(57)【要約】  車両推進システム、車両燃料システム、および内燃エンジンを動作させる方法。燃料システムの一部を形成する分離ユニットは、この分離ユニットが、搭載燃料の少なくとも一部分を選択的に受け取り、オクタン富化成分とセタン富化成分とに分離し得るように、１つ以上の吸着材ベースの室を含む。吸着物の再生は、既存のシステムインフラストラクチャとの熱交換の関係によって行われる。コントローラを使用して、搭載燃料が、最初に分離ユニットを通過せずに内燃エンジン内の１つ以上の燃焼室に送られるか、または代わりに、内燃エンジンがオクタン富化またはセタン富化の混合物を必要とし得る状況では分離ユニットに送られることができるように、内燃エンジンの特定の動作条件を決定し得、分離ユニットからの吸着部および残部が、後に混合され燃焼室内で使用されるために、別々のタンクに格納されてもよい。
2021512251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両推進システムであって、
燃焼室を備える内燃エンジンと、
搭載燃料をオクタン富化成分およびセタン富化成分に変換するための燃料システムであって、前記燃料システムは、
前記搭載燃料を収容するための燃料供給タンクと、
前記燃料供給タンクと流体連通する燃料導管と、
少なくとも１つの吸着材ベースの室を含み、前記導管を介して前記燃料供給タンクと流体連通する分離ユニットであって、前記搭載燃料の少なくとも一部分を選択的に受け取って吸着物と残部とに分離するように構成された分離ユニットと、
前記分離ユニットと協働し、前記内燃エンジンの動作から生じる残留熱エネルギーを前記少なくとも１つの吸着材ベースの室に選択的に送達して、その上に形成された吸着物を加熱して気化した脱離物を生成するように構成された熱交換器と、
前記気化した脱離物を選択的に受け入れて収容するための第１の生成物タンクと、
前記残部を選択的に受け入れて収容するための第２の生成物タンクと、を備える燃料システムと、
前記内燃エンジンおよび前記燃料システムに関連付けられた動作パラメータを取得するように構成された複数のセンサと、
前記内燃エンジン、前記センサ、および前記燃料システムと協働し、前記内燃エンジンが第１の動作条件または第２の動作条件のいずれかにあるかを決定するように構成されるコントローラであって、前記内燃エンジンが前記第１の動作条件にあると決定すると、前記搭載燃料の一部分の流れを最初に前記分離ユニットを通過せずに前記燃焼室に導くように構成され、前記内燃エンジンが前記第２の動作条件にあると決定すると、前記搭載燃料の一部分の流れを前記分離ユニットに導くように構成されたコントローラと、
を備える車両推進システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの吸着材ベースの室は、複数の吸着材ベースの室を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記コントローラは、
第１の前記吸着材ベースの室へ前記搭載燃料を運搬し、前記吸着材または前記残部の一方をその上に生成すること、
前記熱交換器から第２の前記吸着材ベースの室へ残留熱エネルギーを受け取り、それによりその上に生成された前記吸着物または前記残部の一方を気化させること、
前記第１の生成物タンク、前記第２の生成物タンク、および前記燃焼室の少なくとも１つへ、前記気化した吸着物または残部を運搬すること、
その後、
前記第２の前記吸着材ベースの室へ前記搭載燃料を運搬し、前記吸着材または前記残部の一方をその上に生成すること、
前記熱交換器から前記第１の前記吸着材ベースの室へ残留熱エネルギーを受け取り、その上に生成された前記吸着物または前記残部の一方を気化させること、ならびに
前記第１の生成物タンク、前記第２の生成物タンク、および前記燃焼室の少なくとも１つへ、前記気化した吸着物または残部を運搬すること、
を指示するように構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記コントローラは、
前記吸着材ベースの室の一方または他方の飽和の検出、
所定の時間の経過、および
所定の最低温度の到達、
の少なくとも１つに基づいて、前記搭載燃料の吸着を、前記第１および第２の吸着材ベースの室の一方から、前記第１および第２の吸着材ベースの室の他方に切り替える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記エンジンの前記第１の動作条件が、
冷間始動条件および暖機条件のうちの少なくとも一方を示すエンジン温度であって、さらに、前記エンジンの前記第２の動作モードが、前記冷間始動および暖機のエンジン温度を超えるエンジン温度に対応する、エンジン温度と、
閾値レベルを下回る量のオクタン富化燃料またはセタン富化燃料である燃料をそれぞれ収容する前記第１および第２の生成物タンクのうちの少なくとも一方であって、さらに、前記エンジンの前記第２の動作モードが、冷間始動および暖機のエンジン温度を超えるエンジン温度に対応する、前記生成物タンクおよび前記燃料供給タンクのうちの少なくとも一方、のうちの少なくとも一方に対応する、請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
前記気化した脱離物が前記燃料導管の一部を介して前記燃料供給タンクに結合され、それにより前記気化した脱離物と前記燃料供給タンクとの間の熱連通時に、前記気化した脱離物の少なくとも一部が凝縮される、請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
搭載燃料をオクタン富化成分およびセタン富化成分に変換するための車両燃料システムであって、
前記搭載燃料を収容するための燃料供給タンクと、
前記燃料供給タンクと流体連通する燃料導管と、
少なくとも１つの吸着材ベースの室を含み、前記導管を介して前記燃料供給タンクと流体連通する分離ユニットであって、前記搭載燃料の少なくとも一部分を選択的に受け取って吸着物と残部とに分離するように構成された分離ユニットと、
前記分離ユニットと協働し、内燃エンジンの動作から生じる残留熱エネルギーを前記少なくとも１つの吸着材ベースの室に選択的に送達して、その上に形成された前記吸着物または残部を気化するように構成された熱交換器と、
前記気化された吸着物または凝縮された形態の前記気化された吸着物のいずれかを選択的に受け入れて収容するための第１の生成物タンクと、
前記残部を選択的に受け入れて収容するための第２の生成物タンクと、
前記燃料システムおよび内燃エンジンの動作に関連付けられた動作パラメータを取得するように構成された複数のセンサと、
前記燃料供給タンク、前記燃料導管、前記分離ユニット、前記熱交換器、前記第１および第２の生成物タンク、前記センサの少なくとも１つと協働し、内燃エンジンの動作条件を決定するように構成されるコントローラであって、第１の動作条件にあると決定すると、前記搭載燃料の一部分の流れを最初に前記分離ユニットを通過せずに前記エンジンに導くように構成されており、第２の動作条件にあると決定すると、前記搭載燃料の一部分の流れを前記分離ユニットに導くように構成されたコントローラと、
を備える、車両燃料システム。
【請求項８】
内燃エンジンを動作させる方法であって、
燃料導管を通して互いに協調し、かつコントローラによって提供された指示に応答する、搭載燃料を収容するための燃料供給タンクと、分離ユニットと、熱交換器と、第１の生成物タンクと、第２の生成物タンクとを備えるように燃料システムを構成することと、
前記コントローラを使用して前記内燃エンジンの動作条件を確認することと、
前記コントローラを使用して、前記内燃エンジンが第１の動作条件にあるときに、前記搭載燃料の一部分の流れを、最初に前記分離ユニットを通過せずに前記燃焼室に導くことと、
前記コントローラを使用して、前記内燃エンジンが第２の動作条件にあるときに、吸着物が前記分離ユニットの少なくとも１つの室の表面上に集まるような前記搭載燃料の一部分の流れを前記分離ユニットに導くことと、
を含む方法。
【請求項９】
エンジン動作の圧縮点火モード中に、前記吸着物を含む燃料部分を、残部を含む燃料部分とは個別に、前記燃焼室に搬送することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記吸着物を含む燃料部分が、圧縮行程の一部分の間に直接噴射によって前記燃焼室に導入される、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記残部を含む燃料部分が、圧縮行程の一部分の間に直接噴射によって前記燃焼室に導入される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記吸着物を含む燃料部分が、吸気行程の一部の間に空気チャージと完全に混合されたポート燃料噴射によって前記燃焼室に導入され、さらに、前記残部を含む燃料部分は、圧縮行程の一部の直接噴射によって前記燃焼室に導入される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記吸着物を含む燃料部分が、圧縮行程の一部の間に直接噴射によって導入され、さらに、前記残部を含む燃料部分は、前記燃焼室内で往復運動するピストンの上死点付近の直接噴射によって導入される、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの室は複数の室を含み、前記吸着物が第１の室の表面に集まる間、前記熱交換器からの熱が第２の室に提供されて、その上にある以前に吸着された吸着物を脱離する、請求項８から１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記コントローラは、前記熱交換器に、前記第１および第２の室が、その上にある以前に吸着された吸着物を脱離するのに十分な量の熱を交互に受け取るように命令する、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１８年１月３１日に出願された米国特許出願第１５／８８５，０９５号の優先権を主張し、その開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、概して、搭載燃料をオクタン富化成分とセタン富化成分とに選択的に分離するための車両用燃料システムに関し、より具体的には、そのような燃料分離過程に関連付けられたサイズ、重量、および複雑さを低減するような方法で、そのような搭載燃料分離の一環として熱収支を促進するようなシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
車両の推進力に使用される内燃エンジン（ＩＣＥ）の領域では、最も一般的に使用されているのは（吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程を伴う）４サイクルの諸種であり、燃焼は通常、火花点火（ＳＩ）モードの動作または圧縮点火（ＣＩ）モードの動作のいずれかを経て達成される。ＳＩベースのモードでは、圧縮とそれに続く点火プラグを介した点火とのために、空気と燃料との混合物（通常はオクタン富化のガソリン）が燃焼室に導入される。ＣＩベースのエンジンでは、燃料（通常はセタン富化のディーゼル燃料）が燃焼室に導入され、ここでは空気が高度に圧縮された形態ですでに存在しているため、圧力の上昇に伴う室内の高温により燃料が自己点火する。この２つのうち、ＣＩモードのほうが高効率で動作する傾向があり、ＳＩモードのほうが低エミッションで動作する傾向がある。
【０００４】
さまざまなエンジンの概念または構成が、ＣＩ動作モードの高効率動作を同時に満たしながら、ＳＩ動作モードの比較的低いエミッションを擬装し得る。そのような概念はさまざまな名称で知られており、ガソリン直噴圧縮点火（ＧＤＣＩ）、均一予混合圧縮点火（ＨＣＣＩ）、反応度制御圧縮点火（ＲＣＣＩ）、ならびにその他を含む。一形態では、単一の燃料を使用し得る一方、他の形態では、通常は選択的オクタン富化またはセタン富化の形態で、異なる反応度の複数の燃料を導入し得る。これらのエンジンに燃料供給する方法として、オクタンオンデマンド（ＯＯＤ）またはセタンオンデマンド（ＣＯＤ）を実行することが可能であるが、そのような過程には問題が伴い得る。例えば、それぞれのオクタンが富化された部分またはセタンが富化された部分を予め分離された形態にすることは、少なくとも２つの搭載貯蔵タンクおよび関連付けられた給送導管の並行使用を伴う。加えて、この状況での車両の燃料補給過程に関連付けられた時間および複雑さにより、操作者のエラーの可能性がかなり大きくなる。同様に、単一市場の燃料が搭載された後のＯＯＤまたはＣＯＤの生成は、搭載燃料改質インフラストラクチャのサイズ、重量、および全体的な複雑さの大幅な増加を伴う蒸留または膜ベースの透過蒸発（パーベーパレーション）過程を必要とし得る。これらの困難は、根本的な燃料富化過程に関連付けられた熱収支の達成に関連しているため、特に深刻である。そのため、そのようなインフラストラクチャを搭載燃料分離システムに統合するための簡素化されたアプローチが求められている。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の一実施形態によれば、車両推進システムが開示される。この推進システムは、燃焼室を有するＩＣＥ、ならびに搭載燃料をオクタン富化燃料成分およびセタン富化燃料成分に変換するための燃料システムを含む。燃料システムは、搭載燃料を収容するための燃料供給タンクと、燃料供給タンクと流体連通する燃料導管と、分離ユニットと、熱交換器と、第１の生成物タンクと、第２の生成物タンクと、を含む。分離ユニットは、搭載燃料の少なくとも一部分を選択的に受け取って吸着物と残部とに分離し得るように、１つ以上の吸着材ベースの室を含む。熱交換器は分離ユニットと連携して、ＩＣＥの動作から生じる残留熱エネルギーを少なくとも１つの吸着材ベースの室に選択的に送り、少なくとも一部の吸着物を加熱して気化（つまり、脱離）させる。一形態では、第１の生成物タンクを使用して脱離物を収容することができ、第２の生成物タンクが残部を収容することができる。コントローラを使用して、前記ＩＣＥが前記第１の動作条件にあると決定すると、前記コントローラは、前記搭載燃料の一部分の流れを最初に前記分離ユニットを通過せずに前記燃焼室に導き、前記コントローラは、前記ＩＣＥが前記第２の動作条件にあると決定すると、前記コントローラは、前記搭載燃料の一部分の流れを前記分離ユニットに導くようにし得る。
【０００６】
本開示のさらに他の実施形態によれば、燃料システムが開示される。前記燃料システムは、前記搭載燃料を収容するための燃料供給タンクと、前記燃料供給タンクと流体連通する燃料導管と、分離ユニットと、熱交換器と、第１の生成物タンクと第２の生成物タンクと、を含み、ＩＣＥおよび燃料システムと協働するコントローラは、前記ＩＣＥが第１の動作条件と第２の動作条件のいずれにあるかを決定するように構成され、前記コントローラは、前記ＩＣＥが前記第１の動作条件にあると決定すると、前記コントローラは、前記搭載燃料の一部分の流れを最初に前記分離ユニットを通過せずに前記燃焼室に導くように構成されており、前記コントローラは、前記ＩＣＥが前記第２の動作条件にあると決定すると、前記コントローラは、前記搭載燃料の一部分の流れを前記分離ユニットに導くように構成されている。
【０００７】
本開示のさらに別の実施形態によれば、内燃エンジンを動作させる方法が開示される。この方法は、搭載燃料供給タンク、分離ユニット、熱交換器、第１の生成物タンク、および第２の生成物タンク、ならびに燃料導管を有するように燃料システムを構成することを含む。コントローラは、コントローラが、ＩＣＥの動作状態を確認し、次いでエンジンの動作条件に応じて搭載燃料の一部分の流れをエンジンの燃焼室または分離ユニットのいずれかに導くことができるように、他のコンポーネントのうちの少なくともいくつかに指示を提供する。第１の確認されたエンジン条件では、搭載燃料の流れは、分離ユニットと相互作用せず、代わりにエンジンによる即時使用のために燃焼室に向かう。第２の確認されたエンジン条件では、搭載燃料の吸着材部分が分離ユニットの複数の室のうちの少なくとも１つの表面上に集まるように、搭載燃料の流れは、分離ユニットと相互作用する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読むことで、最もよく理解することができる。
【図１】図示または説明される１つ以上の実施形態によるエンジンの部分断面図によって、車両を示す。
【図２】図示または説明される１つ以上の実施形態によるコントローラと共に図１のエンジンのシリンダーの簡略断面図を示す。
【図３】図示または説明される１つ以上の実施形態による搭載燃料分離システムの簡略図を示す。
【図４】図３の搭載燃料分離システムで使用され得る特定の吸着材官能基上での高芳香族燃料化合物の吸着率を示す。
【図５】図示または説明される１つ以上の実施形態による３つの別個の期間下の例示的な吸着材流速を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示では、吸着ベースの分離システムを使用して、２つの特有のメカニズム、つまり、（１）搭載燃料供給に存在する特有の吸着物（芳香族、環式、および任意の含酸素添加剤）を誘引する異なる官能基を用いること、および（２）モレキュラーシーブを使用して、特定のより小さい（つまり、直鎖）分子を選択的に通過させながら、より大きい（つまり、分岐した）分子を保持すること、のうちの１つを利用することにより、搭載燃料をＯＯＤまたはＣＯＤストリームに分割し得る。第１のタイプの吸着材の例として、活性炭、シリカ、およびアルミナ、ならびに一般にいくつかのタイプのゼオライトおよび機能化多孔質材料が挙げられ、第２のタイプの例として、ゼオライト、金属有機フレームワーク、および構造化多孔質材料が挙げられる。本文脈において、燃料は、１つ以上の分離過程が用いられている市販の燃料よりも高い濃度のイソオクタン（２，２，４−トリメチルペンタンＣ８Ｈ１８）または等価なアンチノッキング剤を有するときに、オクタン富化であると見なされる。例として、いわゆるレギュラーグレードの無鉛燃料について、約９１−９２よりも大きいリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）または約８５−８７よりも大きい耐ノックインデックス（ＡＫＩ）を有し、中グレードの無鉛燃料およびプレミアム無鉛燃料の値がそれぞれわずかに高い場合、燃料は、オクタン富化であると見なされる。本文脈において、ＲＯＮ、ＡＫＩまたは他のオクタンインデックスもしくはセタンインデックスの値に地域的な変動があり、前の文において明示的に記載されたものは米国市場を想定していることが理解される。それにも関わらず、そのような値は、これらの地域の変動を考慮して好適に調整され、すべてのそのような値は、各地域、国または関連する管轄内の本開示の範囲内であると見なされることが理解される。燃料は、オクタンと同様に、市販の燃料のものよりも高い濃度のｎ−セタン（ｎ−ヘキサデカン）（Ｃ１６Ｈ３４）、または等価な点火遅れ特性を有する成分を有するときに、セタン富化であると見なされる。例として、約４０〜４５を超えるセタン価（ＣＮ）を有する場合（他の好適なバリエーションがある、米国市場のほとんどの場合）、燃料は、セタン富化であると見なされる。
【００１０】
まず図１を参照すると、車両１００は、複数の車輪１２０を有するシャーシ１１０を含む。シャーシ１１０は、ボディオンフレームまたはユニボディ構造のいずれかであり得、両方の構成は、本開示の範囲内であると見なされる。乗員室１３０は、シャーシ１１０の内部に形成されており、乗客および貨物を輸送するための場所としてだけでなく、運転者が車両１００を操作し得る場所としても機能する。ガイダンス装置（とりわけ、ステアリングホイール、アクセル、ブレーキなどを含み得る）１４０は、シャーシ１１０および車輪１２０ならびに車両１００の動きを制御する他のシステムと協調的に使用される。ＩＣＥ１５０は、シャーシ１１０内またはシャーシ１１０上のエンジンコンパートメント内に設置されて車両１００に推進力を提供する一方で、コントローラ１７０は、ＩＣＥ１５０と相互作用して後者の動作に関する指示を提供する。
【００１１】
次に図２を参照し、ＩＣＥ１５０およびコントローラ１７０の一部分の構造および動作に関連付けられた詳細を示す。ＩＣＥ１５０は、多数のシリンダー１５２を有するエンジンブロック１５１と、ブロック１５１内で回転可能に移動可能なクランクシャフト１５３と、クランクシャフト１５３の動きに応答する多数のカム１５４と、エンジンブロック１５１に結合されて多数の燃焼室１５６を画定するヘッド１５５と、を含む。ヘッド１５５は、入口バルブ１５７と排気バルブ１５８（各１つのみが示されている）を含み、一形態では、クランクシャフト駆動チェーン、クランクシャフト作動プッシュロッド、または空気圧アクチュエータ（いずれも図示せず）のいずれかによって制御されるカム１５４のうちの対応する１つを介してクランクシャフト１５３に応答して移動するようにばね付勢され得る。空気入口１５９および排気ガス出口１６０は、燃料噴射器１６１を通して燃焼室１５６の各々と選択的に流体連通する一方、ピストン１６２は、それぞれの各シリンダー１５２内に受け入れられており、かつ接続ロッド１６３を通してクランクシャフト１５３に結合されており、これにより燃焼室１５６内で起こるＳＩ燃焼またはＣＩ燃焼に応答したピストン１６２の往復運動は、コネクティングロッド１６３およびクランクシャフト１５３の枢動運動によってクランクシャフト１５３の回転運動に変換され、ＩＣＥ１５０およびトランスミッション、車軸、ディファレンシャル（いずれも図示せず）、および車輪１２０で形成されるパワートレインの残部へのその後の動力伝達に供される。ＩＣＥ１５０は、さまざまなＣＩベースのエンジン構成（ＲＣＣＩ、ＨＣＣＩ、または同様のものなど）と一貫した態様で火花点火装置（スパークプラグなど）を有さずに示されているが、特定の動作負荷、または低負荷、冷間始動、および関連付けられた暖機などの条件では、そのような火花点火を（場合によっては、いくつかのスロットルと組み合わせて）使用して、低シリンダー圧力を維持しながら火炎伝播燃焼速度を増加させ得ることが理解されよう。
【００１２】
一形態では、ＩＣＥ１５０は、ガソリンベースの燃料で動作することができるガソリン圧縮点火（ＧＣＩ）エンジンとして構成されている。そのような場合、本開示の燃料システムを使用して、市場ガソリン、含酸素添加剤または関連するアンチノック化合物を含まないガソリン（ベースガソリンとも呼ばれる）、または各種アルキル、芳香族、またはアルコールのうちの１つを有するガソリンを含むさまざまな燃料での動作によってＣＯＤを達成し得る。非限定的な一例では、そのような燃料は、周囲温度から２００℃の範囲内の沸点を有していてもよい。実質的に燃料が実質的に４サイクル動作の入口行程中に噴射される動作のＳＩモードとは異なり、ＧＣＩモードでは、圧縮行程中に燃料を実質的に噴射する。一形態では、燃料と空気とは完全には混合されないため、噴射プロセスによって燃焼プロセスの段階を制御することを許容する。また、ディーゼルベースの燃料との対比でガソリンベースの燃料によって許容される点火遅れにより、部分的に予混合された燃料および空気が圧縮中にさらに混合され、ひいては燃焼の改善につながることとなる。ある程度の量の燃料と空気との予混合があるガソリンベースの市場燃料は、さまざまなエンジン負荷と関連付けられた燃料噴射タイミングのシナリオとに好適な燃料−空気当量比を確保することを支援する。したがって、（例えば、ＲＯＮが約６０より大きく、かつＣＮが約３０未満である）ガソリン自動点火範囲で燃料を使用するＩＣＥ１５０は、ＧＣＩエンジンとして構成されているとき、従来のディーゼル燃料と比較して比較的長い点火遅延時間を提供することができる。このことは、ひいては、燃料−空気混合と関連するエンジン効率とをより少ないすすおよびＮＯｘの形成と共に改善し、この後者の改善により、ＮＯｘおよびすすを同時に制御しようとするのではなく、酸素富化環境で炭化水素および一酸化炭素を酸化することに重点が置かれるため、排気ガス処理システムが簡素化される。また、ＩＣＥ１５０は、ＧＣＩエンジンとして動作するとき、ディーゼルベースのＣＩエンジンよりも低燃料噴射圧力を必要とする。
【００１３】
さらに、ＩＣＥ１５０は、ＧＣＩエンジンとして構成されているとき、処理量がより少なくて済むガソリンベースの市場燃料を利用してもよく、一形態では、燃料は、約７０〜８５の中間のＲＯＮを有するガソリンの形態をなしてもよい。そのようなオクタン濃度は、次いで、本開示の他の箇所でより詳細に記載される燃料システム２００の動作によってＯＯＤまたはＣＯＤを介して調整されてもよい。
【００１４】
また、燃料および空気が燃焼室１５６内に導入される前に完全に予混合されるＨＣＣＩ動作モードとは異なり、ＩＣＥ１５０のＧＣＩ実施形態は、エンジンのノッキングを気にすることなく、より高いエンジン負荷および圧縮比の下でのＣＩ動作を許容するものである。さらに、ＧＣＩとして構成されたＩＣＥ１５０は、シリンダー内の温度と圧力との組み合わせが正確にわからない場合があるＨＣＣＩ構成と比較して燃焼プロセスを制御することをより容易にするために、燃焼段階のサイクル内制御を許容することによって、燃料噴射タイミングを利用することができる。
【００１５】
別の形態では、ＩＣＥ１５０は、ガソリンベースの燃料で動作することができるＳＩエンジンとして構成されている。この場合、本開示の燃料システムを使用して、市場ガソリン、含酸素添加剤または関連するアンチノック化合物を有さないガソリン、または各種アルキル、芳香族、またはアルコールのうちの１つを含むガソリンを含むさまざまな燃料での動作によってＯＯＤを達成し得る。
【００１６】
コントローラ１７０は、以下でより詳細に記載されるように、センサＳからデータを受信し、かつ燃料システム２００のさまざまな部分に論理ベースの命令を提供するために、使用される。当業者によって理解されるように、コントローラ１７０は、図１および図２において概念的に示されるような単一のユニット、または車両１００中の分散したセットのユニットのうちの１つであってもよく、この後者の構成は、図３に概念的に示される通りである。一構成では、コントローラ１７０は、燃料システム２００の動作のみに関連付けられたもののように、より少数のコンポーネント機能と関連付けられたより離散的なセットの動作能力を有するように構成されてもよい。燃料システム２００の動作に関連する機能を実行することのみに関連付けられたそのような構成では、コントローラ１７０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として構成されてもよい。別の構成では、コントローラ１７０は、燃料システム２００と併せて、または別個に、ＩＣＥ１５０などのより多くのコンポ―ネントを制御するように機能するように、より包括的な能力を有してもよい。この構成では、コントローラ１７０は、１つ以上の電子制御ユニット（ＥＣＵ）として具現化されてもよい。ＡＳＩＣ、ＥＣＵ、およびそれらの変形は、コントローラ１７０によって実行される機能の構成および範囲に関わらず、本開示の範囲内にあると見なされることは明らかである。
【００１７】
一形態では、コントローラ１７０は、１つ以上の入出力（Ｉ／Ｏ）１７０Ａ、マイクロプロセッサまたは中央処理装置（ＣＰＵ）１７０Ｂ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）１７０Ｃ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１７０Ｄを具備し、これらはそれぞれバス１７０Ｅによって接続されて、信号ベースのデータの受信と、さらにはＩＣＥ１５０内のコンポーネントのうちの１つ以上、燃料システム２００内の１つ以上の構成要素、ならびに信号ベースの命令に応答する車両１００内の他のコンポーネントへのコマンドまたは関連する命令の送信と、のための論理回路についての接続性を提供する。さまざまなアルゴリズムおよび関連する制御ロジックは、当業者に既知の方法でＲＯＭ１７０ＣまたはＲＡＭ１７０Ｄに格納されてもよい。そのような制御ロジックは、コントローラ１７０によって動作し得る事前にプログラムされたアルゴリズムまたは関連するプログラムコードで具現化され、その命令が次いでＩ／Ｏ１７０Ａを介して燃料システム２００に伝達されてもよい。Ｉ／Ｏ１７０Ａの一形態では、さまざまなセンサＳからの信号がコントローラ１７０と交換される。センサは、ＩＣＥ１５０、燃料システム２００、および関連する車両コンポーネントの動作に関連付けられた１つ以上のパラメータを受信するための圧力センサ、温度センサ、光センサ、音響センサ、赤外線センサ、マイクロ波センサ、タイマ、または当該技術分野において既知の他のセンサを含んでもよい。例えば、一つ以上のセンサＳは、オクタン富化燃料成分又はセタン富化燃料成分の最小閾値レベルが、各富化生成燃料タンク２５０、２６０に存在するかどうかを決定するために使用されてもよい。示されていないが、コントローラ１７０は、移動および安定性制御動作に関連付けられたものを含む、車両１００の他の操作性コンポーネントに結合されてもよい一方、コントローラ１７０がさまざまな分散されたユニットから形成される状況では、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）バスに関連付けられたものなどの追加の配線（これは、バス１７０Ｅと協調するか、または他の方法でバス１７０Ｅの一部分として形成されてもよい）がまた、含まれてもよい。
【００１８】
コントローラ１７０が、燃料システム２００以外にも（例えば、ＩＣＥ１５０または車両１００内の他のシステムの１つ以上の動作に）制御を提供するように構成されている状況では、追加のセンサＳからの他のそのような信号も、制御ロジックによる好適な処理のためにコントローラ１７０に信号で提供されてもよく、１つのそのような例としては、燃料と空気との混合または関連する給送に対する制御のためにＩＣＥ１５０からの燃焼データが提供される場合が挙げられる。同様に、ＩＣＥ１５０動作のさまざまなモードと一貫する態様で、コントローラ１７０は、燃料噴射器ドライバ１７０Ｆ、火花プラグドライバ（ＳＩ動作モード用の火花点火ドライバとも呼ばれる）１７０Ｇ、エンジンバルブ制御部１７０Ｈ、および、負荷速度範囲の実質的に全体にわたって、ＩＣＥ１５０の円滑な動作および低ＮＯｘエミッションを促進する方法としてのマルチ遅延噴射、成層混合、低温燃焼（ＬＴＣ）プロセスに関連付けられたものを含む、燃焼室１５６へのさまざまな形態の燃料導入を提供することを支援するために使用することができる他のものを含む、ＩＣＥ１５０内のさまざまなコンポーネント用のドライバでプログラムされてもよい。本文脈内では、ＩＣＥ１５０の負荷速度マッピングを使用して、冷間始動およびＩＣＥ１５０暖機、低ＩＣＥ１５０負荷、中ＩＣＥ１５０負荷、高ＩＣＥ１５０負荷中に使用されるもののような動作領域を識別してもよく、この場合に、場合によっては、燃焼制御、排気ガスエミッション削減、またはＩＣＥ１５０用の他の操作性調整のうちの１つ以上を提供することを支援するための排気ガス再循環（ＥＧＲ）などの他のアプローチと併せて、排気バルブ１５８に対する吸気バルブ１５７のオーバーラップを操作することにより、より少ない量の排気ガスの再呼吸が行われる。
【００１９】
コントローラ１７０は、燃焼制御、エミッション削減などの指示を提供することに加えて、所与の負荷のセットおよび関連する動作条件に対してＩＣＥ１５０を動作させるために必要とされるＯＯＤまたはＣＯＤの生成をもたらすために、導管２１０およびさまざまなアクチュエータ、バルブおよび関連するコンポーネントと相互作用して、燃料供給タンク２２０、予熱器２３０、分離ユニット２４０、熱交換器２４３、および富化生成物燃料タンク２５０、２６０からの市場燃料の給送の動作を制御する。ＣＡＮの一形態では、コントローラ１７０は、燃料供給タンク２２０または富化生成物タンク２５０、２６０の一方または両方のいずれかから燃焼室１５６への燃料流を管理し得、この場合にＯＯＤまたはＣＯＤに対応する２つの燃料が別個に、または負荷、速度、およびＩＣＥ１５０の動作に関連付けられた他の任意のパラメータに応じて異なる比率で燃焼室１５６内に導入される前に混合されることにより、噴射される。
【００２０】
特に、コントローラ１７０は、さまざまなＣＩエンジン構成のためのカスタマイズ可能な燃料噴射とその後の燃焼ストラテジとを促進するのに有用である。例えば、コントローラ１７０は、ＧＣＩベースのエンジンと併せて使用されるとき、エンジンの４サイクル動作の圧縮段階の後半で段階的に燃料を噴射するように命令してもよい。このように、燃料チャージは、局所的な化学量論的特性と全体的成層化特性の両方を有すると考慮することができる。重要なことに、オクタン富化燃料（例えば、ガソリン）は、セタン富化燃料（例えば、ディーゼル）に対して高揮発性かつ長点火遅延であるため、圧縮行程でオクタン富化燃料を燃焼室１５６に比較的遅く導入し、燃料固有の点火遅延（追加の燃料−空気混合を促進することを支援する）を利用することによって、燃焼は噴射が終了するまで開始しない。望ましい程度の成層化を達成するために、複数の噴射を使用してもよい。成層燃料燃焼に関連付けられたＬＴＣ条件下で動作することによって、ＧＣＩエンジンは、ディーゼルのような熱効率を達成しながら、ＮＯｘ生成およびすすエミッションを大幅に削減することができる。また、そのようなアプローチは、車両１００が、それ以外で使用されるよりも低いオクタンを有する搭載市場燃料を使用することを許容する。これは、そのような燃料が従来のガソリンおよびディーゼル燃料よりも少ない処理量で済むという点で有益であり、ひいてはこれにより、ＣＯ２などの他の望ましくない物質の油井からタンクまでのエミッション全体が削減される。
【００２１】
ＧＣＩエンジンに加えて、コントローラ１７０によって提供されるそのような命令は、そのような給送が、自動点火が行われるときの制御を支援するためにセンサＳがクランクシャフト１５３からのクランク角度（ＣＡＤ）値を検出するときにセンサＳによって測定され得る圧縮行程でのさまざまなシーケンスと一致するときに最適化されるため、ＲＣＣＩまたはＩＣＥ１５０の関連する動作モードでの燃料の給送に使用されるマルチ遅延噴射ストラテジに特に有益である。本文脈において、シリンダー１５２内のピストン１６２の位置は、通常、ピストン１６２の上死点（ＴＤＣ）位置の前後のＣＡＤを参照して説明される。コントローラ１７０はまた、そのような給送ストラテジを、前述の負荷およびエンジン速度などの他のＩＣＥ１５０の動作パラメータ、ならびにそのような噴射が企図される回数に基づくものとし得る。例えば、０°〜１８０°のＣＡＤはパワーストロークに対応し、０°はＴＤＣを表し、１８０°は下死点（ＢＤＣ）を表す。同様に、１８０°〜３６０°のＣＡＤは排気ストロークを表し、後者はＴＤＣを表す。さらに、３６０°〜５４０°のＣＡＤは、後のＢＤＣでの吸気ストロークを表す。さらに、５４０°〜７２０°のＣＡＤは、後のＴＤＣでの圧縮ストロークを表す。一例として、コントローラ１７０は、６気筒エンジンで使用される場合、クランクシャフト１５３の１２０°回転ごとに点火が行われ、すなわち、ＩＣＥ１５０が１回転するごとに３回点火する。したがって、６つのシリンダーのそれぞれが一度点火すると、クランクシャフト１５３は２回回転して回転運動７２０°を横切る。同様に、ＩＣＥ１５０が４気筒エンジンとして構成されているとすると、点火は、クランクシャフト１５３の１８０°の回転ごとに行われる。一形態では、センサＳの１つは、クランクシャフト１５３の位置または回転速度を監視するクランクセンサであってもよい。そのようなクランクセンサから取得されたデータは、火花点火器が使用されているそれらの環境の点火タイミング（冷間始動、それに続く暖機など）を含む燃料噴射タイミングおよび他のＩＣＥ１５０パラメータを決定するための処理のためにコントローラ１７０に送られる。クランクセンサなどのセンサＳは、可変のバルブタイミングを用いてＩＣＥ１５０構成のバルブ１５７、１５８とピストン１６２との間の関係を監視するために、他のセンサＳ（バルブ１５７、１５８の位置に関連付けられたセンサなど）と組み合わせて使用されてもよい。そのようなタイミングは、吸気行程の初期段階で吸気弁１５７を閉じる一方で、排気行程の初期段階で排気弁１５８を閉じることができるという点で、ＩＣＥ５０のＣＩ動作モードで有用であり、コントローラ１７０によって実施されるような動作は、ＣＩ燃焼に関連付けられた必要な温度および圧力を得るために、ＩＣＥ１５０の有効圧縮比を調整するために使用することができる。同様に、ＳＩ燃焼が必要とされるとき、コントローラ１７０は、バルブ１５７、１５８に、ＳＩ動作と一貫して圧縮比を低減するように命令してもよい。同様に、コントローラ１７０は、ＩＣＥ１５０の必要性に応じて、燃料準備（空気−燃料混合物中のフリーラジカルの生成など）のために補助火花発生を提供���てもよい。感知された入力（クランクシャフト１５３からのＣＡＤを含むＩＣＥ１５０内のさまざまな箇所からの入力、ならびに誘導装置１４０の加速器などのドライバベースの入力からの入力など）を使用して、負荷の指標を提供してもよい。同様に、バルブ１５６、１５７の好適な調整に加えて、１つ以上の燃料ポンプ２７０によって提供される加圧力を用いた富化生成物タンク２５０、２６０の各々からのバランスの取れた燃料供給を、ＩＣＥ１５０がＣＩ動作モードにあるか、またはＳＩ動作モードにあるかに応じてコントローラ１７０により達成してもよい。
【００２２】
コントローラ１７０は、監視モデル予測制御（ＳＭＰＣ）スキームまたはその変形などのモデル予測制御スキーム、または多入力多出力（ＭＩＭＯ）プロトコルなどを使用して実装されてもよく、この場合に入力は、本開示の別の箇所に記載されたさまざまな燃焼後排気ガス処理コンポーネントに関連付けられた多数の値、センサＳ（排気ガス温度センサ、Ｏ２センサ、ＮＯｘセンサ、ＳＯｘセンサなど）、（ルックアップテーブルから、またはアルゴリズムで計算されたものなどの）推定値などを含む。そのようにして、センサＳからの１つ以上の検知値に関連する出力電圧がコントローラ１７０によって受け取られ、次いで、差分に基づいて、特定の動作条件を示す出力が生成されるように、デジタル化され、所定のテーブル、マップ、マトリックス、またはアルゴリズム値と比較される。これらの出力は、燃料システム２００に関連付けられた残りのコンポーネントなどの、コントローラ１７０の範囲内のさまざまなコンポーネントの調整に使用することができる。
【００２３】
上述のように、一形態では、コントローラ１７０に、ＲＯＭ１７０ＣまたはＲＡＭ１７０Ｄ内に含まれ得るルックアップテーブルにさまざまなパラメータ（大気圧、周囲空気温度および流速、排気ガス温度および流速など）を事前にロードしてもよい。別の形態では、コントローラ１７０は、プロセッサ１７０Ｂがさまざまなセンサからの入力に基づいて好適な論理ベースの制御信号を生成することを可能にする１つ以上の式ベースまたは法則ベースのアルゴリズムを含んでもよいのに対して、さらに別の形態では、コントローラ１７０は、その監視機能および制御機能を促進するためのルックアップテーブル機構とアルゴリズム機構との両方を含んでもよい。これらの形式のデータおよび計算の相互作用のいずれが用いられるかに関わらず、コントローラ１７０は、関連付けられたセンサＳおよび関連付けられたフロー制御導管２１０と共に、協調することにより、ＩＣＥ１５０の動作負荷が変化するにつれて、燃料供給タンク２２０に存在する市場燃料の好適な調整を行って、搭載燃料を富化生成物燃料タンク２５０、２６０からの生成物燃料の一方または他方と混合することにより、そのような動作負荷に必要な料のオクタン富化またはセタン富化を提供してもよい。
【００２４】
コントローラ１７０に事前にロードされるか、またはコントローラ１７０によって生成され得るＩＣＥ１５０の１つのパラメータは、平均有効圧力（ＭＥＰ）である。一形態では、ＭＥＰを使用して、ＩＣＥ１５０の動作条件を燃料の必要性およびさまざまなＣＩエンジン構成について前に記載されたマルチ遅延噴射ストラテジのさまざまな形態に関連付けてもよい。ＭＥＰの変形である、示された平均有効圧力（ＩＭＥＰ）、ブレーキ平均有効圧力（ＢＭＥＰ）、または摩擦平均有効圧力（ＦＭＥＰ）を含むＭＥＰは、シリンダー１５２の数または関連するＩＣＥ１５０の排気量に関わらず機能する特定のＩＣＥ１５０の能力の値を提供する。さらに、生成されたトルクに対応する圧力の尺度が提供され、そのため、その４サイクルの異なる部分（吸気、圧縮、点火、排気）中、ピストン１６２に作用する平均圧力と考えることができる。実際、ＭＥＰはエンジンの速度やサイズから独立しているため、エンジンの設計と出力を比較するためにトルクよりも優れたパラメータである。さらに、ＭＥＰは、生成されるトルクがＭＥＰと排気量のみの関数であり、一方、馬力はトルクおよびｒｐｍの関数であるという点で、エンジンに対して他のメトリック（馬力など）よりも優れた指標を提供する。したがって、所与の排気量では、最大ＭＥＰが高いほど、より大きいトルクが生成されることを意味するが、所与のトルクでは、最大ＭＥＰが高いほど、より大きいトルクがより小さいＩＣＥ１５０から得られることを意味する。同様に、最大ＭＥＰが高いほど、ＩＣＥ１５０の応力および温度がより高くなる相関があり得、このことは、ひいては、ＩＣＥ１５０の寿命、またはＩＣＥ１５０の追加の構造強化の程度の標示を提供する。重要なことは、好適な分析的予測と相まって、広範なダイナモメーターのテストにより、ＭＥＰが最新のエンジン設計でよく知られるようになることである。そのため、自然吸気（つまり、非ターボ過給）ＣＩエンジンの場合、最大トルク（約３０００ｒｐｍ）に対応するエンジン速度では、約７．０バール〜約９．０バールのＭＥＰ値が一般的であり、ターボ過給ＣＩエンジンの場合、約１０．０バール〜約１２．０バールのＭＥＰが典型的である。自然吸気ＳＩエンジンの場合、約８．５バール〜約１０．５バールのＭＥＰ値が一般的であり、ターボ過給ＳＩエンジンの場合、ＭＥＰは約１２．５バール〜約１７．０バールの間になる場合がある。
【００２５】
同様に、ＩＣＥ１５０のさまざまな動作領域に対してＭＥＰ値を決定してもよい。そのような動作レジームは、一形態では最大約１．０バールのＭＥＰ、別の形態では最大約２．０バールのＭＥＰに対応する低出力または低負荷（例えば、エンジンアイドリング条件を含む）を含み得る。同様に、そのような動作レジームには、一形態では約２．０バール〜約５．０バールのＭＥＰ、別の形態では約２．０バール〜約６．０バールのＭＥＰ、別の形態では約２．０バール〜約７．０バールのＭＥＰに対応する通常の（または中）電力または負荷を含み得る。さらに、そのような動作レジームは、一形態では約７．０バール以上のＭＥＰ、別の形態では約８．０バール以上のＭＥＰ、別の形態では約９．０バール以上のＭＥＰ、および別の形態では約１０．０バール以上のＭＥＰに対応する高出力または負荷を含み得る。
【００２６】
理解されるように、これらおよび他のＭＥＰ値は、メモリアクセス可能な箇所（前述のルックアップテーブルなど）に記憶され得る好適にマッピングされたパラメータセットに入力されてもよく、そのため、これらの値を使用して、さまざまなＩＣＥ１５０の動作パラメータ、ならびに診断能力で動作するときのコントローラ１７０を調整してもよい。そのような場合、（クランクシャフト１５３の角度などによって）シリンダー１５２の容積を測定するために使用することができるセンサを含むセンサＳのいくつかと連動して動作する場合がある。
【００２７】
次に図３を参照し、燃料システム２００の複雑なシステム冗長性を回避しながら搭載ＣＯＤおよびＯＯＤ動作を実行することに関連付けられた熱収支を管理することに関連付けられた詳細を示す。重要なことに、既存の搭載燃料給送およびＩＣＥ１５０動作インフラストラクチャを利用することによって、ＩＣＥ１５０の追加の機器または効率を低下させる動作モードを必要とせずに、さまざまな吸着および脱離ベースの再生過程を促進するために必要な車上冷却および加熱を達成することができる。燃料システム２００は、導管２１０を形成する必要性に応じて、搭載燃料およびその燃料副産物の流れを優先的に許容または阻止するためのさまざまなバルブと共に、パイプ、配管または関連するフローチャネルのネットワークを含む。燃料供給タンク２２０は、市場燃料（例えば、従来のまたはより低グレードのガソリン）の貯蔵用の主タンクとして使用される。予熱器２３０は、導管２１０を介して燃料供給タンク２２０から送出される燃料に熱的に結合されており、ＩＣＥ１５０の燃焼室１５６または分離部２４０のいずれか（いずれかが、導管２１０を介して燃料供給タンク２２０に流体結合されている）に給送されている市場燃料が加熱される必要がある場合、予熱器２３０から熱エネルギーを受け取ることができる。予熱器２３０は、一形態では電気ヒーターまたは別の形態では熱交換器としてよい。
【００２８】
重要なことに、燃料システム２００は、ＩＣＥ１５０の燃焼室１５６内で行われる燃焼プロセスの廃熱からの熱など、車両１００からの残留熱エネルギーを使用して動作し得る。この既存の熱の使用は、コンポーネントの冗長性を低減することにより、システムのコンパクトさをさらに促進することに寄与する。前述のように、バッチ様処理アプローチは、すべてがハウジングまたは関連する格納構造内で、一対の室２４１、２４２が再生器２４３と熱連通して配置される分離ユニット２４０内で行われるようになされてもよい。したがって、第１の室２４１は、導管２１０および任意の予熱器２３０を通して燃料供給タンク２２０から市場燃料を受け取ると、芳香族（すなわち、オクタン富化）化合物を流体的に受け入れるように、サイズ設定および成形されており、これにより、本開示で以下により詳細に記載されるように、室２４１の表面への芳香族の接触により、室２４１を形成する吸着物内に含有される、または吸着物の表面上に形成される好適な官能基の優先的作用などによって、ＯＯＤのためのオクタン富化吸着物の生成がもたらされる。分離ユニット２４０の２室構造は、室２４１でオクタン富化吸着が行われている間、他方の室２４２で以前に飽和した吸着材が、再生器２４３を通して吸着材を高温（ＩＣＥ１５０からの排気ガス、またはラジエータベースの冷却システムなどからの高温冷却剤からなど）に曝露することによって再生されるようになっている。この潜熱または廃熱の追加およびその後のオクタン富化吸着物の気化により、蒸発した吸着物が脱離されて放出され、例えば燃焼室１５６で後で使用するためにオクタンに富む生成物タンク２６０に送られる。吸着室２４１、２４２における吸着材の異なる選択により、サイズ選択性の吸着材の使用によって、（オクタン富化吸着物ではなく）セタン富化吸着物が、ＣＯＤに対して同等の態様で形成され得る。一形態では、そのようなＯＯＤ特有の過程およびＣＯＤ特有の過程は、多段構成の分離ユニット２４０によって達成されてもよく、この場合に各々が室２４１、２４２のうちの１つ以上を有する順次配置されたユニットが配置されてもよく、各々が好適な親和性ベースまたはサイズ選択性の吸着材で構成されている。したがって、一形態では、好ましくは、含酸素添加剤または二重結合ベースのアルキルなどの、芳香族または関連する機能性燃料成分を保持するように構成された吸着材の動作によって、市場燃料のオクタン富化部分の多くが吸着室２４１の表面上に形成する一方、セタン富化部分の多くが通過して残りとなり、その後、（図示のように）セタン富化生成物タンク２５０に、または燃料供給タンク２２０に（図示しない）戻すことができる。本文脈内では、用語「吸着」、「吸着物」およびそれらの変形は、室２４１、２４２を形成する吸着材と（バルク吸収によるのではなく）表面保持により相互作用する搭載燃料のそれらの部分を含む一方、用語「脱離」、「脱離物」およびそれらの変形は、何らかの再生作用の結果として吸着材から後に遊離される吸着物のそれらの部分を含む。非限定的な一形態では、そのような脱離は、吸着物を気化させるのに十分な量の熱を室２４１、２４２に加えることによって行われてもよい。さらに、化学反応とは異なり、吸着は物理的現象であることは分かるであろうが、特定の状況では化学吸着という用語が使用されてもよい。同様に、本文脈内では、残部（濾液とも呼ばれる）は、前に記載された官能基（親和性ベース）またはモレキュラーシーブ（サイズ選択性）の動作の一方または両方を通してなど、吸着されていない室２４１、２４２内の吸着材に曝露される市場燃料の部分である。
【００２９】
分離ユニット２４０の２室構造は、オクタン富化燃料またはセタン富化燃料のバッチ処理に役立つ。特に、２つの室２４１、２４２は、一方がオクタン富化吸着物の薄膜を優先的に捕捉するための吸着材として使用されている間、他方が、以前に収集された吸着物を脱離することにより吸着材を再生するために、ＩＣＥ１５０の動作からの潜熱に曝露され得るように、並行して動作し得、その後、２つの室２４１、２４２の役割は、導管２１０の一部を形成するバルブ（図示せず）のコントローラ１７０による操作によって逆転される。車両１００の重量をあまり増やさないコンパクトな分離ユニット２４０を有するために、吸着材粒子と２つの室２４１、２４２を構成する床との幾何形状および構造を調査することにより、高い表面積対体積比が得られるように吸着材タイプが選択される。特に、表面積が大きくなると、吸着容量が高くなり、かつ分離ユニット２４０のサイズが小さくなり、ひいては、システム統合の容易化を促進する。
【００３０】
前述のように、さまざまな形態の成層燃焼は、ＩＣＥ１５０の低ＮＯＸモードの動作に有益であるタイプのＬＴＣにつながり得る。ＣＩエンジンでのＯＯＤまたはＣＯＤの使用に関して、燃料は、主燃料（例えば、ガソリンまたは他の低セタン変種）と点火燃料（例えば、ディーゼルまたは他の高セタン変種）とのハイブリッドとして形成されてもよく、各々の導入の箇所、頻度、およびタイミングは、前に記載されたもののような概念または構成によって変化する。例えば、一概念では、圧縮行程中に直接噴射によって単一の高オクタン燃料が導入される。そのような場合、燃料の噴射は、適切な混合を確保するために、従来のディーゼル噴射タイミングから比較的遅れて行われる。全体の燃焼プロセスは反応度制御されたＬＴＣによって支配されるため、結果として生じるＮＯｘおよびすすの排気エミッションは非常に低くなる傾向がある。別の場合では、全体の燃焼プロセスがピストン１６２のＴＤＣ移動またはその近くでの燃料の拡散制御混合によって支配される冷間始動および高負荷動作を促進するために、圧縮行程中に直接噴射によって単一の点火器燃料が導入される。さらに別のケースでは、デュアル噴射方式は、圧縮行程の初期段階でポート燃料噴射によって主燃料を導入し、これにより主燃料が吸気行程中に新気チャージと完全に混合された後、高セタン燃料の点火後に燃焼プロセス全体が空間的によく混合された高オクタン燃料によって支配されるように着火性を制御する方法として、点火器燃料が直接噴射によって導入される。前述の第１の場合と同様に、そのような動作は、全体的な希薄混合気に少なくとも部分的に起因して、低ＮＯｘおよびすすエミッションを生成する。さらに別の場合では、主燃料は圧縮行程中に直接噴射によって導入される一方、点火器燃料はＴＤＣの近くで直接噴射によって導入されて点火制御を可能にし、このように、改善された熱的または空間的な成層化によって、比較的堅牢な混合物が提供される。このことは、ひいては、少なくとも比較的低いエンジン負荷に対して、低炭化水素、ＮＯｘ、およびすすの形成につながる。
【００３１】
一形態では、断続的な状況（冷間始動、または２つの高オクタン燃料タンクまたは低オクタン燃料タンクのうちの一方が空であり得る場合など）にいわゆる部分バイパスを使用して、燃料供給タンク２２０からの市場燃料の一部分が、分離ユニット２４０に入ることなく、燃焼室１５６に直接提供されるようにしてもよい。コントローラ１７０によって動作が確立され得るこの部分的なバイパスは、ＩＣＥ１５０への燃料の連続的な供給を促進することに寄与し、そのような連続性は、前述の断続的な動作条件下で特に有用である。特に、コントローラ１７０を使用して、そのような一時的な動作状況について、冷却剤温度、排気ガス温度、分離された燃料のレベル、給送タイミングなどのさまざまな燃料給送パラメータを操作してもよい。このことは、特にずっと広い範囲にわたってＮＯｘまたはすすのエミッションを削減することに関して、高オクタン燃料成分と高セタン燃料成分との間のより広い動作範囲の反応度差を促進することに寄与するため、すす／ＮＯｘのトレードオフが必要になる可能性が低減される。
【００３２】
ＥＧＲおよび低減された圧縮比の使用を含め、さまざまな燃料噴射ストラテジを利用して、従来のディーゼルベースのサイクルと比較して、最適な効率、エミッションの削減、燃焼の堅牢性の向上を可能にすることができる。例えば、ＥＧＲは、より大きなＬＴＣストラテジの一部分として、混合物を希釈して燃焼温度を降下させる方法として使用される。同様に、圧縮比を低下させると、エンジンの摩擦損失、熱損失、および炭化水素エミッションを低減することに寄与することができる。
【００３３】
前述のように、一形態では、室２４１、２４２に使用される吸着材は、それらが親和性ベースの吸着材を含むように吸着材材料の表面上に存在する１つ以上の官能基として構成されている。別の形態では、吸着材は、それらがサイズ選択性吸着材を含むような分子形状によって、吸着物を分離してもよい。例えば、高セタン燃料成分を対象とする場合、設計では、高オクタン価燃料に存在する傾向がある芳香族、環状および高度に分岐したアルカンから（高セタン燃料に関連する傾向がある）直鎖またはわずかに分岐したアルカンの分離に焦点に当てられる。別の言い方をすれば、固体吸着材は、２つのメカニズムで作用することができ、第１のメカニズムでは、吸着材は、芳香族、環式（、および存在する場合は含酸素添加剤）などの特定の分子を誘引する官能基を有するように選択される。直鎖でわずかに分岐した分子（セタンを含む場合がある）は吸着されず、室２４１、２４２の細孔を通過する。第２のメカニズムは、分子サイズの違いに基づいており、直鎖分子（ｎ−アルカンなど）は比較的多孔質の材料を通過し得るが、より大きい動的直径を有する他の分子はほとんどの細孔の通過を阻止され、吸着ベースの室２４１、２４２に蓄積する。この後者のメカニズムでは、ＣＯＤ生成にサイズ選択性吸着材の充填床が使用され、これは、高ＣＮの直鎖アルカンはより小さな細孔に入る一方、分子サイズがより大きい他の成分は入らず、これらの他の成分を最初にラフィネートとして出現させるためである。そのような場合、優先的に吸着した直鎖アルカンは、次いで、親和性ベースの吸着材と同様の態様で、本開示で記載されるような熱エネルギーを使用して脱離され得る。車両１００に搭載された市場燃料がガソリンベースである状況では、熱交換器２４３の動作を通して利用可能であるような熱再生は、分離された燃料の動流が、比較的高い揮発性と、関連付けられた低温沸点と、を有する傾向となるため、特に適切である。第１のタイプの吸着材の例として、活性炭、シリカ、およびアルミナベースの吸着材、ならびにいくつかのタイプのゼオライトおよび一般の官能化多孔質材料が挙げられる。同様に、ゼオライト、金属有機骨格、および構造化された多孔質材料は、第２のメカニズムに従って機能するように作製されてもよい。そのため、室２４１、２４２は、選択性吸着および脱離の過程によるバッチ処理能力を有することに加えて、第１の段階が親和性ベースの芳香族の吸着を優先的に提供する一方、第２の段階がサイズ選択性のモレキュラーシーブのように機能するように、前に記載された態様で段階的に（図示せず）セットアップされてもよい。一形態では、そのような段階設定は、車両１００内にできるだけ目立たないように適合するのに必要な比較的小さな容積のパッケージを確実にするのに適した方法で、共通または別個のハウジングのいずれかで連続して行われるように設定される。構成に関係なく、このような多段階方式では、第１の段階でオクタンを吸着する一方、第２の段階でセタンを吸着することができる。したがって、ガソリンは、単一のベンゼン環を有する比較的小さい芳香族（ベンゼン、トルエン、およびキシレンなど）を有するのに対して、ディーゼル燃料は、ナフタレンおよびその誘導体を含む多環（または多核）芳香族炭化水素（ＰＡＨ）の形態をなすより大きい芳香族を有する。官能基を有するいくつかのセタン富化添加剤があることが認識されているため、いくつかのそのような添加剤が存在する場合には、親和性ベースの吸着材もこれらの成分に使用され得る。そのため、特定の市場燃料に関連付けられた必要性に応じて、室２４１、２４２で有用な吸着材は、特にこれらのコンポーネントに対して高い親和性を有して選択されてもよく、室２４１、２４２の各々の順序、配置、および構成は、燃料システム２００の構成に応じて、適切な吸着材で構成されてもよい。したがって、異なる仕様の燃料を生成する方法として、異なる吸着材を使用して低沸点の直鎖アルカンを吸着することが可能である。例えば、特定の芳香族を吸着するために、室２４１、２４２を形成する吸着材は、メソ多孔質（直径２〜５０ｎｍ）活性炭であり得、これは、次に、約８０％の平均回収をもたらし得る。活性炭のいくつかの芳香族成分の予想される吸着容量の例を表１に列挙する。
【表１】
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【００３４】
他の天然吸着材（例えば、ココナッツの殻）もまた、所望の成分を分離するために使用され得る。別の形態では、所望の種の吸着を優先的に促進するために、室２４１、２４２の吸着材床は、２つ以上の吸着材で形成されてもよい。吸着材床の選択に関わらず、吸着材の容量および選択性、市場燃料の濃度比（芳香族留分の指標を提供する）、および再生と脱離に基づく除去の進行速度を含むさまざまな要素に対して性能が最適化される。
【００３５】
ＩＣＥ１５０およびその関連付けられた燃料の選択は、室２４１、２４２内に収容された燃料および固体吸着材の特性に少なくとも部分的に依存し、そのような特性は、市場燃料の相対的留分、沸点、および吸着材の分離メカニズムを含んでもよい。例えば、親和性ベースの吸着材の使用を使用して、ガソリンなどの低沸点燃料用のＯＯＤ吸着物を生成してもよい一方、サイズ選択性吸着材を使用して、そのような低沸点燃料用のＣＯＤ吸着物を生成してもよい。分離ユニット２４０が、前に記載されたように親和性ベース吸着材またはサイズ選択性吸着材を有する室２４１、２４２のうちの１つ以上を各々が有する順次配置されたユニットを有するように配置された構成では、そのような分離の順序は、必要に応じて、第１に親和性ベースで第２にサイズ選択性であるか、または第１にサイズ選択性で第２に親和性であってもよいことは分かるであろう。
【００３６】
したがって、コンパクトで費用効果の高い車両推進システムについて、オクタン富化燃料成分またはセタン富化燃料成分の生成に関連付けられた燃料のより小さい割合が導管２１０内のより長い経路を通して送られてもよい一方、より大きい残りのまたは分離されていない割合により短い経路を通過させてもよい。このように、そのような燃料富化を実行するために使用されない燃料システム２００のコンポーネントによって画定される流路の長さは、特にＯＯＤ動作またはＣＯＤ動作で必要とされる高オクタンまたは高セタンの留分燃料成分の容積が、分離ユニット２４０またはＩＣＥ１５０に供給されている市場燃料の残りの留分と比較して比較的小さいという事実を考慮して、比較的短く保たれてもよい。一形態では、ＩＣＥ１５０が高負荷の下で動作する時間の長さは、総動作時間と比較して比較的短い。そのため、オクタン富化動流またはセタン富化動流がより長い経路を通して送られるとき、よりコンパクトで低コストの燃料システム２００が実現され得る（一形態では、オクタン富化燃料動流またはセタン富化燃料動流としての市場燃料の約２０％〜３０％の間の分離を伴い得る）。特定のエンジン構成に対する燃料の一般的な使用は、すべての燃料ステーションですべての燃料形態に利用可能ではない場合があることに留意されたい。例えば、ナフサ（すなわち、ほぼ周囲温度から約１６０℃までのガソリン範囲で行われる蒸留および沸騰から結果として生じる軽質燃料留分）は、通常、約１〜１０パーセントの芳香族しか有さない。したがって、特定のＣＯＤを使用するために追加のＣＮブーストが必要とされる状況では、より小さい留分を表すこれらの芳香族成分は、より低い燃焼温度および関連付けられたより低ＮＯｘ生成を確保する方法として、親和性ベースの吸着材の使用などによって分離され得る。
【００３７】
同様に、一形態では、分離された燃料動流の沸騰範囲は、ＩＣＥ１５０の動作によって提供され得る熱交換値に適合する範囲内にある。したがって、そのような動流が、ガソリン留分を分離するときなどの比較的高い揮発性を有するときには、ＩＣＥ１５０の動作から車上で利用可能な熱は、吸着材を再生するのに十分である。そのため、吸着物または残部の沸騰範囲が熱交換器２４３で生成される熱環境に適合する限り、ＩＣＥ１５０のＧＣＩ動作モードまたはＳＩ動作モードにガソリンベースの市場燃料を使用することが用いられてもよい。
【００３８】
熱交換器２４３を使用する際に、コントローラ１７０は、３つの異なる技術のうちの１つによって、２つの室２４１、２４２間の燃料流と外気流との間の切り替えを命令してもよい。第１の技術では、センサＳが第１の室２４１の出口に接続され、これにより、入口および出口の液体動流がセンサＳによって検出されるように等しい芳香族含有量を有するとき（そのことは、ひいては、芳香族濃度の追加の変化が発生していない点で飽和の指標を提供する）、コントローラ１７０は、そのような取得された信号に応答して、燃料供給タンク２２０から第２の室２４２に給送される市場燃料を切り替える。第２の技術では、タイマがコントローラ１７０に接続されて、特定の時間間隔（例えば、１５分ごと）でそれが開閉することを可能とし、この場合に時間間隔は、吸着材のサイズおよび吸着速度に依存する。第３の技術では、センサＳは温度センサであってもよく、これによりそれぞれの室２４１、２４２の温度が上昇しなくなると（そのことは、ひいては、吸着に起因するさらなる熱放出がないという指標を提供する）、コントローラ１７０は、燃料流を第１の室２４１から第２の室２４２へ切り替える。
【００３９】
室２４１、２４２の飽和しているほうを再生するために、排気ガス又は高温冷媒によって提供される熱源が、熱交換器２４３に入ることができる。温度の上昇の結果として、室２４１、２４２の露出されたほうにある吸着芳香族化合物の少なくとも一部が、駆動サイクルで保証されている場合に、燃焼室１５６に給配される蒸気として放出されるか、さもなければ、低セタン価（つまり、高オクタン価）生成物タンク２６０に格納され、一形態では、空気流によって凝縮することができ、別の形態では、燃料供給タンク２２０内にある市場燃料によって凝縮することができ、この場合、市場燃料は凝縮媒体として機能することができる。図示されていないが、この後者の凝縮の形態は、気化した脱離物を導管２１０の一部を通して適切に経路指定することによって行われてもよい。一形態では、ＩＣＥ１５０のいくつかの動作モード（特定の駆動サイクルと併せて前述したものなど）が存在し得るため、そのような凝縮液体は、脱離蒸気と（一定ではなく）選択的な流体連通をなして配置されてもよく、この場合に、脱離したオクタンまたはセタンを燃焼室１５６に直接送って使用することが望ましい。
【００４０】
特に前述の部分バイパスに関して、ＩＣＥ１５０の特定の動作条件（しばしば第１の動作条件とも呼ばれる）では、始動時、または吸着サイクルを加熱するために利用可能な排気ガス高温のラジエータ流体がないか、または富化生成物タンク２５０、２６０に高セタンまたは高オクタン燃料が存在しない他のシナリオのように、ＳＩ動作モードを使用するためには、信頼性の高い動作が必要であり得る。さらに、部分的なバイパスにより、それがない場合の、速度または負荷に関連付けられた突然の運転条件に関連付けられた望ましくない遅延期間、ならびに気象条件に関連する遅延期間が回避される。そのような部分バイパス動作状態では、コントローラ１７０は、燃料供給タンク２２０からの市場燃料の一部分が、分離ユニット２４０に入ることなく、燃焼室１５６に直接供給されるように命令してもよい。この部分は、冷却液または排気ガスの温度、分離された燃料のレベル、時間、または他の変数などの異なる方法によって制御および操作することができる。部分的なバイパス動作に関連付けられた利点を強調するために、２つの例を呈示する。
【００４１】
まず、ＩＣＥ１５０の始動中に、吸着サイクルを動作させるために利用可能な熱がなく、かつ燃料留分が利用可能でないとき、コントローラ１７０が協働して、２つの富化生成物タンク２５０、２６０から燃料流が部分的に生じるようにする一方、主燃料部分は燃料供給タンク２２０から生じる。２つの富化生成物タンク２５０、２６０のいずれかが任意時に空である場合（想定外の運転サイクル条件、脱離に必要な加熱の欠如、または不十分な空冷に関連付けられたなどの）、コントローラ１７０は、セタン富化生成物タンク２５０またはオクタン富化生成物タンク２６０の不足を補償するために分離ユニット２４０を少なくとも部分的にバイパスする方法として、燃料供給タンク２２０から燃焼室１５６に直接給送される市場燃料を加圧するように１つ以上の燃料ポンプ２７０（そのうちの１つのみが示されている）に命令してもよい。
【００４２】
重要なことに、燃料システム２００は、補助機器の使用を回避するように設計されており、代わりに、吸着ステップ中に周囲空気を移動させて冷却するファン（図示せず）および燃料ポンプ２７０などの、他の目的ですでに動作しているコンポーネントを利用する（ただし、このような機器でさえ、コモンレール燃料噴射が使用され得る状況では、削減、簡略化、または排除され得る）。一形態では、燃料システム２００によって生成される燃料噴射圧力は、ガソリン直接噴射では最大約５００バール、コモンレールディーゼル噴射では最大約２５００バールであってもよく、この場合に、このより高い噴射圧力を使用して、ディーゼルベースのＣＩエンジンが予混合ＣＩ燃焼を促進する点で、ディーゼルベースのＣＩエンジンの動作領域を拡大する。その際、ディーゼル燃料ベースのエンジンのこの後者の圧力上昇は、構造の必要な堅牢性と圧縮比および燃料点火遅れの低減とを相殺し得る。前述のように、燃料システム２００は、正常なＩＣＥ１５０動作に関連付けられた潜熱をかなり利用する。
【００４３】
次に図４を参照し、Ｙベースの骨格を有する１０００ｃｃゼオライト吸着材サンプルについて１５０℃、１８０℃、２１０℃の３つの異なる温度に対する小さい吸着材サイズおよび高速吸着率γに特に重点を置いて、提案された方法およびシステムの適用性を示す例を提供し、このサイズが選択されたのは、車両ベースの用途に適合すると見なされたことによる。特に、用いられた吸着材は、幾何学的体積がαケージ（０．２９４ｃｃ／ｇ）およびβケージ（０．０５４ｃｃ／ｇ）であるゼオライトＮａＹである。このタイプの吸着材に対する市販のガソリンベースの市場燃料に存在するさまざまな芳香族分子の吸着容量を表２に示す。
【表２】
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【００４４】
Ｙベースのゼオライトを使用した芳香族の吸着は比較的遅いプロセスである傾向があるという事実にも関わらず、市場燃料内に含有される芳香族種の多くがはるかに迅速に飽和レベルに達するため、完全な平衡を待つ必要がない。例えば、トルエンは吸着され、２０分以内に平衡に達し、約１．０〜１．７時間後に実質的に完全な平衡が生じる。また、示されるように、吸着率γは温度と共に増加する。これにより、吸着サイクル全体の吸着率を簡単に見積もることができる。重要なことに、それは、車両パッケージ内での配置に必要な比較的小さな容積要件を満たすことができる吸着ベースの機器を使用して、さまざまな富化燃料成分を適時に生成できることを例証している。
【００４５】
次に図５を参照し、反応物室２４１、２４２で、前に記載された表２および以下の表３で述べる特性を有するゼオライトベースの吸着材を使用する燃料システム２００によって、車上で分離することができるオクタン富化燃料の量を示す。一例として、車両１００は、都市および高速道路の距離にわたって１００キロメートルあたり６リットルの燃料平均消費量を消費し、７０キロメートル／時の平均速度で走行する乗用車として構成されてもよく、このような場合、ガソリンの需要は通常、４．５リットル／時であり得る。
【００４６】
別の例として、車両１００は、０．４８リットル／時の割合で消費される３０％の芳香族を含む１．６リットル／時の９５ＲＯＮガソリンを消費するコンパクト車両として構成されてもよい。より具体的には、芳香族分子は、トルエン（０．１９２リットル／時）、キシレン（０．１９２リットル／時）、ベンゼン（０．０４８リットル／時）、およびメシチレン（０．０４８リットル／時）を含む。吸着材量は、１０００ｃｃのＹベースのゼオライト吸着器の１０分、２０分、および１００分の３つの概念的なサイクルタイムで示されている。この燃料動流が反応物室２４１、２４２の各々の上に形成された吸着材床を通過すると、芳香族分子が分離し、分子の形状、サイズなどに応じて異なる速度で吸着材粒子に誘着する。
【００４７】
わずか１０分の動作後、レギュラーガソリンの６％が１１９ＲＯＮのハイオクガソリンとして分離する。同様に、わずか２０分後、レギュラーガソリンの１２％が１１９ＲＯＮガソリンに分離するのに対して、１６０分後には完全な平衡が達成される。その結果は、吸着ベースのＯＯＤがシステムのサイズおよび動作時間の観点から車載用途に用いることができることを示している。
【表３】
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【００４８】
本開示の主題を詳細に、および特定の実施形態を参照して説明したが、開示されたさまざまな詳細は、本説明に付随する図面の各々に特定の要素が示されている場合であっても、これらの詳細が、説明されたさまざまな実施形態の必須構成要素である要素と関連することを暗示するものとして受け取られるべきではない。さらに、添付の特許請求の範囲で定義される実施形態を含むが、これらに限定されない本開示の範囲から逸脱することなく、修正および変更が可能であることは明らかである。より具体的には、本開示のいくつかの態様が好ましい、または特に有利であると特定されるが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されないことに留意すべきである。
【００４９】
以下の特許請求の範囲のうちの１つ以上は、用語「ｗｈｅｒｅｉｎ」を移行句として利用することに留意すべきである。本開示で考察された特徴を定義する目的で、この語は、構造の一連の特性の列挙を導入するために使用され、より一般的に使用される開放型の前置き語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同様の方法で解釈されるべきである開放型の遷移句として、特許請求の範囲に導入されることに留意されたい。
【００５０】
「好ましくは」、「一般に」、および「通常」のような用語は本開示において、特許請求の範囲の範囲を限定するため、または特定の特徴が本開示の構造または機能にとって重大、必須、またはさらに重要であることを暗示するために利用されているわけではないことに留意されたい。むしろ、これらの用語は、単に開示された主題の特定の実施形態において利用されてもされなくてもよい、代替または追加の特徴を強調することを意図したものに過ぎない。同様に、用語「実質的に」および「ほぼ」ならびにそれらの変形は、定量的な比較、値、測定、または他の表現に帰属し得る固有の不確実度を表すために利用されていることに留意されたい。そのため、これらの用語の使用は、定量的表現が問題の主題の基本機能に変化をもたらさずに、記載された基準と異なり得る程度を表す。
【００５１】
特許請求される主題の趣旨および範囲から逸脱することなく、説明された実施形態にさまざまな変更および変形がなされ得ることは、当業者には明らかであろう。したがって、本明細書は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内に入るそのような変更および変形が提供される種々の記載された実施形態の変更および変形を網羅することを意図する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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