| Dokumentenidentifikation |
DE10251869A1 09.06.2004 |
| Titel |
Zerstäubungsanordnung |
| Anmelder |
Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE |
| Erfinder |
Miller, Frank, 74360 Ilsfeld, DE; Albrodt, Hartmut, 71732 Tamm, DE |
| Vertreter |
Mitscherlich & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 80331 München |
| DE-Anmeldedatum |
07.11.2002 |
| DE-Aktenzeichen |
10251869 |
| Offenlegungstag |
09.06.2004 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
09.06.2004 |
| IPC-Hauptklasse |
B05B 7/12
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| Zusammenfassung |
Eine Zerstäubungsanordnung (1) für Kraftstoffe, insbesondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff, umfaßt ein Brennstoffeinspritzventil (2), ein Zerstäubungsrohr (4), eine Luftzufuhr (5) und zumindest eine Zumeßöffnung (5). Das Zerstäubungsrohr (4) weist zumindest einen ersten Abschnitt (9) und einen zweiten Abschnitt (10) auf, deren Außendurchmesser oder Wandstärke verschieden sind.
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| Beschreibung[de] |
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Die Erfindung geht aus von einer Zerstäubungsanordnung 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.
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 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 durch die einfache Konstruktion der Düse und die Anordnung
der Prallbleche eine gezielte Eindosierung von Kraftstoff, beispielsweise in Bereiche
des Reformers mit großem Wärmeangebot, nur unzureichend möglich ist. Dies führt
zu einem relativ großen Raumbedarf durch die Notwendigkeit einer langen und voluminösen
Verdampfungsstrecke.
Außerdem ergeben sich im Kaltstartbetrieb Probleme, da sich lange
und voluminöse Verdampfungsstrecken nur langsam aufheizen und zudem relativ viel
Wärme ungenutzt abgeben.
Durch die in der US 3,971,847
offenbarten Anordnungen von Düse und Prallblechen ist es insbesondere nicht möglich,
eine Hohlzylinderinnenfläche gleichmäßig mit Kraftstoff zu benetzen, dabei bestimmte
Flächen des Hohlzylinders von der Benetzung mit Kraftstoff auszunehmen oder die
Menge des eindosierten Kraftstoffs der Verteilung des Wärmeangebots im Zumeßraum
anzupassen. Auch die Form der durch den Zumeßvorgang entstehenden Kraftstoffwolke
kann nur unzureichend beeinflußt werden.
Die erfindungsgemäße Zerstäubungsanordnung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch eine zumindest
stückweise Verringerung des Innendurchmessers des Zerstäubungsrohres der Zerstäubungsanordnung
der Kraftstoff entsprechend dem im Zumeßraum herrschenden Wärmeangebot und der Geometrie
des Zumeßraumes fein zerstäubt und homogen verteilt eingebracht werden kann.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterentwicklungen der im Hauptanspruch angegebenen Zerstäubungsanordnung möglich.
Vorteilhafterweise ist das Zerstäubungsrohr dabei in zwei Abschnitte
unterteilt, deren erster einen größeren und deren zweiter einen geringeren Innendurchmesser
aufweist, wobei der Abschnitt mit dem geringeren Innendurchmesser abströmseitig
des Abschnitts mit dem größeren Innendurchmesser angeordnet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht eine weitere Unterteilung
des zweiten Abschnitts in Bereiche mit reduziertem Innendurchmesser vor, welche
mit Bereichen mit größerem Innendurchmesser abwechseln.
Weiterhin können vorteilhafterweise auch ein Zerstäubungsrohr mit
einem konstanten Innendurchmesser und Bohrungen, welche sich von Ebene zu Ebene
in Abströmrichtung erweitern, zur Verbesserung der Zerstäubung eingesetzt werden.
Die Kombination des sich verjüngenden Innendurchmessers mit dem in
Abströmrichtung ansteigenden Bohrungsdurchmesser ist dabei besonders vorteilhaft.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine prinzipielle schematische Darstellung
einer für die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen geeigneten Zerstäubungsanordnung
in einer Gesamtansicht;
2A eine schematische Darstellung eines
ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zerstäubungsanordnung; und
2B eine schematische Darstellung eines
zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zerstäubungsanordnung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung beispielhaft beschrieben.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäß
ausgestalteten Zerstäuberanordnung 1 ermöglichen eine einfache Dosierung
und Zerstäubung in heißer Atmosphäre bei robuster Konstruktion, Anwendung in unterschiedlichen
räumlichen Konstellationen und Einsatz von Standard-Niederdruck-Brennstoffeinspritzventilen.
Die erfindungsgemäßen Zerstäubungsanordnungen 1 eignen sich insbesondere
zum Eintrag und zur Zerstäubung von Kraftstoff in einen nicht dargestellten chemischen
Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff.
1 zeigt eine Prinzipskizze einer für
die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen geeigneten Zerstäubungsanordnung
1. Die Zerstäubungsanordnung 1 umfaßt ein Brennstoffeinspritzventil
2, welches mittels einer Verschraubung bzw. eines Adapters 3 oder
eines geeigneten Verfahrens wie z. B. Schweißen oder Löten mit einem Zerstäubungsrohr
4 verbunden ist. An der Verschraubung bzw. dem Adapter 3 kann
eine Luftzufuhr 5 vorgesehen sein, welche Luft in den Kraftstoffstrahl,
der durch das Brennstoffeinspritzventil 2 abgespritzt wird, einbringt.
Über zumindest eine Zumeßöffnung 6 wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch in
das Zerstäubungsrohr 4 zugemessen.
Das Zerstäubungsrohr 4 weist auf verschiedenen Ebenen
7 Bohrungen 8 auf, durch welche das Kraftstoff-Luft-Gemisch zerstäubt
und in weitere Komponenten des Reformers geleitet wird. Die besondere Anordnung
der Bohrungen 8 sowie deren Wirkung ist in der Beschreibung zu den
2A und 2B näher
beschrieben.
2A zeigt in einer stark schematisierten,
ausschnittsweisen Darstellung den abströmseitigen Teil eines erfindungsgemäß ausgestalteten
Zerstäubungsrohres 4 einer Zerstäubungsanordnung 1. Aus
2A ist ersichtlich, daß sich das Zerstäubungsrohr
4 in Abströmrichtung verjüngt. Das Zerstäubungsrohr 4 umfaßt dabei
einen ersten Abschnitt 9, welcher einen größeren Durchmesser, insbesondere
einen größeren Außendurchmesser, aufweist als ein zweiter Abschnitt 10.
In dem zweiten Abschnitt 10 sind auf mehreren, durch Pfeile gekennzeichneten
Ebenen 7 jeweils mehrere Bohrungen 8 zum Zerstäuben des Kraftstoff-Luft-Gemisches
vorgesehen.
Durch die Verkleinerung des Außendurchmessers des Zerstäubungsrohrs
4 im Bereich der Bohrungen 8 kann die Wandstärke des Zerstäubungsrohres
4 stark reduziert werden. Somit werden Durchmesser/Längenverhältnisse erreicht,
die deutlich größer als 1 sind und somit die Zerstäubung und Aufweitung des Strahls
entscheidend verbessern.
2B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
für ein mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen versehenes Zerstäubungsrohr
4. Hier ist der Außendurchmesser des Zerstäubungsrohres 4 nicht
über die gesamte Länge des zweiten Abschnitts 10 gegenüber dem ersten Abschnitt
9 verringert, sondern jeweils nur im Bereich der auf den verschiedenen
Ebenen 7 angeordneten Bohrungen 8. Dementsprechend ist der zweite
Abschnitt 10 in mehrere Teilbereiche 11 und 12 untergliedert,
in denen der Außendurchmesser des Zerstäubungsrohres 4 abwechselnd zu-
und wieder abnimmt.
Als Verfahren zum Reduzieren des Außendurchmessers des Zerstäubungsrohres
4 bieten sich beispielsweise Drehen, Schleifen oder Erodieren an.
Für eine gute Zerstäubung bei möglichst geringem Luftbedarf sind für
die Bohrungen 8 Durchmesser von ca. 100 &mgr;m bis 250 &mgr;m anzustreben.
Wird zwischen dem Durchmesser und der Länge der Bohrungen 8 ein bevorzugtes
Verhältnis von ≥ 1 angenommen, ergibt sich die Wandstärke des Zerstäubungsrohres
4 zu ca. 0,1 bis 0,25 mm.
Alternativ können auch die Bohrungen 8 bezüglich ihrer Durchmesser
so ausgelegt sein, daß eine Verjüngung des Zerstäubungsrohres 4 entfallen
kann. Hierbei nehmen die Durchmesser der Bohrungen 8 in jeder in Abströmrichtung
folgenden Ebene 7 zu. Die Anzahl der Ebenen 7 sowie der Bohrungen
8 pro Ebene 7 können beliebig den Anforderungen an das Zerstäubungsbild
angepaßt werden.
Günstigerweise werden die verschiedenen Alternativen auch gemeinsam
eingesetzt, beispielsweise ein verjüngtes Zerstäubungsrohr 4 mit in Abströmrichtung
zunehmenden Bohrungsdurchmessern.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt und ist für beliebige andere Zerstäubungsanordnungen 1 anwendbar.
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| Anspruch[de] |
- Zerstäubungsanordnung (1) für Kraftstoffe, insbesondere zum
Eintrag in einen chemischen Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff, mit einem Brennstoffeinspritzventil
(2), einem Zerstäubungsrohr (4), einer Luftzufuhr (5)
und zumindest einer Zumeßöffnung (6), dadurch gekennzeichnet, daß
das Zerstäubungsrohr (4) zumindest einen ersten Abschnitt (9)
und einen zweiten Abschnitt (10) aufweist, deren Außendurchmesser
und/oder deren Wandstärke verschieden sind.
- Zerstäubungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Innendurchmesser des ersten Abschnitts (9) größer ist als der Innendurchmesser
des zweiten Abschnitts (10).
- Zerstäubungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Abschnitt (10) abströmseitig des ersten Abschnitts (9)
ausgebildet ist.
- Zerstäubungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
in dem zweiten Abschnitt (10) auf mehreren Ebenen (7) jeweils
mehrere Bohrungen (8) ausgebildet sind.
- Zerstäubungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Abschnitt (10) in mehrere Bereiche (11,
12) aufgeteilt ist.
- Zerstäubungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Außendurchmesser des Zerstäubungsrohres (4) in ersten Bereichen (11)
größer als in zweiten Bereichen (12) ist.
- Zerstäubungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die zweiten Bereiche (12) mit den Ebenen (7) zusammenfallen.
- Zerstäubungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
in den zweiten Bereichen (12) jeweils mehrere Bohrungen (8) ausgebildet
sind.
- Zerstäubungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wandstärke des ersten Abschnitts (9) und des zweiten Abschnitts (10)
gleich groß ist.
- Zerstäubungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Durchmesser der Bohrungen (8) pro Ebene (7) in einer Abströmrichtung
zunehmen.
- Zerstäubungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Außenbearbeitung des Zerstäubungsrohres (4) mittels Drehens, Schleifens
oder Erodierens erfolgt.
- Zerstäubungsanordnung nach einem der Ansprüche 3, 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Bohrungen (8) etwa 100 &mgr;m bis
250 &mgr;m beträgt.
- Zerstäubungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis zwischen dem Durchmesser und der Länge der Bohrungen (8)
größer oder gleich 1 ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen
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