers
in der einfachen Dosiervorrichtung. Die Eigenschaften der Rückströmungsanordnungen
zum Tank haben auch die Wirkung der Förderung einer verhältnismäßig höhe ren Additivdosisrate
bei niedrigen Motordrehzahlen als bei hohen Motordrehzahlen, da
mehr des gesamten Kraftstoffes, der von der Motoreinspritzpumpe
gepumpt wird, bei niedrigen Motordrehzahlen zurückströmt als bei hohen Motordrehzahlen.
Die praktischen Konsequenzen hiervon bestehen darin, daß für einen
aufrechterhaltenen Hochgeschwindigkeitsbetrieb die Additivkonzentration
in dem Kraftstoff und mithin des Verhältnisses Metall zu Ruß zur Abnahme auf
niedrige Niveaus über
die Zeit neigen, während für einen
aufrechterhaltenen Stadtbetrieb die Additivkonzentration im Kraftstoff
und das Verhältnis
Metall zu Ruß zum
Anstieg über
der Zeit tendieren.
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Der
Betrieb der einfachen Dosiervorrichtung bei einer festen Behandlungsrate
hat die Wirkung, als Ergebnis der Fahrzeugbenutzung die Änderung
der Abgastemperatur zu kompensieren. Beim Stadtbetrieb mit niedriger
Drehzahl ergeben sich allgemein niedrige Abgastemperaturen, aber
die Dosierniveaus für
Additive nehmen über
der Zeit zu und fördern
somit die DPF-Regenerierung. Bei hoher Drehzahl ergeben sich viel
höhere
Abgastemperaturen, aber die Dosierniveaus für Additiv verringern sich über die Zeit.
Dem Fachmann ist jedoch bekannt, daß die gehaltene hohe Geschwindigkeit
bzw. Drehzahl viel günstigere
Bedingungen für
die DPF-Regenerierung erzeugt, bei welcher eine niedrigere Additivdosisrate und
mithin ein geringeres Verhältnis
Metall zu Ruß nicht
ein Nachteil ist. Wenn es ein sehr gemischtes Muster des Fahrzeugbetriebs
gibt, beeinträchtigt
die Verwendung einer festen Additivdosisrate nicht wesentlich das
Durchschnittsverhältnis
von Metall zu Ruß in
dem DPF.
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Bevorzugte
Aspekte
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Kraftstoff
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Vorzugsweise
ist der Kraftstoff Dieselkraftstoff.
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Additiv
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Vorzugsweise
ist das Kraftstoffadditiv in der Lage, die Regenererung eines Dieselpartikelfilters
zu katalysieren.
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Vorzugsweise
ist das Kraftstoffadditiv ein Metall oder weist ein Metall auf.
Vorzugsweise ist das Metall ausgewählt aus Eisen, Strontium, Kalzium, Cer,
Natrium, Platin, Kupfer, Mangan und Mischungen derselben. Bevorzugter
ist das Metall Eisen.
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Vorzugsweise
ist das Kraftstoffadditiv in dem Kraftstoff löslich. Die Verwendung einer
kraftstofflöslichen
Form des Additivs kann zusätzliche
Vorteile verleihen im Vergleich zu einer kolloidalen Suspension
des Additivs, wie zum Beispiel einer metallischen Verbindung, weil
eine niedrigere Behandlungsrate in dem Kraftstoff möglich ist.
Der Grund hierfür
besteht im Prinzip darin, daß die
Größe der kolloidalen
Partikel des aktiven Materials, welches in dem Kraftstoff suspendiert
ist, einige Größenordnungen
größer ist als
ein organo-metallisches Molekül.
Eine größere katalytische
Aktivität
ergibt sich aus der feiner verteilten Form der metallischen Art,
welche man durch die Verwendung eines kraftstofflöslichen
Additivs erreicht.
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Verfahren
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Bei
einem Aspekt wird das Additiv dem Kraftstoff im direkten Verhältnis zu
dem augenblicklichen Kraftstofffluß durch die Dosiervorrichtung
zugegeben.
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Bei
einem Aspekt wird das Additiv dem Kraftstoff, beruhend auf der Strömung desjenigen
Kraftstoffes zugegeben, welcher über
die Zeit gemittelt durch die Dosiervorrichtung hindurchgeht. Mit
anderen Worten wird das Additiv auf der Basis des durchschnittlichen
Kraftstoffflusses, welcher durch die Dosiervorrichtung hindurchgeht,
zugefügt.
Die Zeitdauer, über
welche ein Durchschnitt bestimmt werden kann, kann von dem Fachmann
bestimmt werden. Typische Zeiträume, über welchen
die Mittelung erfolgen kann, sind 1 Minute, 1 Stunde, 10 Stunden, 100
Stunden, 1000 Stunden und 10 000 Stunden.
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Vorzugsweise
gelangt der Anteil des Kraftstoffes, der nicht zu dem Behälter zurückgeführt wird, zu
der Brennkammer. Bevorzugt ist der zu dem Behälter zurückgeführte Anteil an Kraftstoff mindestens 80%
desjenigen Kraftstoffes, welcher durch die Dosiervorrichtung geht.
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Es
versteht sich, daß es
notwendig ist, den Anteil der Additivdosis zu reduzieren, der zu
demjenigen Kraftstoff ausgeteilt wird, welcher durch die Dosiervorrichtung
geht, um das Mehrfachdosieren zu begründen, welches unvermeidlich
auftritt. Dieser Aspekt ist vorteilhaft, denn es ist möglich, Additiv
in den Kraftstoff entweder vor der Zuführung zu einer Brennkammer
oder auf einem Rücklaufweg
zu dem Kraftstoffbehälter
zu dosieren und doch ein tolerierbares genaues Verhältnis von
Additiv zu Kraftstoff zu erhalten.
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Vorzugsweise
beträgt
die Dosisrate des Additivs von 5 bis 25% der gewünschten mittleren Behandlungsrate
mit Additiv. Bevorzugter beträgt
die Dosisrate für
Additiv von 10 bis 15% der gewünschten
mittleren Behandlungsrate mit Additiv.
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Die
Dosiervorrichtung kann irgendwo längs des Weges des Kraftstoffes
von dem Kraftstoffbehälter
bis zu seiner Rückführung zum
Behälter
angeordnet werden.
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Vorzugsweise
weist das Verfahren ferner das Hindurchgehen mindestens eines gewissen
zurückgeführten Teils
des Kraftstoffes durch die Dosiervorrichtung ein oder mehrere Male
und das Zurückführen eines
Teils desselben zu dem Behälter
auf.
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Dosiervorrichtung
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Bei
einem Aspekt weist die Dosiervorrichtung eine Anordnung eines Additivbehälters, der
ein festes, im Kraftstoff lösliches
Additiv enthält,
wie z. B. Pellets des SATAcen
®-organometallischen Additivs mit
Eisen mit einer Öffnung
in dem unteren Ende auf, mittels deren in einer Pipeline fließender Kraftstoff
mit dem Additiv in Berührung
gebracht wird. Die Anordnung ist in
2 gezeigt.
Dieses Mittel zum Lösen von
Additiv in den Kraftstoff ist in der
DE 43 32 933 C2 beschrieben.
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Bei
einem anderen Aspekt weist die Dosiervorrichtung einen Additivbehälter auf,
der ein flüssiges,
im Kraftstoff lösliches
Additiv enthält
und mit einer elektromechanischen Vorrichtung verbunden ist, welche
das Additiv mißt
und die Zugabe des Additivs in den Kraftstoff auf der Basis desjenigen
Kraftstoffs bewirkt, welcher durch die Vorrichtung fließt. Vorzugsweise
ist die elektromechanische Vorrichtung ein elektrisch angetriebenes
Solenoid, welches die Menge an Additiv steuert, welche in den Kraftstoff eingemischt
werden soll, und ihn veranlaßt,
sich zu dem gewünschten
Anteil mit dem durch die Vorrichtung fließenden Kraftstoff zu vermischen.
Vorzugsweise ist die Solenoid-Vorrichtung
angeordnet, um in einer Reihe von Schwingungen mit einer Frequenz zu
arbeiten, die von einer elektrischen Schaltung gesteuert wird, welche
eine Wellenform oder ein Signal erzeugt. Auf diese Weise wird die
Strömung
des Additivs in den Kraftstoff auf der Basis des durch die Vorrichtung
strömenden
Kraftstoffs gesteuert. Der Ausfluß aus der Solenoid-Vorrichtung
ist angeordnet, um sich mit dem Kraftstoff zu vermischen, welcher mittels
einer geeigneten Fluidverbindung dem Motor zugeführt wird.
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Bei
einem Aspekt weist die Dosiervorrichtung flüssiges Additiv auf, welches
in einem Additivbehälter
angeordnet ist, der sich in Fluidverbindung mit Kraftstoff befindet,
welcher durch die Dosiervorrichtung geht. Das flüssige Additiv kann in denjenigen Kraftstoff
durch eine elektromagnetische Vorrichtung dosiert werden, welcher
durch die Dosiervorrichtung hindurchgeht. Die elektromagnetische
Vorrichtung kann von einer elektrischen Schaltung gesteuert werden,
um das Additiv mit einer gesteuerten Frequenz zu dosieren. Die elektrische
Schaltung kann das Additiv mit einer gesteuerten Frequenz im Verhältnis zu der
Kraftstoffströmung
dosieren. Die elektrische Schaltung kann das Additiv mit einer gesteuerten Frequenz
bei einem festen Niveau unabhängig
von der Strömung
des Kraftstoffs dosieren. Bei einem Aspekt ist die elektromagnetische
Vorrichtung ein Solenoid.
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Bei
einem anderen Aspekt weist die Dosiervorrichtung ein in einem Additivbehälter abgelegtes in
dem Festbrennstoff lösliches
Additiv auf, wobei der Additivbehälter mit dem durch die Dosiervorrichtung hindurchgehenden
Kraftstoff in Fluidverbindung steht. Der durch die Dosiervorrichtung
hindurchgehende Kraftstoff kann von einer elektromagnetischen Vorrichtung
gesteuert werden. Die elektromagnetische Vorrichtung kann durch
einen elektrischen Schaltkreis gesteuert werden, um den Kraftstofffluß durch
die Dosiervorrichtung zu steuern. Die elektrische Schaltung kann
den Kraft stofffluß durch
die Dosiervorrichtung im Verhältnis
zu dem Fluß des
Kraftstoffs aus dem Behälter
steuern. Die elektrische Schaltung kann den Kraftstofffluß durch
die Dosiervorrichtung im Verhältnis
zu dem zu dem Behälter
zurückkehrenden
Fluß des
Kraftstoffs steuern. Die elektrische Schaltung kann den Kraftstofffluß durch
die Dosiervorrichtung unabhängig
von dem Fluß des Kraftstoffs
zu dem Behälter
oder aus diesem steuern. Bei einem Aspekt ist die elektromagnetische
Vorrichtung ein Solenoid.
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Die
Fluidverbindung kann auf verschiedene Arten erhalten werden. Das
die elektromechanische Vorrichtung verlassende Additiv kann durch
eine starre oder flexible Leitung transportiert werden, die zwischen
der elektromechanischen Vorrichtung und der Kraftstoffleitung verbunden
ist, in welche das Additiv eingemischt werden soll. Wenn dieses
Verfahren übernommen
wird, kann es vorteilhaft sein, für einen Injektor oder eine ähnliche
Vorrichtung zu sorgen, die an der Verbindungsstelle der Zuführleitung
für das Additiv
zu der Kraftstoffleitung angebracht ist. Der Zweck dieses Injektors
oder der ähnlichen
Vorrichtung ist es, den Ausfluß aus
der elektromechanischen Vorrichtung zu steuern und den Kraftstofffluß in die
die elektromechanische Vorrichtung mit der Kraftstoffleitung verbindende
Leitung zu verhindern. Bei einer Vereinfachung, bei welcher eine
sehr kurze Verbindungsleitung verwendet wird, kann die Injektorvorrichtung
bzw. Einspritzvorrichtung weggelassen werden.
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Die
elektromechanische Vorrichtung kann alternativ direkt an der Kraftstoffleitung
derart angebracht sein, daß jegliche
Ausströmung
aus der elektromechanischen Vorrichtung direkt in den Kraftstoff geht.
Bei einer noch anderen Anpassung kann der Kraftstoff axial an der
elektromechanischen Vorrichtung vorbeiströmen, wobei für ein Kühlen gesorgt wird
und gleichzeitig ein Vermischen der Ausströmung aus der elektromechanischen
Vorrichtung mit über
diese fließendem
Kraftstoff erlaubt wird.
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Ähnliche
Anordnungen können
vorgesehen werden, um die elektromechanische Vorrichtung mit Additiv
zu versorgen, welches in den Kraftstoff gemischt werden soll. Das
vollständige
Dosiersystem kann ein Additivgefäß oder -tank
für die
Speicherung der erforderlichen Menge Additiv aufweisen, um den Motor
mit behandeltem Kraftstoff zu versorgen, z. B. über einen Betriebsbereich von
vielen tausend Kilometern, wie es für die Speicherung in einem
Fahrzeug bequem ist. Eine Verbindung von dem Additivspeichergefäß zu der
elektromechanischen Vorrichtung ist notwendig, um es dieser Vorrichtung
zu erlauben, Additiv in den Kraftstoff abzugeben. Der Speicherbehälter für Additiv
kann entfernt von der Dosiervorrichtung unter Verwendung einer starren oder
flexiblen Leitungsverbindung angeordnet sein, um dem Additiv die
Möglichkeit
zu geben, in die Dosiervorrichtung zu strömen. Bei einer anderen Anordnung
kann der Additivbehälter
direkt unter Verwendung einer starren Verbindung mit der Dosiervorrichtung
gekuppelt sein. Bei einer weiteren Anordnung kann die Dosiervorrichtung
innerhalb des Additivbehälters
derart eingebaut sein, daß die
Ausströmung aus
der Dosiervorrichtung mit derjenigen Leitung verbunden ist, welche
Kraftstoff dem Motor zuführt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun in weiterer Einzelheit nur beispielsweise
unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Bei diesen
zeigt:
-
1 ein
Dosiersystem;
-
2 ein
Dosiersystem;
-
3 ein
Diagramm;
-
4 ein
Diagramm;
-
5 ein
Diagramm;
-
6 ein
Diagramm;
-
7 ein
Diagramm;
-
8 ein
Diagramm;
-
9 ein
Diagramm;
-
10 ein
Diagramm; und
-
11 ein
Diagramm.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nun in weiterer Einzelheit in den folgenden
Beispielen beschrieben.
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BEISPIEL
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Eine
einfache Dosiervorrichtung für
Additiv wurde bei einem 1,9 Liter-Peugeot-Dieselmotor vom Typ XUD 9 verwendet,
der auf einem Prüfstand
montiert war. Das Abgassystem des Testmotors war mit einem Dieselpartikelfilter
(DPF) ausgestattet, welcher von dem Prüfstandmotor erzeugte Rußpartikel einfing.
Die Abgasleitung des Prüfstandmotors
war mit einem Druckwandler und aufstromig sowie abstromig des DPF
mit Thermoelementen ausgestattet, um Benutzungsdaten bei dem Versuch
zu erzeugen. Der Prüfstandmotor
war angeordnet, um eine lastabsorbierende Vorrichtung oder ein Dynamometer
anzutreiben, und war mit einem Computersteuersystem ähnlich dem
bei der Motorprüfung
ausgestattet. Als Folge dieser Ausstattung konnte der Motor gesteuert werden,
um mit gewünschter
Drehzahl und Lastbedingungen lange Zeit zu arbeiten, ohne daß ein manueller
Eingriff notwendig wurde.
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Der
Kraftstoff für
den Prüfstandmotor
gelangte in einer Versorgungsleitung aus einer Versorgung, die in
einem Tank mit 50 Liter Kapazität
enthalten war. Die Kraftstoffversorgung aus dem Tank gelangte durch
die Dosiervorrichtung, bevor sie in die Einspritzpumpe des Dieselmotors
eintrat. Die Dosiervorrichtung enthielt einen Speichertank für Additiv,
eine elektromechanische Einspritzeinheit, einen elektrischen Impulsgenerator
und notwendige Leitungen zur Verbindung der Vorrichtungen. Die Dosiervorrichtung
behandelte bzw. bereitete den Kraftstoff mit einem festen Anteil
an Additiv auf mit einer Behandlungsrate im Bereich von etwa 10%–15% der
gewünschten
mittleren Behandlungsrate, die für
die Regenerierung des DPF notwendig ist.
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In
typischer Weise liegt die Behandlungsrate, die für die Regenerierung eines DPF
notwendig ist, im Bereich 5–30
mg Eisen/kg Kraftstoff, bei einer bevorzugten typischen Behandlungsrate
von 20 mg Eisen/kg des Kraftstoffs. Die Dosiervorrichtung erreichte
eine Behandlungsrate von 1,5 mg Eisen/kg auf der Basis, daß in typischer
Weise 80%–95%
des Kraftstoffs, der von der Einspritzpumpe des Motors gepumpt wurde,
zu dem Tank zurückgeführt wurde.
Der meiste Kraftstoff des Prüfstandmotors
gelangte somit durch die Dosiervorrichtung viele Male, bevor er schließlich von
dem Prüfstandmotor
verbraucht wurde. Jeder Durchlauf durch die Dosiervorrichtung erhöhte die
effektive Behandlungsrate mit Additiv und erhöhte somit den Eisengehalt in
dem Kraftstoff.
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Die
Verbrennung von Kraftstoff, der Metalladditiv enthält, führt zu Metallverbindungen,
in typischer Weise Metalloxiden, die im Ruß eingefangen werden, der während des
Verbrennungsprozesses gebildet wird, wie dem Fachmann bekannt ist.
Wo das bevorzugte organo-metallische Additiv auf Eisenbasis zum
Dosieren des Kraftstoffs benutzt wurde, stieg folglich der Eisengehalt
des in dem DPF zurückgehaltenen
Rußes
mit dem Mehrfachdosieren des Additivs in den Kraftstoff hinein an.
Sobald der Kraftstoffpegel in dem Tank bei der Versorgung des Motors
fiel, stieg die Metallkonzentration in dem Kraftstoff in einer ähnlichen
Weise wie in 3 gezeigt ist. Sobald der Kraftstoffpegel
in dem Kraftstoffversorgungstank fiel, stieg also der Metallgehalt
eingefangenen Rußes
in dem DPF an.
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Der
Versuch mit dem XUD 9-Prüfstandmotor dauerte viele Stunden,
wobei mit fester Umdrehung und Lastbedingungen gearbeitet wurde,
um genug Ruß in
dem DPF anzusammeln, um eine Regenerierung oder ein Ausbrennen des
angesammelten Rußes
einzuleiten. Wie dem Fachmann bekannt ist, führt eine Rußansammlung in einem DPF nach
einigen Stunden Betrieb des Motors zu einer Erhöhung des Druckes in der Abgasleitung.
Dies wird durch den wachsenden Widerstand gegen die Abgasströmung verursacht,
die sich aus der Rußansammlung
in den blinden Kanälen
in dem DPF ergibt.
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Bei
fester Drehzahl und Lastbetrieb, in typischer Weise bei mäßigen Lastbedingungen,
z. B. 1550 Umdrehungen/min Drehzahl und 20 Nm Last, oder 2710 Umdrehungen/min
und 30 Nm Last, baut sich ein DPF-Druck gemäß Darstellung in 4 auf. Ein
Ausbrennen des Rußes
kann spontan erfolgen, wonach der Druck in der Abgasleitung, von
einer exothermen Reaktion begleitet, schnell abfällt. Hierdurch werden unterschiedliche
Abgastemperaturen erzeugt, wie durch die Thermoelemente aufstromig
und abstromig des DPF gemessen wird. Die wiederholte Rußansammlung
und die Ausbrennvorgänge
erzeugen das charakteristische "Sägezahn"-Muster des Abgasdrucks
gemäß Darstellung
in 4, die auch die Wirkung auf die Abgastemperaturen
des exothermen Rußausbrennens
in dem DPF zeigt.
-
Der
Betrieb des Prüfstandmotors,
wobei eine Abgasleitung mit einem DPF versehen war, mit Kraftstoff,
der mit organo-metallischem Additiv auf Eisenbasis behandelt bzw.
aufbereitet war, erzeugte Druck- und Temperaturmuster ähnlich den
in 4 gezeigten. Das bevorzugte organo-metallische
Additiv auf Eisenbasis wurde in den Kraftstoff in der beschriebenen
Weise unter Verwendung eines mit einem elektromechanischen Solenoid
betriebenen Dosiersystems zugeführt,
welches unbeachtlich der Kraftstoffströmung zum Motor mit fester Dosierungsrate
arbeitete. Unverbrannter Kraftstoff wurde von der Motoreinspritzpumpe
zu dem Kraftstoffspeichertank zurückgeführt, was zu einer Mehrfachdosierung des
Kraftstoffs mit dem Additiv gemäß Beschreibung führte und
auch einen Anstieg der Eisenkonzentration in dem Restkraftstoff
in dem den Motor versorgenden Speichertank verursachte, sobald der
Kraftstoffpegel in dem Tank sank.
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Das
klassische Muster der Rußansammlung und
des Ausbrenners ergab sich bei dem Versuch trotz der Verwendung
einer Dosieranordnung mit Additiv mit der Folge einer nichtlinearen
Kraftstoff-Additivkonzentration
mit der Zeit. Die Verwendung eines einfachen Dosiersystems erzeugte
deutlich eine Situation weit weg von dem angenommenen Erfordernis eines
gleichmäßig dosierten
Kraftstoffs, der eine feste und vorbestimmte Menge an Metall in
dem Kraftstoff enthält,
und doch ergab sich bei den Versuchen ein wirksames Ausbrennen des
Rußes
oder eine Regenerierung des DPF. Der Motor wurde mit sehr niedriger
Drehzahl und geringen Lastbedingungen betrieben, wobei geringe Abgastemperaturen
erzeugt wurden, und auch bei viel höherer Drehzahl und höheren Lastbedingungen
mit der Folge höherer
Temperaturen. Trotz eines unterschiedlichen Kraftstoffbedarfs des
Motors arbeitete das Dosiersystem bei beiden dieser Motorbetriebsbedingungen
mit derselben festen Einstellbedingung, wie von der Betriebsfrequenz des
Solenoids bestimmt.
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Spuren
bzw. Darstellungen des Motorbetriebs sind in den Figuren gezeigt,
um den Regenerierungsprozeß zu
illustrieren. Berechnungen des tatsächlichen, augenblicklichen
Additivgehalts in dem Kraftstoff, welcher dem Motor zugeführt wird,
und das mittlere Niveau des Additivs in dem Kraftstoff über Mehrfachnachfüllvorgänge sind
zur Illustration auch in den Figuren enthalten.
-
Zum
Vergleich sind auch Darstellungen des Motorbetriebs bei vorbehandeltem
Kraftstoff gezeigt, wo ein exaktes und konstantes Verhältnis des
Metalls in dem Kraftstoff aufrechterhalten wurde, und bei sich in
dem DPF ergebenden Regenerierungen. Wo das Behandlungsniveau mit
Additiv mit einem vorbehandelten Kraftstoff reduziert wird, beobachtet
man, daß der
Abgasgegendruck in dem DPF steigt. Umgekehrt sind dort, wo höhere Niveaus
an Additiv in dem Kraftstoff vorbehandelt sind, Abgasgegendrücke niedriger.
Die obere Darstellung der 6 zeigt
Abgasgegendruckdarstellungen für
vorbehandelten Kraftstoff, der 10 mg/kg und 20 mg/kg Metall in dem
Kraftstoff enthält.
Wenn das einfache Dosierventil verwendet wird und Kraftstoffadditivniveaus
bei fallendem Kraftstoffpegel in dem Tank ansteigen, kann man den
Abgasgegendruck in dem DPF über
der Zeit fallen sehen, bis er sich dem Niveau nähert, welches man mit 20 mg/kg
vorbehandeltem Metall in dem Kraftstoff erhält. Die untere Darstellung
zeigt die berechnete Veränderung
der Metallkonzentration in dem Kraftstoff über der Zeit, die sich aus
der Verwendung der Dosiervorrichtung ergibt.
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Ähnliche
Darstellungen sind für
einen Motorbetrieb mit 2710 Umdrehungen/min und Drehmoment von 30
Nm in 7 gezeigt. In dem oberen Feld sind Darstellungen
für vorbehandelten
Kraftstoff gezeigt, der 15 mg/kg und 20 mg/kg enthält. Das
untere Feld zeigt die berechnete Veränderung der Metallbehandlungsrate
in dem Kraftstoff bei der einfachen Dosiervorrichtung und auch die
entsprechende mittlere Metallkonzentration in dem Kraftstoff nach verschiedenen
Nachfüllvorgängen. Wenn
es einen Nachfüllvorgang
gibt, fällt
der Kraftstoffmetallgehalt plötzlich
ab, was durch die Einführung
von frischem, unbehandeltem Kraftstoff in den Tank hinein verursacht
wird. Wiederholte Nachfüllvorgänge erzeugen das
charakteristische Bild der Additivkonzentration, wie man in dem
unteren Feld der 7 sieht.
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8 zeigt
Abgasgegendruckdarstellungen für
zwei unterschiedliche Motorbetriebsbedingungen, 1260 Umdrehungen/min
bei 5 Nm Drehmoment (oberes Feld) und 2710 Umdrehungen/min bei 30
Nm Drehmoment (unteres Feld). In beiden Fällen wurde die einfache Dosiervorrichtung
eingestellt, um eine identische feste 34 mg/h Behandlungsrate mit
Additiv für
den Kraftstoff mittels der Betriebsfrequenz der von dem Solenoid
betriebenen Dosiervorrichtung vorzusehen. Der gleichmäßige Anstieg
des Additivgehalts im Kraftstoff über der Zeit als Folge der
Rückführung unverbrannten
Kraftstoffs zu dem Tank und folglich der Mehrfachbehandlung bzw.
-aufbereitung wird in der häufigeren
Regenerierung des DPF nach einem typischen 15–20 Stunden-Betrieb reflektiert.
Die Verwendung einer festen Behandlungsrate mit Additiv für weit unterschiedliche
Motorbetriebsbedingungen und Kraftstoffverbrauchsniveaus führt überraschend unter
beiden Bedingungen zu ausreichender Regenerierung des DPF.
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9 zeigt
die berechneten Veränderungen des
Kraftstoffgehalts über
der Zeit für
zwei Motorbetriebsbedingungen bei einer festen Behandlungsrate mit
Additiv zu dem Kraftstoff von 34 mg/h. Die oberen zwei Felder zeigen
Berechnungen für
Motorbetriebsbedingungen von 1260 Umdrehungen/min bei 5 Nm. Die
unteren zwei Felder zeigen Daten für Motorbetriebsbedingungen
mit 2710 Umdrehungen/min und 30 Nm. Jede "Sägezahn"-Form gibt die Wirkung
des Kraftstoffniveaus in dem Tank wieder, welcher auf ein niedriges
Niveau fällt,
und danach Zugabe von frischem Kraftstoff, im übrigen als Nachfüllvorgang
beschrieben. Gemäß Darstellung
steigt die mittlere Metallkonzentration über der Zeit allmählich bei
jedem Nachfüllvorgang,
bis sich eine Stabilisierung einstellt. Man sieht, daß die Verwendung
derselben festen Behandlungsrate mit Additiv von 34 mg/h bei konstantem
Betrieb mit niedriger Drehzahl und niedriger Last zu einer stabilisierten,
mittleren Metallkonzentration von gerade über 30 mg/kg führt. Für die Bedingung bei
höherer
Drehzahl und höherer
Last sieht man, daß dieselbe
Behandlungsrate mit Additiv zu einer stabilisierten mittleren Metallkonzentration
von etwa 7 mg/kg führt.
Trotz der bisherigen Auffassung, daß ein genau gesteuerter Additivmetallgehalt
in Kraftstoff für
eine gute DPF-Regenerierung notwendig ist, zeigen Ergebnisse überraschend,
daß sich
eine ausreichende Regenerierung bei weitreichenden Veränderungen
nicht nur über
der Zeit, wie Kraftstoffpegelveränderungen
im Fahrzeugtank, sondern auch bei Motordrehzahl und Last ergibt,
wo eine feste Additivdosierrate bei weitreichend unterschiedlichen
Motorbetriebsbedingungen verwendet wird.
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10 zeigt
Datenloggerdarstellungen bzw. Darstellungen eines Datenzeitschreibers
aus einem Fahrzeug, das mit einem DPF ausgestattet ist und bei dem
auch eine Dosiervorrichtung für
Additiv angebracht ist, die nach den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung arbeitet. Die Dosiervorrichtung verwendete eine elektromechanische
Solenoid-Vorrichtung, um ein organo-metallisches Kraftstoffadditiv
in die Kraftstoffleitung zu speisen, welche die Einspritzpumpe des
Fahrzeugs versorgt. Obwohl die Behandlungsrate mit Additiv auf der
Basis der möglichen
maximalen und minimalen Kraftstoffströmungen berechnet wurde, welche
durch die Dosiervorrichtung gelangten, wurde der Solenoidbetrieb
bei einer festen Frequenz unabhängig
von der tatsächlichen
Kraftstoffströmung
betrieben.
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10 zeigt
verschiedene Ähnlichkeiten
zu 5 mit der Darstellung eines Regenerierungsvorgangs
in einem Fahrzeug im Betrieb mit einem Kraftstoff, der mit demselben
DPF-Regenerierungsadditiv mit
einer Behandlungsrate vorbehandelt war, welche 20 ppm Metall liefert.
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Beiden
Darstellungen gemeinsame Merkmale sind die Erhöhung der Post-DPF-Abgastemperatur auf
ein Niveau höher
als die Prä-DPF-Abgastemperatur
und die Verringerung des Prä-DPF-Gasdrucks, wenngleich
die Motordrehzahl im wesentlichen konstant bleibt. Die Kombination
dieser Phänomene deutet
auf eine Rußverbrennung
in dem DPF hin, welche zu einem exothermen und sich ergebenden Gastemperaturanstieg
und danach zu einer Druckverminderung beim Rußausbrennen führt.
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10 zeigt,
daß, wenn
eine Dosiervorrichtung für
Additiv unter Verwendung der Merkmale der vorliegenden Erfindung
an einem Fahrzeug angebracht ist, welches mit einem DPF ausgestattet
ist, die Regenerierung im wesentlichen sehr ähnlich jener ist, die man bei
mit einem Additiv vorbehandelten Kraftstoff erhält.
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11 zeigt
das Profil der Additivkonzentration in dem Kraftstoff gemäß Beobachtung
aus einer Kraftstoffprobe, die über
einen Zeitraum von etwa 10 Tagen genommen wurden. Die Proben wurden
aus dem Tank desselben Kraftfahrzeugs genommen, welches mit einem
DPF ausgestattet war und an dem eine Dosiervorrichtung für Additiv
mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung angebracht war. Während des
Zeitraums, als Kraftstoffproben genommen wurden, wurde das Fahrzeug
verschiedene Male nachgetankt, wie man aus der sich verändernden
Additivkonzentration in dem Kraftstoff sieht. Beim Nachfüllen fiel
die Kraftstoff-Additivkonzentration in dem Kraftstoff von einem
hohen Niveau, als der Tank nahezu leer war, auf ein sehr niedriges
Niveau unmittelbar nach dem Nachtanken ab. Dies stimmt mit dem erwarteten
und berechneten Muster bzw. Schema der Additiv konzentration in dem
Kraftstoff überein, wenn
eine Dosiervorrichtung mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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Verschiedene
Modifikationen und Variationen der beschriebenen Verfahren und des
Systems der Erfindung ergeben sich für den Fachmann ohne Verlassen
des Umfangs der Ansprüche.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit speziellen bevorzugten
Ausführungsformen
beschrieben wurde, versteht es sich, daß die Erfindung gemäß den Ansprüchen auf
diese speziellen Ausführungsformen
nicht begrenzt werden sollte. Tatsächlich sollen verschiedene
Modifikationen der beschriebenen Betriebsarten zur Durchführung der
Erfindung, welche dem Chemiker oder dem Fachmann auf verwandten
Gebieten verständlich
sind, im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche liegen.