(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料から水素リッチガスを生成する燃料改質器に炭化水素燃料を噴射する燃料噴射システム（１）であって、炭化水素燃料を前記燃料改質器に噴射する少なくとも１つの燃料噴射要素（２）を含み、該燃料噴射システムが、少なくとも２つのポート（Ｐ；Ｃ）を備える弁（１０）を含み、前記弁（１０）の第１ポート（Ｃ）が、少なくとも１つの燃料噴射要素（２）に接続され、前記弁（１０）の第２ポート（Ｐ）が、燃料供給系（４、６、８）からの炭化水素燃料を受けるように構成されており、前記弁（１０）が、脈動圧力を有する炭化水素燃料流を供給するように構成されて、前記燃料噴射システム（１）が、炭化水素燃料の脈動噴霧を燃料改質器に噴射するように構成される燃料噴射システム（１）において、
前記弁（１０）の第１ポート（Ｃ）と前記少なくとも１つの燃料噴射要素（２）との間に配置される、少なくとも１つの燃料流停止要素（１２）をさらに含み、
前記少なくとも１つの燃料流停止要素（１２）は、前記少なくとも１つの燃料噴射要素（２）に供給される燃料流の圧力が、所定の閾値圧力値を下回ったら、前記少なくとも１つの燃料噴射要素（２）への炭化水素燃料流の供給を停止するように構成されていることを特徴とする、燃料噴射システム（１）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの燃料流停止要素（１２）は、逆止弁であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項３】
前記少なくとも１つの燃料流停止要素（１２）及び前記少なくとも１つの燃料噴射要素（２）を一緒に設計することにより、内蔵燃料流停止要素（１２）を備える少なくとも１つの燃料噴射要素（２）を形成することを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項４】
燃料供給管路（ｐ）を介して前記弁（１０）に接続される、液体炭化水素燃料を入れる燃料タンク（４）と、該燃料供給管路（ｐ）内に含まれる炭化水素燃料を加圧するポンプ（６）とを含む燃料供給系（４、６、８）を含み、これによって、燃料タンク（４）内の燃料が、一定の圧力レベル、又はわずかにしか変動しない圧力レベルであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項５】
燃料タンク（４）内の燃料が、前記燃料噴射システム（１）がさらされる実際の大気圧に等しい圧力レベルであることを特徴とする、請求項４に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項６】
前記燃料供給系（４、６、８）が、燃料供給管路（ｐ）内の燃料に超過圧力が発生するのを防止する、及び／又は該燃料供給管路（ｐ）内の燃料を一定の圧力レベル、又はわずかにしか変動しない圧力レベルに維持する減圧弁（８）をさらに含み、該減圧弁は、前記燃料タンク（４）及び前記燃料供給管路（ｐ）と接続していることを特徴とする、請求項４または５に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項７】
前記減圧弁（８）は、背圧タイプの減圧弁（８）であることを特徴とする、請求項６に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項８】
前記弁（１０）が、３つのポート、すなわち燃料供給ポート（Ｐ）、圧力逃がしポート（Ｒ）及び燃料噴射要素接続ポート（Ｃ）を備える三方弁であって、該燃料供給ポート（Ｐ）及び圧力逃がしポート（Ｒ）は、それぞれ燃料供給管路（ｐ）及び減圧管路（ｒ）を介して前記燃料タンク（４）と接続しており、該燃料噴射要素接続ポート（Ｃ）は、燃料噴射要素接続管路（ｃ）を介して少なくとも１つの燃料噴射要素（２）と接続していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項９】
非作動状態にある前記三方弁（１０）が、加圧燃料供給管路（ｐ）に対して閉じているのに対し、前記燃料噴射要素接続ポート（Ｃ）は、圧力逃がしポート（Ｒ）を介して減圧管路（ｒ）に作動可能に接続されており、作動状態にある前記三方弁（１０）が、減圧管路（ｒ）に対して閉じているのに対し、前記燃料噴射要素接続ポート（Ｃ）は、加圧燃料供給ポート（Ｐ）を介して燃料供給管路（ｐ）に作動可能に接続されていることを特徴とする、請求項８に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項１０】
前記三方弁（１０）は、電気によって作動することを特徴とする、請求項８または９に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項１１】
炭化水素燃料流圧力の変動を低減するガスアキュムレーター（１４）をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項１２】
前記ガスアキュムレーター（１４）が、前記弁（１０）近傍に配置されることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項１３】
前記弁（１０）が、低周波で作動することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項１４】
前記弁（１０）が、５０ヘルツ以下の周波数で作動することを特徴とする、請求項１３に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項１５】
前記弁（１０）に供給される燃料供給管路（ｐ）内の炭化水素燃料の圧力が、大気圧より高い範囲にあることを特徴とする、請求項４〜１４のいずれか一項に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項１６】
前記弁（１０）に供給される燃料供給管路（ｐ）内の炭化水素燃料の圧力が、大気圧より８〜１５バール高い範囲にあることを特徴とする、請求項１５に記載の燃料噴射システム（１）。
【請求項１７】
燃料噴射要素（２）によって、炭化水素燃料から水素リッチガスを生成する燃料改質器に炭化水素燃料を噴射する燃料噴射方法であって、少なくとも１つの燃料噴射要素（２）に脈動圧力を有する炭化水素燃料流を供給することにより、液体炭化水素燃料を炭化水素燃料の少なくとも１つの脈動噴霧として該燃料改質器に噴射するステップを特徴とし、該方法が、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の燃料噴射システム（１）によって実施されることを特徴とする、方法。
【請求項１８】
前記炭化水素燃料流圧力が、低周波数で脈動することを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記炭化水素燃料流圧力が、５０ヘルツ以下の周波数で脈動することを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素燃料から水素リッチガスを生成する燃料改質器に、水素燃料、特に液体炭化水素燃料を噴射する燃料噴射システム及びその方法であって、炭化水素燃料を燃料改質器中に噴霧するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素リッチガスは、最終的に水素を生成するために、中間生成物として用いることができる。水素は、様々な目的に用いることができる。例えば、水素は、車両又はその他の用途のために電気エネルギーを供給する燃料電池の作動に必要である。水素は、タンクに直接貯蔵することができるが、こうした貯蔵は技術的に複雑であり、しかも水素は爆発性があるため危険である。このため、触媒変換によって（好ましくは液体の）炭化水素燃料から水素リッチガスを生成するのが有用であることが証明されている。
【０００３】
炭化水素燃料に含まれる炭化水素鎖の触媒変換は公知であり、従って、以下に要約するにとどめる。通常、触媒変換は複数の連続的ステップで実施され、これは、液体炭化水素燃料に含まれる炭化水素鎖を分解し、最終的に、熱力的平衡に従い、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、さらには、一般に、ある割合で残留する炭化水素鎖も含む水素リッチガスに変換する、実際の改質ステップを含む。
【０００４】
次に、必要な純度の水素を生成するために、上記の水素リッチガスを、後に続く段階において公知の方法でさらに処理するが、これは、例えば、一酸化炭素と水を触媒により二酸化炭素と水素に変換する、次の段階的シフト反応を適用し、さらに、必要であれば、水素リッチガス中の他の不要な物質（例えば、残留炭化水素鎖など）を除去するか、又は全水素生成工程の終了時に最終的に生成される水素の使用に差し支えのない化合物に変換する、続く清浄工程を適用することによって実施する。
【０００５】
上記方法における第１ステップ、すなわち、炭化水素燃料の水素リッチガスへの触媒変換を目的として、いわゆる燃料改質器が用いられる。燃料改質器の良好な動作モードに関して、水素リッチガスへの炭化水素燃料の効果的かつ効率的な変換は、中でも反応物質の良好な混合に左右されることが明らかにされている。そのような混合のためには、炭化水素燃料を燃料改質器中に噴霧するのが有用であることが証明されており、これによって、炭化水素燃料の良好な霧化又は気化を達成することができる。
【０００６】
不都合なことに、液体炭化水素燃料を燃料改質器において用いる場合、噴射された炭化水素燃料の量を調節するのと同時に、水又は蒸気のような他の反応物質との混合物の霧化又は気化の程度に関して高い品質の噴霧を維持することは困難である。
【０００７】
実際には、燃料改質器は、広範囲の燃料流量、例えば毎分２．５ｇ〜２５ｇの燃料の範囲で動作させる必要がある。通常、燃料改質器の動作範囲は、最小流量（上記例では、毎分２．５ｇの燃料）と最大流量（上記例では、毎分２５ｇの燃料）の固定比として表される。この比は「ターンダウン比」と呼ばれるが、上記の例では、ターンダウン比は１：１０である。一般に、高いターンダウン比が望ましいが、これは同時に、燃料改質器を広い範囲の燃料流量で作動させることができることを意味する。
【０００８】
しかし、実際には、広い範囲の燃料流量にわたって燃料の最適な噴霧又は霧化をもたらす燃料噴射要素を設計するのはかなり難しい。通常、燃料噴射要素の形状は、１つの燃料流量、例えば前述した毎分２．５ｇの最小燃料流量又は前述した毎分２５ｇの最大燃料流量のいずれかについて設計されている。そのため、燃料噴霧の霧化は、燃料噴射要素の複数の様々な部品によって影響されうる。理解しやすくするため、設計の課題については、燃料噴霧吐出孔のサイズに関する例を用いて説明することにする。
【０００９】
例えば、燃料噴霧吐出孔のサイズは、最小流量又は最大流量のいずれかについて最適化することができる。孔のサイズが、低い燃料量、例えば毎分２．５ｇの燃料噴霧の良好な霧化を達成するように設計される（小さい孔の）場合には、孔のサイズはかなり小さいため、このように小さい孔を通して、孔手前の燃料の圧力を過剰に上昇させることなく、より高い燃料量、例えば毎分２５ｇを強制的に噴霧させようとするのは極めて困難であろう。反対に、孔のサイズが、高い燃料量、例えば毎分２５ｇの燃料噴霧の良好な霧化を達成するように設計される（大きい孔の）場合には、孔のサイズはかなり大きいため、低い燃料量、例えば毎分２．５ｇに使用すると、孔での燃料の圧力が霧化燃料噴霧を生成するには低すぎるため、十分な霧化燃料噴霧が達成されないばかりか、燃料のあとだれが起こってしまう。従って、１つの標準ノズル設計のみを用いて高い流量及び低い流量の両方について優れた噴霧品質を達成するノズルを設計することが課題である。
【００１０】
それでもやはり、燃料改質器の広い作動範囲、すなわち高いターンダウン比が各々に求められる。
【００１１】
ターンダウン比を高めるためには、燃料改質器に噴霧される燃料の量を増加することが考えられる。一般に、燃料量の増加は、炭化水素燃料供給の圧力を増加して、より多くの炭化水素燃料を強制的に燃料噴射要素に通過させることによって達成することができる。これには、燃料噴射要素だけではなく、燃料供給管路、弁、並びに燃料噴射要素に燃料を供給するのに関与する他のあらゆる部品も、高圧適用のために設計する必要があるという欠点を有する。さらに、所望の燃料圧力を提供する燃料供給系におけるポンプも、必要な高燃料圧力用に設計しなければならない。これらの要因のすべてが、装置にかかるコスト全体を上昇させることになる。
【００１２】
前述のように、ターンダウン比を高める別の方法として、燃料噴射要素全体をより高い燃料量に合わせて設計することが考えられる。しかし、この方法には、低燃料量又は最小燃料流量の場合、燃料改質器中への燃料噴霧の気化度又は霧化度が低下するため、燃料改質器内で反応物質の良好な混合を達成することができないという問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Danfossによる「オイルノズルＬＥ型の概要データシート（The general data sheet for Oil Nozzles Type LE）」、http://no.varme.danfoss.com/PCMPDF/DKBDPD060D302.pdf
【非特許文献２】Steinenによる「ドリップフリー噴霧ノズル（Drip Free Misting Nozzles）」、http://www.steinen.com/pdf/DripFree.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、本発明の目的は、より高品質の噴霧をもたらすと共に、より高いターンダウン比も達成するコスト効率の高い燃料噴射システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的は、請求項１に記載の燃料噴射システム、並びに請求項１２に記載の燃料噴射方法によって解決される。
【００１６】
本発明は、（ｉ）（好ましくは液体の）炭化水素燃料を燃料改質器に噴射する燃料噴射システムであって、炭化水素燃料の脈動噴霧を該燃料改質器に噴射するように設計されている上記システム、並びに（ｉｉ）液体炭化水素燃料を燃料改質器に噴射する方法であって、炭化水素燃料を炭化水素燃料の脈動噴霧として該燃料改質器に噴射するステップを含む上記方法を提供するという概念に基づくものである。好ましくは、炭化水素燃料は、少なくとも１つの燃料噴射要素によって燃料改質器に噴射される。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態において、燃料噴射システムは、少なくとも１つの出力ポートと少なくとも１つの入力ポートとを備える弁を含み、弁の少なくとも１つの出力ポートは、少なくとも１つの燃料噴射要素に接続され、また、弁の少なくとも１つの入力ポートは、燃料供給系から炭化水素燃料を受け入れるように構成されており、弁は、脈動圧力を有する（液体又は気体の）炭化水素燃料流を供給するように構成されている。
【００１８】
好ましくは、燃料噴射システムは、燃料流停止要素、好ましくは逆止弁をさらに含み、燃料流停止要素は、少なくとも１つの燃料噴射要素に供給された燃料流の圧力が、所定の閾値を下回ると、少なくとも１つの燃料噴射要素への炭化水素燃料流の供給を停止するように設計されている。その逆の場合、すなわち、少なくとも１つの燃料噴射要素に供給された燃料流の圧力が、所定の閾値を超える（又は少なくとも該閾値と等しくなる）と、上記要素は、所望の脈動圧力を有する液体炭化水素燃料流を供給する。あるいは、供給された燃料流の圧力が、所定の閾値と等しい時点で、すでに燃料の供給を停止することもできる。
【００１９】
燃料の圧力が、所定の値、例えば１．５バールを下回る場合には、少なくとも１つの燃料噴射要素での燃料の圧力の即時カットオフを実施することにより、燃料改質器内の燃料噴霧工程もほぼ即座に停止する。これは、（ｉ）カットオフ前の全燃料圧力下での燃料改質器における燃料噴霧から（ｉｉ）カットオフ後の燃料噴霧の停止への移行時間が、燃料流停止要素を使用しない場合より使用する場合の方がかなり短いことを意味する。このような燃料流停止要素を使用して移行時間を短縮すると、少なくとも１つの噴霧要素での燃料の低下圧力が、この移行時間の間に、燃料噴霧の品質に及ぼしうるマイナスの影響が大幅にされる。
【００２０】
好ましくは、燃料流停止要素は、少なくとも１つの燃料噴射要素付近、例えば、弁の出力ポートと少なくとも１つの燃料噴射要素との間に配置するが、少なくとも１つの燃料噴射要素の燃料噴霧吐出口に可能な限り近づけて配置するのが最も有利である。これによって、燃料流供給がカットオフされた、すなわち停止された後、燃料流停止要素と、少なくとも１つの燃料噴射要素の燃料噴霧吐出口との間の空隙には、燃料供給圧力の低下により燃料改質器内に品質の劣った燃料噴霧を生成する可能性がある燃料は、かなり少量しか含まれていない。従って、燃料噴霧の良好な霧化を達成するには、燃料圧力が名目上低すぎるにも関わらず、燃料改質器における燃料噴霧の品質は依然としてかなり良好である。
【００２１】
有利なことに、燃料流停止要素及び少なくとも１つの燃料噴射要素を一緒に設計して、１つ以上の一体型装置、例えば内蔵された燃料逆止弁を備える燃料噴射ノズルを形成することができる。このような内蔵燃料噴霧停止要素を備える燃料噴射ノズルは、最新の技術から公知である（例えば、Ｄａｎｆｏｓｓにより提供されるＬＥシリーズノズル又はＳｔｅｉｎｅｎにより提供されるドリップフリー噴霧ノズルがあり、例えば、インターネットのサイト：http://no.varme.danfoss.com/PCMPDF/DKBDPD060D302.pdfで閲覧可能な非特許文献１、並びに同じくインターネットのサイト：http://www.steinen.com/pdf/DripFree.pdfで閲覧可能な非特許文献２を参照されたい）。
【００２２】
さらに、弁及び燃料流停止要素を一緒に設計して、単一の一体型装置を形成することも可能である。これによって、燃料流停止要素と少なくとも１つの燃料噴射要素との間の空隙に残留する燃料の量が、燃料流停止要素が燃料噴射要素付近に配置されているか、又は燃料噴霧要素と一体である場合より大きくなりうる。しかし、ほとんどの場合、燃料噴射システム全体の必要な構造空隙総量は減少することから、燃料流停止要素と少なくとも１つの燃料噴射要素との間の空隙に残留する燃料の量の増加は比較的少なく、従って一般に無視することができる。
【００２３】
原則としては、弁、燃料流停止要素及び燃料噴射要素を一体化して単一の一体型装置にすることも可能であり、これは本発明の請求の範囲に含まれる。この場合、燃料噴射要素が、高温（例えば、４００℃を超える）で作動する燃料改質器の混合室に接近して配置されることから、弁は高温で作動するように構成するのが好ましい。このような弁は、一般に、電気によって作動させる電磁弁として設計されるため、公知の標準的弁は、例えば１００℃を超える高温では適正に作動することができない。従って、上記のような単一の一体化装置を用いる場合には、該装置は、（ｉ）装置に組み込んだ弁の冷却を実施するように構成するか、又は（ｉｉ）高温動作のために設計された特殊な弁を用いるように構成する。
【００２４】
さらに、本燃料噴射システムは、燃料供給管路を介して弁に接続された（液体又は気体の）炭化水素燃料を入れる燃料タンクと、燃料供給管路内に含まれる炭化水素燃料を加圧するポンプとを含んでなる燃料供給系を含んでもよく、その際、燃料は、該燃料タンクにおいて、実質的に一定の圧力レベル又はわずかにしか変動しない圧力レベル、好ましくは該燃料噴射システムがさらされる実際の大気圧にほぼ等しい圧力レベルに維持される。
【００２５】
さらにまた、本燃料噴射システムは、好ましくは背圧タイプの減圧弁を含んでいてもよく、これは燃料タンク及び燃料供給管路と接続しており、これによって、燃料供給管路内の燃料に超過圧力が発生するのを防止するために、及び／又は、燃料供給管路内の燃料を、該システムの動作圧力に一致する実質的に一定の圧力レベル又はわずかにしか変動しない圧力レベルに維持する目的で、燃料が燃料タンクへと逆流することを可能にする。
【００２６】
さらには、本発明の燃料噴射システムにおける弁は、３つのポート、すなわち燃料供給ポート、圧力逃がしポート及び燃料噴射要素接続ポートを有する三方弁であるのが有利であり、燃料供給ポート及び圧力逃がしポートは、それぞれ（加圧された）燃料供給管路及び減圧管路を介して燃料タンクと接続している。燃料噴射要素接続ポートは、（燃料噴射要素接続管路を介して）燃料流停止要素、続いて少なくとも１つの燃料噴射要素と接続しているか、又は少なくとも１つの燃料噴射要素と直接接続している。
【００２７】
あるいは、１つ以上の燃料噴射要素の場合には、後に続くすべての燃料噴射要素について１つの中央燃料流停止要素を有するのではなく、これより多くの燃料流停止要素があってもよく、各燃料噴射要素は、それ「自身の」先行する燃料流停止要素に作動可能に接続されている。
【００２８】
三方弁は、好ましくは以下のように設計されて、そのように作動する：弁は、（その非作動状態において）加圧燃料供給管路に対し閉じている（閉じた燃料供給ポート）が、このとき、その圧力逃がしポートは開いていて、減圧管路を介して燃料タンクと作動可能に接続している。燃料噴射要素接続ポートは、入力ポートとしての役割を果たし、これにより、弁の燃料供給ポートの閉鎖後、燃料流停止要素及び／又は少なくとも１つの燃料噴射要素にいくらかの圧力がそれぞれ残っている場合に、少なくとも１つの燃料噴射要素接続管路及び／又は弁における圧力は、少なくとも１つの燃料噴射要素及び／又は燃料流停止要素における燃料をそれぞれ燃料タンクに逆流させることを可能にすることによって、さらに低下させることができる。
【００２９】
作動状態では、弁は減圧管路に対して閉じている（閉じた圧力逃がしポート）が、このとき、その燃料供給ポートは、加圧燃料供給管路と作動可能に接続されている。燃料噴射要素接続ポートは、出力ポートとしての役割を果たし、これにより、加圧燃料が燃料噴射要素接続管路に供給され、続いて燃料流停止要素及び／又は少なくとも１つの燃料噴射要素に供給される。
【００３０】
好ましくは、三方弁は、電気によって作動する。一時的に三方弁を作動させることによって、燃料供給系の減圧管路を閉じると共に、該供給系の加圧燃料供給管路を開き、これにより、高い圧力を有する燃料を少なくとも１つの燃料噴射要素に供給する。加圧燃料供給管路を再び閉じるとすぐに、燃料の圧力は、より低い圧力レベル、好ましくは該システムがさらされている実際の大気圧と実質的に等しいレベルまで低下する。
【００３１】
好ましくは、加圧燃料供給管路内の燃料の圧力は、燃料流停止要素の閾値圧力より高く、これによって、いったんこの弁が作動すると、燃料流停止要素が開いて、燃料噴射要素に加圧燃料の燃料流が供給されるようにする。弁の加圧燃料供給管路を閉じることによって加圧燃料の供給が停止され、その直後に、開放状態の燃料噴射要素接続ポートと、弁の開いた圧力逃がしポートを通って燃料が燃料タンクへと逆流することにより、燃料噴射要素接続管路内の残留圧力が低下する。その結果、燃料流停止要素を直ちに閉鎖することにより、燃料流停止要素の閾値圧力に達した直後に、少なくとも１つの燃料噴射要素への燃料供給が突然停止する。こうした燃料流停止要素は、公知の逆止弁であってよい。
【００３２】
炭化水素燃料流に脈動圧力を付与しても、燃料供給管路中に不要な変動が起こり、この変動は、ポンプ及び三方弁に損傷を与える可能性があるため、軽減する必要があることから、ガスアキュムレーターを燃料供給管路に設置するのが有利であり、好ましくはこれを三方弁近傍に設置する。ガスアキュムレーターは、燃料噴射の脈動放出によって起こる燃料供給管路内の圧力の変動を補正する緩衝器としての役割を果たす。
【００３３】
好ましい実施形態において、三方弁は、燃料流停止要素が燃料供給をいかに迅速に停止することができるかに応じて変動する周波数で動作する。そしてこれは、主に、減圧管路による圧力逃がしをいかに迅速に実施できるかに左右される。また、圧力逃がしは、三方弁をいかに高速に作動できるかに左右される。実際に、良好な結果は、かなり低い周波数で燃料供給システムを作動させることによって、少なくとも１つの燃料噴射要素（例えば、噴射ノズル）に、かなり低い周波数で圧力が変動及び脈動する炭化水素燃料供給流を供給するときに、達成できることがわかっている。この脈動炭化水素燃料供給流が、燃料改質器に、相応して脈動する十分に高品質の炭化水素燃料噴霧を供給する。さらに、これによって、燃料改質器に噴霧される時間単位当たりの燃料の量を増加することも可能になる。本発明の好ましい実施形態では、燃料流停止要素、例えば逆止弁は、約５０ヘルツ以下、好ましくは約２０ヘルツ以下の周波数で動作するものである。
【００３４】
燃料は、一時的に高い圧力値で噴射されるにすぎないため、一般に燃料噴射システムを高圧適用のために設計する必要はない。さらに、このように圧力値は一時的に上昇するため、低燃料量を含む燃料噴射システムの作動を可能にするのと同時に、燃料改質器に噴射することができる単位当たりの燃料量が大きい燃料噴射要素の設計も可能にすることによって、燃料噴射要素の動作範囲を増大することができる。燃料噴霧は断続的に脈動することから、燃料改質器内の噴霧の霧化又は気化は依然として良好である。これに関して、燃料改質器の混合ゾーンは、霧化燃料噴霧の脈動を同レベルにする低域フィルターとして考えることができることに留意すべきである。
【００３５】
平均燃料圧力は、好ましくは大気圧より約８〜約１５バール高く、特に大気圧より約１０〜約１２バール高いのに対し、燃料改質器内の圧力は、一般に大気圧より約４バール以下高く、好ましくは大気圧より約２バール以下高い。
【００３６】
さらに別の利点及び好ましい実施形態を特許請求の範囲、図面及び説明に記載する。
【００３７】
以下、１つの図面に示す好ましい実施形態を用いて、本発明の原理を説明する。従って、例示の実施形態によって、本発明の請求範囲を限定する意図はなく、その範囲は、特許請求の範囲によって定められるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の燃料噴射システムの好ましい実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１は、本発明の燃料噴射システム１の好ましい実施形態を示す。燃料噴射システム１は、燃料噴射要素２、好ましくはうず巻式の燃料噴射ノズルを含み、該燃料噴射要素を通して、燃料タンク４に貯蔵された炭化水素燃料が燃料改質器（図示なし）中に噴霧される。うず巻式の燃料噴射ノズルは、該ノズルの１つ以上の噴霧孔から燃料を放出すると、燃料のうず巻きを生成するという利点を有する。うず巻中の回転力と、１つ又は複数の孔内に設けられた円錐形とによって、霧化燃料の１つ以上の円錐形噴霧が生成され、これは、燃料改質器の混合室内の水又は蒸気などの他の反応物質と混合する。
【００４０】
タンク４は、弁１０を介して燃料噴射要素２に接続されている。図中、上記の弁は、好ましくは磁気駆動三方弁１０により例示されている。三方弁１０は、入力ポートＰ（以下では、加圧燃料供給ポートＰと呼ぶ）、出力ポートＲ（以下、圧力逃がしポートＲと呼ぶ）、並びに入力／出力ポートＣ（以下、燃料噴射要素接続ポートＣと呼ぶ）を有する。
【００４１】
加圧燃料供給ポートＰは、燃料供給管路ｐを介して燃料タンク４に接続されている。ポンプ６が燃料供給管路ｐに配置されているが、該ポンプは、加圧燃料供給ポートＰで、燃料供給管路ｐにより供給される燃料について所望の圧力を提供する。また、燃料タンク４内の燃料は、実質的に一定の圧力レベルか、又はわずかにしか変動しない圧力レベル、好ましくは、燃料噴射システム１がさられる実際の大気圧にほぼ等しい圧力レベルに維持される。
【００４２】
加えて、減圧弁８が、ポンプ６の下流で燃料供給管路ｐに配置されて、燃料タンク４に接続されている。減圧弁８は、好ましくは背圧弁であり、例えば逆止弁であってよい。減圧弁８は、燃料ポンプ６の能力超過のために、燃料供給管路ｐ内に超過圧力が発生することを予防すると共に、燃料供給管路ｐ内の燃料を一定の圧力レベルか、又はわずかにしか変動しない圧力レベルに維持する。超過圧力又は圧力変動が燃料供給管路ｐ内に発生した場合には、減圧弁８が開き、燃料ポンプ６によって押し出された燃料の一部が減圧弁８を通って燃料タンク４へと逆流する。
【００４３】
燃料タンク４はまた、減圧管路ｒを介して弁１０の圧力逃がしポートＲに接続している。また、三方弁の燃料噴射要素接続ポートＣは、燃料噴射要素接続管路ｃ及び燃料流停止要素、例えば逆止弁１２を介して、燃料噴射要素２に接続されている。
【００４４】
さらに、ガスアキュムレーター１４が、加圧燃料供給管路ｐにおいて三方弁１０の加圧燃料供給ポートＰ付近に配置されている。ガスアキュムレーター１４は、燃料噴射の脈動放出によって起こる燃料供給管路ｐ内の圧力の変動を補正する緩衝器としての役割を果たすが、これについては以下にさらに詳しく説明する。ガスアキュムレーター１４は、燃料管ｐ内の変動（これは、燃料噴射システムの作動中にかなり大きくなる可能性がある）を軽減することから、該システムの寿命及び精度、例えば、所定量の燃料を噴射する反復精度を改善することができる。
【００４５】
例示した実施形態では、水素リッチガスを生成するのに、好ましくは液体の炭化水素燃料を用いるが、本発明の燃料噴射システム及び方法は、気体の炭化水素燃料にも適用が可能である。
【００４６】
三方弁は、非作動状態において、その燃料噴射要素接続ポートＣがその圧力逃がしポートＲに作動可能に接続されると共に、減圧管路ｒを介して燃料タンク４に作動可能に接続されているという意味で閉じているが、このとき、その加圧燃料供給ポートＰは閉じている。すなわち、加圧燃料供給管路ｐが、弁１０の燃料噴射要素接続ポートＣから切断されている。
【００４７】
三方弁は、作動状態において、その燃料噴射要素接続ポートＣがその加圧燃料供給ポートＰに作動可能に接続されると共に、加圧燃料供給管路ｐ及びポンプ６を介して燃料タンク４に作動可能に接続されているという意味で開いているが、このとき、その圧力逃がしポートＲは閉じている。すなわち、減圧管路ｒが、弁１０の燃料噴射要素接続ポートＣから切断されている。
【００４８】
三方弁１０の燃料噴射要素接続ポートＣは、燃料噴射要素接続管路ｃを介して、また、燃料流停止要素、例えば逆止弁１２を介して、燃料噴射要素２と接続されている。前述のように、燃料流停止要素は、燃料噴射要素２及び／又は三方弁１０の一体部品であってもよい。例示の実施例では、燃料流停止要素は、燃料噴射要素２付近に配置される個別の要素、すなわち逆止弁１２である。逆止弁１２は、三方弁１０が作動状態であるか、又は動作停止状態であるかに応じて、すなわち、噴射要素２に対する燃料供給圧力が上昇しているか、又は低下しているかに応じて、燃料噴射要素２に対する水素燃料供給流の供給の迅速な開始及び迅速な停止を実施する。
【００４９】
以下に、燃料噴射システム１の操作についてさらに詳しく説明する。
【００５０】
燃料改質器の混合室に脈動燃料噴霧を供給するためには、三方弁１０を作動させなければならない。これは、圧力逃がしポートＲを閉じると共に、加圧燃料供給ポートＰ及び燃料噴射要素接続ポートＣを開くことにより達成される。これによって、燃料噴射要素接続管路ｃが加圧される。すなわち、所定の圧力を有する（ポンプ６により）燃料が、燃料噴射要素接続管路ｃに供給され、次いで逆止弁１２の入力ポート地点に供給される。逆止弁１２の地点での燃料噴射要素接続管路ｃ内の燃料の圧力が、逆止弁１２の所定の圧力閾値を超えると、直ちに逆止弁１２が開いて、所定の圧力閾値より高い圧力を有する燃料が燃料噴射要素２に供給され、次いで燃料改質器の混合室中に噴霧される。
【００５１】
本実施形態における逆止弁１２の圧力閾値は、（ｉ）減圧管路ｒ及び（非作動の）三方弁１０を介して燃料タンク４中に貯蔵された燃料の圧力によって逆止弁１２の入力ポートに形成される、燃料の圧力（例えば、大気圧）より高く、かつ（ｉｉ）加圧燃料供給管路ｐ及び三方弁１０を介してポンプ６により形成される、逆止弁１２の入力ポートでの燃料の圧力より低く設定する。好ましい圧力閾値は、例えば大気圧より約１．５バール高い。
【００５２】
所定時間、好ましくは、三方弁１０の動作速度（開放／閉鎖速度）、逆止弁１２の動作速度（開放／閉鎖速度）、及び／又は燃料改質器の混合室中に噴霧される燃料の量に合わせて設定され、なおかつ典型的には約２０分より大きい範囲にある（５０ヘルツ以下の動作周波数に対応して）時間の経過後、三方弁１０を動作停止させる。上記の時間は、較正によって決定するのが有利であり、その際、燃料改質器に供給される燃料の量は、中でも、燃料供給管路ｐ内の燃料の圧力、並びに三方弁１０が作動状態にあった時間に応じて決定される。
【００５３】
三方弁１０の動作停止は、燃料供給ポートＰを閉じると共に、減圧管路ｒ及び燃料タンク４に対し圧力逃がしポートＲを開くことによって達成される。このような三方弁１０の非作動又は動作停止若しくは「中立」位置においては、（好ましくは液体の）炭化水素燃料は、燃料噴射要素２から逆止弁１２及び三方弁１０を通って燃料タンク４に逆流し、これによって、燃料噴射要素２及び逆止弁１２での圧力、並びに燃料噴射要素接続管路ｃ内の圧力が急速に低下する。この圧力低下は、好ましくは逆２次形である。これは、圧力が、ある圧力レベルまで急速に低下した後、該圧力が燃料タンク４内の圧力と等しいか、又はほとんど等しくなるまで、圧力低下が減速することを意味する。上記圧力が燃料タンク４内の圧力と同一水準になると、直ちに燃料噴射要素２での燃料供給が停止する。
【００５４】
燃料噴霧の品質は、燃料噴射要素２に供給される燃料の圧力に左右されること、また、燃料供給は、燃料改質器中の燃料噴霧の優れた品質をなお維持するために、三方弁１０によって（逆２次形圧力低下のために）十分に短い時間で停止することはできないことが実際に明らかにされているため、燃料流停止要素、例えば逆止弁１２が有利にも該システムに導入されており、これは、実際燃料供給圧力が所定の閾値圧力レベルを下回ったら、直ちに燃料噴射要素２への燃料供給を完全に停止するように構成されている。これによって、燃料改質器の混合室への燃料の不要なあともれを解消し、あるいは少なくともかなり低減することができる。
【００５５】
従って、逆止弁１２の目的は、例えば、大気圧より約１．５バール高い所定の閾値圧力レベルより低い燃料供給圧力の場合に、噴射要素２での圧力を可能な限り迅速にカットオフすることである。燃料噴射要素接続管路ｃ内の燃料供給流の実際圧力レベルがこの閾値圧力レベルを下回ったら、逆止弁１２の出口ポートが直ちに閉じるようにする。逆止弁１２の閾値は、（ｉ）燃料噴射要素接続管路ｃ内の燃料供給流の動作圧（ポンプ６が生成する圧力によって決定される）より低く、かつ（ｉｉ）燃料タンク４内の圧力（実質的に大気圧に等しい）より十分に高く設定されるため、閉鎖動作全体が極めて迅速に実施され、燃料噴射要素２での燃料供給流の圧力も相応して極めて迅速に（すなわち、逆止弁１２を用いない場合よりはるかに速く）低下することになる。
【００５６】
逆止弁１２は、好ましくは燃料噴射要素２にかなり接近して配置するか、あるいは燃料噴射要素２の一体部品であってもよいことから、逆止弁１２の閉鎖後に燃料噴射要素２から出る燃料の量は、実際には無視することができ、燃料改質器の混合室内の燃料噴霧の品質への相応するマイナスの影響も、一般に無視することができる。
【００５７】
さらに所定時間、好ましくは、三方弁１０の動作速度（開放／閉鎖速度）、逆止弁１２の動作速度（開放／閉鎖速度）、及び／又は燃料改質器の混合室中に噴霧される燃料の量に合わせて設定され、なおかつ典型的には約５０ヘルツ以下の範囲内にある時間の経過後、三方弁１０を再作動させる。三方弁１０の動作停止に要する時間と同様に、三方弁１０の再作動に要する時間も、前述したのと類似の方法で較正によって決定する。
【００５８】
三方弁１０の再作動は、圧力逃がしポートＲを再び閉鎖して、加圧燃料供給ポートＰを再開放することによって達成される。前述したように、この場合、逆止弁１２での燃料の圧力が逆止弁１２の所定の閾値圧力レベルを超えると、直ちに燃料が燃料噴射要素２に供給される。
【００５９】
燃料噴射システムの作動部品、すなわち三方弁１０、燃料供給管路ｐ、ｒ、ｃ、逆止弁１２、並びに燃料噴射要素２は、高圧力に一時的にしかさらされないことから、高圧力適用のために燃料噴射システムを設計する必要はなく、同じ時間単位で、より多くの量の燃料（より低い圧力レベルで供給される燃料と比較して）を燃料改質器中に噴射することができる。これに対し、逆止弁１２での燃料の圧力が、所定の閾値圧力レベルに達するか、又はこれを下回った後、燃料噴射要素２への燃料供給を迅速に停止することができるため、低すぎる圧力による燃料改質器の混合室への不要な燃料のあとだれを解消するか、あるいは少なくともかなり低減することができる。
【００６０】
好ましくは、三方弁１０は、電気により作動させることのできる電磁弁である。さらに、この弁は、好ましくは低い周波数、特に５０ヘルツ以下で動作することができる。弁の種類及び弁動力学によっては、２０ヘルツ以下の周波数が好適である。原則として、動作周波数は、いかに速く逆止弁１２を閉じることができるかに左右され、また、これは、燃料噴射要素接続管路ｃにおいて圧力逃がしがいかに高速であるかに左右される。逆止弁１２の動作と関連して、前述した方法で三方弁１０を開閉することにより、燃料供給流に脈動圧力特性及び「オン‐オフ」タイプの燃料供給パルスを付与する。
【００６１】
燃料噴射システム内の加圧燃料の圧力は、典型的に、大気圧より約８〜約１５バール高く、好ましくは大気圧より約１０〜約１２バール高い。このような低い圧力をシステム全体に供給することによって、燃料噴射システム１の各要素は、高圧力用に構成する必要がなくなるため、システム全体のコストを削減することができる。それでもなお、本発明の燃料噴射システムは、改善されたターンダウン比を有する高品質燃料噴霧を提供する。
【符号の説明】
【００６２】
１    炭化水素燃料噴射システム
２    炭化水素燃料噴射要素、例えば燃料噴射ノズル
４    炭化水素燃料タンク
６    ポンプ
８    減圧弁、例えば背圧減少弁
１０  三方弁
１２  燃料流停止要素、例えば逆止弁
１４  ガスアキュムレーター
Ｃ    弁入力／出力ポート、例えば三方弁燃料噴射要素接続ポート
Ｐ    弁入力ポート、例えば三方弁圧力逃がしポート
Ｒ    弁出力ポート、例えば三方弁加圧燃料供給ポート
ｃ    燃料噴射要素接続管路
ｒ    減圧管路
ｐ    加圧燃料供給管路
【図１】
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