EP1569870A1 - Zerstauberd se - Google Patents

Zerstauberd se

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Publication number
EP1569870A1
EP1569870A1 EP03808665A EP03808665A EP1569870A1 EP 1569870 A1 EP1569870 A1 EP 1569870A1 EP 03808665 A EP03808665 A EP 03808665A EP 03808665 A EP03808665 A EP 03808665A EP 1569870 A1 EP1569870 A1 EP 1569870A1
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Withdrawn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
EP03808665A
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 EP1569870A1 publication Critical patent/EP1569870A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/001—Feed or outlet devices as such, e.g. feeding tubes
    • B01J4/002—Nozzle-type elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/26—Nozzle-type reactors, i.e. the distribution of the initial reactants within the reactor is effected by their introduction or injection through nozzles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/36—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents
    • C01B3/363—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents characterised by the burner used
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
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    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
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    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/382—Multi-step processes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/10—Engines or plants characterised by use of other specific gases, e.g. acetylene, oxyhydrogen
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    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0244—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being an autothermal reforming step, e.g. secondary reforming processes
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    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0838—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
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    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/1604—Starting up the process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82—Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus
    • 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
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to an atomizing nozzle 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.
  • 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.
  • Another disadvantage is that the shape of the fuel cloud or the distribution of the metered Fuel can be influenced only insufficiently by adjusting the baffle plates.
  • 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. As a result, the evaporation process of the fuel is optimized 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 adapted excellently to the conditions prevailing in the metering space and the conditions resulting therefrom.
  • the shape of the fuel cloud and the fuel injected in each case can be changed quickly and easily due to the modular design of the atomizing nozzle in order to optimize the atomization process. This enables considerable cost savings when adapting to the respective metering space and the conditions prevailing therein.
  • Nozzle body of the atomizer nozzle has a hollow cylindrical shape.
  • the atomizer nozzle can be manufactured very simply, precisely and therefore inexpensively.
  • the atomizer nozzle can be manufactured very simply, precisely and therefore inexpensively.
  • Atomizer nozzle for example, from standardized
  • Semi-finished products are manufactured, for example from standardized metal pipes. It is also advantageous if the nozzle body is formed entirely or partially from nozzle body inserts. This allows, for example, the length of the atomizer nozzle to be changed extremely flexibly, simply, quickly and using only a few simple tools and adapted to the requirements. In particular, this enables a rapid and step-by-step optimization of the atomization process, for example in a test phase or development phase. In particular, the number of spray openings of a height level and the spacing of the height levels can also be changed very quickly and inexpensively by exchanging nozzle body inserts.
  • the nozzle body inserts on the inflow and / or outflow side with an internal thread or external thread, with which they can be hydraulically tightly screwed to the nozzle body and / or another nozzle body insert.
  • the nozzle body inserts can be assembled and disassembled particularly easily, easily and reliably.
  • the nozzle body inserts can advantageously be hydraulically tightly pressed, glued and / or welded, in particular laser welded, to the nozzle body, as a result of which the joining process can be better adapted to the ambient conditions and requirements.
  • 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 has an axial component to the central axis of the nozzle body, is arranged after the last spray opening of a height step lying in the fuel flow direction.
  • the flow behavior or the pressure conditions in the nozzle body can advantageously be influenced by the shape of the passage opening of the nozzle body inserts.
  • 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 against 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. If the nozzle body is formed by the nozzle body inserts, then individual nozzle body inserts with the same effects can be designed in sections with a reduced wall thickness.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of an embodiment of an atomizer nozzle according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a first embodiment of a nozzle body insert and Fig. 3 is a schematic representation of a second embodiment of a nozzle body insert.
  • exemplary embodiments of atomizer nozzles designed according to the invention described below enable simple metering and atomization in a hot atmosphere with a robust, flexible and therefore inexpensive construction, use in different spatial constellations and the use of standard low-pressure fuel injection valves.
  • An exemplary embodiment of an atomizer nozzle 1 according to the invention, shown schematically in FIG. 1, is designed 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 metering space, not shown, of 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.
  • 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 that of Dosing opening 6 opposite side of the nozzle body 2 with a spray opening 3.
  • a nozzle body insert 5 with an axially centrally arranged passage opening 11 is arranged in the nozzle body 2 at the height of the first height stage 4.1, the second height stage 4.2, the fifth height stage 4.5 and the seventh height stage 4.7.
  • the central axes 12 of the passage openings 11 coincide with the central axis 10 of the nozzle body 2 in this exemplary embodiment.
  • the nozzle body inserts 5 are disk-shaped and have channels 14, wherein in this exemplary embodiment in each case one channel 14 connects the passage opening 11 with only one spray opening 3.
  • the channels 14 are designed as bores.
  • the nozzle body inserts 5 are joined in the area of the outer circumference with the nozzle body 2 in such a sealing manner that no fuel or gas can penetrate between the nozzle body 2 and the outer circumference of the nozzle body insert 5.
  • the nozzle body inserts 5 are pressed into the nozzle body 2. They can also be welded or screwed into the nozzle body 2.
  • they can be hydraulically tightly attached to other nozzle body inserts 5 by means of an inflow or outflow-side external thread 18 or internal thread 17 shown in FIGS. 2 and 3, whereby they are then fitted into the nozzle body 2 such that only between the nozzle body 2 and the nozzle body insert 5 can penetrate negligible amounts of gas and / or fuel.
  • the through openings 11 of the nozzle body inserts 5 are rectangular as a bore in cross section.
  • Form the nozzle body inserts 4, their installation position and the shape or the composition of the shapes of the passage openings 11 can be combined and varied as desired to control the fuel flow, gas flow and pressure conditions.
  • the diameter and the shape of the cross section of the channels 14 can be varied.
  • 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 nozzle body insert 5 arranged at the first height stage 4.1, where the fuel or the fuel / gas mixture passes through the passage opening 11. Part of the fuel is distributed to the channels 14 and led to the spray openings 3, at which the fuel or the fuel / gas mixture is sprayed into the metering space, not shown.
  • 2 shows a first embodiment of a nozzle body insert 5.
  • the passage opening 11 has an inner diameter line 20 with an internal thread 17 on the inflow side and is arranged axially in the center of the nozzle body insert 5.
  • the nozzle body insert 5 can be arranged in the nozzle body 2 or form the nozzle body 2 itself in whole or in part.
  • nozzle body insert 5 is arranged in the nozzle body 2 shown in FIG. 1, its structure is as follows:
  • the channel 14 of the nozzle body insert 5 is formed by bores 21 running at right angles to the central axis 12 of the passage opening 11 and a trapezoidal indentation 22 of the outer diameter of the nozzle body insert 5 running radially about the central axis 12 of the passage opening 11.
  • the bore 21 and the indentation 22 each form part of the channel 14.
  • a part of the fuel or the fuel / gas mixture flows from the passage opening 11 through the bores 21 and the indentation 22 in order to be injected into the metering space (not shown) through the spray openings 3 (not shown here) of the nozzle body 2 shown in FIG. 1 ,
  • nozzle body 2 is formed by the at least one nozzle body insert 5, its structure is as follows:
  • the bores 21 running at right angles to the central axis 12 of the passage opening 11 form the channels 14 and the spray openings 3.
  • the trapezoidal indentation 22 of the outer diameter of the nozzle body insert 5, which extends radially around the central axis 12 of the passage opening 11, forms a section 13 with reduced wall thickness, which is used, for example, for Serves as thermal insulation.
  • a portion of the fuel or the fuel / gas mixture flows from the passage opening 11 through the channel 14 designed as bores 21, in order to be injected into the metering space (not shown) at the end of the same bore 21, which also forms the spray opening 3.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a nozzle body insert 5 largely similar to the first embodiment.
  • the nozzle body insert 5 has a somewhat longer axial course and an external thread 18 arranged on the outflow side.
  • the external thread 18 is arranged on the downstream end of the reduced diameter body insert 5.
  • 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, wobei die Abspritzöffnungen (3) zumindest einer Höhenstufe (4) mit zumindest einem Kanal (14) eines Düsenkörpereinsatzes (5), welcher zumindest eine Durchtrittsöffnung (11) aufweist, verbunden ist.

Description

Zerstäuberdüse
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Zerstäuberdüse nach der Gattung des Hauptanspruchs .
Bei brennstoffzellengestützten TransportSystemen kommen zur Gewinnung des benötigten Wasserstoffs aus kohlenwasserstoffhaltigen 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 Kraftstofftropfchen benetzt 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
) Reformer/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 HohlZylinderinnenfläche 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 Zumeßvorgang entstehenden Kraftstoffwolke kann nur unzureichend beeinflußt werden.
Ein weiterer Nachteil ist, daß sich die Form der Kraftstoffwölke bzw. die Verteilung des eindosierten Kraftstoffes durch die Verstellung der Prallbleche nur unzureichend beeinflussen läßt.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Zerstäuberdüse mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Kraftstoff entsprechend dem im Zumeßraum herrschenden Wärmeangebot eingebracht werden kann. Dadurch wird der Verdampfungsprozeß des Kraftstoffs optimiert und kann auf kleinem sich schnell aufheizendem 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 Kraftstoffwolke kann den im Zumeßraum herrschenden Gegebenheiten und den dadurch gegebenen Bedingungen hervorragend angepaßt werden.
Insbesondere können die Form der Kraftstoffwolke und die dabei jeweils eingespritzten Kraftstoff engen durch die modulare Bauweise die -Zerstäuberdüse schnell und einfach geändert werden, um den Zerstäubungsvorgang zu optimieren. Dadurch sind beträchtliche Kosteneinsparungen bei der Anpassung an den jeweiligen Zumeßraum und den darin vorherrschenden Bedingungen möglich.
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. Vorteilhaft ist zudem, wenn der Düsenkörper ganz oder teilweise aus Düsenkörpereinsätzen gebildet wird. Dadurch kann beispielsweise die Baulänge der Zerstäuberdüse überaus flexibel, einfach, schnell und durch den Einsatz von nur wenigen einfachen Werkzeugen geändert und den Anforderungen angepasst werden. Insbesondere ist dadurch eine schnelle und schrittweise Optimierung des Zerstäubungsvorganges beispielsweise in einer Testphase oder Entwicklungsphase möglich. Insbesondere können auch die Anzahl der Abspritzöffnungen einer Höhenstufe und die Abstände der Hδhenstufen sehr schnell und kostengünstig durch den Austausch von Düsenkörpereinsätzen verändert werden.
Von Vorteil ist außerdem, die Düsenkörpereinsätze zuström- und/oder abströmseitig mit einem Innengewinde oder Außengewinde zu versehen, womit sie mit dem Düsenkörper und/oder einem anderen Düsenkörpereinsatz hydraulisch dicht verschraubt werden können. Dadurch können die Düsenkörpereinsätze besonders einfach, leicht und zuverlässig montiert bzw. demontiert werden. Darüber hinaus können die Düsenkörpereinsätze vorteilhafterweise mit dem Düsenkörper hydraulisch dicht verpreßt, verklebt und/oder verschweißt, insbesondere laserverschweißt, werden, wodurch das Fügeverfahren den Umgebungsbedingungen und Anforderungen besser angepaßt werden kann.
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.
Vorteilhaft kann das Strömungsverhalten bzw. können die Druckverhältnisse im Düsenkörper durch die Form der Durchtrittsöffnung der Düsenkörpereinsätze 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 vor übermäßiger Erwärmung geschützt. Außerdem kann durch die wandstärkereduzierten Abschnitte die Abstrahlgeometrie beeinflußt werden, wenn sie im Bereich der Abspritzöffnungen liegen. Wird der Düsenkörper durch die Düsenkörpereinsätze gebildet, so können einzelne Düsenkörpereinsätze mit denselben Effekten abschnittsweise wandstärkereduziert ausgebildet sein.
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 Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse ;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Düsenkörpereinsatzes und Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Düsenkörpereinsatzes.
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, flexibler und damit kostengünstiger Konstruktion, die Anwendung in unterschiedlichen räumlichen Konstellationen und den Einsatz von Standard-Niederdruck- Brennstoffeinspritzventilen.
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 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 Zumeßraum eines nicht dargestellten chemischen Reformers 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 Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2 angeordneten Abspritzöffnungen 3 und schließlich die der Dosieröffnung 6 gegenüberliegende Seite des Düsenkörpers 2 mit einer Abspritzöffnung 3.
In diesem Ausführungsbeispiel sind auf Höhe der ersten Höhenstufe 4.1, der zweiten Höhenstufe 4.2, der fünften Höhenstufe 4.5 und der siebten Höhenstufe 4.7 jeweils ein Düsenkörpereinsatz 5 mit axialmittig angeordneter Durchtrittsöffnung 11 im Düsenkörper 2 angeordnet. Zwischen den Düsenkörpereinsätzen 5 und zwischen dem auf der Höhe der siebten Höhenstufe 4.7 angeordneten Düsenkörpereinsatz 5 und der der Dosieröffnung 6 gegenüberliegenden Seite des Düsenkörpers 2 befinden sich Zwischenräume 19, welche in anderen Ausführungsbeispielen auch fehlen können. Die Mittelachsen 12 der Durchtrittsöffnungen 11 decken sich in diesem Ausführungsbeispiel mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2.
Die Düsenkörpereinsätze 5 sind scheibenförmig und weisen Kanäle 14 auf, wobei in diesem Ausführungsbeispiel jeweils ein Kanal 14 die Durchtrittsöffnung 11 mit nur einer Abspritzöffnungen 3 verbindet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kanäle 14 als Bohrungen ausgeführt . Die Düsenkörpereinsätze 5 sind im Bereich des Außenumfangs mit dem Düsenkörper 2 so dichtend gefügt, daß zwischen Düsenkδrper 2 und Außenumfang des Düsenkörpereinsatzes 5 kein Kraftstoff oder Gas hindurchdringen kann. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Düsenkörpereinsätze 5 in den Düsenkörper 2 eingepresst. Sie können auch in den Düsenkörper 2 eingeschweißt oder eingeschraubt werden. Weiterhin können sie an anderen Düsenkörpereinsätzen 5 mittels eines in Fig. 2 und 3 dargestellten zuström- bzw. abströmseitigen Außengewindes 18 oder Innengewindes 17 hydraulisch dicht befestigt werden, wobei sie dann so in den Düsenkörper 2 eingepaßt werden, daß zwischen Düsenkörper 2 und Düsenkörpereinsatz 5 nur vernachlässigbare Mengen an Gas und/oder Kraftstoff durchdringen können.
Die Durchtrittsöffnungen 11 der Düsenkörpereinsätze 5 sind als Bohrung im Querschnitt rechteckig ausgeführt. Die Form der Düsenkörpereinsätze 4, ihre Einbaulage und die Form bzw. die Zusammensetzung der Formen der Durchtrittsöffnungen 11 können zur Steuerung der KraftstoffStrömung, Gasströmung und Druckverhältnisse beliebig kombiniert und variiert werden. Ebenso kann der Durchmesser und die Form des Querschnitts der Kanäle 14 variiert werden.
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 KraftstoffStrömungsrichtung 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 zu dem auf der ersten Höhenstufe 4.1 angeordneten Düsenkörpereinsatz 5, wo der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff/Gas-Gemisch durch die Durchtrittsöffnung 11 hindurch tritt. Dabei wird ein Teil des Kraftstoffes auf die Kanäle 14 verteilt und zu den Abspritzöffnungen 3 geführt, an denen der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff/Gas-Gemisch in den nicht dargestellten Zumeßraum abgespritzt wird.
Der verbleibende Teil des Kraftstoffs bzw. Kraftstoff/Gas- Gemisches, welcher nicht auf die Kanäle 14 verteilt wird, tritt abströmseitig aus der Durchtrittsöffnung 11 aus und strömt in den in KraftstoffStrömungsrichtung 8 danach liegenden Zwischenraum 19. Analog verteilt sich der jeweils verbleibende restliche Kraftstoff bzw. das jeweils verbleibende Kraftstoff/Gas-Gemisch durch die in KraftstoffStrömungsrichtung 8 danach angeordneten Düsenkörpereinsätze 5. Auf der dritten Höhenstufe 4.3, der vierten Höhenstufe 4.4, der sechsten Höhenstufe 4.6 sowie der achten Höhenstufe 4.8, welche keinen Düsenkörpereinsätze 5 aufweisen, tritt der jeweilige Anteil des Kraftstoffes bzw. des Kraftstoff/Gas-Gemisches vom Zwischenraum 19 direkt in die jeweils dort angeordneten Abspritzöffnungen 3 ein und wird in den nicht dargestellten Zumeßraum abgespritzt . Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Düsenkörpereinsatzes 5. Die Durchtrittsöffnung 11 weist in diesem Ausführungsbeispiel zuströmseitig eine Innendurchmesserauf eitung 20 mit einem Innengewinde 17 auf und ist axialmittig im Düsenkörpereinsatz 5 angeordnet .
Der Düsenkörpereinsatz 5 kann erfindungsgemäß im Düsenkörper 2 angeordnet sein oder den Düsenkörper 2 selbst ganz oder teilweise bilden.
Wird der Düsenkörpereinsatz 5 im in Fig. 1 gezeigten Düsenkörper 2 angeordnet, ist sein Aufbau wie folgend:
Der Kanal 14 des Düsenkörpereinsatzes 5 wird durch rechtwinklig zur Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 auf einer Linie verlaufende Bohrungen 21 und einen radial um die Mittelachse 12 der Durchtrittsδffnung 11 verlaufenden trapezförmigen Einzug 22 des Außendurchmessers des Düsenkörpereinsatzes 5 gebildet. Die Bohrung 21 und der Einzug 22 bilden jeweils einen Teil des Kanals 14.
Ein Teil des Kraftstoffes bzw. des Kraftstoff/Gas-Gemisches strömt von der Durchtrittsöffnung 11 durch die Bohrungen 21 und den Einzug 22, um durch die hier nicht dargestellten Abspritzöffnungen 3 des in Fig. 1 dargestellten Düsenkörpers 2 in den nicht dargestellten Zumeßraum eingespritzt zu werden .
Wird der Düsenkörper 2 durch den zumindest einen Düsenkörpereinsatz 5 gebildet, ist sein Aufbau wie folgend:
Die rechtwinklig zur Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 auf einer Linie verlaufenden Bohrungen 21 bilden die Kanäle 14 und die Abspritzöffnungen 3. Der radial um die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 verlaufende trapezförmige Einzug 22 des Außendurchmessers des Düsenkörpereinsatzes 5 bildet einen wandstärkereduzierten Abschnitt 13, der beispielsweise zur Wärmeisolierung dient. Ein Teil des Kraftstoffes bzw. des Kraftstoff/Gas-Gemisches strömt von der Durchtrittsöffnung 11 durch den als Bohrungen 21 ausgebildeten Kanal 14, um am Ende der selben Bohrung 21, welche ebenfalls die Abspritzöffnung 3 bildet, in den nicht dargestellten Zumeßraum eingespritzt zu werden.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Düsenkörpereinsatzes 5 weitgehend ähnlich der ersten Ausführungsform. Der Düsenkörpereinsatz 5 weist im Unterschied zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform einen etwas längeren axialen Verlauf auf und ein abströmseitig angeordnetes Außengewinde 18. Das Außengewinde 18 ist auf dem abströmseitigen außendurchmesserreduzierten Ende des Düsenkörpereinsatzes 5 angeordnet.
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 die zumindest eine Abspritzöffnung (3) zumindest einer Höhenstufe (4) mit zumindest einem Kanal (14) eines Düsenkörpereinsatzes (5) , welcher zumindest eine Durchtrittsöffnung (11) aufweist, unmittelbar verbunden ist.
2. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (2) hohlzylindrisch ist.
3. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (2) vollständig oder teilweise aus zumindest einem Düsenkörpereinsatz (5) gebildet ist.
4. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenkörpereinsätze (5) zuströmseitig und/oder abströmseitig ein Innengewinde (17) oder Außengewinde (18) aufweisen, mit denen sie mit dem Düsenkörper (2) und/oder mit einem anderen Düsenkörpereinsatz (5) hydraulisch dicht verschraubt sind.
5. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Düsenkörpereinsatz (5) mit dem Düsenkörper (2) hydraulisch dicht verpreßt, verklebt und/oder verschweißt, insbesondere laserverschweißt, ist.
6. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Düsenkörper (2) zwischen der ersten Höhenstufe (4.1) und der Dosieröffnung (6) eine GasZuführungsöffnung (7) angeordnet ist .
7. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der letzten Höhenstufe (4.8) mit einer axialen Richtungskomponente 'zur Mittelachse (10) des Düsenkörpe s (2) zumindest eine weitere Abspritzöffnung (3) angeordnet ist .
8. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse (12) der Durchtrittsöffnung (11) des Düsenkörpereinsatzes (5) parallel zur Mittelachse (10) des Düsenkörpers (2) verläuft.
9. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Düsenkörpereinsätze (5) einen rechteckigen Querschnitt aufweist .
10. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Durchtrittsöffnung (11) rechteckig oder trapezförmig ist .
11. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (11) zumindest zwei gleichförmige Querschnitte unterschiedlicher Größe aufweist, insbesondere als Stufenbohrung ausgebildet ist.
12. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (2) in seinem axialen Verlauf zumindest einen wandstärkereduzierten Abschnitt (13) aufweist.
13. Zerstäuberdüse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der wandstärkereduzierte Abschnitt (13) im Bereich einer Höhenstufe (4) verläuft.
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