CN109630479A - 一种喷嘴、基于该喷嘴的流量特性可调的引射器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷嘴、基于该喷嘴的流量特性可调的引射器及其应用，所述喷嘴，包括喷嘴体、小喷嘴、大喷嘴及弹性部件；小喷嘴为一根细长且带有阀门的空心管，大小两组喷嘴之间设置有弹性部件，弹性部件一端顶住小喷嘴的阀门部位，另一端顶住大喷嘴，弹性部件在待喷射气体的作用下能够改变小喷嘴的阀门的位置，继而控制待喷射气体的流经路径。喷嘴根据系统负荷自动控制氢气和再循环氢气的供应量。低负荷时，小喷嘴起作用，喷嘴出口压力小，再循环氢气回收率高，提高氢气利用率；中高负荷时，两组喷嘴同时起作用，其中大喷嘴用于增加流通面积，提供更大的燃料流量；小喷嘴用于增加高喷射速度，提高引射器性能。

Description

一种喷嘴、基于该喷嘴的流量特性可调的引射器及其应用

技术领域

本公开涉及燃料喷射技术领域，特别是涉及一种喷嘴、基于该喷嘴的流量特性可调的引射器及其应用。

背景技术

随着全球经济的不断发展，人们对能源的需求也与日俱增。传统能源在消耗的同时也产生了大量污染物，所以开发可代替传统能源的清洁新能源越来越重要。燃料电池是一种把化学能转化成电能的装置，它具有能量转换效率高、零污染、零噪声的特点，所以燃料电池的应用具有广阔的发展前景。

燃料电池系统主要由燃料电池堆(进行化学反应)、燃料供给系统(提供燃料如氢气)、空气供给系统(提供空气中的氧气)、冷却系统组成。

发明人在研究中发现，在燃料供给系统中，进入燃料电池堆的氢气无法被完全消耗，有一部分是没有进行反应就已经被排出电池堆的，这导致了电池堆的实际效率低于理论效率。特别是在低负荷运行时，燃料利用率下降，会产生大量未消耗的氢气。这不仅降低了燃料电池的效率，也极大的浪费了资源；但是当大负荷运行时，电流阶跃上升，电池堆中氢气利用率急剧上升，甚至会出现氢气不足、电池堆的实际效率高于理论效率的异常现象。氢气不足会使得电池局部温度上升，质子交换膜被烧穿，也会使电极处的反应催化剂活性下降，降低电池堆的使用寿命。氢气不足的主要原因是电磁阀动作滞后造成氢气流量相对与负荷变化滞后。

为了解决这个问题，往往提高氢气的供应量以降低电磁阀响应时间，但是这会产生大量未消耗的氢气，燃料的使用效率会大大降低。因此如何使燃料电池系统可以根据系统负荷的增加或减少自动改变氢气供给量及回收未消耗氢气的装置，提高燃料电池的实际效率、燃料利用率，仍是待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开的实施例子提供了一种喷嘴，该喷嘴能够根据系统负荷自动控制氢气和再循环氢气的供应量。

为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

一种喷嘴，包括喷嘴体、小喷嘴、大喷嘴及弹性部件；

其中，大小两组喷嘴同轴布置且均设置在喷嘴体上；

小喷嘴为一根细长且带有阀门的空心管，大小两组喷嘴之间设置有弹性部件，弹性部件一端顶住小喷嘴的阀门部位，另一端顶住大喷嘴，弹性部件在待喷射气体的作用下能够改变小喷嘴的阀门的位置，继而控制待喷射气体的流经路径。

进一步的技术方案，所述小喷嘴的阀门靠近待喷射气体进入的一端安装密封圈，在低负荷时，喷嘴入口氢气的压力低于弹性部件弹力，小喷嘴的阀门紧贴在喷嘴体，密封圈用于防止待喷射气体流进大喷嘴。

进一步的技术方案，所述小喷嘴能够沿大喷嘴内壁移动，在小喷嘴管道外壁设有衬套。

进一步的技术方案，所述大喷嘴包括多个孔道，所有孔道均与大喷嘴的入口相连通，所述弹性部件及小喷嘴的阀门部位均位于大喷嘴的入口内，且小喷嘴的阀门直径大于喷嘴入口的直径。

进一步的技术方案，所述喷嘴入口设置在喷嘴体内，所述喷嘴入口还与设置在喷嘴体内的稳压腔相通。

本公开的实施例子还公开了基于该喷嘴的流量特性可调的引射器，引射器的外壳依次设有接受室、混合室、扩压室，所述喷嘴的出口通向接受室，所述喷嘴设置在位于引射器中部的喷射体内，位于喷射体下端处设置有第一通道，在所述喷嘴出口处的压力小于外界压力时对再循环气体发生卷吸作用，所述第一通道将未消耗的气体重新吸入引射器，并被喷嘴出口喷出的气体带入混合室混合，混合室混合后的气体通过扩压室再经过出口管道喷出。

进一步的技术方案，所述引射器的后端纵向开有第二通道，所述第二通道与引射器中连通至喷嘴体内的稳压腔的横向通道相连通；

步进电机连接在引射器的后端且步进电机的阀杆横向设置在第二通道与横向通道交汇处，所述第二通道与横向通道交汇处且靠近横向通道的位置处还设置有阀座，阀杆与阀座组合用于改变进气道截面积。

本公开的实施例子还公开了基于该喷嘴的流量特性可调的引射器的喷射方法，包括：

在低负荷状态下，步进电机阀门开度小，流进引射器的气体流量小，引射器喷嘴入口处压力小，此时，F>(P₁-P₂)×A，弹性部件推动小喷嘴的阀门向喷嘴入口靠近，并堵住引射器喷嘴入口使得气体只流进小喷嘴管道，小喷嘴管道在一定压力下，高速喷射氢气，使得喷嘴出口压力小于外界压力，将未消耗的气体重新吸入引射器，并被喷嘴出口喷出的气体带入混合室混合，混合室混合后的气体通过扩压室再经过出口管道喷出；

在中高负荷状态下，步进电机阀门开度大，流进引射器的气体量增加，引射器喷嘴入口处压力大，所以F<(P₁-P₂)×A，这时小喷嘴的阀门向前移动，远离喷嘴入口，气体同时流进大喷嘴入口，大小两组喷嘴同时喷射气体；

其中，所述气体为带喷射的气体，P₁是步进电机阀门的下游压强即小喷嘴阀门的前端压强，P₂是小喷嘴的阀门的后端压强，A是喷嘴入口截面积，F是弹簧力，根据上面的关系，A和F是预先确定的设计值，P₁随步进电机阀门的位置变化而改变。

本公开的实施例子还公开了燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料供给系统，

所述引射器安装在燃料供给系统的再循环气体流动路径上且靠近燃料电池堆的入口，为电池堆提供新鲜气体并将未消耗的气体重新循环到燃料电池堆。

本公开的实施例子还公开了一种车辆，该车辆安装有所述燃料电池系统，所述燃料电池系统为车辆的运行提供能量。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开的技术方案采用步进电机控制氢气的供应量，步进电机装在氢气进气管道内，根据负荷的变化，顺时针或逆时针旋转，使得阀杆产生轴向移动，以此调节阀门的开启高度，改变氢气进气管道截面积，以改变流进引射器氢气供应量；通过改变新鲜氢气供应量，调节喷嘴入口压力，控制小喷嘴阀门位置，控制两组喷嘴的工作状态，满足不同负荷运行的要求。

本公开的技术方案通过对引射器喷嘴结构的改进，使得喷嘴根据系统负荷自动控制氢气和再循环氢气的供应量。低负荷时，小喷嘴起作用，喷嘴出口压力小，再循环氢气回收率高，提高氢气利用率；中高负荷时，两组喷嘴同时起作用，其中大喷嘴用于增加流通面积，提供更大的燃料流量；小喷嘴用于增加高喷射速度，提高引射器性能。

本公开的技术方案通过控制步进电机阀杆的位置来改变新鲜氢气供应量，调节喷嘴入口压力，控制小喷嘴阀门位置，控制两组喷嘴的工作状态，满足不同负荷运行的要求。

本公开的技术方案小喷嘴是一根细长的带有阀门的空心管，氢气流经小喷嘴时流速增加，喷嘴出口压力降低出现负压，对再循环氢气卷吸作用大，可以高效回收未燃烧的氢气。

本公开的技术方案大喷嘴由六个孔组成，用于在中高负荷时起作用，可以有效增大氢气流通面积，增加氢气供应量，大喷嘴与小喷嘴的中心轴线平行，减少了流体碰撞产生的能量损失。

本公开的技术方案弹簧与小喷嘴阀门弹性连接，另一端被喷嘴体支撑，控制小喷嘴阀门向前或向后移动，决定氢气流通途径。随着负荷的增加，引射器的入口氢气流量加大，喷嘴入口压力增大，当压力大到足够克服弹簧弹力时，小喷嘴阀门开始打开，此时大小两组喷嘴同时供应氢气，使得流进引射器氢气流量增加。

本公开的技术方案在低负荷时，步进电机阀门开度小，引射器后端高压管道压力低于弹簧弹力，因此小喷嘴的阀门紧贴在喷嘴体，密封圈的作用是防止氢气流进大喷嘴，此时氢气只流经小喷嘴进入接受室。

本公开的技术方案小喷嘴能够随负荷的变化沿大喷嘴内壁前后移动，为了减少喷嘴间的摩擦，降低移动过程产生的振动，在小喷嘴管道外壁设有衬套进行缓冲。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本公开一些实施例子的燃料电池系统的引射器的剖面示意图；

图2是本公开一些实施例子的燃料电池系统的引射器的喷嘴局部放大示意图；

图3是本公开一些实施例子的燃料电池系统的引射器在低负荷状态下的剖面示意图；

图4是本公开一些实施例子的燃料电池系统的引射器在中高负荷状态下的剖面示意图；

其中，1、氢气出口管道，2、再循环氢气入口，3、喷射体，4、步进电机，5、喷嘴体，6、大喷嘴，7、弹簧，8、小喷嘴，9、孔道，10、喷嘴入口，11、氢气稳压腔，12、大喷嘴入口，13、新鲜氢气进口，14、阀杆，15、阀座，16、混合室，17、扩压室，18、小喷嘴阀门。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，如图2所示，提供了一种喷嘴，安装在引射器中，主要由喷嘴体5、小喷嘴8、大喷嘴6和弹簧7组成，用于喷射氢气，大喷嘴和小喷嘴同轴连接。

在具体实施例子中，喷嘴体5具有不同的截面积，氢气稳压腔11用于储存氢气，在步进电机调节进气量的时候起到平稳过渡的效果，增加系统稳定性，喷嘴氢气入口10采用小的流通面积，可以增加气体流速。

在具体实施例子中，小喷嘴是一根细长的带有阀门的空心管，可以提供较大的氢气流速。而且小喷嘴与弹簧7弹性相连，弹簧一端顶在大喷嘴，小喷嘴始终受到来自弹簧7的弹力，可以在大喷嘴内壁前后滑动。小喷嘴的阀门直径大于喷嘴入口10的直径，这样就可以有选择的阻挡氢气进入大喷嘴的入口12，改变氢气流经路径。在阀门后表面安装密封圈，当小喷嘴阀门关闭时氢气只流经小喷嘴。大喷嘴6包括在喷嘴外壳上均匀分布的6个孔道9，以增大流通面积，用以在中高负荷时增加进入电池堆的氢气量。两组喷嘴的中心轴线平行，减少了流体碰撞产生的能量损失。

在具体实施例子中，小喷嘴沿大喷嘴内壁移动，为了减少喷嘴间的摩擦与振动，在小喷嘴管道外壁设有衬套。

本申请的另一种典型的实施方式中，为了提高氢气利用率，克服大负荷时出现氢气供应不足的现象，本发明实施例提供了一种适用于燃料电池的双喷嘴引射器。

该引射器安装在再循环氢气流动路径上，引射器出口正对燃料电池堆的入口，为电池堆提供新鲜氢气并将未消耗的氢气重新循环到电池堆。可以根据系统负荷的增加或减少自动改变氢气供给量及回收未消耗的氢气。具体地说，引射器采用了大小两组喷嘴，在低负荷的情况下，使用小喷嘴供应氢气，增加再循环氢气的回收率；在中高负荷情况下，改用大、小两组喷嘴一起供应氢气，增加流通面积，提高氢气供给流量。

具体实施例子中，如图1所示，流量特性可调引射器包括引射器外壳、阀门喷嘴(小喷嘴)、大喷嘴、弹簧、步进电机、新鲜氢气通道及再循环氢气通道等部分。

其中，步进电机根据负荷的变化改变新鲜氢气流通通道的截面积，通过新鲜氢气压力与弹簧力的平衡关系，改变小喷嘴阀门的位置，调整氢气流经路径。低负荷时只有小喷嘴起作用，喷嘴出口流体流速大、压力小，可以卷吸未燃烧的氢气重新进入引射器，再循环氢气回收率高，提高氢气利用率；中高负荷时，两组喷嘴同时起作用，其中大喷嘴用于增加流通面积，提供更大的燃料流量；小喷嘴用于增加高喷射速度，提高引射器性能。

引射器外壳依次设有接受室、混合室、扩压室，引射器内部有两组喷嘴，大小两组喷嘴入口均与氢气供给管道相连，出口通向接受室。低负荷时小喷嘴工作，在中高负荷时两组喷嘴同时工作，增加进气量。大小两组喷嘴之间有弹簧，弹簧一端顶住小喷嘴的阀门部位，另一端顶住大喷嘴，弹簧可以改变小喷嘴阀门与新鲜氢气入口的位置关系，阀门靠近新鲜氢气入口氢气只流经小喷嘴，而阀门远离新鲜氢气入口，氢气流径大小两组喷嘴，进而控制氢气流经路径。

具体实施例子中，一个步进电机4被连接在引射器的后端，这样新鲜氢气被输送进引射器中，通过步进电机控制进入引射器氢气流量。在新鲜氢气进口13进气管道安装一个阀座15，步进电机阀杆14放在新鲜氢气进口13进气管道前端，阀杆14靠近阀座15缩小进气截面积，阀杆14和阀座15位置关系改变进气道截面积，起到控制进气量的作用。引射器接受室前有一个喷射体3，喷射体下端有再循环氢气管道2，未消耗的氢气通过此管道被卷吸进入引射器，同新鲜氢气一同流经混合室16和扩压室17，最后从引射器出口1输送给电池堆。

步进电机与引射器的新鲜氢气入口相连，步进电机根据负荷的变化改变通道截面积，以改变氢气的供给量。再循环氢气通道与引射器的后端相连，由于喷嘴出口流体的流速大、压力小甚至有时出现负压，会使得引射器对再循环氢气发生卷吸作用，将未消耗的氢气重新吸入引射器，并被新鲜氢气带入混合室混合，最后一起提供给电堆，进行反应。

具体的，引射器在新鲜氢气供给管道安装步进电机，通过控制步进电机的阀杆位置来改变进气管道流通面积，进而改变引射器的新鲜氢气供应量。

在一种实施方案中，弹簧一端与小喷嘴阀门弹性连接，另一端被大喷嘴支撑，因此小喷嘴阀门一侧受到弹簧的作用力，另一侧受到喷嘴入口氢气的压力，在两个力的作用下向前或向后移动，进而决定氢气的流通路径。喷射器入口氢气压力取决于引射器入口的氢气流量，这个流量可以通过步进电机控制。当负荷增加时，引射器的入口氢气流量加大，喷嘴入口压力增大，当压力大到足够克服弹簧弹力时，小喷嘴阀门开始打开，此时大小两组喷嘴同时供应氢气，使得流进引射器氢气流量增加。

在一种实施方案中，小喷嘴阀门安装密封圈。在低负荷时，步进电机阀门开度小，喷嘴入口氢气的压力低于弹簧弹力，因此小喷嘴的阀门紧贴在喷嘴体，密封圈可以防止氢气流进大喷嘴，此时氢气只流经小喷嘴进入接受室，由于小喷嘴直径小，氢气流速高，喷嘴出口压力小，对再循环氢气卷吸作用大，回收率高。

在喷嘴的结构和形状中，氢气的流经路径和流量由步进电机阀杆状态和小喷嘴阀门的状态决定。小喷嘴阀门的开/关操作是根据力的平衡：

阀门关闭：F>(P₁-P₂)×A

阀门开启：F<(P₁-P₂)×A

其中，P₁是步进电机阀门的下游压强(即小喷嘴阀门的前端压强)，P₂是小喷嘴阀门的后端压强，A是喷嘴入口截面积，F是弹簧力。根据上面的关系，A和F是预先确定的设计值，P₁随步进电机阀门的位置变化而改变。

随着步进电机阀门开度增加，喷嘴入口的压力增大。当压力达到临界值后时，小喷嘴阀门开始打开，使流量增加，从而同时向小喷嘴和大喷嘴提供氢气。氢气可以在低负荷下流经小喷嘴，在中高负荷下同时流经大小两组喷嘴。

在另一实施例子中，还公开了燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料供给系统，

所述引射器安装在燃料供给系统的再循环气体流动路径上且靠近燃料电池堆的入口，为电池堆提供新鲜气体并将未消耗的气体重新循环到燃料电池堆。

在又一实施例子中，还公开了一种车辆，该车辆安装有所述燃料电池系统，所述燃料电池系统为车辆的运行提供能量。

本公开的一个实施例子中还公开了基于该喷嘴的流量特性可调的引射器的喷射方法，包括：

图3是引射器在低负荷状态下的喷嘴示意图，步进电机阀门开度小，流进引射器的氢气流量小，引射器喷嘴入口处压力小，所以F>(P₁-P₂)×A，这时弹簧7推动小喷嘴阀门向入口靠近，缩小引射器入口截面积，使得氢气只流进小喷嘴管道，小喷嘴管道直径非常小，在一定压力下，可以得到高速喷射氢气，使得喷嘴出口压力小，甚至出现负压的情况，引射器对再循坏氢气卷吸作用强。在低负荷运行时，燃料利用率大大下降，产生大量未消耗的氢气。因此，在燃料电池低负荷运行时，这种设计会使未燃烧的氢气回收利用率更高，提高引射器性能，减少氢气的浪费。

图4是引射器在中高负荷状态下的喷嘴示意图，步进电机阀门开度大，流进引射器的氢气量增加，引射器喷嘴入口10处压力大，所以F<(P₁-P₂)×A，这时小喷嘴阀门向前移动，氢气也开始流进管道12，增大了进气截面积，引射器氢气喷射量增大。

本发明实施例提出用于燃料电池双喷嘴引射器，该引射器不仅可以高效回收未消耗的氢气，还可以灵活调节供给电池堆的燃料流速流量。根据本发明实施例，可以实现在低负荷时氢气仅通过小喷嘴，中高负荷大小两组喷嘴同时使用。采用衬套、密封圈和强度合适的弹簧，保证小喷嘴稳定移动，实现了不同负荷氢气流通路径的调节。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种喷嘴，其特征是，包括喷嘴体、小喷嘴、大喷嘴及弹性部件；

其中，大小两组喷嘴同轴布置且均设置在喷嘴体上；

小喷嘴为一根细长且带有阀门的空心管，大小两组喷嘴之间设置有弹性部件，弹性部件一端顶住小喷嘴的阀门部位，另一端顶住大喷嘴，弹性部件在待喷射气体的作用下能够改变小喷嘴的阀门的位置，继而控制待喷射气体的流经路径。

2.如权利要求1所述的一种喷嘴，其特征是，所述小喷嘴的阀门靠近待喷射气体进入的一端安装密封圈，在低负荷时，喷嘴入口氢气的压力低于弹性部件弹力，小喷嘴的阀门紧贴在喷嘴体，密封圈用于防止待喷射气体流进大喷嘴。

3.如权利要求1所述的一种喷嘴，其特征是，所述小喷嘴能够沿大喷嘴内壁移动，在小喷嘴管道外壁设有衬套。

4.如权利要求1所述的一种喷嘴，其特征是，所述大喷嘴包括多个孔道，所有孔道均与大喷嘴的入口相连通，所述弹性部件及小喷嘴的阀门部位均位于大喷嘴的入口内，且小喷嘴的阀门直径大于喷嘴入口的直径。

5.如权利要求1所述的一种喷嘴，其特征是，所述喷嘴入口设置在喷嘴体内，所述喷嘴入口还与设置在喷嘴体内的稳压腔相通。

6.流量特性可调的引射器，引射器的外壳依次设有接受室、混合室、扩压室，其特征是，采用权利要求1-5任一所述的喷嘴，所述喷嘴的出口通向接受室，所述喷嘴设置在位于引射器中部的喷射体内，位于喷射体下端处设置有第一通道，在所述喷嘴出口处的压力小于外界压力时对再循环气体发生卷吸作用，所述第一通道将未消耗的气体重新吸入引射器，并被喷嘴出口喷出的气体带入混合室混合，混合室混合后的气体通过扩压室再经过出口管道喷出。

7.如权利要求6所述的流量特性可调的引射器，其特征是，所述引射器的后端纵向开有第二通道，所述第二通道与引射器中连通至喷嘴体内的稳压腔的横向通道相连通；

步进电机连接在引射器的后端且步进电机的阀杆横向设置在第二通道与横向通道交汇处，所述第二通道与横向通道交汇处且靠近横向通道的位置处还设置有阀座，阀杆与阀座组合用于改变进气道截面积。

8.采用权利要求6或7所述的流量特性可调的引射器的喷射方法，其特征是，包括：

在低负荷状态下，步进电机阀门开度小，流进引射器的气体流量小，引射器喷嘴入口处压力小，此时，F>(P₁-P₂)×A，弹性部件推动小喷嘴的阀门向喷嘴入口靠近，并堵住引射器喷嘴入口使得气体只流进小喷嘴管道，小喷嘴管道在一定压力下，高速喷射氢气，使得喷嘴出口压力小于外界压力，将未消耗的气体重新吸入引射器，并被喷嘴出口喷出的气体带入混合室混合，混合室混合后的气体通过扩压室再经过出口管道喷出；

在中高负荷状态下，步进电机阀门开度大，流进引射器的气体量增加，引射器喷嘴入口处压力大，所以F<(P₁-P₂)×A，这时小喷嘴的阀门向前移动，远离喷嘴入口，气体同时流进大喷嘴入口，大小两组喷嘴同时喷射气体；

其中，所述气体为带喷射的气体，P₁是步进电机阀门的下游压强即小喷嘴阀门的前端压强，P₂是小喷嘴的阀门的后端压强，A是喷嘴入口截面积，F是弹簧力，根据上面的关系，A和F是预先确定的设计值，P₁随步进电机阀门的位置变化而改变。

9.燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料供给系统，采用权利要求6或7所述的引射器，所述引射器安装在燃料供给系统的再循环气体流动路径上且靠近燃料电池堆的入口，为电池堆提供新鲜气体并将未消耗的气体重新循环到燃料电池堆。

10.一种车辆，该车辆安装有权利要求9所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统为车辆的运行提供能量。