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DE10229904A1 - Dosiereinrichtung - Google Patents

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DE10229904A1
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DE
Germany
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dosing device
metering
dosing
insulating body
fuel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10229904A
Other languages
English (en)
Inventor
Michael Nau
Marc Bareis
Frank Ilgner
Horst Harndorf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to PCT/DE2003/002088 priority patent/WO2004004889A1/de
Priority to JP2004518406A priority patent/JP4399361B2/ja
Priority to US10/520,217 priority patent/US7648084B2/en
Priority to EP03762416A priority patent/EP1651343A1/de
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Abstract

Eine Dosiereinrichtung (1) für Kraftstoffe, insbesondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff, weist eine Zumeßeinrichtung (2) zum Zumessen von Kraftstoff in eine Zuführungsleitung (12) auf, die an zumindest einer Dosieröffnung (7) in eine einen temperierten Stoffstrom transportierende Transportleitung (10) ausmündet. Eine Haltevorrichtung (13) zur Aufnahme der Zumeßeinrichtung (2) weist einen Isolierkörper (6) auf, welcher die Zumeßeinrichtung (2) von der den temperierten Stoffstrom transportierenden Transportleitung (10) thermisch isoliert.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einer Dosiereinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
  • Bei brennstoffzellengestützten Transportsystemen kommen zur Gewinnung des benötigten Wasserstoffs aus kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen sog. chemische Reformer zum Einsatz.
  • Alle vom Reformer zum Reaktionsablauf benötigten Stoffe wie z.B. Luft, Wasser und Kraftstoff werden idealerweise dem Reformer 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 dem Reformer zugeführt werden, 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.
  • 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 durch eine Zerstäubungseinrichtung in feinverteilter Form in den Reformer einzubringen, wobei, bei ausreichendem Wärmeangebot, der Verdampfungsprozeß durch die hohe Oberfläche des feinverteilten Kraftstoffs verbessert wird.
  • Beispielsweise sind aus der US 3,971,847 Vorrichtungen zur Reformierung von Kraftstoffen bekannt. Der Kraftstoff wird hierin von vom Reformer relativ weit entfernten Zumeßeinrichtungen über lange Zuführungsleitungen in einen temperierten Stoffstrom zugemessen und über eine Dosieröffnung am Ende der Zuführungsleitung in den Stoffstrom verteilt, welcher zum Ort des eigentlichen Reformierprozesses strömt.
  • Nachteilig bei den aus der obengenannten Druckschrift bekannten Vorrichtungen ist insbesondere, daß die langen Zuführungsleitungen zu Verzögerungen und Ungenauigkeiten im Zumessen von Kraftstoff führen, insbesondere bei starken Lastwechseln oder Warmstartphasen. Wird beispielsweise nach einer Stopphase, während der Kraftstoff durch die Temperatureinwirkung aus der Zuführungsleitung verdampft, die Kraftstoffzumessung wieder aufgenommen, so kommt es zu verzögerter Eindosierung von Kraftstoff in den temperierten Stoffstrom und zum Reformierungsprozeß durch das zunächst wieder aufzufüllende Totraumvolumen in der Zuführungsleitung. Das gleiche Problem ergibt sich bei besonders geringer Last. Im Weiteren stehen lange Zuführungsleitungen einer kompakten Bauweise entgegen, erhöhen die Fehleranfälligkeit und den Montageaufwand.
    •
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Dosiereinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die thermische Entkopplung der Zumeßeinrichtung von der den temperierten Stoffstrom transportierenden Transportleitung die Länge der Zuführungsleitung zwischen Zumeßeinrichtung und Dosieröffnung und damit das in ihr befindliche Totraumvolumen deutlich reduziert ist. Durch das deutlich reduzierte Totraumvolumen verbessert sich insbesondere das Warmstartverhalten, das Startverhalten nach längerem Stillstand und das Niedriglastverhalten der Dosiereinrichtung bzw. des Reformers deutlich.
  • Vorteilhaft ist außerdem, daß die Zumeßeinrichtung nahe der den temperierten Stoffstrom transportierenden Transportleitung angebracht werden kann und so eine kompakte, zuverlässige und kostengünstige Bauweise des Reformers möglich ist. Darüber hinaus müssen die Zumeßeinrichtungen keinen erhöhten Anforderung hinsichtlich Temperaturbelastbarkeit und Temperaturverhalten genügen und es können somit bereits bekannte, vielfach bewährte und verwendete Brennstoffeinspritzventile eingesetzt werden.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen der im Hauptanspruch angegebenen Dosiereinrichtung möglich.
  • Vorteilhafterweise wird als Zumeßeinrichtung ein Brennstoffeinspritzventil eingesetzt, wie es z.B. aus Hubkolbenmaschinen mit innerer Verbrennung bekannt ist. 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 regeln und der Dosierbereich ist deutlich größer. Darüber hinaus sind besagte Brennstoffeinspritzventile vielfach bewährte, in ihrem Verhalten bekannte, kostengünstige, gegenüber den verwendeten Kraftstoffen chemisch stabile und zuverlässige Bauteile, wobei dies im besonderen für sog. Niederdruckbrennstoffeinspritzventile zutrifft, die aufgrund der thermischen Entkopplung hier einsetzbar sind.
  • Von Vorteil ist außerdem, daß der Isolierkörper aus einem keramischen Material besteht, da keramische Werkstoffe besonders hitzebeständig sind und Wärme schlecht leiten. Besteht der Isolierkörper überdies aus mehreren Teilen, so wird z.B. seine Montage, insbesondere seine Demontage, wesentlich erleichtert. Umfaßt der Isolierkörper die Transportleitung ringförmig, so wird durch ihn eine formschlüssige Verbindung zur Transportleitung hergestellt.
  • Vorteilhafterweise wird der Isolierkörper durch eine Klammer, insbesondere einer Ringklammer, gefaßt und durch Befestigungselemente befestigt. Da keramische Materialien in der Regel schlecht zu bearbeiten und spröde sind, wird der Isolierkörper vorteilhafterweise mit einem nichtkeramischen, insbesondere einem metallischen Mantelteil wenigstens teilweise formschlüssig umgeben, um so andere Bauteile mit dem Isolierkörper kraftschlüssig verbinden zu können. Durch die Fassung des Isolierkörpers mit einer Klammer und die wenigstens teilweise Umfassung des Isolierkörpers durch das Mantelteil ist es möglich das Mantelteil wärmeisoliert von Klammer und Befestigungselement anzuordnen.
  • Vorteilhaft weitergebildet kann die erfindungsgemäße Dosiereinrichtung außerdem werden, indem der Haltesteg mit der Rufnahme, die das Brennstoffeinspritzventil aufnimmt, über eine lösbare Fügeverbindung beispielsweise eine Schraubverbindung verbunden wird. Dies hat einen positiven Einfluß auf die Montageeigenschaften und läßt überdies leicht zu, die Aufnahme gegen den Haltesteg zusätzlich gegen Wärme zu isolieren, beispielsweise durch nichtmetallische Unterlegscheiben. Durch eine flache Ausbildung der Haltestege wird bei guter mechanischer Stabilität ein verkleinerter wärmeleitender Querschnitt erzielt.
  • Wird die Dosieröffnung in etwa in der radialen Mitte der Transportleitung positioniert, so wird der eingebrachte Kraftstoff besonders gleichmäßig verteilt. Eine, besonders gute und feine Verteilung des Kraftstoffes kann auch durch mehrere Dosieröffnungen, insbesondere mehrere Dosieröffnungen mit unterschiedlichen Lochdurchmessern, erreicht werden, wobei diese auch radial zur Strömungsrichtung des temperierte Stoffstromes gerichtet sein können. Auch durch die Einbringung von Kraftstoff entgegen der Strömungsrichtung des temperierten Stoffstromes wird eine besonders vorteilhafte Verteilung des Kraftstoffs erzielt.
  • Vorteilhafterweise weist die Transportleitung in ihrem axialen Verlauf eine Querschnittsverengung auf. Dadurch kann sich der Kraftstoff mit dem Stoffstrom deutlich besser vermischen und durch den dadurch besseren Wärmeübergang auf den Kraftstoff kann er deutlich schneller verdampft werden.
  • Zur besseren Wärmeaufnahme aus dem Reformer kann die Zuführungsleitung mit Mitteln, beispielsweise Wärmefahnen, zur Verbesserung der Wärmeabsorption ausgestaltet werden. Vorteilhafterweise werden diese durch haltbare, stabile, hitzebeständige und gut wärmeübertragende Fügeverfahren an der Zuführungsleitung angebracht, beispielsweise durch Schweißen oder Löten.
  • Das Dosierrohr weist vorteilhafterweise eine Anzahl wandstärkereduzierter Stellen auf, die die Wärmeleitfähigkeit der Rohres herabsetzten, bzw. auch als Kühlkörper dienen können.
    •
  • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft beschrieben.
  • Ein in 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung 1 ist in der Form einer Dosiereinrichtung 1 für die Verwendung von Niederdruckbrennstoffeinspritzventilen ausgeführt. Die Dosiereinrichtung 1 eignet sich insbesondere zum Eintrag und zur Zerstäubung von Kraftstoff in einen nicht dargestellten chemischen Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff.
  • Die Dosiereinrichtung 1 besteht aus einer Haltevorrichtung 13, einer Zumeßeinrichtung 2, welche in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Niederdruckbrennstoffeinspritzventils ausgeführt ist, einer einen temperierten Stoffstrom transportierende rohrförmige Transportleitung 10 und einer Zuführungsleitung 12, die an einem in der Transportleitung 10 liegenden Ende in eine Dosieröffnung 7 mündet.
  • Die Haltevorrichtung 13 besteht im wesentlichen aus einer Aufnahme 3, welche zur Aufnahme des auslaßseitigen Teils der Zumeßeinrichtung 2 dient und an dieser durch ein Fixierelement 14 in Form einer einfachen Klammer fixiert ist, und einem Haltesteg 4 zur Verbindung und Beabstandung der Aufnahme 3 und der Zumeßeinrichtung 2 an/von einem Mantelteil 5, welches einen die Transportleitung 10 ringförmig umfassenden Isolierkörper 6 ringförmig umschließt. Eine nahe neben dem Mantelteil 5 ebenfalls ringförmig um die Transportleitung 10 verlaufende Klammer 8 fixiert die Isolierkörper 6, bzw. seine Einzelteile (im Ausführungsbeispiel zwei Halbschalen), um die Transportleitung 10. Die Klammer 8 ist dabei mittels Befestigungselementen 9 befestigt, die in diesem Ausführungsbeispiel als Schrauben ausgeführt sind und welche auf seitliche Erweiterungen der Klammer 8 drücken und somit die Isolierkörper 6 klemmen.
  • Die Aufnahme 3 nimmt mit einer der Transportleitung 10 abgewandten Ausnehmung den auslaßseitigen Teil der Zumeßeinrichtung 2 paßgenau auf. Durch die Passung und den Einsatz einer nicht dargestellten Dichtung im nicht dargestellten Bereich der nicht dargestellten Auslaßöffnung der Zumeßeinrichtung 2 wird die Auslaßöffnung dabei hermetisch dicht mit der Zuführungsleitung 12 verbunden, welche die der Transportleitung 10 zugewandten Seite der Rufnahme 3 durchgreift. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann auf stabile Fügeverbindungen zwischen Zumeßeinrichtung 2 und Aufnahme 3 verzichtet werden, da ein Niederdruckbrennstoffeinspritzventil verwendet wird, welches in der Regel mit Kraftstoffdrücken von lediglich bis zu ca. 10 bar beaufschlagt wird. Es müssen somit keine großen Kräfte bei der Abdichtung übertragen werden, beispielweise durch massive Schraubverbindungen. Alle druckbeaufschlagten Bauteile können so weniger stark bemessen werden und kostengünstiger hergestellt werden.
  • Zwei Haltestege sind an sich gegenüberliegenden Seiten an dem der Transportleitung 10 zugewandten unteren Bereich der Aufnahme 3 seitlich mittels durch die Haltestege 4 durchgreifenden und in Innengewinde der Aufnahme 3 eingreifenden Schrauben 15 befestigt. Zur thermischen Isolierung können hier zwischen Haltesteg 4 und Aufnahme 3 beispielsweise nichtmetallische Unterlegscheiben eingesetzt werden. Die Haltestege 4 setzten sich von dort aus bis zum Mantelteil 5 fort und sind dort durch eine Schweißverbindung am Mantelteil 5 fixiert, wobei in diesem Bereich die Haltestege 4 so geformt sind, daß sie der Form des Mantelteils 5 folgen und so eine größere Verbindungsfläche zwischen Haltestegen 4 und Mantelteil 5 erzielt wird.
  • Die Zuführungsleitung 12 verläuft von der Aufnahme 3 kommend, zwischen den beiden Haltestegen 4, rechtwinklig zur Transportleitung 10, durch eine im Mantelteil 5 länglich zur Transportleitung 10 verlaufende seitliche Aussparung, durch den Isolierkörper 6 und die Wandung der Transportleitung 10 hindurch bis zu der in diesem Ausführungsbeispiel zu einer Austrittsöffnung 11 der Transportleitung 10 gerichteten Dosieröffnung 7, wobei die Dosieröffnung 7 auch als Düse ausgebildet sein kann. Die Dosieröffnung 7 bringt den Kraftstoff in einen beispielsweise zwischen 400°C und 600°C temperierten Stoffstrom ein, der beispielsweise aus einem Gemisch von Luft und Wasserdampf besteht.

Claims (27)

  1. Dosiereinrichtung (1) für flüssige Kraftstoffe, insbesondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff, mit zumindest einer Zumeßeinrichtung (2) zum Zumessen von Kraftstoff in eine Zuführungsleitung (12), die an zumindest einer Dosieröffnung (7) in einen temperierten Stoffstrom ausmündet, gekennzeichnet durch, eine Haltevorrichtung (13) zur Aufnahme der Zumeßeinrichtung (2), die einen Isolierkörper (6) aufweist, welcher die Zumeßeinrichtung (2) von einem den temperierten Stoffstrom enthaltenen Element thermisch isoliert.
  2. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumeßeinrichtung (2) ein Brennstoffeinspritzventil ist.
  3. Dosiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffeinspritzventil ein Niederdruckbrennstoffeinspritzventil ist, welches mit Brenn- bzw. Kraftstoffdrücken von bis zu 10 bar arbeitet.
  4. Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (6) aus einem keramischen Material besteht.
  5. Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (6) aus mehreren Teilen besteht.
  6. Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den temperierten Stoffstrom enthaltene Element eine rohrförmige Transportleitung (10) ist.
  7. Dosiereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (6) die Transportleitung (10) ringförmig umfaßt.
  8. Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (6) durch eine Klammer (8) gefaßt ist.
  9. Dosiereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammer (8) eine Ringklammer ist.
  10. Dosiereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammer (8) durch ein oder mehrere Befestigungselemente (9) am Isolierkörper (6) befestigt ist.
  11. Dosiereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mantelteil (5) den Isolierkörper (6) mit einem Luftspalt wenigstens teilweise umgibt.
  12. Dosiereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelteil (5) aus einem nichtkeramischen Material besteht, insbesondere aus Metall.
  13. Dosiereinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelteil (5) weder Klammer (8) noch den Isolierkörper (6) berührt.
  14. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufnahme (3) über zumindest einen Haltesteg (4) an dem Mantelteil (5) befestigt ist.
  15. Dosiereinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltesteg (4) über eine lösbare Fügeverbindung, insbesondere einer Schraubverbindung mit der Aufnahme (3) verbunden ist.
  16. Dosiereinrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltesteg (4) durch eine Fügeverbindung, insbesondere durch Löten oder Schweißen, an dem Mantelteil (5) angebracht ist.
  17. Dosiereinrichtung nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Haltesteg (4) flach ausgebildet ist.
  18. Dosiereinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosieröffnung (7) in etwa an der queraxialen Mitte der Transportleitung (10) ausmündet.
  19. Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Dosieröffnungen (7) vorgesehen sind, die unterschiedliche Lochdurchmesser aufweisen.
  20. Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosieröffnung (7) gegen den temperierten Stoffstrom gerichtet ist.
  21. Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosieröffnung (7) radial zur Richtung des temperierten Stoffstroms gerichtet ist.
  22. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportleitung (10) im axialen Verlauf eine Querschnittsverengung aufweist.
  23. Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuführungsleitung (12) Mittel zur Verbesserung der Wärmeabsorption aufweist.
  24. Dosiereinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verbesserung der Wärmeabsorption Wärmefahnen sind.
  25. Dosiereinrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmefahnen durch Löten oder Schweißen an der Zuführungsleitung (12) befestigt sind.
  26. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 6, 7, 18 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dosierrohr zum axialen Verlauf der Transportleitung (10) rechtwinklig verläuft.
  27. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsleitung (12) in ihrem axialen Verlauf zumindest eine wandstärkereduzierte Stelle oder einen wandstärkereduzierten Bereich aufweist.
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