WO2004050257A1 - Beheizte dosiereinrichtung für den reformer einer brennstoffzellenanordnung - Google Patents

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WO2004050257A1
WO2004050257A1 PCT/DE2003/003072 DE0303072W WO2004050257A1 WO 2004050257 A1 WO2004050257 A1 WO 2004050257A1 DE 0303072 W DE0303072 W DE 0303072W WO 2004050257 A1 WO2004050257 A1 WO 2004050257A1
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metering device
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Frank Miller
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Robert Bosch Gmbh
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    • C01B2203/1217—Alcohols
    • C01B2203/1223—Methanol

Definitions

  • the invention is based on a metering device according to the preamble of the main claim.
  • chemical reformers are used to obtain the required hydrogen from hydrocarbon-containing fuels such as gasoline, ethanol or methanol.
  • Catalytic burners and / or afterburners are used to generate heat, particularly in cold start phases.
  • the chemical reformers Since the hydrogen is usually consumed immediately, the chemical reformers must be able to delay the production of hydrogen, e.g. to adapt to demand in the event of load changes or starting phases. Additional measures must be taken, especially in the cold start phase, since the reformer does not provide any waste heat. Conventional vaporizers are unable to produce the corresponding amounts of gaseous reactants without delay.
  • US 3,971,847 discloses devices for metering fuels into reformers.
  • the fuel is metered from metering devices, which are relatively distant from the reformer, via long feed lines and a simple nozzle into a temperature-controlled material flow.
  • the fuel first strikes 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 abovementioned publication is in particular that below the Operating temperature of the reformer, for example in a cold start phase, the atomization and evaporation of the Kraf material is insufficient. Due to the resulting relatively small reaction area between fuel and oxidant, the combustion or chemical reaction takes place slowly and mostly also incompletely. The efficiency drops significantly and the pollutant emissions increase disadvantageously. Incomplete combustion or an incomplete chemical reaction usually leads to the formation of aggressive chemical compounds which can damage the chemical reformer or the afterburner and to deposits which can impair the function. Operating conditions in which the operating temperature is not reached are prolonged by the insufficient atomization and the associated inadequate mixing or chemical reaction of fuel and oxidant.
  • the metering device according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the preheating by means of a heating element assigned to the metering device, the atomization and distribution of the fuel or the fuel-gas mixture is significantly improved.
  • the cold start phase can be significantly shortened and the efficiency of the catalytic burner or the afterburner or the chemical reformer can be significantly increased even during the cold start phase.
  • the pollutant emissions are significantly reduced.
  • Complex and therefore expensive devices for mixture preparation and spray preparation can be omitted.
  • An air compressor can also be dispensed with, for example.
  • the heating element consists of a mesh-like wire mesh, preferably made of metal or a hollow body made of electrically heatable material.
  • the electricity heat generated can be supplied in a particularly uniform, well-distributed and simple manner to the fuel or the respective element of the metering device, which in turn transfers heat to the fuel or the fuel-gas mixture.
  • Such a heating element can moreover be adapted particularly well to the respective geometric requirements, is inexpensive to manufacture, resistant, requires little energy and has only a small space requirement.
  • the heating element before or in commercially available swirl nozzles, before or in any atomization option for fuel cell technology such as reformers, afterburner, start burner etc. or in heating technology.
  • the metering line and the metering device are hydraulically sealed and detachably joined by an adapter. This increases the ease of installation.
  • the adapter connecting the metering line and the metering device has an air supply, the air supply in the adapter being connected to the metering line.
  • the mixture preparation can already be initiated in the feed line, the fuel measured in the feed line being mixed with air. This improves the atomization and mixture formation of fuel and air overall.
  • the heating element is advantageously electrically heated or operated. This makes it possible, among other things, to adapt the heating element particularly easily to a wide variety of geometric shapes, and the control or energy supply can also be carried out particularly easily and therefore inexpensively.
  • the heating element can supply heat to at least part of the metering line, the adapter, the nozzle body and / or the metering device. As a result, heat can be supplied to the fuel shortly before the mixture is formed with air or another gas or shortly before it is metered into the metering space. Because of the relatively short distances to the spray opening, little is possible
  • Heat supply can be flexibly dealt with by design specifications.
  • the heating element or the fastening element is at least partially surrounded by an insulating layer, in particular made of a plastic or ceramic.
  • an insulating layer in particular made of a plastic or ceramic.
  • a controller controls the heating element in terms of its heating power, in particular due to the fact that Measuring room prevailing temperature, regulated.
  • the regulation can also take place on the basis of other parameters of the reformer or the afterburner.
  • the regulation can also be a simple time control of the heating output. Overheating of the fuel or the fuel-gas mixture and the metering device is avoided by this development according to the invention and the energy requirement of the heating element is limited to a minimum.
  • a fuel injection valve is advantageously used as the metering device, as it is e.g. is used for reciprocating internal combustion engines.
  • the use of such valves has several advantages. They allow a particularly precise control or regulation of the fuel metering, the metering using several parameters, such as Duty cycle, clock frequency and possibly stroke length can be controlled.
  • the dependence on the pump pressure is far less pronounced than in metering devices which control the volume flow of the fuel via the line cross section and the metering range is significantly larger.
  • the fuel injectors are well-proven, well-known in their behavior, inexpensive, chemically stable and reliable components compared to the fuels used, this being particularly true for so-called low-pressure fuel injectors, which can be used well here due to the thermal decoupling through the metering line.
  • the supply line advantageously has a number of points with reduced wall thickness, which reduce the thermal conductivity of the supply line or can also serve as a heat sink.
  • heating element after the spray opening. This can, for example the fuel / gas mixtures of several metering devices are easily heated and thus atomized.
  • the metering device can be constructed particularly simply and easily adaptable to the respective requirements if the heating element is arranged in the nozzle body (7) and / or in the metering line and / or in the adapter (6) and / or in or on the metering device (2).
  • the multi-part construction of the dosing device enables cost-effective production and the use of standardized components.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a first exemplary embodiment of a metering device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of a second embodiment of an inventive
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a third exemplary embodiment of a metering device according to the invention in the region of the nozzle body
  • Fig. 4 is a schematic representation of a fourth embodiment of a metering device according to the invention in the region of the nozzle body and
  • Fig. 5 is a schematic representation of a fifth embodiment of a metering device according to the invention. Description of the embodiments
  • FIG. 1 An embodiment of a metering device 1 according to the invention shown in FIG. 1 is in the form of a metering device 1 for the use of low-pressure fuel injection valves.
  • the metering device 1 is particularly suitable for the entry and atomization of fuel or a fuel-gas mixture into a metering space, not shown, of a chemical reformer, not shown, for the production of hydrogen or an afterburner device or catalytic burner, not shown, for generating heat, the metering space can be designed as a hollow cylinder with a coated inner surface.
  • the metering device 1 consists of a metering device 2, which is designed in this embodiment as a low-pressure fuel injector, an electrical connection 5, an adapter 6 for receiving the metering device 2 and a tubular, for example 10 to 100 cm long metering line 8, an air supply 9 and a nozzle body 7.
  • the metering device 2 is tubular. Fuel is metered into the metering line 8 on the underside of the metering device 2, the adapter 6 hydraulically sealingly connecting the metering device 2 and the metering line 8 to the outside.
  • the tubular air supply 9 opens into the adapter 6 and is thus connected to the supply line 8.
  • the hollow cylindrical end of the nozzle body 7 facing the metering line 8 comprises the corresponding end of the metering line 8 and is connected there hydraulically tight to the metering line 8 via a joint connection, which can be a welded or screwed connection, in particular a joint connection produced by laser welding.
  • the Metering line 8 itself consists, for example, of a standardized, metal pipe made of stainless steel.
  • the nozzle body 7 has in its spherical segment-shaped or hemispherical shaped injection-side spherical part at least one spray openings 15 shown in FIGS. 3 and 5.
  • the metering line 8 has a grid-like heating element 4, preferably made of metal, in the form of a wire mesh.
  • the heating element 4 surrounds the metering line 8 circumferentially of the outside diameter of the metering line 8, the heating element 4 lying tightly against the metering line 8 and fixed by means of a fastening element 3 consisting of heat-resistant immersion resin in the form of an immersion resin layer on the metering line 8 and being thermally insulated from the outside.
  • An additional insulating layer 12 is arranged around the fastening element 3, which additionally insulates the heating element 4.
  • the insulating layer 12 consists, for example, of a heat-resistant plastic or a ceramic material. The insulating function can also be completely taken over by the fastening element 3.
  • An electrical connection 5 is connected to the side of the heating element 4 that faces the adapter 6 and is less thermally stressed and extends through the fastening element 3 and the insulating layer 12.
  • the electrical connection 5 is preferably arranged in a region of the metering line 8 which in operation does not reach a temperature of more than 80.degree.
  • this area lies in the so-called peripheral box, which is not shown.
  • a controller (not shown) regulates the current flowing through the heating element 4 and thus the thermal output of the heating element 4.
  • the thermal output is, for example, in Depends on the temperature in the metering space, not shown, or records the further operating parameters, such as the elapsed time since the start of the metering device 1 or, for example, the associated afterburner device, not shown, via a characteristic curve stored in the controller.
  • the metering device 2 is supplied with fuel, for example gasoline, ethanol or methanol, from a fuel pump and fuel line (not shown) under pressure via a fuel connection 13 located on the top of the metering device 2.
  • fuel for example gasoline, ethanol or methanol
  • the fuel flows down during operation of the metering device 1 and is measured into the feed line 8 in a known manner by opening and closing the sealing seat through the sealing seat (not shown) located in the lower end of the metering device 2.
  • Air or other gases for example combustible residual gases from a reforming or fuel cell process, can be supplied to the mixture preparation by means of the air supply 9 opening laterally near the metering device 2 via the adapter 6 into the supply line 8.
  • the fuel or the fuel-gas mixture flows through the feed line 8 to the nozzle body 7 and is metered in there through the spray openings 15 shown in FIGS. 3 and 5 into the metering space (not shown).
  • the fuel or the fuel-gas mixture is heated by the heating element 4, in particular at the beginning of a cold start phase. This significantly improves the atomization of the fuel.
  • the fuel is heated in particular until the fuel has completely evaporated.
  • DER fuel or the fuel-gas mixture is already so, for example, in a cold start phase 'on entry into the metering space, not shown all in the vapor hase.
  • the heating element 4 be supplied with electrical power, for example, when the motor vehicle is opened, climbed or started. This further shortens the cold start phase.
  • the heating element is operated until the operating temperature of the afterburner, not shown, the chemical reformer or the catalytic burner is reached.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the inventive dosing device 1 similar to the first embodiment.
  • the metering device 2 engages with its underside, in which a sealing seat (not shown) of the metering device 2 is arranged, in a through opening 14 of the adapter 6.
  • the metering device 2 which is designed as a fuel injection valve, is connected to the adapter 6 by a fixing element 10 releasably connected, wherein a sealing ring 11, which extends around the tubular underside of the metering device 2, seals the opening 14 between metering device 2 and adapter 6 hydraulically tight.
  • the metering line 8 is on the one hand hydraulically tightly connected to the side of the opening 14 facing away from the metering device 2 and on the other hand closed with the nozzle body 7.
  • the air supply 9 opens into the adapter 6 and is connected to the metering line 8 via the adapter 6.
  • the heating element 4 sits on the underside of the metering device 2, which runs inside the adapter 6.
  • the electrical connection 5 extends through the adapter 6 and contacts the heating element 4, which is designed as a wire mesh network.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a third exemplary embodiment of a metering device 1 according to the invention in the region of the nozzle body 7.
  • the nozzle body 7 is in this exemplary embodiment hollow cylindrical, one end is open and is hermetically sealed with the metering line 8. The other end is spherically closed and has a centrally arranged spray opening 15.
  • a swirl insert 16 is arranged within the nozzle body 7 and, with a smaller diameter, is adapted to the inner contours of the nozzle body 7.
  • a swirl channel 7 extends helically in the surface of the nozzle body 7.
  • the tubular heating element 4 consisting of a wire mesh network is arranged as an insert.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a fourth exemplary embodiment of a metering device 1 according to the invention in the region of the nozzle body 7, in contrast to the third exemplary embodiment from FIG. 3 the nozzle body 7 not being spherically closed at its end facing away from the metering line 8, but with a spray-perforated disk 18 , which has a plurality of spray openings 15, not shown.
  • An annular body 19 is arranged on the side of the orifice disk 18 facing the metering line 8, which reduces the clear width of the nozzle body 7 to the orifice disk 18.
  • the heating element 4 is arranged as an insert directly on the inner circumference of the annular body 19, the heating element 4 likewise consisting of a wire mesh network and being tubular.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a fifth exemplary embodiment of a metering device 1 according to the invention.
  • the heating element 4 is arranged after the spray openings 15 in that the metering line 8 extends laterally through the tubular heating element 4 in this exemplary embodiment.
  • the spray openings 15 open with the interposition of the heating element 4 in the metering space, not shown.

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Abstract

Eine Dosiereinrichtung (1) für flüssige Kraftstoffe, insbesondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff oder in eine Nachbrenneinrichtung zur Erzeugung von Wärme, weist zumindest eine Zumeßeinrichtung (2) zum Zumessen von Kraftstoff in eine Zumeßleitung (8) und einen sich an die Zumeßleitung (8) anschließenden Düsenkörper (7) mit Abspritzöffnungen, die in einen Zumeßraum ausmünden, auf, wobei die Dosiereinrichtung (1) zumindest ein Heizelement (4) aus einem maschenartig vernetzten Drahtgeflecht und/oder einem rohrförmigen Hohlkörper aufweist, mit welchem dem Kraftstoff Wärme zugeführt werden kann.

Description

Dosiereinrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Dosiereinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Bei brennstoffzellengestützten Transportsystemen kommen zur Gewinnung des benötigten Wasserstoffs aus kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen wie beispielsweise Benzin, Ethanol oder Methanol sog. chemische Reformer zum Einsatz. Zur Wärmeerzeugung, insbesondere in Kaltstartphasen, kommen katalytische Brenner und/oder Nachbrenneinrichtungen zum Einsatz.
Alle vom Reformer zum Reaktionsablauf benötigten Stoffe, wie z.B. Luft, Wasser und Kraftstoff, werden idealerweise dem Reaktionsbereich des Reformers 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 zum Reaktionsbereich des Reformers gelangen, 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. Ähnliches gilt für die katalytischen Brenner und Nachbrenneinrichtung.
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.
In Betriebszuständen in denen der Reformer bzw. die katalytischen Brenner und Nachbrenneinrichtung unterhalb der Betriebstemperatur arbeitet, ist es daher sinnvoll, dem Kraftstoff schon durch die Dosiereinrichtung Wärme zuzuführen. Dadurch wird der zugeführte Kraftstoff oder das zugeführte Kraftstoff-Gas-Gemisch reaktionsfreudiger, kann leichter und schneller verdampfen und sich vollständiger vermischen.
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 unterhalb der Betriebstemperatur des Reformers, beispielsweise in einer Kaltstartphase, die Zerstäubung und Verdampfung des Kraf stoffes nur unzureichend erfolgt . Durch die dabei entstehende relative geringe Reaktionsfläche zwischen Kraftstoff und Oxidant erfolgt die Verbrennung bzw. chemische Reaktion nur langsam und zumeist auch unvollständig. Der Wirkungsgrad sinkt dadurch deutlich und die Schadstoffemissionen steigen unvorteilhaft an. Unvollständige Verbrennung bzw. eine unvollständige chemische Reaktion führt meist zur Bildung von aggressiven chemischen Verbindungen, welche den chemischen Reformer bzw. die Nachbrenneinrichtung schädigen können und zu Ablagerungen, die die Funktion beeinträchtigen können. Betriebszustände, bei welchen die Betriebstemperatur nicht erreicht wird, verlängern sich durch die unzureichende Zerstäubung und die damit einhergehende unzureichende Vermischung bzw. chemischen Reaktion von Kraftstoff und Oxidant .
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Dosiereinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Vorwärmung mittels eines der Dosiereinrichtung zugeordneten Heizelements, die Zerstäubung und Verteilung des Kraftstoffes bzw. des Kraftstoff-Gas-Gemisches wesentlich verbessert wird. Dadurch kann beispielsweise die Kaltstartphase wesentlich verkürzt werden und schon während der Kaltstartphase der Wirkungsgrad des katalytischen Brenners oder der Nachbrenneinrichtung bzw. des chemischen Reformers deutlich gesteigert werden. Die Schadstoffemissionen sind dabei wesentlich reduziert. Aufwendige und damit teuere Vorrichtungen zur Gemischaufbereitung und Sprayaufbereitung können entfallen. Insbesondere kann bei gleicher oder besserer Zerstäubung auf eine energieintensive, aufwendig herzustellende und schlecht regelbare Luftunterstützung verzichtet werden, wodurch die Dosiereinrichtung weniger Energie benötigt, einfacher herzustellen ist und einfacher zu regeln ist. Außerdem kann beispielsweise auf einen Luftkompressor verzichtet werden.
Das Heizelement besteht aus einem maschenartigen Drahtgeflecht, vorzugsweise aus Metall oder einem Hohlkörper aus elektrisch aufheizbarem Material . Dadurch kann die erzeugte Stromwärme besonders gleichmäßig, gut verteilt und einfach, dem Kraftstoff bzw. dem jeweiligen Element der Dosiereinrichtung, welche wiederum Wärme an den Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Gas-Gemisch überträgt, zugeführt werden. Ein solches Heizelement läßt sich darüber hinaus besonders gut den jeweiligen geometrischen Anforderungen anpassen, ist kostengünstig in der Herstellung, widerstandsfest, benötigt wenig Energiezufuhr und weist nur einen geringen Raumbedarf auf. Insbesondere kann das Heizelement . vor oder in handelsüblichen Dralldüsen, vor oder in jede beliebige Zerstäubungsmöglichkeit für Brennstoffzellentechnik wie beispielsweise Reformer, Nachbrenner, Startbrenner usw. oder in der Heiztechnik eingesetzt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der - im Hauptanspruch angegebenen Dosiereinrichtung möglich.
In einer ersten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung, sind die Zumeßleitung und die Zumeßeinrichtung durch einen Adapter hydraulisch dicht und lösbar gefügt. Dadurch erhöht sich die Montagefreundlichkeit .
In einer weiteren Weiterbildung weist der die Zumeßleitung und die Zumeßeinrichtung verbindende Adapter eine Luf zuführung auf, wobei die Luftzuführung im Adapter mit der Zumeßleitung verbunden ist . Dadurch läßt sich bereits in der Zuführungsleitung die Gemischaufbereitung einleiten, wobei der in die Zuführungsleitung eingemessene Kraftstoff mit Luft gemischt wird. Die Zerstäubung und Gemischbildung von Kraftstoff und mit Luft wird dadurch insgesamt verbessert . Vorteilhafterweise wird das Heizelement elektrisch beheizt bzw. betrieben. Dadurch ist es unter Anderem möglich, das Heizelement besonders leicht unterschiedlichsten geometrischen Formen anzupassen, wobei auch die Ansteuerung bzw. Energieversorgung besonders einfach und daher kostengünstig erfolgen kann.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn daß Heizelement zumindest einem Teil der Zumeßleitung, des Adapters, des Düsenkörpers und/oder der Zumeßeinrichtung Wärme zuführen kann. Dadurch kann dem Kraftstoff kurz vor der Gemischbildung mit Luft, oder einem anderen Gas, bzw. kurz vor der Eindosierung in den Zumeßraum Wärme zugeführt werden. Durch die relativ kurzen Entfernungen zur Abspritzöffnung geht so nur wenig
Wärme verloren, welche von dem Heizelement erzeugt wird. Die
Dosierung der dem Kraftstoff bzw. dem Kraftstoff-Gas-Gemisch zugeführten Wärme, kann dadurch sehr genau, gut steuerbar und mit einem Mindestmaß an Energieaufwand erfolgen. Außerdem kann durch die unterschiedlichen Stellen der
Wärmezuführung flexibel auf konstruktive Vorgaben eingegangen werden.
Durch die Fixierung des Heizelementes mittels eines Befestigungselementes aus Kunststoff, Tauchharz oder Keramik kann auf die jeweils thermischen und mechanischen Anforderungen vorteilhaft einfach eingegangen werden.
Vorteilhaft ist zudem, wenn das Heizelement oder das Befestigungselement mit einer Isolierschicht, insbesondere aus einem Kunststoff oder aus Keramik, zumindest teilweise umgeben ist. Dadurch läßt sich der Energiebedarf des Heizelementes weiter senken und die Steuerbarkeit der WärmeZuführung durch das Heizelements weiter verbessern. Insbesondere wird die Zeitkonstante des Aufwärmvorgangs verkürzt .
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn ein Regler das Heizelement in seiner Heizleistung, insbesondere auf Grund der in dem Zumeßraum herrschenden Temperatur, reguliert. Die Regulierung kann auch auf Grund anderer Parameter des Reformers oder der Nachbrenneinrichtung erfolgen. Zudem kann die Regulierung auch eine einfache zeitliche Steuerung der Heizleistung sein. Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung wird eine Überhitzung des Kraftstoffes bzw. des Kraftstoff-Gas-Gemisches und der Dosiereinrichtung vermieden und der Energiebedarf des Heizelements auf ein Mindestmaß beschränkt .
Vorteilhafterweise wird als Zumeßeinrichtung ein Brennstoffeinspritzventil eingesetzt, wie es z.B. für Hubkolbenmaschinen mit innerer Verbrennung benutzt wird. Der Einsatz solcher Ventile hat mehrere Vorteile. So lassen sie eine besonders genaue Steuerung bzw. Regelung der Kraftstoffzumessung zu, wobei die Zumessung über mehrere Parameter, wie z.B. Tastverhältnis, Taktfrequenz und ggf. Hublänge, gesteuert werden kann. Dabei ist die Abhängigkeit vom Pumpendruck weit weniger ausgeprägt, als bei Zumeßeinrichtungen, die über den Leitungsquerschnitt den Volumenstrom des Kraftstoffs steuern und der Dosierbereich ist deutlich größer.
Darüber hinaus sind die Brennstoffeinspritzventile vielfach bewährte, in ihrem Verhalten bekannte, kostengünstige, gegenüber den verwendeten Kraftstoffen chemisch stabile und zuverlässige Bauteile, wobei dies im besonderen für sog. Niederdruck-Brennstoffeinspritzventile zutrifft, die aufgrund der thermischen Entkopplung durch die Zumeßleitung hier gut einsetzbar sind.
Die Zuführungsleitung weist vorteilhafterweise eine Anzahl wandstärkereduzierter Stellen auf, die die Wärmeleitfähigkeit der Zuführungsleitung herabsetzten bzw. auch als Kühlkörper dienen können.
Vorteilhaft ist zudem, das Heizelement nach der Abspritzöffnung anzuordnen. Dadurch können beispielsweise die Brennstoff-/Gasgemische mehrerer Dosiereinrichtungen in einfache Weise aufgeheizt und damit zerstäubt werden.
Besonders einfach und dem jeweiligen Anforderungen leicht anpaßbar kann die Dosiereinrichtung konstruiert werden, wenn das Heizelement im Düsenkörper (7) und/oder in der Zumeßleitung und/oder im Adapter (6) und/oder im oder auf der Zumeßeinrichtung (2) angeordnet wird.
Durch den mehrteiligen Aufbau der Dosiereinrichtung ist eine kostengünstige Herstellung und der Einsatz von standardisierten Bauteilen möglich.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Dosiereinrichtung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung im Bereich des Düsenkörpers,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung im Bereich des Düsenkörpers und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung . Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft beschrieben.
Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung 1 ist in der Form einer Dosiereinrichtung 1 für die Verwendung von Niederdruck- Brennstoffeinspritzventilen ausgeführt. Die Dosiereinrichtung 1 eignet sich insbesondere zum Eintrag und zur Zerstäubung von Kraftstoff bzw. eines Kraftstoff -Gas- Gemisches in einen nicht dargestellten Zumeßraum eines nicht weiter dargestellten chemischen Reformers zur Gewinnung von Wasserstoff oder einer nicht weiter dargestellten Nachbrenneinrichtung oder katalytischen Brenners zur Erzeugung von Wärme, wobei der Zumeßraum als HohlzylInder mit einer beschichteten Innenfläche ausgestaltet sein kann.
Die Dosiereinrichtung 1 besteht aus einer Zumeßeinrichtung 2, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Niederdruck- Brennstoffeinspritzventil ausgeführt ist, einem elektrischen Anschluß 5, einem Adapter 6 zur Aufnahme der Zumeßeinrichtung 2 und einer rohrförmigen, beispielsweise 10 bis 100 cm langen Zumeßleitung 8, einer Luftzuführung 9 und einem Düsenkörper 7. Die Zumeßeinrichtung 2 ist rohrförmig. An der Unterseite der Zumeßeinrichtung 2 erfolgt die Zumessung von Kraftstoff in die Zumeßleitung 8, wobei der Adapter 6 die Zumeßeinrichtung 2 und die Zumeßleitung 8 nach außen hydraulisch dicht miteinander verbindet. Die rohrförmige LuftZuführung 9 mündet in den Adapter 6 und steht so mit der Zuführungsleitung 8 in Verbindung.
Das der Zumeßleitung 8 zugewandte hohlzylindrisch geformte Ende des Düsenkörpers 7 umfaßt das entsprechende Ende der Zumeßleitung 8 und ist dort über eine Fügeverbindung, die eine Schweiß- oder Schraubverbindung, insbesondere eine durch Laserschweißen hergestellte Fügeverbindung, sein kann hydraulisch dicht mit der Zumeßleitung 8 verbunden. Die Zumeßleitung 8 selbst besteht beispielsweise aus einem standardisierten, aus Edelstahl bestehenden, Metallrohr.
Der Düsenkörper 7 weist in seinem kugelsegmentförmig bzw. halbkugelförmig geformten abspritzseitigen sphärischen Teil zumindest eine in Fig. 3 und 5 dargestellte Abspritzöffnungen 15 auf.
Über einen Teil seines axialen Verlaufs weist die Zumeßleitung 8 ein vorzugsweise aus Metall bestehendes gitterartiges Heizelement 4 in Form eines Drahtgeflechts auf. Das Heizelement 4 umschließt die Zumeßleitung 8 umfänglich des Außendurchmessers der Zumeßleitung 8, wobei das Heizelement 4 dicht an der Zumeßleitung 8 anliegt und mittels eines aus hitzebeständigem Tauchharz bestehenden Befestigungselements 3 in Form einer Tauchharzschicht auf der Zumeßleitung 8 fixiert und nach außen hin wärmeisoliert ist . Um das Befestigungselement 3 ist eine zusätzliche Isolierschicht 12 angeordnet, welche das Heizelement 4 zusätzlich wärmeisoliert . Die Isolierschicht 12 besteht beispielsweise aus einem hitzebeständigen Kunststoff oder einem keramischen Material. Die Isolierfunktion kann auch vollständig von dem Befestigungselement 3 übernommen sein.
Ein elektrischer Anschluß 5 ist an der dem Adapter 6 zugewandten, weniger thermisch belasteten Seite des Heizelements 4 angeschlossen und greift durch das Befestigungselement 3 und die Isolierschicht 12 hindurch. Der elektrische Anschluß 5 ist vorzugsweise in einem Bereich der Zumeßleitung 8 angeordnet, der im Betrieb eine Temperatur von nicht mehr als 80 °C erreicht. Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung 1 in einem nicht dargestellten chemischen Reformer für Brennstoffzellenfahrzeuge liegt dieser Bereich in der sog. Peripheriebox, welche nicht dargestellt ist.
Ein nicht dargestellter Regler reguliert den durch das Heizelement 4 fließenden Strom und damit die Wärmeleistung des Heizelements 4. Die Wärmeleistung wird beispielsweise in Abhängigkeit der Temperatur im nicht dargestellten Zumeßraum reguliert oder über eine in dem Regler abgelegte Kennlinie die weiteren Betriebsparameter, wie z.B. die abgelaufene Zeit seit dem Start der Dosiereinrichtung 1 oder beispielsweise der zugehörigen nicht dargestellten Nachbrenneinrichtung, erfasst.
Der Zumeßeinrichtung 2 wird über einen an der Oberseite der Zumeßeinrichtung 2 liegenden Kraftstoffanschluß 13 Kraftstoff, beispielsweise Benzin, Ethanol oder Methanol, von einer nicht dargestellten Kraftstoffpumpe und Kraftstoffleitung druckbehaftet zugeführt. Der Kraftstoff strömt bei Betrieb der Dosiereinrichtung 1 nach unten und wird durch den im unteren Ende der Zumeßeinrichtung 2 liegenden, nicht dargestellten Dichtsitz in bekannter Weise durch Öffnen und Schließen des Dichtsitzes in die Zuführungsleitung 8 eingemessen.
Durch die seitlich nahe der Zumeßeinrichtung 2 über den Adapter 6 in die Zuführungsleitung 8 mündende Luftzuführung 9 können zur Gemischaufbereitung Luft oder andere Gase, beispielsweise brennbare Restgase aus einem Reformierungs- oder Brennstoffzellenprozeß, zugeführt werden. Im weiteren Verlauf strömt der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Gas- Gemisch durch die Zuführungsleitung 8 zum Düsenkörper 7 und wird dort durch die in Fig. 3 und 5 dargestellten Abspritzöffnungen 15 in den nicht dargestellten Zumeßraum eindosiert .
In der Zuführungsleitung 8 wird der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Gas-Gemisch insbesondere zu Beginn einer Kaltstartphase durch das Heizelement 4 erwärmt. Dadurch verbessert sich die Zerstäubung des Kraftstoffes deutlich. Der Kraftstoff wird dabei insbesondere solange erwärmt, bis der Kraftstoff vollständig verdampft ist. Der- Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Gas-Gemisch befindet sich so schon beispielsweise in einer Kaltstartphase ' bei Eintritt in den nicht dargestellten Zumeßraum vollständig in der Dampf hase. Insbesondere bei einem Kraftfahrzeug kann das Heizelement 4 beispielsweise schon bei Öffnen, Besteigen oder Starten des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Leistung versorgt werden. Die Kaltstartphase wird dadurch weiterhin verkürzt.
Das Heizelement wird solange betrieben, bis die Betriebstemperatur der nicht dargestellten Nachbrenneinrichtung, des chemischen Reformers oder des katalytischen Brenners erreicht ist.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der er indungsgemäßen Dosiereinrichtung 1 ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel .
Die Zumeßeinrichtung 2 greift beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 mit seiner Unterseite, in dem ein nicht dargestellter Dichtsitz der Zumeßeinrichtung 2 angeordnet ist, in eine durchgängige Öffnung 14 des Adapters 6. Die als Brennstoffeinspritzventil ausgebildete Zumeßeinrichtung 2 wird durch ein Fixierelement 10 mit dem Adapter 6 lösbar verbunden, wobei ein Dichtring 11, welcher um die rohrförmige Unterseite der Zumeßeinrichtung 2 verläuft, die Öffnung 14 zwischen Zumeßeinrichtung 2 und Adapter 6 hydraulisch dicht abdichtet. Die Zumeßleitung 8 ist einerseits mit der der Zumeßeinrichtung 2 abgewandten Seite der Öffnung 14 hydraulisch dicht verbunden und anderseits mit dem Düsenkörper 7 abgeschlossen. Die Luftzuführung 9 mündet in den Adapter 6 und ist mit der Zumeßleitung 8 über den Adapter 6 verbunden.
Das Heizelement 4 sitzt auf der Unterseite der Zumeßeinrichtung 2, welche innerhalb des Adapters 6 verläuft. Der elektrische Anschluß 5 greift durch den Adapter 6 hindurch und kontaktiert das als Drahtmaschennetz ausgebildete Heizelement 4.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung 1 im Bereich des Düsenkörpers 7. Der Düsenkörper 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel hohlzylinderförmig ausgebildet, wobei ein Ende offen ist und mit der Zumeßleitung 8 hermetisch dicht abgeschlossen ist. Das andere Ende ist sphärisch abgeschlossen und weist eine zentrisc angeordnete Abspritzöffnung 15 auf.
Innerhalb des Düsenkörpers 7 ist ein - Dralleinsatz 16 angeordneten, der, mit kleinerem Durchmesser, den Innenkonturen des Düsenkörpers 7 angepaßt ist. Ein Drallkanal 7 verläuft wendeiförmig in der Oberfläche des Düsenkörpers 7. Zwischen dem Innenumfang des Düsenkörpers 7 und dem Dralleinsatz 16 ist das rohrförmige, aus einem Drahtmaschennetz bestehende Heizelement 4 als Einsatz angeordnet .
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung 1 im Bereich des Düsenkörpers 7, wobei im Unterschied zum dritten Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 der Düsenkörpers 7 an seinem der Zumeßleitung 8 abgewandten Ende nicht sphärisch abgeschlossen ist, sondern mit einer Spritzlochscheibe 18, die mehrere, nicht näher dargestellte Abspritzöffnungen 15 aufweist. Auf der der Zumeßleitung 8 zugewandten Seite der Spritzlochscheibe 18 ist ein Ringkörper 19 angeordneten, welche die lichte Weite des Düsenkörpers 7 zur Spritzlochscheibe 18 verkleinert. Unmittelbar am Innenumfang des Ringkörpers 19 ist das Heizelement 4 als Einsatz angeordnet, wobei hier das Heizelement 4 ebenfalls aus einem Drahtmaschennetz besteht und rohrförmigen ausgebildet ist.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung 1. Das Heizelement 4 ist dabei nach den Abspritzöffnungen 15 angeordnet, indem die Zumeßleitung 8 seitlich das in diesem Ausführungsbeispiel rohrförmige Heizelement 4 durchgreift. Die Abspritzöffnungen 15 münden unter Zwischenschaltung des Heizelements 4 in den nicht dargestellten Zumeßraum.

Claims

Ansprüche
1. Dosiereinrichtung (1) für flüssige Kraftstoffe, insbesondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff oder in eine Nachbrenneinrichtung zur Erzeugung von Wärme, mit zumindest einer Zumeßeinrichtung (2) zum Zumessen von Kraftstoff in eine Zumeßleitung (8) und mit einem sich an die Zumeßleitung (8) anschließenden Düsenkörper (7) , der zumindest eine Abspritzöffnung aufweist, die in einen Zumeßraum ausmündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung (1) zumindest ein Heizelement (4) aus einem maschenartig vernetzten Drahtgeflecht und/oder einen rohrförmigen Hohlkörper aufweist, mit welchem dem Kraftstoff Wärme zugeführt werden kann.
2. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumeßleitung (8) und die Zumeßeinrichtung (2) durch einen Adapter (6) hydraulisch dicht und lösbar gefügt sind.
3. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Adapter (6) eine LuftZuführung (9) aufweist die im Adapter (6) mit der Zumeßleitung (8) in Verbindung steht.
4. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) elektrisch betrieben bzw. beheizt wird.
5. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) zumindest einem Teil der Zumeßleitung (8) und/oder des Adapters (6) und/oder der Zumeßeinrichtung (2) und/oder dem Düsenkörper (7) Wärme zuführen kann.
6. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) mittels eines Befestigungselements (3) insbesondere aus Kunststoff, Tauchharz oder Keramik fixiert ist .
7. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) und/oder das Befestigungselement (3) mit einer Isolierschicht (12) , insbesondere aus einem temperaturbeständigem Kunststoff oder aus Keramik, zumindest teilweise umgeben ist.
8. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) durch einen Regler in seiner Heizleistung, insbesondere auf Grund der Temperatur im Zumeßraum, geregelt wird, oder aufgrund anderer Betriebsparameter gesteuert oder geregelt wird.
9. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumeßeinrichtung (2) ein Brennstoffeinspritzventil ist .
10. Dosiereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffeinspritzventil ein Niederdruck- Brennstoffeinspritzventil ist, welches mit Brenn- bzw. Kraftstoffdrücken von bis zu 10 bar arbeitet.
11. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die "Zumeßleitung (8) in ihrem axialen Verlauf zumindest eine wandstärkereduzierte Stelle oder einen wandstärkereduzierten Bereich aufweist.
12. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) nach der Abspritzöffnung (15) angeordnet ist .
13. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) im Düsenkörper (7) und/oder in der Zumeßleitung und/oder im Adapter (6) und/oder in oder auf der Zumeßeinrichtung (2) angeordnet ist.
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