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KR20040015078A - 스파크 점화 기관용 연료 조성물 공급 수단 - Google Patents

스파크 점화 기관용 연료 조성물 공급 수단 Download PDF

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KR20040015078A
KR20040015078A KR10-2003-7012623A KR20037012623A KR20040015078A KR 20040015078 A KR20040015078 A KR 20040015078A KR 20037012623 A KR20037012623 A KR 20037012623A KR 20040015078 A KR20040015078 A KR 20040015078A
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engine
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ron
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웨이스만월터
파트리지란달디
민하스부펜더
사토리구이도
우에다다카노리
이와시타요시히로
아키하마가즈히로
야마자키사토시
Original Assignee
엑손모빌 리서치 앤드 엔지니어링 컴퍼니
도요타지도샤가부시키가이샤
가부시키가이샤 도요다 쥬오 겐큐쇼
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Publication date
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Abstract

본 발명에 따라, 구동 주기 조건의 함수로서 배합된 기관 연료 조성물을 공급하는 적재 차량 연료 분리용 연료 시스템이 제공된다. 본 발명에 따라, 공급 효율 및 연소 배출중 하나 이상에서 개선이 이루어진다.

Description

스파크 점화 기관용 연료 조성물 공급 수단{FUEL COMPOSITION SUPPLY MEANS FOR SPARK IGNITION ENGINES}
석유 정제소 및 기관 제조업자는 둘 다 점증하는 엄격한 정부의 효율 및 배출 요건, 및 소비자의 성능 향상에 대한 요구를 만족시키기 위하여 그들의 제품을 끊임없이 개선시켜야 하는 도전에 항상 직면해있다. 예컨대, 내연 기관에서 사용하기에 적합한 연료를 생산하는 경우, 석유 생산자들은 다수의 탄화수소 함유 스트림(stream)을 혼합하여 정부의 연소 배출물 규제 및 기관 제조업자의 연료 성능 기준, 예컨대 연구실(research) 옥탄가(RON)를 충족시킬 수 있는 제품을 생산한다. 유사하게, 통상적으로 기관 제조업자들은 연료의 성질에 맞추어 스파크 점화 유형의 내연 기관을 설계한다. 예컨대, 기관 제조업자들은, 불충분한 노킹-저항성을갖는 연료가 기관에서 연소될 때, 전형적으로는 노킹을 일으키는 자기점화(auto-ignition) 현상, 및 잠재적인 기관 손상을 가능한 최대한 억제하기 위해 노력한다.
전형적인 구동 상태에서, 기관은 주위 조건(공기 온도, 습도 등), 차량의 부하, 속도, 가속도 등을 포함하는 많은 요소에 따라 광범위한 조건에서 작동한다. 기관 제조업자 및 연료 혼합업자는 사실상 모든 이러한 다양한 조건에서 우수한 성능을 발휘하는 제품을 설계해야 한다. 흔히 소정의 속도/부하 조건에서 바람직한 연료 성질 또는 기관 매개변수는 다른 속도/부하 조건에서 전체적인 성능에 불리한 것으로 나타나기 때문에, 이는 본래 절충을 요구한다. 통상적으로, 차량용 연료는 둘 또는 세 가지 등급으로, 전형적으로는 이들의 RON으로 구별되어 공급된다. 일반적으로, 연료 등급의 선택은 기관 사양을 기준으로 한다. 그러나, 연료가 일단 적재(on-board)되면, "단독 연료에 모두 맞추기 식(one fuel fits all)"이 되고 다양한 속도, 부하 및 다른 구동 조건을 수용하도록 설계되어야만 한다.
본 발명의 하나의 목적은 주 연료 탱크 또는 저장기로부터 옥탄 증대(boosting) 성분을 분리한 후, 기관 구동 주기 조건에 응답하여 주 연료 공급물에 분리된 연료를 혼합하기 위한 막(membrane)을 이용한 연료 공급 시스템을 사용하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 차량에 전달된 단일 연료로부터 저부하 및 고부하 기관 조건에서 기관 성능을 향상시키도록 특수하게 설계된 연료를 기관에 제공하기 위한 방법을 확립하는 것이다.
또한, 스파크 점화 기관은 일반적으로 고부하에서 노킹을 방지하기 위하여10:1 이하의 압축비(CR)에서 작동하도록 설계된다. 압축비(CR)는 피스톤이 하사점(BDC)에 있을 때의 실린더 및 연소실의 부피를 피스톤이 상사점(TDC)에 있을 때의 부피로 나눈 값으로 정의된다. 알려진 바와 같이, 약 18:1까지는 부하 범위를 통하여 기관 열 효율을 최대화하는 관점에서 더 높은 CR이 최적이다. 더 높은 CR은 이론적 오토(Otto)(기관 압축/팽창) 주기로부터 얻을 수 있는 일량(work)을 최대화함으로써 더 큰 열 효율을 제공한다. 또한, 더 높은 CR은 연소율을 증가시켜, 이러한 이상적 오토 주기에 더욱 가까운 접근법을 창출함으로써 열 효율에서 추가의 개선을 제공한다. 그러나, 고부하에서 기관 노킹을 갖지 않고 압축비의 상당한 증가를 가능케 하는 충분히 높은 옥탄 총량(overall)을 갖는 단일 연료를 제공하는 것이 실제 어렵기 때문에, 높은 압축비의 스파크 점화 기관의 사용은 불충분한 고급 연료 옥탄에 의해 제한된다.
따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 차량에 공급된 연료로부터 유래된 특수하게 배합된 연료를 공급함으로써, 고부하에서 노킹의 문제가 없이 전체 구동 주기를 통하여 더 큰 열 효율을 실현하는 높은 압축비 기관의 사용을 촉진하는 것이다.
이론적으로, 소정의 중부하 내지 고부하에서 더 높은 효율의 기관 작동은 최상의 토크를 위한 최소 스파크 진각(advance)(MBT)을 제공하는 값에 더 가깝게 스파크 점화 시점(timing)을 조정함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 경험상 시판되는 가솔린으로는 중부하 내지 고부하의 조건에서 노킹이 MBT보다 더 이른 시점에 전형적으로 일어나기 때문에, 점화 시점을 MBT에 도달되도록 조정하는 것은 실제적이지 못하다. 원칙적으로, 매우 높은 옥탄 연료를 사용하여 작동하면 구동 주기를통해 MBT에서 기관을 구동하는 것이 가능하다. 그러나, 노킹이 없고 성능을 최적화하도록 맞춰진 다른 연소 성질을 함께 갖는, MBT에 접근하거나 MBT에서 작동하기에 충분한 옥탄을 갖는 연료를 기관에 제공하는 것이 더욱 바람직한 접근법이다. 본원에 교시되는 연료 공급 시스템은 변화되는 기관 부하 조건에서 MBT에서 접근하거나 MBT에서 작동하기에 충분한 옥탄을 갖거나 줄 수 있는 공급 연료의 성분을 분리 또는 추출한다.
본 발명의 또 다른 목적은 스파크 점화 시점을 MBT를 제공하는 값에 더욱 가깝게 조정할 수 있게 하는 연료 조성물을 제공하는 것이다.
현재, 스파크 점화 기관은 저부하 내지 중부하 조건에서 1.0 미만의 표준화된 연료 대 공기 비율(Φ)에서 공지의 연료를 사용하여 작동할 수 있다. 표준화된 연료 대 공기 비율은 화학량론적 연료 대 공기 비율로 나눈 실제 연료 대 공기 비율이다. 또한, 이 기관은 1.0 이하의 Φ에서 "희박화(leaning out)" 희석제로서 재순환 배기 기체(EGR)를 이용하여 작동될 수 있다. EGR은 잔류 연소 기체는 물론 재순환되는 배기 기체를 둘 다 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 희박 조건에서 기관을 희박하게 작동하는 일에 대한 장애는 연료의 빠르고 완전한 연소의 확립이 어렵다는 점이다.
따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 연소 지속시간을 단축시키고 그에 따라 열역학적 효율을 개선시키는 희박(lean) 조건에서 사용하기 위한 더 낮은 옥탄, 더 낮은 자기점화 저항성, 더 높은 층류 화염 속도, 높은 연소율 연료를 제공하는 것이다. 또한, 더 빠른 연소율은 연료의 전환을 최대화하는 역할을 하고, 그에 따라전체적인 연료 경제성을 증가시키고 배출을 감소시킨다. 당해 기술분야에 알려진 바와 같이, 충분한 고부하에서 연료의 자기점화는 기관에 기계적 손상을 줄 위험, 예컨대 노킹을 일으킬 수 있다. 그러나, 소정의 저부하 조건에서, 예컨대 희박 층상 작동(lean stratified operation)에서 연료의 자기점화는 연소 특성을 최적화하여 감소된 기관 배출 및 더 높은 효율을 가져오므로 전체적인 기관 작동에 이로울 수 있다.
막 분리 또는 격리(segregation) 공정은 막의 표면을 공급물과 접촉시킴을 수반한다. 막 조성은 공급물의 특정 성분을 투과시키도록 선택된다. 이 성분은 막 표면 영역 위에 및 그 영역 안으로 용해된다. 이어서, 이 성분은 막의 반대 표면으로 확산되거나 이동한다.
본 발명의 다른 목적 및 그에 따른 장점은 본 명세서를 해석함으로써 명백해질 것이다.
발명의 요약
본 발명의 하나의 양태는 차량의 주 연료 탱크로부터 연료 성분을 분리 또는 격리하여 변화되는 구동 주기 조건에서 기관의 요구를 충족시키는 특별히 배합된 연료를 제공하는 시스템이다. 본 발명의 목적은 스파크 점화 내연 기관, 특히 11 이상의 CR을 갖는 기관의 작동시 사용하기 위한, 단일의 연료 공급물 또는 저장기로부터 분리되거나 격리된 복수의 무연 연료 조성물을 제공하는 것으로, 이들 조성물은 각각 연료 효율 및 연소 배출을 개선하기 위하여 예정된 기관 작동 조건에서사용하기에 적합한 상이한 미리 선택된 연소 성질을 갖는다. 본 발명은 주 연료 탱크 또는 저장기에 함유된 연료로부터 방향족 풍부 연료를 분리하는 막을 사용한다. 이 막은 잔류 보류물(retentate)로부터 방향족 투과물을 선별적으로 분리하는 기능을 한다. 높은 방향족 함량 투과물은 고부하 및 중부하 기관 조건에서 기관 연료 공급물에 선택적으로 혼합되거나 이로 개별적으로 흘러가는 증가된 RON 연료의 공급원을 제공한다.
한 실시태양에서, 과기화(pervaporation) 막 공정을 사용하여 단일 연료 탱크로부터 적어도 제 1 연료 및 제 2 연료 조성물을 분리하며, 이 때 제 1 연료는 고부하 및 중부하 기관 조건에서 연소를 개선(원 탱크 연료에 관하여)시키기에 충분한 연소 성질을 갖고, 제 2 연료는 저부하 기관 조건에서 기관을 작동시키기에 충분한 연소 성질을 갖는다.
당해 기술분야에 일반적으로 알려진 바와 같이, 과기화 공정은 막의 표면으로부터 투과물을 증발시키는 막의 투과 측면의 진공에 의존한다. 이 때, 기상(vapor phase) 투과물은 액체 형태로 응축될 수 있다.
저부하 조건에서 사용하기에 특히 바람직한 연료는 90 미만의 RON, 및 기관 작동 주기에서 90% 연소 완료시 1/크랭크 각도로서 정의되는, 이 시점에서의 이소 옥탄의 105% 초과의 기관에서의 평균 연소율, 및 기관 작동 주기의 이 시점에서 또는 이 시점 부근에서 기관 조건의 대표적인 온도 및 압력에서 측정된 이소옥탄의 105% 초과의 층류 화염 속도를 갖는 가솔린 비등 범위에서 비등하는 무연 연료이다.
고부하 조건에서 사용하기에 특히 바람직한 연료는 100 초과의 RON, 및 주기에서 90% 연소 완료시 1/크랭크 각도로서 정의되는, 이 시점에서의 이소 옥탄의 105% 초과의 기관의 평균 연소율, 및 부하 정도(scale)의 하단부에서 기관 조건의 대표적인 온도 및 압력에서 측정된 이소옥탄의 105% 초과의 층류 화염 속도를 갖는 가솔린 비등 범위에서 비등하는 무연 연료이다.
전술한 바를 고려하면, 넓은 범위의 본 발명의 변경 및 변화가 앞에 개진된 넓은 양태 내에 속함을 쉽게 인지할 수 있을 것이며, 본 발명의 특유의 범위는 하기 상세한 설명을 이해함으로써 더욱 더 명백해질 것이다.
본 발명은 기관 연료 조성물의 공급 수단, 및 스파크 점화 내연 기관, 특히 11 이상의 압축비(CR)를 갖는 기관에서의 용도에 관한 것이다. 이러한 기관 연료 공급물은 부하 및 속도를 비롯한, 기관 구동 주기 조건을 충족시키도록 맞추어진다.
도 1은 본 발명의 연료 분리 시스템을 예시한다.
도 2는 본 발명의 막 연료 분리 시스템을 예시한다.
당해 기술분야에 널리 알려진 바와 같이, 일반적으로 가솔린 연료는 대기압에서 약 77℉(25℃) 내지 약 437℉(225℃) 범위에서 비등하는 탄화수소의 혼합물로 구성된다. 전형적으로 가솔린 연료는 다량의 파라핀, 사이클로파라핀, 올레핀 및 방향족의 혼합물, 및 더 적은, 즉 소량의 산소화물(oxygenate), 세정제, 염료, 부식 억제제 등을 비롯한 첨가제를 포함한다. 또한, 전형적으로 가솔린 연료는 고급(premium) 등급의 경우 약 98, 그리고 표준(regular) 등급의 경우 약 92의 RON을 갖도록 배합되며, 차량 기관에서 단독으로 사용되며, 사용되는 등급은 보통 차량 제조업자의 권장에 따른다.
본 발명은 특정 차량 기관용 단독 연료를 배합하는 실시관행으로부터 벗어난다. 실제로, 본 발명은 기관의 특이적 작동 조건에 맞춰진 연소 성질을 갖는 일련의 연료 조성물, 및 단일 공급 연료를 갖는 차량에서 특별히 배합된 연료 조성물을 공급하는 수단을 제공함으로써 유의성있는 이득이 달성될 수 있다는 발견에 기초한다.
본 발명의 연료 조성물은 가솔린 범위에서 비등하고 흡기구(port) 또는 직접 연료 분사, 스파크 점화 내연 기관, 특히 11 이상의 CR을 갖는 기관에서 사용될 수 있는 무연 연료이다.
한 실시태양에서, 연료 조성물은 적어도 제 1 연료 및 제 2 연료를 포함한다. 제 1 연료는 100 초과의 RON, 및 주기의 고부하 단부(high load end)에서 105%초과의 이소옥탄의 연소율 및 부하 정도의 상단부에서의 기관 조건의 대표적인 온도 및 압력에서 측정된 105% 초과의 이소옥탄의 층류 화염 속도를 갖는다. 제 2 연료는 90 미만의 RON, 주기의 하단부에서 105% 초과의 이소옥탄의 연소율 및 부하 정도의 하단부에서 기관 조건의 대표적인 온도 및 압력에서 측정된 105% 초과의 이소옥탄의 층류 화염 속도를 갖는다.
연료 조성물의 층류 화염 속도는 당해 기술분야에 널리 알려진 연소-봄베(bomb) 기법으로 측정된다. 이와 관련하여, 예컨대 문헌[M. Metghalchi and J. C. Keck, Combustion and Flame, 38:143-154(1980)]을 참조할 수 있다.
구동 주기의 고부하 부분에서 기관의 작동에 특히 유용한 무연 연료는 100 초과의 RON을 갖고 가솔린 범위에서 비등하고 약 45부피% 초과의, 바람직하게는 약 55부피% 초과의 방향족을 함유하는 탄화수소의 혼합물을 포함한다.
구동 주기의 저부하 부분에서 기관의 작동에 특히 유용한 무연 제 2 연료는 90 미만의 RON을 갖고 가솔린 범위에서 비등하고 제 1 연료보다 더 적은, 예컨대 약 45부피% 미만, 바람직하게는 약 20부피% 미만의 방향족을 함유하는 탄화수소의 혼합물을 포함한다.
전술한 특성을 충족시키는 연료는 고부하 조건에서 작동시 다양한 유형의 스파크 점화 내연 기관에 효율 이득을 제공한다. 고부하 조건은 MBT 스파크 시점에서 98의 RON 가솔린으로 노킹이 일어나는, 기관 작동 지도(map)의 영역으로서 정의된다. 노킹은 기관에 기계적 손상의 위험을 줄 수 있는 폭발을 일으키는, 충분히 심각한(sufficiently severe) 실린더내 조건하에 자기점화로서 정의된다.
스파크 점화 기관의 경우, 상기 제 1 연료의 성질을 갖는 연료를 사용하면, 기관이 11 이상의 CR에서 작동되도록 설계될 수 있고, MBT 경우에 더 가까운 진각 스파크 시점이 가능케 된다. 이러한 설계 특징은 전체적인 주기 효율을 향상시키는 바, 즉 개선된 연료 경제성을 제공한다.
더욱 구체적으로, 이들 장점은 직접 분사 기관, 특히 직접 분사 희박 연소 기관 시스템, 예컨대 층상 충전(stratified charge) 직접 분사 시스템에서 달성된다. 층상 충전은 불균일한 공기:연료 비율 분배가 있는 실린더내 조건이다. 알려진 바와 같이, "희박 연소" 기관은 표준화된 1.0 미만의 연료 대 공기 비율(Φ)에서 및/또는 1.0 이하의 Φ에서 "희박화" 희석제로서 재순환 배기 기체를 이용하여 작동한다.
상기 제 2 연료의 연소 성질을 갖는 연료는 특히, 재순환 배기 기체와 함께 저부하 조건에서 작동하는 층상(stratified) 연료 시스템을 비롯한 스파크 점화 기관의 작동에 사용하기에 적합하다. 저부하 기관 조건은 기관이 전술한 바의 노킹 조건이 없이 대략 90의 RON을 갖는 연료를 이용하여 MBT 시점에서 작동될 수 있는 영역 또는 그 아래의 기관 작동 지도의 영역이다.
제 1 연료와 제 2 연료 사이의 연소 성질의 범위를 갖는 연료는 기관 작동 조건에 연료 조성물의 더욱 완전한 개질(tuning)을 제공한다. 실제로, 제 1 연료와 제 2 연료의 RON 사이의 RON을 갖고, 가장 바람직하게는 주기의 중부하 단부에서 105% 초과의 이소옥탄의 연소율 및 가장 바람직하게는 부하 정도의 중단부에서 기관의 조건의 대표적인 온도 및 압력에서 측정된 105% 초과의 이소옥탄의 층류 화염 속도를 갖는 제 3 연료 조성물을 제공할 수 있다. 이러한 연료는 중부하 기관 조건, 즉 고부하와 저부하 조건 사이의 조건에서 사용될 수 있다.
전술한 연료는 막 및 과기화 공정을 이용하여 적재된 연료 공급물로부터 RON 및 옥탄 증대(boosting) 성분을 격리한 후, 기관 구동 주기 조건에 응답하여 상기 상대적으로 높은 RON/옥탄 연료를 표준 기관 연료 공급물에 혼합하는 연료 시스템에 의해 공급된다. 이는 도면을 참조하여 가장 잘 설명되는 바, 도 1은 본 발명에서 교시되는 바의 적재된 연료 분리 시스템을 도시한다. 도 1에서 연료 탱크(10)는 주 연료 공급원의 역할을 한다. 통상적으로, 연료 탱크(10)는 가솔린을 저장하고 공급하며, 이의 RON은 "표준" 등급 연료의 경우 92로부터 고급 등급 연료의 경우 98까지의 범위이다. 연료는 연료 탱크(10)로부터 막 장치(20)로 공급된다. 부호 22로 예시된 막 물질은, 예컨대 보통 "방향족"으로 일컬어지는 가솔린의 성분을 비롯한 가솔린의 상대적으로 높은 RON 및 옥탄 성분을 선택적으로 투과시키도록 선택된다. 막 장치(20)에 의해 격리된 투과물 성분은 고옥탄 축적기(30)로 공급되고, 한편 보류물은 저옥탄 축적기(40)로 공급된다. 본 발명의 한 양태에 따르면, 부하(토크로 측정됨), 속도(rpm으로 측정됨), 스파크 진각(상사점전 또는 후 각도, 즉 BTDC 또는 ATDC로 측정됨), 흡기(intake) 분기관 및 배기 분기관 온도 및 압력, 노킹 센서 반응, 및 기타 기관 구동 주기 조건을 비롯한 기관 구동 주기 조건을 부호 50으로 도시한 감지 시스템으로 감시한다. 기관 구동 주기 조건에 응답하는 혼합 제어기는 혼합 밸브(62)를 선택적으로 작동하여 저옥탄 축적기, 고옥탄 축적기 또는 이들의 혼합물로부터 연료를 전달한다. 분리된 또는 혼합된 연료는 부호 70으로 도시된 기관 연료 분사 시스템으로 공급된다.
본 발명은 막 과기화 공정, 특히 주 연료로부터 고옥탄 연료 성분을 격리하도록 선택된 막을 사용한다. 따라서, 막(22)은 하기 바람직한 특성을 포함하는 막 물질로부터 선택된다:
(i) 가솔린의 선택된 성분, 특히 RON 및 옥탄 증대 성질을 갖는 성분(예: 방향족)에 대한 투과도,
(ii) 250℃와 같은 높은 온도에 견디는 능력, 및
(iii) 지지되는 경우, 200bar와 같은 큰 압력차를 견디는 능력.
적합한 막으로는 비스페놀-A 폴리설폰, 폴리에테르설폰 막, 교차결합된 폴리설판 막, 폴리아미드/폴리아디아페이트, 폴리이미드/폴리석시네이트, 폴리이미드/폴리말로네이트, 폴리이미드/폴리옥살레이트, 폴리이미드/폴리글루타레이트, 폴리비닐플루오라이드 및 폴리비닐렌 플루오라이드 같은 폴리설폰 막, 및 이들 또는 적절한 다른 선택적 층을 이용한 지지된 복합물계 막이 포함된다.
전술한 연료는 막 및 과기화 공정을 이용하여 적재된 연료 공급물로부터 RON 및 옥탄 증대 성분을 격리한 후, 기관 구동 주기 조건에 응답하여 상기 상대적으로 높은 RON/옥탄 연료를 표준 기관 연료 공급물에 개별적으로 공급하거나 선택적으로 혼합하는 연료 시스템에 의해 공급된다. 이는 도면을 참조하여 가장 잘 설명되는 바, 도 1은 본 발명에서 교시되는 바의 적재된 연료 분리 시스템을 도시한다. 도 1에서 연료 탱크(10)는 주 연료 공급원의 역할을 한다. 통상적으로, 연료 탱크(10)는 가솔린을 저장하고 공급하며, 이의 RON은 "표준" 등급 연료의 경우 90으로부터 고급 등급 연료의 경우 98까지의 범위이다. 연료는 연료 탱크(10)로부터 막 장치(20)로 공급된다. 부호 22로 예시된 막 물질은, 예컨대 보통 "방향족"으로 일컬어지는 가솔린의 성분을 비롯한 가솔린의 상대적으로 높은 RON 및 옥탄 성분을 선택적으로 투과시키도록 선택된다. 막 장치(20)에 의해 격리된 투과물 성분은 고옥탄 축적기(30)로 공급되고, 한편 보류물은 저옥탄 축적기(40)로 공급된다. 본 발명의 한 양태에 따르면, 부하(토크로 측정됨), 속도(rpm으로 측정됨), 스파크 진각(상사점전 또는 후 각도, 즉 BTDC 또는 ATDC로 측정됨), 흡기(intake) 분기관 및 배기 분기관 온도 및 압력, 노킹 센서 반응, 및 기타 기관 구동 주기 조건을 비롯한 기관 구동 주기 조건을 부호 50으로 도시한 감지 시스템으로 감시한다. 기관 구동 주기 조건에 응답하는 혼합 제어기는 혼합 밸브(62)를 선택적으로 작동하여 저옥탄 축적기, 고옥탄 축적기 또는 이들의 혼합물로부터 연료를 전달한다. 분리된 또는 혼합된 연료는 부호 70으로 도시된 기관 연료 분사 시스템으로 공급된다.
도 2를 참조하면, 특수하게 배합된 성질을 갖는 둘 이상의 연료를 공급하기 위한 연료 공급 시스템이 개략적으로 도시된다. 도 2에서, 연료 탱크(10)는 가솔린 같은 통상의 연료를 저장하고 공급한다. 연료 펌프(12)를 사용하여 증가된 압력으로 연료를 막 장치(20)에 공급할 수 있다. 이후 상세히 기술하면, 막(22)의 작동은 부호 24로 나타낸 보류물 측면상의 막에 접촉하는 연료의 가압에 의해 개선될 수 있다. 따라서, 연료 펌프(12)를 이용하여 가압 연료를 약 1.5 내지 20bar, 바람직하게는 약 2 내지 10bar의 압력으로 막 장치(20)에 공급할 수 있다. 유량 조절 수단(14)을 사용하여 연료 탱크(10)로부터 막 장치(20)로의 연료 유량을 조절 또는 제어할 수 있다.
하기에 더욱 상세히 하면, 막(22)의 기능은 막의 온도에 의해 영향을 받는데, 막은 막을 통한 투과율을 개선 또는 조절하기 위하여 선택적으로 가열될 수 있다. 따라서, 바람직한 실시태양에서 가열기(16)가 구비되어 연료 및 막 장치(20)를 가열하여 막을 바람직한 출구 온도에 유지시키도록 충분히 감지할 수 있는 열을 제공하는 한편, 투과물을 기화시키는 데 필요한 열을 제공한다.
막 장치(20)로부터의 보류물(24)은 열 교환기(25a)에 의해 냉각될 수 있다. 유리하게는, 보류물(24)의 냉각은 가열기(16) 뒤로 흐르는 주위 연료(10)에 대한열 교환에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 이는 가열기로 가는 연료를 예열하는 작용을 한다. 전술한 바와 같이, 과기화 공정은 부호 26으로 나타낸 막의 투과물 측면의, 막 공정의 구동을 돕는 진공에 의존한다. 따라서, 진공 펌프(27) 및 최적 진공 펌프 조절 밸브(28)를 사용하여 부호 26으로 나타낸 막의 투과물 측면에 진공을 제공할 수 있다. 막의 투과물 측면에 유지되는 진공은 약 0.05 내지 약 0.9bar, 바람직하게는 약 0.05 내지 약 0.5bar이다.
한 실시태양에서, 막(22)은 가솔린의 방향족 성분을 선택적으로 투과시키도록 선택된 폴리아미드/폴리아디아페이트 막을 포함한다. 약 35% 이하의 방향족 함량을 갖는 "표준 등급"의 92 RON의 가솔린은 약 65% 이하의 방향족 함량 및 약 100 RON 초과의 RON을 갖는 제 1 고옥탄/RON 연료로 분리된다. 제 2 연료 또는 보류물 연료는 약 80 내지 약 85 범위의 RON을 갖는다. 따라서, 한 실시태양에서 고옥탄 축적기(30)에는 약 100 초과의 RON을 갖는 고옥탄 연료가 공급되고, 반면 저옥탄 축적기(20)에는 약 80 내지 약 85 RON 범위의 저옥탄 연료가 공급된다.
막으로부터의 투과물(26)은 막(22)을 벗어나자마자 기화된다. 증기 투과물을 액체 형태로 복귀시키기 위한 응축 수단(29)은 냉매로서 주위 공기를 이용하는 소형 열교환기 같은 냉각 장치를 포함한다. 이에 따라, 지배적으로 액체 형태인 투과물은 고옥탄 축적기(30)로 공급된다. 펌프 수단 조절 밸브(29)를 이용하여 응축된 투과물 연료를 고옥탄 축적기로 공급할 수 있다. 충만 감지 장치(31)는 고옥탄 축적기가 충만되었는지를 확인하는 데 이용되고, 막을 통한 투과물의 용량을 감소시키거나, 고옥탄 투과물의 소정의 양을 연료 탱크(10)로 복귀시키거나, 또는 이들의 조합을 행하는 기능을 한다.
막 장치(20)를 떠나는 보류물, 낮은 RON 연료는 낮은 RON 축적기(40)에 공급된다.
전술한 바와 같이, RON 또는 옥탄 요건이, 낮은 RON 축적기(40)로부터의 제 2 연료 또는 보류물 연료에 의해 공급되는 것보다 더 높은 연료를 기관 구동 주기가 요구할 때마다, 높은 RON 연료는 부호 62에서 낮은 RON 연료에 혼합된다.

Claims (12)

  1. 연료 공급물, 이 연료 공급물을 적어도 제 1 연료로 분리하기 위한 연료 공급물과 작동가능하게 연결된 막, 및 90 미만의 RON, 및 저부하 조건에서 105% 초과의 이소옥탄의 연소율 및 105% 초과의 이소옥탄의 층류 화염 속도를 갖는 제 2 연료;
    저부하 조건에서 제 2 연료를 기관에 공급하는 수단; 및
    저부하 조건 이외의 조건에서 제 1 연료를 기관에 공급하는 수단
    을 포함하는, 11 이상의 압축비(CR)를 갖는 스파크 점화 내연 기관에서 사용하기 위한 가솔린 범위에서 비등하는 복수의 무연 연료를 공급하는 연료 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 연료 및 제 2 연료를 미리 선택된 비율로 혼합하여 제 1 연료와 제 2 연료 사이의 RON을 갖는 제 3 연료를 수득하기 위한 수단을 추가로 포함하는 연료 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    막이 방향족을 선택적으로 투과시키도록 선택되는 연료 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    막이 비스페놀-A 폴리설폰, 폴리에테르설폰 막, 교차결합된 폴리설판 막, 폴리아미드/폴리아디아페이트, 폴리이미드/폴리석시네이트, 폴리이미드/폴리말로네이트, 폴리이미드/폴리옥살레이트, 폴리이미드/폴리글루타레이트, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐렌 플루오라이드 및 이들의 복합물로 구성된 군에서 선택되는 연료 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    막이 지지된 연료 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    막의 투과물 측면 압력을 약 0.05 내지 약 0.5bar 범위로 조절하는 수단을 포함하는 연료 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    막의 보류물(retentate) 측면 압력을 약 2 내지 약 200bar 범위로 조절하는 수단을 포함하는 연료 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    압력이 약 3.5 내지 약 15bar에서 조절되는 연료 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    제 1 연료 및 제 2 연료를 200bar 이하로 가압하여 흡기구 연료 분사 또는 직접 연료 분사 시스템에 공급하는 연료 시스템.
  10. 제 2 항에 있어서,
    약 MBT에서 기관을 작동시킴을 기준으로 혼합이 예정되는 연료 시스템.
  11. 제 3 항에 있어서,
    막이 연료 공급물로부터 약 20% 초과의 방향족 성분을 격리시키는 기능을 하는 연료 시스템.
  12. 연료를 연료 분리 수단에 공급하는 단계;
    연료를 적어도 제 1 연료 및 제 2 연료로 분리하는 단계;
    적어도 제 1 연료를 약 고부하 기관 조건에서 기관에 공급하는 단계; 및
    적어도 제 2 연료를 약 저부하 기관 조건에서 기관에 공급하는 단계
    를 포함하고, 이 때
    제 1 연료가 100 초과의 RON, 105% 초과의 이소옥탄의 연소율 및 105% 초과의 이소옥탄의 층류 화염 속도를 갖고;
    제 2 연료가 90 미만의 RON, 105% 초과의 이소옥탄의 연소율 및 105% 초과의 층류 화염 속도를 갖고; 이에 따라
    기관 효율이 증가되고 배출이 감소되는,
    사용 조건에서 기관의 효율을 증가시키고 배출을 감소시키기 위한 스파크 점화 기관을 갖는 차량의 작동 방법.
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