EP1554523A1 - Zerst uberdüse - Google Patents

Zerst uberdüse

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Publication number
EP1554523A1
EP1554523A1 EP03808670A EP03808670A EP1554523A1 EP 1554523 A1 EP1554523 A1 EP 1554523A1 EP 03808670 A EP03808670 A EP 03808670A EP 03808670 A EP03808670 A EP 03808670A EP 1554523 A1 EP1554523 A1 EP 1554523A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle body
nozzle
atomizer
opening
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03808670A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Schwegler
Ian Faye
Markus Gesk
Frank Miller
Hartmut Albrodt
Franz Thoemmes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1554523A1 publication Critical patent/EP1554523A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/02—Spray pistols; Apparatus for discharge
    • B05B7/04—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge
    • B05B7/0416—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge with arrangements for mixing one gas and one liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/24—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by pressurisation of the fuel before a nozzle through which it is sprayed by a substantial pressure reduction into a space
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details
    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/14—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means with multiple outlet openings; with strainers in or outside the outlet opening
    • B05B1/20—Perforated pipes or troughs, e.g. spray booms; Outlet elements therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/03002—Combustion apparatus adapted for incorporating a fuel reforming device
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07021—Details of lances
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631—Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention is based on an atomizing arrangement according to the preamble of the main claim.
  • cat burners are components that have surfaces coated with a catalyst.
  • the fuel / air mixture is converted into heat and exhaust gases in these catalytic burners, the heat generated being conducted, for example, to the corresponding components, such as the chemical reformer or an evaporator, via the jacket surfaces and / or the warm exhaust gas flow.
  • the conversion of the fuel into heat is heavily dependent on the size of the fuel droplets that hit the catalytic layer.
  • the fuel is also converted faster and pollutant emissions reduced. Excessively large droplets of fuel lead to a coating of the catalytic layer and thus to slow conversion. This leads to poor efficiency, for example, especially in the cold start phase.
  • US 3,971,847 discloses devices for metering fuels into reformers.
  • the fuel is metered from metering devices, which are relatively far from the reformer, via long feed lines and a simple nozzle into a temperature-controlled material flow.
  • the fuel first hits baffles, which are arranged after the outlet opening of the nozzle, which are intended to cause swirling and distribution of the fuel, and then reaches the reaction area of the reformer via a relatively long evaporation path, which is necessary for the evaporation process.
  • the metering device can be isolated from thermal influences of the reformer by the long supply line.
  • a disadvantage of the devices known from the above-mentioned publication is, in particular, that the simple construction of the nozzle and the arrangement of the baffle plates mean that fuel can be metered in deliberately, for example in areas of the reformer with a large supply of heat. This leads to a relatively large space requirement due to the need for a long and voluminous evaporation section.
  • the atomizer nozzle according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the fuel can be introduced according to the heat available in the metering space by a suitable design and arrangement. This optimizes the evaporation process of the fuel and can take place in a small, rapidly heating space. In addition, the operating behavior can be improved, since, for example, measuring sections or measuring surfaces, for example sensors, can be largely excluded from the application of fuel.
  • the geometry of the sprayed-off fuel or the fuel cloud can be excellently adapted to the conditions prevailing in the metering space and the conditions resulting therefrom.
  • the nozzle body of the atomizer nozzle is shaped as a hollow cylinder.
  • the atomizer nozzle can be manufactured very simply, precisely and therefore inexpensively.
  • the atomizer nozzle can be made from standardized semi-finished products, e.g. made of standardized metal pipes.
  • a gas supply opening for supplying a gas is arranged between the spray openings of the first height level and the metering opening. This can advantageously influence the mixture preparation.
  • the atomizer nozzle can also be advantageously further developed in that at least one further spray opening, which is an axial one, is arranged after the last spray opening of a height step lying in the fuel flow direction Has component to the central axis of the nozzle body.
  • the geometrical shape of the nozzle body inserts can advantageously influence the flow behavior of the fuel in the nozzle body, nozzle body inserts with a rectangular, concave or convex cross section being particularly advantageous and simple to manufacture and assemble.
  • the flow behavior or the pressure conditions in the nozzle body can be influenced by the shape of the passage opening.
  • passage openings with a trapezoidal, rectangular or a combination of rectangular and trapezoidal cross section are particularly advantageous, in particular since they can be produced simply, precisely and therefore inexpensively. It is also advantageous to implement the passage opening in several uniform cross sections of different sizes, for example as a stepped bore.
  • the thermal conductivity in particular is reduced towards the metering point.
  • a metering device arranged there is thus protected from excessive heating.
  • the radiation geometry can be influenced by the sections with reduced wall thickness if they lie in the region of the spray openings.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a first embodiment of an atomizer nozzle according to the invention.
  • 2A shows a schematic illustration of a first embodiment of a nozzle body insert arranged in the atomizer nozzle according to the invention;
  • FIG. 2B shows a schematic illustration of a second embodiment of a nozzle body insert arranged in the atomizer nozzle according to the invention
  • Fig. 2C is a schematic representation of a third embodiment of one in the invention.
  • FIG. 2D shows a schematic illustration of a fourth embodiment of a nozzle body insert arranged in the atomizer nozzle according to the invention
  • FIG. 2E shows a schematic representation of a fifth embodiment of a nozzle body insert arranged in the atomizer nozzle according to the invention
  • FIG. 2F shows a schematic illustration of a sixth embodiment of a nozzle body insert and arranged in the atomizer nozzle according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic partial sectional view of an embodiment of the atomizer nozzle according to the invention in the region of a height level.
  • exemplary embodiments of atomizer nozzles designed according to the invention described below enable simple metering and atomization in a hot atmosphere with a robust construction and use in different ways spatial constellations and use of standard low-pressure fuel injectors.
  • a first exemplary embodiment of an atomizer nozzle 1 according to the invention is in the form of an atomizer nozzle 1 for the use of low-pressure fuel injection valves 16.
  • the atomizer nozzle 1 is particularly suitable for the entry and atomization of fuel into a chemical reformer, not shown, for the production of hydrogen.
  • the atomizer nozzle 1 has a hollow cylindrical nozzle body 2 with a metering opening 6 arranged at the top in relation to a central axis 10 of the nozzle body 2. Then, in the fuel flow direction 8, there is a gas supply opening 7 arranged on the longitudinal side of the nozzle body 2, eight height levels 4 with spray openings 3 arranged at right angles to the central axis 10 of the nozzle body 2 and finally the side of the nozzle body 2 opposite the metering opening 6 with a spray opening 3.
  • nozzle body inserts 5 with passage openings 11 arranged axially in the center are arranged in the nozzle body 2.
  • the central axes 12 of the passage openings 11 coincide with the central axis 10 of the nozzle body 2.
  • the nozzle body inserts 5 are disc-shaped, the first nozzle body insert 5.1 lying in front of the first height step 4.1 being concavely drawn in from the passage opening 11 towards the outer circumference against the fuel flow direction 8 ,
  • the Nozzle body inserts 5 are so sealed in the area of the outer circumference with the nozzle body 2 that no fuel or gas can penetrate between the nozzle body 2 and the outer circumference of the nozzle body insert 5.
  • nozzle body insert 5 and nozzle body 2 are joined by a laser welding connection 14. They can also be pressed in.
  • Spray nozzle disks such as are known from fuel injection valves are outstandingly suitable as nozzle body inserts 5.
  • the passage opening 11 of the first nozzle body insert 5.1 is rectangular as a bore in cross section, that of the last nozzle body insert 5.2 is trapezoidal opening downwards.
  • further nozzle body inserts 5 can be arranged between the height levels 4 in further exemplary embodiments, the shape of the nozzle body inserts 4, their installation position and the shape or the composition of the shapes of the passage openings 11 being able to be combined and varied as desired for controlling the fuel flow, gas flow and pressure conditions ,
  • the fuel is metered through the metering opening 6, in this exemplary embodiment through a low-pressure fuel injection valve 16, into the atomizer nozzle 1 or the nozzle body 2 and then flows in the fuel flow direction 8, which runs along the central axis 10 of the nozzle body 2, at the gas supply opening 7. through which residual gases and / or air are guided into the nozzle body 2 via a gas pipe 15, past the first nozzle body insert 5.1.
  • the fuel or the fuel / gas mixture then passes through the passage opening 11, after which at least part of the fuel or fuel / gas mixture is sprayed through the spray openings 3 arranged at the level of the respective height levels 4 into a metering space (not shown) ,
  • the remaining part of the fuel or the fuel / gas mixture passes through the passage opening 11 of the last opening, which opens downwards in a trapezoidal manner in the fuel flow direction 8
  • Nozzle body insert 5.2 and can escape through the subsequently arranged spray openings 3 of the last height level 4.2 and the spray opening 3 arranged on the lower side of the nozzle body 2 into the metering space (not shown) from the nozzle body 2 or the atomizer nozzle 1 with a correspondingly lower pressure.
  • FIG. 2A shows a first embodiment of a nozzle body insert 5 arranged in the atomizer nozzle 1 according to the invention, the disk-shaped nozzle body insert 5 being drawn in concavely toward the outer diameter counter to the direction of fuel flow 8.
  • the nozzle body insert 5 is pressed into the nozzle body 2 and sits in the fuel flow direction 8 in front of the height step 4 with the spray openings 3.
  • the central axis 12 of the passage opening 11 coincides with the central axis 10 of the nozzle body 2.
  • FIG. 2B shows a second embodiment of a nozzle body insert 5 arranged in the atomizer nozzle 1 according to the invention, the disk-shaped nozzle body insert 5 being drawn in concavely toward the outer diameter toward the fuel flow direction 8.
  • the nozzle body insert 5 is pressed into the nozzle body 2 and sits in the fuel flow direction 8 in front of the height step 4 with the spray openings 3.
  • the central axis 12 of the passage opening 11 coincides with the central axis 10 of the nozzle body 2.
  • 2C shows a third embodiment of a nozzle body insert 5 arranged in the atomizer nozzle 1 according to the invention.
  • the centrally arranged passage opening 11 is designed as a stepless bore.
  • the disk-shaped nozzle body insert 5 is pressed into the nozzle body 2 and is seated in the fuel flow direction 8 in front of the height step 4 with the spray openings 3.
  • the central axis 12 of the passage opening 11 coincides with the central axis 10 of the nozzle body 2.
  • 2D shows a fourth embodiment of a nozzle body insert 5 arranged in the atomizer nozzle 1 according to the invention.
  • the centrally arranged passage opening 11 is trapezoidal in longitudinal section, narrowing in the direction of fuel flow 8.
  • the disk-shaped nozzle body insert 5 is pressed into the nozzle body 2 and is seated in the fuel flow direction 8 in front of the height step 4 with the spray openings 3.
  • the central axis 12 of the passage opening 11 coincides with the central axis 10 of the nozzle body 2.
  • FIG. 2E shows a fifth embodiment of a nozzle body insert 5 arranged in the atomizer nozzle 1 according to the invention.
  • the centrally arranged passage opening 11 is designed as a single-stage stepped bore, the first partial bore lying in the direction of fuel flow 8 having a larger diameter.
  • the disk-shaped nozzle body insert 5 is pressed into the nozzle body 2 and sits in the fuel flow direction 8 in front of the height step 4 with the spray openings 3.
  • the central axis 12 of the passage opening 11 coincides with the central axis 10 of the nozzle body 2.
  • FIG. 2F shows a sixth embodiment of a nozzle body insert 5 arranged in the atomizer nozzle 1 according to the invention.
  • the cross-section of the centrally located passage opening 11 has two different geometric shapes.
  • the first geometric shape lying in the direction of fuel flow 8 is rectangular and the following one is trapezoidal and narrows downward.
  • the disk-shaped nozzle body insert 5 is pressed into the nozzle body 2 and is seated in the fuel flow direction 8 in front of the height step 4 with the spray openings 3.
  • the central axis 12 of the passage opening 11 coincides with the central axis 10 of the nozzle body 2.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the atomizer nozzle 1 according to the invention in the area of a height step 4, the nozzle body 2 in the area of the height step 4 having a section 13 with reduced wall thickness, which in this exemplary embodiment reduces the outer diameter of the cylindrical nozzle body 2 along the section 13.
  • the portion 13, for example, can also enhance the internal diameter of the nozzle body 2 can be repeatedly arranged in short intervals one behind the other in the nozzle body 2 and need not run in the region of a height level 4 barren of discharge orifices.
  • the disc-shaped • nozzle body insert 5 is drawn in concavely towards the outside diameter in the direction opposite to the fuel flow direction 8, pressed into the nozzle body 2 and sits in the fuel flow direction 8 in front of the section 13 and the height step 4 with the spray openings 3.
  • the central axis 12 of the passage opening 11 coincides with the central axis 10 of the nozzle body 2.
  • the metering opening 6, which is arranged at the top of the nozzle body 2, is used in this exemplary embodiment to receive an end of a fuel injection valve, not shown, on the injection side.
  • the invention is not restricted to the exemplary embodiments described and can be used for any other atomizing arrangement.

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Abstract

Eine Zerstäuberdüse (1) für Kraftstoffe, insbesondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff, weist einen Düsenkörper (2) mit Abspritzöffnungen (3), die in einen Zumessraum ausmünden, und zumindest einer Dosieröffnung (6) auf. Die Abspritzöffnungen (3) sind mit einer radialen Richtungskomponente zu einer Mittelachse (10) des Düsenkörpers 2 in Höhenstufen (4) mit jeweils zumindest einer Abspritzöffnung (3) angeordnet. Zumindest ein Düsenkörpereinsatz (5), welcher zumindest eine Durchtrittsöffnung (11) aufweist, ist vor der in Kraftstoffströmungsrichtung (8) ersten Höhenstufe (4.1) und/oder zwischen den Höhenstufen (4) im Düsenkörper (2) angeordnet.

Description

Zerstäuberdüse
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Zerstäubungsanordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs .
Bei brennstoffzellengestützten Transportsystemen kommen zur Gewinnung des benötigten Wasserstoffs aus kohlenwasserstoff altigen Kraftstoffen sog. chemische Reformer zum Einsatz.
Alle vom Reformer zum Reaktionsablauf benötigten Stoffe wie' z.B. Luft, Wasser und Kraftstoff werden idealerweise dem Reformer in gasförmigem Zustand zugeführt. Da aber die Kraftstoffe , wie z.B. Methanol oder Benzin, und Wasser an Bord des Transportsystems vorzugsweise in flüssiger Form vorliegen, müssen sie erst, kurz bevor sie dem Reformer zugeführt werden, erhitzt werden, um sie zu verdampfen. Dies erfordert einen Vorverdampfer, der in der Lage ist, die entsprechenden Mengen an gasförmigem Kraftstoff und Wasserdampf zur Verfügung zu stellen, wobei meist die Abwärme des Reformers zur Verdampfung benutzt wird.
Da der Wasserstoff zumeist sofort verbraucht wird, müssen die chemischen Reformer in der Lage sein, die Produktion von Wasserstoff verzögerungsfrei, z.B. bei Lastwechseln oder Startphasen, an die Nachfrage anzupassen. Insbesondere in der Kaltstartphase müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, da der Reformer keine Abwärme bereitstellt. Konventionelle Verdampfer sind nicht in der Lage die entsprechenden Mengen an gasförmigen Reaktanden verzögerungsfrei zu erzeugen.
Die für die chemische Reaktion, in welcher beispielsweise der Kraftstoff unter anderem zu Wasserstoff reformiert wird, notwendige Temperatur, wird durch sogenannte Katbrenner zur Verfügung gestellt. Katbrenner sind Komponenten, welche mit einem Katalysator beschichtete Flächen aufweisen. In diesen katalytischen Brennern wird das Kraftstoff/Luftgemisch in Wärme und Abgase gewandelt, wobei die entstehende Wärme beispielsweise über die Mantelflächen und/oder über den warmen Abgasstrom an die entsprechenden Komponenten, wie beispielsweise den chemischen Reformer oder einen Verdampfer, geführt wird.
Die Umsetzung des Kraftstoffs in Wärme ist stark von der Größe der Kraftstofftropfchen, welche auf die katalytische Schicht auftreffen, abhängig. Je kleiner die Tropfchengröße ist und je gleichmäßiger die katalytische Schicht mit den Kraftstofftröpfchen beaufschlagt wird, desto vollständiger wird der Kraftstoff in Wärme gewandelt und desto höher ist der Wirkungsgrad. Der Kraftstoff wird so zudem schneller umgesetzt und Schadstoffemissionen gemindert. Zu große Kraftstofftropfchen führen zu einer Belegung der katalytischen Schicht und damit zu einer nur langsamen Umsetzung. Dieses führt insbesondere in der Kaltstartphase beispielsweise zu einem schlechten Wirkungsgrad.
Es ist daher sinnvoll, den Kraftstoff durch eine Zerstäubungseinrichtung in feinverteilter Form in den Refoxτner/Katbrenner einzubringen, wobei, bei ausreichendem Wärmeangebot, der Verdampfungsprozeß durch die hohe Oberfläche des feinverteilten Kraftstoffs verbessert wird. Beispielsweise sind aus der US 3,971,847 Vorrichtungen zur Eindosierung von Kraftstoffen in Reformer bekannt. Der Kraftstoff wird hier von vom Reformer relativ weit entfernten Zumeßeinrichtungen über lange Zuführungsleitungen und eine einfache Düse in einen temperierten Stoffstrom zugemessen. Dabei trifft der Kraftstoff zuerst auf Prallbleche, die nach der Austrittsöffnung der Düse angeordnet sind, welche eine Verwirbelung und Verteilung des Kraftstoffs bewirkten sollen, und gelangt dann über eine relativ lange Verdampfungsstrecke, welche für den Verdampfungsprozess notwendig ist, in den Reaktionsbereich des Reformers . Durch die lange Zuführungsleitung kann die Zumeßeinrichtung von thermischen Einflüssen des Reformers isoliert werden.
Nachteilig bei den aus der obengenannten Druckschrift bekannten Vorrichtungen ist insbesondere, daß durch die einfache Konstruktion der Düse und die Anordnung der Prallbleche eine gezielte Eindosierung von Kraftstoff, beispielsweise in Bereiche des Reformers mit großem Wärmeangebot, nur unzureichend möglich ist. Dies führt zu einem relativ großen Raumbedarf durch die Notwendigkeit einer langen und voluminösen Verdampfungsstrecke .
Außerdem ergeben sich im Kaltstartbetrieb Probleme, da sich lange und voluminöse Verdampfungsstrecken nur langsam aufheizen und zudem relativ viel Wärme ungenutzt abgeben. Durch die in der US 3,971,847 offenbarten Anordnungen von Düse und Prallblechen ist es insbesondere nicht möglich, eine Hohlzylinderinnenflache gleichmäßig mit Kraftstoff zu benetzen, dabei bestimmte Flächen des Hohlzylinders von der Benetzung mit Kraftstoff auszunehmen oder die Menge des eindosierten Kraftstoffs der Verteilung des Wärmeangebots im Zumeßraum anzupassen. Auch die Form der durch den Zu eßvorgang entstehenden Kraftstoffwolke kann nur unzureichend beeinflußt werden.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Zerstäuberdüse mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch eine geeignete Gestaltung und Anordnung der Kraftstoff entsprechend dem im Zumeßraum herrschenden Wärmeangebot eingebracht werden kann. Dadurch wird der Verdampfungsprozeß des Kraftstoffs optimiert und kann auf kleinem sich schnell aufheizenden Raum erfolgen. Außerdem kann das Betriebsverhalten verbessert werden, da beispielsweise Meßstrecken oder Meßflächen, beispielsweise Sensoren, von einer Kraftstoffbeaufschlagung weitgehend ausgenommen werden können. Die Geometrie des abgespritzten Kraftstoffes bzw. der Kraftstoffwölke kann den im Zumeßraum herrschenden Gegebenheiten und den dadurch gegebenen Bedingungen hervorragend angepaßt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen der im Hauptanspruch angegebenen Zerstäubungsanordnung möglich.
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist der Düsenkörper der Zerstäuberdüse hohlzylindrisch geformt. Dadurch kann die Zerstäuberdüse sehr einfach, genau und damit kostengünstig hergestellt werden. Zudem kann damit die Zerstäuberdüse beispielsweise aus standardisierten Halbzeugen hergestellt werden, z.B. aus normierten Metallrohren .
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Gaszuführungsöffnung zur Zuführung eines Gases, beispielsweise Luft oder Restgase aus einem Brennstoffzellen- oder Reformierungsprozeß, zwischen den Abspritzöffnungen der ersten Höhenstufe und der Dosieröffnung angeordnet. Hierdurch kann die Gemischaufbereitung vorteilhaft beeinflußt werden.
Vorteilhaft weitergebildet werden kann die Zerstäuberdüse zudem, indem nach der letzten in KraftstoffStrömungsrichtung liegenden Abspritzöffnung einer Höhenstufe mindestens eine weitere Abspritzöffnung angeordnet ist, die eine axiale Komponente zur Mittelachse des Düsenkörpers aufweist. Dadurch kann die Zerstäubung von Kraftstoff noch besser den im Zumeßraum herrschenden Bedingungen angepaßt werden.
Durch die geometrische Form der Düsenkörpereinsätze kann das Strömungsverhalten des Kraftstoffs im Düsenkörper vorteilhaft beeinflußt werden, wobei Düsenkörpereinsätze mit rechteckigem, konkavem oder konvexem Querschnitt besonders vorteilhaft und einfach herzustellen und zu montieren sind. Außerdem kann das Strömungsverhalten bzw. können die Druckverhältnisse im Düsenkörper durch die Form der Durchtrittsöffnung beeinflußt werden. Hierbei sind Durchtrittsöffnungen mit trapezförmigem, rechteckigem oder einer Kombination von rechteckigem und trapezförmigem Querschnitt besonders vorteilhaft, insbesondere da sie sich einfach, genau und damit kostengünstig herstellen lassen. Vorteilhaft ist außerdem, die Durchtrittsöffnung in mehreren gleichförmigen Querschnitten unterschiedlicher Größe zu realisieren, beispielsweise als Stufenbohrung.
Werden im Düsenkörper wandstärkereduzierte Abschnitte angeordnet, so wird insbesondere die Wärmeleitfähigkeit zur Dosierstelle hin herabgesetzt. Eine dort angeordnete Zumeßeinrichtung wird so von übermäßiger Erwärmung geschützt. Außerdem kann durch die wandstärkereduzierten Abschnitte die Abstrahlgeometrie beeinflußt werden, wenn sie im Bereich der Abspritzöffnungen liegen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse ; Fig. 2A eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse angeordneten Düsenkörpereinsatzes;
Fig. 2B eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse angeordneten Düsenkörpereinsatzes;
Fig. 2C eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen
Zerstäuberdüse angeordneten Düsenkörpereinsatzes;
Fig. 2D eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse angeordneten Düsenkörpereinsatzes;
Fig. 2E eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse angeordneten Düsenkörpereinsatzes ;
Fig. 2F eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse angeordneten Düsenkörpereinsatzes und
Fig. 3 eine schematische Teilschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse im Bereich einer Höhenstufe.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft beschrieben.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäß ausgestalteten Zerstäuberdüsen ermöglichen eine einfache Dosierung und Zerstäubung in heißer Atmosphäre bei robuster Konstruktion, Anwendung in unterschiedlichen räumlichen Konstellationen und Einsatz von Standard- Niederdruck-Brennstof einspritzventilen.
In den Figuren sind gleiche Bauteile jeweils mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen. Die Pfeile symbolisieren jeweils die Kraftstoff- und Gasströme.
Ein in Fig. 1 schematisiert dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 ist in der Form einer Zerstäuberdüse 1 für die Verwendung von Niederdruck-Brennstoffeinspritzventilen 16 ausgeführt. Die Zerstäuberdüse 1 eignet sich insbesondere zum Eintrag und zur Zerstäubung von Kraftstoff in einen nicht dargestellten chemischen Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff.
Die erfindungsgemäße Zerstäuberdüse 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen hohlzylindrischen Düsenkörper 2 mit einer oben zu einer Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2 mittig angeordneten Dosieröffnung 6 auf. In KraftstoffStrömungsrichtung 8 folgen dann eine an der Längsseite des Düsenkörpers 2 angeordnete Gaszuführungsöffnung 7, acht Höhenstufen 4 mit dazu jeweils rechtwinklig zur der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2 angeordneten Abspritzöffnungen 3 und schließlich die der Dosieröffnung 6 gegenüberliegende Seite des Düsenkörpers 2 mit einer Abspritzöffnung 3.
Vor der in KraftstoffStrömungsrichtung 8' liegenden ersten Höhenstufe 4.1 und der letzten Höhenstufen 4.2 sind jeweils Düsenkörpereinsätze 5 mit axialmittig angeordneten Durchtrittsöffnungen 11 im Düsenkörper 2 angeordnet. Die Mittelachsen 12 der Durchtrittsöffnungen 11 decken sich in diesem Ausführungsbeispiel mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2. Die Düsenkörpereinsätze 5 sind scheibenförmig, wobei der vor der ersten Höhenstufe 4.1 liegende erste Düsenkörpereinsatz 5.1 von der Durchtrittsöffnung 11 zum Außenumfang hin konkav gegen die KraftstoffStrömungsrichtung 8 eingezogen ist. Die Düsenkörpereinsätze 5 sind im Bereich des Außenumf ngs mit dem Düsenkörper 2 so dichtend gefügt, daß zwischen Düsenkörper 2 und Außenumfang des Düsenkörpereinsatzes 5 kein Kraftstoff oder Gas hindurchdringen kann. In diesem Ausführungsbeispiel sind Düsenkörpereinsatz 5 und Düsenkörper 2 durch eine Laserschweißverbindung 14 gefügt. Sie können auch eingepreßt werden. Als Düsenkörpereinsätze 5 eigenen sich in hervorragender Weise Spritzlochscheiben wie sie aus Brennstoffeinspritzventilen bekannt sind.
Die Durchtrittsöffnung 11 des ersten Düsenkörpereinsatzes 5.1 ist als Bohrung im Querschnitt rechteckig, die des letzten Düsenkörpereinsatzes 5.2 trapezförmig nach unten öffnend ausgeführt. Erfindungsgemäß können in weiteren Ausführungsbeispielen weitere Düsenkörpereinsätze 5 zwischen den Höhenstufen 4 angeordnet werden, wobei die Form der Düsenkörpereinsätze 4, ihre Einbaulage und die Form bzw. die Zusammensetzung der Formen der Durchtrittsöffnungen 11 beliebig zur Steuerung der KraftstoffStrömung, Gasströmung und Druckverhältnisse kombiniert und variiert werden können.
Der Kraftstoff wird durch die Dosieröffnung 6, in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Niederdruck- Brennstoffeinspritzventil 16, in die Zerstäuberdüse 1 bzw. den Düsenkörper 2 zugemessen und strömt dann in Kraftstoffstrδmungsrichtung 8, welche entlang der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2 verläuft, an der GasZuführungsöffnung 7, durch welche über ein Gasrohr 15 Restgase und/oder Luft in den Düsenkörper 2 geführt werden, vorbei hin zu dem ersten Düsenkörpereinsatz 5.1. Der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff/Gas-Gemisch tritt dann durch die Durchtrittsöffnung 11 hindurch, wonach zumindest ein Teil des Kraftstoffes bzw. Kraftstoff/Gas-Gemisches durch die auf der Höhe der jeweiligen Höhenstufen 4 angeordneten Abspritzöffnungen 3 in einen nicht dargestellten Zumeßraum abgespritzt wird. Der verbleibende Teil des Kraftstoffes bzw. des Kraftstoff/Gas-Gemisches tritt durch die trapezförmig nach unten in KraftstoffStrömungsrichtung 8 öffnende Durchtrittsöffnung 11 des letzten Düsenkörpereinsatzes 5.2 hindurch und kann durch die danach angeordneten Abspritzöffnungen 3 der letzten Höhenstufe 4.2 und der an der unteren Seite des Düsenkörpers 2 angeordneten Abspritzöffnung 3 in den nicht dargestellten Zumeßraum aus dem Düsenkörper 2 bzw. der Zerstäuberdüse 1 mit entsprechend geringerem Druck entweichen.
Fig. 2A zeigt eine erste Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 angeordneten Düsenkörpereinsatzes 5, wobei der scheibenförmige Düsenkörpereinsatz 5 zum Außendurchmesser hin konkav entgegen der KraftstoffStrömungsrichtung 8 eingezogen ist. Der Düsenkörpereinsatz 5 ist in den Düsenkörper 2 eingepresst und sitzt in Kraftstoffstrδmungsrichtung 8 vor der Höhenstufe 4 mit den Abspritzöffnungen 3. Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2.
Fig. 2B zeigt eine zweite Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 angeordneten Düsenkörpereinsatzes 5, wobei der scheibenförmige Düsenkörpereinsatz 5 zum Außendurchmesser hin konkav zur KraftstoffStrömungsrichtung 8 eingezogen ist. Der Düsenkörpereinsatz 5 ist in den Dusenkorper 2 eingepresst und sitzt in KraftstoffStrömungsrichtung 8 vor der Höhenstufe 4 mit den Abspritzöffnungen 3. Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2.
Fig. 2C zeigt eine dritte Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 angeordneten Düsenkörpereinsatzes 5. Die mittig angeordnete Durchtrittsöffnung 11 ist als stufenlose Bohrung ausgeführt. Der scheibenförmige Düsenkörpereinsatz 5 ist in den Düsenkörper 2 eingepresst und sitzt in KraftstoffStrömungsrichtung 8 vor der Höhenstufe 4 mit den Abspritzöffnungen 3. Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2. Fig. 2D zeigt eine vierte Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 angeordneten Düsenkörpereinsatzes 5. Die mittig angeordnete Durchtrittsöffnung 11 ist im Längsschnitt trapezförmig, wobei sie sich in KraftstoffStrömungsrichtung 8 verengt. Der scheibenförmige Düsenkörpereinsatz 5 ist in den Düsenkörper 2 eingepresst und sitzt in KraftstoffStrömungsrichtung 8 vor der Höhenstufe 4 mit den Abspritzöffnungen 3. Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2.
Fig. 2E zeigt eine fünfte Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 angeordneten Düsenkörpereinsatzes 5. Die mittig angeordnete Durchtrittsöffnung 11 ist als einstufige Stufenbohrung ausgeführt, wobei die in KraftstoffStrömungsrichtung 8 liegende erste Teilbohrung einen größeren Durchmesser besitzt. Der scheibenförmige Düsenkörpereinsatz 5 ist in den Düsenkörper 2 eingepresst' und sitzt in KraftstoffStrömungsrichtung 8 vor der Höhenstufe 4 mit den Abspritzöffnungen 3. Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2.
Fig. 2F zeigt eine sechste Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 angeordneten Düsenkörpereinsatzes 5. Die mittig angeordnete Durchtrittsöffnung 11 weist in ihrem Querschnitt zwei unterschiedliche geometrische Formen auf. Die in KraftstoffStrömungsrichtung 8 liegende erste geometrische Form ist rechteckig und die darauf folgende ist trapezförmig nach unten verengend. Der scheibenförmige Düsenkörpereinsatz 5 ist in den Düsenkörper 2 eingepresst und sitzt in KraftstoffStrömungsrichtung 8 vor der Höhenstufe 4 mit den Abspritzöffnungen 3. Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2. Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 im Bereich einer Höhenstufe 4, wobei der Düsenkörper 2 im Bereich der Höhenstufe 4 einen wandstärkereduzierten Abschnitt 13 aufweist, der in diesem Ausführungsbeispiel den Außendurchmesser des zylinderförmigen Düsenkörpers 2 entlang des Abschnittes 13 verkleinert.' Der Abschnitt 13, der beispielsweise auch den Innendurchmesser des Düsenkörpers 2 erweitern kann, kann mehrfach auch in kurzen Abständen hintereinander im Düsenkörper 2 angeordnet werden und muß nicht im Bereich einer Höhenstufe 4 öder von Abspritzöffnungen 3 verlaufen.
Der scheibenförmige • Düsenkörpereinsatz 5 ist zum Außendurchmesser hin konkav entgegen der KraftstoffStrömungsrichtung 8 eingezogen, in den Düsenkörper 2 eingepresst und sitzt in KraftstoffStrömungsrichtung 8 vor dem Abschnitt 13 und der Höhenstufe 4 mit den Abspritzöffnungen 3. Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2. Die Dosieröffnung 6, welche oben am Düsenkörper 2 angeordnet ist, dient in diesem Ausführungsbeispiel zur Aufnahme eines nicht dargestellten abspritzseitigen Endes eines Brennstoffeinspritzventrils .
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und ist für beliebige andere Zerstäubungsanordnungen anwendbar .

Claims

Ansprüche
1. Zerstäuberdüse (1) für Kraftstoffe, insbesondere zum
Eintrag in einen chemischen Reformer zur Gewinnung von
Wasserstoff, mit einem Düsenkörper (2) mit Abspritzöffnungen
(3), die in einen Zumeßraum ausmünden, und zumindest einer
Dosieröffnung (6) , dadurch gekennzeichnet, daß die Abspritzöffnungen (3) mit einer radialen Richtungskomponente zu einer Mittelachse (10) des Düsenkörpers (2) in Höhenstufen (4) mit jeweils zumindest einer Abspritzöffnung (3) angeordnet sind, wobei zumindest ein Düsenkörpereinsatz (5) , welcher zumindest eine Durchtrittsöffnung (11) aufweist, vor der in KraftstoffStrömungsrichtung (8) ersten Höhenstufe (4.1) und/oder zwischen den Höhenstufen (4) im Düsenkörper (2) angeordnet ist.
2. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (2) hohlzylindrisch ist.
3. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß im Düsenkörper (2) zwischen der in KraftstoffStrömungsrichtung (8) liegenden ersten Höhenstufe (4.1) und der Dosieröffnung (6) eine GasZuführungsöffnung (7) angeordnet ist.
4. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach der letzten in KraftstoffStrömungsrichtung (8) liegenden Höhenstufe (4.2) mit einer axialen Richtungskomponente zur Mittelachse (10) des Düsenkörpers (2) zumindest eine weitere Abspritzöffnung (3) angeordnet ist.
5. Zerstäuberdüse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Düsenkörpereinsatz (5) mit dem Düsenkörper (2) hydraulisch dicht verpreßt und/oder verschweißt, insbesondere laserverschweißt, ist.
6. Zerstäuberdüse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse (12) der Durchtrittsöffnung (11) des Düsenkörpereinsatzes (5) parallel zur Mittelachse (10) des Düsenkörpers (2) verläuft.
7. Zerstäuberdüse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Düsenkörpereinsätze (5) einen rechteckigen Querschnitt aufweist .
8. Zerstäuberdüse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Düsenkörpereinsätze (5) von der Durchtrittsöffnung (11) zum Düsenkörper (2) hin gegen die KraftstoffStrömungsrichtung (8) konkav eingezogen ist.
9. Zerstäuberdüse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Düsenkörpereinsätze (5) von der Durchtrittsöffnung (11) zum Düsenkörper (2) hin zur KraftstoffStrömungsrichtung (8) konkav eingezogen ist.
10. Zerstäuberdüse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Durchtrittsöffnung (11) rechteckig oder trapezförmig ist.
11. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (11) zumindest zwei gleichförmige Querschnitte unterschiedlicher Größe aufweist, insbesondere eine Stufenbohrung.
12. Zerstäuberdüse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (2) in seinem axialen Verlauf zumindest einen wandstärkereduzierten Abschnitt (13) aufweist.
13. Zerstäuberdüse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der wandstärkereduzierte Abschnitt (13) im Bereich einer Hδhenstufe (4) verläuft.
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