CN115814973A - 一种四喷嘴喷射器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四喷嘴喷射器及控制方法，涉及喷射器技术领域，通过控制不同喷嘴的开度，满足了燃料电池的循环要求；具体方案如下：一种四喷嘴喷射器，包括沿喷射器轴线依次连通的一次流管、四喷嘴结构、混合室和扩散室，一次流管的数量对应四喷嘴结构的喷嘴数量且一一对应连通，每个一次流管上设置电磁阀；四喷嘴结构包括沿轴线设置的共轴双喷嘴，共轴双喷嘴包括第一喷嘴和第四喷嘴，共轴双喷嘴两侧设置按照燃料电池额定功率对应流量的20％进行设计的第二喷嘴和第三喷嘴，第一喷嘴按照燃料电池额定功率对应流量的10％进行设计，第四喷嘴按照燃料电池额定功率对应流量的50％进行设计，四喷嘴结构通过电磁阀实现不同喷嘴组合以覆盖到每个功率范围。

Description

一种四喷嘴喷射器及控制方法

技术领域

本发明涉及喷射器和燃料电池技术领域，尤其是涉及一种四喷嘴喷射器及控制方法。

背景技术

喷射器是利用一种流体引射另一种流体来实现能量转换的机械装置，在燃料电池的实际应用中，喷射器的性能主要由燃料电池的输出功率决定。燃料电池可以应用在多种场合，面对各种复杂的工作环境要求在各种情况下稳定输出，所以要求设计的喷射器能够在较宽的功率范围内高效工作_。而传统喷射器的设计是在燃料电池某一个输出功率点进行设计的，所以当偏离设计的工况点后，传统喷射器的性能会大幅度下降，不能在较宽的功率范围内工作，具有很大的局限性。还有一种可变喷嘴喷射器，通过可控喷针调整喷嘴的大小来改变喷射器的工况范围，虽然可以解决传统喷射器工作范围狭窄的问题。但是，由于喷针的位置需要高精度控制，且其需要稳定的工作环境，这将导致喷射器的驱动装置变得极其复杂，不太适用于动态运行的燃料电池***中。

发明人发现，当喷射器在燃料电池宽功率范围内工作时，避免不了会出现变工况的情况。当燃料电池功率变换时，喷射器的工作喷嘴也会发生改变，喷射器会出现喷嘴急停急启的现象，导致流量阶跃跳动而且流量的波动对燃料电池的电堆产生一定的冲击，导致电堆的使用寿命下降，同时也会出现喷射器流量供应不足、燃料电池达不到输出功率的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种四喷嘴喷射器及控制方法，通过组合不同的喷嘴来满足燃料电池的输出响应，可以让四喷嘴喷射器不仅在燃料电池大功率范围下工作还能满足燃料电池变工况下稳压供氢的需求，覆盖到每个功率范围。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种四喷嘴喷射器，包括沿喷射器轴线依次连通的一次流管、四喷嘴结构、混合室和扩散室，一次流管的数量对应四喷嘴结构的喷嘴数量且一一对应连通，每个一次流管上设置电磁阀；

四喷嘴结构包括沿轴线设置的共轴双喷嘴，共轴双喷嘴包括第一喷嘴和第四喷嘴，共轴双喷嘴两侧设置按照燃料电池额定功率对应喷射流量的20％进行设计的第二喷嘴和第三喷嘴，第一喷嘴按照燃料电池额定功率对应喷射流量的10％进行设计，第四喷嘴按照燃料电池额定功率对应喷射流量的50％进行设计，四喷嘴结构通过电磁阀实现不同喷嘴组合以覆盖到每个功率范围。

作为进一步的实现方式，所述第二喷嘴和第三喷嘴关于共轴双喷嘴对称设置，第一喷嘴的喉部面积小于第四喷嘴的喉部面积。

作为进一步的实现方式，还包括吸入室和二次流管，所述吸入室和二次流管分别设置在四喷嘴结构两侧并与混合室连通。

作为进一步的实现方式，所述混合室包括依次设置的恒压混合室和恒面积混合室。

作为进一步的实现方式，所述第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴的喷嘴出口为圆形，第四喷嘴的喷嘴出口为环形。

作为进一步的实现方式，所述第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴、第四喷嘴的工作状态由燃料电池的输出功率和电流大小决定。

作为进一步的实现方式，所述四喷嘴结构中每一个喷嘴均呈渐缩状的圆锥形，第一喷嘴的喉部直径为1mm，第二喷嘴和第三喷嘴的喉部直径为1.4mm，第四喷嘴的内径为1.4mm，外径为2.4mm，喷射器混合室面积混合段的直径为8mm。

作为进一步的实现方式，所述四喷嘴结构中的每个喷嘴均通过一次流管与对应供氢管道连通。

作为进一步的实现方式，所述一次流管上的电磁阀通过控制器来控制开度及开关；控制器还用于连接氢燃料电池输出端的电流传感器。

第二方面，一种四喷嘴喷射器的控制方法，采用如上任一所述的一种四喷嘴喷射器，包括如下步骤：

获取氢燃料电池输出端的电流传感器的电流值；

判断根据氢燃料电池输出电流大小来判断输出功率的大小；

根据氢燃料电池输出功率相对于额定功率的占比对四喷嘴结构中不同喷嘴进行组合，通过电磁阀控制对应喷嘴开度及开关。

上述本发明的有益效果如下：

1.本发明提出的四喷嘴喷射器，第一喷嘴按照燃料电池额定功率的10％进行设计，第四喷嘴按照燃料电池额定功率的50％进行设计，第二喷嘴和第三喷嘴按照燃料电池额定功率的20％进行设计，由于喷射器喷嘴的特殊性，通过喷嘴的组合，可以工作在燃料电池额定功率的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，覆盖到每个功率范围。

2.在某一个电流范围内工作，控制电磁阀的开度来控制输送氢气流量的大小。通过控制不同喷嘴的开度，不仅可以线性、稳定、均匀的输送氢气，满足了燃料电池的循环要求；还避免喷嘴的急停急起，对燃料电池电堆产生一定的保护作用。

3.本发明通过对四喷嘴喷射器的设计配合喷嘴的逻辑控制方法，让燃料电池在切换功率时，让喷嘴开启程度得到一种控制，使流量呈线性、稳定、均匀的输送，避免阶跃跳动，快速响应，满足功率的需求；四喷嘴喷射器安全可靠，成本低廉，可以使燃料电池大范围输出功率下工作。

附图说明

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

图1是现有喷射器的结构示意图。

图2是本发明实施例中四喷嘴喷射器的结构示意图。

图3是图2的局部结构示意图。

图4是本发明实施例中四喷嘴结构示意图

图5是图4的侧面结构示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1-一次流管，2-吸入室，3-传统单喷嘴，4-二次流管，5-恒压混合室，6-恒面积混合室，7-扩散室，8-四喷嘴结构，Pe-氢燃料电池额定功率；

8-1-第一喷嘴，8-2-第二喷嘴，8-3-第三喷嘴，8-4-第四喷嘴。

具体实施方式

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

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1-图5所示，一种四喷嘴喷射器，包括沿喷射器轴线依次连通的一次流管1、四喷嘴结构8、混合室和扩散室7，还包括吸入室2和二次流管4，所述吸入室2和二次流管4分别设置在四喷嘴结构8两侧并与混合室连通。

一次流管1用于接收从储氢罐流出并经过减压后的氢气，在四喷嘴结构8出口处形成低压区域，吸入和二次流管4连通的燃料电池阳极出口处的气体，在混合室混合后经扩散室7送入燃料电池中。

四喷嘴结构8中包括四个喷嘴，四个喷嘴与一次流管1一一对应连通，包括第一喷嘴8-1、第二喷嘴8-2、第三喷嘴8-3和第四喷嘴8-4，每个一次流管上设置电磁阀，用于控制不同喷嘴的开度及开关，以满足氢燃料电池不同的功率范围需求。

混合室包括依次连通的恒压混合室5和恒面积混合室6，恒压混合室5和恒面积混合室6均设置在喷射器的轴线上。

具体的，四喷嘴结构包括沿轴线设置的共轴双喷嘴，共轴双喷嘴包括第一喷嘴8-1和第四喷嘴8-4，第二喷嘴8-2和第三喷嘴8-3关于共轴双喷嘴对称设置，第一喷嘴8-1的喉部面积小于第四喷嘴8-4的喉部面积，第一喷嘴8-1、第二喷嘴8-2、第三喷嘴8-3的喷嘴出口为圆形，第四喷嘴8-4的喷嘴出口为环形。

具体的，本实施例的共轴双喷嘴两侧设置按照燃料电池额定功率对应喷射流量的20％进行设计的第二喷嘴8-2和第三喷嘴8-3，第一喷嘴8-1按照燃料电池额定功率对应喷射流量的10％进行设计，第四喷嘴8-4按照燃料电池额定功率对应喷射流量的50％进行设计。

四喷嘴结构中的每个喷嘴均通过一次流管1与对应供氢管道连通，一次流管上的电磁阀用来控制不同喷嘴的开启程度，从而实现喷嘴的开启和关闭，四喷嘴结构通过电磁阀实现不同喷嘴组合以覆盖到每个功率范围。

四喷嘴结构中每一个喷嘴通过的流量也是根据燃料电池的额定功率进行设计的，流量的大小决定着燃料电池的输出功率，同时电流大小也间接反映出燃料电池输出功率的大小，即第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴、第四喷嘴的工作状态由燃料电池的输出功率和电流大小决定。

进一步的，四喷嘴结构中每一个喷嘴均呈渐缩状的圆锥形，本实施例的第一喷嘴的喉部直径为1mm，第二喷嘴和第三喷嘴的喉部直径为1.4mm，第四喷嘴的内径为1.4mm，外径为2.4mm，喷射器混合室面积混合段的直径为8mm。

可以理解的是，一次流管1上的电磁阀通过控制器来控制开度及开关；控制器还用于连接氢燃料电池输出端的电流传感器。电流传感器检测氢燃料电池输出端的电流值，控制器根据电流值判断输出功率的大小，从而对喷嘴进行组合使用并控制电磁阀开启不同的喷嘴。

本实施例的四喷嘴结构将传统喷嘴分为第一喷嘴8-1、第二喷嘴8-2、第三喷嘴8-3和第四喷嘴8-4。

由于喷射器喷嘴的特殊性，通过四喷嘴结构中不同喷嘴的组合，可以工作在燃料电池额定功率的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，覆盖到每个功率范围。四喷嘴喷射器安全可靠，成本低廉，可以使燃料电池大范围输出功率下工作。

在另一示例中，第一喷嘴按照燃料电池额定功率对应喷射流量的10％进行设计，第二喷嘴按照燃料电池额定功率对应喷射流量的20％进行设计，第三喷嘴按照燃料电池额定功率对应喷射流量的30％进行设计，第四喷嘴按照燃料电池额定功率对应喷射流量的40％进行设计。该设置方式中，第二喷嘴和第三喷嘴的内径不同，四喷嘴结构不是轴对称结构。

本实施例优选四喷嘴结构为对称结构。

具体的，如图1所示，目前的喷射器包括一次流管1，二次流管4，传统单喷嘴3，吸入室2，混合室5和6，扩散室7。

其中混合室5是恒压混合室、6是恒面积混合室。一次流管1和传统单喷嘴3相连，传统单喷嘴3通过吸入室2到达混合室；经过恒压混合室5和恒面积混合室6，之后恒面积混合室6与扩散室7相连；二次流管4置于四喷嘴结构的下方，并和混合室连通。

如图2所示，本实施例设计的四喷嘴喷射器，包括一次流管1，二次流管4，四喷嘴结构8，吸入室2，恒压混合室5、恒面积混合室6，扩散室7。四喷嘴结构8中的不同喷嘴可以进行任意组合，由此可以覆盖到氢燃料电池的每个功率范围。

燃料电池供氢循环***中喷射器的工作原理：来自储氢罐的高压氢气经过减压阀得到合适的供氢压力，通过一次流管1进入各个喷嘴中，在喷嘴出口形成一个低压区域，该低压区域可经过二次流管4吸入燃料电池阳极出口处未反应的氢气、氮气和水蒸气，然后在混合室内充分混合，最后经扩散室7将混合气体再次送入到燃料电池。

实施例二

本实施例提供一种四喷嘴喷射器的控制方法，其采用如实施例一所述的一种四喷嘴喷射器，包括如下步骤：

获取氢燃料电池输出端的电流传感器的电流值；

判断根据氢燃料电池输出电流大小来判断输出功率的大小；

根据氢燃料电池输出功率相对于氢燃料电池额定功率Pe的占比对四喷嘴结构中不同喷嘴进行组合，通过电磁阀控制对应喷嘴开度及开关，满足氢燃料电池不同的功率需求。

本实施例的四喷嘴喷射器的适用功率范围为17kW-170kW。在170kW燃料电池氢循环***的***中，喷射器的供氢压力设定在合适的范围6bar-10bar，温度为20℃，二次流氢气压力为1.9bar、温度为70℃；喷射器出口压力为2.1bar、温度为65℃。

表1

如上表1所示，本实施例的四喷嘴喷射器的控制依据，控制器根据燃料电池输出端的电流传感器检测的电流大小来判断氢燃料电池输出功率的大小，并计算其相对于氢燃料电池额定功率Pe的占比，从而根据比值对喷嘴进行组合使用并控制电磁阀开启不同的喷嘴。

电流大小为0-50A时，燃料电池输出功率是额定功率的10％，此时开开启第一喷嘴的开度即可；

电流范围为51-100A，此时输出功率是额定功率的20％，开启第二喷嘴或第三喷嘴；

电流范围为101-150A，输出功率是额定功率的30％，在此范围内开启第一喷嘴和第二喷嘴(或第三喷嘴)；

电流范围为151-210A，输出功率是额定功率的40％，开启第二喷嘴和第三喷嘴；

电流范围为211-250A，输出功率是额定功率的50％，开启第四喷嘴即可；

电流范围为251-310A，输出功率是额定功率的60％，开启第一喷嘴和第四喷嘴；

电流范围在311-360A，输出功率是额定功率的70％，开启第二喷嘴(或第三喷嘴)和第四喷嘴；

电流范围在361-412A，输出功率是额定功率的80％，开启第一喷嘴、第二喷嘴(或第三喷嘴)和第四喷嘴；

电流范围在413-445A，输出功率是额定功率的90％，开启第二喷嘴、第三喷嘴和第四喷嘴；

电流范围在446-495A，即额定功率下，四个喷嘴全部开启。

通过多喷嘴逻辑控制方法，能够快速响应燃料电池在变工况条件下的需求，覆盖氢燃料电池的全功率范围。

例如燃料电池从10％功率模式下切换到20％功率模式下，供氢压力保持不变，通过电磁阀控制喷嘴的开度，减小第一喷嘴的开度，增大第二喷嘴(或第三喷嘴)的开度，使流量呈线性上升的趋势，直到第二喷嘴完全开启，第一喷嘴关闭。

同时在某一个电流范围内工作，控制电磁阀的开度来控制输送氢气流量的大小。通过控制不同喷嘴的开度，不仅可以线性、稳定、均匀的输送氢气，满足了燃料电池的循环要求；还避免喷嘴的急停急起，对燃料电池电堆产生一定的保护作用。

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

Claims (10)

1.一种四喷嘴喷射器，其特征在于，包括沿喷射器轴线依次连通的一次流管、四喷嘴结构、混合室和扩散室，一次流管的数量对应四喷嘴结构的喷嘴数量且一一对应连通，每个一次流管上设置电磁阀；

四喷嘴结构包括沿轴线设置的共轴双喷嘴，共轴双喷嘴包括第一喷嘴和第四喷嘴，共轴双喷嘴两侧设置按照燃料电池额定功率对应喷射流量的20％进行设计的第二喷嘴和第三喷嘴，第一喷嘴按照燃料电池额定功率对应喷射流量的10％进行设计，第四喷嘴按照燃料电池额定功率对应喷射流量的50％进行设计，四喷嘴结构通过电磁阀实现不同喷嘴组合以覆盖到每个功率范围。

2.根据权利要求1所述的一种四喷嘴喷射器，其特征在于，所述第二喷嘴和第三喷嘴关于共轴双喷嘴对称设置，第一喷嘴的喉部面积小于第四喷嘴的喉部面积。

3.根据权利要求1所述的一种四喷嘴喷射器，其特征在于，还包括吸入室和二次流管，所述吸入室和二次流管分别设置在四喷嘴结构两侧并与混合室连通。

4.根据权利要求3所述的一种四喷嘴喷射器，其特征在于，所述混合室包括依次设置的恒压混合室和恒面积混合室。

5.根据权利要求1所述的一种四喷嘴喷射器，其特征在于，所述第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴的喷嘴出口为圆形，第四喷嘴的喷嘴出口为环形。

6.根据权利要求1所述的一种四喷嘴喷射器，其特征在于，所述第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴、第四喷嘴的工作状态由燃料电池的输出功率和电流大小决定。

7.根据权利要求1所述的一种四喷嘴喷射器，其特征在于，所述四喷嘴结构中每一个喷嘴均呈渐缩状的圆锥形。

8.根据权利要求1所述的一种四喷嘴喷射器，其特征在于，所述四喷嘴结构中的每个喷嘴均通过一次流管与对应供氢管道连通。

9.根据权利要求8所述的一种四喷嘴喷射器，其特征在于，所述一次流管上的电磁阀通过控制器来控制开度及开关；控制器还用于连接氢燃料电池输出端的电流传感器。

10.一种四喷嘴喷射器的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的一种四喷嘴喷射器，包括如下步骤：

获取氢燃料电池输出端的电流传感器的电流值；

判断根据氢燃料电池输出电流大小来判断输出功率的大小；

根据氢燃料电池输出功率相对于额定功率的占比对四喷嘴结构中不同喷嘴进行组合，通过电磁阀控制对应喷嘴开度及开关。

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