(57)【要約】  本出願は、搭載型燃料分離のためのシステムおよび方法に関する。システム（１００、２００）は、液体燃料用のソース燃料タンク（１０５）、ポンプ（１１０）、および膜モジュール（１１５）を含む。膜モジュール（１１５）は、親水性膜（１２５）、保持液チャネル（１３０）、および透過液チャネル（１３５）を含む。保持液チャネルおよび透過液チャネルは（１３０，１３５）、膜（１２５）の反対側にある。膜モジュールは（１１５）、ソース燃料タンク（１０５）から燃料を受け取り、液体燃料を、保持液チャネル（１３０）内に集まる高オクタン価留分と、膜（１２５）を通って透過液チャネル（１３５）に拡散する低オクタン価留分に分離する。システム（１００、２００）は、低オクタン価留分の少なくとも一部を受け取るための低オクタン価燃料タンク（１８０）と、高オクタン価留分の少なくとも一部を受け取るための高オクタン価燃料タンク（１９２）と、低オクタン価留分および高オクタン価留分の少なくとも一部を選択的に受け取るように構成されたエンジン（１６０）とをさらに含む。【選択図】図１
2021514441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜蒸留を使用した搭載型燃料分離のためのシステムであって、前記システムは、車両内に取り付けられており、
液体燃料を含むソース燃料タンクと、
前記ソース燃料タンクから前記液体燃料を送達するように構成されたポンプと、
親水性膜、保持液チャネル、および透過液チャネルを備える膜モジュールであって、前記保持液チャネルおよび前記透過液チャネルは、前記親水性膜の反対側に配置されており、前記保持液チャネルおよび前記透過液チャネルは、供給チャネルを介して前記ソース燃料タンクから前記液体燃料を受け取るように構成されており、前記膜モジュールは、前記液体燃料を、前記保持液チャネル内に残る高オクタン価留分と、前記親水性膜を通って前記透過液チャネルに拡散する低オクタン価留分とに分離するように構成されている、膜モジュールと、
前記透過液チャネルから前記低オクタン価留分を受け取るように構成された低オクタン価燃料タンクと、
前記保持液チャネルから前記高オクタン価留分を受け取るように構成された高オクタン価燃料タンクと、
前記透過液チャネルおよび前記保持液チャネルに流体接続され、前記低オクタン価留分の少なくとも一部および前記高オクタン価留分の少なくとも一部を選択的に受け取るように構成されたエンジンと、を備える、システム。
【請求項２】
前記膜モジュールの前記保持液チャネルおよび前記透過液チャネルに前記液体燃料を送達する前に、前記液体燃料を予熱するように構成された予熱器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記親水性膜が、平らなシート、中空繊維、またはらせん巻きの形態である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記保持液チャネルに流体接続され、前記保持液チャネルの温度を維持して、前記膜モジュール内の前記低オクタン価留分からの前記高オクタン価留分の分離を増強するように構成された熱交換器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記液体燃料が、ガソリン、ナフサ、またはディーゼル燃料である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
膜蒸留を使用した搭載型燃料分離のためのシステムであって、前記システムは、車両内に取り付けられており、かつ
液体燃料を含むソース燃料タンクと、
前記ソース燃料タンクから前記液体燃料を送達するように構成されたポンプと、
親水性膜、保持液チャネル、および透過液チャネルを備える膜モジュールであって、前記保持液チャネルおよび前記透過液チャネルは、前記親水性膜の反対側に配置されており、前記保持液チャネルは、前記液体燃料を、供給チャネルを介して前記ソース燃料タンクから受け取るように構成されており、前記膜モジュールは、前記液体燃料を、前記保持液チャネル内に残る高オクタン価留分と、前記親水性膜を通って前記透過液チャネルに拡散する低オクタン価留分とに分離するように構成されている、膜モジュールと、
前記透過液チャネルに流体接続され、掃引ガスを前記透過液チャネルに送達するように構成されたガスチャネルと、
前記透過液チャネルに流体接続され、前記低オクタン価留分の少なくとも一部および前記掃引ガスを選択的に受け取り、前記掃引ガスから前記低オクタン価留分を分離するように構成されたフラッシュタンクと、
前記フラッシュタンクから前記分離された低オクタン価留分を受け取るように構成された低オクタン価燃料タンクと、
前記保持液チャネルから前記高オクタン価留分を受け取るように構成された高オクタン価燃料タンクと、
前記透過液チャネルに流体接続され、前記低オクタン価留分の少なくとも一部および前記高オクタン価留分の少なくとも一部を選択的に受け取るように構成されたエンジンと、を備える、システム。
【請求項７】
前記膜モジュールの前記保持液チャネルに前記液体燃料を送達する前に、前記液体燃料を予熱するように構成された予熱器をさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記透過液チャネルおよび前記供給チャネルに流体接続された凝縮器であって、前記低オクタン価留分を前記エンジンまたは前記低オクタン価燃料タンクに送達する前に、前記低オクタン価留分を凝縮するように構成された凝縮器をさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記親水性膜が、平らなシート、中空繊維、またはらせん巻きの形態である、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記保持液チャネルに流体接続され、前記保持液チャネルの温度を維持して、前記膜モジュール内の前記低オクタン価留分からの前記高オクタン価留分の分離を増強するように構成された熱交換器をさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項１１】
前記液体燃料が、ガソリン、ナフサ、またはディーゼル燃料である、請求項６に記載のシステム。
【請求項１２】
前記供給チャネルが、前記低オクタン価留分および前記高オクタン価留分の前記分離を増強するための溶媒を受け取るようにさらに構成されており、フラッシュタンクが、前記溶媒から前記高オクタン価留分を分離するようにさらに構成されている、請求項６に記載のシステム。
【請求項１３】
膜蒸留を使用した車両内での搭載型燃料分離のための方法であって、
液体燃料をソース燃料タンクから膜モジュールにポンプで送ることであって、前記膜モジュールが、親水性膜、保持液チャネル、および透過液チャネルを備え、前記保持液チャネルおよび前記透過液チャネルが、前記親水性膜の反対側に配置される、ポンプで送ることと、
前記膜モジュールを介して、前記液体燃料を高オクタン価留分と低オクタン価留分に分離することであって、前記高オクタン価留分が、前記保持液チャネル内に集まり、前記低オクタン価留分が、前記親水性膜を通って前記透過液チャネルに拡散する、分離することと、
前記高温のオクタン価留分の少なくとも一部を前記保持液チャネルから高オクタン価燃料タンクまたは前記車両のエンジンに選択的に送達することと、
前記透過液チャネルから低オクタン価燃料タンクまたは前記車両の前記エンジンに前記低オクタン価留分の少なくとも一部を選択的に送達することと、を含む、方法。
【請求項１４】
前記液体燃料を前記膜モジュールに送達する前に、前記液体燃料を予熱することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
熱交換器を介して前記保持液チャネルを加熱して、前記低オクタン価留分からの前記高オクタン価留分の分離を増強することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記熱交換器が、高温の冷却剤または排気ガスを使用して熱を生成する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
掃引ガス流を前記透過液チャネルに通過させ、掃引ガスと前記低オクタン価留分の混合物を生成することと、
前記エンジンまたは前記低オクタン価燃料タンクに前記低オクタン価留分を送達する前に、凝縮器内で前記低オクタン価留分を凝縮することと、
前記低オクタン価留分を前記低オクタン価燃料タンクに送達する前に、前記低オクタン価留分をフラッシュタンクを介して前記掃引ガスから分離することと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記親水性膜が、平らなシート、中空繊維、またはらせん巻きの形態である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記液体燃料が、ガソリン、ナフサ、またはディーゼル燃料である、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記液体燃料が前記膜モジュールに入る前に前記液体燃料に溶媒を供給することであって、前記溶媒が、前記膜モジュール内での前記低オクタン価留分および前記高オクタン価留分の前記分離を増強する、供給することと、
フラッシュタンク内のフラッシュ蒸留によって前記溶媒から前記高オクタン価留分を分離することと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、比揮発度および拡散率に基づいて燃料を分離するためのシステムおよび方法に関する。特に、本開示は、後に内燃機関で使用するために車両内の燃料を分離するための搭載型システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
より新しく、より環境に優しいエネルギーソースおよびそのようなソースを利用するための方法が探求され続けている一方で、原油は依然として世界のエネルギーの主要なソースの１つである。そのため、原油の誘導体であるガソリンは、相変わらず内燃機関の主要な燃料である。
【０００３】
燃料効率を高め、ガソリンからの炭素排出量を低減するために、エンジンが低品質の燃料を利用できるオンデマンドのオクタンシステムなどの新しいシステムが開発されている。これらのシステムは有望であるが、ガソリンの利用は依然として不十分なままであり、システムを実装するには既存の車両に大規模で費用のかかる改造が必要である。
【０００４】
したがって、内燃機関の燃料効率を高め、炭素排出量を低減し、しかも費用対効果の高いものとなる解決策が必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
本出願は、搭載型燃料分離のためのシステムおよび方法を説明する。第１の態様によれば、膜蒸留を使用した搭載型燃料分離のためのシステムが提供され、このシステムは、車両内に取り付けられている。システムは、液体燃料を含むソース燃料タンクと、ソース燃料タンクから液体燃料を送達するように構成されたポンプとを含む。少なくとも１つの態様では、液体燃料は、ガソリン、ナフサ、またはディーゼル燃料であり得る。
【０００６】
システムはまた、親水性膜、保持液チャネル、および透過液チャネルを含む膜モジュールも含む。保持液チャネルおよび透過液チャネルは、親水性膜の反対側に配置され、保持液チャネルおよび透過液チャネルは、それぞれの供給チャネルを介してソース燃料タンクから液体燃料を受け取るように構成されている。膜モジュールはまた、液体燃料を、保持液チャネルに残る高オクタン価留分と、親水性膜を通って透過液チャネルに拡散する低オクタン価留分に分離するようにも構成されている。親水性膜は、平らなシート、中空繊維、またはらせん巻きの形態であり得る。
【０００７】
システムは、透過液チャネルから低オクタン価留分を受け取るように構成された低オクタン価燃料タンクと、保持液チャネルから高オクタン価留分を受け取るように構成された高オクタン価燃料タンクとをさらに含む。システムはまた、透過液チャネルおよび保持液チャネルに流体接続され、低オクタン価留分の少なくとも一部および高オクタン価留分の少なくとも一部を選択的に受け取るように構成されたエンジンも含む。
【０００８】
別の態様によれば、システムは、液体燃料を膜モジュールの保持液チャネルおよび透過液チャネルに送達する前に、液体燃料を予熱するように構成された予熱器をさらに含むことができる。
【０００９】
別の態様によれば、システムは、保持液チャネルに流体接続され、保持液チャネルの温度を維持して膜モジュール内の低オクタン価留分からの高オクタン価留分の分離を増強するように構成された熱交換器を含むことができる。
【００１０】
別の態様によれば、保持液チャネルのみが、供給チャネルを介してソース燃料タンクから液体燃料を受け取るように構成されている。この態様によれば、システムは、透過液チャネルに流体接続され、掃引ガスを透過液チャネルに送達するように構成されたガスチャネルをさらに含む。少なくとも１つの態様では、システムは、透過液チャネルに流体接続され、低オクタン価留分の少なくとも一部および掃引ガスを選択的に受け取り、掃引ガスから低オクタン価留分を分離するように構成されたフラッシュタンクを含むことができる。
【００１１】
別の態様によれば、膜モジュールは、低オクタン価留分と高オクタン価留分の分離を増強するための溶媒を受け取るようにさらに構成されており、フラッシュタンクは、溶媒から高オクタン価留分を分離するようにさらに構成されている。
【００１２】
別の態様によれば、膜蒸留を使用した車両内での搭載型燃料分離のための方法が提供される。本方法では、液体燃料が、ソース燃料タンクから膜モジュールにポンプで送られる。次に、液体燃料は、膜モジュールを介して高オクタン価留分と低オクタン価留分に分離され、高オクタン価留分は、保持液チャネルに集まり、低オクタン価留分は、親水性膜を通って透過液チャネルに拡散する。高温オクタン留分の少なくとも一部は、保持液チャネルから高オクタン価燃料タンクまたは車両のエンジンに選択的に送達される。同様に、低オクタン価留分の少なくとも一部は、低オクタン価燃料タンクまたは車両のエンジンに選択的に送達される。
【００１３】
本方法の別の態様によれば、液体燃料は、膜モジュールへの送達の前に予熱される。
【００１４】
本方法の別の態様によれば、保持液チャネルは、熱交換器を介して加熱され、低オクタン価留分からの高温オクタン留分の分離を増強する。熱交換器は、高温の冷却材または排気ガスを使用して熱を生成できる。
【００１５】
本方法の別の態様によれば、掃引ガス流は、透過液チャネルを通過して掃引ガスと低オクタン価留分の混合物を生成し、低オクタン価留分は、エンジンまたは低オクタン価燃料タンクに低オクタン価留分を送達する前に凝縮器内で凝縮され、低オクタン価留分は、低オクタン価留分を低オクタン価燃料タンクに送達する前にフラッシュタンクを介して掃引ガスから分離される。
【００１６】
本方法の別の態様によれば、溶媒が、膜モジュールの保持液チャネルに供給され、その結果、溶媒は、低オクタン価留分および高オクタン価留分の分離を増強し、次に、高オクタン価留分は、フラッシュタンク内のフラッシュ蒸留によって溶媒から分離される。
【００１７】
これらおよび他の態様、特徴、ならびに利点は、本発明の特定の実施形態の付随する説明、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】１つまたは複数の実施形態による、掃引ガス膜蒸留を利用する例示的な搭載型燃料分離システムの概略図を示す。
【図２】１つまたは複数の実施形態による、直接接触膜蒸留を利用する例示的な搭載型燃料分離システムの概略図を示す。
【図３Ａ】１つまたは複数の実施形態による、掃引ガス膜蒸留（ＳＧＭＤ）を利用する分離システムにおいて、保持液温度とともに体積分率がどのように変化するかを表すグラフを示す。
【図３Ｂ】１つまたは複数の実施形態による、掃引ガス膜蒸留（ＳＧＭＤ）を利用する分離システムにおいて、保持液温度とともにリサーチオクタン価（ＲＯＮ）がどのように変化するかを表すグラフを示す。
【図４Ａ】１つまたは複数の実施形態による、直接接触膜蒸留（ＤＣＭＤ）を利用する分離システムにおいて、保持液温度とともに体積分率がどのように変化するかを表すグラフを示す。
【図４Ｂ】１つまたは複数の実施形態による、直接接触膜蒸留（ＤＣＭＤ）を利用する分離システムにおいて、保持液温度とともにリサーチオクタン価（ＲＯＮ）がどのように変化するかを表すグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本出願は、燃料を分離するための搭載型システムおよび方法を説明する。特に、本出願は、膜蒸留を使用した車載型燃料分離のためのシステムおよび方法を説明する。本出願は、とりわけ、内燃機関のガソリン燃料効率および炭素排出量に関連する課題を対象とし、そのような技術的課題に対する解決策を提供する。
【００２０】
１つまたは複数の実施形態では、搭載型システムは、液体燃料（例えば、ガソリン）を収容するためのソース燃料タンクと、ソース燃料タンクから膜モジュールに液体燃料を送達するためのポンプとを備える。膜モジュールは、膜、保持液チャネル、および透過液チャネルを含むことができる。膜モジュールは、液体燃料を高オクタン価留分と低オクタン価留分に分離するように構成されており、高オクタン価留分は、保持液チャネルに集まり、低オクタン価留分は、膜を通って透過液チャネルに拡散する。次に、高オクタン価留分および低オクタン価留分は、それぞれの燃料貯蔵タンクまたはエンジンへと移り、燃料として使用される。
【００２１】
本方法は、ソース燃料を２つの別個の燃料成分に分離するために膜蒸留（例えば、掃引ガス膜蒸留、直接接触膜蒸留）を使用する。膜は、気液界面および液体バリアとして機能することができる。燃料の分離は、比揮発度と膜の細孔を通過する拡散率に基づいて行われ得、分離の駆動力は、一般に化学ポテンシャルであり、この化学ポテンシャルは、蒸気圧の差と温度の差に関係する。特定の実施形態では、部分的または完全に混和性の溶媒を液体燃料に添加して蒸気圧を変更し、それによって分離プロセスを増強することができる。本方法は、従来の蒸留プロセスよりも少ないエネルギーを使用する。
【００２２】
本システムおよび方法は、比揮発度、空気中の分子拡散、および／または細孔中のクヌーセン拡散に基づいて、燃料成分を分離することができる。これにより、システムは、ソース燃料をさまざまなオクタン価の２つの燃料（つまり、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料）に分離して、エンジン効率および燃費を向上させることができる。同様に、本システムおよび方法はまた、特定の燃料（例えば、ディーゼル燃料）を低セタンおよび高セタン燃料成分、または高および低揮発性成分に分離するためにも使用され得る。別の利点は、本システムおよび方法で使用される膜が、選択的なバリアではなく液相界面として機能するので、選択的透過性で設計する必要がないことである。燃料の分離は、膜モジュールの２つのチャネル間に蒸気分圧の差を作り出し、温度の差を作り出すことによって達成できる。どちらの場合も、化学ポテンシャルの差が作り出され、低オクタン価成分を透過液チャネルに運ぶ。
【００２３】
燃料を分離するための参照される搭載型システムおよび方法は、ここで、添付の図面を参照してより完全に説明され、図面には、システムおよび方法の１つまたは複数の例示された実施形態および／または構成が示される。本出願のシステムおよび方法は、例示された実施形態および／または構成として、例示された実施形態および／または構成に決して限定されない。添付の図面に示されるようなシステムおよび方法は、本出願のシステムおよび方法の単なる例示であり、これは、当業者によって理解されるように様々な形態で具体化され得ることが理解されるべきである。本明細書に開示されるいずれの構造および機能の詳細も、システムおよび方法を限定するものとして解釈されるべきではなく、当業者に、システムおよび方法を実装するための１つまたは複数の手法を教示するための代表的な実施形態および／または構成として提供されることを理解されたい。
【００２４】
図１は、１つまたは複数の実施形態による、掃引ガス膜蒸留構成にある例示的な搭載型燃料分離システム１００の図を示す。システム１００は、一般に、車両（例えば、自動車）内に取り付けられており、車両のパワートレインシステムに動作可能に接続されている。システム１００および車両のパワートレインシステムの動作条件は、それらがスムーズかつ効率的な車両動作を保証するようなものである。システム１００は、ソース燃料を貯蔵するためのソース燃料タンク１０５を含む。１つまたは複数の実施形態では、ソース燃料は、ガソリン、ナフサ、またはディーゼルなどの従来の液体燃料である。システム１００は、ポンプ１１０および膜モジュール１１５をさらに含み、ポンプ１１０は、液体燃料をソース燃料タンク１０５から膜モジュール１１５に送るように構成されている。１つまたは複数の実施形態では、ポンプ１１０は、車両の既存の燃料レールの一部であり得る。少なくとも１つの実施形態では、液体燃料は、膜モジュール１１５に到達する前に、予熱器１２０を介して加熱することができる。
【００２５】
膜モジュール１１５において、膜１２５は、比揮発度および拡散率に基づいて、液体燃料の蒸気分子を液体燃料の液体分子から分離するために使用される。膜１２５は、一般に液体に対して不透過性である親水性膜である。膜１２５は、平らなシート、中空繊維、またはらせん巻きの形態を含む、様々な形態および形状のものであり得る。本システムの膜１２５は、選択的な分子サイズ透過性または液体燃料の異なる成分の溶解度に基づいて液体燃料を分離しないという点で、選択的なバリアとして機能しない。さらに、膜１２５は、化学的に選択的なバリアとして機能しない。むしろ、膜１２５は、燃料の液体分子が透過しない一方で、液体燃料の蒸気分子が膜１２５を透過するように、液気界面として機能する。したがって、膜１２５は、液体燃料の分離を能動的に引き起こさないという意味で「受動的」である。代わりに、膜１２５は、液体燃料の液体相と蒸気相との間の多孔質の物理的バリアとして機能する。１つまたは複数の実施形態では、膜１２５内の液体燃料は、燃料の沸騰を回避するために、液体燃料のバブルポイント温度よりも低い温度を有する。
【００２６】
本システムにおける燃料の使用は一般に有機性および疎水性であるため、膜１２５は一般に親水性である。したがって、膜の湿潤（すなわち、膜の細孔が液体で満たされること）を防止するために、膜１２５の材料は高い表面張力を提供し、有機燃料の液体部分が膜の細孔に入ることができないようにする。
【００２７】
膜モジュール１１５はさらに、保持液チャネル１３０および透過液チャネル１３５を含む。１つまたは複数の実施形態では、液体燃料は、ソースタンク１０５から供給導管１４０を通って流れ、保持液チャネル１３０を介して膜モジュール１１５に入る。比揮発度および拡散率に基づいて、液体燃料の低オクタン価の、高比揮発度成分または留分（蒸気成分）は、膜１２５を通って透過液チャネル１３５に拡散し、一方で、液体燃料の高オクタン価の、低比揮発度成分または留分（液体成分）は、保持液チャネル１３０内に残って集まる。
【００２８】
図１に示される実施形態では、高および低オクタン価成分の分離は、ガス導管１４５を介して透過液チャネル１３５に入る掃引ガス流（例えば、周囲温度の空気）によって増強される。１つまたは複数の実施形態では、エンジンの吸気口からの空気を掃引ガス流として使用することができる。他の実施形態では、エンジンに関係のない追加の吸気口を使用して、システムに掃引ガスを提供することができる。少なくとも１つの実施形態において、不活性ガスが、膜との接触後に液体燃料の成分の分離を容易にするための掃引ガスとして使用され得る。掃引ガスは、透過液チャネル１３５を通過する際、透過液チャネル１３５と保持液チャネル１３０との間の温度差および蒸気圧差を高め、それによって膜１２５を通した透過液チャネル１３５への低オクタン価成分の透過を増加させる。次に、透過液チャネル１３５に拡散する低オクタン価成分は、掃引ガスによって導管１５０を介して透過液チャネル１３５から運び出される。ディーゼル燃料がソース燃料である実施形態の場合、膜モジュール１１５は、ガソリン燃料を分離するのと同様に、ソースディーゼル燃料を成分に分離することができる。例えば、ディーゼル燃料の高い比揮発度成分は、膜１２５を通って透過液チャネル１３５に拡散し、一方、ディーゼル燃料の低い比揮発度成分は、保持液チャネル１３０内に残って、集まる。
【００２９】
次に、掃引ガスと低オクタン価成分（透過液）の混合物は、導管１５０を通って凝縮器１５５に誘導される。透過液および掃引ガスも凝縮器１５５を通過するので、凝縮器１５５では、ソースタンク１０５からの液体燃料は、任意選択で（膜モジュール１１５に入る前に）凝縮器１５５を通過することができる。液体燃料と透過液掃引ガスの混合物は、別々の入口を介して凝縮器に入り、凝縮器１５５内（例えば、別々の導管内）で分離されたままになる。液体燃料の温度が低いと、透過液（低オクタン価成分）を液相へと凝縮させ、これによって、それを掃引ガスから分離する。次に、凝縮された低オクタン価成分は、燃料として使用するために導管１６５を介して車両のエンジン１６０に選択的に誘導することができ、または導管１７５を介してフラッシュタンク１７０に誘導することができる。低オクタン価成分がエンジン１６０またはフラッシュタンク１７０のどちらに誘導されるかの制御は、バルブを介して制御することができる。１つまたは複数の実施形態では、低オクタン価成分がエンジン１６０またはフラッシュタンク１７０に誘導されるかに関する決定は、フィードバック制御システムを介して制御される。少なくとも１つの実施形態では、エンジンとシステムデータの組み合わせをシステムで使用して、バルブ位置を制御し、したがって、低オクタン価成分をエンジンに誘導するか、またはフラッシュタンク１７０を介して貯蔵用に誘導するかを制御することができる。さらに、特定の実施形態では、車両内のシステムは、燃料に対するエンジンの応答に基づいて異なる条件で実行するようにプログラムすることができる。たとえば、燃料に対するエンジンの応答を使用して、エンジンに最良な動作条件を自動的に選択することができる。現在、ガソリンエンジンでは、ノック検出器を使用してエンジンパラメータを燃料に調整する並列的手法がある。フラッシュタンク１７０では、低オクタン価成分が掃引ガスからさらに分離され、その結果得られた分離された低オクタン価成分は、次いで、導管１８５を介して低オクタン価燃料タンク１８０に誘導される。次いで、分離された掃引ガスは、透過液チャネル１３５への再導入のために、導管１９０を介してガス導管１４５に再循環され得る。
【００３０】
保持液チャネル１３０内に集まる高オクタン価成分（保持液）は、次に、導管１９４を介して高オクタン価燃料タンク１９２に選択的に誘導されるか、または導管１９５を介してエンジン１６０に誘導されることができる。高オクタン価成分は、例えば、芳香族化合物を含むことができる。少なくとも１つの実施形態では、熱交換器１９６を保持液チャネル１３０に動作可能に接続して、チャネル１３０内の温度を一定に保ち、それにより高オクタン価成分と低オクタン価成分の分離を増強することができる。熱交換器１９６における熱源は、例えば、高温の冷却剤または排気ガスであり得る。図１に示す実施形態では、熱交換器１９６はまた、高温の保持液の熱エネルギーを利用することにより、液体燃料が膜モジュール１１５に到達する前に、液体燃料の別の予熱器としても機能することができる。次に、予熱器１２０を使用して、液体供給物が膜モジュール１１５に入る前に、液体供給物を所望の温度にさらに加熱することができる。
【００３１】
少なくとも１つの実施形態では、溶媒を液体燃料に添加して、液体燃料の蒸気圧を変化させ、したがって高オクタン価成分と低オクタン価成分の分離を増強することができる。溶媒は、液体燃料が膜モジュール１１５に到達する前に溶媒を液体燃料と混合できるように、供給チャネル１４０に動作可能に接続された別個のタンク（図示せず）に収容することができる。溶媒は、部分的または完全に混和性の溶媒であり得る。特定の実施形態では、トリエチレングリコール（ＴＥＧ）および複素環式溶媒は酸素添加物および芳香族化合物と強く相互作用する傾向があるので、ＴＥＧおよび複素環式溶媒などの溶媒を、酸素添加物および芳香族化合物が多い燃料と共に使用して、燃料成分の分離を増強することができる。溶媒の主な機能は、液体燃料から特定の官能基を持つ特定の成分を抽出すること、または燃料の蒸気分圧を変更して燃料成分の分離を増強することである。成分を抽出するかどうか、または蒸気分圧を変更するかどうかは、使用する溶媒、使用する溶媒の量、および液体燃料の組成に依存する。使用する溶媒に応じて、溶媒は、高オクタン価または低オクタン価成分（あるいは、ディーゼル燃料の場合、低セタンまたは高セタン成分）のいずれかを抽出できる。溶媒が使用される実施形態では、溶媒は、保持液チャネル１３０内の高オクタン価成分と共に集まる。したがって、高オクタン価成分は、その後、高オクタン価成分が高オクタン価燃料タンク１９２またはエンジン１６０に送達される前に、フラッシュタンク（図示せず）に誘導され、フラッシュ蒸留を受けて溶媒から高オクタン価成分を分離できる。
【００３２】
図２は、１つまたは複数の実施形態による、例示的な搭載型燃料分離システム２００の図を示す。システム２００は、システム２００では燃料成分の分離が掃引ガス膜蒸留ではなく直接接触膜蒸留を介して達成されることを除いて、図１に例示されるシステム１００と同様である。図２で例示されるように、システム２００は、ソース燃料タンク１０５、ポンプ１１０、膜モジュール１１５（膜１２５、保持液チャネル１３０、および透過液チャネル１３５を含む）、予熱器１２０、低オクタン価燃料タンク１８０、および高オクタン価燃料タンク１９２などの、システム１００に含まれるものと同じ構成要素のうちのいくつかを備えることができる。
【００３３】
システム２００では、ソースタンク１０５からの液体燃料は、（ｐｕｍ１１０を介して）透過液チャネル１３０と保持液チャネル１３５の両方にポンプで送られる。特に、図２に示すように、液体燃料は、ポンプ１１０を介して供給チャネル１４０に送達される。次に、供給チャネル１４０は、透過液供給チャネル２０５および保持液供給チャネル２１０に分割され、透過液供給チャネル２０５は、液体燃料の一部を透過液チャネル１３５に送達し、保持液供給チャネル２１０は、液体燃料の一部を保持液チャネル１３０に送達する。したがって、透過液チャネル１３５および保持液チャネル１３０の両方は、同じオクタンを有する燃料で始まる。
【００３４】
１つまたは複数の実施形態では、保持液チャネル１３０に送達される液体燃料の一部は、保持液チャネル１３０に送達される前に燃料を加熱するために、最初に熱交換器１９６に送達され得る。したがって、保持液チャネル１３０は、液体燃料を送達された保持液チャネルの予熱により、透過液チャネル１３５よりも高い温度に維持される。保持液チャネル１３０と透過液チャネル１３５との間のこの温度差により、チャネル間に蒸気圧差を作り出し、それにより、結果として、保持液チャネル１３０内の低オクタン価成分が、親水性膜１２５を通って透過液チャネル１３５に透過し、そこで、透過成分がより冷たい液体燃料と接触する。したがって、低オクタン価成分が透過液チャネル１３５に透過すると、透過液チャネル１３５内の燃料成分のオクタン価は減少するが、保持液チャネル１３０内の燃料成分のオクタン価は増加する。
【００３５】
膜モジュール内で低オクタン価成分と高オクタン価成分を分離した後、透過液（主に低オクタン価成分）は、導管１８５を介して透過液チャネル１３５から低オクタン価燃料タンク１８０に選択的に送達されるか、または導管１６５を介してエンジン１６０に送達される。同様に、保持液（主に高オクタン価成分）は、保持液チャネル１３０から導管１９４を介して高オクタン価燃料タンク１９２に送達されるか、または導管１９５を介してエンジン１６０に選択的に誘導されることができる。少なくとも１つの実施形態では、保持液は、熱交換器１９６を通過することができ、それにより、保持液チャネル１３０に到達する前に保持液供給チャネル２１０内の液体燃料に熱を伝達する。その結果、保持液は、高オクタン価燃料タンク１９２またはエンジン１６０に送達される前に冷却される。
【００３６】
システム１００と同様に、システム２００の少なくとも１つの実施形態では、液体燃料に溶媒を添加して、液体燃料の蒸気圧を変更し、それにより、高オクタン価成分と低オクタン価成分の分離を増強することができる。溶媒が使用される実施形態では、溶媒は、保持液チャネル１３０内の高オクタン価成分と共に集まる。したがって、この実施形態では、高オクタン価成分は、その後、フラッシュタンク（図示せず）に誘導され、フラッシュ蒸留を受けて、高オクタン価成分が高オクタン価燃料タンク１９２またはエンジン１６０に送達される前に、溶媒から高オクタン価成分を分離することができる。
【００３７】
システム１００（掃引ガス膜蒸留）およびシステム２００（直接接触膜蒸留）で例示される実施形態では、膜蒸留による低オクタン価および高オクタン価成分（留分）の分離の主要な駆動力は、化学ポテンシャル、特に保持液チャネルと透過液チャネルの間の化学ポテンシャルの差である。チャネル間の化学ポテンシャルの差が大きいほど、駆動力が大きくなるため、成分間の分離も大きくなる。温度および分圧差は、保持液チャネルと透過液チャネルの全体的な化学ポテンシャルの差に寄与する。特に、保持液チャネルと透過液チャネルの間の温度差は、チャネル間の分圧差を作り出すのに役立ち、これにより、膜を透過液チャネルに透過させる低オクタン価成分の流れを作り出して維持する。保持液チャネルと透過液チャネルの間の温度および分圧差により、チャネル間に化学ポテンシャルの差をさらに作り出し、これは、温度、圧力、および組成と相関している。保持液チャネルと透過液チャネルの間の温度および分圧差、ならびにその結果として低オクタン価成分と高オクタン価成分の分離は、透過液チャネル内の掃引ガスと、保持液チャネルに動作可能に接続される熱交換器の両方を利用する本システムの実施形態でさらに増強される。透過液チャネル内の掃引ガスと、保持液チャネルに接続された熱交換器は相補的に作用して、掃引ガスまたは熱交換器の一方のみが使用される実施形態よりも、２つのチャネル間に温度および分圧のより大きな差を作り出す。
【００３８】
本システムおよび方法の利用により、オンデマンドのオクタンシステムがより効率的に動作することが可能になる。特に、高負荷および高エンジン速度条件では、本システムは、エンジンが分離された高オクタン価成分を消費するように構成することができる。逆に、低負荷および低エンジン速度条件では、本システムは、エンジンが分離された低オクタン価成分を消費するように構成することができる。したがって、本システムおよび方法は、内燃機関の燃料効率を改善する。さらに、本システムおよび方法により、高オクタン価成分を通常の燃料ストリームから分離できるため、製油所で複雑なプロセスを使用して高オクタン価燃料を製造することが減り、それによって、温室効果ガスの排出量（例えば、ＣＯ２排出量）が削減される。
【００３９】
本システムにより、ユーザがガソリンスタンドで使用されるのと同じ従来の燃料を使用することが可能になるという点で、本システムはまた、現在のオンデマンドのオクタンシステムなどの現在のシステムに勝る利点をもたらす。言い換えれば、ユーザは、他の車両のタンクを満タンにするのと同じように、ソース燃料タンク１０５を従来の燃料で満たすことができる。しかしながら、本システムは、従来の燃料を高オクタン価成分と低オクタン価成分に分離し、これにより、エンジンが高負荷の期間に高オクタン価成分を利用し、低負荷の期間に低オクタン価成分を利用できるので、本システムを利用する車両は、より効率的に動作することができる。
【００４０】
図３Ａ〜３Ｂおよび図４Ａ〜４Ｂは、本出願の１つまたは複数の実施形態による、９１ガソリンサロゲート燃料を低オクタン価燃料および高オクタン価燃料に分離する際の例示的な平板膜蒸留システムの性能を例示する。
【００４１】
より具体的には、図３Ａ〜３Ｂは、透過液チャネルが周囲温度の空気で構成されている場合に、掃引ガス膜蒸留構成（ＳＧＭＤ）において、保持液温度と共に体積分率（図３Ａ）およびオクタン価（図３Ｂ）がそれぞれどのように変化するかを示す。図３Ａに示すように、保持液温度が上昇すると、より多くの成分が気相に変化して膜を透過できるため、透過液の体積分率が増加する。同様に、図３Ｂのグラフに示されているように、保持液温度が上昇すると、保持液チャネルが高オクタン価成分により濃縮されるため、オクタン価の分離が増大する。
【００４２】
同様に、図４Ａ〜図４Ｂは、本出願の１つまたは複数の実施形態による、直接接触膜蒸留（ＤＣＭＤ）構成において、保持液温度と共に体積分率およびオクタン価がそれぞれどのように変化するかを示す。これらの例では、透過液チャネルは、周囲温度の９１ガソリンサロゲート燃料で構成されている。掃引ガス構成と同様に、図４Ａは、直接接触構成で保持液温度が上昇すると、より多くの成分が気相に変化して膜を透過できるため、透過液の体積分率が増加することを示す。また、保持液温度が上昇すると、保持液チャネルが高オクタン価成分により凝縮されるため、オクタン価の分離が増大する（図４Ｂ）。
【００４３】
上記の説明の大部分が、搭載型の燃料分離のためのシステムおよび方法を対象としてきたが、本明細書に開示されたシステムおよび方法は、参照されたシナリオから大きくそれたシナリオ、状況、および設定で、同様に展開および／または実装され得ることを理解されたい。このような実装形態および／または展開のいずれも、本明細書に記載のシステムおよび方法の範囲内であることをさらに理解されたい。
【００４４】
図面中の類似の数字が、いくつかの図を通して類似の要素を表すこと、および図に関連して説明され、示された構成要素および／またはステップの全てが、全ての実施形態または構成に必要とされるわけではないことをさらに理解されたい。さらに、本明細書において使用される用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書において使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに別のことを示している場合を除き、複数形も含むものと意図する。本明細書における「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」または「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（含有する）」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ（含む）」という用語およびそれらの変形は、本明細書で使用する際、述べた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しないことがさらに理解されるであろう。
【００４５】
特許請求の範囲の要素を修飾するための特許請求の範囲における「第１の」、「第２の」、「第３の」などの順序を示す用語の使用は、それ自体では、別のものに関して１つの特許請求の範囲の要素の優先順位、先行、または順序、あるいは方法の動作が実行される時間的な順序を暗示するものではなくて、特定の名前を有する１つの特許請求の範囲の要素を同じ名前を有する別の要素と区別するための（ただし、順序を示す用語を使用するための）ラベルとしてのみ使用され、特許請求の範囲の要素を区別することに留意されたい。
【００４６】
上述の主題は、単に例示として提供されており、限定されるものと解釈されるべきではない。例解され、記載された例示的な実施形態および用途に従うことなく、かつ、以降の特許請求の範囲に記載されている本発明の真の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更が、本明細書に記載された主題に対して行われ得る。
【図１】
2021514441.tif 000003
【図２】
2021514441.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2021514441.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月18日(2019.7.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜蒸留を使用した搭載型燃料分離のためのシステムであって、前記システムは、車両内に取り付けられており、
液体燃料を含むソース燃料タンク（１０５）と、
前記ソース燃料タンク（１０５）から前記液体燃料を送達するように構成されたポンプ（１１０）と、
親水性膜（１２５）、保持液チャネル（１３０）、および透過液チャネル（１３５）を備える膜モジュール（１１５）であって、前記保持液チャネルおよび前記透過液チャネルは、前記親水性膜（１２５）の反対側に配置されており、前記保持液チャネル（１３０）および前記透過液チャネル（１３５）は、供給チャネル（１４０、２０５、２１０）を介して前記ソース燃料タンク（１０５）から前記液体燃料を受け取るように構成されており、前記膜モジュール（１１５）は、膜蒸留を介して前記液体燃料を分離するように構成されており、前記膜蒸留では、前記保持液チャネルと前記透過液チャネルの間の温度および分圧の差により、前記保持液チャネル（１３０）と前記透過液チャネル（１３５）の間に化学ポテンシャルの差が生じることによって、高オクタン価留分が記保持液チャネル（１３０）内に残り、低オクタン価留分が前記親水性膜（１２５）を通って前記透過液チャネル（１３５）に拡散する、膜モジュール（１１５）と、
前記透過液チャネル（１３５）から前記低オクタン価留分を受け取るように構成された低オクタン価燃料タンク（１８０）と、
前記保持液チャネル（１３０）から前記高オクタン価留分を受け取るように構成された高オクタン価燃料タンク（１９２）と、
前記透過液チャネル（１３５）および前記保持液チャネル（１３０）に流体接続され、前記低オクタン価留分の少なくとも一部および前記高オクタン価留分の少なくとも一部を選択的に受け取るように構成されたエンジン（１６０）と、を備える、システム。
【請求項２】
前記膜モジュール（１１５）の前記保持液（１３０）および前記透過液（１３５）チャネルに前記液体燃料を送達する前に、前記液体燃料を予熱するように構成された予熱器（１２０）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記親水性膜（１２５）が、平らなシート、中空繊維、またはらせん巻きの形態である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記保持液チャネル（１３０）に流体接続され、前記保持液チャネル（１３０）の前記温度を維持して前記膜モジュール（１１５）内の前記低オクタン価留分からの前記高オクタン価留分の分離を増強するように構成された熱交換器（１９６）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記液体燃料が、ガソリン、ナフサ、またはディーゼル燃料である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
膜蒸留を使用した搭載型燃料分離のためのシステムであって、前記システムは、車両内に取り付けられており、
液体燃料を含むソース燃料タンク（１０５）と、
前記ソース燃料タンク（１０５）から前記液体燃料を送達するように構成されたポンプ（１１０）と、
親水性膜（１２５）、保持液チャネル（１３０）、および透過液チャネル（１３５）を備える膜モジュール（１１５）であって、前記保持液チャネルおよび前記透過液チャネルは、前記親水性膜（１２５）の反対側に配置されており、前記保持液チャネル（１３０）は、供給チャネル（１４０）を介して前記ソース燃料タンク（１０５）から前記液体燃料を受け取るように構成されており、前記膜モジュール（１１５）は、膜蒸留を介して前記液体燃料を分離するように構成されており、前記膜蒸留では、前記保持液チャネルと前記透過液チャネルの間の温度および分圧の差により、前記保持液チャネル（１３０）と前記透過液チャネル（１３５）の間に化学ポテンシャルの差が生じることによって、高オクタン価留分が前記保持液チャネル（１３０）内に残り、低オクタン価留分が前記親水性膜（１２５）を通って前記透過液チャネル（１３５）に拡散する、膜モジュール（１１５）と、
前記透過液チャネル（１３５）に流体接続され、掃引ガスを前記透過液チャネル（１３５）に送達するように構成されたガスチャネル（１４５）と、
前記透過液チャネル（１３５）に流体接続され、前記低オクタン価留分の少なくとも一部および前記掃引ガスを選択的に受け取り、前記掃引ガスから前記低オクタン価留分を分離するように構成されたフラッシュタンク（１７０）と、
前記フラッシュタンク（１７０）から前記分離された低オクタン価留分を受け取るように構成された低オクタン価燃料タンク（１８０）と、
前記保持液チャネル（１３０）から前記高オクタン価留分を受け取るように構成された高オクタン価燃料タンク（１９２）と、
前記透過液チャネル（１３５）に流体接続され、前記低オクタン価留分の少なくとも一部および前記高オクタン価留分の少なくとも一部を選択的に受け取るように構成されたエンジン（１６０）と、を備える、システム。
【請求項７】
前記膜モジュール（１１５）の前記保持液チャネル（１３０）への前記液体燃料の送達前に、前記液体燃料を予熱するように構成された予熱器（１２０）をさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記透過液チャネル（１３５）および前記供給チャネル（１４０）に流体接続され、前記低オクタン価留分を前記エンジン（１６０）または前記低オクタン価燃料タンク（１８０）に送達する前に前記低オクタン価留分を凝縮するように構成された凝縮器（１５５）をさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記親水性膜（１２５）が、平らなシート、中空繊維、またはらせん巻きの形態である、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記保持液チャネル（１３０）に流体接続され、前記保持液チャネル（１３０）の前記温度を維持して前記膜モジュール（１１５）内の前記低オクタン価留分からの前記高オクタン価留分の分離を増強するように構成された熱交換器（１９６）をさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項１１】
前記液体燃料が、ガソリン、ナフサ、またはディーゼル燃料である、請求項６に記載のシステム。
【請求項１２】
前記供給チャネル（１４０）が、前記低オクタン価留分および前記高オクタン価留分の前記分離を増強するための溶媒を受け取るようにさらに構成されており、第２のフラッシュタンクが、前記高オクタン価留分を前記溶媒から分離するようにさらに構成されている、請求項６に記載のシステム。
【請求項１３】
膜蒸留を使用した車両内での搭載型燃料分離のための方法であって、
液体燃料をソース燃料タンク（１０５）から膜モジュール（１１５）にポンプで送ることであって、前記膜モジュール（１１５）が、親水性膜（１２５）、保持液チャネル（１３０）、および透過液チャネル（１３５）を備え、前記保持液チャネルおよび前記透過液チャネルが、前記親水性膜（１２５）の反対側に配置されている、ポンプで送ることと、
前記膜モジュール（１１５）を介して、前記液体燃料を膜蒸留によって高オクタン価留分と低オクタン価留分に分離することであって、前記膜蒸留では、前記保持液チャネルと前記透過液チャネルの間の温度および分圧の差により、前記保持液チャネル（１３０）と前記透過液チャネル（１３５）の間に化学ポテンシャルの差が生じ、前記高オクタン価留分は前記保持液チャネル（１３０）内に集まり、前記低オクタン価留分は前記親水性膜（１２５）を通って前記透過液チャネル（１３５）に拡散する、分離することと、
前記高オクタン価留分の少なくとも一部を前記保持液チャネル（１３０）から高オクタン価燃料タンク（１９２）または前記車両のエンジン（１６０）に選択的に送達することと、
前記低オクタン価留分の少なくとも一部を前記透過液チャネル（１３５）から前記低オクタン価燃料タンク（１８０）または前記車両のエンジン（１６０）に選択的に送達することと、を含む、方法。
【請求項１４】
前記液体燃料を前記膜モジュール（１１５）に送達する前に予熱することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
熱交換器を介して前記保持液チャネル（１３０）を加熱して、前記低オクタン価留分からの前記高オクタン価留分の分離を増強することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記熱交換器（１９６）が、高温の冷却剤または排気ガスを使用して熱を生成する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
掃引ガス流を前記透過液チャネル（１３５）に通過させ、掃引ガスと前記低オクタン価留分の混合物を生成することと、
前記低オクタン価留分を前記エンジン（１６０）または前記低オクタン価燃料タンク（１８０）に送達する前に、前記低オクタン価留分を凝縮器（１５５）内で凝縮することと、
前記低オクタン価留分を前記低オクタン燃料タンク（１８０）に送達する前に、フラッシュタンク（１７０）を介して前記掃引ガスから前記低オクタン価留分を分離することと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記親水性膜（１２５）が、平らなシート、中空繊維、またはらせん巻きの形態である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記液体燃料が、ガソリン、ナフサ、またはディーゼル燃料である、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記液体燃料が膜モジュール（１１５）に入る前に、前記液体燃料に溶媒を供給することであって、前記溶媒が、前記膜モジュール（１１５）内の前記低オクタン価および前記高オクタン価留分の前記分離を増強する、供給することと、
フラッシュタンク内でのフラッシュ蒸留によって前記溶媒から前記高オクタン価留分を分離することと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【国際調査報告】
2021514441.tif 000009
2021514441.tif 000010