JP4388898B2 - 調量装置 - Google Patents

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。特にコールドスタート期に熱を発生させるために、触媒燃焼器および後燃焼装置が使用される。

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、水および燃料は反応領域に理想的にはガス状の状態または少なくとも噴霧された状態で供給される。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、準備されねばならない。このことは例えば、相応の量の燃料または別の物質を微細に噴霧して提供する能力を備えた調量装置を必要とする。

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」または後燃焼装置により提供される。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、燃料を良好に処理して調量装置により、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、燃料クラウドを、その幾何学的な形状、広がり速度および渦流形成に関して、燃焼室と、燃焼室内に予め支配する条件とに適合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、改質器の運転温度を下回る温度で、例えばコールドスタート期に、燃料の噴霧が不十分にしか実施されない点と、調量装置が、大きな手間をかけて、かつ多くのスペースを費やして構成されている点とにある。燃料と酸化剤との間の、その際に生じる相対的に僅かな反応面により、燃焼もしくは化学反応は緩慢にのみ、大抵の場合不完全に実施される。これにより、効率は著しく低下し、有害物質エミッションは不都合に増大する。不完全な燃焼もしくは不完全な化学反応は大抵の場合、化学的な改質器もしくは後燃焼装置を損傷しかねないアグレッシブな化合物の形成と、機能を損ねかねない堆積物とに至る。噴霧が実施されるノズル領域の、大きな手間を要し、かつ多くのスペースを費やす構造は、特に組み立て易さの悪化の結果として、高い製作コストおよび運転コストに至ると共に、高い欠陥発生率に至る。

特に、ノズルおよびバッフルプレートにより生ぜしめられる燃料クラウドの広がり速度と、幾何学的な形状と、渦流形成とは、極めて不十分にのみ影響を及ぼされる。

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、燃料もしくは燃料・ガス・混合物の噴霧および配分が大幅に改善される点にある。特に、燃焼室もしくは配量室内の燃料クラウドもしくは燃料・ガス・混合物クラウドの広がり速度、渦流形成および幾何学的な形状は有利に規定されることができる。これにより、例えばコールドスタート期が大幅に短縮されることができ、既にコールドスタート期中に、後燃焼装置もしくは化学的な改質器の効率が著しく向上されることができる。その際、有害物質エミッションは大幅に減じられている。さらに、本発明による調量装置により、調量装置を極めて簡単に、確実に、ひいては安価に製作することが可能である。さらに、大量生産された規格化された構成部分が使用されることができる。

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。

本発明による調量装置の有利な構成では、ノズルボディが、上流の供給管および下流の支持エレメントを有している。両者は管形、特に円筒管形であり、かつ液圧的に密に溶接またはレーザ溶接により互いに接続されている。これにより、両部分は簡単に、ひいては安価に製作され、それぞれ別々に、その都度の要求に応じて安価に製作される。

別の有利な構成では、渦流インサートが支持エレメントに、特にプレスばめ、溶接またはレーザ溶接により、液圧的に密に接合されている。これにより、特に強固で、確実で、安価な接合部が製作される。

さらに、渦流インサートが、少なくとも１つの噴射開口を備えた座エレメントと、渦流エレメントとを有していると有利である。渦流インサートの部分は極めて簡単かつ安価に、異なる負荷および条件に適合される。

さらに、渦流エレメントをディスク状に構成することは有利である。これにより、渦流エレメントは特に簡単に加工されることができる。さらに、渦流エレメントは有利には、貫通した開口を有している。開口により、渦流発生および渦流形成が有利に影響を及ぼされることができる。

さらに、本発明による調量装置の別の有利な構成では、渦流エレメントが溶接またはレーザ溶接により座エレメントに接合される。これにより、安価な製作ステップと、確実かつ強固な接合とが実現可能である。

加えて、渦流エレメントと座エレメントとの間に中間エレメントを配置することは有利である。これにより、渦流エレメントは、渦流特性に対して有利な影響を及ぼすために、座エレメントから間隔を置いて配置されることができる。

有利には、渦流エレメントが支持エレメントの内壁から間隔を置いて配置されている。これにより、渦流エレメント内への燃料流入は妨げられることなく実施され、支持エレメントの内壁の側からも、特に渦流形成を強化するために実施されることができる。

有利には、渦流エレメントの開口が少なくとも部分的にインサートにより閉鎖される。渦流特性は大幅に改善される、もしくはその都度の条件および要求に適合される。加えて、インサートは有利には渦流エレメントに溶接またはレーザ溶接により結合されている。

加えて、開口は、燃料もしくは燃料・ガス・混合物の流動方向で位置する方向成分を備えた開口長手方向軸線を有している。

渦流エレメントは有利には少なくとも１つの渦流通路を有している。渦流通路は開口長手方向軸線に対して半径方向の方向成分と接線方向の方向成分とを有している。

有利には、配量管路と配量装置とがアダプタにより液圧的に密にかつ解離可能に接合されている。これにより、組み立て易さが向上する。

別の構成では、配量管路と配量装置とを結合するアダプタが空気供給部を有しており、空気供給部がアダプタ内で配量管路に接続されている。これにより、既に配量管路内で、混合処理が開始され、配量管路内に配量される燃料および／または配量されるガスが空気と混合される。これにより、空気を伴う配量されたガスおよび／または燃料の噴霧および混合物形成は総じて改善される。さらに、空気供給により、配量管路は、望ましくない燃料残分もしくはガス残分が、例えば空気供給部を通した空気によって、例えば停止期またはアイドリング期の前に吹き出されることにより、燃料残分もしくはガス残分から解放されることができる。これにより、燃料の、配量室または外界への管理不能な放出は回避される。

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。低圧燃料噴射弁は配量管路による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、もしくは冷却体として役立つことができる。

調量装置を複数部分から構成したことにより、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
本発明による実施例を図面に簡単に示し、以下の説明で詳細に述べる。
図１：本発明による調量装置の第１の実施例の概略図である。
図２：第１の実施例のノズルボディの概略断面図である。
図３：第１の実施例の渦流エレメントの概略図である。
図４：第２の実施例のノズルボディの概略断面図である。
図５：第３の実施例のノズルボディの概略断面図である。

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。調量装置の、図示された実施例は特に、液体の燃料と空気とを、化学的な改質器の中空円筒内にまたは後燃焼装置内に、６０°よりも小さな噴霧角でもって調量して準備するために適している。

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、燃料もしくは燃料・ガス・混合物を、水素を得るための図示されていない化学的な改質器または熱を発生させるための図示されていない後燃焼装置の、図示されていない配量室内に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、配量装置２と、管形の、例えば１０ｃｍ〜１００ｃｍの長さの配量管路８とを収容するためのアダプタ６、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は管形であり、その上側に燃料接続部１３を有している。側方に、配量装置２は電気的な接続部５を有している。配量装置２の下側で、燃料または燃料・ガス・混合物の、配量管路８内への配量が実施される。その際、アダプタ６は配量装置２と配量管路８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はアダプタ６に開口し、それにより、配量管路８に連通している。

ノズルボディ７の、配量管路８側の、中空円筒状に成形された端部は、中空円筒状に成形された第１の接続エレメント１０．１を介して、配量管路８に液圧的に密に接続されている。配量管路８自体は例えば、規格化された、特殊鋼から成る金属管から成る。本実施例では、配量管路８が２部分から構成されている。その際、配量管路８の、アダプタ６側の部分は第２の接続エレメント１０．２により、配量管路８の、ノズルボディ７側の部分に接続されている。

配量管路２の、下側の部分はアダプタ６内に係入し、クリップの形をした固定エレメント３により、液圧的に密にアダプタ６に接続されている。

ノズルボディ７は、その噴射側の、配量管路８とは反対側の端部に、少なくとも１つの噴射開口１４を備えた、図２に示された渦流インサート２４を有している。

配量装置２には、配量装置２の上側に位置する燃料接続部１３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８内に配量される。アダプタ６を介して配量管路８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、燃料もしくは燃料・ガス・混合物は配量管路８を通してノズルボディ７へと流動し、そこで、図２に示された噴射開口１４を通して、図示されていない配量室内に渦流を伴って調量される。

さらに、空気供給部９を通して、空気が、配量管路８を管理された形で空にするために、例えばアイドリング期または停止期の直前に供給されることができる。

配量管路８により、配量装置２、特に配量装置２の、高い温度と大きな温度変動とに対して敏感な、図示されていないシール座が、図示されていない配量室内の、例えば５００℃に上る温度から熱的に切り離される。配量管路８の長さ、材料および形状は特に熱的なかつ空間的な所与状態に応じて選択される。有利には、配量管路８が、壁厚を減じた箇所を有していてもよい。壁厚を減じた箇所は熱絶縁に貢献するか、または冷却体として働くことができる。

図２には、第１の実施例のノズルボディ７の概略断面図が示されている。ノズルボディ７は支持エレメント１５と、供給管１７と、下流で支持エレメント１５内に配置された渦流インサート２４とから成る。列挙した３つのすべての構成部分１５，１７，２４はそれぞれ円筒状であり、ノズルボディ７のノズルボディ長手方向軸線１１に同心的に整合されている。

図１に示された配量管路８に第１の接続エレメント１０．１により接続されている供給管１７はその下流の端部で支持エレメント１５に、レーザ溶接により製作されている第１の溶接シーム１８により液圧的に密に接合されている。ただし、接合はプレスばめ、はんだ付け、溶接またはねじ結合により実現されることもできる。

支持エレメント１５の、下流の下端に存在する渦流インサート２４は、その中央に配置された噴射開口１４を備えた座エレメント４と、渦流通路１２および中央に配置された開口２５を備えた渦流エレメント１６とを有している。座エレメント４と渦流エレメント１６とはそれぞれディスク形に形成されている。渦流エレメント１６の、下流を指し示すディスク下面と、座エレメント４の、上流に向けられたディスク上面とは、中間エレメント２２を介して互いに当て付けられており、レーザ溶接法により製作されている第４の溶接シーム２１により互いに接合されている。中間エレメント２２は座エレメント４と渦流エレメント１６との間の間隔を保っている。渦流エレメント１６の、支持エレメント１５の内壁を指し示す側面と、支持エレメント１５の内壁との間には、間隔２７が存在する。

開口２５の開口長手方向軸線２６は本実施例ではノズルボディ長手方向軸線１１と合致する。座エレメント４に設けられた噴射開口１４は両軸線２６，１１に対して同心的に配置されている。本実施例では、ピン形もしくは円筒形のインサート２８が渦流エレメント１６の開口２５に差し通され、その際、開口２５を閉鎖する。ただし、インサート２８の、下流の端部は座エレメント４に座着していない。このようにして、燃料もしくは燃料・ガス・混合物は、渦流エレメント１６内に配置された渦流通路１２を通してのみ、渦流エレメント１６の下流に配置された噴射開口１４へと達することができる。インサート２８はその外周面に沿って渦流エレメント１６のディスク上面で、第３の溶接シーム２０により渦流エレメント１６に液圧的に密に固定されている。

渦流インサート２４は座エレメント４で、レーザ溶接法により製作されている第２の溶接シーム１９により支持エレメント１５に液圧的に密に固定されている。その際、第２の溶接シーム１９はほぼ座エレメント４の外周面に沿って経過している。

図３には、上流の、開口長手方向軸線２６上の位置する点から見た、第１の実施例の渦流エレメント１６の概略図が示されている。４つの渦流通路１２はディスク形および円形ディスク形の渦流エレメント１６内を、開口２５の開口長手方向軸線２６に対して半径方向の方向成分と接線方向の方向成分とを備えて経過している。その際、燃料もしくは燃料・ガス・混合物は、渦流エレメント１６の外周面近傍の、渦流エレメント１６の、上流のディスク上面と、渦流エレメント１６の側面とで渦流通路１２内に進入する。その後、燃料もしくは燃料・ガス・混合物は渦流エレメント１６内を、渦流通路１２を通して、中央に配置された開口２５へと案内される。そこで、燃料は、開口２５近傍の、渦流エレメント１６のディスク下面で渦流を伴って流出し、図２に示された噴射開口１４へと流動する。

図４には、本発明による調量装置１の第２の実施例のノズルボディ７の概略断面図が、図２に示された第１の実施例と類似の形で示されている。ただし、図２に示された実施例とは異なり、実質的に中間エレメント２２が欠如している。さらに、渦流インサート２４に所属する座エレメント４は、異なる傾き角度を備えた複数の噴射開口１４を有している。

渦流エレメント１６と座エレメント４と間の間隔を保つために使用される中間エレメント２２は、座エレメント４の、上流のディスク上面の中央に配置された切欠き２９により代替されている。この場合、渦流エレメント１６は、その際に座エレメント４のディスク上面に生じるリング３０上に座着する。

図５には、本発明による調量装置１の第３の実施例のノズルボディ７の概略断面図が示されている。この実施例は、図４に示された実施例に酷似する。ただし、図４に示された第２の実施例とは異なり、インサート２８が欠如している。燃料もしくは燃料・ガス・混合物はこのようにして開口２５と渦流通路１２とを通して噴射開口１４へと流動することができる。

本発明による調量装置の第１の実施例の概略図である。 第１の実施例のノズルボディの概略断面図である。 第１の実施例の渦流エレメントの概略図である。 第２の実施例のノズルボディの概略断面図である。 第３の実施例のノズルボディの概略断面図である。

Claims (18)

1. 液体の燃料のための調量装置（１）であって、当該調量装置（１）が、水素を得るための化学的な改質器内にまたは熱を発生させるための後燃焼装置内に供給するための調量装置（１）であり、燃料を配量管路（８）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（８）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、少なくとも１つの噴射開口（１４）を有しており、該噴射開口（１４）が配量室に開口している
   形式のものにおいて、
   ノズルボディ（７）が下流に、噴射側に配置された渦流インサート（２４）を備えた支持エレメント（１５）を有しており、渦流インサート（２４）に、少なくとも１つの噴射開口（１４）が配置されている
   ことを特徴とする調量装置。
2. ノズルボディ（７）が支持エレメント（１５）の上流に、管形の供給管（１７）を有しており、該供給管（１７）が下流で、管形の支持エレメント（１５）に液圧的に密に溶接されている、請求項１記載の調量装置。
3. 渦流インサート（１６）が支持エレメント（１５）に液圧的に密に接合されている、請求項１または２記載の調量装置。
4. 渦流インサート（２４）が少なくとも、少なくとも１つの噴射開口（１４）を備えた１つの座エレメント（４）と、該座エレメント（４）の上流に配置された１つの渦流エレメント（１６）とを有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の調量装置。
5. 渦流エレメント（１６）がディスク形である、請求項４記載の調量装置。
6. 渦流エレメント（１６）が、貫通した開口（２５）を有している、請求項４または５記載の調量装置。
7. 開口（２５）が少なくとも部分的にインサート（２８）により閉鎖されている、請求項６記載の調量装置。
8. インサート（２８）が渦流エレメント（１６）に溶接により結合されている、請求項７記載の調量装置。
9. 開口（２５）が、流動方向を指し示す方向成分を備えた開口長手方向軸線（２６）を有している、請求項６から８までのいずれか１項記載の調量装置。
10. 渦流エレメント（１６）が、少なくとも１つの渦流通路（１２）を有しており、該渦流通路（１２）が、開口長手方向軸線（２６）に対して位置する半径方向の方向成分と接線方向の方向成分とを有している、請求項９記載の調量装置。
11. 渦流エレメント（１６）が溶接により座エレメント（４）に結合されている、請求項４から１０までのいずれか１項記載の調量装置。
12. 渦流エレメント（１６）と座エレメント（４）との間に、中間エレメント（２２）が配置されている、請求項４から１１までのいずれか１項記載の調量装置。
13. 渦流エレメント（１６）が支持エレメント（１５）の内壁から間隔（２７）を置いて配置されている、請求項４から１２までのいずれか１項記載の調量装置。
14. 配量管路（８）と配量装置（２）とがアダプタ（６）により液圧的に密にかつ解離可能に接合されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の調量装置。
15. アダプタ（６）が空気供給部（９）を有しており、該空気供給部（９）がアダプタ（６）内で配量管路（８）と連通している、請求項１４記載の調量装置。
16. 配量装置（２）が燃料噴射弁である、請求項１から１５までのいずれか１項記載の調量装置。
17. 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１から１６までのいずれか１項記載の調量装置。
18. 配量管路（８）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１７までのいずれか１項記載の調量装置。

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