DE10054921A1

DE10054921A1 - Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE10054921A1
Application number: DE10054921A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Tachihara; Naoyuki Abe; Yuuji Asano
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2001-06-07
Also published as: JP2001139301A; US6536748B1; JP3533639B2

Abstract

Eine Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40A umfasst einen Verdampfer mit einer Verdampferkammer 11, in der Rohbrennflüssigkeit FL durch ein Hochtemperatur-Heizmedium (Heizgas) zu Rohbrenngas verdampft wird und die mit einem ersten Einspritzabschnitt (Brennstoffeinspritzabschnitt 41A) versehen ist, der die Rohbrennflüssigkeit FL in die Verdampferkammer 11 einspritzt, sowie einem zweiten Einspritzabschnitt (Lufteinspritzabschnitt 42A), der Gas oder Flüssigkeit (Luft A) mit einer vorbestimmten Richtungseigenschaft in die Rohbrennflüssigkeit FL einspritzt, die aus dem ersten Einspritzabschnitt (Brennstoffeinspritzabschnitt 41A) eingespritzt ist, Rohbrennflüssigkeit adäquat zerstäubt und verteilt und eine hochwirksame Verdampfung von Rohbrennflüssigkeit erreicht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer, der in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen ist und der Roh-Brennflüssigkeiten verdampft, und insbesondere eine Verdampfer-Rohbrennstoff- Einspritzvorrichtung, die für Roh-Brennflüssigkeiten einen verbesserten Verdampfungs-Wirkungsgrad zeigt.

BESCHREIBUNG DER RELEVANTEN TECHNIKEN

Die letzten Jahre zeigten eine beschleunigte Entwicklung von Brennstoffzellen für mit Brennstoffzellen ausgestattete Automobile, die mit Brennstoffzellen versehen sind, wegen deren Umweltfreundlichkeit bei der Erzeugung elektrischer Energie. Ein solches Brennstoffzellensystem ist das sogenannte Methanol-Reformer-Brennstoffzellensystem. Dieses Brennstoffzellensystem verwendet beispielsweise ein Gemisch von Wasser und Methanol als die Roh-Brennflüssigkeit, und ist mit einem Brennstoffverdampfer ausgestattet, der die Roh-Brennflüssigkeit verdampft und das Roh-Brenngas einem Reformer zuführt. Bei autothermischen Reformern wird die Reformierungsluft, die sauerstoffhaltiges Gas, wie etwa Luft, enthält, mit dem vom Kraftstoffverdampfer verdampften Roh- Brenngas vermischt und dem Reformer zugeführt.

Als ein Beispiel eines in einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem vorgesehenen Brennstoffverdampfers wird der Brennstoffverdampfer, der in der japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 1-125366 vom vorliegenden Anmeldet beschrieben ist, anhand von Fig. 8 erläutert. Wie in Fig. 8 gezeigt, verdampft der Verdampfer 100 die Roh-Brennflüssigkeit FL in einer Verdampferkammer 110 mit Hochtemperatur-Heizgas HG, das in einem Brenner (nicht gezeigt) erzeugt wird, unter Herstellung von verdampfter Roh-Brennflüssigkeit FL (nachfolgend als "Roh-Brenngas FG" bezeichnet). Zusätzlich liefert der Brennstoffverdampfer 100 das von der Verdampferkammer 110 erzeugte Roh-Brenngas FG zu einer Überhitzerkammer 120, wo es durch das von der Verdampferkammer 110 austretende Heizgas HG überhitzt wird. Die Verdampferkammer 110 und die Überhitzerkammer 120 sind durch eine Führungsleitung 130 verbunden, die entlang dem Boden 11A der Verdampferkammer 110 ausgebildet ist. Die Verdampferkammer 110 enthält eine Mehrzahl U-förmiger Heizmediumrohre 111, 111 . . ., die das Heizgas HG zur Innenseite leiten, und das Heizgas HG wird von den Heizmediumrohren 111, 111 . . . durch die Führungsleitung 130 gefördert. Der Kraftstoffverdampfer 100 spritzt die Roh-Brennflüssigkeit FL von der Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 140 zu den Heizmediumrohren 111, 111 . . . hin. Die von der Rohbrennstoff- Einspritzvorrichtung 140 eingespritzte Roh-Brennflüssigkeit FL kommt mit den Heizmediumrohren 111, 111 . . . in Kontakt, sodass sie mit der von dem Heizgas HG empfangenen Wärme einem Austausch unterliegt und verdampft wird. Der Brennstoffverdampfer 100 führt das Roh-Brenngas FG, das durch Verdampfung der Roh-Brennflüssigkeit FL erzeugt wird, in Dampfrohre 121, 121 . . ., die in der Überhitzerkammer 120 angeordnet sind. Der Brennstoffverdampfer 100 führt auch das Heizgas HG, das von den Heizmediumrohren 111, 111 . . . abgegeben wird, durch die Führungsleitung 130 in die Überhitzerkammer 120. Somit wird das durch die Dampfrohre 121, 121 . . . fließende Roh-Brenngas FG durch das Heizgas HG überhitzt, welches in die Überhitzerkammer 120 eingeführt wird. Dann gibt der Brennstoffverdampfer 100 das überhitzte Roh-Brenngas FG von den Dampfrohren 121, 121 . . . aus und führt es einem Reformer (nicht gezeigt) zu. In einem autothermischen System wird gewöhnlich Luft als Reformerluft von einem Luftkompressor (nicht gezeigt) zwischen den Brennstoffverdampfer 100 und den Reformer geleitet. Diese Luft und das in dem Brennstoffverdampfer 100 erzeugte Roh-Brenngas FG werden vermischt und dem Reformer zugeführt.

Wenn jedoch die Rohbrennflüssigkeit nicht adäquat zerstäubt, verteilt und mit den Heizmediumrohren 111, 111 . . . in Kontakt gebracht wird, sinkt der Austauscherwirkungsgrad zum Austausch mit der von dem Heizgas HG erhaltenen Wärme, wodurch der Verdampfungs-Wirkungsgrad sinkt. Dies hat zur Folge, dass sich nicht verdampfte Rohbrennflüssigkeit FL in der Verdampferkammer 110 ansammelt und Flüssigkeitsseen erzeugt. Der Verdampfungs-Wirkungsgrad sinkt insbesondere in Fällen eines Kontakts mit Niedertemperaturflächen der Heizmediumrohre 111, 111 . . . oder Adhäsion von Flüssigkeitströpfchen der Rohrbrennflüssigkeit FL auf der Innenwand 110B und anderswo in der Verdampferkammer 110. Da nun die Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 140 die Rohbrennflüssigkeit FL aus der Brennstoffeinspritzdüse (nicht gezeigt) in nur einer festen Richtung mit einem vorgeschriebenen Einspritzdruck einspritzt, ist es nicht möglich, eine adäquate Zerstäubung oder Verteilung der Rohbrennflüssigkeit FL zu erhalten, während die Einspritzrichtung der Rohbrennflüssigkeit FL nicht eingestellt werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdampfer- Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung vorzusehen, die einen adäquate Zerstäubung und Verteilung der Rohbrennflüssigkeit erreicht und die Rohbrennflüssigkeit mit hohem Wirkungsgrad verdampft.

Die Verdampfer-Rohrbrennstoff-Einspritzvorrichtung nach der Erfindung, die die oben erwähnten Probleme löst, ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verdampfer mit einer Verdampferkammer, in der Rohbrennflüssigkeit durch ein Hochtemperatur-Heizmedium verdampft wird, vorgesehen sind:
ein erster Einspritzabschnitt, der die Rohbrennflüssigkeit in die Verdampferkammer einspritzt, und
ein zweiter Einspritzabschnitt, der Gas oder Flüssigkeit mit einer vorbestimmten Richtungseigenschaft in die aus dem ersten Einspritzabschnitt eingespritzte Rohbrennflüssigkeit einspritzt.

Bei dieser Verdampfer-Rohrbrennstoff-Einspritzvorrichtung wird ein Luftstrom durch das Gas oder die Flüssigkeit erzeugt, die aus dem zweiten Einspritzabschnitt eingespritzt wird, und dieser Strom zerstäubt und verteilt die Rohbrennflüssigkeit, die aus dem ersten Einspritzabschnitt in die Verdampferkammer eingespritzt wird. Daher wird die Verdampfung der Rohbrennflüssigkeit durch die Wärme gefördert, die von dem Hochtemperatur-Heizmedium aufgenommen wird, um den Verdampfungs- Wirkungsgrad zu verbessern.

Diese Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einspritzabschnitt das eingespritzte Gas oder die eingespritzte Flüssigkeit in einer Wirbelströmung einspritzt.

Bei dieser Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung kann die Erzeugung einer Wirbelströmung durch das Gas oder die Flüssigkeit, die aus dem zweiten Einspritzabschnitt eingespritzt ist, eine stärkere Zerstäubung und Verteilung der aus dem ersten Einspritzabschnitt eingespritzten Rohbrennflüssigkeit erreichen, um hierdurch einen noch besseren Verdampfungs-Wirkungsgrad vorzusehen.

Die Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass sie mit drei oder mehr der ersten Einspritzabschnitte versehen ist, und
sie mit einem zweiten Einspritzabschnitt versehen ist, der Gas oder Flüssigkeit nur in die aus den ersten Einspritzabschnitten an beiden Enden eingespritzte Rohbrennflüssigkeit einspritzt.

Bei dieser Verdampfer-Rohrbrennstoff-Einspritzvorrichtung ist der zweite Einspritzabschnitt so konstruiert, dass er den Strom nur an den die Verdampferkammer umgebenden Bereichen erzeugt, die einen geringen Verdampfungs-Wirkungsgrad haben, und daher erlaubt diese einfache Struktur eine Verdampfung von Rohbrennflüssigkeit mit hohem Wirkungsgrad.

Das Gas oder die Flüssigkeit mit einer vorgeschriebenen Richtungseigenschaft ist ein Gas oder eine Flüssigkeit, das bzw. die in verschiedene feste Richtungen eingespritzt wird, um einen gegebenen Luftstrom aus dem Gas oder der Flüssigkeit zu erzeugen, das bzw. die aus dem zweiten Einspritzabschnitt eingespritzt wird. Bei dieser Ausführung wird, wie in Fig. 6 gezeigt, Luft mit verschiedenen Richtungseigenschaften aus einem Lufteinspritzabschnitt eingespritzt, der mit Lufteinspritzdüsen und Lufteinspritzleitungen in einer für jeden Luftstrom geeigneten Konstruktion versehen ist, um eine Wirbelströmung (Verwirbelung), eine abgebogene Strömung, eine abgelenkte Strömung oder eine versetzte Strömung als den Strom zu erzeugen. Beispielsweise wird für eine Wirbelströmung die Luft aus vier Lufteinspritzdüsen eingespritzt und die Richtung jeder Lufteinspritzung wird zu der benachbarten Lufteinspritzdüse hin ausgerichtet.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Gesamt-Konstruktionsansicht eines Brennstoffzellensystems, das mit einem erfindungsgemäßen Verdampfer versehen ist.

Fig. 2 ist eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Verdampfer.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Verdampfers von Fig. 2 entlang Linie B-B'.

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht des Verdampfers von Fig. 2 entlang Linie C-C'.

Fig. 5 ist eine vordere Querschnittsansicht einer Rohbrennstoff- Einspritzvorrichtung nach der ersten Ausführung.

Fig. 6 ist eine Konstruktionsansicht von Lufteinspritzdüsen und Lufteinspritzleitungen in dem Lufteinspritzabschnitt einer erfindungsgemäßen Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung, wobei (a) eine Wirbelströmung zeigt, (b) eine abgebogene Strömung zeigt, (c) eine abgelenkte Strömung zeigt und (d) eine versetzte Strömung zeigt.

Fig. 7 ist eine vordere Querschnittsansicht einer Rohbrennstoff- Einspritzvorrichtung nach der zweiten Ausführung.

Fig. 8 ist eine vordere Querschnittsansicht eines herkömmlichen Rohbrennstoffverdampfers.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Die bevorzugten Ausführungen der erfindungsgemäßen Verdampfer- Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Fig. 1 ist eine Gesamt-Konstruktionsansicht eines Brennstoffzellensystems, das mit einem erfindungsgemäßen Verdampfer versehen ist, Fig. 2 ist eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Verdampfer, Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Verdampfers von Fig. 2 entlang Linie B-B', Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht des Verdampfers von Fig. 2 entlang Linie C-C', Fig. 5 ist eine vordere Querschnittsansicht einer Rohbrennstoff- Einspritzvorrichtung nach der ersten Ausführung, Fig. 6 ist eine Konstruktionsansicht von Lufteinspritzdüsen und Lufteinspritzleitungen in dem Lufteinspritzabschnitt einer erfindungsgemäßen Rohbrennstoff- Einspritzvorrichtung, wobei (a) eine Wirbelströmung zeigt, (b) eine abgebogene Strömung zeigt, (c) eine abgelenkte Strömung zeigt und (d) eine versetzte Strömung zeigt und Fig. 7 ist eine vordere Querschnittsansicht einer Roh-Brennstoffeinspritzvorrichtung nach der zweiten Ausführung.

Die Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung der Erfindung spritzt Gas oder Flüssigkeit aus dem zweiten Einspritzabschnitt zu der aus dem ersten Einspritzabschnitt eingespritzten Rohbrennflüssigkeit, und erzeugt hierbei eine Strömung mit dem eingespritzten Gas oder der eingespritzten Flüssigkeit. Diese Strömung zerstäubt adäquat und verteilt weiter die Rohbrennflüssigkeit in der Verdampferkammer. Demzufolge wird der Wärmeaustauschwirkungsgrad mit der Wärme, die aus dem Hochtemperaturheizmedium erhalten wird, verbessert, um hiedurch den Verdampfungs-Wirkungsgrad der Rohbrennflüssigkeit zu verbessern. Bei dieser Ausführung kann die Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung der Erfindung als Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung in einem Methanol-Reformer-Brennstoffzellensystem angewendet werden, das an einem Brennstoffzellenautomobil angebracht ist. Diese Ausführung verwendet verwendet ferner ein autothermes System für den Reformer und benutzt ein Gemisch von Wasser und Methanol als Rohbrennflüssigkeit, mit sauerstoffhaltiger Luft als Reformerluft. Diese Ausführung verwendet ferner Heizgas als Hochtemperaturheizmedium der Ansprüche. In dieser Ausführung wird, als das Gas oder die Flüssigkeit gemäß den Ansprüchen, Luft verwendet, und die Luft dient dann als die Reformerluft. Somit vermischt sich die eingespritzte Luft, die auch Reformerluft ist, gleichmäßig mit der verdampften Rohbrennflüssigkeit (Rohbrenngas), sodass die Reformerrate in dem Reformer verbessert wird.

Die Gesamtkonstruktion des Brennstoffzellensystems wird zuerst anhand von Fig. 1 erläutert.

Das Brennstoffzellensystem FCS umfasst einen Verdampfer 1, einen Reformer 2, einen CO-Entferner 3, einen Luftkompressor 4, eine Brennstoffzelle 5, einen Gas/Flüssigkeitsseparator 6 und einen Wasser/Methanol-Gemisch-Speichertank (nachfolgend "Tank") T. Der Verdampfer 1 ist mit einem Verdampferkörper 10 versehen, einem katalytischen Verbrenner 20, einem Überhitzerabschnitt 30 und einer Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40. Die Struktur des Verdampfers 1 wird im Detail nachfolgend erläutert.

In dem Verdampfer wird das Wasser/Methanol-Gemisch, das die Rohbrennflüssigkeit FL ist, mit einer Pumpe P aus dem Tank T unter Druck gesetzt, und die Rohbrennflüssigkeit FL wird verdampft, um Rohbrenngas FG zu erzeugen und dem Reformer 2 zuzuführen. Das Rohbrenngas FG ist Gas, welches ein Gemisch von Rohbrenngas, aus dem die Rohbrennflüssigkeit FL verdampft wurde, und Luft ist, die Reformerluft ist. Der Reformer 2 erzeugt Wasserstoffreiches Gas aus dem Rohbrenngas und führt dies dem CO-Entferner 3 zu. Der CO-Entfernen 3 entfernt ungewünschtes Kohlenmonoxid, das in dem zugeführten Wasserstoff reichen Gas enthalten ist, durch einen Nr. 1-CO-Entfernen 3A und einen Nr. 2-CO-Entfernen 3B, und führt es der Anode (nicht gezeigt) der Brennstoffzelle 5 zu. Das Brennstoffzellensystem FCS ist auch mit einem Luftkompressor 4 versehen, und die Luft wird von dem Luftkompressor 4 dem CO-Entfernen 3 zugeführt. Der Luftkompressor 4 führt auch sauerstoffhaltige Luft der Kathode (nicht gezeigt) der Brennstoffzelle 5 zu.

Die Brennstoffzelle 5 bewirkt eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, und wandelt die chemische Energie in elektrische Energie. Nicht das gesamte Gas reagiert chemisch in der Brennstoffzelle 5, wobei etwas Gas übrigbleibt, das nicht reagiertes Wasserstoffgas enthält. Dieses Gas, welches das nicht reagierte Wasserstoffgas enthält, wird daher dem Gas/Flüssigkeitsseparator 6 zugeführt. Der Gas/Flüssigkeitsseparator 6 zieht das restliche Wasserstoffgas (nachfolgend "Abgas OG") aus diesem Gas ab und führt es dem Verdampfer 1 zu. Der katalytische Verbrenner 20 des Verdampfers 1 nutzt das Abgas OG als Wärmequelle. Während der Erwärmung des katalytischen Verbrenners 20 der Verdampfers 1, wenn ein Automobil oder dgl. gestartet wird, nutzt ein Aufwärmbrenner 7 das Abgas OG als Wärmequelle und führt das Heizgas dem Verdampfer 1 zu.

Die Konstruktion des Verdampfers 1 wird nun anhand von Fig. 1 bis Fig. 4 erläutert.

Wie oben erläutert, ist der Verdampfer 1 mit einem Verdampferkörper 10 versehen, einem katalytischen Verbrenner 20, einem Überhitzerabschnitt 30 und einer Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40. Die Konstruktion und Funktion der Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40 wird unten im Detail erläutert.

Der Verdampferkörper 10 weist eine darin ausgebildete Verdampferkammer 11 auf, die die Rohbrennflüssigkeit FL durch die von dem Heizgas HG erhaltene Wärme verdampft. Die Verdampferkammer 11 enthält eine Mehrzahl U-förmiger Heizmediumrohre 12, 12 . . ., durch die das Heizgas HG fließt. Die Rohbrennflüssigkeit FL aus dem Kraftstoffeinspritzabschnitt 41 der Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 10, die später beschrieben wird, und die Luft A aus dem Lufteinspritzabschnitt 42 werden in die Verdampferkammer 11 eingespritzt. Somit werden unterschiedliche Strömungen in Abhängigkeit von der Einspritzrichtung der Luft A erzeugt, und die aus der Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40 eingespritzte Rohbrennflüssigkeit FL wird durch die Strömung zerstäubt und verteilt. Die zerstäubte Rohbrennflüssigkeit FL kommt mit der Außenseite der Heizmediumrohre 12, 12 . . . in Kontakt und verdampft durch die Wärmeenergie des Heizgases HG, das durch die Heizmediumrohre 12, 12 . . . fließt.

Bei dieser Ausführung ist der erste Brennstoffabschnitt 41 der in den Ansprüchen beschriebene erste Einspritzabschnitt. Der Lufteinspritzabschnitt 42 dieser Ausführung ist der in den Ansprüchen beschriebene zweite Einspritzabschnitt.

In dem Verdampferkörper 10 ist eine Heizgasleitung 13 ausgebildet, durch die das Heizgas HG von den Heizmediumrohren 12, 12 . . . stromab fließt, nachdem die Rohbrennflüssigkeit FL verdampft wurde, während es durch die Heizmediumrohre 12, 12 . . . fließt. Die Heizgasleitung 13 ist um die Verdampferkammer 11 herum angeordnet, wie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt, und ist mit dem Überhitzerabschnitt 30 verbunden.

Der katalytische Verbrenner 20 ist unter dem Verdampferkörper 10 angeordnet. Der katalytische Verbrenner 20 besitzt eine Einlassleitung 21, aus der das Abgas OG eintritt, und eine Katalysatorschicht 22 stromab der Einlassleitung 21. Die Katalysatorschicht 22 ist mit einem Bienenwabenträger versehen, der die Metallkomponenten des Katalysators trägt. Die Katalysatorschicht 22 bewirkt eine katalytische Verbrennung des Abgases OG, um Hochtemperatur-Heizgas HG zu erzeugen.

Der katalytische Verbrenner 20 besitzt eine Auslassleitung 23, die durch eine Trennwand 24 stromab von der Katalysatorschicht 22 ausgebildet ist, und ist mit den Heizmediumrohren 12, 12 . . . verbunden. Das an der Katalysatorschicht 22 erzeugte Heizgas HG fließt in die Heizmediumrohre 12, 12 . . . durch die Auslassleitung 23.

Der Überhitzerabschnitt 30 ist stromab von dem Verdampferkörper 10 angeordnet. Der Überhitzerabschnitt 30 überhitzt die in der Verdampferkammer 11 verdampfte Rohbrennflüssigkeit (d. h. das Rohbrenngas FG) mit dem Heizgas HG, welches durch die Heizgasleitung 13 hindurchtritt. Der Überhitzerabschnitt 30 besitzt eine Überhitzerkammer 32, und eine Mehrzahl von Verdampferrohren 31, 31 . . . . ist in der Überhitzerkammer 32 angeordnet. Das stromabwärtige Ende der Verdampferrohre 31, 31 . . . ist über eine Rohrleitung (nicht gezeigt) mit einem Reformer 2 verbunden, und das Rohbrenngas FG wird hierdurch dem Reformer 2 zugeführt. Stromab vom Überhitzerabschnitt 32 ist eine Auslassleitung 33 vorgesehen, und das Heizgas HG wird durch diese Auslassleitung 33 abgegeben. Wenn die an der Verdampferkammer 11 verdampfte Rohbrennflüssigkeit F1 eine ausreichende Wärmemenge erzeugt hat, kann sie in einem im anschließenden Schritt dem Reformer 2 zugeführt werden, ohne durch den Überhitzerabschnitt 30 hindurchzutreten.

Es folgt nun eine Erläuterung im Hinblick auf den Verdampfungsprozess der Rohbrennflüssigkeit FL durch den Verdampfer 1 mit der oben beschriebenen Konstruktion.

Zuerst wird das Abgas OG, das von dem in Fig. 1 gezeigten Gas/Flüssigkeits-Separator 6 abgetrennt wurde, dem katalytischen Verbrenner 20 des Brennstoffverdampfers 1 zugeführt. Das dem katalytischen Verbrenner 20 zugeführte Abgas OG unterliegt einer katalytischen Verbrennung an dem katalytischen Verbrenner 20 und wird in Hochtemperatur-Heizgas HG umgewandelt. Das Heizgas HG fließt durch die Auslassleitung 23 in die Heizmediumrohre 12, 12 . . . des Verdampferkörpers 10. Übrigens beträgt die Temperatur des Heizgases HG in der Auslassleitung 23 etwa 650-700°C.

Wenn das Heizgas HG durch die Heizmediumrohre 12, 12 . . . fließt, steigt die Temperatur der Außenseite der Heizmediumrohre 12, 12 . . ., die sich in der Verdampferkammer 11 befinden. Die Rohbrennflüssigkeit FL und die Luft A werden in die Verdampferkammer 11 aus der Rohbrennstoff- Einspritzvorrichtung 40 eingespritzt. Übrigens wird die Luft A von einer Mehrzahl von Stellen in unterschiedliche feste Richtungen zu der Rohbrennflüssigkeit hin eingespritzt, wobei eine Luftströmung erzeugt wird. Die Rohbrennflüssigkeit FL wird durch diese Luftströmung somit zerstäubt und verteilt und kommt mit der Außenseite der Heizmediumrohre 12, 12 . . . in Kontakt. Die Rohbrennflüssigkeit FL unterliegt auch einem Wärmeaustausch mit der Wärme, die von dem durch die Heizmediumrohre 12, 12 . . . fließenden Heizgas HG erhalten wird, und verdampft unter Umwandlung in Rohbrenngas FG. Das Rohbrenngas FG wird aus der Verdampferkammer 11 durch die Verdampferrohre 31, 31 . . . des Überhitzerabschnitts 30 abgegeben.

Mittlerweile wird das Heizgas HG, das durch die Heizmediumrohre 12, 12 . . . hindurchgetreten ist, in die Heizgasleitung 13 abgegeben. Übrigens beträgt die Temperatur des Heizgases HG, das in die Heizgasleitung 13 abgegeben wurde, etwa 350°C. Das durch die Heizgasleitung 13 fließende Heizgas HG wird der Überhitzerkammer 32 des Überhitzerabschnitts 30 zugeführt, während es den Bereich um die Verdampferkammer 11 herum erwärmt. Das durch die Verdampferrohre 31, 31 . . . strömende Rohbrenngas FG wird daher durch das Heizgas HG in der Überhitzerkammer 32 überhitzt. Das überhitzte Rohbrenngas FG wird dem Reformer 2 zugeführt, während das Heizgas HG über die Auslassleitung 33 abgegeben wird.

Nun wird die Konstruktion der Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40 erläutert. Es werden zwei Ausführungen der Rohbrennstoff- Einspritzvorrichtung 40 gemäß dieser Art im Detail beschrieben. Zuerst wird die Konstruktion der Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40 nach der ersten Ausführung anhand von Fig. 5 und Fig. 6 erläutert. Bei Bedarf wird auch auf die Fig. 1 bis Fig. 4 Bezug genommen.

Die Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40A umfasst drei Brennstoffeinspritzabschnitte 41A, 41A, 41A und drei Lufteinspritzabschnitte 42A, 42A, 42A, die für jeden Brennstoffeinspritzabschnitt 41A, 41A, 41A vorgesehen sind. Die Brennstoffeinspritzabschnitte 41A, 41A, 41A und die Lufteinspritzabschnitte 42A, 42A, 42A sind mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) (nicht gezeigt) verbunden und werden von dieser gesteuert/geregelt. Die drei Brennstoffeinspritzabschnitte 41A, 41A, 41A sind in einer Reihe über dem Verdampferkörper 10 angeordnet, und sie spritzen die Rohbrennflüssigkeit FL zu den Heizmediumrohren 12, 12 . . . in der Verdampferkammer 11 hin. Die drei Lufteinspritzabschnitte 42A, 42A, 42A sind in einer Reihe mit ihren Hauptabschnitten zwischen den Brennstoffeinspritzabschnitten 41A, 41A, 41A und der Verdampferkammer 11 angeordnet, und sie spritzen Luft A in die Rohbrennflüssigkeit FL ein, die von jedem der Brennstoffeinspritzabschnitte 41A, 41A, 41A eingespritzt ist. Jeder der Lufteinspritzabschnitte 42A erzeugt eine Luftströmung durch die Luft, die an jedem Ort in die jeweils festen Richtungen eingespritzt wird, und die Luftströmungen zerstäuben und verteilen die Rohbrennflüssigkeit FL. Jeder der Lufteinspritzabschnitte 42A kann die Einspritzrichtung der Rohbrennflüssigkeit FL durch die von ihnen erzeugten Luftströmungen festlegen. Die aus den Lufteinspritzabschnitten 42A eingespritzte Luft A wird gleichmäßig mit der verdampften Rohbrennflüssigkeit FL vermischt und dem Reformer 2 zugeführt, um als Reformerluft zu wirken.

Jeder Brennstoffeinspritzabschnitt 41A besitzt ein Ventil 41b, das geöffnet wird, wenn ein Strom zu einer Solenoidwicklung 41a fließt, wodurch die Rohbrennflüssigkeit FL aus einer Brennstoffeinspritzdüse 41c eingespritzt wird. In dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A wird Rohbrennflüssigkeit FL, die ein Gemisch von Wasser und Methanol ist, aus dem Tank T von einer Pumpe P (siehe Fig. 1) unter Druck gesetzt. Die eingespritzte Rohbrennflüssigkeit FL wird aus der Brennstoffeinspritzdüse 41c, die eine kleine Öffnungsfläche hat, abgegeben, und beginnt damit, verteilt zu werden.

Der Brennstoffeinspritzabschnitt 41A ist über der Verdampferkammer 11 und an den gekrümmten Enden der Heizmediumrohre 12, 12 . . . angeordnet (siehe Fig. 3). Auch ist der Brennstoffeinspritzabschnitt 41A schräg orientiert, um eine Einspritzung von den gekrümmten Enden der Heizmediumrohre 12, 12 . . . zu dem Heizgas HG-Ausgangsöffnungsende der Heizmediumrohre 12, 12 . . . zu ermöglichen (siehe Fig. 3).

Der Lufteinspritzabschnitt 42A umfasst einen Lufteinführeinlass 42a, eine Luftzirkulationsleitung 42b, einen Lufteinspritzkonus 42c, eine Lufteinspritzleitung 42d und eine Lufteinspritzdüse 42e. Es ist irgendeine Anzahl von Lufteinspritzleitungen 42d und Lufteinspritzdüsen 42e für die zu erzeugenden Luftströmungen vorgesehen. Der mittlere Lufteinspritzabschnitt 42A ist so aufgebaut, dass er an jeder Seite die Lufteinführeinlässe 42a, 42 und Luftzirkulationsleitungen 42b, 42b der Lufteinspritzabschnitte 42A, 42A benutzt.

Der Lufteinführeinlass 42a ist über der Verdampferkammer 11 zwischen den zwei Brennstoffeinspritzabschnitten 41A, 41 (von vorne gesehen) und ein wenig hinter dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A (von oben gesehen) vorgesehen. Wie oben erwähnt, teilen sich der mittlere Lufteinspritzabschnitt 42A und die Lufteinspritzabschnitte 42A, 42A an jeder Seite davon die Lufteinführeinlässe 42a, und daher sind zwei Einlässe für drei Lufteinspritzabschnitte 42A, 42A, 42A vorgesehen. Die zwei Lufteinführeinlässe 42a, 42a befinden sich zwischen den Brennstoffeinspritzabschnitten 41A, 41A, 41A. Der Lufteinführeinlass 42a ist an einem Ende mit einer Leitung (nicht gezeigt) verbunden, und mit der Leitung ist ein Luftkompressor (nicht gezeigt) verbunden. Der Lufteinführeinlass 42a ist am anderen Ende auch mit einer Luftzirkulationsleitung 42b verbunden. Der Lufteinführeinlass 42a liefert von dem Luftkompressor eingeführte Druckluft A zu der Luftzirkulationsleitung 42b. Die oben erwähnte Rohranordnung und der Luftkompressor können auch in der Konstruktion des Lufteinspritzabschnitts A enthalten sein.

Wie in Fig. 5 gezeigt, ist die Luftzirkulationsleitung 42b (von oben gesehen) ringförmig ausgeführt, welche den Lufteinspritzkonus 42c in einer festen Höhe über der Verdampferkammer 11 umgibt. Der mittlere Lufteinspritzabschnitt 42A und die Lufteinspritzabschnitte 42A, 42A an jeder Seite davon teilen sich die Luftzirkulationsleitungen 42b, und daher sind für drei Lufteinspritzabschnitte 42A, 42A, 42A zwei Leitungen vorgesehen. Die zwei Luftzirkulationsleitungen 42b, 42b umgeben die Lufteinspritzkoni 42c, 42c der Lufteinspritzabschnitte 42A, 42A an jeder Seite. Jede Luftzirkulationsleitung 42b ist ringförmig mit einer unregelmäßigen Länge in radialer Richtung ausgeführt, wobei die Länge in radialer Richtung sich zu dem Lufteinspritzkonus 42c seitens des mittleren Lufteinspritzabschnitts 42A erstreckt. Somit zeigt eine Querschnittsansicht der Luftzirkulationsleitung 42b rechteckige Formen 42g, die sich zu dem mittleren Lufteinspritzkonus 42c an der Mitte erstrecken, und an beiden Enden angenähert quadratische Formen 42f. Ein Ende des Lufteinführeinlasses 42a ist mit der Oberseite der Luftzirkulationsleitung 42b verbunden, und die Lufteinspritzleitung 42d ist mit der Innenseite derselben verbunden. Die Luftzirkulationsleitung 42b liefert die von dem Lufteinführeinlass 42a zugeführte Luft A zu der Lufteinspritzleitung 42d.

Der Lufteinspritzkonus 42c ist konusförmig ausgeführt, dessen Oberende sich zwischen dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A und der Verdampferkammer 11 öffnet. Die obere Öffnung 42h am Oberende des Lufteinspritzkonus 42c befindet sich unter dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A derart, dass ein Austritt der von dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A eingespritzen Rohbrennflüssigkeit FL verhindert wird. Der Lufteinspritzkonus 42c fördert in die Verdampferkammer 11 derart, dass ein Austritt der von dem Brennstoffeinspritzabschnitt 51A eingespritzen Rohbrennflüssigkeit FL und der von der Lufteinspritzdüse 42e eingespritzten Luft A verhindert wird, und daher befindet sich die Bodenöffnung 42i am Unterende an der Oberseite der Verdampferkammer 11.

An jeder Seite des Lufteinspritzkonus 42c ist eine Lufteinspritzdüse 42e ausgebildet, und jede Lufteinspritzleitung 42d ist mit ihrer Lufteinspritzdüse 42e verbunden. Daher ist die Innenseite des Lufteinspritzkonus 42c ein Raum, wo Luft A von der Lufteinspritzdüse 42e in die von dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A eingespritzte Rohbrennflüssigkeit FL eingespritzt wird. Der Lufteinspritzkonus 42c führt die Rohbrennfllüssigkeit FL und die Luft A zu der Verdampferkammer 11.

Die Lufteinspritzleitung 42d ist als eine Luftleitung positioniert, die die Lufteinspritzdüse 42e mit der Luftzirkulationsleitung 42b verbindet, und die Einspritzrichtung der Luft A wird durch den Positionierungswinkel bestimmt. Die Anzahl der vorgesehenen Lufteinspritzleitungen 42d ist gleich der Anzahl der Lufteinspritzdüsen 42e. Jede der Lufteinspritzleitungen 42d fördert Luft A von der Luftzirkulationsleitung 42b zu der Lufteinspritzdüse 42e.

Die Lufteinspritzdüse 42e ist an der Seite des Lufteinspritzkonus 42c ausgebildet, und sie spritzt Luft A in den Lufteinspritzkonus 42c ein. Die Lufteinspritzdüse 42e bestimmt die Einspritzrichtung der erzeugten Luftströmung und der Rohbrennflüssigkeit FL, und daher ist eine vorbestimmte Anzahl an vorbestimmten Stellen vorgesehen (siehe Fig. 6). Die Lufteinspritzdüse 42e spritzt Luft A in die aus dem Kraftstoffeinspritzabschnitt 41A eingespritzte Rohbrennflüssigkeit FL ein, und zwar direkt unter den Kraftstoffeinspritzabschnitt 41A.

Die Konstruktion der Lufteinspritzleitung 42d und die Lufteinspritzdüse 42e, die für die zu erzeugende Strömung ausgebildet sind, werden nun anhand von Fig. 6 beschrieben. Für diese Ausführung werden die vier Muster einer Wirbelströmung, einer abgebogenen Strömung, einer abgelenkten Strömung und einer versetzten Strömung erläutert. Fig. 6 ist eine Ansicht des Lufteinspritzabschnitts 42A seitens der Verdampferkammer 11.

Die Konstruktion der Lufteinspritzleitungen 42d und der Lufteinspritzdüsen 42e zum Erzeugen einer Wirbelströmung werden nun anhand von Fig. 6(a) erläutert. Es sind vier Lufteinspritzdüsen 42e mit angenähert gleichen Abständen in Umfangsrichtung des Lufteinspritzkonus 42c ausgebildet. Jede Lufteinspritzleitung 42d befindet sich zwischen der Lufteinspritzdüse 42e und der Luftzirkulationsleitung 42b, sodass die aus jeder Lufteinspritzdüse 42e eingespritzte Luft A zu der benachbarten Lufteinspritzdüse 42e hin eingespritzt wird (siehe Pfeile in Fig. 6(a)). Die aus den zwei Lufteinspritzdüsen 42e, 42e eingespritzte Luft A, A wird nicht zu derselben Lufteinspritzdüse 42e hin eingespritzt, sodass die aus den vier Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e, 42e eingespritzte Luft A eine Strömung erzeugt, die in einer Richtung zirkuliert. Da die Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e, 42e identische Öffnungsflächen haben, hat die gesamte eingespritzte Luft A das gleiche Einspritzvolumen und den gleichen Einspritzdruck.

In Fig. 6(a) wird daher die Luft A, A, A, A aus den Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e, 42e so eingespritzt, dass sie, gesehen von seitens der Verdampferkammer 11 her, in Gegenuhrzeigerrichtung zirkuliert, um hierdurch eine gegenuhrzeigersinnige Wirbelströmung zu erzeugen. Die aus dem Kraftstoffeinspritzabschnitt 41A eingespritzte Rohbrennflüssigkeit FL fließt in diese Wirbelströmung, und die Rohbrennflüssigkeit FL tritt in die Verdampferkammer 11 ein, während sie mit der Luft A zirkuliert. Hierbei wird die Rohbrennflüssigkeit FL durch die Zirkulations-Zentrifugalkraft zerstäubt und wird in der Verdampferkammer 11 gleichmäßig verteilt. Weil die Rohbrennflüssigkeit FL zu den Heizmediumrohren 12, 12 . . . gerichtet wird, während sie zirkuliert, ist die Zeit, bis sie die Heizmediumrohre 12, 12 . . . erreicht, verlängert, und dies sichert eine viel längere Zeit zur Zerstäubung und Verteilung.

Die Konstruktion der Lufteinspritzleitungen 42d und der Lufteinspritzdüsen 42e zum Erzeugen einer gebogenen Strömung wird nun anhand von Fig. 6(b) erläutert. Eine Reihe von drei Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e und eine andere Reihe von drei Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e sind in dem Lufteinspritzkonus 42c einander gegenüberliegend ausgebildet und nehmen die obere Öffnung 42h zwischen sich auf. Jede Lufteinspritzleitungen 42d ist zwischen jeder Lufteinspritzdüse 42e und der Luftzirkulationsleitung 42b angeordnet, sodass die aus einer Lufteinspritzdüse 42e eingespritzte Luft A zu der anderen Lufteinspritzdüse 42e eingespritzt wird, die ihr gegenüber liegt und dazwischen die obere Öffnung 42h aufnimmt (siehe Pfeile in Fig. 6(b)). Die erste Reihe der Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e und die zweite Reihe von Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e haben unterschiedliche Öffnungsflächen, und daher wird die Luft A mit unterschiedlichen Einspritzvolumina und Einspritzdrücken über die obere Öffnung 42h hinweg eingespritzt. Übrigens haben die drei Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e in ein und derselben Reihe die gleiche Öffnungsfläche.

Da die aus einer Reihe der Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e eingespritzte Luft A, A, A und die aus der anderen Reihe von Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e eingespritzte Luft A, A, A unterschiedliche Einspritzvolumina und Einspritzdrücke erzeugen, wird demzufolge eine Luftströmung in einer festen Richtung erzeugt. D. h. die Einspritzrichtung der aus dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A eingespritzten Rohbrennflüssigkeit FL wird zu den drei Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e hin abgebogen, die die Luft A mit dem geringeren Einspritzvolumen (geringeren Einspritzdruck) einspritzen. Diese abgebogene Strömung, die durch die von den sechs Lufteinspritzdüsen 42e eingespritzte Luft A erzeugt wird, fördert auch die Zerstäubung und Verteilung der aus dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A eingespritzten Rohbrennflüssigkeit FL.

Die Konstruktion der Lufteinspritzleitungen 42d und der Lufteinspritzdüsen 42e zum Erzeugen einer abgelenkten Strömung werden un anhand von Fig. 6(c) erläutert. Eine Reihe von Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e und eine andere Reihe von drei Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e sind in dem Lufteinspritzkonus 42c derart ausgebildet, dass der Verjüngungswinkel, der durch die Verlängerungslinien von einer Düsenreihe zur anderen Düsenreihe gebildet ist, angenähert 60° beträgt. Ferner ist jede Lufteinspritzleitung 42d zwischen jeder Lufteinspritzdüse 42e und Luftzirkulationsleitung 42b derart angeordnet, dass der Verjüngungswinkel, der durch die Einspritzrichtung der aus einer Lufteinspritzdüse 42e eingespritzten Luft A und der Einspritzrichtung der aus der anderen Lufteinspritzdüse 42e eingespritzten Luft A gebildet ist, angenähert 120° beträgt (siehe Pfeile in Fig. 6(c)). Die erste Reihe von Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e und die zweite Reihe von Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e haben die gleiche Öffnungsfläche, und daher hat die eingespritzte Luft A das gleiche Einspritzvolumen und den gleichen Einspritzdruck.

Daher kollidiert die Luft A, die aus einer Reihe der drei Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e eingespritzt ist, mit der Luft A, die aus der anderen Reihe der drei Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e eingespritzt ist, an der Mitte des Lufteinspritzkonus 42c, was eine Luftströmung in einer festen Richtung erzeugt. Diese feste Richtung wird durch die Einspritzrichtung der Luft A, die aus einer Reihe der Lufteinspritzdüsen 42e eingespritzt ist, und die Einspritzrichtung der Luft A, die aus der anderen Reihe der Lufteinspritzdüsen 42e eingespritzt ist, bestimmt, und dies ist eine Richtung von angenähert 120° von den zwei Einspritzrichtungen weg. Im Ergebnis wird die aus dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A eingespritzte Rohbrennflüssigkeit FL in diese feste Richtung abgelenkt. Die Ablenkströmung, die durch die aus den sechs Lufteinspritzdüsen 42e eingespritzte Luft A erzeugt wird, fördert auch eine Zerstäubung und Verteilung der aus dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A eingespritzten Rohbrennflüssigkeit FL.

Die Konstruktion der Lufteinspritzleitungen 42d und der Lufteinspritzdüsen 42e zum Erzeugen einer versetzten Strömung wird nun anhand von Fig. 6(d) erläutert. Eine Reihe dieser drei Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e ist in dem Lufteinspritzkonus 42c ausgebildet. Jede Lufteinspritzleitung 42d ist zwischen jeder Lufteinspritzdüse 42e und Luftzirkulationsleitung 42b derart angeordnet, dass die Luft A, A, A aus den drei Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e eingespritzt wird (siehe Pfeile in Fig. 6(d)). Die Reihe der drei Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e hat jeweils die gleiche Öffnungsfläche, und daher hat die gesamte eingespritzte Luft A das gleiche Einspritzvolumen und den gleichen Einspritzdruck.

Daher erzeugt die Luft A, A, A, die aus der Reihe der drei Lufteinspritzdüsen 42e, 42e, 42e eingespritzt wird, eine Luftströmung in einer festen Richtung. Im Ergebnis wird die aus dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A eingespritzte Rohbrennflüssigkeit FL in einer festen Richtung versetzt. Die versetzte Strömung, die durch die aus den drei Lufteinspritzdüsen 42e eingespritzte Luft A erzeugt wird, fördert auch die Zerstäubung und Verteilung der aus dem Rohbrennstoff- Einspritzabschnitt 41A eingespritzten Rohbrennflüssigkeit FL.

Nun wird die Funktion der Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40A mit der oben beschriebenen Konstruktion erläutert.

Wie oben erläutert, ist die Konstruktion der Lufteinspritzleitungen 42d und der Lufteinspritzdüsen 42e des Lufteinspritzabschnitts 42A entsprechend der zu erzeugenden Luftströmung ausgebildet. Wenn die Zerstäubung und Verteilung der Rohbrennflüssigkeit FL am wichtigsten ist, ist die Konstruktion der Lufteinspritzleitungen 42d und der Lufteinspritzdüsen 42e so ausgebildet, dass sie eine Wirbelströmung erzeugt, was für die Zerstäubung und Verteilung der Rohbrennflüssigkeit FL besonders effektiv ist.

Wenn die Einspritzrichtung der Rohbrennflüssigkeit FL am wichtigsten ist, ist die Konstruktion der Lufteinspritzleitungen 42d und der Lufteinspritzdüsen 42e so ausgebildet, dass eine abgebogene Strömung, eine abgelenkte Strömung oder eine versetzte Strömung erzeugt wird. Um beispielsweise den Verdampfungs-Wirkungsgrad zu verbessern, wird die Einspritzrichtung in eine derartige Richtung gelegt, dass das Einspritzvolumen zu dem Hochtemperaturbereich der Heizmediumrohre 12, 12 . . . der Verdampferkammer 11 erhöht wird, während das Einspritzvolumen zum Niedertemperaturbereich hin gesenkt wird, in Abhängigkeit von der Wärmeverteilung in der Verdampferkammer 11. Um einen Verlust an Verdampfungs-Wirkungsgrad zu verhindern, wird die Einspritzrichtung in eine derartige Richtung gelegt, dass die Rohbrennflüssigkeit FL nicht verspritzt und als Flüssigkeitströpfchen an der Innenwand der Verdampferkammer 11 anhaftet. Um ein Verspritzen überschüssiger Flüssigkeitströpfchen aus dem Verdampfer 1 zu verhindern, wird die Einspritzrichtung in eine derartige Richtung gelegt, dass die Rohbrennflüssigkeit FL nicht zu dem Überhitzerabschnitt 30 hin eingespritzt wird.

In den drei Lufteinspritzabschnitten 42A, 42A, 42A können die Lufteinspritzleitungen 42d und die Lufteinspritzdüsen 42e alle so ausgebildet sein, dass sie die gleiche Luftströmung erzeugen, oder sie können so ausgebildet sein, dass die Lufteinspritzleitungen 42d und die Lufteinspritzdüsen 42e unterschiedliche Luftströmungen erzeugen. In jedem Fall liegt der Hauptzweck darin, den Verdampfungs-Wirkungsgrad der Rohbrennflüssigkeit FL zu verbessern.

Die Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40A spritzt die Rohbrennflüssigkeit FL aus dem Einspritzabschnitt 41A und die Luft A aus dem Lufteinspritzabschnitt 42A auf der Basis eines Steuersignals von der ECU aus. In dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A wird die Erregungszeit und die Erregungszeitgebung des Solenoids 41a durch das Steuersignal bestimmt, und die Rohbrennflüssigkeit FL wird mit dem Einspritzvolumen und der Einspritzzeitgebung auf der Basis des Steuersignals eingespritzt. Die Einspritzzeitgebung wird auf das optimale Einspritzintervall für die Verdampfung gesteuert/geregelt, wie etwa intermittierende Einspritzung oder zufällige Einspritzung, und das Einspritzvolumen wird ebenfalls auf den Optimalwert in Abhängigkeit von der Wärmeverteilung etc. außerhalb der Heizmediumrohre 12, 12 . . . gesteuert/geregelt.

In dem Lufteinspritzabschnitt 42A wird ein Luftkompressor (nicht gezeigt) durch ein Steuersignal gesteuert/geregelt, und die Luft A wird entsprechend dem Luftvolumen (Einspritzdruck) und der Einspritzzeitgebung auf der Basis des Steuersignals eingespritzt. Der Lufteinspritzabschnitt 42A wird derart gesteuert/geregelt, dass die Luft A immer zumindest während der Einspritzung der Rohbrennflüssigkeit FL aus dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A eingespritzt wird. Das Einspritzvolumen der Luft A wird auf den Optimialwert entsprechend dem Einspritzvolumen der Rohbrennflüssigkeit FL gesteuert/geregelt.

Die Luft A wird aus der Lufteinspritzdüse 42e in dem Lufteinspritzkonus 42c, die sich direkt unter dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A befindet, in die Rohbrennflüssigkeit FL, die aus der Brennstoffeinspritzdüse 42c des Brennstoffeinspritzabschnitts 41A eingespritzt wird, eingespritzt. Dies bewirkt, dass die Rohbrennflüssigkeit FL in die durch die Luft A erzeugte Luftströmung hinein strömt. Die Rohbrennflüssigkeit FL wird auch zerstäubt und verteilt, während sie mit der Luft A gleichmäßig vermischt wird. Wenn die Luftströmung eine abgebogene Strömung, eine abgelenkte Strömung oder versetzte Strömung oder dgl. ist, wird die Einspritzrichtung der Rohbrennflüssigkeit FL geeignet festgelegt und die Strömung wird in einer festen Richtung ausgerichtet.

Die zerstäubte Rohbrennflüssigkeit FL kommt mit den Heizmediumrohren 12, 12 . . ., die sich in der Verdampferkammer 11 befinden, in Kontakt. Die Rohbrennflüssigkeit FL verteilt sich dann gleichmäßig außerhalb der Heizmediumrohre 12, 12 . . . aufgrund der Luftströmung. Wenn die Einspritzrichtung durch den Lufteinspritzabschnitt 42A bestimmt wird, wird die Rohbrennflüssigkeit FL verteilt, während sie sich an den Hochtemperaturbereichen der Heizmediumrohre 12, 12 . . . konzentriert, oder sie wird in einer Richtung verteilt, die nicht zur Innenwand des Überhitzerabschnitts 30 oder der Verdampferkammer 11 hin ausgerichtet ist. Da die Rohbrennflüssigkeit FL zerstäubt wird, unterliegt sie auch einem hocheffizienten Wärmeaustausch mit der Wärme, die von dem durch die Heizmediumrohre 12, 12 . . . fließenden Heizgas HG aufgenommen wird, und sie wird dann zu Rohbrenngas FG. Im Ergebnis wird die Rohbrennflüssigkeit FL mit sehr hohem Wirkungsgrad verdampft. Das Rohbrenngas FG vermischt sich gleichmäßig mit der Luft A und fließt in den Überhitzerabschnitt 30.

Bei dieser Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40A fördert die Luftströmung, die durch die aus dem Lufteinspritzabschnitt 42A einspritzte Luft A erzeugt wird, die Zerstäubung und Verteilung der aus dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41A eingespritzten Rohbrennflüssigkeit FL, und verbessert somit den Verdampfungs-Wirkungsgrad der Rohbrennflüssigkeit FL. Da zusätzlich das Rohbrenngas FG, welches gleichmäßig mit der Luft A vermischt wird, dem Reformer 2 als Reformerluft zugeführt wird, wird der Reformerwirkungsgrad verbessert, und es ist kein separates Mittel zum Zuführen von Reformerluft erforderlich. Die Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40A ist auch mit drei Brennstoffeinspritzabschnitten 41A und Lufteinspritzabschnitten 42A entsprechend der Größe der Verdampferkammer 11 versehen, und daher kann die zerstäubte Rohbrennflüssigkeit FL über den gesamten Bereich der Verdampferkammer 11 verteilt werden, was einen noch besseren Verdampfungs-Wirkungsgrad gestattet.

Die Konstruktion der Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40B nach der zweiten Ausführung wird nun anhand von Fig. 7 erläutert. Bei Bedarf wird auch auf Fig. 1 bis Fig. 6 Bezug genommen. Die Rohbrennstoff- Einspritzvorrichtung 40B ist mit identischen Nummern für die Strukturelemente bezeichnet, die jenen der oben beschriebenen Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40A äquivalent sind, und ihre Erläuterung wird daher weggelassen.

Die Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40B umfasst drei Brennstoffeinspritzabschnitte 41B, 41B, 41B und zwei Lufteinspritzabschnitte 42B, 42B, die jederseits für die Brennstoffeinspritzabschnitte 41B, 41B vorgesehen sind. Daher wird keine Luft A in diejenige Rohbrennflüssigkeit FL eingespritzt, die aus dem mittleren Brennstoffeinspritzabschnitt 41B eingespritzt wird. Die Brennstoffeinspritzabschnitte 41B, 41B, 41B und die Lufteinspritzabschnitte 42B, 42B sind mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) (nicht gezeigt) verbunden und werden dadurch gesteuert/geregelt. Die drei Brennstoffeinspritzabschnitte 41B, 41B, 41B sind in einer Reihe über dem Verdampferkörper 10 angeordnet, und sie spritzen die Rohbrennflüssigkeit FL zu den Heizmediumrohren 12, 12 . . . in der Verdampferkammer 11 hin ein. Die zwei Lufteinspritzabschnitte 42B, 42B spritzen Luft A in die Rohbrennflüssigkeit FL, die aus den Brennstoffeinspritzabschnitten 41B, 41B eingespritzt ist, an jeder Seite ein, und sie erzeugen Luftströmungen, die die Rohbrennflüssigkeit FL zerstäuben und verteilen. Die aus dem mittleren Brennstoffeinspritzabschnitt 41B eingespritzte Rohbrennflüssigkeit FL wird direkt von der Brennstoffeinspritzdüse 41c in die Verdampferkammer 11 geleitet. Übrigens können die zwei Lufteinspritzabschnitte 42B, 42B die Einspritzrichtung der Rohbrennflüssigkeit FL festlegen, indem sie die jeweilige Luft A in die Rohbrennflüssigkeit FL einspritzen.

Der Brennstoffeinspritzabschnitt 41B hat die gleiche Konstruktion wie der Brennstoffeinspritzabschnitt 41A, und daher wird dessen Erläuterung weggelassen.

Der Lufteinspritzabschnitt 42B umfasst einen Lufteinführeinlass 42a, eine Luftzirkulationsleitung 42j, einen Lufteinspritzkonus 42c, eine Lufteinspritzleitung 42d und eine Lufteinspritzdüse 42e. Es ist irgendeine Anzahl von Lufteinspritzleitungen 42d und Lufteinspritzdüsen 42e für die zu erzeugenden Luftströmungen vorgesehen:

Der Lufteinführeinlass 42a ist nicht aufgeteilt, daher ist für jeden der zwei Lufteinspritzabschnitte 42B, 42B einer vorgesehen.

Die Luftzirkulationsleitung 42j ist (von oben gesehen) als eine ringförmige Luftleitung ausgebildet, die den Lufteinspritzkonus 42c in einer festen Höhe über der Verdampferkammer 11 umgibt. Die Luftzirkulationsleitungen 42j sind nicht aufgeteilt, und daher ist für jeden der zwei Lufteinspritzabschnitte 42B, 42B eine Leitung vorgesehen. Jede Luftzirkulationsleitung 42j ist ringförmig mit einer unregelmäßigen Länge in radialer Richtung ausgeführt, wobei sich die Länge in radialer Richtung zur Mittelseite hin erstreckt, sodass der Lufteinführeinlass 42a an der Oberseite angeordnet ist. Übrigens zeigt eine Querschnittsansicht der Luftzirkulationsleitung 42j rechteckige Formen 42k, die sich an der Mitte ein wenig zur Mitte hin erstrecken, und an beiden Enden angenähert quadratische Formen 421. Ein Ende des Lufteinführeinlasses 42a ist mit der Oberseite der Luftzirkulationsleitung 42j verbunden, und die Lufteinspritzleitung 42d ist mit der Innenseite der Luftzirkulationsleitung 42j verbunden. Die Luftzirkulationsleitung 42j liefert die von dem Lufteinführeinlass 42a zugeführte Luft A zu der Lufteinspritzleitung 42d.

Die Lufteinspritzleitungen 42d und Lufteinspritzdüsen 42e sind entsprechend der zu erzeugenden Luftströmung ausgebildet, ähnlich jenen des Lufteinspritzabschnitts 42A. Die Konstruktion der Lufteinspritzleitungen 42d und Lufteinspritzdüsen 42e des Lufteinspritzabschnitts 42b ist entsprechend dem Zweck ausgebildet, in Abhängigkeit davon, ob die Zerstäubung und Verteilung der Rohbrennflüssigkeit FL am wichtigsten ist oder die Einspritzrichtung der Rohbrennflüssigkeit FL am wichtigsten ist, wie bei der Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung A. Bei jeder Konstruktion liegt der Hauptzweck darin, dass der Verdampfungs-Wirkungsgrad der Rohbrennflüssigkeit FL verbessert wird.

Nun wird die Funktion der Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40B mit der oben beschriebenen Konstruktion erläutert.

Die Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40B spritzt die Rohbrennflüssigkeit FL aus dem Einspritzabschnitt 41B und die Luft A aus dem Lufteinspritzabschnitt 42B auf der Basis eines Steuersignals von der ECU ein. Auch in dem Brennstoffeinspritzabschnitt 41B werden die Einspritzzeitgebung und das Einspritzvolumen für die Rohbrennflüssigkeit FL und die Luft A auf der Basis des Steuersignals gesteuert/geregelt, ähnlich der Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40A.

Luft A wird aus der Lufteinspritzdüse 42e in jedem Lufteinspritzkonus 42c, 42c, der sich direkt unter jedem Brennstoffeinspritzabschnitt 41B, 41B befindet, in die Rohbrennflüssigkeit FL eingespritzt, die aus jeder Brennstoffeinspritzdüse 41c, 41c der Brennstoffeinspritzabschnitte 41B, 41B an jeder Seite eingespritzt wird. Dies bewirkt, dass die Rohbrennflüssigkeit FL in die von der Luft A erzeugte Luftströmung hineinströmt. Die Rohbrennflüssigkeit FL wird auch zerstäubt und verteilt, während sie sich gleichmäßig mit der Luft A vermischt. Wenn die Luftströmung eine abgebogene Strömung ist, eine abgelenkte Strömung, versetzte Strömung oder dgl., wird die Einspritzrichtung der Rohbrennflüssigkeit FL geeignet festgelegt, und die Strömung wird in einer festen Richtung ausgerichtet. Andererseits wird die Rohbrennflüssigkeit FL, die aus der Brennstoffeinspritzdüse 41c des mittleren Brennstoffeinspritzabschnitts 41B eingespritzt wird, direkt zerstäubt und verteilt, wenn sie in die Verdampferkammer 11 eintritt.

An beiden Enden der Verdampferkammer 11 kommt die zerstäubte Rohbrennflüssigkeit FL mit den in der Verdampferkammer 11 angeordneten Heizmediumrohren 12, 12 . . . in Kontakt. Die Rohbrennflüssigkeit FL verteilt sich dann gleichmäßig außerhalb der Heizmediumrohre 12, 12 . . . aufgrund der Luftströmung, die durch den Lufteinspritzabschnitt 42B erzeugt wird. Es sammelt sich keine Wärme an beiden Enden der Verdampferkammer 11 an, und daher ist die Wärmeenergie, die von dem durch die Heizmediumrohre 12, 12 . . . fließenden Heizgas HG erhalten wird, niedriger als in der Mitte der Verdampferkammer 11, wodurch der Verdampfungs- Wirkungsgrad niedriger ist als in der Mitte. Da jedoch die Rohbrennflüssigkeit FL durch die Luftströmung zerstäubt wird, unterliegt sie einem effizienten Wärmeaustausch mit der Wärme, die von dem durch die Heizmediumrohre 12, 12 . . . fließenden Heizgas HG aufgenommen wird, und sie verdampft. Im Ergebnis wird die Rohbrennflüssigkeit FL mit sehr hohem Wirkungsgrad verdampft.

Andererseits wird, in der Mitte der Verdampferkammer 11, die Rohbrennflüssigkeit FL, die aus der Brennstoffeinspritzdüse 41c des mittleren Brennstoffeinspritzabschnitts 41 B eingespritzt wird, direkt zerstäubt und verteilt, und kommt mit den Heizmediumrohren 12, 12 . . . in Kontakt. Weil diese Rohbrennflüssigkeit FL nicht durch die Luftströmung beeinflusst wird, unterliegt sie einer geringeren Zerstäubung und Verteilung als die Rohbrennflüssigkeit FL, die aus den Brennstoffeinspritzabschnitten 41B, 41B an jeder Seite eingespritzt wird. Jedoch hat Wärme die Tendenz, sich in der Mitte der Verdampferkammer 11 aufzubauen und es ist demzufolge eine größere Wärmeenergie aus dem Heizgas HG vorhanden, das in den Heizmediumrohren 12, 12 . . . fließt, was die Verdampfung erleichtert. Daher ist der Verdampfungs-Wirkungsgrad auch mit solcher Rohbrennflüssigkeit FL ausreichend hoch, deren Zerstäubung und Verteilung nicht gefördert wurde.

In der Verdampferkammer 11 werden die Rohbrennflüssigkeit FL, die an beiden Enden eingespritzt und verdampft wird, die Luft A, die an beiden Enden eingespritzt wird, und die Rohbrennflüssigkeit, die in der Mitte eingespritzt und verdampft wird, gleichmäßig mit dem Rohbrenngas FG vermischt. Das Rohbrenngas FG strömt in den Überhitzerabschnitt 30, wo es überhitzt wird, und wird dann dem Reformer 2 zugeführt.

Bei dieser Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40B spritzen die Lufteinspritzabschnitte 42B, 42B die Luft nur in die Rohbrennflüssigkeit FL ein, die an der jeweiligen Seite aus den Brennstoffeinspritzabschnitten 41B, 41B eingespritzt wird, und daher wird die Rohbrennflüssigkeit FL, die zerstäubt und verteilt wurde, in beide Enden der Verdampferkammer 11 eingespritzt, in Abhängigkeit von der Wärmeverteilung in der Verdampferkammer 11. Daher kann die Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung 40B für einen verbesserten Verdampfungs-Wirkungsgrad mit einer einfachen Konstruktion sorgen.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt und sie kann in verschiedenen unterschiedlichen Arten ausgeführt werden.

Beispielsweise wurde diese Art für eine Konstruktion erläutert, wo die Lufteinspritzabschnitte Luftströmungen der vier Muster erzeugen, jedoch besteht keine Beschränkung auf diese vier Muster, und die Konstruktion kann derart sein, dass ein zweiter Einspritzabschnitt unterschiedliche Luftströmungen erzeugt, die die Zerstäubung und Verteilung fördern.

Auch können die Anzahl, Position und Öffnungsgröße der Lufteinspritzdüsen des Lufteinspritzabschnitts und die Richtung, in der die Lufteinspritzleitungen gelegt sind, für verschiedene Konstruktionen in Abhängigkeit von der zu erzeugenden Luftströmung bestimmt werden.

Während ferner der Lufteinspritzabschnitt mit einem Lufteinführeinlass, einer Luftzirkulationsleitung, einem Lufteinspritzkonus, einer Lufteinspritzleitung und einer Lufteinspritzdüse konstruiert war, ist der zweite Einspritzabschnitt nicht auf eine solche Konstruktion beschränkt, solange sie das Gas oder die Flüssigkeit mit einer vorbestimmten Richtungseigenschaft einspritzen kann.

Hier waren die drei Brennstoffeinspritzabschnitte in einer Reihe angeordnet, und die Lufteinspritzabschnitte waren entsprechend den Brennstoffeinspritzabschnitten angeordnet, wobei aber die optimale Anzahl erster Einspritzabschnitte und zweite Einspritzabschnitte in Abhängigkeit von der Form und Größe der Verdampferkammer angeordnet sein kann.

Das Gas oder die Flüssigkeit, das in die eingespritzte Rohbrennflüssigkeit eingespritzt wird, kann irgendein anderes Gas oder eine Flüssigkeit sein als Luft. Bei einer Flüssigkeit besteht die Möglichkeit, Wasser, welches zur Reformierung zu benutzen ist, einzuführen und einzuspritzen, oder verflüssigten Sauerstoff, der als Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle dient. Auch mit einer Flüssigkeit kann eine Mischlösung von Wasser und Methanol als die Rohbrennflüssigkeit aus dem zweiten Einspritzabschnitt eingespritzt werden und mit der aus dem ersten Einspritzabschnitt eingespritzten Rohbrennflüssigkeit kombiniert werden, um ein großes Volumen von Rohbrennflüssigkeit in die Verdampferkammer einzuspritzen, was zu einer Erzeugung eines großen Volumens von Rohbrenngas führt.

Die Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung nach einem Aspekt der Erfindung erzeugt eine Luftströmung durch Gas oder Flüssigkeit, die aus einem zweiten Einspritzabschnitt eingespritzt wird, und die Luftströmung zerstäubt die aus dem ersten Einspritzabschnitt eingespritzte Rohbrennflüssigkeit, während sie diese in der Verdampferkammer verteilt. Demzufolge wird der Wärmeaustausch-Wirkungsgrad zwischen der Rohbrennflüssigkeit und der Wärme, die von dem Hochtemperatur- Heizmedium in der Verdampferkammer aufgenommen wird, verbessert, um hierdurch den Verdampfungs-Wirkungsgrad zu verbessern.

Die Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung nach einem anderen Aspekt der Erfindung erzeugt eine Wirbelströmung durch Gas oder Flüssigkeit, das aus dem zweiten Einspritzabschnitt eingespritzt wird, was eine weitere Zerstäubung und Verteilung der aus dem ersten Einspritzabschnitt eingespritzten Rohbrennflüssigkeit für einen weiter verbesserten Verdampfungs-Wirkungsgrad gestattet.

Die Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung nach einem noch weiteren Aspekt 3 der Erfindung hat eine Konstruktion, in der der zweite Einspritzabschnitt eine Luftströmung nur an beiden Enden der Verdampferkammer erzeugt, wo der Verdampfungs-Wirkungsgrad wegen der Wärmeverteilung niedrig ist, und diese einfache Struktur gestattet daher eine Verdampfung der Rohbrennflüssigkeit bei hoher Effizienz.

Die beigefügte japanische Patentanmeldung Nr. Hei 11-125366 ist Teil der Offenbarung der vorliegenden Patentanmeldung.

Claims

1. Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verdampfer mit einer Verdampferkammer, in der Rohbrennflüssigkeit durch ein Hochtemperatur-Heizmedium verdampft wird, vorgesehen sind:
ein erster Einspritzabschnitt, der die Rohbrennflüssigkeit in die Verdampferkammer einspritzt, und
ein zweiter Einspritzabschnitt, der Gas oder Flüssigkeit mit einer vorbestimmten Richtungseigenschaft in die aus dem ersten Einspritzabschnitt eingespritzte Rohbrennflüssigkeit einspritzt.

2. Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einspritzabschnitt das eingespritzte Gas oder die eingespritzte Flüssigkeit in einer Wirbelströmung einspritzt.

3. Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit drei oder mehr der ersten Einspritzabschnitte versehen ist, und sie mit einem zweiten Einspritzabschnitt versehen ist, der Gas oder Flüssigkeit nur in die aus den ersten Einspritzabschnitten an jeder Seite eingespritzte Rohbrennflüssigkeit einspritzt.

4. Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 2, die mit drei oder mehr der ersten Einspritzabschnitte versehen ist, und die mit einem zweiten Einspritzabschnitt versehen ist, der Gas oder Flüssigkeit nur in die aus den ersten Einspritzabschnitten an jeder Seite eingespritzte Rohbrennflüssigkeit einspritzt.