EP1423188A1 - System zum umsetzen von brennstoff und luft zu reformat - Google Patents

System zum umsetzen von brennstoff und luft zu reformat

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Publication number
EP1423188A1
EP1423188A1 EP01274475A EP01274475A EP1423188A1 EP 1423188 A1 EP1423188 A1 EP 1423188A1 EP 01274475 A EP01274475 A EP 01274475A EP 01274475 A EP01274475 A EP 01274475A EP 1423188 A1 EP1423188 A1 EP 1423188A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
air
bluff body
nozzle
reaction space
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
EP01274475A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Wolf
Christian Bäcker
Sybille Miklos
Christine Sallinger
Marcus NEUMÜLLER
Stefan Kunz
Martin Wegner
Florian Metz
Bernd Mittmann
Johann Sperl
Thomas Kerscher
Josef Amann
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.)
Webasto Thermosysteme GmbH
Webasto Thermosysteme International GmbH
Original Assignee
Webasto Thermosysteme GmbH
Webasto Thermosysteme International 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
Priority claimed from DE10143461A external-priority patent/DE10143461A1/de
Priority claimed from DE10144407A external-priority patent/DE10144407B4/de
Priority claimed from DE10144400A external-priority patent/DE10144400B4/de
Priority claimed from DE10144408A external-priority patent/DE10144408B4/de
Application filed by Webasto Thermosysteme GmbH, Webasto Thermosysteme International GmbH filed Critical Webasto Thermosysteme GmbH
Publication of EP1423188A1 publication Critical patent/EP1423188A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23M5/02—Casings; Linings; Walls characterised by the shape of the bricks or blocks used
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    • B01F25/30—Injector mixers
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    • B01F25/312—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows with Venturi elements; Details thereof
    • B01F25/3125—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows with Venturi elements; Details thereof characteristics of the Venturi parts
    • B01F25/31253—Discharge
    • B01F25/312533—Constructional characteristics of the diverging discharge conduit or barrel, e.g. with zones of changing conicity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00119—Heat exchange inside a feeding nozzle or nozzle reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J2219/00763—Baffles
    • B01J2219/00765—Baffles attached to the reactor wall
    • B01J2219/00768—Baffles attached to the reactor wall vertical
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    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/025—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step
    • C01B2203/0255—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step containing a non-catalytic partial oxidation step
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2207/00—Ignition devices associated with burner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2212/00—Burner material specifications
    • F23D2212/10—Burner material specifications ceramic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2213/00—Burner manufacture specifications
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00016—Preventing or reducing deposit build-up on burner parts, e.g. from carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a system for converting fuel and air to reformate with a reformer which has a reaction space, a nozzle for supplying a fuel / air mixture to the reaction space and a fuel supply for supplying fuel into the nozzle.
  • Generic systems are used to convert chemical energy into electrical energy.
  • fuel and air preferably in the form of a fuel / air mixture, are fed to the reformer.
  • the fuel is then reacted with the atmospheric oxygen in the reformer, the partial oxidation process preferably being carried out.
  • the reformate thus produced is then fed to a fuel cell or a fuel cell stack, electrical energy being released by the controlled conversion of hydrogen, as a component of the reformate, and oxygen.
  • the reformer can be designed such that the partial oxidation process is carried out in order to produce reformate.
  • diesel when used as a fuel, it is particularly useful to carry out preliminary reactions before the partial oxidation.
  • long-chain diesel molecules can be converted into shorter-chain molecules with "cold flame", which ultimately favors the reformer operation.
  • a gas mixture is fed to the reaction zone of the reformer, which is converted to H 2 and CO.
  • Another component of the reformate are N 2 from the air and, depending on the air ratio and the temperature, possibly CO 2 , H 2 0 and CH.
  • the reforming reaction can by different sensors, for example temperature sensors and gas sensors, are monitored.
  • the partial oxidation process is brought about by the fact that oxygen is supplied in a stoichiometric manner.
  • the partial oxidation is exothermic, so that the reformer can heat up undesirably in a problematic manner.
  • the partial oxidation also tends to increase soot formation.
  • the air ratio ⁇ can be chosen smaller. This is achieved so that part of the oxygen used for the oxidation is provided by water vapor.
  • a common fuel cell system is, for example, a PEM system ("proton exchange membrane”), which can typically be operated at operating temperatures between room temperature and about 100 ° C. Due to the low operating temperatures, this type of fuel cell is often used for mobile applications, for example in motor vehicles.
  • PEM system proto exchange membrane
  • SOFC High-temperature fuel cells
  • solid oxide fuel cell These systems work, for example, in the temperature range of approximately 800 ° C., a solid electrolyte (“solid oxide”) being able to take over the transport of oxygen ions.
  • solid oxide solid electrolyte
  • auxiliary power unit As an application area for fuel cells in connection with the generic systems, in addition to stationary applications there are in particular applications in the motor vehicle area, for example as an "auxiliary power unit” (APU).
  • APU auxiliary power unit
  • a good mixture of fuel and air and a good distribution of the fuel / air mixture in the reaction space of the reformer are advantageous for the function of the reformer.
  • a fuel / air mixture is always mentioned when the substances to be introduced or introduced into the reaction space of the reformer are addressed.
  • the substances introduced are not limited to a mixture of fuel and air. Rather, other substances can also be introduced, for example water vapor in the case of autothermal reforming.
  • the term fuel / air mixture is to be understood in this more general form.
  • the object of the invention is to provide a system for converting fuel and air to reformate, which has advantageous properties with regard to the conditioning of the fuel / air mixture in a reaction chamber of a reformer.
  • the invention builds on the generic state of the art in that a bluff body for the fuel / air mixture supplied through the nozzle is provided in the reaction chamber. Flame stabilization can be achieved by the bluff body provided according to the invention if the system is operated as a burner for preheating, for example. Such preheating of the system is required in many cases in order to create suitable environmental conditions for the production of the reformate.
  • the bluff body provided according to the invention can contribute to an improvement in the mixing of fuel and air and to a better distribution of the fuel / air mixture in the reaction space of the reformer.
  • the effect achieved by the bluff body is only desired in certain operating states, means can be provided which completely or partially cancel out the effect of the bluff body in other operating states.
  • these means can fold away or pivot the bluff body completely or partially in order to at least partially cancel the effect of the bluff body.
  • the bluff body can have pivotable slats, the position of which influences the effect of the bluff body.
  • the bluff body is preferably arranged fixedly in the reaction space and has no moving parts.
  • the bluff body is arranged in relation to the nozzle in the exit direction of the fuel / air mixture. It can in particular be provided that the bluff body is arranged perpendicular to the main flow direction of the fuel / air mixture.
  • the bluff body is arranged in a region of the reaction space which forms a flame zone when the system is in burner operation.
  • the effect of the flame stabilizers lization be advantageously enlarged.
  • the flame noise is also reduced in this way, which is desirable in many cases.
  • the bluff body enables the desired burner operation even when the atomization quality, for example during a cold start, is not yet optimal.
  • the arrangement of the bluff body in the flame zone can make it easier to re-ignite the fuel on the glowing disk in some operating states of the system according to the invention, for example after a flame has broken off.
  • emissions can be reduced at the end of burner operation if the glowing bluff body is allowed to react completely.
  • the bluff body has a baffle plate.
  • the baffle plate can have a geometry that is adapted to the respective geometry of the reaction space.
  • the baffle plate can be circular if the reaction space is cylindrical.
  • the bluff body is at least partially conical and / or convex and / or concave.
  • the geometry of the bluff body preferably also influences the flow conditions within the reaction space in the reformer operation of the system according to the invention.
  • the geometry of the bluff body, particularly if it has a baffle plate, is selected such that the desired mixing of fuel and air is achieved.
  • a baffle plate assigned to the bluff body can be provided with a web or collar in its outer peripheral region, so that a pot-like geometry results.
  • the collar or web preferably extends in the direction of the nozzle and can have a height of approximately 2, for example mm.
  • much larger dimensions are also conceivable.
  • the outer dimensions of the bluff body are smaller than the inner dimensions of the area of the reaction space in which the bluff body is arranged.
  • the geometry of the reaction chamber and of the bluff body is preferably chosen so that at least a part of the fuel / air mixture flows past the bluff body.
  • the ratio of the bluff body diameter to the reaction chamber diameter is between 0.6 and 0.9.
  • the specified dimensioning of the baffle plate results in an only insignificantly increased pressure loss in the reaction chamber compared to other aerodynamic measures.
  • the tangential component of a swirling air flow is only slightly disturbed, so that a flow of the fuel / air mixture with swirl components can be caused downstream of the bluff body.
  • the ratio of the axial distance of the bluff body from an atomization point of the fuel / air mixture to the reaction chamber diameter is between 0.3 and 0.6.
  • the bluff body has openings, in particular in the form of bores and / or slots.
  • the openings can be designed in the form of a defined perforation of the baffle plate. The number and geometry of the openings and / or slots influences the proportions of the fuel / air mixture past the bluff body or through it.
  • the bluff body has at least one partially ring-shaped or ring-shaped section.
  • the bluff body is formed by an annular baffle plate.
  • the baffle plate can optionally have a web or collar, in particular in its outer circumferential area.
  • the bluff body has a chamber which is assigned at least one heating element.
  • This chamber can be used as a starting chamber, among other things. If the bluff body has a baffle plate, areas of a "hot spot" facing away from the baffle plate can also be used to heat the starting chamber or the baffle plate.
  • the chamber can be arranged, for example, on the edge of a baffle plate. Alternatively, however, it can also be fastened at any other location on the bluff body or formed integrally therewith.
  • the at least one heating element is formed by a glow plug and / or a glow plug.
  • the glow plug and / or the glow plug can in particular be activated in order to trigger the burner operation of the system according to the invention.
  • the bluff body is attached directly and / or indirectly to the reaction space, in particular to the bottom of the reaction space.
  • the bluff body is attached indirectly, for example to aerodynamic internals of the reaction space.
  • the bluff body is formed at least in sections from steel, in particular high-alloy steel, and / or ceramic and / or ceramic-coated steel.
  • a preferred development of the invention provides that means for air guidance are provided in the air inlet area, which impart a swirl to the incoming air.
  • the term air inlet area is to be understood very generally.
  • a cylindrical part of the flow path through the Venturi nozzle can be meant.
  • an area outside the Venturi nozzle can also be referred to as an air inlet area. What is meant in detail results from the context.
  • the means for guiding the air comprise an air-guiding device with swirl vanes.
  • Such an air-guiding device as a separate component can be manufactured and placed on the nozzle independently of the nozzle.
  • the swirl blades are arranged on a carrier attached to a nozzle assembly and that two swirl blades each form a conical channel together with the carrier and the nozzle assembly.
  • the swirl blades can be arranged approximately radially or inclined to the radii.
  • the swirl vanes can be flat or curved in the direction of flow.
  • the air-guiding device it is also possible for the air-guiding device to have a cup-shaped sleeve fastened to the nozzle assembly with axial air openings formed therein and peripheral air openings formed in a peripheral wall. It is also possible in this way to impart a defined swirl to the air flowing into the nozzle.
  • peripheral air openings are bores formed almost tangentially to the peripheral wall. Due to the tangential arrangement of the holes, it is possible to apply a swirl to the air without any additional aids.
  • air guide vanes are arranged on the peripheral air openings. It is therefore not necessary to convey the swirl directly through the circumferential air opening. Rather, it is conceivable to allow the air to flow in through any circumferential air openings and subsequently to impart the swirl through air guide vanes.
  • the system according to the invention can be further developed in that the nozzle is a Venturi nozzle with an air inlet area and a diffuser area extending downstream with respect to the air inlet area.
  • a Venturi nozzle causes a high axial pressure drop, so that combustion air can advantageously be drawn in and mixed with fuel in the diffuser area.
  • the air flowing into the nozzle has a high speed and consequently a low pressure. The high flow velocity of the air favors the absorption of the fuel by the inflowing air.
  • the opening angle of the diffuser area is variable. Even if in the simplest case the diffuser area has a uniform opening angle, it can be useful in particular for the connection of the diffuser part to the reaction space to provide a larger opening angle in the entry area into the combustion chamber. This supports the uniform distribution of the fuel / air mixture in the reaction space, while the opening angle of the part of the diffuser area located further upstream can be optimized with regard to the flow behavior in this area.
  • the system according to the invention is developed in a particularly advantageous manner in that liquid fuel is fed to the Venturi nozzle in the vicinity of the air inlet area through a needle.
  • This fuel needle is supplied with fuel via a fuel line. Due to the high flow velocity of the inflowing air, the fuel, which exits the fuel needle almost without pressure, is drawn into threads, which then disintegrate into droplets.
  • the high air speeds required for good atomization in the air inlet area can be achieved there due to the advantageous pressure recovery of the diffuser.
  • the system according to the invention can also be developed in a particularly advantageous manner in that the fuel supply comprises a tube and a two-substance nozzle, so that a fuel / air mixture is supplied to the Venturi nozzle.
  • the two-substance nozzle is a further Venturi nozzle.
  • a smaller Venturi nozzle with a fuel needle arranged therein is provided within the Venturi nozzle used in the context of the present invention.
  • the fuel emerges from the fuel needle and is premixed in the smaller Venturi nozzle.
  • the fuel / air mixture then enters the Venturi tube, that is to say the Venturi nozzle according to the invention, and is further mixed there in order finally to enter the reaction space.
  • the air entering the reaction chamber through the Venturi nozzle that is to say the air present in the fuel / air mixture, can be referred to in this context as primary air.
  • the secondary air is advantageously conveyed through secondary air bores in the housing of the reaction space. Splitting the air into primary and secondary air can be useful to provide a rich, ignitable mixture at the nozzle exit. This is particularly useful when starting the system, since here the reformer advantageously works like a burner.
  • the fuel needle is therefore designed to be extremely thin-walled, so that the smallest possible outer diameter is ensured with a given fuel throughput, that is to say given inner diameter. This ultimately leads to a particularly low flow obstacle due to the presence of the Needle is present.
  • the specified tolerance range is chosen such that the needle can still be manufactured without major difficulties, the principle underlying the present invention being fulfilled the better the closer the ratio of the inside diameter to the outside diameter of the fuel needle approaches the value 1.
  • the system according to the invention is developed in a particularly advantageous manner in that the Venturi nozzle is axially symmetrical and in that the fuel needle is aligned axially. Due to the axial alignment of the fuel needle, it offers low flow resistance for the combustion air. However, if the aim is to introduce the fuel at a certain angle into the flow area of the Venturi nozzle, it is also possible to tilt the fuel needle against the axis of the Venturi nozzle. In this case, too, the indicated useful ratio between inner diameter and outer diameter contributes to minimizing the flow resistance.
  • the exit plane of the liquid fuel from the fuel needle is perpendicular to the direction of flow of the liquid fuel through the fuel needle. In this way, neglecting gravity results in an axially symmetrical exit of the fuel from the fuel needle.
  • the exit plane of the liquid fuel from the fuel needle runs obliquely to the direction of flow of the liquid fuel through the fuel needle.
  • the system according to the invention is further developed in a preferred manner in that the air inlet region has an essentially cylindrical part which has a transition to the diffuser region, that the outlet opening of the fuel needle is arranged in the cylindrical part and that there is an axial distance between the outlet opening the fuel needle and the transition.
  • the liquid fuel which has emerged from the outlet opening of the fuel needle is still transported over a certain distance through a region of high flow velocity together with the inflowing air.
  • This ensures particularly good atomization.
  • the system according to the invention is advantageously further developed in that, with respect to at least one installation option of the reformer in a motor vehicle, it is designed such that the opening of the fuel needle is above the axis of the Venturi nozzle. This makes it possible to arrange the fuel needle parallel to the axis of the Venturi nozzle and at the same time to counteract a gravitational effect.
  • the installation position of the fuel needle with respect to the Venturi nozzle axis is selected such that it is displaced radially upwards from the axis and then still in the circumferential direction, then two installation positions of the reformer can be permitted, with the favorable compensation of the two installation positions Gravity takes place through the location of the opening above the axis of the Venturi nozzle.
  • the system according to the invention can be further developed in that the nozzle is made of ceramic material and that the means for guiding the air are formed in one piece with the nozzle. In this way, an inexpensive nozzle can be produced.
  • the ceramic material can be processed in a simple manner, with numerous variations in terms of shape being possible.
  • the means for guiding the air which cause a swirl of the air outside the air inlet area, can be formed in one piece with the nozzle. Due to the use of a ceramic, there is the further advantage that the area of the nozzle around a fuel needle arranged in the nozzle does not assume excessively high temperatures, so that there can be no ignition of any fuel quantities escaping from the nozzle. Due to the one-piece design of the means for air guidance, tolerances can be adhered to in a simple manner, since incorrect adjustment of the air guidance means when assembling the reformer is no longer possible.
  • the invention is advantageously developed in that the nozzle has means for holding a glow plug.
  • the positioning of the glow plug in relation to the nozzle is an important parameter with regard to good starting behavior of the reformer.
  • the glow plug was generally held by the reformer housing, so that positioning fluctuations with respect to the nozzle could result.
  • Such tolerances can be excluded by the property of the nozzle according to the invention that the nozzle itself has means for holding the glow plug.
  • the glow plug is always in the same position with respect to the nozzle.
  • the nozzle according to the invention is advantageously developed in such a way that the nozzle has at least partially an essentially cylindrical shape and that the means for guiding the air form channels which are offset with respect to the radial directions.
  • the air flowing in perpendicular to the axis of the nozzle is therefore not supplied radially but with an offset.
  • This offset determines the swirl that is supplied to the air, thus the flow behavior and ultimately also the properties and quality of the combustion.
  • the air guiding means have essentially triangular bases, the corners being rounded. This enables the channel offset to be implemented in a simple manner. The rounding of the corners is advantageous for a uniform flow behavior.
  • the means for holding the glow plug are implemented as a bore that runs obliquely to the cylinder axis.
  • the glow plug then only has to be inserted into the hole for suitable positioning.
  • Glow plug and / or within the bore ensures that the glow plug is guided into its optimal position with respect to the nozzle.
  • the nozzle according to the invention is developed in a particularly advantageous manner in that an at least substantially cylindrical part of the nozzle has a substantially cylindrical extension with an enlarged diameter and that the means for holding the glow plug are implemented as a bore which runs obliquely to the cylinder axis and penetrates the extension are.
  • the glow plug can be held in an area so that it influences the flow behavior of the inflowing fuel / air mixture as little as possible. Due to the cylindrical extension, which has a larger diameter than the rest of the nozzle body, this can be accomplished in a simple manner.
  • an at least substantially cylindrical part of the nozzle has an essentially cylindrical extension with an enlarged diameter and that the cylindrical extension has recesses for receiving mounting bolts.
  • These mounting bolts can, for example, be firmly attached to a heat shield of the reformer. In this way, the relative positioning of the nozzle is determined by the recesses in the attachment and the position of the mounting bolts. This makes assembly particularly easy and possible with only small tolerances.
  • the system according to the invention can be developed in such a way that the reformer, the nozzle and the fuel supply are arranged on an axis, that means for holding the nozzle and the fuel supply are provided, and that at least two axially aligned mounting bolts are provided are attached to the reformer that the nozzle and the fuel supply comprise positioning devices which cooperate with the mounting bolts, that the means for holding the components interact with the mounting bolts and that the reformer, the nozzle, the fuel supply and the means for holding the components axially are arranged in succession.
  • the fuel needle is positioned extremely precisely with respect to the nozzle.
  • the positioning of the glow plug required for the starting behavior is also predetermined by the positions of the mounting bolts. Ultimately, you get a stable structure that ensures high quality reformer operation.
  • the device according to the invention is advantageously further developed in that the means for holding the components are designed as a spring which is held on the mounting bolts by means of clamping disks. Fastening with such a spring has the advantage that mechanical stresses, in particular due to temperature effects, can be compensated for. In systems of the prior art, undesirable high forces could act on the reformer and on a possibly provided heat shield of the reformer due to mechanical stresses, as a result of which the latter was ultimately deformed.
  • the mounting bolts are welded to the reformer.
  • the assembly bolts are firmly connected to the reformer in a defined position.
  • a seal is provided between the nozzle and the reformer. This serves both the thermal insulation and the adaptation of the nozzle to the heat shield of the reformer.
  • the seal has at least one mica layer facing the reformer and at least one graphite layer facing the nozzle. This provides the advantageous properties of the seal mentioned in a particularly reliable manner.
  • the fuel supply has a metal knitted fabric. This serves to break up bubbles in the fuel. This also provides a back pressure for a damper which may be arranged on the fuel line.
  • the invention is based on the knowledge that it has considerable advantages to provide a bluff body for the fuel / air mixture supplied through the nozzle in the reaction space. This achieves advantages both in burner operation and in reformer operation of the system according to the invention.
  • a cold start is facilitated, for example.
  • the mixing of fuel and air in particular is improved, so that ultimately a reformate with improved properties results.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a system in which the present invention can be used
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of an embodiment of a system according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a system according to the invention
  • Figure 4 is a diagram for explaining the axial pressure curve in a Venturi nozzle
  • FIG. 5a shows a schematic sectional view of a further embodiment of a system according to the invention.
  • FIG. 5b shows a perspective illustration of an embodiment of a reaction space of the system according to the invention.
  • Figure 5c is a sectional view of the reaction space of Figure 5b;
  • FIG. 5d shows a top view of the reaction space from FIG. 5b;
  • FIG. 6 shows a perspective illustration of a carrier with an air-conducting device for use in a system according to the invention
  • FIG. 7 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a system according to the invention.
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view along the cross-sectional plane identified by A-A in FIG. 7;
  • Figure 9 is a schematic sectional view, corresponding to the section according to
  • FIG. 8 a further embodiment of an air-guiding device
  • FIG. 10 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a system according to the invention.
  • FIG. 11 is a sectional view taken along the plane labeled B-B in Figure 10;
  • FIG. 12 shows a fuel needle with a first outlet opening for use in a system according to the invention;
  • FIG. 13 shows a fuel needle with a second outlet opening for use in a system according to the invention
  • FIG. 14 shows a fuel needle with a third outlet opening for use in a system according to the invention
  • FIG. 15 is a partially sectioned side view of an embodiment of a nozzle for use in a system according to the invention
  • FIG. 16 shows a plan view of the air inlet area of a nozzle for use in a system according to the invention
  • FIG. 17 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a system in which the present invention can be used.
  • Fuel 216 is fed to a reformer 214 via a pump 240.
  • Air 218 is also fed to the reformer 214 via a fan 242.
  • the reformate 220 generated in the reformer 214 reaches the anode 224 of a fuel cell 212 via a valve device 222.
  • the cathode 230 of the fuel cell 212 is supplied with cathode supply 228 via a blower 226.
  • the fuel cell 212 generates electrical energy 210
  • Anode exhaust 234 and cathode exhaust 236 are fed to a burner 232. Reformate can also be supplied to burner 232 via valve device 222. The thermal energy generated in the burner 232 can be supplied to the cathode supply air 228 in a heat exchanger 238, so that it is preheated. Exhaust gas 250 flows out of the heat exchanger 238.
  • the system illustrated in connection with the figures described below can be used to supply a fuel / air mixture to the reformer 214.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of an embodiment of a system according to the invention.
  • the system comprises a reformer 10 with a reaction space 12.
  • a venturi nozzle 14 is connected to the reformer 10. This has an air inlet area 18 and a diffuser 20, the cross section of which increases in the direction of the reformer 10.
  • a fuel supply 16 is located in the vicinity of the air inlet area 18 within the Venturi nozzle 14.
  • This includes a pipe 24 for supplying fuel and a two-substance nozzle 26.
  • the two-substance nozzle 26 is provided with an opening 80 in FIG which air 82 can flow in. This mixes within the two-substance nozzle 26 with the fuel supplied by the pipe 24.
  • a fuel / air mixture can then emerge from the downstream opening of the two-component nozzle 26 and is carried along by air 82 which enters the air inlet region 18 of the Venturi nozzle 14.
  • the fuel / air mixture mixes with the air 82 flowing into the air inlet area 18 of the Venturi nozzle 14, and the fuel / air mixture thus created reaches the reaction chamber 12 of the reformer 10 via the diffuser 20. It is also possible to open an opening 30 to provide the reaction chamber 12 of the reformer 10 through which secondary air 82 can enter the reaction chamber 12.
  • a bluff body in the form of a baffle plate 300 is arranged in the reaction chamber 12 in relation to the nozzle 14 in the exit direction of the fuel / air mixture.
  • the baffle plate 300 has a circumferential web 308 in its outer circumferential area, so that a pot-like geometry results.
  • the bluff body 300 is arranged in an area of the reaction space 12 which forms a flame zone when the system is in burner operation.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a system according to the invention.
  • the fuel supply 16 is different in the system shown in Figure 3 than in the system of Figure 2.
  • Fuel is in turn first supplied via a pipe 24, but then passes into a further Venturi nozzle 28, which is significantly smaller than the Venturi nozzle 14.
  • the liquid fuel is caused by the air 82 flowing past the outlet opening of the pipe 24 at high speed picked up and atomized.
  • the fuel / air mixture thus created is then carried along by the air 82 which flows in the air inlet region 18 of the Venturi nozzle 14, so that it can mix with it.
  • a bluff body in the form of a baffle plate 300 is also arranged in the reaction chamber 12 in this embodiment. Similar to the embodiment in FIG.
  • FIG. 4 shows a diagram to explain the axial pressure curve in a Venturi nozzle.
  • a pressure difference ⁇ p is plotted between the pressure at a specific coordinate I and the pressure in the reaction space 12 (see FIGS. 2 and 3).
  • the air 82 is generally fed into the air inlet area 18 of the Venturi nozzle 14 by a fan (not shown), this air being provided only with a slight excess pressure. Due to the increase in speed of the inflowing air, the pressure drops to a minimum value. As the air flow continues through the diffuser of the Venturi nozzle, the flow velocity decreases again and the pressure gradually increases to the reaction chamber pressure.
  • FIG. 5a shows a schematic sectional view of a further embodiment of a system according to the invention.
  • the system comprises a Venturi nozzle 14 with a nozzle assembly 44.
  • a fuel supply 72 is provided for supplying liquid fuel into the nozzle 14.
  • the fuel is fed to the air inflow region 92 via a fuel outlet 84 of a fuel needle 22, entrained there by inflowing air and then reaches the reaction chamber 12 of the reformer 10 as a fuel / air mixture via the diffuser 20.
  • An air-guiding device 42 is connected upstream of the nozzle assembly 44 which imparts a swirl to the air flowing into the Venturi nozzle 14.
  • the air-guiding device 42 is in the form of a carrier 46 which is arranged at a distance from the end face 90 of the nozzle assembly 44 and is, for example, circular. Together with the end face 90 of the nozzle assembly 44, the latter forms an annular gap 86. Swirl vanes 88 are arranged on the carrier 46, which are directed against the end face 90 of the nozzle assembly 44 and bear against it in the assembly position.
  • a bluff body 300 is again arranged in the reaction space 12. In this embodiment too, the bluff body is formed by a baffle plate 300 which has a web 308 in its outer circumferential area, so that a pot-like geometry is formed.
  • the web 308 is interrupted by fastening tabs 306 with which the baffle plate 300 is fastened to the reaction chamber wall.
  • the ratio of the baffle plate diameter to the reaction chamber diameter is approximately 0.75 in the embodiment shown in FIG. 5a and is therefore in the preferred range from 0.6 to 0.9.
  • the ratio of the axial distance of the baffle plate 300 from the atomization point of the fuel / air mixture to the reaction chamber diameter is also in the preferred range from 0.3 to 0.6.
  • Figure 5b shows a perspective view of an embodiment of a
  • FIG. 5c shows a sectional view of the reaction space of FIG. 5b
  • FIG. 5d shows a plan view of the reaction space of FIG. 5b.
  • the reaction space 12 is essentially cylindrical.
  • the bluff body 300 which is fastened to the reaction chamber wall by fastening tabs 306 and is essentially again formed by a baffle plate, has a chamber 302. In the fully assembled state of the system, a glow plug or glow plug 304 projects into this chamber 302 in order to form an ignition element.
  • the chamber 302 is preferably designed such that the glow plug or glow plug 304 projects straight into it, so that radiation energy from the glow plug or glow plug 304 downstream of the nozzle 12 can be used to heat the component.
  • the bluff body 300 or the baffle plate 300 can have openings in the form of bores and / or slots if this has a positive influence on the flow behavior.
  • FIG. 6 shows a perspective illustration of an air-guiding device 42 for use in a system according to the invention.
  • the swirl vanes 88 are each offset on a carrier 46 with respect to the radii of the circular arrangement in order to generate a tangential flow component.
  • FIG. 7 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a system according to the invention.
  • the illustrated embodiment of the system according to the invention differs from that according to FIG. 5 in that the air-guiding device 42 is designed as a cup-shaped sleeve 96.
  • the sleeve 96 has axial bores 94 in its base, and tangential bores 98 are formed in the peripheral wall 100 of the sleeve 96.
  • the sleeve 96 is fastened to the nozzle assembly 44 of the Venturi nozzle 14, for example by plugging it in or by some other form, force or material connection.
  • the axial bores 94 and the tangential bores 98 are matched to one another in such a way that the inflowing air is given a defined swirl.
  • the arrangement of the bluff body 300 essentially corresponds to the embodiment of FIG. 5a.
  • the bluff body again has a baffle plate 300 which is fastened to the reaction chamber wall via fastening tabs 306. For the rest, reference is made to the explanations regarding the bluff body 300 in FIG. 5a.
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view along the cross-sectional plane labeled A-A in FIG.
  • An exemplary arrangement of the axial bores 94 and the tangential bores 98 in the sleeve 96 is shown.
  • the swirl of the air flow can be adjusted as required by varying the number of openings or bores 94, 98 and their size and arrangement.
  • FIG. 9 shows a schematic sectional view, corresponding to FIG. 8, of a further embodiment of an air-guiding device.
  • the sleeve 96 shown here has in its peripheral wall 100 air openings 102 which are delimited towards the center of the sleeve 96 by an air guide vane 104 assigned to the respective air opening 102.
  • a tangential flow component is impressed on the inflowing air by the air guide vanes 104.
  • FIG. 10 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a system according to the invention.
  • the function and properties of the components shown result from the preceding description, taking into account the reference numerals.
  • the representation is highly schematic so that essential components of the system can be identified.
  • the fuel needle 22 for supplying fuel is arranged in the cylindrical part 38 of the Venturi nozzle 14. On the one hand, it makes sense to arrange the fuel needle 22 in exactly this constricted cylindrical part 38 of the Venturi nozzle 14, since the combustion air 82 flowing at high flow speed favors the atomization of the fuel. On the other hand, the fuel needle 22 also represents an obstacle to the flow of the incoming combustion air 82. This is a fundamental problem, which is solved by the features described below in connection with a system according to the invention.
  • a bluff body 300 provided in the reaction space 12 is also fastened to the reaction space wall in this embodiment with fastening tabs 306.
  • the bluff body 300 is given a pot-like geometry by a web 308, which has a favorable influence on the flow properties.
  • the line BB denotes a radial cutting plane, to which reference is made in the following description.
  • FIG. 11 shows a sectional view along the plane marked BB in FIG. 10. It can be seen how the present invention solves the problem described in connection with FIG. 10.
  • the fuel needle 22 represents a minimal flow resistance for the incoming combustion air in the Venturi nozzle 14.
  • FIG. 12 shows a fuel needle 22 with a first outlet opening for use in a system according to the invention.
  • the exit plane 32 of the fuel 106 from the fuel needle 22 is perpendicular to the main flow direction of the fuel 106. This results in the fuel 106 being constricted outside the fuel needle 22, sometimes with a view to a homogeneous distribution of the fuel 106 in the Venturi nozzle and can ultimately be disadvantageous in the combustion chamber.
  • FIG. 13 shows a fuel needle 22 with a second outlet opening for use in a system according to the invention.
  • the outlet opening of the fuel needle 22 has battlements 36. These battlements 36 bundle the emerging fuel 106 in certain areas, and ultimately it is achieved that the fuel 106 is distributed almost homogeneously over the entire flow cross-section available to it.
  • FIG. 14 shows a fuel needle 22 with a third outlet opening for use in a system according to the invention.
  • a fuel needle 22 with a bevelled opening 34 can be seen here. This gives the outflowing fuel 106 a preferred direction so that, for example, a gravity effect can be counteracted.
  • FIG. 15 shows a partially sectioned side view of an embodiment of a nozzle 14 for use in a system according to the invention.
  • the venturi nozzle 14 is made of ceramic material, which simplifies the manufacture of the nozzle 14 compared to metal nozzles.
  • Means 40 for air guidance are provided in the air inlet area 18. These are formed in one piece with the nozzle 14. In particular, they are also made of ceramic material.
  • the air guide elements 40 are aligned in such a way that a swirl is imparted to the supplied air, which is explained in more detail below with reference to FIG. 16.
  • the Venturi nozzle 14 is also equipped with a bore 62. A glow plug 64 can be inserted into this bore 62 and is used to ignite the fuel / air mixture entering the reaction space (not shown in FIG. 15).
  • the reformer works in the manner of a burner, so that an initial ignition of the fuel / air mixture may be necessary.
  • An advantage of the arrangement of the glow plug 64 in a bore 62 of the nozzle 14 is that the positioning of the glow plug 64 is fixed with respect to the nozzle 14. The positioning of the glow plug 64 therefore does not depend in particular on any other components. In this way, very small tolerances with regard to the installation position of the glow plug 64 can be maintained.
  • the bore 62 advantageously passes through a cylindrical extension 66 of the nozzle 14 which is enlarged in its radius, which means the
  • the advantage is that the flow behavior of the nozzle 14 is only slightly influenced by the bore 62 or by the glow plug 64 arranged in the bore 62.
  • FIG. 16 shows a top view of the air inlet area 18 of a nozzle 14 for use in a system according to the invention.
  • a possible design of the air inlet area 18 by air guiding elements 40 is shown.
  • the air guide elements 40 form channels 48 for the inflowing air. These channels 48 are positioned with respect to the radii of the structure which is essentially arranged on an axis such that there is an offset. Air flowing in from outside thus experiences a swirl, which has advantageous properties with regard to the atomization of the fuel which emerges from the fuel needle.
  • the arrangement of the opening 62 for receiving the glow plug can be seen in the present illustration. This penetrates an essentially cylindrical extension 66. Extension 66 is also provided with recesses 68. These recesses 68 define the installation position of the nozzle 14, which is explained in more detail below with reference to FIG. 17.
  • FIG. 17 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a system according to the invention.
  • An end of the reformer 10 facing the nozzle 14 is shown.
  • the reformer 10 is delimited by a heat shield 108.
  • two mounting bolts 70 are provided on this heat shield 108. These mounting bolts 70 can be welded to the heat shield 108 or to the reformer 10.
  • the mounting bolts 70 define the positioning of the further components described below.
  • a seal 78 is provided, which preferably consists of a mica layer and a graphite layer, the mica layer facing the reformer 10 and the graphite layer Fit layer facing the nozzle 14. This is followed by the ceramic nozzle 14, which sits on the mounting bolt 70 with its recesses 68 shown in FIG. 16.
  • a fuel supply 72 which is connected to the fuel needle 22, is placed on the nozzle 14. This fuel feed 72 is also positioned by the mounting bolts 70.
  • the fuel supply 72 is supplied with fuel by a fuel line 110, in which a fuel sensor 112 is arranged.
  • the fuel supply 72 is followed by a spring 74 which is also placed on the mounting bolts 70.
  • the spring 74 is held by clamping disks 76 which sit immovably on the mounting bolts 70.
  • the spring 74 is shown in a tensioned state in which the legs of the spring 74 are, for example, parallel to the disc in between. In the relaxed state of the spring 74, the legs of the spring 74 are bent upwards in the direction of the disc in between.
  • a glow plug (not shown) is positioned in accordance with the embodiment of a nozzle 14 shown in FIG. 15 and held by a wire spring (not shown) which is supported on the nozzle 14.
  • the fuel supply 72 and thus the fuel needle 22 are automatically aligned with respect to the nozzle 14.
  • the glow plug can also be positioned exactly with respect to nozzle 14 and reformer 10.
  • the construction of the structure shown in FIG. 17 can be fully automated.
  • the assembly direction is uniformly axial, so that only the components have to be “threaded on”.
  • the seal 78 provides thermal insulation, a coupling of the nozzle ceramic 14 to the metal of the heat shield 108 and tolerance compensation.
  • the structure can advantageously be mounted by force-controlled pressing of the clamping disks 76 onto the mounting bolts 70, so that uniform requirements are created with regard to the heat and temperature properties of the structure can be. By means of the spring force, tolerances due to different heating of the components, different final temperatures of the components and different coefficients of thermal expansion can be compensated for.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine System zum Umsetzen von Brennstoff und Luft zu Reformat mit einem Reformer (10), der einen Reaktiosraum (12) aufweist, einer Düse (14) zum Zuführen eines Brennstoff/Luft-Gemisches zu dem Reaktiosraum (12) und einer Brennstoffzuführung (16) zum Zuführen von Brennstoff in die Düse (14). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Reaktionsraum (12) ein Staukörper (300) für durch die Düse (14) zugeführtes Brennstoff/Luft-Gemisch vorgesehen ist.

Description

System zum Umsetzen von Brennstoff und Luft zu Reformat
Die Erfindung betrifft ein System zum Umsetzen von Brennstoff und Luft zu Reformat mit einem Reformer, der einen Reaktionsraum aufweist, einer Düse zum Zuführen eines Brennstoff/Luft-Gemisches zu dem Reaktionsraum und einer Brennstoffzufuhrung zum Zuführen von Brennstoff in die Düse.
Gattungsgemäße Systeme dienen der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Zu diesem Zweck werden dem Reformer Brennstoff und Luft, vorzugsweise in Form eines Brennstoff/Luft-Gemisches, zugeführt. In dem Reformer erfolgt dann eine Umsetzung des Brennstoffes mit dem Luftsauerstoff, wobei vorzugsweise das Verfahren der partiellen Oxidation durchgeführt wird.
Das so erzeugte Reformat wird dann einer Brennstoffzelle beziehungsweise einem Brennstoffzellenstack zugeführt, wobei durch die kontrollierte Umsetzung von Wasserstoff, als Bestandteil des Reformats, und Sauerstoff elektrische Ener- gie freigesetzt wird.
Der Reformer kann, wie bereits erwähnt, so ausgelegt sein, dass das Verfahren der partiellen Oxidation durchgeführt wird, um Reformat zu erzeugen. In diesem Fall ist es bei der Verwendung von Diesel als Brennstoff besonders nützlich, vor der partiellen Oxidation Vorreaktionen durchzuführen. Auf diese Weise können mit "kalter Flamme" langkettige Dieselmoleküle in kürzerkettige Moleküle umgesetzt werden, was letztlich den Reformerbetrieb begünstigt. Allgemein wird der Reaktionszone des Reformers ein Gasgemisch zugeführt, welches zu H2 und CO umgesetzt wird. Ein weiterer Bestandteil des Reformats sind N2 aus der Luft sowie, in Abhängigkeit von der Luftzahl und der Temperatur, gegebenenfalls CO2, H20 und CH . Im Normalbetrieb wird der Brennstoffmassenstrom entsprechend der angeforderten Leistung geregelt, und der Luftmassenstrom wird auf eine Luftzahl im Bereich von λ = 0,4 geregelt. Die Reformierungsreaktion kann durch unterschiedliche Sensoren, beispielsweise Temperatursensoren und Gassensoren, überwacht werden.
Neben dem Verfahren der partiellen Oxidation ist es ebenfalls möglich, eine autotherme Reformierung durchzuführen. Das Verfahren der partiellen Oxidation wird im Gegensatz zur autothermen Reformierung dadurch herbeigeführt, dass Sauerstoff unterstöchiometrisch zugeführt wird. Beispielsweise hat das Gemisch eine Luftzahl von λ = 0,4. Die partielle Oxidation ist exotherm, so dass es in problematischer Weise zu einer unerwünschten Aufheizung des Reformers kom- men kann. Ferner neigt die partielle Oxidation zu einer verstärkten Rußbildung. Zur Vermeidung der Rußbildung kann die Luftzahl λ kleiner gewählt werden. Dies wird so erreicht, dass ein Teil des für die Oxidation verwendeten Sauerstoffs durch Wasserdampf bereitgestellt wird. Da die Oxidation mit Wasserdampf endotherm verläuft, ist es möglich, das Verhältnis zwischen Brennstoff, Sauerstoff und Wasserdampf so einzustellen, dass insgesamt weder Wärme freigesetzt noch Wärme verbraucht wird. Die so erreichte autotherme Reformierung beseitigt daher die Probleme der Rußbildung und einer unerwünschten Überhitzung des Reformers.
Ebenfalls ist es möglich, dass im Anschluss an die Oxidation in dem Reformer weitere Schritte der Gasbehandlung erfolgen, wobei insbesondere der partiellen Oxidation eine Metanisierung nachgeschaltet sein kann.
Ein gängiges Brennstoffzellensystem ist beispielsweise ein PEM-System ("proton exchange membrane"), welches typischerweise bei Betriebstemperaturen zwischen Raumtemperatur und etwa 100 °C betrieben werden kann. Aufgrund der niedrigen Betriebstemperaturen wird dieser Brennstoffzellentyp häufig für mobile Anwendungen genutzt, beispielsweise in Kraftfahrzeugen.
Weiterhin sind Hochtemperaturbrennstoffzellen bekannt, sogenannte SOFC-
Systeme ("solid oxide fuel cell"). Diese Systeme arbeiten beispielsweise im Temperaturbereich von zirka 800 °C, wobei ein Feststoffelektrolyt ("solid oxide") in der Lage ist, den Transport von Sauerstoffionen zu übernehmen. Der Vorteil von derartigen Hochtemperaturbrennstoffzellen gegenüber PEM-Systemen besteht insbesondere in der Robustheit gegenüber mechanischen und chemischen Belastungen.
Als Anwendungsgebiet für Brennstoffzellen in Verbindung mit den gattungsgemäßen Systemen kommen neben stationären Anwendungen insbesondere Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich in Frage, beispielsweise als "auxiliary power unit" (APU).
Für einen zuverlässigen Betrieb des Reformers ist es wichtig, den Brennstoff beziehungsweise das Brennstoff/Luft-Gemisch in geeigneter Weise dem Reaktionsraum des Reformers zuzuführen und es im Reaktionsraum geeignet zu kondi- tionieren. Beispielsweise sind eine gute Vermischung von Brennstoff und Luft und eine gute Verteilung des Brennstoff/Luft-Gemisches in dem Reaktionsraum des Reformers für die Funktion des Reformers vorteilhaft. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ist stets von einem Brennstoff/Luft-Gemisch die Rede, wenn die in den Reaktionsraum des Reformers einzubringenden beziehungsweise eingebrachten Substanzen angesprochen werden. Die eingebrachten Substanzen sind jedoch nicht auf ein Gemisch aus Brennstoff und Luft beschränkt. Vielmehr kön- nen auch andere Substanzen zusätzlich eingebracht werden, beispielsweise Wasserdampf im Falle der autothermen Reformierung. Insofern ist der Begriff Brennstoff/Luft-Gemisch in dieser allgemeineren Form zu verstehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zum Umsetzen von Brenn- stoff und Luft zu Reformat zur Verfügung zu stellen, welches vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf die Konditionierung des Brennstoff/Luft-Gemisches in einem Reaktionsraum eines Reformers aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass in dem Reaktionsraum ein Staukörper für durch die Düse zugeführtes Brennstoff/Luft-Gemisch vorgesehen ist. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Staukörper lässt sich eine Flammstabilisierung erzielen, wenn das System beispielsweise zum Vorwärmen als Brenner betrieben wird. Ein derartiges Vorwärmen des Systems ist in vielen Fällen erforderlich, um für die Erzeugung des Reformats geeignete Umgebungsbedingungen zu schaffen. Bei der eigentlichen Umsetzung von Brennstoff und Luft zu Reformat kann der erfindungsgemäß vorgesehene Staukörper zu einer Verbesserung der Vermischung von Brennstoff und Luft sowie zu einer besseren Verteilung des Brennstoff/Luft-Gemisches in dem Reaktionsraum des Reformers beitragen. Sofern die durch den Staukörper erzielte Wirkung nur bei bestimmten Betriebszuständen erwünscht ist, können Mittel vorgesehen sein, die die Wirkung des Staukörpers bei anderen Betriebszuständen ganz oder teilweise aufheben. Beispielsweise können diese Mittel den Staukörper ganz oder teilweise wegklappen beziehungsweise schwenken, um die Wirkung des Staukörpers zumindest teilweise aufzuheben. Zum gleichen Zweck ist es denkbar, den Staukörper durch einen in der Reaktionsraumwand vorgesehenen Schlitz ganz oder teilweise aus dem Reaktionsraum herauszuziehen. Zusätzlich oder alternativ kann der Staukörper schwenkbare Lamellen aufweisen, deren Stellung die Wirkung des Staukörpers beeinflusst. Vorzugsweise ist der Staukörper jedoch fest in dem Reaktionsraum angeordnet und weist keine beweglichen Teile auf.
Bei dem erfindungsgemäßen System ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Staukörper bezogen auf die Düse in der Austrittsrichtung des Brennstoff/Luft- Gemisches angeordnet ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Staukörper senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Brennstoff/Luft-Gemisches angeordnet ist.
Insbesondere im Hinblick auf die bereits erwähnte Vorwärmung des erfindungsgemäßen Systems wird bevorzugt, dass der Staukörper in einem Bereich des Reaktionsraums angeordnet ist, der bei einem Brennerbetrieb des Systems eine Flammenzone bildet. Dadurch kann der Effekt der bereits erwähnten Flammstabi- lisierung in vorteilhafter Weise vergrößert werden. Auch das Flammengeräusch wird auf diese Weise reduziert, was in vielen Fällen erwünscht ist. Weiterhin ermöglicht der Staukörper auch dann den gewünschten Brennerbetrieb, wenn die Zerstäubungsqualität, beispielsweise bei einem Kaltstart, noch nicht optimal ist. Durch die Anordnung des Staukörpers in der Flammenzone kann bei einigen Betriebszuständen des erfindungsgemäßen Systems ein Wiederentzünden des Brennstoffs an der glühenden Scheibe erleichtert werden, beispielsweise nach einem Flammenabriss. Darüber hinaus können die Emissionen beim Ende des Brennerbetriebs reduziert werden, wenn ein Ausreagieren an dem glühenden Staukörper zugelassen wird .
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass der Staukörper eine Prallscheibe aufweist. Die Prallscheibe kann dabei eine an die jeweilige Geometrie des Reaktionsraums angepasste Geometrie aufweisen. Beispielsweise kann die Prallscheibe kreisförmig ausgebildet sein, wenn der Reaktionsraum zylinderförmig ist.
Insbesondere in diesem Zusammenhang kann zusätzlich oder alternativ weiterhin vorgesehen sein, dass der Staukörper zumindest abschnittsweise konisch und/oder konvex und/oder konkav ausgebildet ist. Die Geometrie des Staukörpers beeinflusst vorzugsweise auch im Reformerbetrieb des erfindungsgemäßen Systems die Strömungsverhältnisse innerhalb des Reaktionsraums. Diesbezüglich wird die Geometrie des Staukörpers, insbesondere wenn dieser eine Prallscheibe aufweist, derart gewählt, dass die erwünschte Vermischung von Brenn- stoff und Luft erzielt wird.
In vielen Fällen ist es vorteilhaft, dass der Staukörper zumindest abschnittsweise topfartig ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine dem Staukörper zugeordnete Prallscheibe in ihrem Außenumfangsbereich mit einem Steg beziehungsweise Kragen versehen werden, so dass sich eine topfartige Geometrie ergibt. Der Kragen beziehungsweise Steg erstreckt sich dabei vorzugsweise in Richtung auf die Düse zu und kann beispielsweise eine Höhe von ungefähr 2 mm aufweisen. Selbstverständlich sind auch sehr viel größere Abmessungen denkbar.
Weiterhin wird bevorzugt, dass die Außenabmessungen des Staukörpers kleiner als die Innenabmessungen des Bereichs des Reaktionsraums sind, in dem der Staukörper angeordnet ist. Die Geometrie des Reaktionsraums und des Staukörpers wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass zumindest ein Teil des Brennstoff/Luft-Gemisches an dem Staukörper vorbei strömt.
In diesem Zusammenhang kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Verhältnis von Staukörperdurchmesser zu Reaktionsraumdurchmesser zwischen 0,6 und 0,9 liegt. Insbesondere wenn der Staukörper eine Prallscheibe aufweist, erzielt man durch die angegebene Dimensionierung der Prallscheibe im Vergleich zu anderen aerodynamischen Maßnahmen einen nur unwesentlich erhöhten Druckverlust im Reaktionsraum. Beispielsweise wird bei einer derartigen Dimensionierung des Staukörpers die Tangentialkomponente einer drallbehaftet zugeführten Luftströmung nur unwesentlich gestört, so dass strömungsabwärts von dem Staukörper eine Strömung des Brennstoff/Luft-Gemisches mit Drallkomponenten hervorgerufen werden kann.
Hinsichtlich der Anordnung des Staukörpers wird bevorzugt, dass das Verhältnis des axialen Abstands des Staukörpers von einem Zerstäubungspunkt des Brennstoff/Luft-Gemisches zum Reaktionsraumdurchmesser zwischen 0,3 und 0,6 liegt. Diese Werte werden insbesondere als vorteilhaft erachtet, wenn die vorstehend erläuterten Dimensionierungsvorschriften für den Staukörperdurchmesser berücksichtigt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass der Staukörper Öffnungen aufweist, insbesondere in Form von Bohrungen und/oder Schlitzen. Beispielsweise wenn der Staukörper eine Prallscheibe aufweist, können die Öffnungen in Form einer definierten Belochung der Prallscheibe ausgebildet sein. Die Anzahl und die Geometrie der Öffnungen und/oder Schlitze beeinflusst dabei, welche Anteile des Brennstoff/Luft-Gemisches an dem Staukörper vorbei beziehungsweise durch diesen hindurchströmen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Staukörper zumindest einen teilring- förmigen oder ringförmigen Abschnitt aufweist. Beispielsweise sind Ausführungsformen denkbar, bei denen der Staukörper durch eine kreisringförmige Prallplatte gebildet ist. Auch in diesem Fall kann die Prallplatte gegebenenfalls einen Steg beziehungsweise Kragen aufweisen, insbesondere in ihrem Außenumfangsbe- reich.
Insbesondere im Hinblick auf die bereits erwähnte Vorwärmung des erfindungsgemäßen Systems kann vorgesehen sein, dass der Staukörper eine Kammer aufweist, der zumindest ein Heizelement zugeordnet ist. Diese Kammer kann unter anderem als Startkammer genutzt werden. Sofern der Staukörper eine Prallscheibe aufweist, können auch von der Prallscheibe abgewandte Bereiche eines "Hot-Spot" genutzt werden, um die Startkammer beziehungsweise die Prallscheibe aufzuheizen. Die Kammer kann beispielsweise am Rand einer Prallscheibe angeordnet sein. Alternativ kann sie aber auch an jeder anderen Stelle des Staukörpers befestigt beziehungsweise integral mit diesem gebildet sein.
Dabei kommen beispielsweise Lösungen in Betracht, die vorsehen, dass das zumindest eine Heizelement durch einen Glühstift und/oder eine Glühkerze gebildet ist. Der Glühstift und/oder die Glühkerze können insbesondere aktiviert werden, um den Brennerbetrieb des erfindungsgemäßen Systems auszulösen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass der Staukörper direkt und/oder indirekt am Reaktionsraum befestigt ist, insbesondere am Boden des Reaktionsraums. In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise möglich, eine dem Staukörper zugeordnete Prallscheibe mittels Befestigungslaschen zu fixieren, beispielsweise am Boden des Reaktionsraums. Weiterhin sind Ausführungsformen möglich, bei denen der Staukörper indirekt befestigt wird, beispielsweise an aerodynamischen Einbauten des Reaktionsraums. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist weiterhin vorgesehen, dass der Staukörper zumindest abschnittsweise aus Stahl, insbesondere hochlegiertem Stahl, und/oder Keramik und/oder keramikbeschichtetem Stahl gebildet ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Lufteintrittsbereich Mittel zur Luftführung vorgesehen sind, die der zuströmenden Luft einen Drall vermitteln. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ist der Begriff Lufteintrittsbereich sehr allgemein zu verstehen. Zum einen kann beispielsweise ein zylindrischer Teil des Strömungsweges durch die Venturidüse gemeint sein. Es kann aber auch ein Bereich außerhalb der Venturidüse als Lufteintrittsbereich bezeichnet sein. Was im Einzelnen gemeint ist, ergibt sich jeweils aus dem Zusammenhang. Durch das Verdrallen der in die Düse eintretenden Luft im Lufteintrittsbereich kann die Zerstäubungsqualität und damit die Funktion des Reformers deutlich verbessert werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Luftgeschwindigkeit aufgrund einer ausgeprägten Tangentialbewegungskomponente vergrößert wird.
In diesem Zusammenhang ist es als besonders vorteilhaft zu verzeichnen, wenn die Mittel zur Luftführung eine luftführende Einrichtung mit Drallschaufeln umfassen. Eine solche luftführende Einrichtung als separates Bauteil kann unabhängig von der Düse gefertigt und auf diese aufgesetzt werden.
In diesem Fall ist vorgesehen, dass die Drallschaufeln auf einem an einem Dü- senstock angebrachten Träger angeordnet sind und dass jeweils zwei Drallschaufeln zusammen mit dem Träger und dem Düsenstock einen konischen Kanal bilden. Je nach Winkelstellung dieser Drallschaufeln zu einer jeweils radialen Ebene kann der Tangentialluftanteil und somit der Düsenluftdrall eingestellt werden. Dabei können die Drallschaufeln annähernd radial oder zu den Radien geneigt angeordnet sein. Die Drallschaufeln können in Strömungsrichtung eben oder gekrümmt gebildet sein. Ebenfalls ist es möglich, dass die luftleitende Einrichtung eine an dem Düsenstock befestigte topfförmige Hülse mit darin ausgebildeten axialen Luftöffnungen und in einer Umfangswand gebildeten Umfangsluftöffnungen aufweist. Auch auf diese Weise ist es möglich, der in die Düse einströmenden Luft einen definierten Drall zu vermitteln.
In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass die Umfangsluftöffnungen nahezu tangential zur Umfangswand gebildete Bohrungen sind. Durch die tangentiale Anordnung der Bohrungen ist es ohne weitere Hilfsmittel möglich, der Luft einen Drall zuzuführen.
Weiterhin kann aber auch vorgesehen sein, dass an den Umfangsluftöffnungen Luftleitschaufeln angeordnet sind. Es ist also nicht erforderlich, den Drall durch die Umfangsluftöffnung unmittelbar zu vermitteln. Vielmehr ist es denkbar die Luft durch beliebig ausgebildete Umfangsluftöffnungen einströmen zu lassen und nachfolgend den Drall durch Luftleitschaufeln zu vermitteln.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße System dadurch weitergebildet sein, dass die Düse eine Venturidüse mit einem Lufteintrittsbereich und einem sich bezüglich des Lufteintrittsbereiches stromabwärts erstreckenden Diffusorbereich ist. Eine solche Venturidüse bewirkt ein hohes axiales Luftdruckgefälle, so dass in vorteilhafter Weise Brennluft angesaugt und im Diffusorbereich mit Brennstoff vermischt werden kann. Im Lufteintrittsbereich beziehungsweise in dem Bereich, in dem der Düse Brennstoff zugeführt wird, hat die in die Düse einströmende Luft eine hohe Geschwindigkeit und einen demzufolge geringen Druck. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luft begünstigt die Aufnahme des Brennstoffes durch die einströmende Luft. Beim nachfolgenden Durchströmen des Brennstoff/Luft- Gemisches durch den Diffusorbereich der Venturidüse kommt es zu einem Druckrückgewinn, so dass das Gemisch mit ausreichendem Druck in den Brennraum des Reformers einströmen kann. Weiterhin findet in dem Diffusorbereich eine vorteilhafte Durchmischung von Brennstoff und Luft statt. Somit ist eine wirkungsvolle und kostengünstige Möglichkeit geschaffen, ein Brennstoff/Luft-Gemisch in einen Reformer einzubringen. Der Montageaufwand und die Herstellungskosten können durch die Wahl unterschiedlicher Ausführungsformen positiv beeinflusst werden. Beispielsweise ist es denkbar, zumindest einen Teil des Diffusorberei- ches einstückig mit dem Reformer beziehungsweise dem Reformergehäuse beziehungsweise dem Gehäuse des Reaktionsraums auszubilden. Es ist aber auch denkbar, die Düse als Ganzes unabhängig von dem Reformer zu gestalten und zu verwenden.
Es kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass der Öffnungswinkel des Diffusorbereiches veränderlich ist. Auch wenn im einfachsten Fall der Diffusorbe- reich einen einheitlichen Öffnungswinkel hat, kann es insbesondere für die Anbin- dung des Diffusorteils an den Reaktionsraum nützlich sein, im Eintrittsbereich in die Brennkammer einen größeren Öffnungswinkel vorzusehen. Dies unterstützt die gleichmäßige Verteilung des Brennstoff/Luft-Gemisches in dem Reaktionsraum, während der Öffnungswinkel des weiter stromaufwärts liegenden Teils des Diffusorbereiches im Hinblick auf das Strömungsverhalten in diesem Bereich optimiert werden kann.
Das erfindungsgemäße System ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass der Venturidüse flüssiger Brennstoff in der Nähe des Luftein- trittsbereiches durch eine Nadel zugeführt wird. Diese Brennstoffnadel wird über eine Brennstoffleitung mit Brennstoff versorgt. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit der einströmenden Luft wird der aus der Brennstoffnadel annähernd drucklos austretende Brennstoff in Fäden gezogen, die dann in Tröpfchen zerfallen. Die für eine gute Zerstäubung erforderlichen hohen Luftgeschwindigkeiten im Lufteintrittsbereich lassen sich dort aufgrund des vorteilhaften Druckrückgewinns des Diffusors erzielen.
Ebenfalls kann das erfindungsgemäße System in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet sein, dass die Brennstoffzufuhrung ein Rohr und eine Zweistoffdüse umfasst, so dass der Venturidüse ein Brennstoff/Luft-Gemisch zugeführt wird. Es findet also vor dem Eintritt von Brennstoff in die Venturidüse bereits eine Vermischung des Brennstoffes mit Luft statt, was vorteilhaft für ein zuverlässiges Vermischen sein kann. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Zweistoffdüse eine weitere Venturidüse ist. Innerhalb der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Venturidüse, die auch als Venturirohr bezeichnet werden kann, ist eine kleinere Venturidüse mit einer darin angeordneten Brennstoffnadel vorgesehen. In der kleineren Venturidüse findet ein Austreten des Brennstoffs aus der Brennstoffnadel und eine Vorvermischung statt. Das Brennstoff/Luft-Gemisch tritt dann in das Venturirohr, das heißt die erfindungsgemäße Venturidüse, ein, und wird dort weitervermischt, um schließlich in den Reaktionsraum einzutreten.
Es ist besonders zu bevorzugen, dass Mittel vorgesehen sind, so dass in den Reaktionsraum Sekundärluft einströmen kann. Die durch die Venturidüse in den Reaktionsraum eintretende Luft, das heißt die im Brennstoff/Luft-Gemisch vorhandene Luft kann in diesem Zusammenhang als Primärluft bezeichnet werden. Die Sekundärluft wird vorteilhafterweise durch Sekundärluftbohrungen im Gehäuse des Reaktionsraums gefördert. Die Aufteilung der Luft in Primärluft und Sekundärluft kann nützlich sein, um am Austritt der Düse ein fettes, zündwilliges Gemisch bereitzustellen. Dies ist insbesondere beim Startvorgang des Systems nützlich, da hier der Reformer in vorteilhafter Weise nach Art eines Brenners arbeitet.
Das erfindungsgemäße System ist weiterhin in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Brennstoffzufuhrung eine Brennstoffnadel um- fasst und dass für das Verhältnis von Innendurchmesser d, zu Außendurchmesser da der Brennstoffnadel gilt:
0,7 < < 1. cL
Die Brennstoffnadel ist also extrem dünnwandig ausgestaltet, so dass bei gege- benem Brennstoffdurchsatz, das heißt gegebenem Innendurchmesser, ein möglichst geringer Außendurchmesser sichergestellt wird. Dies führt letztlich dazu, dass ein besonders geringes Strömungshindernis aufgrund der Anwesenheit der Nadel vorliegt. Der angegebene Toleranzbereich ist so gewählt, dass die Nadel noch ohne größere Schwierigkeiten gefertigt werden kann, wobei das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Prinzip umso besser erfüllt wird, je mehr sich das Verhältnis von Innendurchmesser zu Außendurchmesser der Brennstoff- nadel dem Wert 1 nähert.
Das erfindungsgemäße System ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Venturidüse axialsymmetrisch ist und dass die Brenn- stoffnadel axial ausgerichtet ist. Durch die axiale Ausrichtung der Brennstoffnadel bietet diese einen geringen Strömungswiderstand für die Brennluft. Ist man jedoch bestrebt, den Brennstoff in einem gewissen Winkel in den Strömungsbereich der Venturidüse einzubringen, so ist es ebenfalls möglich, die Brennstoffnadel gegen die Achse der Venturidüse zu kippen. Auch in diesem Fall trägt das angegebene nützliche Verhältnis zwischen Innendurchmesser und Außendurchmesser zu einer Minimierung des Strömungswiderstandes bei.
Weiterhin kann nützlich sein, dass die Austrittsebene des flüssigen Brennstoffs aus der Brennstoffnadel senkrecht zur Strömungsrichtung des flüssigen Brennstoffs durch die Brennstoffnadel verläuft. Auf diese Weise ergibt sich unter Ver- nachlässigung der Schwerkraft ein axialsymmetrischer Austritt des Brennstoffs aus der Brennstoffnadel.
Es kann aber auch nützlich sein, dass die Austrittsebene des flüssigen Brennstoffs aus der Brennstoffnadel schräg zur Strömungsrichtung des flüssigen Brennstoffs durch die Brennstoffnadel verläuft. Auf diese Weise lässt sich eine
Vorzugsrichtung beim Austritt des Brennstoffs aus der Brennstoffnadel realisieren, ohne die Brennstoffnadel insgesamt gegen die Achse der Venturidüse zu kippen. Durch den schrägen Anschnitt der Brennstoffnadel im Austrittsbereich lässt sich also eine Vergrößerung des Strömungswiderstandes aufgrund gekippter Brenn- stoffnadel vermeiden, wobei dennoch ein beispielsweise gegen die Schwerkraft gerichtetes Austreten des Brennstoffs aus der Brennstoffnadel möglich ist. Des Weiteren ist es möglich, dass die Austrittsöffnung der Brennstoffnadel mit Spitzen und/oder Zinnen versehen ist. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass der Brennstoff in großer radialer Ausdehnung in die Brennkammer eingebracht wird, was bei Öffnungen ohne eine Struktur am Rand des Austritts aufgrund von Ein- schnüreffekten mitunter nicht in optimaler Weise erreichbar ist.
Das erfindungsgemäße System ist weiterhin in bevorzugter Weise dadurch weitergebildet, dass der Lufteintrittsbereich einen im Wesentlichen zylindrischen Teil aufweist, der einen Übergang zu dem Diffusorbereich aufweist, dass die Aus- trittsöffnung der Brennstoffnadel in dem zylindrischen Teil angeordnet ist und dass ein axialer Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Brennstoffnadel und dem Übergang vorliegt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der flüssige Brennstoff, der aus der Austrittsöffnung der Brennstoffnadel ausgetreten ist, noch über eine gewisse Strecke durch einen Bereich großer Strömungsgeschwindigkeit zusammen mit der einströmenden Luft transportiert wird. Dies stellt eine besonders gute Zerstäubung sicher. In den meisten Fällen wird es sinnvoll sein, den Austritt aus der Brennstoffnadel am Anfang des zylindrischen Teils des Lufteintrittsbereiches der Venturidüse einzuordnen, so dass praktisch der gesamte zylindrische Bereich für eine gute Verteilung des zerstäubten Brennstoffes in der schnell strömenden Brennluft zur Verfügung steht.
Weiterhin ist das erfindungsgemäße System vorteilhaft dadurch weitergebildet, dass es bezüglich mindestens einer Einbaumöglichkeit des Reformers in ein Kraftfahrzeug so ausgelegt ist, dass sich die Öffnung der Brennstoffnadel ober- halb der Achse der Venturidüse befindet. Durch diesen Umstand ist es möglich, die Brennstoffnadel parallel zur Achse der Venturidüse anzuordnen und gleichzeitig einem Schwerkrafteffekt entgegenzuwirken. Wählt man bei einer möglichen Einbaulage des Reformers die Einbaulage der Brennstoffnadel bezüglich der Venturidüsenachse so, dass sie von der Achse radial nach oben verschoben ist und dann noch in Umfangsrichtung, so können zwei Einbaulagen des Reformers gestattet sein, wobei bei beiden Einbaulagen der günstige Ausgleich der Schwerkraft durch die Lage der Öffnung oberhalb der Achse der Venturidüse stattfindet. Weiterhin kann das erfindungsgemäße System dadurch weitergebildet sein, dass die Düse aus keramischem Material besteht und dass die Mittel zur Luftführung einstückig mit der Düse ausgebildet sind. Auf diese Weise wird eine kostengünstig herzustellende Düse zur Verfügung gestellt. Das keramische Material lässt sich in einfacher Weise bearbeiten, wobei zahlreiche Varianten im Hinblick auf die Formgebung möglich sind. Insbesondere können die Mittel zur Luftführung, die der Luft außerhalb des Lufteintrittsbereiches einen Drall zuführen, einstückig mit der Düse ausgebildet werden. Aufgrund der Verwendung einer Keramik besteht der weitere Vorteil, dass der Bereich der Düse um eine in der Düse angeordneten Brennstoffnadel keine zu hohen Temperaturen annimmt, so dass es nicht zu einer Entzündung von eventuell aus der Düse austretenden Brennstoffmengen kommen kann. Durch die einstückige Ausbildung der Mittel zur Luftführung können Toleranzen in einfacher Weise eingehalten werden, da eine falsche Justierung der Mittel zur Luftführung beim Zusammenbau des Reformers nicht mehr möglich ist.
Die Erfindung ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Düse Mittel zum Halten eines Glühstifts aufweist. Die Positionierung des Glühstiftes bezüglich der Düse ist ein wichtiger Parameter im Hinblick auf ein gutes Startver- halten des Reformers. Bei Heizgeräten des Standes der Technik wurde der Glühstift im Allgemeinen durch das Reformergehäuse gehalten, so dass sich hierdurch Positionierungsschwankungen bezüglich der Düse ergeben konnten. Durch die Eigenschaft der erfindungsgemäßen Düse, dass die Düse selbst Mittel zum Halten des Glühstifts aufweist, können derartige Toleranzen ausgeschlossen werden. Der Glühstift hat stets dieselbe Position bezüglich der Düse.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Düse in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Düse zumindest teilweise eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt hat und dass die Mittel zur Luftführung Kanäle bilden, die bezüglich der radialen Richtungen versetzt sind. Die senkrecht zur Achse der Düse einströmende Luft wird also nicht radial zugeführt sondern mit einem Versatz. Dieser Versatz bestimmt den Drall, der der Luft zugeführt wird, damit das Strömungsverhalten und letztlich auch die Eigenschaften und die Qualität der Verbrennung. Besonders nützlich ist es, dass die Mittel zur Luftführung im Wesentlichen dreiek- kige Grundflächen aufweisen, wobei die Ecken abgerundet sind. Hierdurch lässt sich der Kanalversatz in einfacher Weise realisieren. Die Abrundung der Ecken ist vorteilhaft für ein gleichmäßiges Strömungsverhalten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel zum Halten des Glühstifts als schräg zur Zylinderachse verlaufende Bohrung realisiert sind. Der Glühstift muss dann zur geeigneten Positionierung lediglich in die Bohrung eingeführt werden. Ein Anschlag am
Glühstift und/oder innerhalb der Bohrung sorgt dafür, dass der Glühstift bezüglich der Düse in seine optimale Position geführt wird.
Die erfindungsgemäße Düse ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weiter- gebildet, dass ein zumindest im Wesentlichen zylindrischer Teil der Düse einen im Wesentlichen zylindrischen Ansatz mit vergrößertem Durchmesser aufweist und dass die Mittel zum Halten des Glühstifts als schräg zur Zylinderachse verlaufende, den Ansatz durchdringende Bohrung realisiert sind. Auf diese Weise kann der Glühstift in einem Bereich gehalten werden, so dass er das Strömungsverhalten des einströmenden Brennstoff/Luft-Gemisches möglichst wenig beeinflusst. Durch den zylindrischen Ansatz, der einen größeren Durchmesser als der restliche Düsenkörper aufweist, ist dies in einfacher Weise zu bewerkstelligen.
Ebenfalls ist in besonders vorteilhafter Weise vorgesehen, dass ein zumindest im Wesentlichen zylindrischer Teil der Düse einen im Wesentlichen zylindrischen Ansatz mit vergrößertem Durchmesser aufweist und dass der zylindrische Ansatz Ausnehmungen zur Aufnahme von Montagebolzen aufweist. Diese Montagebolzen können beispielsweise an einem Hitzeschild des Reformers fest angebracht sein. Die relative Positionierung der Düse ist auf diese Weise durch die Ausneh- mungen in dem Ansatz und die Position der Montagebolzen festgelegt. Damit ist die Montage besonders einfach und mit nur geringen Toleranzen möglich. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das erfindungsgemäße System so weitergebildet sein, dass der Reformer, die Düse und die Brennstoffzufuhr auf einer Achse angeordnet sind, dass Mittel zum Halten der Düse und der Brennstoffzufuhr vorgesehen sind, dass mindestens zwei axial ausgerichtete Montagebolzen vorgesehen sind, die an dem Reformer befestigt sind, dass die Düse und die Brennstoffzufuhr Positioniereinrichtungen umfassen, die mit den Montagebolzen zusammenwirken, dass die Mittel zum Halten der Komponenten mit den Montagebolzen zusammenwirken und dass der Reformer, die Düse, die Brennstoffzufuhr und die Mittel zum Halten der Komponenten axial aufeinander- folgend angeordnet sind. Auf diese Weise orientieren sich alle Positionierungen der Komponenten an den Montagebolzen, so dass enge Toleranzen eingehalten werden können. Die Brennstoffnadel ist bezüglich der Düse äußerst genau positioniert. Ferner wird auch die Positionierung des für das Startverhalten erforderlichen Glühstiftes durch die Positionen der Montagebolzen vorgegeben. Letztlich erhält man einen stabilen Aufbau, der einen Reformerbetrieb mit hoher Qualität sicherstellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Mittel zum Halten der Komponenten als Feder ausgebildet sind, die auf den Montagebolzen durch Klemmscheiben gehalten wird. Eine Befestigung mit einer derartigen Feder hat den Vorteil, dass mechanische Spannungen, insbesondere aufgrund von Temperatureffekten, ausgeglichen werden können. Bei Systemen des Standes der Technik konnten durch mechanische Spannungen unerwünscht hohe Kräfte auf den Reformer und auf einen gegebenenfalls vorge- sehenen Hitzeschild des Reformers wirken, wodurch dieser letztlich verformt wurde.
Weiterhin ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Montagebolzen an dem Reformer angeschweißt sind. Auf diese Weise sind die Montagebolzen in defi- nierter Position bezüglich des Reformers fest mit diesem verbunden. Weiterhin ist es besonders bevorzugt, dass zwischen Düse und Reformer eine Dichtung vorgesehen ist. Diese dient sowohl der thermischen Isolierung als auch der Anpassung der Düse an den Hitzeschild des Reformers.
Es ist weiterhin in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Dichtung mindestens eine dem Reformer zugewandte Glimmerschicht und mindestens eine der Düse zugewandte Grafitschicht aufweist. Dies stellt die genannten vorteilhaften Eigenschaften der Dichtung in besonders zuverlässiger Weise zur Verfügung.
Es kann weiterhin in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Brennstoffzufuhr ein Metallgestrick aufweist. Dieses dient der Zerschlagung von Blasen im Brennstoff. Ferner wird hierdurch ein Gegendruck für einen gegebenenfalls an der Brennstoffleitung angeordneten Dämpfer zur Verfügung gestellt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es erhebliche Vorteile mit sich bringt, in dem Reaktionsraum einen Staukörper für durch die Düse zugeführtes Brennstoff/Luft-Gemisch vorzusehen. Dadurch werden sowohl im Brennerbetrieb als auch im Reformerbetrieb des erfindungsgemäßen Systems Vorteile erzielt. Im zum Vorwärmen des Systems vorgesehenen Brennerbetrieb wird beispielsweise ein Kaltstart erleichtert. Im Reformerbetrieb wird die Vermischung insbesondere von Brennstoff und Luft verbessert, so dass sich letztlich ein Reformat mit verbesserten Eigenschaften ergibt.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die beigleitenden Zeichnungen anhand bevor- zugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Systems, bei dem die vorliegende Erfindung einsetzbar ist;
Figur 2 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems; Figur 3 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems;
Figur 4 ein Diagramm zur Erläuterung des axialen Druckverlaufs in einer Venturidüse;
Figur 5a eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems;
Figur 5b eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Reaktionsraums des erfindungsgemäßen Systems;
Figur 5c eine Schnittansicht des Reaktionsraums von Figur 5b;
Figur 5d eine Draufsicht des Reaktionsraums von Figur 5b;
Figur 6 eine perspektivische Darstellung eines Trägers mit einer luftleitenden Einrichtung zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System;
Figur 7 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems;
Figur 8 eine schematische Schnittansicht entlang der in Figur 7 mit A-A gekennzeichneten Querschnittsebene;
Figur 9 eine schematische Schnittansicht, entsprechend dem Schnitt gemäß
Figur 8, einer weiteren Ausführungsform einer luftleitenden Einrich- tung;
Figur 10 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems;
Figur 11 eine Schnittansicht entlang der in Figur 10 mit B-B gekennzeichneten Ebene; Figur 12 eine Brennstoffnadel mit einer ersten Austrittsöffnung zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System;
Figur 13 eine Brennstoffnadel mit einer zweiten Austrittsöffnung zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System;
Figur 14 eine Brennstoffnadel mit einer dritten Austrittsöffnung zur Verwen- düng in einem erfindungsgemäßen System;
Figur 15 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer Düse zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System; Figur 16 eine Draufsicht auf den Lufteintrittsbereich einer Düse zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System; und Figur 17 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Figur 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Systems, bei dem die vorliegende Erfindung einsetzbar ist. Über eine Pumpe 240 wird einem Reformer 214 Brennstoff 216 zugeführt. Dem Reformer 214 wird weiterhin über ein Gebläse 242 Luft 218 zugeführt. Das in dem Reformer 214 erzeugte Reformat 220 gelangt über eine Ventileinrichtung 222 zur Anode 224 einer Brennstoffzelle 212. Der Kathode 230 der Brennstoffzelle 212 wird über ein Gebläse 226 Kathodenzuluft 228 zugeführt. Die Brennstoffzelle 212 erzeugt elektrische Energie 210. Das
Anodenabgas 234 und die Kathodenabluft 236 werden einem Brenner 232 zugeführt. Ebenfalls kann dem Brenner 232 über die Ventileinrichtung 222 Reformat zugeführt werden. Die in dem Brenner 232 erzeugte Wärmeenergie kann in einem Wärmetauscher 238 der Kathodenzuluft 228 zugeführt werden, so dass diese vorgewärmt wird. Aus dem Wärmetauscher 238 strömt Abgas 250 aus.
Das im Zusammenhang mit den nachfolgend beschriebenen Figuren dargestellte System kann verwendet werden, um dem Reformer 214 ein Brennstoff/Luft- Gemisch zuzuführen.
Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems. Das System umfasst einen Reformer 10 mit einem Reaktionsraum 12. An dem Reformer 10 ist eine Venturidüse 14 angeschlossen. Diese weist einen Lufteintrittsbereich 18 und einen Diffusor 20 auf, dessen Quer- schnitt sich in Richtung auf den Reformer 10 vergrößert. Innerhalb der Venturidüse 14 befindet sich in der Nähe des Lufteintrittsbereiches 18 eine Brennstoffzufuhrung 16. Diese umfasst ein Rohr 24 zum Zuführen von Brennstoff sowie eine Zweistoffdüse 26. Die Zweistoffdüse 26 ist mit einer Öffnung 80 ausgestattet, in welche Luft 82 einströmen kann. Diese vermischt sich innerhalb der Zweistoffdü- se 26 mit dem von dem Rohr 24 zugeführten Brennstoff. Aus der stromabwärtsgelegenen Öffnung der Zweistoffdüse 26 kann dann ein Brennstoff/Luft-Gemisch austreten, welches von Luft 82, die in den Lufteintrittsbereich 18 der Venturidüse 14 eintritt, mitgenommen wird. Das Brennstoff/Luft-Gemisch vermischt sich mit der in den Lufteintrittsbereich 18 der Venturidüse 14 eingeströmten Luft 82, und das so entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch gelangt über den Diffusor 20 in den Reaktionsraum 12 des Reformers 10. Weiterhin ist es möglich, eine Öffnung 30 zu dem Reaktionsraum 12 des Reformers 10 vorzusehen, durch die Sekundärluft 82 in den Reaktionsraum 12 eintreten kann. Ein Staukörper in Form einer Prallscheibe 300 ist bezogen auf die Düse 14 in der Austrittsrichtung des Brennstoff/Luft-Gemisches in dem Reaktionsraum 12 angeordnet. Die Prallscheibe 300 weist in ihrem äußeren Umfangsbereich einen umlaufenden Steg 308 auf, so dass sich eine topfartige Geometrie ergibt. Der Staukörper 300 ist in einem Be- reich des Reaktionsraums 12 angeordnet, der bei einem Brennerbetrieb des Systems eine Flammenzone bildet.
Figur 3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems. Die Brennstoffzufuhrung 16 ist bei dem in Figur 3 dargestellten System anders als bei dem System gemäß Figur 2. Der
Brennstoff wird zunächst wiederum über ein Rohr 24 zugeführt, gelangt dann jedoch in eine weitere Venturidüse 28, die wesentlich kleiner ist als die Venturidüse 14. In der Venturidüse 28 wird der flüssige Brennstoff durch die mit hoher Geschwindigkeit an der Austrittsöffnung des Rohrs 24 vorbeiströmende Luft 82 aufgenommen und zerstäubt. Das so entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch wird dann durch die Luft 82, die in dem Lufteintrittsbereich 18 der Venturidüse 14 einströmt, mitgenommen, so dass es sich mit dieser vermischen kann. Um diese Vermischung insbesondere im Reformerbetrieb weiter zu verbessern, ist auch bei dieser Ausführungsform ein Staukörper in Form einer Prallscheibe 300 in dem Reaktionsraum 12 angeordnet. Ähnlich wie bei der Ausführungsform von Figur 2 weist die Prallscheibe 300 in ihrem äußeren Umfangsbereich einen Steg 308 auf, so dass sich wiederum eine topfartige Geometrie ergibt. Figur 4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des axialen Druckverlaufs in einer Venturidüse. Es ist eine Druckdifferenz Δp zwischen dem Druck an einer bestimmten Koordinate I und dem Druck in dem Reaktionsraum 12 (siehe Figuren 2 und 3) aufgetragen. Die Luft 82 wird in den Lufteintrittsbereich 18 der Venturidüse 14 im Allgemeinen durch ein (nicht dargestelltes) Gebläse eingespeist, wobei diese Luft nur mit einem geringen Überdruck bereitgestellt wird. Aufgrund der Geschwindigkeitserhöhung der einströmenden Luft verringert sich der Druck bis auf einen Minimalwert. Im weiteren Verlauf der Luftströmung durch den Diffusor der Venturidüse nimmt die Strömungsgeschwindigkeit wieder ab und der Druck erhöht sich allmählich auf Reaktionskammerdruck. Es hat sich gezeigt, dass, wenn das Verhältnis von Staukörperdurchmesser zu Reaktionsraumdurchmesser zwischen 0,6 und 0,9 liegt und wenn das Verhältnis des axialen Abstands des Staukörpers 300 von einem Zerstäubungspunkt des Brennstoff/Luft-Gemisches zum Reaktionsraumdurchmesser zwischen 0,3 und 0,6 liegt, nur ein unwesentlich erhöhter Druckverlust in dem Reaktionsraum 12 auftritt.
Figur 5a zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems. Das System umfasst eine Venturidüse 14 mit einem Düsenstock 44. Weiterhin ist eine Brennstoffzufuhr 72 zum Zuführen von flüssigem Brennstoff in die Düse 14 vorgesehen. Der Brennstoff wird dem Lufteinströmbereich 92 über einen Brennstoffaustritt 84 einer Brennstoffnadel 22 zugeführt, dort von einströmender Luft mitgerissen und gelangt dann als Brennstoff/Luft-Gemisch über den Diffusor 20 in den Reaktionsraum 12 des Reformers 10. Dem Düsenstock 44 ist eine luftleitende Einrichtung 42 vorgeschaltet, die der in die Venturidüse 14 einströmenden Luft einen Drall aufprägt. Die luftleitende Einrichtung 42 ist als ein gegenüber der Stirnfläche 90 des Düsenstocks 44 mit Abstand angeordneter Träger 46, der beispielsweise kreisförmig gestaltet ist. Dieser bildet zusammen mit der Stirnfläche 90 des Düsenstocks 44 einen Ringspalt 86. An dem Träger 46 sind Drallschaufeln 88 angeordnet, die gegen die Stirnfläche 90 des Düsenstocks 44 gerichtet sind und in der Montagestellung daran anliegen. In dem Reaktionsraum 12 ist wieder ein Staukörper 300 angeordnet. Der Staukörper ist auch bei dieser Ausführungsform durch eine Prallscheibe 300 gebildet, die in ihrem äußeren Umfangsbereich einen Steg 308 aufweist, damit eine topfartige Geometrie gebildet wird. Der Steg 308 ist von Befestigungslaschen 306 unterbrochen, mit denen die Prallscheibe 300 an der Reaktionsraumwand befestigt ist. Das Verhältnis vom Prallscheibendurchmesser zum Reaktionsraumdurchmesser beträgt bei der in Figur 5a dargestellten Ausfüh- rungsform ungefähr 0,75 und liegt damit im bevorzugten Bereich von 0,6 bis 0,9. Auch das Verhältnis des axialen Abstands der Prallscheibe 300 von dem Zerstäubungspunkt des Brennstoff/Luft-Gemisches zum Reaktionsraumdurchmesser liegt in dem bevorzugten Bereich von 0,3 bis 0,6.
Figur 5b zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines
Reaktionsraums des erfindungsgemäßen Systems, Figur 5c zeigt eine Schnittansicht des Reaktionsraums von Figur 5b und Figur 5d zeigt eine Draufsicht des Reaktionsraums von Figur 5b. Diesen Darstellungen ist zu entnehmen, dass der Reaktionsraum 12 im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. Der durch Befestigungslaschen 306 an der Reaktionsraumwand befestigte Staukörper 300, der im Wesentlichen wieder durch eine Prallscheibe gebildet ist, weist eine Kammer 302 auf. In diese Kammer 302 ragt im fertigmontierten Zustand des Systems ein Glühstift beziehungsweise eine Glühkerze 304, um ein Zündelement zu bilden. Die Kammer 302 ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Glüh- stift beziehungsweise die Glühkerze 304 gerade hineinragt, so dass Strahlungsenergie des Glühstiftes beziehungsweise der Glühkerze 304 stromabwärts von der Düse 12 zur Bauteilerwärmung genutzt werden kann. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann der Staukörper 300 beziehungsweise die Prallscheibe 300, wie bei allen Ausführungsformen, Öffnungen in Form von Bohrungen und/oder Schlitzen aufweisen, wenn dies das Strömungsverhalten positiv beeinflusst.
Figur 6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer luftleitenden Einrichtung 42 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System. Die Drallschaufeln 88 sind an einem Träger 46 jeweils bezüglich der Radien der kreisförmigen Anordnung versetzt angeordnet, um eine tangentiale Strömungskomponente zu erzeugen.
Jeweils zwei Drallschaufeln 88 bilden zusammen mit dem Träger 46 und dem Düsenstock 44 eine konischen Kanal 48. Figur 7 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems. Die dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems unterscheidet sich von derjenigen gemäß Figur 5 darin, dass die luftleitende Einrichtung 42 als topfförmige Hülse 96 ausgebildet ist. Die Hülse 96 weist in ihrem Boden Axialbohrungen 94 auf, und in der Umfangswand 100 der Hülse 96 sind Tangentialbohrungen 98 ausgebildet. Die Hülse 96 ist an dem Düsenstock 44 der Venturidüse 14 befestigt, beispielsweise durch Aufstekken oder durch anderweitige form-, kraft- oder stoffschlüssige Verbindung. Die Axialbohrungen 94 und die Tangentialbohrungen 98 sind derart aufeinander abgestimmt, dass der einströmenden Luft ein definierter Drall verliehen wird. Die Anordnung des Staukörpers 300 entspricht dabei im Wesentlichen der Ausführungsform von Figur 5a. Der Staukörper weist wieder eine Prallscheibe 300 auf, die über Befestigungslaschen 306 an der Reaktionsraumwand befestigt ist. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zum Staukörper 300 der Figur 5a verwiesen.
Figur 8 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang der in Figur 7 mit A-A gekennzeichneten Querschnittsebene. Es ist eine beispielhafte Anordnung der Axialbohrungen 94 und der Tangentialbohrungen 98 in der Hülse 96 dargestellt. Durch eine Variation der Anzahl der Öffnungen beziehungsweise Bohrungen 94, 98 sowie ihrer Größe und Anordnung kann der Drall der Luftströmung bedarfsweise eingestellt werden.
Figur 9 zeigt eine schematische Schnittansicht, entsprechend Figur 8, einer weiteren Ausführungsform einer luftleitenden Einrichtung. Die hier dargestellte Hülse 96 weist in ihrer Umfangswand 100 Luftöffnungen 102 auf, die zum Zentrum der Hülse 96 hin von einer der jeweiligen Luftöffnung 102 zugeordneten Luftleitschaufel 104 begrenzt sind. Durch die Luftleitschaufeln 104 wird der einströmenden Luft eine tangentiale Strömungskomponente aufgeprägt.
Figur 10 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems. Die Funktion und die Eigenschaften der dargestellten Komponenten ergeben sich unter Berücksichtigung der Bezugszeichen aus der vorangehenden Beschreibung. Die Darstellung ist stark schemati- siert, so dass wesentliche Bestandteile des Systems erkennbar sind. Im zylindrischen Teil 38 der Venturidüse 14 ist die Brennstoffnadel 22 zum Zuführen von Brennstoff angeordnet. Einerseits ist es sinnvoll, die Brennstoffnadel 22 in genau diesem verengten zylindrischen Teil 38 der Venturidüse 14 anzuordnen, da die mit großer Strömungsgeschwindigkeit strömende Brennluft 82 die Zerstäubung des Brennstoffs begünstigt. Andererseits stellt die Brennstoffnadel 22 aber auch ein Strömungshindernis für die zuströmende Brennluft 82 dar. Dies ist ein grundsätzliches Problem, welches durch nachfolgend beschriebene Merkmale im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen System gelöst wird. Ein in dem Reaktionsraum 12 vorgesehener Staukörper 300 ist auch bei dieser Ausführungsform mit Befestigungslaschen 306 an der Reaktionsraumwand befestigt. Durch einen Steg 308 erhält der Staukörper 300 eine topfartige Geometrie, was die Strömungseigenschaften günstig beeinflusst. Die Linie B-B kennzeichnet eine radiale Schnittebene, auf die bei der nachfolgenden Beschreibung Bezug ge- nommen wird.
Figur 11 zeigt eine Schnittansicht entlang der in Figur 10 mit B-B gekennzeichneten Ebene. Es ist zu erkennen, auf weiche Weise die vorliegende Erfindung die im Zusammenhang mit Figur 10 geschilderte Problematik löst. Indem das Ver- hältnis zwischen Innendurchmesser dj und Außendurchmesser da der Brennstoff- nadel 22 möglichst nahe dem Wert 1 gewählt wird, stellt die Brennstoffnadel 22 einen minimalen Strömungswiderstand für die zuströmende Brennluft in der Venturidüse 14 dar.
Figur 12 zeigt eine Brennstoffnadel 22 mit einer ersten Austrittsöffnung zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System. In diesem Fall ist die Austrittsebene 32 des Brennstoffs 106 aus der Brennstoffnadel 22 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Brennstoffs 106. Dies hat eine Einschnürung des Brennstoffs 106 außerhalb der Brennstoffnadel 22 zur Folge, was mitunter im Hinblick auf eine homogene Verteilung des Brennstoffs 106 in der Venturidüse und letztlich in der Brennkammer nachteilig sein kann. Figur 13 zeigt eine Brennstoffnadel 22 mit einer zweiten Austrittsöffnung zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System. Hier hat die Austrittsöffnung der Brennstoffnadel 22 Zinnen 36. Diese Zinnen 36 bündeln den austretenden Brennstoff 106 in bestimmten Bereichen, und letztlich wird erreicht, dass der Brennstoff 106 nahezu homogen über den gesamten ihm zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitt verteilt ist.
Figur 14 zeigt eine Brennstoffnadel 22 mit einer dritten Austrittsöffnung zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System. Hier ist eine Brennstoffnadel 22 mit einer abgeschrägten Öffnung 34 zu erkennen. Diese erteilt dem ausströmenden Brennstoff 106 eine Vorzugsrichtung, so dass beispielsweise einem Schwer- krafteffekt entgegengewirkt werden kann.
Die speziellen Ausgestaltungen von Brennstoffnadeln, die im Rahmen der vorlie- genden Offenbarung beschrieben werden, können in für die Erfindung vorteilhafter Weise kombiniert werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass eine schräge Austrittsebene mit einer zinnenartigen Struktur kombiniert wird.
Figur 15 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer Düse 14 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System. Die Venturidüse 14 ist aus keramischem Material gefertigt, was die Herstellung der Düse 14 im Vergleich zu Metalldüsen vereinfacht. Im Lufteintrittsbereich 18 sind Mittel 40 zur Luftführung vorgesehen. Diese sind einstückig mit der Düse 14 ausgebildet. Insbesondere sind auch sie aus keramischen Material gefertigt. Die Luftführungs- elemente 40 sind so ausgerichtet, dass der zugeführten Luft ein Drall vermittelt wird, was nachfolgend mit Bezug auf Figur 16 näher erläutert wird. Die Venturidüse 14 ist weiterhin mit einer Bohrung 62 ausgestattet. In diese Bohrung 62 kann ein Glühstift 64 eingesetzt werden, der dem Zünden des in den in Figur 15 nicht dargestellten Reaktionsraum eintretenden Brennstoff/Luft-Gemisches dient. Insbesondere beim Start des erfindungsgemäßen Systems arbeitet der Reformer nach Art eines Brenners, so dass eine anfängliche Zündung des Brennstoff/Luft- Gemisches erforderlich sein kann. Vorteilhaft an der Anordnung des Glühstifts 64 in einer Bohrung 62 der Düse 14 ist, dass die Positionierung des Glühstiftes 64 bezüglich der Düse 14 festgelegt ist. Die Positionierung des Glühstiftes 64 hängt also insbesondere nicht von beliebigen anderen Bauteilen ab. Auf diese Weise können sehr geringe Toleranzen im Hinblick auf die Einbaulage des Glühstiftes 64 eingehalten werden. Die Bohrung 62 durchsetzt in vorteilhafter Weise einen in seinem Radius vergrößerten zylindrischen Ansatz 66 der Düse 14, was den
Vorteil hat, dass das Strömungsverhalten der Düse 14 nur wenig von der Bohrung 62 beziehungsweise von dem in der Bohrung 62 angeordneten Glühstift 64 beeinflusst wird.
Figur 16 zeigt eine Draufsicht auf den Lufteintrittsbereich 18 einer Düse 14 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System. Es ist eine mögliche Gestaltung des Lufteintrittsbereiches 18 durch Luftführungselemente 40 dargestellt. Die Luftführungselemente 40 bilden Kanäle 48 für die einströmende Luft. Diese Kanäle 48 sind bezüglich der Radien des im Wesentlichen auf einer Achse angeord- neten Aufbaus so positioniert, dass ein Versatz vorliegt. Von außen einströmende Luft erfährt somit einen Drall, was vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf die Zerstäubung des Brennstoffes mit sich bringt, der aus der Brennstoffnadel austritt. Weiterhin ist in der vorliegenden Darstellung die Anordnung der Öffnung 62 zur Aufnahme des Glühstiftes zu erkennen. Diese durchdringt einen im Wesentlichen zylinderförmigen Ansatz 66. Der Ansatz 66 ist weiterhin mit Ausnehmungen 68 versehen. Diese Ausnehmungen 68 definieren die Einbaulage der Düse 14, was nachfolgend mit Bezug auf Figur 17 näher erläutert wird.
Figur 17 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems. Ein der Düse 14 zugewandtes Ende des Reformers 10 ist dargestellt. Der Reformer 10 ist von einem Hitzeschild 108 begrenzt. An diesem Hitzeschild 108 sind bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform zwei Montagebolzen 70 vorgesehen. Diese Montagebolzen 70 können an dem Hitzeschild 108 beziehungsweise an dem Reformer 10 ange- schweißt sein. Die Montagebolzen 70 definieren die Positionierung der nachfolgend beschriebenen weiteren Komponenten. Zunächst ist eine Dichtung 78 vorgesehen, die vorzugsweise aus einer Glimmerschicht und einer Grafitschicht besteht, wobei die Glimmerschicht dem Reformer 10 zugewandt ist und die Gra- fitschicht der Düse 14 zugewandt ist. Es folgt die Keramikdüse 14, die mit ihren in Figur 16 dargestellten Ausnehmungen 68 auf den Montagebolzen 70 sitzt. Auf die Düse 14 ist eine Brennstoffzufuhr 72, die mit der Brennstoffnadel 22 in Verbindung steht, aufgesetzt. Diese Brennstoffzufuhr 72 wird ebenfalls durch die Monta- gebolzen 70 positioniert. Die Brennstoffzufuhr 72 wird von einer Brennstoffleitung 110, in der ein Brennstoffsensor 112 angeordnet ist, mit Brennstoff versorgt. Auf die Brennstoffzufuhr 72 folgt eine Feder 74, die ebenfalls auf die Montagebolzen 70 aufgesetzt ist. Die Feder 74 wird durch Klemmscheiben 76, die auf den Montagebolzen 70 unverrückbar sitzen, gehalten. Die Feder 74 ist in einem gespann- ten Zustand dargestellt, in dem die Schenkel der Feder 74 beispielsweise parallel zur dazwischenliegenden Scheibe sind. Im entspannten Zustand der Feder 74 sind die Schenkel der Feder 74 nach oben in Richtung auf die dazwischenliegende Scheibe gebogen. Ein (nicht dargestellter) Glühstift wird in Übereinstimmung mit der in Figur 15 dargestellten Ausführungsform einer Düse 14 von dieser positioniert und von einer (nicht dargestellten) Drahtfeder gehalten, die sich an der Düse 14 abstützt.
Die Brennstoffzufuhr 72 und damit die Brennstoffnadel 22 sind auf diese Weise bezüglich der Düse 14 automatisch ausgerichtet. Es sind daher nur noch zwei Bauteile beteiligt, die die Zuführung von Brennstoff und die Vermischung des Brennstoffs mit der Brennluft beeinflussen, so dass sehr geringe Toleranzen eingehalten werden können, was zudem durch die Montageart auf den Montagebolzen 70 möglich ist. Ebenfalls kann der Glühstift exakt bezüglich Düse 14 und Reformer 10 positioniert werden.
Die Fertigung des in Figur 17 dargestellten Aufbaus ist voll automatisierbar. Insbesondere ist die Montagerichtung einheitlich axial, so dass lediglich ein "Auffädeln" der Bauteile durchgeführt werden muss. Die Dichtung 78 stellt eine Wärmeisolierung, eine Ankopplung der Düsenkeramik 14 an das Metall des Hitze- Schildes 108 und einen Toleranzausgleich zur Verfügung. Der Aufbau kann in vorteilhafter Weise durch kraftgesteuertes Aufpressen der Klemmscheiben 76 auf die Montagebolzen 70 montiert werden, so dass im Hinblick auf die Wärme- und Temperatureigenschaften des Aufbaus einheitliche Voraussetzungen geschaffen werden können. Vermittelt durch die Federkraft können Toleranzen aufgrund unterschiedlicher Erwärmungen der Komponenten, unterschiedlicher Endtemperaturen der Komponenten und unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten ausgeglichen werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
10 Reformer
12 Reaktionsraum
14 Venturidüse
16 Brennstoffzufuhrung
18 Lufteintrittsbereich
20 Diffusorbereich
22 Brennstoffnadel
24 Rohr
26 Zweistoffdüse
28 Venturidüse
30 Sekundäriuftöffnung
32 Austrittsöffnung
34 Austrittsöffnung
36 Zinnen
38 zylindrischer Teil
40 Mittel zur Luftführung
42 luftleitende Einrichtung
44 Düsenstock
46 Träger
48 Kanal
62 Bohrung
64 Glühstift
66 zylindrischer Ansatz
68 Ausnehmung
70 Montagebolzen
72 Brennstoffzufuhr
74 Feder
76 Klemmscheiben
78 Dichtung
80 Öffnung 82 Luft
84 Brennstoffaustritt
86 Ringspalt
88 Drallschaufel
90 Stirnfläche
92 Lufteinströmkanal
94 Axialbohrung
96 Hülse
98 Tangentialbohrung
100 Umfangswand
102 Luftöffnung
104 Luftleitschaufel
106 Brennstoff
108 Hitzeschild
110 Brennstoffleitung
112 Brennstoffsensor
210 elektrische Leistung
212 Brennstoffzelle
214 Reformer
216 Brennstoff
218 Luft
220 Reformat
222 Ventileinrichtung
224 Anode
226 Gebläse
228 Kathodenzuluft
230 Kathode
232 Brenner
234 Anodenabgas
236 Kathodenabluft
238 Wärmetauscher
240 Pumpe
242 Gebläse 250 Abgas
300 Staukörper/Prallscheibe
302 Kammer
304 Glühstift/Glühkerze
306 Befestigungslaschen
308 Steg

Claims

Ansprüche
1. System zum Umsetzen von Brennstoff und Luft zu Reformat mit einem Reformer (10), der einen Reaktionsraum (12) aufweist, - einer Düse (14) zum Zuführen eines Brennstoff/Luft-Gemisches zu dem Reaktionsraum (12) und einer Brennstoffzufuhrung (16) zum Zuführen von Brennstoff in die Düse (14), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktionsraum (12) ein Staukör- per (300) für durch die Düse (14) zugeführtes Brennstoff/Luft-Gemisch vorgesehen ist.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper (300) bezogen auf die Düse (14) in der Austrittsrichtung des Brenn- stoff/Luft-Gemisches angeordnet ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper (300) in einem Bereich des Reaktionsraums (12) angeordnet ist, der bei einem Brennerbetrieb des Systems eine Flammenzone bildet.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper eine Prallscheibe (300) aufweist.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Staukörper (300) zumindest abschnittsweise konisch und/oder konvex und/oder konkav ausgebildet ist.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper (300) zumindest abschnittsweise topfartig ausgebildet ist.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenabmessungen des Staukörpers (300) kleiner als die Innenabmessungen des Bereichs des Reaktionsraums (12) sind, in dem der Staukörper (300) angeordnet ist.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Staukörperdurchmesser zu Reaktionsraumdurchmesser zwischen 0,6 und 0,9 liegt.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des axialen Abstands des Staukörpers (300) von einem Zerstäubungspunkt des Brennstoff/Luft-Gemisches zum Reaktionsraumdurchmesser zwischen 0,3 und 0,6 liegt.
10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper (300) Öffnungen aufweist, insbesondere in Form von Bohrungen und/oder Schlitzen.
11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper zumindest einen teilringförmigen oder ringförmigen Abschnitt aufweist.
12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper (300) eine Kammer (302) aufweist, der zumindest ein Heizelement (304) zugeordnet ist.
13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Heizelement durch einen Glühstift (304) und/oder eine Glühkerze (304) gebildet ist.
14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Staukörper (300) direkt und/oder indirekt am Reaktionsraum (12) befestigt ist, insbesondere am Boden des Reaktionsraums (12).
15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper (300) zumindest abschnittsweise aus Stahl, insbesondere hochlegiertem Stahl, und/oder Keramik und/oder keramikbeschichtetem Stahl gebildet ist.
16. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Lufteintrittsbereich (18) Mittel (40) zur Luftführung vorgesehen sind, die der zuströmenden Luft einen Drall vermitteln.
17. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (14) eine Venturidüse mit einem Lufteintrittsbereich (18) und einem sich bezüglich des Lufteintrittsbereiches (18) stromabwärts erstreckenden Diffusorbereich (20) ist.
EP01274475A 2001-09-05 2001-10-18 System zum umsetzen von brennstoff und luft zu reformat Ceased EP1423188A1 (de)

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DE10143461 2001-09-05
DE10143461A DE10143461A1 (de) 2001-09-05 2001-09-05 System zum Zuführen von Brennluft und flüssigem Brennstoff in einen Brenner
DE10144407A DE10144407B4 (de) 2001-09-10 2001-09-10 Düse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff
DE10144400A DE10144400B4 (de) 2001-09-10 2001-09-10 Vorrichtung zum Einbringen eines Brennstoff/Luft-Gemisches in einen Brenner
DE10144400 2001-09-10
DE10144408A DE10144408B4 (de) 2001-09-10 2001-09-10 Düse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff
DE10144407 2001-09-10
DE10144408 2001-09-10
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Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7357821B2 (en) * 2001-09-05 2008-04-15 Webasto Ag System for converting fuel and air into reformate
WO2004076922A1 (de) * 2003-02-28 2004-09-10 Webasto Ag Düse zum zerstäuben von flüssigem brennstoff
US7261960B2 (en) * 2003-05-16 2007-08-28 General Motors Corporation Apparatus and method for internal stack temperature control
US7135245B2 (en) * 2003-05-16 2006-11-14 General Motors Corporation Apparatus and method for stack temperature control
DE10347509B4 (de) * 2003-10-13 2006-08-10 Webasto Ag Heizgerät mit einer Zerstäuberdüse
DE10349075B4 (de) * 2003-10-22 2016-01-07 Airbus Operations Gmbh Vorrichtung zur Zufuhr von Brennstoff zu einem Brenner in einem Brennstoffzellensystem mit einem Reformer
US7108838B2 (en) * 2003-10-30 2006-09-19 Conocophillips Company Feed mixer for a partial oxidation reactor
JP2005146926A (ja) * 2003-11-12 2005-06-09 Toyota Motor Corp 燃料改質装置
DE10357474B4 (de) * 2003-12-09 2006-05-24 Webasto Ag System zum Umsetzen von Brennstoff und Luft zu Reformat
US20060042565A1 (en) * 2004-08-26 2006-03-02 Eaton Corporation Integrated fuel injection system for on-board fuel reformer
KR100782237B1 (ko) 2005-08-26 2007-12-05 베바스토 아게 액체 연료 분사용 노즐
WO2008052361A1 (en) * 2006-11-03 2008-05-08 Nxtgen Emission Controls Inc. Fuel processor
US7862633B2 (en) 2007-04-13 2011-01-04 Battelle Memorial Institute Method and system for introducing fuel oil into a steam reformer with reduced carbon deposition
US9121609B2 (en) * 2008-10-14 2015-09-01 General Electric Company Method and apparatus for introducing diluent flow into a combustor
US8263027B2 (en) * 2009-08-12 2012-09-11 Alliant Techsystems Inc. Apparatus, systems and methods for the production of hydrogen
CA2721990A1 (en) * 2009-11-23 2011-05-23 Green Roads Recycling Ltd. Direct-fired, axial flow, co-current heating system for hot-in-place asphalt recycling
DE102012101580B4 (de) 2012-02-27 2020-10-29 Webasto Ag Mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät
DE102012101577A1 (de) 2012-02-27 2013-08-29 Webasto Ag Mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät
DE102012101578A1 (de) * 2012-02-27 2013-08-29 Webasto Ag Mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät
EP3049725B1 (de) 2013-09-23 2019-04-17 Bloom Engineering Company, Inc. Regenerativer brenner für nicht-symmetrische verbrennung
US9593848B2 (en) 2014-06-09 2017-03-14 Zeeco, Inc. Non-symmetrical low NOx burner apparatus and method
CN105642198B (zh) * 2016-03-18 2018-03-30 神华集团有限责任公司 一种固定床多相雾化喷嘴

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2544299A (en) * 1951-03-06 Liquid fuel burner with mixing and igniting means
US1725974A (en) * 1926-12-16 1929-08-27 Paul P Brautigam Fire and heat deflector and heat retainer
US2394627A (en) * 1942-10-21 1946-02-12 Stewart Warner Corp Heating apparatus
CH255564A (de) 1947-05-28 1948-06-30 Flueck Basil Olverbrennungseinrichtung mit Brenner.
US2650555A (en) * 1950-08-14 1953-09-01 Vape O Plate Co Baffle member for combustion chambers
CH303815A (de) 1951-06-13 1954-12-15 Shorrock Christopher Verfahren zum Verbrennen von flüssigem Brennstoff und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
FR1066117A (fr) * 1952-05-16 1954-06-02 Perfectionnements aux brûleurs pour combustibles pulvérisés
GB739699A (en) * 1954-05-11 1955-11-02 Bataafsche Petroleum Improvements in or relating to apparatus for burning liquid and/or gaseous fuel
DE1229229B (de) 1963-07-18 1966-11-24 Zink Co John Brenner fuer gasfoermige und fluessige Brennstoffe
CA995575A (en) * 1972-12-11 1976-08-24 Midland-Ross Corporation Throat mix burner
DE2306025C3 (de) * 1973-02-07 1978-11-02 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen Schnellstartgerät insbesondere für an Brennkraftmaschinen eingesetzte Spaltgasgeneratoren
DE2433811C2 (de) 1974-07-13 1986-04-17 Ivor Gray Zermatt Wallis Nixon Verfahren zum Betreiben eines Brenners mit unvollständiger Verbrennung
JPS5240221A (en) * 1975-09-25 1977-03-29 Nippon Soken Inc Carureter of a fuel quality improving device
US4125359A (en) * 1977-06-29 1978-11-14 Selas Corporation Of America Burner assembly
JPS5653308A (en) * 1979-10-03 1981-05-12 Hitachi Ltd Liquid fuel evaporation type combustor
NL8201175A (nl) * 1982-03-22 1983-10-17 Shell Int Research Werkwijze en inrichting voor het bereiden van synthesegas.
US4651524A (en) * 1984-12-24 1987-03-24 Arvin Industries, Inc. Exhaust processor
SU1526791A1 (ru) * 1987-06-03 1989-12-07 Научно-исследовательский институт механики МГУ им.М.В.Ломоносова Струйный аппарат
DE9405748U1 (de) * 1994-04-07 1994-09-01 Fritz Eichenauer GmbH & Co. KG Fabrik elektr. Spezialartikel, 76870 Kandel Flammenumlenkplatte zum Einbau in einem Heizkessel
US5951021A (en) * 1994-11-22 1999-09-14 Japan Metal Gasket Co., Ltd. Metallic gasket
DE29518919U1 (de) * 1995-11-29 1996-01-25 MEKU Metallverarbeitungs-GmbH, 78083 Dauchingen Mischeinrichtung für einen Brenner
KR100211676B1 (ko) * 1996-12-24 1999-08-02 구이회 스팀 전환가열식 완전연소 드라이어버너를 채용한 냉골재 가열장치
CA2276464C (en) * 1997-01-07 2007-05-08 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Fluid mixer and process using the same
US5899075A (en) * 1997-03-17 1999-05-04 General Electric Company Turbine engine combustor with fuel-air mixer
US5997596A (en) * 1997-09-05 1999-12-07 Spectrum Design & Consulting International, Inc. Oxygen-fuel boost reformer process and apparatus
AT407355B (de) 1998-07-30 2001-02-26 Ernst Krause & Co Gelenkanordnung
US6123542A (en) * 1998-11-03 2000-09-26 American Air Liquide Self-cooled oxygen-fuel burner for use in high-temperature and high-particulate furnaces
DE29914177U1 (de) * 1999-08-13 1999-10-21 Viessmann Werke Kg Brennkammer für Heizkessel
EP1269074B1 (de) 2000-03-24 2005-08-10 Webasto Thermosysteme International GmbH Zweistoff-brenner mit venturirohr-brennstoffzerstäubung und venturidüse zum zerstäuben von flüssigem brennstoff
DE10019198A1 (de) * 2000-04-17 2001-10-18 Webasto Thermosysteme Gmbh Zerstäuberbrenner
DE10039152A1 (de) * 2000-08-06 2002-02-14 Webasto Thermosysteme Gmbh Zerstäuberbrenner
US7357821B2 (en) * 2001-09-05 2008-04-15 Webasto Ag System for converting fuel and air into reformate

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO03022424A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP1423190A2 (de) 2004-06-02
WO2003022423A1 (de) 2003-03-20
US7531015B2 (en) 2009-05-12
EP1423189B1 (de) 2007-08-15
EP1423189A1 (de) 2004-06-02
US20040191131A1 (en) 2004-09-30
WO2003022422A8 (de) 2003-04-17
US7357821B2 (en) 2008-04-15
DE50112884D1 (de) 2007-09-27
US20040068934A1 (en) 2004-04-15
DE50112883D1 (de) 2007-09-27
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US7357820B2 (en) 2008-04-15
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