JP2006504523A - 調量装置 - Google Patents

Abstract

液体の燃料のための調量装置（１）、特に水素を得るための化学的な改質器内に供給するための調量装置（１）は、燃料を配量管路（１２）内に配量するための配量装置（２）と、配量室（１０）に開口する噴射開口（６）を備えた、配量管路（１２）に接続するノズルボディ（７）とを有している。ノズルボディ（７）が噴射側で球状に配量室（１０）内に突入しており、ノズルボディ（７）の、球状に成形された部分にわたって、複数の噴射開口（６）が分配されているようにした。

Description

背景技術
本発明は、主請求項の上位概念部に記載された形式の調量装置から出発する。

燃料電池により支援されたトランスポートシステムでは、必要な水素を、炭化水素を含有する燃料、例えばガソリン、エタノールまたはメタノールから得るために、化学的な「改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）」が使用される。

改質器により反応経過のために必要とされるすべての物質、例えば空気、水および燃料は理想的には改質器の反応領域にガス状の状態で供給される。しかし、燃料、例えばメタノールまたはガソリン、および水は、トランスポートシステムに搭載するにあたって、液体状の形で存在するのが有利であるので、燃料および水は、それらが改質器の反応領域に達する直前になって初めて、蒸発のために加熱されねばならない。このことは、相応の量のガス状の燃料および水蒸気を提供する能力を備えた前蒸発器、別個のコンポーネントまたは前混合チャンバを改質器に必要とする。

例えば燃料がとりわけ水素に改質される化学的な反応のために必要な温度は、「触媒燃焼器（Ｋａｔｂｒｅｎｎｅｒ）」により提供される。触媒燃焼器は、触媒コーティングされた面を有するコンポーネントである。この触媒燃焼器内で、燃料／空気混合物が熱および排ガスに変換される。その際、発生する熱は例えば周面を介してかつ／または温かい排ガス流を介して相応のコンポーネント、例えば化学的な改質器または蒸発器に案内される。

熱への燃料の変換は、触媒層に衝突する燃料滴のサイズに強く依存している。滴サイズが小さければ小さいほど、かつ触媒層が均等に燃料滴により湿潤されればされるほど、燃料はより完全に熱へと変換され、効率はより高くなる。加えて、燃料はより急速に変換され、有害物質エミッションは減じられる。過度に大きな燃料滴は触媒層の占拠に至り、ひいては緩慢な変換に至る。このことは特にコールドスタート期に、例えば効率の悪化に至る。

水素が大抵の場合すぐに消費されるので、化学的な改質器は、水素の生産を遅延なく、例えば負荷変動時または始動期に、需要に適合させる能力を備えていなければならない。特にコールドスタート期には、付加的な手段が講じられねばならない。それというのも、改質器が排熱を提供しないからである。従来慣用の蒸発器は、相応の量のガス状の反応物質を遅延なく発生させる能力を備えていない。

それゆえ、燃料を調量装置により、微細に配分された形でかつ／または良好に位置付けられた形で、燃料が良好に蒸発することができる場所および面、例えば触媒燃焼器または改質器の前混合チャンバまたは反応室、円筒状の燃焼室の内面または触媒燃焼器の内周面に配分することは有意義である。さらに、噴射される燃料の幾何学形状を、燃料が蒸発しにくかったり、例えば改質器の運転挙動に対して不都合に働いたりする所定の箇所もしくは場所が、噴射される燃料と直接接触することがないように選択し得ることは有意義である。

例えばアメリカ合衆国特許第３９７１８４７号明細書から、燃料を改質器内に調量するための装置が公知である。燃料はここでは、改質器から相対的に遠く離れた配量装置から、長い供給管路と簡単なノズルとを介して、温度調節された物質流へと配量される。その際、燃料はまず、燃料の渦動および配分を生ぜしめるべきノズルの流出開口の下流に配置されているバッフルプレートに衝突し、その後、蒸発プロセスのために必要な、相対的に長い蒸発区間を介して改質器の反応領域に達する。長い供給管路により、配量装置は改質器の熱的な影響から絶縁されることができる。

上記明細書から公知の装置における欠点は特に、ノズルの簡単な構造およびバッフルプレートの配置により、例えば大きな熱供給を伴う改質器の領域内への、燃料の適当な調量が不十分にのみ可能であるという点にある。このことは、長くて容積の大きな蒸発区間の必要性による、相対的に大きな所要スペースに至る。

さらにコールドスタート運転時に問題が生じる。それというのも、長くて容積の大きな蒸発区間は緩慢にのみ加熱され、加えて相対的に多くの熱を未使用のまま放出してしまうからである。ノズルおよびバッフルプレートの、アメリカ合衆国特許第３９７１８４７号明細書に開示された配置により、特に、中空円筒内面または球状の凹部を均等に燃料で湿潤するか、またはその際に、中空円筒の所定の面を燃料による湿潤から除外することは不可能である。配量プロセスにより生ぜしめられる燃料クラウドの形状も、不十分にのみ影響を及ぼされることができる。

発明の利点
これに対して、本発明による、主請求項の特徴部に記載された特徴を備えた調量装置が有する利点は、球状に配量室内に突入するノズルボディにより、かつ球状に配量室内に突入するノズルボディに複数の噴射開口を適当に設けることにより、噴射される燃料もしくは燃料クラウドの幾何学形状が、配量室内に支配する所与状態と、これにより与えられる条件とに、極めて良好に適合され得る点にある。特に、中空円筒状の内面および球状の凹部を均等に燃料で湿潤することが可能である。

さらに、燃料クラウドを、空隙が燃料クラウド中に形成されるように成形することが可能である。所定の面を燃料による湿潤から除外することもしくは燃料クラウド中の空隙により、例えば、配量室の内面に取り付けられたセンサを燃料負荷から除外して、その測定精度を改善することが可能である。

従属請求項に記載された手段により、主請求項に記載された調量装置の有利な構成が可能である。

本発明の有利な構成では、ノズルボディがその配量管路側の端部で中空円筒状に成形されている。このことは特に簡単な、ひいては省コストな製作を許可し、その上、この領域にねじ山を設けることを可能にする。これにより、ノズルボディは有利には特に簡単に、密にかつ安定に配量管路に接続されることができる。

ノズルボディは供給管路に有利には溶接、特にレーザ溶接されることができる。

本発明による調量装置の、別の有利な構成では、複数の噴射開口が、異なる直径を有している。これにより特に、その都度の噴射開口を通流する燃料量が規定され、その都度の要求に適合されることができる。

さらに、噴射開口の中心軸線を１つの共通の交点上に配置し、この交点をノズルボディ軸線上に配置することは有利である。ノズルボディ軸線上での交点の位置の選択により、燃料クラウドの幾何学形状はその都度の要求に適合されることができる。

その上、噴射開口の、ノズルボディ軸線に関する非対称的な位置関係もしくは中心軸線傾きにより、燃料クラウドの幾何学形状もしくは流出する燃料噴流により形成される噴流幾何学形状が調節され、改善されることもできる。

ノズルボディの、球状の部分の壁厚を、ノズルボディの、その他の部分の壁厚よりも小さな壁厚に減じることにより、燃料の噴射幾何学形状およびノズルボディの熱伝導挙動がポジティブに影響を及ぼされることができる。

有利には、配量装置として、例えば往復動内燃機関のために使用されるような燃料噴射弁が使用される。そのような弁の使用は多数の利点を有している。つまり、この種の弁は、燃料配量の、特に正確な開ループ制御もしくは閉ループ制御を許可する。その際、配量は複数のパラメータ、例えばデューティー比、クロック周波数および場合によってはストローク長を介して制御されることができる。その際、ポンプ圧への依存性は、管路横断面積を介して燃料の体積流量を制御する配量装置の場合に比べてそれ程大きく出現せず、調量範囲は明らかに大きい。

さらに、燃料噴射弁は、多方面で実証されていて、その挙動についてよく知られていて、安価で、使用される燃料に対して化学的に安定で、しかも信頼性の高い構成部分である。これは特に「低圧燃料噴射弁」に該当する。低圧燃料噴射弁は熱的な切り離しに基づいてここで良好に使用可能である。

配量管路は有利にはいくつかの、壁厚を減じた箇所を有しており、壁厚を減じた箇所は配量管路の熱伝導性を引き下げるか、もしくは冷却体として役立つことができる。

有利には、本発明による配量装置がノズルボディ内に、配量された燃料もしくは燃料・ガス・混合物に渦流を発生させるための渦流通路を備えた渦流インサートを有している。これにより、燃料の混合処理および噴霧はさらに改善されることができる。

加えて、渦流インサートの形状がノズルボディの内側幾何学形状に相当し、渦流インサートがノズルボディの内壁に対して間隔を置いて配置されていると有利である。これにより、燃料もしくは燃料・ガス・混合物の速度が渦流インサートにおいて高められ、加えて良好に調節される。このことは混合処理および噴霧を改善する。

有利には、渦流インサートが、複数の渦流通路を有している。その際、複数の渦流通路は平行に延びるか、またはその経過中で交差することができる。このようにして、渦流形成は燃料もしくは燃料・ガス・混合物の特性に簡単に適合されることができ、渦流強度は要求に相応に適合されることができる。

最後に、調量装置が空気供給部を備えて構成され、空気供給部により、空気またはその他のガスが配量管路内に送給されることができると有利である。これにより、混合処理はさらに改善され、燃料滴サイズはさらに減じられることができる。さらに、それにより配量管路が、特に停止期にかつ例えば空気供給部を通した空気の吹き出しにより、燃料もしくは燃料・ガス・混合物から解放される、もしくは清浄化されることができる。それにより、燃料もしくは燃料・ガス・混合物が配量管路から管理不能に流出することが回避される。

調量装置の、複数部分から成る構造により、安価な製作と、規格化された構成部分の使用とが可能である。

図面
本発明の実施例を図面に簡単に示し、以下の説明で詳しく述べる。
図１：本発明による調量装置の一実施例の概略図である。
図２：ノズルボディ軸線の、アダプタ部材とノズルボディとの間に位置する点から見た、図１に示されたノズルボディの概略図である。
図３：図２に示されたノズルボディの、線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った、側方から見た概略断面図である。
図４：本発明によるノズルボディの別の実施例の、側方から見た概略断面図である。
図５：球状の凹部を備えた中空円筒状の配量室を有する実施例の概略断面図である。
図６：渦流インサートを備えた、本発明によるノズルボディの別の実施例の概略断面図である。
図７：渦流インサートの概略図である。

実施例の説明
以下に本発明の実施例について例示的に説明する。

本発明による調量装置１の、図１に示された実施例は、低圧燃料噴射弁の使用のための調量装置１の形で構成されている。調量装置１は特に、水素を得るための、図示されていない化学的な改質器の、例示的に図５に示された配量室１０内に燃料を供給および噴霧するために適している。

調量装置１は、本実施例では低圧燃料噴射弁として構成されている配量装置２、電気的な接続部４、燃料接続部３、配量装置２と管形の配量管路１２とを収容するためのアダプタ部材５、空気供給部９およびノズルボディ７から成る。配量装置２は管形である。その際、燃料接続部３は上側に存在する。配量装置２の下側で、配量管路１２内への燃料の配量が実施される。その際、アダプタ部材５は配量装置２と配量管路１２とを外部に向かって液圧的に密に互いに接続する。管形の空気供給部９は配量管路１２に開口し、配量管路１２に、ねじ山結合部または溶接結合部、特にレーザ溶接結合部を介して密に接続されている。

ノズルボディ７の、配量管路１２側の、中空円筒状に成形された端部は、配量管路１２の相応の端部を包囲し、そこで、溶接結合部またはねじ結合部、特にレーザ溶接により製作される接合部であることができる接合部を介して、液圧的に密に配量管路１２に接続されている。これに対して択一的に、配量管路１２の相応の端部が、ノズルボディ７の、配量管路１２側の、中空円筒状に成形された端部を包囲することも可能である。配量管路１２自体は例えば、特殊鋼から成る規格化された金属管から成る。

ノズルボディ７は、球欠形もしくは半球形に成形された噴射側の球状の部分１３に、複数の、本実施例では２０個の噴射開口６を有している。噴射開口６は図２および図３に、より詳細に示されている。ここに示された実施例では、すべての噴射開口６が、ノズルボディ７の長手方向軸線１５に一致するノズルボディ軸線８に関して対称に配置されている。その際、噴射開口６の中心軸線１４の仮想延長線は、ノズルボディ軸線８上に位置する１つの交点１１を通って延びている。

配量装置２には燃料接続部３を介して、燃料、例えばガソリン、エタノールまたはメタノールが、図示されていない燃料ポンプと燃料管路とにより圧力下で供給される。燃料は調量装置１の運転時に下向きに流動し、配量装置２の下端に位置する図示されていないシール座を通して公知の形式で、シール座の開放および閉鎖により、配量管路１２内に配量される。側方から配量装置２の近傍で配量管路１２に開口する空気供給部９を通して、混合処理のために、空気またはその他のガス、例えば改質プロセスまたは燃料電池プロセスからの可燃性の残留ガスが供給されることができる。後続の経過で、燃料は配量管路１２を通してノズルボディ７へと圧送され、そこで噴射開口６を通して、図５に例示的に示された配量室１０内に調量される。

図２には、ノズルボディ軸線８上の、配量室１０内に位置する点から見た、図１に示されたノズルボディ７の拡大図が示されている。噴射開口６はこの見方で、互いに直角の２つの線上に位置している。両線は、ここでは点として示されたノズルボディ軸線８上で交差する。

図３には、図２に示されたノズルボディ７の、線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図が、側方からの見方で示されている。明らかに判るように、本実施例では、噴射開口６の中心軸線１４が、ノズルボディ軸線８上に位置する共通の交点１１で交差する。ノズルボディ７の、例示的に図４に示された配量室１０内に突入する球状に成形された部分１３に、本実施例ではノズルボディ軸線８に関して対称に、２０個の噴射開口６が存在する。

図４には、図２に示されたノズルボディ７の別の実施例が側方から、図３に示された実施例と類似の形で示されている。ただし、ノズルボディ７の、球状の部分１３の壁厚は、ノズルボディ７の、その他の部分の壁厚に比して僅かである。

図５には、供給管路１２に固定された、配量室１０内に突入するノズルボディ７が示されている。配量室１０は円筒形である。その際、配量室１０の、図示の端部は球状の凹部を有している。この領域内に、燃料は、図４には示されていない噴射開口６を通して調量される。その際有利には、ノズルボディ７の噴射側に球状の形状を付与したことにより、噴射開口６は、配量室１０の、球状の凹部が均等に燃料で負荷されるように配置されている。

図６には、ノズルボディ７の内部に配置された渦流インサート１６を備えた、本発明によるノズルボディ７の別の実施例の概略断面図が示されている。ノズルボディ７の内壁は単に概略的に線として、噴射開口６の存在を無視して示されている。渦流インサート１６は、周方向で延びる渦流通路１７を有している。渦流通路１７は渦流インサート長手方向軸線１８に対して傾いており、それにより、流過する燃料もしくは流過する燃料・ガス・混合物に回転もしくはひねりを加える。本実施例では、渦流インサート長手方向軸線１８がノズルボディ７の中心軸線１５と合致する。

渦流インサート１６の形状は、半径方向でも、ノズルボディ７の、球状の部分に向かっても、ノズルボディ７の内側の形状に適合されている。本実施例では、渦流インサート１６が、ここでは例えば０．２ｍｍよりも僅かな均等な間隔１９でもって、ノズルボディ７の、半径方向の側面もしくはその球状の部分に対して間隔を置いている。比較的小さな間隔１９により、渦流通路１７内での圧力上昇が得られ、それにより、より良好な処理が得られる。

図７には、別の渦流インサート１６の概略図が示されている。その際、渦流通路１７は、図６に示された実施例のように平行に延びているのではなく、周方向の経過中で交差している。

本発明による調量装置の一実施例の概略図である。 ノズルボディ軸線の、アダプタ部材とノズルボディとの間に位置する点から見た、図１に示されたノズルボディの概略図である。 図２に示されたノズルボディの、線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った、側方から見た概略断面図である。 本発明によるノズルボディの別の実施例の、側方から見た概略断面図である。 球状の凹部を備えた中空円筒状の配量室を有する実施例の概略断面図である。 渦流インサートを備えた、本発明によるノズルボディの別の実施例の概略断面図である。 渦流インサートの概略図である。

Claims (18)

1. 液体の燃料のための調量装置（１）、特に水素を得るための化学的な改質器内に供給するための調量装置（１）であって、燃料を配量管路（１２）内に配量するための少なくとも１つの配量装置（２）と、配量管路（１２）に接続する１つのノズルボディ（７）とが設けられており、該ノズルボディ（７）が噴射開口（６）を有しており、該噴射開口（６）が配量室（１０）に開口している
   形式のものにおいて、
   ノズルボディ（７）が噴射側で、球状の部分（１３）でもって配量室（１０）内に突入しており、ノズルボディ（７）の、球状の部分（１３）にわたって、複数の噴射開口（６）が分配されている
   ことを特徴とする調量装置。
2. ノズルボディ（７）が配量管路（１２）側の端部で中空円筒形である、請求項１記載の調量装置。
3. ノズルボディ（７）が配量管路（１２）に密に螺合または溶接、特にレーザ溶接されている、請求項１または２記載の調量装置。
4. 複数の噴射開口（６）が、異なる直径を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の調量装置。
5. 複数の噴射開口（６）の中心軸線（１４）が、１つの共通の交点（１１）を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の調量装置。
6. 共通の交点（１１）がノズルボディ（７）の中心軸線（１５）上に位置する、請求項５記載の調量装置。
7. 複数の噴射開口（６）の位置がノズルボディ（７）の中心軸線（１５）に関して非対称である、請求項１から６までのいずれか１項記載の調量装置。
8. 複数の噴射開口（６）の中心軸線（１４）の傾きがノズルボディ（７）の中心軸線（１５）に関して非対称である、請求項１から７までのいずれか１項記載の調量装置。
9. ノズルボディ（７）の、球状の部分（１３）の壁厚が、ノズルボディ（７）の、その他の部分の壁厚よりも僅かである、請求項１から８までのいずれか１項記載の調量装置。
10. 配量装置（２）が燃料噴射弁である、請求項１から９までのいずれか１項記載の調量装置。
11. 燃料噴射弁が、１０バールまでの燃料圧で作業する低圧燃料噴射弁である、請求項１０記載の調量装置。
12. 配量管路（１２）が、その軸方向の経過中に、少なくとも１つの、壁厚を減じた箇所または壁厚を減じた領域を有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載の調量装置。
13. ノズルボディ（７）が、渦流通路（１７）を備えた渦流インサート（１６）を有しており、該渦流インサート（１６）が燃料もしくは燃料・ガス・混合物に円運動を加える、請求項１から１１までのいずれか１項記載の調量装置。
14. 渦流インサート（１６）の形状がノズルボディ（７）の内側幾何学形状に実質的に相当する、請求項１３記載の調量装置。
15. 渦流インサート（１６）がノズルボディ（７）内で、ノズルボディ（７）の内壁に対して間隔（１９）を置いて配置されている、請求項１３または１４記載の調量装置。
16. 渦流インサート（１６）が、複数の渦流通路（１７）を有している、請求項１３から１５までのいずれか１項記載の調量装置。
17. 渦流通路（１７）が平行に延びているか、または交差している、請求項１６記載の調量装置。
18. 調量装置（１）が空気供給部（９）を有しており、該空気供給部（９）により、空気またはその他のガスが配量管路（１２）内に送給されることができる、請求項１から１７までのいずれか１項記載の調量装置。

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