EP4301975A1 - Vorrichtung zur regelbaren dosierung von wasserstoff und verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Vorrichtung zur regelbaren dosierung von wasserstoff und verfahren zur herstellung derselben

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EP4301975A1
EP4301975A1 EP22709710.2A EP22709710A EP4301975A1 EP 4301975 A1 EP4301975 A1 EP 4301975A1 EP 22709710 A EP22709710 A EP 22709710A EP 4301975 A1 EP4301975 A1 EP 4301975A1
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EP
European Patent Office
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pole core
armature
sealing element
cone angle
hydrogen
Prior art date
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Pending
Application number
EP22709710.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Bleeck
Uwe Nigrin
Florian Braun
Henry Meißgeier
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of using hydrogen and fuel cells in connection with vehicle engines.
  • the present invention relates in particular to a device for the controllable metering of hydrogen, for example in a
  • Hydrogen internal combustion engine (hereinafter referred to as “hydrogen engine”) or to a fuel cell, especially in an electric vehicle.
  • the present invention also relates to a method for manufacturing such a device.
  • the present invention is generally based on the task of providing a precise, efficient and safe control of hydrogen supply in hydrogen engines or fuel cells and in particular to achieve a large control range for a targeted, precise hydrogen metering with a simultaneously high low-quantity quality.
  • a device for the controllable metering of hydrogen is described.
  • it is a device for the controllable metering of hydrogen to a fuel cell, in particular in a vehicle with an electric drive.
  • Another embodiment is a device for the controllable metering of hydrogen into a hydrogen engine, in particular for blowing hydrogen into an intake manifold or a combustion chamber of the hydrogen engine.
  • the hydrogen engine is a motor vehicle hydrogen engine.
  • the device described has the following: (a) a valve seat, (b) a sealing element and (c) an electromagnetic actuator with a pole core, a magnetic coil and an armature coupled to the sealing element, the actuator being used to move the sealing element along an axis in Is configured as a function of an electric current in the magnet coil, with a surface of the pole core and a surface of the armature together forming a double cone.
  • double cone is to be understood in such a way that both the surface of the pole core and the surface of the armature each have a cone shape.
  • the two conical surfaces are designed in such a way that the conical surface of the pole core fits into the conical surface of the armature.
  • the surface of the pole core has at least a first pole core surface area with a first pole core cone angle and a second pole core surface area with a second pole core cone angle
  • the surface of the armature has at least a first armature surface area with a first armature cone angle and a second anchor surface area with a second anchor cone angle
  • cone angle is to be understood in particular as the angle between the axis and the cone surface.
  • both the pole core cone and the armature cone each have two surface areas with different cone angles.
  • the magnetic field lines are deflected differently for the linearization depending on the flux of the magnet.
  • the characteristic ie the relationship between mass flow and electrical coil current
  • the control accuracy slope of the characteristic curve
  • a corresponding segmentation of the characteristic curve can be achieved with a gradation of the cone surfaces.
  • the first pole core surface area and the first armature surface area are each closer to the sealing element than the second pole core surface area and the second armature surface area, and the first pole core cone angle and the first armature cone angle are each smaller than the second pole core cone angle and the second anchor cone angle.
  • first pole core surface area and the first armature surface area are steeper than the second pole core surface area and the second armature surface area.
  • this leads to a flatter characteristic curve at smaller valve openings than at larger valve openings and consequently enables more precise control of the hydrogen supply during opening and shortly after opening of the valve.
  • the first pole core cone angle is equal to the first armature cone angle
  • the second pole core cone angle is equal to the second armature cone angle
  • the cone shape of the pole core largely corresponds to the cone shape of the armature.
  • the device also has a pin fitted in the armature for centering a compression spring and/or anti-adhesive disc fitted between the armature and the pole core.
  • the pin attached to the anchor can fulfill several functions.
  • the pin can center a compression spring and/or an anti-adhesive disk and provide a secure position definition (so that no undercuts are required, since both components lie flat).
  • magnetic or non-magnetic properties can specifically influence the characteristic curve of the device.
  • the manufacturability is given by the arrangement in the anchor.
  • the armature In the area of magnetic force generation, the armature is drawn into the opposite pole core with a cone. A non-magnetic anti-adhesive disc can be inserted in the area of magnetic force generation to define the final force of the control range.
  • the initial force of the magnet is achieved by setting the particularly large armature stroke in the area where the magnetic force is generated.
  • the apparatus further includes circuitry for energizing the solenoid, the circuitry including a variable frequency pulse width modulator configured to vary the frequency as a function of voltage, duty cycle of the pulse width modulator, and the coil current.
  • Varying the frequency serves in particular to adjust the movement of the magnet and thus the pin so that the movement of the magnet is smaller than the flux of the valve. This can prevent chattering that may occur in the opening portion because the pneumatic stroke may be small and the movement of the armature may be larger than the pneumatic stroke.
  • the sealing element has a surface which tapers axially in the direction of the valve seat and has at least two sections, each with a different angle of inclination relative to the axis.
  • the design of the sealing element with at least two surface sections with an individual angle of inclination enables precise and needs-based regulation of the hydrogen volume flow.
  • the angle of inclination directly determines the relationship between change in effective valve opening and change in armature lift. The larger the tilt angle, the smaller it is Change in effective valve opening for a given change in armature lift.
  • the sealing element formed in this way thus enables, in particular, different relationships between the effective valve opening and armature movement in different operating states, such as for example when the valve is opening/closing and when the valve is open.
  • the first section is closer to the valve seat than the second section and has a smaller angle of inclination than the second section.
  • the angle of inclination of the second section determines the effective valve opening at or shortly after opening of the valve, while the angle of inclination determines the effective valve opening when the valve is open.
  • the tapered surface has a third section with a third angle of inclination relative to the axis.
  • the device has a characteristic curve which represents a relationship between the mass flow and the coil current and which has at least two linear sections, each with a different slope.
  • the two linear sections of the characteristic correspond in particular to the first and second section of the surface of the sealing element. If there are more than two surface sections with individual angles of inclination, the characteristic curve will have correspondingly more linear sections with individual gradients.
  • the electromagnetic actuator is arranged on a high-pressure side of the device.
  • This arrangement ensures that the actuator is in the dry hydrogen area and is therefore well protected against ice formation that can occur on the low-pressure side.
  • a method for producing a device for controllably metering hydrogen is described, in particular for producing a device for controllably metering hydrogen to a fuel cell or a device for controllably metering hydrogen into a hydrogen engine.
  • the method described includes: (a) providing a valve seat, (b) providing a sealing element, and (c) providing an electromagnetic actuator having a pole core, a magnetic coil, and an armature coupled to the sealing element, the actuator being used to move the sealing element along an axis in response to an electric current in the magnetic coil, wherein a surface of the pole core and a surface of the armature together form a double cone.
  • the method described is essentially based on the same idea as the device described above and in particular provides a method for producing such a device.
  • FIG. 1 shows a system for supplying hydrogen to a fuel cell.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a valve.
  • FIG. 3 shows a characteristic curve of a valve.
  • FIG. 4 shows a device according to the invention for the controllable metering of hydrogen to a fuel cell.
  • FIG. 5 shows a detailed view of an area for generating magnetic force of a device according to the invention with the associated characteristic curve.
  • FIG. 6 shows a detailed view of a pneumatic area of a device according to the invention with the associated characteristic curve.
  • FIG. 1 shows a system 100 for supplying hydrogen to a fuel cell.
  • fuel cells 114 hydrogen from the hydrogen tank 102 provided in gaseous form with a pressure of about 350 bar to 700 bar for the application.
  • a shut-off valve 104 is arranged immediately after the tank 102 .
  • the high pressure from the tank 102 is reduced by means of a pressure reducer 106 to a lower pressure level, the medium pressure range, with approximately 10 bar to 30 bar.
  • the hydrogen is fed in lines 108 to the area of hydrogen metering to the anode A of the fuel cell 114 .
  • the hydrogen is metered in in a targeted manner through the valve 110 for the hydrogen metering.
  • the pressure (low pressure) inside the anode A is in the range of approx. 0.8 bar to 4 bar.
  • a hydrogen mass flow is set in valve 110 with the pressure drop from medium pressure to low pressure.
  • the pressure in the anode A a closed volume, is initially regulated in such a way that this volume is filled with a defined mass flow of hydrogen.
  • a defined pressure is set in the volume of the anode A area.
  • the hydrogen reacts in the fuel cell 114 with the oxygen from the cathode side K.
  • the oxygen in the cathode side K is supplied via the separate supply unit 116, which ensures that sufficient oxygen with a defined pressure in the area of the cathode K is available in this area . An excess of oxygen can escape or be discharged via the outlet 118 .
  • the recirculation increases the proportion of nitrogen and water in the hydrogen path. Water can be separated by a water separator 120 in the recirculation. Nitrogen is purged by actuating purge valve 122 . By dosing new hydrogen, the valve 110 keeps the pressure difference between the anode side and the cathode side constant during the flushing process.
  • the pressure on the anode and cathode side is measured by sensors.
  • the electronic control adjusts the hydrogen metering valve 110 in such a targeted manner that the pressure in the anode A is regulated in the defined range and the required pressure difference between the anode A and the cathode K is present for the reaction of the two gases.
  • valve 110 should be closed
  • Volume flow control valves or rather for fuel cell technology mass flow control valves for supplying the anode A and controlling the anode pressure, are valves in which a cross-section is closed or released via a directly controlled magnet.
  • An optimal design for such a valve is derived below.
  • the aim for the function is the first three requirements mentioned above (large control range, high control quality in the main operating areas and for very small quantities).
  • the main element for dimensioning is the pneumatics with valve seat and sealing element.
  • the geometric relationships of a pneumatic area are shown in FIG.
  • the force F on the sealing element DE is calculated using the pressure area formed by the seat diameter dS and the pressure difference on both sides of the sealing element.
  • the cross-section through which flow occurs increases with a value x, approximately the line perpendicular to the valve seat surface up to the point of the seat diameter dS.
  • the value x corresponds to the length of the lateral surface of a truncated cone. The direction of flow results from the pressure difference across the sealing element DE.
  • This cross-section of the truncated cone with the lateral surface length x is effective as long as this surface is smaller than the cross-section of the hole dB. With larger valve lifts s, the cross-section of the bore dB is effective.
  • the bore diameter dB defines the maximum possible mass flow. Then the minimum required lift is defined, at which the cross-sectional area between the sealing element DE and the valve seat VS is just not yet effective. With the valve seat angle a, the cross-sectional area in the stroke can be adjusted according to the requirements, while at the same time the condition of the effectiveness of the area of the bore diameter dB must be observed.
  • Selection parameters for the actuator are the required force of the sealing element DE in the closed state and the required valve lift s, which corresponds to the magnet lift in a directly controlled valve.
  • the aim of the pneumatics is to have a large effective valve lift for the most precise control possible in the largest possible range, with the largest possible mass flow-defining orifice with a diameter dB and a large resulting pneumatic force in the closed state.
  • the aim of the pneumatics is in direct conflict with the choice of the actuator with the smallest possible installation space, in which the stroke must be as small as possible in order to obtain sufficient force as a function of the actuator stroke.
  • the magnetic force is weakened compared to a switching magnet for small magnet strokes and increased for larger magnet strokes.
  • the total stroke of a magnet can be increased, the magnetic force can be adapted to the pneumatics and the usable work can be increased.
  • the linearization becomes difficult if the magnet has to be pressure-balanced in the interior and external tightness has to be ensured, and the design of the magnet has to be small.
  • Control is usually via a "direct current". Since the vehicle only has voltage from a battery, this voltage is converted into direct current using pulse width modulation.
  • a characteristic map can be generated for the actuator in which the magnetic force only depends on an applied current level. If such a linearized magnet works against a compression spring and the pneumatic forces, a magnet system can be set up with such a characteristic, in which the path is directly dependent on the set current level is.
  • the frequency for the pulse width modulation then determines the ripple of this direct current. Since the magnetic force is directly dependent on the current, an oscillating movement is generated by the current ripple.
  • the armature is moved towards the counter bearing by the vibration in a state with sliding friction. As a result, the friction in the system and thus the hysteresis of the functional characteristic can be kept low.
  • the proportional magnet is also advantageous from a thermal point of view.
  • the boundary condition is that the magnet is not thermally overloaded in a large ambient temperature range.
  • the aim is that the pneumatics can be kept permanently open with a defined direct current without being thermally overloaded.
  • Coil resistance is low at low temperatures and increases at higher temperatures. Based on the ambient temperature, the electrical power introduced further heats the coil resistance.
  • the coil wire temperature must not exceed a certain value (e.g. 200°C), otherwise the insulation of the coil wire could be damaged.
  • a maximum control range of the characteristic can be defined up to a current Imax, at which the full mass flow can be set and on the other hand the coil is not thermally damaged.
  • the actuator must be in the area of the dry hydrogen in the inlet.
  • water vapor and deionized water on the low-pressure side. If these media were to be present in the area of the actuator, frozen water in the area of the moving parts could severely limit controllability in the cold start area, or even not exist at all. Since water expands when it freezes, if water freezes in the area of the magnet, the volume expansion could damage the magnet.
  • the medium is fed in in the area of the magnet. This protects the magnet from freezing.
  • the pressure difference prevents the medium from reaching the anode in the event of a fault.
  • the electrical power can be limited and the aperture can be opened permanently.
  • the magnet can be operated almost silently, with almost no mechanical stress on the valve element.
  • the functional characteristic (relationship between mass flow m' and coil current) of such a valve is shown in FIG. If there is a pressure difference between the inlet and outlet and no electrical current is applied, the valve element is closed with the pneumatic force. At this point there is no mass flow.
  • the goal for precise control is the lowest possible opening current lopen and the flattest possible characteristic curve to point Imax, with the characteristic curve of the valve also being adapted to the requirements of the fuel cell.
  • This goal requires the largest possible effective stroke in the field of pneumatics, a magnet with the largest possible stroke and the greatest possible existing magnetic force and also options for shaping the characteristic curve in a force balance between pneumatic forces, magnetic forces and mechanical forces that depend of a way (hub) are.
  • the aim on which the present invention is based is to achieve a large control range for targeted, precise hydrogen metering while at the same time having a high quality in small quantities.
  • the gradient is increasing.
  • the inlet orifice cross-section should not be effective in the characteristic curve of the control range, only in the case of the maximum control current. This means that the characteristic curve should not be approximately horizontal above the control range.
  • FIG. 4 shows a device according to the invention for the controllable metering of hydrogen to a fuel cell.
  • the device for controllable Metering of hydrogen can be provided in a hydrogen engine, for example for blowing into an intake manifold of the hydrogen engine.
  • the device shown has in particular a pneumatic area with sealing element 17 and valve seat 7 as well as an electromagnetic actuator with pole core 11 , armature 16 and coil 2 .
  • the pole core 11 together with the armature 16 forms a double cone, i.e. both the pole core 11 and the armature 16 have surfaces which are oblique or inclined by a cone angle relative to the axis.
  • the armature 16 is coupled to the sealing element 17 via a centering pin 15 and a pin 5, so that an axial movement of the armature leads to a corresponding axial movement of the sealing element 17.
  • Electrical current is applied to the coil 2 via a connection 1 and is separated from the pole core 11 and armature 16 by a sleeve 3 in the interior of the area 12 generating the magnetic force.
  • the sleeve 3 serves as a seal against the environment.
  • the device also has a housing 4 in which a lateral inlet 6 and a bottom outlet 8 are provided for the hydrogen.
  • a yoke 9 and a tube 10 are also provided in the upper area of the device.
  • FIG. 5 shows a detailed view of an area 12 for generating magnetic force of a device according to the invention with the associated characteristic curve.
  • the surface of the pole core 11 has a first pole core surface area 111 with a first pole core cone angle and a second pole core surface area 112 with a second pole core cone angle.
  • the surface of anchor 16 similarly includes a first anchor surface area 161 having a first anchor cone angle and a second anchor surface area 162 having a second anchor cone angle.
  • the magnetic field lines are deflected differently for the linearization, depending on the stroke of the magnet. This leads to the characteristic curve shown in the left-hand part of FIG.
  • the characteristic can also be shaped in such a way that the control accuracy (slope of the characteristic) on the needs of the fuel cell is taken care of.
  • the stepping in armature 16 results in a segmentation of the characteristic curve. In the range between lopen and 11, the control accuracy is higher (flatter characteristic curve K2) than in the range between 11 and Imax (steeper characteristic curve K1).
  • a similar or further gradation of the characteristic can be achieved with the design of the sealing element 17 shown in FIG. 6 in the pneumatic area of the device.
  • the sealing element 17 has a surface which tapers axially towards the valve seat 7 and which has a first section 171 with a first angle of inclination relative to the axis A and a second section 172 with a second angle of inclination relative to the axis A.
  • first section 171 is located in the lower end area of the sealing element 5 and is therefore closer to the valve seat 7 than the second section 172.
  • the first angle of inclination is smaller than the second angle of inclination.
  • the sealing element 17 When the valve is closed, the sealing element 17 is so deep in the valve seat that the surfaces are tight against each other.
  • the change in size of the opening between the valve seat 7 and the sealing element 17 is first determined by the section 172 with increasing axial movement of the sealing element 17 upwards.
  • the change in size is determined by section 171 in the further course. This corresponds to a steeper course of the characteristic curve due to the smaller angle of inclination.
  • the mass flow is equal to the minimum required mass flow.
  • the gradation in the shape of the sealing element 17 thus leads to a corresponding gradation in the shape of the characteristic curve and in particular ensures that precise control is possible at both low and high mass flows.
  • an additional gradation of the characteristic curve can thus be achieved.
  • the characteristic curve shown in the left-hand part of FIG. 6 this is the three characteristic curve sections K1, K2, K3 with different inclinations has to recognize.
  • a desired control accuracy slope of the characteristic curve
  • the hydrogen metering valve is preferably controlled with a pulse width modulated voltage, which results in a direct current with a superimposed ripple.
  • the ripple is defined by the so-called chopper frequency, i.e. the frequency with which the pulse width modulation is carried out.
  • the armature 16 can be held in a defined movement in order to keep it in sliding friction.
  • the control preferably consists of a square-wave pulsed voltage with an adjustable duty cycle, which energizes a coil with a resistor and an inductor. The resistance depends on the coil temperature.
  • Sealing element 17 lead to bouncing, since the pneumatic flow is small and the movement of the armature 16 can be greater than the pneumatic stroke.
  • the chopper frequency is specifically increased in the opening area.
  • the basis for this is the electrical current, which is determined by the electrical control at a known electrical voltage and duty cycle.
  • the coil temperature is determined in the electrical control using this variable, with the following formula:
  • R20 resistance of coil 2 at 20°C
  • a temperature coefficient of copper
  • Dq temperature difference at 20°C.
  • the chopper frequency is determined via a map in the electrical control and the valve is controlled via these parameters. This adjusts the movement of the magnet and thus the pin so that the movement of the magnet is less than the stroke of the valve. This can prevent bouncing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff, die Vorrichtung aufweisend einen Ventilsitz (7), ein Dichtelement (17) und einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Polkern (11), einer Magnetspule (2) und einem mit dem Dichtelement (17) gekoppelten Anker (16), wobei der Aktuator zum Bewegen des Dichteelements (17) entlang einer Achse (A) in Abhängigkeit von einem elektrischen Strom in der Magnetspule (2) konfiguriert ist, wobei eine Oberfläche des Polkerns (11) und eine Oberfläche des Ankers (16) zusammen einen Doppelkonus bilden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff und Verfahren zur Herstellung derselben
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Verwendung von Wasserstoff und Brennstoffzellen in Verbindung mit Fahrzeugmotoren. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff, beispielsweise in einen
Wassserstoff-Verbrennungsmotor (im Folgenden kurz „Wasserstoffmotor“) oder an eine Brennstoffzelle, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.
Der vorliegenden Erfindung liegt allgemein die Aufgabe zugrunde, eine präzise, effiziente und sichere Regelung von Wasserstoffzufuhr in Wasserstoffmotoren oder an Brennstoffzellen bereitzustellen und dabei insbesondere einen großen Regelbereich für eine zielgerichtet genaue Wasserstoffdosierung bei gleichzeitig hoher Mindermengengüte zu erzielen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff beschrieben. Beispielsweise handelt es sich um eine Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff an eine Brennstoffzelle, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb. Bei einer anderen Ausführungsform handelt es sich um eine Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff in einen Wasserstoffmotor, insbesondere zur Einblasung von Wasserstoff in ein Saugrohr oder einen Verbrennungsraum des Wasserstoffmotors. Der Wasserstoffmotor ist bei einer Weiterbildung ein Kraftfahrzeug-Wasserstoffmotor. Die beschriebene Vorrichtung weist Folgendes auf: (a) einen Ventilsitz, (b) ein Dichtelement und (c) einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Polkern, einer Magnetspule und einem mit dem Dichtelement gekoppelten Anker, wobei der Aktuator zum Bewegen des Dichteelements entlang einer Achse in Abhängigkeit von einem elektrischen Strom in der Magnetspule konfiguriert ist, wobei eine Oberfläche des Polkerns und eine Oberfläche des Ankers zusammen einen Doppelkonus bilden.
Der beschriebenen Vorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verwendung eines Doppelkonus im elektromagnetischen Aktuator einen weitgehend linearisierten Aktuator bereit, der eine gute Regelbarkeit über einen relativ großen Arbeitsbereich aufweist. Der Begriff „Doppelkonus“ ist derart so verstehen, dass sowohl die Oberfläche des Polkerns als auch die Oberfläche des Ankers jeweils eine Konusform aufweist. Die beiden Konusförmigen Oberflächen sind insbesondere so gestaltet, dass die Konusfläche des Polkerns in die Konusfläche des Ankers hineinpasst.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Oberfläche des Polkerns zumindest einen ersten Polkernoberflächenbereich mit einem ersten Polkern-Konuswinkel und einen zweiten Polkernoberflächenbereich mit einem zweiten Polkern-Konuswinkel auf, und die Oberfläche des Ankers weist zumindest einen ersten Ankeroberflächenbereich mit einem ersten Anker-Konuswinkel und einen zweiten Ankeroberflächenbereich mit einem zweiten Anker-Konuswinkel auf.
In diesem Zusammenhang ist unter dem Begriff „Konuswinkel“ insbesondere der Winkel zwischen der Achse und die Konusfläche zu verstehen.
Mit anderen Worten weist sowohl der Polkernkonus als auch der Ankerkonus jeweils zwei Oberflächenbereiche mit verschiedenen Konuswinkeln auf. Dabei werden die magnetischen Feldlinien abhängig von Flub des Magneten unterschiedlich für die Linearisierung abgelenkt. Dadurch kann die Kennlinie (d.h. der Zusammenhang zwischen Massenstrom und elektrischem Spulenstrom) so ausgeformt werden, dass die Regelgenauigkeit (Steigung der Kennlinie) auf die Bedarfe der Brennstoffzelle oder des Wasserstoffmotors aufgepasst wird. Insbesondere kann mit einer Abstufung der Konusflächen eine entsprechende Segmentierung der Kennlinie erzielt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der erste Polkernoberflächenbereich und der erste Ankeroberflächenbereich jeweils näher an das Dichtelement als der zweite Polkernoberflächenbereich und der zweite Ankeroberflächenbereich, und der erste Polkern-Konuswinkel und der erste Anker-Konuswinkel sind jeweils kleiner als der zweite Polkern-Konuswinkel und der zweite Anker-Konuswinkel.
Mit anderen Worten sind die der erste Polkernoberflächenbereich und der erste Ankeroberflächenbereich steiler als der zweite Polkernoberflächenbereich und der zweite Ankeroberflächenbereich. Dies führt insbesondere zu einer flacheren Kennlinie bei kleineren Ventilöffnungen als bei größeren Ventilöffnungen und ermöglicht folglich eine genauere Regelung der Wasserstoffzufuhr beim Öffnen und kurz nach dem Öffnen des Ventils.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der erste Polkern-Konuswinkel gleich dem ersten Anker-Konuswinkel, und/oder der zweite Polkern-Konuswinkel ist gleich dem zweiten Anker-Konuswinkel.
Mit anderen Worten entspricht die Konusform des Polkerns weitgehend der Konusform des Ankers.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ferner einen im Anker angebrachten Pin zum Zentrieren einer zwischen Anker und Polkern angebrachten Druckfeder und/oder Antiklebescheibe auf.
Der im Anker angebrachte Pin kann mehrere Funktionen erfüllen. Der Pin kann insbesondere eine Druckfeder und/oder eine Antiklebescheibe zentrieren und eine sichere Lagedefinition bereitstellen (damit keine Freistiche erforderlich sind, da beide Bauteile plan aufliegen). Des Weiteren können magnetische bzw. nichtmagnetische Eigenschaften die Kennlinie der Vorrichtung gezielt beeinflussen. Ferner ist durch die Anordnung im Anker die Fertigbarkeit gegeben.
Im Bereich der Magnetkrafterzeugung wird der Anker mit einem Konus in den gegenüberstehenden Polkern angezogen. Eine nichtmagnetische Antiklebescheibe kann zur Definition der Endkraft des Regelbereichs im Bereich der Magnetkrafterzeugung eingebracht werden. Die Anfangskraft des Magneten erfolgt über die Einstellung des besonders großen Ankerhubs im Bereich der Magnetkrafterzeugung.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ferner eine Schaltung zum Bestromen der Magnetspule auf, wobei die Schaltung einen Pulsweitenmodulator mit variabler Frequenz aufweist, die zum Variieren der Frequenz in Abhängigkeit von Spannung, Tastgrad des Pulsweitenmodulators und der Spulenstrom konfiguriert ist.
Das Variieren der Frequenz dient insbesondere dazu, die Bewegung des Magneten und damit des Stifts so einzustellen, dass die Bewegung des Magneten kleiner ist als der Flub des Ventils. Dadurch kann ein Prellen verhindert werden, das im Öffnungsbereich auftreten kann, da der pneumatische Hub klein, und die Bewegung des Ankers größer als der pneumatische Hub sein kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Dichtelement eine sich axial in Richtung zum Ventilsitz hin verjüngende Oberfläche auf, die zumindest zwei Abschnitte mit jeweils unterschiedlichem Neigungswinkel relativ zu der Achse aufweist.
Die Gestaltung des Dichtelements mit zumindest zwei Oberflächenabschnitten mit individuellem Neigungswinkel ermöglicht eine präzise und bedarfsgerechte Regelung des Wasserstoffvolumenstroms. Der Neigungswinkel bestimmt unmittelbar das Verhältnis zwischen Änderung der effektiven Ventilöffnung und Änderung des Ankerhubs. Je größer der Neigungswinkel ist, desto kleiner ist die Änderung der effektiven Ventilöffnung bei gegebener Änderung des Ankerhubs. Das so geformte Dichtelement ermöglicht somit insbesondere unterschiedliche Verhältnisse zwischen effektiver Ventilöffnung und Ankerbewegung in verschiedenen Betriebszuständen, wie zum Beispiel zum einen beim Öffnen/Schließen des Ventils und zum anderen bei offenem Ventil.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der erste Abschnitt näher an das Ventilsitz als der zweite Abschnitt und weist einen kleineren Neigungswinkel als der zweite Abschnitt auf.
Mit anderen Worten bestimmt der Neigungswinkel des zweiten Abschnittes die effektive Ventilöffnung beim bzw. kurz nach dem Öffnen des Ventils, während der Neigungswinkel die effektive Ventilöffnung bei offenem Ventil bestimmt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die sich verjüngende Oberfläche einen dritten Abschnitt mit einem dritten Neigungswinkel relativ zu der Achse auf.
Durch Hinzufügen eines dritten Abschnitts mit einem dritten Neigungswinkel kann das Verhältnis zwischen Änderung der effektiven Ventilöffnung und Ankerbewegung weiter gestaltet werden. Bei Bedarf können noch weitere Abschnitte mit entsprechenden Neigungswinkeln hinzugefügt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung eine einen Zusammenhang zwischen Massenstrom und Spulenstrom darstellende Kennlinie auf, die zumindest zwei linearen Abschnitte mit jeweils unterschiedlicher Steigung aufweist.
Die zwei linearen Abschnitte der Kennlinie entsprechen insbesondere jeweils dem ersten und zweiten Abschnitt der Oberfläche des Dichtelements. Bei Mehr als zwei Oberflächenabschnitte mit individuellen Neigungswinkeln wird die Kennlinie entsprechend mehr lineare Abschnitte mit individueller Steigung aufweisen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der elektromagnetische Aktuator an einer Hochdruckseite der Vorrichtung angeordnet.
Diese Anordnung stellt sicher, dass der Aktuator sich im Bereich des trockenen Wasserstoffs befindet und somit gut gegen Eisbildung, die an der Niederdruckseite auftreten können, geschützt ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff beschrieben, insbesondere zur Herstellung einer Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff an eine Brennstoffzelle oder einer Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff in einen Wasserstoffmotor.
Das beschriebene Verfahren weist Folgendes auf: (a) Bereitstellen eines Ventilsitzes, (b) Bereitstellen eines Dichtelements und (c) Bereitstellen eines elektromagnetischen Aktuators mit einem Polkern, einer Magnetspule und einem mit dem Dichtelement gekoppelten Anker, wobei der Aktuator zum Bewegen des Dichteelements entlang einer Achse in Abhängigkeit von einem elektrischen Strom in der Magnetspule konfiguriert ist, wobei eine Oberfläche des Polkerns und eine Oberfläche des Ankers zusammen einen Doppelkonus bilden.
Das beschriebene Verfahren basiert im Wesentlichen auf der gleichen Idee wie die oben beschriebene Vorrichtung und stellt insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung bereit.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
Figur 1 zeigt ein System zur Wasserstoffversorgung einer Brennstoffzelle.
Figur 2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Ventils.
Figur 3 zeigt eine Kennlinie eines Ventils.
Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff an eine Brennstoffzelle.
Figur 5 zeigt eine Detailansicht eines Bereichs zur Magnetkrafterzeugung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zugehöriger Kennlinie.
Figur 6 zeigt eine Detailansicht eines pneumatischen Bereichs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zugehöriger Kennlinie.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
Zunächst wird mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 ein System zur Wasserstoffversorgung einer Brennstoffzelle sowie insbesondere die Erfordernisse eines solchen Systems in Bezug auf Regelung erläutert. Des Weiteren werden einige der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Überlegungen und Gedanken dargestellt.
Die Figur 1 zeigt ein System 100 zur Wasserstoffversorgung einer Brennstoffzelle. Beim Einsatz von Brennstoffzellen 114 wird Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 102 gasförmig mit einem Druck von ca. 350 bar bis 700 bar für die Anwendung bereitgestellt. Um ein unkontrolliertes Austreten im Fehlerfall zu verhindern ist unmittelbar nach dem Tank 102 ein Absperrventil 104 angeordnet. Im weiteren Verlauf wird der Hochdruck aus dem Tank 102 mittels eines Druckminderers 106 auf eine niedrigere Druckstufe, dem Bereich des Mitteldrucks, mit ca. 10 bar bis 30 bar reduziert. Innerhalb dieser Druckstufe wird der Wasserstoff in Leitungen 108 dem Bereich der Wasserstoffdosierung zur Anode A der Brennstoffzelle 114 zugeführt.
Durch das Ventil 110 für die Wasserstoffdosierung erfolgt die gezielte Zudosierung des Wasserstoffs. Der Druck (Niederdruck) innerhalb der Anode A ist im Bereich mit ca. 0,8 bar bis 4 bar. Mit dem Druckgefälle vom Mitteldruck zum Niederdruck wird im Ventil 110 ein Wasserstoff-Massenstrom eingestellt. Die Regelung des Drucks in der Anode A, einem abgeschlossenen Volumen, erfolgt vorerst dahingehend, dass dieses Volumen über einen definierten Massenstrom an Wasserstoff gefüllt wird. Ein definierter Druck stellt sich im Volumen des Bereichs der Anode A ein.
Der Wasserstoff reagiert in der Brennstoffzelle 114 mit dem Sauerstoff aus der Kathodenseite K. Der Sauerstoff in der Kathodenseite K wird über die separate Versorgungseinheit 116 zugeführt, welche sicherstellt, dass in diesem Bereich ausreichend Sauerstoff mit einem definierten Druck im Bereich der Kathode K zur Verfügung steht. Ein Überschuss an Sauerstoff kann über den Ausgang 118 entweichen bzw. abgelassen werden.
Über die Zeit diffundiert durch die Membran Stickstoff und Wasser von der Kathodenseite K zur Anodenseite A hindurch. Diese blockieren die Kanäle des Wasserstoffpfades und verhindern damit die gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs über die gesamte Membran. Um dem vorzubeugen, wird das Gas innerhalb des Anodenbereichs A rezirkuliert. Dies kann durch ein Gasgebläse 124 oder einen Ejektor 112 erfolgen. Hierbei wird das Gas von dem Ausgang 126 der Anode A der Brennstoffzelle 114 dem Eingang 128 der Anode A wieder zugeführt. Dadurch erfolgt ein Gasaustausch innerhalb der Anode A. Unverbrauchter Wasserstoff, Stickstoff und Wasser werden somit aus dem Stack gefördert und wieder zugeführt.
Durch die Rezirkulation steigt der Anteil an Stickstoff und Wasser im Wasserstoffpfad. Wasser kann durch einen Wasserabscheider 120 bei der Rezirkulation abgeschieden werden. Stickstoff wird durch die Betätigung des Spülventils 122 abgeschieden. Durch das Dosieren von neuem Wasserstoff hält das Ventil 110 die Druckdifferenz zwischen Anoden- und Kathodenseite während dem Spülvorgang konstant.
Für die Regelung dieser Druckdifferenz wird der Druck auf der Anoden- und Kathodenseite durch Sensoren gemessen. Über einen Regelalgorithmus stellt die Elektronische Steuerung das Wasserstoffdosierventil 110 so gezielt ein, dass der Druck in der Anode A im definierten Bereich geregelt wird und die erforderliche Druckdifferenz zwischen Anode A und Kathode Kfür die Reaktion der beiden Gase vorhanden ist.
Die Anforderungen an ein solches Wasserstoffdosierventil 110 sind wie folgt, wobei alle Anforderungen gleichzeitig gelten:
1. Regelung und Steuerung des Wasserstoffs in einem möglichst großen Regelbereich.
2. Hohe Regelgüte in den Hauptbetriebsbereichen der Brennstoffzelle 114.
3. Hohe Regelgüte bei Kleinstmengen.
4. Keine Geräuschentwicklung.
5. Stromlos geschlossen: bei Unterbrechung des Steuersignals soll Ventil 110 geschlossen sein
6. Schutz der Membran auf der Anodenseite A bei Überdruck im Zulaufbereich des Wasserstoffdosierventils 110.
7. Regelbarkeit im Kaltstartbereich.
8. Keine Beschädigung des Magneten durch einfrierendes Wasser.
9. Dichtigkeit des Magneten zur Umwelt - keine externe Leckage. Volumenstromregelventile, oder vielmehr für die Brennstoffzellentechnik Massenstromregelventile zur Versorgung der Anode A und Regelung des Anodendrucks sind Ventile, bei denen ein Querschnitt über einen direkt angesteuerten Magneten verschlossen oder freigeben wird. Im Folgenden wird eine optimale Bauform für ein solches Ventil hergeleitet. Ziel für die Funktion sind die ersten drei oben genannten Anforderungen (großer Regelbereich, hohe Regelgüte in Hauptbetriebsbereichen und bei Kleinstmengen).
Hauptelement für die Dimensionierung ist die Pneumatik mit Ventilsitz und Dichtelement. In der Figur 2 sind die geometrischen Verhältnisse eines pneumatischen Bereichs dargestellt.
Bei dem Ventil soll bezüglich der Auslegung ein Querschnitt folgende Zustände einnehmen:
Keine Querschnittfreigabe - das Ventil soll abdichten - der Hub des Dichtelements kontinuierlicher Massestrom - über ein Ventilelement soll ein definierter Querschnitt vorhanden sein maximaler dauerhafter Massestrom, bei einem maximalen dauerhaften Querschnitt.
Das Dichtelement DE kann unterschiedliche Stellungen im Ventilhub s einnehmen. Im Geschlossenen Zustand (s=0 mm) sitzt das Dichtelement DE mit dem Sitzdurchmesser dS auf dem Ventilsitz VS auf. Der Durchfluss durch das Ventil ist in diesem Zustand nicht vorhanden. Das Ventil dichtet ab. Die Kraft F auf das Dichtelement DE wird durch Druckfläche, die durch den Sitzdurchmesser dS gebildet wird, und der Druckdifferenz auf beiden Seiten des Dichtelements berechnet.
Bei einer Vergrößerung des Ventilhubs s nimmt der durchflossene Querschnitt mit einem Wert x, in Annäherung die Linie senkrecht zu der Ventilsitzoberfläche bis zum Punkt des Sitzdurchmessers dS, zu. Der Wert x entspricht der Länge der Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Die Durchflussrichtung ergibt sich über die Druckdifferenz über das Dichtelement DE.
Dieser Querschnitt des Kegelstumpfes mit der Mantelflächenlänge x ist solange wirksam, als diese Fläche kleiner als der Querschnitt der Bohrung dB ist. Bei größeren Ventilhüben s ist der Querschnitt der Bohrung dB wirksam.
Bei der Auslegung gibt es drei Parameter, zwischen denen immer ein Optimum gefunden werden muss. Der Bohrungsdurchmesser dB definiert den maximal möglichen Massenstrom. Danach wird der minimal erforderliche Hub definiert, bei dem die Querschnittsfläche zwischen Dichtelement DE und Ventilsitz VS gerade noch nicht wirksam ist. Mit dem Ventilsitzwinkel a kann nach den Anforderungen die Querschnittsfläche im Hub eingestellt werden, wobei gleichzeitig die Bedingung der Wirksamkeit der Fläche des Bohrungsdurchmessers dB zu beachten ist.
Auswahlparameter für den Aktuator sind die erforderliche Kraft des Dichtelements DE im geschlossenen Zustand und der erforderliche Ventilhub s, der dem Magnethub bei einem direktgesteuerten Ventil entspricht.
Ziel von der Seite der Pneumatik ist es, für eine möglichst genaue Regelung in einem möglichst großen Bereich, einen großen wirksamen Ventilhub zu haben, mit einer möglichst großen massenstromdefinierenden Blende mit einem Durchmesser dB und einer daraus großen resultierenden pneumatischen Kraft im geschlossenen Zustand.
Das Ziel von der Seite der Pneumatik steht in einem direkten Zielkonflikt mit der Wahl des Aktuators mit möglichst kleinem Bauraum, bei dem der Hub möglichst klein sein muss, um eine ausreichende Kraft in Abhängigkeit des Aktuatorhubs zu erhalten.
Die wichtigste Anforderung für die Auswahl des Aktuators ist (vgl. Nr. 4 oben): Keine Geräuschentwicklung - kontinuierliche und dauerhafte Freigabe eines definierten Querschnitts. Bei der Wahl des Magneten kann bereits ab dem Punkt „keine Geräuschentwicklung“ ein schaltender Magnet (mit nur zwei Schaltstellungen z.B. den von einem Injektor) ausgeschlossen werden. Der erste Grund ist die Geräuschentwicklung beim Schalten. Der zweite Grund ist, dass diese Magneten auf eine hohe Schaltgeschwindigkeit ausgelegt sind. Das bedeutet einerseits, dass der Widerstand gering ist (schnelle Stromerhöhung bei Spannungsbeaufschlagung). Dadurch würde dieser bei einer dauerhaften Bestromung überhitzten. Selbst wenn der Widerstand höher wäre, ist andererseits der Magnethub zu gering. Beim Schaltmagneten nimmt die Kraft bei größeren Polabständen d stark ab. Hier wäre der erforderliche Strom zur Krafterzeugung sehr groß, und dadurch die Gefahr zur Überhitzung der Spule vorhanden. Um ein Überhitzen zu verhindern müsste man den Magneten zeitweise ausschalten, was zu einem zeitweisen Verschluss der Bohrung führen würde. Die Konsequenz wäre eine größere Bohrung und auch wieder ein größerer Magnet, um bei einer größeren Bohrung die pneumatischen Kräfte halten zu können.
Bei einer Linearisierung wird die Magnetkraft im Vergleich zu einem Schaltmagneten bei kleinen Magnethüben geschwächt, und für größere Magnethübe angehoben. Dadurch kann der Gesamthub eines Magneten vergrößert werden, die Magnetkraft an die Pneumatik angepasst und die nutzbare Arbeit vergrößert werden. Schwierig wird die Linearisierung, wenn der Magnet im Innenbereich druckausgeglichen sein muss und eine externe Dichtigkeit sichergestellt werden soll, und die Bauform des Magneten klein sein soll.
Die Ansteuerung erfolgt üblicherweise über einen „Gleichstrom“. Da im Fahrzeug nur eine Spannung aus einer Batterie vorliegt, wird diese Spannung über eine Pulsweitenmodulation in einen Gleichstrom umgewandelt. Bei passender Auslegung eines linearisierten Magneten kann ein Kennfeld beim Aktuator erzeugt werden, bei dem die Magnetkraft nur von einem angelegten Stromniveau abhängt. Arbeitet ein solcher linearisierter Magnet gegen eine Druckfeder und die pneumatischen Kräfte, kann mit einer solchen Charakteristik ein Magnetsystem aufgestellt werden, bei dem der Weg direkt abhängig von eingestellten Stromniveau ist. Die Frequenz für die Pulsweitenmodulation bestimmt dann die Welligkeit dieses Gleichstroms. Da die Magnetkraft direkt von Strom abhängig ist wird durch die Stromwelligkeit eine Schwingbewegung erzeugt. Der Anker wird durch die Schwingung einem Zustand mit Gleitreibung zum Gegenlager bewegt. Dadurch kann die Reibung im System und damit die Hysterese der Funktionskennlinie geringgehalten werden.
Der Proportionalmagnet ist auch aus thermischer Sicht vorteilhaft. Randbedingung ist neben den Druck- und Massenstromfunktionen, dass der Magnet in einem großen Umgebungstemperaturbereich nicht thermisch überlastet wird. Ziel ist, dass die Pneumatik bei einem definierten Gleichstrom dauerhaft offengehalten werden kann, ohne thermisch zu überlasten. Der Spulenwiderstand ist bei geringen Temperaturen niedrig, und steigt bei höheren Temperaturen. Aufbauend auf der Umgebungstemperatur erwärmt die eingebrachte elektrische Leistung den Spulenwiderstand weiter. Die Spulendrahttemperatur darf einen gewissen Wert (z.B. 200°C) nicht überschreiten, da sonst die Isolierung des Spulendrahts beschädigt werden könnte. Auf dieser Basis kann ein maximaler Regelbereich der Kennlinie bis zu einem Strom Imax definiert werden, bei dem der vollständige Massenstrom eingestellt werden kann, und auf der anderen Seite die Spule nicht thermisch beschädigt wird.
Nach der pneumatischen Auslegung des Magneten ist eine weitere Anforderung an das Ventil die Betriebsart, damit im Fehlerfall kein Schaden entsteht, oder Notlaufeigenschaften vorhanden sind. In diesem Fall ist definiert, dass im Fehlerfall, wenn kein elektrisches Signal vorhanden ist (Ausfall Elektronik, Beschädigung Kabelbaum, Stecker oder Durchbrennen der Spule) kein Massenstrom zum Stack vorhanden sein darf, um eine Beschädigung des Stacks zu verhindern. Die Anforderung aus o.g. Anforderungsliste lautet (vgl. Nr. 5 oben), dass das stromlos geschlossen sein muss. Hier gibt es mehrere Möglichkeiten für einen Aufbau eines solchen Ventils, die sich insbesondere durch die Richtung der Magnetkraft, der Kraft der Druckfeder und der pneumatischen Kraft unterscheiden. Betrachtet man die nächste Anforderung (vgl. Nr. 6 oben), d.h. Schutz der Membran auf der Anodenseite bei Überdruck im Zulaufbereich des Wasserstoffdosierventils, entsprechen nur die Konzepte dieser Anforderung bei denen kein Öffnungsdruck durch die Pneumatik vorhanden ist. Das bedeutet, dass durch eine Druckerhöhung das Ventilelement durch die Pneumatik nicht aufgeschoben werden kann. Dadurch kann kein oder nur geringe Mengen an Medium in den Anodenbereich gelangen, sodass die Membran in der Anode vor Überdruck geschützt ist.
In Anbetracht der letzten beiden Anforderungen (vgl. Nr. 7 und 8 oben) ergibt sich nun, dass der Aktuator im Bereich des trockenen Wasserstoffs im Zulauf liegen muss. Auf der Niederdruckseite sind neben dem dosierten Wasserstoff und Stickstoff auch noch Wasserdampf und deionisiertes Wasser. Würden diese Medien im Bereich des Aktuators vorhanden sein, könnte durch gefrorenes Wasser im Bereich der bewegten Teile die Regelbarkeit im Kaltstartbereich stark eingeschränkt, bis gar nicht vorhanden sein. Da sich Wasser beim Einfrieren ausdehnt, könnte der Magnet, falls Wasser im Magnetbereich gefriert, durch die Volumenausdehnung beschädigt werden.
Diese Überlegungen führen zum folgenden Ergebnis: Der Zulauf des Mediums erfolgt im Bereich des Magneten. Damit ist der Magnet vor Einfrieren geschützt. Durch die Druckdifferenz wird verhindert, dass Medium im Fehlerfall zur Anode kommt. Durch die Wahl des Proportionalmagneten kann die elektrische Leistung beschränkt werden und die Blende dauerhaft geöffnet werden. Dadurch kann der Magnet fast lautlos betrieben werden, fast ohne mechanische Belastung des Ventilelements. Die Funktionskennlinie (Zusammenhang zwischen Massenstrom m‘ und Spulenstrom) eines solchen Ventils ist in der Figur 3 gezeigt. Bei einer vorhanden Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass und keinen angelegten elektrischen Strom wird das Ventilelement mit der pneumatischen Kraft verschlossen. In diesem Punkt ist kein Massestrom vorhanden. Wird der elektrische Strom erhöht, kommt es im Punkt löffnen zu einem Kräftegleichgewicht zwischen pneumatischer Kraft, der Kraft der Druckfeder und der Magnetkraft. Das Ventil beginnt zu öffnen. Bei Imax, dem durch die Bauform definierten maximalen Regelbereich, muss der minimal erforderliche Massenstrom bei definierter Druckdifferenz am Ventil zur Versorgung der Anode bei voller Auslastung der Brennstoffzelle vorhanden sein.
Ziel für die genaue Regelung ist ein möglichst geringer Öffnungsstrom löffnen und eine möglichst flache Kennlinie zum Punkt Imax, wobei die Kennlinie des Ventils auch an den Bedarf der Brennstoffzelle angepasst sein soll.
Dieses Ziel erfordert einen möglichst großen wirksamen Hub im Bereich der Pneumatik, einen Magneten mit einem möglichst großen Hub und einer möglichst großen vorhandenen Magnetkraft und darüber hinaus auch Möglichkeiten zur Formung der Kennlinie in einem Kräftegleichgewicht zwischen pneumatischen Kräften, magnetischen Kräften und mechanischen Kräften, die abhängig von einem Weg (Hub) sind.
Das Problem bei diesen Ventilen ist der Zielkonflikt zwischen den relativ hohen Drücken in der Mitteldruckleitung wegen der relativ hohen erforderlichen Massenströme und der damit verbundenen Zulaufblende, der Bauform zur Erfüllung der erforderlichen Funktionen und des begrenzten Bauraums inklusive der Anforderung, dass der Magnet im Innenbereich druckausgeglichen und gegen die Umwelt abgedichtet sein muss.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Ziel ist einen großen Regelbereich für eine zielgerichtet genaue Wasserstoffdosierung bei gleichzeitig hoher Mindermengengüte zu erzielen. In diesem Regelbereich ist der Gradient steigend. Der Zulaufblendenquerschnitt soll nicht in der Kennlinie des Regelbereichs wirksam sein, nur im Falle des maximalen Regelstroms. Das bedeutet, dass die Kennlinie oberhalb des Regelbereichs nicht annähernd waagerecht sein soll.
Die Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff an eine Brennstoffzelle. Alternativ kann die Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff in einen Wasserstoffmotor vorgesehen sein, beispielsweise zum Einblasen in ein Saugrohr des Wasserstoffmotors.
Die gezeigte Vorrichtung weist insbesondere einen pneumatischen Bereich mit Dichtelement 17 und Ventilsitz 7 sowie einen elektromagnetischen Aktuator mit Polkern 11 , Anker 16 und Spule 2 auf. Der Polkern 11 bildet zusammen mit dem Anker 16 einen Doppelkonus, d.h. sowohl der Polkern 11 als auch der Anker 16 weisen Oberflächen auf, die relativ zu der Achse schräg bzw. um einen Konuswinkel geneigt sind. Der Anker 16 ist über einen Zentrierpin 15 und einen Stift 5 mit dem Dichtelement 17 gekoppelt, so dass eine axiale Bewegung des Ankers zu einer entsprechenden axialen Bewegung des Dichtelements 17 führt. Die Spule 2 wird über einen Anschluss 1 mit elektrischem Strom beaufschlagt und ist durch eine Hülse 3 vom Polkern 11 und Anker 16 im Inneren des magnetkrafterzeugenden Bereichs 12 getrennt. Die Hülse 3 dient als Abdichtung zur Umwelt. Die Vorrichtung weist ferner ein Gehäuse 4 auf, in welchem einen seitlichen Zulauf 6 und einen Bodenablauf 8 für das Wasserstoff vorgesehen sind. Im oberen Bereich der Vorrichtung sind noch ein Joch 9 und ein Rohr 10 vorgesehen.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung findet sich in der Möglichkeit zur Ausformung des magnetkrafterzeugenden Bereichs 12. Die Figur 5 zeigt eine Detailansicht eines Bereichs zur Magnetkrafterzeugung 12 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zugehöriger Kennlinie. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Oberfläche des Polkerns 11 einen ersten Polkernoberflächenbereich 111 mit einem ersten Polkern-Konuswinkel und einen zweiten Polkernoberflächenbereich 112 mit einem zweiten Polkern-Konuswinkel auf. Die Oberfläche des Ankers 16 weist in ähnlicher Weise einen ersten Ankeroberflächenbereich 161 mit einem ersten Anker-Konuswinkel und einen zweiten Ankeroberflächenbereich 162 mit einem zweiten Anker-Konuswinkel auf. In diesem Ausführungsbespiel werden die magnetischen Feldlinien abhängig von Hub des Magneten unterschiedlich für die Linearisierung abgelenkt. Dies führt zu der im linken Teil der Figur 5 gezeigten Kennlinie, die zwei Kennliniensegmente K1 und K2 mit unterschiedlicher Steigung aufweist. Dadurch kann die Kennlinie auch so ausgeformt werden, dass die Regelgenauigkeit (Steigung der Kennlinie) auf die Bedarfe der Brennstoffzelle aufgepasst wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird durch die Stufung in Anker 16 eine Segmentierung der Kennlinie erzielt. Im Bereich zwischen löffnen und 11 ist die Regelgenauigkeit höher (flachere Kennlinie K2) als im Bereich zwischen 11 und Imax (steilere Kennlinie K1 ).
Eine ähnliche oder weitere Abstufung der Kennlinie kann mit der in Figur 6 gezeigten Gestaltung des Dichtelements 17 im pneumatischen Bereich der Vorrichtung erreicht werden. Das Dichtelement 17 weist eine sich axial in Richtung zum Ventilsitz 7 hin verjüngende Oberfläche auf, die einen ersten Abschnitt 171 mit einem ersten Neigungswinkel relativ zu der Achse A und einen zweiten Abschnitt 172 mit einem zweiten Neigungswinkel relativ zu der Achse A aufweist. In weiteren Ausführungsformen können noch mehr Abschnitte mit individuellen Neigungswinkeln vorgesehen sein. Der erste Abschnitt 171 befindet sich im unteren Endbereich des Dichtelements 5 und ist somit näher an das Ventilsitz 7 als der zweite Abschnitt 172. Des Weiteren ist der erste Neigungswinkel kleiner als der zweite Neigungswinkel. Wenn das Ventil zu ist, befindet sich das Dichtelement 17 so tief in dem Ventilsitz, dass die Oberflächen dicht gegeneinander liegen. Beim Öffnen des Ventils wird die Größenänderung der Öffnung zwischen Ventilsitz 7 und Dichtelement 17 mit zunehmender axialer Bewegung des Dichtelements 17 nach oben zuerst von dem Abschnitt 172 bestimmt. Wenn der Spulenstrom einen gewissen Wert erreicht und das Dichtelement 17 in entsprechender Höhe positioniert ist, wird die Größenänderung im weiteren Verlauf von dem Abschnitt 171 bestimmt. Dies entspricht einem aufgrund der kleineren Neigungswinkel steileren Verlauf der Kennlinie. Spätestens wenn der Spulenstrom den maximalen Wert Imax erreicht, ist der Massenstrom gleich der minimal erforderlichen Massenstrom. Die Abstufung in der Form des Dichtelements 17 führt somit zu einer entsprechenden Abstufung in der Form der Kennlinie und stellt insbesondere sicher, dass eine präzise Regelung bei sowohl niedrigen als auch höheren Massenströme möglich ist. In Kombination mit der in Verbindung mit der Figur 5 erläuterten Abstufung des Doppelkonus kann somit eine zusätzliche Abstufung der Kennlinie erreicht werden. Dies ist in der im linken Teil der Figur 6 gezeigten Kennlinie, die drei Kennlinienabschnitte K1 , K2, K3 mit unterschiedlicher Neigung aufweist, zu erkennen. Somit kann eine gewünschte Regelgenauigkeit (Steigung der Kennlinie) in verschiedenen Bereichen bereitgestellt werden.
Das Wasserstoffdosierventil wird bevorzugt mit einer pulsweitenmodulierten Spannung, die einen Gleichstrom mit einer überlagerten Welligkeit zur Folge hat, angesteuert. Die Welligkeit ist durch die sogenannte Chopperfrequenz definiert, d.h. der Frequenz, mit der die Pulsweitenmodulation durchgeführt wird. Mit dieser Welligkeit kann der Anker 16 in einer definierten Bewegung gehalten werden, um diesen in Gleitreibung zu halten. Die Ansteuerung besteht vorzugsweise aus einer rechteckgepulsten Spannung mit einem einstellbaren Tastgrad, die eine Spule mit einem Widerstand und einer Induktivität bestromt. Der Widerstand ist abhängig von der Spulentemperatur.
Im Bereich löffnen kann die Bewegung des Pneumatikelements bzw.
Dichtelements 17 zu einem Prellen führen, da der pneumatische Flub klein, und die Bewegung des Ankers 16 größer als der pneumatische Hub sein kann.
Um das Prellen zu verhindern wird die Chopperfrequenz im Bereich des Öffnens gezielt vergrößert. Basis dafür ist der elektrische Strom, der bei einer bekannten elektrischen Spannung sowie Tastgrad durch die elektrische Ansteuerung ermittelt wird. Durch diese Größe wird in der elektrischen Ansteuerung die Spulentemperatur ermittelt, mit folgender Formel:
R_ =R_20 (1 +a·Dq)
R20 = Widerstand der Spule 2 bei 20°C, a = Temperaturkoeffizient Kupfer, Dq = Temperaturdifferenz zu 20°C.
Auf Basis der Informationen Spannung, Tastgrad und Spulentemperatur wird über ein Kennfeld in der elektrischen Ansteuerung die Chopperfrequenz ermittelt und das Ventil über diese Parameter angesteuert. Dadurch wird die Bewegung des Magneten und damit des Stifts so eingestellt, dass die Bewegung des Magneten kleiner ist als der Hub des Ventils. Dadurch kann das Prellen verhindert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff, insbesondere in einen Wasserstoffmotor oder an eine Brennstoffzelle, die Vorrichtung aufweisend einen Ventilsitz (5), ein Dichtelement (17) und einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Polkern (11 ), einer Magnetspule (2) und einem mit dem Dichtelement (17) gekoppelten Anker (16), wobei der Aktuator zum Bewegen des Dichteelements (17) entlang einer Achse (A) in Abhängigkeit von einem elektrischen Strom in der Magnetspule (2) konfiguriert ist, wobei eine Oberfläche des Polkerns (11 ) und eine Oberfläche des Ankers (16) zusammen einen Doppelkonus bilden.
2. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , wobei die Oberfläche des Polkerns (11 ) zumindest einen ersten Polkernoberflächenbereich (111 ) mit einem ersten Polkern-Konuswinkel und einen zweiten Polkernoberflächenbereich (112) mit einem zweiten Polkern-Konuswinkel aufweist, und wobei die Oberfläche des Ankers (16) zumindest einen ersten Ankeroberflächenbereich (161 ) mit einem ersten Anker-Konuswinkel und einen zweiten Ankeroberflächenbereich (162) mit einem zweiten Anker-Konuswinkel aufweist.
3. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der erste Polkernoberflächenbereich (111 ) und der erste Ankeroberflächenbereich (161 ) jeweils näher an das Dichtelement (17) sind als der zweite Polkernoberflächenbereich (112) und der zweite Ankeroberflächenbereich (162), und wobei der erste Polkern-Konuswinkel und der erste Anker-Konuswinkel jeweils kleiner sind als der zweite Polkern-Konuswinkel und der zweite Anker-Konuswinkel.
4. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der erste Polkern-Konuswinkel gleich dem ersten Anker-Konuswinkel ist, und/oder wobei der zweite Polkern-Konuswinkel gleich dem zweiten Anker-Konuswinkel ist.
5. Die Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen im Anker angebrachten Pin zum Zentrieren einer zwischen Anker und Polkern angebrachten Druckfeder und/oder Antiklebescheibe.
6. Die Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Schaltung zum Bestromen der Magnetspule, wobei die Schaltung einen Pulsweitenmodulator mit variabler Frequenz aufweist, die zum Variieren der Frequenz in Abhängigkeit von Spannung, Tastgrad des Pulsweitenmodulators und der Spulenstrom konfiguriert ist.
7. Die Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtelement (17) eine sich axial in Richtung zum Ventilsitz hin verjüngende Oberfläche aufweist, die zumindest zwei Abschnitte (171, 172) mit jeweils unterschiedlichem Neigungswinkel relativ zu der Achse (A) aufweist.
8. Die Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine einen Zusammenhang zwischen Massenstrom und Spulenstrom darstellende Kennlinie, die zumindest zwei linearen Abschnitte (K1, K2, K3) mit jeweils unterschiedlicher Steigung aufweist.
9. Die Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektromagnetische Aktuator an einer Flochdruckseite der Vorrichtung angeordnet ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff, insbesondere in einen Wasserstoffmotor oder an eine Brennstoffzelle, das Verfahren aufweisend
Bereitstellen eines Ventilsitzes,
Bereitstellen eines Dichtelements und Bereitstellen eines elektromagnetischen Aktuators mit einem Polkern, einer Magnetspule und einem mit dem Dichtelement gekoppelten Anker, wobei der Aktuator zum Bewegen des Dichteelements entlang einer Achse in Abhängigkeit von einem elektrischen Strom in der Magnetspule konfiguriert ist, wobei eine Oberfläche des Polkerns und eine Oberfläche des Ankers zusammen einen Doppelkonus bilden.
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