(57)【要約】【解決手段】本発明は、反応室内へと、予め設定可能な量の比率において、２つの液体を配量して噴射するための噴射装置に関し、この噴射装置が、噴射ノズルを備えるケーシング１を有し、この噴射ノズルのノズル開口部１３が、ケーシング１内の弁座１４、およびこの弁座１４上に載置可能な弁体１５によって、噴射弁を形成し、その際、この弁体１５が、第１のアクチュエータによって運動可能であり、このノズル開口部１３に所属して設けられた集合室１６を有し、この集合室が、第１の液体Ａのための導管１７、および第２の液体Ｂのための導管２１と結合されており、その際、少なくとも１つの導管２１が、集合室へと、配量弁２２によって閉鎖可能であり、この配量弁が、第２のアクチュエータを介して操作可能であり、且つその際、両方の液体の内の一方の液体が、他方の液体よりもより高い圧力の状態にあり、並びに、制御装置１０を有し、この制御装置を介して、これら両方のアクチュエータが、両方の液体Ａ、Ｂの、負荷に条件付けられた全噴射量に依存して、および予め設定可能な量の比率に依存して相互に制御可能であり、その際、少なくとも１つの弁が周期的に制御可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室内へと、予め設定可能な量の比率において、２つの液体を配量して噴射するための噴射装置であって、この噴射装置が、
噴射ノズルを備えるケーシング（１）を有し、この噴射ノズルのノズル開口部（１３）が、ケーシング（１）内の弁座（１４）、およびこの弁座（１４）上に載置可能な弁体（１５）によって、噴射弁を形成し、
その際、この弁体（１５）が、第１のアクチュエータによって運動可能であり、このノズル開口部（１３）に所属して設けられた集合室（１６）を有し、この集合室が、第１の液体（Ａ）のための導管（１７）、および第２の液体（Ｂ）のための導管（２１）と結合されており、その際、少なくとも１つの導管（２１）が、集合室へと、配量弁（２２）によって閉鎖可能であり、この配量弁が、第２のアクチュエータを介して操作可能であり、且つその際、両方の液体の内の一方の液体が、他方の液体よりもより高い圧力の状態にあり、
並びに、制御装置（１０）を有し、この制御装置を介して、これら両方のアクチュエータが、両方の液体（Ａ、Ｂ）の、負荷に条件付けられた全噴射量に依存して、および予め設定可能な量の比率に依存して相互に制御可能であり、その際、少なくとも１つの弁が周期的に制御可能である、
ことを特徴とする噴射装置。
【請求項２】
配量弁は、少なくとも、周期的に制御されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
集合室（１６）は、噴射弁の弁体（１５）を囲繞していることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
噴射弁の弁体（１５）は、集合室（１６）の領域において、ニードル形状に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の装置。
【請求項５】
両方の液体の内の一方の導管（２１）は、噴射弁の弁体（１５）内に設けられており、且つ少なくとも１つの流出開口部（２１．１）が集合室（１６）内への出口を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の装置。
【請求項６】
他方の液体のための導管（１７）は、出口を介して、直接的に集合室（１６）内に通じていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の装置。
【請求項７】
比較的により高い圧力を有する液体のための導管の出口は、弁体（１５）の弁座（１４）の近傍において設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の装置。
【請求項８】
配量弁（２２）は、比較的に高い圧力を有する液体のための導管に所属して設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の装置。
【請求項９】
配量弁（２２）は、逆止弁として形成されており、この逆止弁が、第２のアクチュエータを介して開放可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１０】
逆止弁として形成された配量弁（２２）は、流過方向において開放可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１１】
アクチュエータは、電磁的なアクチュエータとして形成されており、その際、噴射弁および配量弁の運動可能な弁体（１５；２３、２６）が、それぞれに電機子（１８；２４）および閉鎖方向において作用する復帰ばね（２０；２７）と結合されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１２】
燃料電池（１）用のガス状の燃料を形成するための、触媒作用によるリフォーマ（４）における、請求項１から１１のいずれか一つの噴射装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
一連の使用分野において、２つの異なる液体を、内部においてこれら両方の液体が互いに反応させられる反応室内に配量して装入することは必要である。この様式の使用例は、例えば、いわゆる燃料電池のためのリフォーマ（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）であり、この燃料電池内において、基本的に、水素および酸素が、「冷間燃焼（ｋａｌｔｅｎ Ｖｅｒｂｒｅｎｎｕｎｇ）」において水へと反応し、且つその際に、電気的なエネルギーを形成する。
【０００２】
車両における燃焼エンジンのための別の実施例としての、この様式の燃料電池の使用は、十分な量の水素が、ガス状のまたは極低温の形態で貯蔵庫内で連行されることを、前提条件として必要とする。このことは、大きな構造空間および大きな重量を必要とし、且つ更に、著しい潜在的な危険性を具備している。
【０００３】
従って、水素を、触媒作用によるリフォーマを用いて、燃料電池内における変換のすぐ前で、他の燃料、例えばオットーエンジン用燃料、ディーゼル機関用燃料、またはメタノールから形成することは考慮に値する。この様式のリフォーマ内において、噴射された燃料は、付加的に噴射された水と、二酸化炭素および水素へと反応し、この水素が、次いで燃料電池内において、電磁的なエネルギーに、公知の方法で、変換される。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許第１９６  ２３  ９３７号明細書およびドイツ連邦共和国特許公開第１９９  １８  ９９７号明細書から、燃料電池の使用例のために、両方の液体を、液状にまたは蒸気状に、必要な量の比率において予混合すること、および次いで、反応器もしくはリフォーマに供給することが公知である。ドイツ連邦共和国特許第１９６  ２３  ９３７号明細書では、この場合に、交番する負荷要件のために、混合物調製段において、混合物の目標値が維持され、且つ上記の目標値に従って、両方の液体の供給が制御される。異なる負荷要件への適合は、混合物調製段からの、この制御された混合物の排出によって行われる。
【０００５】
従って、本発明の根底をなす課題は、燃料電池の使用例において燃料および水である２つの液体を、直接的に反応室内へと、１つの共通のノズルを介して配量して投入することを可能にする、噴射装置を提供することである。その際に、両方の液体相互の全量と同様に、量の比率も、種々の作動点及び／または交番する負荷要件に依存して、変化可能である。
【０００６】
この課題は本発明に従い、反応室内へと、予め設定可能な量の比率において、２つの液体を配量して噴射するための噴射装置によって解決され、この噴射装置が、
噴射ノズルを備えるケーシングを有し、この噴射ノズルのノズル開口部が、ケーシング内の弁座、およびこの弁座上に載置可能な弁体によって、噴射弁を形成し、
その際、この弁体が、第１のアクチュエータによって運動可能であり、
このノズル開口部に所属して設けられた集合室を有し、この集合室が、第１の液体のための導管、および第２の液体のための導管と結合されており、その際、少なくとも１つの導管が、集合室へと、配量弁によって閉鎖可能であり、この配量弁が、第２のアクチュエータを介して操作可能であり、且つその際、両方の液体の内の一方の液体が、他方の液体よりもより高い圧力の状態にあり、
並びに、これら両方のアクチュエータと接続状態にある制御装置を有し、この制御装置を介して、これら両方のアクチュエータが、両方の液体の、負荷に条件付けられた全噴射量に依存して、および予め設定可能な量の比率に依存して制御可能であり、その際、少なくとも１つの弁が周期的に制御可能である。
このようにして形成された噴射装置によって、両方の液体を、この噴射弁の開放の前に、この噴射装置の集合室内に前置することが可能である。これら液体の内の一方の液体のために、有利には、より高い圧力のもとにある液体のために、別個の配量弁が設けられていることによって、この液体の予め設定可能な量を、この噴射装置の集合室内へ導入することが可能となる。噴射弁の操作において、このノズル開口部が解放された場合、この予め設定可能な一方の液体の量は、その場合に流動されるべき他方の液体の量によって随伴される。従って、全噴射量は、確かに両方の液体割合の混合のもとで、直接的に反応室内へと噴射される。この噴射弁の開放時間の期間の間ずっと、他方の液体の、有利にはより僅かの圧力のもとにある液体の配量添加は、反応のために必要とされる部分量に関してと同様に、全噴射量に関しても行われる。
【０００７】
噴射弁に無関係に周期的に制御可能である付加的な配量弁を配量することによって、ここで、噴射されるべき全量を調節するためと同様に、両方の噴射されるべき液体相互の量の比率の調節のためにも、多様な可能性が与えられる。この配量弁の開放時間の間の、比較的により高い圧力のもとにある液体のために行われる、集合室からの他方の液体の、それによって適合された液体量が前置される排除によってだけでなく、この噴射弁に関連して配量弁の一時的に重畳した開放によっても、または同様に、この噴射弁の開放継続時間の間のこの配量弁の断続的なもしくは周期的な開放によっても、種々のこれら両方の液体の間の混合比率、および全噴射量は、調節可能である。
【０００８】
特に、比較的により高い圧力を有する液体のための導管の出口が、噴射弁の弁体の弁座の近傍において設けられていることは合目的である。このことによって、集合室内へのこのより高い圧力を有する液体の導入の際に、他方の液体が、この他方の液体の圧力室内へと「戻し押圧される」ことが可能となる。配量弁の閉鎖の後、集合室内において、前置された液体量が、他方の液体の圧力のもとにあるので、この噴射弁の開放の際、および閉鎖された配量弁の際に、この前置された液体は、反応室内へと噴射され、その際、この他方の液体が、ただほんの少しだけ時間的に遅延して後に続き、従って、問題のない反応が保証されている。
【０００９】
本発明の更なる有利な実施形態において、アクチュエータは、電磁的なアクチュエータとして形成されており、その際、噴射弁および配量弁の運動可能な弁体が、それぞれに電機子および閉鎖方向において作用する復帰ばねと結合されている。この様式のアクチュエータは、適当な制御装置を介して、開放継続時間に関して非常に精確に制御可能であり、従って、それぞれに、噴射装置に供給されるべき液体の予め設定可能な圧力において、配量弁及び／または噴射弁の、非常に精確な、必要に依存する制御を可能にする適当な較正の後に、噴射装置は使用される。
【００１０】
本発明の更なる特徴および実施形態は、従属請求項から知ることができる。
【００１１】
次に、概略的に図に基づいて、本発明を詳しく説明する。
【００１２】
図１において、本発明による噴射装置のための使用例として、燃料電池１によって電気的なエネルギーを形成するための装置が、ブロック図の様式で図示されている。
【００１３】
燃料電池１は、燃料タンク２から燃料、例えばオットーエンジン用燃料、ディーゼル機関用燃料、またはメタノールを、および水タンク３から水を供給される。この燃料および水を、全体として、燃料電池１内において、変換可能とするために、両方の液体は、反応室４、ここで触媒作用によるリフォーマ内において、水素に変換され、その際、熱供給装置５、例えば触媒作用による燃焼器を介して、十分な反応熱が供給されねばならない。同様に、自動的な温度調節の作動状態（ａｕｔｏｔｈｅｒｍｅｒ Ｂｅｔｒｉｅｂ）も、混合比率の選択によって、および適当な空気質量流の付加のもとで調節される。
【００１４】
燃料タンク２からの燃料の、または適当な貯蔵タンクからの他の炭化水素の供給は、弁６を経由して、および水タンク３からの水の供給が、弁７を経由して、予め設定可能な量において配量添加（ｚｕｄｏｓｉｅｒｔ）される。
【００１５】
リフォーマ４から、形成された水素ガスは、燃料電池１のガス浄化装置８を経由して、陽極側１．１へと導かれ、そこで、陰極側１．２との協動作用において、電気的なエネルギーへと変換される。この燃料電池１に、必要な変換のために、付加的に更に、陰極側で、空気が、流入口９を経由して供給される。
【００１６】
燃料電池１の陰極側１．２から、水タンク３に導き戻される水が排出される。
【００１７】
更に、燃料電池１の陽極側１．１から、触媒作用による燃焼器として形成されている燃焼器５に供給される、いわゆる陽極残余ガスが排出され、且つそこで、空気と一緒に、および場合によっては、燃料タンク２からの付加的な燃料の供給のもとで、リフォーマ４を加熱するための熱に変換される。
【００１８】
制御装置１０を介して、リフォーマ４内に、適当に制御可能な弁６および７を有する２つの別途の噴射ノズルを用いて、燃料と同様に水も、所定の量の比率において噴射することが基本的に可能であるのに対して、本発明は、ただ１つだけの噴射ノズルを介して配量された水および燃料の供給を所定の量の比率において可能にする、噴射弁を備えている。
【００１９】
図２において、本発明による様式の実施形態が図示されている。ケーシング１１は、反応室内に挿入可能な、ノズル開口部１３を有する延長部１２を設けられている。このケーシング１１に更に所属する延長部１２の内部において、このノズル開口部１３に所属して、弁座１４、およびこの弁座１４上に載置可能な弁体１５が、設けられている。この弁体１５は、集合室１６によって囲繞されており、この集合室内に向かって、第１の液体Ａのための導管１７が接合している。
【００２０】
弁体１５は、ノズル開口部１３とは反対側のこの弁体の端部において、電機子１８を備え、ケーシング１１内において、この電機子に所属して電磁石１９が設けられており、この電磁石が、ここで詳細には図示されていない方法において、制御装置、例えば図１による配設の制御装置１０と、接続状態にある。閉鎖ばね２０を介して、この弁体１５は、この弁体の弁座１４上に押圧される。この電機子１８および電磁石１９は、復帰ばね２０との組み合わせによって、この場合に第１のアクチュエータを形成している。このアクチュエータが操作された、即ち、電磁石１９が通電された場合に、この弁体１５は、この弁体の弁座１４から解離され、且つノズル開口部１３が開放され、従って、導管１７を通って第１の液体Ａが、反応室内に噴射される。
【００２１】
ここで図示された実施例の場合、弁体１５は、中央の導管流路２１を備えており、この導管流路が、弁座１４の近傍で、側方の流出開口部２１．１を介して、同様に、集合室１６内へと出口を備えている。この集合室１６への液体Ｂの供給は、固有のアクチュエータを介して操作可能である配量弁２２を介して行われる。
【００２２】
ここで図示されている実施例の場合、配量弁２２は、基本的に、弁衝子２３を有しており、この弁衝子が、電機子２４と結合状態にあり、この電機子に所属して電磁石２５が設けられており、この電磁石が、同様に、制御装置１０と接続状態にある。この弁衝子２３に、逆止弁として形成された弁体２６が、設けられており、この弁体の復帰ばね２７は、この復帰ばねの閉鎖圧力が、液体Ｂによって閉鎖体上に加えられた押圧力よりもより大きいように構成されている。この電機子２４は、この場合に、開放方向において、更なるばね２８によって負荷されており、このばねが、しかしながら、ただ僅かのばね力だけを付与している。何故ならば、このばねによって、この全配設は、遊びの無い状態に保持されるべきであるからである。
【００２３】
電機子２４、電磁石２５および弁衝子２３から形成された第２のアクチュエータが動作され、およびこの電機子２４が矢印２９の方向に運動された場合、弁体２６は、復帰ばね２７の力に抗して押上げられ、従って液体Ｂが、貫通流路２４．５、設けられている接続流路３０、および弁体１５内の導管流路２１を通って、閉鎖されたノズル開口部１３において、集合室１６内へと流入可能である。このことは、この液体Ｂが、液体Ａよりもより高い与圧のもとにあることの前提条件のもとで、言えることである。
【００２４】
この比較的により高い圧力に基づいて、配量弁２２が開放された際に、集合室１６内に流入した液体Ｂの量によって、液体Ａの相応する量は、この集合室１６から導管１７内に戻し押圧される。この配量弁２２の開放継続時間は、この場合、集合室１６内において、液体Ａに前置される量の液体Ｂの量を規定する。この配量弁２２、および従って液体Ｂの前置される量のための開放継続時間は、制御装置１０を介して、所定の量の比率に相応して設定される。
【００２５】
ここで、第１のアクチュエータが操作された場合、電機子１８は、矢印３１の方向に運動し、従って、弁座１４および従って、ノズル開口部１３が解放される。集合室１６は、いまや液体Ａの圧力のもとにあるので、集合室１６内において前置された液体Ｂの量、および弁体１５の開放継続時間に相応して同様に液体Ａの相応する量も、反応室内へと噴射される。液体量Ａに対する前置された液体量Ｂの、量の比率は、その場合に、弁体１５の開放時間にわたって与えられる。この弁体１５が閉鎖されるやいなや、配量弁２２は再び開放され、且つ新たに、液体Ｂの適当な量がこの集合室１６内において前置される。従って、しかもまた、量の比率だけでなく全噴射量をも、制御装置、例えば図１における実施例による制御装置１０を介して、交番する作動要求に対して、開放時間およびこの開放時間の位相状態に関連して適当に互いに適合された周期的な運動によって、この弁体１５および配量弁２２のアクチュエータの制御において、適合させることの可能性は与えられる。この第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータは、この場合、図１における弁６および７のためのアクチュエータに相応する。
【００２６】
一方では弁体１５によってこの弁体の弁座１４と共に形成された噴射弁の、他方では配量弁２２の操作の適当な制御によって、両方の液体ＡおよびＢの量の比率、並びに所定の全噴射量に関連する全噴射量は、これら両方の弁の互いの比率における適当な開放度合いの調節により、極めて鋭敏に制御される。この場合、噴射弁の開放時間の間に、配量弁２２の断続的な開放によって、大量の全液体量を噴射することも同様に可能であり、その際、集合室１６を、その都度次々と、適当に少ない液体Ｂおよび液体Ａの量が貫通流動する。この作動方法のために、両方の液体のための流入圧力が、ほぼ同じであることは、合目的である。
【００２７】
図３において、図２による実施形態の変形が図示されている。この変形は、単に、配量弁２２の実施形態の構造において異なっている。この図３における実施形態の場合、配量弁２２．１は、逆止弁としては、形成されていない。電機子２４．１は、この場合、貫通流路３０において弁座２４．３上に載置している弁体２４．２と直接的に結合されている。復帰ばね２８．１を介して、この弁体２４．２は、この弁体の閉鎖位置において保持されている。
【００２８】
電磁石２５．１が制御された場合、弁体２４．２は、この弁体の２４．３から解離され、且つ配量弁が開放され、従って、液体Ｂが、前記のように集合室１６内へと、弁開放時間の期間の間、流入可能である。
【００２９】
図２および３に基づいて説明された噴射装置は、配量弁が、液体Ａのための導管１７内に組み込まれ、これに対して、液体Ｂの導管２１が、直接的に集合室内へと出口を備えるようにも、同様に変形され得る。これら導管の出口は、その場合に、それぞれに配量弁を介して集合室内に導入されるべき液体量が、可能な限りノズル開口部１３の近傍において前置されることを保証するために、合目的に相応して交換される。
【００３０】
両方の図示された実施例の場合、配量弁が、この配量弁の弁開口部と共に、可能な限り近くに、集合室１６において設けられており、且つ従って噴射装置のケーシング１内に一体にされているのに対して、基本的に、この配量弁も、同様に、この噴射装置の外側に配置され得る。両方の液体の一方の液体が、この液体の量において、正確に配量されて集合室１６内において前置されること、および従って、両方の液体が噴射弁の開放の際に、予め設定可能な量の比率において、反応室内へと噴射されることは、意義のあることである。
【００３１】
図４において図示された、図２により変形された実施形態は、単に、集合室１６への液体Ｂの供給の様式において異なっている。その他の点では、図２の構造に相応しており、従って、前記の説明を参照して頂きたい。同じ構造部材は、同じ参照符号を有している。
【００３２】
図４による実施形態に場合、中央の接続流路３０からの液体Ｂの供給は、ケーシング１１を通って案内された導管流路２１．２を経由して行われ、この導管流路が、ここで、集合室１６内へと、ほぼ液体Ａのための導管１７の出口の高さにおいて、出口を備えている。弁体は、この場合に、中実に形成されている。
【００３３】
図５による実施形態は、図３による実施形態に構造に相応しており、従って、前記の説明を参照して頂きたい。同じ構造部材は、これまた同様に、同じ参照符号を有している。
【００３４】
図５による実施形態の場合、配量弁２２．１は、図３に比べて、より簡単に形成されている。電機子２４．１は、弁体として形成された延長部２４．４を有しており、この延長部が、中央の接続流路３０における弁座２４．３上に載置し、且つ復帰ばね２８．１を介して、閉鎖位置において保持されている。
【００３５】
電磁石２５．１が通電された場合、電機子２４．１は解離され、且つ、弁座２４．３における流過が解放される。
【００３６】
図５による配量弁２２．１の実施形態は、図４による実施形態の場合においても、同じように設けられ得る。
【００３７】
使用状況に応じて、両方の液体導管のために、それぞれ１つの配量弁を設けることは合目的であり、従って、相互の適当な位相状態および適当なサイクルタイムにおける、両方の配量弁の周期的な運動によって、噴射弁が開放された際に、液体は、相互の正確な量の比率で案内される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
燃料電池を用いて電気的なエネルギーを形成するための装置の、ブロック図である。
【図２】
噴射装置の第１の実施例の図である。
【図３】
噴射装置の変形された実施例の図である。
【図４】
図２による実施形態の変形の図である。
【図５】
図３による実施形態の変形の図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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