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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffzuführungsvorrichtung zur Zuführung eines gasförmigen Brennstoffs zu einer Brennstoffzelle.
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STAND DER TECHNIK
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Patentdokument 1 offenbart eine Brennstoffzirkulationsvorrichtung, die einen oder mehrere erste Injektoren und einen oder mehrere zweite Injektoren aufweist, wobei jeder dazu konfiguriert ist, einen einer Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoff einzuspritzen.
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DOKUMENTE DES STANDS DER TECHNIK
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PATENTDOKUMENTE
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Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2011-179333
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
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In einem Injektor wird ein Ventil (ein Ventilelement) jedes Mal bei Ausführung einer Einspritzung auf einen Sitzabschnitt (einen Ventilsitz) treffen. Mit zunehmender Anzahl der Einspritzungen des Injektors und somit mit zunehmender Anzahl von Malen, bei denen das Ventil auf den Ventilabschnitt trifft können demnach das Ventil und der Sitzabschnitt beschädigt werden, was zu einer verminderten Lebensdauer des Injektors führt.
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In der Brennstoffzirkulationsvorrichtung in Patentdokument 1, die mit solchen Injektoren (einem ersten Injektor und einem zweiten Injektor) in der Brennstoffeinspritzeinheit zum Einspritzen eines gasförmigen Brennstoffs versehen ist, werden der erste Injektor und der zweite Injektor fast abwechselnd veranlasst, einen gasförmigen Brennstoff mit zeitlichen Phasen einzuspritzen. Dies kann die Anzahl der Einspritzungen des ersten Injektors und des zweiten Injektors erhöhen, was in einer verminderten Lebensdauer des ersten Injektors und des zweiten Injektors resultiert. In der Brennstoffzirkulationsvorrichtung in Patentdokument 1 kann sich folglich die Lebensdauer der Brennstoffeinspritzeinheit zum Einspritzen des gasförmigen Brennstoffs verringern.
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Die vorliegende Offenbarung wurde gemacht, um die vorstehenden Probleme zu adressieren und hat den Zweck, eine Brennstoffzuführungsvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, die Lebensdauer einer Brennstoffeinspritzeinheit zum Einspritzen eines einer Brennstoffzelle zuzuführenden gasförmigen Brennstoffs zu erhöhen.
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MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
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Um den vorstehen erwähnten Zweck zu erreichen, stellt ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung eine Brennstoffzuführungsvorrichtung bereit, umfassend: eine Brennstoffeinspritzeinheit, die dazu konfiguriert ist, einen einer Brennstoffzelle zuzuführenden gasförmigen Brennstoff einzuspritzen; und eine Einspritzsteuerungseinheit, die dazu konfiguriert ist, die Brennstoffeinspritzeinheit zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinspritzeinheit umfasst: ein erstes Brennstoffeinspritzventil, das eine Einspritzöffnung für den gasförmigen Brennstoff aufweist und dazu konfiguriert ist, einen Öffnungsgrad der Einspritzöffnung auf einem vorbestimmten Öffnungsgrad zwischen einem vollständig geschlossenen Öffnungsgrad und einem vollständig geöffneten Öffnungsgrad zu halten, um den gasförmigen Brennstoff einzuspritzen; und ein zweites Brennstoffeinspritzventil, das dazu konfiguriert ist, den gasförmigen Brennstoff intermittierend einzuspritzen, und die Einspritzsteuerungseinheit dazu konfiguriert ist, die Betätigung des ersten Brennstoffeinspritzventils und die Betätigung des zweiten Brennstoffeinspritzventils koordiniert zu steuern.
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Gemäß der vorstehenden Konfiguration umfasst die Brennstoffeinspritzeinheit das erste Brennstoffeinspritzventil. Hier ist das erste Brennstoffeinspritzventil dazu konfiguriert, den Öffnungsgrad der Einspritzöffnung für den gasförmigen Brennstoff auf einem vorbestimmten Öffnungsgrad (einem Zwischenöffnungsgrad), der zwischen einem vollständig geschlossenen Öffnungsgrad und einem vollständig geöffneten Öffnungsgrad definiert ist, zu halten, um den gasförmigen Brennstoff einzuspritzen. Wenn das erste Brennstoffeinspritzventil betätigt wird, um den gasförmigen Brennstoff einzuspritzen, kann somit die vorliegende Konfiguration die Anzahl der Male, die ein Ventilelement und ein Ventilsitz aufeinandertreffen, um die Einspritzöffnung für den gasförmigen Brennstoff des ersten Brennstoffeinspritzventil zu öffnen und zu schließen, reduzieren. Dies kann die Verminderung der Lebensdauer des Ventilelements und des Ventilsitzes unterdrücken. Das erste Brennstoffeinspritzventil kann somit seine Lebensdauer beibehalten, was in einer erhöhten Lebensdauer der Brennstoffeinspritzeinheit resultiert.
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Darüber hinaus kann ein Betätigen des ersten Brennstoffeinspritzventils zu einer Verringerung der Anzahl der Betätigungen des zweiten Brennstoffeinspritzventils führen. Somit kann das zweite Brennstoffeinspritzventil seine Lebensdauer beibehalten, was es ermöglicht, die Lebensdauer der Brennstoffeinspritzeinheit zu erhöhen.
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Bei dem vorhergehenden Aspekt ist die Einspritzsteuerungseinheit bevorzugt dazu konfiguriert, eine Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils auszuführen, um während einer niedrigen Leistung der Brennstoffzelle, bei der eine Änderungsrate der Leistung der Brennstoffzelle geringer als ein vorbestimmter Betrag ist, das erste Brennstoffeinspritzventil zu betätigen, aber das zweite Brennstoffeinspritzventil zu sperren.
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Gemäß der vorstehenden Konfiguration wird das zweite Brennstoffeinspritzventil während einer geringen Leistung der Brennstoffzelle gesperrt. Diese Konfiguration kann die Lebensdauer des zweiten Brennstoffeinspritzventils effektiver aufrechterhalten.
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Bei dem vorhergehenden Aspekt, führt die Einspritzsteuerungseinheit die Steuerung während der Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils bevorzugt so aus, dass ein Istdruck eines Innendrucks der Brennstoffzelle eine untere Grenze eines Solldrucks wird.
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Gemäß der vorstehenden Konfiguration kann die Einspritzmenge des gasförmigen Brennstoffs aus dem ersten Brennstoffeinspritzventil niedergehalten werden, so dass der Brennstoffverbrauch der Brennstoffzelle erhöht werden kann.
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Bei dem vorhergehenden Aspekt ist die Einspritzsteuerungseinheit bevorzugt dazu konfiguriert, eine Zweifach-Einspritzventil-Einspritzsteuerung auszuführen, um sowohl das erste Brennstoffeinspritzventil als auch das zweite Brennstoffeinspritzventil während einer hohen Leistung der Brennstoffzelle, bei der eine Änderungsrate der Leistung der Brennstoffzelle mehr als ein vorbestimmter Betrag ist, zu betätigen.
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Gemäß der vorstehenden Konfiguration ist es während der hohen Leistung der Brennstoffzelle möglich, selbst wenn die alleinige Betätigung des ersten Brennstoffeinspritzventils die geforderte Einspritzmenge des gasförmigen Brennstoffs nicht einhalten könnte, die geforderte Einspritzmenge des gasförmigen Brennstoffs durch Betätigung des zweiten Brennstoffeinspritzventils zusätzlich zum ersten Brennstoffeinspritzventil einzuhalten.
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Bei dem vorhergehenden Aspekt führt die Einspritzsteuerungseinheit während der Zweifach-Einspritzventil-Einspritzsteuerung bevorzugt eine Regelung aus, um eine Einspritzmenge des durch das zweite Brennstoffeinspritzventil einzuspritzenden gasförmigen Brennstoffs gemäß einer Differenz zwischen einer geforderten Einspritzmenge des gasförmigen Brennstoffs und einer durch das erste Brennstoffeinspritzventil eingespritzten Menge des gasförmigen Brennstoffs zu steuern.
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Gemäß der vorstehenden Konfiguration kann die geforderte Einspritzmenge des gasförmigen Brennstoffs während der hohen Leistung der Brennstoffzelle zuverlässiger eingehalten werden.
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Bei dem vorhergehenden Aspekt ist die Einspritzsteuerungseinheit während der hohen Leistung der Brennstoffzelle bevorzugt dazu konfiguriert, auszuführen: die Zweifach-Einspritzventil-Einspritzsteuerung, wenn eine Druckdifferenz zwischen einem Solldruck und einem Istdruck eines Innendrucks der Brennstoffzelle größer als eine Druckdifferenz ist, die einen Druckanstieg des Istdrucks durch Betätigung des ersten Brennstoffeinspritzventils erlaubt, und die Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils, um das erste Brennstoffeinspritzventil zu betätigen, aber das zweite Brennstoffeinspritzventil zu sperren, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Solldruck und dem Istdruck der Brennstoffzelle gleich oder geringer als die Druckdifferenz ist, die einen Druckanstieg des Istdrucks durch Betätigung des ersten Brennstoffeinspritzventils erlaubt.
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Gemäß der vorstehenden Konfiguration steuert die Einspritzsteuerungseinheit während der hohen Leistung der Brennstoffzelle, wenn der Innendruck der Brennstoffzelle nicht durch alleiniges Betätigen des ersten Brennstoffeinspritzventils auf den Solldruck angepasst werden könnte, das zweite Brennstoffeinspritzventil zusammen mit dem ersten Brennstoffeinspritzventil an. Dies kann sicherstellen, dass der Innendruck der Brennstoffzelle den Solldruck erreicht. Darüber hinaus steuert die Einspritzsteuerungseinheit während der hohen Leistung der Brennstoffzelle, wenn der Innendruck der Brennstoffzelle nur durch Betätigen des ersten Brennstoffeinspritzventils auf den Solldruck angepasst werden könnte, nur das erste Brennstoffeinspritzventil an und sperrt das zweite Brennstoffeinspritzventil. Demnach kann die vorstehende Konfiguration eine Differenz zwischen dem Innendruck der Brennstoffzelle auf einer Seite des gasförmigen Brennstoffs und dem Innendruck derselben auf einer Luftseite reduzieren, während die Generierung eines Pulsierens des Innendrucks der Brennstoffzelle unterdrückt wird. Bei der Brennstoffzelle ist es daher weniger wahrscheinlich, dass der Brennstoff von der Seite des gasförmigen Brennstoffs zur Luftseite passiert, so dass der Brennstoffverbrauch der Brennstoffzelle erhöht werden kann.
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Der vorhergehende Aspekt umfasst zudem bevorzugt einen Ejektor, der in einer Position stromabwärts der Brennstoffeinspritzeinheit und stromaufwärts der Brennstoffzelle vorgesehen ist, wobei der Ejektor dazu konfiguriert ist, den von der Brennstoffeinspritzeinheit eingespritzten gasförmigen Brennstoff einzuführen, wobei er einen negativen Druck generiert, das von der Brennstoffzelle abgelassene Brennstoffabgas durch Verwendung des negativen Drucks ansaugt, das angesaugte Brennstoffabgas mit dem eingeführten gasförmigen Brennstoff vermischt und zur Brennstoffzelle zirkuliert, und eine Einführungsöffnung des Ejektors für den gasförmigen Brennstoff mit einer Einspritzöffnung des ersten Brennstoffeinspritzventils für den gasförmigen Brennstoff verbunden ist.
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Gemäß der vorstehenden Konfiguration kann der Ejektor, selbst wenn nur das erste Brennstoffeinspritzventil betätigt wird, das aus der Brennstoffzelle abgelassene Brennstoffabgas zur Brennstoffzelle zirkulieren, so dass die Zirkulationsfunktion des Brennstoffabgases durch den Ejektor aufrechterhalten werden kann.
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Bei dem vorhergehenden Aspekt ist die Einspritzsteuerungseinheit bevorzugt dazu konfiguriert, die Brennstoffeinspritzeinheit dazu zu veranlassen, den gasförmigen Brennstoff intermittierend einzuspritzen, wenn eine Gefriererzeugungsbedingung, dass ein Gefrieren innerhalb des Ejektors auftritt, während der Ausführung der Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils, bei der das erste Brennstoffeinspritzventil betätigt wird, aber das zweite Brennstoffeinspritzventil gesperrt wird, erfüllt wird.
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Gemäß der vorstehenden Konfiguration spritzt der Ejektor den gasförmigen Brennstoff intermittierend ein, um ein Pulsieren des gasförmigen Brennstoffs im Ejektor zu bewirken, wodurch ein Gefrieren oder eine Eisbildung innerhalb des Ejektors verhindert wird.
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Bei dem vorhergehenden Aspekt ist das erste Brennstoffeinspritzventil bevorzugt ein Brennstoffeinspritzventil, das dazu konfiguriert ist, die Einspritzöffnung für den gasförmigen Brennstoff durch eine Betätigung durch einen Linearaktuator zu öffnen und zu schließen.
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Gemäß der vorstehenden Konfiguration kann die Betätigung des Linearaktuators den Öffnungsgrad der Einspritzöffnung des ersten Brennstoffeinspritzventils zuverlässig auf dem vorbestimmten Öffnungsgrad halten.
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EFFEKTE DER ERFINDUNG
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Gemäß einer Brennstoffzuführungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die Lebensdauer einer Brennstoffeinspritzeinheit zum Einspritzen eines einer Brennstoffzelle zuzuführenden gasförmigen Brennstoffs zu erhöhen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine graphische Darstellung, die eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems zeigt, das mit einer Brennstoffzuführungsvorrichtung in einer vorliegenden Ausführungsform versehen ist;
- 2 ist ein Graph, der eine Betätigung oder Nichtbetätigung eines Linearmagnetventils und eines Injektors, einen Stackinnendruck und eine Stackleistung, wenn sich die Stackleistung in der vorliegenden Ausführungsform weniger ändert, zeigt;
- 3 ist ein Ablaufdiagramm, das die durch eine Einspritzsteuerungseinheit auszuführenden Steuerungsinhalte in der vorliegenden Ausführungsform zeigt;
- 4 ist ein Graph, der eine Betätigung oder Nichtbetätigung des Linearmagnetventils und des Injektors, den Stackinnendruck und die Stackleistung, wenn sich die Stackleistung in der vorliegenden Ausführungsform stark ändert, zeigt;
- 5 ist eine Grafik, die Einspritzzeitpunkte des Linearmagnetventils und des Injektors zeigt;
- 6 ist ein Graph, der eine Abbildung zeigt, die eine Beziehung zwischen einer Tankinnentemperatur, einer Umgebungstemperatur und der Zeit definiert;
- 7 ist eine graphische Darstellung, die ein erstes modifiziertes Beispiel bezüglich einer Verbindung zwischen einer Brennstoffeinspritzeinheit und einem Ejektor zeigt;
- 8 ist eine graphische Darstellung, die ein zweites modifiziertes Beispiel bezüglich einer Verbindung zwischen einer Brennstoffeinspritzeinheit und einem Ejektor zeigt;
- 9 ist eine graphische Darstellung, die ein drittes modifiziertes Beispiel bezüglich einer Verbindung zwischen einer Brennstoffeinspritzeinheit und einem Ejektor zeigt;
- 10 ist ein Graph, der einen Stackinnendruck und eine Stackleistung durch Betätigung nur eines Injektors, wenn sich die Stackleistung weniger ändert, zeigt; und
- 11 ist ein Graph, der einen Stackinnendruck und eine Stackleistung durch Betätigung nur eines Linearmagnets, wenn sich die Stackleistung weniger ändert, zeigt.
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AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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Eine ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform einer Brennstoffzuführungsvorrichtung in der vorliegenden Offenbarung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gegeben.
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<Übersicht eines Brennstoffzellensystems>
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Die Übersicht eines Brennstoffzellensystems, das mit der Brennstoffzuführungsvorrichtung in der vorliegenden Ausführungsform versehen ist, wird zunächst nachfolgend beschrieben. Dieses Brennstoffzellensystem 1 ist ein in einem Brennstoffzellenfahrzeug zu verbauendes System und wird betrieben, um einem Antriebsmotor (nicht gezeigt) des Fahrzeugs eine elektrische Leistung zuzuführen.
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(Schematische Konfiguration des Brennstoffzellensystems)
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Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst, wie in 1 gezeigt, einen FC-Stack (eine Brennstoffzelle) 11, ein Wasserstoffsystem 12 und ein Luftsystem 13.
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Der FC-Stack ist dazu konfiguriert, eine elektrische Leistung bei Erhalt einer Zuführung von Brennstoffgas und einer Zuführung von Oxidationsmittelgas zu erzeugen. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Brennstoffgas Wasserstoffgas und das Oxidationsmittelgas ist Luft. Das heißt, der FC-Stack 11 generiert elektrische Leistung, wenn er das von dem Wasserstoffsystem 12 zugeführte Wasserstoffgas und die von dem Luftsystem 13 zugeführte Luft 13 erhält. Die in dem FC-Stack 11 generierte elektrische Leistung wird dem Antriebsmotor (nicht gezeigt) durch einen Inverter (nicht gezeigt) zugeführt.
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Das Wasserstoffsystem 12 ist auf einer Anodenseite des FC-Stacks 11 vorgesehen. Dieses Wasserstoffsystem 12 ist mit einem Wasserstoffzuführungskanal 21 und einem Wasserstoffabgaszirkulationskanal 22 versehen. Der Wasserstoffzuführungskanal 21 ist ein Kanal, der dazu konfiguriert ist, dem FC-Stack 11 Wasserstoffgas aus einem Wasserstofftank 31 zuzuführen. Der Wasserstoffabgaszirkulationskanal 22 ist ein Kanal, der dazu konfiguriert ist, von dem FC-Stack 11 abgelassenes Wasserstoffgas (im Folgenden sachgerecht als Wasserstoffabgas bezeichnet) zu zirkulieren.
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Das Wasserstoffsystem 12 ist mit einem Hauptsperrventil 32, einem Druckminderventil 33 und einer Brennstoffzuführungsvorrichtung 34 versehen, die in dieser Reihenfolge von der Seite des Wasserstofftanks 31 aus in dem Wasserstoffzuführungskanal 21 angeordnet sind. Das Hauptsperrventil 32 ist ein Ventil, das dazu konfiguriert ist, zwischen einer Zuführung und einer Absperrung von Wasserstoffgas aus dem Wasserstofftank 31 zum Wasserstoffzuführungskanal 21 zu schalten. Das Druckminderventil 33 ist ein Druckregulierungsventil, um den Druck des Wasserstoffgases zu reduzieren.
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Die Brennstoffzuführungsvorrichtung 34 ist eine Vorrichtung, die dazu konfiguriert ist, dem FC-Stack 11 Wasserstoffgas (ein Beispiel eines gasförmigen Brennstoffs in der vorliegenden Offenbarung) zuzuführen, und umfasst eine Brennstoffeinspritzeinheit 41, eine Einspritzsteuerungseinheit 42 und einen Ejektor 43.
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Die Brennstoffeinspritzeinheit 41 ist ein Mechanismus zum Einspritzen von dem FC-Stack 11 zuzuführendem Wasserstoffgas. In der vorliegenden Ausführungsform dient die Brennstoffeinspritzeinheit 41 als ein Ventil zum Einspritzen von Wasserstoffgas und umfasst daher ein Linearmagnetventil 51 (ein erstes Brennstoffeinspritzventil) und einen Injektor 52 (ein zweites Brennstoffeinspritzventil). In dem in 1 gezeigten Beispiel sind das Linearmagnetventil 51 und der Injektor 52 parallel angeordnet.
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Das Linearmagnetventil 51 ist ein Ventil, das dazu konfiguriert ist, eine Einspritzöffnung 51 a für Wasserstoffgas durch Betätigung eines Linearmagneten (nicht gezeigt, ein Beispiel eines Linearaktuators in der vorliegenden Offenbarung) zu öffnen und zu schließen. Dieses Linearmagnetventil 51 ist ein Einspritzmengenregulierungsventil (ein Durchflussratenregulierungsventil), das dazu konfiguriert ist, gesteuert zu werden, um den Öffnungsgrad der Einspritzöffnung 51 a auf einem vorbestimmten Öffnungsgrad zu halten, der zwischen einem vollständig geschlossenen Öffnungsgrad (100% Öffnungsgrad) und einem vollständig geöffneten Öffnungsgrad (0% Öffnungsgrad) definiert ist, um eine Einspritzmenge (eine Durchflussrate) des Wasserstoffgases auf eine vorbestimmte Menge zu regulieren. Der „vorbestimmte Öffnungsgrad“ gibt einen gemäß einer Betriebsbedingung zu verändernden Wert an, und die „vorbestimmte Menge“ gibt ein zu einer geforderten Leistungsgenerierungsmenge korrespondierende Menge an.
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Der Injektor 52 ist ein An-Aus-Ventil, das dazu konfiguriert ist, gesteuert zu werden, um den Öffnungsgrad der Einspritzöffnung 52a lediglich auf entweder einen vollständig geschlossenen Öffnungsgrad oder einen vollständig geöffneten Öffnungsgrad zu schalten, um Wasserstoffgas intermittierend einzuspritzen. Die Einspritzmenge des Injektors 52 wird kleiner als die Einspritzmenge des Linearmagnetventils 51 eingestellt.
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Die Einspritzsteuerungseinheit 42 ist beispielsweise mit einer CPU und Speichern, wie einem ROM und einem RAM, versehen und dazu konfiguriert, die Brennstoffeinspritzeinheit 41 basierend auf zuvor in den Speichern gespeicherten Programmen zu steuern.
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Der Ejektor 43 befindet sich in einer Position stromabwärts der Brennstoffeinspritzeinheit 41 (d.h., auf einer stromabwärtigen Seite in einer Strömungsrichtung des durch den Wasserstoffzuführungskanal 21 strömenden Wasserstoffgases) und stromaufwärts des FC-Stacks 11 (d.h., auf einer stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des durch den Wasserstoffzuführungskanal 21 strömenden Wasserstoffgases). Der Ejektor 43 umfasst einen Einlass 43a, einen Auslass 43b und eine Ansaugöffnung 43c.
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Der Einlass 43a ist eine Einströmöffnung für von der Brennstoffeinspritzeinheit 41 einzuspritzendes Wasserstoffgas. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist dieser Einlass 43a mit der Einspritzöffnung 51 a des Linearmagnetventils 51 und der Einspritzöffnung 52a des Injektors 52 verbunden. Der Auslass 43b ist dazu konfiguriert, Wasserstoffgas abzulassen, und mit dem FC-Stack 11 verbunden. Darüber hinaus ist die Ansaugöffnung 43c dazu konfiguriert, Wasserstoffabgas (Brennstoffabgas) anzusaugen, und mit dem Wasserstoffabgaszirkulationskanal 22 verbunden.
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Der Ejektor 43 ist dazu konfiguriert, das von der Brennstoffeinspritzeinheit 41 eingespritzte Wasserstoffgas durch den Einlass 43a darin einzuführen, was einen negativen Druck erzeugt, das Wasserstoffabgas, das von dem FC-Stack 11 zum Wasserstoffabgaszirkulationskanal 22 abgelassen wird, durch die Ansaugöffnung 43c unter Verwendung des im Ejektor 43 erzeugten negativen Drucks anzusaugen. Der Ejektor 43 ist zudem dazu konfiguriert, das durch die Ansaugöffnung 43c angesaugte Wasserstoffabgas mit dem durch den Einlass 43a darin eingeführten Wasserstoffgas zu mischen und dann dieses gemischte Gas durch den Auslass 43b zum FC-Stack 11 zurückzuführen. Auf diese Weise wird das von dem FC-Stack 11 zum Wasserstoffabgaszirkulationskanal 22 abgelassene Wasserstoffabgas durch den Ejektor 43 zum FC-Stack 11 zirkuliert.
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Das Wasserstoffsystem 12 umfasst einen Gas-Flüssigkeitsabscheider 61 und ein Ablassventil 62, die in dem Wasserstoffabgaszirkulationskanal 22 zum Zirkulieren des Wasserstoffabgases vom FC-Stack 11 zum Ejektor 43 angeordnet sind. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 61 ist eine Vorrichtung, die dazu konfiguriert ist, Wasser oder Feuchtigkeit aus dem Wasserstoffabgas zu separieren. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 61 ist durch den Wasserstoffabgaszirkulationskanal 22 mit der Ansaugöffnung 43c des Ejektors 43 verbunden. Das Ablassventil 62 ist ein Schaltventil, das dazu konfiguriert ist, zwischen einem Ablass und einer Absperrung von Wasserstoffabgas und Wasser vom Gas-Flüssigkeitsabscheider 61 zu einem Dilutor (nicht gezeigt) des Luftsystems 13 zu schalten.
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(Betrieb des Brennstoffzellensystems)
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In dem wie vorstehend konfigurierten Brennstoffzellensystem 1 ist das Wasserstoffsystem 12 dazu konfiguriert, dem FC-Stack 11 durch den Wasserstoffzuführungskanal 21 Wasserstoffgas zuzuführen, und das Wasserstoffgas wird in dem FC-Stack 11 verwendet, um elektrische Leistung zu generieren, und anschließend als Wasserstoffabgas durch den Wasserstoffabgaszirkulationskanal 22 vom FC-Stack 11 in den Ejektor 43 gesaugt oder nach außen abgelassen. Das Luftsystem 13 ist dazu konfiguriert, dem FC-Stack 11 Luft zuzuführen, und die Luft wird in dem FC-Stack 11 verwendet, um elektrische Leistung zu generieren, und anschließend als Luftabgas aus dem FC-Stack nach außen abgelassen.
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(Koordinierte Steuerung des Linearmagnetventils und des Injektors)
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In der Brennstoffzuführungsvorrichtung 34 in der vorliegenden Ausführungsform steuert die Einspritzsteuerungseinheit 42 eine Betätigung des Linearmagnetventils 51 (Einspritzung von Wasserstoffgas durch das Linearmagnetventil 51) und eine Betätigung des Injektors 52 (Einspritzung von Wasserstoffgas durch den Injektor 52) koordiniert, oder gemeinsam. Daher wird im Folgenden die koordinierte Steuerung des Linearmagnetventils 51 und des Injektors 52 in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
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<Der Fall, bei dem sich die Stackleistung wenig ändert>
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Wenn sich ein Fahrzeug mit dem verbauten Brennstoffzellensystem 1 in einem gleichförmigen Lauf oder in einer langsamen Beschleunigung befindet, etc., wie in 10 gezeigt, ändert sich die Stackleistung SO (Leistung des FC-Stacks 11) wenig. Zu dieser Zeit ist im Besonderen eine Änderungsrate (eine Schwankung) der Stackleistung SO geringer als ein vorbestimmter Betrag X. Dieser Zustand, dass sich die Stackleistung SO weniger verändert, bedeutet, dass sich die Änderungsrate der Leistungsgenerierung in dem FC-Stack 11 weniger verändert. Unter der Annahme, dass eine maximale Stackleistung SO 100% ist, ist der vorbestimmte Betrag X beispielsweise 20%.
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Hier wird der folgende Fall angenommen. Das heißt, wenn die Änderung in der Stackleistung SO klein ist (d.h., während geringer Leistung der Brennstoffzelle), wird das Linearmagnetventil 51 (LINEAR) gesperrt, d.h., das Linearmagnetventil 51 wird an einem Einspritzen von Wasserstoffgas gehindert, und nur der Injektor 52 (INJ) wird betätigt, wie in 10 gezeigt. Da der Injektor 52 ein An-Aus-Ventil ist und dazu konfiguriert ist, Wasserstoffgas intermittierend einzuspritzen, pulsiert der Stackinnendruck SP (der Innendruck des FC-Stacks 11) stark, wie in 10 gezeigt. Demnach ist die Menge des dem FC-Stack 11 zuzuführenden Wasserstoffgases nicht stabil, und somit kann sich der Brennstoffverbrauch des FC-Stacks 11 verringern. Zudem nimmt die Anzahl der Male, die der Injektor 52 betätigt wird (d.h., die Anzahl der Einspritzungen) zu, so dass sich die Lebensdauer des Injektors 52 verschlechtern kann.
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In der vorliegenden Ausführungsform führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 daher, wie in 2 gezeigt, wenn die Änderung in der Stackleistung SO klein ist, eine Steuerung aus, um das Linearmagnetventil 51 zu betätigen und den Injektor 52 zu sperren (Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils). Zu dieser Zeit hält die Einspritzsteuerungseinheit 41 den Öffnungsgrad der Einspritzöffnung 51 a des Linearmagnetventils 51 auf einem vorbestimmten Öffnungsgrad zwischen einem vollständig geschlossenen Öffnungsgrad und einem vollständig geöffneten Öffnungsgrad, um den Istdruck AP des Stackinnendrucks SP auf eine untere Grenze TPmin des Solldruckregulierungswerts anzupassen. Wie in 2 gezeigt, wird demnach der Istdruck AP des Stackinnendrucks SP auf die untere Grenze TPmin des Solldruckregulierungswerts gesteuert. Somit wird der Stackinnendruck SP an der Generierung von Pulsationen gehindert, wodurch eine Differenz zwischen dem Innendruck des FC-Stacks 11 auf der Wasserstoffgasseite und dem Innendruck desselben auf der Luftseite reduziert wird, so dass der Brennstoffverbrauch des FC-Stacks 11 erhöht wird.
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Da der Injektor 52 gesperrt wird, kann darüber hinaus die Anzahl der Betätigungen des Injektors 52 reduziert werden. Demnach kann die Lebensdauer des Injektors 52 aufrechterhalten werden, und somit kann die Lebensdauer der Brennstoffeinspritzeinheit 41 erhöht werden.
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<Der Fall, bei dem sich die Stackleistung stark ändert>
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Wenn sich ein Fahrzeug mit dem verbauten Brennstoffzellensystem 1 andererseits in einer rapiden Beschleunigung befindet (während WOT (WEIT OFFENE DROSSEL)), wie in 11 gezeigt, ändert sich die Stackleistung SO stark. Zu dieser Zeit ist im Besonderen eine Änderungsrate des Stackleistung SO gleich oder größer als der vorbestimmte Betrag X. Dieser Zustand, dass sich die Stackleistung SO stark ändert, bedeutet, dass sich die Änderungsrate der Leistungsgenerierung in dem FC-Stack 11 stark ändert.
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Hier wird der folgende Fall angenommen. Das heißt, wenn die Änderung ist der Stackleistung SO groß ist (d.h., während hoher Leistung der Brennstoffzelle), wird der Injektor 52 gesperrt und nur das Linearmagnetventil 51 wird betätigt, wie in 11 gezeigt. Zu dieser Zeit wird eine Betätigung des Linearmagnetventils 51 so gesteuert, dass der Istdruck AP des Stackinnendrucks SP die untere Grenze TPmin des Solldruckregulierungswerts wird. Da das Linearmagnetventil 51 eine geringe Reaktion, um Wasserstoffgas einzuspritzen, aufweist, kann jedoch ein Bereich α, in dem der Istdruck AP des Stackinnendrucks SP die untere Grenze TPmin des Solldruckregulierungswerts nicht erreichen kann, in einem Zeitraum T1 auftreten, in dem der Solldruckregulierungswert TP des Stackinnendrucks SP ansteigt, wie in 11 gezeigt.
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In der vorliegenden Ausführungsform betätigt daher die Einspritzsteuerungseinheit 42, wenn die Änderung in der Stackleistung SO groß ist, das Linearmagnetventil 51 und betätigt, je nach Bedarf, auch den Injektor 52.
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Um konkret zu sein, führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 die in einem Ablaufdiagramm der 3 gezeigten Steuerungsinhalte aus. Wie in 3 gezeigt, detektiert die Einspritzsteuerungseinheit 42 einen Beschleunigungsbetätigungsbetrag (d.h., einen Absenkungsbetrag eines Beschleunigungspedals (nicht gezeigt)) (Schritt S1) und berechnet anschließend eine Leistungsgenerierungsmenge eines FC-Stacks (eine erforderliche Leistungsgenerierungsmenge des FC-Stacks 11) basierend auf dem detektierten Beschleunigungsbetätigungsbetrag (Schritt S2). Nachfolgend berechnet die Einspritzsteuerungseinheit 42 eine geforderte Wasserstoffdurchflussrate (eine geforderte Durchflussrate von Wasserstoffgas, die dem FC-Stack 11 zuzuführen ist) basierend auf der berechneten Leistungsgenerierungsmenge des FC-Stacks (Schritt S3). Anschließend berechnet die Einspritzsteuerungseinheit 42 einen Solldruckregulierungswert TP des Stackinnendrucks SP basierend auf der berechneten geforderten Wasserstoffdurchflussrate (Schritt S4) und detektiert zudem den Istdruck AP und einen Vordruck (d.h. der Druck auf der stromaufwärtigen Seite der Brennstoffzuführungsvorrichtung 34) (Schritte S5 und S6).
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Die Einspritzsteuerungseinheit 42 führt anschließend eine Betätigungssteuerung des Injektors 52 (INJ) basierend auf einer Druckdifferenz zwischen dem Solldruckregulierungswert TP und dem Istdruck und auch dem Vordruck aus (Schritt S7).
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In diesem Schritt S7, steuert die Einspritzsteuerungseinheit 42, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Solldruckregulierungswert TP und dem Istdruck AP gleich oder geringer als eine Druckdifferenz ist, die einen Druckanstieg des Istdrucks AP durch Betätigung des Linearmagnetventils 51 erlaubt, die Betätigung des Linearmagnetventils 51 und sperrt den Injektor 52 (Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils). Mit anderen Worten sperrt die Einspritzsteuerungseinheit 42 den Injektor 52 und betätigt nur das Linearmagnetventil 51, wenn der Stackinnendruck SP durch Betätigung des Linearmagnetventils 51 auf den Solldruckregulierungswert TP angepasst werden kann.
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Im Gegensatz dazu führt die Einspritzsteuerungseinheit 42, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Solldruckregulierungswert TP und dem Istdruck AP größer als die Druckdifferenz ist, die einen Druckanstieg des Istdrucks AP durch Betätigung des Linearmagnetventils 51 erlaubt, eine Steuerung aus, um das Linearmagnetventil 51 und auch den Injektor 52 zu betätigen (Zweifach-Einspritzventil-Einspritzsteuerung). Mit anderen Worten betätigt die Einspritzsteuerungseinheit 42 sowohl das Linearmagnetventil 51 als auch den Injektor 52, wenn der Stackinnendruck SP auch nicht durch Betätigung des Linearmagnetventils 51 auf den Solldruckregulierungswert TP angepasst werden kann.
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Die Einspritzsteuerungseinheit 42 führt die in dem Ablaufdiagramm der 3 gezeigten Steuerungsinhalte aus, um eine solche Steuerung auszuführen wie in 4 gezeigt.
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Wie in 4 gezeigt, führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 in dem Zeitraum T1, in dem der Solldruckregulierungswert TP des Stackinnendrucks SP ansteigt, die Zweifach-Einspritzventil-Einspritzsteuerung aus. In diesem Zeitraum T1 ist ein Änderungswert (ein Anstiegswert) des Solldruckregulierungswerts TP pro Zeiteinheit größer als ein vorbestimmter Wert und die Druckdifferenz zwischen dem Solldruckregulierungswert TP und dem Istdruck AP ist größer als die Druckdifferenz, die einen Druckanstieg des Istdrucks AP durch Betätigung des Linearmagnetventils 51 erlaubt.
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Wenn die Änderung in der Stackleistung SO groß ist, wie vorstehend beschrieben, führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 die Zweifach-Einspritzventil-Einspritzsteuerung aus, um eine Leistungsantwort der Brennstoffeinspritzeinheit 41 zu erhöhen, um eine Anforderung für einen rapiden Anstieg des Stackinnendrucks SP zu adressieren.
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Während der Zweifach-Einspritzventil-Einspritzsteuerung, die wie vorstehend beschrieben ausgeführt wird, führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 eine Regelung aus, um die Einspritzmenge des durch den Injektor 52 einzuspritzenden Wasserstoffgases gemäß einer Differenz zwischen der geforderten Einspritzmenge des Wasserstoffgases und der durch das Linearmagnetventil 51 eingespritzten Einspritzmenge des Wasserstoffgases zu steuern. Zu dieser Zeit steuert die Einspritzsteuerungseinheit 42 die Betätigung des Injektors 52, so dass ein Pulsationsbereich des Stackinnendrucks SP, der durch Betätigung des Injektors 52 generiert wird, in einen Bereich fällt, der durch eine obere Grenze TPmax und eine untere Grenze TPmin des Solldrucks definiert wird.
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In einem Zeitraum T2, in dem der Solldruckregulierungswert TP des Stackinnendrucks SP konstant ist, wie in 4 gezeigt, führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 die Steuerung aus, um den Injektor 52 zu sperren und nur das Linearmagnetventil 51 zu betätigen (Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils). In diesem Zeitraum T2 ist der Änderungswert (der Anstiegswert) des Solldruckregulierungswerts TP pro Zeiteinheit gleich oder geringer als der vorbestimmte Wert und die Druckdifferenz zwischen dem Solldruckregulierungswert TP und dem Istdruck AP ist gleich oder geringer als die Druckdifferenz, die einen Druckanstieg des Istdrucks AP durch Betätigung des Linearmagnetventils 51 erlaubt.
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Wenn der Solldruckregulierungswert TP des Stackinnendrucks SP konstant ist (d.h., während konstantem Druck), betätigt die Einspritzsteuerungseinheit 42 das Linearmagnetventil 51, um den Stackinnendruck SP auf die untere Grenze TPmin des Solldruckregulierungswerts anzupassen. Die Einspritzsteuerungseinheit 42 sperrt den Injektor 52, um die Generierung einer Pulsation des Stackinnendrucks SP zu unterdrücken. Dies kann die Menge des dem FC-Stack 11 zuzuführenden Wasserstoffgases auf ein erforderliches Minimum reduzieren und auch eine Differenz zwischen dem Innendruck des FC-Stacks 11 auf der Wasserstoffgasseite und dem Innendruck desselben auf der Luftseite reduzieren. Somit kann der Brennstoffverbrauch des FC-Stacks 11 erhöht werden.
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Da der Injektor 52 gesperrt wird, kann die Anzahl der Betätigungen des Injektors 52 reduziert werden. Demnach kann die Lebensdauer des Injektors 52 aufrechterhalten werden, und somit kann die Lebensdauer der Brennstoffeinspritzeinheit 41 erhöht werden.
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In einem Zeitraum T3, in dem der Solldruckregulierungswert TP des Stackinnendrucks SP abnimmt, wie in 4 gezeigt, sperrt die Einspritzsteuerungseinheit 42 sowohl das Linearmagnetventil 51 als auch den Injektor 52.
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<Steuerung, um ein inneres Gefrieren des Ejektors zu verhindern>
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Wenn die Außenlufttemperatur und die Innentemperatur des Wasserstofftanks 31 gering sind, wie während eines Zustands unter dem Gefrierpunkt oder einem kontinuierlichen gleichförmigen Laufs eines Fahrzeugs, ist die Temperatur eines aus dem Wasserstofftank 31 der Brennstoffzuführungsvorrichtung 34 zuzuführenden Wasserstoffgases gering. Im Gegensatz dazu, wenn der FC-Stack 11 nach Starten des Fahrzeugs erwärmt wird, kommt das durch den Wasserstoffabgaszirkulationskanal 22 von dem FC-Stack 11 zum Ejektor 43 zu zirkulierende Wasserstoffabgas in einen warmen und feuchten Zustand.
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Wenn die Temperatur des der Brennstoffzuführungsvorrichtung 34 zuzuführenden Wasserstoffgases gering ist, während das zum Ejektor 43 zirkulierte Wasserstoffabgas in dem warmen und feuchten Zustand ist, kann sich Frost in einem Mischungsbereich im Ejektor 43 (einer Düse und einem Diffuser) bilden, in dem sich das Wasserstoffgas und das Wasserstoffabgas miteinander vermischen. Zu dieser Zeit, wenn das Linearmagnetventil 51 betrieben wird, um Wasserstoffgas bei mit einem Öffnungsgrad, der auf einem vorbestimmten Öffnungsgrad gehalten wird, geöffneter Einspritzöffnung einzuspritzen, während der Injektor 52 gesperrt ist, ist die Pulsation von durch das Innere des Ejektors 43 strömendem Wasserstoffgas klein. Somit kann sich Frost im Ejektor 43 bilden und weiter allmählich zu Eis werden, was zum Einfrieren führt.
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In dem Fall, in dem sich wie vorstehend beschrieben Frost im Ejektor 43 bilden kann, wenn die Einspritzsteuerungseinheit 42 das Linearmagnetventil 51 betätigt, um kontinuierlich Wasserstoffgas einzuspritzen, veranlasst die Einspritzsteuerungseinheit 42 zudem den Injektor 52, Wasserstoffgas zumindest einmal oder öfter nach Ablauf einer Zeit t (einer vorbestimmten Zeit) intermittierend einzuspritzen (siehe 5). Hier ist die Zeit t auf eine Zeit eingestellt, in der der sich im Ejektor 43 gebildete Frost nicht einfrieren wird. Beispielsweise, wie in 6 gezeigt, wird dies in einer Abbildung basierend auf einer Tankinnengastemperatur T (die Innentemperatur des Wasserstofftanks 31) und einer Umgebungstemperatur (einer Außentemperatur) definiert. Die Zeit t wird länger definiert, je höher die Tankinnengastemperatur T und die Umgebungstemperatur sind, wie in 6 gezeigt.
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Während des Ausführens der Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils durch Betätigen des Linearmagnetventils 51 und Sperren des Injektors 52 wie oben, bestimmt die Einspritzsteuerungseinheit 42, dass eine Gefriererzeugungsbedingung, dass ein Gefrieren innerhalb des Ejektors 43 auftritt, nach einem Ablauf der Zeit t erfüllt ist unter Bezugnahme auf die Abbildung in 6. Wenn bestimmt wird, dass die Gefriererzeugungsbedingung erfüllt ist, führt die Einspritzsteuerungseinheit 52 eine Zweifach-Einspritzventil-Einspritzsteuerung aus, um das Linearmagnetventil 51 zu sperren und den Injektor 52 zu betätigen, um Wasserstoffgas intermittierend aus der Brennstoffeinspritzeinheit 41 einzuspritzen, um eine Pulsation des Wasserstoffgases im Ejektor 43 zu bewirken. Dieser Betrieb kann den im Ejektor 43 gebildeten Frost vibrieren lassen und wegblasen, wodurch ein Auftreten eines Gefrierens im Ejektor 43 verhindert werden kann.
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<Betrieb und Effekte in der vorliegenden Ausführungsform>
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In der Brennstoffzuführungsvorrichtung 34 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst die Brennstoffeinspritzeinheit 41 das Linearmagnetventil 51 und den Injektor 52. Die Einspritzsteuerungseinheit 42 steuert die Betätigung des Linearmagnetventils 41 und die Betätigung des Injektors 52 koordiniert.
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Die Brennstoffeinspritzeinheit 41 umfasst das Linearmagnetventil 51 wie oben. Hier ist das Linearmagnetventil 51 dazu konfiguriert, den Öffnungsgrad der Einspritzöffnung 51a auf einem vorbestimmten Öffnungsgrad (einem Zwischenöffnungsgrad) zwischen dem vollständig geschlossenen Öffnungsgrad und dem vollständig geöffneten Öffnungsgrad zu halten, um Wasserstoffgas einzuspritzen. Demnach ist es während Betätigung des Linearmagnetventils 51 möglich, die Anzahl der Male, die ein Ventil (ein nicht gezeigtes Ventilelement) und ein Sitzabschnitt (ein nicht gezeigter Ventilsitz) zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung 51 a des Linearmagnetventils 51 aufeinander treffen, zu reduzieren, so dass die Lebensdauer des Ventils und des Ventilsitzes daran gehindert werden kann, sich zu verschlechtern. Folglich kann die Lebensdauer des Linearmagnetventils 51 aufrechterhalten werden, und somit kann die Lebensdauer der Brennstoffeinspritzeinheit 41 erhöht werden.
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Da das Linearmagnetventil 51 betätigt wird, kann die Anzahl der Betätigungen des Injektors 52 verringert werden. Demnach kann die Lebensdauer des Linearmagnetventils 51 aufrechterhalten werden, und somit kann die Lebensdauer der Brennstoffeinspritzeinheit 41 erhöht werden.
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Wenn sich die Stackleistung SO weniger verändert (d.h., während niedriger Leistung der Brennstoffzelle), führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 die Steuerung aus, um das Linearmagnetventil 51 zu betätigen, während der Injektor 52 gesperrt wird (Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils).
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Da der Injektor 52 gesperrt wird, wenn die Änderung der Stackleistung SO klein ist, kann die Lebensdauer des Injektors 52 effektiver aufrechterhalten werden. Da das Linearmagnetventil 51 betätigt wird, kann darüber hinaus der Brennstoffverbrauch des FC-Stacks 11 erhöht werden.
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Während der Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 diese Steuerung so aus, dass der Stackinnendruck SP die untere Grenze TPmin des Solldruckregulierungswerts wird.
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Dies kann die Einspritzmenge des durch das Linearmagnetventil 51 einzuspritzenden Wasserstoffgases reduzieren und somit den Brennstoffverbrauch des FC-Stacks 11 erhöhen.
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Wenn sich die Stackleistung SO stark ändert (d.h., während hoher Leistung der Brennstoffzelle), ist die geforderte Einspritzmenge (die Einspritzmenge des von dem FC-Stack 11 geforderten Wasserstoffgases) groß und somit kann die geforderte Einspritzmenge durch alleinige Betätigung des Linearmagnetventils 51 nicht eingehalten werden.
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Wenn die Änderung der Stackleistung SO groß ist, führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 daher die Steuerung aus, um das Linearmagnetventil 51 zu betreiben und auch den Injektor 52 zu betreiben (die Zweifach-Einspritzventil-Einspritzsteuerung).
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Selbst wenn die geforderte Einspritzmenge nicht durch alleinige Betätigung des Linearmagnetventils 51, während die Stackleistung SO stark schwankt, eingehalten werden kann, kann die geforderte Einspritzmenge durch Betätigung sowohl des Linearmagnetventils 51 als auch des Injektors 52 eingehalten werden.
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Während der Zweifach-Einspritzventil-Einspritzsteuerung führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 die Regelung aus, um die Einspritzmenge des durch den Injektor 52 einzuspritzenden Wasserstoffgases gemäß einer Differenz zwischen der geforderten Einspritzmenge und der Einspritzmenge des durch das Linearmagnetventil 51 eingespritzten Wasserstoffgases zu regulieren.
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Es ist daher möglich, die geforderte Einspritzmenge zuverlässiger einzuhalten, während sich die Stackleistung SO stark ändert.
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Während hoher Leistung der Brennstoffzelle, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Solldruckregulierungswert TP und dem Istdruck AP des Innendrucks des FC-Stacks 11 größer als die Druckdifferenz ist, die einen Druckanstieg des Istdrucks AP durch Betätigung des Linearmagnetventils 51 erlaubt, führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 die Zweifach-Einspritzventil-Einspritzsteuerung aus. Während hoher Leistung der Brennstoffzelle, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Solldruckregulierungswert TP und dem Istdruck AP des Innendrucks des FC-Stacks 11 gleich oder geringer als die Druckdifferenz ist, die einen Druckanstieg des Istdrucks AP durch Betätigung des Linearmagnetventils 51 erlaubt, führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 die Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils aus.
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Wenn der Stackinnendruck SP nicht auf den Solldruckregulierungswert TP durch alleinige Betätigung des Linearmagnetventils 51 während hoher Leistung der Brennstoffzelle angepasst werden kann, betätigt die Einspritzsteuerungseinheit 42 den Injektor 52 zusätzlich zum Linearmagnetventil 51. Dies stellt sicher, dass der Stackinnendruck SP auf den Solldruckregulierungswert TP angepasst wird.
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Während hoher Leistung der Brennstoffzelle, wenn der Stackinnendruck SP auf den Solldruckregulierungswert TP durch alleinige Betätigung des Linearmagnetventils 51 angepasst werden kann, betätigt die Einspritzsteuerungseinheit 42 nur das Linearmagnetventil 51 und sperrt den Injektor 52. Dies macht es möglich, eine Differenz zwischen dem Innendruck des FC-Stacks 11 auf der Wasserstoffgasseite und dem Innendruck desselben auf der Luftseite zu reduzieren, während der Stackinnendruck SP daran gehindert wird, zu pulsieren. Demnach wird überschüssiges Wasserstoffgas weniger wahrscheinlich zum FC-Stack 11 passieren, so dass der Brennstoffverbrauch des FC-Stacks 11 erhöht werden kann. Da der Injektor 52 gesperrt wird, kann die Anzahl der Betätigungen des Injektors 52 reduziert werden. Folglich kann die Lebensdauer des Injektors 52 aufrechterhalten werden, und somit kann die Lebensdauer der Brennstoffeinspritzeinheit 41 erhöht werden.
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Der Einlass 43a des Ejektors 43 ist mit der Einspritzöffnung 51a des Linearmagnetventils 51 verbunden.
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Selbst wenn nur das Linearmagnetventil 51 in der vorstehend beschriebenen Weise wie bei der Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils betätigt wird, kann der Ejektor 43 das Wasserstoffabgas zum FC-Stack 11 zirkulieren. Daher kann die Zirkulationsfunktion des Wasserstoffabgases durch den Ejektor 43 aufrechterhalten werden.
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Der Einlass 43a des Ejektors 43 ist zudem mit der Einspritzöffnung 52a des Injektors 52 verbunden. Wenn die Gefriererzeugungsbedingung, dass ein Gefrieren im Ejektor 43 auftritt, während der Ausführung der Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils, bei der das Linearmagnetventil 51 betätigt wird, aber der Injektor 52 gesperrt wird, erfüllt wird, kann die Einspritzsteuerungseinheit 42 den Injektor 52 betätigen, um Wasserstoffgas aus der Brennstoffeinspritzeinheit 41 intermittierend einzuspritzen.
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Diese intermittierende Einspritzung von Wasserstoffgas bewirkt eine Pulsation des Wasserstoffgases im Ejektor 43, wodurch ein Gefrieren im Ejektor 43 verhindert wird.
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Die vorhergehenden Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und schränken die vorliegende Offenbarung nicht ein. Die vorliegende Offenbarung kann in anderen spezifischen Ausbildungen verkörpert sein, ohne dass von ihren wesentlichen Charakteristiken abgewichen wird.
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Beispielsweise kann die Einspritzsteuerungseinheit 42 dazu konfiguriert sein, den Injektor 52 zu betätigen, wenn die Zirkulationsströmungsrate des Wasserstoffgases durch den Ejektor 43 bei der Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils nicht ausreichend ist.
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Der Einlass 43a des Injektors 43 muss nur mit zumindest der Einspritzöffnung 51a des Linearmagnetventils 51 oder der Einspritzöffnung 52a des Injektors 52 verbunden sein. Beispielsweise kann der Einlass 43a des Injektors 43, wie in 7 gezeigt, mit der Einspritzöffnung 51a des Linearmagnetventils 51 verbunden sein, aber nicht mit der Einspritzöffnung 52a des Injektors 52 verbunden sein. Wie in 8 gezeigt, als eine Alternative, wenn zwei Injektoren 52 vorgesehen sind, kann der Einlass 43a des Ejektors 43 mit der Einspritzöffnung 51a des Linearmagnetventils 51 und einer Einspritzöffnung 52a eines der Injektoren 52 verbunden sein, aber nicht mit einer Einspritzöffnung 52 des anderen Injektors 52 verbunden sein.
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Wie in 9 gezeigt, als eine Alternative, kann der Einlass 43a des Ejektors 43 mit einer Einspritzöffnung 51a eines großen Linearmagnetventils 51-1 (ein erstes Linearmagnetventil) und einer Einspritzöffnung 51a eines kleinen Linearmagnetventils 51-2 (ein zweites Linearmagnetventil) verbunden sein, aber nicht mit der Einspritzöffnung 52a des Injektors 52 verbunden sein. Hier ist die Einspritzmenge des durch das große Linearmagnetventil 51-1 einzuspritzende Wasserstoffgases größer als die Einspritzmenge des durch das kleine Linearmagnetventil 51-2 einzuspritzenden Wasserstoffgases. Während hoher Leistung der Brennstoffzelle führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 die Steuerung aus, um das große Linearmagnetventil 51-1 zu betätigen, aber das kleine Linearmagnetventil 51-2 zu sperren. Wenn die Einspritzmenge des Wasserstoffgases durch das Linearmagnetventil 51-1 nicht ausreichend ist, führt die Einspritzsteuerungseinheit 42 die Steuerung aus, um den Injektor 52 zusätzlich zum Linearmagnetventil 51-1 zu betätigen.
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Da das Brennstoffeinspritzventil (das erste Brennstoffeinspritzventil) in der Lage ist, den Öffnungsgrad der Einspritzöffnung für Wasserstoffgas auf den vorbestimmten Öffnungsgrad zwischen dem vollständig geschlossenen Öffnungsgrad und dem vollständig geöffneten Öffnungsgrad zu steuern, kann ein durch einen linearen elektromagnetischen Aktuator zu betätigendes Ventil (z.B. ein durch einen Linearmagneten zu betätigender Injektor) oder ein durch einen piezoelektrischen Aktuator zu betätigendes Ventil anstelle des Linearmagnetventils 51 verwendet werden.
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Die Einspritzmenge des Injektors 52 und die Einspritzmenge des Linearmagnetventils 51 können auf dieselbe Menge eingestellt werden.
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Die Einspritzsteuerungseinheit 42 kann dazu konfiguriert sein, die Brennstoffeinspritzeinheit 41 zu veranlassen, Wasserstoffgas intermittierend einzuspritzen, wenn die vorhergehende Gefriererzeugungsbedingung erfüllt ist. Wenn die Gefriererzeugungsbedingung erfüllt ist, kann daher die Einspritzsteuerungseinheit 42 den Injektor 52 während Betätigens des Linearmagnetventils 51 betätigen oder kann nur das Linearmagnetventil 51 betätigen, um Wasserstoffgas aus der Brennstoffeinspritzeinheit 41 intermittierend einzuspritzen.
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Darüber hinaus kann anstelle des Injektors 52 ein zweites (anderes) Linearmagnetventil 51 (ein Beispiel des zweiten Brennstoffeinspritzventils in der vorliegenden Offenbarung) vorgesehen sein, so dass die Einspritzsteuerungseinheit 42 das zweite Linearmagnetventil 51 betätigt, wenn die vorhergehende Gefriererzeugungsbedingung erfüllt ist, wodurch intermittierend Wasserstoffgas aus der Brennstoffeinspritzeinheit 41 eingespritzt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 11
- FC-Stack
- 12
- Wasserstoffsystem
- 21
- Wasserstoffzuführungskanal
- 22
- Wasserstoffabgaszirkulationskanal
- 31
- Wasserstofftank
- 34
- Brennstoffzuführungsvorrichtung
- 41
- Brennstoffeinspritzeinheit
- 42
- Einspritzsteuerungseinheit
- 43
- Ejektor
- 43a
- Einlass
- 43b
- Auslass
- 43c
- Ansaugöffnung
- 51
- Linearmagnetventil
- 51a
- Einspritzöffnung
- 52
- Injektor
- 52a
- Einspritzöffnung
- SO
- Stack-Ausgang
- SP
- Stackinnendruck
- TP
- Solldruckregulierungswert
- TPmin
- untere Grenze des Solldruckregulierungswerts
- TPmax
- obere Grenze des Solldruckregulierungswerts
- AP
- Istdruck
- α
- Bereich
- T1, T2, T3
- Zeitraum
- T
- Tankinnengastemperatur
- t
- Zeit
