JP7144977B2 - エジェクタシステム - Google Patents

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Description

本発明は、エジェクタシステムに関する。
従来、流体の噴射により生じる負圧により、流体を吸引するエジェクタが知られている。例えば特許文献1では、主供給インジェクタおよび補助供給インジェクタが設けられており、主供給インジェクタの休止期間に、補助供給インジェクタからの噴射を行うことで循環能力を高めている。
特許第5610791号公報
しかしながら、特許文献1では、複数のインジェクタが必要であり、部品点数が増大し、システムが大型化する。本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エジェクタシステム内の流体の流量を適切に制御可能であるエジェクタシステムを提供することにある。
本発明の第1態様のエジェクタシステムは、インジェクタ(36)と、エジェクタ(40)と、制御部(60)と、を備える。インジェクタは、第1流体を噴射する。エジェクタは、第1流体を噴射することで生じる負圧により第2流体を吸引する。制御部は、循環流路(53)からエジェクタに吸引される第2流体の流量である循環流量に係る循環流量指令値に基づいてインジェクタのオンオフ周期である駆動周期に係る駆動周波数を決定する周波数演算部(62)、および、第1流体の流量である駆動流量に係る駆動流量指令値に基づき、駆動周期におけるオン時間の割合であるデューティ比を決定するデューティ演算部(61)を有し、駆動周波数に基づいてインジェクタの駆動を制御する。
エジェクタには、第2流体が吸引される混合部(45)と仕切り部(47)により区画されるとともに混合部とノズル部(43)を経由して連通し、インジェクタから第1流体が噴射される第1流体室(42)が設けられている。
混合部および循環流路を含み、第2流体が循環する空間を第2流体室(49)とすると、第2流体室(49)の容積は、第1流体室の容積より大きい。
デューティ演算部は、駆動周波数、および、第1流体室の容積に基づき、デューティ比を補正する。
第2態様のエジェクタシステムは、インジェクタ(36)と、エジェクタ(40)と、制御部(60)と、を備える。インジェクタには、第1流体を噴射する。エジェクタには、第1流体を噴射することで生じる負圧により第2流体が吸引される混合部(45)、および、混合部と仕切り部(47)により区画されるとともに混合部とノズル部(43)を経由して連通し、インジェクタから第1流体が噴射されるノズル室(42)が形成される。制御部は、インジェクタのオンオフ周期である駆動周期に係る駆動周波数、および、第1流体室の容積に基づき、駆動周期におけるオン時間の割合であるデューティ比を決定するデューティ演算部(61)を有し、デューティ比および駆動周波数に基づいてインジェクタの駆動を制御する。これにより、インジェクタ数等の構成によらず、エジェクタシステム内の流体の流量を適切に制御可能である。
第1実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。 第1実施形態によるエジェクタシステムの構成を示す概略構成図である。 第1実施形態による駆動流量および循環流量を説明するタイムチャートである。 第1実施形態による循環流量を説明するタイムチャートである。 第1実施形態による駆動流量と循環流量との関係を説明する説明図である。 第1実施形態による駆動制御処理を説明するフローチャートである。 第2実施形態によるエジェクタシステムの構成を示す概略構成図である。 第3実施形態による駆動流量を説明するタイムチャートである。 第3実施形態による駆動周波数と駆動流量との関係を説明する説明図である。 第3実施形態による駆動制御処理を説明するフローチャートである。
(第1実施形態)
以下、エジェクタシステムを図面に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。図1に示すように、エジェクタシステム35は、図示しない車両に搭載される燃料電池システム1に適用される。燃料電池システム1は、燃料電池5、空気供給経路10、燃料供給経路20、および、制御部60等を備える。
燃料電池5は、例えば固体高分子電解質型のものであって、基本単位となる複数のセルが積層されたスタック構造を有する。燃料電池5は、燃料ガスである水素と、酸化剤ガスである空気中の酸素の化学反応により、電気エネルギを発生させる。本実施形態では、燃料電池5にて発生した電気エネルギは、車両の走行用モータの駆動等に用いられる。燃料電池5には、空気供給経路10を経由して空気が供給され、燃料供給経路20を経由して水素が供給される。水素および酸素は、反応ガスと称される。また、化学反応を終えたオフガスは、燃料電池5から排出される。
空気供給経路10は、供給流路11、排出流路12、および、コンプレッサ15等を有する。供給流路11は、コンプレッサ15により取り込まれた空気を、燃料電池5に供給する。排出流路12は、化学反応を終えた空気である酸素オフガスを燃料電池5から外部に排出する。また、化学反応を終えた燃料ガスである燃料オフガスは、燃料電池5から循環流路53に排出される。
燃料供給経路20は、燃料タンク21、供給流路22、エジェクタシステム35、および、排出流路58等を有する。燃料タンク21には、高圧の燃料ガスが貯留される。供給流路22には、シャットバルブ23、レギュレータ24、および、圧力センサ71が設けられる。シャットバルブ23が開弁すると、燃料タンク21中の燃料ガスが供給流路22に供給される。レギュレータ24は、供給された燃料ガスを調圧する。レギュレータ24により調圧された燃料ガスは、インジェクタ36に供給される。圧力センサ71は、レギュレータ24の下流側の圧力を検出し、検出信号を制御部60に出力する。
図1および図2に示すように、エジェクタシステム35は、インジェクタ36、エジェクタ40、ディフューザ部51、内部流路52、および、循環流路53を有する。インジェクタ36は、供給流路22を経由して燃料ガスが供給され、燃料ガスをエジェクタ40の第1流体室42に噴射する。インジェクタ36は、第2流体の慣性力の減衰時定数よりも早い応答性を有している。本実施形態では、第1流体室42が「ノズル室」に対応する。
図2に示すように、エジェクタ40には、駆動流入口41、第1流体室42、ノズル部43、循環流入口44、混合部45、および、流体出口46が形成される。第1流体室42は、仕切り部47にて混合部45と区画され、ノズル部43を経由して混合部45と連通する。第1流体室42は、混合部45の内側に同軸に形成される。第1流体室42には駆動流入口41が形成され、混合部45には循環流入口44が形成される。本実施形態では、エジェクタ40は、駆動流入口41、ノズル部43および流体出口46が同軸となるように形成されている。
インジェクタ36から噴射された燃料ガスは、駆動流入口41から第1流体室42に流入し、ノズル部43から混合部45に流入する。ノズル部43は、エジェクタ40内において、第1流体室42の第1流体の流量減少時定数より、混合部45の第2流体の流量減少時定数の方が大きくなるように形成されている。
混合部45は、循環流入口44を経由して循環流路53と連通する。循環流路53を流れる燃料オフガスは、燃料ガスがノズル部43から混合部45に流入することにより生じる負圧により駆動され、混合部45に吸い込まれる。
ノズル部43を経由して混合部45に流入した燃料ガス、および、循環流入口44を経由して混合部45に流入した燃料オフガスは、流体出口46からディフューザ部51に流出し、燃料電池5に供給される。
ディフューザ部51と循環流路53とに接続される燃料電池5内部の流路を内部流路52とする。また、混合部45、ディフューザ部51、内部流路52および循環流路53を第2流体室49とする。本実施形態では、インジェクタ36から第1流体室42に噴射される燃料ガスを「第1流体」、第2流体室49を流通する燃料オフガス、および、燃料オフガスと混合された燃料ガスを「第2流体」とする。以下適宜、第1流体を「駆動流」、第2流体を「循環流」とする。本実施形態では、第2流体室49の容積は、第1流体室42の体積より大きい。図2では、説明のため、第1流体室42を梨地で示し、第2流体室49を破線のハッチングにて示した。
図1に示すように、ディフューザ部51には、圧力センサ72が設けられる。圧力センサ72は、ディフューザ部51の圧力を検出し、検出信号を制御部60に出力する。循環流路53には、気液分離器54および逆止弁55が設けられる。気液分離器54は、燃料オフガスを液体と気体に分離する。分離された液体は、燃料電池5での化学反応により生じた水であり、排水弁57を開とすることで、排水路56を経由して外部に排出される。分離された気体は、逆止弁55を経由して循環流入口44から混合部45に吸引される。また、分離された気体は、パージ弁59を開とすることで、排出流路58を経由して排出可能である。
制御部60は、マイコン等を主体として構成され、内部には図示しないCPU、ROM、RAM、I/O、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。ECU50における各処理は、ROM等の実体的なメモリ装置(すなわち、読み出し可能非一時的有形記録媒体)に予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。
図2に示すように、制御部60は、デューティ演算部61および周波数演算部62を有する。デューティ演算部61は、駆動流量指令値Fd*に基づき、インジェクタ36のデューティ比Dを決定する。本実施形態では、インジェクタ36のコイルに給電するパルス状励磁電流のデューティ比Dを変化させることで、駆動流量Fdを制御する。デューティ比Dは、パルス状励磁電流のオン時間Tonを、パルス状励磁電流のオン時間Tonとオフ時間Toffとを加算したスイッチング周期で除した値とする。すなわち、D=Ton/(Ton+Toff)である。駆動流量Fdは、デューティ比Dに概ね比例する。
周波数演算部62は、インジェクタ36のオンオフ周期である駆動周期に係る駆動周波数fを演算する。制御部60は、決定されたデューティ比Dおよび駆動周波数fにて駆動回路65を制御することで、インジェクタ36の駆動を制御する。
駆動流量Fdおよび循環流量Fcを図3に基づいて説明する。図3では、上段から、インジェクタ駆動信号、駆動流量Fd、循環流量Fcを示す。図中、インジェクタを「INJ」と記載した。
図3に示すように、時刻t1から時刻t2の間、インジェクタ駆動信号がオンされているとき、駆動流量Fdは、時刻t1から時刻t2の間、値Ldとなり、理論的には、時刻t2にて0になる。循環流量Fcは、時刻t1から時刻t2の間、値Lcとなり、時刻t2から時刻t3にて漸減し、時刻t3にて0になる。第2流体は、慣性力を持った流体であるので、インジェクタ36をオフしても、循環流が流れようとする力が働き、時刻t2から時刻t3の期間は、循環流が流れ続ける。なお、本実施形態では、第3実施形態にて説明する駆動流のオーバーシュートがないものとして説明する。
図4(a)は駆動周波数fが相対的に低い場合の循環流量Fcを示し、図4(b)は駆動周波数fが相対的に高い場合の循環流量Fcを示している。図4(a)は、例えばf=1Hz、図4(b)は、例えばf=1kHzであり、デューティ比Dは等しいものとする。図4(a)および図4(b)では、それぞれ、上段にインジェクタ駆動信号、下段に循環流量Fcを示した。
図4(a)の例では、インジェクタ36のオフ後の循環流の増加分は略無視することができる。一方、図4(b)の例では、インジェクタ36のオフ後の循環流の増加により、循環流量Fcが増加する。すなわち、図4(b)における平均循環流量Fc_Hは、図4(a)における平均循環流量Fc_Lより大きい。
図5では、横軸を駆動流量Fd、縦軸を循環流量Fcとして、駆動流量Fdと循環流量Fcとの関係を示している。図5に破線で示すように、駆動周波数fが図4(a)に示す程度と相対的に低い場合、駆動流量Fdと循環流量Fcとが概ね比例する。図5に実線で示すように、駆動周波数fが図4(b)に示す程度と相対的に高く、インジェクタ36を高周波駆動する場合、駆動流量Fdに対する循環流量Fcの割合が増加する。そこで本実施形態では、駆動流量指令値Fd*に基づいてデューティ比Dを決定し、循環流量指令値Fc*に基づいて駆動周波数fを決定することで、所望の駆動流量Fdおよび循環流量Fcを実現可能である。
本実施形態の駆動制御処理を図6のフローチャートに基づいて説明する。この処理は、制御部60にて所定の周期で実行される。以下、ステップS101の「ステップ」を省略し、単に記号「S」と記す。他のステップも同様である。
S101では、制御部60は、駆動流量指令値Fd*および循環流量指令値Fc*の入力があるか否かを判断する。駆動流量指令値Fd*は、要求水素量等に応じて決定され、循環流量指令値Fc*は、燃料電池5の状態等に応じて決定される。駆動流量指令値Fd*および循環流量指令値Fc*は、例えば図示しない上位ECUから入力されるが、制御部60内にて演算され、内部的に取得するようにしてもよい。駆動流量指令値Fd*および循環流量指令値Fc*の入力がないと判断された場合(S101:NO)、以下の処理を行わず、本ルーチンを終了する。駆動流量指令値Fd*および循環流量指令値Fc*の入力があると判断された場合(S101:YES)、S102へ移行する。
S102では、制御部60は、駆動流量指令値Fd*および循環流量指令値Fc*が、エジェクタ許容範囲にあるか否かを判断する。駆動流量指令値Fd*および循環流量指令値Fc*がエジェクタ許容範囲内ではないと判断された場合(S102:NO)、以下の処理を行わず、本ルーチンを終了する。駆動流量指令値Fd*および循環流量指令値Fc*がエジェクタ許容範囲内であると判断された場合(S102:YES)、S103へ移行する。
S103では、デューティ演算部61は、駆動流量指令値Fd*に基づき、デューティ比Dを決定する。S104では、周波数演算部62は、決定されたデューティ比Dおよび循環流量指令値Fc*に基づき、駆動周波数fを決定する。本実施形態では、エジェクタシステム35の駆動流量Fdと循環流量Fcとの特性である駆動-循環特性、および、循環周波数特性がマップ等に予め記憶されており、マップ演算によりデューティ比Dおよび駆動周波数fを決定する。S105では、制御部60は、デューティ比Dおよび駆動周波数fに応じて設定される駆動波形を駆動回路65に出力する。
本実施形態では、インジェクタオフ時に循環流が流れ続けようとする性質を利用し、インジェクタ36の駆動周波数fを高くすることで、循環流量Fcを増加させている。また、また、駆動流量指令値Fd*および循環流量指令値Fc*に基づいて、デューティ比Dおよび駆動周波数fを決定することで、駆動流量Fdおよび循環流量Fcを適切に制御することができる。
以上説明したように、エジェクタシステム35は、インジェクタ36と、エジェクタ40と、制御部60と、を備える。本実施形態では、エジェクタシステム35は、燃料電池システム1に適用される。
インジェクタ36は、第1流体を噴射する。エジェクタ40は、第1流体の噴射により生じる負圧により第2流体を吸引する。制御部60は、周波数演算部62を備える。周波数演算部62は、循環流路53からエジェクタ40に吸引される第2流体の流量である循環流量Fcに係る循環流量指令値Fc*に基づき、インジェクタ36のオンオフ周期である駆動周期に係る駆動周波数fを決定する。制御部60は、駆動周波数fに基づいてインジェクタ36の駆動を制御する。
これにより、循環流量Fcを適切に制御することができる。駆動周波数fを変えることで循環流量Fcが変わり、結果的に循環流量比を変えることができる。また、駆動周波数fを高め、インジェクタ36を高周波駆動することで、循環流量Fcを高めることができ、循環性能が向上する。さらにまた、1本のインジェクタ36にて、駆動周波数fを変更することで循環流量Fcを制御可能であるので、複数のインジェクタを設ける場合と比較し、部品点数を低減することができる。
制御部60は、第1流体の流量である駆動流量に係る駆動流量指令値Fd*に基づき、駆動周期におけるオン時間の割合であるデューティ比Dを決定するデューティ演算部61を有する。これにより、駆動流量Fdを適切に制御することができる。
エジェクタ40には、第2流体が吸引される混合部45と仕切り部47により区画されるとともに混合部45とノズル部43を経由して連通し、インジェクタ36から第1流体が噴射される第1流体室42が設けられる。混合部45および循環流路53を含み、第2流体が循環する空間を第2流体室49とする。第2流体室49の容積は、第1流体室42の容積より大きい。これにより、インジェクタオフ時に第2流体が流れ続けようとする力が働き、循環流量Fcを増加させることができる。
周波数演算部62は、循環流量Fcを相対的に大きくする場合、駆動周波数fを相対的に大きくする。これにより、駆動周波数fの設定により、循環流量Fcを適切に制御可能である。なお、駆動周波数fが高すぎると、インジェクタ36が開かずに第1流体が流れなかったり、インジェクタ36のリニアリティが低下したりするので、駆動周波数fは、このような不具合が起こらない範囲とすることが望ましく、例えば数Hz~数10kHzの範囲とする。
第2流体の流量減少時定数は、第1流体の流量減少時定数より大きい。また、インジェクタ36は、第2流体の慣性力の減衰時定数より早い応答性を有している。これにより、インジェクタ36の高周波駆動により、循環流量Fcを高めることができる。
(第2実施形態)
第2実施形態を図7に示す。図7は、図2に対応する図面であるが、第1流体室42と第2流体室49とを区別するためのハッチング等は省略した。本実施形態では、循環流路53には、流量センサ73が設けられる。流量センサ73は、循環流量Fcを検出し、検出値を制御部60に出力する。本実施形態の駆動制御処理は、S104での処理が上記実施形態と異なる。S104にて、周波数演算部62は、決定されたデューティ比D、循環流量指令値Fc*および循環流量Fcに基づき、フィードバック制御により駆動周波数fを決定する。詳細には、循環流量指令値Fc*と循環流量Fcとの差が0となるように、例えばPI演算等により駆動周波数fを決定する。なお、第1実施形態では、フィードフォワード制御により駆動周波数fを決定している、といえる。
本実施形態では、フィードバック制御により駆動周波数fを決定している。これにより、より適切に循環流量Fcを制御することができる。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
(第3実施形態)
第3実施形態を図8~図10に示す。本実施形態では、駆動制御処理が異なっている。エジェクタシステム35は、第1実施形態または第2実施形態と同様であって、図2に示すように、第1流体室42が容積を有している。そのため、図8(a)および図8(b)に示すように、インジェクタ36をオンしたとき、インジェクタ36の内部と第1流体室42との圧力差により、駆動流量Fdにオーバーシュートが生じる。図8(a)は駆動周波数fが相対的に低い場合の駆動流量Fdを示し、図8(b)は駆動周波数fが相対的に高い場合の駆動流量Fdを示している。図8(a)は、例えばf=1Hz、図8(b)はf=1kHzであり、デューティ比Dは等しいものとする。図8(a)および図8(b)では、それぞれ、上段にインジェクタ駆動信号、下段に駆動流量Fdを示した。図8(a)では、インジェクタオン時のオーバーシュートによる駆動流の増加分は、略無視することができる。一方、図8(b)の例では、インジェクタオン時のオーバーシュートにより、駆動流量Fdが増加する。
図9に破線で示すように、例えば仕切り部47が設けられておらず、インジェクタ36が混合部45に直接的に燃料ガスを噴霧する場合、換言すると第1流体室42の体積が0の場合、圧力差によるオーバーシュートが生じないため、駆動周波数fによらず、駆動流量Fdは一定である。一方、図9に実線で示すように、第1流体室42が容積を有している場合、駆動周波数fが大きくなるほど、駆動流量Fdが大きくなる。
そこで本実施形態では、駆動周波数fおよび第1流体室42の容積に応じ、デューティ比Dを補正している。本実施形態の駆動制御処理を図10のフローチャートに基づいて説明する。図10では、S104とS105との間に、S110が追加されている点が図6と異なる。S110では、デューティ演算部61は、第1流体室42の容積およびS104で決定された駆動周波数fに基づき、デューティ補正値ΔDを演算する。そして、S103にて決定されたデューティ比Dから、デューティ補正値ΔDを減算し、補正後デューティ比Daを決定する。S105では、制御部60は、補正後デューティ比Daおよび駆動周波数fに応じて設定される駆動波形を駆動回路65に出力する。
本実施形態では、デューティ演算部61は、インジェクタ36のオンオフ周期である駆動周期に係る駆動周波数f、および、第1流体室42の容積に基づき、駆動周期におけるオン時間の割合であるデューティ比Dを決定する。詳細には、デューティ演算部61は、駆動周波数fおよび第1流体室42の容積に基づき、駆動流量指令値Fd*に基づいて決定されたデューティ比Dを補正する。これにより、駆動流量Fdおよび循環流量Fcを適切に制御することができる。
(他の実施形態)
上記実施形態では、駆動流入口、ノズル部および流体出口が同軸に配置されている。他の実施形態では、駆動流入口、ノズル部および流体出口の少なくとも一部は、同軸に配置されていなくてもよい。上記実施形態では、第1流体室と混合部とが仕切り部により区画されている。他の実施形態では、仕切り部を省略し、インジェクタからの第1流体が、混合部に直接的に噴射されるようにしてもよい。すなわち、第1流体室の容積が0であってもよい。また、インジェクタが複数設けられていてもよく、エジェクタシステムおよび燃料電池システムの構成は、上記実施形態と異なっていてもよい。
上記実施形態では、エジェクタシステムは、車両の燃料電池システムに適用される。他の実施形態では、エジェクタシステムは、車両以外の燃料電池システム、エアコン、ヒートポンプシステム、または、塗料塗布システム等、燃料電池システム以外に適用してもよい。以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
1・・・燃料電池システム
35・・・エジェクタシステム
36・・・インジェクタ 40・・・エジェクタ
42・・・第1流体室(ノズル室)
45・・・混合部 47・・・仕切り部
53・・・循環流路
60・・・制御部
61・・・デューティ演算部
62・・・周波数演算部

Claims (6)

  1. 第1流体を噴射するインジェクタ(36)と、
    前記第1流体を噴射することで生じる負圧により第2流体を吸引するエジェクタ(40)と、
    循環流路(53)から前記エジェクタに吸引される前記第2流体の流量である循環流量に係る循環流量指令値に基づいて前記インジェクタのオンオフ周期である駆動周期に係る駆動周波数を決定する周波数演算部(62)、および、前記第1流体の流量である駆動流量に係る駆動流量指令値に基づき、前記駆動周期におけるオン時間の割合であるデューティ比を決定するデューティ演算部(61)を有し、前記駆動周波数に基づいて前記インジェクタの駆動を制御する制御部(60)と、
    を備え
    前記エジェクタには、前記第2流体が吸引される混合部(45)と仕切り部(47)により区画されるとともに前記混合部とノズル部(43)を経由して連通し、前記インジェクタから前記第1流体が噴射される第1流体室(42)が設けられており、
    前記混合部および前記循環流路を含み、前記第2流体が循環する空間を第2流体室(49)とすると、
    前記第2流体室(49)の容積は、前記第1流体室の容積より大きく、
    前記デューティ演算部は、前記駆動周波数、および、前記第1流体室の容積に基づき、前記デューティ比を補正するエジェクタシステム。
  2. 前記周波数演算部は、前記循環流量を相対的に大きくする場合、前記駆動周波数を相対的に大きくする請求項1に記載のエジェクタシステム。
  3. 第1流体を噴射するインジェクタ(36)と、
    前記第1流体を噴射することで生じる負圧により第2流体が吸引される混合部(45)、および、前記混合部と仕切り部(47)により区画されるとともに前記混合部とノズル部(43)を経由して連通し、前記インジェクタから前記第1流体が噴射されるノズル室(42)が形成されるエジェクタ(40)と、
    前記インジェクタのオンオフ周期である駆動周期に係る駆動周波数、および、前記ノズル室の容積に基づき、前記駆動周期におけるオン時間の割合であるデューティ比を決定するデューティ演算部(61)を有し、前記デューティ比および前記駆動周波数に基づいて前記インジェクタの駆動を制御する制御部(60)と、
    を備えるエジェクタシステム。
  4. 前記第2流体の流量減少時定数は、前記第1流体の流量減少時定数より大きい請求項1~のいずれか一項に記載のエジェクタシステム。
  5. 前記インジェクタは、前記第2流体の慣性力の減衰時定数より早い応答性を有している請求項1~のいずれか一項に記載のエジェクタシステム。
  6. 燃料電池システム(1)に適用される請求項1~のいずれか一項に記載のエジェクタシステム。
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