JP4440112B2 - 調量装置 - Google Patents

Description

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

燃料電池支持された搬送システムでは、必要となる水素を炭化水素含有の燃料、たとえばガソリン、エタノールまたはメタノールから得るために、いわゆる「化学的な改質器」が使用される。特にコールドスタート段階での熱発生のためには、触媒バーナおよび／または後燃焼装置が使用される。

改質器によって反応経過のために必要となる全ての物質、たとえば空気、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、たとえばメタノールまたはガソリンと、水とは搬送システムのボードに有利には液状の形で付与されているので、燃料と水とは、蒸発のために、改質器の反応領域に到達する直前に初めて加熱されなければならない。このことは、適宜な量のガス状の燃料および水蒸気を提供することができる前蒸発器を要求する。この場合、たいてい、改質器の廃熱が蒸発のために使用される。類似のことが触媒バーナおよび後燃焼装置に当てはまる。

水素はたいてい即座に燃焼されるので、化学的な改質器は、水素の生産を遅れなしに、たとえば負荷交番時にまたは始動段階で問合せに適合させることができなければならない。特にコールドスタート段階では、付加的な手段が講じられなければならない。なぜならば、改質器が廃熱を提供しないからである。従来の蒸発器は、適宜な量のガス状の反応体を遅れなしに発生させることができない。

したがって、改質器もしくは触媒バーナおよび後燃焼装置が運転温度未満で作業する運転状態では、燃料にすでに調量装置によって熱が供給されると有利である。これによって、供給された燃料または供給された燃料・ガス混合物がより反応しやすくなり、より容易にかつ迅速に蒸発することができ、完全に混合することができる。

たとえばアメリカ合衆国特許第３９７１８４７号明細書に基づき、燃料を改質器に調量供給するための装置が公知である。ここでは、燃料が、改質器から比較的遠く離された調量部分によって、長い供給管路と単純なノズルとを介して、温度調整された物質流に調量される。この場合、燃料がまず、この燃料に渦流を付与しかつ燃料を分配したいノズルの流出開口の後方に配置された衝突薄板に衝突し、その後、蒸発プロセスのために必要となる比較的長い蒸発区間を介して改質器の反応領域に到達する。長い供給管路によって、調量部分を改質器の熱的な影響から絶縁する、つまり断熱することができる。

上述した刊行物に基づき公知の装置には、特に改質器の運転温度未満、たとえばコールドスタート段階で燃料の噴霧と蒸発とが不十分にしか行われないという欠点がある。この場合に形成される、燃料と酸化体との間の比較的僅かな反応面によって、燃焼もしくは化学反応がゆっくりとしか行われず、また、たいてい不完全に行われる。これによって、効率が著しく低下し、有害物質エミッションが不利に増加する。不完全燃焼もしくは不完全な化学反応は、たいてい、侵食性の化学的な化合物の形成を招く。この化合物は化学的な改質器もしくは後燃焼装置に損傷を与え、機能を損なわせ得る堆積物を生ぜしめる。運転温度が達成されない運転状態は、不十分な噴霧と、これによって生ぜしめられる、燃料と酸化体との不十分な混合もしくは化学反応とによって延長される。

発明の利点
独立請求項の特徴部に記載の特徴を備えた本発明による調量装置は従来のものに比べて、調量装置に対応配置された加熱エレメントによる前加熱によって、燃料もしくは燃料・ガス混合物の噴霧および分配が著しく改善されるという利点を有している。これによって、たとえばコールドスタート段階を著しく短縮することができ、すでにコールドスタート段階の間に触媒バーナまたは後燃焼装置もしくは化学的な改質器の効率を著しく向上させることができる。この場合、有害物質エミッションは著しく低減されている。手間がかかりひいては高価な、混合物調整およびスプレイ調整のための装置は省略することができる。特に同じかまたはより良好な噴霧で、手間をかけて製作され得る劣悪に調整可能なエネルギ集中的な空気助成装置を省略することができる。これによって、調量装置はより僅かなエネルギを必要とし、より簡単に製作することができ、より簡単に調整することができる。さらに、たとえばエアコンプレッサを省略することができる。

加熱エレメントは、有利には金属から成るメッシュ状の金網または電気的に加熱可能な材料から成る中空体から成っている。これによって、発生させられた電流熱を特に均一に良好に分配することができ、簡単に燃料に供給することができるかもしくは同じく熱を燃料もしくは燃料・ガス混合物に伝達する調量装置の各エレメントに供給することができる。さらに、このような加熱エレメントは、特に良好に幾何学的なあらゆる要求に適合することができ、製作に関して廉価であり、抵抗に対して強く、僅かにエネルギ供給を必要とし、僅かな空間需要しか有していない。特に加熱エレメントは、市販の渦流発生ノズルの手前または渦流発生ノズル内、燃料電池技術、たとえば改質器、後バーナ、始動バーナ等に用いられる任意のあらゆる噴霧可能性の手前または噴霧可能性内または加熱技術内に使用することができる。

従属請求項に記載した手段によって、独立請求項に記載した調量装置の有利な改良形が可能となる。

本発明による調量装置の第１の改良形では、調量管路と調量部分とが、アダプタによってハイドロリック的に密にかつ解離可能に接合されている。これによって、組付けやすさが向上させられる。

別の改良形では、調量管路と調量部分とを接続するアダプタが、空気供給部を有しており、該空気供給部が、アダプタ内で調量管路に接続されている。これによって、すでに供給管路内で混合物調整を開始することができる。この場合、供給管路内に調量供給された燃料が空気と混合される。これによって、燃料の噴霧および空気との混合物形成が全体的に改善される。

加熱エレメントが電気的に加熱されるかもしくは運転されると有利である。これによって、とりわけ加熱エレメントを特に容易に種々異なる幾何学的な形状に適合させることが可能となる。この場合、制御もしくはエネルギ供給を特に簡単にかつひいては廉価に行うこともできる。

さらに、加熱エレメントが、調量管路の、アダプタの、ノズルボディのかつ／または調量部分の少なくとも一部に熱を供給することができると有利である。これによって、燃料に、空気または別のガスとの混合物形成の直前にもしくは調量室への調量供給の直前に熱を供給することができる。したがって、噴射開口に対する比較的短い距離によって、加熱エレメントにより発生させられる熱がほんの僅かしか失われていかない。これによって、燃料もしくは燃料・ガス混合物に供給される熱の調量を極めて正確に、良好に制御可能にかつ最小量のエネルギ消費で行うことができる。さらに、熱供給の種々異なる箇所によって、構造上の設定にフレキシブルに応じることができる。

プラスチック、浸漬樹脂またはセラミックスから成る固定エレメントによる加熱エレメントの位置固定によって、それぞれ熱的なかつ機械的な要求に、有利には簡単に応じることができる。

さらに、加熱エレメントまたは固定エレメントが、特にプラスチックまたはセラミックスから成る断熱層によって少なくとも部分的に取り囲まれていると有利である。これによって、加熱エレメントのエネルギ需要を一層低下させることができ、加熱エレメントによる熱供給の制御可能性を一層改善することができる。特に加熱過程の時間定数が短縮される。

さらに、調整器が、加熱エレメントの加熱出力を、特に調量室内に形成される温度に基づき調整すると有利である。調整は、改質器または後燃焼装置の別のパラメータに基づき行われてもよい。さらに、調整は、加熱エレメントの簡単な一時的な制御であってもよい。この本発明による改良形によって、燃料もしくは燃料・ガス混合物および調量装置の過熱が回避され、加熱エレメントのエネルギ需要が最小量に制限される。

調量部分として、たとえば内燃式のストロークピストン機械のために使用されるような燃料噴射弁が使用されると有利である。このような弁の使用は複数の利点を有している。したがって、燃料噴射弁によって、燃料調量の特に良好な制御もしくは調整が可能となる。この場合、調量は複数のパラメータ、たとえば衝撃係数、クロック周波数および場合によってはストローク長さを介して制御することができる。この場合、ポンプ圧に対する関連性は、管路横断面を介して燃料の体積流を制御する調量部分よりも十分に少なく生ぜしめられており、調量領域は著しく大きくなる。

さらに、燃料噴射弁は、しばしば信頼できる、その特性に関して知られている、廉価な、使用される燃料に対して化学的に安定した、確実な構成部材である。この場合、このことは、特に調量管路による熱的な分離に基づき、ここで良好に使用可能である、いわゆる「低圧燃料噴射弁」に当てはまる。

供給管路が、肉厚減少させられた幾つかの箇所を有していると有利である。これらの箇所は供給管路の熱伝導性を低下させることができるかもしくはヒートシンクとして働くこともできる。

さらに、加熱エレメントが、噴射開口の後方に配置されていると有利である。これによって、たとえば複数の調量装置の燃料／ガス混合物を簡単に加熱することができ、ひいては噴霧することができる。

加熱エレメントが、ノズルボディ内にかつ／または調量管路内にかつ／またはアダプタ内にかつ／または調量部分内にまたは調量部分上に配置されていると、特に簡単にかつあらゆる要求に容易に適合可能に調量装置を設計することができる。

調量装置の、複数の部分から成る構造によって、廉価な製作および規格化された構成部材の使用が可能となる。

実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１に示した本発明による調量装置１の実施例は、低圧燃料噴射弁の使用のための調量装置１の形で形成されている。この調量装置１は、特に燃料もしくは燃料・ガス混合物を、水素を得るための化学的な改質器（図示せず）のまたは熱を発生させるための後燃焼装置（図示せず）または触媒バーナの調量室（図示せず）に供給しかつ噴霧するために適している。この場合、調量室は、コーティングされた内面を備えた中空シリンダとして形成されていてよい。

調量装置１は、この実施例で低圧燃料噴射弁として形成された調量部分２と、電気的な接続部５と、調量部分２および、たとえば１０〜１００ｃｍの長さの管状の調量管路８を取り付けるためのアダプタ６と、空気供給部９と、ノズルボディ７とから成っている。調量部分２は管状である。この調量部分２の下側で調量管路８への燃料の調量が行われる。この場合、アダプタ６は調量部分２と調量管路８とを外部に対してハイドロリック的に密に互いに接続する。管状の空気供給部９はアダプタ６に開口していて、したがって、供給管路８に接続される。

ノズルボディ７の、調量管路８に面した中空円筒状に成形された端部は、調量管路８の相応の端部を取り囲んでいて、そこで、溶接結合部またはねじ締結部、特にレーザ溶接によって製作された接合部であってよい接合部を介してハイドロリック的に密に調量管路８に結合されている。この調量管路８自体は、たとえば特殊鋼から成る規格化された金属管から成っている。

ノズルボディ７は、ボールセグメント状にもしくは半球状に成形された噴射側の球面状の部分に、図３および図５に示した少なくとも１つの噴射開口１５を有している。

調量管路８はその軸方向の延びの一部にわたって、有利には金属から成る金網の形の格子状の加熱エレメント４を有している。この加熱エレメント４は調量管路８をこの調量管路８の外径の全周にわたって取り囲んでいる。この場合、加熱エレメント４は密に調量管路８に接触していて、耐熱性の浸漬樹脂から成る浸漬樹脂層の形の固定エレメント３によって調量管路８に位置固定されていて、外部に対して断熱されている。固定エレメント３を取り囲んで付加的な断熱層１２が配置されている。この断熱層１２は加熱エレメント４を付加的に断熱する。断熱層１２は、たとえば耐熱性のプラスチックまたはセラミックス性の材料から成っている。断熱機能は固定エレメント３によって完全に引き受けられていてもよい。

電気的な接続部５は、加熱エレメント４の、アダプタ６寄りのより少なく熱負荷される側に接続されていて、固定エレメント３と断熱層１２とを貫通している。電気的な接続部５は、有利には、調量管路８の、運転中に８０℃よりも高い温度に到達しない領域に配置されている。燃料電池車両に用いられる化学的な改質器（図示せず）での本発明による調量装置１の使用時には、この領域が、いわゆる「周辺ボックス（図示せず）」に位置している。

調整器（図示せず）は、加熱エレメント４を通電する電流ひいては加熱エレメント４の熱出力を調整する。この熱出力は、たとえば調量室（図示せず）内の温度に関連して調整されるかまたは調整器にファイルされた特性線を介して、別の運転パラメータ、たとえば調量装置１のまたは、たとえば所属の後燃焼装置（図示せず）の始動以降の経過した時間が検出される。

調量部分２には、この調量部分２の上側に位置する燃料接続部１３を介して燃料、たとえばガソリン、エタノールまたはメタノールが燃料ポンプ（図示せず）と燃料管路（図示せず）とによって、圧力を伴って供給される。燃料は、調量装置１の運転時に下方に流れ、調量部分２の下側の端部に位置するシール座（図示せず）を通って公知の形式でこのシール座の開閉によって供給管路８内に調量供給される。

調量部分２の近くで側方からアダプタ６を介して供給管路８に開口した空気供給部９を通って、混合物調整のために、空気または別のガス、たとえば改質プロセスまたは燃料電池プロセスに基づく燃焼可能な残ガスを供給することができる。後続の経過では、燃料もしくは燃料・ガス混合物が供給管路８を通ってノズルボディ７に流れ、そこで、図３および図５に示した噴射開口１５を通って調量室（図示せず）内に調量供給される。

供給管路８内では、燃料もしくは燃料・ガス混合物が、特にコールドスタート段階の開始時に加熱エレメント４によって加熱される。これによって、燃料の噴霧が著しく改善される。この場合、燃料は、特にこの燃料が完全に蒸発させられるまで加熱される。したがって、燃料もしくは燃料・ガス混合物はすでに、たとえばコールドスタート段階で調量室（図示せず）への流入時に完全に蒸気相に位置している。特に自動車では、加熱エレメント４に、たとえば自動車の開放時、乗車時または始動時にすでに電気的な出力が供給され得る。これによって、コールドスタート段階がさらに短縮される。

加熱エレメントは、後燃焼装置（図示せず）、化学的な改質器または触媒バーナの運転温度が達成されるまで運転される。

図２には、本発明による調量装置１の第２実施例が第１実施例に類似して示してある。

調量部分２は、図２の実施例では、調量部分２のシール座（図示せず）が配置された下側でアダプタ６の、一貫して延びる開口１４内に係合している。燃料噴射弁として形成された調量部分２は位置固定エレメント１０によってアダプタ６に解離可能に結合される。この場合、調量部分２の管状の下側を取り囲んで延びるシールリング１１は調量部分２とアダプタ６との間の開口１４をハイドロリック的に密にシールする。調量管路８は、一方では、開口１４の、調量部分２と反対の側にハイドロリック的に密に接続されていて、他方では、ノズルボディ７によって閉鎖されている。空気供給部９はアダプタ６に開口していて、調量管路８にアダプタ６を介して接続されている。

加熱エレメント４は調量部分２の下側に嵌められている。この調量部分２はアダプタ６の内部で延びている。電気的な接続部５はアダプタ６を貫通していて、線材メッシュネットとして形成された加熱エレメント４をコンタクティング（接触接続）している。

図３には、ノズルボディ７の領域における本発明による調量装置１の第３実施例が概略的に示してある。ノズルボディ７は、この実施例では、中空円筒状に形成されている。この場合、一方の端部は開放していて、調量管路８によって気密に閉鎖されている。他方の端部は球面状に閉鎖されていて、中央に配置された噴射開口１５を有している。

ノズルボディ７の内部には、渦流発生挿入体１６が配置されている。この渦流発生挿入体１６は、より小さな直径を備えてノズルボディ７の内側輪郭に適合されている。渦流発生通路１７は渦流発生挿入体１６の表面に螺旋状に延びている。ノズルボディ７の内周面と渦流発生挿入体１６との間には、線材メッシュネットから成る管状の加熱エレメント４が挿入体として配置されている。

図４には、ノズルボディ７の領域における本発明による調量装置１の第４実施例が概略的に示してある。この場合、図３に示した第３実施例と異なり、ノズルボディ７は、調量管路８と反対の側の端部で球面状に閉鎖されておらず、噴射孔付き板１８によって閉鎖されている。この噴射孔付き板１８は複数の噴射開口１５（図示せず）を有している。噴射孔付き板１８の、調量管路８に面した側には環状体１９が配置されている。この環状体１９はノズルボディ７の内法の幅を噴射孔付き板１８に向かって減少させる。環状体１９の内周面には直接加熱エレメント４が挿入体として配置されている。この場合、ここでは、加熱エレメント４が同じく線材メッシュネットから成っていて、管状に形成されている。

図５には、本発明による調量装置１の第５実施例が概略的に示してある。この場合、加熱エレメント４は、調量管路８が、この実施例では管状の加熱エレメント４を側方から貫通することによって、噴射開口１５の後方に配置されている。この噴射開口１５は加熱エレメント４を介在して調量室（図示せず）に開口している。

本発明による調量装置の第１実施例の概略図である。

本発明による調量装置の第２実施例の概略図である。

ノズルボディの領域における本発明による調量装置の第３実施例の概略図である。

ノズルボディの領域における本発明による調量装置の第４実施例の概略図である。

本発明による調量装置の第５実施例の概略図である。

符号の説明

１ 調量装置、 ２ 調量部分、 ３ 固定エレメント、 ４ 加熱エレメント、 ５ 接続部、 ６ アダプタ、 ７ ノズルボディ、 ８ 調量管路、 ９ 空気供給部、 １０ 位置固定エレメント、 １１ シールリング、 １２ 断熱層、 １３ 燃料接続部、 １４ 開口、 １５ 噴射開口、 １６ 渦流発生挿入体、 １７ 渦流発生通路、 １８ 噴射孔付き板、 １９ 環状体

Claims (9)

1. 特に水素を得るための化学的な改質器または熱を発生させるための後燃焼装置に供給するための液状の燃料に用いられる調量装置（１）であって、燃料を調量管路（８）に調量するための少なくとも１つの調量部分（２）と、調量管路（８）に続くノズルボディ（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つの噴射開口を有しており、該噴射開口が、調量室に開口している形式のものにおいて、
   前記調量装置（１）が、メッシュ状に網状結合された金網から成る少なくとも１つの加熱エレメント（４）を有しており、該加熱エレメント（４）によって燃料に熱が供給されるようになっており、調量管路（８）と調量部分（２）とが、アダプタ（６）によってハイドロリック的に密にかつ解離可能に接合されており、加熱エレメント（４）が、ノズルボディ（７）内にかつ／または調量管路（８）内にかつ／またはアダプタ（６）内にかつ／または調量部分（２）内にまたは調量部分（２）上に配置されていることを特徴とする、調量装置。
2. 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）内で調量管路（８）に接続されている、請求項１記載の調量装置。
3. 加熱エレメント（４）が、電気的に運転されるかもしくは加熱されるようになっている、請求項１または２記載の調量装置。
4. 加熱エレメント（４）が、調量管路（８）の少なくとも一部および／またはアダプタ（６）の少なくとも一部および／または調量部分（２）の少なくとも一部および／またはノズルボディ（７）に熱を供給するようになっている、請求項１から３までのいずれか１項記載の調量装置。
5. 加熱エレメント（４）が、特にプラスチック、浸漬樹脂またはセラミックスから成る固定エレメント（３）によって位置固定されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の調量装置。
6. 加熱エレメント（４）および／または固定エレメント（３）が、特に耐熱性のプラスチックまたはセラミックスから成る断熱層（１２）によって少なくとも部分的に取り囲まれている、請求項１から５までのいずれか１項記載の調量装置。
7. 加熱エレメント（４）の加熱出力が、調整器によって、特に調量室内の温度に基づき調整されるようになっているかまたは別の運転パラメータに基づき制御されるかまたは調整されるようになっている、請求項１から６までのいずれか１項記載の調量装置。
8. 調量部分（２）が、燃料噴射弁として位置固定エレメント（１０）によってアダプタ（６）に解離可能に結合されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の調量装置。
9. 燃料噴射弁が低圧燃料噴射弁であり、該低圧燃料噴射弁が、最大１０ｂａｒの燃料圧で作業するようになっている、請求項８記載の調量装置。

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