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DE102007004799A1 - Dosiereinrichtung - Google Patents

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DE102007004799A1
DE102007004799A1 DE102007004799A DE102007004799A DE102007004799A1 DE 102007004799 A1 DE102007004799 A1 DE 102007004799A1 DE 102007004799 A DE102007004799 A DE 102007004799A DE 102007004799 A DE102007004799 A DE 102007004799A DE 102007004799 A1 DE102007004799 A1 DE 102007004799A1
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DE
Germany
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metering
valve
fuel
dosing device
metering device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102007004799A
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English (en)
Inventor
Frank Miller
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Priority to AU2007345409A priority patent/AU2007345409A1/en
Priority to RU2009132608/05A priority patent/RU2009132608A/ru
Priority to CNA2007800507673A priority patent/CN101600495A/zh
Priority to JP2009547554A priority patent/JP2010516947A/ja
Priority to EP07848072A priority patent/EP2117695A1/de
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Abstract

Die Erfindung betrifft 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. Die Dosiereinrichtung (1) hat zumindest eine Zumesseinrichtung (2) zum Zumessen von Kraftstoff in eine Zumessleitung (8) und eine sich an die Zumessleitung (8) anschließende Aufbereitungseinheit (7), die den Kraftstoff in einen Zumessraum abgibt. Die Aufbereitungseinheit (7) ist als rein mechanisches Ventil (11) ausgeführt, das mit einer Frequenz von ca. 1500 Hz öffnet und schließt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Dosiereinrichtung nach der Gattung des Anspruchs 1.
  • 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 Nachbrenneinrichtungen zum Einsatz.
  • Alle vom Reformer zum Reaktionsablauf benötigten Stoffe, wie z. B. Luft, Wasser und Kraftstoff, werden dem Reaktionsbereich idealerweise in gasförmigem oder zumindest zerstäubtem 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, aufbereitet werden. Dies erfordert beispielsweise eine Dosiereinrichtung, welche in der Lage ist, die entsprechenden Mengen Kraftstoff oder anderer Stoffe fein zerstäubt zur Verfügung zu stellen.
  • Die für die chemische Reaktion, in welcher beispielsweise der Kraftstoff unter anderem zu Wasserstoff reformiert wird, notwendige Temperatur wird durch sogenannte Katbrenner oder Nachbrenneinrichtungen 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 Kraftstofftröpfchen, welche auf die katalytische Schicht auftreffen, abhängig. Je kleiner die Tröpfchengröße ist und je gleichmäßiger die katalytische Schicht mit den Kraftstofftröpfchen 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 Kraftstofftröpfchen 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.
  • 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.
  • Es ist daher sinnvoll, den Kraftstoff gut aufbereitet durch eine Dosiereinrichtung in feinverteilter Form und/oder gut platziert an Orte und Flächen zu verteilen, an denen die Kraftstoffe gut verdampfen können, beispielsweise in den Reaktionsraum oder die Vormischkammer eines Reformers oder katalytischen Brenners, die Innenflächen eines zylindrischen Brennraums oder die inneren Mantelflächen eines Katbrenners. Darüber hinaus ist es sinnvoll, die Kraftstoffwolke hinsichtlich ihrer geometrischen Form, ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit und Drallausbildung dem Brennraum und den darin vorherrschenden Bedingungen anpassen zu können.
  • Aus der DE 102 51 697 A1 ist bereits eine Dosiereinrichtung für flüssige Kraftstoffe, insbesondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff oder in eine Nachbrenneinrichtung zur Erzeugung von Wärme bekannt. Die Dosiereinrichtung hat zumindest eine Zumesseinrichtung in Form eines Brennstoffeinspritzventils zum Zumessen von Kraftstoff in eine Zumessleitung und einen sich an die Zumessleitung anschließenden Düsenkörper mit zumindest einer Abspritzöffnung, welche in einen Zumessraum ausmündet. An dem Düsenkörper der Dosiereinrichtung ist stromabwärtig ein Trägerelement befestigt, der ein die Abspritzöffnungen beinhaltendes Bauteil sowie einen stromaufwärts angeordneten Dralleinsatz beinhaltet.
  • Des weiteren ist auch bereits aus der DE 102 51 699 A1 eine Dosiereinrichtung für flüssige Kraftstoffe, insbesondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff oder in eine Nachbrenneinrichtung zur Erzeugung von Wärme bekannt. Die Dosiereinrichtung hat zumindest eine Zumesseinrichtung in Form eines Brennstoffeinspritzventils zum Zumessen von Kraftstoff in eine Zumessleitung und einen sich an die Zumessleitung anschließenden Düsenkörper mit zumindest einer Abspritzöffnung, welche in einen Zumessraum ausmündet. Der Düsenkörper der Dosiereinrichtung ist derart ausgestaltet, dass an ihm ein scheibenförmiger Spritzlocheinsatz vorgesehen ist, in dem die wenigstens eine Abspritzöffnung ausgeformt ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Dosiereinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Zerstäubung und Verteilung des Kraftstoffes bzw. des Kraftstoff-Gas-Gemisches wesentlich verbessert wird. Insbesondere kann die Dosiereinrichtung bei besonders hohen Umgebungstemperaturen problemlos eingesetzt werden. Die Dosiereinrichtung kann insofern insbesondere bei Brennstoffzellen (Katalysatoren), bei der Abgasnachbehandlung oder der Regeneration von Partikelfiltern eingesetzt werden, da bei diesen Anwendungen Temperaturen von bis zu 700°C erreicht werden, die in vorteilhafter Weise durch die Dosiereinrichtung vertragen werden. Die erfindungsgemäße Dosiereinrichtung lässt sich sehr einfach, zuverlässig und damit kostengünstig herstellen. Außerdem können standardisierte serienmäßig gefertigte Bauteile verwendet werden. Insbesondere besitzt das als Aufbereitungseinheit verwendete rein mechanische Ventil einen sehr einfachen Aufbau und ist besonders einfach an der Dosiereinrichtung integrierbar.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Dosiereinrichtung möglich.
  • Vorteilhafterweise 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 Luftzuführung auf, wobei die Luftzuführung im Adapter mit der Zumessleitung verbunden ist. Dadurch lässt sich bereits in der Zumessleitung die Gemischaufbereitung einleiten, wobei der in die Zumessleitung eingemessene Kraftstoff und/oder das eingemessene Gas mit Luft gemischt wird. Die Zerstäubung und Gemischbildung von Kraftstoff und/oder dem eingemessenen Gas mit Luft wird dadurch insgesamt verbessert. Darüber hinaus kann durch die Luftzuführung die Zumessleitung von unerwünschten Kraftstoff- bzw. Gasresten befreit werden, indem diese beispielsweise mit Luft durch die Luftzuführung, vor beispielsweise einer Stopp- oder Leerlaufphase, ausgeblasen werden. Dadurch lässt sich eine unkontrollierte Abgabe von Kraftstoff in den Zumessraum oder die Umwelt verhindern.
  • 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 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 Zumessleitung weist vorteilhafterweise eine Anzahl wandstärkereduzierter Stellen auf, die die Wärmeleitfähigkeit der Zumessleitung herabsetzten bzw. auch als Kühlkörper dienen können.
  • 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:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung und
  • 2 eine Darstellung einer Aufbereitungseinheit am stromabwärtigen Ende der Dosiereinrichtung.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Ein in 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 zur Erzeugung von Wärme. Grundsätzlich ist jedoch eine derartige Dosiereinrichtung 1 besonders für die Dosierung von Kraftstoffen in heiße Umgebungen geeignet. Während bekannte Einspritzventile für die Dosierung von Medien, wie Benzin, Dieselkraftstoff, Ethanol, Methanol, Harnstoff-Wasser-Lösungen usw. für Umgebungstemperaturen von etwa 150°C konzipiert sind, kann die erfindungsgemäße Dosiereinrichtung 1 neben der bereits erwähnten Anwendung bei Brennstoffzellen auch bei der Abgasnachbehandlung oder der Regeneration von Partikelfiltern eingesetzt werden, da bei diesen Anwendungen Temperaturen von bis zu 700°C erreicht werden, die in vorteilhafter Weise durch die Dosiereinrichtung 1 vertragen werden.
  • Die Dosiereinrichtung 1 besteht aus einer Zumesseinrichtung 2, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Niederdruck-Brennstoffeinspritzventil ausgeführt ist, einem Adapter 6 zur Aufnahme der Zumesseinrichtung 2 und einer rohrförmigen, beispielsweise 10 bis 100 cm langen Zumessleitung 8, einer Luftzuführung 9, die optional am Adapter 6 vorgesehen sein kann, und einer Aufbereitungseinheit 7. Die Zumesseinrichtung 2 ist in der klassischen Einspritzventil-Bauweise ausgeführt und weist an ihrer Zuströmseite einen Kraftstoffanschluss 13 auf. Zur Erregung des z. B. elektromagnetisch betriebenen Aktuators weist die Zumesseinrichtung 2 einen elektrischen Anschluss 5 auf. Am stromabwärtigen Ende der Zumesseinrichtung 2 erfolgt die Zumessung von Kraftstoff oder eines Kraftstoff-Gas-Gemisches in die Zumessleitung 8, wobei der Adapter 6 die Zumesseinrichtung 2 und die Zumessleitung 8 nach außen hydraulisch dicht miteinander verbindet. Die Luftzuführung 9 mündet in den Adapter 6 und steht so mit der Zumessleitung 8 in Verbindung.
  • Mit der Zumessleitung 8 ist die Aufbereitungseinheit 7 hydraulisch dicht verbunden. Die Zumessleitung 8 selbst besteht beispielsweise aus einem standardisierten, aus Edelstahl bestehenden Metallrohr. Die Zumessleitung 8 kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein, wobei bei einer mehrteiligen Ausführung der Zumessleitung 8 hydraulisch dichte Verbindungselemente verwendet werden.
  • Der Kraftstoff strömt bei Betrieb der Dosiereinrichtung 1 durch die Zumesseinrichtung 2 und wird in bekannter Weise durch Öffnen und Schließen eines Dichtsitzes in die Zumessleitung 8 eingemessen. Durch die über den Adapter 6 in die Zumessleitung 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 Zumessleitung 8 zur Aufbereitungseinheit 7, von wo aus er in einen nicht dargestellten Zumessraum eindosiert wird. Durch die Luftzuführung 9 kann außerdem Luft zur kontrollierten Entleerung der Zumessleitung 8, beispielsweise kurz vor einer Leerlauf- oder Stoppphase, zugeführt werden.
  • Durch die Zumessleitung 8 wird die Zumesseinrichtung 2, insbesondere der gegenüber hohen Temperaturen und großen Temperaturschwankungen empfindliche nicht dargestellte Dichtsitz der Zumesseinrichtung 2, thermisch von den Temperaturen im nicht dargestellten Zumessraum, welche beispielsweise 500°C betragen, entkoppelt. Die Länge, das Material und die Form der Zumessleitung 8 werden insbesondere entsprechend den thermischen und räumlichen Gegebenheiten gewählt. Vorzugsweise kann die Zumessleitung 8 auch wandstärkereduzierte Stellen aufweisen, welche zur thermischen Isolierung beitragen oder als Kühlkörper wirken können.
  • 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Aufbereitungseinheit 7, die am stromabwärtigen Ende der Dosiereinrichtung 1 vorgesehen ist. Die Aufbereitungseinheit 7 ist dabei als rein mechanisches Ventil 11 ausgeführt. In der Aufbereitungseinheit 7 kann optional ein Filtersieb 10 eingebaut sein. Das stromabwärtige Ende der Aufbereitungseinheit 7 wird von dem eigentlichen Ventil 11 gebildet, das einen Ventilzapfen 14 und eine Rückstellfeder 15 umfasst. Der Ventilzapfen 14 weist an seinem stromaufwärtigen Ende eine Krageneinrichtung 18 auf, an der sich die Rückstellfeder 15 abstützen kann, während am stromabwärtigen Ende des Ventilzapfens 14 ein Ventilteller 16 vorgesehen ist. Der Ventilteller 16 des Ventilzapfens 14 wirkt mit einem kegelstumpfförmig ausgebildeten Ventilsitz 17 zu einem Dichtsitz zusammen. Da es sich bei dem mechanischen Ventil 11 um ein nach außen öffnendes Ventil handelt, liegt aufgrund der Federkraft der Rückstellfeder 15 im drucklosen Zustand der Aufbereitungseinheit 7 der Ventilteller 16 an dem Ventilsitz 17 an.
  • Das Ventil 11 öffnet selbsttätig z. B. bei einem Überdruck von etwa 3,6 bar und hat dabei keine Zumessfunktion, die bereits von der Zumesseinrichtung 2 übernommen wird. Das Ventil 11 öffnet und schließt mit einer Frequenz von ca. 1500 Hz, weshalb auch von einem „Schnarren" des Ventils 11 gesprochen werden kann, und bewirkt eine sehr gute Aufbereitung und Zerstäubung des Kraftstoffs, der in Sprays mit feinsten Tröpfchen abgegeben wird. Die Zerstäubungsgüte wird durch die mögliche Luftunterstützung noch verbessert.
  • Um die thermische Belastung der Aufbereitungseinheit 7 zu reduzieren, kann die Aufbereitungseinheit 7 noch zusätzlich in eine Aufnahme, die mit Kühlrippen versehen ist, eingebracht werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10251697 A1 [0008]
    • - DE 10251699 A1 [0009]

Claims (11)

  1. Dosiereinrichtung (1) für flüssige Kraftstoffe, insbesondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer, in eine Nachbrenneinrichtung zur Erzeugung von Wärme, in einen Abgasstrang oder einen Partikelfilter, mit zumindest einer Zumesseinrichtung (2) zum Zumessen von Kraftstoff in eine Zumessleitung (8) und mit einer sich an die Zumessleitung (8) anschließenden Aufbereitungseinheit (7), die den Kraftstoff in einen Zumessraum abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinheit (7) als rein mechanisches Ventil (11) ausgeführt ist.
  2. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (11) als nach außen öffnendes Ventil (11) ausgebildet ist.
  3. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (11) einen Ventilzapfen (14) und eine Rückstellfeder (15) umfasst.
  4. Dosiereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilzapfen (14) eine Krageneinrichtung (18) besitzt, an der sich die Rückstellfeder (15) abstützt.
  5. Dosiereinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilzapfen (14) einen Ventilteller (16) besitzt, der mit einem Ventilsitz (17) zusammenwirkt.
  6. Dosiereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (11) mit einer Frequenz von ca. 1500 Hz öffnet und schließt.
  7. Dosiereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufbereitungseinheit (7) ein Filtersieb (10) eingebaut ist.
  8. Dosiereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinheit (7) in eine Aufnahme, die mit Kühlrippen versehen ist, eingebracht ist.
  9. Dosiereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumessleitung (8) und die Zumesseinrichtung (2) durch einen Adapter (6) hydraulisch dicht und lösbar gefügt sind.
  10. Dosiereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (6) eine Luftzuführung (9) aufweist, die im Adapter (6) mit der Zumessleitung (8) in Verbindung steht.
  11. Dosiereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumesseinrichtung (2) ein Brennstoffeinspritzventil ist.
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