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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Einspritzer für ein Brennstoffzellensystem, und insbesondere einen Einspritzer zum Zuführen eines Brennstoffes (wie zum Beispiel Wasserstoff) zu einem Stapel in einem Brennstoffzellensystem.
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(b) Beschreibung der verwandten Technik
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Im Allgemeinen ist ein Brennstoffzellensystem eine Art eines elektrischen Energieerzeugungssystems, welches chemische Energie eines Brennstoffes in elektrische Energie umwandelt.
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Solch ein Brennstoffzellensystem beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel, ein Brennstoffzuführsystem zum Zuführen eines Brennstoffes (zum Beispiel Wasserstoff) zu dem Brennstoffzellenstapel, ein Luftzuführsystem zum Zuführen von Sauerstoff aus der Luft, welches ein Oxidationsmittel ist, welches benötigt wird für eine elektrochemische Reaktion, zu dem Brennstoffzellenstapel, und ein Kühlsystem zum Ableiten von Reaktionswärme des Brennstoffzellenstapels zu einer Außenseite des Systems und zum Steuern einer Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels.
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Wie dargestellt in 5 (verwandte Technik), beinhaltet ein Brennstoffzufuhr- und -rückführungssystem in einem gewöhnlichen Brennstoffzellensystem normalerweise eine Wasserstoffzuführleitung 110, welche zu einem Wasserstofflagertank 100 verbunden ist, eine Wasserstoffrückführungsleitung 120, durch welche der unreagierte Wasserstoff des Brennstoffzellenstapels 170 rückgeführt wird, einen Einspritzer 140a und 140b, welcher an einem Knoten installiert ist, wo ein Stapeleinlass 130 und die Wasserstoffrückführungsleitung 120 sich treffen, um neuen Wasserstoff und rückgeführten Wasserstoff hin zu einer Anode eines Brennstoffzellenstapels zu pumpen, einen Stapeleinlassdrucksensor 150, welcher auf der Wasserstoffzuführleitung 110 installiert ist, um die Drücke von Wasserstoff und Luft zu messen, und einen Regulator 160, welcher auf der Wasserstoffzuführleitung 110 installiert ist.
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In diesem Fall spritzt der Einspritzer 140a und 140b den komprimierten Wasserstoff, welcher zugeführt wurde von einem Hochdrucktank, durch eine Düse, um ein Vakuum zu erzeugen, so dass das Abgas in dem Brennstoffzellenstapel absorbiert wird zu rückgeführtem Wasserstoffgas.
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Ein Lüfter kann verwendet werden als Rückführungsmittel für das Brennstoffzellensystem, welches oben beschrieben wurde, jedoch ist der Lüfter, welcher ein Motor-basierter Aktor ist, teuer, und Komponenten, wie zum Beispiel Lager, können leicht korrodieren aufgrund des Kondensats des Rückführungsgases. Zusätzlich, wenn eine Drehkomponente klemmt aufgrund des Kondensats, kann die Drehkomponente aufgetaut werden unter Verwendung eines Heizers, welcher unerwünschterweise die Komplexität einer Anordnung steigern würde.
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Ein Einspritzer, welcher als eine einfache Lösung zu den oben beschriebenen Problemen dient, spritzt einen Strahl durch eine Düse unter Verwendung des Wasserstoffes von ungefähr 100 bar an einem Hinterende eines Hochdrucksregulators, um ein Moment zu erzeugen, welches benötigt wird, um Brennstoff zur selben Zeit zuzuführen und rückzuführen.
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Wenn jedoch ein Durchmesser der Düse vergrößert ist, kann eine Geschwindigkeit des Strahls abnehmen, so dass die Absorbierleistung des Einspritzers sich verschlechtert.
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Für diesen Grund gibt es einen Bedarf, um einen Halsbereich der Düse zu vergrößern, um eine große Menge an Fluid für eine große Last zuzuführen, obwohl es vorteilhaft ist in der Leistung, eine Größe der Einspritzdüse zu verringern.
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Als eine mögliche Lösung wurde eine Technik des Anordnens eines großen Einspritzers 140b, und eines kleinen Einspritzers 140a vorgeschlagen.
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Wie dargestellt in 5, wenn ein großer Einspritzer bereitgestellt wird, muss der Einspritzer entweder eine große Düse oder eine kleine Düse verwenden gemäß einem Betrag der Last, so dass die große Düse verwendet wird für einen großen Betrag an Last, und die kleine Düse verwendet wird für einen kleinen Betrag an Last.
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Die Leistung eines Einspritzers kann klassifiziert werden gemäß der Rückführungsleistung durch Brennstoffzufuhr und Pumpe. Je größer die Größe einer Düse sein kann, desto ein größerer Betrag an Brennstofffluss kann zugeführt werden unter demselben Druck. Jedoch, wenn die Düse groß ist, verschlechtert sich die Pumpleistung aufgrund einer geringen Strahlgeschwindigkeit für einen kleinen Betrag an Fluid. Obwohl eine kleine Düsengröße eine gute aerodynamische Leistung aufweist, da die kleine Düse eine hohe Flussgeschwindigkeit sogar bei Niedrigniveau-Zuführung aufweist, kann die kleine Düse nicht einen Bedarf erfüllen, um einen großen Betrag an Fluid zuzuführen.
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In Anbetracht des Obigen wurde eine Vorrichtung zur Steuerung einer Zuführung von Wasserstoffbrennstoff für ein Brennstoffzellensystem in der
koreanischen nicht geprüften Patentveröffentlichung Nummer 10-2012-0136708 vorgeschlagen.
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Wie dargestellt in 6 (verwandte Technik), beinhaltet die Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Wasserstoffbrennstoff für ein Brennstoffzellensystem einen Einspritzer 200, welcher an einem Brennstoffzellenstapeleinlass installiert ist, um Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen, und einen Rückführungsfluss auszubilden, ein Proportionalsteuerungsspulenventil 220, welches zu einer Wasserstoffzuführleitung verbunden ist, um mit einem Düseneinlass 210 des Einspritzers 200 zu kommunizieren, um die Zufuhr von Wasserstoff zu steuern, und eine Ventilsteuerung (nicht dargestellt) zum Steuern des Betriebs des Proportionalsteuerungsspulenventils 220 gemäß einem Ausgang des Brennstoffzellensystems.
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In diesem Fall steuert die Ventilsteuerung den Antrieb des Proportionalsteuerungsspulenventils in einem Schema einer Pulsflusssteuerung in einem niedrigen Ausgabebereich, wo eine Ausgabe in einem derzeitigen Zustand geringer ist als eine vorliegende Referenzausgabe.
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Bezugszeichen 230 ist eine Einspritzdüse, und Bezugszeichen 240 und 250 stellen jeweils einen Einspritzerausgang und einen Ventilkörper dar.
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Gemäß der obigen Technik wird die Leistung eines Niedriglasteinspritzers verbessert durch eine Wasserstoffpulszuführung. Der Wert, welcher die Wasserstoffpulszuführung steuert, welches ein proportional gesteuertes Ventil ist, führt einen Pulsfluss zu der Düse durch eine schnelle An-Aus-Betätigung an einer unteren Last. Zusätzlich kann stilles Antreiben erhalten werden durch eine Auf- und Abbewegung eines Kolbens unter einer großen Lastbedingung wie eine Brennstoffzuführbedingung.
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In der obigen Technik muss jedoch ein unterer Lastantriebsbereich gesetzt werden, und je größer der Bereich ist, desto größer ist die Anzahl von An- und Aus-Betätigungen, so dass eine hohe Anforderung an das Ventil erzeugt wird.
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Insbesondere ist es notwendig, den Pulsfluss auszuführen durch zumindest eine Versetzung in einem kleinen Bereich, wenn möglich. Es ist am Besten, die benötigte aerodynamische Leistung ohne irgendeinen Pulsfluss zu erhalten.
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Mit anderen Worten wird die Pumpeffizienz eines Einspritzers verbessert, so dass die Ventilhaltbarkeit gesichert, und die Geräuscherzeugung unterdrückt werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Einspritzer zur Verfügung zu stellen, welcher fähig ist, automatisch eine Position einer Düse zu bewegen gemäß einem Anstieg oder einer Abnahme einer Systemlast, und zum Steuern einer benötigten Wasserstoffzufuhr und einer Rückführungsflussrate durch Auswahl eines Bereiches eines Düsenhalses in einem Brennstoffzellensystem unter Verwendung eines Einspritzers, insbesondere welcher automatisch gesteuert wird, um Wasserstoff zuzuführen durch eine kleine Düse bei einer niedrigen Last, so dass ein Rückführungsbetrag gesteigert wird.
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Um die obige Aufgabe zu erfüllen wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Einspritzer für ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, welcher die folgenden Merkmale aufweist.
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Der Einspritzer für ein Brennstoffzellensystem, welcher auf einem Rückführungsflusspfad einer Brennstoffzelle installiert ist, um neuen Wasserstoff zu pumpen und zuführen und Gas rückzuführen zu einer Anode eines Brennstoffzellenstapels, beinhaltet einen Einspritzerkörper, welcher einen Wasserstoffauslass an einem Vorderende und einem Wasserstoffrückführungseinlass an einem hinteren Ende aufweist; eine Düse ist installiert in dem Einspritzerkörper, um mit einem Flusssteuerungsventil zu kommunizieren zur Steuerung einer Wasserstoffzufuhr; einen Düsenkörper, welcher einen Wasserstoffflusspfad aufweist; und eine Düseneinrichtung, welche an dem Düsenkörper installiert ist, und ausgebildet ist, um einen Wasserstoffflusspfad zur Verfügung zu stellen, wobei der Düsenkörper einen Bereich eines Düsenhalses variiert gemäß einer Steigerung oder einer Abnahme einer Systemlast, so dass die Wasserstoffzufuhr und eine Rückführungsflussrate gesteuert werden.
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Speziell beinhaltet die Düseneinrichtung eine Düsenkappe, welche an einem Vorderende des Düsenkörpers installiert ist; eine Ventildüse, welche ausgebildet ist, um eine Wasserstoffflussroute zur Verfügung zu stellen, welche parallel mit einer Innenwellenlinie der Nasenkappe angeordnet ist, und zum Öffnen oder Schließen einer Innenseite der Nasenkappe und des Wasserstoffflusspfades, während sie elastisch getragen wird durch eine Feder, um sich zu bewegen; und eine Hülse, welche ausgebildet ist, um eine Flussroute von Wasserstoff zur Verfügung zu stellen, welcher eingeführt wird in die Nasenkappe unter Verwendung einer Vielzahl von Löchern, während sie konzentrisch zwischen der Nasenkappe und der Ventildüse eingefügt ist.
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Daher ist der Einspritzer für ein Brennstoffzellensystem fähig zum automatischen Bewegen einer Position einer Düse gemäß einem Anstieg oder einer Abnahme einer Systemlast, wenn das System betrieben wird an einer unteren Last oder einer mittleren oder einer hohen Last, und zum Ändern eines Bereiches eines Düsenhalses, so dass eine Zufuhr von Wasserstoff und eine Rückführungsflussrate eingestellt werden können.
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Vorzugsweise ist ein Ventilblatt ausgebildet an einem hinteren Ende der Ventildüse und zum öffnen oder Schließen der Innenseite der Nasenkappe und des Wasserstoffflusspfades während wahlweise eine Öffnung des Wasserstoffflusspfades in dem Düsenkörper geschlossen wird.
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Vorzugsweise ist ein Vorsprung ausgebildet an einem hinteren Ende der Ventildüse und tritt weiter nach hinten als eine hintere Oberfläche des Ventilblattes, so dass ein Vortex und ein Druckabfall von Wasserstoff induziert werden kann.
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Der Einspritzer für ein Brennstoffzellensystem kann automatisch eine Position einer Düse bewegen gemäß einer Steigerung oder einer Abnahme einer Systemlast, die benötigte Zufuhr von Wasserstoff und eine Rückführungsflussrate steuern durch Auswählen eines Bereiches eines Düsenhalses in einem Brennstoffzellensystem unter Verwendung eines Einspritzers, und insbesondere automatisch gesteuert werden kann, um Wasserstoff zuzuführen durch eine kleine Düse bei einer niedrigen Last, so dass ein Rückführungsbetrag gesteigert wird, so dass die Pumpeffizienz des Einspritzers verbessert werden kann, eine Ausgestaltung in dem Ventil gesichert ist, und eine Geräuscherzeugung unterdrückt werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die obigen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun in Genauigkeit mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben, welche in den beigefügten Zeichnungen illustrieren werden, und welche hiernach nur zur Illustration gegeben werden, und daher nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung sind, und wobei:
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1 eine Schnittansicht ist, welche einen Einspritzer für ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 eine Schnittansicht ist, welche einen Zustand eines Einspritzers für ein Brennstoffzellensystem darstellt, wenn der Einspritzer unter einer geringen Last betrieben wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Schnittansicht ist, welche einen Zustand eines Einspritzers für ein Brennstoffzellensystem darstellt, wenn der Einspritzer unter einer mittleren oder einen hohen Last betrieben wird gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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4 eine Schnittansicht ist, welche einen Zustand eines Einspritzers für ein Brennstoffzellensystem darstellt, wenn der Einspritzer unter einer mittleren Last (in einer Übergangszone) betrieben wird gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 (verwandte Technik) ist eine schematische Ansicht, welche eine Basisausgestaltung eines Brennstoffzuführ- und Rückführungssystems in einem Brennstoffzellensystem darstellt; und
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6 (verwandte Technik) eine Schnittansicht ist, welche eine Vorrichtung zum Einstellen einer Zufuhr von Wasserstoffbrennstoff von Brennstoffzellen gemäß der verwandten Technik darstellt.
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Es sollte verstanden werden, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen illustrieren, welche illustrativ für die Basisprinzipien der Erfindung sind. Die speziellen Ausgestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung wie hierin offenbart, beinhalten zum Beispiel bestimmte Dimensionen, Ausrichtungen, Orte und Formen, und werden teilweise bestimmt durch die bestimmte Anwendung und die Anwendungsumgebung.
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In den Figuren beziehen sich Bezugszeichen auf die gleiche oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung durch die verschiedenen Figuren der Zeichnung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Hiernach wird die vorliegende Erfindung in Genauigkeit mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
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Es soll verstanden werden, dass der Begriff „Fahrzeug” oder „Fahrzeug...”; oder jeder andere ähnliche Begriff, wie er hierin verwendet wird, Motofahrzeuge allgemein, wie beispielsweise Personenkraftwagen, einschließlich Geländewagen (sports utility vehicles, SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Industriefahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen sowie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, umsteckbare Hybrid-Elektrofahrzeuge, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und Fahrzeuge, die mit anderen alternativen Kraftstoffen (z. B. Kraftstoffen, die aus einer andere Quelle als Erdöl stammen) betrieben werden, einschließt. Wie er hierin verwendet wird, bezeichnet ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das über zwei oder mehr Antriebsquellen verfügt, zum Beispiel ein Fahrzeug, das sowohl mit Benzin als auch mit Strom betrieben wird.
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Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck, bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und soll die Erfindung daher in keiner Weise einschränken. Wie sie hierin verwendet werden, sollen die Singularformen „ein, eine, eines”; und „der, die, das” auch die Pluralformen umfassen, solange aus dem Kontext nicht klar etwas anderes ersichtlich ist. Weiter soll verstanden werden, dass die Begriffe „umfasst” und/oder „umfassend”, wenn sie in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein der genannten Merkmale, Zahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente und/oder Komponenten/Bestandteile angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines oder mehrerer Merkmale, Zahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente, Komponenten/Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie er hierin verwendet wird, schließt der Begriff „und/oder” jegliche und alle Kombination eines oder mehrerer der damit verbundenen aufgelisteten Punkte ein. Zudem kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nicht-transitorische, computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Datenträger ausgeführt werden, der ausführbare Programmbefehle enthält, die durch einen Prozessor, eine Steuerung oder Ähnliches ausgeführt werden. Beispiele computerlesbarer Datenträger enthalten Festwertspeicher, Direktzugriffsspeicher, Compact-Disc-Festwertspeicher (CD-ROMs), Magnetbänder, Disketten, Speichersticks, Chipkarten und optische Datenspeichervorrichtungen, sind aber nicht darauf beschränkt. Das computerlesbare Aufnahmemedium kann auch in netzwerkgekoppelten Computersystemen verteilt sein, so dass das computerlesbare Medium auf verteilte Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematikserver oder ein Controller Area Network (CAN).
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1 ist eine Schnittansicht, welche einen Einspritzer für ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Wie dargestellt in 1 ist ein Einspritzer installiert an einem Einlass eines Brennstoffzellenstapels, um neuen Wasserstoff zuzuführen, und Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel durch Pumpen zurückzuführen.
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Ein Flusssteuerungsventil 13 ist zu einem hinteren Ende des Einspritzers verbunden, so dass der Wasserstoff (neuer Wasserstoff) zu dem Einspritzer gesendet wird, um zugeführt werden zu dem Stapel bei einer Flussrate, welche durch das Flusssteuerungsventil 13 gesteuert wird.
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In diesem Fall kann ein gewöhnliches Flusssteuerungsventil, zum Beispiel, welches dieselbe Struktur aufweist wie das Flusssteuerungsventil, welches in der ungeprüften
koreanischen Patentveröffentlichung Nummer 10-2012-0136708 offenbart ist, als Flusssteuerungsventil
13 dienen, und die Details davon werden ausgelassen.
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Der Einspritzer beinhaltet einen Einspritzkörper 12. Der Einspritzkörper 12 weist eine Struktur auf, an der ein Mischer, welcher den Wasserstoff, welcher durch die Düse 14 gesprüht wird, in den Stapel einführt, sequentiell zu einem Körper gekoppelt ist, welcher einen Diffusor und die Düse 14 aufnimmt.
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Ein Auslass 10 ist an einem Vorderende des Einspritzkörpers 12 ausgebildet, das heißt an den Vorderenden des Mischers und des Diffusors, so dass Wasserstoff, welcher eingespritzt wird durch den Wasserstoffauslass 10, dem Stapel zugeführt werden kann. Ein Wasserstoffrückführungseinlass 11 ist ausgebildet an oder unter einem hinteren Ende des Einspritzkörpers 12, so dass der rückgeführte Wasserstoff, welcher eingeführt wird in den Einspritzkörper 12 durch den Wasserstoffrückführungseinlass 11, gemischt werden kann mit dem neuen Wasserstoff, um zu dem Stapel zugeführt zu werden.
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Zusätzlich beinhaltet der Einspritzer die Düse 14 zum Sprühen von Wasserstoff. Die Düse 14 ist gekoppelt mit dem hinteren Ende des Einspritzkörpers 12, um getragen zu werden und platziert zu werden an einer Innenseite des Einspritzkörpers 12.
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Die Düse 14 kann einen Düsenkörper 15, eine Düsenkappe 16, eine Ventildüse 18, und eine Hülse 20 beinhalten.
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Der Düsenkörper 14 kann mit dem Flusssteuerungsventil 13 durch ein hinteres Ende davon kommunizieren. Ein Wasserstoffflusspfad 25, durch welchen der Wasserstoff fließt, und eine Öffnung 21, durch welche der Wasserstoff ausgegeben wird, sind in dem Düsenkörper 15 ausgebildet.
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Daher fließt der Wasserstoff, welcher von dem Flusssteuerventil 13 gesendet wurde, entlang des Wasserstoffflusspfades 25, und läuft durch die Öffnung 21. Dann, nach dem Passieren der Ventildüse 18, des Mischers und des Diffusors, wird Wasserstoff eingespritzt durch den Wasserstoffeinlass 10, um in den Stapel eingeführt zu werden.
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Die Düsenkappe 16, welche eine Form einer hohlen Kappe aufweist, ist parallel zu einem vorderen Ende des Düsenkörpers 15 installiert, so dass der Wasserstoff durch eine Innenseite der Düsenkappe 16 verläuft.
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Die Ventildüse 18, welche eine Form einer Pfeife aufweist, um dem Wasserstoff zu ermöglichen, um dadurch hindurch zu laufen, ist parallel zu einer inneren Zentralachse der Nasenkappe 16 angeordnet. Zusätzlich wird die Ventildüse 18 getragen, um zu ermöglichen, um auf einer Innenwandoberfläche der Vielzahl von Klammern 24 zu gleiten, welche ausgebildet ist an einer Innenwand des vorderen Endes der Düsenkappe 16 und der Hülse 20, welche unten beschrieben werden.
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Ein Spalt ist ausgebildet zwischen einem Umfanges des vorderen Endes der Düsenkappe 16 und einer Innenwand der Ventildüse 18, so dass der Wasserstoff, welcher in die Hülse 20 eingeführt wird durch den Spalt, durch das vordere Ende der Nasenkappe 16 ausgegeben werden kann.
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Zusätzlich kann die Ventildüse 18 elastisch gestützt werden durch eine Feder 17, wobei eine Seite davon getragen wird durch eine Seite der Hülse 20, so dass die Ventildüse 18 immer Kraft erhält von der Feder 17, um in die hintere Richtung gedrückt zu werden.
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Speziell ist ein Ventilblatt 22, welches einen Durchmesser aufweist, welcher relativ größer ist als der der Ventildüse, ausgebildet an dem hinteren Ende der Ventildüse 18. In diesem Fall ermöglicht das Ventilblatt 22, dass der Wasserstoffpfad geöffnet oder geschlossen wird zu der Innenseite der Nasenkappe durch wahlweises Blocken der Öffnung 21 des Wasserstoffpfades 25 in dem Düsenkörper 13.
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Zum Beispiel kann die Ventildüse 18, welche das Ventilblatt 22 beinhaltet, sich nach vorne oder nach hinten bewegen in einer geraden Linie, während sie gesamtheitlich und elastisch gestützt wird durch die Feder 17. Daher kann das Ventilblatt 22 in die Vorderrichtung sich bewegen oder zurückgesetzt werden in die hintere Richtung gemäß der Korrelation zwischen dem Wasserstoffdruck, welcher aufgebracht wird auf die hintere Oberfläche des Ventilblattes 22 und der Federkraft.
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Daher, in dem Zustand, in dem das Ventilblatt 22 und die Ventildüse 18 sich in die vordere Richtung bewegen, während das Ventilblatt 22 getrennt wird von der Öffnung 21, kommuniziert die Innenseite der Nasenkappe 16 mit dem Wasserstoffpfad 25, so dass der Wasserstoff in die Innenseite der Düsenkappe 16 fließen kann.
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Zusätzlich, in dem Zustand, bei dem das Ventilblatt 22 und die Ventildüse 18 zurückgesetzt sind in der hinteren Richtung, während das Ventilblatt 22 nahe der Öffnung 21 befestigt ist, ist die Innenseite der Düsenkappe 16 geschlossen von dem Wasserstoffpfad 25, so dass Wasserstoff nur durch die Ventildüse 18 zugeführt werden kann.
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Die Hülse 20 ist angeordnet auf einem konzentrischen Kreis zwischen der Düsenkappe 16 der Ventildüse 18, und ist eingepasst mit der Innenwandoberfläche der Ventildüse 18.
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Eine Vielzahl von Löchern 19 ist ausgebildet auf der Hülse 20 und entlang eines äußeren Umfangs der Hülse 20 angeordnet, so dass der Wasserstoff, welcher in die Düsenkappe 16 fließt, durch die Löcher 19 austreten kann, um durch das vordere Ende der Düsenkappe 16 eingespritzt zu werden.
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In dem Fall, dass die Feder 17 elastisch die Ventildüse 18 trägt, während die Feder 17 platziert ist in einer Nut, welche in der Hülse 20 bereitgestellt ist, können beide Enden der Feder 17 gestützt werden und installiert werden zwischen der Seite der Hülse 20 und der Seite des Ventilblattes 22.
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Unterdessen ist in dem Fall der Ventildüse 18, welche das Ventilblatt 22 aufweist, ein Vorsprung 28 (siehe 4), welcher hervortritt von einer rückseitigen Oberfläche des Ventilblattes 21, ausgebildet auf dem hinteren Ende der Ventildüse 18, an welchem das Ventilblatt 21 platziert ist, so dass ein Vortex, und ein Druckabfall des Wasserstoffs, welcher gegen die hintere Oberfläche des Ventilblattes 22 schlägt, induziert wird. Insbesondere, aufgrund des Vortex und des Druckabfalls, kann eine Übergangszone in einer Fluidflusscharakteristikkurve fließend sein.
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Daher, gemäß der vorliegenden Erfindung, weist der Einspritzer eine Ventilstruktur in der Düse auf, während er verbunden ist mit einem Flusssteuerungsventil. Die Düse beinhaltet eine Ventildüse (eine kleine Düse oder eine innere Düse), eine äußere Düse (eine größere Düse), eine Feder, eine Hülse und eine Düsenkappe.
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In der Struktur und Form der Düse variiert der Bereich des Düsenhalses und der Flussrate durch das Flusssteuerventil, welches elektrisch gesteuert wird, und des Ventils in der Düse.
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Dann wird die An-Aus-Betätigung des Düsenventils betrieben gemäß der Kraft-Gleichungen wie folgt: FS > (Pin-Pout) × AV – Schließen der Ventildüse, FS <> (Pin-Pout) × AV – Öffnen der Ventildüse, wobei Pin ein Flussabwärtsdruck des Flusssteuerungsventils ist, Pout ein rückseitiger Druck des Düsenventils, AV ein Bereich der Öffnung, und FS die Kraft (–KX) der Feder ist.
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Gemäß der obigen Beziehung sind AV und FS vorherbestimmte Ausgestaltungswerte, und Pin ist eine Steuerungsvariable, welche sich verändert gemäß der Position eines Kolbens.
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Insbesondere, da der Strom, welcher aufgebracht wird auf das Flusssteuerungsventil gesteigert wird, steigert sich der Druck des Düseneinlass. Wenn der Druck einen Grenzwertdruck erreicht, beginnt das Düsenventil sich zu öffnen, so dass die Flussrate gesteigert wird, wodurch Wasserstoff zu der Ventildüse und der äußeren Düse zur selben Zeit geliefert wird.
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Schlussendlich wird dem Wasserstoff ermöglicht, um zugeführt werden zu der kleinen Düse (Düsenventil) unter einer geringen Last und zu der großen Düse (Düsenventil + Düsenkappe) und einer großen Last.
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2 ist eine Schnittansicht, welche einen Zustand eines Einspritzers für ein Brennstoffzellensystem darstellt, wenn der Einspritzer betrieben wird unter einer geringen Last gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt einen geschlossenen Zustand eines Düsenventils wie folgt: FS ≥ (Pin – Pout) × AV – Schließen des Düsenventils
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Da ein Ventilöffnungsgrad des Flusssteuerungsventils klein ist unter einer geringen Antriebslast, ist der Flussabwärtsdruck (Pin) des Flusssteuerventils verringert, um kleiner zu sein als die Kraft der Feder 17. Als Resultat wird der gesamte Wasserstoff der Ventildüse 18 zugeführt.
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Da der Innendurchmesser der Ventildüse 18 klein ist, kann Hochgeschwindigkeit erhalten werden unter dem gleichen Druck. Daher wird eine exzellente Absorbierleistung (aerodynamische Leistung) erhalten unter einer geringen Antriebsbedingung, welche benötigt wird für das Brennstoffzellensystem.
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3 ist eine Schnittansicht, welche einen Zustand eines Einspritzers für ein Brennstoffzellensystem darstellt, wenn der Einspritzer unter einer mittleren oder hohen Lastbetrieben wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt einen offenen Zustand eines Düsenventils wie folgt: FS ≤ (Pin – Pout) × AV – Öffnen des Düsenventils.
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Der Kolben des Flusssteuerventils steigert den Ventilöffnungsgrad unter mittlerer oder hoher Last, so dass der Flussabwärtsdruck (Pin) des Flusssteuerventils gesteigert wird, um höher zu sein als die Kraft der Feder 17.
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Daher wird die Ventildüse 18 geöffnet, so dass Wasserstoff beginnt, um zugeführt zu werden zu der Ventildüse 18 und der äußeren Düse (dem Flusspfad in der Düsenkappe).
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Da der Öffnungsgrad des Flusssteuerventils gesteigert wird, wird der Flussabwärtsdruck (Pin) des Flusssteuerungsventils gesteigert, so dass sich die Ventildüse 18 in eine vordere Richtung weiter weg bewegt.
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Da die Ventildüse 18 sich in die Vorwärtsrichtung bewegt, wird ermöglicht, dass der Betrag an Fluid sich steigert.
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In diesem Fall kann der Bewegungsvorgang der Ventildüse 18 gestaltet sein, um der Hülse 20 zu ermöglichen, um Vibration zu widerstehen. Die Hülse 20 ist ausgebildet aus einem Material, welches fähig ist zur Reibungsminderung, oder oberflächenbehandelt ist.
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4 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Zustand eines Einspritzers für ein Brennstoffzellensystem darstellt, wenn der Einspritzer unter einer mittleren Last (in einer Übergangszone) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird.
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Wie dargestellt in 4 wird in einer Betriebszone unter der mittleren Last die Ventildüse 18 geöffnet durch den Druck von Pin, welcher gesteigert wird durch Steuerung des Flusssteuerungsventils. Wenn die Ventildüse 18 anfängt sich zu öffnen, kann die Kraftgleichung sich schnell ändern, so dass der Druck und die Flussrate schnell geändert werden können in der Fluidflusscharakteristikkurve.
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Da die Instabilität und Nicht-Linearität nachteilige Bedingungen für die Steuerung des Flusssteuerungsventils sind, muss die Instabilität und Nicht-Linearität in Betracht gezogen werden hinsichtlich der Hardware.
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Wie dargestellt in 4 reduziert der Vorsprung 23 der Ventildüse 18 die Instabilität, welche erzeugt wird, wenn das Ventil anfängt, sich zu öffnen oder sich zu schließen.
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Dem Bereich des Flusspfades der Öffnung wird ermöglicht, um mehr schrittweise verändert zu werden, so dass der Vortex und der Druckabfall, welcher bewirkt wird durch den Vorsprung, der Übergangszone in der Fluidflusscharakteristikkurve ermöglicht um fließend zu sein.
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Wie oben beschrieben wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein neuer Einspritzer zur Verfügung gestellt, welcher die Ventilstruktur in der Düse aufweist, und welcher fähig ist, um Wasserstoffbrennstoff zu ermöglichen, um zugeführt zu werden oder gesteuert zu werden durch die Wasserstoffdrucksteuerung des Flusssteuerventils (Proportionalsteuerungsventil) flussaufwärts an der Düse. Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Wasserstoff zugeführt nur durch die Ventildüse bei einer geringen Last und die Ventildüse bewegt sich, um eine große Düse auszubilden bei einer mittleren oder hohen Last. Zusätzlich wird die Vorsprungsstruktur in der Ventildüse angewendet, um fließend die Übergangszone zu verändern der Ventildüse und der äußeren Düse, so dass, wenn die Ventildüse sich bewegt, die Reibung nicht groß ist, und Fremd-Materialien nicht ausgegeben werden. Zusätzlich werden die Hülse, die Nasenkappe und die Feder angewendet zum Zwecke der stabilen Bewegung der Ventildüse, so dass die Pumpeffizienz des Einspritzers verbessert werden kann. Daher kann die Haltbarkeit des Ventils gesichert werden, und Lärm kann von der Erzeugung gehindert werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung beschrieben wurde in Genauigkeit, ist der Bereich der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt auf die Beschreibung, sondern verschiedene Modifikationen können von Fachmännern gemacht werden unter Verwendung des Basiskonzeptes der vorliegenden Erfindung, wie definiert in den Patentansprüchen, welche auch in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 10-2012-0136708 [0013, 0044]
